CN114923361B - 流体通道结构、印刷电路板换热器及lng运输船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体通道结构、印刷电路板换热器及LNG运输船，其中印刷电路板换热器的流体通道结构，在流动方向包括液体流动通道、中间过渡段和气体流动通道；流体流经若干条液体流动通道后进入中间过渡段发生气液相变，之后在中间过渡段末端汇入若干条气体流动通道；在所述中间过渡段设置有将中间过渡段划分为若干条渐扩通道的肋柱。本发明在中间过渡段设置有将中间过渡段划分为若干条渐扩通道的肋柱。渐扩通道匹配了气液相变时流体的体积增大，降低了流体通过时的阻力，采用的圆柱式肋柱增大了换热面积，强化的流体的混合，起到了强化换热的效果。

Description

流体通道结构、印刷电路板换热器及LNG运输船

技术领域

本发明涉及印刷电路板换热器技术领域，具体涉及一种流体通道结构、印刷电路板换热器及LNG液化船。

背景技术

天然气（Nature Gas, NG）作为一种安全、清洁、高效的能源，在缓解能源危机问题方面具有重要作用。天然气经压缩、冷却至其凝点（-162.5℃）后成为液态，成为液化天然气（Liquid Nature Gas, LNG）。液化天然气具有热值高、易于储存和运输、安全性能高等优点，其体积仅为同量气态天然气体积的1/625，质量仅为同体积水的45%左右。海上开采的天然气经液化后由液化天然气船运输至陆地，低温的液化天然气需经由气化器气化，再经过温度的调节后输送至用户端，在这一过程中，气化器作为核心设备具有十分重要的作用。

印刷电路板式换热器（Printed circuit heat exchanger，PCHE）作为一种新型的微通道换热器，以其紧凑、高效、耐高压(60MPa)、耐高温(-196~900℃)等特点，在油气行业、燃料加工、制冷、电力工业、化学工业等领域具有巨大的发展潜力。印刷电路板式换热器流动通道的布置形式和结构对换热器的流动和传热特性具有重要影响，流动通道布置主要包括顺流、逆流、叉流和复合流等形式，流动通道结构主要包括直通道、Z型通道、S型通道、翼型通道等。传统PCHE通道结构均为单通道形式，在LNG气化过程中，在通道内流体发生剧烈的气液相变，体积迅速膨胀，通道内流体速度急剧增加，会造成非常大的流动阻力，限制了流量的进一步提升，降低了LNG气化的效率。另外，单通道形式导致流体对流换热系数较低，容易造成天然气气化不完全，出口处天然气带液，不利于天然气气化过程的安全性和经济性。为此，迫切需要开发一种适用于LNG运输船只，低流动阻力的新型多级微通道印刷电路板换热器，提高LNG气化效率，增加出口处天然气气化纯度，提高天然气气化过程的安全性和经济性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种流体通道结构、印刷电路板换热器及LNG运输船，能在实现冷热流体高效换热的同时有效克服气液相变过程中流动阻力过大的问题，具有换热效率高，节约能源等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种印刷电路板换热器的流体通道结构，其特征在于，流体通道结构在流动方向包括液体流动通道、中间过渡段和气体流动通道；流体流经若干条液体流动通道后进入中间过渡段发生气液相变，之后在中间过渡段末端汇入若干条气体流动通道；在所述中间过渡段设置有将中间过渡段划分为若干条渐扩通道的肋柱。

所述肋柱群的各个肋柱布置在正旋螺旋线和逆旋螺旋线的旋转阵列的交点上，所述正旋螺旋线和逆旋螺旋线的源点位于液体通道中轴线上；所述中间过渡段被设置在旋转阵列的交点上的肋柱群划分为若干条螺旋式渐扩通道。

正旋螺旋线和逆旋螺旋线的形式包括阿基米德螺旋线、等角螺旋线及双曲螺旋线。

所述肋柱群的肋柱采用圆柱式肋柱。

所述圆柱式肋柱的圆心同时位于以螺旋线阵列的源点为圆心的同心圆圆弧上，圆柱式肋柱的直径会随着其圆心与螺旋线阵列的源点之间的距离的变化保持不变、单调递增或单调递减。圆柱式肋柱的直径保持不变时，肋柱群形成螺旋式渐扩通道；圆柱式肋柱的直径单调递减时，将使得上述渐扩通道的渐扩特征更加显著；圆柱式肋柱的直径单调递增时，可以适当削弱通道的渐扩特征。上述渐扩通道尺寸变化规律与流体体积膨胀规律相匹配时，换热器具有最佳效果。

气体流动通道的数量小于或等于液体流动通道的数量，而且每个气体流动通道的流通截面面积均大于液体流动通道的截面面积。

所述液体流动通道由若干个间隔相同的平行直通道组成。

所述液体流动通道由若干个间隔相同的平行直通道组成。所述气体流动通道由若干个间隔相同的平行直通道组成。

一种印刷电路板换热器，采用上述所述的流体通道结构。

一种LNG运输船，安装具有上述的印刷电路板换热器作为LNG气化器。

本发明印刷电路板换热器的流体通道结构包括：液体流动通道、中间过渡段、气体流动通道。流体流经液体流动通道后进入中间过渡段。中间过渡段布置有若干的圆柱式肋柱，可以增大换热面积，引导流体混合流动。

圆柱式肋柱的圆心同时位于以螺旋线阵列的源点为圆心的同心圆圆弧上，圆柱式肋柱的直径则会随着其圆心与螺旋线阵列的源点之间的距离的变化保持不变、单调递增或单调递减，进而实现对渐扩流道宽度的调控。流体经过中间过渡段后完全气化，并流入所述的气体流动通道。

本发明在中间过渡段设置有将中间过渡段划分为若干条渐扩通道的肋柱。渐扩通道匹配了气液相变时流体的体积增大，降低了流体通过时的阻力，采用的圆柱式肋柱增大了换热面积，强化的流体的混合，起到了强化换热的效果。

有益效果

第一，本发明设计了一种多级微通道印刷电路板换热器的流体通道结构，流体通道的中间过渡段被正旋和逆旋螺旋线的阵列划分为若干渐扩通道，以此来匹配流体气液相变时的体积膨胀，降低了流动阻力。

第二，该流体通道的中间过渡段采用圆柱式肋柱划分不同的渐扩通道，圆柱式肋柱增大了换热面积，可以起到强化换热的目的。

第三，中间过渡段的圆柱式肋柱还起到了分离流体的作用，促进了不同渐扩通道中流体的混合，圆柱式肋柱的直径会随着其圆心与螺旋线阵列的源点之间的距离变化保持不变、单调递增或单调递减，进而匹配渐扩通道逐渐增大的流道面积，达到更好的流体混合效果。

附图说明

图1为本发明换热器流道结构示意图；

图2是图1的A-A剖面图；

图3是图1的B-B剖面图；

图4为本发明中螺旋线示意图；

图5为本发明中螺旋线阵列示意图；

图6为本发明中的过渡段示意图；

图7为本发明中圆形肋柱在同心圆上的分布示意图；

图8为本发明中圆形肋柱直径的变化规律示意图；

图9为一种并联多级微通道印刷电路板换热器流道示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图描述本发明实施例的多级微通道印刷电路板换热器的流体通道结构。

如图1所示，本发明的一种多级微通道印刷电路板换热器的流道截面采用矩形，流动通道在纵向上长450 mm,宽42 mm；在横向上分为三段，包括液体流动通道1，长为150mm；中间过渡段2，长为44 mm，气体流动通道3，长为256 mm。参见图2，在一个实施例中，液体流动通道1由六个间隔相同的平行直通道组成，每个通道宽2.5 mm，间隔4.5mm。流体流经液体流动通道后，六股冷流体通道汇聚进入中间过渡段，流体在中间过渡段发生气液相变，流体体积增大。中间过渡段被正旋和逆旋螺旋线的阵列划分为不同的螺旋式渐扩通道.

在一个实施例中的螺旋线采用阿基米德螺旋线，流道划分过程如下：首先，画出两种不同旋向的螺旋线如图4所示，正旋螺旋线在极坐标下的方程设为r = 0.01 + 100 θ∕ π[mm]，逆旋螺旋线在极坐标下的方程设为r = 0.01 − 100 θ∕ π [mm]；然后将正旋螺旋线围绕其源点顺时针一周每隔10°复制一次，将逆旋螺旋线围绕其源点逆时针一周每隔10°复制一次完成阵列，两种螺旋线阵列之后的图形如图5所示，阵列后相邻两条螺旋线之间的间距逐渐增大，符合渐扩通道的形式；最后，选择液体通道中轴线上距离中间过渡段5 mm处作为螺旋线的源点，将流体通道与两种螺旋线阵列后的图形耦合，划分出中间过渡段的渐扩通道。渐扩通道可以匹配气液相变时流体体积的膨胀，减小因流体流速增加带来的流动阻力增大的影响。为了增强通道内流体的换热效率并增强不同渐扩通道之间流体的混合，在中间过渡段设置圆柱式肋柱群，圆柱式肋柱圆心的位置设置在正旋和逆旋螺旋线阵列后交点上如图6所示。如图7所示，圆柱式肋柱的圆心同时分布在以螺旋线阵列的源点为圆心的同心圆圆弧上。如图8所示，为了匹配渐扩通道、提高分离来流的效果，将不同圆弧上的圆柱式肋柱的直径设置为随着同心圆层数的增加而线性增大。

流体通过中间过渡段2后进入气体流动通道3。在一个实施例中，气体流动通道3由六个间隔相同的平行直通道组成，参见图3，每个通道宽5 mm，间隔2 mm。

如图9所示，本实施例复制了四个相同的流道单元，该多级微通道印刷电路板换热器的流道结构可以复制用来匹配不同的流量需求。

本发明实施例同时还提供一种印刷电路板换热器，采用上述各实施例中的流体通道结构。

本发明实施例同时还提供一种LNG运输船，安装具有上述实施例中的印刷电路板换热器作为LNG气化器。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种印刷电路板换热器的流体通道结构，其特征在于，流体通道结构在流动方向包括液体流动通道、中间过渡段和气体流动通道；流体流经若干条液体流动通道后进入中间过渡段发生气液相变，之后在中间过渡段末端汇入若干条气体流动通道；在所述中间过渡段设置有将中间过渡段划分为若干条渐扩通道的肋柱；

所述肋柱群的各个肋柱布置在正旋螺旋线和逆旋螺旋线的旋转阵列的交点上，所述正旋螺旋线和逆旋螺旋线的源点位于液体通道中轴线上；所述中间过渡段被设置在旋转阵列的交点上的肋柱群划分为若干条螺旋式渐扩通道。

2.根据权利要求1所述的流体通道结构，其特征在于，正旋螺旋线和逆旋螺旋线的形式包括阿基米德螺旋线、等角螺旋线及双曲螺旋线。

3.根据权利要求1所述的流体通道结构，其特征在于，所述肋柱群的肋柱采用圆柱式肋柱。

4.根据权利要求3所述的流体通道结构，其特征在于，所述圆柱式肋柱的圆心同时位于以螺旋线阵列的源点为圆心的同心圆圆弧上，圆柱式肋柱的直径会随着其圆心与螺旋线阵列的源点之间的距离的变化保持不变、单调递增或单调递减。

5.根据权利要求1-4任一所述的流体通道结构，其特征在于，气体流动通道的数量小于或等于液体流动通道的数量，而且每个气体流动通道的流通截面面积均大于液体流动通道的截面面积。

6.根据权利要求1-4任一所述的流体通道结构，其特征在于，所述液体流动通道由若干个间隔相同的平行直通道组成。

7.根据权利要求6所述的流体通道结构，其特征在于，所述液体流动通道由若干个间隔相同的平行直通道组成，所述气体流动通道由若干个间隔相同的平行直通道组成。

8.一种印刷电路板换热器，其特征在于，采用权利要求1-7任一所述的流体通道结构。

9.一种LNG运输船，其特征在于，安装具有权利要求8所述的印刷电路板换热器作为LNG气化器。