換熱器的效率和壓縮機(jī)的效率關(guān)系如下：
式中η——總液化效率；
ηc——壓縮效率；
ηL——換熱器的效率；
WL——液化消耗的功；
WR——制冷劑消耗的功；
WC——壓縮機(jī)的壓縮功。
WR是WL和所有換熱器系統(tǒng)中不可逆損失之和，如溫差、控制閥和混合制冷劑的相互影響。換熱系統(tǒng)最大的不可逆損失是因溫差引起，尤其是低溫部分。應(yīng)盡量對(duì)換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高換熱效率。對(duì)一些大型的壓縮機(jī)，離心壓縮機(jī)效率約為78%；軸流壓縮機(jī)效率約為85%。
壓縮機(jī)和冷卻系統(tǒng)合在一起的效率
換熱系統(tǒng)的效率
總的液化效率η為30%～45%。
(二) 板翅式換熱器
板翅式換熱器的基本結(jié)構(gòu)是由平隔板(厚0.8～2.0mm)和翅片(厚0.15～0.58mm)構(gòu)成板束組裝而成。如圖3-18所示。在兩塊平行金屬板間，放入波紋狀翅肄，兩邊以側(cè)條密封，組成一個(gè)單元體。各單元體又以不同的疊積排列，并用釬焊固定，成為逆流式(如圖3-18的流體a和流體b)或錯(cuò)流式(流體a、b和流體e)。翅片的高度和密度取決于傳熱和工作壓力的要求。普通的翅片高度為6.3～19mm，翅片的間距約為1.6mm。翅片有很多種形式，如平板型、打孔型、間斷型及魚叉型等。打孔的翅片是為了使通道內(nèi)的流量均勻，這在兩相流的情況下是很重要的。板翅式換熱器的組裝件稱為芯部，將半圓形進(jìn)出流體匯管焊接至板束上，就成為板翅式換熱器。在流體的進(jìn)出口處采用流量分配器，分配器內(nèi)的翅片確保流量分配均勻。
大多數(shù)板翅式換熱器都是銅鋁結(jié)構(gòu)，初始的應(yīng)用是在空氣分離裝置中。由于它結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小，所以在低溫流程中應(yīng)用很廣。在20世紀(jì)70年代末期，由于真空釬焊技術(shù)的發(fā)展，真空釬焊工藝代替了最初的鹽浴式銅焊工藝。使換熱器核心部分的尺寸更加緊湊，工作壓力可以達(dá)到8MPa以上。
板翅式換熱器單位體積的傳熱面積約為990～1300m2/m3，約為普通管殼式換熱器的6～8倍。板翅式換熱器1m3的質(zhì)量?jī)H為1200～1400kg，而管殼式換熱器為4000kg/m3。由于質(zhì)量小、單位體積傳熱面積大，因而板翅式換熱器單位質(zhì)量的換熱面積約為管殼式換熱器的25倍，這樣就減小了換熱器基礎(chǔ)、支撐、隔熱層等的費(fèi)用。板翅式換熱器允許多達(dá)10股流體在箱體內(nèi)換熱，兩股流體換熱的平均溫差僅為3～6℃。由于板翅式換熱器的流道狹窄，因此要求流體潔凈，不含固體雜質(zhì)，操作中還應(yīng)防止溫度驟變。銅鋁型的板翅式換熱器廣泛用于天然氣液化流程中的主要換熱設(shè)備——冷箱。
(三) 提高傳熱效率
LNG裝置的換熱器需要很高的傳熱效率，為此要解決以下影響傳熱效率的因素。
1. 流動(dòng)不均勻性
由于局部的阻力(如入口通道的堵塞)，使換熱器中某個(gè)部分的流量減少，或者多個(gè)換熱器并聯(lián)產(chǎn)生的流量不均勻，總的影響是使熱效率下降。
2. 流道受阻
大多數(shù)的LNG液化流程都比較清潔，因?yàn)閷?duì)氣體進(jìn)行了預(yù)處理，水、二氧化碳和其他雜質(zhì)在液化前已經(jīng)清除?？墒怯捎谔?xì)浠衔镏懈咛冀M分被凍結(jié)出來(lái)，可能產(chǎn)生偶爾的阻塞或故障，其后果都是引起流體流動(dòng)不均勻和換熱效率下降。對(duì)于這種情況，清洗過程比較簡(jiǎn)單，只要將換熱器復(fù)溫，用清潔和干燥的氣體吹除即可，也就是所謂的“解凍”。某些情況下則采用化學(xué)溶劑的方法，如向系統(tǒng)內(nèi)的流體充注入甲醇，以抑制氫氣的產(chǎn)生，而且不需要停機(jī)。
3. 縱向?qū)?/div>
對(duì)于雙層套管式換熱器，縱向?qū)崾侵秆刂鴵Q熱器長(zhǎng)度方向的傳熱，對(duì)于板翅式換熱器，則是板與翅片交界處的傳熱?？v向?qū)釋?duì)傳熱效率是非常不利的。評(píng)價(jià)縱向?qū)岬挠绊懯潜容^復(fù)雜的，尤其是對(duì)多股流的換熱器和其中有相變產(chǎn)生的情況。
對(duì)于板翅式換熱器，通過采用間斷型翅片的方法，可以減少縱向熱傳導(dǎo)的影響。板與翅片交界處，翅片的厚度應(yīng)盡量薄一些。
對(duì)于繞管式換熱器，長(zhǎng)而細(xì)的管路有利于減少縱向熱傳導(dǎo)。
4. 環(huán)境漏熱
天然氣液化過程在低溫狀態(tài)下進(jìn)行，熱量從裝置周圍環(huán)境漏入，對(duì)于換熱器的影響，與縱向熱傳導(dǎo)是類似的。
三、LNG泵
液體輸送需要泵增壓，LNG液體輸送同樣需要泵增壓。但是，LNG液體輸送泵除了一般的液體輸送泵的性能要求外，在低溫性能和氣密性能方面有更高的要求。
LNG的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程都需要泵送。如從LNG液化裝置的儲(chǔ)罐向LNG船液艙內(nèi)裝貨、LNG船到達(dá)接收站時(shí)的卸貨、接收站對(duì)外進(jìn)行LNG的輸送或轉(zhuǎn)運(yùn)、，固定儲(chǔ)罐對(duì)運(yùn)輸罐車的裝貨或向氣化器供液等，都需要LNG泵。LNG船在卸好貨以后，開始下一次航行前往LNG的產(chǎn)地時(shí)，液艙中留有一定的LNG“殘液”是為了維持液艙處于低溫狀態(tài)，也需要用泵循環(huán)艙內(nèi)的殘液，噴淋LNG冷卻艙壁。在LNG作為汽車燃料時(shí)，加注站向汽車加注LNG時(shí)，也需要LNG泵來(lái)輸送。
輸送LNG這類低溫的易燃介質(zhì)，輸送泵不僅要具有一般低溫液體輸送泵能承受低溫的性能，而且對(duì)泵的氣密性能和電氣方面安全性能要求更高。常規(guī)的泵很難克服軸封處的漏泄問題。對(duì)于普通的沒有危險(xiǎn)性的介質(zhì)，微量的漏泄不影響使用。而易燃易爆介質(zhì)則不同，即使是微量的漏泄，隨著在空氣中的不斷積累，與空氣可能形成可燃爆的混合物。因此，LNG泵的密封要求顯得尤其重要。除了密封問題以外，還有電動(dòng)機(jī)的防爆問題，電動(dòng)機(jī)的軸承系統(tǒng)、聯(lián)軸器的對(duì)中問題，長(zhǎng)軸驅(qū)動(dòng)時(shí)軸的支撐以及溫差的負(fù)面影響等一系列問題。
為了解決可燃的低溫介質(zhì)輸送泵的這些問題，在泵的結(jié)構(gòu)、材料等方面有很大的進(jìn)展。一種安裝在密封容器內(nèi)的潛液式電動(dòng)泵在LNG系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。另外，在一些傳統(tǒng)的離心泵的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)和材料等措施，也可應(yīng)用于LNG的輸送。柱塞泵在某些場(chǎng)合也有應(yīng)用，如在LNG汽車技術(shù)中，需要將液化天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s天然氣，稱為L(zhǎng)CNG裝置，采用的就是柱塞泵。
(一) 潛液式電動(dòng)泵
潛液式電動(dòng)泵如圖3-19所示。它是專門用于輸送LNG和LPG等易燃、易爆的低溫介質(zhì)。其特點(diǎn)是將泵與電動(dòng)機(jī)整體安裝在一個(gè)密封的金屬容器內(nèi)，因此不需要軸封，也不存在軸封的漏泄問題。泵的進(jìn)、出口用法蘭與輸送管路相連。
潛液式電動(dòng)泵的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的籠型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵有較大的差別。動(dòng)力電纜系統(tǒng)需要特殊設(shè)計(jì)和可靠的材料，電纜可以浸在低溫的液化氣體中，在-200℃條件下仍保持有彈性。電纜需要經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)收，并標(biāo)明是液化氣體輸送泵專用電纜，工作溫度為±200℃LNG泵的電纜如圖3-20所示。電纜用聚氯乙烯材料(TFE)絕緣，并用不銹鋼絲編成的鎧甲加以保護(hù)。電動(dòng)機(jī)的冷卻是由所輸送的低溫流體直接進(jìn)行冷卻，冷卻效果好；電動(dòng)機(jī)效率高。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)浸在所要輸送的流體中，所以電動(dòng)機(jī)也沒有潮濕和腐蝕的影響，電動(dòng)機(jī)的絕緣也不會(huì)因?yàn)闇囟壬咭饜夯?
