[發明專利]一種基于3D打印的帶有橫向微溝槽結構的緊湊式LNG換熱器

在審

• 申請號: 202010475555.7
• 申請日: 2020-05-29
• 公開（公告）號: CN111649614A
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 李福建;李陽;戴菁;邵武豪;劉振華;王平陽;張宇凡;趙園
• 申請（專利權）人: 中國船舶工業集團公司第七0八研究所;上海交通大學
• 主分類號: F28D21/00
• 分類號: F28D21/00;F28F13/02;F28F21/08
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐俊

本發明公開了一種基于3D打印的帶有橫向微溝槽結構的緊湊式LNG換熱器，具體利用3D打印技術或增材制造技術制作高效強化型LNG氣化換熱器，對細小通道管路內壁進行特殊3D打印處理，在內壁面形成周向排列的大量園弧形微溝槽凹陷陣列，以提高換熱管路的LNG超臨界流體換熱特性。對于壁寬1.0mm的矩形流道，槽深0.07mm，槽寬0.23mm，槽間距0.4mm的微溝槽尺寸最為合理。上敘優化布置在單管入口的LNG質量流量為1000kg/m²s，LNG進入口溫度為120K和290K時，管路平均換熱系數可以強化45％左右，強化效果非常顯著，而同時流阻僅僅增加10％左右。

技術領域

本發明涉及一種基于3D打印的帶有橫向微溝槽結構的緊湊式LNG換熱器，特別是利用3D打印技術或增材制造技術制作的高效強化型緊湊式LNG換熱器，對緊湊式換熱器的LNG流動換熱細小管路的內壁進行特殊3D打印處理，在四個內壁表面形成一連串的周向排列的微觀2維半園弧溝槽道，槽道與流動方向垂直，以提高換熱管路的LNG超臨界流體換熱特性，屬于換熱器強化技術、低溫換熱技術領域。

背景技術

隨著我國天然氣需求的增加和液化天然氣(LNG,Liquefied Natural Gas)產業鏈的發展，海上浮式LNG接收站也隨之興起。換熱器是浮式LNG接收站再氣化裝置的核心構件之一，由于浮式LNG接收站的布置和安裝條件限制，緊湊型細小通道換熱器的研發對于浮式LNG接收站的建設和LNG產業的發展具有重要意義。

目前LNG換熱器的設計和生產技術掌握在國外個別企業手里，相關文獻相對較少?；静捎糜∷迨郊毿⊥ǖ兰夹g，細小通道群加工較為困難，細小通道換熱器多是采用多層帶有密集的槽孔平板通過焊接或者機械密封制成。英國Heatric公司最早發明了印刷板式換熱器，隨后得益于光刻技術和擴散焊技術的應用而進一步發展。Heatric公司掌握各種尺寸的LNG換熱器的設計、芯體制造和裝配技術，在國際上處于領先地位；美國VPE公司，日本神戶制鋼生產的細小通道換熱器其生產的細小通道換熱器已應用于LNG的氣化、液化、浮式LNG處理裝置熱交換領域。上海利策科技股份有限公司開展了緊湊型換熱器設計及制造技術研究，其板片槽道采用光化學蝕刻加工，芯體采用多層板片擴散焊集成，目前完成了小型工程樣機的研制和真實介質換熱性能測試與驗證。

細小通道換熱器的最新的制造技術是3D激光打印也就是增材制造技術，目前國內外都處于初期的研發試制階段。國內的增材制造LNG細小通道換熱器設計和研究與國外相比處于相距不大，都處于模擬計算和工程樣機試驗階段，目前國內外的增材制造技術研發的LNG緊湊換熱器基本樣式大同小異，管路截面形狀有圓形，矩形等變化，但流路截面形狀保持不變，而對流動方向的流道形狀進行變化，如S型，Z型或鋸齒形等，通過對沿程流道變化，增加流動長度，增加弧形渦流區等強化換熱特性。

目前為止，實際開發的3D打印或者印刷板式細小通道換熱器其核心部件，換熱通道都還是設計和加工成光滑內壁，沒有對管路壁面本身進行機械或其他形式的強化措施。對于大管徑換熱管，已經使用了各種機械式強化手段，比如管內加螺旋扭帶，彈簧螺旋管等材料，在管壁上開各種槽道，或者在管壁上再加工出各種肋片結構。其目的都是產生各種大渦流動，以強化換熱。對于細小通道，也有十分多的計算和實驗室研究使用同樣的以上方法進行細小通道換熱強化計算或開發，但由于實際細小通道換熱器都不可能在細小通道內部再進行任何機械加工，所以實用型細小通道換熱器包括LNG專用的超臨界流體換熱器還都是簡單的光滑管路。

近年來，3D激光打印技術已經發展到可以制造中小型結構復雜的細小通道換熱器。這為制造結構先進的帶有各類細小通道強化換熱器打下了技術基礎，原來無法實現的細小通道內壁3D機械加工現在可以完成精準設計和高效低成本加工制造。