CN113483591B - 一种防凝固大温差lng冷能回收换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种防凝固大温差LNG冷能回收换热器，包括换热器腔体，腔体内注入有中间介质，腔体上部为中间介质气相区，下部为中间介质液相区，气相区内设置LNG盘管和NG盘管，液相区内设置热媒盘管；在换热器上部设置有挡板，挡板将换热器上部分隔为LNG加热区和NG加热区，两区在顶部连通，在LNG加热气化区设置LNG盘管，NG加热区设置NG盘管，LNG盘管的顶部与NG盘管的底部连通；在换热器腔体下部设置有隔热挡板，隔热挡板与挡板连接，隔热挡板将换热器下部分为混合预热区和蒸发区，两区在底部连通，混合预热区设置低温热媒盘管，蒸发区设置高温热媒盘管。本发明能实现大温差下的LNG冷能的无凝固高效回收利用，并能直接制取制冰或空调等所需的载冷剂。

Description

一种防凝固大温差LNG冷能回收换热器

技术领域

本发明属于LNG冷能回收技术领域，具体涉及一种超低温大温差防凝固LNG冷能回收换热器。

背景技术

液化天然气（简称LNG）的温度约为-162℃、是以液态形式存在的天然气，通常LNG需要重新气化为气态天然气（简称NG）才能获得利用，故LNG接收站常采用空温式气化器将这部分冷量放散到空气中，不但白白浪费了大量冷量，而且对环境造成了冷污染；LNG气化时释放的冷能约为840kJ/kg，故其蕴含的冷量是十分巨大的；随着我国节能减排政策的深入推进，LNG的冷能回收利用受到越来越多的重视，目前我国LNG 冷能利用示范工程项目主要用于冷库、制冰、空调冷冻水、废旧橡胶深冷粉碎和冷能发电等。由于受到初投资、场地和实际需求的限制，LNG接收站的冷能回收多用于制冰和空调方面。LNG 冷能的回收利用可有效地降低LNG使用成本，并可促进LNG 产业的健康发展，这符合我国向节能型社会发展的国策，具有重大的现实意义和深远战略意义。

由于LNG温度非常低，属于超低温的冷能回收利用，目前LNG冷能回收利用中，无论用于制取制冰载冷剂还是用于制取空调冷冻水，当采用常规换热器时，都需要采用两级或三级常规换热器才能实现LNG冷能的有效回收利用，而且需要采用循环泵和储液罐来驱动和储存中间介质，同时对于LNG冷能利用后的NG，仍需采用换热器进行再热才能输入天然气管网。这不但导致初始投资高，冷量损失大，占地面积多，而且换热效率低，运行费用高。

发明内容

基于此，在LNG冷能利用实践的基础上，通过对其传热过程的深入分析和研究，本发明的目的在于提供一种防凝固大温差LNG冷能回收换热器，该换热器能实现大温差下的LNG冷能的无凝固高效回收利用，并能直接制取制冰或空调等所需的载冷剂。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种防凝固大温差LNG冷能回收换热器，包括换热器腔体，腔体内注入有中间介质，换热器腔体上部处于中间介质的气相区，换热器腔体的下部处于中间介质的液相区，在换热器腔体上部设置LNG盘管和NG盘管，换热器腔体的下部设置有热媒盘管，热媒盘管处于中介质液相区内；在换热器腔体上部设置有挡板，挡板将换热器上部分隔为上部左区和上部右区两个区，上部左区与上部右区顶部连通，上部左区与上部右区的连通区域为气体连通区，上部左区为LNG加热气化区，上部右区为NG加热区，在LNG加热气化区设置LNG盘管，在NG加热区设置NG盘管，LNG盘管的顶部与NG盘管的底部连通，LNG盘管的底部与LNG入口管连通， NG盘管的顶部与NG出口管连通；在换热器腔体下部设置有隔热挡板，隔热挡板与挡板连接，将换热器内部分为左区和右区，隔热挡板将换热器下部分为下部左区和下部右区，下部左区和下部右区在底部连通，下部左区与下部右区连通处为液体连通区，下部左区为混合预热区，下部右区为蒸发区，混合预热区设置低温热媒盘管，蒸发区设置高温热媒盘管，高温热媒盘管的底部与低温热媒盘管的底部连通，高温热媒盘管的顶部与热媒入口管连通，低温热媒盘管的顶部与热媒出口管连通。

上述防凝固大温差LNG冷能回收换热器，所述LNG盘管至少有两根LNG分支盘管排列在LNG加热气化区，NG盘管至少有两根NG分支盘管排列在NG加热区，每根LNG分支盘管的底部均与LNG入口管连通，每根NG分支盘管均与NG出口管连通，且依次排列的LNG分支盘管中离挡板最近的LNG分支盘管的顶部与NG分支盘管中离挡板最远的NG分支盘管的底部连通，离挡板第二近的LNG分支盘管的顶部与NG分支盘管中离挡板第二远的NG分支盘管的底部连通，离挡板第三近的LNG分支盘管的顶部与NG分支盘管中离挡板第三远的NG分支盘管的底部连通，LNG分支盘管按距离挡板由近至远，NG分支盘管按距离档板由远至近，逐一将LNG分支盘管的顶部与NG分支盘管的底部连通；所述低温热媒盘管至少有两根低温热媒分支盘管排列在混合预热区，高温热媒盘管至少有两根高温热媒分支盘管排列在蒸发区，高温热媒分支盘管的顶部均与热媒入口管连通，低温热媒分支盘管的顶部均与热媒出口管连通，且依次排列的低温热媒分支盘管中离隔热挡板最近的低温热媒分支盘管的底部与高温热媒分支盘管中离隔热挡板最远的高温热媒分支盘管的底部连通，离隔热挡板第二近的低温热媒分支盘管的底部与高温热媒分支盘管中离隔热挡板第二远的高温热媒分支盘管的底部连通，离隔热挡板第三近的低温热媒分支盘管的底部与高温热媒分支盘管中离隔热挡板第三远的高温热媒分支盘管的底部连通，低温热媒分支盘管按距离隔热挡板由近至远，高温热媒分支盘管按距离隔热挡板由远至近，逐一将低温热媒分支盘管的底部与高温热媒分支盘管的底部连通。

上述防凝固大温差LNG冷能回收换热器，所述挡板与隔热挡板设置在同一垂直面上。

上述防凝固大温差LNG冷能回收换热器，所述热媒入口管和热媒出口管分别位于换热器腔体的两对立面，且均设置在中间介质液面以下，热媒入口管高于热媒出口管。

上述防凝固大温差LNG冷能回收换热器，热媒出口管与LNG入口管位于换热器腔体的同一侧，且LNG入口管高于热媒出口管和热媒入口管。

上述防凝固大温差LNG冷能回收换热器， LNG入口管位于换热器腔体的中部或中上部， NG出口管位于换热器腔体的顶部。

上述防凝固大温差LNG冷能回收换热器，第一LNG盘管和NG盘管和第二LNG盘管和NG盘管最低处比中间介质液面至少高5cm。

上述防凝固大温差LNG冷能回收换热器， LNG分支盘管和低温热媒分支盘管在投影平面上呈交错设置；NG分支盘管和高温热媒分支盘管在投影平面上呈交错设置。

上述防凝固大温差LNG冷能回收换热器， NG出口管的管径大于LNG入口管的管径，LNG盘管和NG盘管的管径均小于LNG入口管管径。

上述防凝固大温差LNG冷能回收换热器，热媒入口管的管径等于热媒出口管的管径，位于热媒入口管和热媒出口管之间的第一热媒盘管、第二热媒盘管等均小于热媒入口管或出口管管径。

采用上述技术方案，本发明有以下优点：一种超低温大温差防凝固LNG冷能回收换热器，通过将换热器腔体划分为4个换热区，且LNG加热气化区在混合预热区的上方，NG加热区在蒸发区的上方；且LNG加热气化区与NG加热区在换热器的顶部连通，混合预热区与蒸发区在换热器腔体的底部连通；以及凝结液主要在LNG加热气化区等技术措施，可促使中间介质在液相和气相下的自然循环，故可省去LNG冷能回收利用采用常规换热器时所需的中间介质循环泵和储液罐，节省了初投资和运行费用。

本发明充分利用了中间介质的相变、连通器原理，通过结构优化设计，促使中间介质在液相和气相下的发生自然循环；通过LNG在LNG加热气化区的分支盘管内和NG加热区的分支盘管内皆呈由下向上流动，凝结液不断被冷却，提高了中间介质蒸气在该两区的凝结换热效率，同时提高了NG出换热器时的温度，使从换热器出来的NG无需再热，可直接输入燃气管网，不但减少了初投资和占地面积，而且提高了LNG冷能的利用率；通过热媒在第一热媒盘管、第二热媒盘管等中的流动与中间介质液体的流动呈逆流，可提高中间介质液体和热媒之间的换热效率。

本发明的低温热媒盘管的最高处在混合加热区布置在中间介质气液交界面至少20cm以下，目的是使来自LNG加热气化区的过冷凝结液先与中间介质液体混合再与热媒换热，防止热媒温度局部过低；通过对中间介质充注量的合理控制，可控制过冷凝结液与中间介质液体混合后的温度，确保其温度不会使热媒凝固。在这两种措施下，可保证换热器在任何情况下都不会发生凝固现象。

LNG分支盘管在LNG加热气化区呈平行盘设，NG 分支盘管在NG加热区也呈平行盘设，但LNG分支盘管和NG分支盘管可以平行，也可以不平行；LNG加热气化区的最长分支盘管的顶部与NG加热区的最短分支盘管的底部相连接，使各相连接的LNG/NG分支盘管的总长度和阻力尽量相等。

本发明的低温热媒分支盘管在混合预热区呈平行盘设，高温热媒的分支盘管在蒸发区也呈平行盘设，但高、低温热媒分支盘管可以平行，也可以不平行；最短的高温热媒分支盘管与最长的低温热媒分支盘管连接，使各高、低温相连通的分支盘管的总长度和阻力尽量相等。

本发明的LNG分支盘管与低温热媒分支盘管在水平投影面上呈交错布置，本发明的NG分支盘管与高温热媒分支盘管在水平投影面上呈交错布置，但各LNG/NG分支盘管与高、低温热媒分支盘管在水平投影面上可以是交错布置，也可只在挡板/隔热挡板的同一侧呈交错布置。这样设置可有效防止热媒发生凝固，同时有利于促进蒸气与凝结液的有序运动，提高换热效率。

本发明属于新型的LNG冷能高效回收利用装置，设计新颖、结构紧凑、换热速率快，冷能利用效率高，可大力促进LNG冷能的回收利用，应用市场前景广阔。

附图说明

图1为本发明换热器换热功能分区示意图。

图2为本发明LNG盘管和NG盘管和热媒盘管布置示意图。

图3为本发明LNG盘管和NG盘管布置俯视示意图。

图4为本发明热媒盘管布置俯视示意图。

图5为LNG盘管和NG盘管和热媒盘管相对位置俯视示意图。

其中，1气体连通区，2 挡板，3 NG加热区，4 中间介质液面， 5 蒸发区，6 保护层，7 保温层，8 混合预热区，9 液体连通区，10 隔热挡板， 11 LNG加热气化区，12换热器腔体，13 NG出口管，14a 第一LNG分支盘管，14b第一NG分支盘管，15a 第二LNG分支盘管，15b第二NG分支盘管，16 LNG入口管，17热媒入口管，18a第一高温热媒分支盘管，18b第一低温热媒分支盘管，19a第二高温热媒分支盘管，19b 第二低温热媒分支盘管， 20热媒出口管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及试验更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图5所示，一种防凝固大温差LNG冷能回收换热器，包括换热器腔体12，换热器腔体外部设有保温层7，保温层外部设置保护层6，在换热器腔体的顶部设有安全阀，以保证换热设备在特殊情况下的安全性。

为了减少占地面积，本发明实验时换热器选立式换热器。

如图1所示，换热器腔体12内注入有中间介质，换热器腔体上部处于中间介质的气相区，换热器腔体的下部处于中间介质的液相区，中间介质可以是丙烷，R22，404A等；在换热器腔体上部设置LNG盘管和NG盘管；在换热器腔体下部设置热媒盘管。

如图2所示，在换热器腔体上部设置有挡板2，在换热器腔体下部设置有隔热挡板10，隔热挡板10与挡板2连接，换热器腔体被挡板2、隔热挡板10和中间介质液面4划分为四个换热区，分别为：LNG加热气化区11，NG加热区3，混合预热区8和蒸发区5；LNG加热气化区和NG加热区位于换热器腔体的上部，在换热器腔体的顶部连通，处于中间介质的气相区；混合预热区和蒸发区位于换热器腔体的下部，在换热器腔体的底部连通，处于中间介质的液相区。LNG加热气化区位于混合预热区的上方，NG加热区位于蒸发区的上方。

在LNG加热气化区设置LNG盘管，在NG加热区设置NG盘管，LNG盘管的顶部与NG盘管的底部连通，混合预热区设置低温热媒盘管，蒸发区设置高温热媒盘管。

本发明LNG盘管至少有两根LNG分支盘管排列在LNG加热气化区，NG盘管至少有两根NG分支盘管排列在NG加热区，每根LNG分支盘管的底部均与LNG入口管连通，每根NG分支盘管均与NG出口管连通，且依次排列的LNG分支盘管中离挡板最近的LNG分支盘管的顶部与NG分支盘管中离挡板最远的NG分支盘管的底部连通，离挡板第二近的LNG分支盘管的顶部与NG分支盘管中离挡板第二远的NG分支盘管的底部连通，离挡板第三近的LNG分支盘管的顶部与NG分支盘管中离挡板第三远的NG分支盘管的底部连通，LNG分支盘管按距离挡板由近至远，NG分支盘管按距离档板由远至近，逐一将LNG分支盘管的顶部与NG分支盘管的底部连通；所述低温热媒盘管至少有两根低温热媒分支盘管排列在混合预热区，高温热媒盘管至少有两根高温热媒分支盘管排列在蒸发区，高温热媒分支盘管的顶部均与热媒入口管17连通，低温热媒分支盘管的顶部与热媒出口管20连通，且依次排列的低温热媒分支盘管中离隔热挡板最近的低温热媒分支盘管的底部与高温热媒分支盘管中离隔热挡板最远的高温热媒分支盘管的底部连通，离隔热挡板第二近的低温热媒分支盘管的底部与高温热媒分支盘管中离隔热挡板第二远的高温热媒分支盘管的底部连通，离隔热挡板第三近的低温热媒分支盘管的底部与高温热媒分支盘管中离隔热挡板第三远的高温热媒分支盘管的底部连通，低温热媒分支盘管按距离隔热挡板由近至远，高温热媒分支盘管按距离隔热热水板由远至近，逐一将低温热媒分支盘管的底部与高温热媒分支盘管的底部连通。

本发明实验时分支盘管的数量如图2所示，LNG分支盘管、NG分支盘管、低温热媒盘管和高温热媒盘管均采用两根，分别为第一LNG分支盘管14a、第二LNG分支盘管15a，第一NG分支盘管14b、第二NG分支盘管15b，第一高温热媒分支盘管18a、第二高温热媒分支盘管19a，第一低温热媒分支盘管18b、第二低温热媒分支盘管19b。其中第一LNG分支盘管14a 的顶部与第一NG分支盘管14b的底部连接，第二LNG分支盘管15a 的顶部与第二NG分支盘管15b的底部连接。第一低温热媒分支盘管18b的底部与第一高温热媒分支盘管18a的底部连接，第二低温热媒分支盘管19b的底部与第二高温热媒分支盘管19a的底部连接。

结合图2和图3可知，与LNG入口管16连接的第一LNG分支盘管14a 经过顶部气体连通区1进入NG加热区，在靠近挡板处竖直向下进入NG加热区的底部，并与第一NG分支盘管14b底部连接，然后沿第一NG分支盘管14b由下到上，在NG加热区的顶部与NG出口管13连接。同理与LNG入口管连接的第二LNG分支盘管15a 经过顶部气体连通区1进入NG加热区，在靠近挡板处竖直向下进入NG加热区的底部，并与第二NG分支盘管15b底部连接，然后沿第二NG分支盘管15b由下到上，在NG加热区的顶部与NG出口管连接；在LNG入口管和NG出口管之间设有多根LNG/NG分支盘管，由图3可以看出，离挡板最远布置的LNG分支盘管15a在NG区变为离挡板最近布置的NG分支盘管15b，离挡板最近布置的LNG分支盘管14a在NG区变为离挡板最远布置的NG分支盘管14b，其它LNG/NG分支盘管的布置类推；LNG入口管与NG出口管之间的分支盘管的管径相同，都小于LNG入口管的管径，LNG入口管的管径小于NG出口管的管径；LNG入口管与NG出口管之间各分支盘管的长度和阻力近似相等，使LNG在各分支盘管中均匀分布。

如图2所示，在换热器腔体下部设置有隔热挡板10，隔热挡板10与挡板2连接，将换热器内部分为左区和右区，隔热挡板将换热器下部分为下部左区和下部右区，下部左区和下部右区在底部连通，下部左区与下部右区连通处为液体连通区9，下部左区为混合预热区8，下部右区为蒸发区5，混合预热区设置有第一低温热媒分支盘管18b、第二低温热媒分支盘管19b等多根低温热媒分支盘管，蒸发区设置有第一高温热媒分支盘管18a、第二高温热媒分支盘管19a等多根高温热媒分支盘管；各高温热媒分支盘管的顶部都与热媒入口管17连接，各低温热媒分支盘管的顶部都与热媒出口管20连接；18a与18b 可为同一根管制作，19a 与19b 可为同一根管制作等，它们是位于热媒入口管17和热媒出口管20之间的多根分支盘管中的两根；

结合图2和图4可知，与热媒入口管17连接的第一高温热媒分支盘管18a 由上到下进行盘设，到达底部后，经过底部液体连通区9进入混合预热区8，然后沿第一低温热媒分支盘管18b由下到上，在混合预热区的中上部与热媒出口管20连接。同理与热媒入口管连接的第二高温热媒分支盘管19a 经过底部液体连通区9进入混合预热区，然后沿第二低温热媒分支盘管19b由下到上，在混合预热区的中上部与热媒出口管20连接；在热媒入口管与热媒出口管之间设有多根热媒分支盘管；由图4可以看出，离隔热挡板最远布置的第一高温热媒分支盘管18a在混合预热区变为离隔热挡板最近布置的第一低温热媒分支盘管18b，离隔热挡板最近布置的第二高温热媒分支盘管19a在混热预热区变为离隔热挡板最远布置的第二低温热媒分支盘管19b，其它热媒分支盘管的布置类推；热媒入口管的管径等于热媒出口管的管径，热媒入口管与热媒出口管之间的分支盘管的管径相同，都小于热媒入口管/出口管的管径；热媒入口管与热媒出口管之间各热媒分支盘管的长度和阻力近似相等，使热媒在各分支盘管中均匀分布。

如图5所示，本发明换热器NG分支盘管与蒸发区的热媒分支盘管在水平投影平面上呈交错布置，即NG分支盘管位于蒸发区相邻热媒分支盘管之间的正上方，或者说蒸发区热媒分支盘管位于NG加热区相邻NG分支盘管之间的正下方；LNG分支盘管与混合预热区的低温热媒分支盘管在水平投影平面上也呈交错布置，即LNG分支盘管位于混合预热区相邻低温热媒分支盘管之间的正上方。这样布置可实现中间介质蒸气与凝结液的有序运动；减少了无序运动时的能量损失，提高了中间介质蒸气与LNG/NG盘管之间的温差，以及中间介质液体与热媒盘管之间的温差。故采用此种结构优化设计，可实现蒸气与凝结液之间的有序运动，可进一步提高换热介质之间的换热温差和换热效率。

本发明换热器在工作时，来自蒸发区的中间介质蒸气，首先进入NG加热区内冷凝放热，然后再进入LNG加热气化区内冷凝放热；而LNG先在LNG加热气化区被加热气化，然后再进入NG加热区被进一步加热，故从宏观上来讲，中间介质蒸气与LNG呈逆向流动；LNG冷量主要储存在低温液体中和发生相变时的气化潜热中，虽然气态时的NG温度也很低，温升很大，但其储存的冷量与LNG相较而言比较少，即使是从温度很低的NG（例如-136℃）变化为0℃时的NG，也没有多大的冷量，故LNG加热气化区的凝结液要远大于NG加热区的凝结液，凝结液流入混合预热区的流量远大于流入蒸发区的流量，而蒸发区的中间介质不断被加热气化，故中间介质液体将源源不断地由混合预热区通过底部连通区流向蒸发区，使中间介质液体发生自然循环，而热媒则是由蒸发区流向混合预热区，故与中间介质液体呈逆向流动；换热器腔体内这种整体结构的布置方式充分利用了中间介质的相变和连通原理，促使中间介质在气相和液相下都发生自然循环，且从整体换热趋势上来讲，腔体上部和下部都成逆向对流换热，不但能大大提高换热效率，而且能够实现超低温LNG与热媒（例如制冰载冷剂或空调冷冻水等）之间的大温差无凝固高效换热和节能安全运行。

本发明的隔热挡板不仅用来分割中间介质液体区，而且还用来阻止两区的热量传递；隔热挡板可以是真空夹层隔热板，也可以是其它满足要求的保温板。

本发明的LNG在LNG加热气化区的LNG分支盘管的下部呈液态，在中上部是LNG气化区，在盘管的上部为气态天然气，即NG，故在各LNG分支盘管内，由下到上，温度是升高的，而凝结液是沿着各LNG分支盘管由上向下流动，且在流动过程中不断被下面的盘管冷却，所以流入混合预热区的凝结液为过冷液，若LNG在LNG分支盘管中的流动与前述相反，则下部盘管的冷量释放速率将大大减弱；NG在NG加热区的分支盘管的流动也是由下向上运动，而凝结液是沿着各NG分支盘管由上向下流动的，且在流动过程中不断被下面的盘管冷却；LNG/NG盘管的这种布置方式，不但可提高换热器的换热效率，而且可提高NG出换热器的温度，不但可实现最大化地回收LNG冷能，而且可使流出换热器的NG直接输入天然气管网，节省了再热费用。

本发明在NG加热区，中间介质蒸气的流动与NG在NG分支盘管内的流动为复合流动，但从宏观上来讲，都是由下向上流动，呈顺流换热；在LNG加热气化区，中间介质蒸气流动与LNG 在LNG分支盘管中的流动为复合流动，但从宏观上来讲，则呈逆流换热；但由于中间介质蒸气在发生相变换热时，无论逆流还是顺流，效果几乎是一样的，故影响换热速率的主要因素为凝结液的流动方向。在NG加热区，NG在盘管内由下至上温度逐渐升高，凝结液由上至下的流动过程中逐渐被冷却，NG与凝结液呈逆流流动；在LNG加热气化区，LNG在盘管内由下至上温度逐渐升高，凝结液由上至下的流动过程中逐渐被冷却，LNG与凝结液也呈逆流流动；故可进一步提高换热器的效率。

本发明将LNG加热气化区设置在混合预热区的上方，将NG加热区设置在蒸发区的上方，不但可最大限度地提升NG的温度，节省初投资，以及最大限度地回收利用LNG的冷量，而且可促进中间介质（无论在液相或气相下）的自然对流，提高换热效率。例如当热媒温度较高时（例如制取空调冷冻水等），可使流出换热器的NG直接输入燃气管网，不用再设换热器进行进一步再热，这种结构设计不但最大化地回收了LNG中的冷能，而且大大节省了初投资。

本发明中间介质液体的充注量不仅要浸没热媒盘管，而且应使LNG加热气化区的过冷凝结液和混合预热区的中间介质液体充分混合后的温度满足热媒盘管内的热媒不发生凝固现象，以确保运行时或停运时热媒都不会发生凝固现象。例如对于制取空调冷冻水时，若混合后的温度在0℃以上，则盘管中的热媒肯定不会发生凝固现象。

本发明合理设置换热器腔体内的压力，使中间介质保持在合适的气化温度，例如对于制取空调冷冻水，中间介质蒸发温度可设为5~7℃，混合预热区的中间介质液体平均温度保持在0℃以上等，这样即可杜绝凝固现象的出现，又可加大液体与热媒之间的温差，提高换热效率。

本发明的NG加热盘管位于高温热媒盘管的上方，可使气化后的中间介质蒸气首先冲刷NG加热区的盘管，使盘管中NG温度最大化地温升，提高了冷能回收率和NG出换热器的温度；LNG加热盘管位于混合预热区的上方，可使中间介质凝结液绝大部分流入混和预热区，与混合预热区的液体充分混合预热后进入蒸发区，可有效防止热媒在盘管中发生凝固现象，同时可使中间介质液体与热媒呈逆向流动，提高对数平均温差和中间介质的泡态沸腾强度，故可在保证热媒无凝固发生的同时进一步提高换热效率。

本发明换热器通过隔热挡板的设置，阻止混合预热区的中间介质液体与蒸发区的中间介质液体之间的传热，故可提高沸腾换热强度。

本发明的LNG入口管与换热器腔体之间设有隔热层，以防止通过腔体的导热使热媒在管中发生局部凝固现象，同时可减少换热器保温层的厚度。

在实验时，本发明的LNG/NG盘管采用内外螺纹管，外螺纹主要用来减薄凝结液，加速凝结液的排泄，内螺纹主要用来增强NG的换热。热媒管即可采用光滑管，也可在热媒盘管外侧设置低肋，LNG/NG管可采用304A或316不锈钢等，换热器腔体采用不锈钢板，热媒盘管可采用不锈钢管或镀锌钢管。

本发明的实施例中，挡板2与隔热挡板10设置在同一垂直面上，挡板2的作用是使中间介质蒸气先横向冲刷各NG分支盘管冷凝换热后，通过顶部气体连通区，再横向冲刷各LNG分支盘管进行冷凝换热，实现LNG到NG的大温差，提高NG出换热器时的温度。隔热挡板10的作用是使中间介质液体分为两个区，即混合预热区和蒸发区，一则是用来实现热媒与LNG之间通过中间介质进行大温差换热时，避免凝固现象的发生，二则是提高热媒与中间介质液体之间的平均温差，提高换热效率。简言之，本发明的挡板与隔热挡板设置，不但可促使中间介质在气相和液相下的自然对流循环，提高LNG冷能的利用率和换热设备的换热效率，节省了运行费用，而且可使出换热器的NG直接输入NG管网，不用再热，节省了初投资。

本发明的热媒入口管和热媒出口管分别位于换热器腔体的两对立面，且均设置在中间介质液面以下，热媒入口管高于热媒出口管。

本发明的热媒出口管20与LNG入口管16位于换热器腔体12的同一侧，且LNG入口管16高于热媒出口管20和热媒入口管17。

本发明的LNG入口管16位于换热器腔体12的中部或中上部， NG出口管13位于换热器腔体12的顶部。

本发明的LNG/NG分支盘管最低处比中间介质液面4至少高5cm；热媒出口管20和热媒入口管17，及其之间的热媒分支盘管都处在中间介质液相区，热媒出口管低于热媒入口管，热媒入口管位于中间介质液面4以下即可，而热媒出口管位于中间介质液面至少20cm以下。这样可使中间介质过冷凝结液与中间介质液体充分混合后再与低温热媒盘管接触，防止低温热媒盘管局部温度过低时发生凝固现象。

本发明的各LNG分支盘管平行设置，使LNG加热气化区的冷凝液和中间介质蒸气具有各自的流通通道，尽量减少蒸气对冷凝液的加热，增强蒸气与LNG之间的换热；LNG各分支盘管和低温热媒分支盘管在投影平面上呈交错布置，可避免过冷冷凝液直接与低温热媒分支盘管接触，防止局部温度过低发生凝固现象，同时可提高低温热媒分支盘管的换热效率。

本发明的各NG分支盘管平行设置，以及各NG分支盘管和各高温热媒分支盘管在投影平面上呈交错设置，可使NG加热区的冷凝液和中间介质蒸气具有各自的流通通道，尽量减少蒸气对冷凝液的加热，增强蒸气与NG之间的换热效率；同时可提高蒸发区的液体与热媒盘管之间的温差，进而提高蒸发区的液体与热媒之间的换热效率。

本发明NG出口管的管径大于LNG入口管的管径，LNG和NG分支盘管的管径均小于LNG入口管管径。热媒入口管的管径等于热媒出口管的管径，位于热媒入口管和热媒出口管之间的热媒分支盘管均小于热媒入口管或出口管管径。

本发明的介质流动换热过程：来自LNG储罐的超低温LNG通过LNG入口管进入LNG加热气化区，然后流入LNG各分支盘管，在LNG蛇形分支盘管中由下向上流动，将冷量传递给中间介质蒸气，LNG温度升高，当升高到饱和温度时，开始气化，最后在LNG分支盘管的上部全部气化为NG，然后经过顶部气体连通区流进NG加热区，在NG加热区，首先沿着挡板附近的NG竖管流到NG加热区的底部，再由底部通过蛇形NG分支盘管由下向上流动，在流动过程中被中间介质蒸气进一步加热，然后汇集于NG出口管，最后由换热器顶部流出；热媒（例如来自空调的冷冻水或制冰区的载冷剂等）通过热媒入口管首先进入蒸发区，然后在高温热媒分支盘管中由上向下流动，在流动过程中逐步将热量传递给中间介质，热媒温度降低，热媒流至蒸发区底部后，通过底部液体连通区流入混合预热区，然后沿着该盘管由下至上蛇形流动，对混合加热区的中加介质进一步加热，热媒温度进一步降低，在距离中间介质液面某一距离处（例如在中间介质液面下20-30cm处）汇集于热媒出口管，然后由热媒出口管流出换热器；中间介质液体在蒸发区吸收了热媒的热量后，气化为蒸气，蒸气首先进入NG加热区，在该区，少部分蒸气凝结为液体，流回蒸发区，绝大部分蒸气通过顶部的连通区进入LNG加热气化区，在该区，蒸气凝结为液体，凝结液流入混合预热区，由于流入混合预热区的凝结液远大于流入蒸发区的凝结液，故根据连通器原理，流入混合预热区的凝结液先与混合预热区的中间介质液体混合，然后被预热后，再通过底部液体连通区进入蒸发区，完成中间介质的循环流动。由前述可见：①无论在LNG加热气化区还是在NG加热区，盘管中LNG/NG都是由下向上运动，这样设计可提高NG出换热器的温度，最大化地回收利用LNG冷量，而凝结液与LNG/NG的流动方向相反，使凝结液在流经盘管外壁时不断被冷却，可提LNG/NG与中间介质蒸气的换热效率；②在蒸发区，热媒在盘管内是由上向下流动；在混合预热区，热媒在蛇形盘管内是由下向上流动，故热媒在盘管中的流动与中间介质液体的流动为逆流，故可提高热媒与中间介质液体的换热效率。综上所述，本发明换热器介质的这种流动方式不但能实现无凝固下的大温差换热和温升，而且换热效率高。

本发明的技术方案所公开的技术手段不仅仅局限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种防凝固大温差LNG冷能回收换热器，包括换热器腔体（12），其特征在于：换热器腔体内注入有中间介质，换热器腔体上部处于中间介质的气相区，换热器腔体下部处于中间介质的液相区，在换热器腔体上部的气相区内设置有LNG盘管和NG盘管，在换热器腔体下部的液相区内设置有热媒盘管；换热器腔体上部设置有挡板（2），挡板（2）将换热器上部分隔为上部左区和上部右区两个区，上部左区与上部右区顶部连通，上部左区与上部右区的连通区域为气体连通区（1），上部左区为LNG加热气化区（11），上部右区为NG加热区（3），在LNG加热气化区设置LNG盘管，在NG加热区设置NG盘管，LNG盘管的顶部与NG盘管的底部连通，LNG盘管的底部与LNG入口管（16）连通， NG盘管的顶部与NG出口管（13）连通；在换热器腔体下部设置有隔热挡板（10），隔热挡板（10）与挡板（2）连接，将换热器腔体内部分为左区和右区，隔热挡板将换热器下部分为下部左区和下部右区，下部左区和下部右区在底部连通，下部左区与下部右区连通处为液体连通区（9），下部左区为混合预热区（8），下部右区为蒸发区（5），混合预热区设置低温热媒盘管，蒸发区设置高温热媒盘管，高温热媒盘管的底部与低温热媒盘管的底部连通，高温热媒盘管的顶部与热媒入口管（17）连通，低温热媒盘管的顶部与热媒出口管（20）连通。

2.根据权利要求1所述的防凝固大温差LNG冷能回收换热器，其特征在于：所述LNG盘管至少有两根LNG分支盘管排列在LNG加热气化区，NG盘管至少有两根NG分支盘管排列在NG加热区，每根LNG分支盘管的底部均与LNG入口管连通，每根NG分支盘管均与NG出口管连通，且依次排列的LNG分支盘管中离挡板最近的LNG分支盘管的顶部与NG分支盘管中离挡板最远的NG分支盘管的底部连通，离挡板第二近的LNG分支盘管的顶部与NG分支盘管中离挡板第二远的NG分支盘管的底部连通，离挡板第三近的LNG分支盘管的顶部与NG分支盘管中离挡板第三远的NG分支盘管的底部连通，LNG分支盘管按距离挡板由近至远，NG分支盘管按距离档板由远至近，逐一将LNG分支盘管的顶部与NG分支盘管的底部连通；所述低温热媒盘管至少有两根低温热媒分支盘管排列在混合预热区，高温热媒盘管至少有两根高温热媒分支盘管排列在蒸发区，高温热媒分支盘管的顶部均与热媒入口管（17）连通，低温热媒分支盘管的顶部与热媒出口管（20）连通，且依次排列的低温热媒分支盘管中离隔热挡板最近的低温热媒分支盘管的底部与高温热媒分支盘管中离隔热挡板最远的高温热媒分支盘管的底部连通，离隔热挡板第二近的低温热媒分支盘管的底部与高温热媒分支盘管中离隔热挡板第二远的高温热媒分支盘管的底部连通，离隔热挡板第三近的低温热媒分支盘管的底部与高温热媒分支盘管中离隔热挡板第三远的高温热媒分支盘管的底部连通，低温热媒分支盘管按距离隔热挡板由近至远，高温热媒分支盘管按距离隔热热水板由远至近，逐一将低温热媒分支盘管的低部与高温热媒分支盘管的底部连通。

3.根据权利要求1所述的防凝固大温差LNG冷能回收换热器，其特征在于：所述挡板（2）与隔热挡板（10）设置在同一垂直面上。

4.根据权利要求1所述的防凝固大温差LNG冷能回收换热器，其特征在于：所述热媒入口管和热媒出口管分别位于换热器腔体的两对立面，且均设置在中间介质液面以下，热媒入口管高于热媒出口管。

5.根据权利要求1所述的防凝固大温差LNG冷能回收换热器，其特征在于：热媒出口管（20）与LNG入口管（16）位于换热器腔体（12）的同一侧，且LNG入口管（16）高于热媒出口管（20）和热媒入口管（17）。

6.根据权利要求1所述的防凝固大温差LNG冷能回收换热器，其特征在于：LNG入口管（16）位于换热器腔体（12）的中部或中上部， NG出口管（13）位于换热器腔体（12）的顶部。

7.根据权利要求1所述的防凝固大温差LNG冷能回收换热器，其特征在于：第一LNG盘管和NG盘管和第二LNG盘管和NG盘管最低处比中间介质液面（4）至少高5cm。

8.根据权利要求2所述的防凝固大温差LNG冷能回收换热器，其特征在于：LNG分支盘管和低温热媒分支盘管在投影平面上呈交错设置；NG分支盘管和高温热媒分支盘管在投影平面上呈交错设置。

9.根据权利要求1所述的防凝固大温差LNG冷能回收换热器，其特征在于：NG出口管的管径大于LNG入口管的管径， LNG盘管和NG盘管的管径均小于LNG入口管管径。

10.根据权利要求1所述的防凝固大温差LNG冷能回收换热器，其特征在于：热媒入口管的管径等于热媒出口管的管径，位于热媒入口管和热媒出口管之间的第一热媒盘管（18）和第二热媒盘管（19）均小于热媒入口管或出口管管径。

Images