空溫式翅片管氣化器冷熱流體傳熱特性仿真研究

李文奇 陳叔平 金樹峰 付啟亮 白彪坤 孟 岳

（蘭州理工大學石油化工學院）

近年來，隨著我國生態(tài)環(huán)境問題和能源供需關系的不斷變化，以液化天然氣為主要清潔能源的產(chǎn)業(yè)鏈快速興起，空溫式翅片管氣化器這種符合我國節(jié)能降耗基本國策的高效節(jié)能換熱設備更是得到迅速發(fā)展。 空溫式翅片管氣化器由多根豎直縱向星型翅片管排列組合而成，以自然對流的環(huán)境空氣（熱流體）作為熱源，在溫差的驅(qū)動下吸收周圍大氣中的熱量， 使翅片管內(nèi)低溫液體（冷流體）氣化成具有一定溫度、壓力的氣體，無需消耗額外動力，有效降低了工業(yè)氣體輸配系統(tǒng)的能耗。 但由于在實際應用中普遍存在翅片表面結(jié)霜問題而影響工作效率，使得空溫式翅片管氣化器的使用受到限制。

為有效延緩結(jié)霜對空溫式翅片管氣化器的影響，通常設置多臺氣化器交替使用，并采用電加熱、熱氣等［1］方法對已結(jié)霜的氣化器進行停機除霜，但該措施無疑會增加初期投資、消耗額外能源、減弱節(jié)能降耗的效果。 因此，近些年來有國內(nèi)外學者和機構(gòu)從優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)設計［2］、冷表面改性［3］或者利用外加電場［4］、磁場或超聲波［5］及增設蓄熱器［6］等途徑入手，對抑制結(jié)霜、除霜控制等方面進行了積極有益的研究。 同時，利用強制吹風改變翅片管周圍熱流體特性進而延緩結(jié)霜的技術，目前已在國內(nèi)外個別場合有良好的應用效果， 如Cryoquip公司作為全球最大的氣化器設計、制造商，近年來研發(fā)了風扇驅(qū)動式空溫式翅片管氣化器，即在傳統(tǒng)空溫式翅片管氣化器頂部安裝風扇以增強空氣對流傳熱效果，延緩其表面的結(jié)霜現(xiàn)象，提高了設備的整體傳熱效率［7］，未曾深入探究但其影響規(guī)律。

鑒于此，筆者通過建立空溫式翅片管氣化器冷熱流體傳熱數(shù)值計算模型，探究兩者耦合傳熱特性及其溫度變化規(guī)律，分析不同管內(nèi)入口流量和強制對流條件下管外進口風速對翅片壁面溫度變化的影響，從而提出合理、可行的冷熱流體延緩結(jié)霜方法，提高空溫式翅片管氣化器換熱效率。

1 模型建立

1.1 幾何模型

筆者的研究對象為空溫式翅片管氣化器，其材料為導熱系數(shù)較高的鋁合金，結(jié)構(gòu)如圖1所示。翅片管長度L=1.0m，外徑D=25mm，壁厚δ=2.0mm，翅片高H=45mm，厚δ′=1.5mm，相鄰兩翅片夾角θ=45°。 冷流體以飽和溫度77K從翅片管底端進入，沿翅片管向上流動并吸收熱量發(fā)生氣化，最終從翅片管頂端流出。 與此同時，翅片管周圍熱流體在重力作用下自上而下產(chǎn)生自然對流。

圖1 空溫式翅片管氣化器結(jié)構(gòu)示意圖

為盡可能減小計算量，同時有效研究翅片管內(nèi)冷流體和外側(cè)翅片所夾區(qū)域熱流體的傳熱影響， 將氣化器翅片端部延伸為50mm內(nèi)的外側(cè)熱流體區(qū)域納入計算范圍，通過邊界條件中symmetry（對稱） 設定選取整體幾何模型的1/8進行分塊網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格橫截面如圖2所示。 其中，翅片管外側(cè)熱流體和翅片管壁面兩部分采用六面體形式劃分，翅片管內(nèi)冷流體部分采用四面體形式劃分，并對翅片管近壁面區(qū)域網(wǎng)格適當加密。 計算網(wǎng)格總數(shù)目約為150萬， 經(jīng)網(wǎng)格獨立性驗證可滿足計算準確性要求。 圖2中a、b、c為沿管長各橫截面處模擬溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測點，其中a、c點分別位于冷流體區(qū)域和翅片壁面的中心處；b點位于近壁面處熱流體區(qū)域，沿兩翅片夾角中心位置與基管壁面間隔10mm。

圖2 翅片管網(wǎng)格橫截面

1.2 計算模型

根據(jù)空溫式翅片管氣化器的工作原理，為準確預測分析翅片管內(nèi)流動傳熱特性， 選用RNG k-ε模型作為湍流模型進行模擬計算。由于空溫式氣化器翅片管內(nèi)冷流體吸收大量熱量發(fā)生氣化相變，氣液兩相之間發(fā)生傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象。 針對這一氣液兩相流動過程，選用混合（Mixture）模型的同時采用能量平衡關系， 通過編譯UDF將能量變化和質(zhì)量變化作為源項分別導入到混合物能量方程、液相和氣相質(zhì)量方程中，以近似模擬計算冷流體在翅片管內(nèi)發(fā)生相變的過程［6］。

根據(jù)能量守恒原理可知：

式中 cpl——液相定壓比熱容，由文獻［9］可得；

hlg——冷流體的汽化潛熱，由文獻［10］可得；

mlg——氣體質(zhì)量產(chǎn)生的速率；

Qlg——能量的變化；

Tsat——冷流體的汽化溫度，由文獻［10］可得；

α——松弛系數(shù)，用于調(diào)節(jié)氣體產(chǎn)生速率；

αl——液相所占體積；

ρl——液相密度。

2 計算方法

2.1 基本假設

筆者主要研究空溫式翅片管氣化器冷熱流體的耦合傳熱過程，包括翅片管外側(cè)熱流體強制對流和翅片管內(nèi)冷流體沸騰相變兩個復雜的非穩(wěn)態(tài)復合傳熱過程。 若直接模擬實際傳熱過程非常困難，因此基于以下假設進行簡化［11］：

a. 整個傳熱過程為充分發(fā)展的穩(wěn)態(tài)湍流傳熱；

b. 翅片管材料的各熱物性參數(shù)不隨溫度影響變化且各向同性；

c. 忽略輻射換熱、介質(zhì)的粘性熱耗散。

2.2 控制方程

筆者選用Fluen軟件對空溫式翅片管氣化器冷熱流體的傳熱特性進行數(shù)值模擬，數(shù)值求解計算均應遵循穩(wěn)態(tài)質(zhì)量、動量和能量守恒的基本控制微分方程。

式中 Fi——微元體上的外部體積力；

Jj——組合j的擴散流量；

keff——流體的有效傳熱系數(shù)；

p——流體微元體上的壓力；

Sh——所有的體積熱源項和化學反應熱；

Sm——離散相加到連續(xù)相的質(zhì)量；

ρ——密度；

ρgi——微元體上的重量體積力；

τij——因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應力τ的分量。

2.3 邊界條件

空溫式翅片管氣化器管外側(cè)熱流體和管內(nèi)冷流體的傳熱特性和流動方向均不同，因此翅片管內(nèi)外的進出口邊界條件的設定并不一致，邊界條件設置如圖3所示。

圖3 邊界條件設置

翅片管內(nèi)、外冷熱流體的熱物性參數(shù)均隨溫度的變化而改變，尤其氣化過程中管內(nèi)冷流體的溫度變化較大，對空溫式翅片管氣化器模擬計算結(jié)果有很大影響，因此在定義冷熱流體熱物性時選擇使用C語言編寫UDF載入Fluent的材料設置中，其他物性參數(shù)均設定為默認值。

2.4 求解設定

選用分離式求解器對空溫式翅片管氣化器的數(shù)值模型進行求解， 速度-壓力耦合計算采用SIMPLE算法，控制方程壓力插值采用PRESTO! 離散格式， 其他項均采用默認的一階迎風離散格式，當連續(xù)方程的迭代殘差小于10-4時，可認為計算達到收斂。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 翅片管內(nèi)外冷熱流體溫度場分布

翅片管內(nèi)冷流體由翅片管底端流入，與翅片管外熱流體產(chǎn)生熱量傳遞后沿流動方向溫度上升，達到飽和溫度后開始氣化，最終從翅片管頂端流出，整個過程中翅片管溫度分布如圖4所示。其中左邊為翅片管軸向?qū)ΨQ面溫度分布云圖，從圖中可以看出離翅片管較遠的熱流體溫度幾乎不受影響，恒為環(huán)境溫度300K，而翅片壁面溫度受到冷熱流體耦合傳熱的影響沿管長方向逐漸升高。 翅片管內(nèi)冷流體溫度在底端入口處最低，與管外熱流體間溫差較大，使得翅片壁面和熱流體在翅片管底段的溫度梯度分布變化尤為明顯。圖4右邊分別為沿管長方向z為0、250、500、750mm截面的溫度分布云圖。 由此圖可知，熱流體溫度由最外側(cè)向近壁面處逐漸降低，且越貼近翅片管壁面，溫度等值線越密集，換熱熱流密度越大。 近翅片管內(nèi)壁面處冷流體溫度也明顯高于中心處，即翅片管內(nèi)、外冷熱流體對流換熱主要集中在近壁面區(qū)域。 從圖4a可以看出，翅片管外熱流體溫度等值線緊密地貼近于翅片壁面，近壁面處最高溫度僅為267K左右，而在圖4b上熱流體溫度等值線間距在近壁面區(qū)域有所增大且呈拋物線狀趨勢，最高溫度升至278K左右，在遠壁面區(qū)域熱流體溫度均在289～300K的范圍內(nèi)。在圖4c、d上熱流體溫度等值線間距明顯較大，分布更加稀疏。 由此可見，沿管長方向翅片管壁面與熱流體間溫度等值線越稀疏，壁面自然對流換熱程度越弱。

圖5所示為翅片管內(nèi)、 外冷熱流體和翅片壁面溫度沿管長的變化情況。 翅片壁面受管外熱流體加熱并將熱量傳遞給管內(nèi)冷流體， 由圖5可以看出整個過程中翅片壁面溫度均高于管內(nèi)冷流體溫度，且沿冷流體流動方向逐漸升高，溫度變化曲線呈起伏上升趨勢。 翅片管內(nèi)冷流體溫度在入口段變化趨勢較為平緩， 當溫度升高至80K左右后沿流動方向呈不斷上升趨勢，這是由于冷流體達到飽和溫度后開始氣化，需要吸收大量的氣化潛熱，只有少部分熱量用于提高溫度。 近壁面處熱流體的溫度沿管內(nèi)冷流體流動方向逐漸升高，直至翅片管頂端出口處兩者溫差達到最大值165K左右。

圖4 翅片管溫度分布云圖

圖5 翅片管內(nèi)、外冷熱流體及壁面溫度沿管長變化情況

3.2 入口流量對溫度的影響

翅片管內(nèi)冷流體入口流量分別取0.025、0.050、0.075kg/s進行數(shù)值模擬， 研究分析一定管徑下不同管內(nèi)入口流量對冷流體和翅片壁面溫度的影響。 圖6為不同入口流量下翅片管內(nèi)冷流體溫度沿管長變化情況。 從圖6可以看出，翅片管內(nèi)冷流體在入口段溫度起始升高的管長長度隨入口流量的增大而增加，這說明管內(nèi)冷流體的氣化速率隨入口流量增大而變慢。 待管內(nèi)冷流體隨入口流量由小至大依次氣化后均呈不斷上升趨勢， 且溫度變化速率隨著入口流量增大顯著減小。當入口流量由0.025kg/s增大至0.075kg/s時，翅片管內(nèi)冷流體出口溫度由114K降低至91K，下降了23K。這是由于隨著入口流量的增大，單位質(zhì)量的冷流體流出翅片管頂端的時間縮短，致使冷流體與管壁接觸吸熱時間變短， 溫度升高過程變慢。

圖6 不同入口流量下翅片管內(nèi)冷流體溫度沿管長變化情況

圖7為不同入口流量下翅片壁面溫度沿管長變化情況。 如圖7所示，當翅片管內(nèi)冷流體入口流速由0.025kg/s增大至0.075kg/s時， 各管長處翅片壁面溫度均降低，出口處翅片壁面溫度降低幅度尤為明顯，由195K降低至163K，降低了32K。 翅片壁面溫度逐漸降低， 使得霜層出現(xiàn)時間變短，嚴重影響其傳熱能力，降低氣化效率。 因此，在滿足工作需求的同時應盡量減小進液入口流量，以獲取較大的換熱性能。

圖7 不同入口流量下翅片壁面溫度沿管長變化情況

3.3 進口風速對溫度的影響

為探究強制對流條件下翅片管頂端進口風速對其壁面溫度的影響，設置管外向下進口風速分別為1.0m/s和2.0m/s，用相同的計算模型對兩種不同進口風速下翅片管的傳熱特性進行數(shù)值模擬， 并與自然對流條件相比較， 結(jié)果如圖8、9所示。 其中，圖8所示為不同對流條件下翅片管內(nèi)冷流體溫度沿管長變化情況。 由圖8可知，翅片管內(nèi)冷流體溫度隨管外進口風速的增加而逐漸升高。進口風速增至2.0m/s時， 與自然對流條件下相比冷流體出口溫度由114K升高至131K，入口段溫度起始升高的管長長度由140mm減小至25mm，即冷流體被加熱氣化的距離明顯縮短。 圖9所示為不同對流條件下翅片壁面溫度沿管長變化情況。 從圖9可以得知， 各管長處翅片壁面溫度均隨翅片管頂端進口風速增加而升高。 究其原因為在強制對流條件下由于進口風速增加，翅片管外側(cè)熱流體的換熱系數(shù)增大，對流換熱明顯增強，從而使翅片壁面溫度顯著升高。 當管外進口風速增至2.0m/s， 與自然對流條件相比翅片壁面的平均溫度升高約17K。 其中，管長1 000mm處翅片壁面溫度變化最大，由196K升高至222K，上升了約26K。

空溫式翅片管氣化器在實際工作時由于翅片管內(nèi)冷流體吸收了翅片外側(cè)空氣的熱量，使翅片壁面附近空氣中的水蒸氣極易結(jié)霜。 因此，可采用在空溫式翅片管氣化器頂端安裝風機的方式，通過加強翅片外側(cè)周圍空氣的對流換熱，進而提高翅片壁面的溫度， 達到延緩結(jié)霜時長，提高氣化效率的目的。

圖8 不同對流條件下翅片管內(nèi)冷流體溫度沿管長變化情況

圖9 不同對流條件下翅片壁面溫度沿管長變化情況

4 結(jié)論

4.1 翅片管外側(cè)近壁面處熱流體溫度沿管長軸向自下而上逐漸升高， 溫度等值線分布逐漸稀疏，表面自然對流換熱程度逐漸減弱，翅片壁面受其影響溫度逐漸升高。

4.2 在自然對流條件下， 隨冷流體入口流量增大， 翅片管內(nèi)冷流體溫度變化速率顯著減小，沿管長各處翅片壁面溫度均降低。

4.3 在強制對流條件下，各管長處翅片壁面溫度均隨翅片管頂端進口風速增加而升高，進口風速增至2.0m/s時， 翅片壁面平均溫度與自然對流條件相比升高了約17K。

4.4 若采用減小管內(nèi)冷流體入口流量與增大管外熱流體進口風速相結(jié)合的方法，形成合理的管內(nèi)、外冷熱流體調(diào)控技術可有效提高翅片壁面溫度，為改進空溫式翅片管氣化器延緩結(jié)霜方法提供可靠的理論依據(jù)和關鍵技術支撐。