一种冷能回收用取冷换热器

技术领域

本发明专利涉及冷能回收制冷设备领域，尤其涉及一种冷能回收用取冷换热器。

背景技术

很多低温液体，例如液化天然气（LNG）、液氧、液氮、液氩、液空、乙烯液体、乙烷液体、丙烷液体、二氧化碳液体等，在一些应用之前需要被气化，气化过程中会释放大量的冷能，若这些冷能没被加以利用而释放于环境中，将产生极大的能量浪费，并对周围的环境造成不可避免的冷污染。而若将这部分冷能取出并应用于需要冷量的场合，则可以避免环境污染并产生巨大的经济效益。

取冷时采用载冷剂获取低温液体的冷量，并输送去用冷点用冷，载冷剂在用冷点吸收热量温度升高后，又回来与低温液体继续换热并循环。载冷剂可为盐水、乙二醇溶液、硅油、常用制冷剂、烃类、二氧化碳等。一些常用的载冷剂如盐水、乙二醇、二氧化碳等此类凝固点较高的工质，若采用载冷剂与低温液体在换热器中直接换热的方法，载冷剂与低温液体换热温差较大，容易出现载冷剂冻结堵塞或换热不良等问题，导致换热器无法正常工作。因此目前行业上普遍采用中间冷媒循环的方式，将低温液体的冷量通过换热器传递给中间冷媒，泵驱动中间冷媒液体循环流动，进入另一换热器将冷量输送给载冷剂完成取冷过程。但中间冷媒循环是一整套装置，设备数量较多、投资增加，操作控制简洁性与可靠性肯定不如单一换热器。为此，设计一种冷能回收用取冷换热器以简化设备。

发明内容

本发明的目的在于克服以上不足，提供一种冷能回收用取冷换热器，能替代系统复杂的中间冷媒循环，高效地将低温液体的气化冷量传递给载冷剂，并很好地解决载冷剂在换热器中与低温液体换热时易出现的冻结和换热不良问题。其中载冷剂与低温液体分别流动于两束换热管中，两束换热管上下分开布置于充满中间冷媒气液的壳体中，载冷剂与低温液体通过中间冷媒进行间接换热。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：一种冷能回收用取冷换热器，用于将低温液体的气化冷量高效地传递给载冷剂，包括壳体、右封头、冷流体换热管、左封头与热流体换热管，所述壳体右端设有右成对法兰，用于与右封头连接；左端设有左成对法兰，用于与左封头连接，壳体内设有多块支撑板，用于支撑固定冷流体换热管与热流体换热管，在壳体下方开设有充注口，用于向壳体内充注中间冷媒液体，当换热器工作时，中间冷媒液体淹没热流体换热管，中间冷媒液体吸热后汽化为中间冷媒蒸发气，蒸发气充满冷流体换热管周围，被冷流体换热管冷却并冷凝成液体，重回中间冷媒液体中。该中间冷媒液体具有气液转换特性且其凝固点的温度低于低温液体的温度，其作用是将低温液体的冷量高效地传递给载冷剂，所述壳体下方设有支撑脚，用于将换热器稳定固定于地面。

作为优选：所述右封头一侧开设有冷流体进口，另一侧开设有冷流体出口，内部设有冷流体分程隔板，用于使冷流体可通过冷流体换热管流动，所述冷流体换热管通过支撑板固定于壳体内部上方，处于中间冷媒蒸发气中，用于将低温液体的冷量传递给中间冷媒，冷流体固定管板设置在壳体与右封头之间，隔开两部分空间，冷流体换热管穿过冷流体固定管板，与右封头内部空间连通。

作为优选：所述左封头一侧开设有热流体进口，另一侧开设有热流体出口，内部设有热流体分程隔板，用于使热流体可通过热流体换热管流动，所述热流体换热管通过支撑板固定于壳体内部下方，浸没于中间冷媒中，用于将中间冷媒从低温液体获取的冷量传递给载冷剂，热流体固定管板设置在壳体与左封头之间，隔开两部分空间，热流体换热管穿过热流体固定管板，与左封头内部空间连通。

作为优选：所述冷流体换热管布置在壳体内上方区域，热流体换热管布置在壳体下方区域，使上方中间冷媒遇冷密度增加向下流动，下方中间冷媒遇热汽化产生大量气泡向上移动，中间冷媒内部形成对流扰动，加强流体间换热过程。

作为优选：所述冷流体换热管、热流体换热管可选用U型管或绕管，或选用换热效率更高的换热管和型式。

作为优选：所述冷流体换热管和热流体换热管可选用紫铜制成的螺纹管，其内壁和外壁上可开设微型肋片，微型肋片的设置能够增加换热面积从而提高换热效率。

作为优选：所述冷流体进口、冷流体出口、热流体进口、热流体出口与设备外管的连接方式可采用并不限于法兰连接或焊接连接。

作为优选：壳体可稍选比常规设计大些，增大壳体内中间冷媒充注量，加大中间冷媒热惯性，从而减小吸收低温液体冷量时的温度波动，更容易控制中间冷媒的温度，而不致使载冷剂的温度过低，从而避免载冷剂与中间冷媒换热时出现载冷剂冻结问题。

特别指出，本发明所提出的取冷换热器可替代现有的中间冷媒循环从低温液体取冷，用单一设备替代一套装置，简化了换冷设备，可降低成本与维护难度，提高系统运行可靠性。

特别指出，本发明所提出的取冷换热器，在工程应用中，可选用单台应用、多台串联或并联或串并联等灵活应用方式。

本发明提出的一种冷能回收用取冷换热器，能替代系统复杂的中间冷媒循环，高效地将低温液体的气化冷量传递给载冷剂，并很好地解决载冷剂在换热器中与低温液体换热时易出现的冻结和换热不良问题，其中载冷剂与低温液体分别流动于两束换热管中，两束换热管上下分开布置于充满中间冷媒气液的壳体中，载冷剂与低温液体通过中间冷媒进行间接换热，可用于替代以往的复杂换冷系统，具有结构简单，使用方便，换热高效、运行稳定等诸多优点。

附图说明

图1是现有的中间冷媒循环取冷方式的流程示意图。

图2是本发明专利的一种冷能回收用取冷换热器的结构示意图。

实施方式

在本发明专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间冷媒间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。

如图1所示，现有的中间冷媒循环取冷方式含有一个第一换热器E1，循环泵P1，第二换热器E2，设备之间由管道连接，管道中充注有中间冷媒。循环泵P1驱动中间冷媒在第一换热器E1与第二换热器E2之间循环流动，低温液体在第一换热器E1中将冷量提供给中间冷媒，中间冷媒在第二换热器E2中将冷量传递给载冷剂。

如图2所示，本发明提出的一种冷能回收用取冷换热器，可替代上述中间冷媒循环，它包括壳体100、右封头200、冷流体换热管300、左封头400与热流体换热管500，所述壳体100右端设有右成对法兰101，用于与右封头200连接；左端设有左成对法兰102，用于与左封头400连接，壳体100内设有多块支撑板103，用于支撑固定冷流体换热管300与热流体换热管500，在壳体100下方开设有充注口104，用于向壳体内充注中间冷媒液体601，当换热器工作时，中间冷媒液体601淹没热流体换热管500，中间冷媒液体601吸热后可汽化为中间冷媒蒸发气602并充满冷流体换热管300周围，中间冷媒蒸发气602被冷流换热管300冷却并冷凝成液体，重回中间冷媒液体601中。该中间冷媒液体具有气液转换特性且其凝固点的温度低于低温液体的温度，其作用是将低温液体的冷量高效地传递给载冷剂，所述壳体下方设有支撑脚105，用于将换热器稳定固定于地面。

所述右封头200上方开设有冷流体进口201，下方开设有冷流体出口202，内部设有冷流体分程隔板203，用于使冷流体可通过冷流体换热管300流动，所述冷流体换热管300通过支撑板103固定于壳体100内部上方，处于中间冷媒蒸发气中，用于将低温液体的冷量传递给中间冷媒。冷流体固定管板301设置在壳体100与右封头200之间，隔开两部分空间，冷流体换热管300穿过冷流体固定管板301，与右封头200内部空间连通。

所述左封头400下方开设有热流体进口401，上方开设有热流体出口402，内部设有热流体分程隔板403，用于使热流体可通过热流体换热管500流动，所述热流体换热管500通过支撑板103固定于壳体内部下方，浸没于中间冷媒中，用于将中间冷媒从低温液体获取的冷量传递给载冷剂。热流体固定管板501设置在壳体100与左封头400之间，隔开两部分空间，热流体换热管500穿过热流体固定管板501，与左封头400内部空间连通。

所述冷流体换热管300布置在壳体内上方区域，热流体换热管500布置在壳体下方区域，使上方中间冷媒遇冷密度增加向下流动下方中间冷媒遇热汽化产生大量气泡向上移动，中间冷媒内部形成对流扰动，加强流体间换热过程。

所述冷流体换热管和热流体换热管可选用紫铜制成的螺纹管，其内壁和外壁上可开设微型肋片，微型肋片的设置能够增加换热面积从而提高换热效率。

所述冷流体进口201、冷流体出口202、热流体进口401、热流体出口402与设备外管的连接方式可采用法兰连接或焊接连接。所述冷流体换热管、热流体换热管可选用U型管或绕管，或选用换热效率更高的换热管和型式。

壳体100内中间冷媒体积较大，热惯性较大，使其温度受低温液体影响较小，因而很容易精确控制以中间冷媒为中间冷媒时载冷剂与低温液体的换热过程，而不致载冷剂的温度过低，从而避免载冷剂与低温液体换热时出现载冷剂冻结与换热不良的问题。

冷量从低温液体传递给载冷剂的过程为：

低温液体从冷流体进口201进入右封头200上方区域，然后流入冷流体换热管300，与壳体100内的中间冷媒换热提供冷量，升温气化后流出冷流体换热管300，进入右封头200下方区域，最后从冷流体出口202流出；中间冷媒吸收低温液体冷量后温度降低，密度变大，在重力作用下向下流动，经过热流体换热管500。载冷剂从热流体进口401进入左封头下方区域，之后流入热流体换热管500，与中间冷媒换热获取冷量，温度降低后流出热流体换热管500进入左封头400下方区域，最后从热流体出口402流出，完成载冷剂的冷却过程。中间冷媒吸收载冷剂热量后温度升高，并在热流体换热管500的外壁上产生大量气泡，气泡脱离热流体换热管500的外壁，在上浮过程中在中间冷媒内产生剧烈的扰流，并与温度较低的中间冷媒进行换热，气泡逐渐缩小，未完全换热的气泡通过中间冷媒气液相界面603进入壳体100内上方区域，成为中间冷媒蒸发气602。壳体100内上方区域中间冷媒蒸发气602不断聚集，壳体内部压力不断升高，同时由于低温液体的流动上方区域温度降低，最终蒸发气又冷凝为液体发生回流。

某公司每小时气化LNG14吨，气化压力2.5MPaA，需要将LNG气化冷量回收并用于冷却工业冷却循环用乙二醇溶液和冷却水。采用本发明的取冷换热器，只需要2台换热器即可实现换冷。第一台换热器，低温液体为LNG，中间冷媒取丙烷，载冷剂为乙二醇溶液；第二台换热器低温液体为出第一台换热器的NG气体，中间冷媒取丙烷，载冷剂为冷却水。这两台串联的换热器取代了行业中常用的图1的两套装置，简化了换冷系统，同时降低了投资，操作和维护也更简便。

再次指出，本实施例中壳体的形状改变，换热管的类型、形状和材质改变，换热管在壳体内的布置位置改变，换热型管在壳体内的固定方式改变、冷流体热流体流向的改变等，在不超出本发明的创新范围内，做出的各种变型或优化，均属于本发明的保护范围。

再次指出，本发明所提出的取冷换热器，在工程应用中，可选用单台应用、多台串联或并联或串并联等灵活应用方式，均属于本发明的保护范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。