低溫海水外掠圓管對流換熱實驗平臺建設(shè)與應(yīng)用

張秀霞, 林日億, 李曉辰, 楊德偉

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 能源與動力工程系, 山東 青島 266580； 2. 山東力諾瑞特新能源有限公司, 山東 濟(jì)南 250103)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類對石油天然氣資源的需求愈加旺盛。除內(nèi)陸油氣田外,我國在各海域的深水區(qū)也開展了油氣資源的勘探和開發(fā)[1]。海洋立管是海洋油氣開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)裝備,海底管道和海洋立管在波浪和海流的沖刷下進(jìn)行強(qiáng)烈的對流換熱,影響管道的保溫,能量損失嚴(yán)重。同時,深海低溫環(huán)境使鉆井泥漿流動性變差、設(shè)備強(qiáng)度降低、使用壽命縮短。國內(nèi)外已有大量關(guān)于圓管外流動與換熱規(guī)律的研究[2-8],但大多是關(guān)于強(qiáng)制對流換熱的,對于混合對流換熱的研究基本都集中在管內(nèi)和氣體方面,少有針對海水橫掠單管混合對流換熱的研究結(jié)果。探索海洋立管受海水橫向沖刷的流動特征,研究低溫海水外掠圓管換熱規(guī)律,對準(zhǔn)確計算管內(nèi)外流體換熱量和壓力損失、確定合理的海洋油氣開發(fā)工藝參數(shù)具有重要意義。

本文結(jié)合科研項目和熱工專業(yè)基礎(chǔ)課實驗教學(xué)特點(diǎn),設(shè)計搭建了低溫海水外掠圓管對流換熱實驗平臺。該實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單快捷、實驗精度較高、可靠性較強(qiáng),可用于開展多項教學(xué)與科研實驗,有助于學(xué)生加深在傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)、熱工檢測原理與技術(shù)、制冷原理與設(shè)備等課程中所學(xué)理論知識的理解,有助于他們開展自主開放實驗,培養(yǎng)理論知識應(yīng)用能力和實踐動手創(chuàng)新能力[9-11]。

1 實驗裝置

1.1 實驗平臺的總體結(jié)構(gòu)

低溫海水外掠圓管流動與換熱實驗系統(tǒng)如圖1所示,包括高溫流體循環(huán)系統(tǒng)、低溫海水循環(huán)系統(tǒng)和溫度測量系統(tǒng)。

(1) 高溫流體循環(huán)系統(tǒng)包括空心管、恒溫水箱、離心泵、高精度電子流量計、流量調(diào)節(jié)器、管線等組件。高溫流體循環(huán)系統(tǒng)將高溫水浴槽中的海水加熱到一定溫度后,泵入立管內(nèi),向立管供應(yīng)恒溫?zé)崴?與水箱內(nèi)的低溫海水進(jìn)行熱交換后,重新流回高溫水浴槽中進(jìn)行加熱。

(2) 低溫海水循環(huán)系統(tǒng)包括實驗水箱、低溫水浴箱、低溫制冷機(jī)組、均流孔板、高精度電子流量計、流量調(diào)節(jié)器、溢流器、排空閥、管線等組件。其中,實驗水箱四周、底部和上部都敷設(shè)了1層復(fù)合硅酸鋁保溫材料。低溫海水循環(huán)系統(tǒng)將低溫水浴中的海水泵入到水箱中,與立管內(nèi)的高溫流體進(jìn)行換熱,之后重新流回低溫水浴槽中進(jìn)行冷卻,完成1個循環(huán)。

(3) 溫度測量系統(tǒng)由熱電偶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機(jī)等組成。布置在立管上的熱電偶傳來電信號,由數(shù)據(jù)采集器將其轉(zhuǎn)化為可以顯示在計算機(jī)上的溫度值。實驗開始后,運(yùn)用Agilent34972A數(shù)據(jù)采集器,每隔5 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集,待工況穩(wěn)定后繼續(xù)掃描10次。

圖1 實驗系統(tǒng)流程圖

1.2 實驗測試段

立管設(shè)置在距入口3 m處的位置,其浸沒在水中的有效實驗段長度為1 m。采用了4種壁厚均為1 mm的不同管徑的不銹鋼空心圓管,規(guī)格分別為Ф30 mm×1 mm、Ф36 mm×1 mm、Ф50 mm×1 mm、Ф63 mm×1 mm,以便研究管徑對流動傳熱特性的影響。

采用銅—康銅T型熱電偶作為測溫設(shè)備,如圖2所示,在實驗段的入口、出口和5個截面(S1—S5)上分別敷設(shè)熱電偶,共計7個。為避免入口效應(yīng)的影響,除浸沒在海水中的1 m長度外,向上和向下各延伸了30 cm,即在距離入口和出口40 cm處各布置一層熱電偶,中間每隔20 cm布置一層熱電偶。

立管橫截面熱電偶測溫點(diǎn)分布如圖3所示。在每個截面的內(nèi)外管壁上分別布置4個熱電偶,用來測量立管壁溫和管外流體的溫度,每個截面的溫度取4組熱電偶測得溫度的平均值。在布置管內(nèi)壁處的熱電偶時,是在管外壁的相應(yīng)位置打孔,將熱電偶垂直插入,直到可測得管壁溫度為止,然后進(jìn)行焊接固定。測量管外來流海水溫度的熱電偶,直接在管外用防水膠固定。所有熱電偶的另外一端用砂紙打磨掉絕緣皮后,按順序連接到數(shù)據(jù)采集器上。

圖2 熱電偶在立管上的分布圖

圖3 橫截面熱電偶分布圖

1.3 實驗操作流程

實驗操作流程如下：

(1) 向?qū)嶒炈?內(nèi)放入除去雜質(zhì)的海水,使水位達(dá)到設(shè)定的高度；

(2) 低溫水浴8和9(內(nèi)含有制冷裝置)中的海水,由離心泵6和7分別泵入水箱中,中間經(jīng)過4個流量調(diào)節(jié)器5調(diào)節(jié)進(jìn)入水箱中海水的量,由高精度電子流量計4測量流入水箱1中海水的流量,確保每個入口的流量相等；

(3) 泵入水箱中的海水,經(jīng)過布置在水箱中的均流孔板2進(jìn)行均流,使海水能夠均勻地流過立管；

(4) 高精度電子流量計13測量從水箱中流出的海水流量,當(dāng)流量不穩(wěn)定時,由流量調(diào)節(jié)器12進(jìn)行調(diào)節(jié),確保每個出口的流量相等,并保持水箱內(nèi)液面恒定在1 m的位置；

(5) 由離心泵10和11將流出的海水,分別泵入到低溫水浴8和9中降溫,然后進(jìn)行再次循環(huán)；

(6) 當(dāng)水箱中的水位高于設(shè)定值時,由溢流器3將多余的海水排出,當(dāng)水箱中的水位低于設(shè)定值時,通過流量調(diào)節(jié)器5和12進(jìn)行調(diào)節(jié)；

(7) 打開電源,設(shè)定高溫水浴26的溫度,使高溫水箱開始加熱；

(8) 加熱后的熱水由離心泵25經(jīng)過流量調(diào)節(jié)器24和高精度電子流量計23,從立管底部泵入,與低溫海水換熱后回到高溫水浴26,完成立管內(nèi)高溫流體的循環(huán)；

(9) 立管由下至上依次分布著7層熱電偶16—22,用來測量立管進(jìn)出口溫度、管壁溫度和海水來流溫度,由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)27進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并在計算機(jī)28上顯示；

(10) 實驗結(jié)束后,打開排空閥14將水箱內(nèi)的海水排空,并將恒溫水浴、立管和泵內(nèi)的海水排盡,避免設(shè)備腐蝕。

2 實驗原理

本實驗中立管內(nèi)流體為高溫海水,并且保持入口溫度和體積流量恒定,立管外為低溫海水,通過計算管內(nèi)高溫海水和管外低溫海水的換熱量,得出對流換熱系數(shù)。在實驗水箱四周、底部和上部都敷設(shè)了1層復(fù)合硅酸鋁保溫材料,因此邊界條件可以看作絕熱。管內(nèi)流體的散熱量在理論上與管外流體的吸熱量相等。

管內(nèi)流體散熱量的計算公式為：

(1)

式中,Φ為立管內(nèi)流體散熱量,W；ρ為流體的密度,kg/m3；cp為流體的定壓比熱容,J/(kgK)；qv為管內(nèi)高溫海水的體積流量,為立管內(nèi)高溫海水的進(jìn)口溫度,℃；為高溫海水出口溫度,℃。

(2)

根據(jù)公式(2)可求出各截面處的對流換熱系數(shù)：

(3)

平均對流換熱系數(shù)可由式(4)求得：

(4)

根據(jù)平均對流換熱系數(shù)和當(dāng)量直徑可計算得到努塞爾數(shù)Nu：

(5)

式中,De為當(dāng)量直徑,m；λf為管外來流海水的導(dǎo)熱系數(shù),W/(mK)。

3 誤差分析

在對各個物理量進(jìn)行測量時,受到測量儀器、測量方法、實驗人員操作水平等因素影響,測量值存在一定誤差。因此要對直接測量值和間接測量值的精度與誤差進(jìn)行分析。

立管長度采用米尺進(jìn)行測量,其分度值為1 mm；立管直徑采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量,其分度值為0.02 mm；其余測量儀表的量程和精度見表1。

表1 測量儀表的量程和精度

間接測量值的誤差需要由直接測量值計算得到,采用誤差傳遞公式來計算間接測量值的相對誤差,直接測量的物理量假設(shè)為X1；X2；X3；…；Xn,并且X1；X2；X3；…；Xn相互獨(dú)立,間接測量的物理量假設(shè)為Y,X與Y之間的函數(shù)關(guān)系為：

Y=f(X1,X2,X3,…,Xn)

(6)

間接測量值Y的相對誤差SY的計算公式為：

(7)

計算得到各間接測量參數(shù)的相對誤差,見表2。

表2 實驗各參數(shù)的相對誤差

4 實驗結(jié)果與分析

實驗時低溫水箱水溫恒定在7 ℃,立管入口溫度恒定為60 ℃,分別選用直徑為0.03 m、0.036 m、0.05 m和0.063 m的4種立管,研究管徑對換熱特性的影響,實驗結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可知,同一管徑下Nu隨著Re(雷諾數(shù))的增大而增大；相同Re下,Nu隨著立管直徑的增大而減小,說明增大管徑會削弱管外流體的換熱,小管徑有利于增強(qiáng)對流換熱強(qiáng)度。由圖4(b)可以看出,同一管徑下Gr/Re2的值隨著Re的增大而減小(Gr為格拉曉夫數(shù))；相同Re下,立管直徑越大,Gr/Re2的值也越大,自然對流對于總換熱量的影響就越強(qiáng)；并且Re越小,管徑變化對自然對流在總換熱量中的影響就越明顯。

5 教學(xué)實驗的設(shè)計與平臺功能的多元化

針對能源與動力工程專業(yè)在流體橫掠圓管對流換熱特性方面的教學(xué)需求,搭建了低溫海水外掠圓管對流換熱實驗平臺,在該平臺上可以進(jìn)行以下實驗：

(1) 流體外掠圓管流動與換熱特性認(rèn)識實驗。通過對低溫海水外掠圓管對流換熱實驗系統(tǒng)各組件的組裝和管路的連接,熟悉流動與換熱特性實驗平臺的搭建,了解和實際操作壓縮制冷機(jī)、恒溫水浴槽、離心泵、熱電偶、流量計、數(shù)據(jù)采集器等儀器設(shè)備,更直觀地認(rèn)識深海立管的工作過程,并加深對相關(guān)理論知識的理解,為后續(xù)的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。

(2) 流體橫掠圓管對流換熱特性實驗。通過測試立管內(nèi)高溫流體進(jìn)出口、立管各截面壁溫和立管外水溫,確定不同條件下的對流換熱系數(shù),研究管徑、換熱溫差、Re等因素對流動換熱特性的影響。其中：①管徑對換熱特性的影響實驗,即在相同換熱溫差、Re下,改變立管管徑,進(jìn)行流體橫掠圓管對流換熱實驗,研究管徑對換熱特性的影響；②換熱溫差對換熱特性的影響實驗,即在相同管徑、Re下,改變換熱溫差,進(jìn)行流體橫掠圓管對流換熱實驗,研究換熱溫差對換熱特性的影響；③Re對換熱特性的影響實驗,即在相同管徑、換熱溫差下,改變Re,進(jìn)行流體橫掠圓管對流換熱實驗,研究Re對換熱特性的影響。

總之,低溫海水外掠圓管對流換熱實驗平臺可滿足本科理論教學(xué)、本科生畢業(yè)設(shè)計和自主創(chuàng)新實驗的需要。結(jié)合目前流體外掠圓管對流換熱在海洋油氣田開采中遇到的問題,學(xué)生可查閱文獻(xiàn)、手冊等,自主設(shè)計實驗項目,完成課題調(diào)研、實驗設(shè)計、實驗測試和數(shù)據(jù)分析,培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的創(chuàng)新精神和工程素養(yǎng)[12-13]。低溫海水外掠圓管對流換熱實驗平臺還可滿足科學(xué)研究與科技創(chuàng)新的需要,部分科研成果也可轉(zhuǎn)化為本科實驗教學(xué)內(nèi)容,實現(xiàn)實驗室資源的有效整合。

6 結(jié)語

搭建了低溫海水外掠圓管對流換熱實驗平臺,并進(jìn)行了測試。實驗研究表明,相同Re下,Nu隨著立管直徑的增大逐漸減小,增大管徑會削弱管外流體的換熱,小管徑有利于增強(qiáng)對流換熱強(qiáng)度；立管直徑越大,Gr/Re2的值越大,自然對流對于總換熱量的影響就越強(qiáng)。本文對海洋立管管外對流換熱特性研究提供了參考。本文所搭建的實驗平臺可用于流體外掠圓管流動與換熱特性認(rèn)識實驗及科學(xué)研究實驗,可研究管徑、換熱溫差、Re等因素對流動換熱特性的影響,有助于學(xué)生加深對熱工基礎(chǔ)理論知識的理解,并鼓勵學(xué)生自主設(shè)計實驗方案,培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識。該實驗平臺實現(xiàn)了科研實驗項目與教學(xué)實驗項目的緊密結(jié)合,具有較強(qiáng)的實用價值。