空温式翅片管气化器是通过吸收周围环境热量使管内低温液体气化的换热设备,因具有结构简单、节能环保、运行成本低等诸多优点而广泛应用于低温工程中。实际运行中,当其壁面温度低于附近湿空气冰点时引起翅片表面结霜,导致翅片管内气液两相沸腾换热减弱而使其气化能力下降,严重影响低温系统正常工作。因此,探索合理有效的延缓结霜方法对提高空温式翅片管气化器传热性能及运行稳定性至关重要。为探究翅片管内、外冷热流体对其表面结霜影响的基础科学问题,本文以理论分析为基础,采用数值模拟和实验研究相结合的方式对单根翅片管的内外场耦合传热特性以及结霜过程展开了以下研究。首先基于传热传质学理论对翅片管内对流传热机理进行深入分析,针对单相和气液两相分别选用了各自适用的对流传热关联式,同时确定了管外对流传热形式,分别对运行过程中是否结霜得出了翅片管外空气侧对流换热系数K;并依据热力学理论阐述了空温式翅片管气化器表面结霜的形成条件及判据。其次,应用Fluent软件并基于Realizable k-ε模型对空温式气化器冷热流体的传热特性进行了数值模拟计算,获得了翅片管内、外冷热流体与翅片壁面温度分布关系,研究了翅片管内低温液体入口流量以及管外吹风速度对其传热特性的影响。结果表明:在管外自然对流条件下,翅片壁面温度沿管内低温液体流动方向(由下往上)逐渐升高,且随翅片管内低温液体入口流量的减少而升高;管外向下进口风速为2.0 m/s时,与自然对流条件相比翅片壁面平均温度升高了约17 K。最后,设计并搭建了空温式气化器翅片表面结霜特性实验台,通过改变翅片管内冷流入口流量和管外热流进口速度获得了结霜过程中翅片表面霜层的生长规律,并对影响结霜的因素进行了研究。结果表明翅片表面霜层厚度在霜晶生长期间增长速率最快,之后逐渐减慢并趋于稳定,且沿管长呈下厚上薄的形态;在相同的环境条件下,霜层厚度随冷流入口流量的增大而增大,结霜速率也越快;管外向下进口风速增大时翅片表面结霜较晚,同时会产生上表面霜层回融结冰的现象。因此,适当减小管内冷流入口流量与增大管外热流进口风速,有利于提高翅片壁面温度,达到延缓结霜的目的。该研究成果可为空温式翅片管气化器延缓结霜提供可靠的理论依据,促进其高效利用。