[发明专利]液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置及其工作方法

权利要求书

1.一种液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，包括：

预热结构，用于对液氮加热；

测量结构，与所述预热结构连接，加热后的液氮进入所述测量结构，所述测量结构用于模拟压裂管柱的不同压裂工况，测量不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的相关数据；

计算设备，与所述测量结构连接，用于根据所述相关数据计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数；

所述测量结构，包括：

模拟结构，与所述预热结构连接，加热后的液氮进入所述模拟结构，所述模拟结构用于模拟压裂管柱的不同压裂工况；

质量流量计，设置于所述模拟结构与所述预热结构之间传输液氮的管道上，用于测量液氮的瞬时质量流量；

多个T型热电偶，间隔一定距离焊接于所述模拟结构的外壁上，用于测量所述模拟结构沿程外壁面温度分布；

多个铠装温度传感器，分别设置于所述模拟结构的上游段和下游段，用于测量所述模拟结构内上游和下游的流体温度，其中，在模拟结构的上游段和下游段的测点处焊接T型引管；

超低温压力传感器，分别设置于所述模拟结构的上游段和下游段，用于测量所述模拟结构内上游和下游的流体压力；

所述模拟结构，包括：

不锈钢管，与所述预热结构连接，加热后的液氮进入所述不锈钢管，所述不锈钢管用于模拟压裂管柱，不锈钢管底部设置有锥形喷嘴；

带状电阻丝，以螺旋状均匀缠绕于所述不锈钢管的外壁，用于为所述不锈钢管提供热流密度。

2.如权利要求1所述的液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，所述预热结构，包括：

预热容器，用于容纳液氮；

电加热器，置于所述预热容器内，用于对所述预热容器内的液氮加热；

交流电源设备，与所述电加热器连接，用于为所述电加热器提供可控交流能量。

3.如权利要求2所述的液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，所述预热结构，还包括：

高压液氮泵，与所述预热容器连接，用于对液氮加压，并将加压后的液氮输入所述预热容器内。

4.如权利要求2所述的液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，所述预热结构，还包括：

第一真空保温筒，所述预热容器置于所述第一真空保温筒内，所述第一真空保温筒对所述预热容器进行隔热保温；

气凝胶保温材料，设置于所述第一真空保温筒和所述预热容器之间，用于对所述预热容器进行隔热保温。

5.如权利要求1至4中任一项所述的液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，所述模拟结构，包括：

可旋转支架，所述不锈钢管设置于所述可旋转支架上，用于模拟不同压裂工况下的井斜角。

6.如权利要求5所述的液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，所述模拟结构，还包括：

第二真空保温筒，所述不锈钢管置于所述第二真空保温筒内，所述第二真空保温筒用于对所述不锈钢管进行隔热保温；

直流电源设备，与所述带状电阻丝连接，用于为所述带状电阻丝提供可控直流能量。

7.如权利要求1至4中任一项所述的液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，所述计算设备通过以下公式计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数：

其中，h为对流换热系数，q_w,in为模拟的压裂管柱内壁面热流密度，d为模拟的压裂管柱内径，L为模拟的压裂管柱的长度，P为模拟的压裂管柱的加热功率，P＝U·I·(1-η)＝(H_out-H_in)Q，U为直流电源供电电压，I为直流电源供电电流，η为流体漏热系数，H_out为模拟的压裂管柱的出口处焓值，H_in为模拟的压裂管柱的入口处焓值，Q为质量流量，T_w，in为模拟的压裂管柱内壁面温度，D为模拟的压裂管柱外径，K为模拟的压裂管柱壁面导热系数，T_b为流体平均温度。