再气化装置的制作方法

本发明涉及一种再气化装置，用于液化天然气并用于冷淡水和冷干空气的共生，其使用潮湿的环境空气作为能量源并使用中间流体作为热交换装置。

背景技术：

液化天然气lng再气化系统主要使用三种能量源：

1-化石燃料的燃烧，具有对应的co2排放，

2-环境空气，具有必要设施的大尺寸问题和结冰问题，

3-海水，具有以下问题：腐蚀、结冰、由于直接接触冷表面导致海洋生物直接死亡、以及由于将已经从中提取了潜热并且已经在其中添加了化学物质的水返回到海洋环境而导致的对海洋生物的影响。海水主要用于称为开架式蒸发器(openrackvaporizers，orv)的装置，其中海水直接浇注到lng蒸发管上。它是一种因其低成本操作和紧凑尺寸而被广泛使用的系统，其通过模块化形式的lng蒸发管实现，模块化形式的lng蒸发管通常高约6米并且放置在从海水在其上提供连续水淋浴的电池中。

为了避免由于与冷表面接触的结冰、腐蚀和海洋生物死亡的问题，已经产生了使用环境空气和海水作为间接热源的lng再气化系统，其中热量通过中间流体到达lng。

这些系统包括：

-水-乙二醇或其他中间流体(下文称为ifv乙二醇)的中间流体蒸发器。为了更好地描述现有技术，图7示出了这些装置的方案，其中使用外部能量源24，例如空气热、海水热或残余能量源来加热中间流体(例如水-乙二醇、gl)流入其中的热交换管22的壁。该加热的中间流体在具有至少一个lng蒸发管23的热交换器内提供，lng在所述至少一个lng蒸发管23中流动以再气化，lng蒸发管23浸没在一定体积的中间流体gl中。

当这些系统使用海水作为热源时，中间流体的包含通过与冷管接触解决了海洋死亡问题，但是没有避免由于提取与再气化能量等量的海水能量而导致的已经暴露的环境问题。

当这些系统使用环境空气作为能量源时，避免了结冰，但它们仍然存在需要大量设施的问题。

热交换管22和lng蒸发管23的壁的热系数限制了系统的热系数，因此限制了其性能并影响了设备的尺寸和成本。

烃的中间流体蒸发器，下文称为hc-ifv，是使用海水的显热并使用中间流体以避免由orv引起的腐蚀、结垢和死亡的问题的系统。使用中间流体和多达三个壳管回路允许解决结冰问题、管上的结垢问题、通过接触冷管引起的海洋死亡问题，但仍然存在由于将从中提取了与lng再气化过程所需能量等量的显热的海水返回到海洋环境而造成的影响海洋生物的问题。

为了便于描述现有技术，尽管hc-ifc装置可以划分为多达三种效果，但是hc-ifc的组件和基本热回路可以在图6中示意性地示出，其示出了密封容器，在该密封容器内部存在至少一个中间流体蒸发管17，在所述至少一个中间流体蒸发管17中海水流动以向装置供应能量，该中间流体蒸发管17浸没到一定体积的液相的中间流体18中，该中间流体18通常是烃，例如丁烷或丙烷，其通过中间流体蒸发管17的壁捕获海水的能量，并通过来自中间流体蒸发管17的外部面的鼓泡16蒸发。通过鼓泡16上升到所述一定体积的液相的中间流体18的表面，中间流体的气相蒸发，并且它在密封容器的上部体积内以气相19分布。密封容器被至少一个lng蒸发管20穿过，lng流入该lng蒸发管20以再气化。在lng蒸发管20的外部面上，中间流体的气相冷凝并且中间流体滴入其液相21中。在lng蒸发管20的外部面上的中间流体的冷凝中产生的潜热穿过管壁，并且它在lng蒸发管20内部转变成用于lng相变为天然气ng的潜热和用于增加其温度的显热。

hc-ifc装置的热系数受中间流体蒸发管17和lng蒸发管20的每个面的热系数、热源的热密度和中间流体的蒸发的潜热的限制。

这些热条件导致hc-ifv装置具有大尺寸，需要非常坚固的部件并且不允许使用低能量密度源，例如潮湿的环境空气。

为了减小再气化装置的尺寸、占地面积、交换壁的投资和其维护成本，有必要增加热交换表面的热系数，以改善系统的整体产生的热系数。

类似地，为了减少对环境的影响，有必要减少使用化石燃料燃烧产生的能量、减少从海水中提取热量并减少化学清洁产品溢出到环境中。

技术实现要素：

本发明试图通过用于液化天然气lng的再气化装置解决上述一个或多个缺点，其如权利要求中所限定的允许淡水和冷空气的共生。

lng再气化装置的热系数的改善，即每单位热交换面积传递的能量是降低投资成本、提高装置效率、并且最重要的是，允许使用低热能密度源的决定性因素，而低热能密度源的使用在热系数低的设施中是不切实际的。

lng再气化装置的热系数的改善需要改善交换热量的管的面的热系数。如果在这个面上冷凝或蒸发具有高相变潜热的流体而不仅仅是显热交换，则可以改善热交换管的面的热系数。如果在热交换管的面上发生蒸发或冷凝的情况下，如果该冷凝至少部分地在毛细管冷凝模式下进行或者如果蒸发至少部分地在毛细管模式下进行，也就是说，从发生在流体弯月面的表面上的液-气界面弯曲部进行，则可以改善热系数。

为了更清楚地描述，可以在与当前hc-ifv的热回路的部件进行比较之后描述该专利的lng再气化装置对象，描述允许提高它们中的每一个的热效率和产生的整体热系数的改进。

首先，中间流体蒸发管的内部面至少部分地涂覆有微槽、微凹槽、烧结部或其它毛细管结构，其允许流体的气相在管的内部面上的毛细管冷凝。这一进步允许lng再气化装置使用潮湿空气作为能量源。因此，空气中所含的水蒸气至少部分地在毛细管冷凝模式下在中间流体蒸发管的内部面上冷凝，并且放弃其潜热以及空气和水的显热的一部分，并且所有该能量穿过中间流体蒸发管的壁并转变成潜热，用于中间流体蒸发管外部面上的中间流体的相变。为了防止冷凝水在中间流体蒸发管的内部面上的积聚(这会限制其热性能)，至少添加一条排出管线，该排出管线整齐地引导冷凝水并将其排出。

其次，我们介绍了lng蒸发管的外部面上的毛细管冷凝的好处。为此目的，由于缺乏毛细管特性，诸如丙烷或丁烷的烃不能用作中间流体。使用h2o或乙二醇的水溶液或其他具有高潜热和高毛细管特性的溶液，并且lng蒸发管的外部面覆盖有微槽、微凹槽或毛细管结构，其允许中间流体的气相在lng再气化管的外部面上进行毛细管冷凝。

鉴于lng再气化装置具有外部密封容器并且其内部仅存在液相和气相的中间流体，如果lng蒸发管上的冷凝液相暴露于与气相流直接接触，并且不形成其中发生热分层的积聚，热分层允许在与气相能量载体隔离接触的区域中形成固相，则中间流体不会在lng蒸发管的外部面采用其固相。为此，重要的是液相从微槽或微凹槽中快速排出，并且不会在烧结部或毛细管结构内积聚。液相的排出可以通过诸如垂直于管的轴线的微槽或微凹槽的设计以及引导流体流出lng蒸发管的壁的纵向导向器来实现。

第三，我们介绍了中间流体蒸发管的外部面上的毛细管蒸发的益处。为此，中间流体蒸发管不再浸没在中间流体的液相体积内，并且我们将中间流体蒸发管的外部面至少部分地涂覆有微槽、微凹槽、烧结部或其他毛细管结构，其允许具有高毛细管特性和高蒸发潜热的中间流体的液相的弯月面形成，例如水、乙二醇的水溶液或具有类似毛细管特性的其它溶液。在这些弯月面的表面上，液-气界面是弯曲的，并且在该弯曲部的末端发生高流量蒸发，即毛细管蒸发。

对于正确的流体物流(logistics)，即，为了使中间流体蒸发管的外部面湿润并蒸发，必须使中间流体蒸发管的外部面的至少一部分被烧结部或另一种毛细管结构覆盖，并触及积聚在密封容器底部的中间流体的液相，使得中间流体的该液相通过毛细管作用上升并润湿中间流体蒸发管的外部面。

以互补的方式，中间流体蒸发管可以平行定位或至少部分地定位在lng蒸发管下方，使得在lng蒸发管的外部面上冷凝的中间流体的液相滴到中间流体蒸发管的外部面上。中间流体的这些液相液滴可以落到中间流体蒸发管的外部面的烧结涂层或其它毛细管结构上，并通过毛细管作用分布，或者它们可以落在微槽或微凹槽的涂层上。

在至少部分地以冷凝和蒸发毛细管模式下冷凝和蒸发的三个所提到的方面上的热效率的改进，允许以与当前orv类似的紧凑形式模块化装置，即，其允许准备可放入可堆叠电池的各个模块，每个模块包括：至少一个外部密封容器，其中只有气相和液相的中间流体；至少一个中间流体蒸发管，其穿过密封容器，其在潮湿空气流和中间流体之间交换热量，构造成冷却其中的潮湿空气，在其内部面上至少部分地以毛细管冷凝模式冷凝包含在潮湿空气流中的至少一部分水蒸气，并在其部表面上蒸发至少部分地放置在具有液-气界面弯曲部的弯月面中的中间流体的液相；和至少一个lng蒸发管，其穿过密封容器，其在中间流体和lng之间交换热量以再气化天然气，其构造成在其外部面上至少部分地在冷凝毛细管模式和内部热量下冷凝中间流体的气相并使lng再气化并加热再气化的ng天然气。

如果引入装置的空气和水蒸气的混合物每体积空气含有更多的水，则改善了lng再气化装置的热性能。也就是说，空气温度和饱和度越高，装置的性能越好。因此，lng再气化装置包括用作能量源的环境空气加湿系统。

lng再气化装置可以与另一个能量源一起工作，因此在非赤道地区的冬季当空气太冷而不能含有足够的空气蒸气以及装置所需的热能时，lng再气化装置可以具有若干供应和排出回路以利用除了潮湿的环境空气之外的不同源工作。因此，lng再气化装置可以具有多功能性，以利用潮湿环境空气操作，并且当空气太冷时，使用海水或其他提供能量的流体操作。

附图说明

基于附图在以下描述中给出更详细的解释：

图1在横截面图中示出了lng再气化装置的模块的实施例横截面图；

图2在平面图中示出了在lng蒸发管的高度处的一系列模块的切割截面，lng流过lng蒸发管，在ng中再气化；

图3在平面图中示出了在中间流体蒸发管的高度处的一系列模块的切割截面，中间流体蒸发管具有空气加湿装置；

图4在平面图中示出了在中间流体蒸发管高度处适于与除潮湿的环境空气之外的其他热源相容的一系列模块的切割面；

图5在截面图中示出了lng再气化装置的模块的纵向切割面；

图6在横截面图中示出了当前hc-ifv装置的添加方案，其中中间流体蒸发管浸没在中间流体的液相内；

图7在横截面图中示出了当前乙二醇-ifv装置的方案，其中lng蒸发管浸没在一定体积的乙二醇水溶液中；和

图8在截面图中示出了具有多于一个隔室的lng再气化装置的模块的纵向切割面。

具体实施方式

一种再气化装置，用于液化天然气lng，并用于冷淡水和冷干燥空气的共生，包括至少一个外部密封容器(1)，其包含处于液相和气相的中间流体，所述至少一个外部密封容器被至少一个中间流体蒸发管穿过，所述至少一个中间流体蒸发管构造成使得向装置提供热能的流体在内部流动，并且在其外部面上，液相的中间流体蒸发，并且所述至少一个外部密封容器被至少一个lng蒸发管穿过，该至少一个蒸发管构造成使得在其外部面上气相的中间流体冷凝，并且在其内部lng被加热并改变相，并且再气化的ng被加热到大于约5℃的温度。

如图1所示，lng再气化装置的特征在于，中间流体蒸发管3的内部面至少部分地被一层微槽、微凹槽、烧结部或其他毛细管结构覆盖。在中间流体蒸发管3内流动的流体是潮湿空气，并且包含在该潮湿空气中的水蒸气在至少部分地覆盖中间流体蒸发管3的内部面的微槽、微凹槽、烧结部或其它毛细管结构上的毛细冷凝下至少部分地冷凝。在中间流体蒸发管3内流动的潮湿空气也产生空气和水的显热。在中间流体蒸发管3内释放的潜热和显热的至少一部分穿过中间流体蒸发管3的壁并且至少部分地转变为潜热以用于液相的中间流体在中间流体蒸发管3的外部面上的相变。

为了防止水在中间流体蒸发管3的内壁上积聚，添加至少一个排出干道8，其整齐地引导共生的淡水。该淡水已经给出了其部分显热，因此它在低于约5℃的冷温度下离开中间流体蒸发管3的内部，并且它被引导离开该装置以用于多次使用。

使用环境空气作为能量源不会引起使用海水作为能量源引起的环境问题。

lng再气化装置的特征还在于，中间流体4、5、6是具有高蒸发潜热且具有良好毛细管特性的流体，如h2o、乙二醇水溶液或其他具有高潜热和良好毛细管特性的溶液；lng蒸发管2的外部面至少部分地涂覆有微槽、微凹槽、烧结部或其它毛细管结构，其中中间流体的气相5在毛细管冷凝模式下至少部分地冷凝。为了避免在lng蒸发管2的外部面上形成中间流体的固相，中间流体的液相必须不形成其中温度分层的流体积聚，并且中间流体的固相可以在中间流体蒸发管2的外部面的表面上形成。微槽、微凹槽、烧结部或其他毛细管结构的设计允许正确排出在lng蒸发管2的外部面上的冷凝的中间流体的液相，因为垂直于lng蒸发管2的轴线的微槽或微凹槽以及具有纵向导向器22的设计，其允许通过重力排出lng蒸发管2的外部面的表面上的冷凝液相及其在中间流体蒸发管3上或在密封容器的底部上的滴注6。

lng装置的特征还在于，中间流体蒸发管3不浸没在积聚在密封容器1的底部中的中间流体的液相4中，并且中间流体蒸发管3的外部面至少部分地涂覆与积聚在密封容器1底部中的中间流体的液相4接触的烧结层或其它毛细管结构，使得中间流体的液相4通过毛细管作用上升并润湿中间流体蒸发管3的外部面。

如果lng蒸发管2平行或至少部分地位于中间流体蒸发管3上，则中间流体蒸发管3的外部面的至少一部分也可以用微槽或微凹槽覆盖，微槽或微凹槽从自lng蒸发管2的外部面滴下的中间流体的液相6被供给。位于覆盖中间流体蒸发管3的外部面的至少一部分的微槽、微凹槽、烧结部或其他毛细管结构中的中间流体的液相4、6至少部分地以弯月面的形式设置，并且在这些弯月面的表面中形成液-气界面弯曲部，其允许在该弯曲部的上部发生的高流量蒸发，即毛细管蒸发。

为了实现lng再气化设施具有这些设备的惯常高功率，lng再气化装置可以以一组模块的形式实现，每个模块具有与orv装置的当前模块化管的功率类似的功率。

图2示出了lng再气化装置，其由紧凑布置的若干模块组成。出于这个原因，我们将lng再气化装置描述为由至少一个外部密封容器1组成，因为它可以由若干模块形成，每个模块具有至少一个外部密封容器1，其具有至少一个中间流体蒸发管3和至少一个lng蒸发管2。

图2示出了在lng再气化装置的四模块构造中lng蒸发管2的高度处的切割截面的平面图，该lng再气化装置的模块被平行地供给lng，并且从它们中的每一个中提取由再气化产生的天然气ng。

水平地工作时，lng再气化装置模块可以堆叠，实现紧凑的设计，且在其两端都易于接近，以便维护和控制lng再气化装置。

该模块化实施例可以用更多或更少数量的lng再气化装置的模块配制，并且允许以紧凑的形式获得lng再气化装置，具有低制造成本、低操作成本并且非常易于启动和停止，并且对环境的影响非常小，非常易于启动和停止允许根据标志着需求的天然气的生产需求快速调整设施的生产。

图3示出了在lng再气化装置的四模块构造中的中间流体蒸发管3的高度处的切割截面的平面图，lng再气化装置的四模块被平行地供给来自环境空气8的具有湿度10的环境空气，通过加湿器9为环境空气8加载湿度。

包含在潮湿空气10中的水蒸气在至少一个中间流体蒸发管3中冷凝和冷却，潮湿空气10通过该中间流体蒸发管3沿着模块流通，并且在末端冷空气11和冷淡水12被引导用于其随后的使用。这种冷空气11和冷淡水12的共生允许正确管理再气化过程中产生的冷却，并且该冷却可以再循环以用于各种用途，而不会引起如果将该冷却倒入海洋环境中而产生的环境问题。

环境空气的加湿装置9可以通过穿过一薄层海水将空气鼓泡、在环境空气上的海水淋浴或其他加湿系统来使用海水。这种加湿空气的过程可以在不需要冷却海水的情况下进行。部分海水进入气相和加湿空气所需的潜热可以通过来自环境空气的显热的贡献来补偿，导致返回到海洋环境的海水的非常小的温度变化。

如果环境空气温度高于海水温度并且要增加lng再气化装置的淡水共生能力，那么lng再气化装置可以包括在环境空气和海水之间的热交换装置作为淋浴系统或其他允许提高海水温度的系统，同时允许环境空气湿度饱和。如此加热的海水可以用作海水淡化装置中的热源，并且湿度饱和的空气可以用作lng再气化的热源。

在lng再气化过程结束时，空气冷却，在此过程中冷凝的淡水也冷却。因此，淡水生产可以在多效蒸馏过程中使用来自脱盐过程的通过环境空气加热的海水作为热源、并使用lng再气化过程产生的冷空气和/或冷淡水作为能量沉(sink)来增加。

由环境空气加热的海水与冷空气或共生的冷淡水之间的热跃迁可以在约25℃至30℃的范围内，并且通过这种热跃迁，可以进行若干次蒸发和冷凝过程，使得如果lng再气化装置与专利申请pct/es2015/070344中描述的热效率装置联接，则lng再气化装置的淡水共生能力增加，该专利申请通过引用并入本文。

图4示出了在中间流体蒸发管3的高度处的切割截面的平面图，其中lng再气化装置的四个模块的构造如图3所示，适于在非赤道地区的凉爽季节中使用，其中在非赤道地区的冬季期间，环境空气太冷而不能容纳足够的能量和水蒸气，因此lng再气化装置具有替代供应系统，以使用除潮湿环境空气之外的流体14作为热源操作，流体14例如是海水、来自燃烧的残余蒸汽或具有来自任何其他能量源的能量的中间流体，lng再气化装置具有单向特定的排出系统13，用于再循环或倾倒所述替代流体。

当在冬季供应诸如海水之类的除潮湿环境空气之外的流体时，中间流体蒸发管3的内部面的热系数可低于在中间流体蒸发管3中流通的流体是潮湿环境空气时的热系数，以便于维持lng再气化装置的总功率，可以在冬季期间具有额外的模块或者在冬季添加支持气体燃烧系统以满足峰值需求。

为了更好地理解，图5示出了如图2和3所示的lng再气化装置的模块的纵向截面，其示出了lng蒸发管2和中间流体蒸发管3的纵向截面，以及lng供应管道的横截面、供应潮湿的环境空气15、提取天然气ng和提取冷凝水12与冷空气11。

lng以约-163℃供应至lng蒸发管2，并以高于约5℃离开lng蒸发管2。为了减少该热跃迁所带来的热应力，lng再气化装置或构成lng再气化装置的模块可以如图8所示通过两个或更多个外部密封容器25、27、29被区室化。这种区室化限制了每个隔室中的中间流体的操作温度范围，并通过稳定每个隔室中的工作温度范围来优化热传递。每个隔室可具有特定的中间流体26、28、30，以满足其特定的热要求。

lng再气化过程基本上有三个部分，首先是lng加热部分，其从-163℃直至对应于lng所承受的压力的相变温度，然后是等温相变部分，最后是产生的天然气ng的最终加热部分，直至温度高于约5℃。在该第三部分中，天然气ng已经处于气相，并且区室化允许lng蒸发管2使其部分31适配或分叉成若干管以适应气相中的天然气ng的需要。可以使用其他温度范围进行区室化。区室化降低了lng再气化装置的温度应力，因此使其在材料要求方面更便宜。区室化允许在例如膨胀涡轮机、控制阀或用于排出冷凝淡水或冷空气的附加系统、以及用于供应潮湿空气的附加系统的隔室之间插入流体控制和管理装置。

lng再气化装置可用于其他低温流体的再气化，甚至可用于其他流体的其他热交换过程。