一种具有Z形槽道的新型FLNG换热器的制作方法

本发明涉及一种flng换热器，具体的说是一种具有z形槽道的新型flng换热器。

背景技术：

天然气是一次性能源和高价值的化工原料，其主要成分是甲烷，具有燃烧热值高、污染少等特点。近年来，随着各国环境保护意识的增强，世界能源结构在逐渐发生变化，天然气正成为最受欢迎的能源之一。但是，海上天然气田开发不仅环境严峻、技术复杂、投资巨大，而且勘探开发产能建设周期长、投资收益高、风险大。并且海上边际气田的数量较多，储量可观，若采用传统的开发方式对于深水和边际气田并不适用，投资回报率低，对投资者无足够的吸引力。我国近海天然气资源丰富，总地质资源量约为5.9×10¹²m³，但资源分散，广泛分布于珠江口盆地、莺歌海盆地、琼东南盆地、东海陆架盆地和渤海湾盆地，且其中相当一部分为深海气田、边际气田和低品位天然气资源。如我国南海海域面积约350×10⁴km²，水深大于300m的海域占75％，蕴藏着丰富的油气资源，且以气为主，北部陆架深水区天然气地质资源量约1.6×10¹²m³，天然气资源占整个南海海域油气资源的83％。其中70％的天然气资源蕴藏于深水区域，此外尚有相当一部分为海上油田的伴生气资源。对于这些边际气田、深海天然气及伴生气资源，如采用传统的平台加外输管线的建设方式，很多小气田将因成本限制无法投入开采。

浮式液化天然气(flng)装置作为一种新型的海上气田开发技术，以其投资相对较低、产能建设周期短、便于迁移和市场灵活等优点而倍受青睐。若采用flng技术，则可根据海上天然气田的生产状况灵活配置flng装置，利用换热器在船上液化天然气，再运至目的地，这对促进我国海域尤其是深海气田、小型气田开发，充分利用我国油气资源具有重要意义。同时，我国工业和信息化部在2015年10月正式发布的《中国制造2025》十大重点领域的技术线路图中也明确提出了将flng等新型海洋油气资源开发装备等列为重点产品。

例如，在专利cn207963571u中就提到了一种lng换热器，包括壳体，第一集流管、第二集流管、换热分管、液化天然气分管、第一导流板和第二导流板，换热分管的两端分别与第一集流管和第二集流管连通，壳体上侧右端设有液化天然气进口，壳体下侧右端设有液化天然气出口，液化天然气进口与第二集流管上端连通，液化天然气出口与第二集流管下端连通换热分管内壁均布有内翅片。本换热器，换热分管内壁设有翅片，增大了接触面积，内部设有第一导流板和第二导流板，使冷媒进入后流经的顺序为第一液化天然气流程、第二液化天然气流程和第三液化天然气流程，提高换热效率。

上述的换热器只有一个换热容器，而且换热翅片间距较大，换热面积较少，换热效率不高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种换热效率高的具有z形槽道的新型flng换热器。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种具有z形槽道的新型flng换热器，其创新点在于：包括换热筒体，在换热筒体水平放置时，限定换热筒体的长轴方向为第一方向，竖直垂直于第一方向的方向为第二方向；

在换热筒体内具有一换热空腔，所述换热筒体内具有一对将换热空腔分隔为水平并列分布的物料进料腔、置换腔、物料出料腔的隔板，在换热筒体水平方向的两侧还连接有分别与物料进料腔、物料出料腔相连通的进料管道、出料管道，在换热筒体竖直方向的两侧还分别连接有与置换腔相连通的换热介质进料管、换热介质出料管，在置换腔内安装有换热芯体，在置换腔中位于换热芯体上部的空腔为换热介质进料腔，位于换热芯体下部的空腔为换热介质出料腔；

所述换热芯体包括一换热芯盒，在换热芯盒内安装有两种槽道组，其中一种槽道组为与物料进料腔、物料出料腔相连通的液体槽道组，另一种槽道组为与换热介质进料腔、换热介质出料腔相连通的气体槽道组，在换热芯盒上还开有与两组槽道组相连通的通孔，在隔板上开有与其中一组槽道组相连通的通孔，所述液体槽道组与气体槽道组均具有数组，且液体槽道组与气体槽道组间隔分布；

在两种槽道组中，气体槽道的各个槽道均为z形槽道，从而使得该种槽道组为z形槽道组，液体槽道组中的各个槽道均为直线型形槽道，从而使得该种槽道组为直线型形槽道组；

定义换热芯体长为l，宽为b，高为h，两种槽道截面所在圆的直径为r，沿着第二方向上分布的相邻的z形槽道间水平间距为bz，z形槽道波峰和波谷沿与第一方向相垂直的水平方向变化，沿着第一方向相垂直的水平方向的垂向间距为hz，所述z形槽道中，z形槽道的曲线函数为f(x)＝-bzx/0.5t+bz，式中t＝l/nbz,n＝1,2,3...；l％nbz＝＝0，z形槽道的数量mz＝([λh/hz]+1)·([λb/bz]+1)，式中[]表示取整，λ表示有效系数在0.8-0.9之间；直线形槽道数量为ml＝(λnbz+1)·([λ2h/hz]+1)；

根据上述函数表达式，换热芯体的空间利用率表达式为

进一步的，所述液体槽道组有数组，沿着与第一方向相垂直的水平方向并列分布，每组液体槽道组由若干沿着第二方向并列分布的液体管道共同组成，且液体管道沿着第一方向延伸；

所述气体槽道组有数组，沿着与第一方向相垂直的水平方向并列分布，每组气体槽道由若干沿着第二方向并列分布的气体槽道共同组成，且气体槽道沿着第二方向延伸。

进一步的，所述z形槽道与直线型形槽道的外表面均开有若干沿着z形槽道或直线型形槽道的延伸方向并列分布的半球形凹槽。

进一步的，所述换热芯体有数个，自上而下依次贴合分布在置换腔内。

进一步的，所述换热筒体有一对，沿着与第一方向相垂直的水平方向并列分布，两个换热筒体的进料管道均接入一进料总管，换热介质进料管均接入一换热介质进料总管。

本发明的优点在于：本发明中的换热器，通过在换热芯体内设置z形槽道、直线型形槽道两种不同形状的流通槽道，可以有效避免芯体空间的浪费，并保证槽道间可以紧密排列，提高热传递效率，从而将采集到的天然气快速冷却为lng，实现天然气的快速运输和配给。

通过对z形槽道的形状、数量及直线型槽道的数量的设计，从而得出换热芯体的空间利用率，基于换热芯体的空间利用率越高，则换热面积越大的原理，从而有效设计和布置z形槽道和直线形槽道，使工作流体在整个换热器内分布均匀，换热均匀。

对于z形槽道与直线型形槽道上设置的半球形凹槽，可以有效降低雷诺数，提高努赛尔数，有效增加换热面积，提高流体间的换热效率。

对于设置数个换热芯体，则是为了达到增加换热面积的目的；而设置两个换热筒体，则是为了提高换热效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的具有z形槽道的新型flng换热器的示意图。

图2为本发明的具有z形槽道的新型flng换热器的正视图。

图3为本发明的具有z形槽道的新型flng换热器的侧视图。

图4为本发明中换热芯体的示意图。

图5为本发明中换热芯体的内部局部放大图。

图6为本发明中z形槽道的立体示意图。

图7为本发明中直线型形槽道的立体示意图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1-图7所示的一种具有z形槽道的新型flng换热器，包括换热筒体，在换热筒体水平放置时，限定换热筒体的长轴方向为第一方向a1，竖直垂直于第一方向的方向为第二方向a2。

换热筒体有一对，沿着与第一方向相垂直的水平方向并列分布，分别为换热筒体1a、换热筒体1b：

在换热筒体1a内具有一换热空腔，同时在换热筒体1a内还均具有一对换热空腔分隔为水平并列分布的物料进料腔14a、置换腔、物料出料腔14b的隔板8a、隔板8b，物料进料腔14a、物料出料腔14b均呈半球状，在换热筒体1a水平方向的两侧还连接有分别与物料进料腔14a、物料出料腔14b相连通的进料管道5、出料管道7a，在换热筒体1a竖直方向的两侧还分别连接有与置换腔相连通的换热介质进料管3、换热介质出料管6a，在置换腔内安装有换热芯体，换热芯体有两个，自上而下依次贴合分布在置换腔内，依次为换热芯体10a、换热芯体10b，换热芯体10a、换热芯体10b通过拼接进行组合，然后通过隔板8a、隔板8b进行固定，从而有效利用腔体空间，在置换腔中位于换热芯体10a上部的空腔为换热介质进料腔16a，位于换热芯体10b下部的空腔为换热介质出料腔16b，换热介质进料腔16a与换热介质出料腔16b均呈半球形状。

换热筒体1b具有一换热空腔，同时在换热筒体1a内还均具有一对换热空腔分隔为水平并列分布的物料进料腔15a、置换腔、物料出料腔15b的隔板9a、隔板9b，物料进料腔15a、物料出料腔15b均呈半球状，在换热筒体1b水平方向的两侧还连接有分别与物料进料腔15a、物料出料腔15b相连通的进料管道、出料管道7b，在换热筒体1b竖直方向的两侧还分别连接有与置换腔相连通的换热介质进料管、换热介质出料管6b，在置换腔内安装有换热芯体，换热芯体有两个，自上而下依次贴合分布在置换腔内，依次为换热芯体11a、换热芯体11b，换热芯体11a、换热芯体11b通过拼接进行组合，然后通过隔板9a、隔板9b进行固定，从而有效利用腔体空间，在置换腔中位于换热芯体11a上部的空腔为换热介质进料腔17a，位于换热芯体11b下部的空腔为换热介质出料腔17b，换热介质进料腔17a与换热介质出料腔17b均呈半球形状。

换热筒体1a的进料管道5与换热筒体1b的进料管道均接入一进料总管4，换热筒体1a的换热介质进料管3与换热筒体1b的换热介质进料管均接入一换热介质进料总管2。

根据本发明的示例，换热芯体与换热筒体进行密封布置，通过腔体构型和隔板可以保证密封可靠性。

根据本发明的示例，沿第二方向a2布置的换热介质进料总管2和进料管道5直径较大，这有利于气体可以较快低流入腔体中，充满换热介质进料腔16a和换热介质进料腔17a，而换热介质出料管6a和换热介质出料管6b直径较小，气体通过热传递变为液体填充进换热介质出料腔16b和换热介质出料腔17b中后，流出速率较慢，可以提高气体在换热芯体槽道的停留时间，提高换热效率。

根据本发明的示例，沿第一方向a1布置的进料总管4和进料管道5直径与出料管道7a和出料管道7b大小一致，可以保证液体在换热腔体中平稳流进和流出，保证热传递的稳定性。

如图4、图5所示的示意图可知，换热芯体包括一换热芯盒18，在换热芯盒18内安装有两种槽道组，其中一种槽道组为与物料进料腔、物料出料腔相连通的液体槽道组13，另一种槽道组为与换热介质进料腔、换热介质出料腔相连通的气体槽道组12，在换热芯盒18上还开有与两组槽道组相连通的通孔，在隔板上开有与其中一组槽道组相连通的通孔，液体槽道组13与气体槽道12组均具有数组，且液体槽道组13与气体槽道组12间隔分布。

在两种槽道组中，其中一种槽道组中的各个槽道均为z形槽道19，如图6所示，从而使得该种槽道组为z形槽道组12，另一种槽道组中的各个槽道均为直线型形槽道21，如图7所示，从而使得该种槽道组为直线型形槽道组13。

直线型形槽道组13有数组，沿着与第一方向相垂直的水平方向并列分布，每组直线型形槽道组13由若干沿着第二方向并列分布的直线型形槽道21共同组成，且直线型形槽道21沿着第一方向a1延伸。

z形槽道组12有数组，沿着与第一方向a1相垂直的水平方向并列分布，每组z形槽道组12由若干沿着第二方向a2并列分布的z形槽道19共同组成，且z形槽道19沿着第二方向a2延伸。

z形槽道组12与直线型形槽道组13之间为等间距布置，在保证了沿第一方向a1的z形槽道组12布置的均匀性和沿第二方向a2的直线型形槽道组13的均匀性的同时，也保证了z形槽道组12和直线型形槽道组13间分布的均匀性，有效利用了换热芯体的内部空间，提高了换热面积和保证了热传递的均匀性。

在z形槽道19与直线型形槽道21的外表面均开有若干沿着z形槽道19或直线型形槽道21的延伸方向并列分布的半球形凹槽20。

z形槽道19的截面呈半圆形状，为气体流通槽道，z形槽道19的沿路径较长，气体在通过z形槽道19时，经过半球形凹槽20作用，降低了雷诺数，不仅提高了换热面积，还提高了换热效率，

直线型形槽道21的截面呈半圆形状，为液体流通槽道，直线型形槽道21数量较多，路径较短，液体在通过直线型形槽道10时，可以更为有效的保持冷凝温度，经过半球形凹槽20作用，降低了雷诺数，提高换热效率。

不同的曲线函数一方面会影响z形槽道的内壁面积，另一方面又会影响z形与直线型形槽道间的排列情况，从而影响芯体的空间利用率，定义换热芯体长为l，宽为b，高为h，两种槽道截面所在圆的直径为r，沿着第二方向a2上分布的相邻的z形槽道19间水平间距为bz，z形槽道19的波峰和波谷沿与第一方向a1相垂直的水平方向变化，沿着第一方向a1相垂直的水平方向的垂向间距为hz，直线型形槽道21布置形式依z形槽道19布置形式而定。

在设计z形槽道19时：

z形周期函数表达式为f(x)＝kx+c,x∈(0,0.5t)，f(x+0.5t)＝-f(x)。hz应需满足关系式hz≥cr，本实施例中hz＝cr，从而保证直线形槽道21的布置不受影响。

换热器在进行工作时，令以满足换热芯体槽壁的强度要求，本实施例中

以提高换热芯体的空间利用率为目的进行设计，同时需要考虑z形槽道和直线形槽道间的布置形式，因此z形槽道19的曲线函数为f(x)＝-bzx/0.5t+bz，式中t＝l/nbz,n＝1,2,3...；l％nbz＝＝0，此时，可以根据换热芯体的参数求出z形槽道19数量mz＝([λh/hz]+1)·([λb/bz]+1)，式中[]表示取整，λ表示有效系数一般在0.8-0.9之间。

根据z形槽道19特点以及直线形槽道21布置情况，可以得出直线形槽道21数量为ml＝(λnbz+1)·([λ2h/hz]+1)。

根据上述的函数表达式，求出换热芯体的空间利用率达式为换热芯体的空间利用率越高，则换热面积越大，从而有效设计和布置z形槽道19和直线形槽道21，使工作流体在整个换热器内分布均匀，换热均匀。此外，在z形槽道19和直线形槽道21上布置半球形凹槽20，凹槽直径r＝0.1r，这些半球形凹槽孔可以有效降低雷诺数，从而使换热面积大、换热效率高。

工作时，液体从进料总管4流入，并通过两个进料管道5进行分流，液体通过分流，一部分液体从物料进料腔14a中进入，充满半球形腔室后，由于压强作用，液体通过换热芯体上的直线型形槽道21进入换热芯体10a和换热芯体10b中进行热传递，然后流入物料出料腔14b中，通过出料管道7a流出，另一部分液体从物料进料腔15a中进入，充满半球形腔室后，由于压强作用，液体通过换热芯体上的直线型形槽道21进入换热芯体11a和换热芯体11b中进行热传递，然后流入物料出料腔15b中，通过出料管道7b流出。

气体从换热介质进料总管2中流入，并通过两个换热介质进料管3进行分流，一部分气体从换热介质进料腔16a中进入，充满椭球形腔室后，由于压强作用，气体通过换热芯体上的z形槽道19进入换热芯体10a和换热芯体10b中进行热传递，然后流入换热介质出料腔16b中，通过换热介质出料管6a流出，另一部分气体从换热介质进料腔17a中进入，充满椭球形腔室后，由于压强作用，气体通过换热芯体上的z形槽道19进入换热芯体11a和换热芯体11b中进行热传递，然后流入换热介质出料腔17b中，通过换热介质出料管6b流出。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。