徐少杰 高文學(xué) 嚴(yán)榮松 張 歡 王 艷 楊 林

1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司·城市燃?xì)鉄崃ρ芯吭?/p>

1 研究背景

2018年我國(guó)進(jìn)口LNG 5 300h104t，是目前全球最為活躍的天然氣和液化天然氣市場(chǎng)之一。當(dāng)前，我國(guó)在運(yùn)行的LNG大型接收站有20座，在建的有3座，另有3座已完成規(guī)劃，絕大多數(shù)都分布在東部沿海地區(qū)[1]。除此以外，已有不同規(guī)模的中小型城鎮(zhèn)LNG氣化站分布在全國(guó)各地，以點(diǎn)供的形式為工業(yè)用戶和居民用戶提供燃?xì)?。無(wú)論是在大型的LNG接收站還是中小型的LNG衛(wèi)星站，氣化器均是實(shí)現(xiàn)LNG升溫、再氣化所必需的主要核心設(shè)備。因熱媒不同，氣化器通常分為多種形式，包括開(kāi)架式氣化器、空溫式氣化器、浸沒(méi)燃燒式氣化器以及中間流體式氣化器等。其中，空溫式氣化器（Ambient Air Vaporizer，AAV），顧名思義是以空氣作為熱源加熱LNG，其多用于中小型的LNG衛(wèi)星接收站和氣化站，具有投資建設(shè)和維護(hù)成本低、能量消耗少、污染物排放少、適用區(qū)域廣等特點(diǎn)。

盡管空溫式氣化器本質(zhì)上屬于間壁式換熱器，但是由于其在工況、工質(zhì)和結(jié)構(gòu)方面的特殊性，使得傳統(tǒng)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和理論分析并不能準(zhǔn)確地對(duì)其運(yùn)行特性進(jìn)行描述。國(guó)內(nèi)的氣化器生產(chǎn)廠商多奉行拿來(lái)主義和經(jīng)驗(yàn)主義，在空溫式氣化器的設(shè)計(jì)和選型方面，僅依據(jù)應(yīng)用地區(qū)的全年最低溫度和最大氣化負(fù)荷，采用簡(jiǎn)略的換熱器計(jì)算公式和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)系數(shù)獲得換熱所需的總面積，然后以并列垂直向上或并列蛇形來(lái)布置翅片管，從而完成其設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。事實(shí)上這種忽略氣候條件、地理位置以及運(yùn)行特征的做法，往往會(huì)導(dǎo)致氣化器無(wú)法完全滿足用戶的需求，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞引發(fā)天然氣泄漏、爆炸事故。正是由于缺乏對(duì)氣化器運(yùn)行過(guò)程實(shí)質(zhì)性的、全面的、深入的認(rèn)識(shí)，生產(chǎn)廠商無(wú)法結(jié)合具體情況對(duì)用戶進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo)和培訓(xùn)，更不會(huì)有效提高氣化器的利用效率和使用壽命。

為了解決空溫式氣化器在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題，研究者們對(duì)空溫式氣化器的傳熱過(guò)程展開(kāi)了全面的探索研究，其中不僅包括了星形翅片管（圖1）內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)沸騰傳熱的機(jī)理分析、試驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬計(jì)算，也包含了對(duì)翅片管外霜層的出現(xiàn)及生長(zhǎng)特性分析，同時(shí)還有將空溫式翅片管束作為統(tǒng)一整體進(jìn)行傳熱研究。這些研究成果不僅有利于從更深層面揭示空溫式氣化器傳熱問(wèn)題的本質(zhì)，也可進(jìn)一步推動(dòng)氣化器技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，對(duì)于氣化器的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和維護(hù)具有切實(shí)的借鑒意義，為未來(lái)無(wú)人化值守和智能化控制奠定基礎(chǔ)。因此，筆者從空溫式氣化器的傳熱問(wèn)題切入，通過(guò)對(duì)空溫式氣化器當(dāng)前所面臨的問(wèn)題進(jìn)行分析，然后對(duì)上述的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行綜述，評(píng)述當(dāng)前的研究成果以及不足之處，最后對(duì)氣化器的發(fā)展進(jìn)行展望。

圖1 星形翅片管橫截面圖

2 空溫式氣化器傳熱問(wèn)題

空溫式氣化器的工作原理是利用環(huán)境空氣與管內(nèi)低溫LNG工質(zhì)之間的溫度差進(jìn)行熱量交換，進(jìn)而使液態(tài)的天然氣發(fā)生氣化變?yōu)闅鈶B(tài)，其中涉及3個(gè)基本傳熱形式，即導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。從管內(nèi)到管外換熱方式依次為：管內(nèi)流體沸騰對(duì)流換熱、管壁內(nèi)外表面（包括翅片表面）之間的導(dǎo)熱、翅片管外表面和外界環(huán)境之間的自然對(duì)流換熱以及輻射傳熱?？諟厥綒饣鞯恼w傳熱系數(shù)由上述3種傳熱過(guò)程串聯(lián)組成。相較于管內(nèi)沸騰對(duì)流換熱與管外自然對(duì)流及輻射換熱，翅片管內(nèi)外壁之間的導(dǎo)熱過(guò)程較為簡(jiǎn)單。因此，空溫式氣化器的傳熱問(wèn)題主要集中在管內(nèi)兩相流的對(duì)流沸騰特性和傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的發(fā)展以及管外深冷結(jié)霜機(jī)理的研究與熱阻分析。由于這兩項(xiàng)難點(diǎn)的存在，對(duì)空溫式氣化器全面、深入、詳細(xì)的探索一直是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。管外的輻射傳熱系數(shù)盡管易于計(jì)算，但常常被研究人員所忽略，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)管外的輻射換熱和對(duì)流換熱處于相同的數(shù)量級(jí)。因此，并不能將其忽略不計(jì)。

關(guān)于管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)沸騰傳熱研究已經(jīng)歷了多年的發(fā)展，最初管內(nèi)的流動(dòng)工質(zhì)主要是水和空氣等，后來(lái)隨著制冷行業(yè)的快速發(fā)展又有不同類型的烷烴類制冷劑受到研究人員的重視。但是到目前為止筆者發(fā)現(xiàn)關(guān)于LNG的低溫多組分烷烴在管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱的試驗(yàn)研究寥寥無(wú)幾，與之對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式更是乏善可陳。由于管內(nèi)工況的低溫特性以及LNG工質(zhì)特殊的熱物性，其他烷烴類制冷劑的關(guān)聯(lián)式并不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)LNG的兩相流動(dòng)沸騰傳熱。因此，研究設(shè)計(jì)人員只能以自身經(jīng)驗(yàn)結(jié)合其他工質(zhì)的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)空溫式氣化器的換熱面積進(jìn)行粗略的計(jì)算，這也導(dǎo)致了氣化器往往氣化能力不足或者嚴(yán)重過(guò)剩的問(wèn)題。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)空溫式氣化器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖然考慮了當(dāng)?shù)氐淖畹蜌鉁兀峭雎粤似渌麣夂蛞蛩?，特別是環(huán)境濕度、空氣風(fēng)速等至關(guān)重要的參數(shù)。而這些環(huán)境氣候參數(shù)對(duì)于管外結(jié)霜問(wèn)題有著不可忽視的影響。當(dāng)翅片管外霜層從出現(xiàn)到不斷發(fā)展時(shí)，翅片管與空氣之間的傳熱便會(huì)因?yàn)樗獙訜嶙璧拇嬖诙艿较魅?。?dāng)霜層在氣化器表面達(dá)到一定的面積并生長(zhǎng)到一定的厚度時(shí)，氣化器出口天然氣溫度會(huì)小于最低要求溫度，此時(shí)不得不停機(jī)并切換至備用設(shè)備。此外，由于翅片管外壁與周?chē)h(huán)境存在較大的溫差，且冰晶的表面發(fā)射率較高，導(dǎo)致周?chē)h(huán)境的熱輻射與對(duì)流換熱處于相同的數(shù)量級(jí)，是必須考慮和計(jì)算的傳熱項(xiàng)。僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)系數(shù)放大空溫式氣化器的換熱面積，以彌補(bǔ)環(huán)境因素帶來(lái)的不良影響，造成的結(jié)果往往是氣化器氣化能力不足或氣化器面積過(guò)大造成浪費(fèi)，很難做到與實(shí)際需求相匹配。

對(duì)于空溫式氣化器傳熱問(wèn)題研究的嚴(yán)重滯后，使得LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到一定程度的制約，造成空溫式氣化器的設(shè)計(jì)和選型缺乏科學(xué)的指導(dǎo)和支持。因此，將對(duì)上述熱點(diǎn)問(wèn)題的研究概況和進(jìn)展情況進(jìn)行逐一介紹和評(píng)述。

3 空溫式氣化器管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱

LNG在翅片管內(nèi)受熱蒸發(fā)氣化不可避免地會(huì)經(jīng)歷氣液兩相流動(dòng)沸騰換熱階段，這是最常見(jiàn)、最復(fù)雜的流動(dòng)形態(tài)。豎直上升翅片管中的流型會(huì)隨著氣液兩相的相對(duì)含量、相對(duì)位置、相對(duì)溫度的不同出現(xiàn)較大的差異，從下到上依次可能出現(xiàn)泡狀流、彈狀流、攪拌流、環(huán)狀流、環(huán)形霧狀流以及彌散流[2]，如圖2所示。而常見(jiàn)的空溫式氣化器多為蛇形布置，除了豎直上升翅片管，還包含有豎直下降翅片管。豎直下降翅片管僅含有豎直兩相流中的3大流型，即泡狀流、彈狀流以及環(huán)狀流，其傳熱性能相較于豎直上升翅片管有明顯差距[3]。

圖2 豎直上升管中的氣液兩相流型圖

3.1 豎直管內(nèi)流型特征

豎直管內(nèi)的流型特征是氣液兩相流研究的重點(diǎn)。Mishima等[4]在傳統(tǒng)的兩相流準(zhǔn)則之上，根據(jù)流型轉(zhuǎn)換機(jī)理，開(kāi)發(fā)出了新的氣液兩相流流型，提出了完整的理論模型，通過(guò)與已有的兩相流流型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)新模型既可以很好地符合常壓下的水和空氣兩相流，又能夠適用于水和水蒸氣在豎直圓管內(nèi)的兩相流動(dòng)，為管內(nèi)沸騰兩相流流型的研究奠定了基礎(chǔ)。以上述常溫、高溫工質(zhì)兩相流流型為基礎(chǔ)，Ozawa等[5]研究了低溫液氮在豎直上升管內(nèi)的兩相流動(dòng)沸騰流型，并將流型自下向上依次定義為泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流和反環(huán)狀流，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液氮在豎直管內(nèi)的流型圖與Mishima的研究結(jié)果基本相符，這表明在不同工況溫度下豎直管內(nèi)氣液兩相流的流型有著非常相似的特征。值得警惕的是，在豎直管內(nèi)氣泡不斷地增加和聚合，形成彈狀流型后可能會(huì)發(fā)生間歇性的噴發(fā)[6]，這種非穩(wěn)定現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)壓力的波動(dòng)，對(duì)管路會(huì)造成結(jié)構(gòu)性的破壞。為了對(duì)這種非穩(wěn)定現(xiàn)象的形成和發(fā)展進(jìn)行探索，Das等[7]使用電容測(cè)量方法分析管內(nèi)流體的氣相份額，通過(guò)分析脈動(dòng)頻譜測(cè)定流型變化，并針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了一種分析模型，盡管這在當(dāng)時(shí)具有一定的先進(jìn)性，但是并不能直觀顯示管內(nèi)流型的分布。張華[8]使用高速攝像機(jī)對(duì)不同傾斜角度管內(nèi)液氮?dú)馀莸纳仙俾蔬M(jìn)行了可視化研究，通過(guò)與常溫液體中氣泡的上升速率相比較反映出低溫液體的物理特性，并結(jié)合多尺寸組（Multiple Size Group，MUSIG）模型建立了描述管內(nèi)低溫液體氣泡的碰撞、聚合過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氣泡的特征、尺寸以及分布等。劉亦鵬[9]研究了低溫管道內(nèi)液氮中Taylor氣泡的形成，使用粒子圖像測(cè)速（Particle Image Velocimetry，PIV）測(cè)量法對(duì)氣泡形成的位置、長(zhǎng)度和速度進(jìn)行了可視化研究，探究了流場(chǎng)湍流強(qiáng)度、熱流密度、管道內(nèi)徑以及傾斜角度對(duì)氣泡形成的影響。

低溫工質(zhì)豎直管內(nèi)流型的分布特征與沸騰流動(dòng)傳熱特性有著密切的關(guān)系，兩者相互作用、相互影響，熱壁面為氣泡的生長(zhǎng)和發(fā)展提供熱動(dòng)力，而氣泡的脫離、碰撞擠壓和融合又對(duì)熱壁面形成強(qiáng)冷卻。同時(shí)，管壁的熱流密度和低溫工質(zhì)的流速對(duì)兩相流中的氣泡份額有著直接的影響，使得氣泡團(tuán)的形成而引發(fā)流型的改變。對(duì)于空溫式氣化器，要警惕管內(nèi)氣液兩相流由于壓力波動(dòng)所帶來(lái)的不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性造成的管道振動(dòng)可能引發(fā)設(shè)備的疲勞破壞。

3.2 低溫工質(zhì)管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱

目前關(guān)于以LNG為主的低溫工質(zhì)在管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱研究極少。但是由于LNG的主要組分——甲烷在常壓的沸點(diǎn)較低（－161.5 ℃）與液氮等低溫工質(zhì)的沸點(diǎn)溫度（－196 ℃）較為接近，所以LNG與其他低溫工質(zhì)在管內(nèi)的流動(dòng)沸騰傳熱存在著相似特征。因此，筆者選擇已獲得較多研究成果的液氮、液氦作為類比工質(zhì)，介紹關(guān)于低溫工質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱特性，主要聚焦于流動(dòng)沸騰傳熱機(jī)理和傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，這對(duì)于低溫LNG管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱研究具有指導(dǎo)意義。

目前為止，所發(fā)展的管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱機(jī)理認(rèn)為，傳熱是由兩部分組成：一是在管壁表面的核態(tài)沸騰，其包含了氣化核心的形成、氣泡的生長(zhǎng)、脫離壁面等過(guò)程，主要依賴于壁面上的氣化成核點(diǎn)，與壁面熱流密度的關(guān)系密切；二是強(qiáng)制對(duì)流蒸發(fā)，主要是氣液之間邊界處的蒸發(fā)換熱，主要依賴于管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流量和含氣量，這種傳熱方式在環(huán)狀流階段尤為明顯。

經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了多種不同形式的流動(dòng)沸騰傳熱經(jīng)驗(yàn)公式，因此Webb等[10]對(duì)流動(dòng)沸騰傳熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了總結(jié)，將其分為3種類型：疊加模型、漸進(jìn)模型和增強(qiáng)模型。

疊加模型是由核態(tài)沸騰和對(duì)流蒸發(fā)傳熱系數(shù)分別與抑制因子和增強(qiáng)因子相乘，然后進(jìn)行簡(jiǎn)單的算數(shù)加和計(jì)算而得：

式中h表示傳熱系數(shù)；hnb表示核態(tài)沸騰傳熱系數(shù)；hce表示對(duì)流蒸發(fā)傳熱系數(shù)；S表示抑制因子；E表示增強(qiáng)因子。

盡管不是疊加模型的提出者，但Chen[11]發(fā)展了兩相流動(dòng)沸騰方程，并對(duì)飽和流動(dòng)沸騰傳熱進(jìn)行了詳細(xì)的研究。其中，核態(tài)沸騰與固體表面的物理特征、表面的過(guò)熱度以及熱流密度相關(guān)，此時(shí)管內(nèi)沸騰和池內(nèi)沸騰并無(wú)區(qū)別，因此使用Foster-Zuber方程計(jì)算核態(tài)沸騰換熱系數(shù)；對(duì)流蒸發(fā)則主要與氣液兩相的流速和體積分?jǐn)?shù)相關(guān)，使用Dittus-Boelter方程計(jì)算。隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷豐富，Bennett等[12]對(duì)之前的傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了修正，主要是增加了核態(tài)沸騰抑制因子的關(guān)聯(lián)式。Chen提出的傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式經(jīng)過(guò)了多種工質(zhì)在豎直向上管內(nèi)沸騰試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，具有計(jì)算精度高，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，理論上可適用于液相的過(guò)冷沸騰段到氣相的強(qiáng)制對(duì)流段，但實(shí)際上在干度范圍為0.7～1.0時(shí)適用性相對(duì)較差。

漸進(jìn)模型是兩種傳熱模式系數(shù)指數(shù)形式加和計(jì)算，其中指數(shù)n因工質(zhì)而異，目前還沒(méi)有確切的理論意義，通常取值介于2～3，如下式：

Liu等[13]在算數(shù)疊加模型的基礎(chǔ)之上開(kāi)發(fā)出了新的關(guān)聯(lián)式，即漸進(jìn)模型。該模型對(duì)于管內(nèi)的飽和流動(dòng)沸騰和過(guò)冷流動(dòng)沸騰都有比較好的適用性。在核態(tài)沸騰換熱占據(jù)主導(dǎo)地位的傳熱區(qū)域或者以強(qiáng)制對(duì)流換熱為主的區(qū)域，疊加模型和漸進(jìn)模型的計(jì)算結(jié)果都比較接近，而兩者出現(xiàn)明顯差異的地方是在核態(tài)沸騰與強(qiáng)制對(duì)流大小相當(dāng)?shù)膮^(qū)域。

增強(qiáng)模式則使用沸騰準(zhǔn)則數(shù)來(lái)表征核態(tài)沸騰對(duì)綜合換熱系數(shù)的影響，并由其計(jì)算的修正因子與強(qiáng)制對(duì)流蒸發(fā)系數(shù)進(jìn)行乘積，即

式中e表示修正因子。

Shah[14]在1982年最先提出了這種增強(qiáng)模型。式（3）中的修正因子通常取增強(qiáng)因子和抑制因子兩者的最大值。與疊加模型中的增強(qiáng)因子和抑制因子計(jì)算公式完全不同，增強(qiáng)模型中的計(jì)算公式引入了沸騰準(zhǔn)則數(shù)和含氣量等參數(shù)。

近年來(lái)的沸騰流動(dòng)傳熱研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式基本還是以上述3種模型為藍(lán)本，這些關(guān)聯(lián)式對(duì)于水和常用的制冷劑有比較好的預(yù)測(cè)性，但是對(duì)于低溫工質(zhì)仍有較大的不確定度。未來(lái)在三者基礎(chǔ)之上，若要開(kāi)發(fā)研究出通用型傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，則仍需要進(jìn)一步地探究流動(dòng)沸騰傳熱的微觀機(jī)理。

目前對(duì)于低溫工質(zhì)在管內(nèi)的流動(dòng)沸騰傳熱研究，多是以單組分兩相流為主，譬如液氮、液氧以及液氫等。Klimenko[15]搜集了一系列液氮、液氫、液氖的管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱數(shù)據(jù)，并首次嘗試建立低溫介質(zhì)的沸騰對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式。盡管當(dāng)時(shí)由于數(shù)據(jù)不充裕等原因，關(guān)聯(lián)式的誤差較大，但是為后續(xù)低溫工質(zhì)的研究奠定了基礎(chǔ)。Deev等[16]對(duì)比了Klimenko的傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式與自己的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他6組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)誤差在20%以內(nèi)。隨著時(shí)間的推移，低溫介質(zhì)在管內(nèi)的沸騰對(duì)流傳熱數(shù)據(jù)越來(lái)越豐富，Shah[17]將11組液氮、液氖、液氦以及液氬在豎直或者水平管內(nèi)的沸騰數(shù)據(jù)與自己的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式和Klimenko的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式分別進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)自己提出的關(guān)聯(lián)式能夠與其中的9組數(shù)據(jù)進(jìn)行很好的符合，但是與其他部分?jǐn)?shù)據(jù)相比的平均誤差過(guò)高，最高達(dá)到了59%，而Klimenko的關(guān)聯(lián)式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較遠(yuǎn)，甚至在高壓力和高熱流密度階段對(duì)氣相分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)趨勢(shì)完全錯(cuò)誤。Kandlikar[18]研究了液氮、液氖等在豎直管內(nèi)的流動(dòng)傳熱特性，利用增強(qiáng)模型發(fā)展出了一種新的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。該經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式對(duì)于水和其他制冷劑工質(zhì)有較好的符合特性，但是對(duì)于低溫液氮和液氖有著不可接受的誤差，可能是由于以當(dāng)時(shí)低溫條件下的試驗(yàn)測(cè)試精度較差。Steiner[19]在Kandlikar的研究基礎(chǔ)上對(duì)核態(tài)沸騰和對(duì)流傳熱分別進(jìn)行詳細(xì)研究，并將工質(zhì)壓力、熱流密度、管壁粗糙度以及管徑尺寸等參數(shù)整合進(jìn)修正方程之中，而對(duì)流傳熱系數(shù)主要受氣液兩相流密度之比和干度的影響。于忠杰[20]以液氮為工質(zhì)，對(duì)豎直管路中液氮兩相流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)經(jīng)典的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)Klimenko經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式和Shan經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的預(yù)測(cè)效果相對(duì)較好，但仍有較大誤差。

通過(guò)對(duì)比低溫工質(zhì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和沸騰流動(dòng)傳熱關(guān)聯(lián)式，可以發(fā)現(xiàn)大部分關(guān)聯(lián)式的計(jì)算值都大于試驗(yàn)值，這可能是由于對(duì)核態(tài)沸騰和對(duì)流蒸發(fā)的耦合作用缺乏深層次的研究。盡管核態(tài)沸騰在傳熱過(guò)程中占據(jù)著主導(dǎo)作用，但是核態(tài)沸騰和對(duì)流蒸發(fā)的相互作用并不像3種模型所描述的那么簡(jiǎn)單，這需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐理論的進(jìn)一步發(fā)展。然而，相較于非低溫流體工質(zhì)，低溫流體工質(zhì)的沸騰流動(dòng)傳熱研究報(bào)道的試驗(yàn)數(shù)據(jù)依然比較欠缺，而且由于試驗(yàn)條件的差異性，從不同文獻(xiàn)中收集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)往往缺乏一定的連續(xù)性，這對(duì)低溫沸騰傳熱關(guān)聯(lián)式的研究造成了很大的困擾。

3.3 烷烴類工質(zhì)沸騰傳熱

針對(duì)烷烴類工質(zhì)的流動(dòng)沸騰傳熱研究大多集中在低溫制冷領(lǐng)域，且多是以丙烷、戊烷和辛烷等為主，涉及甲烷的研究極少。這些烷烴類工質(zhì)與LNG相比，除了各組分所占比重有明顯的差異外，兩類液相之間的泡點(diǎn)溫度也有較大的差別。因此，并不能將無(wú)甲烷的液相烷烴類混合物的流動(dòng)沸騰傳熱理論直接應(yīng)用于LNG，同時(shí)相關(guān)的傳熱預(yù)估關(guān)聯(lián)式也不可直接采用。然而，盡管乙烷、丙烷等烷烴在LNG中所占比重較小，但它們同樣也是LNG中不容忽略的組成部分。因此，對(duì)乙烷和丙烷等烷烴類混合物流動(dòng)沸騰傳熱的探究，對(duì)深入了解LNG流動(dòng)換熱特性也有著積極的意義。

乙烷是LNG中含量?jī)H次于甲烷的輕烴組分，對(duì)于乙烷的研究主要是將其作為低溫級(jí)制冷劑（R170）展開(kāi)的。Zou[21]針對(duì)水平管內(nèi)的乙烷飽和流動(dòng)沸騰傳熱展開(kāi)了試驗(yàn)研究，并系統(tǒng)地分析了質(zhì)量流量、熱流密度、含氣率對(duì)傳熱系數(shù)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)乙烷在水平管內(nèi)的傳熱過(guò)程主要是以核態(tài)沸騰為主，通過(guò)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與3種關(guān)聯(lián)模型中選取的9個(gè)常見(jiàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行比較分析，得出漸進(jìn)模型和增強(qiáng)模型的關(guān)聯(lián)式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好，而疊加模型預(yù)測(cè)效果較差。姚遠(yuǎn)等[22]利用高速攝影機(jī)研究了乙烷的核態(tài)沸騰過(guò)程中氣泡的生長(zhǎng)、脫離和上升行為特征，通過(guò)試驗(yàn)繪制出單個(gè)氣泡的生長(zhǎng)直徑與時(shí)間的變化關(guān)系，采用分段預(yù)測(cè)模型發(fā)現(xiàn)氣泡脫離直徑、頻率與壁面熱流密度之間呈現(xiàn)正相關(guān)。但是事實(shí)上除了以上的考察參數(shù)外，氣泡行為還與管內(nèi)壓力、壁面粗糙度以及工質(zhì)的物性參數(shù)有直接關(guān)系，這些也都是影響管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱的影響因素，若能夠在關(guān)聯(lián)式中引入這些因素，即可進(jìn)一步提高其預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

丙烷可作為環(huán)保型的低溫制冷劑用于代替R22和R502。Shen等[23]針對(duì)丙烷的核態(tài)沸騰傳熱進(jìn)行了研究，采用改變圓管壁面的熱流密度使管內(nèi)的丙烷經(jīng)歷了自然對(duì)流到核態(tài)沸騰的轉(zhuǎn)變，并且與前人報(bào)道的試驗(yàn)值和計(jì)算值進(jìn)行了比較，兩者的誤差在20%以內(nèi)，較為接近。Choi等[24]探究了丙烷在水平光滑微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性及壓降特點(diǎn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明沸騰換熱系數(shù)隨著內(nèi)管徑的增加而減小，但是隨著液體飽和溫度的上升而增大。流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)與Shah[14]發(fā)展的關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)公式能較好地符合，并在疊加模型的基礎(chǔ)上重新發(fā)展出了新的沸騰換熱模型關(guān)聯(lián)式，平均誤差僅有－2.42%。與此相對(duì)應(yīng)，Wang等[25]將水平管的內(nèi)徑擴(kuò)大至6 mm，并對(duì)壓降和傳熱系數(shù)進(jìn)行了全面的研究，試驗(yàn)表明傳熱系數(shù)隨著質(zhì)量流量和熱流密度的增加而增大，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與5個(gè)常用關(guān)聯(lián)式對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，Liu-Winterton模型能夠與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較好地匹配，相對(duì)誤差小于10%。

除乙烷、丙烷等單質(zhì)外，烷烴類混合工質(zhì)的流動(dòng)沸騰傳熱也獲得了較多的研究。乙烷、丙烷混合工質(zhì)在水平管內(nèi)的飽和流動(dòng)沸騰傳熱特性與單質(zhì)的沸騰傳熱有著明顯的區(qū)別，特別是對(duì)于此類非共沸混合物，陳高飛等[26]的試驗(yàn)研究表明當(dāng)混合物中乙烷的摩爾濃度比升高時(shí)，混合物的傳熱系數(shù)逐漸下降，在靠近泡點(diǎn)和露點(diǎn)溫差最大的位置，傳熱系數(shù)的下降幅度也最大。Wen[27]對(duì)水平管內(nèi)的丙烷、丁烷以及兩者混合物的流動(dòng)沸騰傳熱展開(kāi)了試驗(yàn)研究，探討了質(zhì)量流速和熱流密度對(duì)于沸騰傳熱系數(shù)的影響，并以增強(qiáng)模型為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出新的傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式。對(duì)于混合工質(zhì)，由于熱物性的差異，需要通過(guò)引入修正因子使得預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間的平均誤差在11.15%。除了丙烷與乙烷混合物、丙烷與丁烷混合物，丙烷與戊烷等混合工質(zhì)也獲得了一定的研究，Shin等[28]針對(duì)包括丙烷和戊烷在內(nèi)的多種單質(zhì)及混合物的流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果表明在低氣相分?jǐn)?shù)的區(qū)域，傳熱系數(shù)受到熱流密度的影響較大，在高氣相分?jǐn)?shù)的區(qū)域，傳熱系數(shù)幾乎不受其影響，從側(cè)面印證了Chen發(fā)展的兩相流沸騰模型的合理性。然而在與Gungor等[29]的傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)比以后，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值小于預(yù)測(cè)值，且平均誤差較大，超過(guò)了30%。

值得注意的是，近年來(lái)隨著LNG工業(yè)的快速發(fā)展，涉及到甲烷的沸騰傳熱研究已經(jīng)開(kāi)始逐步顯現(xiàn)。Gong等[30]將甲烷以及甲烷與乙烷、丙烷、異丁烷等組成的二元或多元混合物作為研究工質(zhì)，結(jié)果表明對(duì)于非共沸的多元混合物，隨著泡點(diǎn)與露點(diǎn)之間的溫差變大，沸騰傳熱系數(shù)減小的幅度也變大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與半經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值相比，誤差在25%左右。陳東升等[31]針對(duì)LNG在豎直上升管內(nèi)和水平管內(nèi)的流動(dòng)沸騰傳熱和壓降特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，并指出質(zhì)量流量對(duì)LNG管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)影響較大，特別是在較高的流量工況下，傳熱系數(shù)隨干度的增加呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)。

針對(duì)LNG的低溫特性和烷烴類的有機(jī)特點(diǎn)，到目前為止可適用于管內(nèi)LNG流動(dòng)沸騰傳熱的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式主要有4種（表1）。其中，Chen關(guān)聯(lián)式在管內(nèi)干度大于0.7時(shí)，準(zhǔn)確性大幅下降，在LNG的蒸發(fā)沸騰后期適用性變差；Gungor關(guān)聯(lián)式使用的工質(zhì)多為常規(guī)制冷劑，其飽和溫度相較于LNG的溫度較高；Zou關(guān)聯(lián)式應(yīng)用于空溫式LNG傳熱系數(shù)研究的最大障礙在于其關(guān)聯(lián)式對(duì)應(yīng)的流型為水平管而非豎直管，所以其準(zhǔn)確度仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，到目前為止，Klimenko關(guān)聯(lián)式最適合應(yīng)用于空溫式LNG管內(nèi)沸騰傳熱的研究?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著LNG快速發(fā)展的迫切需求以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷提高，LNG管內(nèi)的流動(dòng)沸騰傳熱機(jī)理會(huì)被不斷揭示，與之相關(guān)的傳熱模型及關(guān)聯(lián)式也會(huì)日趨豐富和完善。

表1 4種主要管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式表

4 空溫式氣化器管外結(jié)霜特性

空溫式氣化器在運(yùn)行時(shí)，翅片管外表面的溫度較低，有時(shí)甚至低至－120 ℃，此時(shí)空氣中的水蒸氣會(huì)在翅片管的外表面快速凝固形成冰晶，隨著時(shí)間的推移逐步生長(zhǎng)、累積形成霜層（圖3）。如此，除輻射換熱外，空溫式氣化器外表面的換熱形式就從空氣與翅片管間的自然對(duì)流換熱轉(zhuǎn)變?yōu)槌崞芘c霜層之間的導(dǎo)熱以及霜層與空氣之間的對(duì)流換熱。顯然霜層的存在既會(huì)導(dǎo)致翅片管與空氣之間的換熱熱阻增加，又會(huì)使空氣的流通截面變窄，增大空氣流經(jīng)氣化器的阻力，這會(huì)造成空溫式氣化器的氣化能力嚴(yán)重下降，有時(shí)不得不停機(jī)除霜。無(wú)論是從設(shè)計(jì)制造還是運(yùn)行維護(hù)的角度來(lái)看，對(duì)于空溫式氣化器結(jié)霜問(wèn)題的研究，均有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、節(jié)省制造材料、降低企業(yè)成本和提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 翅片管結(jié)霜圖

4.1 結(jié)霜機(jī)理

結(jié)霜的本質(zhì)是空氣中水蒸氣的相變，其受到多種因素的影響，包括冷面溫度、環(huán)境空氣濕度和溫度以及空氣的流速等。其過(guò)程通常分為結(jié)晶生長(zhǎng)期、霜層生長(zhǎng)期以及霜層老化期。當(dāng)濕空氣接觸到冷壁面時(shí)，由于溫度下降至露點(diǎn)，空氣中的水蒸氣會(huì)冷凝液化形成水層。若溫度進(jìn)一步下降并低于水的三相點(diǎn)，冷壁面會(huì)形成冰層。水蒸氣繼而會(huì)在冰層上發(fā)生凝華現(xiàn)象，形成結(jié)晶胚胎。結(jié)晶胚胎在冰層上呈均勻點(diǎn)狀分布，并沿著冷壁面的法線方向以柱狀增長(zhǎng)。柱狀的霜晶體生長(zhǎng)到一定高度以后，開(kāi)始分叉形成枝狀結(jié)晶。隨著枝狀結(jié)晶的發(fā)展，在其上部就會(huì)形成平坦的網(wǎng)狀霜層。由于霜層熱阻較大，其頂部溫度會(huì)逐漸上升至0 ℃，此時(shí)霜層融化，生成的水進(jìn)入霜層內(nèi)部后形成凍冰，霜層的導(dǎo)熱率因而增大，霜層表面繼續(xù)受冷結(jié)霜，如此形成融化—結(jié)冰—融化的老化過(guò)程（圖4）。

圖4 霜層形成過(guò)程示意圖[32]

為了探究霜層的生長(zhǎng)規(guī)律，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者不斷提出各種形式的霜層物理模型，包含有多孔模型、冰柱模型、多空—冰柱復(fù)合模型以及復(fù)雜的并串聯(lián)上下兩層模型。Jones等[33]將霜層看作多孔的物質(zhì)，基于水蒸氣分子在霜層中的擴(kuò)散理論，結(jié)合能量與質(zhì)量平衡方程，開(kāi)發(fā)出新的多孔理論模型。該模型可以適應(yīng)環(huán)境參數(shù)的變化，能夠很好地符合試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。Schneider[34]使用冰柱模型研究了霜層在冷表面的增長(zhǎng)速率，并指出霜層的厚度與雷諾數(shù)和蒸汽壓無(wú)關(guān)，僅遵循冰晶的生長(zhǎng)規(guī)律，其發(fā)展的模型方程能夠與前人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地符合，誤差在3.7%以內(nèi)。孫玉清等[35]針對(duì)上述幾種霜層結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，依據(jù)理論和試驗(yàn)研究，認(rèn)為霜層的上部為冰層，下部為并列的冰柱與空氣的混合，其建立的霜層導(dǎo)熱系數(shù)模型更加接近于實(shí)際問(wèn)題。

4.2 結(jié)霜對(duì)翅片管換熱的影響

翅片管結(jié)霜的問(wèn)題一直困擾著人類的生產(chǎn)與生活，從工業(yè)生產(chǎn)中的深冷換熱器到家用空調(diào)的蒸發(fā)器，尤其在低溫制冷領(lǐng)域，此類問(wèn)題的研究極為豐富。Kondepudi等[36]探究了霜層在翅片管換熱器上生長(zhǎng)的影響因素，基于對(duì)數(shù)平均焓差的方法，在結(jié)霜條件下，量化了傳熱系數(shù)與空氣濕度、空氣迎面流速以及翅片間距之間的關(guān)系，較高的空氣濕度、空氣迎面流速，較大的翅片密度均會(huì)促使翅片管傳熱系數(shù)的增大。Gatchilov等[37]研究了不同翅片間距的換熱器結(jié)霜情況，發(fā)現(xiàn)換熱器的換熱系數(shù)隨著空氣濕度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這與后來(lái)多個(gè)研究人員成果相印證，原因是初始條件下，霜層的形成增大了翅片管的換熱面積，強(qiáng)化了換熱效果，但隨著霜層的進(jìn)一步生長(zhǎng)，其熱阻較大，并逐漸發(fā)展成主要影響因素，導(dǎo)致?lián)Q熱效果惡化。

空溫式氣化器常用的星形翅片管近年來(lái)也獲得一定的研究。Jeong等[38]對(duì)空溫式氣化器的翅片進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，將翅片角度和翅片厚度作為研究參數(shù)，分析了霜層厚度對(duì)傳熱系數(shù)的影響，計(jì)算結(jié)果能夠很好地與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配。因此，可以用來(lái)對(duì)氣化器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。除了數(shù)值計(jì)算，Jeong等[39]通過(guò)空調(diào)等設(shè)備設(shè)計(jì)不同季節(jié)的大氣環(huán)境，研究不同時(shí)期空溫式氣化器的換熱特性，試驗(yàn)結(jié)果表明氣化器外表面結(jié)霜受到空氣的濕度、迎面速度以及管內(nèi)工質(zhì)的流速和溫度等因素的影響，這與Kondepudi研究結(jié)論保持了一致性。Lee等[40]模擬和分析了中等規(guī)模的空溫式氣化器表面結(jié)霜特性，開(kāi)發(fā)了一種動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算模型，并計(jì)算了霜層的厚度和LNG不同位置的溫度隨時(shí)間的變化，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的平均誤差在5.5%以內(nèi)。

此外，國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者對(duì)空溫式翅片管的結(jié)霜問(wèn)題也做了部分研究。蘇海林[41]針對(duì)星形翅片管換熱器的結(jié)霜過(guò)程做了詳細(xì)的研究，試驗(yàn)表明結(jié)霜量隨著時(shí)間呈現(xiàn)拋物線增長(zhǎng)，霜層厚度在初期快速增長(zhǎng)，而后霜層的增長(zhǎng)逐漸平緩。盡管蘇海林建立了翅片管結(jié)霜過(guò)程中的數(shù)學(xué)理論模型，并計(jì)算了霜層厚度、密度與導(dǎo)熱率之間的關(guān)系，但是將霜層密度簡(jiǎn)化為與霜層表面溫度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的做法過(guò)于簡(jiǎn)略，因?yàn)殡S著霜層的生長(zhǎng)與老化的交替進(jìn)行，其密度必然發(fā)生明顯改變。趙平[42]設(shè)計(jì)并完成了星形翅片管結(jié)霜特性研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，通過(guò)改變環(huán)境條件以及低溫工質(zhì)的流量和壓力，研究翅片管表面霜層的生長(zhǎng)規(guī)律及結(jié)霜對(duì)翅片管換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)若管內(nèi)低溫工質(zhì)流量保持穩(wěn)定，表面霜層將不會(huì)融化結(jié)冰，而空氣受冷后形成的下降氣流會(huì)沖刷部分霜層使其脫落，且低溫工質(zhì)的流量越大，下降氣流越明顯，霜層的脫落區(qū)域就越大，這對(duì)氣化器的除霜研究具有一定的借鑒意義。李瀾[43]在已有的霜晶生長(zhǎng)和霜層結(jié)構(gòu)模型之上，建立了霜層生長(zhǎng)過(guò)程中的質(zhì)量和能量守恒方程，并引入了霜層導(dǎo)熱系數(shù)和霜層表面溫度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，使方程組得以封閉可解，得出霜層的物性參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，計(jì)算了各個(gè)因素對(duì)霜層熱阻的影響。李瀾發(fā)現(xiàn)霜層外表面與周?chē)h(huán)境之間的輻射傳熱系數(shù)與外表面的自然對(duì)流換熱系數(shù)有著相同的數(shù)量級(jí)，因此通常忽略輻射換熱的做法并不可取。但是在計(jì)算輻射換熱系數(shù)時(shí)，作者卻使用的是翅片外壁面溫度和冰表面發(fā)射率，這種計(jì)算方式值得商榷。王明秋[44]進(jìn)行了結(jié)霜工況下低溫工質(zhì)在空溫式氣化器內(nèi)的氣化試驗(yàn)，分析了管內(nèi)工質(zhì)的氣化規(guī)律及其與翅片表面霜層生長(zhǎng)的相互影響，試驗(yàn)結(jié)果表明在翅尖位置最先出現(xiàn)霜層，沿管徑方向翅根位置最晚結(jié)霜，在結(jié)霜初期霜層厚度的平均增長(zhǎng)率為0.16 mm/s，結(jié)霜中期其平均增長(zhǎng)率為0.07 mm/s。相較于前人的氣化器表面結(jié)霜測(cè)試平臺(tái)，王明秋的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更為豐富和全面，包含霜層的厚度、翅片表面整體的溫度、翅端溫度以及換熱空氣的溫度和相對(duì)濕度，但是仍然缺乏霜層密度的測(cè)試數(shù)據(jù)。

對(duì)于空溫式LNG氣化器而言，根據(jù)濕空氣在翅片管外傳熱與傳質(zhì)過(guò)程獲得霜層的質(zhì)量增長(zhǎng)速率方程以及結(jié)霜過(guò)程中的能量守恒方程，但是僅靠這兩類方程組無(wú)法獲得相關(guān)的數(shù)值解，因此需要建立霜層導(dǎo)熱系數(shù)和霜層密度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，以使得方程組封閉。除了可以基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立兩者之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式外，根據(jù)霜層的孔隙率這一關(guān)鍵參數(shù)，也可以建立霜層導(dǎo)熱系數(shù)與其密度之間的關(guān)系，這是比較常見(jiàn)的數(shù)值計(jì)算處理方法。

4.3 翅片管換熱器的抑霜除霜

當(dāng)霜層導(dǎo)致空溫式氣化器的換熱效果惡化后，通常就需要啟動(dòng)備用設(shè)備，并對(duì)結(jié)霜?dú)饣鬟M(jìn)行人工除霜。尤其在寒冷的冬天，除霜過(guò)程幾乎是每臺(tái)空溫式氣化器都需要經(jīng)歷的階段。常規(guī)的換熱器抑霜除霜方法有兩種：一種是引入其他熱源對(duì)換熱器表面的霜層加熱實(shí)施融霜；另外一種就是改善翅片管的物理結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特性，減少霜層的累積或者使其階段性脫落。當(dāng)空溫式氣化器停止運(yùn)行后，可借助于周?chē)諝獾臒崃窟M(jìn)行融霜，但是這種融霜方式受季節(jié)和環(huán)境的影響較大，融霜時(shí)間難以控制，嚴(yán)重時(shí)需要增加備用設(shè)備的臺(tái)數(shù)。而采用其他熱源融霜，較為方便的是利用部分天然氣燃燒釋放的熱量加熱管內(nèi)的LNG，但是這種方式存在能耗高、設(shè)備復(fù)雜、有污染的弊端。由此可見(jiàn)，第二種除霜抑霜方法更具有吸引力。

基于Barthlott等[45]提出的“蓮花效應(yīng)”，許多研究人員利用試驗(yàn)證實(shí)了疏水表面具有一定的抑霜研究特性。Wu等[46]通過(guò)試驗(yàn)探究了霜層在疏水表面的分布及生長(zhǎng)，結(jié)果表明疏水部位霜晶出現(xiàn)較晚，結(jié)晶點(diǎn)較少。但是，疏水表面對(duì)于結(jié)霜的抑制作用僅在結(jié)霜初期有效，一旦疏水層被冰層覆蓋，疏水表面即失去作用。但上述研究是基于水平表面，而對(duì)于空溫式氣化器豎直翅片表面而言，若被疏水涂層覆蓋，其表面最初形成的冷凝液滴會(huì)發(fā)生凝并的現(xiàn)象，從而形成直徑較大的液滴，在重力作用下大體積的液滴可沿表面快速滾落，這樣即可抑制冰層的形成，從而抑制霜層的形成。隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，納米結(jié)構(gòu)超疏水材料同樣被用于抑霜研究。丁云飛等[47]研究了7種不同的納米材料抑霜效果，結(jié)果表明全納米結(jié)構(gòu)表面的抑霜特性最好。納米結(jié)構(gòu)的疏水表面不但具備更強(qiáng)的耐蒸汽冷凝能力，還會(huì)使冷凝液滴發(fā)生自彈跳現(xiàn)象[48-49]。一般的疏水涂層在結(jié)霜—融霜反復(fù)交替出現(xiàn)的條件下，由于受到低溫—常溫交變載荷的作用，可能會(huì)形成表面老化脫落現(xiàn)象，但是納米結(jié)構(gòu)疏水表面卻具有相當(dāng)好的耐久性[50-51]，具備在空溫式氣化器上應(yīng)用的前景。

除了疏水表面，親水表面也可以抑制霜層的形成。因?yàn)橛H水涂層可以吸附大量的凝結(jié)水，并且還可以儲(chǔ)存部分潛冷，使得吸附的水在－20 ℃時(shí)不發(fā)生結(jié)冰。Liu等[52-53]試驗(yàn)開(kāi)發(fā)出一種強(qiáng)吸水抑霜涂料，相較于之前的吸水涂層，抑霜效果和使用壽命有了顯著提升，但是在低溫設(shè)備上應(yīng)用時(shí)由于吸水能力有限，導(dǎo)致抑霜能力不斷退化。親水表面涂層的抑霜效果與涂層的厚度有較大的關(guān)聯(lián)，要達(dá)到較好的抑霜效果就需要一定的厚度。但是厚度較高的涂層表面相對(duì)比較柔軟，抗沖擊的性能較差。盡管已有許多研究通過(guò)改進(jìn)涂層材料的生產(chǎn)工藝和組分比例，不斷降低所需涂層的厚度，但是親水涂層依然存在著先天性的不足。例如吸附大量水的涂層在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完全干燥，當(dāng)?shù)诙€(gè)工作循環(huán)開(kāi)始時(shí)，親水涂層的吸水能力就受到嚴(yán)重的削弱，如此往復(fù)其抑霜能力會(huì)逐漸消失。

無(wú)論是疏水涂層還是親水涂層，其生產(chǎn)工藝要求均比較高，高昂的制作成本可能會(huì)阻礙在空溫式氣化器上的應(yīng)用。不借助其他特殊材料，而直接對(duì)鋁翅片表面進(jìn)行改性，使其形成疏水表面將會(huì)更具有應(yīng)用前景。汪峰等[54]采用氫氧化鈉溶液刻蝕法，制備了接觸角的疏水性鋁翅片，揭示接觸角為90°～160e內(nèi)的4組疏水性鋁翅片表面對(duì)結(jié)霜的影響，結(jié)果表明翅片表面的接觸角越大，凝結(jié)液滴形成的越晚，抑霜效果越好。這對(duì)于未來(lái)開(kāi)發(fā)出具有抑霜作用的空溫式氣化器有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

1）國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)低溫工質(zhì)的管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析，但是關(guān)于LNG的豎直管內(nèi)流動(dòng)沸騰試驗(yàn)研究較少，更多的是采用流體計(jì)算軟件進(jìn)行的數(shù)值模擬計(jì)算，且計(jì)算過(guò)程中將LNG定義為單一組分虛擬物質(zhì)，不求解組分輸運(yùn)方程。已經(jīng)發(fā)展出的低溫工質(zhì)流動(dòng)沸騰傳熱關(guān)聯(lián)式，可以為L(zhǎng)NG的流動(dòng)沸騰研究提供一定的借鑒和參考意義，但由于工質(zhì)的熱物性彼此不同，并不能直接使用已有傳熱關(guān)聯(lián)式。目前關(guān)于LNG的熱物性試驗(yàn)數(shù)據(jù)還很欠缺，盡管已有較多采用不同混合規(guī)則的熱物性計(jì)算關(guān)聯(lián)式，但都因缺乏與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比而無(wú)法保證準(zhǔn)確性，這給LNG流動(dòng)沸騰傳熱研究帶來(lái)困難。對(duì)于LNG豎直管內(nèi)的流動(dòng)沸騰試驗(yàn)還需要開(kāi)展更加深入的研究，除了熱流密度、干度、質(zhì)量流量，還應(yīng)包括入口壓力、管徑、管長(zhǎng)以及內(nèi)壁面粗糙度的影響。LNG作為非共沸混合物，在發(fā)生沸騰相變時(shí)，氣相與液相之間的輕重組分濃度有著較大的不同，由此引起的傳質(zhì)擴(kuò)散阻力會(huì)對(duì)核態(tài)沸騰和對(duì)流蒸發(fā)造成消極影響，因此LNG混合物中的傳質(zhì)問(wèn)題非常具有研究的必要。

2）空溫式氣化器的管外結(jié)霜是一種非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，研究人員已經(jīng)提出了多種結(jié)霜結(jié)構(gòu)模型，從傳熱、傳質(zhì)的角度進(jìn)一步揭示了冷壁面上的結(jié)霜過(guò)程和生長(zhǎng)機(jī)理，這對(duì)于深入了解空溫式氣化器外翅片管的結(jié)霜過(guò)程有積極意義。但是，目前的結(jié)霜機(jī)理研究多是基于水平平板的結(jié)霜問(wèn)題，而對(duì)于自然對(duì)流條件下的豎直表面結(jié)霜還需要進(jìn)一步的探討。特別是對(duì)于空溫式氣化器外表面形成下降沖刷氣流時(shí)，翅片表面的結(jié)霜過(guò)程有很重要的研究意義。對(duì)于空溫式氣化器結(jié)霜試驗(yàn)的測(cè)量還需要盡可能地準(zhǔn)確測(cè)試霜層的密度，特別是經(jīng)歷了老化階段后的密度，這對(duì)于霜層的導(dǎo)熱系數(shù)影響較大。

3）相對(duì)于管內(nèi)流體沸騰流動(dòng)換熱系數(shù)而言，管外的空氣側(cè)換熱系數(shù)較低，若要強(qiáng)化空溫式氣化器的換熱能力，可先重點(diǎn)提高空氣側(cè)換熱系數(shù)，而最為直接和有效的方式就是降低翅片管外霜層熱阻。目前的抑霜除霜方法多是以試驗(yàn)探索為主，疏水材料比親水材料更加適合用于空溫式氣化器。這些新技術(shù)和新材料對(duì)于抑霜除霜有著良好的應(yīng)用前景，但是仍然面臨著壽命和穩(wěn)定性的問(wèn)題，距離實(shí)際的推廣與應(yīng)用仍有較長(zhǎng)的路途。此外，拋棄涂層而直接通過(guò)蝕刻形成疏水表面，與涂層相比應(yīng)該更具優(yōu)勢(shì)，既可以提高疏水表面的壽命，又可以減少額外的熱阻。這可以作為未來(lái)氣化器翅片表面疏水處理的優(yōu)先發(fā)展方向，且需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步探索研究。