CN114111415A - 超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器及检测方法，属于液态天然气设备领域。本发明管箱结构为多个独立的管箱组成，多个独立的管箱分别为用于接入液态天然气、输出汽态天然气的左管箱及右管箱；用于接入汽态丙烷、输出液态丙烷的上管箱及下管箱；所述的芯体内设有供天然气流通的独立管路，还设有供丙烷流通的独立管路；所述的换热器单独构成或由多个换热器串联或并联组合形成换热器组。本发明提供超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，可单独使用，也采用多个换热器串联或并联使用；采用串联或并联模块化集成式的设计方案解决了因为3D打印单个产品尺寸受限而导致换热器总换热能力低、焊接集成后无法进行高压、低温的环境检测、以及产品废品率导致的成本高等难题。

Description

超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器及检测方法

技术领域

本发明涉及超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器及检测方法，属于液态天然气设备领域。

背景技术

紧凑高效微通道换热器是浮式液化天然气(FLNG)装置的核心装置，目前微通道FLNG换热器的设计和制造核心技术掌握被国外Heatric公司、美国VPE公司以及瑞典AlfaLaval公司等企业所垄断，并且随着FLNG技术革命与发展，对大型化换热器提出了迫切的需求。全球制备高效紧凑换热器的方法是化学蚀刻和扩散焊工艺相结合，而国内江苏科技大学首例运用增材制造技术研发本产品，但无论是前者还是后者，均因受到工艺制备设备的能力限制，目前不能制备出大型低温、高压式的紧凑高效微通道换热器。其原因有如下几点：1.受到设备本身的能力限制，无论是扩散焊熔炉还是3D打印设备，制备出来的芯体均受到体积的限制；2.芯体内部泄露无法进行维修，故急需向大型化发展的装备的废品率会急线上升，增大了开发风险及成本；3.对于高压、低温设备，均需要按照严格的检验合格后，走向市场，尤其对于高附加值的使用环境，质量安全尤其重要。目前，对于高温低压的设备，压力容器领域可以参考等效替换的方法进行，但尚无低温试验条件；4.对于大温差大型紧凑高效微通道换热器，如LNG从-157℃汽化出0℃的气体，对在运行中的设备本身也会产生极大的温差应力，尤其对高压设备，会产生疲劳，降低了产品的使用寿命。

发明内容

本发明针对上不足提供的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器及检测方法。拟解决紧凑高效微通道换热器向大型发展的需求所面临的困难问题，本设计，可以有效的通过设计、低温高压检验的手段，解决现有产品的不足，不仅考虑了安全、可靠、可实施，而且装备换热性能优异。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，所述的换热器包括芯体，管箱结构；所述管箱结构内设有芯体；所述的管箱结构为多个独立的管箱组成，多个独立的管箱分别为用于接入液态天然气、输出汽态天然气的左管箱及右管箱；用于接入汽态丙烷、输出液态丙烷的上管箱及下管箱；所述的芯体内设有供天然气流通的独立管路，还设有供丙烷流通的独立管路；所述的换热器单独构成或由多个换热器串联或并联组合形成换热器组。

本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，所述的左管箱及右管箱分别呈半圆弧状，左管箱及右管箱分别焊接在芯体的左端部及右端部；左管箱及右管箱与天然气流通的独立管路相连通；所述左管箱上设有液态天然气接入接口；所述的右管箱设有汽态天然气输出接口。

本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，其特征在于：所述的上管箱及下管箱呈半圆弧状，上管箱及下管箱焊接在芯管的上端部及下端部；上管箱及下管箱与丙烷流通的独立管路相连通，所述上管箱上设有上管箱接管；所述的下管箱设有下管箱接管。

本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，多个换热器串联或并联组合形成换热器组；形成串联结构的换热器组，每两个相邻的换热器组之间的汽态天然气的输出端与汽态天然气接入端通过法兰组件相互连通；形成串联结构的换热器组，每个换热器的汽态丙烷解接入端通过法兰组件与丙烷主进管路相连通，主进管路上设有接入总管路；每个换热器的液态丙烷解接出端通过法兰组件与丙烷主出管路相连通，主出管路上设有接出总管路。

本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，多个换热器串联或并联组合形成换热器组；形成并联结构的换热器组，以串联结构的换热器组中的换热器数量为基准，并联相同数量换热器的换热器组；每组换热器组的液态天然气接入端及汽态天然气的输出端分别设有天然气汇集管；

每组换热器组的丙烷主进管路与每组换热器组的丙烷主出管路分别设有丙烷汇集管；丙烷汇集管与接入总管路及接出总管路相连通。

本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，以接出总管路为中心其丙烷主出管路的管径成逐渐缩小状。

本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，多个换热器串联或并联组合形成换热器组，以首个接入液态天然气的换热器，其后排列若干个换热器的丙烷接入流量逐渐增减少，从而可以使得每个单元的换热后温差均衡，提高换热效率，同时增加了模块化单元寿命。

本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器的检测方法，针对的单个换热器或串联换热器组或并联换热器组的液态天气接入、接出端实验方法如下：

1)、将单个换热器或串联换热器组或并联换热器组采用压缩空气吹扫，确认其内物多余物质；

2)、将单个换热器或串联换热器组或并联换热器的液态天然气接入口垂直向下，汽态天然气输出端朝上布置；并接入试验设备中；

3)、通过步骤2)的试验设备向单个换热器或串联换热器组或并联换热器内腔注水，待内部空气排尽，停止注水；

4)、通过试验设备向单个换热器或串联换热器组或并联换热器内增压；

5)、通过步骤4)对单个换热器或串联换热器组或并联换热器增压后并保持一段时间后，检测是否出现异常；

6)、若步骤5)中无异常，继续对单个换热器或串联换热器组或并联换热器进行多次增压，且每次增压后保持一段时间后，检测是否出现异常；

7)、若步骤6)中无异常泄压，压力归零后，试验结束。

本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器的检测方法，针对的单个换热器或串联换热器组或并联换热器组的丙烷接入、接出端实验方法如下：

1)、将单个换热器或串联换热器组或并联换热器的丙烷接入口垂直向下，丙烷输出端朝上布置；并接入试验设备中；

2)、通过步骤2)的试验设备向单个换热器或串联换热器组或并联换热器内腔注水，待内部空气排尽，停止注水；

3)、通过试验设备向单个换热器或串联换热器组或并联换热器内增压；

4)、通过步骤3)对单个换热器或串联换热器组或并联换热器增压后并保持一段时间后，检测是否出现异常；

5)、若步骤4)中无异常，继续对单个换热器或串联换热器组或并联换热器进行多次增压，且每次增压后保持一段时间后，检测是否出现异常；

6)、若步骤5)中无异常泄压，压力归零后，试验结束。

本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器的检测方法，所述的步骤4)为初始增压，压力增压力至5MPa；

所述的步骤5)为阶段式持续增压，当压力增至5MPa中的单个换热器或串联换热器组或并联换热器缓慢将压力提升到20MPa，保压10min；

若无异常后逐步提升到30MPa后，保压30min，升压期间压力每提高约3.0MPa停顿10～20S；

所述的步骤7)中，将压力逐步降至20MPa后，保压10min，若无异常；打开泄压阀缓慢泄压，待压力表归零后试验结束。

本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器的检测方法，其特征在于：所述的步骤3)为初始增压，压力增至1MPa；

所述的步骤4)为阶段式持续增压，当压力增至1MPa中的单个换热器或串联换热器组或并联换热器缓慢将压力提升到2.5MPa，保压10min；

若无异常后逐步提升到3.75MPa后，保压30min，升压期间压力每提高约1.0MPa停顿10～20S；

所述的步骤5)中，将压力逐步降至2.5MPa后，保压10min，若无异常；打开泄压阀缓慢泄压，待压力表归零后试验结束。

本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器的流量设计方法，多个换热器串联或并联组合形成换热器组的流量分配方法如下：

当液态天然气仅有串联芯体时，根据丙烷的总流量按芯体个数n平均分配，则芯体流量q_m为：

式中，n为芯体个数，i为沿液态天然气流动方向的第i个芯体；

总换热量Q为：

Q＝m_c(H_c,out-H_c,in)

式中，Q为总传热量，m_c为冷流体质量流量；H_c,in和H_c,out分别为冷流体进出口比焓。

平均分配换热器换热量，则每个芯体换热量Q_i为

根据热平衡计算得到每个芯体的进出口温度T_hi,out或T_ci,out；

Q_i＝m_h,i(H_hi,in-H_hi,out)＝m_c,i(H_ci,out-H_ci,in)

式中m_c,i，m_h,i分别为第i段冷流体、热流体的质量流量；H_hi,in和H_hi,out分别为热流体第i段进出口比焓；H_ci,in和H_ci,out分别为冷流体第i段进出口比焓。

根据换热量，计算得所需芯体长度不同；每个芯体的长度为l_i为：

式中，F_i为第i段芯体所需换热面积，N为流体通道管子数，A_o为每个通道的湿周。

流量、阻抗和压降成以下关系：

Δp_i＝S_iq_m,i ²

式中Δp_i为第i段压降，S_i为第i段阻抗，q_m,i为第i段流量。

根据芯体长度不相等即阻抗S不相等，得到压降不相等；

等流量分配时，各个芯体的压降之比为：

Δp₁：Δp₂：Δp₃：Δp₄：……＝l₁：l₂：l₃：l₄：……＝S₁：S₂：S₃：S₄：……

每个芯体的换热面积占总换热面积的比重通过下式表述：

根据上式中芯体所需换热面积占总面积的比重重新分配流量；原沿着LNG流向芯体面积占总面积的比值为：

χ₁:χ₂:χ₃:…:χ_n

调整后沿着液态天然气流向上芯体的丙烷流量占总丙烷流量的比值为：

χ_n:χ_n-1:χ_n-2:…:χ₁

通过上述公式重新计算各段出口温度、各段换热量和所需换热面积；调整后基本使每个芯体的换热面积保持一致。

当液态天然气有m路并联芯体时，将液态天然气按m路等分后，每一并联支路按上述计算方法进行丙烷流量分配。

有益效果

本发明提供超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，可单独使用，也采用多个换热器串联或并联使用；采用串联或并联模块化集成式的设计方案解决了因为3D打印单个模块化单元尺寸受限而导致换热器总换热能力低的难题。

本发明提供超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，采用串联方式的换热器采用法兰式连接，解决了在超低温、高压条件下无法做射线检测的难题。

本发明提供超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，针对串联或并联的个流量提供了设计方法，可以大大提升热测及冷侧在不同模块化的热量置换效率。

本发明基于不同芯体热流体流量不同的分配设计方法，使各芯体所需换热面积基本相同，采用相同的芯体连接，节省加工成本。若每个芯体采用相同热流体流量、热流体进出口温度相等时，则换热量相等，对数平均温差大的冷端芯体所需换热面积小，需每个芯体分别建模加工，制造成本高。若每个芯体采用相同热流体流量、采用相同换热芯体时，则冷端芯体换热量大，使冷端丙烷出口过冷度大，而热端芯体出口过冷度小，引起丙烷各管道的温度不均匀，产生热应力。采用相同换热芯体间热流体流量不等的分配方案后，热流体出口温度均匀，减小设备热应力，提高设备运行的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的剖面结构示意图；

图3为本发明的侧视结构示意图；

图4为本发明的换热器液态天然气通道串联结构示意图；

图5为本发明的换热器液态天然气通道并联结构示意图；

图6为本发明的低温预冷试验设备；

图7为本发明的低温耐压测试曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，换热器包括芯体1，管箱结构；所述管箱结构内设有芯体；所述的管箱结构为多个独立的管箱组成，多个独立的管箱分别为用于接入液态天然气、输出汽态天然气的左管箱2及右管箱3；用于接入汽态丙烷、输出液态丙烷的上管箱6及下管箱7；芯体1内设有供天然气流通的独立管路，还设有供丙烷流通的独立管路；所述的换热器单独构成或由多个换热器串联或并联组合形成换热器组。

如图2、图3所示：本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，左管箱2及右管箱3分别呈半圆弧状，左管箱2及右管箱3分别焊接在芯体1的左端部及右端部；左管箱2及右管箱3与天然气流通的独立管路相连通；所述左管箱2上设有液态天然气接入接口4；所述的右管箱设有汽态天然气输出接口5。

上管箱6及下管箱呈7半圆弧状，上管箱6及下管箱7焊接在芯管的上端部及下端部；上管箱6及下管箱7与丙烷流通的独立管路相连通。上管箱6上设有上管箱接管8；下管箱7设有下管箱接管9。换热器两侧设有支腿10。

如图4所示:每两个相邻的换热器组之间的汽态天然气的输出端与汽态天然气接入端通过法兰组件11相互连通；形成串联结构的换热器组，每个换热器的汽态丙烷解接入端通过法兰组件与丙烷主进管路12相连通，主进管路12上设有接入总管路13；每个换热器的液态丙烷解接出端通过法兰组件11与丙烷主出管路14相连通，丙烷主出管路14上设有接出总管路15。

如图5所示：本发明所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，多个换热器串联或并联组合形成换热器组；形成并联结构的换热器组，以串联结构的换热器组中的换热器数量为基准，并联相同数量换热器的换热器组；每组换热器组的液态天然气接入端及汽态天然气的输出端分别设有天然气汇集管；每组换热器组的丙烷主进管路与每组换热器组的丙烷主出管路分别设有丙烷汇集管；丙烷汇集管与接入总管路及接出总管路相连通。以接出总管路为中心其丙烷主出管路的管径成逐渐缩小状。

本发明的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器先进行常规常温试验后再进行低温耐压试验；本发明的创新的低温耐压试验如下：

进行低温耐压试验的产品必须为经常温耐压试验合格，且经真空烘干后产品；使用液氮深冷箱对产品进行降温；

使用氦气为承压介质为：氦气；如下表：

序号	气体名称	压力Mpa	饱和温度℃
				1	氮气	20	-146.958
2	氦气	15	-268.994
				3	氦气	20	-268.994
4	氦气	25	-268.994

氦气为惰性气体，在压力20MPa且温度-196℃时为超临界状态，在压力20MPa且-269℃时为气液两相，因此采用氦气作为承压介质不会因气体在高压超低温状态下出现液化而导产品承压侧腔体内压力下降。

如图6、图7所示：低温耐压试验设备包括：气体压试验台，深冷箱，液化氮气，缓冲罐，气化气，高压针阀16，耐振压力表17(表盘φ100mm,压力0～40MPa精度等级1.6)2只，安全阀18(设定值21～22MPa)1个，气源阀19，预热器20两套，气体流量计1支，高压截止阀21(6000PSI)2只，泄压口22，不锈钢内螺纹三通接头3只、高压软管(承压64MPa级)12条、高压硬管2支、高压硬密封接头及防护用品。

超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器的低温耐压试验的试验方法如下：

a)将产品放置在室温条件下，确认其内部无多余物质后，将产品放入深冷箱内，并将LNG进出口与箱体预留接口相连接；

b)外部设备、管道、压力表、安全阀和高压球阀等部件安装相连接；

c)向产品LNG侧注入约5MPa(表压)的氮气后，检查产品及各连接口是否有泄漏，确认无泄漏后，排出管道及产品内的氮气；

d)开启低压氮气进、出口，使低压氮气以约3L/min的速度，进行常通气(当深冷箱温度到达-160℃以下时切换为氦气，防止低温时管道冻结堵塞)；

e)开启管道预热装置(防止超低温影响压力表及其他连接件)，开启深冷箱对产品进行低温，预冷过程控制参数：

①目标温度:-111℃

②降温速率：＜12℃22

③含氧量：＜1.2％

④低温气态氮气温度：＜-111℃

f)低温预冷试验操作：

①液氮预冷采用初步降温的方式，避免由于温度骤降而导致微通道换热器、管道及附件受损；

②打开充气阀混合一定量的气体和液体，逐步打开低温氮气的排气阀，逐步调节和降低温度至-31℃，并进行第一阶段的低温管线预冷；

③逐步增加低温氮气供应量，同时根据流动情况适当减少蒸发器供应量直至流量稳定，并进行第二阶段的低温管线预冷；

④待低温氮气预冷至较低温度时，缓慢打开液氮储罐液相阀至较小开度的同时，缓慢关闭低温氮气的排气阀，使试验系统进入少量液氮；

⑤待少量液氮预冷至较低温度时，缓慢开大储罐液相阀，进一步降低试验系统温度至规定温度；

⑥检测蒸发器及预冷系统各设备、管线的温度与压力，每12分钟记录数据。数据记录如下下表：

预冷过程数据记录表

g)低温耐压试验：

(1)当深冷箱内温度达到要求的-196℃时，使之进入保温状态

(2)关闭设备尾端高压针阀,开启气体增压试验台，对产品试验侧充注氦气：

①逐步提LNG侧压力至5MPa(表压)，保压5min，检查产品及各连接处有无泄漏；

②如无泄漏侧将压力升高到10MPa(试验压力50％)，保压5min，观察产品有无异常；

③将产品LNG侧压力逐步提升到20MPa(表压)后，保压10min，升压期间压力每提高约2.0MPa(试验压力10％)停顿10～20S防止意外发生；

⑤保压结束后，关闭深冷箱，打开泄压阀缓慢泄压，先排净产品内的气体，待产品温度恢复至0℃以上后，拆除各连接件,取出产品.

(3)产品取出后,观察产品有无明显变形、裂纹等不良缺陷并记录；

(4)在整个试验过程中如有泄漏，停止试验，泄压压力归零后，排查泄漏点；

(5)产品在压力由16MPa提升至11MPa过程中每提升约1MPa拍摄一张照片留底；

(6)如试验过程中产品出现泄漏，应立即停止试验，通过气密试验查找泄漏点；

本发明针对超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器的芯体组装还提供了如下流量分配方法，便于针对不同组合的换热器组进行流量分配。

1、当液态天然气仅有串联芯体时，将丙烷总流量按芯体个数n平均分配，则芯体流量为

式中，n为芯体个数，i为沿液化天然气流动方向的第i个芯体。

2、总换热量为：

Q＝m_c(H_c,out-H_c,in)

式中，Q为总传热量，m_c为冷流体质量流量；H_c,in和H_c,out分别为冷流体进出口比焓。

平均分配换热器换热量，则每个芯体换热量为

3、根据每个芯体换热量相等，根据热平衡计算得到每个芯体的进出口比焓，查出出口温度T_hi,out或T_ci,out。

Q_i＝m_h,i(H_hi,in-T_hi,out)＝m_c,i(H_ci,out-H_ci,in)

式中，m_c,i，m_h,i分别为第i段冷流体、热流体的质量流量；H_hi,in和H_hi,out分别为热流体第i段进出口比焓；H_ci,in和H_ci,out分别为冷流体第i段进出口比焓。

4、布置每个换热芯体的通道结构每个芯体的通道宽和高保持一致。根据换热量，计算得所需芯体长度不同。每个芯体的长度为l_i：

式中，F_i为第i段芯体所需换热面积，N为流体通道管子数，A_o为每个通道的湿周。

5、若每个芯体流量相等，换热量相等。则根据流量、阻抗和压降成以下关系，根据芯体长度不相等即阻抗S不相等，得到压降不相等，具体表述如下：

△p_i＝S_iq_m,i ²

由因为初始假设流量相等，阻抗之比即为压降之比，即为芯体长度之比，得到芯体压降与长度成正比，也与芯体的阻抗成正比。等流量分配时，各个芯体的压降之比为

△p₁：△p₂：△p₃：△p₄：……＝l₁：l₂：l₃：l₄：……＝S₁：S₂：S₃：S₄：……

每个芯体的换热面积占总换热面积的比重为：

6、根据芯体所需换热面积占总面积的比重重新分配流量。

原沿着液态天然气流向芯体面积占总面积的比值为χ₁:χ₂:χ₃:…:χ_n；调整后沿着液态天然气流向上芯体的丙烷流量占总丙烷流量的比值为：χ_n:χ_n-1:χ_n-2:…:χ₁。

7、根据新的流量由步骤3开始重新计算各段出口温度、各段换热量和所需换热面积。调整后基本使每个芯体的换热面积保持一致。

当液态天然气有m路并联芯体时，将液态天然气按m路等分后，每一并联支路按上述计算方法进行丙烷流量分配。

二芯体并联的实施例如下：

1、将丙烷流量0.63kg/s平分成2份，每个芯体假设流量为0.315kg/s

2、根据该流量，每个芯体的换热量均为118kW。

3、丙烷入口温度为283K，计算得到LNG从116K进过第一个芯体1后出口温度为189.5K，经过第二个芯体后出口温度为263K。

4、由此进行换热器设计，每层有65个通道，共有32层，得到第一个芯体的长度为0.2575m，第二个芯体的长度为0.8m。

5、所得换热面积分别为2.0653m²和6.49m²。若换热量相等时，芯体1占所需总换热面积的1/4，芯体2占所需总换热面积的3/4。

6、芯体1由于换热的对数平均温差大，所需换热面积小。若要使换热面积一样，则两芯体的换热量将重新分配，芯体1的换热量占总换热量的3/4，芯体2的换热量占总换热量的1/4。

7、根据换热量将流量重新分配，芯体1流量变为0.63的3/4，即0.4725kg/s；芯体2流量变为0.63的1/4，即0.1575kg/s。重新分配的芯体1换热量为177kW，芯体2换热量为59kW，所需换热芯体的长度为0.38m和0.427m，所需换热面积为3m²和3.4m²，比值为1:1.13，可采用2个相同芯体模块化进行换热。

四芯体并联的实施例如下：

1、将丙烷流量0.63kg/s平分成4份，每个芯体假设流量为0.1575kg/s

2、根据该流量，每个芯体的换热量均为58kW。

3、丙烷入口温度为283K，计算得到LNG从116K进过第一个芯体1后出口温度为159K，经过第二个芯体后出口温度为198.34K，经过第三个芯体后出口温度为228K，经过第四个芯体后出口温度为260K。

4、由此进行换热器设计，每层有65个通道，共有32层，得到第一个芯体的长度为0.17m，第二个芯体的长度为0.18m，第三个芯体长度为0.262m，第四个芯体长度为0.48m。

5、所得换热面积分别为1.38m²、1.44m²、2.1m²和3.9m²。芯体1、芯体2、芯体3和芯体4的换热面积分别占总换热面积的0.156、0.163、0.238和0.44。

6、调整后芯体1至芯体4的流量调整的系数分别为0.44、0.238、0.163和0.156。

7、根据换热量将流量重新分配，芯体1流量变为0.63的0.44，即0.2772kg/s；芯体2流量变为0.63的0.238，即0.15kg/s；芯体3流量变为0.63的0.163，即0.103kg/s；芯体4流量变为0.63的0.156，即0.098kg/s。重新分配的芯体1换热量为102kW，芯体2换热量为55kW，芯体3换热量为38kW，芯体4换热量为36kW，所需换热芯体的长度为0.29m、0.23m、0.3m和0.5m，所需换热面积为2.34m²、1.85m²、2.47m²和4m²，比值为1.26:1:1.33:2.16，基本可采用4个相同芯体模块化进行换热。最后一个芯体流量小，传热量小，传热温差小，因此，所需换热面积大。实际运行中，并联流量将根据芯体阻力进行自适应调整，使最后一个芯体流量增大，实际所需换热面积将比计算值更小。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，其特征在于：所述的换热器包括芯体，管箱结构；所述管箱结构内设有芯体；所述的管箱结构为多个独立的管箱组成，多个独立的管箱分别为用于接入液态天然气、输出汽态天然气的左管箱及右管箱；用于接入汽态丙烷、输出液态丙烷的上管箱及下管箱；所述的芯体内设有供天然气流通的独立管路，还设有供丙烷流通的独立管路；所述的换热器单独构成或由多个换热器串联或并联组合形成换热器组。

2.根据权利要求1所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，其特征在于：所述的左管箱及右管箱分别呈半圆弧状，左管箱及右管箱分别焊接在芯体的左端部及右端部；左管箱及右管箱与天然气流通的独立管路相连通；所述左管箱上设有液态天然气接入接口；所述的右管箱设有汽态天然气输出接口。

3.根据权利要求1所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，其特征在于：所述的上管箱及下管箱呈半圆弧状，上管箱及下管箱焊接在芯管的上端部及下端部；上管箱及下管箱与丙烷流通的独立管路相连通，所述上管箱上设有上管箱接管；所述的下管箱设有下管箱接管。

4.根据权利要求1或2或3所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，其特征在于：多个换热器串联或并联组合形成换热器组；形成串联结构的换热器组，每两个相邻的换热器组之间的汽态天然气的输出端与汽态天然气接入端通过法兰组件相互连通；形成串联结构的换热器组，每个换热器的汽态丙烷解接入端通过法兰组件与丙烷主进管路相连通，主进管路上设有接入总管路；每个换热器的液态丙烷解接出端通过法兰组件与丙烷主出管路相连通，主出管路上设有接出总管路。

5.根据权利要求4所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，其特征在于：多个换热器串联或并联组合形成换热器组；形成并联结构的换热器组，以串联结构的换热器组中的换热器数量为基准，并联相同数量换热器的换热器组；每组换热器组的液态天然气接入端及汽态天然气的输出端分别设有天然气汇集管；

每组换热器组的丙烷主进管路与每组换热器组的丙烷主出管路分别设有丙烷汇集管；丙烷汇集管与接入总管路及接出总管路相连通。

6.根据权利要求4所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，其特征在于：以接出总管路为中心其丙烷主出管路的管径成逐渐缩小状。

7.根据权利要求4所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器，其特征在于：多个换热器串联或并联组合形成换热器组，以首个接入液态天然气的换热器，其后排列若干个换热器的丙烷接入流量逐渐增小。

8.超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器的检测方法，其特征在于：该试验为低温气密试验，采用的方法如下：

步骤一、将换热器放置在室温条件下，确认其内部无多余物质后，将换热器放入深冷箱内，并将换热器的液态天然气进、出口与箱体预留接口相连接；

步骤二、向换热器的液态天然气侧注入约5MPa(表压)的氮气后，检查产品及各连接口是否有泄漏，确认无泄漏后，排出管道及产品内的氮气；

步骤三、开启低压氮气进、出口，使低压氮气以约3L/min的速度，进行常通气；当深冷箱温度到达-160℃以下时切换为氦气，防止低温时管道冻结堵塞；

步骤四、开启管道预热装置，开启深冷箱对换热器进行低温预冷试验，预冷过程控制参数如下：

目标温度:-111℃；

降温速率：＜12℃22；

含氧量：＜1.2％；

低温气态氮气温度：＜-111℃；

步骤五、对换热器进行低温耐压试验；若试验过程中换热器出现泄漏，应立即停止试验，通过气密试验查找泄漏点；若换热器未出现泄漏，试验结束。

9.根据权利要求8所述的超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器的试验方法，其特征在于：步骤四中低温预冷试验步骤如下：

1)、液氮预冷采用初步降温的方式，避免由于温度骤降而导致微通道换热器、管道及附件受损；

1)、打开充气阀混合一定量的气体和液体，逐步打开低温氮气的排气阀，逐步调节和降低温度至-31℃，并进行第一阶段的低温管线预冷；

3)、逐步增加低温氮气供应量，同时根据流动情况适当减少蒸发器供应量直至流量稳定，并进行第二阶段的低温管线预冷；

4)、待低温氮气预冷至较低温度时，缓慢打开液氮储罐液相阀至较小开度的同时，缓慢关闭低温氮气的排气阀，使试验系统进入少量液氮；

5)、待少量液氮预冷至较低温度时，缓慢开大储罐液相阀，进一步降低试验系统温度至规定温度；

6)、检测蒸发器及预冷系统各设备、管线的温度与压力，每15分钟记录数据。

10.超低温、高压模块化集成式紧凑高效换热器的流量设计方法，其特在于：多个换热器串联或并联组合形成换热器组的流量分配方法如下：

当液态天然气仅有串联芯体时，根据丙烷的总流量按芯体个数n平均分配，则芯体流量q_m为：

式中，n为芯体个数，i为沿液态天然气流动方向的第i个芯体；

总换热量Q为：

Q＝m_c(H_c，out-H_c，in)

式中，Q为总传热量，m_c为冷流体质量流量；H_c，in和H_c，out分别为冷流体进出口比焓；

平均分配换热器换热量，则每个芯体换热量Q_i为：

根据热平衡计算得到每个芯体的进出口温度T_hi，out或T_ci，out；

Q_i＝m_h，i(H_hi，in-H_hi，out)＝m_c，i(H_ci，out-H_ci，in)

式中m_c，i，m_h，i分别为第i段冷流体、热流体的质量流量；H_hi，in和H_hi，out分别为热流体第i段进出口比焓；H_ci，in和H_ci，out分别为冷流体第i段进出口比焓；

根据换热量，计算得所需芯体长度不同；每个芯体的长度为l_i为：

式中，F_i为第i段芯体所需换热面积，N为流体通道管子数，A_o为每个通道的湿周；

流量、阻抗和压降成以下关系：

Δp_i＝S_iq_m，i ²

式中Δp_i为第i段压降，S_i为第i段阻抗，q_m，i为第i段流量；

根据芯体长度不相等即阻抗S不相等，得到压降不相等；

等流量分配时，各个芯体的压降之比为：

Δp₁∶Δp₂∶Δp₃∶Δp₄∶......＝l₁∶l₂∶l₃∶l₄∶......＝S₁∶S₂∶S₃∶S₄∶......

每个芯体的换热面积占总换热面积的比重通过下式表述：

根据上式中芯体所需换热面积占总面积的比重重新分配流量；原沿着液态天然气流向芯体面积占总面积的比值为：

χ₁∶χ₂∶χ₃∶...∶χ_n

调整后沿着液态天然气流向上芯体的丙烷流量占总丙烷流量的比值为：

χ_n∶χ_n-1∶χ_n-2∶...∶χ₁

通过上述公式重新计算各段出口温度、各段换热量和所需换热面积；调整后基本使每个芯体的换热面积保持一致。

当液态天然气有m路并联芯体时，将液态天然气按m路等分后，每一并联支路按上述计算方法进行丙烷流量分配。

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