张秀霞, 林日亿, 李晓辰, 杨德伟

(1. 中国石油大学(华东) 能源与动力工程系, 山东 青岛 266580； 2. 山东力诺瑞特新能源有限公司, 山东 济南 250103)

随着全球经济的快速发展,人类对石油天然气资源的需求愈加旺盛。除内陆油气田外,我国在各海域的深水区也开展了油气资源的勘探和开发[1]。海洋立管是海洋油气开发中的关键技术装备,海底管道和海洋立管在波浪和海流的冲刷下进行强烈的对流换热,影响管道的保温,能量损失严重。同时,深海低温环境使钻井泥浆流动性变差、设备强度降低、使用寿命缩短。国内外已有大量关于圆管外流动与换热规律的研究[2-8],但大多是关于强制对流换热的,对于混合对流换热的研究基本都集中在管内和气体方面,少有针对海水横掠单管混合对流换热的研究结果。探索海洋立管受海水横向冲刷的流动特征,研究低温海水外掠圆管换热规律,对准确计算管内外流体换热量和压力损失、确定合理的海洋油气开发工艺参数具有重要意义。

本文结合科研项目和热工专业基础课实验教学特点,设计搭建了低温海水外掠圆管对流换热实验平台。该实验平台系统结构紧凑、操作简单快捷、实验精度较高、可靠性较强,可用于开展多项教学与科研实验,有助于学生加深在传热学、工程热力学、热工检测原理与技术、制冷原理与设备等课程中所学理论知识的理解,有助于他们开展自主开放实验,培养理论知识应用能力和实践动手创新能力[9-11]。

1 实验装置

1.1 实验平台的总体结构

低温海水外掠圆管流动与换热实验系统如图1所示,包括高温流体循环系统、低温海水循环系统和温度测量系统。

(1) 高温流体循环系统包括空心管、恒温水箱、离心泵、高精度电子流量计、流量调节器、管线等组件。高温流体循环系统将高温水浴槽中的海水加热到一定温度后,泵入立管内,向立管供应恒温热水,与水箱内的低温海水进行热交换后,重新流回高温水浴槽中进行加热。

(2) 低温海水循环系统包括实验水箱、低温水浴箱、低温制冷机组、均流孔板、高精度电子流量计、流量调节器、溢流器、排空阀、管线等组件。其中,实验水箱四周、底部和上部都敷设了1层复合硅酸铝保温材料。低温海水循环系统将低温水浴中的海水泵入到水箱中,与立管内的高温流体进行换热,之后重新流回低温水浴槽中进行冷却,完成1个循环。

(3) 温度测量系统由热电偶、数据采集系统、计算机等组成。布置在立管上的热电偶传来电信号,由数据采集器将其转化为可以显示在计算机上的温度值。实验开始后,运用Agilent34972A数据采集器,每隔5 s进行一次数据采集,待工况稳定后继续扫描10次。

图1 实验系统流程图

1.2 实验测试段

立管设置在距入口3 m处的位置,其浸没在水中的有效实验段长度为1 m。采用了4种壁厚均为1 mm的不同管径的不锈钢空心圆管,规格分别为Ф30 mm×1 mm、Ф36 mm×1 mm、Ф50 mm×1 mm、Ф63 mm×1 mm,以便研究管径对流动传热特性的影响。

采用铜—康铜T型热电偶作为测温设备,如图2所示,在实验段的入口、出口和5个截面(S1—S5)上分别敷设热电偶,共计7个。为避免入口效应的影响,除浸没在海水中的1 m长度外,向上和向下各延伸了30 cm,即在距离入口和出口40 cm处各布置一层热电偶,中间每隔20 cm布置一层热电偶。

立管横截面热电偶测温点分布如图3所示。在每个截面的内外管壁上分别布置4个热电偶,用来测量立管壁温和管外流体的温度,每个截面的温度取4组热电偶测得温度的平均值。在布置管内壁处的热电偶时,是在管外壁的相应位置打孔,将热电偶垂直插入,直到可测得管壁温度为止,然后进行焊接固定。测量管外来流海水温度的热电偶,直接在管外用防水胶固定。所有热电偶的另外一端用砂纸打磨掉绝缘皮后,按顺序连接到数据采集器上。

图2 热电偶在立管上的分布图

图3 横截面热电偶分布图

1.3 实验操作流程

实验操作流程如下：

(1) 向实验水箱1内放入除去杂质的海水,使水位达到设定的高度；

(2) 低温水浴8和9(内含有制冷装置)中的海水,由离心泵6和7分别泵入水箱中,中间经过4个流量调节器5调节进入水箱中海水的量,由高精度电子流量计4测量流入水箱1中海水的流量,确保每个入口的流量相等；

(3) 泵入水箱中的海水,经过布置在水箱中的均流孔板2进行均流,使海水能够均匀地流过立管；

(4) 高精度电子流量计13测量从水箱中流出的海水流量,当流量不稳定时,由流量调节器12进行调节,确保每个出口的流量相等,并保持水箱内液面恒定在1 m的位置；

(5) 由离心泵10和11将流出的海水,分别泵入到低温水浴8和9中降温,然后进行再次循环；

(6) 当水箱中的水位高于设定值时,由溢流器3将多余的海水排出,当水箱中的水位低于设定值时,通过流量调节器5和12进行调节；

(7) 打开电源,设定高温水浴26的温度,使高温水箱开始加热；

(8) 加热后的热水由离心泵25经过流量调节器24和高精度电子流量计23,从立管底部泵入,与低温海水换热后回到高温水浴26,完成立管内高温流体的循环；

(9) 立管由下至上依次分布着7层热电偶16—22,用来测量立管进出口温度、管壁温度和海水来流温度,由数据采集系统27进行数据采集,并在计算机28上显示；

(10) 实验结束后,打开排空阀14将水箱内的海水排空,并将恒温水浴、立管和泵内的海水排尽,避免设备腐蚀。

2 实验原理

本实验中立管内流体为高温海水,并且保持入口温度和体积流量恒定,立管外为低温海水,通过计算管内高温海水和管外低温海水的换热量,得出对流换热系数。在实验水箱四周、底部和上部都敷设了1层复合硅酸铝保温材料,因此边界条件可以看作绝热。管内流体的散热量在理论上与管外流体的吸热量相等。

管内流体散热量的计算公式为：

(1)

式中,Φ为立管内流体散热量,W；ρ为流体的密度,kg/m3；cp为流体的定压比热容,J/(kgK)；qv为管内高温海水的体积流量,为立管内高温海水的进口温度,℃；为高温海水出口温度,℃。

(2)

根据公式(2)可求出各截面处的对流换热系数：

(3)

平均对流换热系数可由式(4)求得：

(4)

根据平均对流换热系数和当量直径可计算得到努塞尔数Nu：

(5)

式中,De为当量直径,m；λf为管外来流海水的导热系数,W/(mK)。

3 误差分析

在对各个物理量进行测量时,受到测量仪器、测量方法、实验人员操作水平等因素影响,测量值存在一定误差。因此要对直接测量值和间接测量值的精度与误差进行分析。

立管长度采用米尺进行测量,其分度值为1 mm；立管直径采用游标卡尺进行测量,其分度值为0.02 mm；其余测量仪表的量程和精度见表1。

表1 测量仪表的量程和精度

间接测量值的误差需要由直接测量值计算得到,采用误差传递公式来计算间接测量值的相对误差,直接测量的物理量假设为X1；X2；X3；…；Xn,并且X1；X2；X3；…；Xn相互独立,间接测量的物理量假设为Y,X与Y之间的函数关系为：

Y=f(X1,X2,X3,…,Xn)

(6)

间接测量值Y的相对误差SY的计算公式为：

(7)

计算得到各间接测量参数的相对误差,见表2。

表2 实验各参数的相对误差

4 实验结果与分析

实验时低温水箱水温恒定在7 ℃,立管入口温度恒定为60 ℃,分别选用直径为0.03 m、0.036 m、0.05 m和0.063 m的4种立管,研究管径对换热特性的影响,实验结果如图4所示。由图4(a)可知,同一管径下Nu随着Re(雷诺数)的增大而增大；相同Re下,Nu随着立管直径的增大而减小,说明增大管径会削弱管外流体的换热,小管径有利于增强对流换热强度。由图4(b)可以看出,同一管径下Gr/Re2的值随着Re的增大而减小(Gr为格拉晓夫数)；相同Re下,立管直径越大,Gr/Re2的值也越大,自然对流对于总换热量的影响就越强；并且Re越小,管径变化对自然对流在总换热量中的影响就越明显。

5 教学实验的设计与平台功能的多元化

针对能源与动力工程专业在流体横掠圆管对流换热特性方面的教学需求,搭建了低温海水外掠圆管对流换热实验平台,在该平台上可以进行以下实验：

(1) 流体外掠圆管流动与换热特性认识实验。通过对低温海水外掠圆管对流换热实验系统各组件的组装和管路的连接,熟悉流动与换热特性实验平台的搭建,了解和实际操作压缩制冷机、恒温水浴槽、离心泵、热电偶、流量计、数据采集器等仪器设备,更直观地认识深海立管的工作过程,并加深对相关理论知识的理解,为后续的学习和工作打下基础。

(2) 流体横掠圆管对流换热特性实验。通过测试立管内高温流体进出口、立管各截面壁温和立管外水温,确定不同条件下的对流换热系数,研究管径、换热温差、Re等因素对流动换热特性的影响。其中：①管径对换热特性的影响实验,即在相同换热温差、Re下,改变立管管径,进行流体横掠圆管对流换热实验,研究管径对换热特性的影响；②换热温差对换热特性的影响实验,即在相同管径、Re下,改变换热温差,进行流体横掠圆管对流换热实验,研究换热温差对换热特性的影响；③Re对换热特性的影响实验,即在相同管径、换热温差下,改变Re,进行流体横掠圆管对流换热实验,研究Re对换热特性的影响。

总之,低温海水外掠圆管对流换热实验平台可满足本科理论教学、本科生毕业设计和自主创新实验的需要。结合目前流体外掠圆管对流换热在海洋油气田开采中遇到的问题,学生可查阅文献、手册等,自主设计实验项目,完成课题调研、实验设计、实验测试和数据分析,培养理论联系实际的创新精神和工程素养[12-13]。低温海水外掠圆管对流换热实验平台还可满足科学研究与科技创新的需要,部分科研成果也可转化为本科实验教学内容,实现实验室资源的有效整合。

6 结语

搭建了低温海水外掠圆管对流换热实验平台,并进行了测试。实验研究表明,相同Re下,Nu随着立管直径的增大逐渐减小,增大管径会削弱管外流体的换热,小管径有利于增强对流换热强度；立管直径越大,Gr/Re2的值越大,自然对流对于总换热量的影响就越强。本文对海洋立管管外对流换热特性研究提供了参考。本文所搭建的实验平台可用于流体外掠圆管流动与换热特性认识实验及科学研究实验,可研究管径、换热温差、Re等因素对流动换热特性的影响,有助于学生加深对热工基础理论知识的理解,并鼓励学生自主设计实验方案,培养学生的实践能力和创新意识。该实验平台实现了科研实验项目与教学实验项目的紧密结合,具有较强的实用价值。