環空對流換熱綜合實驗教學平臺搭建

林日億, 賈志英, 徐偉棟, 王新偉, 姜　燁

(中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院, 山東 青島　266580)

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環空對流換熱綜合實驗教學平臺搭建

林日億, 賈志英, 徐偉棟, 王新偉, 姜燁

(中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院, 山東 青島266580)

為模擬采油井筒油套環空傳熱過程,搭建了環空對流換熱實驗教學平臺。該平臺由環空對流換熱裝置和數據采集系統兩部分組成。以環空空氣和內管熱水進行對流換熱實驗為例介紹了所需工質、儀器和對流換熱測試方法,實現了科研項目和教學實驗的緊密結合。環空對流換熱實驗的開設可以加深學生對環空對流換熱知識的理解,鼓勵學生自主設計實驗方案,培養學生的工程素養、實踐動手能力和科研創新意識,在多元化創新型人才的培養中發揮了積極的作用。

環空對流換熱； 實驗教學； 綜合實驗平臺； 創新能力

自20世紀80年代以來,注蒸汽開采稠油技術已先后在遼河、新疆、勝利等稠油儲量豐富的油田得到推廣和應用,并取得了顯著的經濟效益[1]。環空通道作為一種重要的換熱通道,不僅僅在石油生產中有著重要的作用,在太陽能利用、核動力工程等領域都有著廣泛的應用。環空通道中的流動及換熱特性也一直是相關領域內的重要研究課題,國內外的許多學者對環空通道內流動及換熱特性已經進行了一些實驗研究和理論分析[2-3]。我校能源與動力工程專業學生對對流換熱知識的學習主要是通過專業必修課“傳熱學”和專業限選課“熱力采油技術”兩門課程。通過這兩門課程的學習,學生能夠基本掌握對流換熱原理和對流換熱基本過程等相關理論知識,但是缺少環空對流換熱系統及相關實驗。而實驗教學對于培養學生的工程實踐能力、設備操作能力、科研創新能力具有不可替代的作用[4-6],是培養多元化創新型人才的有效途徑[7-8]。因此,亟需構建環空對流換熱實驗教學平臺,幫助學生更好地掌握環空對流換熱過程、原理以及影響對流換熱系數的主要因素,為學生自行設計實驗,探索對流換熱的規律和方法提供良好的條件。這對培養學生綜合實驗能力、科研創新能力和工程實踐能力,促進對流換熱技術的發展具有重要的意義。

1　環空對流換熱實驗教學平臺建設方案

1.1環空對流換熱實驗教學平臺的構成

環空對流換熱系統主要由環空對流換熱裝置和數據采集系統兩部分組成。環空通道實驗段是實驗系統的核心部件,主要研究區域都在這部分開展,不同的環空通道在對流換熱實驗中會呈現不同的規律[9-10],因此需要自建多套環空通道,通過改變環空通道的偏心距、管徑比以及環空通道內部的工質流速,進行不同的實驗,使學生理解不同環空通道流體的流動特性和對流換熱特性,也為學生自主設計類似實驗奠定基礎。

數據采集系統是本實驗中的重要環節,它將熱電偶及壓力傳感器采集的電壓及電流信號轉化為直觀的溫度及壓力值。使用該系統可以設置測試、采集和存檔測量數據,以及實時顯示和分析測量數據。由環空對流換熱裝置和數據采集系統等組成的環空對流換熱實驗教學平臺,可以使學生直觀地理解環空流動和對流換熱原理和過程,掌握相關儀器設備的操作,分析環空流動特性和對流換熱特性。

1.2環空通道實驗段

1.2.1實驗測試段

本實驗測試段內外管均采用不銹鋼薄壁管,有效長度為2 m,內管規格為Ф16 mm×0.5 mm,外管規格分別為Ф49 mm×0.5 mm、Ф36 mm×0.5 mm、Ф30 mm×0.5 mm。內管和外管通過焊接組成環空通道。

實驗中對偏心程度進行無量綱處理,得到偏心度,偏心度E的計算式為

式中，R為外管半徑，r為內管半徑，e為偏心距。

每種規格的外管分別加工成偏心度為0.2、0.5、0.8的3套實驗測試段。

為了得到內管與環空的進出口溫度、內管外壁溫度和環空側流體溫度,實驗中在進出口及管段的5個截面上均鋪設了熱電偶,同時在環空出口同一截面上安裝了壓力傳感器,以測量環空側進出口的壓力,以計算摩擦系數。實驗時熱水從內管入口流入由下向上流動,空氣從環空入口流入由上向下流動。實驗測試段示意圖見圖1。

圖1　實驗測試段示意圖

1.2.2熱電偶及測溫點布置

鑒于本實驗溫度在0～100 ℃之間,所以選用測量范圍為-200～300 ℃、在金屬熱電偶中準確度最高的銅-康銅T型熱電偶。

在內管進出口和環空進出口各鋪設一組熱電偶,用以測量進出口的溫度,在管段上取5個1#～5#橫截面(見圖1),在截面對應的內管外壁位置上布置3組熱電偶(位置如圖2所示),用于測量內管外壁的壁溫,溫度取同一截面上的3組熱電偶所測值的算術平均值。為了測量環空中流體溫度,在外管壁對應內管壁的測溫點打直徑為1 mm的小孔,然后將熱電偶垂直插入并用焊錫固定,將冷端用砂紙打磨掉絕緣皮后連接到數據采集卡。

圖2　橫截面熱電偶布置圖

1.3環空對流換熱系統實驗平臺

環空對流換熱實驗系統由環空對流換熱裝置、循環水路系統、環空氣體系統和數據采集系統4部分組成,實驗系統流程如圖3所示。

圖3　環空對流換熱系統流程圖

1.3.1環空對流換熱裝置

環空對流換熱裝置由內管和外管組成,內管和外管通過焊接組成環空通道,內管流體由恒溫水浴提供,環空氣體由壓縮機提供,由于冷熱流體之間存在溫差,因此熱量會由內管流體向環空流體散失,以此來研究對流換熱原理和規律。固定內管管徑,外管管徑做成3種不同規格,內外管焊接時將同管徑比的環空通道做成不同偏心度,以此來構成不同管徑比和不同偏心度下的對流換熱,研究不同的流動和換熱規律。

1.3.2循環水路系統和環空氣體系統

實驗中,內管循環水路系統的熱水由恒溫水浴提供,作為高溫水路。環空氣體系統的空氣由壓縮機提供。恒溫水浴選用上海比郎公司生產的DC-05100型水浴,溫度范圍為室溫～100 ℃,溫度波動度為±0.2 ℃,工作槽容積為100 L,總功率11 kW。該水浴配有一個循環水泵,為內管水路循環提供動力。

1.3.3數據采集系統

數據采集系統是本實驗中的重要環節,它將熱電偶及壓力傳感器采集的電壓及電流信號轉化為直觀的溫度及壓力值。本實驗選用Agilent34972A數據采集/切換單元,并且附帶提供Data Logger 3應用程序。利用該程序可以輕松地結合使用儀器和計算機來收集和分析測量數據。使用該軟件可以設置測試、采集和存檔測量數據,以及實時顯示和分析測量數據。本實驗中,設置為每8 s掃描并采集一次信號,并且可以同步在PC機上讀取溫度及壓力值,待穩定后繼續掃描10次,將掃描的所有測量數據通過軟件保存為Excel表格。

2　教學實驗項目設計

針對能源與動力工程專業在環空對流換熱技術方面對多元化創新型人才的培養需求,從演示性實驗、驗證性實驗和創新性實驗3方面搭建了環空對流換熱實驗教學平臺,可以實現以下主要實驗。

(1) 環空對流換熱認識實驗。通過對環空對流換熱系統中各組件的組裝和管路的連接,熟悉對流換熱實驗臺搭建過程,了解和實際操作流量計、水泵、恒溫水箱、壓縮機、數據采集器等儀器設備,對整個環空對流換熱實驗系統有直觀的認識,為后續課程的學習和工作打下基礎。

(2) 熱電偶測溫實驗。在內管進出口和環空進出口各鋪設一組熱電偶,用以測量進出口的溫度,在管段上取5個橫截面,在截面對應的內管外壁位置上布置3組熱電偶(位置如圖2所示),用于測量內管外壁的壁溫,溫度取同一截面上的3組熱電偶所測值的算術平均值,環空測溫同理。將熱電偶另一端連接在數據采集器上,當實驗進行并達到穩定時,電腦會自動讀取數據并保存。

(3) 環空流動特性實驗。通過測試進出口壓差,確定不同條件下的摩擦阻力系數,研究偏心度、管徑比、流動型態對摩擦系數的影響。

① 不同偏心度對流動特性影響實驗。在相同管徑比、相同流速下,改變偏心度進行環空流動特性實驗,研究不同偏心度對流動特性的影響。

② 不同管徑比對流動特性影響實驗。在相同偏心度、相同流速下,改變管徑比進行環空流動特性實驗,研究不同管徑比對流動特性的影響。

③ 不同流動形態對流動特性影響實驗。在不同管徑比和偏心度組合下,改變流動形態進行環空流動特性實驗,研究不同流動形態對流動特性的影響。

(4) 環空對流換熱特性實驗。通過測試進出口溫度和各截面溫度,確定不同條件下的對流換熱系數,研究偏心度、管徑比、雷諾數對對流換熱系數的影響。

① 不同偏心度對換熱特性影響實驗。在相同管徑比、相同流速下,改變偏心度進行環空對流換熱實驗,研究不同偏心度對換熱特性的影響。

② 不同管徑比對換熱特性影響實驗。在相同偏心度、相同流速下,改變管徑比進行環空對流換熱實驗,研究不同管徑比對換熱特性的影響。

③ 雷諾數對換熱特性影響實驗。在不同管徑比和偏心度組合下,改變雷諾數進行環空對流換熱實驗,研究雷諾數對換熱特性的影響。

3　環空對流換熱實驗教學平臺功能的多元化

學生在環空流動過程、對流換熱過程、熱電偶制備以及不同換熱特性測試和影響因素分析等多層次的綜合實驗訓練中,完成綜合應用技能的強化和研究方法的訓練。更重要的是,學生可以根據自己的興趣自主選擇實驗對象、內容和設備,自主設計實驗方案、提出實驗路線,自主進行實驗及分析過程,發現和探索環空對流換熱過程的規律和原理。這樣,既保證了理論教學演示性和驗證性實驗的開設,又滿足創新性、探究性和綜合性實驗的需求,不僅能夠使學生全面、完整地掌握知識和技能,同時培養學生的工程實踐能力、創新思維和運用知識、團結協作解決問題的能力,也充分發揮了實驗教學的認識、綜合和探究功能。

環空對流換熱實驗教學平臺可滿足本科生畢業設計和創新訓練的需要。結合目前對流換熱在我國各大油田注汽開采和輸送領域中所遇到的問題和節約能源的趨勢,學生可在給定研究目標或課題以及現有實驗研究條件下,自主查閱相關手冊、文獻等,利用環空對流換熱實驗教學平臺自主選擇實驗項目,完成研究、設計和實驗。這不僅培養了學生理論聯系實際的能力、同時也提高了學生的創新精神和實踐能力,為培養本科生創新精神和實踐能力探索出一條有效的途徑。

環空對流換熱實驗教學平臺還可以模擬油氣開采過程中井筒環空流動與換熱規律,培養學生的工程素養。通過原油、天然氣在內管流動,外管采用空氣做環空,模擬實際油氣舉升過程中的流動和換熱過程,提高了學生的工程實踐意識和動手能力。同時,此教學平臺將實際過程經過一定的原則縮放為實驗室模型,培養了學生的模型建立和縮放意識,提高了學生的理論聯系實際能力和運用理論知識解決實際問題的能力。

環空對流換熱實驗教學平臺還可滿足科學研究和科技創新的需要,實現教學與科研的緊密結合。環空對流換熱實驗教學平臺可為熱電偶的制備、環空對流換熱實驗以及各項因素對換熱特性的影響等提供相關材料、設備和儀器,還可鼓勵學生利用創新思維進行低溫、以氣水混合物為工質以及以蒸汽為工質等方面的研究。將實驗室科研設備和技術引入實驗教學,將部分科研成果轉化為本科實驗教學內容,吸收并引導學生參與教師的科研項目,一方面實現教學與科研的緊密結合,另一方面可以激發學生的科研興趣,實現實驗室資源的有效利用[11-12]。

4　結語

環空對流換熱實驗教學平臺的建設,實現了科研實驗項目和教學實驗項目的緊密結合,在資源整合的基礎上,將部分科研成果轉化為實驗教學項目,使本科生的實驗教學能夠在一定程度上體現學科研究的前沿內容,加深學生對環空對流換熱知識的理解,鼓勵學生自主設計實驗方案,并培養學生的工程素養、實踐動手能力和科研創新意識。實驗室資源整合和教學科研相融合的做法,對于促進實驗室優質資源共享和創新性人才培養都發揮了積極的作用。

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Construction of comprehensive experimental teaching platform for annulus convective heat transfer

Lin Riyi, Jia Zhiying, Xu Weidong, Wang Xinwei, Jiang Ye

(College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

In order to simulate heat transfer process of annulus during oil recovery,the experimental teaching platform for annulus convective heat transfer has been built. It is composed of annulus convective heat transfer device and digital data acquisition system. The convective heat transfer of air in annulus and hot water in inner pipe were taken as an example to introduce the needed working medium,apparatuses and convective heat transfer experimental method. The teaching experimental platform achieves the item of making scientific experiment project and teaching experiment project together. The established experiments on annulus convective heat transfer can expand students’ understanding of basic theories,encourage students to design experimental plan independently,cultivate the students’ engineering quality,practical ability and scientific innovative consciousness. The experimental teaching platform for annulus convective heat transfer will play a positive role in cultivating the innovative talents.

annulus convective heat transfer； experimental teaching； comprehensive platform； practical and innovative ability

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.011

2015-11-21

中國石油大學(華東)教學研究與改革項目(JY-A201207，JY-A201418)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(15CX05002A，15CX05005A)

林日億(1973—)，男，湖南桂陽，博士，副教授，主要研究方向為熱力采油.

E-mail:linry@upc.edu.cn

TK123；G484

A

1002-4956(2016)6-0038-04