CN109357159A - 一种深冷超临界流体再气化实验***及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深冷超临界流体再气化实验***及工作方法，包括热水回路、中温介质回路和深冷超临界流体回路。其中热水回路与中温介质回路通过浮动盘管换热器进行热交换，中温介质回路和深冷超临界流体回路通过超临界流体气化器进行热交换。热水回路包括依次连通的浮动盘管换热器、电加热器、膨胀水箱和热水泵等组成；中温介质回路包括依次连通的浮动盘管换热器、超临界流体气化器、储液器和循环泵等组成；深冷超临界流体回路包括依次连通的储液罐、潜液泵、稳压罐、超临界流体气化器和背压阀等组成。本发明适用于多种超临界流体再气化使用，且中温介质可控性高，具有较好的工程价值。本发明还公开了一种深冷超临界流体再气化实验***的工作方法。

Description

一种深冷超临界流体再气化实验***及工作方法
技术领域
本发明涉及深冷超临界流体传热技术领域，尤其涉及一种深冷超临界流体再气化实验***，能够满足多种深冷超临界流体再气化需求。
背景技术
超临界流体是指流体的温度和压力高于其临界状态的流体，其特性表现为粘度和扩散系数接近气体，而密度和溶剂化能力接近液体，同时超临界流体各项性质随温度和压力变化十分敏感。深冷超临界流体通常是指温度范围在-40.15℃至-196.15的超临界流体。通常如LNG、液氧、液氢、液氮、液态二氧化碳等工业气体需要以液态形式储运，然后在终端进行再气化使用。以LNG为例，由于LNG体积仅为天然气(NG)体积的1/600,因此为满足储存和远距离运输要求NG通常需要先液化然后再气化使用。但是LNG临界温度为-163℃，在气化过程中易造成换热介质结冰或者气化不完全的现象产生。
所以，研发一种可以满足深冷超临界流体再气化***已经迫在眉睫。而采用中温介质回路的深冷超临界流体再气化***避免了热源与超临界流体的直接换热，通过中温介质间接的将热源的热量传递给超临界流体，可以完全满足深冷超临界流体再气化的要求，同时能够有效的控制气化量的大小。
申请号为201280010015.5，名称为“液化气体的再气化装置及再气化气体制造方法”的发明专利，公开了一种将低温液化气体再气化的***和方法。该***中液化气体首先流过预热用热交换器，与第一热交换器交换热量后再作为热源流入预热用热交换器与来流低温液化气体换热，然后在进入第二热交换器再气化使用。然而使用第一次升温后的液化气体预热来流低温液化气体并不能很明显的升高液化气体的温度，由于管路中液化气体的流量相同，升温后的液化气体与低温液化气体的换热仅通过温差传热，因此在一定程度上浪费了能源。此外在第一热交换器中低温液化气体直接与水或海水换热避免不了结冰的问题，影响换热效果，从而整体上降低了***的运行效率。本专利采用中温介质梯级传递热量，有效的避免了结冰问题。
申请号为201710014179.X，名称为“LNG再气化***”的发明专利，公开了一种LNG再气化***，该***以海水作为热源，通过中间介质三次与海水换热，再将热量传递给LNG同时带动膨胀机发电，以达到发电和再气化LNG的目的。然而该***通过多次换热实现LNG再气化，导致***结构复杂，所需海水流量巨大，水泵能耗较高，此外海水温度四季发生变化，影响***稳定运行。另外该***的NG出口温度并不能达到使用要求，需要再次升温以满足使用需求。本发明专利通过一次热交换便可以达到NG出口温度的需求，使得***不局限于地域位置限制，可以满足各种深冷超临界流体的实验性能分析，且运行稳定，简单高效。
因此，一种能够高效率运行且适用于多种深冷超临界流体再气化***已然成为深冷超临界流体再气化的难题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种深冷超临界流体再气化实验***。
本发明能够满足多种深冷超临界流体再气化的要求，同时可以高效率稳定运行，且不受场地限制。
为达到上述目的，本发明实现目的所采取的技术方案是：
一种深冷超临界流体再气化实验***，包括热水回路、中温介质回路和深冷超临界流体回路；
热水回路与中温介质回路通过浮动盘管换热器进行热量交换；中温介质回路与深冷超临界流体回路通过超临界流体气化器进行热量交换；热水回路包括依次连接的浮动盘管换热器、电加热器、膨胀水箱、排污阀、热水泵和三通阀；中温介质回路包括依次连接的浮动盘管换热器、超临界流体气化器、储液器、循环泵和三通阀；深冷超临界流体回路包括依次连接的储液罐、潜液泵、出液阀、稳压罐、超临界流体气化器和背压阀；
进一步地，超临界流体回路中的超临界流体气化器采用PCHE；
进一步地，中温介质回路的中温介质采用具有较低沸点的氟利昂制冷剂，如R290、R23或丙烷；
进一步地，超临界流体回路中的深冷超临界流体为LNG、液氮、液氧、液氢或液态二氧化碳；
进一步地，热水回路的排污阀设在膨胀水箱的最低点处；
进一步地，热水回路中三通阀的换向口与浮动盘管换热器出口相连接；
进一步地，中温介质回路中三通阀的换向口与储液器进口相连接；
进一步地，深冷超临界流体回路的潜液泵放置在储液罐内最低位置处；；
为了解决现有技术中存在的问题，本发明所采取的另一技术方案是：
一种深冷超临界流体再气化实验***的工作方法，包括以下步骤：热水回路中，冷水在电加热器内加热升温，经热水泵加压后流经三通阀，进入浮动盘管换热器与中温介质进行换热，得到冷量降低温度，然后再次进入电加热器进行加热，完成循环。膨胀水箱起补水、定压、膨胀作用，以稳定热水回路工作压力。三通阀将热水泵、浮动盘管换热器和电加热器连接，以实现变流量调节，匹配换热量的变化；
中温介质回路中，储液器内的液态中温介质经循环泵升高压力，经三通阀进入浮动盘管换热器，与热水进行换热汽化，升高温度，再进入超临界流体气化器与深冷超临界流体进行换热，将其再气化，中温介质得到冷量后液化回到储液器。三通阀将循环泵、浮动盘管换热器和储液器进口相连接，当深冷超临界流体汽化量较小时，调节三通阀，使流入浮动盘管换热器的中温介质流量减小，增大流入储液器的中温介质流量；当深冷超临界流体汽化量较大时，调节方法相反，以此匹配深冷超临界流体气化量的要求；
深冷超临界流体回路中，开启出液阀后，低温低压深冷超临界流体经储液罐内潜液泵加压至超临界流体状态后流出，经稳压罐稳定压力后进入超临界流体气化器与中温介质换热，升温汽化，经背压阀排出。稳压罐的作用是维持回路的压力，由于流体升压后处于超临界状态，其性质接近于气体，所以在此使用气体稳压罐。在***末端设有背压阀，背压阀通过内置弹簧来实现压力调整，当***压力比设定压力小时，膜片在弹簧弹力的作用下堵塞管路，形成憋压，使进口压力达到额定压力；当***压力比设定压力大时，膜片压缩弹簧，管路接通，以此稳定出口压力。
本发明的一种深冷超临界流体再气化实验***及方法，主要在以下几个方面具有突出的优点：
1、通过增加中温介质回路，避免了热源与深冷超临界流体的直接换热，同时利用中温介质的相变换热释放大量潜热，从而有效的降低了超临界流体气化器结冰的可能性，以保证气化器的高效运行；
2、由于中温介质可控性高，可以根据不同深冷超临界流体的临界温度、压力和流量进行匹配，来达到最佳的换热效果；
3、通过采用PCHE气化器，不仅再气化效率高，而且有效减小气化器体积尺寸，从而缩减了再气化***的整体占地面积，以满足有限空间的再气化需求；
4、通过控制热水回路和中温介质回路三通阀换向口的流量开度，可以及时快速的调整并匹配气化量的需求；
5、由于本***所有设备通过焊接或者法兰连接的形式，使用不锈钢管连接，因此可以满足***内部高压的要求，同时可根据现场情况灵活安装；
6、本发明由于解决了深冷超临界流体再气化***的技术问题，所以本发明具有实际的工程意义，可供工程人员参考，具有可观的应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种深冷超临界流体再气化实验***的构造示意图；
图中附图标记说明：1-浮动盘管换热器、2-电加热器、3-膨胀水箱、4-排污阀、5-热水泵、6-三通阀、7-超临界流体气化器、8-储液器、9-循环泵、10-三通阀、11-储液罐、12-潜液泵、13-出液阀、14-稳压罐、15-背压阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明的一种深冷超临界流体再气化实验***，包括热水回路、中温介质回路和深冷超临界流体回路；其特征在于：所述热水回路与中温介质回路通过浮动盘管换热器1进行热量交换；所述中温介质回路与深冷超临界流体回路通过超临界流体气化器7进行热量交换；所述热水回路包括依次连接的浮动盘管换热器1、电加热器2、膨胀水箱3、排污阀4、热水泵5和三通阀6；所述中温介质回路包括依次连接的浮动盘管换热器1、超临界流体气化器7、储液器8、循环泵9和三通阀10；所述深冷超临界流体回路包括依次连接的储液罐11、潜液泵12、出液阀13、稳压罐14、超临界流体气化器7和背压阀15；
如图1所示，所述超临界流体气化器7采用印刷板式气化器，印刷板式气化器不仅再气化效率高，而且结构紧凑，大大缩减了再气化***的整体占地面积，以满足有限空间的再气化需求；
如图1所示，所述中温介质回路的中温介质采用具有较低沸点的氟利昂制冷剂，如R290、R23或丙烷等。由于中温介质可控性高，可以根据不同深冷超临界流体的临界温度、压力和流量进行匹配，来达到最佳的换热效果，同时利用中温介质的相变换热释放大量潜热，从而有效的降低了超临界流体气化器7结冰的可能性，以保证气化器的高效运行；
如图1所示，所述深冷超临界流体回路的深冷超临界流体为LNG、液氮、液氧、液氢和液态二氧化碳。
如图1所示，所述热水回路的排污阀4设在膨胀水箱3的最低点处，以防水中杂质堵塞管路，影响***的稳定运行；
如图1所示，所述热水回路浮动盘管换热器1进口处设有三通阀6，且所述三通阀6的换向口与浮动盘管换热器1出口相连接，用于调节***运行时的热水流量和出口温度，以此匹配中温介质换热量的要求；
如图1所示，所述中温介质回路在浮动盘管换热器1进口处设有三通阀10，且所述三通阀10的换向口与储液器8进口相连接，用于调节***运行时中温介质的流量和出口温度，以此匹配深冷超临界流体气化量的要求；
如图1所示，所述深冷超临界流体回路潜液泵12放置在储液罐11内最低位置处，保证潜液泵12一直处在液面下，用于给深冷超临界流体增压到超临界状态并给深冷超临界流体回路提供动力；
作为上述进一步补充，热水回路中，冷水在电加热器2内加热升温，经热水泵5加压后流经三通阀6，进入浮动盘管换热器1与中温介质进行换热，得到冷量降低温度，然后再次进入电加热器2进行加热，完成循环。膨胀水箱3起补水、定压、膨胀作用，以稳定热水回路工作压力。三通阀6将热水泵、浮动盘管换热器和电加热器连接，以实现变流量调节，匹配中温介质换热量的变化；
中温介质回路中，储液器8内的液态中温介质经循环泵9升高压力，经三通阀10进入浮动盘管换热器1，与热水进行换热汽化，升高温度，再进入超临界流体气化器7与深冷超临界流体进行换热，将其再气化，中温介质得到冷量后液化回到储液器8。三通阀10将循环泵9、浮动盘管换热器1和储液器8进口相连接，当深冷超临界流体汽化量较小时，调节三通阀10，使流入浮动盘管换热器1的中温介质流量减小，增大流入储液器8的中温介质流量；当深冷超临界流体汽化量较大时，调节方法相反，以此匹配深冷超临界流体气化量的要求；
深冷超临界流体回路中，开启出液阀13后，低温低压深冷超临界流体经储液罐11内潜液泵12加压至超临界流体状态后流出，经稳压罐14稳定压力后进入超临界流体气化器7与中温介质换热，升温汽化，经背压阀15排出。稳压罐14的作用是维持回路的压力，由于流体升压后处于超临界状态，其性质接近于气体，所以在此使用气体稳压罐。在***末端设有背压阀15，背压阀15通过内置弹簧来实现压力调整，当***压力比设定压力小时，膜片在弹簧弹力的作用下堵塞管路，形成憋压，使进口压力达到额定压力；当***压力比设定压力大时，膜片压缩弹簧，管路接通，以此稳定出口压力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施案例，并且可以根据需要一起使用多个，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的改变和变形。凡采用等同替换或等效变换所形成的技术方案，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种深冷超临界流体再气化实验***，包括热水回路、中温介质回路和深冷超临界流体回路；其特征在于：所述热水回路与中温介质回路通过浮动盘管换热器(1)进行热量交换；所述中温介质回路与深冷超临界流体回路通过超临界流体气化器(7)进行热量交换；所述热水回路包括依次连接的浮动盘管换热器(1)、电加热器(2)、膨胀水箱(3)、排污阀(4)、热水泵(5)和三通阀(6)；所述中温介质回路包括依次连接的浮动盘管换热器(1)、超临界流体气化器(7)、储液器(8)、循环泵(9)和三通阀(10)；所述深冷超临界流体回路包括依次连接的储液罐(11)、潜液泵(12)、出液阀(13)、稳压罐(14)、超临界流体气化器(7)和背压阀(15)。
2.根据权利要求1所述的一种深冷超临界流体再气化实验***，其特征在于：所述超临界流体气化器(7)为印刷板式气化器。
3.根据权利要求1所述的一种深冷超临界流体再气化实验***，其特征在于：所述中温介质回路的中温介质采用氟利昂制冷剂。
4.根据权利要求3所述的一种深冷超临界流体再气化实验***，其特征在于：所述氟利昂制冷剂为R290、R23或丙烷。
5.根据权利要求1所述的一种深冷超临界流体再气化实验***，其特征在于：所述深冷超临界流体回路的深冷超临界流体为液化天然气、液氮、液氧、液氢或液态二氧化碳。
6.根据权利要求1所述的一种深冷超临界流体再气化实验***，其特征在于：所述热水回路的排污阀(4)设在膨胀水箱(3)的最低点处。
7.根据权利要求1所述的一种深冷超临界流体再气化实验***，其特征在于：所述热水回路中三通阀(6)的换向口与浮动盘管换热器(1)出口相连接。
8.根据权利要求1所述的一种深冷超临界流体再气化实验***，其特征在于：所述中温介质回路中三通阀(10)的换向口与储液器(8)进口相连接。
9.根据权利要求1所述的一种深冷超临界流体再气化实验***，其特征在于：所述深冷超临界流体回路潜液泵(12)放置在储液罐(11)内最低位置处。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的一种深冷超临界流体再气化实验***的工作方法，其特征在于：所述热水回路中，冷水在电加热器(2)内加热升温，经热水泵(5)加压后流经三通阀(6)，进入浮动盘管换热器(1)与中温介质进行换热，得到冷量降低温度，然后再次进入电加热器(2)进行加热完成循环；所述中温介质回路，储液器(8)内的液态中温介质经循环泵(9)升高压力，经三通阀(10)进入浮动盘管换热器(1)，与热水进行换热汽化，升高温度，再进入超临界流体气化器(7)与深冷超临界流体进行换热，中温介质得到冷量后液化回到储液器(8)；所述深冷超临界流体回路，开启出液阀(13)后，低温低压深冷超临界流体经储液罐(11)内潜液泵(12)加压至超临界流体状态后流出，经稳压罐(14)稳定压力后进入超临界流体气化器(7)与中温介质换热，升温汽化，经背压阀(15)排出使用。
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