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(xué)石油化工學(xué)院）

近年來，隨著我國生態(tài)環(huán)境問題和能源供需關(guān)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(shè)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(shí)際應(yīng)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(shè)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(jìn)行停機(jī)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(xué)者和機(jī)構(gòu)從優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［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(shè)蓄熱器［6］等途徑入手，對抑制結(jié)霜、除霜控制等方面進(jìn)行了積極有益的研究。 同時，利用強(qiáng)制吹風(fēng)改變翅片管周圍熱流體特性進(jìn)而延緩結(jié)霜的技術(shù)，目前已在國內(nèi)外個別場合有良好的應(yīng)用效果， 如Cryoquip公司作為全球最大的氣化器設(shè)計(jì)、制造商，近年來研發(fā)了風(fēng)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(fēng)扇以增強(qiáng)空氣對流傳熱效果，延緩其表面的結(jié)霜現(xiàn)象，提高了設(shè)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(jì)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(qiáng)制對流條件下管外進(jìn)口風(fēng)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(dǎo)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(jìn)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(jì)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(jì)算范圍，通過邊界條件中symmetry（對稱） 設(shè)定選取整體幾何模型的1/8進(jìn)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(dāng)加密。 計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)目約為150萬， 經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證可滿足計(jì)算準(zhǔn)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(diǎn)，其中a、c點(diǎn)分別位于冷流體區(qū)域和翅片壁面的中心處；b點(diǎn)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(jì)算模型

根據(jù)空溫式翅片管氣化器的工作原理，為準(zhǔn)確預(yù)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(jìn)行模擬計(jì)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(guān)系， 通過編譯UDF將能量變化和質(zhì)量變化作為源項(xiàng)分別導(dǎo)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(jì)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(xiàn)［9］可得；

hlg——冷流體的汽化潛熱，由文獻(xiàn)［10］可得；

mlg——?dú)怏w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(xiàn)［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(jì)算方法

2.1 基本假設(shè)

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(qiáng)制對流和翅片管內(nèi)冷流體沸騰相變兩個復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)復(fù)合傳熱過程。 若直接模擬實(shí)際傳熱過程非常困難，因此基于以下假設(shè)進(jìn)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(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值求解計(jì)算均應(yīng)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(kuò)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(xiàng)和化學(xué)反應(yīng)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(yīng)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(jìn)出口邊界條件的設(shè)定并不一致，邊界條件設(shè)置如圖3所示。

圖3 邊界條件設(shè)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(jì)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(shè)置中，其他物性參數(shù)均設(shè)定為默認(rèn)值。

2.4 求解設(shè)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(jìn)行求解， 速度-壓力耦合計(jì)算采用SIMPLE算法，控制方程壓力插值采用PRESTO! 離散格式， 其他項(xiàng)均采用默認(rèn)的一階迎風(fēng)離散格式，當(dāng)連續(xù)方程的迭代殘差小于10-4時，可認(rèn)為計(jì)算達(dá)到收斂。

3 計(jì)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(dá)到飽和溫度后開始?xì)饣?，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(yuǎn)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(yuǎn)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(dāng)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(dá)到飽和溫度后開始?xì)饣?，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(dá)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(yán)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(yīng)盡量減小進(jìn)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(jìn)口風(fēng)速對溫度的影響

為探究強(qiáng)制對流條件下翅片管頂端進(jìn)口風(fēng)速對其壁面溫度的影響，設(shè)置管外向下進(jìn)口風(fēng)速分別為1.0m/s和2.0m/s，用相同的計(jì)算模型對兩種不同進(jìn)口風(fēng)速下翅片管的傳熱特性進(jìn)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(jìn)口風(fēng)速的增加而逐漸升高。進(jìn)口風(fēng)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(jìn)口風(fēng)速增加而升高。 究其原因?yàn)樵趶?qiáng)制對流條件下由于進(jìn)口風(fēng)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(qiáng)，從而使翅片壁面溫度顯著升高。 當(dāng)管外進(jìn)口風(fēng)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(shí)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(fēng)機(jī)的方式，通過加強(qiáng)翅片外側(cè)周圍空氣的對流換熱，進(jìn)而提高翅片壁面的溫度， 達(dá)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(qiáng)制對流條件下，各管長處翅片壁面溫度均隨翅片管頂端進(jìn)口風(fēng)速增加而升高，進(jìn)口風(fēng)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(jìn)口風(fēng)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(shù)可有效提高翅片壁面溫度，為改進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)支撐。