一種抑制戶外低溫壁面結霜的複合方法與流程

2023-05-21 23:00:01 1

本發明涉及一種抑制戶外低溫壁面結霜的複合方法，尤其涉及抑制或者減少氣化器翅片管肋片壁面結霜的一種方法。

背景技術：

隨著能源的日益短缺及環境保護政策的大力實施，空溫式氣化器以其清潔、能耗低的優勢在液氨、液氧和液氮以及lng等的氣化領域中得到廣泛應用。我國自主設計製造的空溫式氣化器仍停留在較低水平，缺乏自主創新和優化設計，一般是依據現有經驗進行製造和設計。現實中氣化器的翅片由於低溫的緣故和材料性質的影響，其表面易結霜，而霜的傳熱係數小，不利於液氧等的氣化。空溫式氣化器在低溫工況下翅片表面極易結霜，嚴重阻礙了熱量的傳輸降低氣化效率。

國內外對氣化器的結構和性能都有了大量研究，但仍未解決氣化器在液氧等的氣化時其翅片表面經常凝結一層厚厚的霜的問題，這嚴重影響了氣化器的傳熱性能，甚至帶來操作安全問題。需要對氣化器的材質和結構提出新的想法以解決這種問題。結合所研製出的表面塗層材料，有望獲得解決氣化器結霜問題的技術方案。醫院的液氧氣化需求比較大，工廠的液氨液氮等的氣化也應用廣泛，一些高校和科研機構也需要對液氧液氮等進行氣化，故這一研究的應用前景將十分廣闊。

空浴式氣化器(aav)是利用大氣環境中自然對流的空氣作為熱源，通過導熱性良好的鋁合金制星型翅片管與低溫液體進行熱交換並使其氣化成一定溫度氣體的一類低溫換熱器，其結構屬於整體翅片，由翅片管與芯管組成。翅片管材質為導熱係數較高的防鏽鋁，一般為al-mn、al-mg系合金，如3a21、6063、3003等，帶有6片、8片或12片肋片。芯管通常是耐壓不鏽鋼管，翅片管與芯管通過脹接聯接成過盈配合，以減少接觸熱阻。其主要應用於液氧、液氮、液氬、液化天然氣(lng)等介質氣化充瓶或貯運設備的自增壓系統中。

與其它形式的氣化器相比，空溫式星型翅片管式氣化器最為經濟，其無需額外的動力或能量消耗，可以大幅降低供氣系統的能源和動力消耗，此外，還具有無汙染、結構簡單、製造和使用方便等優點，使其日益受到用戶的青睞，成為當前最為常用的氣化器之一。

我國對空溫式星型翅片管氣化器設計既無國家標準又無行業標準，使得空溫式星型翅片管式氣化器的設計、製造和使用處於無依據、無約束的狀態；其次，在設計和製造上，國內廠家目前大多僅僅是模仿性生產，設計上僅採用經驗方法計算，很少考慮氣化器在使用過程中的傳熱傳質問題。

由於缺乏自主創新和優化設計，國產空溫式氣化器與國外產品相比主要存在以下不足：體積龐大、造價過高、流動布置不合理、流動阻力過大、氣化量不足等；同時，空溫式氣化器在使用過程中也存在各種各樣的問題，其中最為突出的是翅片管表面結霜。由於表面結霜，導致氣化能力下降，若運行時間過長，霜層厚度和面積過大，會使氣化器運行噪聲增加、換熱效率降低，出口氣體溫度過低或氣化量達不到設計值。

很多用戶為了解決這一問題，不得不同時配備兩臺或多臺氣化器，當其中一臺結霜嚴重，達不到設計氣化量時切換使用另一臺，等到霜層完全融化後再切換使用，或者在空溫式氣化器的下遊再配備一臺需要額外熱源及動力的水浴式氣化器或蒸汽加熱氣化器，作為空溫式氣化器的能力不足時的補救措施。由此事實上增大了投資負擔並造成了嚴重的資源和能源浪費。

除此之外，空溫式氣化器氣化能力下降還可能導致氣體輸配系統中其它設備的性能下降甚至損壞。

有研究發現在結霜初期壁面首先覆蓋冰晶層，霜層生長階段霜層厚度每增加0.1mm冰晶的覆蓋率減少58％。約-15℃的壁面隨著時間的推移霜層不斷生長，最後達到峰值0.35mm。

梁彩華等做了不同疏水表面結霜的細微可視化研究發現接觸角愈大的表面霜厚越小，相比普通表面，其結霜厚度會減少約45％。

姚楊等用結霜模型得出結霜的厚度以及密度均隨時間變化而變化。

huang等在接觸角為156°的銅基的超疏水表面與普通銅基表面做結霜研究，發現超疏水表面能延遲結霜和降低結霜量。

吳曉敏等分析併合理解釋了疏水表面抑制結霜的實驗現象，發現結霜初期的主要熱

阻為相界面熱阻和液滴內部導熱熱阻，約佔總熱阻的90％以上。

潘秀和袁萌等(cn204879430u)提出了一種空溫式氣化器，其芯管為蛇形氣化管，雖然增長了氣化管的長度增大了換熱面積，對減少翅片結霜結冰有一定作用，但是並未從根本上解決問題，相反增大了氣化器佔用空間，和配備多臺氣化器備用或增大氣化器體積的措施保障氣化能力無本質區別。

陳琳和李旭林等(cn105298687a)提出了一種水浴式氣化器，通過設置雙盤管與氣化腔進行熱傳導，盤管內為防凍液與低溫液態氣體換熱，這種水浴式氣化器雖通過防凍液帶走冷量提供熱量，但其還是需要在出氣口安裝了電加熱塞，仍需額外提供能量保障其氣化能力。

劉德舉和任建偉等(cn204962685u)發明了一種氣化器，該氣化器配備了燃燒裝置、引風機和傳熱管。該發明為了達到一定的氣化能力配備多種設備輔助，不僅提高了氣化成本，也佔用了額外空間場地。

目前為了達到氣化器所需的氣化量和保障安全運行，採用的手段多為添加補熱設備額外使用能源增加了成本。較為普遍的為達到一定氣化能力，往往使用兩架氣化器或者更多備用，投入成本高且佔用空間較大。

現有的對氣化器除霜抑霜的措施主要有輸送過熱蒸汽、使用熱風機除霜、用大量水衝刷、用熱水衝刷除霜等通過額外使用能源來達到抑霜除霜以提高氣化能力的目的。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種抑制低溫壁面結霜的複合方法，以解決空溫式氣化器工作時翅片管壁面易結霜的問題從而提高氣化器的換熱能力。該方法主要結合了使得壁面具有疏水性能、增大壁面的傾斜結構和補充太陽能的方法，抑制低溫壁面結霜或降低壁面霜層厚度。該方法不依靠額外消耗有成本的能源，可快速有效且節能環保的提高空溫式氣化器換熱效率。

為達到上述目的，本發明的主要技術解決手段是減少傳熱熱阻，提高傳熱速率。降低或抑制壁面結霜，可顯著減小換熱熱阻。本發明公開了一種抑制低溫壁面結霜的複合方法，其特徵在於：至少通過結合對壁面疏水化處理、改變壁面傾斜角的複合方法來達到抑制低溫壁面結霜的目的。本發明的複合方法在換熱設備運行時不需要額外消耗電能等有成本熱能達到減少或者抑制低溫壁面成霜的厚度，從而提高其換熱效率，增加設備安全性。所述方法依據低溫設備最大換熱熱阻和壁面低溫凝霜特性，對易結霜壁面進行疏水化處理以延遲壁面霜層形成時間和降低壁面霜層凝結的厚度；增大壁面傾斜角降低壁面凝珠停留時間；設置太陽能吸熱材料提高壁面溫度等方法達到減少壁面霜厚或抑制壁面霜層生長。

進一步地，所述解決手段為對氣化器易凝霜壁面進行超疏水化處理。超疏水壁面能有效降低或抑制水汽的凝結。對易凝霜的壁面進行超疏水化表面處理以抑制或減少低溫壁面凝霜，具體方法為可通過利用超疏水塗料使壁面具備超疏水性能。疏水壁面接觸角在130°至160°之間，塗層最優厚度為1.2μm±0.2μm。

優選地，所述的超疏水處理手段可分為壁面刻蝕後納米修飾或者添加超疏水塗料等措施達到環境空氣中的水汽在壁面凝結的水珠難以停留的效果，塗層最優厚度為1.2μm±0.2μm。

進一步地，改變壁面的傾斜角，壁面超疏水處理後，空氣中的水汽凝結的液珠接觸角增大，在液滴滾動角一定時，所述方法提出的通過增大壁面傾斜角為6°—13°，優化為0°—13°；壁面豎直放置時當傾角由0°增加到13°壁面凝結水滴直徑增大利於水滴自然滑落，通過此途徑使液滴受重力自動滑落，減少液滴與壁面接觸時間從而減少壁面霜層的厚度。本發明所述的最優傾斜角度為13°。為了便於壁面凝結的水珠滑落，所述優化措施為：使壁面有一定的傾斜度，翅片管豎直放置時，肋片厚度從上而下逐漸變小，呈楔形狀。

另一方面，傾斜肋片的傾斜角度隨所能達到的超雙疏壁面液滴接觸角和滾動角相關。一定大小的傾斜角滿足凝結的液滴易滑落即可。

具體而言，肋片的傾斜角度受到翅片管總長以及單根翅片管組裝肋片個數和肋片的厚度限制。本發明所選的最優傾斜角度為13°。

進一步地，所述內管為變徑管，豎直放置時，芯管內外徑從上而下逐漸變小，外壁面構成傾斜面。

優選地，所述芯管頂部周長大於底部周長，所述肋片頂部厚度大於底部厚度。單根翅片管的肋片數頂部厚度之和小於等於芯管頂部外徑圓周長。

為達到上述目的，本發明的另一種主要技術解決手段是對氣化器外壁面使用太陽能吸熱材料高效吸收環境熱量。

進一步地，當壁面溫度過低時，前兩種的措施掣肘而發揮效果不良時，通過對壁面補充太陽能調節壁面溫度。當設置了太陽能吸熱材料的壁面受太陽光輻射時，溫度由30℃增加至54.5℃，比普通壁面提高了11℃。本發明使用的太陽能吸熱材料為薄膜，厚度為0.3mm，所述方法提出設置的太陽能吸熱材料(薄膜)厚度在0mm—0.5mm間；以gb/t25968要求測試，吸收率大於90％；按gb/t25965要求測試，表面發射比為5.0％±2.0％；其耐鹽霧性能和高溫抗老化試驗均符合gb/t26974要求。設置在受光照面積大於75％的壁面。根據翅片管長度和工作時翅片管溫度分布按區域採用太陽能吸熱材料。太陽能吸熱材料應用在氣化器上應當選取合適的位置，即壁面受太陽光照射面積大於75％。

附圖說明

圖1為翅片管普通壁面和疏水壁面對比圖(1:1)

圖2為普通壁面和疏水壁面結霜放大圖(40:1)

圖3為普通壁面和疏水壁面掛霜實物圖

圖4為壁面傾斜角度示意圖

圖5為不同壁面傾斜角度下水蒸氣凝結圖

圖6為傾斜結構的翅片管示意圖

圖7為太陽能材料和普通材料的熱量吸收對比圖

圖8為普通壁面和太陽能材料壁面結霜對比圖(1:1)

具體實施方式

為了更清晰的闡明本發明構思的優化氣化器傳熱方案，下面使用附圖做進一步的詳細說明；基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

圖1為兩種壁面在低溫下的凝珠結霜實物圖。對翅片表面清潔後，按照疏水塗料的施工工藝對翅片壁面進行表面改性，待塗料固化後翅片表面即具備疏水特性。豎直放置的翅片管壁面分別為疏水壁面和普通壁面，當壁面溫度降低時，空氣中的水蒸汽凝結在壁面。在疏水表面，肋片表面的小水珠直徑慢慢變大，鄰近水珠合併後滑落，帶走一串水珠，實現自動清潔壁面，對壁面下部自動衝刷，能有效降低壁面附著的水量。

圖2是在壁面處於低溫時疏水壁面凝結的液滴和普通壁面凝結的霜層放大圖，放大40倍後可知，疏水壁面的水滴分布零散，與壁面接觸面積更小。普通壁面霜層呈現細密特徵，完全覆蓋壁面，阻礙了壁面與空氣自然對流換熱。

圖3是在-15℃時，普通壁面和疏水壁面在第8min時的壁面掛霜情況。疏水壁面的霜層附著量幾乎沒有，明顯低於普通壁面。具有良好的抑霜效果。

圖4是改變壁面結構的示意圖，改變壁面傾斜角度，在豎直放置的壁面上更容易促使凝結的水滴滑落。

圖5是不同傾斜角的壁面上水蒸汽凝結情況，壁面傾斜角度越大，相鄰兩水珠聚合長大的現象越明顯。有利於液滴滑落。

壁面水滴直徑越大越容易滑落。當傾斜角為6°時壁面凝結水珠直徑最大為0.6mm，水滴滑落跡象不明顯。當傾角為10°時相鄰水珠聚合最大直徑0.9mm，壁面水珠少量滑落。當傾角為13°時，壁面相鄰水滴更快聚合成大液滴，直徑為1.2mm。增大傾角利於壁面凝珠滑落。

如圖6所示，將本發明的權利要求書3中所述的，對翅片管式換熱器的翅片進行結構設計，翅片管的特殊結構可以構建模型澆築而成，芯管為變徑管。肋片呈楔形狀，厚度從上而下逐漸變小。

太陽能吸熱材料可通過高導熱粘結劑與低溫壁面緊密結合，導熱粘接劑厚度為0.5mm-1mm，可有效的將吸收的環境熱量導入低溫壁面。

圖7中將太陽能吸熱材料與普通材料在同等環境下的吸熱性能對比。在環境溫度為30℃左右時，使用太陽能吸熱材料的肋片壁面溫度在10min後溫度可達到54.5℃，相比普通鍍鉻黑色肋片壁面溫度高出11℃，相比普通鋁肋片壁面溫度高出17℃。可合理布置太陽能吸熱材料，通過太陽能吸熱材料高效吸收太陽能從而提高壁面溫度，這種方法增大了壁面與空氣的對流換熱和與環境的熱輻射換熱。

圖8對比了普通壁面和有太陽能吸熱材料的壁面結霜情況，-15℃時，普通壁面結霜密集，太陽能吸熱材料壁面凝結了細小的液滴，卻並未凝霜。在壁面使用太陽能吸熱材料相對提高了壁面溫度也能降低壁面霜層厚度。

在圖6所示翅片管的肋片壁面上附著太陽能吸熱材料或頂部添加太陽能板導熱，以更有效的利用環境熱量。

以上實施例僅為說明本發明的技術效果，不構成對本發明實施範圍的限定。