[发明专利]一种测试低温海水外掠圆管流动与换热规律的实验系统

说明书

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。

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。