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结霜条件下LNG空温式气化器动态传热特性的深度解析与精准计算

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球对清洁能源需求的不断增长，液化天然气（LNG）作为一种清洁、高效的能源，在能源领域中占据着日益重要的地位。我国LNG对外依存度逐渐升高，LNG的高效利用成为关键问题。LNG空温式气化器作为LNG气化的重要设备，因其具有结构简单、运行成本低、节能环保等优点，在LNG气化站中得到了广泛应用。它通过吸收周围环境空气中的热量，使管内的LNG由液态气化为气态，从而实现LNG的有效利用。

然而，在实际运行过程中，由于LNG的温度极低（约为-162℃），与环境空气存在巨大的温差，空气中的水蒸气在冷壁面处极易发生结霜现象。结霜不仅会增加霜层热阻，严重恶化空温式气化器的换热效果，降低其气化效率，还可能导致气化器受力不均，产生侧向拉力，进而引发管路破裂、燃气泄漏等安全事故，对气化站的安全稳定运行构成严重威胁。因此，深入研究结霜条件下LNG空温式气化器的动态传热特性具有重要的理论和实际意义。

从理论角度来看，目前对于LNG空温式气化器在结霜条件下的传热传质过程的认识还不够深入，相关的理论研究仍存在许多不足。通过对这一问题的研究，可以进一步完善LNG空温式气化器的传热理论，揭示结霜对气化器传热性能的影响机制，为其优化设计和性能提升提供坚实的理论基础。从实际应用角度出发，准确掌握结霜条件下LNG空温式气化器的动态传热特性，有助于采取有效的措施来减少结霜对气化器性能的影响，提高气化器的运行效率和可靠性，降低运行成本，保障LNG气化站的安全稳定运行，从而推动LNG在能源领域的更广泛应用。

1.2国内外研究现状

在LNG空温式气化器传热特性研究方面，国内外学者取得了一定的成果。部分国外学者运用数值模拟方法，对超临界LNG在空温式气化器中的传热性能进行了研究，分析了管外空气温度、流动速度以及管内LNG成分、入口流速等参数对气化器出口流体温度、管外空气侧平均传热系数的影响。国内也有学者针对空温式气化器管束传热特性展开研究，通过整场建模与求解，得到了管束中不同位置翅片管的空气侧温度场分布及传热系数，建立了空气侧传热差异系数拟合公式，并进行了实验验证。

对于结霜问题，研究发现环境因素、表面温度以及表面性质均对结霜过程产生影响。国外有研究通过实验与模拟结合的方式，对超低温表面结霜的影响特性进行研究，分析了表面温度、环境温度、风速及湿度等因素对结霜的影响。国内学者则分析了LNG空温式气化器的结霜机理，将结霜过程分为霜晶生长期、霜层生长期、霜层充分生长期，研究了空气温度、空气相对湿度、气化器间距等因素对气化器结霜的影响，并提出了相应的控制措施。

然而，目前的研究仍存在一些不足。在传热特性研究中，对于复杂工况下的传热模型准确性有待进一步提高，对管束中翅片管之间的相互影响研究还不够深入。在结霜问题研究方面，各因素对结霜过程的影响机制尚未完全明确，缺乏对结霜过程的动态模拟和实时监测方法，且对于结霜条件下气化器传热性能的综合研究较少。本文将针对这些不足，深入研究结霜条件下LNG空温式气化器的动态传热特性。

1.3研究内容与方法

本文主要研究结霜条件下LNG空温式气化器的动态传热特性，具体内容包括：建立基于能量守恒和质量守恒原理的传热特性预测模型，描述结霜条件下的空温式气化器非稳态传热传质过程；利用数值计算方法，求解模型，得出沿时间长度和空间长度上管内外物性参数的分布规律；分析外界影响因素，如空气温度、相对湿度、LNG入口流速等对空温式气化器传热传质效果的影响规律；研究不同运行时间、不同空间位置、不同翅片管数下的空温式气化器结霜换热结果。

在研究方法上，首先采用理论分析方法，建立LNG空温式气化器在结霜条件下的传热模型，考虑霜层热阻、管内外对流换热等因素。然后运用数值计算方法，利用Fortran等计算机语言对建立的数学模型进行求解，通过编程实现对不同工况下气化器传热特性的模拟计算。为了验证模型和计算结果的准确性，还将设计并开展相关实验，搭建实验平台，测量不同工况下气化器的传热参数，如管内外温度、压力、换热系数等，并与数值计算结果进行对比分析，根据实验结果对模型进行修正和完善，以提高模型的可靠性和准确性。

二、LNG空温式气化器与结霜现象

2.1LNG空温式气化器工作原理与结构

LNG空温式气化器主要利用空气自然对流的方式，将空气中的热量传递给管内的LNG，使其吸收热量后由液态气化为气态。这种气化器通常由多根翅片管管束组成，每根翅片管为星型结构，常见的由8翅片或12翅片构成，管材多选用低温铝合金，以适应LNG的超低温环境。气化器一般采用立式布置，LNG从管内由下