低溫海水外掠圓管對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用

張秀霞, 林日億, 李曉辰, 楊德偉

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 能源與動(dòng)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(duì)石油天然氣資源的需求愈加旺盛。除內(nèi)陸油氣田外,我國(guó)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(duì)流換熱,影響管道的保溫,能量損失嚴(yán)重。同時(shí),深海低溫環(huán)境使鉆井泥漿流動(dòng)性變差、設(shè)備強(qiáng)度降低、使用壽命縮短。國(guó)內(nèi)外已有大量關(guān)于圓管外流動(dòng)與換熱規(guī)律的研究[2-8],但大多是關(guān)于強(qiáng)制對(duì)流換熱的,對(duì)于混合對(duì)流換熱的研究基本都集中在管內(nèi)和氣體方面,少有針對(duì)海水橫掠單管混合對(duì)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(dòng)特征,研究低溫海水外掠圓管換熱規(guī)律,對(duì)準(zhǔn)確計(jì)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(xiàng)目和熱工專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn),設(shè)計(jì)搭建了低溫海水外掠圓管對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單快捷、實(shí)驗(yàn)精度較高、可靠性較強(qiáng),可用于開展多項(xiàng)教學(xué)與科研實(shí)驗(yàn),有助于學(xué)生加深在傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)、熱工檢測(cè)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(shí)的理解,有助于他們開展自主開放實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)理論知識(shí)應(yīng)用能力和實(shí)踐動(dòng)手創(chuàng)新能力[9-11]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

低溫海水外掠圓管流動(dòng)與換熱實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jì)、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(shí)驗(yàn)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(jì)、流量調(diào)節(jié)器、溢流器、排空閥、管線等組件。其中,實(shí)驗(yàn)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(gè)循環(huán)。

(3) 溫度測(cè)量系統(tǒng)由熱電偶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等組成。布置在立管上的熱電偶傳來(lái)電信號(hào),由數(shù)據(jù)采集器將其轉(zhuǎn)化為可以顯示在計(jì)算機(jī)上的溫度值。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試段

立管設(shè)置在距入口3 m處的位置,其浸沒(méi)在水中的有效實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)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(duì)流動(dòng)傳熱特性的影響。

采用銅—康銅T型熱電偶作為測(cè)溫設(shè)備,如圖2所示,在實(shí)驗(yàn)段的入口、出口和5個(gè)截面(S1—S5)上分別敷設(shè)熱電偶,共計(jì)7個(gè)。為避免入口效應(yīng)的影響,除浸沒(méi)在海水中的1 m長(zhǎng)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(cè)溫點(diǎn)分布如圖3所示。在每個(gè)截面的內(nèi)外管壁上分別布置4個(gè)熱電偶,用來(lái)測(cè)量立管壁溫和管外流體的溫度,每個(gè)截面的溫度取4組熱電偶測(cè)得溫度的平均值。在布置管內(nèi)壁處的熱電偶時(shí),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(cè)得管壁溫度為止,然后進(jìn)行焊接固定。測(cè)量管外來(lái)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(shí)驗(yàn)操作流程

實(shí)驗(yàn)操作流程如下：

(1) 向?qū)嶒?yàn)水箱1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(guò)4個(gè)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(jì)4測(cè)量流入水箱1中海水的流量,確保每個(gè)入口的流量相等；

(3) 泵入水箱中的海水,經(jīng)過(guò)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(guò)立管；

(4) 高精度電子流量計(jì)13測(cè)量從水箱中流出的海水流量,當(dāng)流量不穩(wěn)定時(shí),由流量調(diào)節(jié)器12進(jìn)行調(diào)節(jié),確保每個(gè)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(shí),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(shí),通過(guò)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(guò)流量調(diào)節(jié)器24和高精度電子流量計(jì)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(lái)測(cè)量立管進(jìn)出口溫度、管壁溫度和海水來(lái)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(jì)算機(jī)28上顯示；

(10) 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)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(guò)計(jì)算管內(nèi)高溫海水和管外低溫海水的換熱量,得出對(duì)流換熱系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)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(jì)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(duì)流換熱系數(shù)：

(3)

平均對(duì)流換熱系數(shù)可由式(4)求得：

(4)

根據(jù)平均對(duì)流換熱系數(shù)和當(dāng)量直徑可計(jì)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(lái)流海水的導(dǎo)熱系數(shù),W/(mK)。

3 誤差分析

在對(duì)各個(gè)物理量進(jìn)行測(cè)量時(shí),受到測(cè)量?jī)x器、測(cè)量方法、實(shí)驗(yàn)人員操作水平等因素影響,測(cè)量值存在一定誤差。因此要對(duì)直接測(cè)量值和間接測(cè)量值的精度與誤差進(jìn)行分析。

立管長(zhǎng)度采用米尺進(jìn)行測(cè)量,其分度值為1 mm；立管直徑采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量,其分度值為0.02 mm；其余測(cè)量?jī)x表的量程和精度見表1。

表1 測(cè)量?jī)x表的量程和精度

間接測(cè)量值的誤差需要由直接測(cè)量值計(jì)算得到,采用誤差傳遞公式來(lái)計(jì)算間接測(cè)量值的相對(duì)誤差,直接測(cè)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(cè)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(cè)量值Y的相對(duì)誤差SY的計(jì)算公式為：

(7)

計(jì)算得到各間接測(cè)量參數(shù)的相對(duì)誤差,見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)各參數(shù)的相對(duì)誤差

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)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(duì)換熱特性的影響,實(shí)驗(yàn)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(shuō)明增大管徑會(huì)削弱管外流體的換熱,小管徑有利于增強(qiáng)對(duì)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(duì)流對(duì)于總換熱量的影響就越強(qiáng)；并且Re越小,管徑變化對(duì)自然對(duì)流在總換熱量中的影響就越明顯。

5 教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與平臺(tái)功能的多元化

針對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè)在流體橫掠圓管對(duì)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(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在該平臺(tái)上可以進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)：

(1) 流體外掠圓管流動(dòng)與換熱特性認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)低溫海水外掠圓管對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各組件的組裝和管路的連接,熟悉流動(dòng)與換熱特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建,了解和實(shí)際操作壓縮制冷機(jī)、恒溫水浴槽、離心泵、熱電偶、流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集器等儀器設(shè)備,更直觀地認(rèn)識(shí)深海立管的工作過(guò)程,并加深對(duì)相關(guān)理論知識(shí)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(duì)流換熱特性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)測(cè)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(duì)流換熱系數(shù),研究管徑、換熱溫差、Re等因素對(duì)流動(dòng)換熱特性的影響。其中：①管徑對(duì)換熱特性的影響實(shí)驗(yàn),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(duì)流換熱實(shí)驗(yàn),研究管徑對(duì)換熱特性的影響；②換熱溫差對(duì)換熱特性的影響實(shí)驗(yàn),即在相同管徑、Re下,改變換熱溫差,進(jìn)行流體橫掠圓管對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn),研究換熱溫差對(duì)換熱特性的影響；③Re對(duì)換熱特性的影響實(shí)驗(yàn),即在相同管徑、換熱溫差下,改變Re,進(jìn)行流體橫掠圓管對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn),研究Re對(duì)換熱特性的影響。

總之,低溫海水外掠圓管對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可滿足本科理論教學(xué)、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)和自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的需要。結(jié)合目前流體外掠圓管對(duì)流換熱在海洋油氣田開采中遇到的問(wèn)題,學(xué)生可查閱文獻(xiàn)、手冊(cè)等,自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,完成課題調(diào)研、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析,培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的創(chuàng)新精神和工程素養(yǎng)[12-13]。低溫海水外掠圓管對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資源的有效整合。

6 結(jié)語(yǔ)

搭建了低溫海水外掠圓管對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)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(huì)削弱管外流體的換熱,小管徑有利于增強(qiáng)對(duì)流換熱強(qiáng)度；立管直徑越大,Gr/Re2的值越大,自然對(duì)流對(duì)于總換熱量的影響就越強(qiáng)。本文對(duì)海洋立管管外對(duì)流換熱特性研究提供了參考。本文所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可用于流體外掠圓管流動(dòng)與換熱特性認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)及科學(xué)研究實(shí)驗(yàn),可研究管徑、換熱溫差、Re等因素對(duì)流動(dòng)換熱特性的影響,有助于學(xué)生加深對(duì)熱工基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解,并鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的緊密結(jié)合,具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。