空温式深冷翅片管气化器结霜工况下动态传热特性研究

以空温式深冷翅片管气化器为对象，拟从传热传质学、热力学、流体力学的基本原理出发结合数值模拟和实验，对翅片管气化器在自然对流工况下的翅片管表面结霜、结霜与管内沸腾相变传热相互影响的动态问题展开研究。首先，应用近代先进的数学方法，结合霜层生长的机理建立适用于自然对流工况下深冷表面的霜层生长及物性模型。以此为基础，建立霜层生长与管内沸腾相变传热的耦合计算模型，对气化器表面结霜过程与管内换热进行动态数值模拟。同时，在原有实验基础上，对气化器在结霜影响下的传热特性进行深入实验研究。利用理论分析与实验结合，更准确、全面地揭示气化器换热效率的影响因素，并建立有效的预测气化器动态传热特性的计算模型。本项目是对深冷翅片管气化器传热过程理论计算方法的新探索，为研制开发高效节能空温式气化器奠定理论基础，推动深冷换热设备向小型化、高效化方向发展。

本项目针对空温式深冷翅片管气化器在自然对流工况下的翅片管表面结霜，结霜与管内介质沸腾相变传热相互影响的动态问题展开研究。首先，基于分形理论建立接近霜晶体真实生长过程的霜层生长模型，利用MATLAB编程实现了翅片管等深冷表面霜层生长过程的数值模拟。同时搭建了深冷结霜试验台，对霜层生长形态进行实验观测，进一步完善修正了霜层生长模型。在此基础上，获得了深冷表面霜层实际生长结构的剖面孔隙面积分布分形维数与孔隙率，建立了霜密度、导热系数等物性参数计算模型。基于分形理论确定的霜层有效导热系数与实测得到的霜层有效导热系数值域范围相符，并通过与其他导热模型的比较，充分验证了将分形维数引入导热模型以确定霜层导热系数的可行性。. 其次，将气化器管内低温液体流动相变换热过程分为过冷沸腾传热区、饱和沸腾传热区、两相流传热区以及缺液传热区，分别建立各个区的传热计算关联式，并基于Fluent软件采用用户自定义函数讨论了翅片管内液氮沸腾相变的传热特性。以临界压力为界，分时段建立了管外霜层生长与管内沸腾换热相互影响下的翅片管传热计算模型，采用MATLAB编程对以液氩为工作介质的空温式翅片管气化器的传热特性进行预测。同时，改造并完善了结霜工况下传热特性试验系统，通过与数值模拟结果的对比分析，修正了耦合传热计算模型。. 最后，设计开发了结霜工况下空温式深冷翅片管气化器换热计算的非稳态试算法和可视化软件。该算法为空温式深冷翅片管气化器的精确设计提供理论依据，完善了深冷换热设备理论体系，具有较强的理论研究和实际应用价值。基于该计算软件，进一步数值分析了翅片高度、翅片数、湿空气速度、湿空气温度、相对湿度等因素对结霜工况下空温式深冷翅片管气化器管内外耦合换热的影响。.关键词：翅片管气化器；深冷流体；结霜；传热传质；相变换热.