CN112985115A - 一种带有微小酒窝型凹陷阵列的微通道lng气化换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有微小酒窝型凹陷阵列的微通道LNG气化换热器，包括外壳，外壳上设有冷流体入口管和热流体入口管，外壳内部设有换热器机芯，所述机芯上设有冷流体流路和热流体流路，所述冷流体流路和热流体流路错排水平分布，形成水平交叉流动；其特征在于，所述冷流体流路和/或热流体流路的壁面上设有阵列分布的凹陷球坑。

Description

一种带有微小酒窝型凹陷阵列的微通道LNG气化换热器

技术领域

本发明涉及一种带有微小酒窝型凹陷阵列的微通道LNG气化换热器，利用3D打印技术或增材制造技术制作高效强化型LNG气化换热器，对微槽道管路壁进行特殊3D打印处理，在表面形成微观的3微圆弧形酒窝型凹陷阵列，以提高换热管路的LNG超临界流体换热特性，属于低温换热技术、电子元器件冷却技术领域。

背景技术

随着我国天然气需求的增加和液化天然气(LNG,Liquefied Natural Gas)产业链的发展，海上浮式LNG接收站也随之兴起。换热器是浮式LNG接收站再气化装置的核心构件之一，由于浮式LNG接收站的布置和安装条件限制，紧凑型微通道换热器的研发对于浮式LNG接收站的建设和LNG产业的发展具有重要意义。

目前LNG换热器的设计和生产技术掌握在国外个别企业手里，相关文献相对较少。基本采用印刷板式微槽道技术，微槽道群加工较为困难，微槽道换热器多是采用多层带有密集的槽孔平板通过焊接或者机械密封制成。英国Heatric公司最早发明了印刷板式换热器，随后得益于光刻技术和扩散焊技术的应用而进一步发展。Heatric公司掌握各种尺寸的LNG换热器的设计、芯体制造和装配技术，在国际上处于领先地位；美国VPE公司，日本神户制钢生产的微槽道换热器其生产的微槽道换热器已应用于LNG的气化、液化、浮式LNG处理装置热交换领域。上海利策科技股份有限公司开展了紧凑型换热器设计及制造技术研究，其板片槽道采用光化学蚀刻加工，芯体采用多层板片扩散焊集成，目前完成了小型工程样机的研制和真实介质换热性能测试与验证。

微槽道换热器的最新的制造技术是3D激光打印也就是增材制造技术，目前国内外都处于初期的研发试制阶段。国内的增材制造LNG微槽道换热器设计和研究与国外相比处于相距不大，都处于模拟计算和工程样机试验阶段，目前国内外的增材制造技术研发的LNG紧凑换热器基本样式大同小异，管路截面形状有圆形，矩形等变化，但流路截面形状保持不变，而对流动方向的流道形状进行变化，如S型，Z型或锯齿形等，通过对沿程流道变化，增加流动长度，增加弧形涡流区等强化换热特性。

目前为止，实际开发的3D打印或者印刷板式微通道换热器其核心部件，换热通道都还是设计和加工成光滑内壁，没有对管路壁面本身进行机械或其他形式的强化措施。对于大管径换热管，已经使用了各种机械式强化手段，比如管内加螺旋扭带，弹簧螺旋管等材料，在管壁上开各种槽道，或者在管壁上再加工出各种肋片结构。其目的都是产生各种大涡流动，以强化换热。对于微通道，也有十分多的计算和实验室研究使用同样的以上方法进行微通道换热强化计算或开发，但由于实际微通道换热器都不可能在微通道内部再进行任何机械加工，所以实用型微通道换热器包括LNG专用的超临界流体换热器还都是简单的光滑管路。

近年来，3D激光打印技术已经发展到可以制造中小型结构复杂的微通道换热器。这为制造结构先进的带有各类微通道强化换热器打下了技术基础，原来无法实现的微通道内壁3D机械加工现在可以完成精准设计和高效低成本加工制造。

针对大尺度槽道换热器的流路强化措施，实践上一般有以下方法可以采用：

槽道内加金属或塑料螺旋管。

改变槽道的截面结构：各种异型截面，渐变截面。

内壁面开槽：管内壁加工成周向，轴向各类槽道表面。

内壁面上加工各类凸起的肋结构。

将平直流道改变为弯曲流路道，如Z型，S型流道，蛇形流道，增加流道长度，增加拐角数量，加强涡流。

上述方法都是在几何结构上改进微槽道换热器的工作性能，但是都会同时带来流动阻力的大幅增加。对于微小尺度换热器，即使不考虑加工难度，其采用一般的几何形状改变带来流阻增加幅度要远远大于换热系数增加幅度，综合效益是劣化的。

总结已有的一些微通道换热器技术，大致可以分为3大类：第1类，传统的异型薄板叠加，钎焊，如各种平板换热器。第2类，在大的薄板上加工一些肋结构，然后2块板子键合为缝隙微小的流路，如发明专利号：CN201810954826.X，微针肋簇阵列微通道微型换热器，公开了一种利用微针肋簇阵列形成微通道强化换热流路，基本方法是在长方形基板上插入针肋，两块板键合形成微通道。这是一种基本的微通道技术；又如发明专利号：CN201710663123.7，一种印刷电路板换热器，提出来一种带有流线形肋结构的换热板，这些带有流线形肋结构的换热板相互叠放，并通过扩散焊接的方式形成为整体。第3类，直接3D打印一些波浪形，Z字形，蛇形流路。如发明专利号：CN201710618777.8，一种基于3D打印技术的新型印刷电路板式换热器，发明了一种3D打印微通道换热器，基本结构是直接打印波浪形换热通道，整体换热器芯体是一个整体。代替了以往的波浪形薄板一层层叠加而成的微通道。综合专利调查，在已有的各类薄板结构微通道换热器，3D打印微通道换热器，印刷板式微通道换热器专利中还未发现有带有酒窝型凹陷几何结构的微通道换热器专利发明。

使用增材技术加工3D微通道(当量内径1毫米左右)换热器时，常用的强化技术-如内壁面上加工各类凸起的肋结构完全不合适，这将缩小流道截面，大大增加流动阻力，而且加工及其复杂，工作量浩大，成本昂贵。

LNG气化换热器的任务是将绝对温度为125K的液化天然气加热气化为环境温度下的气体，在这个将近200度左右的升温过程中，LNG的物理性质都属于超临界流体，其物性与纯液体和纯气体都不同，在温度变化过程中，各种物性经历巨大变化。超临界流体的换热强化比较困难，因为微小的换热能力增加会引起很大的流阻增加，最后得不偿失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何在保证微小换热能力的基础上降低流动阻力。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种带有微小酒窝型凹陷阵列的微通道LNG气化换热器，包括外壳，外壳上设有冷流体入口管和热流体入口管，外壳内部设有换热器机芯，所述机芯上设有冷流体流路和热流体流路，所述冷流体流路和热流体流路错排水平分布，形成水平交叉流动；其特征在于，所述冷流体流路和/或热流体流路的壁面上设有阵列分布的凹陷球坑。

优选的，所述壁面宽度小于等于1mm，所述凹陷球坑的阵列分布方式为3列排列，外侧两列为长方形顺排排列，每四个凹陷球坑各处于一个长方形四个角的位置；中间一列和外面两列形成叉排排列，中间一列的每个凹陷球坑和对应的外面两列的凹陷球坑形成正三角形分布。

优选的，所述凹陷球坑对应的球直径0.3mm，深度为0.075mm。

优选的，所述壁面宽度范围1mm-2mm，所述凹陷球坑的阵列分布方式为6列排列。

附图说明

图1为LNG气化微通道换热器外部示意图，其中，1为换热器外壳，2为LNG冷流体入口管，3为热流体入口管；

图2为LNG微通道换热器内部机芯示意图，其中，4是内部换热器机芯，5是冷流体流路，6是热流体流路；

图3为一根单管路流路和周边壁面上酒窝型凹陷结构的示意图，其中，7是方形流路，8是壁面，9是壁面中央位置的凹陷阵列，10是两侧靠近相邻壁面的双列排列酒窝型凹陷结构；

图4为壁面中央的单列酒窝型凹陷结构的管路截面图(截面图垂直于流动方向)，其中，9是壁面中央位置的凹陷阵列；

图5为壁面两侧的双列酒窝型凹陷结构的管路截面图(截面图垂直于流动方向)，其中，10是壁面两侧的酒窝型凹陷结构；

图6为沿流路流动方向的壁面截图(截面图平行于流动方向)；

图7为流道中流线分布的一个示例。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

本实例一种采用3D打印技术制备加工一种新型的强化微槽道换热器换热能力的方法，本发明与一般槽道内壁面加工微肋群相比，换热性能基本相当，但流动阻力大幅下降，而且工艺简单，加工量不大，成本容易控制，容易实现商业化产品。

LNG气化换热器的基本结构比较简单，如图1所示是一个典型的微通道LNG气化换热器外观。1是不锈钢板焊接的外壳，图示换热器采用交叉流形式，冷流体-LNG流体从左端LNG冷流体入口管2入口水平方向通过换热器内部机芯，从右端流出。热流体比如水从热流体入口管3方向通过换热器。

图2是内部换热器机芯4示意图。冷热流体的流路目前都是方形流路，以减小换热器质量，降低加工难度。冷流体流路5和热流体流路6错排水平分布，形成水平交叉流动。对于3D打印换热器，机芯由产业用3D打印机逐层打印而成，打印材料是不锈钢液体。整个机芯形状和打印步骤由人工编制的打印程序控制。目前流道表面粗糙度可以达到普通冷轧钢板程度。流道上下左右的壁厚和流道当量内径可以达到1.5mm左右。可以在壁面加工数十微米的肋片或槽道结构。

本发明的核心技术是在微槽道内壁壁面用3D打印技术加工出数十微米尺寸的微小酒窝型凹陷结构，其基本形状如图3所示。图3是一个换热器中的一个流道7和它周边对应的壁面8以及在壁面加工得到的酒窝型凹陷结构阵列。图3给出的是一个沿流动方向的3列分布，即每个壁面有3列酒窝型凹陷排列，一列是壁面中央位置的凹陷阵列9，2列是壁面两侧的酒窝型凹陷结构10，每个凹陷尺寸完全一样。

图4给出了壁面中央一排酒窝型凹陷结构的流路截面图(截面图垂直于流动方向)，显示了每个壁面上的单列酒窝型凹陷结构，可以看出同一截面上的酒窝型凹陷结构之间距离。

图5给出了一个壁面两侧双排列的酒窝型凹陷结构10的流路截面图。

图6给出了沿流路流动方向的壁面截图(截面图平行于流动方向)，这个图看不出酒窝型凹陷结构的列数，但可以看出流动方向同一列酒窝型凹陷结构的前后距离。从图4-6可以发现：酒窝型凹陷结构在几何上讲是一个圆球的一部分，即在平直的壁面上挖出一个3维凹陷球坑。当然，实际的加工方法不是挖出一个球坑，而是在逐层叠加打印时，留出一个酒窝型凹陷结构(凹陷球坑)。对于由计算机控制的打印机，这个打印程序的编制并不困难。

带有酒窝型凹陷结构微通道的强化换热机理和一般通道的强化换热机理有所不同。一般通道内增加的各种几何结构如开槽，加肋结构，都是为了引起主流区产生扰流涡流，产生各种旋涡结构从而强化换热，但同时带来流路流阻大幅增加。但是在微通道内开出一些十数微米的微坑结构，不会产生主流涡流，主流道内流路依然平整。强化换热机理是酒窝型凹陷结构破坏了酒窝型凹陷结构边缘和底部的流体底层边界层，在酒窝型凹陷坑内形成非常微小的微涡流，酒窝型凹陷结构边缘的热边界层严重变形变薄，增加附近流体的导热能力从而强化换热。而酒窝型凹陷坑内微涡流强化坑内强制对流换热。由于主流流动基本不变，主流流阻增加也就很小。

本发明的LNG微槽道气化换热器的核心是带有酒窝型凹陷结构的微通道组成的机芯。整体机芯由工业用3D打印机制作，打印材料是不锈钢液体。机芯结构如图2所示。根据需要，整个换热器可以使用数个机芯组合。机芯内的冷热流体换热流道尺寸相同，冷热流体层相互叠加。每个换热通道都是方形截面，内部槽道宽度是1mm，壁厚1.5mm，槽道长度为500mm左右。机芯厚度和宽度根据换热功率灵活设计。

图7给出了一个流道内流线分布的示例，图中可以看出在酒窝型凹陷结构内形成一个微涡，而主流区流线基本不变。

在基本优化结构确定之后，几何尺寸优化就是核心技术。对单个酒窝型凹陷结构的几何参数有2个，酒窝型凹陷结构对应的球的直径，酒窝型凹陷结构深度。对整体一个壁面，酒窝型凹陷结构的几何参数有列数，每一列中酒窝型凹陷结构的前后距离，相邻2列的酒窝型凹陷结构的排列方式，如顺排和叉排。另外，壁面宽度也是一个相关几何参数。因此，带有酒窝型凹陷结构的微通道的最优化设计涉及到6个参数。即使换热器的流动和热交换条件对微通道优化没有影响，包含6个几何参数的流道设计也是极其复杂，需要大量的理论模拟计算和一定的实验验证。

根据优化模拟计算和实验结果，对于壁宽1.0mm的矩形流道，3列排列酒窝型凹陷结构最为合理，在壁宽2.0mm的时候，可以取对应的6列酒窝型凹陷结构。最优排列方式如图4所示。3列中，靠外面2列互相为长方形顺排排列，称为双酒窝型凹陷位置，4个酒窝型凹陷结构各处于一个长方形四个角的位置。中间一列和外面一列形成叉排排列，每个酒窝型凹陷结构位置称为单酒窝型凹陷位置，每个单酒窝型凹陷结构和四周的另2列的双酒窝型凹陷结构形成正三角形分布。酒窝型凹陷结构对应的球直径0.3mm，深度为0.075mm。

上叙优化布置在单管入口的LNG质量流量为1000kg/m2s，LNG入口温度为125K，加热面热流密度40000W/m2时，管路平均换热系数可以强化48％左右，强化效果非常显著，而同时流阻仅仅增加16％左右。

表1给出了在上叙的微通道几何设计条件和流动加热条件下，微通道酒窝型凹陷结构各部位的换热强化计算结果。

表1

Claims (4)

1.一种带有微小酒窝型凹陷阵列的微通道LNG气化换热器，包括外壳，外壳上设有冷流体入口管和热流体入口管，外壳内部设有换热器机芯，所述机芯上设有冷流体流路和热流体流路，所述冷流体流路和热流体流路错排水平分布，形成水平交叉流动；其特征在于，所述冷流体流路和/或热流体流路的壁面上设有阵列分布的凹陷球坑。

2.根据权利要求1所述的一种带有微小酒窝型凹陷阵列的微通道LNG气化换热器，其特征在于，所述壁面宽度小于等于1mm，所述凹陷球坑的阵列分布方式为3列排列，外侧两列为长方形顺排排列，每四个凹陷球坑各处于一个长方形四个角的位置；中间一列和外面两列形成叉排排列，中间一列的每个凹陷球坑和对应的外面两列的凹陷球坑形成正三角形分布。

3.根据权利要求2所述的一种带有微小酒窝型凹陷阵列的微通道LNG气化换热器，其特征在于，所述凹陷球坑对应的球直径0.3mm，深度为0.075mm。

4.根据权利要求1所述的一种带有微小酒窝型凹陷阵列的微通道LNG气化换热器，其特征在于，所述壁面宽度范围1mm-2mm，所述凹陷球坑的阵列分布方式为6列排列。

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