一种防爆型LNG管壳式换热器制造技术

本发明专利技术涉及一种防爆型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。本发明专利技术可为LNG冷能利用过程的高效安全运行提供保障。运行提供保障。运行提供保障。

【技术实现步骤摘要】
一种防爆型LNG管壳式换热器


[0001]本专利技术涉及一种换热装置，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。

技术介绍

[0002]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系统高效运行的重要前提。管壳式换热器因具有高运行可靠性、低系统能耗和低投资成本，是应用于该领域能源系统中的优选方案。
[0003]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，但在管束外围易于发生漏流现象，形成流动死区。
[0004]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。在低温系统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冷能利用能源系统的安全运行，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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种防爆型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。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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)。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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(D
n
‑1/D
n
＝M
3/7
，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(L
n
‑1/L
n
＝M
1/7
，2≤n≤N)。最优流道直径比D
n
‑1/D
n
及最优流道长度比L
n
‑1/L
n
计算方法具体步骤如下：
[0015]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：
[0016]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。
[0017][0018]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ΔP
n
‑1与ΔP
n
计算得到。
[0019][0020]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
[0021]化，则最终得到的目标函数如式(3)所示。
[0022][0023]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
[0024]函数如式(4)，式中λ为拉格朗日乘数。
[0025][0026]5)通过分别对L
n
‑1、L
n
、D
n
‑1、D
n
及λ求一阶偏导，并令各式均为0，结果如式(5)所示。
[0027][0028]6)由式(5)消去λ，可推出所述第n
‑
1代轴向子流道直径D
n
‑1与所述第n代径向辐射子流道直径D
n
的最优比值如式(6)所示。
[0029][0030]7)将式(6)分别代入式(1)与式(3)，并消去流道直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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(5)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(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；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所述第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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张程宾，张文浩，陈永平，毛长钧，白剑，何祖强，
申请(专利权)人：航天晨光股份有限公司，
类型：发明
国别省市：