用于分配低溫流體的系統的制作方法

用于分配低溫流體的系統的制作方法
【專利摘要】一種用于分配低溫流體的系統，包括集液罐，其容納供給的低溫流體。加熱回路包括中間罐和加熱裝置，并具有與集液罐流體連通的入口且具有出口。旁通接頭置于集液罐和加熱回路的入口之間。旁通回路具有與旁通接頭流體連通的入口并具有出口，使得低溫流體的一部分從集液罐流過加熱回路并被加溫，并且一部分流過旁通回路。混合接頭與旁通回路的出口以及加熱回路流體連通，使得來自加熱回路的被加溫的低溫流體與來自旁通回路的低溫流體混合，從而調節低溫液體。分配管線與混合接頭流體連通，從而能分配經調節的低溫流體。在進行分配后在加熱回路中剩余的被加溫的低溫流體被引至中間罐，并用于使被引導通過加熱回路的低溫流體加溫。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型總體涉及用于低溫流體的分配系統，并更具體地涉及用于低溫液體分 配系統的熱管理系統和方法。 用于分配低溫流體的系統

【背景技術】
[0002] 使用液化天然氣（LNG)作為替代能源為車輛等提供動力已經變得越來越普遍，這 是因為其具有可家用性（domestically available)、環境安全，并且儲量豐富（與石油相 比)。使用裝置例如LNQ動力車輛通常需要將在飽和狀態下的LNG在壓頭下存儲在車載燃 料罐中，其足以滿足車輛發動機要求。
[0003] LNG通常通過壓力傳輸從集液貯罐被分配到車載罐中。雖然在進行分配前使集液 罐中的LNG達到飽和的分配系統是已知的，但是它們具有不能連續分配飽和LNG的缺點。更 特定地，在裝填集液罐的過程中或在調節新加入的LNG的狀態的過程中，是不能分配飽和 LNG 的。
[0004] 在輸送至車載罐之前使LNG飽和的另一個方法是在將LNG傳送至車載罐之前使 LNG加溫。這樣的方法在本領域被稱為"同程飽和（saturation on the fly)"。在Forgash 等人的第5, 687, 776號以及Kooy等人的第5, 771，946號美國專利中提出了這樣的"同程飽 和"系統，在此通過引用結合其內容。
[0005] 在5, 687, 776號以及第5, 771，946號專利中揭示了集液罐，以及將LNG從集液罐 中泵壓至熱交換器的泵。旁通導管與該熱交換器并聯放置。混合閥允許從泵流出的一部分 LNG分流通過熱交換器，用于以期望比例與離開熱交換器的被加溫天然氣混合，以獲得期望 的LNG分配溫度。第5, 687, 776號以及第5, 771，946號專利也均揭示了將中間分配罐定位 在混合閥和通向車載燃料罐的分配管線之間的回路中。這允許在來自車載燃料罐的高壓流 體返回中間分配罐時降低車載燃料罐中的壓力，以便避免溫流體與在集液罐中的冷LNG混 合。
[0006] 雖然第5, 687, 776號以及第5, 771，946號專利中真空夾套的中間分配容器可用于 存儲來自管道的熱量，并且避免其返回主貯罐，但是該系統并不是最佳的。更具體地，將熱 交換器移到中間罐后保證了被加熱的質量瞬間流動至混合閥，同時降低了系統中氣體的凈 容積。氣體是可壓縮的，而液體幾乎不可壓縮。這樣，從泵流至車載罐的液體中具有大的氣 體體積，使去往車載罐的凈流速打折，這樣在罐中產生不佳的噴射效果，并且有可能導致裝 填不滿。分配罐在熱交換器之后，如第5, 687, 776號以及第5, 771，946號專利所示出的，可 最終被適當地填滿液體，但在使用過一段時間之后，罐中將有氣體。雖然對于通過混合閥的 氣體流能夠進行適當的控制，但是空容器在去往車載罐的輸送中產生了水力學問題。
[0007] 此外，同程飽和系統可產生大量的不必要的熱量返回到主貯罐中。這進而可能導 致天然氣泄漏，這是不期望的。在管道中具有比貯罐更高飽和度的剩余液體將突然閃蒸 (flash)并將其熱量發送回貯罐。使高溫管道絕熱是有幫助的，但必須對所截留的熱量進行 適當存儲。
[0008] 目前需要一種解決了上述問題的分配低溫液體的系統和方法。 實用新型內容
[0009] 本實用新型的一個方面提供了一種用于分配低溫流體的系統，包括：a)集液罐， 其被設置成容納有供給的低溫液體；b)加熱回路，其包括中間罐和加熱裝置，所述加熱回 路具有與所述集液罐流體連通的入口，并具有出口；c)旁通接頭，其被定位在所述集液罐 和所述加熱回路的所述入口之間，并與所述集液罐和所述加熱回路的所述入口流體連通； d)旁通回路，其具有與所述旁通接頭流體連通的入口，并具有出口；e)混合接頭，其與所述 旁通回路的所述出口以及所述加熱回路流體連通；以及f)分配管線，其與所述混合接頭流 體連通。
[0010] 可選地，所述旁通回路包括旁通導管。
[0011] 可選地，所述系統還包括泵，所述泵具有與所述集液罐流體連通的入口，以及與所 述旁通接頭流體連通的出口。
[0012] 可選地，所述中間罐是絕熱的，并且包括缺量罐。
[0013] 可選地，所述系統還包括溫度傳感器，所述溫度傳感器與流出所述混合接頭的低 溫流體連通，并且其中，所述加熱回路包括由所述溫度傳感器控制的混合閥。
[0014] 可選地，所述系統還包括旁通閥，所述旁通閥被定位在所述旁通回路中，并且由所 述溫度傳感器控制。
[0015] 可選地，所述系統還包括溫度傳感器，所述溫度傳感器與流出所述混合接頭的低 溫流體連通，并且其中，所述混合接頭包括3通混合閥。
[0016] 可選地，所述加熱回路中的所述加熱裝置包括熱交換器，所述熱交換器具有入口 和出口，所述熱交換器的所述入口與所述中間罐的出口流體連通，且所述熱交換器的所述 出口與所述混合接頭連通。
[0017] 可選地，所述低溫流體為低溫液體，并且，所述熱交換器為環境熱交換器，其被設 置成使流入所述熱交換器的全部低溫液體蒸發，使得低溫蒸氣被引至所述混合接頭。
[0018] 可選地，所述的系統還包括與流出所述混合接頭的低溫流體連通的溫度傳感器、 和由所述溫度傳感器控制的混合閥，所述混合閥被定位在所述熱交換器的出口和所述混合 接頭之間。
[0019] 可選地，所述加熱回路中的所述加熱裝置包括被定位在所述中間罐內的加 熱器。
[0020] 可選地，所述加熱器是電加熱器。
[0021] 可選地，所述低溫流體為液態天然氣。
[0022] 本實用新型的另一方面提供了一種用于分配低溫流體的系統，包括：a)集液罐， 其容納有供給的低溫流體；b)加熱回路，其包括中間罐和加熱裝置，所述加熱回路具有與 所述集液罐流體連通的入口，并具有出口；c)旁通接頭，其被定位在所述集液罐和所述加 熱回路的所述入口之間，并與所述集液罐和所述加熱回路的所述入口流體連通；d)旁通回 路，其具有與所述旁通接頭流體連通的入口，并具有出口，使得低溫流體的一部分從所述集 液罐流過所述加熱回路并被加溫，并且低溫流體的一部分從所述集液罐流過所述旁通回 路；e)混合接頭，其與所述旁通回路的所述出口以及所述加熱回路流體連通，使得來自所 述加熱回路的被加溫的低溫流體與來自所述旁通回路的低溫流體混合，從而對來自所述旁 通回路的低溫流體進行調節；f)分配管線，其與所述混合接頭流體連通，從而被調節的低 溫流體能被分配；其中在分配之后在所述加熱回路中剩余的被加溫的低溫流體被引至所述 中間罐，并被用于加溫通過所述加熱回路的低溫流體。
[0023] 可選地，所述低溫流體是低溫液體，并且所述加熱裝置是環境熱交換器，并且被引 導通過所述熱交換器的低溫液體蒸發，使得在所述混合接頭處使用低溫蒸氣對被引導通過 所述旁通回路的所述低溫液體進行調節。
[0024] 可選地，所述低溫液體是液態天然氣且所述低溫蒸氣是天然氣蒸氣。
[0025] 可選地，所述系統還包括與流出所述混合接頭的低溫流體連通的溫度傳感器，以 及與所述加熱回路流體連通且由所述溫度傳感器控制的混合閥。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1是本實用新型的系統的第一實施例的示意圖。
[0027] 圖2是本實用新型的系統的第二實施例的示意圖。
[0028] 圖3A至圖3C是示出圖1中的系統的中間罐或容器（capacitor)的可選實施例的 細節的示意圖。

【具體實施方式】
[0029] 雖然本實用新型在下文中將針對用于分配LNG的系統和方法來描述，但是可以理 解的是它們也可被用于分配其它類型的低溫液體或流體。
[0030] 如圖1所不，集液罐10包括供給的LNG11。本系統包括大體上分別以12a和12b指 示的第一和第二調節和分配支路。雖然本系統將結合支路12a來說明，但是應該理解支路 12b是以類似的方式工作的。LNG從集液罐10經由管線18行進至包含泵16的貯槽（sump) 14,集液罐和貯槽二者均優選地為絕熱的。貯槽14包含LNG22,其經由泵16經過管線24被 栗至芳通接頭26。
[0031] 大體上以30指示的加熱回路包括中間罐32和熱交換器34。更具體地，中間罐或 容器(下文所解釋的）32的入口與旁通接頭26連通，該中間罐或容器32優選地為絕熱的。 中間罐32的出口經由管線33與熱交換器34的入口連通，該熱交換器34可為環境熱交換 器或在本領域中已知的用于加熱低溫液體的任意其它裝置。熱交換器34的出口經由混合 閥40與混合接頭36連通。旁通回路包括導管42,其具有與接頭26連通的入口和與接頭 36連通的出口。旁路導管42還配備有旁通閥44。混合閥40和旁通閥44可以是例如兩向 閥。被置于混合接頭處的單個三通閥，例如圖3A至圖3C中的三通閥110,可被用于替換混 合閥及旁路閥40和44。分配管線46從混合接頭36引至分配器50。
[0032] 中間罐32優選是缺量罐（ullage tank)并優選地具有在Gustafson的共同受讓 第5, 404, 918號或第6, 128, 908號美國專利中所示出的結構，在此通過引用結合這二者的 內容。
[0033] 在操作中，將LNG泵壓至較高的壓力并泵送至接頭26,并且一部分行進至中間罐 32,同時剩余部分行進通過旁通導管42。中間罐32被裝填至缺量罐所容許的液面水平。在 裝填中間罐的過程中或在中間罐達到缺量罐所容許的液面水平后，LNG從中間罐32流入熱 交換器34。在其中對行進至熱交換器的LNG加溫，并且產生的液體或蒸汽流至混合接頭36 以與通過旁通導管42流至該混合接頭的冷LNG混合。混合閥和旁通閥40和44是自動的， 并由溫度傳感器52控制，溫度傳感器可包括處理器或其它控制器裝置，使得在接頭36處被 加入冷LNG中的熱的量導致飽和的或過冷卻的LNG通過分配導管46流至分配器50。
[0034] 如圖3A和圖3C所示，熱交換器34優選地被設計成且尺寸被設置成使從中間罐 32流入其中的全部LNG蒸發。結果，暖天然氣蒸氣流到混合接頭與來自旁通導管42的冷 LNG混合。如果流速需要穩定并處于高水平，則通常必須改變所加入的熱的量。使用裝滿 液體的環境熱交換器的系統具有相對固定的加熱率（heat rate)。固定加熱率和固定總質 量的流動意味著無論分流通過熱交換器的流動比例，每單位質量的結果熱量不變(且因此 飽和壓力不變)。在這樣的情況下，進一步加熱流體的唯一途徑是放慢總體質量流速。如果 流速下降太多則可能引發有效噴射裝填（efficient spray filling)的問題。圖1和圖3A至 圖3C中的實施例(通過熱池 （heat battery)或中間罐32的方式）實現液體流動，或通過設 計使其蒸發(熱交換器34夠大足以這樣做)。通過這樣配置熱交換器可改變熱量，因為分流 (divert)通過有熱交換器的路徑的流速進而使該距離存在低溫溫度。然后冷LNG與相對較 溫的(可能接近環境）天然氣蒸氣在混合接頭36處混合。最終結果為較溫液體。
[0035] 進行分配之后，管線33中的溫LNG在中間罐出口和熱交換器34的入口之間流動， 并且管線中的溫LNG在熱交換器34的出口和混合閥40之間流動，排回中間罐32中用于在 下次分配循環或運行中在熱交換器之前對LNG進行預加溫。結果，中間罐起到熱池或熱容 器（thermal capacitor)的作用。在下次分配進行過程中，LNG在接頭26分流（divert)通 過中間罐32 (其將所存儲的熱量加入LNG)以及熱交換器34 (其加入更多的熱量)。因此， 可使用較小的熱交換器，因為中間罐分擔了一些加熱負荷。
[0036] 而且，在進行分配之后，管線46中的溫LNG蒸騰并經由從分配器50通向集液罐10 底部的排出管線（vent line)返回集液罐。然而，通過使中間罐32和混合閥40之間的經加 熱的LNG返回中間罐，返回以加熱集液罐的蒸氣的量降低。
[0037] 在泵16排放處的大小適當的中間罐32和該罐后的熱交換器34可被設計成在正 常工作過程中保持中間罐基本上裝滿液體。中間罐的尺寸還被設置成使得在其中所存儲的 液體的熱質量（thermal mass)可接納從熱交換器或蒸發器返回的沸騰物（boil)，從而存儲 熱量用于下次飽和（saturation)請求，并不將其發送回主存儲集液罐10。
[0038] 如圖2中示出的本實用新型的系統的第二實施例中，大體上以81指示的熱回路的 中間罐或容器（capacitor) 80加入了內部電加熱器82。容器的容積則用于存儲由于狀態 調節產生的熱量，用于后續使用，并且還起到熱質量的作用，以實現瞬間混合動作，因為罐 將液體保持在高于所需的溫度和壓力下，以能夠進行可控混合。加熱器82可被整合到中間 存儲罐體中，并不超出中間存儲罐體80。因此，中間罐對于LNG起到類似"水加熱器"的作 用，并且需要被設置尺寸，使得在LNG分流進入中間罐時，熱LNG離開中間罐。除電加熱器 以外本領域已知的加熱器也可代替電加熱器82。
[0039] 圖2中的系統中的剩余部分以與圖1中系統相同的方式起作用。更具體地，如圖2 所示，集液罐60包括LNG61的供給部。該系統包括第一和第二調節和分配支路，其大體上 分別以62a和62b指示。雖然本系統將針對支路62a進行說明，但是可理解支路62b以類 似的方式工作。LNG從集液罐60經由管線68行進至貯槽64,其包含泵66。集液罐和貯槽 二者均優選為絕熱的。貯槽64包括LNG72,其由泵66經由管線74被泵送至接頭76。優選 地為絕熱的中間罐或容器80的入口與接頭76連通。如以上所說明的，中間罐或容器80包 含電加熱器82。中間罐80的出口經由管線83、通過混合閥90與混合接頭86連通。旁通 導管92具有與接頭76連通的入口以及與接頭86連通的出口。旁通導管92還配備有旁通 閥94。混合閥90和旁通閥94可以是例如雙向閥。但是，置于混合接頭的單個三通閥，如圖 3A至圖3C中110所示，可用于替換混合閥和旁通閥90和94。管線96從混合接頭86引至 分配器100。
[0040] 在操作過程中，LNG被泵壓至更高的壓力，并且被泵送至接頭76,且一部分行進至 中間罐或容器80,同時其余部分行進通過旁通導管92。在中間罐80中由加熱器82加溫之 后，LNG從中間罐80流至混合接頭86,以與通過旁通導管92流至該混合接頭的冷LNG混 合。混合閥和旁通閥90和94可以是自動的，并可由溫度傳感器102控制，該溫度傳感器可 包括處理器或其它控制器裝置，使得在接頭86處被加入冷LNG的熱的量導致飽和的或過冷 卻的LNG通過分配管線96流至分配器100。
[0041] 進行分配之后，管線83中的溫LNG在中間罐出口和混合閥90之間流動，排回中間 罐80,用于在加熱器82的幫助下，在下次分配循環或流動過程中加溫LNG。結果，中間罐80 也起到熱池或熱容器（thermal capacitor)的作用。在下次分配進行過程中，LNG在接頭76 處分流（divert)通過中間罐32,其將所存儲的熱量加入LNG，并加上來自加熱器82的熱量。
[0042] 此外，在進行分配之后，管線96中的溫LNG蒸騰并經由從分配器100通向集液罐 60底部的排出管線返回集液罐。然而，通過使在中間罐80和混合閥90之間加熱LNG返回 中間罐，返回以加熱集液罐的蒸氣的量減少。
[0043] 關于在圖1和圖2的系統之間的選擇，圖1中的系統的中間罐32更大，且由于具 有環境熱交換器34,所以可產生霧。相反地，圖2中的中間罐80和加熱器82更為昂貴但不 起霧。
[0044] 轉向圖3A至圖3C，示出了中間罐32的可選實施例。如圖3A所示，中間罐32包括 限定缺量空間104的缺量罐。中間罐包括對LNG106的供給，LNG106從泵（圖1中16)通過 止回閥116提供。
[0045] 正如現在將解釋的，圖3A至圖3C中的中間罐或容器32實現了在罐體內最小分層 (stratification)。圖3A示出了正常的裝填或分配操作。連自泵的冷LNG入口通過止回 閥116通到中間罐32的底部。LNG通過開口 117進入罐體32的底部，開口 117配備有擋 板119,以保持新液體處于罐體的下部。通過止回閥114a和管線33傳輸至加熱器34的液 體是經由管線108來自中間罐上半部的較溫層。溫液體和氣體從加熱器返回，通過止回閥 114b去往中間罐內管部121里面的混合區。這里可以可選性地具有屏蔽件（screen)，屏蔽 件上帶有小孔，用于更好地氣體再凝結，并且具有較熱液體出口，該出口經由管部在中間管 體的上部。R1為節能調節器，R2為蒸騰調節器，用于在較長的待用之后，排放過剩壓力，以 返回至集液罐底部。
[0046] 在正常裝填或分配過程中，進入的LNG可推動蒸氣通過在罐的上部的罐液體出口 (管線108的入口），并到達熱交換器34并到達混合閥110,混合閥110處于溫度傳感器112 的控制下。進入的LNG (通過止回閥116)將向中間罐填充液體至管線108的入口。管線 108入口的位直還可部分地確定缺量空間（ullage)，以提供無缺量罐的實施例。最大液面 水平將在管線108的入口和通向引至R1/R2的管線118的出口之間。
[0047] 圖3B示出了在分配循環或工作之后的操作。更具體地，如上參考圖1所說明的， 在進行分配之后，管線33中的溫LNG在中間罐出口和熱交換器34之間流動，并且管線中的 溫LNG在熱交換器34的出口和混合閥110之間流動，排回至中間罐32,用于在下一次分配 循環或工作過程中在熱交換器之前預加溫LNG。因此，中間罐起到熱池或熱容器的作用。來 自熱交換器的氣體使得在中間罐內的LNG飽和，并且在容器32內出現壓力上升。過量的蒸 氣/液體通過管線118和120以及蒸騰調節器R2行進至集液罐。
[0048] 圖3C示出了在高于節能調節器R1設定壓力下的裝填或分配。過量液體/蒸氣從 容器32行進穿過管線118、節能調節器R1和管線122,在此其與經由管線33去往熱交換 器34的LNG匯合。在容器中由于壓力降低而蒸發的任何飽和LNG都去到缺量空間104(圖 3A)。
[〇〇49] 雖然已經示出了并且說明了本實用新型的優選的實施例，但是對于那些本領域技 術人員顯而易見的是，可對這些實施例進行改變和修改而不背離本實用新型的實質，本實 用新型的范圍是通過隨附的權利要求來限定的。
【權利要求】
1. 一種用于分配低溫流體的系統，其特征在于包括： a) 集液罐，其被設置成容納有供給的低溫液體； b) 加熱回路，其包括中間罐和加熱裝置，所述加熱回路具有與所述集液罐流體連通的 入口，并具有出口； c) 旁通接頭，其被定位在所述集液罐和所述加熱回路的所述入口之間，并與所述集液 罐和所述加熱回路的所述入口流體連通； d) 旁通回路，其具有與所述旁通接頭流體連通的入口，并具有出口； e) 混合接頭，其與所述旁通回路的所述出口以及所述加熱回路流體連通；以及 f) 分配管線，其與所述混合接頭流體連通。
2. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述旁通回路包括旁通導管。
3. 如權利要求1所述的系統，其特征在于還包括泵，所述泵具有與所述集液罐流體連 通的入口，以及與所述旁通接頭流體連通的出口。
4. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述中間罐是絕熱的，并且包括缺量罐。
5. 如權利要求1所述的系統，其特征在于還包括溫度傳感器，所述溫度傳感器與流出 所述混合接頭的低溫流體連通，并且其中，所述加熱回路包括由所述溫度傳感器控制的混 合閥。
6. 如權利要求5所述的系統，其特征在于還包括旁通閥，所述旁通閥被定位在所述旁 通回路中，并且由所述溫度傳感器控制。
7. 如權利要求1所述的系統，其特征在于還包括溫度傳感器，所述溫度傳感器與流出 所述混合接頭的低溫流體連通，并且其中，所述混合接頭包括3通混合閥。
8. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述加熱回路中的所述加熱裝置包括熱交 換器，所述熱交換器具有入口和出口，所述熱交換器的所述入口與所述中間罐的出口流體 連通，且所述熱交換器的所述出口與所述混合接頭連通。
9. 如權利要求8所述的系統，其特征在于，所述低溫流體為低溫液體，并且，所述熱交 換器為環境熱交換器，其被設置成使流入所述熱交換器的全部低溫液體蒸發，使得低溫蒸 氣被引至所述混合接頭。
10. 如權利要求8所述的系統，其特征在于還包括與流出所述混合接頭的低溫流體連 通的溫度傳感器、和由所述溫度傳感器控制的混合閥，所述混合閥被定位在所述熱交換器 的出口和所述混合接頭之間。
11. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述加熱回路中的所述加熱裝置包括被定 位在所述中間罐內的加 熱器。
12. 如權利要求11所述的系統，其特征在于，所述加熱器是電加熱器。
13. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述低溫流體為液態天然氣。
14. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述低溫流體是低溫液體，并且所述加熱 裝置是環境熱交換器，并且被引導通過所述熱交換器的低溫液體蒸發，使得在所述混合接 頭處使用低溫蒸氣對被引導通過所述旁通回路的所述低溫液體進行調節。
15. 如權利要求14所述的系統，其特征在于，所述低溫液體是液態天然氣且所述低溫 蒸氣是天然氣蒸氣。
16. 如權利要求1所述的系統，其特征在于還包括與流出所述混合接頭的低溫流體連
【文檔編號】F17D1/04GK203892874SQ201320782832
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2012年11月30日
【發明者】T.德魯比, P.扎魯巴 申請人:查特股份有限公司