CN106996856B - 一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统 - Google Patents
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Abstract
一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，是一种可以较为准确的测试出海洋中立管受到波浪和海流冲刷时的换热规律的实验系统，由高温流体循环系统、低温海水循环系统和温度测量系统组成。高温流体循环系统由可以加热的恒温水箱、离心泵、高精度电子流量计、流量调节器组成；低温海水循环系统由内置制冷机组的低温水浴、分布在水箱内的均流孔板、低速间歇搅拌器、流量调节器、离心泵以及高精度电子流量计组成；温度测量系统由从下至上分布在立管4等分圆上的5层热电偶、数据采集系统以及计算机组成。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，具体涉及平流和涌流场的模拟，温度的测定，属于实验测量领域。
背景技术
海洋立管系统是连接海底设备和海洋平台的导管，是油气开发及运输的关键构件。位于海洋中的海洋立管内部一般流过高温高压的流体，外部承受波浪和海流的冲刷。海洋立管在波浪和海流的冲刷作用下进行强烈的对流换热，影响管道的保温，能量损失严重，同时深海的低温环境使得钻井泥浆流动性变差、设备强度降低，影响使用寿命。因此，在海底海洋管道和海洋立管工程的勘察、设计、施工、运营等各个阶段都必须考虑海洋环境的影响和作用，同时，对深海低温开发中的海洋立管外侧进行流动和换热规律的研究具有重要的经济和战略意义。
国内外的许多专家学者们对于圆管外流动与换热的研究大都集中在气体和液体常温下外掠圆管和管束方面，研究方法设计到实验研究和数值模拟研究两类，也有一些专家学者对现有的实验关联式进行修正。但是都没有从低温海洋环境方面进行过圆管外的流动与换热研究。
探索海洋中立管受到波浪和海流的横向冲刷流动特征，研究低温海水外掠圆管换热规律，对准确计算管内、外流体换热和压损，确定合理的海洋油气开发工艺参数具有重要的意义。本发明专利，不仅为低温海底管道和海洋立管的保温隔热提供更加精确的实施方案，还对常温下流体横掠单管的经验公式进行低温环境下的补充，这对于深海高效开采和理论研究都具有重要的指导意义。
发明内容
本发明提供一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，实现低温海水循环，横向冲刷平流结构设计和涌流设计，拟合低温海水外掠单管的实验关联式。
本发明提供一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，包括高温流体循环系统、低温海水循环系统、温度测量系统。其中，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；低温海水循环系统包括恒温水箱，低温制冷机组、均流孔板、低速间歇搅拌器、高精度电子流量计、流量调节器、管线等组件；温度测量系统包括热电偶、数据采集系统、计算机等组件。
本发明提供一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，其特征在于：立管内部流过高温流体，高温流体由高温水浴即可以加热的恒温水箱提供，恒温水箱可以提供室温～100℃的高温流体，其温度波动范围是±0.2～0.3℃，加热功率为10kW。
本发明提供一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，其特征在于：为保证实验海水的低温(4～10℃)，在实验区域的外侧增加保温装置，实验管线全部覆盖保温层，在实验管路的水箱中增加制冷机组，降低循环海水的温度。
本发明提供一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，其特征在于：为测量立管内高温流体和管外低温海水的温度，在立管内外壁的4等分圆上各敷设4个热电偶，在立管实验段距离入口和出口10cm处各敷设一层，中间每隔20cm敷设一层，这5层的热电偶排列相同，共计40个热电偶。
本发明提供一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，其特征在于：为实现横向冲刷平流结构的设计，实验水箱的入口设计成渐扩型，出口处设计成渐缩型，在入口和出口以及立管的两侧设置均流孔板，建立平流缓冲区。
本发明提供一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，其特征在于：为实现横向冲刷涌流结构的设计，在平流缓冲区域的内侧安装低速间歇搅拌器，模拟海水的涌流。
附图说明
1—实验水箱，2—均流孔板，3—高精度电子流量计，4—第一流量调节器，5—离心泵，6—低温水浴，7—离心泵，8—第二流量调节器，9—高精度电子流量计，10—溢流器，11—低速间歇搅拌器，12—排空阀，13—空心管，14—高温水浴，15—离心泵，16—第三流量调节器，17—高精度电子流量计，18～22—热电偶，23—数据采集系统，24—计算机。001—高温流体循环系统，002—低温海水循环系统，003—温度测量系统。
其中，高温流体循环系统001由13—空心管，14—高温水浴，15—离心泵，16—第三流量调节器，17—高精度电子流量计组成；低温海水循环系统002由1—实验水箱，2—均流孔板，3—高精度电子流量计，4—第一流量调节器，5—离心泵，6—低温水浴，7—离心泵，8—第二流量调节器，9—高精度电子流量计，10—溢流器，11—低速间歇搅拌器，12—排空阀组成；温度测量系统003由18～22—热电偶，23—数据采集系统，24—计算机组成。
图1是本发明提供的是一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统装置图；
图2是第一层热电偶分布图，即热电偶18的分布图；
图3是第二层热电偶分布图，即热电偶19的分布图；
图4是第三层热电偶分布图，即热电偶20的分布图；
图5是第四层热电偶分布图，即热电偶21的分布图；
图6是第五层热电偶分布图，即热电偶22的分布图；
图7是五层热电偶在立管上的位置图；
具体实施方式
下面结合附图来详细描述本发明:
附图1所示为本发明提供的一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，包括高温流体循环系统001，低温海水循环系统002，温度测量系统003。其中高温流体循环系统001由13—空心管，14—高温水浴，15—离心泵，16—第三流量调节器，17—高精度电子流量计组成；低温海水循环系统002由1—实验水箱，2—均流孔板，3—高精度电子流量计，4—第一流量调节器，5—离心泵，6—低温水浴，7—离心泵，8—第二流量调节器，9—高精度电子流量计，10—溢流器，11—低速间歇搅拌器，12—排空阀组成；温度测量系统003由18～22—热电偶，23—数据采集系统，24—计算机组成。
其具体工艺流程为：向实验水箱1内放入除去杂质的海水，直到水位达到设定的高度；低温水浴6(内含有制冷装置，未画出)中的海水由离心泵7泵入水箱中，中间经过第二流量调节器8调节进入水箱中海水的量，由高精度电子流量计9测量流入水箱1中海水的流量；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，使海水能够均匀的流过的立管；当模拟海水涌流时，打开低速间歇搅拌器11，使海水以涌流的方式与立管进行换热；高精度电子流量计3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4进行调节；最后由离心泵5将流出的海水泵入到低温水浴6中降温，然后进行再次循环；当水箱中的水位高于设定值时，由溢流器10将多余的海水排出，当水箱中的水位低于设定值时，通过第一流量调节器4或者第二流量调节器8进行调节；打开电源，设定高温水浴14的温度，使恒温水箱开始加热；加热后的热水由离心泵15经过第三流量调节器16和高精度电子流量计17从立管底部泵入，与低温海水换热后回到高温水浴14，完成立管内高温流体的循环；在立管上依次由下往上分布着5层热电偶18～22，测量立管内外的温度，由数据采集系统23进行数据采集，最后在计算机24上显示出来；实验结束后，打开排空阀11，将水箱内的海水排空。
附图2～附图6详细给出了立管内外侧热电偶的排布方式，在对称的4等分圆上各布置一个热电偶，测量立管内高温流体的热电偶与测量立管外低温海水的热电偶交错开，这样在进行热电偶焊接时不会相互影响，并且能够有效的测量出立管内外侧的温度。
附图7能够直观的看出热电偶在立管上的分布情况，未浸在水中的上下30cm立管的长度是为了方便立管的安装，并且便于立管内水流的稳定。
本发明技术可以实现的效果：
1)在本套测试系统中，通过在水箱的不同位置处安装均流孔板，可以实现对海水平流场的模拟，安装低速间歇搅拌器可以实现对海水涌流场的模拟；
2)通过在低温水浴中安装制冷设备，在水箱及管线的外表面敷设保温层，可以使海水温度控制在4～10℃，准确的模拟深海的温度；
3)通过在立管内外侧均匀分布热电偶，可以准确的测量出进行热交换后低温海水与高温流体的温度；
4)通过后期对数据采集器采集的数据进行处理，基于无量纲准则数拟合实验关联式，最终获得低温海水外掠圆管的流动与换热规律。
Claims (6)
1.一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，由高温流体循环系统、低温海水循环系统和温度测量系统组成；高温流体循环系统由可以加热的恒温水箱、离心泵、高精度电子流量计、流量调节器组成；低温海水循环系统由内置制冷机组的低温水浴、分布在恒温水箱内的均流孔板、低速间歇搅拌器、流量调节器、离心泵以及高精度电子流量计组成；温度测量系统由从下至上分布在立管4等分圆上的5层热电偶、数据采集系统以及计算机组成；
测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的具体步骤：向恒温水箱(1)内放入除去杂质的海水，直到水位达到设定的高度；低温水浴(6)中的海水由离心泵(7)泵入水箱中，中间经过第二流量调节器(8)调节进入恒温水箱中海水的量，由高精度电子流量计(9)测量流入恒温水箱(1)中海水的流量；泵入恒温水箱中的海水经过布置在恒温水箱中的均流孔板(2)进行均流，使海水能够均匀的流过的立管；当模拟海水涌流时，打开低速间歇搅拌器(11)，使海水以涌流的方式与立管进行换热；高精度电子流量计(3)测量从恒温水箱中流出的海水流量，当流量不稳定时由流量调节器(4)进行调节；最后由离心泵(5)将流出的海水泵入到低温水浴(6)中降温，然后进行再次循环；当恒温水箱中的水位高于设定值时，由溢流器(10)将多余的海水排出，当恒温水箱中的水位低于设定值时，通过第一流量调节器(4)或者第二流量调节器(8)进行调节；打开电源，设定高温水浴(14)的温度，使恒温水箱开始加热；加热后的热水由离心泵(15)经过第三流量调节器(16)和高精度电子流量计(17)从立管底部泵入，与低温海水换热后回到高温水浴(14)，完成立管内高温流体的循环；在立管上依次由下往上分布着5层热电偶(18～22)，测量立管内外的温度，由数据采集系统(23)进行数据采集，最后在计算机(24)上显示出来；实验结束后，打开排空阀(11)，将恒温水箱内的海水排空。
2.根据权利要求1所述的一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，其特征在于：立管内部流过高温流体，高温流体由高温水浴即可以加热的恒温水箱提供，恒温水箱可以提供室温～100℃的高温流体，其温度波动范围是±0.2～0.3℃，加热功率为10kW。
3.根据权利要求1所述的一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，其特征在于：为保证实验海水的低温4～10℃，在实验区域的外侧增加保温装置，实验管线全部覆盖保温层，在实验管路的恒温水箱中增加制冷机组，降低循环海水的温度。
4.根据权利要求1所述的一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，其特征在于：为测量立管内高温流体和管外低温海水的温度，在立管内外壁的4等分圆上各敷设4个热电偶，在立管实验段距离入口和出口10cm处各敷设一层，中间每隔20cm敷设一层，这5层的热电偶排列相同，共计40个热电偶。
5.根据权利要求1所述的一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，其特征在于：为实现横向冲刷平流结构的设计，恒温水箱的入口设计成渐扩型，出口处设计成渐缩型，在入口和出口以及立管的两侧设置均流孔板，建立平流缓冲区。
6.根据权利要求1所述的一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统，其特征在于：为实现横向冲刷涌流结构的设计，在平流缓冲区域的内侧安装低速间歇搅拌器，模拟海水的涌流。
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