CN107167025B - 一种抑制户外低温壁面结霜的复合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制低温壁面结霜的复合方法，其特征在于通过结合对壁面疏水化处理、改变壁面倾斜角和设置太阳能吸热材料的复合方法来达到抑制低温壁面结霜的目的。本发明的复合方法在换热设备运行时不需要额外消耗电能等有成本热能达到减少或者抑制低温壁面成霜的厚度，从而提高其换热效率，增加设备安全性。所述方法依据低温设备最大换热热阻和壁面低温凝霜特性，对易结霜壁面进行超疏水化处理以延迟壁面霜层形成时间和降低壁面霜层凝结的厚度；增大壁面倾斜角降低壁面凝珠停留时间；设置太阳能吸热材料提高壁面温度等方法达到减少壁面霜厚或抑制壁面霜层生长。

Description

一种抑制户外低温壁面结霜的复合方法

技术领域

本发明涉及一种抑制户外低温壁面结霜的复合方法，尤其涉及抑制或者减少气化器翅片管肋片壁面结霜的一种方法。

背景技术

随着能源的日益短缺及环境保护政策的大力实施，空温式气化器以其清洁、能耗低的优势在液氨、液氧和液氮以及LNG等的气化领域中得到广泛应用。我国自主设计制造的空温式气化器仍停留在较低水平，缺乏自主创新和优化设计，一般是依据现有经验进行制造和设计。现实中气化器的翅片由于低温的缘故和材料性质的影响，其表面易结霜，而霜的传热系数小，不利于液氧等的气化。空温式气化器在低温工况下翅片表面极易结霜，严重阻碍了热量的传输降低气化效率。

国内外对气化器的结构和性能都有了大量研究，但仍未解决气化器在液氧等的气化时其翅片表面经常凝结一层厚厚的霜的问题，这严重影响了气化器的传热性能，甚至带来操作安全问题。需要对气化器的材质和结构提出新的想法以解决这种问题。结合所研制出的表面涂层材料，有望获得解决气化器结霜问题的技术方案。医院的液氧气化需求比较大，工厂的液氨液氮等的气化也应用广泛，一些高校和科研机构也需要对液氧液氮等进行气化，故这一研究的应用前景将十分广阔。

空浴式气化器(AAV)是利用大气环境中自然对流的空气作为热源，通过导热性良好的铝合金制星型翅片管与低温液体进行热交换并使其气化成一定温度气体的一类低温换热器，其结构属于整体翅片，由翅片管与芯管组成。翅片管材质为导热系数较高的防锈铝，一般为Al-Mn、 Al-Mg系合金，如3A21、6063、3003等，带有6片、8片或12片肋片。芯管通常是耐压不锈钢管，翅片管与芯管通过胀接联接成过盈配合，以减少接触热阻。其主要应用于液氧、液氮、液氩、液化天然气(LNG)等介质气化充瓶或贮运设备的自增压系统中。

与其它形式的气化器相比，空温式星型翅片管式气化器最为经济，其无需额外的动力或能量消耗，可以大幅降低供气系统的能源和动力消耗，此外，还具有无污染、结构简单、制造和使用方便等优点，使其日益受到用户的青睐，成为当前最为常用的气化器之一。

我国对空温式星型翅片管气化器设计既无国家标准又无行业标准，使得空温式星型翅片管式气化器的设计、制造和使用处于无依据、无约束的状态；其次，在设计和制造上，国内厂家目前大多仅仅是模仿性生产，设计上仅采用经验方法计算，很少考虑气化器在使用过程中的传热传质问题。

由于缺乏自主创新和优化设计，国产空温式气化器与国外产品相比主要存在以下不足：体积庞大、造价过高、流动布置不合理、流动阻力过大、气化量不足等；同时，空温式气化器在使用过程中也存在各种各样的问题，其中最为突出的是翅片管表面结霜。由于表面结霜，导致气化能力下降，若运行时间过长，霜层厚度和面积过大，会使气化器运行噪声增加、换热效率降低，出口气体温度过低或气化量达不到设计值。

很多用户为了解决这一问题，不得不同时配备两台或多台气化器，当其中一台结霜严重，达不到设计气化量时切换使用另一台，等到霜层完全融化后再切换使用，或者在空温式气化器的下游再配备一台需要额外热源及动力的水浴式气化器或蒸汽加热气化器，作为空温式气化器的能力不足时的补救措施。由此事实上增大了投资负担并造成了严重的资源和能源浪费。

除此之外，空温式气化器气化能力下降还可能导致气体输配系统中其它设备的性能下降甚至损坏。

有研究发现在结霜初期壁面首先覆盖冰晶层，霜层生长阶段霜层厚度每增加0.1mm冰晶的覆盖率减少58％。约-15℃的壁面随着时间的推移霜层不断生长，最后达到峰值0.35mm。

梁彩华等做了不同疏水表面结霜的细微可视化研究发现接触角愈大的表面霜厚越小，相比普通表面，其结霜厚度会减少约45％。

姚杨等用结霜模型得出结霜的厚度以及密度均随时间变化而变化。

Huang等在接触角为156°的铜基的超疏水表面与普通铜基表面做结霜研究，发现超疏水表面能延迟结霜和降低结霜量。

吴晓敏等分析并合理解释了疏水表面抑制结霜的实验现象，发现结霜初期的主要热

阻为相界面热阻和液滴内部导热热阻，约占总热阻的90％以上。

潘秀和袁萌等(CN 204879430 U)提出了一种空温式气化器，其芯管为蛇形气化管，虽然增长了气化管的长度增大了换热面积，对减少翅片结霜结冰有一定作用，但是并未从根本上解决问题，相反增大了气化器占用空间，和配备多台气化器备用或增大气化器体积的措施保障气化能力无本质区别。

陈琳和李旭林等(CN 105298687 A)提出了一种水浴式气化器，通过设置双盘管与气化腔进行热传导，盘管内为防冻液与低温液态气体换热，这种水浴式气化器虽通过防冻液带走冷量提供热量，但其还是需要在出气口安装了电加热塞，仍需额外提供能量保障其气化能力。

刘德举和任建伟等(CN 204962685 U)发明了一种气化器，该气化器配备了燃烧装置、引风机和传热管。该发明为了达到一定的气化能力配备多种设备辅助，不仅提高了气化成本，也占用了额外空间场地。

目前为了达到气化器所需的气化量和保障安全运行，采用的手段多为添加补热设备额外使用能源增加了成本。较为普遍的为达到一定气化能力，往往使用两架气化器或者更多备用，投入成本高且占用空间较大。

现有的对气化器除霜抑霜的措施主要有输送过热蒸汽、使用热风机除霜、用大量水冲刷、用热水冲刷除霜等通过额外使用能源来达到抑霜除霜以提高气化能力的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制低温壁面结霜的复合方法，以解决空温式气化器工作时翅片管壁面易结霜的问题从而提高气化器的换热能力。该方法主要结合了使得壁面具有疏水性能、增大壁面的倾斜结构和补充太阳能的方法，抑制低温壁面结霜或降低壁面霜层厚度。该方法不依靠额外消耗有成本的能源，可快速有效且节能环保的提高空温式气化器换热效率。

为达到上述目的，本发明的主要技术解决手段是减少传热热阻，提高传热速率。降低或抑制壁面结霜，可显著减小换热热阻。本发明公开了一种抑制低温壁面结霜的复合方法，其特征在于：至少通过结合对壁面疏水化处理、改变壁面倾斜角的复合方法来达到抑制低温壁面结霜的目的。本发明的复合方法在换热设备运行时不需要额外消耗电能等有成本热能达到减少或者抑制低温壁面成霜的厚度，从而提高其换热效率，增加设备安全性。所述方法依据低温设备最大换热热阻和壁面低温凝霜特性，对易结霜壁面进行疏水化处理以延迟壁面霜层形成时间和降低壁面霜层凝结的厚度；增大壁面倾斜角降低壁面凝珠停留时间；设置太阳能吸热材料提高壁面温度等方法达到减少壁面霜厚或抑制壁面霜层生长。

进一步地，所述解决手段为对气化器易凝霜壁面进行超疏水化处理。超疏水壁面能有效降低或抑制水汽的凝结。对易凝霜的壁面进行超疏水化表面处理以抑制或减少低温壁面凝霜，具体方法为可通过利用超疏水涂料使壁面具备超疏水性能。疏水壁面接触角在130°至160°之间，涂层最优厚度为1.2μm±0.2μm。

优选地，所述的超疏水处理手段可分为壁面刻蚀后纳米修饰或者添加超疏水涂料等措施达到环境空气中的水汽在壁面凝结的水珠难以停留的效果，涂层最优厚度为1.2μm±0.2μm。

进一步地，改变壁面的倾斜角，壁面超疏水处理后，空气中的水汽凝结的液珠接触角增大，在液滴滚动角一定时，所述方法提出的通过增大壁面倾斜角为6°—13°，优化为0°—13°；壁面竖直放置时当倾角由0°增加到13°壁面凝结水滴直径增大利于水滴自然滑落，通过此途径使液滴受重力自动滑落，减少液滴与壁面接触时间从而减少壁面霜层的厚度。本发明所述的最优倾斜角度为13°。为了便于壁面凝结的水珠滑落，所述优化措施为：使壁面有一定的倾斜度，翅片管竖直放置时，肋片厚度从上而下逐渐变小，呈楔形状。

另一方面，倾斜肋片的倾斜角度随所能达到的超双疏壁面液滴接触角和滚动角相关。一定大小的倾斜角满足凝结的液滴易滑落即可。

具体而言，肋片的倾斜角度受到翅片管总长以及单根翅片管组装肋片个数和肋片的厚度限制。本发明所选的最优倾斜角度为13°。

进一步地，所述内管为变径管，竖直放置时，芯管内外径从上而下逐渐变小，外壁面构成倾斜面。

优选地，所述芯管顶部周长大于底部周长，所述肋片顶部厚度大于底部厚度。单根翅片管的肋片数顶部厚度之和小于等于芯管顶部外径圆周长。

为达到上述目的，本发明的另一种主要技术解决手段是对气化器外壁面使用太阳能吸热材料高效吸收环境热量。

进一步地，当壁面温度过低时，前两种的措施掣肘而发挥效果不良时，通过对壁面补充太阳能调节壁面温度。当设置了太阳能吸热材料的壁面受太阳光辐射时，温度由30℃增加至54.5℃，比普通壁面提高了 11℃。本发明使用的太阳能吸热材料为薄膜，厚度为0.3mm，所述方法提出设置的太阳能吸热材料(薄膜)厚度在0mm—0.5mm间；以GB/T25968 要求测试，吸收率大于90％；按GB/T25965要求测试，表面发射比为 5.0％±2.0％；其耐盐雾性能和高温抗老化试验均符合GB/T26974要求。设置在受光照面积大于75％的壁面。根据翅片管长度和工作时翅片管温度分布按区域采用太阳能吸热材料。太阳能吸热材料应用在气化器上应当选取合适的位置，即壁面受太阳光照射面积大于75％。

附图说明

图1为翅片管普通壁面和疏水壁面对比图(1:1)

图2为普通壁面和疏水壁面结霜放大图(40:1)

图3为普通壁面和疏水壁面挂霜实物图

图4为壁面倾斜角度示意图

图5为不同壁面倾斜角度下水蒸气凝结图

图6为倾斜结构的翅片管示意图

图7为太阳能材料和普通材料的热量吸收对比图

图8为普通壁面和太阳能材料壁面结霜对比图(1:1)

具体实施方式

为了更清晰的阐明本发明构思的优化气化器传热方案，下面使用附图做进一步的详细说明；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为两种壁面在低温下的凝珠结霜实物图。对翅片表面清洁后，按照疏水涂料的施工工艺对翅片壁面进行表面改性，待涂料固化后翅片表面即具备疏水特性。竖直放置的翅片管壁面分别为疏水壁面和普通壁面，当壁面温度降低时，空气中的水蒸汽凝结在壁面。在疏水表面，肋片表面的小水珠直径慢慢变大，邻近水珠合并后滑落，带走一串水珠，实现自动清洁壁面，对壁面下部自动冲刷，能有效降低壁面附着的水量。

图2是在壁面处于低温时疏水壁面凝结的液滴和普通壁面凝结的霜层放大图，放大40倍后可知，疏水壁面的水滴分布零散，与壁面接触面积更小。普通壁面霜层呈现细密特征，完全覆盖壁面，阻碍了壁面与空气自然对流换热。

图3是在-15℃时，普通壁面和疏水壁面在第8min时的壁面挂霜情况。疏水壁面的霜层附着量几乎没有，明显低于普通壁面。具有良好的抑霜效果。

图4是改变壁面结构的示意图，改变壁面倾斜角度，在竖直放置的壁面上更容易促使凝结的水滴滑落。

图5是不同倾斜角的壁面上水蒸汽凝结情况，壁面倾斜角度越大，相邻两水珠聚合长大的现象越明显。有利于液滴滑落。

壁面水滴直径越大越容易滑落。当倾斜角为6°时壁面凝结水珠直径最大为0.6mm，水滴滑落迹象不明显。当倾角为10°时相邻水珠聚合最大直径0.9mm，壁面水珠少量滑落。当倾角为13°时，壁面相邻水滴更快聚合成大液滴，直径为1.2mm。增大倾角利于壁面凝珠滑落。

如图6所示，将本发明的权利要求书3中所述的，对翅片管式换热器的翅片进行结构设计，翅片管的特殊结构可以构建模型浇筑而成，芯管为变径管。肋片呈楔形状，厚度从上而下逐渐变小。

太阳能吸热材料可通过高导热粘结剂与低温壁面紧密结合，导热粘接剂厚度为0.5mm-1mm，可有效的将吸收的环境热量导入低温壁面。

图7中将太阳能吸热材料与普通材料在同等环境下的吸热性能对比。在环境温度为30℃左右时，使用太阳能吸热材料的肋片壁面温度在 10min后温度可达到54.5℃，相比普通镀铬黑色肋片壁面温度高出11℃，相比普通铝肋片壁面温度高出17℃。可合理布置太阳能吸热材料，通过太阳能吸热材料高效吸收太阳能从而提高壁面温度，这种方法增大了壁面与空气的对流换热和与环境的热辐射换热。

图8对比了普通壁面和有太阳能吸热材料的壁面结霜情况， -15℃时，普通壁面结霜密集，太阳能吸热材料壁面凝结了细小的液滴，却并未凝霜。在壁面使用太阳能吸热材料相对提高了壁面温度也能降低壁面霜层厚度。

在图6所示翅片管的肋片壁面上附着太阳能吸热材料或顶部添加太阳能板导热，以更有效的利用环境热量。

以上实施例仅为说明本发明的技术效果，不构成对本发明实施范围的限定。

Claims (1)

1.一种抑制低温壁面结霜的复合方法，其特征在于：至少通过结合对壁面超疏水化处理以及改变壁面倾斜角达到抑制低温壁面结霜的目的；

对壁面进行超疏水化表面处理，具体为通过利用超疏水涂料使壁面具备超疏水性能的，接触角在130°至160°之间，涂层厚度为1.2μm±0.2μm；

壁面超疏水处理后，增大壁面倾斜角为6°-13°；

通过对壁面补充太阳能调节壁面温度，具体为使用的太阳能吸热材料为薄膜，厚度为0.3mm—0.5mm间；吸收率大于90％；表面发射比为5.0％±2.0％；其耐盐雾性能和高温抗老化试验均符合GB/T26974要求；太阳能吸热材料设置在受光照面积大于75％的壁面。