CN105091652B - 一种抑制结霜强化自然对流的多级翅片管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制结霜强化自然对流的多级翅片管，包括中心管、多片呈星型布置的一级纵向翅片、连接一级纵向翅片的二级翅片。二级翅片表面平行于中心管轴线，将中心管外空间划分为多个纵向平行通道。一级翅片与二级翅片共同将翅片管形成一种封闭的气流通道。本发明翅片管中二级翅片阻止了大气环境中水蒸气从翅片管外侧空间向翅根部位的传递，水蒸气只能从翅片管顶部空间进入，抑制了结霜量。二级翅片提供的大比表面积增大了霜的分布面积，改善了霜的分布均匀性，抑制了霜在中心管与一级翅片根部的大量堆积，使每片翅片表面的霜层厚度变薄，使得传热热阻减小，融霜速度变快。二级翅片的大比表面积使得空气侧换热面积增大，换热得到强化。

Description

一种抑制结霜强化自然对流的多级翅片管

技术领域

本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种液化天然气、液氧、液氮等低温流体气化的空温式气化器。

背景技术

天然气作为最清洁的化石能源，其在世界能源结构中的比例逐渐增大。天然气以液化天然气(LNG)形式储运，具有成本低、使用方便、安全可靠等优点。LNG产业将成为中国未来能源发展的重点产业。近年来，我国LNG产业快速发展，国内LNG接收站和气化站的数目迅速增长。

在实际应用中，需要将液化天然气气化并达到常温后才能使用。气化器是气化系统的核心设备。目前常用的LNG气化器主要有(1)浸没燃烧型气化器，(2)电加热气化器，(3)开架式气化器，(4)空温式气化器。其中浸没燃烧型气化器与电加热气化器需要消耗额外的能量，运行费用高。开架式气化器采用海水作为热源，对海水品质有一定要求，且需要消耗电能驱动海水流动，对环境具有一定影响。空温式气化器采用自然界的常温空气加热LNG，具有能耗低、污染物排放量低等优点，在能源日益短缺背景下，空温式气化器在节能环保方面具有显著的优势。

目前常用的空温式气化器由若干星型翅片管按照一定的间距并联而成。气化过程可由单流程或串联的多流程来完成。星型翅片管内表面光滑或带有内表面微结构或包含内翅片。翅片管外侧通常呈星型布置若干纵向翅片。最常用的翅片管外侧有4、8、12翅片结构。翅片数越多，空气侧换热面积越大，空气侧换热越强。然而，由于纵向翅片呈放射状连接于圆管壁面，过多的翅片会使得翅片间距小，翅片间形成霜桥，导致换热恶化。因此，在结霜严重的部位(气化器的液相升温段与部分气化段)一般使用较少的翅片，如4片翅片。

目前国内LNG空温式气化器的应用率较低。这是因为：(1)现有LNG空温式气化器整体换热性能较差，设备的占地面积大、重量大、初投资大，使得该类气化器一般用于气化量较小的气化站，在LNG接收终端使用较少。(2)空温式气化器受外界环境的影响较大。在中国北方冬季，空温式气化器结霜严重，导致气化器出口温度过低，不能满足使用需求。(3)空温式气化器运行一段时间后需启用备用气化器以停机除霜，使设备运行成本增加。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种抑制结霜强化自然对流的多级翅片管，具有自然对流换热性能好、霜层薄、除霜快的特点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

包括中心管、从中心管表面引出的多片呈星型布置的一级纵向翅片以及连接于相邻一级纵向翅片之间的二级纵向翅片，所述一级纵向翅片与二级纵向翅片共同将所述翅片管形成一种封闭的气流通道。

所有二级纵向翅片与中心管保持一定距离。

所述二级纵向翅片表面平行于中心管轴线，二级纵向翅片将中心管外部分空间划分为多个纵向平行通道。

所述纵向平行通道横截面为多边形或圆形。

所述一级纵向翅片为平翅。

所述二级纵向翅片为平翅、弧形翅片、波纹翅片、格栅状翅片或蜂窝状翅片。

所述一级纵向翅片及二级纵向翅片采用耐低温、导热性能好的金属材料。

与现有技术相比较，本发明具备如下优点：

(1)受大气环境影响小、结霜量少、融霜快。星型翅片在翅根及中心管外表面结霜最为严重。与传统星型翅片管相比，本发明翅片管中二级翅片阻止了大气环境中水蒸气从翅片管外侧空间向一级翅片翅根部位的传递，水蒸气只能从翅片管顶部空间进入，抑制了翅片内表面的结霜量。由于翅片管外侧空间的水蒸汽只能与二级翅片外表面接触，而二级翅片外表面温度较一级翅片翅根部位的温度高，因此二级翅片外表面结霜量也较少。此外，二级翅片提供的大比表面积增大了霜的分布面积，改善了霜的分布均匀性，抑制了霜在中心管与一级翅片根部的大量堆积，使每片翅片表面的霜层厚度变薄，使得传热热阻减小，融霜速度变快。

(2)空气侧自然对流换热量大。根据传热学分析，尽管现有空温式气化器星型翅片管采用翅片增大了空气侧换热面积，但是其热阻仍然远大于翅片导热热阻以及管内气化过程热阻。本发明提出的在一级翅片表面连接二级翅片的方案可以进一步减小空气侧自然对流换热热阻，进而强化翅片管的整体换热性能。此外，本发明提出的二级翅片将单根翅片管形成了一种封闭的流动通道，通道内的空气来源于翅片管顶部区域。翅片管顶部区域的空气温度高于翅片管外侧区域，因此可以进一步强化翅片管换热性能。

(3)采用多级翅片管的空温式气化器更紧凑、气化量更大、连续运行时间更长。与传统星型翅片管相比，在同等翅片管长基础上，多级翅片管可以提供更大的气化量；在同等气化量基础上，多级翅片管尺寸更小；在低温地区及季节，多级翅片管具有更长的运行周期。

附图说明

图1为本发明所述多级翅片管的结构示意图，其中b为a的A-A`剖视；

图2a为具有蜂窝结构的二级翅片；

图2b为具有波纹结构的二级翅片；

图2c为具有格栅结构的二级翅片；

图3a、图3b为弧形二级翅片；

图中：1为一级翅片，2为二级翅片，3为中心管，4二级翅片所处区域，δ1为一级翅片厚度，δ2为二级翅片厚度，Η1为一级翅片高度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明。

如图1所示，本发明所述抑制结霜强化自然对流的多级翅片管，包括一根中心管3、从中心管3表面引出的多片呈星型布置的一级翅片1以及连接一级翅片的二级翅片2(一级翅片以及二级翅片均为纵向翅片，所谓纵向是指与中心管轴向平行)，二级翅片2与一级翅片1紧密连接。所有二级翅片2与中心管3保持一定距离L1。作为本发明的优选实施方式，所述L1>10mm。所述二级翅片2具有蜂窝结构(图2a)、波纹翅片结构(图2b)、格栅翅片结构(图2c)或弧形翅片结构(图3a、图3b)。所述二级翅片2表面平行于中心管3轴线，将中心管3外空间划分为多个纵向平行通道，通道水力学当量直径为L2。作为本发明的优选实施方式，所述L2>10mm且L2不超过一级翅片高度。所述蜂窝结构、波纹翅片结构、格栅结构、弧形翅片结构，其形成的通道横截面为多边形、圆形或其他形状。所述一级翅片1为平翅，翅片厚度、高度根据气化量以及结构强度变化。二级翅片2为平翅、弧形翅片、波纹翅片、格栅状翅片、蜂窝状翅片，翅片厚度根据气化量以及结构强度变化。一级翅片1及二级翅片2的材料采用耐低温、导热性能好的金属材料，例如低温铝合金。

对比实验

在翅片管长度为1～5米，管壁温度变化范围为200K～250K，空气温度为298K，翅片材料为低温铝合金的情况下，采用数值模拟方法对比分析了两种翅片管的换热情况。第一种仅有4片一级翅片的翅片管。第二种是同时具有4片一级翅片及图2c所示格栅结构二级翅片的翅片管。二级翅片内边缘与中心管壁的距离L1约为40mm，二级翅片形成的空气通道水力学当量直径L2约为20mm。两种翅片管中心管(圆管)外径30mm，内径24mm，一、二级翅片厚度2～3mm，一级翅片高度80～100mm，长度等于中心管长。结果表明，第二种翅片管总换热量是第一种翅片管的3.5倍左右。进一步优化二级翅片结构形式，采用更高效的结构，如蜂窝翅片结构，可获得更优的换热效果。

Claims (2)

1.一种抑制结霜强化自然对流的多级翅片管，其特征在于：包括中心管(3)、从中心管(3)表面引出的多片呈星型布置的一级纵向翅片以及连接于相邻一级纵向翅片之间的二级纵向翅片，所述一级纵向翅片与二级纵向翅片共同将所述翅片管形成一种封闭的气流通道；

所述二级纵向翅片为格栅状翅片或蜂窝状翅片，二级翅片外表面温度较一级翅片翅根部位的温度高；

所述二级纵向翅片表面平行于中心管(3)轴线，二级纵向翅片将中心管(3)外部分空间划分为多个纵向平行通道；

所述纵向平行通道横截面为多边形或圆形；

所有二级纵向翅片与中心管(3)保持一定距离。

2.根据权利要求1所述一种抑制结霜强化自然对流的多级翅片管，其特征在于：所述一级纵向翅片及二级纵向翅片采用耐低温、导热性能好的金属材料。