套管結構對翅片管氣化器結霜特性的影響

董 超 陳叔平 朱 鳴 金樹峰 吳宗禮

(1 蘭州理工大學石油化工學院 蘭州 730050；2 中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

液化天然氣(LNG)在世界能源中扮演著越來越重要的角色，空溫式氣化器由于低能耗、低成本而被廣泛應用于LNG氣化[1]。LNG在翅片管內流動，直接從周圍空氣中吸收熱量氣化，在此過程中，由于低溫介質傳熱會使翅片管表面出現結霜并生長的現象。設備結霜后，會產生很多危害，如降低傳熱性能、堵塞氣體通道、增加阻力和能耗，因此充分了解結霜機理，研究霜層的生長規律，尋找有效延緩甚至抑制結霜的方法對工業生產和生活至關重要。

國內外主要從結霜機理、除霜方法等方面進行研究。D.L.O′Neal等[2-3]的霜層傳熱傳質方程為建立結霜模型奠定了基礎。R.Yun等[4-5]通過模擬與實驗研究發現熱流量先升高后降低，霜晶最初階段的生長會改變換熱表面粗糙度，等效于翅片結構增強換熱，在后期階段，霜晶逐漸累積為霜層，增加傳熱熱阻，影響傳熱效率。Sun Biao等[6]在不考慮低溫液體相變的情況下，對翅片管在超臨界條件下的傳熱過程進行數值模擬并提出了增大環境空氣流速可以提高傳熱性能。K.Kim等[7-8]分析了翅片管尺寸、空氣溫度和相對濕度、空氣流速對空溫式翅片管氣化器結霜和傳熱性能的影響，發現霜層增長造成的氣流通道阻塞會影響換熱器的傳熱性能，這種阻塞的最大值用于空溫式翅片管氣化器的設計。謝福林等[9]研究了平片、波紋片、條縫片3種翅片的換熱性能，研究表明波紋片換熱性能最佳，對結霜的抑制作用最強。盛偉等[10]研究發現濕空氣含濕量及氣流速度是影響換熱器結霜的主要因素。Ma Qiang等[11]實驗記錄了霜層的生長過程，測量了霜層厚度和霜層質量，結果表明在較高的相變驅動力和水汽質量流量下，霜層厚度隨時間的增加而增加，霜層增長較快。馬燕等[12]實驗發現換熱器的霜層厚度和結霜量隨載冷劑流量及相對濕度的增大而增長。王明秋等[13]分析了翅片表面結霜特性及氣流溫度、相對濕度沿翅片管軸向變化規律。

本文在本團隊現有研究基礎上，引入套管結構，通過套管管徑變化[14]來改變低溫介質流量配比，研究套管結構對翅片管氣化器結霜特性的影響，為翅片管氣化器改造和優化，提高傳熱效率，減少能源損耗，提高經濟效益提供基礎數據。

1 套管結構

1.1 傳熱過程

套管結構空溫式翅片管氣化器傳熱管結構如圖1所示。選用液氮作為低溫介質，下部為含套管結構預熱段和氣化段，上部為單管結構加熱段[15]。

圖1 空溫式翅片管氣化器傳熱管結構

1)預熱段

液氮(LN2)經翅片管(fin)底部分別進入環狀間隙(套管與翅片管間隙)和套管(tube)。翅片管外熱量經翅片管表面傳至環狀間隙，并迅速加熱氣化。套管內LN2通過環狀間隙已氣化的N2對其預熱至泡點溫度，傳熱過程如圖2所示(圖中：Q為熱量，kJ；in、out分別為內側和外側。)。

圖2 預熱段傳熱過程

2)氣化段

套管內LN2預熱至泡點溫度后，被環狀間隙內N2繼續加熱，開始氣化為N2，傳熱過程如圖3所示。

圖3 氣化段傳熱過程

3)加熱段

套管內氣化結束后，環狀間隙和套管N2混合后進入加熱段。加熱段的作用是將氣化的液氮加熱至出口設計溫度，傳熱過程如圖4所示。

圖4 加熱段傳熱過程

1.2 結霜機理

翅片表面溫度、空氣濕度及流速是導致結霜的重要因素。空溫式翅片管氣化器通過吸收周圍環境熱量加熱管內低溫流體，管內低溫流體吸收管壁熱量導致翅片表面溫度持續降低，根據圖5當空氣中的水蒸氣溫度低于273.16 K，分壓低于0.611 kPa且大于飽和分壓(OA線)時，水蒸氣直接凝華為固態冰晶。因此，當空氣中的水蒸氣不斷向氣化器表面流動時水蒸氣相變為固態冰晶，大量積聚后凝結成霜晶顆粒，并繼續生長不斷累積形成霜層。

圖5 水的三相圖

2 實驗及數據處理

2.1 實驗原理及裝置

實驗裝置如圖6所示，由供液系統、氣化系統、數據采集系統3部分組成。供液系統負責為翅片管氣化器提供恒定流量的低溫介質，實驗選用液氮作為低溫介質；氣化系統負責將低溫液體完全氣化并將其排放至室外；數據采集系統負責采集翅片管進、出口處的介質溫度、翅片壁面溫度、霜層厚度、氣體流量及翅片管周圍濕空氣溫濕度等參數。圖7所示為單根翅片管幾何結構，實驗設備及環境參數如表1所示。

表1 實驗設備參數

圖6 實驗裝置

實驗采用手持式氣象站測量空氣相對溫濕度，熱敏風速儀測量空氣流速。為確保霜層厚度讀數的準確性，在翅片表面對稱安置五對經校準的毫米級鋁制L型刻度條，并在同一點處用鋁箔膠帶粘置溫度測點，布置方式如圖7所示。

圖7 單根翅片管幾何結構

2.2 實驗步驟

空溫式翅片管氣化器實際使用時處在大氣環境中，周圍空氣流速、濕度等環境因素會對翅片表面結霜產生影響，同時管內流體流量也會帶來影響。改變套管尺寸及入口流量，設計12組實驗，對無套管、套管內徑為6、8、10 mm時，分別設置流量為2.5、3.5、4.5 g/s的實驗工況。實驗步驟如下：

圖8 測點分布

1)實驗開始前，連接管路和實驗儀器，用乙醇溶液擦拭翅片表面，調試數據采集系統并檢查管路氣密性；

2)打開低溫儲罐排液閥，根據氣體流量計讀數調節排液閥開度以達到實驗工況參數；

3)開啟溫度、流量、壓力等數據采集儀器，實時記錄數據，用高清攝像機捕獲翅片表面各測點的霜層厚度；

4)實驗結束后關閉所有閥門，將翅片管表面及管路霜層烘干，待氣化器表面完全干燥且實驗設備恢復至室溫后方可進行下組實驗。

2.3 霜層厚度數據處理

預標定：實驗開始前，在刻度條結霜位置拍照換算照片像素與物理尺寸的關系，并固定相機位置。

圖片處理：采用Image J 軟件[16]對實驗所拍攝的翅片管結霜過程圖片進行灰度化處理，并通過Get Data軟件將處理后的霜層圖片建立笛卡爾坐標系讀取霜層厚度。

3 實驗結果與分析

3.1 套管結構對表面霜層生長的影響

實驗過程中，翅片管入口端(測點A)表面溫度較低，霜層較厚但結構疏松，周圍水蒸氣受重力作用向下產生沖刷現象，導致該處霜層易脫落；由于給定入口流量較小，測點C、D、E處表面溫度較高，翅片表面霜層厚度較薄，不易于觀測；測點B較完整地呈現了霜層形貌，故對測點B(自下而上管長為250 mm處)霜層生長特性進行分析。

各套管霜層生長形貌如圖9所示。由圖9可知，隨著時間的推移，霜層厚度逐漸增加，不同工況下，霜層厚度存在差異，對比圖中形貌觀察到，同一測點經歷相同時間，霜層厚度的關系為：無套管>Φ10 mm套管>Φ8 mm套管>Φ6 mm套管。因此相比無套管翅片管氣化器，套管結構的霜層較薄，且套管直徑越小，霜層越薄。

圖9 各套管霜層生長形貌

結霜過程主要取決于冷面溫度，翅片表面溫度變化如圖10所示。由圖10可知，各測點溫度在進行一段時間后均保持相對穩定的狀態，測點A變化幅度較大，在50 min時變化速率顯著降低并趨于平緩，即溫度開始保持在相對穩定狀態，對應無套管、Φ6 mm套管、Φ8 mm套管、Φ10 mm套管的溫度分別為147、155、150、149 K，判斷該處為管內單液相對流換熱。測點B在50 min由初始溫度分別降至200、220、212、207 K，比測點A下降緩慢。測點C溫度下降趨勢比測點B更平緩，翅片管內仍為濕蒸氣。測點D、測點E溫度變化趨于一致且保持穩定，認為管內流體已為蒸氣，達到干飽和蒸氣狀態。翅片管進口端(測點A)溫度變化幅度最大，而出口端(測點E)初始有一定下降，隨后幾乎保持不變，溫度變化最小；在同測點處，套管結構對溫度的影響較顯著，溫度關系為：無套管>Φ10 mm套管>Φ8 mm套管>Φ6 mm套管。

圖10 翅片表面溫度變化

大氣環境濕空氣與翅片表面間存在溫差，濕空氣中的水蒸氣遇到冷翅片表面會首先凝結成霜晶顆粒，霜晶迅速生長并累積形成霜層。翅片表面霜層厚度變化如圖11所示，由圖11可知，同測點處相比無套管結構，套管結構開始結晶的時間均出現滯后，且隨套管管徑的減小，滯后的時間延長，翅片管壁各測點霜層厚度在40 min內均大幅增長，這是由于霜晶沿著翅片表面垂直方向線性生長，使冷表面濕空氣溫度逐漸降低，導致氣流方向過飽和濕空氣溫度降低，相變驅動力增大，同時霜層疏松的形態增大傳熱面積，提高換熱性能，使霜層保持較高的生長率。40～60 min增長率逐漸減小，這是由于隨著霜層厚度增加外側濕空氣傳熱熱阻升高，同時較厚的霜層嚴重阻塞了翅片間的氣流通道，導致翅片管換熱量和表面傳熱系數降低，減緩了結霜速率。對比3種套管，使用Φ6 mm套管霜層較薄，說明延緩霜層生長的效果較好。

圖11 翅片表面霜層厚度變化

管內出口溫度隨時間的變化如圖12所示。由圖12可知，翅片管內出口溫度隨時間的變化均呈下降趨勢，實驗開始時溫度下降劇烈，30 min后溫度趨于穩定，分別趨于193、205、200、199 K。這是由于初始階段翅片自身溫度較高，但被快速冷卻，一段時間后，翅片表面結霜，傳熱熱阻增大，翅片管傳熱效率降低，管內吸收熱量減少，翅片表面溫度冷卻達到穩定值。

圖12 管內出口溫度隨時間的變化

3.2 入口流量對表面霜層生長的影響

翅片管氣化器入口流量分別為2.5、3.5、4.5 g/s條件下管長為250 mm處60 min時表面霜層厚度形貌如圖13所示。在不同入口流量下，無套管結構在60 min內霜層厚度均大于含套管結構的霜層厚度，隨著套管管徑減小，霜層厚度減小；隨著入口流量增大，霜層厚度均升高。

圖13 不同入口流量測點B表面霜層形貌

入口流量對套管結構翅片管表面溫度的影響如圖14所示。入口流量增大，各測點溫度均降低，且降幅也增大。60 min時各組溫度數據如表2所示，在同測點同一流量時，始終存在溫度關系：Φ6 mm套管>Φ8 mm套管>Φ10 mm套管>無套管。

表2 60 min測點溫度

圖14 各測點溫度變化

測點B、測點D霜層厚度如圖15所示。由圖15可知，隨著流量增大，測點B、測點D出現霜晶的時間提前，這是由于入口流量增大，翅片表面溫度降幅增大，相變驅動力增大，翅片表面結霜加快。對比分析可知無套管結構霜層生長厚度顯著高于套管結構，且套管管徑越大，霜層越厚。

圖15 測點B、測點D霜層厚度

不同入口流量出口溫度隨時間的變化如圖16所示。由圖16可知，隨著入口流量增大，出口溫度均顯著降低，這是由于入口流量增大，冷流體流至出口時間減少，與翅片管壁接觸吸收熱量減少，出口溫度下降速率增大。達到穩定狀態時的溫度如表3所示，溫度關系仍為：Φ6 mm套管>Φ8 mm套管>Φ10 mm套管>無套管。

圖16 不同入口流量出口溫度隨時間的變化

表3 翅片管內流體出口溫度

4 結論

本文實驗研究了套管結構對翅片管氣化器結霜特性的影響，通過對比不同套管內徑(Φ6、Φ8、Φ10 mm)及入口流量對表面霜層生長的影響，得到如下結論：

1)各測點處霜層厚度雖不同，但結霜生長規律保持一致。實驗初期，預冷階段翅片表面出現一層很薄的霜晶；實驗中期，霜晶迅速生長，增幅較大；實驗后期，霜層生長緩慢，氣流逐漸接近濕飽和狀態，翅片管表面溫度趨于穩定。

2)在相同的入口流量下，套管結構能夠有效延緩霜層生長，且在3種規格套管中，Φ6 mm套管延緩霜層生長的效果較好。

3)增大翅片管入口流量會縮短管內冷流體流至出口端的時間，翅片表面溫度降幅大，相變驅動力大，為霜層生長提供條件，加劇霜層生長。3種規格套管在入口流量相同時，Φ6 mm套管流體出口溫度最高，且翅片管表面各測點溫度關系為：Φ6 mm套管>Φ8 mm套管>Φ10 mm套管>無套管。合理降低低溫介質入口流量，可有效延緩翅片管氣化器翅片表面結霜。