由于对温室气体排放的担忧日益增加以及对可持续性的需求，低碳排放燃料近年来越来越受欢迎（Pamidimukkala等人，2024年）。例如，天然气的市场份额正在上升，因为与石油和煤炭相比，天然气产生的二氧化碳减少了30%–50%（Hong等人，2025年）。同时，全球天然气贸易显著转向液化方向，液化天然气（LNG）现在约占天然气贸易总价值的59%（Davenport和Wayth，2024年）。
在交付给最终用户之前，低温LNG必须加压并汽化。在再气化过程中，会释放出大量的低品位冷能；通常使用环境空气或海水作为热源，而未使用的冷能往往以热损失的形式散失。数据显示，再气化1千克LNG可以释放约830千焦的冷能（He等人，2019年），这为冷能回收提供了工程机会，同时也对换热设备中的热传递管理和结霜控制提出了更严格的要求（Ayachi等人，2025年）。
关于冷能利用的系统综述表明，当前的做法包括有机朗肯循环（ORCs）、空气分离、海水淡化和低温二氧化碳捕获（Daniarta等人，2024年）。然而，设备复杂性、场地匹配和系统集成成本仍然阻碍了其广泛部署和大规模应用（Shangguan等人，2025年）。
热电发电机（TEGs）提供了一种固态、易于集成的冷能回收途径：TEGs没有运动部件，维护成本低，可以直接将壁温差转换为电能（Cui等人，2024年）。当与管式换热器几何耦合时，TEGs可以在有限的结构修改下实现同时汽化和发电（Zhu等人，2023年）。在材料和设备层面的综合评估揭示了热电转换的局限性和前景，为在复杂边界条件下的结构和热传递协同优化奠定了基础（He等人，2024年）。近年来，使用多物理模型和全局优化方法探索了与管式设备兼容的环形热电发电机（ATEG）配置（Yang等人，2024a），研究范围从单个设备扩展到阵列和系统层面，包括尺寸设计、接触热阻、分段材料和鳍片耦合（Yang等人，2025年）。
在基于ORCs的LNG冷能回收中，TEGs也被研究作为性能增强手段，具有吸引人的投资回报（Zhang等人，2025年）。Almutairi等人（Almutairi，2023年）通过在LNG回路中集成TEGs来捕获剩余的废热，减少了不可逆性，从而提高了净功率输出。Musharavati等人（2020年）同样报告称，在LNG-ORC系统中添加TEGs可以将热效率提高6.876%，TEG的资本成本回收期为1.29年。
有人提出将TEGs直接安装在蒸发器的外壁上，以在不改变主要工艺的情况下回收部分冷能。Lobunets等人（Lobunets，2019年）开发了一个800瓦的LNG冷能原型机，实现了844瓦的峰值功率、8.85%的实际转换效率以及0.015美元/千瓦时的平准化电力成本，显示出良好的商业潜力。
LNG蒸发器通常包括环境空气型、开放式支架型、浸没燃烧型和中间流体型（Li和Ju，2025年）。其中，环境空气蒸发器（AAV）安装简单，汽化效果良好，资本和运营成本较低；它被广泛应用于城市加油站和调峰设施（Liu等人，2024年）。因此，将TEGs直接集成到AAV中引起了人们的兴趣。Ge等人（2021年）使用空气作为热源、液氮作为冷源搭建了一个测试装置，研究低温热传递对TEG性能的影响；他们报告称，电力输出仅为0.035%，强调了提高热侧热传递和选用更好材料的必要性。Ge等人（2019年）进一步在AAV的内壁上安装了ATEG，并引入了蒸发器-TEG（VTEG）方案用于LNG冷能利用。在单相液体和液-气共存段，TEG的转换效率保持在1.57%–2.12%的范围内，最佳管长和峰值输出功率几乎与LNG流速成正比增加。Rogala等人（2022年）通过数值优化了LNG场景下的TEG几何形状，报告称功率提高了多达50%。Zhao等人（2023年）研究了组件结构和热传递参数，确定了2毫米的最佳管高和3.25%的峰值转换效率。
这些研究为AAV-TEG的集成和优化奠定了基础。在AAV-TEG系统中，空气侧的自然对流和鳍片增强提供了主要的热输入。然而，当液体和两相段的管壁温度低于冰点（通常接近约190K）时，不可避免地会形成并凝结霜层（Yu等人，2025a）。由此导致的外部热阻和流动阻力的增加降低了热传递能力，降低了天然气出口温度，并增加了除霜频率，从而降低了整体效率和经济效益（Zhao等人，2024a）。为了防止结霜，Zhu等人（Cui等人，2024年）提出了一种无霜、低温的TEG系统，使用冷LNG作为冷源、室温天然气作为热源；实验表明，最佳通道长度为9.8米，最大功率为593.94瓦，效率为1.36%。尽管如此，这种方法需要对现有蒸发站进行大量的工艺和设备改造，这意味着更高的资本和停机成本（Son等人，2025年）。
对AAV的实验和数值研究表明，壁温是控制结霜形成和演变的主要参数；在低温下，霜层的增厚和密集化显著削弱了外侧的热传递，并改变了最佳设备尺寸（Liu等人，2025年）。在理想化的无霜条件下，一些研究表明，在AAV外壁上安装TEGs可以使壁温在液体和两相流动区域内上升约18.4–35.6K（Ge等人，2019年），这可能有助于减轻结霜，但这些研究没有考虑时间依赖的霜层生长或反馈耦合。
尽管已有进展，但大多数LNG-TEG集成研究采用了无霜假设或预设的外部热传递系数，忽略了实际运行中的不可避免的结霜生成、生长和性质变化（Zhao等人，2025年）。这种忽略直接影响了有效外部温差分布、最佳发电的轴向位置以及阵列匹配，导致对最佳管长、峰值功率和效率的系统性高估或误判。此外，城市分配和调峰操作引入了显著的负荷波动；入口流量的变化重新分配了液体/两相/气体区域的轴向范围，并改变了壁温场，从而重塑了“流动-结霜-热电”动态。虽然文献强调了空气侧自然对流阻力的主导作用以及两相区域的热阻贡献，但对TEG-霜层相互作用及其与阵列几何形状的定量分析仍不足以指导工程设计。
受这些差距的启发，本研究提出并研究了一种在外壁上集成环形热电发电机阵列（VATEG）的蒸发器。我们开发了一个耦合模型，将LNG内部的相变传热、外部结霜传热以及热电能量守恒联系起来，明确考虑了霜层的形成、增厚及其对壁温和可用温差重新分布的热阻影响。与以往的研究相比，本工作的贡献有三方面：（i）我们量化了明确考虑结霜与忽略结霜对系统最优性的影响——影响最佳管长、峰值功率和效率；（ii）我们系统地评估了入口流速如何改变轴向相分布、温度场和单位长度功率密度；（iii）我们提出了一种分级宽度的环形几何补偿策略，该策略能够适应温度跨度衰减和结霜条件下的负功率风险，延长了有效发电长度并提高了峰值功率。这些结果为在结霜约束下协同优化VATEG以回收LNG冷能提供了基于物理的指导和设计依据。
