本發(fā)明涉及一種測(cè)試低溫海水外掠圓管流動(dòng)與換熱規(guī)律的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具體涉及平流和涌流場(chǎng)的模擬，溫度的測(cè)定，屬于實(shí)驗(yàn)測(cè)量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

海洋立管系統(tǒng)是連接海底設(shè)備和海洋平臺(tái)的導(dǎo)管，是油氣開發(fā)及運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵構(gòu)件。位于海洋中的海洋立管內(nèi)部一般流過高溫高壓的流體，外部承受波浪和海流的沖刷。海洋立管在波浪和海流的沖刷作用下進(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)深海的低溫環(huán)境使得鉆井泥漿流動(dòng)性變差、設(shè)備強(qiáng)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(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)階段都必須考慮海洋環(huán)境的影響和作用，同時(shí)，對(duì)深海低溫開發(fā)中的海洋立管外側(cè)進(jìn)行流動(dòng)和換熱規(guī)律的研究具有重要的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義。

國(guó)內(nèi)外的許多專家學(xué)者們對(duì)于圓管外流動(dòng)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(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究?jī)深?，也有一些專家學(xué)者對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正。但是都沒有從低溫海洋環(huán)境方面進(jìn)行過圓管外的流動(dòng)與換熱研究。

探索海洋中立管受到波浪和海流的橫向沖刷流動(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)、外流體換熱和壓損，確定合理的海洋油氣開發(fā)工藝參數(shù)具有重要的意義。本發(fā)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(shí)施方案，還對(duì)常溫下流體橫掠單管的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行低溫環(huán)境下的補(bǔ)充，這對(duì)于深海高效開采和理論研究都具有重要的指導(dǎo)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種測(cè)試低溫海水外掠圓管流動(dòng)與換熱規(guī)律的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低溫海水循環(huán)，橫向沖刷平流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和涌流設(shè)計(jì)，擬合低溫海水外掠單管的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。

本發(fā)明提供一種測(cè)試低溫海水外掠圓管流動(dòng)與換熱規(guī)律的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括高溫流體循環(huán)系統(tǒng)、低溫海水循環(huán)系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)。其中，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；低溫海水循環(huán)系統(tǒng)包括恒溫水箱，低溫制冷機(jī)組、均流孔板、低速間歇攪拌器、高精度電子流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)器、 管線等組件；溫度測(cè)量系統(tǒng)包括熱電偶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等組件。

本發(fā)明提供一種測(cè)試低溫海水外掠圓管流動(dòng)與換熱規(guī)律的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：立管內(nèi)部流過高溫流體，高溫流體由高溫水浴即可以加熱的恒溫水箱提供，恒溫水箱可以提供室溫～100℃的高溫流體，其溫度波動(dòng)范圍是±0.2～0.3℃，加熱功率為10kw。

本發(fā)明提供一種測(cè)試低溫海水外掠圓管流動(dòng)與換熱規(guī)律的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：為保證實(shí)驗(yàn)海水的低溫(4～10℃)，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域的外側(cè)增加保溫裝置，實(shí)驗(yàn)管線全部覆蓋保溫層，在實(shí)驗(yàn)管路的水箱中增加制冷機(jī)組，降低循環(huán)海水的溫度。

本發(fā)明提供一種測(cè)試低溫海水外掠圓管流動(dòng)與換熱規(guī)律的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：為測(cè)量立管內(nèi)高溫流體和管外低溫海水的溫度，在立管內(nèi)外壁的4等分圓上各敷設(shè)4個(gè)熱電偶，在立管實(shí)驗(yàn)段距離入口和出口10cm處各敷設(shè)一層，中間每隔20cm敷設(shè)一層，這5層的熱電偶排列相同，共計(jì)40個(gè)熱電偶。

本發(fā)明提供一種測(cè)試低溫海水外掠圓管流動(dòng)與換熱規(guī)律的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：為實(shí)現(xiàn)橫向沖刷平流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)水箱的入口設(shè)計(jì)成漸擴(kuò)型，出口處設(shè)計(jì)成漸縮型，在入口和出口以及立管的兩側(cè)設(shè)置均流孔板，建立平流緩沖區(qū)。

本發(fā)明提供一種測(cè)試低溫海水外掠圓管流動(dòng)與換熱規(guī)律的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：為實(shí)現(xiàn)橫向沖刷涌流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在平流緩沖區(qū)域的內(nèi)側(cè)安裝低速間歇攪拌器，模擬海水的涌流。

附圖說明

1—實(shí)驗(yàn)水箱，2—均流孔板，3—高精度電子流量計(jì)，4—第一流量調(diào)節(jié)器，5—離心泵，6—低溫水浴，7—離心泵，8—第二流量調(diào)節(jié)器，9—高精度電子流量計(jì)，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(diào)節(jié)器，17—高精度電子流量計(jì)，18～22—熱電偶，23—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，24—計(jì)算機(jī)。001—高溫流體循環(huán)系統(tǒng)，002—低溫海水循環(huán)系統(tǒng)，003—溫度測(cè)量系統(tǒng)。

其中，高溫流體循環(huán)系統(tǒng)001由13—空心管，14—高溫水浴，15—離心泵，16—第三流量調(diào)節(jié)器，17—高精度電子流量計(jì)組成；低溫海水循環(huán)系統(tǒng)002由1—實(shí)驗(yàn)水箱，2—均流孔板，3—高精度電子流量計(jì)，4—第一流量調(diào)節(jié)器，5—離心泵，6—低溫水浴，7—離心泵，8—第二流量調(diào)節(jié)器，9—高精度電子流量計(jì)，10—溢流器，11—低速間歇攪拌器，12—排空閥組成；溫度測(cè)量系統(tǒng)003由18～22—熱電偶，23—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，24—計(jì)算機(jī)組成。

圖1是本發(fā)明提供的是一種測(cè)試低溫海水外掠圓管流動(dòng)與換熱規(guī)律的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明:

附圖1所示為本發(fā)明提供的一種測(cè)試低溫海水外掠圓管流動(dòng)與換熱規(guī)律的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括高溫流體循環(huán)系統(tǒng)001，低溫海水循環(huán)系統(tǒng)002，溫度測(cè)量系統(tǒng)003。其中高溫流體循環(huán)系統(tǒng)001由13—空心管，14—高溫水浴，15—離心泵，16—第三流量調(diào)節(jié)器，17—高精度電子流量計(jì)組成；低溫海水循環(huán)系統(tǒng)002由1—實(shí)驗(yàn)水箱，2—均流孔板，3—高精度電子流量計(jì)，4—第一流量調(diào)節(jié)器，5—離心泵，6—低溫水浴，7—離心泵，8—第二流量調(diào)節(jié)器，9—高精度電子流量計(jì)，10—溢流器，11—低速間歇攪拌器，12—排空閥組成；溫度測(cè)量系統(tǒng)003由18～22—熱電偶，23—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，24—計(jì)算機(jī)組成。

其具體工藝流程為：向?qū)嶒?yàn)水箱1內(nèi)放入除去雜質(zhì)的海水，直到水位達(dá)到設(shè)定的高度；低溫水浴6(內(nèi)含有制冷裝置，未畫出)中的海水由離心泵7泵入水箱中，中間經(jīng)過第二流量調(diào)節(jié)器8調(diào)節(jié)進(jìn)入水箱中海水的量，由高精度電子流量計(jì)9測(cè)量流入水箱1中海水的流量；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，使海水能夠均勻的流過的立管；當(dāng)模擬海水涌流時(shí)，打開低速間歇攪拌器11，使海水以涌流的方式與立管進(jìn)行換熱；高精度電子流量計(jì)3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4進(jìn)行調(diào)節(jié)；最后由離心泵5將流出的海水泵入到低溫水浴6中降溫，然后進(jìn)行再次循環(huán)；當(dāng)水箱中的水位高于設(shè)定值時(shí)，由溢流器10將多余的海水排出，當(dāng)水箱中的水位低于設(shè)定值時(shí)，通過第一流量調(diào)節(jié)器4或者第二流量調(diào)節(jié)器8進(jìn)行調(diào)節(jié)；打開電源，設(shè)定高溫水浴14的溫度，使恒溫水箱開始加熱；加熱后的熱水由離心泵15經(jīng)過第三流量調(diào)節(jié)器16和高精度電子流量計(jì)17從立管底部泵入，與低溫海水換熱后回到高溫水浴14，完成立管內(nèi)高 溫流體的循環(huán)；在立管上依次由下往上分布著5層熱電偶18～22，測(cè)量立管內(nèi)外的溫度，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)23進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后在計(jì)算機(jī)24上顯示出來；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，打開排空閥11，將水箱內(nèi)的海水排空。

附圖2～附圖6詳細(xì)給出了立管內(nèi)外側(cè)熱電偶的排布方式，在對(duì)稱的4等分圓上各布置一個(gè)熱電偶，測(cè)量立管內(nèi)高溫流體的熱電偶與測(cè)量立管外低溫海水的熱電偶交錯(cuò)開，這樣在進(jìn)行熱電偶焊接時(shí)不會(huì)相互影響，并且能夠有效的測(cè)量出立管內(nèi)外側(cè)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(zhǎng)度是為了方便立管的安裝，并且便于立管內(nèi)水流的穩(wěn)定。

本發(fā)明技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的效果：

1)在本套測(cè)試系統(tǒng)中，通過在水箱的不同位置處安裝均流孔板，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海水平流場(chǎng)的模擬，安裝低速間歇攪拌器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海水涌流場(chǎng)的模擬；

2)通過在低溫水浴中安裝制冷設(shè)備，在水箱及管線的外表面敷設(shè)保溫層，可以使海水溫度控制在4～10℃，準(zhǔn)確的模擬深海的溫度；

3)通過在立管內(nèi)外側(cè)均勻分布熱電偶，可以準(zhǔn)確的測(cè)量出進(jìn)行熱交換后低溫海水與高溫流體的溫度；

4)通過后期對(duì)數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，基于無量綱準(zhǔn)則數(shù)擬合實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，最終獲得低溫海水外掠圓管的流動(dòng)與換熱規(guī)律。