空温式深冷翅片管气化器是低温热交换器的一种,以环境空气为热源,用自然对流的方式将热量传递给翅片管内的低温液体,以达到低温液体气化的目的,其运行受环境气象条件(温度、湿度、风向、风速等)影响较大,存在翅片管表面结霜引起的换热效果降低、气化不完全、供气不稳定等问题。因此,深入研究翅片管气化器表面换热气流的流动规律,掌握气化器运行过程中翅片管表面换热气流特性及其与翅片管表面结霜过程的相互影响规律,对探寻合理有效的提高气化器换热效率、抑制翅片管表面结霜方法有十分重要的理论意义和实际应用价值。鉴于此,以理论分析为基础,结合数值模拟和实验研究的方法对空温式深冷翅片管气化器表面换热气流特性和结霜过程进行了研究。主要内容及结论有:(1)对空温式气化器翅片管传热过程进行了分析,根据翅片管内低温介质的相态不同,将翅片管内传热过程分为单液相段、气液两相段和单气相段,其中单液相段和单气相段视为强制对流换热,气液两相段视为沸腾换热。根据翅片管表面是否结霜,将翅片管表面传热过程分两种工况进行了分析,其中无霜工况采用大空间自然对流换热模型对其进行计算;结霜工况下,将霜层的导热以热阻的形式进行折算,即空气侧对流换热热阻包括霜层导热热阻和换热气流与霜层对流换热热阻两部分,在此基础上对结霜工况下翅片管表面的对流换热进行了计算。(2)运用Fluent软件,数值研究了空温式深冷翅片管气化器外侧换热气流温度场和速度场的分布,并分析了换热气流温度和速度的变化规律及其对翅片管表面换热过程的影响规律。结果表明:在单液相段,翅片管表面换热气流流动较明显,自然对流换热主要集中在近壁面区域,且越靠近翅片管低温液体入口处,翅片管表面自然对流换热程度越强。相比于单液相段,单气相段翅片管表面换热气流无明显流动,自然对流换热程度较弱。(3)搭建了空温式翅片管气化器结霜实验台,进行了结霜工况下空温式气化器翅片管内低温液体气化实验,分析了低温液体在空温式翅片管气化器内的气化规律及其与翅片管表面霜层生长的相互影响规律。结果表明:气化器工作状态分预冷和稳态两种工作状态。预冷工作状态低温液体进入气化器后迅速气化,其过程包含气液两相和单气相两个换热段。稳态工作状态低温液体在气化器内气化经历单液相、气液两相、单气相三个换热段,入口处翅片管表面结霜最为严重,出口处翅片管表面无霜晶形成。因此,可根据气化器工作状态的不同,分段设计空温式翅片管气化器,从而减弱结霜对翅片管传热的影响,提高气化器换热效率。(4)此外,实验研究并分析了结霜工况下翅片管表面换热气流的流动特性及其与结霜之间的相互影响规律。结果表明:(1)翅片管表面结霜最先出现在翅片管入口处的翅尖位置,沿翅片管径向越靠近翅根结霜现象越晚出现,基管表面成霜最晚,且霜层厚度从翅尖到翅根逐渐减小。(2)结霜初期,霜生长较迅速,霜层厚度平均增长速率达到0.16mm/s;结霜中期,霜生长逐渐趋于平缓,霜层厚度平均增长速率低至0.07mm/s;结霜后期,霜层厚度不再增加,出现霜晶掉落现象。(3)结霜初期,翅片管(0-300mm)表面换热气流传热程度由强逐渐减弱,翅片管(600-900mm)表面换热气流传热程度初始时间内由弱变强,随后逐渐减弱;结霜后期,整个翅片管周围换热气流换热程度呈稳定状态。