（制冷及低温工程专业论文）空温式翅片管气化器在低温工况下的传热研究.pdf

硕 j 学位论文 摘要 为了更进一步了解结霜对空温式翅片管气化器性能的影响，本文应用数值模 拟、理论分析和实验等手段，针对翅片管气化器在低温工况下运行过程中的结霜 现象，采用分段模型对介质在翅片管换热器内的吸热气化过程进行传热传质分析。 将管外表面结霜过程从空气侧、低温流体侧建立了动态数学模型，并设计了程序 计算框图。同时，对模型计算过程中使用的主要参数进行了分析和计算。通过实 验，对翅片管气化器的结霜量随时间和空间的变化规律作了总结，拟合了适合本 实验的结霜规律多项式，并对结果进行了分析比较，为工程设计和换热器除霜提 供参考。本文的主要内容如下： ( 1 ) 翅片管气化器管内流动可分为单相液体对流换热、气液两相对流换热、 单相气体对流换热三个区域，即三区模型；针对实验所用的液氩，将介质压力大 于其临界压力的管内流动分为单相液体对流换热、单相气体对流换热两个区，即 二区模型。 ( 2 ) 整理了翅片管表面结霜量、霜层生长速度、管内分区对流换热及传热过 程的数学关系式。 ( 3 ) 利用合作单位的液氩气化站进行了初步实验，获得了一些数据。根据实 验数据拟合了翅片管表面非稳态的结霜厚度和沿管长方向的结霜速度的多项式， 为下一步开展系统、完整实验积累了经验。 ( 4 ) 本文利用相关理论建立的数值模型和实验结果，更准确、全面地揭示低 温工况下换热效率的影响因素以及霜层厚度和管长方向的增长与时间的关系，进 而选用适用性强、准确度高的关联式，为研制开发高效空温式气化器奠定理论基 础，推动气化器朝小型化、高效化方向发展。 关键词：空温式翅片管气化器；低温工况；传热；结霜；数值模拟；实验研究 窄温式翅j t 管气化器n 吖氐温工况下的传热研究 a b s t r a c t i no r d e rt of u r t h e ru n d e r s t a n dt h ei n f l u e n c e so ft h ef r o s t i n go nt h ea i r h e a t e d f i n n e d t u b e v a p o r i z e r ，u s i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a lm e a n s ，f o c u s i n go n t h e f r o s t i n gp h e n o m e n o n o ft h ef i n n e d t u b e a i r t e m p e r a t u r ev a p o r i z e rr u n n i n gi nt h el o w t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ，t h eh e a ta n d m a s s t r a n s f e ra n a l y s i sa b o u tg a s i f i c a t i o np r o c e s so ft h ec r y o g e n i cl i q u i di nt h ef i n n e d t u b e h e a te x c h a n g e ri sm a d eu s i n gd i v i s i o n a lm o d e l ad y n a m i cf r o s t i n gm a t h e m a t i c a l m o d e lo nt h eo u t e rs u r f a c eo ft h ef i n n e d t u b e si sc o n s t r u c t e df r o mt h ea i r s i d ea n d l o w - t e m p e r a t u r ef l u i ds i d e ，a n dt h ec o m p u t e rp r o g r a mg r a p hi sd e s i g n e d t h ea n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o n so ft h em a i np a r a m e t e r su s e di nt h em o d e la r em a d e s o m er e g u l a r p a t t e r n so ff r o s t i n gq u a n t i t yw i t ht h ev a r i a t i o n so ft h et i m ea n ds p a c ea r es u m m a r i z e d v i aap r i m a r ye x p e r i m e n t p o l y n o m i a l so ff r o s t i n gr u l ew h i c h a d a p tt ot h i se x p e r i m e n t a r ef i t t e d ，a n ds o m er e s u l t sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d i tp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt h e e n g i n e e r i n gd e s i g na n dd e f r o s t i n go ff i n n e d - t u b ev a p o r i z e r s t h em a i nc o n t e n to ft h i s p a p e ri sa sf o l l o w s ： f o rt h ef i r s tt i m e ，t h eg a s i f i c a t i o np r o c e s so fac r y o g e n i cm e d i u mi nt h e f i n n e d t u b ev a p o r i z e rc a nb ed i v i d e di n t ot h r e es e c t i o n sb ya d o p t i n gd i v i s i o n a lm o d e l ， s i n g l e p h a s el i q u i dc o n v e c t i o n ，s t e a m - l i q u i dt w o p h a s ec o n v e c t i o na n ds i n g l e p h a s e g a sc o n v e c t i o n t h i se x p e r i m e n ta d o p t sl i q u i da r g o na st h ec r y o g e n i cm e d i u m 。t h e g a s i f i c a t i o np r o c e s si sd i v i d e di n t o t w os e c t i o n s ，s i n g l e p h a s e l i q u i dc o n v e c t i o n ， s i n g l e - p h a s eg a sc o n v e c t i o n ，b e c a u s ew o r k i n gm e d i u mp r e s s u r ei sh i g h e rt h a n i t s c r i t i c a lp r e s s u r e s e c o n d ，s o m ef o r m u l a sa b o u tf r o s t i n gq u a n t i t yo nt h es u r f a c e so ff i n n e d t u b e ， f r o s tg r o w t hr a t e ，h e a tc o n v e c t i o na n dm a s st r a n s f e ri nt h eh e a tt r a n s f e rp i p ea r ea l l s u m m a r i z e d t h i r d ，m a k i n gu s eo ft h eg a s i f i c a t i o ns t a t i o no fc o m p a n y , at e n t a t i v ee x p e r i m e n t s w a sm a d ea n ds o m ed a t aw a so b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a ld a t a ， p o l y n o m i a l so ff r o s t i n g t h i c k n e s sa n df r o s t i n g v e l o c i t ya l o n gt h e d i r e c t i o no f f i n n e d t u b e si nn o n s t e a d y s t a t ec o n d i t i o na r ee s t a b l i s h e d t h e s er e s u l t sa c c u m u l a t e e x p e r i e n c ef o rt h en e x ts t e pt oc a r r yo u ts y s t e m i ce x p e r i m e n t s l a s t ，i nt h i sp a p e r , i n f l u e n c ef a c t o r so nh e a tt r a n s f e rr a t ea n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ef r o s tt h i c k n e s s ，g r o w t hr a t ei nt h ed i r e c t i o no ff i n n e d t u b ea n dt i m ea r ea l lr e v e a l e d m o r ea c c u r a t e l ya n dc o m p r e h e n s i v e l yb ym a t h e m a t i c a lm o d e la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s n 硕l j 学位论文 w h i c ha r ec o n s t r u c t e db yu s i n gr e l e v a n tt h e o r i e s a l lt h e s ea c h i e v e m e n t sw i l lb e n e f i t f o ru st oc h o o s ec o r r e l a t i v ee x p r e s s i o n so fg o o d a d a p t a b i l i t ya n da c c u r a c 5l a y t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm o r ee f f i c i e n ta i r h e a t e d v a p o r i z e r s ，a n dp r o m o t ei t sd e v e l o p m e n tt o w a r d ss m a l l e r , m o r ee f f i c i e n td i r e c t i o n k e yw o r d s ：a i r - h e a t e df i n n e d - t u b ev a p o r i z e r ；l o w t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n ；h e a t t r a n s f e r ；f r o s t i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t a ls t u d y i i i 守温武翅片管气化器确f 氐温t 况下的传热研究 插图索引 图1 1 常见的几种翅片形式2 图1 2 空温式翅片管气化器结构示意图一4 图1 3 翅片管结构图4 图2 1 研究对象结构示意图1 2 图2 2 冷流体流动方向微元划分1 3 图2 3 换热器传热模型1 3 图2 4 传热过程和热阻示意图一1 4 图3 1 结霜模型示意图1 8 图4 1 液氩气化流程图3 0 图4 2 翅片管排列示意图3 0 图4 3 霜层厚度在不同时间沿管长的变化曲线图3 2 图4 4 翅片表面温度在不同时间不同点的变化曲线图3 3 图4 5 一次拟合图3 3 图4 6 斜率为o 3 4 时的曲线3 4 图4 7 模型示意图3 5 图5 1 翅片管结霜总长度随时间的变化3 7 图5 2 斜率b 的模型计算与实验结果比较3 8 图5 3a 点霜层厚度的模型计算值和实验值的比较3 8 图5 4b 点霜层厚度的模型计算值和实验值的比较3 9 图5 5c 点霜层厚度的模型计算值和实验值的比较3 9 图5 6d 点霜层厚度的模型计算值和实验值的比较4 0 图5 7e 点霜层厚度的模型计算值和实验值的比较4 0 图5 8f 点霜层厚度的模型计算值和实验值的比较4 1 图5 9g 点霜层厚度的模型计算值和实验值的比较4 1 i v 硕l ：学位论文 附表索引 表4 1 实验所测霜层厚度数据3 1 表4 2 实验所测温度数据3 1 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 寥 阳咪 日期彳年口歹月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：采也刊朱 别磁轹芦、忉彳 日期：岬年p 歹月椰 日期：刀0 7 年r 月彳日 硕f ：学位论文 第1 章绪论 换热器是一种将热量从热流体传递到冷流体的设备，几乎在所有的工业领域 中都有应用，尤其广泛应用于石油、化工、能源、机械、冶金、交通、电力、动 力、食品及航空航天等领域，如化工生产中的加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器、 再沸器、换热器等。随着工农业的日益发展和人们生活水平的不断提高，能源紧 张已成为世界性重大问题之一。世界各国+ 都纷纷寻找新的能源及节约能源的途径， 而换热器是开发利用和节约能源的有效设备，在传热和余热回收、能源的二次利 用、利用地热、太阳能等方面都离不开换热器，因此换热器的研究倍受重视。且 根据以往的统计，换热器的吨位占整个工艺设备的2 0 ，有的甚至高达3 0 ；在炼 油、化工装置中换热器占总设备数量的4 0 ，占总投资的3 0 - 4 5 n3 ，其重要性可 想而知。 伴随着科技及工业的发展，要求换热设备紧凑、轻巧、高效并小型化，这就 促使人们去研究新型高效换热器阳1 。在研究投入大、人力资源配备充足的情况下， 一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件诞生。随着研究的深入，工业应用 取得了令人瞩目的成就，得到了大量的回报，如板式换热器、t 型翅片管、强化冷 凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热界专家的首肯。社会效益非常显著，大 大缓解了能源的紧张状况，节省了占地面积，节约了金属耗量。 计算机应用的普及大大提高了工作效率，工艺设计水平随之提高，h t f s ，h t r i 软件技术的引进，缩短了国际间传热技术水平的差距。国内像s w 6 ，l a n s y s 强度软 件的强化传热技术已经基本形成自己独特的传热技术软件包并具有开发能力。换 热流程优化软件和物性模型软件的引进使得装置的热强度有了飞跃型的提高。流 程优化软件技术的发展带来了换热器应用的增多。2 0 世纪8 0 年代减压装置的换热 器用量在7 0 台左右，9 0 年代换热器用量达9 0 - 1 0 0 台，9 0 年代末至今已超过1 4 0 台。换热器的大量使用有效地提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。 1 1 课题介绍 1 1 1 翅片管换热器概述 一直以来，各工业部门广泛地应用列管式换热器，随着科学技术的发展，特别 是各行业的迅速发展，一般的列管式换热器则不能满足上述要求，这就促使人们 去研究高效换热器。其中翅片管换热器是人们研究得最多的换热器之一。翅片管 换热器的结构与一般管壳式换热器基本相同，只是用翅片管代替了光管作为传热 面，由于传热加强，结构紧凑，故可做成紧凑式换热器阳。6 3 。换热管是组成各种换 窄温式翅片管气化器在低温t 况下的传热研究 热器的核心元件，其质量的优劣直接影响到换热器的工作性能。翅片管换热器的 基本传热元件为翅片管，翅片管由基管和翅片组合而成。基管通常为圆管，也有 椭圆管和扁平管。翅片的表面结构有平翅片、间断型翅片、波纹翅片和齿型螺旋 翅片n 1 。翅片管分为内翅片和外翅片两种，其中以外翅片管应用最为普遍。外翅片 管一般是用机械加工的方法在光管外表面形成一定高度、一定片距、一定厚度的 翅片。按翅片在基管上的分布方式不同，常用的翅片有横向和纵向两种，其它类 型都是这两类的变形，如大螺旋角翅片管、螺纹管等，前者接近纵向，后者接近 横向。图1 1 所示的是工业上广泛应用的几种翅片形式旧 潦豢豢黎 檄黼丞 图1 1 常见的几种翅片形式 f i g 1 1t y p e so fs e v e r a lc o m m o nf i n n e d - t u b eh e a te x c h a n g e r 翅片管的型式有螺旋翅片管、套装翅片管、滚轧式翅片管、板翅式翅片管， 按制造方法不同可分为整体翅片、焊接翅片和机械连接翅片1 。 ( 1 ) 螺旋翅片管 螺旋翅片管就是把钢带平面垂直于管子轴线，以螺旋线的形式缠绕在管子外 表面上。在形成螺旋翅片时，翅片中性线以内的凹面板缘受到压缩，中性线以外 的凸面板缘则受到拉伸。当凹面内的拉应力达到材料的强度极限时，对厚度较小 的钢带会失去稳定，形成褶皱。翅片根部起褶皱会使根部的翅片平面变得凹凸不 平。如果把这样的管子做热交换器，会有许多不足：凸起部分增加汽流阻力；凹 下去的部分集聚污物，给清洗带来不便。 ( 2 ) 套装翅片 套装翅片管是预先用冲床加工出一批单个的翅片，然后用人工方法或机械方 法，按照一定的翅片间距，靠过盈配合将翅片套装在管子外表面。其工艺简单， 技术要求不高，设备价格低廉，易于维修。 翅片管对质量的要求主要有：一是翅片间距；二是翅片高度；三是翅片和光 管外表面结合的牢固程度，不完全连接的缝越少越好，即热阻要小。一般来讲， 螺旋翅片和套装翅片对前两点都比较容易保证，但第三点却常常出现问题。管子 和翅片之间接触不好，热阻大，影响传热。 。 ( 3 ) 滚轧式翅片管 滚轧式翅片管是一种高效节能传热翅片管( 简称高翅管) ，冷挤压翅片是用厚 2 硕 ：学位论文 壁管连续通过多组挤压辊，经挤压轧制，再变成薄壁管的过程中，多余金属材料 在管子外表面形成翅片的。所轧制翅片的高度一般为l 1 5 m m ；片距一般为2 3 5 m m ；片厚一般为0 2 - - , 0 5 m m 。翅片间距、翅片高度、翅片厚度等可通过调节轧 管机工作状态予以控制，轧出的翅片表面光洁、纹理清晰、节距精确。同时这种 冷挤压加工方式还可以滚轧复合管翅片管。常用的复合管材翅片其基管( 即内套 管) 采用的是碳钢、不锈钢、钛材、铜材等。外管，即挤压翅片的外套管常用铝 管和铜管。滚轧翅片管由于翅片和基管为一整体，不需要进行钎焊，故不存在接 触热阻和出现点腐蚀现象，因而能提高和保持稳定的传热性能和延长翅片管的使 用年限。 ( 4 ) 板翅式 板翅式换热器的结构形式很多，但其结构单元体基本相同，都是由翅片、隔 板、封条和导流片组成，它是在金属平板上放一翅片( 即所谓二次传热面积) ，然 后再在其上放一块金属板，两边以边缘封条密封而组成一个基本单元，上下的两 块金属平板称为隔板。由许多个基本单元组成板翅式换热器的芯体。冷热流体在 相邻的基本单元体的流道中流动，通过翅片及与翅片连成一体的隔板进行热交换。 对各个通道进行不同方式的叠置和排列，钎焊成整体，就可以得到逆流、错流、 错逆流板翅式换热器板束。翅片除承担主要的传热任务外，还起着两隔板之间的 加强作用。所以尽管翅片和隔板材料都很薄，但它的强度很高，故能承受较高压 力。 板翅式换热器具有以下优点：传热效率高；结构紧凑；轻巧而牢固；适应性 大；经济性好。缺点是：翅片间距较小，易堵塞，且堵塞后不易清洗，使得阻力 大大增加，如果不对其进行除垢，会影响系统的安全稳定运行。 换热器翅片管材料范围很广，应根据换热器的用途和操作条件等不同而选择， 目前常用的材料有铝、铝合金、铜、黄铜、镍、钛、钢、因康镍合金等，其中以 铝和铝合金用的最多，有时还采用双金属翅片以节约贵重金属。对于翅片管母材 的基本要求是有较好的钎焊性和成型，较高的机械强度及良好的耐腐蚀性和导热 性。铝和铝合金不仅满足了这些要求，而且具有延展性和抗拉强度随温度的降低 而提高的特性，所以在世界各国的紧凑式换热器中，特别是在低温的紧凑式换热 器中，已经获得了最为广泛的应用。此外，铜和铝在低温下仍能保持良好的机械 性能，而一般的钢材在低温下会产生脆性，空分设备中的大部分换热器都在低温 下工作，这也是为什么多数空分中的换热器采用铝材或铜材的原因之一。从价格 来说，铝及其合金比铜便宜，所以在大型空分设备中的换热器又以铝材为主。由 于翅片管应用广、材料和制造方法多样，工业发达国家都已标准化、系列化，并 有专门的研究机构和制造厂。 翅片管的优点主要是u 叫： 3 r t a h * 气化器“，“温mr 传热 f 究 ( 1 ) 传热能力强。翅片管。j 光管相比，传热而静：可增大2 10 倍，1 热系数可 提两1 2 倍。 ( 2j 结构紧凑。翅苷r 单位体髟i 传热面加大，传热能力增强，同样热负荷 r 与光钙柏比，翘片管换热器竹r 少。壳体直径或商度叫减小，i m 结构紧；奏儿 便r 巾置。 ( 3 ) 用料范围j 、。盍! j 片管的材料范田很广，肯碳钢、不锈钢、锅及钭合余、制， 铁、冈康镍含会等，有时还采用双金属翅以竹约贵金属同时义能适应时腐蚀性 希i 低温_ l _ 作环境等工艺要求。 ( 4 ) 翅片管的另个特性是结垢减轻。翅片管小会像光管那样沿到剧或轴向结 成均匀的整体垢层，沿翅片和管子表面结成的污垢在胀缩作用f ，会在翅根处断 裂，促使硬垢自彳j _ 脱落，这样就有利r 长时，i 】保持较高的传热忖! 能。 ( 5 ) 对十相变换热，可使换热系数或临界热流密度及“毖化肯汽量”提高。 翅片管的主要缺点是造价高平| 流阻太。例如空冷器的翅片管于工艺复杂， 其造价达设备费用的3 06 0 。 11 2 本课题研究的空温式翅片管气化器简介 日的国内外常采用的低温液体气化方法有几种，根据热源的不同，气化叮分 为两大类：一类使用自然热源如：窄汽、海水；月一娄使用人工热源如：燃汽、 电。常j = 目的气化器有空温式( 如图l2 ) 与水浴式两大类，毗卒温式为主。空温式 翅片管气化器利_ j 大气环境中白然对流的空气作为热源，通过导热性能息好的钒 材挤压成星形翅片管与低温液体进仃热交换并使其气化成定温度的气体，无需 额外动力和能源消耗，所以广泛丌 f 液态氧、氯、缸、二氧化碳、l n g 等气化灌装 以及自增压气化器等低温领域”川。兑主要优点往于：无能耗、无污染、绿色环 保、安全简便、维护方便、运行成本低，使不受条件限制。缺点是传热系数小、 体积大、重量大、设备费用商。 1 1i 【m 豫 幽12 空温式翅片管气化器结构示意图 f i g i2s k e t c ho fa irw ar m e df i n n e d t u b eh e a te x c h a n g e 图13 翅片管结构图 f i g 13s t r u c t ur eo ff i n n e dt u b e 硕 j 学位论文 翅片管采用热效率极高的特种铝合金，高压气化器芯管采用高强度的特殊不 锈钢管，芯管与翅片管间高压胀接紧密。在能源日益短缺和国内提倡创建节约型 社会的大背景下，空温式翅片管气化器以其节能、环保的优势在低温液体气化领 域的前景是显而易见的。但是，就目前情况来看，空温式翅片管气化器国内应用 率相对于其他形式的气化器来说还是比较低的，究其原因，一方面是因为它对许 多用户来说还是“新鲜物”；另一方面是因为受环境气候的影响较大，北方城市冬 季气温较低，一般在- 1 5 2 0 ，使用空温式气化器，冬季容易结霜，进而降低传 热效果，严重时气化器出口气体温度偏低不能满足要求，还有可能因出口温度小 于o c 而影响生产；第三方面是空温式气化器表面结霜后，降低传热效果，严重的 情况下需要停机除霜，迫使装置间断运行，或设置备用装置，交替运行，这就增 加了设备成本。因此，如何解决这一现实问题是众多研究者关心的焦点n 争川。 1 1 3 课题研究的意义 空温式翅片管气化器在低温工况下工作，管内低温液体吸收管壁的热量使气 化器表面温度降低，当湿空气流经气化器冷表面时，空气中的水蒸汽就会在冷表 面结霜，形成霜层。结霜是翅片管气化器应用中经常遇到的问题，尤其在制冷及 低温领域结霜面积可达气化器面积的6 0 - 8 5 。由于结霜后会对翅片管气化器的 传热效率造成比较大的影响，所以国内外的一些学者投入了大量的时间与精力对 其进行了研究，总体来说，对翅片管气化器结霜问题的研究内容主要包括以下几 方面：霜生长及物性的研究引；结霜过程传热传质的数值研究；结霜对气化器性 能的影响n9 2 们；气化器除霜比1 2 引。霜的物性参数中两个重要的参数是导热系数和 霜密度，国外从上世纪三十年代以来对这两个参数在不同时期不同工况下的关系 得出的形式各不相同。它们的共同特点是仅适合于各自的实验工况，从实验条件 来看，还没有见到在深冷环境下得出实验结果的报道。霜的生长的研究主要集中 在壁面温度、空气温度、空气流速( 雷诺数) 、空气湿度、气化器表面位置等结霜 影响因素上。给出的霜生长的研究均限于热泵工况，虽然分析了霜生长的主要影 响因素，但是在一5 以下关于表面温度对霜的影响还没有明确的结论。最近几年 对气化器结霜特性的研究已经转为利用数学模型求解的方向，根据传热传质过程 基本理论和相关的经验公式建立数学模型来研究霜的物性参数。结霜过程本身就 是一个很复杂、涉及诸多变量因素的过程，所以进行相关的数理分析都要经过一 些近似性的假设，通过排除一些不定性的因素后建立相关的数理模型，然后再进 行计算。这就导致了计算结果的理想化，不真实化，使得研究结果过于理想，对 翅片管气化器生产、改进方面的指导意义发挥不出来。因此，在今后的研究当中， 如何解决这方面所产生的误差性将会是翅片管结霜研究的一个重要课题。结霜对 气化器性能的影响方面，目前的研究大体分为两方面：一是改变进风量，环境含 5 窄温式翅j i 管气化器n ：低温t 况下的传热研究 湿量等环境变量后，对气化器换热系数进行分析，最后进行对比分析得出相关研 究结果，其中包括对霜的厚度，密度等方面的分析。二是改变气化器自身的一些 参数数值( 如翅片半径、厚度、面积以及盘管面积等) ，对其进行对比研究，然后 得出最优化设计方案。总体来说，结霜对气化器性能的影响目前仍停留在通过一 些实验结果来寻找一般规律。在深冷工况下的研究也比较少，有待进一步研究。 有关气化器除霜方面的研究乜3 1 ，特别是针对翅片管气化器方面的除霜并不多，且 大多局限在热泵工况下的除霜。目前国内有关这方面的研究大多是围绕如何改善 气化器的表面状况来达到较佳的除霜效果，而很少从结霜状况着手及其对气化器 的影响来研究除霜。因而对于研究扩展表面换热设备在深冷工况下的结霜与除霜 有重要的现实意义和必要性。 国内关于翅片管气化器的研究很多，但这些研究几乎都是针对简单的几何平 面乜l 矧，而且是实验性的。对于星型翅片管在低温工况下的研究很少，实际应用 的时候只是在经验的基础上做相应的估算和调整。随着制冷、低温及航空航天技 术的发展，一些单位正在做多方面的工作，进行相关研究，但是由于技术本身的 复杂性，目前仍没有取得令人满意的结果。 随着工农业的日益发展和人们生活水平的不断提高，能源紧张已成为世界性 重大问题之一。世界各国都纷纷寻找新的能源及节约能源的途径，而空温式气化 器是开发利用和节约能源的有效设备。除去在其他深冷液体气化中的广泛应用， 单就液化天然气这一项就有着巨大的市场需求。每生产1 吨l n g 的动力及公用设施 耗电量约为8 5 0 k w h 。在l n g 接收站，一般又需将l n g 通过气化器气化后才能供用 户使用，而气化时放出大量的冷能，其值大约为8 3 0 k j k g ( 包括液态天然气的气化 潜热和气态天然气从储存温度复温到环境温度的显热) 。这部分冷能如果以另外 一种形式的能量来补充，就造成了能源的浪费。据报道，2 0 1 2 年全球天然气贸易量 将达2 3 5x1 0 8 吨，2 0 1 5 年天然气利用率将超过煤炭，成为排在石油之后的第二大 消费燃料乜6 1 。而这些天然气在投入应用之前首先要从- 1 6 2 气化，气化要吸收巨 大的热量，此时空温式气化器则可以利用自然界的免费的能量来满足生产需求， 其创造的经济效益是非常巨大的。其次，科学设计的翅片管气化器在满足使用要 求的前提下，尽可能地缩小换热面积，减少占地面积，而且节省金属材料，降低 成本，所带来的实际效益也是不容忽视的。 同时，由于空温式气化器在工作过程中和大自然交换热量，不会对环境造成 任何的安全隐患，不会对生态造成破坏，因此是一种值得大力提倡的高效的环保 节能型换热设备。所以空温式深冷翅片管气化器的研究将对国民经济和国防工业 的各领域发挥重要作用，该设备的研究将直接推动我国相关领域的快速发展，经 济和社会效益是显著的，应该得到重视。 本课题属于科研课题，主要是从传热学、热力学和流体力学的角度来对空温 6 硕上学位论文 式翅片管气化器在低温工况下的传热特性进行分析研究，并利用计算机模拟分析。 具体是将管内对流换热和翅片管外表面结霜结合起来考虑，采用软件进行数值模 拟，深入分析结霜空温式翅片管气化器的传热机理。在此基础上，简化传热模型， 使其更接近于实际状况，便于工程应用。虽然行业对翅片管的传热机理已经做过 不少研究工作，但对空温式翅片管气化器的专门研究尚少，因而此课题的研究是 项非常有价值的、对实际工程应用具有指导性的重要工作。 1 1 4 课题研究的内容 空温式翅片管气化器在低温工况下的运行过程中，传热效果有多种影响因素 共同作用，如翅片管型式、管子排列方式、翅片表面结霜、空气流动速度、污垢 热阻等。除去客观因素之外，其中尤其翅片表面结霜对传热系数的影响较为严重。 本文以提高低温工况下翅片管气化器的传热系数进而为对翅片管气化器进行优化 设计作参考为目的，对低温工况下的翅片管气化器进行了以下的分析研究： ( 1 ) 将翅片管气化器管内的低温液体的气化过程分为三相区，即低温液体区， 汽液两相区和气相区。本文选定的空温式翅片管气化器为高压液氩气化器，液氩 进口温度为- 1 8 6 ，工作压力为1 6 5 m p a 。所以，液氩在翅片管内吸热经液相、气 相两种相变过程，不考虑气液两相区气化阶段。 ( 2 ) 利用计算机建立星形翅片管模型。以气液两相流动和传热传质理论为基 础，从基本的守恒方程出发，建立气化器分区分布参数模型。在对气化器模型进 行合理简化的基础之上，除了考虑管内介质侧的状态之外，还考虑空气侧的状态， 并作为重要的换热条件。 ( 3 ) 通过实验，从实验角度研究结霜的一般规律。拟合霜层沿管长方向的增长 速度和厚度的增长速度公式，建立模型。为翅片管换热器的性能优化指明方向。 ( 4 ) 将模拟结果和实验数据进行对比分析，得出结论。 1 2 课题研究方法及分析工具 为了得到符合工程实际的结果，研究者们往往花费大量的时间和精力来选择 合适的研究方法。在自然学科领域，研究方法大体可以分为理论分析、现场和实 验室测定以及数值模拟等。为了保证研究结果的正确性和科学性，往往需要将由 各种方法所得到的结果进行对比分析、相互验证，以确定结果的精确性。本研究 将以流体力学、工程热力学、传热学、计算流体力学和数值模拟等相关理论作为 理论研究基础，采用理论分析、现场和实验室测定以及数值模拟相结合的方法进 行研究，充分利用现场和实验室测定的结果修正、验证和完善理论分析，修正数 值模拟模型，以达到尽量符合实际的研究结果。 7 窄温式翅片管气化器n ! 低温t 况下的传热研究 1 3 文献综述 1 3 1 翅片管换热器的研究现状 2 0 世纪7 0 年代能源危机爆发以来，对传统换热器设备强化研究逐渐兴起，并主 要集中在两大方向上。一是开发新的换热器品种，如板式、螺旋板式、振动盘管式、 板翅式等等，这些换热器设计思想都是尽可能地提高换热效率；二是对传统的管壳 式换热器采取强化措施。具体说来，就是用各种异型管取代原来的光管。先后涌现 出针翅管、波纹管、旋流管等管形类。通过改变传热面积强化传热的有：横槽管、 螺旋槽管( s 管) 和缩放管，还有新近由瑞士的a 1 l a r e s 公司开发、由布朗公司改 进的麻花管。用于有相变强化传热的强化沸腾传热管有：烧结、多孔表面管、机 械加工的多孔表面管( 如日本t h e m o e x c e l e 管) 、电腐蚀加工的多孔表面管、t 型翅 片管、e c r 4 0 管和t u b e b 型管。俄罗斯也开发出一种称之为”变形翅片管”的传热管， 可用于空分装置的冷凝一蒸发器。截面管也是近年来国外研究开发的强化传热元 件，可分为蛋形管、豆状管和菱形管，统称为异形管心7 2 引。以上各种异型管其换 热效率较光管一般提高4 0 - - 8 0 ，而且已在不同场合得到应用，达到了非常好 的效果。 各式换热器的设计思想各有新颖之处，结构上各具特色。有的在于强化管内 传热，有的着眼于壳程强化传热，有的改进了管箱设计，有的着重防止管板诱导 振动，有的紧凑了设备结构，有的在于防腐防垢。总之，这些技术成果为各国国 民经济的快速发展，为中国的炼油、化工业的发展起了巨大的推动作用。 1 3 2 结霜的研究现状 当湿空气流经温度低于o c 的冷表面时，水蒸汽就会在冷表面形成霜层。结霜 是换热器应用中经常遇到的问题，尤其在制冷及低温领域结霜对换热器的换热效 果影响较大，一方面霜层在换热器表面的沉积增加了冷壁面与空气间的导热热阻， 恶化了传热效果。同时，霜层的增长产生的阻塞作用大大增加了空气流过换热器 的阻力，使蒸发器的换热量大大的减少。由于成霜后会对换热器的传热效率造成 比较大的影响，所以国内外的一些学者投入了大量的时间与精力对其进行了研究， 总体来说，目前对换热器结霜问题的研究主要包括以下几方面：霜生长及物性的研 究；结霜过程传热传质的数值研究；结霜对换热器性能的影响；换热器除霜。 ( 1 ) 霜生长及其物性研究 霜的生长是一个动态过程，其中霜厚度、霜增长率，以及霜表面温度等参数 都是随时间不断变化的。影响霜生长的主要变量是：壁面温度、空气温度、空气 流速( 或雷诺数) 、换热器的表面位置。几乎所有的学者都认为霜层厚度随壁温 的降低而增加，随空气湿度的增大而增大。0 n e a l 认为空气温度对霜的生长影响 8 硕i ：学位论文 不大，而在0 以下关于空气温度对霜生长的影响各位学者的结论并不一致。在空 气流速或雷诺数对霜的生长的影响方面学者们的意见也不一致。s c h n e i d e r 认为霜 层的生长与雷诺数无关；h o s o d a 、y a i f i a k a w a 所得的数据显示与雷诺数有关；0 n e a l 认为，当大于某一临界雷诺数时，霜的生长与雷诺数几乎没有关系；当小于某一 临界雷诺数时，霜的生长随雷诺数的增大而增大，可见这方面还没有一个完全一 致的定论，特别是空气温度小于一5 时的低温条件下，还没有这方面的数据堙9 3 引。 另一个影响霜生长的潜在因素一换热器的表位置，资料表明换热器前几排管子的 结霜较严重，而后几排管子的结霜相对较轻n 。当霜在冷表面上形成时，霜的密 度和导热系数同时变化，通常，其中一个参数的变化能够反应另一个参数的变化， 密度越大霜的导热系数也相应增大口副。 ( 2 ) 结霜过程传热传质的数值研究 最近几年对换热器结霜特性的研究已经转为利用数学模型求解的方向，根据 传热传质过程基本理论和相关的经验公式建立数学模型来研究霜的物性参数。结 霜过程本身就是一个很复杂、涉及诸多变量因素的过程，所以进行相关的数理分 析都要经过一些近似性的假设，通过排除一些不定性的因素后建立相关的数理模 型，然后再进行计算。这就导致了计算结果的理想化，不真实化，使得研究结果 过于理想，对翅片管换热器生产、改进方面的指导意义发挥不出来。因此，在今 后的研究当中，如何解决这方面所产生的误差性将会是翅片管结霜研究的一个重 要课题。 ( 3 ) 结霜对换热器性能的影响口3 3 钔 低温工况下翅片管换热器表面结霜面积达到总换热面积的6 0 - - 8 5 ，可想而 知，结霜对换热效果的影响程度。对于翅片管换热器结霜条件下的性能，国内外 学者进行了一些实验和理论研究，r i t e 和c r a w f o r d 口副研究了不同环境参数对霜层 形成的影响，得出结霜速度会随着空气流速和相对湿度的增加而增加的结论。 t h o m a s 口引等采用激光扫描技术测量了霜层厚度和翅片上霜层的分布。在仿真模拟 中，大多数研究是从集中参数模型出发的，即，不考虑换热器翅片间距、管排布 置的变化，也不考虑结霜量和结霜厚度的沿程变化，将换热器作为一个整体对待， 计算总体的换热性能和结霜性能，因而计算结果仅适用于特定的换热器，不具有 通用性。t s o k a o 等考虑了霜层厚度沿空气流向的变化建立了分布参数模型，但是 模型没有考虑换热器的结构变化。d o n g 等对翅片管换热器结霜建立了动态模型， 考虑了湿空气沿程的状态变化并进行了实验验证。姚杨等也建立了空气源热泵换 热器空气侧结霜条件下的分布参数模型，耦合了换热器和霜层子模型，分享考虑 了管内流体以及管外空气传热与传质，模型有一定的精确性。 结霜对换热器的影响主要是对翅片效率、总传热系数、压力损失、表面粗糙度 等的影响引。翅片效率随霜层厚度的增大而增大，这个结果可以理解为由于翅片 9 窄温式翅片管气化器在低温t 况下的传热研究 温度分布因霜的隔热而均匀化造成的。现有许多有霜肋片效率的模型一般是在干 肋片效率的基础上修改得出的，结霜对肋片效率影响的研究工作还很不充分。总 的传热系数在结霜初期由于表面粗糙度增大，引起传热面积增大，同时气流速度 也增大。最终总传热系数减小，因为霜层增厚，热阻增大，总传热系数减小。结霜 减小了翅片间空气流通的面积，增加了表面粗糙度，这可以认为是产生压力降的 主要原因。由于霜的形成受到环境干湿球温度、风量、换热器结构参数等多种变 化因素的影响，在工程设计中往往采用简单的经验方法来评估和考虑霜的影响。 因此，对霜的形成规律和霜的形成对换热器性能乃至整个制冷系统性能的影响进 行分析，并建立有效的计算模型是极为必要的。总体来说，结霜对换热器性能的 影响目前仍停留在通过一些实验结果来寻找一般规律。由于各实验者的实验条件 不一样，故仅只能定性的比较其变化规律，有些地方甚至出现不一致的地方。而 对于在低温工况下翅片的结霜情况的研究还很少，仍有待进一步研究。 ( 4 ) 换热器除霜 除霜一般分为四个阶段：除霜启动、融霜、排霜及除霜终止并恢复。当前制 冷系统和热泵系统中常用的除霜方法有不加热除霜、加热除霜9 1 。h o w e lln 叫通过 计算机来模拟户外空气热泵盘管何时除霜最经济时提出了四个依据：根据压缩 机的运行时间来决定除霜。根据经过盘管的空气阻力。根据空气与冷流体之