CN116625143B - 一种防爆型lng管壳式换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防爆型LNG管壳式换热器，包括内层的换热空间及外层的缓冲空间。换热空间由封头与换热器内层壳体通过轴向连接构成，固定管板与浮动管板分别设置于换热器内层壳体两端，多根辐射状换热管组成两组换热管束，两端分别与固定管板与浮动管板连接。辐射状换热管可有效增强管壳式换热器的传热性能，并且径向及轴向子流道具有高弹性，可有效减缓LNG大温差低温运行工况下导致的大热应力的影响；浮动管板及换热管支撑机构的应用也增强了极端工况下运行的稳定性。缓冲空间由缓冲层外层壳体与换热器内层壳体构成，在缓冲空间内充注有高化学稳定性的气体，隔绝外部空气与换热器中LNG。本发明可为LNG冷能利用过程的高效安全运行提供保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种换热装置，具体涉及的是一种为提升换热性能并实现安全防爆且具有辐射状结构特征换热管束的应用于LNG冷能利用领域的管壳式换热器。
背景技术
换热器是LNG冷能利用领域中的基本装备部件，也是保障LNG冷能利用领域中各能源***高效运行的重要前提。管壳式换热器因具有高运行可靠性、低***能耗和低投资成本，是应用于该领域能源***中的优选方案。
管壳式换热器通常由管程的封头、管板与平行换热管束及壳程的壳体与折流板组成。面向管壳式换热器强化传热研究通常从换热管束及折流板结构优化的角度开展，而由场协同理论可知，平行的管束布置不能充分利用壳体内的空间，并非最优的空间组合方式。而壳程中的折流结构尽管可以起到扰流强化传热，但在管束***易于发生漏流现象，形成流动死区。
此外，在LNG冷能利用领域中存在大温差、高压、易燃易爆的独特运行条件，安全防护则是管壳式换热器面向LNG冷能利用领域的重要技术难题。在低温***启动及大温差运行过程中，管壳式换热器组件会产生非常大的热应力，易导致设备变形受损，影响LNG冷能利用能源***的安全运行，而换热器内天然气处于高压工作状态，也存在工质泄漏等挑战。
为此，迫切需要开展管壳式换热器结构优化设计，使其既能有效提升换热器中的流动传热性能，还能满足LNG冷能利用领域中的安全防护要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种防爆型LNG管壳式换热器，目的是提高换热器的换热效果并提升在LNG冷能利用领域中应用的安全性能。
本发明采用的技术方案如下：
本申请提供的一种防爆型LNG管壳式换热器，包括内层的换热空间及外层的缓冲空间。其中换热空间由封头、换热器内层壳体、管程流体进口、管程流体出口、壳程流体进口、壳程流体出口、分程隔板、固定管板、辐射状换热管、换热管支撑机构、浮头管板、浮头盖构成。所述封头分别设置于所述换热器内层壳体的两端，并与所述换热器内层壳体在轴向连接，构成所述内层的换热空间。所述固定管板设置于所述换热器内层壳体的左侧，并与所述左侧的封头构成管箱，水平布置的所述分程隔板将所述管箱分为上下两部分，隔为两个管程。所述管程流体进口与所述管程流体出口分别设置于所述左侧的封头的顶部与底部，供管程流体流通。所述浮头管板及浮头盖均设置于所述换热器内层壳体的右侧，其构成空间用于改变管程流体流向，实现管程切换。由多根所述辐射状换热管共构成两组换热管束，作为两个管程，所述换热管束两端分别固定于所述固定管板与所述浮动管板，浮头端可相对于所述换热器内层壳体在轴向自由移动，减小所述换热管束的热应力。所述换热管束由所述换热管支撑机构与所述换热器内层壳体在径向连接。所述壳程流体进口与所述壳程流体出口分别位于换热器内层壳体的左下侧与右上侧，供壳程流体流通。
缓冲空间则由所述换热器内层壳体、缓冲层外层壳体、缓冲层支撑结构、排气泄压机构、缓冲层压力传感器、缓冲层LNG浓度测量装置构成。所述换热器内层壳体与所述缓冲层外层壳体由所述缓冲层支撑结构实现径向固定连接。所述排气泄压机构设置于所述封头、所述换热器内层壳体、及所述缓冲层外层壳体顶部。所述缓冲层压力传感器、所述缓冲层LNG浓度测量装置分别安装于所述缓冲层外层壳体四周。
所述缓冲层外层壳体底部安装有换热器支撑底座用于支撑管壳式换热器。
所述辐射状换热管由多个具有相同结构的流道单元串联构成，相邻所述流道单元均由与所述换热器内层壳体轴线重合的母流道连接。每个所述流道单元又由两层N代流道组构成，其中每层N代流道组又由母流道、N代径向辐射子流道及N代轴向子流道构成(循环总代数N取大于等于2的整数)。
其中第1代径向辐射子流道与所述母流道相连，并以连接处作为辐射节点，在垂直于所述母流道的平面，沿径向共辐射出M条所述第1代径向辐射子流道(每代的辐射数M取大于等于3的整数)，且各所述第1代径向辐射子流道沿周向等距分布，在每条所述第1代径向辐射子流道末端，沿所述母流道轴向又延伸出等长的所述第1代轴向子流道。
当循环代数n大于等于2时(2≤n≤N)，第n代径向辐射子流道则分别以各第n-1代轴向子流道的末端作为辐射节点，沿垂直于该所述第n-1代轴向子流道的平面，沿径向共延伸出M条第n代径向辐射子流道，且同一条所述第n-1代轴向子流道辐射出的各所述第n代径向辐射子流道沿周向等距分布。此外，在每条所述第n代径向辐射子流道末端，又沿所述第n-1代轴向子流道延伸出等长的第n代轴向子流道。
同一代的径向辐射子流道的直径与轴向子流道的直径相同，而上下代子流道的直径比则选用使湍流流动摩擦阻力最小的最优值，即(Dn-1/Dn＝M3/7，2≤n≤N)。同一代的径向辐射子流道的长度与轴向子流道的长度相同，上下代子流道的长度比同样选用使湍流流动摩擦阻力最小的最优值，即(Ln-1/Ln＝M1/7，2≤n≤N)。最优流道直径比Dn-1/Dn及最优流道长度比Ln-1/Ln计算方法具体步骤如下：
选取所述第n-1代轴向子流道与所述第n代径向辐射子流道作为分析计算对象，如图5所示：
1)明确所述分析计算对象的总流道体积约束条件，如式(1)中所示。
2)管程流体在所述换热管束内的流动通常为湍流状态，所述第n-1代轴向子流道与所述第n代径向辐射子流道内的流动摩擦压降可分别由式(2)中ΔPn-1与ΔPn计算得到。
3)以所述分析对象的总流动摩擦压降作为优化目标，对该函数进行适当简
化，则最终得到的目标函数如式(3)所示。
4)在此基础上，采用拉格朗日乘数法求解该最优值问题，并建立拉格朗日
函数如式(4)，式中λ为拉格朗日乘数。
5)通过分别对Ln-1、Ln、Dn-1、Dn及λ求一阶偏导，并令各式均为0，结果如式(5)所示。
6)由式(5)消去λ，可推出所述第n-1代轴向子流道直径Dn-1与所述第n代径向辐射子流道直径Dn的最优比值如式(6)所示。
7)将式(6)分别代入式(1)与式(3)，并消去流道直径D，所得结果如式(7)所示，式中C为常数。
Rturb＝C(M-17Ln-1+Ln)72 (7)
8)通过添加所述分析计算对象的空间分布约束条件，可建立仅包含流道长度L的拉格朗日函数如式(8)所示。
Ψ＝M-17Ln-1+Ln+μLn-1Ln (8)
9)通过分别对Ln-1、Ln求一阶偏导，并令各式均为0，结果如式(9)所示。
10)最终可求解出所述第n-1代轴向子流道长度Ln-1与所述第n代径向辐射子流道长度Ln的最优比值如式(10)所示。
两层所述N代流道组相向布置，并由第N代轴向子流道连接为整体，构成所述流道单元。
管程流体自所述管箱被平均分配至所述换热管束，在每根所述辐射状换热管中沿轴向通过所有的所述流道单元。在每个所述流道单元中，首先流经第一层所述N代流道组中的所述母流道、所述第1代径向辐射子流道、所述第1代轴向子流道，并最终流至所述第N代径向辐射子流道及第N代轴向子流道，完成管程流体在第一层所述N代流道组中的流动。之后又进入第二层所述N代流道组，先后流经所述第N代轴向子流道、所述第N代径向辐射子流道，并最终在该层所述N代流道组的所述母流道汇流，结束管程流体在每个所述流道单元中的流动过程。
借鉴自然界中常见结构设计而成的所述辐射状换热管，可有效增强管程流体的湍流发展，强化管程流体的传热性能，且采用基于管程湍流流动摩擦阻力优化得到的上下代子流道最优直径比与最优长度比也保证了管程出众的流动特性。此外，所述换热管束的辐射状结构也可提升壳程流体的扰动效果，增强壳程中的对流换热。
所述换热管支撑机构由壳体连接件、滑动连接件、支撑弹簧及换热管固定件构成。所述壳体连接件顶部为曲面，与所述换热器内层壳体的顶部或底部通过焊接方式固定连接；其内部为中空结构，在结构底面设置有平整光滑的滑轨，于中心处开设有圆孔，并在圆孔外缘圆沿周向设置有环状的限位挡板。所述滑动连接件顶部为圆盘状滑动结构，设置于所述壳体连接件内部，通过与所述滑轨配合可实现水平方向的小范围位移，而其最大位移范围受所述限位挡板约束。所述滑块连接件底部为圆筒状结构，设置于所述圆孔内，可实现沿所诉圆孔轴向小范围位移。所述换热管固定件顶部为圆筒状结构，而底部为夹钳结构，用于夹持所述母流道，通过销栓将两者完全固定。所述支撑弹簧顶部与底部分别与所述滑动连接件底部圆筒状结构及所述换热管固定件顶部圆筒状结构固定。
在LNG冷能利用领域中的低温启动及运行过程中会产生大热应力问题，当所述换热管束应受到热应力影响而发生膨胀或收缩时，所述滑块连接件可满足所述换热管束在轴向自由位移的同时对所述换热管束起到支撑作用，增强了在大温差低温运行工况下的稳定性。
所述缓冲层支撑结构呈圆环状，与所述换热器内层壳体及所述缓冲层外层壳体共轴布置，其中内侧支撑曲面与所述换热器内层壳体连接，外侧支撑曲面与所述缓冲层外层壳体连接。所述缓冲层支撑结构的旋转横截面为具有高承载能力的工字形结构，沿所述缓冲层支撑结构周向等距分布有若干空心孔槽。
在所述缓冲层内，充注有具有高化学稳定性的氮气，也可充注包括氦气、氩气等惰性气体，用于隔绝外部空气与内部的LNG，起到阻燃的作用。
所述缓冲层压力传感器用于监测所述缓冲层内的压力变化，所述缓冲层LNG浓度测量装置用于监测所述缓冲层内LNG浓度变化，两者与远端监控设备共同构成LNG泄漏预警***。
在所述远端监控设备设定压力增加量上限值及压力上限值，当连续5分钟内所述缓冲层内的压力增加量或压力超过对应上限值，即在所述远端监控设备发出报警信号。此外，在所述远端监控设备设定LNG浓度增加量上限值及LNG浓度上限值，当连续5分钟内所述缓冲层内的LNG浓度增加量或LNG浓度超过对应上限值，也在所述远端监控设备发出报警信号。
所述排气泄压机构由排气泄压机构底座、压紧弹簧、密封结构及密封垫片构成。所述排气泄压机构底座又包含法兰盘及筒体两部分，所述法兰盘用于将所述排气泄压机构与所述换热器内层壳体及所述缓冲层外层壳体固定连接，所述筒体侧面沿周向共等距设置有2层共12个排气圆孔，在所述筒体底部，沿所述筒体内壁周向设置有环状限位挡板。所述密封结构、所述密封垫片设置在所述筒体中，并与所述限位挡板沿轴向依次连接，所述压紧弹簧设置于所述筒体顶部及所述密封结构之间，用于密封所述排气泄压机构。
当所述换热空间内的LNG发生***现象时，所述换热空间内的压力会急剧上升。此时布置在所述封头及述换热器内层壳体处的所述排气泄压机构会被弹开，进而连通所述换热空间与所述缓冲空间，对LNG的***起到缓冲作用。而当所述缓冲空间内的压力也超出所述缓冲层外层壳体耐压上限时，设置于所述缓冲层外层壳体顶部的排气泄压机构也会弹开，并从顶部向外泄爆，可极大程度减小***对人员的危害。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明中的管程流体LNG的流道中采用辐射状换热管，辐射状换热管由轴向和径向分布的子流道构成，增强了管程流体的湍流发展，强化了管程流体的传热性能。本发明基于拉格朗日乘数法，以管程湍流流动摩擦阻力最小为目标优化辐射状换热管结构，获得上下代子流道最优直径比与最优长度比，实现管程湍流流动阻力最小。此外，辐射状结构也提升了壳程流体的扰动效果，增强了壳程中的对流换热。
(2)不同于常用的平直换热管，辐射状换热管中同时存在径向及轴向的子流道，两者相互垂直并沿换热器内层壳体轴向间隔布置。由于各段轴向流道分布在不同轴线上，使相互间不存在直接约束关系，且本发明中的各段径向流道不受径向约束，这使得辐射状换热管可在轴向与径向收缩与膨胀。该特殊的结构特征使得辐射状换热管具有高强度、高弹性的特点，当运行在LNG冷能利用领域中大温差低温的极端工况时，辐射状换热管可自主发生形变，可有效缓解热应力的影响并确保安全运行。另一方面，本发明中的换热管支撑机构可在随换热管束位移的同时起到支撑作用，这也进一步增强了在大温差低温运行工况下的稳定性。
(3)本发明中的缓冲层具有大内部空间，可通过充注高化学稳定性的气体达到隔绝外部空气与换热器中LNG的功能，起到阻燃的作用。而本发明中的LNG泄漏预警***，通过监测缓冲层内的压力变化与LNG浓度变化，可及时判断换热器内是否存在泄漏情况，有效规避LNG潜在的***风险。
(4)当遇到LNG***的极端条件下，布置于缓冲层内的排气泄压阀会在发生***升压时弹开，一方面连通换热空间与缓冲空间，对LNG的***起到缓冲作用。另一方面，通过从换热器顶部向外泄爆，也可极大程度减小***对人员的危害。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图。
图2为本发明实施例的辐射状换热管的结构示意图。
图3为图中2辐射状换热管中单个流道单元的侧视图
图4为图中2辐射状换热管中单个流道单元的正视图。
图5为单个流道单元的尺寸示意图。
图6为本发明实施例的换热管支撑机构的结构示意图。
图7为图6中的剖切视图。
图8为本发明实施例的缓冲层支撑结构的结构示意图。
图9为本发明实施例的排气泄压机构的结构示意图。
图10为图9中的剖切视图。
图中：1、封头；2、分程隔板；3、管程流体进口；4、固定管板；5、换热器内层壳体；6、辐射状换热管；7、换热管支撑机构；8、壳程流体出口；9、浮头管板；10、浮头盖；11、管程流体出口；12、壳程流体进口；13、缓冲层外层壳体；14、缓冲层支撑结构；15、排气泄压机构；16、缓冲层压力传感器；17、缓冲层LNG浓度测量装置；18、换热器支撑底座；61、母流道；62、第1代径向辐射子流道；63、第1代轴向子流道；64、第2代径向辐射子流道；65、第2代轴向子流道；66、流道单元；67、N代流道组；71、壳体连接件；72、滑动连接件；73、支撑弹簧；74、换热管固定件；141、内侧支撑曲面；142、外侧支撑曲面；151、排气泄压机构底座；152、压紧弹簧；153、密封结构；154、密封垫片。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
参见图1，本申请提供的一种LNG冷能利用领域的管壳式换热器，包括内层的换热空间及外层的缓冲空间。其中换热空间由封头1、换热器内层壳体5、管程流体进口3、管程流体出口11、壳程流体进口8、壳程流体出口12、分程隔板2、固定管板4、辐射状换热管6、换热管支撑机构7、浮头管板9、浮头盖10构成。所述封头1分别设置于所述换热器内层壳体5的两端，并与所述换热器内层壳体5在轴向连接，构成所述内层的换热空间。所述固定管板5设置于所述换热器内层壳体5的左侧，并与所述左侧的封头1构成管箱，水平布置的所述分程隔板2将所述管箱分为上下两部分，隔为两个管程。所述管程流体进口3与所述管程流体出口11分别设置于所述左侧的封头1的顶部与底部，供管程流体流通。所述浮头管板9及浮头盖10均设置于所述换热器内层壳体5的右侧，其构成空间用于改变管程流体流向，实现管程切换。由多根所述辐射状换热管6共构成两组换热管束，作为两个管程，所述换热管束两端分别固定于所述固定管板5与所述浮动管板9，浮头端可相对于所述换热器内层壳体5在轴向自由移动，可减小所述换热管束的热应力。所述换热管束由所述换热管支撑机构7与所述换热器内层壳体5在径向连接。所述壳程流体进口12与所述壳程流体出口8分别位于换热器内层壳体5的左下侧与右上侧，供壳程流体流通。
缓冲空间则由所述换热器内层壳体5、缓冲层外层壳体13、缓冲层支撑结构14、排气泄压机构15、缓冲层压力传感器16、缓冲层LNG浓度测量装置17构成。所述换热器内层壳体5与所述缓冲层外层壳体13由所述缓冲层支撑结构14实现径向固定连接。所述排气泄压机构15设置于所述封头1、所述换热器内层壳体5、及所述缓冲层外层壳体13顶部。所述缓冲层压力传感器16、所述缓冲层LNG浓度测量装置17分别安装于所述缓冲层外层壳体13四周。
所述缓冲层外层壳体13底部安装有换热器支撑底座18用于支撑管壳式换热器。
参见图2、图3、图4，所述辐射状换热管6由多个具有相同结构的流道单元66串联构成，相邻所述流道单元66均由与所述换热器内层壳体5轴线重合的母流道61连接。每个所述流道单元66又由两层N代流道组67构成，其中每层N代流道组67又由母流道61、N代径向辐射子流道及N代轴向子流道构成(循环总代数N取大于等于2的整数)。
其中第1代径向辐射子流道62与所述母流道61相连，并以连接处作为辐射节点，在垂直于所述母流道61的平面，沿径向共辐射出M条所述第1代径向辐射子流道62(每代的辐射数M取大于等于3的整数)，且各所述第1代径向辐射子流道62沿周向等距分布，在每条所述第1代径向辐射子流道62末端，沿所述母流道61轴向又延伸出等长的所述第1代轴向子流道63。
当循环代数n大于等于2时(2≤n≤N)，第n代径向辐射子流道则分别以各第n-1代轴向子流道的末端作为辐射节点，沿垂直于该所述第n-1代轴向子流道的平面，沿径向共延伸出M条第n代径向辐射子流道，且同一条所述第n-1代轴向子流道辐射出的各所述第n代径向辐射子流道沿周向等距分布。此外，在每条所述第n代径向辐射子流道末端，又沿所述第n-1代轴向子流道延伸出等长的第n代轴向子流道。
同一代的径向辐射子流道的直径与轴向子流道的直径相同，而上下代子流道的直径比则选用使湍流流动摩擦阻力最小的最优值，即(Dn-1/Dn＝M3/7，2≤n≤N)。同一代的径向辐射子流道的长度与轴向子流道的长度相同，上下代子流道的长度比同样选用使湍流流动摩擦阻力最小的最优值，即(Ln-1/Ln＝M1/7，2≤n≤N)。
参见图6与图7，所述换热管支撑机构7由壳体连接件71、滑动连接件72、支撑弹簧73及换热管固定件74构成。所述壳体连接件71顶部为曲面，与所述换热器内层壳体5的顶部或底部通过焊接方式固定连接；其内部为中空结构，在结构底面设置有平整光滑的滑轨，于中心处开设有圆孔，并在圆孔外缘圆沿周向设置有环状的限位挡板。所述滑动连接件72顶部为圆盘状滑动结构，设置于所述壳体连接件71内部，通过与所述滑轨配合可实现水平方向的小范围位移，而其最大位移范围受所述限位挡板约束。所述滑块连接件72底部为圆筒状结构，设置于所述圆孔内，可实现沿所诉圆孔轴向小范围位移。所述换热管固定件74顶部为圆筒状结构，而底部为夹钳结构，用于夹持所述母流道61，通过销栓将两者完全固定。所述支撑弹簧73顶部与底部分别与所述滑动连接件72底部圆筒状结构及所述换热管固定件74顶部圆筒状结构固定。
在LNG冷能利用领域中的低温启动及运行过程中会产生大热应力问题，当所述换热管束应受到热应力影响而发生膨胀或收缩时，所述滑块连接件72可满足所述换热管束在轴向自由位移的同时对所述换热管束起到支撑作用，增强了在大温差低温运行工况下的稳定性。
参见图8，所述缓冲层支撑结构14呈圆环状，与所述换热器内层壳体5及所述缓冲层外层壳体13共轴布置，其中内侧支撑曲面141与所述换热器内层壳体5连接，外侧支撑曲面142与所述缓冲层外层壳体13连接。所述缓冲层支撑结构14的旋转横截面为具有高承载能力的工字形结构，沿所述缓冲层支撑结构14周向等距分布有若干空心孔槽。
参见图9，所述排气泄压机构15由排气泄压机构底座151、压紧弹簧152、密封结构153及密封垫片154构成。所述排气泄压机构底座151又包含法兰盘及筒体两部分，所述法兰盘用于将所述排气泄压机构15与所述换热器内层壳体5及所述缓冲层外层壳体13固定连接，所述筒体侧面沿周向共等距设置有2层共12个排气圆孔，在所述筒体底部，沿所述筒体内壁周向设置有环状限位挡板。所述密封结构153、所述密封垫片154设置在所述筒体中，并与所述限位挡板沿轴向依次连接，所述压紧弹簧152设置于所述筒体顶部及所述密封结构153之间，用于密封所述排气泄压机构15。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种防爆型LNG管壳式换热器，其特征在于，包括：
内层的换热空间；所述换热空间包括封头(1)、换热器内层壳体(5)、分程隔板(2)、固定管板(4)、辐射状换热管(6)、换热管支撑机构(7)、浮头管板(9)以及浮头盖(10)；所述封头(1)分别设置于所述换热器内层壳体(5)的两端，并与所述换热器内层壳体(5)在轴向连接；所述固定管板(4)设置于所述换热器内层壳体(5)的一侧，并与该侧的封头(1)构成管箱，水平布置的所述分程隔板(2)将所述管箱分为上下两部分，隔为两个管程；所述浮头管板(9)及浮头盖(10)均设置于所述换热器内层壳体(5)的另一侧，其构成空间用于改变管程流体流向，实现管程切换；由多根所述辐射状换热管(6)共构成两组换热管束，作为两个管程，所述换热管束两端分别固定于所述固定管板(4)与所述浮头管板(9)，浮头端可相对于所述换热器内层壳体(5)在轴向自由移动，可减小所述换热管束的热应力；所述换热管束由所述换热管支撑机构(7)与所述换热器内层壳体(5)在径向连接；在所述换热器内层壳体(5)上设置有管程流体进口(3)、管程流体出口(11)、壳程流体进口(12)及壳程流体出口(8)，管程流体进口(3)和管程流体出口(11)供管程流体LNG流通，壳程流体进口(12)和壳程流体出口(8)供壳程流体流通；所述辐射状换热管(6)由多个具有相同结构的流道单元(66)串联构成，相邻所述流道单元(66)均由与所述换热器内层壳体(5)轴线重合的母流道(61)连接；每个所述流道单元(66)由两层N代流道组(67)构成，其中每层N代流道组(67)又由母流道(61)、N代径向辐射子流道及N代轴向子流道构成，N取大于等于2的整数，第1代径向辐射子流道(62)与所述母流道(61)相连，并以连接处作为辐射节点，在垂直于所述母流道(61)的平面，沿径向共辐射出M条所述第1代径向辐射子流道(62)，M取大于等于3的整数，且各所述第1代径向辐射子流道(62)沿周向等距分布，在每条所述第1代径向辐射子流道(62)末端，沿所述母流道(61)轴向又延伸出等长的第1代轴向子流道(63)；当循环代数n大于等于2时，第n代径向辐射子流道则分别以各第n-1代轴向子流道的末端作为辐射节点，沿垂直于该所述第n-1代轴向子流道的平面，沿径向共延伸出M条第n代径向辐射子流道，且同一条所述第n-1代轴向子流道辐射出的各所述第n代径向辐射子流道沿周向等距分布；在每条所述第n代径向辐射子流道末端，又沿所述第n-1代轴向子流道延伸出等长的第n代轴向子流道；同一代的径向辐射子流道的直径与轴向子流道的直径相同，而上代子流道D n 和下代子流道的直径D n-1比则选用流动摩擦阻力最小的最优值，即D n-1/D n =M 3/7；同一代的径向辐射子流道的长度与轴向子流道的长度相同，上代子流道的长度L n 和下代子流道的长度L n-1比选用使流动摩擦阻力最小的最优值，即L n-1/L n =M 1/7；两层N代流道组(67)相向布置，并由第N代轴向子流道连接为整体，构成所述流道单元(66)；
及外层的缓冲空间；缓冲空间位于所述换热器内层壳体(5)和缓冲层外层壳体(13)之间，在所述缓冲空间内充注有具有高化学稳定性的惰性气体，用于隔绝外部空气与内部的LNG，起到阻燃的作用。
2.根据权利要求1所述的防爆型LNG管壳式换热器，其特征在于，在所述换热器内层壳体(5)和缓冲层外层壳体(13)之间设置有缓冲层支撑结构(14)、排气泄压机构(15)、缓冲层压力传感器(16)以及缓冲层LNG浓度测量装置(17)；所述换热器内层壳体(5)与所述缓冲层外层壳体(13) 由所述缓冲层支撑结构(14)实现径向固定连接；所述排气泄压机构(15)设置于所述封头(1)、所述换热器内层壳体(5)、及所述缓冲层外层壳体(13)顶部；所述缓冲层压力传感器(16)、所述缓冲层LNG浓度测量装置(17)分别安装于所述缓冲层外层壳体(13)四周；所述缓冲层外层壳体(13)底部安装有换热器支撑底座(18)用于支撑管壳式换热器；所述缓冲层压力传感器(16)用于监测所述缓冲层内的压力变化，所述缓冲层LNG浓度测量装置(17)用于监测所述缓冲层内LNG浓度变化，所述缓冲层压力传感器(16)和所述缓冲层LNG浓度测量装置(17)与远端监控设备共同构成LNG泄漏预警***。
3.根据权利要求2所述的防爆型LNG管壳式换热器，其特征在于，所述换热管支撑机构(7)由壳体连接件(71)、滑动连接件(72)、支撑弹簧(73) 及换热管固定件(74)构成；所述壳体连接件(71)顶部为曲面，与所述换热器内层壳体(5)的顶部或底部通过焊接方式固定连接；其内部为中空结构，在结构底面设置有平整光滑的滑轨，于中心处开设有圆孔，并在圆孔外缘圆沿周向设置有环状的限位挡板；所述滑动连接件(72)顶部为圆盘状滑动结构，设置于所述壳体连接件(71)内部，通过与所述滑轨配合可实现水平方向的小范围位移，而其最大位移范围受所述限位挡板约束；所述滑动连接件(72)底部为圆筒状结构，设置于所述圆孔内，可实现沿所诉圆孔轴向小范围位移；所述换热管固定件(74)顶部为圆筒状结构，而底部为夹钳结构，用于夹持所述母流道(61)，通过销栓将两者完全固定；所述支撑弹簧(73)顶部与底部分别与所述滑动连接件(72)底部圆筒状结构及所述换热管固定件(74)顶部圆筒状结构固定。
4.根据权利要求2所述的防爆型LNG管壳式换热器，其特征在于，所述缓冲层支撑结构(14)呈圆环状，与所述换热器内层壳体(5)及所述缓冲层外层壳体(13)共轴布置，其中内侧支撑曲面(141)与所述换热器内层壳体(5)连接，外侧支撑曲面(142)与所述缓冲层外层壳体(13)连接；所述缓冲层支撑结构(14)的旋转横截面为具有高承载能力的工字形结构，沿所述缓冲层支撑结构(14)周向等距分布有若干空心孔槽。
5.根据权利要求2所述的防爆型LNG管壳式换热器，其特征在于，所述排气泄压机构(15)由排气泄压机构底座(151)、压紧弹簧(152)、密封结构(153)及密封垫片(154)构成；所述排气泄压机构底座(151)包含法兰盘及筒体两部分，所述法兰盘用于将所述排气泄压机构(15)与所述换热器内层壳体(5)及所述缓冲层外层壳体(13)固定连接，所述筒体侧面沿周向共等距设置有2层共12个排气圆孔，在所述筒体底部，沿所述筒体内壁周向设置有环状限位挡板；所述密封结构(153)、所述密封垫片(154)设置在所述筒体中，并与所述限位挡板沿轴向依次连接，所述压紧弹簧(152)设置于所述筒体顶部及所述密封结构(153)之间，用于密封所述排气泄压机构(15)。
6.根据权利要求1所述的防爆型LNG管壳式换热器，其特征在于，所述惰性气体为氮气、氦气或氩气。
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