CN111879157A - 一种空气复温式lng汽化器及其工作方法 - Google Patents

一种空气复温式lng汽化器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气复温式LNG汽化器，包括壳体，所述壳体内固定设置有换热芯体，壳体的右端面上部通过法兰依顺连通有文丘里式流体分布器和LNG入口管；下部连通有冷空气出口接管器；左端面上部连通有NG出口接管器，下部通过法兰依顺连通有文丘里式流体分布器和热空气入口管。本发明解决了传统LNG汽化器由于流道局部阻力、入口流道分布欠佳等因素的存在，带来的换热效率低、流动阻力大致使换热器性能恶化的问题，结构简单，便于加工，易于清洗，不仅大大增加换热器换热效率，而且延长了其使用寿命。

Description

一种空气复温式LNG汽化器及其工作方法
技术领域
本发明涉及散热器技术领域，具体的是涉及一种新型空气复温式LNG汽化器及其工作方法。
背景技术
天然气(NG)一般以液化天然气(LNG)形式进行运输，然而在实际使用过程中，无论是应用于工业能源需求还是应用于民用燃气，液化天然气(LNG)往往需要通过加热汽化使其复温至常温气态后使用。空气作为廉价的低品位热源，其优势在于运行维护成本较低，易于获得且不消耗能量和动力，广泛运用于基本负荷型系统使用的LNG汽化器中。
LNG汽化器在传热过程中也存在诸多问题，如流体在流道内分布不均：由于流道局部阻力(如部分通道流阻过高)、入口流道分布欠佳(入口均流设置不合理)等因素的存在，大大降低LNG汽化器的换热效率。特别的，由于LNG的液态与气态密度比大(单位体积LNG 的密度约为单位体积NG的600倍，即单位体积LNG汽化后体积膨胀约600倍)，故LNG汽化器冷流道内分布不均尤为显著。流道受阻：包括冷流道(物性变化导致出口气体体积比剧增，带来换热效率低、压力损失大等问题)、热流道(换热比表面积需求大，空气侧水分干燥不完全而导致流道结霜)等，都会引起流体流动不均从而使换热器性能恶化。
由于LNG汽化时传热温差大，其蒸发时沸腾为强迫对流换热条件下的沸腾蒸发(即膜态沸腾)，传热系数降低，低温液体和过热气体并存，流动过程为不平衡的两相流，往往通过提高LNG的质量流速来改善。但提高LNG质量流速则导致汽化器内部扰流结构负载更高，强度更大，因此，传统的以空气作为热源的LNG汽化器，其缺点在于其占地面积大，单位汽化量的设备成本高。
发明内容
本发明的目的是针对以上现有技术存在的问题和不足，提供一种新型复温式LNG汽化器及其工作方法。
为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种空气复温式LNG汽化器，包括壳体4，所述壳体4内固定设置有换热芯体5，壳体4的左端面上部通过法兰依顺连通有文丘里式流体分布器3和LNG入口管2；下部连通有冷空气出口接管器1；右端面上部连通有NG出口接管器6，下部通过法兰依顺连通有文丘里式流体分布器3和热空气入口管7。
所述换热芯体5由隔热固定板5a、若干换热扁管5b、若干冷流道均热挡板5c和若干热流道均热挡板5d组成，其中所述隔热固定板5a的长宽与所述壳体4内的横截面的长宽相同，隔热固定板5a的上下平面上沿长度方向等间距对称开设有若干条T型槽，槽与槽之间均开设有若干矩形孔5a1，所述换热扁管5b采用金属硬密封穿插在矩形孔5a1中，所述冷流道均热挡板5c和热流道均热挡板5d的下端均设有T型凸肩，板面上开设有若干通孔5c1，所述冷流道均热挡板5c通过T型凸肩与所述隔热固定板5a上平面上的T型槽成配合连接，所述热流道均热挡板5d通过T型凸肩与所述隔热固定板5a下平面上的T型槽成配合连接。
所述文丘里式流体分布器3由两端设有喇叭口的喉腔3b和4根回流管3a构成，4根所述回流管3a与喉腔3b成十字形相连通，且同向成90度延伸。
所述隔热固定板5a将所述壳体4内分隔为上下两个流道，上流道为LNG冷流道4a，下流道为空气热流道4b。
所述的LNG冷流道4a自LNG入口端至NG出口端依顺为扩张型的单边成90度的梯形结构。
所述的冷流道均热挡板5c和热流道均热挡板5d板面上的通孔5c1为方形孔或圆孔，其开孔数量和大小根据设计的流道阻力进行核算，整体开孔率在0.6～0.9之间为宜。
每块所述的冷流道均热挡板5c的高度不同，沿流体流动方向逐渐升高，所述壳体4根据冷流道均热挡板5c的高度设计为相对应的扩张结构。
所述的等间距为换热扁管5b厚度的3～5倍。
所述的梯形结构的六面分别由所述隔热固定板5a，壳体4的上端面和前后侧面上部，左端面上部和右端面上部构成；其中，所述壳体4的左端面上部为LNG入口的通流截面，壳体 4的右端面上部为NG出口的通流截面，所述左右两通流截面的大小根据流通介质的经济流速确定。
一种空气复温式LNG汽化器的工作方法，所述空气复温式LNG汽化器分为如下两个工作流道进行工作：
一、LNG冷流道4a工作方法，LNG从LNG入口管2入口进入与其相连接的文丘里式流体分布器3，LNG在经过文丘里式流体分布器3的喉腔3b时，压力下降，速度增加，压能转变为动能，以致喉腔3b和与其相连的4根回流管3a产生真空，当LNG流体进入LNG冷流道4a后扩散形成流体尾翼，扩散至两端的流体尾翼在回流管3a的真空作用下绕回，形成回流区并达到强制循环效果，而后LNG经过换热扁管5b并吸收其从空气热流道4b所吸收的热量，逐步汽化变为NG从NG出口接管器6流出；
二、空气热流道4b工作方法，热空气从热空气入口管7进入与其相连的文丘里式流体分布器3，热空气依次流经换热扁管5b，换热扁管5b内的换热介质吸收空气热量后蒸发，换热介质便开始从空气热流道4b向LNG冷流道4a转移，之后又通过吸收LNG的冷量而冷凝为液体通过毛细通道和重力作用下返回空气热流道4b，以此循环往复，LNG也得以通过间接吸收热空气的热量汽化为NG，热空气也变成冷空气从冷空气出口接管器1流出
本发明与已有技术相比有以下优点：
(1)新型复温式LNG汽化器内部采用外形扁长换热扁管的换热方式进行换热，且换热扁管内部设置有毛细通道以最大化换热表面积；
(2)针对LNG流体的高汽化率，冷流道采用梯形设计，针对热管换热器，换热扁管温度分布不均的情况，设置均热挡板，且在沿流道方向上高度逐渐增加；
(3)具有可以优化冷热流体入口侧LNG液体分布均匀性的文丘里式流体分布器，LNG 流体在经过文丘里式流体分布器时，其气体流道内径逐渐变小，气体流速逐渐增大，在流体分布器喉腔3b处，其流体动态压力达到最大，静态压力最小，喉腔3b处外伸的4个回流管内形成真空区，对流体分布器扩散腔出口处流体进行强制循环处理，以达到入口流体的均匀性。
附图说明
图1为本发明的空气复温式LNG汽化器结构示意总图；
图2为本发明的空气复温式LNG汽化器流道示意图；
图3为本发明的换热芯体构造示意图；
图4(a)和(b)为冷流道均热挡板构造示意图，(c)和(d)为热流道均热挡板构造示意图；
图5为隔热固定板构造示意图；
图6为换热芯体装配连接示意图；
图7为文丘里式流体分布器构造示意图；
图8中(a)为传统流体进料示意图，(b)为本发明的文丘里式流体分布器工作原理示意图；
图9为本发明的空气复温式LNG汽化器装配爆炸图；
图中：1为冷空气出口接管器、2为LNG入口管、3为文丘里式流体分布器、3b为喉腔、3a为回流管、4为壳体、4a为LNG冷流道、4b为空气热流道、5为换热芯体、5a为隔热固定板、5a1为矩形孔、5a2为“T”型槽、5b为换热扁管、5c为冷流道均热挡板、5c1为通孔、 5d为热流道均热挡板、6为NG出口接管器、7为热空气入口管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「后」、「内」、「外」等，仅是参考附图式的方向。因此，使用方向用语是用于说明及理解本发明，而非用于限制本发明。
如图1-图7和图9所示，一种空气复温式LNG汽化器，包括壳体4，所述壳体4内固定设置有换热芯体5，壳体4的左端面上部通过法兰依顺连通有文丘里式流体分布器3和LNG入口管2；下部连通有冷空气出口接管器1；右端面上部连通有NG出口接管器6，下部通过法兰依顺连通有文丘里式流体分布器3和热空气入口管7。
所述换热芯体5由隔热固定板5a、若干换热扁管5b、若干冷流道均热挡板5c和若干热流道均热挡板5d组成，其中所述隔热固定板5a的长宽与所述壳体4内的横截面的长宽相同，隔热固定板5a的上下平面上沿长度方向等间距对称开设有若干条T型槽，槽与槽之间均开设有若干矩形孔5a1，隔热固定板5a通过焊接的方式固定在壳体4之内，隔热固定板5a不仅起到支撑作用，更重要的是起到上下流道的隔热作用，提高换热扁管5b的换热效率，，所述换热扁管5b采用金属硬密封穿插在矩形孔5a1中，同时换热扁管5b采用错位布置，这有助于增加换热时气流的扰动，有助于提高换热效率，所述冷流道均热挡板5c和热流道均热挡板 5d的下端均设有T型凸肩，板面上开设有若干通孔5c1，所述冷流道均热挡板5c通过T型凸肩与所述隔热固定板5a上平面上的T型槽成配合连接，所述热流道均热挡板5d通过T型凸肩与所述隔热固定板5a下平面上的T型槽成配合连接，冷流道均热挡板5c和热流道均热挡板5d与隔热固定板5a之间均预留一定便于热胀冷缩的缓冲空间，以吸收流体可能对冷流道均热挡板5c和热流道均热挡板5d产生的冲击作用。
所述文丘里式流体分布器3由两端设有喇叭口的喉腔3b和4根回流管3a构成，4根所述回流管3a与喉腔3b成十字形相连通，且同向成90度延伸，外径为8mm，壁厚1mm，由于回流管3a与喉腔3b相同，当喉腔3b内部因流体速度增加形成真空时，致使回流管3a也形成真空，LNG进入汽化器后形成回流区，气流得以强制循环。
所述隔热固定板5a将所述壳体4内分隔为上下两个流道，上流道为LNG冷流道4a，下流道为空气热流道4b，LNG汽化所需热量与热空气降温的冷量通过换热扁管5b桥接在一起，实现热量交换，为提高换热扁管5b的换热量与换热效率，在其内部设置有毛细通道，起到增加换热面积和便于运送传热介质的作用。
所述的LNG冷流道4a自LNG入口端至NG出口端依顺为扩张型的单边成90度的梯形结构，并且通过焊接成型并密封，这是LNG吸热后汽化比体积显著增加，为原来的600倍，为更好的适应其物性变化带来的流动状态的变化，将流道设计成梯形扩张结构，否则将会阻碍其流通，导致流道阻力显著增加。
所述的冷流道均热挡板5c和热流道均热挡板5d板面上的通孔5c1为方形孔或圆孔，其开孔数量和大小根据设计的流道阻力进行核算，整体开孔率在0.6～0.9之间为宜，开孔的目的为了能让LNG汽化为NG时能很好的流通，同时又使得LNG能充分吸收每对均热挡板区域之间的热量后再进入下一对均热挡板之间的区域吸收热量，使每根换热扁管5b的温度相对均匀，提高吸热效率。
每块所述的冷流道均热挡板5c的高度不同，沿流体流动方向逐渐升高，所述壳体4根据冷流道均热挡板5c的高度设计为相对应的梯形扩张结构，壳体4形状与换热芯体5的形状相对应，可以更好的约束流体的运动，使其往设计的方向膨胀。
所述的等间距为换热扁管5b厚度的3～5倍，换热扁管5b厚度一般为20mm，均热挡板的安装间距可根据所设计的换热负荷与流动阻力而定，当换热负荷较大时，可采用小安装间距，即在相同长度下布置更多的换热扁管5b，不过同时应加大冷流道均热挡板5c的开孔率，若要求所设计的流动阻力小，则可采用大安装间距，以减少整个绝热固定板5a上冷流道均热挡板5c的安装数量。
所述的梯形结构的六面分别由隔热固定板5a，壳体4的上端面和前后侧面上部，左端面上部和右端面上部构成。其中，壳体4的左端面上部为LNG入口的通流截面，壳体4的右端面上部为NG出口的通流截面，所述左右两通流截面的大小根据流通介质的经济流速确定，如果梯形结构的锥角过小，则不能很好的适应流体膨胀速度，造成流动阻力大，若梯形结构的锥角过大，则无法充分发挥冷流道均热挡板4a的作用，以至于无法充分利用所有换热扁管 5b的换热面积，降低换热效率。
本发明的一种空气复温式LNG汽化器的工作方法，所述空气复温式LNG汽化器分为如下两个工作流道进行工作：
一、LNG冷流道4a工作方法，LNG从LNG入口管2入口进入与其相连接的文丘里式流体分布器3，LNG在经过文丘里式流体分布器3的喉腔3b时，压力下降，速度增加，压能转变为动能，以致喉腔3b和与其相连的4根回流管3a产生真空，当LNG流体进入LNG冷流道4a后扩散形成流体尾翼，扩散至两端的流体尾翼在回流管3a的真空作用下绕回，形成回流区并达到强制循环效果，而后LNG经过换热扁管5b并吸收其从空气热流道4b所吸收的热量，逐步汽化变为NG从NG出口接管器6流出；
二、空气热流道4b工作方法，热空气从热空气入口管7进入与其相连的文丘里式流体分布器3，热空气依次流经换热扁管5b，换热扁管5b内的换热介质吸收空气热量后蒸发，换热介质便开始从空气热流道4b向LNG冷流道4a转移，之后又通过吸收LNG的冷量而冷凝为液体通过毛细通道和重力作用下返回空气热流道4b，以此循环往复，LNG也得以通过间接吸收热空气的热量汽化为NG，热空气也变成冷空气从冷空气出口接管器1流出。
本新型复温式LNG汽化器不仅结构紧凑、效率更高、运行范围宽，高负载适应性强，易于维护，且在大温差条件下能可靠稳定的运行。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种空气复温式LNG汽化器，其特征在于，包括壳体(4)，所述壳体(4)内固定设置有换热芯体(5)，壳体(4)的左端面上部通过法兰依顺连通有文丘里式流体分布器(3)和LNG入口管(2)；下部连通有冷空气出口接管器(1)；右端面上部连通有NG出口接管器(6)，下部通过法兰依顺连通有文丘里式流体分布器(3)和热空气入口管(7)。
2.根据权利要求1所述的空气复温式LNG汽化器，其特征在于，所述换热芯体(5)由隔热固定板(5a)、若干换热扁管(5b)、若干冷流道均热挡板(5c)和若干热流道均热挡板(5d)组成，其中所述隔热固定板(5a)的长宽与所述壳体(4)内的横截面的长宽相同，隔热固定板(5a)的上下平面上沿长度方向等间距对称开设有若干条T型槽，槽与槽之间均开设有若干矩形孔(5a1)，所述换热扁管5b采用金属硬密封穿插在矩形孔5a1中，所述冷流道均热挡板(5c)和热流道均热挡板(5d)的下端均设有T型凸肩，板面上开设有若干通孔(5c1)，所述冷流道均热挡板(5c)通过T型凸肩与所述隔热固定板(5a)上平面上的T型槽成配合连接，所述热流道均热挡板(5d)通过T型凸肩与所述隔热固定板(5a)下平面上的T型槽成配合连接。
3.根据权利要求2所述的空气复温式LNG汽化器，其特征在于，所述文丘里式流体分布器(3)由两端设有喇叭口的喉腔(3b)和4根回流管(3a)构成，4根所述回流管(3a)与喉腔(3b)成十字形相连通，且同向成90度延伸。
4.根据权利要求3所述的空气复温式LNG汽化器，其特征在于，所述隔热固定板(5a)将所述壳体(4)内分隔为上下两个流道，上流道为LNG冷流道(4a)，下流道为空气热流道(4b)。
5.根据权利要求4所述的空气复温式LNG汽化器，其特征在于，所述的LNG冷流道(4a)自LNG入口端至NG出口端依顺为扩张型的单边成90度的梯形结构。
6.根据权利要求2所述的空气复温式LNG汽化器，其特征在于，所述的冷流道均热挡板(5c)和热流道均热挡板(5d)板面上的通孔(5c1)为方形孔或圆孔，其开孔数量和大小根据设计的流道阻力进行核算，整体开孔率在0.6～0.9之间。
7.根据权利要求2所述的空气复温式LNG汽化器，其特征在于，每块所述的冷流道均热挡板(5c)的高度不同，沿流体流动方向逐渐升高，所述壳体(4)根据冷流道均热挡板(5c)的高度设计为相对应的扩张结构。
8.根据权利要求2所述的空气复温式LNG汽化器，其特征在于，所述的等间距为换热扁管(5b)厚度的3～5倍。
9.根据权利要求5所述的空气复温式LNG汽化器，其特征在于，所述的梯形结构的六面分别由所述隔热固定板(5a)，壳体(4)的上端面和前后侧面上部，左端面上部和右端面上部构成；其中，所述壳体(4)的左端面上部为LNG入口的通流截面，壳体(4)的右端面上部为NG出口的通流截面，所述左右两通流截面的大小根据流通介质的经济流速确定。
10.一种根据权利要求5所述的空气复温式LNG汽化器的工作方法，其特征在于，所述空气复温式LNG汽化器分为如下两个工作流道进行工作：
一、LNG冷流道(4a)工作方法，LNG从LNG入口管(2)入口进入与其相连接的文丘里式流体分布器(3)，LNG在经过文丘里式流体分布器(3)的喉腔(3b)时，压力下降，速度增加，压能转变为动能，以致喉腔(3b)和与其相连的4根回流管(3a)产生真空，当LNG流体进入LNG冷流道(4a)后扩散形成流体尾翼，扩散至两端的流体尾翼在回流管(3a)的真空作用下绕回，形成回流区并达到强制循环效果，而后LNG经过换热扁管(5b)并吸收其从空气热流道(4b)所吸收的热量，逐步汽化变为NG从NG出口接管器(6)流出；
二、空气热流道(4b)工作方法，热空气从热空气入口管(7)进入与其相连的文丘里式流体分布器(3)，热空气依次流经换热扁管(5b)，换热扁管(5b)内的换热介质吸收空气热量后蒸发，换热介质便开始从空气热流道(4b)向LNG冷流道(4a)转移，之后又通过吸收LNG的冷量而冷凝为液体通过毛细通道和重力作用下返回空气热流道(4b)，以此循环往复，LNG也得以通过间接吸收热空气的热量汽化为NG，热空气也变成冷空气从冷空气出口接管器(1)流出。
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Assignee: CHANGJIANG SAMSUNG ENERGY TECHNOLOGY CO.,LTD.

Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022980002066

Denomination of invention: An air rewarming LNG vaporizer and its working method

Granted publication date: 20210820

License type: Exclusive License

Record date: 20220302