空温式翅片管气化器冷热流体传热特性仿真研究

李文奇 陈叔平 金树峰 付启亮 白彪坤 孟 岳

（兰州理工大学石油化工学院）

近年来，随着我国生态环境问题和能源供需关系的不断变化，以液化天然气为主要清洁能源的产业链快速兴起，空温式翅片管气化器这种符合我国节能降耗基本国策的高效节能换热设备更是得到迅速发展。 空温式翅片管气化器由多根竖直纵向星型翅片管排列组合而成，以自然对流的环境空气（热流体）作为热源，在温差的驱动下吸收周围大气中的热量， 使翅片管内低温液体（冷流体）气化成具有一定温度、压力的气体，无需消耗额外动力，有效降低了工业气体输配系统的能耗。 但由于在实际应用中普遍存在翅片表面结霜问题而影响工作效率，使得空温式翅片管气化器的使用受到限制。

为有效延缓结霜对空温式翅片管气化器的影响，通常设置多台气化器交替使用，并采用电加热、热气等［1］方法对已结霜的气化器进行停机除霜，但该措施无疑会增加初期投资、消耗额外能源、减弱节能降耗的效果。 因此，近些年来有国内外学者和机构从优化换热器结构设计［2］、冷表面改性［3］或者利用外加电场［4］、磁场或超声波［5］及增设蓄热器［6］等途径入手，对抑制结霜、除霜控制等方面进行了积极有益的研究。 同时，利用强制吹风改变翅片管周围热流体特性进而延缓结霜的技术，目前已在国内外个别场合有良好的应用效果， 如Cryoquip公司作为全球最大的气化器设计、制造商，近年来研发了风扇驱动式空温式翅片管气化器，即在传统空温式翅片管气化器顶部安装风扇以增强空气对流传热效果，延缓其表面的结霜现象，提高了设备的整体传热效率［7］，未曾深入探究但其影响规律。

鉴于此，笔者通过建立空温式翅片管气化器冷热流体传热数值计算模型，探究两者耦合传热特性及其温度变化规律，分析不同管内入口流量和强制对流条件下管外进口风速对翅片壁面温度变化的影响，从而提出合理、可行的冷热流体延缓结霜方法，提高空温式翅片管气化器换热效率。

1 模型建立

1.1 几何模型

笔者的研究对象为空温式翅片管气化器，其材料为导热系数较高的铝合金，结构如图1所示。翅片管长度L=1.0m，外径D=25mm，壁厚δ=2.0mm，翅片高H=45mm，厚δ′=1.5mm，相邻两翅片夹角θ=45°。 冷流体以饱和温度77K从翅片管底端进入，沿翅片管向上流动并吸收热量发生气化，最终从翅片管顶端流出。 与此同时，翅片管周围热流体在重力作用下自上而下产生自然对流。

图1 空温式翅片管气化器结构示意图

为尽可能减小计算量，同时有效研究翅片管内冷流体和外侧翅片所夹区域热流体的传热影响， 将气化器翅片端部延伸为50mm内的外侧热流体区域纳入计算范围，通过边界条件中symmetry（对称） 设定选取整体几何模型的1/8进行分块网格划分，网格横截面如图2所示。 其中，翅片管外侧热流体和翅片管壁面两部分采用六面体形式划分，翅片管内冷流体部分采用四面体形式划分，并对翅片管近壁面区域网格适当加密。 计算网格总数目约为150万， 经网格独立性验证可满足计算准确性要求。 图2中a、b、c为沿管长各横截面处模拟温度数据监测点，其中a、c点分别位于冷流体区域和翅片壁面的中心处；b点位于近壁面处热流体区域，沿两翅片夹角中心位置与基管壁面间隔10mm。

图2 翅片管网格横截面

1.2 计算模型

根据空温式翅片管气化器的工作原理，为准确预测分析翅片管内流动传热特性， 选用RNG k-ε模型作为湍流模型进行模拟计算。由于空温式气化器翅片管内冷流体吸收大量热量发生气化相变，气液两相之间发生传热传质现象。 针对这一气液两相流动过程，选用混合（Mixture）模型的同时采用能量平衡关系， 通过编译UDF将能量变化和质量变化作为源项分别导入到混合物能量方程、液相和气相质量方程中，以近似模拟计算冷流体在翅片管内发生相变的过程［6］。

根据能量守恒原理可知：

式中 cpl——液相定压比热容，由文献［9］可得；

hlg——冷流体的汽化潜热，由文献［10］可得；

mlg——气体质量产生的速率；

Qlg——能量的变化；

Tsat——冷流体的汽化温度，由文献［10］可得；

α——松弛系数，用于调节气体产生速率；

αl——液相所占体积；

ρl——液相密度。

2 计算方法

2.1 基本假设

笔者主要研究空温式翅片管气化器冷热流体的耦合传热过程，包括翅片管外侧热流体强制对流和翅片管内冷流体沸腾相变两个复杂的非稳态复合传热过程。 若直接模拟实际传热过程非常困难，因此基于以下假设进行简化［11］：

a. 整个传热过程为充分发展的稳态湍流传热；

b. 翅片管材料的各热物性参数不随温度影响变化且各向同性；

c. 忽略辐射换热、介质的粘性热耗散。

2.2 控制方程

笔者选用Fluen软件对空温式翅片管气化器冷热流体的传热特性进行数值模拟，数值求解计算均应遵循稳态质量、动量和能量守恒的基本控制微分方程。

式中 Fi——微元体上的外部体积力；

Jj——组合j的扩散流量；

keff——流体的有效传热系数；

p——流体微元体上的压力；

Sh——所有的体积热源项和化学反应热；

Sm——离散相加到连续相的质量；

ρ——密度；

ρgi——微元体上的重量体积力；

τij——因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力τ的分量。

2.3 边界条件

空温式翅片管气化器管外侧热流体和管内冷流体的传热特性和流动方向均不同，因此翅片管内外的进出口边界条件的设定并不一致，边界条件设置如图3所示。

图3 边界条件设置

翅片管内、外冷热流体的热物性参数均随温度的变化而改变，尤其气化过程中管内冷流体的温度变化较大，对空温式翅片管气化器模拟计算结果有很大影响，因此在定义冷热流体热物性时选择使用C语言编写UDF载入Fluent的材料设置中，其他物性参数均设定为默认值。

2.4 求解设定

选用分离式求解器对空温式翅片管气化器的数值模型进行求解， 速度-压力耦合计算采用SIMPLE算法，控制方程压力插值采用PRESTO! 离散格式， 其他项均采用默认的一阶迎风离散格式，当连续方程的迭代残差小于10-4时，可认为计算达到收敛。

3 计算结果及分析

3.1 翅片管内外冷热流体温度场分布

翅片管内冷流体由翅片管底端流入，与翅片管外热流体产生热量传递后沿流动方向温度上升，达到饱和温度后开始气化，最终从翅片管顶端流出，整个过程中翅片管温度分布如图4所示。其中左边为翅片管轴向对称面温度分布云图，从图中可以看出离翅片管较远的热流体温度几乎不受影响，恒为环境温度300K，而翅片壁面温度受到冷热流体耦合传热的影响沿管长方向逐渐升高。 翅片管内冷流体温度在底端入口处最低，与管外热流体间温差较大，使得翅片壁面和热流体在翅片管底段的温度梯度分布变化尤为明显。图4右边分别为沿管长方向z为0、250、500、750mm截面的温度分布云图。 由此图可知，热流体温度由最外侧向近壁面处逐渐降低，且越贴近翅片管壁面，温度等值线越密集，换热热流密度越大。 近翅片管内壁面处冷流体温度也明显高于中心处，即翅片管内、外冷热流体对流换热主要集中在近壁面区域。 从图4a可以看出，翅片管外热流体温度等值线紧密地贴近于翅片壁面，近壁面处最高温度仅为267K左右，而在图4b上热流体温度等值线间距在近壁面区域有所增大且呈抛物线状趋势，最高温度升至278K左右，在远壁面区域热流体温度均在289～300K的范围内。在图4c、d上热流体温度等值线间距明显较大，分布更加稀疏。 由此可见，沿管长方向翅片管壁面与热流体间温度等值线越稀疏，壁面自然对流换热程度越弱。

图5所示为翅片管内、 外冷热流体和翅片壁面温度沿管长的变化情况。 翅片壁面受管外热流体加热并将热量传递给管内冷流体， 由图5可以看出整个过程中翅片壁面温度均高于管内冷流体温度，且沿冷流体流动方向逐渐升高，温度变化曲线呈起伏上升趋势。 翅片管内冷流体温度在入口段变化趋势较为平缓， 当温度升高至80K左右后沿流动方向呈不断上升趋势，这是由于冷流体达到饱和温度后开始气化，需要吸收大量的气化潜热，只有少部分热量用于提高温度。 近壁面处热流体的温度沿管内冷流体流动方向逐渐升高，直至翅片管顶端出口处两者温差达到最大值165K左右。

图4 翅片管温度分布云图

图5 翅片管内、外冷热流体及壁面温度沿管长变化情况

3.2 入口流量对温度的影响

翅片管内冷流体入口流量分别取0.025、0.050、0.075kg/s进行数值模拟， 研究分析一定管径下不同管内入口流量对冷流体和翅片壁面温度的影响。 图6为不同入口流量下翅片管内冷流体温度沿管长变化情况。 从图6可以看出，翅片管内冷流体在入口段温度起始升高的管长长度随入口流量的增大而增加，这说明管内冷流体的气化速率随入口流量增大而变慢。 待管内冷流体随入口流量由小至大依次气化后均呈不断上升趋势， 且温度变化速率随着入口流量增大显著减小。当入口流量由0.025kg/s增大至0.075kg/s时，翅片管内冷流体出口温度由114K降低至91K，下降了23K。这是由于随着入口流量的增大，单位质量的冷流体流出翅片管顶端的时间缩短，致使冷流体与管壁接触吸热时间变短， 温度升高过程变慢。

图6 不同入口流量下翅片管内冷流体温度沿管长变化情况

图7为不同入口流量下翅片壁面温度沿管长变化情况。 如图7所示，当翅片管内冷流体入口流速由0.025kg/s增大至0.075kg/s时， 各管长处翅片壁面温度均降低，出口处翅片壁面温度降低幅度尤为明显，由195K降低至163K，降低了32K。 翅片壁面温度逐渐降低， 使得霜层出现时间变短，严重影响其传热能力，降低气化效率。 因此，在满足工作需求的同时应尽量减小进液入口流量，以获取较大的换热性能。

图7 不同入口流量下翅片壁面温度沿管长变化情况

3.3 进口风速对温度的影响

为探究强制对流条件下翅片管顶端进口风速对其壁面温度的影响，设置管外向下进口风速分别为1.0m/s和2.0m/s，用相同的计算模型对两种不同进口风速下翅片管的传热特性进行数值模拟， 并与自然对流条件相比较， 结果如图8、9所示。 其中，图8所示为不同对流条件下翅片管内冷流体温度沿管长变化情况。 由图8可知，翅片管内冷流体温度随管外进口风速的增加而逐渐升高。进口风速增至2.0m/s时， 与自然对流条件下相比冷流体出口温度由114K升高至131K，入口段温度起始升高的管长长度由140mm减小至25mm，即冷流体被加热气化的距离明显缩短。 图9所示为不同对流条件下翅片壁面温度沿管长变化情况。 从图9可以得知， 各管长处翅片壁面温度均随翅片管顶端进口风速增加而升高。 究其原因为在强制对流条件下由于进口风速增加，翅片管外侧热流体的换热系数增大，对流换热明显增强，从而使翅片壁面温度显著升高。 当管外进口风速增至2.0m/s， 与自然对流条件相比翅片壁面的平均温度升高约17K。 其中，管长1 000mm处翅片壁面温度变化最大，由196K升高至222K，上升了约26K。

空温式翅片管气化器在实际工作时由于翅片管内冷流体吸收了翅片外侧空气的热量，使翅片壁面附近空气中的水蒸气极易结霜。 因此，可采用在空温式翅片管气化器顶端安装风机的方式，通过加强翅片外侧周围空气的对流换热，进而提高翅片壁面的温度， 达到延缓结霜时长，提高气化效率的目的。

图8 不同对流条件下翅片管内冷流体温度沿管长变化情况

图9 不同对流条件下翅片壁面温度沿管长变化情况

4 结论

4.1 翅片管外侧近壁面处热流体温度沿管长轴向自下而上逐渐升高， 温度等值线分布逐渐稀疏，表面自然对流换热程度逐渐减弱，翅片壁面受其影响温度逐渐升高。

4.2 在自然对流条件下， 随冷流体入口流量增大， 翅片管内冷流体温度变化速率显著减小，沿管长各处翅片壁面温度均降低。

4.3 在强制对流条件下，各管长处翅片壁面温度均随翅片管顶端进口风速增加而升高，进口风速增至2.0m/s时， 翅片壁面平均温度与自然对流条件相比升高了约17K。

4.4 若采用减小管内冷流体入口流量与增大管外热流体进口风速相结合的方法，形成合理的管内、外冷热流体调控技术可有效提高翅片壁面温度，为改进空温式翅片管气化器延缓结霜方法提供可靠的理论依据和关键技术支撑。