套管結(jié)構(gòu)對(duì)翅片管氣化器結(jié)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(xué)石油化工學(xué)院 蘭州 730050；2 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)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(yīng)用于LNG氣化[1]。LNG在翅片管內(nèi)流動(dòng)，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(zhì)傳熱會(huì)使翅片管表面出現(xiàn)結(jié)霜并生長(zhǎng)的現(xiàn)象。設(shè)備結(jié)霜后，會(huì)產(chǎn)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(jié)霜機(jī)理，研究霜層的生長(zhǎng)規(guī)律，尋找有效延緩甚至抑制結(jié)霜的方法對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和生活至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外主要從結(jié)霜機(jī)理、除霜方法等方面進(jìn)行研究。D.L.O′Neal等[2-3]的霜層傳熱傳質(zhì)方程為建立結(jié)霜模型奠定了基礎(chǔ)。R.Yun等[4-5]通過模擬與實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)熱流量先升高后降低，霜晶最初階段的生長(zhǎng)會(huì)改變換熱表面粗糙度，等效于翅片結(jié)構(gòu)增強(qiáng)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(duì)翅片管在超臨界條件下的傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬并提出了增大環(huán)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(duì)濕度、空氣流速對(duì)空溫式翅片管氣化器結(jié)霜和傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)霜層增長(zhǎng)造成的氣流通道阻塞會(huì)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(shè)計(jì)。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(duì)結(jié)霜的抑制作用最強(qiáng)。盛偉等[10]研究發(fā)現(xiàn)濕空氣含濕量及氣流速度是影響換熱器結(jié)霜的主要因素。Ma Qiang等[11]實(shí)驗(yàn)記錄了霜層的生長(zhǎng)過程，測(cè)量了霜層厚度和霜層質(zhì)量，結(jié)果表明在較高的相變驅(qū)動(dòng)力和水汽質(zhì)量流量下，霜層厚度隨時(shí)間的增加而增加，霜層增長(zhǎng)較快。馬燕等[12]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)換熱器的霜層厚度和結(jié)霜量隨載冷劑流量及相對(duì)濕度的增大而增長(zhǎng)。王明秋等[13]分析了翅片表面結(jié)霜特性及氣流溫度、相對(duì)濕度沿翅片管軸向變化規(guī)律。

本文在本團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，引入套管結(jié)構(gòu)，通過套管管徑變化[14]來改變低溫介質(zhì)流量配比，研究套管結(jié)構(gòu)對(duì)翅片管氣化器結(jié)霜特性的影響，為翅片管氣化器改造和優(yōu)化，提高傳熱效率，減少能源損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 套管結(jié)構(gòu)

1.1 傳熱過程

套管結(jié)構(gòu)空溫式翅片管氣化器傳熱管結(jié)構(gòu)如圖1所示。選用液氮作為低溫介質(zhì)，下部為含套管結(jié)構(gòu)預(yù)熱段和氣化段，上部為單管結(jié)構(gòu)加熱段[15]。

圖1 空溫式翅片管氣化器傳熱管結(jié)構(gòu)

1)預(yù)熱段

液氮(LN2)經(jīng)翅片管(fin)底部分別進(jìn)入環(huán)狀間隙(套管與翅片管間隙)和套管(tube)。翅片管外熱量經(jīng)翅片管表面?zhèn)髦镰h(huán)狀間隙，并迅速加熱氣化。套管內(nèi)LN2通過環(huán)狀間隙已氣化的N2對(duì)其預(yù)熱至泡點(diǎn)溫度，傳熱過程如圖2所示(圖中：Q為熱量，kJ；in、out分別為內(nèi)側(cè)和外側(cè)。)。

圖2 預(yù)熱段傳熱過程

2)氣化段

套管內(nèi)LN2預(yù)熱至泡點(diǎn)溫度后，被環(huán)狀間隙內(nèi)N2繼續(xù)加熱，開始?xì)饣癁镹2，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(nèi)氣化結(jié)束后，環(huán)狀間隙和套管N2混合后進(jìn)入加熱段。加熱段的作用是將氣化的液氮加熱至出口設(shè)計(jì)溫度，傳熱過程如圖4所示。

圖4 加熱段傳熱過程

1.2 結(jié)霜機(jī)理

翅片表面溫度、空氣濕度及流速是導(dǎo)致結(jié)霜的重要因素。空溫式翅片管氣化器通過吸收周圍環(huán)境熱量加熱管內(nèi)低溫流體，管內(nèi)低溫流體吸收管壁熱量導(dǎo)致翅片表面溫度持續(xù)降低，根據(jù)圖5當(dāng)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(shí)，水蒸氣直接凝華為固態(tài)冰晶。因此，當(dāng)空氣中的水蒸氣不斷向氣化器表面流動(dòng)時(shí)水蒸氣相變?yōu)楣虘B(tài)冰晶，大量積聚后凝結(jié)成霜晶顆粒，并繼續(xù)生長(zhǎng)不斷累積形成霜層。

圖5 水的三相圖

2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，由供液系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成。供液系統(tǒng)負(fù)責(zé)為翅片管氣化器提供恒定流量的低溫介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)選用液氮作為低溫介質(zhì)；氣化系統(tǒng)負(fù)責(zé)將低溫液體完全氣化并將其排放至室外；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集翅片管進(jìn)、出口處的介質(zhì)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(shù)。圖7所示為單根翅片管幾何結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用手持式氣象站測(cè)量空氣相對(duì)溫濕度，熱敏風(fēng)速儀測(cè)量空氣流速。為確保霜層厚度讀數(shù)的準(zhǔn)確性，在翅片表面對(duì)稱安置五對(duì)經(jīng)校準(zhǔn)的毫米級(jí)鋁制L型刻度條，并在同一點(diǎn)處用鋁箔膠帶粘置溫度測(cè)點(diǎn)，布置方式如圖7所示。

圖7 單根翅片管幾何結(jié)構(gòu)

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

空溫式翅片管氣化器實(shí)際使用時(shí)處在大氣環(huán)境中，周圍空氣流速、濕度等環(huán)境因素會(huì)對(duì)翅片表面結(jié)霜產(chǎn)生影響，同時(shí)管內(nèi)流體流量也會(huì)帶來影響。改變套管尺寸及入口流量，設(shè)計(jì)12組實(shí)驗(yàn)，對(duì)無套管、套管內(nèi)徑為6、8、10 mm時(shí)，分別設(shè)置流量為2.5、3.5、4.5 g/s的實(shí)驗(yàn)工況。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

圖8 測(cè)點(diǎn)分布

1)實(shí)驗(yàn)開始前，連接管路和實(shí)驗(yàn)儀器，用乙醇溶液擦拭翅片表面，調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并檢查管路氣密性；

2)打開低溫儲(chǔ)罐排液閥，根據(jù)氣體流量計(jì)讀數(shù)調(diào)節(jié)排液閥開度以達(dá)到實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)；

3)開啟溫度、流量、壓力等數(shù)據(jù)采集儀器，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，用高清攝像機(jī)捕獲翅片表面各測(cè)點(diǎn)的霜層厚度；

4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)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(shí)驗(yàn)設(shè)備恢復(fù)至室溫后方可進(jìn)行下組實(shí)驗(yàn)。

2.3 霜層厚度數(shù)據(jù)處理

預(yù)標(biāo)定：實(shí)驗(yàn)開始前，在刻度條結(jié)霜位置拍照換算照片像素與物理尺寸的關(guān)系，并固定相機(jī)位置。

圖片處理：采用Image J 軟件[16]對(duì)實(shí)驗(yàn)所拍攝的翅片管結(jié)霜過程圖片進(jìn)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(biāo)系讀取霜層厚度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 套管結(jié)構(gòu)對(duì)表面霜層生長(zhǎng)的影響

實(shí)驗(yàn)過程中，翅片管入口端(測(cè)點(diǎn)A)表面溫度較低，霜層較厚但結(jié)構(gòu)疏松，周圍水蒸氣受重力作用向下產(chǎn)生沖刷現(xiàn)象，導(dǎo)致該處霜層易脫落；由于給定入口流量較小，測(cè)點(diǎn)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(cè)；測(cè)點(diǎn)B較完整地呈現(xiàn)了霜層形貌，故對(duì)測(cè)點(diǎn)B(自下而上管長(zhǎng)為250 mm處)霜層生長(zhǎng)特性進(jìn)行分析。

各套管霜層生長(zhǎng)形貌如圖9所示。由圖9可知，隨著時(shí)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(duì)比圖中形貌觀察到，同一測(cè)點(diǎn)經(jīng)歷相同時(shí)間，霜層厚度的關(guān)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(jié)構(gòu)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(zhǎng)形貌

結(jié)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(cè)點(diǎn)溫度在進(jìn)行一段時(shí)間后均保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)A變化幅度較大，在50 min時(shí)變化速率顯著降低并趨于平緩，即溫度開始保持在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)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(nèi)單液相對(duì)流換熱。測(cè)點(diǎn)B在50 min由初始溫度分別降至200、220、212、207 K，比測(cè)點(diǎn)A下降緩慢。測(cè)點(diǎn)C溫度下降趨勢(shì)比測(cè)點(diǎn)B更平緩，翅片管內(nèi)仍為濕蒸氣。測(cè)點(diǎn)D、測(cè)點(diǎn)E溫度變化趨于一致且保持穩(wěn)定，認(rèn)為管內(nèi)流體已為蒸氣，達(dá)到干飽和蒸氣狀態(tài)。翅片管進(jìn)口端(測(cè)點(diǎn)A)溫度變化幅度最大，而出口端(測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)處，套管結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的影響較顯著，溫度關(guān)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(huán)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(huì)首先凝結(jié)成霜晶顆粒，霜晶迅速生長(zhǎng)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(cè)點(diǎn)處相比無套管結(jié)構(gòu)，套管結(jié)構(gòu)開始結(jié)晶的時(shí)間均出現(xiàn)滯后，且隨套管管徑的減小，滯后的時(shí)間延長(zhǎng)，翅片管壁各測(cè)點(diǎn)霜層厚度在40 min內(nèi)均大幅增長(zhǎng)，這是由于霜晶沿著翅片表面垂直方向線性生長(zhǎng)，使冷表面濕空氣溫度逐漸降低，導(dǎo)致氣流方向過飽和濕空氣溫度降低，相變驅(qū)動(dòng)力增大，同時(shí)霜層疏松的形態(tài)增大傳熱面積，提高換熱性能，使霜層保持較高的生長(zhǎng)率。40～60 min增長(zhǎng)率逐漸減小，這是由于隨著霜層厚度增加外側(cè)濕空氣傳熱熱阻升高，同時(shí)較厚的霜層嚴(yán)重阻塞了翅片間的氣流通道，導(dǎo)致翅片管換熱量和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低，減緩了結(jié)霜速率。對(duì)比3種套管，使用Φ6 mm套管霜層較薄，說明延緩霜層生長(zhǎng)的效果較好。

圖11 翅片表面霜層厚度變化

管內(nèi)出口溫度隨時(shí)間的變化如圖12所示。由圖12可知，翅片管內(nèi)出口溫度隨時(shí)間的變化均呈下降趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)溫度下降劇烈，30 min后溫度趨于穩(wěn)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(shí)間后，翅片表面結(jié)霜，傳熱熱阻增大，翅片管傳熱效率降低，管內(nèi)吸收熱量減少，翅片表面溫度冷卻達(dá)到穩(wěn)定值。

圖12 管內(nèi)出口溫度隨時(shí)間的變化

3.2 入口流量對(duì)表面霜層生長(zhǎng)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(zhǎng)為250 mm處60 min時(shí)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(jié)構(gòu)在60 min內(nèi)霜層厚度均大于含套管結(jié)構(gòu)的霜層厚度，隨著套管管徑減小，霜層厚度減??；隨著入口流量增大，霜層厚度均升高。

圖13 不同入口流量測(cè)點(diǎn)B表面霜層形貌

入口流量對(duì)套管結(jié)構(gòu)翅片管表面溫度的影響如圖14所示。入口流量增大，各測(cè)點(diǎn)溫度均降低，且降幅也增大。60 min時(shí)各組溫度數(shù)據(jù)如表2所示，在同測(cè)點(diǎn)同一流量時(shí)，始終存在溫度關(guān)系：Φ6 mm套管>Φ8 mm套管>Φ10 mm套管>無套管。

表2 60 min測(cè)點(diǎn)溫度

圖14 各測(cè)點(diǎn)溫度變化

測(cè)點(diǎn)B、測(cè)點(diǎn)D霜層厚度如圖15所示。由圖15可知，隨著流量增大，測(cè)點(diǎn)B、測(cè)點(diǎn)D出現(xiàn)霜晶的時(shí)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(qū)動(dòng)力增大，翅片表面結(jié)霜加快。對(duì)比分析可知無套管結(jié)構(gòu)霜層生長(zhǎng)厚度顯著高于套管結(jié)構(gòu)，且套管管徑越大，霜層越厚。

圖15 測(cè)點(diǎn)B、測(cè)點(diǎn)D霜層厚度

不同入口流量出口溫度隨時(shí)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(shí)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫度如表3所示，溫度關(guān)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(shí)間的變化

表3 翅片管內(nèi)流體出口溫度

4 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了套管結(jié)構(gòu)對(duì)翅片管氣化器結(jié)霜特性的影響，通過對(duì)比不同套管內(nèi)徑(Φ6、Φ8、Φ10 mm)及入口流量對(duì)表面霜層生長(zhǎng)的影響，得到如下結(jié)論：

1)各測(cè)點(diǎn)處霜層厚度雖不同，但結(jié)霜生長(zhǎng)規(guī)律保持一致。實(shí)驗(yàn)初期，預(yù)冷階段翅片表面出現(xiàn)一層很薄的霜晶；實(shí)驗(yàn)中期，霜晶迅速生長(zhǎng)，增幅較大；實(shí)驗(yàn)后期，霜層生長(zhǎng)緩慢，氣流逐漸接近濕飽和狀態(tài)，翅片管表面溫度趨于穩(wěn)定。

2)在相同的入口流量下，套管結(jié)構(gòu)能夠有效延緩霜層生長(zhǎng)，且在3種規(guī)格套管中，Φ6 mm套管延緩霜層生長(zhǎng)的效果較好。

3)增大翅片管入口流量會(huì)縮短管內(nèi)冷流體流至出口端的時(shí)間，翅片表面溫度降幅大，相變驅(qū)動(dòng)力大，為霜層生長(zhǎng)提供條件，加劇霜層生長(zhǎng)。3種規(guī)格套管在入口流量相同時(shí)，Φ6 mm套管流體出口溫度最高，且翅片管表面各測(cè)點(diǎn)溫度關(guān)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(zhì)入口流量，可有效延緩翅片管氣化器翅片表面結(jié)霜。