CN104930899A - 一种用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管。螺旋汽化管由汽化段和加热段一体连接组成，外管与其一端内设的内套管组合构成汽化段，不设内套管的外管构成加热段；汽化段长2‐3米；外管的内壁为内壁螺纹；内壁螺纹为螺旋纹，螺旋纹的高度为5‐7mm，螺旋纹的大径11‐14mm，螺旋纹的小径为6‐7mm；外管的外壁绕管壁均匀设有多层翅片，内套管为空心管，内套管与外管的底端平齐；内螺纹壁的螺纹顶端与内套管的外壁形成的环状间隙，环状间隙的间距为1～2mm。本发明对管内外的流体传热均进行了强化，同时提高了管内外传热系数，有效减缓了换热管底部结冰问题，能有效缩小汽化器尺寸，节省金属材料，降低能耗。

Description

一种用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管

技术领域：

本发明涉一种用于热交换的汽化管，特别是涉及一种用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管，是开架式汽化器的换热管。

背景技术

LNG/LPG作为目前大力发展的燃料及化工原料，以其清洁、高效、便于储运且价格相对较低等优势备受人们关注。在使用中，LNG/LPG需经汽化为气体后才能被用作燃料或化工生产原料。因此，汽化器在LNG/LPG利用过程中扮演了非常重要的角色。

目前，沿海大型接收站通常使用以海水作为热源的开架式汽化器。开架式汽化器的基本传热单元是汽化管。由若干汽化管组成板状排列，两端与集气管或集液管焊接形成管束板，再由若干管束板组成汽化器。被加热的工质从下部总管进人，然后分配到每个小的换热管内。在换热管束内由下向上流动。汽化器顶部装有海水分布装置，海水由顶部进人，经海水分布器成薄膜状均匀沿管束外壁下降，同时将热量传递给管内工质。

汽化器的核心单元即为汽化管。常压下，LNG温度约为‐163℃，LPG温度约为‐42℃。由于其温度较低，在汽化过程中，汽化管底部很容易发生结冰现象，由此导致换热管效率的降低，影响汽化器的正常使用。

对于大型开架式汽化器，由于热负荷较大，使用普通换热管的汽化器，整体结构尺寸也较大，但过大的尺寸往往限制了汽化器的便利性及性能提升。研究者们一直在研制缩小汽化器尺寸同时保持其汽化能力不变甚至提升的有效可行的方法，但至今没有合适的解决办法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种有效克服汽化管底部易发生结冰现象，汽化能力强，气化管尺寸小，尤其适宜使用普通换热管的用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管。

本发明的目的通过以下技术方法实现：

一种用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管，由汽化段和加热段一体连接组成，外管与其一端内设的内套管组合构成汽化段，不设内套管的外管构成加热段；汽化段长2‐3米；所述外管的内壁为内壁螺纹；内壁螺纹为螺旋纹，螺旋纹的高度为5‐7mm，螺旋纹的大径 11‐14mm，螺旋纹的小径为6‐7mm；外管的外壁绕管壁均匀设有多层翅片，每一层的翅片为6-10个，围绕外管的外壁均匀分布，每个翅片包括主翅片、第一副翅片和第二副翅片；主翅片从外管外壁往外周伸出，形状为矩形，第一副翅片和第二副翅片为圆弧状，间隔设置在主翅片上，在主翅片两侧呈对称分布，外管的管壁厚为螺纹高度的1～1.5倍；所述螺旋纹的大径为外管横截面中心点到内壁螺纹底端的距离，所述螺旋纹的小径为外管横截面中心点到内壁螺纹顶端的距离；

所述内套管为空心管，内套管与外管的底端平齐；内螺纹壁的螺纹顶端与内套管的外壁形成的环状间隙，环状间隙的间距为1～2mm。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述内壁螺纹为矩形螺纹，矩形宽为3‐5mm，螺纹线数n为4，螺距P为20-25mm。

所述主翅片的片高度为80‐120mm，厚度为2-3mm。

所述第一副翅片弧半径为40mm，整体弧度为90-150°，距离外管的距离为30-40mm。

所述第二副翅片8‐2弧半径为20mm,整体弧度为90-150°，距离外管5的距离为60-80mm。

所述内套管与外管同心安装；内套管的壁厚为1‐2mm。

所述加热段的长度为5～6米。

所述优旋纹的截面为矩形。

所述第一副翅片和第二副翅片通过焊接加工于主翅片两侧。

所述主翅片通过机械套装技术与外管固接；所述内壁螺纹通过切削攻丝、冷挤压或高速铣削技术加工。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明依照流体在管内流动状态，将汽化管分为汽化段和加热段两部分。对于管内汽化段部分，通过采用一内套管设计的双层管结构，液态流体流经内套管内流道，环状间隙内为汽化后的背抽气气体，汽化管外流体通过环状间隙内的气体间接加热并使液体汽化。该结构使汽化管外壁温相比直接接触LNG/LPG的情况下得到提高，更易于保持在0℃以上，从而有效缓解了汽化管下部外壁的结冰现象。

2)本发明通过采用内螺旋结构，使流体在流道内由于压差的作用产生二次流，进而产生涡流，增加流体边界层扰动，促使流体质点杂乱无章的运动，以分子扩散传热的导热加强。同时，流体在螺旋近壁面处产生涡流后，其尾流在一段距离内脱离固体边界束缚，进而冲击壁面形成射流。射流的形成能加强底层流体径向扰动，迫使热量通过底层流体进入 到流体主体。同时，流体在螺旋强化管内不断进行边界层的形成、发展和分离过程，适当调整螺距，使边界层在螺旋强化管内未能充分发展就开始分离，可以有效减薄边界层厚度，从而达到强化传热的目的。

3)汽化器顶部装有海水分布装置，海水由顶部进人，经海水分布器成薄膜状均匀沿外管下降，本发明第一副翅片和第二副翅片的圆弧状配合经海水分布器成薄膜状均匀沿外管下降的海水和吸收后散发的热量，容易在第二副翅片到第一副翅片以及第一副翅片到外管壁之间形成雾膜状结构，提高汽化管换热能力，从而提高汽化效率。

4)本发明对汽化管内流道进行了改进，控制螺旋纹的高度为5‐7mm，有利于促进管内流体的湍动并减弱边界层厚度，强化传热，而管外主副翅片的设计使海水在外管壁外形成雾膜状结构，可以实现外管的管壁厚为螺纹高度的1～1.5倍，螺旋纹的大径11‐14mm，螺旋纹的小径为6‐7mm，实现气化管尺寸小型化，尤其适宜使用普通换热管，有效节省金属材料，降低能耗。

5)本发明在每片主翅片两侧各增加两片圆弧状副翅片，通过增加圆弧状副翅片，管外换热面积得到较大扩展，进一步保证了换热管的汽化能力。

6)本发明管内外换热能力的同时强化，使得汽化管总换热系数显著提高，汽化管换热能力显著增强。

附图说明

图1为本发明用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管的结构示意图；

图2为图1中的汽化段横截面图；

图3为图1中的加热段横截面图；

图4为图1中的内壁螺纹的示意图。

图中示出：汽化段1、加热段2、内套管3、环状间隙4、外管5、内壁螺纹6、主翅片7、第一副翅片8‐1和第二副翅片8‐2。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。

如图1‐4所示，一种用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管，由汽化段1和加热段2一体连接组成，外管5与其一端内设的内套管3组合构成汽化段1，内套管3上的外管5构成加热段2；汽化段1长2～3米，优选加热段2长5～6米；外管5的内壁为内壁螺纹6；内壁螺纹6为螺旋纹，螺旋纹的高度为5‐6mm，螺旋纹的大径11‐14mm，螺旋纹的小径为 6‐7mm；外管5的外壁绕管壁均匀设有多层翅片，每一层的翅片为6～10个，围绕外管的外壁均匀分布，每个翅片包括主翅片7、第一副翅片8‐1和第二副翅片8‐2；主翅片7为管外横翅片，从外管外壁往外周伸出，形状为矩形，优选翅片高度为80‐120mm，厚度为2-3mm；第一副翅片8‐1和第二副翅片8‐2为圆弧状，圆弧凸向外管，间隔设置在主翅片7上，在主翅片7两侧呈对称分布，第一副翅片8‐1弧半径为40mm，整体弧度为90-150°，距离外管5的距离为30-40mm，第二副翅片8‐2弧半径为20mm,整体弧度为90-150°，距离外管5的距离为60-80mm；外管5的管壁厚优选为螺纹高度H的2～3倍。

内壁螺纹6优选为矩形螺纹，其中矩形宽A为3‐5mm，高H为5‐6mm，螺纹的大径R1为13‐14mm，小径R2为6‐7mm，螺纹线数n为4，螺距P为20-25mm；大径R1为外管横截面中心点到内壁螺纹6底端的距离，小径R2为外管横截面中心点到内壁螺纹6顶端的距离。

内套管3为空心管，优选为空心铝管，内套管3与外管5的底端平齐；内螺纹壁6的螺纹顶端与内套管3的外壁形成的环状间隙4，环状间隙4的间距为1～2mm；环状间隙4是一个内壁光滑，外壁有螺纹扰动的间隙；优选，内套管3与外管5同心安装；优选内套管3的壁厚为1‐2mm；

内壁螺纹6通常通过切削攻丝、冷挤压或高速铣削技术等方法加工；第一副翅片8‐1和第二副翅片8‐2通过焊接加工于主翅片两侧。主翅片7通过机械套装技术与外管5固接。

应用时，储罐的低温(-162℃)的液化天然气(LNG)经过低温输送泵，进入汽化器的下端入口；内套管将低温LNG分隔为两部分，一部分为管内LNG，另一部分为环状间隙LNG；高温海水(5～25℃)从汽化器的顶端喷淋外管5，形成稳定的海水流态，为LNG的汽化提供热源。由于环状间隙4仅为1～2mm，环状间隙4外壁为螺纹壁，所以其换热效率高，环状间隙LNG迅速升温汽化为NG，并继续将NG加热到较高温度；管内LNG则是通过环状间隙内的NG间接加热汽化，其汽化速度缓慢，内套管3的存在有效减缓了换热管底部因结冰所导致的换热系数大幅降低的问题，这是因为内套管的设置避免了所有进口的低温LNG直接一次性与外壁进行换热，而是通过内管将管内的低温LNG分为两部分(环状间隙部分和内管部分)，从而减缓了底端换热的负担，减缓了结冰带来的换热恶化；外翅片管通过主翅片与副翅片结合使用，极大地增加了汽化器与海水的接触面积，从而提高了换热效率。与同等热负荷要求的汽化器相比，本发明的新型翅片管结构紧凑，换热效率高。

本发明将汽化管分为汽化段1和加热段2两部分。对于管内汽化段部分，通过采用一内套管设计的双层管结构，液态流体流经内套管3内流道，环状间隙4内为汽化后的背抽 气气体，汽化管外流体通过环状间隙内的气体间接加热并使液体汽化。该结构使汽化管外壁温相比直接接触LNG/LPG的情况下得到提高，更易于保持在0℃以上，从而有效缓解了汽化管下部外壁的结冰现象。

研究者们一直在研制缩小汽化器尺寸同时保持其汽化能力不变甚至提升的有效可行的方法。本发明对汽化管内流道进行了改进，控制螺旋纹的高度为5‐7mm，有利于促进管内流体的湍动并减弱边界层厚度，强化传热；外管5的外壁绕管壁均匀设有多层翅片，每一层的翅片为6～10个，围绕外管的外壁均匀分布，每个翅片包括主翅片7、第一副翅片8‐1和第二副翅片8‐2；管外主副翅片的设计使海水在外管壁外形成雾膜状结构，提高汽化管换热能力，从而提高汽化效率，设计汽化段1长2～3米即可满足避免结冰的问题，并可以实现外管的管壁厚为螺纹高度的1～1.5倍，螺旋纹的大径11‐14mm，螺旋纹的小径为6‐7mm，实现气化管尺寸小型化，尤其适宜使用普通换热管。

本发明通过采用内螺旋结构，使流体在流道内由于压差的作用产生二次流，进而产生涡流，增加流体边界层扰动，促使流体质点杂乱无章的运动，以分子扩散传热的导热加强。同时，流体在螺旋近壁面处产生涡流后，其尾流在一段距离内脱离固体边界束缚，进而冲击壁面形成射流。射流的形成能加强底层流体径向扰动，迫使热量通过底层流体进入到流体主体。同时，流体在螺旋强化管内不断进行边界层的形成、发展和分离过程，适当调整螺距，使边界层在螺旋强化管内未能充分发展就开始分离，可以有效减薄边界层厚度，从而达到强化传热的目的。

本发明在每片主翅片两侧各增加两片圆弧状副翅片，通过增加圆弧状副翅片，管外换热面积得到较大扩展，进一步保证了换热管的汽化能力。

本发明管内外换热能力的同时强化，使得汽化管总换热系数显著提高，汽化管换热能力显著增强。

Claims (10)

1.一种用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管，其特征在于由汽化段和加热段一体连接组成，外管与其一端内设的内套管组合构成汽化段，不设内套管的外管构成加热段；汽化段长2‐3米；所述外管的内壁为内壁螺纹；内壁螺纹为螺旋纹，螺旋纹的高度为5‐7mm，螺旋纹的大径11‐14mm，螺旋纹的小径为6‐7mm；外管的外壁绕管壁均匀设有多层翅片，每一层的翅片为6～10个，围绕外管的外壁均匀分布，每个翅片包括主翅片、第一副翅片和第二副翅片；主翅片从外管外壁往外周伸出，形状为矩形，第一副翅片和第二副翅片为圆弧状，间隔设置在主翅片上，在主翅片两侧呈对称分布，外管的管壁厚优选为螺纹高度的1‐1.5倍；所述螺旋纹的大径为外管横截面中心点到内壁螺纹底端的距离，所述螺旋纹的小径为外管横截面中心点到内壁螺纹顶端的距离；

所述内套管为空心管，内套管与外管的底端平齐；内螺纹壁的螺纹顶端与内套管的外壁形成的环状间隙，环状间隙的间距为1～2mm。

2.根据权利要求1所述用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管，其特征在于，所述内壁螺纹为矩形螺纹，矩形宽为3‐5mm，螺纹线数n为4，螺距P为20-25mm。

3.根据权利要求1所述用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管，其特征在于，所述主翅片的片高度为80‐120mm，厚度为2-3mm。

4.根据权利要求1所述用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管，其特征在于，所述第一副翅片弧半径为40mm，整体弧度为90-150°，距离外管的距离为30-40mm。

5.根据权利要求1所述用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管，其特征在于，所述第二副翅片8‐2弧半径为20mm,整体弧度为90-150°，距离外管5的距离为60-80mm。

6.根据权利要求1所述用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管，其特征在于，所述内套管与外管同心安装；内套管的壁厚为1‐2mm。

7.根据权利要求1所述用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管，其特征在于，所述加热段的长度为5～6米。

8.根据权利要求1所述用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管，其特征在于，所述优旋纹的截面为矩形。

9.根据权利要求1所述用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管，其特征在于，所述第一副翅片和第二副翅片通过焊接加工于主翅片两侧。

10.根据权利要求1所述用于液化天然气汽化器内的螺旋汽化管，其特征在于，所述主翅片通过机械套装技术与外管固接；所述内壁螺纹通过切削攻丝、冷挤压或高速铣削技术加工。