一種測試低溫海水外掠圓管流動與換熱規律的實驗系統的製作方法

2023-06-21 23:41:51 3

本發明涉及一種測試低溫海水外掠圓管流動與換熱規律的實驗系統，具體涉及平流和湧流場的模擬，溫度的測定，屬於實驗測量領域。

背景技術：

海洋立管系統是連接海底設備和海洋平臺的導管，是油氣開發及運輸的關鍵構件。位於海洋中的海洋立管內部一般流過高溫高壓的流體，外部承受波浪和海流的衝刷。海洋立管在波浪和海流的衝刷作用下進行強烈的對流換熱，影響管道的保溫，能量損失嚴重，同時深海的低溫環境使得鑽井泥漿流動性變差、設備強度降低，影響使用壽命。因此，在海底海洋管道和海洋立管工程的勘察、設計、施工、運營等各個階段都必須考慮海洋環境的影響和作用，同時，對深海低溫開發中的海洋立管外側進行流動和換熱規律的研究具有重要的經濟和戰略意義。

國內外的許多專家學者們對於圓管外流動與換熱的研究大都集中在氣體和液體常溫下外掠圓管和管束方面，研究方法設計到實驗研究和數值模擬研究兩類，也有一些專家學者對現有的實驗關聯式進行修正。但是都沒有從低溫海洋環境方面進行過圓管外的流動與換熱研究。

探索海洋中立管受到波浪和海流的橫向衝刷流動特徵，研究低溫海水外掠圓管換熱規律，對準確計算管內、外流體換熱和壓損，確定合理的海洋油氣開發工藝參數具有重要的意義。本發明專利，不僅為低溫海底管道和海洋立管的保溫隔熱提供更加精確的實施方案，還對常溫下流體橫掠單管的經驗公式進行低溫環境下的補充，這對於深海高效開採和理論研究都具有重要的指導意義。

技術實現要素：

本發明提供一種測試低溫海水外掠圓管流動與換熱規律的實驗系統，實現低溫海水循環，橫向衝刷平流結構設計和湧流設計，擬合低溫海水外掠單管的實驗關聯式。

本發明提供一種測試低溫海水外掠圓管流動與換熱規律的實驗系統，包括高溫流體循環系統、低溫海水循環系統、溫度測量系統。其中，高溫流體循環系統包括空心管、恆溫水箱、離心泵、高精度電子流量計、流量調節器、管線等組件；低溫海水循環系統包括恆溫水箱，低溫制冷機組、均流孔板、低速間歇攪拌器、高精度電子流量計、流量調節器、 管線等組件；溫度測量系統包括熱電偶、數據採集系統、計算機等組件。

本發明提供一種測試低溫海水外掠圓管流動與換熱規律的實驗系統，其特徵在於：立管內部流過高溫流體，高溫流體由高溫水浴即可以加熱的恆溫水箱提供，恆溫水箱可以提供室溫～100℃的高溫流體，其溫度波動範圍是±0.2～0.3℃，加熱功率為10kw。

本發明提供一種測試低溫海水外掠圓管流動與換熱規律的實驗系統，其特徵在於：為保證實驗海水的低溫(4～10℃)，在實驗區域的外側增加保溫裝置，實驗管線全部覆蓋保溫層，在實驗管路的水箱中增加制冷機組，降低循環海水的溫度。

本發明提供一種測試低溫海水外掠圓管流動與換熱規律的實驗系統，其特徵在於：為測量立管內高溫流體和管外低溫海水的溫度，在立管內外壁的4等分圓上各敷設4個熱電偶，在立管實驗段距離入口和出口10cm處各敷設一層，中間每隔20cm敷設一層，這5層的熱電偶排列相同，共計40個熱電偶。

本發明提供一種測試低溫海水外掠圓管流動與換熱規律的實驗系統，其特徵在於：為實現橫向衝刷平流結構的設計，實驗水箱的入口設計成漸擴型，出口處設計成漸縮型，在入口和出口以及立管的兩側設置均流孔板，建立平流緩衝區。

本發明提供一種測試低溫海水外掠圓管流動與換熱規律的實驗系統，其特徵在於：為實現橫向衝刷湧流結構的設計，在平流緩衝區域的內側安裝低速間歇攪拌器，模擬海水的湧流。

附圖說明

1—實驗水箱，2—均流孔板，3—高精度電子流量計，4—第一流量調節器，5—離心泵，6—低溫水浴，7—離心泵，8—第二流量調節器，9—高精度電子流量計，10—溢流器，11—低速間歇攪拌器，12—排空閥，13—空心管，14—高溫水浴，15—離心泵，16—第三流量調節器，17—高精度電子流量計，18～22—熱電偶，23—數據採集系統，24—計算機。001—高溫流體循環系統，002—低溫海水循環系統，003—溫度測量系統。

其中，高溫流體循環系統001由13—空心管，14—高溫水浴，15—離心泵，16—第三流量調節器，17—高精度電子流量計組成；低溫海水循環系統002由1—實驗水箱，2—均流孔板，3—高精度電子流量計，4—第一流量調節器，5—離心泵，6—低溫水浴，7—離心泵，8—第二流量調節器，9—高精度電子流量計，10—溢流器，11—低速間歇攪拌器，12—排空閥組成；溫度測量系統003由18～22—熱電偶，23—數據採集系統，24—計算機組成。

圖1是本發明提供的是一種測試低溫海水外掠圓管流動與換熱規律的實驗系統裝置圖；

圖2是第一層熱電偶分布圖，即熱電偶18的分布圖；

圖3是第二層熱電偶分布圖，即熱電偶19的分布圖；

圖4是第三層熱電偶分布圖，即熱電偶20的分布圖；

圖5是第四層熱電偶分布圖，即熱電偶21的分布圖；

圖6是第五層熱電偶分布圖，即熱電偶22的分布圖；

圖7是五層熱電偶在立管上的位置圖；

具體實施方式

下面結合附圖來詳細描述本發明:

附圖1所示為本發明提供的一種測試低溫海水外掠圓管流動與換熱規律的實驗系統，包括高溫流體循環系統001，低溫海水循環系統002，溫度測量系統003。其中高溫流體循環系統001由13—空心管，14—高溫水浴，15—離心泵，16—第三流量調節器，17—高精度電子流量計組成；低溫海水循環系統002由1—實驗水箱，2—均流孔板，3—高精度電子流量計，4—第一流量調節器，5—離心泵，6—低溫水浴，7—離心泵，8—第二流量調節器，9—高精度電子流量計，10—溢流器，11—低速間歇攪拌器，12—排空閥組成；溫度測量系統003由18～22—熱電偶，23—數據採集系統，24—計算機組成。

其具體工藝流程為：向實驗水箱1內放入除去雜質的海水，直到水位達到設定的高度；低溫水浴6(內含有製冷裝置，未畫出)中的海水由離心泵7泵入水箱中，中間經過第二流量調節器8調節進入水箱中海水的量，由高精度電子流量計9測量流入水箱1中海水的流量；泵入水箱中的海水經過布置在水箱中的均流孔板2進行均流，使海水能夠均勻的流過的立管；當模擬海水湧流時，打開低速間歇攪拌器11，使海水以湧流的方式與立管進行換熱；高精度電子流量計3測量從水箱中流出的海水流量，當流量不穩定時由流量調節器4進行調節；最後由離心泵5將流出的海水泵入到低溫水浴6中降溫，然後進行再次循環；當水箱中的水位高於設定值時，由溢流器10將多餘的海水排出，當水箱中的水位低於設定值時，通過第一流量調節器4或者第二流量調節器8進行調節；打開電源，設定高溫水浴14的溫度，使恆溫水箱開始加熱；加熱後的熱水由離心泵15經過第三流量調節器16和高精度電子流量計17從立管底部泵入，與低溫海水換熱後回到高溫水浴14，完成立管內高 溫流體的循環；在立管上依次由下往上分布著5層熱電偶18～22，測量立管內外的溫度，由數據採集系統23進行數據採集，最後在計算機24上顯示出來；實驗結束後，打開排空閥11，將水箱內的海水排空。

附圖2～附圖6詳細給出了立管內外側熱電偶的排布方式，在對稱的4等分圓上各布置一個熱電偶，測量立管內高溫流體的熱電偶與測量立管外低溫海水的熱電偶交錯開，這樣在進行熱電偶焊接時不會相互影響，並且能夠有效的測量出立管內外側的溫度。

附圖7能夠直觀的看出熱電偶在立管上的分布情況，未浸在水中的上下30cm立管的長度是為了方便立管的安裝，並且便於立管內水流的穩定。

本發明技術可以實現的效果：

1)在本套測試系統中，通過在水箱的不同位置處安裝均流孔板，可以實現對海水平流場的模擬，安裝低速間歇攪拌器可以實現對海水湧流場的模擬；

2)通過在低溫水浴中安裝製冷設備，在水箱及管線的外表面敷設保溫層，可以使海水溫度控制在4～10℃，準確的模擬深海的溫度；

3)通過在立管內外側均勻分布熱電偶，可以準確的測量出進行熱交換後低溫海水與高溫流體的溫度；

4)通過後期對數據採集器採集的數據進行處理，基於無量綱準則數擬合實驗關聯式，最終獲得低溫海水外掠圓管的流動與換熱規律。