CN113339698B - 一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式lng气化器芯体 - Google Patents

一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式lng气化器芯体 Download PDF

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Abstract

一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体，包括上下交替堆叠布置的平直肋通道及翼型肋通道，平直肋通道自上而下依次包括第一隔板、平直肋板及第一温差发电模块，翼型肋通道自上而下依次包括第二隔板、翼型肋板及第二温差发电模块；平直肋通道为流经丙烷或低沸点有机工质的热流体通道，翼型肋通道为LNG流经的冷流体通道，通过将温差发电器集成于印刷电路板式LNG气化器中，并采用渐缩式纵向涡发生器和丁胞结构分别对丙烷或低沸点有机工质侧平直肋通道和LNG侧翼型肋通道进行传热强化，在确保LNG高效气化的同时，将部分LNG冷能转化为电能，具有结构简单紧凑、传热效率高、节能环保以及适用性强的优点。

Description

一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体
技术领域
本发明涉及换热装置技术领域，特别涉及一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体。
背景技术
随着海上天然气产业的高速发展，液化天然气(LNG)浮式储存和再气化装置(FSRU，Floating Storage and Regasification Unit)受到日益广泛的关注。传统换热器作为FSRU的关键气化设备在换热效率、重量、体积和抗晃荡性等方面面临诸多挑战。印刷电路板式换热器(PCHE)作为紧凑型微通道换热器，具有体积小、重量轻、换热效率高、安全可靠等优点，且作为LNG气化器时，其换热效率受船体晃荡影响较小，因此在FSRU中具有广阔的应用前景。
LNG在气化过程中会释放大约830～860MJ/ton的冷能，传统气化方式导致这部分冷能直接释放到环境中，造成极大的浪费。基于热电材料Seebeck效应的温差发电技术，能够将热能直接转化为电能，具有结构简单、无运动部件、无噪音、无污染、使用寿命长等优点。用于LNG冷能回收时，不受LNG气化规模、气化量不稳定等因素影响，是目前最具前景的LNG冷能利用方式之一。将热电材料温差发电技术应用于LNG气化过程，能够同步实现LNG的加热气化和LNG冷能的回收利用，具有良好的经济效益。
然而，目前已有的PCHE研究大多以核反应堆、太阳能光热发电等领域为背景，工质多为超临界二氧化碳、氦等，针对FSRU的PCHE通道结构依然有待改进。与此同时，尚未见到可行的针对FSRU的LNG冷能利用方式。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体，通过将温差发电器集成于印刷电路板式LNG气化器中，并采用渐缩式纵向涡发生器、丁胞结构分别对丙烷或其他低沸点有机工质侧平直肋通道和LNG侧翼型肋通道进行传热强化，在确保LNG高效气化的同时，将部分LNG冷能转化为电能，具有结构简单紧凑、传热效率高、节能环保以及适用性强的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体，包括上下交替堆叠布置的平直肋通道及翼型肋通道；所述平直肋通道自上而下依次包括第一隔板1、平直肋板2及第一温差发电模块5；所述翼型肋通道自上而下依次包括第二隔板7、翼型肋板8及第二温差发电模块11；平直肋板2顶部两侧设有导流条，两侧导流条之间等间距设有若干条连续平直肋3，相邻的两条连续平直肋3之间等距设置有若干渐缩式纵向涡发生器4；翼型肋板8顶部两侧设有导流条，两侧导流条之间等间距设有若干列非连续翼型肋9，相邻两列的非连续翼型肋9交错布置，非连续翼型肋9尾迹区对称布置有丁胞结构10。
所述第一温差发电模块5包括两侧的密封条6，两侧的密封条6之间设有温差发电器12，温差发电器12顶面及底面覆盖有绝缘陶瓷13。
所述温差发电器12由若干PN结串联构成，PN结包括并列间隔设置的P型电偶臂15及N型电偶臂16，P型电偶臂15及N型电偶臂16顶面及底面分别交错连接有导电铜片14。
所述第一隔板1和第二隔板7结构相同，第一温差发电模块5和第二温差发电模块11结构相同。
所述第一隔板1和平直肋板2之间，相邻的两条连续平直肋3中间构成若干热流体微流道，流道内流体介质包括丙烷或低沸点有机工质R113、R123、R600a。
所述第二隔板7和翼型肋板8之间，相邻的两列非连续翼型肋9中间构成若干冷流体微流道，流道内流体介质为LNG。
所述丁胞结构10的高度和直径比范围为0.2-0.25。
本发明的有益效果：
本发明在平直肋通道(热流体通道)和翼型肋通道(冷流体通道)中布置的连续平直肋3和非连续翼型肋9均属于微小尺度强化传热元件，强化传热效果好，耐压能力强；渐缩式纵向涡发生器4和丁胞结构10分别对丙烷或低沸点有机工质侧平直肋通道和LNG侧翼型肋通道进行传热强化，在确保LNG高效气化的同时，将部分LNG冷能转化为电能，具有结构简单紧凑、传热效率高、节能环保以及适用性强的优点。
所述的翼型肋板8中，通道设置有交错分布的若干非连续翼型肋9，且翼型肋尾迹区对称布置有丁胞结构10。相比较于传统结构，交错分布的非连续翼型肋9的传热面积和密度较大，且丁胞结构10能够产生边界层扰动，从而提高芯体的传热效率。另外，所述非连续翼型肋9为机翼型肋片，能够有效抑制流动分离、消除回流及涡旋，提升流体流动分配的均匀性，显著降低流动阻力损失。
本发明的印刷电路板式结构，具有体积小、重量轻、换热效率高、安全可靠等优点，且作为LNG气化器时，其换热效率不受船体晃荡影响；LNG在气化过程中会释放大约840MJ/ton的冷能，传统气化方式导致这部分冷能直接释放到环境中，造成极大的浪费，本发明基于热电材料Seebeck效应的温差发电技术，能够将热能直接转化为电能，具有结构简单、无运动部件、无噪音、无污染、使用寿命长等优点；本发明通过将热电材料温差发电技术以PCHE形式应用于LNG气化过程，能够同步实现LNG的加热气化和LNG冷能的回收利用，具有良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的温差发电器12的结构示意图。
图3为本发明的非连续翼型肋9及丁胞结构10的布置俯视图。
图4为本发明的翼型肋板8的局部结构放大图。
图5为本发明的温差发电器12的局部结构放大图
其中，1、第一隔板；2、平直肋板；3、连续平直肋；4、纵向涡发生器；5、第一温差发电模块；6、密封条；7、第二隔板；8、翼型肋板；9、非连续翼型肋；10、丁胞结构；11、第二温差发电模块；12、温差发电器；13、绝缘陶瓷；14、导电铜片；15、P型电偶臂；16、N型电偶臂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
参见图1、图2，一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体，包括上下交替堆叠布置的平直肋通道及翼型肋通道；所述平直肋通道自上而下依次包括第一隔板1、平直肋板2及第一温差发电模块5；所述翼型肋通道自上而下依次包括第二隔板7、翼型肋板8及第二温差发电模块11；
平直肋板2顶部两侧设有导流条，两侧导流条之间等间距设有若干条连续平直肋3，相邻的两条连续平直肋3之间等距设置有若干渐缩式纵向涡发生器4；翼型肋板8顶部两侧设有导流条，两侧导流条之间等间距设有若干列非连续翼型肋9，相邻两列的非连续翼型肋9交错布置，非连续翼型肋9尾迹区对称布置有丁胞结构10。
所述第一温差发电模块5包括两侧的密封条6，两侧的密封条6之间设有温差发电器12，温差发电器12顶面及底面覆盖有绝缘陶瓷13。
参见图5，所述温差发电器12由若干PN结串联构成，PN结包括并列间隔设置的P型电偶臂15及N型电偶臂16，P型电偶臂15及N型电偶臂16顶面及底面分别交错连接有导电铜片14。
所述第一隔板1和第二隔板7结构相同，第一温差发电模块5和第二温差发电模块11结构相同，在实际操作中，可以调整绝缘陶瓷、导电铜片和PN结电偶臂的长度、宽度和高度等几何参数，从而满足不同设计参数的要求。
所述渐缩式纵向涡发生器4与中心轴线的攻角为40°～50°，其间距可根据设计要求进行调整。
所述第一隔板1、第二隔板7和密封条6为镍基合金材料构成。
所述第一隔板1和平直肋板2之间，相邻的两条连续平直肋3中间构成若干热流体微流道，其长度、宽度和高度可根据设计参数要求进行调整，流道内流体介质为丙烷或其他低沸点有机工质。
所述第二隔板7和翼型肋板8之间，相邻的两列非连续翼型肋9中间构成若干冷流体微流道，流道内流体介质为LNG。
所述翼型肋板8的非连续翼型肋9为机翼型肋片，非连续翼型肋9为交错布置；机翼型肋片的形线结构由翼弦、弯度、厚度、最大厚度、前缘半径及迎角确定。
参见图3、图4，所述丁胞结构10对称布置于非连续翼型肋9尾迹区；所述丁胞结构10的高度和直径比范围为0.2-0.25；此时翼型肋尾迹区不易产生漩涡死区，换热器的综合性能最佳。
本发明的工作原理为：
丙烷或低沸点有机工质流经平直肋通道将热量传递到第一温差发电模块5，在流经PN结过程中，由于Seebeck效应，使一部分热量转化为电能，另一部分热量传递给翼型肋通道(冷流体通道)用来气化LNG，同时使得部分LNG冷能通过第二温差发电模块11也转化为电能；将热电材料温差发电技术应用于LNG气化过程，能够同步实现LNG的加热气化和LNG冷能的回收利用。
以上详细说明仅用于本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述具体实施方式对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体，其特征在于：包括上下交替堆叠布置的平直肋通道及翼型肋通道；所述平直肋通道自上而下依次包括第一隔板(1)、平直肋板(2)及第一温差发电模块(5)；所述翼型肋通道自上而下依次包括第二隔板(7)、翼型肋板(8)及第二温差发电模块(11)；
平直肋板(2)顶部两侧设有导流条，两侧导流条之间等间距设有若干条连续平直肋(3)，相邻的两条连续平直肋(3)之间等距设置有若干渐缩式纵向涡发生器(4)；
翼型肋板(8)顶部两侧设有导流条，两侧导流条之间等间距设有若干列非连续翼型肋(9)，相邻两列的非连续翼型肋(9)交错布置，每列非连续翼型肋(9)尾迹区对称设置有丁胞结构(10)。
2.根据权利要求1所述的一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体，其特征在于：第一温差发电模块(5)包括两侧的密封条(6)，两侧的密封条(6)之间设有温差发电器(12)，温差发电器(12)顶面及底面覆盖有绝缘陶瓷(13)， 所述第一温差发电模块(5)和第二温差发电模块(11)结构相同。
3.根据权利要求2所述的一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体，其特征在于：所述温差发电器(12)由若干PN结串联构成，PN结包括并列间隔设置的P型电偶臂(15)及N型电偶臂(16)，P型电偶臂(15)及N型电偶臂(16)顶面及底面分别交错连接有导电铜片(14)。
4.根据权利要求1所述的一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体，其特征在于：所述第一隔板(1)和第二隔板(7)结构相同，第一温差发电模块(5)和第二温差发电模块(11)结构相同。
5.根据权利要求1所述的一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体，其特征在于：所述渐缩式纵向涡发生器(4)与中心轴线的攻角为40°～50°。
6.根据权利要求1所述的一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体，其特征在于：所述第一隔板(1)和平直肋板(2)之间，相邻的两条连续平直肋(3)中间构成若干热流体微流道，流道内流体介质为丙烷或低沸点有机工质R113、R123、R600a。
7.根据权利要求1所述的一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体，其特征在于：所述第二隔板(7)和翼型肋板(8)之间，相邻的两列非连续翼型肋(9)中间构成若干冷流体微流道，流道内流体介质为LNG。
8.根据权利要求1所述的一种带温差发电器的复合结构印刷电路板式LNG气化器芯体，其特征在于：所述丁胞结构(10)的高度和直径比的范围为0.2-0.25。
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