低溫海水外掠圓管混合對流傳熱規(guī)律實驗

林日億, 李曉辰, 梁金國, 徐偉棟, 郭 彬

(1.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院,山東青島 266580; 2.山東省油氣儲運安全省級重點實驗室,山東青島 266580; 3.山東力諾瑞特新能源有限公司，山東濟南 250000)

在海洋深水區(qū)的油氣資源開發(fā)、存儲和運輸過程中經常需要利用海底輸油(氣)管道以及海洋平臺立管,處于深海低溫環(huán)境中的海洋立管在波浪和海流的沖刷下進行強烈的換熱[1-3]。但由于立管內部一般會流過高溫高壓的流體,在波浪及海流等多種因素的影響下,管外的流動換熱情況比較復雜,為強制對流和自然對流并存的混合對流傳熱。對于圓管外流動與換熱規(guī)律的研究,國內外許多學者[4-6]大都采用數(shù)值模擬,運用有限元、格子玻爾茲等方法對納米流體、熔鹽、丙烷燃燒產物等各類液體和氣體橫掠單管進行傳熱特性研究[7-11],但大都是單純強制對流傳熱[12-13]。對于混合對流傳熱的研究基本都集中在管內和氣體方面,Hamouche等[14]探究了有內熱源的水平通道內空氣混合對流傳熱,Touahri等[15]模擬探究了管內蒸餾水混合對流傳熱。張穎莉、種道彤等[16-17]數(shù)值模擬了方管內混合對流傳熱過程,龍?zhí)煊宓萚18]用k-ε雙方程模擬了大寬隙比矩形窄縫通道內單相流體的混合對流傳熱問題,發(fā)現(xiàn)大寬隙比窄縫通道內的混合對流存在著與圓管內混合對流相似的“中部熱島”現(xiàn)象。Gau、Mare等[19-20]研究了水平通道內的混合對流特性。目前對低溫海水橫掠單管的混合對流傳熱研究較少,由于海水中含有大量鹽類,而深海海水溫度較低,低溫條件下海水物理性質與常溫下純水物理性質差別較大,不能用純水的物性代替,且不同海域的海水成分也存在較大差別。筆者以黃海海域自然海水為工質,對低溫環(huán)境下管外海水的混合對流傳熱特性進行實驗研究,探究換熱特性的影響因素,擬合出適用于黃海海域的混合對流傳熱經驗公式。

1 實驗系統(tǒng)和方法

1.1 實驗系統(tǒng)

基于相似原理指導?；瘜嶒灢⒃O計實驗臺,其示意圖如圖1所示,主要包括高溫流體循環(huán)系統(tǒng)、低溫海水循環(huán)系統(tǒng)和溫度測量系統(tǒng)3個部分。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、流量調節(jié)器、管線等,空心管由規(guī)格為Φ30 mm×1 mm,Φ36 mm×1 mm,Φ50 mm×1 mm,Φ63 mm×1 mm的不銹鋼管制成;低溫海水循環(huán)系統(tǒng)包括恒溫水箱、低溫制冷機組、均流孔板、高精度電子流量計、流量調節(jié)器、溢流器、排空閥、管線等組件;溫度測量系統(tǒng)由熱電偶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機等組成,熱電偶在不銹鋼管上的分布如圖2所示。分別在測量段的入口、出口以及S1～S5五個截面上布置熱電偶。

1.2 實驗方法

向實驗水箱內放入除去雜質的海水,使水位達到設定高度,通過均流板使水箱中的海水形成均勻流動(為保證沿立管高度方向冷流體流速均勻,實驗前通過Fluent數(shù)值模擬軟件研究了均流板布置方式對流場的影響,得到了一組均勻流場的均流板布置參數(shù)(布置位置、層數(shù)、孔徑等),以此設計均流板,進行實驗。低溫水浴中的海水由離心泵泵入水箱中,中間采用流量調節(jié)器對水箱中的海水進行調節(jié),由高精度電子流量計測量進、出口流量,保證每個入口和出口的流量相同,同時保持水箱內液面恒定在1 m的位置,最后流出的海水進入低溫水浴中降溫,進行再次循環(huán)。水位及溫度穩(wěn)定后,記錄立管與水箱內的流量、進出口溫度、每個截面的溫度等參數(shù)。實驗結束后,打開排空閥,將水箱內的海水排空,并將恒溫水浴、立管和泵內的海水排盡,避免腐蝕設備。

圖2 熱電偶測溫點布置圖Fig.2 Layout of measuring point of thermocouples

2 實驗結果與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

立管內流體為高溫海水,且保持入口溫度和體積流量恒定,圓管外為低溫海水,其溫度通過立管外壁附著熱電偶測得,同時結合溫度計測量作為對比;通過計算立管和管外低溫流體的換熱量Φ,得出對流傳熱系數(shù)。在水箱外部敷設了一層復合硅酸鋁保溫材料,邊界條件看作絕熱,因此管內流體的散熱量在理論上與管外流體的吸熱量相等。

管內流體散熱量的計算公式[21]為

(1)

(2)

根據(jù)式(1)和(2)可求出各截面處的對流傳熱系數(shù),進而求得平均對流傳熱系數(shù)。

計算得到努賽爾數(shù)Nu為

(3)

式中,De為當量直徑,m;λf為管外來流海水的導熱系數(shù),W·(m·K)-1。

2.2 換熱特性與雷諾數(shù)Re和格拉曉夫數(shù)Gr關系

選取4種不同的進口流體溫度20、40、60和80 ℃,計算得到4組Gr,選取不同的立管進口流體速度,計算得到Re;研究不同Re和Gr對Nu的影響,如圖3所示。

圖3 Gr對流動換熱特性影響Fig.3 Effect of Gr on heat transfer

深海海水的溫度在4～10 ℃,實驗時保持水箱內水溫恒定在7 ℃。圖3為30 mm管徑下?lián)Q熱特性與Re和Gr的關系,由圖3中可以看出,當Gr不變時,Nu隨著Re增加而增大;當Re不變時,Nu隨著Gr的增加明顯增大,并且Re越小,Gr對Nu的影響越明顯,隨著Re的增大,Gr對Nu的影響減弱。

Gr/Re2可以直觀地反映出自然對流和強迫對流的相對強弱,Gr/Re2的值在0.1～10時,是自然對流與強迫對流并存的混合對流,并且Gr/Re2值越大自然對流的影響越強。圖4為Gr/Re2隨Re和Gr的變化關系。從圖4中可以看出,Gr不變時,Gr/Re2值隨Re增大而減小;Re不變時,Gr/Re2值隨著Gr增大而明顯增大,且在低Re時,Gr/Re2值變化很大;高Re時,Gr/Re2值變化很小。由此可見,自然對流隨著Re增加而減弱,隨著Gr增加而增強。

圖4 Gr/Re2隨Re和Gr的變化Fig.4 Variation of Gr/Re2 with Re and Gr

2.3 換熱特性與管徑關系

圖5為不同管徑下?lián)Q熱特性隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律。從圖5中可以得出,Nu隨著Re增大而增大,隨著立管直徑增大逐漸減小,結合式(3)說明管徑增大,對流傳熱系數(shù)h減小,即管徑增大會削弱管外流體換熱,小管徑有利于增強對流傳熱強度。

圖5 管徑對流動換熱特性影響Fig.5 Effect of diameter on heat transfer

圖6為不同管徑下Gr/Re2隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律。由圖6中可以看出,Gr/Re2值隨著Re增大而減小,立管直徑越大,Gr/Re2值越大,自然對流對于總換熱量的影響越強,且Re越小,管徑變化對自然對流在總換熱量中的影響越明顯。

2.4 實驗關聯(lián)式擬合

圖7為實驗值與經驗公式對比結果。強迫對流采用文獻[22]中經驗公式計算,自然對流采用文獻[23]中公式計算。由圖7中可知,實驗值和經驗公式的Nu均隨著Re增大而增大,實驗值介于單純強迫對流值和自然對流與強制對流值加和的中間。隨著Re增大,實驗值與單純強迫對流經驗公式的值逐漸靠近,因為隨著Re增大,強迫對流在增強,而自然對流在逐漸減弱,強迫對流對于總換熱量的影響在逐漸增強。

圖6 管徑對Gr/Re2影響Fig.6 Effect of diameter on Gr/Re2

圖7 實驗與經驗公式計算結果對比Fig.7 Comparison between experimental data and empirical results

利用量綱分析法[21],對于此單項對流傳熱,其努賽爾數(shù)可以表示為

Nu=f(Re,Pr,Gr).

(4)

經Matlab多元線性回歸方程擬合后得到的實驗關聯(lián)式為

Nu=126.811Re0.131 8Pr-0.649 6Gr-0.043 2.

(5)

擬合關聯(lián)式的適用范圍為:490

圖8 Nu與Re擬合關系曲線Fig.8 Correlation between Nu and Re

圖9 Nu與Gr擬合關系曲線Fig.9 Correlation between Nu and Gr

由圖8、9可以看出,擬合的關聯(lián)式與實驗數(shù)據(jù)點的吻合度較高,關聯(lián)式和數(shù)據(jù)點的偏差均在-5.14%～6.17%。

3 結 論

(1)在實驗范圍內Nu隨著Re和Gr增大而增大,且Re越小,Gr對Nu的影響越明顯,隨著Re增大,Gr對Nu的影響減弱;Nu隨著立管直徑增大逐漸減小,小管徑有利于增強對流傳熱強度。

(2)綜合考慮自然對流和強制對流的影響,自然對流的影響隨著Re增加而減小,隨著Gr增大而增大;立管直徑越大,自然對流對于總換熱量的影響越強,且Re越小,管徑變化對自然對流在總換熱量中的影響越明顯。

(3)擬合得到層流混合對流傳熱的實驗關聯(lián)式,與實驗數(shù)據(jù)吻合較好,偏差在-5.14%～6.17%。