深冷翅片管氣化器表面流場數(shù)值模擬與結(jié)霜實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、空溫式深冷翅片管氣化器是低溫?zé)峤粨Q器的一種，以環(huán)境空氣為熱源，用自然對流的方式將熱量傳遞給翅片管內(nèi)的低溫液體，以達(dá)到低溫液體氣化的目的，其運(yùn)行受環(huán)境氣象條件（溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等）影響較大，存在翅片管表面結(jié)霜引起的換熱效果降低、氣化不完全、供氣不穩(wěn)定等問題。因此，深入研究翅片管氣化器表面換熱氣流的流動(dòng)規(guī)律，掌握氣化器運(yùn)行過程中翅片管表面換熱氣流特性及其與翅片管表面結(jié)霜過程的相互影響規(guī)律，對探尋合理有效的提高氣化器換熱效率、抑制翅片管

2、表面結(jié)霜方法有十分重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　鑒于此，以理論分析為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方法對空溫式深冷翅片管氣化器表面換熱氣流特性和結(jié)霜過程進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容及結(jié)論有：
　　（1）對空溫式氣化器翅片管傳熱過程進(jìn)行了分析，根據(jù)翅片管內(nèi)低溫介質(zhì)的相態(tài)不同，將翅片管內(nèi)傳熱過程分為單液相段、氣液兩相段和單氣相段，其中單液相段和單氣相段視為強(qiáng)制對流換熱，氣液兩相段視為沸騰換熱。根據(jù)翅片管表面是否結(jié)霜，將翅片管表面?zhèn)?/p>

3、熱過程分兩種工況進(jìn)行了分析，其中無霜工況采用大空間自然對流換熱模型對其進(jìn)行計(jì)算；結(jié)霜工況下，將霜層的導(dǎo)熱以熱阻的形式進(jìn)行折算，即空氣側(cè)對流換熱熱阻包括霜層導(dǎo)熱熱阻和換熱氣流與霜層對流換熱熱阻兩部分，在此基礎(chǔ)上對結(jié)霜工況下翅片管表面的對流換熱進(jìn)行了計(jì)算。
　?。?）運(yùn)用Fluent軟件，數(shù)值研究了空溫式深冷翅片管氣化器外側(cè)換熱氣流溫度場和速度場的分布，并分析了換熱氣流溫度和速度的變化規(guī)律及其對翅片管表面換熱過程的影響規(guī)律。結(jié)果表明：

4、在單液相段，翅片管表面換熱氣流流動(dòng)較明顯，自然對流換熱主要集中在近壁面區(qū)域，且越靠近翅片管低溫液體入口處，翅片管表面自然對流換熱程度越強(qiáng)。相比于單液相段，單氣相段翅片管表面換熱氣流無明顯流動(dòng)，自然對流換熱程度較弱。
　?。?）搭建了空溫式翅片管氣化器結(jié)霜實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了結(jié)霜工況下空溫式氣化器翅片管內(nèi)低溫液體氣化實(shí)驗(yàn)，分析了低溫液體在空溫式翅片管氣化器內(nèi)的氣化規(guī)律及其與翅片管表面霜層生長的相互影響規(guī)律。結(jié)果表明：氣化器工作狀態(tài)分預(yù)冷和

5、穩(wěn)態(tài)兩種工作狀態(tài)。預(yù)冷工作狀態(tài)低溫液體進(jìn)入氣化器后迅速氣化，其過程包含氣液兩相和單氣相兩個(gè)換熱段。穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)低溫液體在氣化器內(nèi)氣化經(jīng)歷單液相、氣液兩相、單氣相三個(gè)換熱段，入口處翅片管表面結(jié)霜最為嚴(yán)重，出口處翅片管表面無霜晶形成。因此，可根據(jù)氣化器工作狀態(tài)的不同，分段設(shè)計(jì)空溫式翅片管氣化器，從而減弱結(jié)霜對翅片管傳熱的影響，提高氣化器換熱效率。
　　（4）此外，實(shí)驗(yàn)研究并分析了結(jié)霜工況下翅片管表面換熱氣流的流動(dòng)特性及其與結(jié)霜之間的相

6、互影響規(guī)律。
　　結(jié)果表明：
　?、俪崞鼙砻娼Y(jié)霜最先出現(xiàn)在翅片管入口處的翅尖位置，沿翅片管徑向越靠近翅根結(jié)霜現(xiàn)象越晚出現(xiàn)，基管表面成霜最晚，且霜層厚度從翅尖到翅根逐漸減小。
　　②結(jié)霜初期，霜生長較迅速，霜層厚度平均增長速率達(dá)到0.16mm/s；結(jié)霜中期，霜生長逐漸趨于平緩，霜層厚度平均增長速率低至0.07mm/s；結(jié)霜后期，霜層厚度不再增加，出現(xiàn)霜晶掉落現(xiàn)象。
　?、劢Y(jié)霜初期，翅片管（0-300mm）表面換熱