环空对流换热综合实验教学平台搭建

林日亿, 贾志英, 徐伟栋, 王新伟, 姜　烨

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院, 山东 青岛　266580)



环空对流换热综合实验教学平台搭建

林日亿, 贾志英, 徐伟栋, 王新伟, 姜烨

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院, 山东 青岛266580)

为模拟采油井筒油套环空传热过程,搭建了环空对流换热实验教学平台。该平台由环空对流换热装置和数据采集系统两部分组成。以环空空气和内管热水进行对流换热实验为例介绍了所需工质、仪器和对流换热测试方法,实现了科研项目和教学实验的紧密结合。环空对流换热实验的开设可以加深学生对环空对流换热知识的理解,鼓励学生自主设计实验方案,培养学生的工程素养、实践动手能力和科研创新意识,在多元化创新型人才的培养中发挥了积极的作用。

环空对流换热； 实验教学； 综合实验平台； 创新能力

自20世纪80年代以来,注蒸汽开采稠油技术已先后在辽河、新疆、胜利等稠油储量丰富的油田得到推广和应用,并取得了显著的经济效益[1]。环空通道作为一种重要的换热通道,不仅仅在石油生产中有着重要的作用,在太阳能利用、核动力工程等领域都有着广泛的应用。环空通道中的流动及换热特性也一直是相关领域内的重要研究课题,国内外的许多学者对环空通道内流动及换热特性已经进行了一些实验研究和理论分析[2-3]。我校能源与动力工程专业学生对对流换热知识的学习主要是通过专业必修课“传热学”和专业限选课“热力采油技术”两门课程。通过这两门课程的学习,学生能够基本掌握对流换热原理和对流换热基本过程等相关理论知识,但是缺少环空对流换热系统及相关实验。而实验教学对于培养学生的工程实践能力、设备操作能力、科研创新能力具有不可替代的作用[4-6],是培养多元化创新型人才的有效途径[7-8]。因此,亟需构建环空对流换热实验教学平台,帮助学生更好地掌握环空对流换热过程、原理以及影响对流换热系数的主要因素,为学生自行设计实验,探索对流换热的规律和方法提供良好的条件。这对培养学生综合实验能力、科研创新能力和工程实践能力,促进对流换热技术的发展具有重要的意义。

1　环空对流换热实验教学平台建设方案

1.1环空对流换热实验教学平台的构成

环空对流换热系统主要由环空对流换热装置和数据采集系统两部分组成。环空通道实验段是实验系统的核心部件,主要研究区域都在这部分开展,不同的环空通道在对流换热实验中会呈现不同的规律[9-10],因此需要自建多套环空通道,通过改变环空通道的偏心距、管径比以及环空通道内部的工质流速,进行不同的实验,使学生理解不同环空通道流体的流动特性和对流换热特性,也为学生自主设计类似实验奠定基础。

数据采集系统是本实验中的重要环节,它将热电偶及压力传感器采集的电压及电流信号转化为直观的温度及压力值。使用该系统可以设置测试、采集和存档测量数据,以及实时显示和分析测量数据。由环空对流换热装置和数据采集系统等组成的环空对流换热实验教学平台,可以使学生直观地理解环空流动和对流换热原理和过程,掌握相关仪器设备的操作,分析环空流动特性和对流换热特性。

1.2环空通道实验段

1.2.1实验测试段

本实验测试段内外管均采用不锈钢薄壁管,有效长度为2 m,内管规格为Ф16 mm×0.5 mm,外管规格分别为Ф49 mm×0.5 mm、Ф36 mm×0.5 mm、Ф30 mm×0.5 mm。内管和外管通过焊接组成环空通道。

实验中对偏心程度进行无量纲处理,得到偏心度,偏心度E的计算式为

式中，R为外管半径，r为内管半径，e为偏心距。

每种规格的外管分别加工成偏心度为0.2、0.5、0.8的3套实验测试段。

为了得到内管与环空的进出口温度、内管外壁温度和环空侧流体温度,实验中在进出口及管段的5个截面上均铺设了热电偶,同时在环空出口同一截面上安装了压力传感器,以测量环空侧进出口的压力,以计算摩擦系数。实验时热水从内管入口流入由下向上流动,空气从环空入口流入由上向下流动。实验测试段示意图见图1。

图1　实验测试段示意图

1.2.2热电偶及测温点布置

鉴于本实验温度在0～100 ℃之间,所以选用测量范围为-200～300 ℃、在金属热电偶中准确度最高的铜-康铜T型热电偶。

在内管进出口和环空进出口各铺设一组热电偶,用以测量进出口的温度,在管段上取5个1#～5#横截面(见图1),在截面对应的内管外壁位置上布置3组热电偶(位置如图2所示),用于测量内管外壁的壁温,温度取同一截面上的3组热电偶所测值的算术平均值。为了测量环空中流体温度,在外管壁对应内管壁的测温点打直径为1 mm的小孔,然后将热电偶垂直插入并用焊锡固定,将冷端用砂纸打磨掉绝缘皮后连接到数据采集卡。

图2　横截面热电偶布置图

1.3环空对流换热系统实验平台

环空对流换热实验系统由环空对流换热装置、循环水路系统、环空气体系统和数据采集系统4部分组成,实验系统流程如图3所示。

图3　环空对流换热系统流程图

1.3.1环空对流换热装置

环空对流换热装置由内管和外管组成,内管和外管通过焊接组成环空通道,内管流体由恒温水浴提供,环空气体由压缩机提供,由于冷热流体之间存在温差,因此热量会由内管流体向环空流体散失,以此来研究对流换热原理和规律。固定内管管径,外管管径做成3种不同规格,内外管焊接时将同管径比的环空通道做成不同偏心度,以此来构成不同管径比和不同偏心度下的对流换热,研究不同的流动和换热规律。

1.3.2循环水路系统和环空气体系统

实验中,内管循环水路系统的热水由恒温水浴提供,作为高温水路。环空气体系统的空气由压缩机提供。恒温水浴选用上海比郎公司生产的DC-05100型水浴,温度范围为室温～100 ℃,温度波动度为±0.2 ℃,工作槽容积为100 L,总功率11 kW。该水浴配有一个循环水泵,为内管水路循环提供动力。

1.3.3数据采集系统

数据采集系统是本实验中的重要环节,它将热电偶及压力传感器采集的电压及电流信号转化为直观的温度及压力值。本实验选用Agilent34972A数据采集/切换单元,并且附带提供Data Logger 3应用程序。利用该程序可以轻松地结合使用仪器和计算机来收集和分析测量数据。使用该软件可以设置测试、采集和存档测量数据,以及实时显示和分析测量数据。本实验中,设置为每8 s扫描并采集一次信号,并且可以同步在PC机上读取温度及压力值,待稳定后继续扫描10次,将扫描的所有测量数据通过软件保存为Excel表格。

2　教学实验项目设计

针对能源与动力工程专业在环空对流换热技术方面对多元化创新型人才的培养需求,从演示性实验、验证性实验和创新性实验3方面搭建了环空对流换热实验教学平台,可以实现以下主要实验。

(1) 环空对流换热认识实验。通过对环空对流换热系统中各组件的组装和管路的连接,熟悉对流换热实验台搭建过程,了解和实际操作流量计、水泵、恒温水箱、压缩机、数据采集器等仪器设备,对整个环空对流换热实验系统有直观的认识,为后续课程的学习和工作打下基础。

(2) 热电偶测温实验。在内管进出口和环空进出口各铺设一组热电偶,用以测量进出口的温度,在管段上取5个横截面,在截面对应的内管外壁位置上布置3组热电偶(位置如图2所示),用于测量内管外壁的壁温,温度取同一截面上的3组热电偶所测值的算术平均值,环空测温同理。将热电偶另一端连接在数据采集器上,当实验进行并达到稳定时,电脑会自动读取数据并保存。

(3) 环空流动特性实验。通过测试进出口压差,确定不同条件下的摩擦阻力系数,研究偏心度、管径比、流动型态对摩擦系数的影响。

① 不同偏心度对流动特性影响实验。在相同管径比、相同流速下,改变偏心度进行环空流动特性实验,研究不同偏心度对流动特性的影响。

② 不同管径比对流动特性影响实验。在相同偏心度、相同流速下,改变管径比进行环空流动特性实验,研究不同管径比对流动特性的影响。

③ 不同流动形态对流动特性影响实验。在不同管径比和偏心度组合下,改变流动形态进行环空流动特性实验,研究不同流动形态对流动特性的影响。

(4) 环空对流换热特性实验。通过测试进出口温度和各截面温度,确定不同条件下的对流换热系数,研究偏心度、管径比、雷诺数对对流换热系数的影响。

① 不同偏心度对换热特性影响实验。在相同管径比、相同流速下,改变偏心度进行环空对流换热实验,研究不同偏心度对换热特性的影响。

② 不同管径比对换热特性影响实验。在相同偏心度、相同流速下,改变管径比进行环空对流换热实验,研究不同管径比对换热特性的影响。

③ 雷诺数对换热特性影响实验。在不同管径比和偏心度组合下,改变雷诺数进行环空对流换热实验,研究雷诺数对换热特性的影响。

3　环空对流换热实验教学平台功能的多元化

学生在环空流动过程、对流换热过程、热电偶制备以及不同换热特性测试和影响因素分析等多层次的综合实验训练中,完成综合应用技能的强化和研究方法的训练。更重要的是,学生可以根据自己的兴趣自主选择实验对象、内容和设备,自主设计实验方案、提出实验路线,自主进行实验及分析过程,发现和探索环空对流换热过程的规律和原理。这样,既保证了理论教学演示性和验证性实验的开设,又满足创新性、探究性和综合性实验的需求,不仅能够使学生全面、完整地掌握知识和技能,同时培养学生的工程实践能力、创新思维和运用知识、团结协作解决问题的能力,也充分发挥了实验教学的认识、综合和探究功能。

环空对流换热实验教学平台可满足本科生毕业设计和创新训练的需要。结合目前对流换热在我国各大油田注汽开采和输送领域中所遇到的问题和节约能源的趋势,学生可在给定研究目标或课题以及现有实验研究条件下,自主查阅相关手册、文献等,利用环空对流换热实验教学平台自主选择实验项目,完成研究、设计和实验。这不仅培养了学生理论联系实际的能力、同时也提高了学生的创新精神和实践能力,为培养本科生创新精神和实践能力探索出一条有效的途径。

环空对流换热实验教学平台还可以模拟油气开采过程中井筒环空流动与换热规律,培养学生的工程素养。通过原油、天然气在内管流动,外管采用空气做环空,模拟实际油气举升过程中的流动和换热过程,提高了学生的工程实践意识和动手能力。同时,此教学平台将实际过程经过一定的原则缩放为实验室模型,培养了学生的模型建立和缩放意识,提高了学生的理论联系实际能力和运用理论知识解决实际问题的能力。

环空对流换热实验教学平台还可满足科学研究和科技创新的需要,实现教学与科研的紧密结合。环空对流换热实验教学平台可为热电偶的制备、环空对流换热实验以及各项因素对换热特性的影响等提供相关材料、设备和仪器,还可鼓励学生利用创新思维进行低温、以气水混合物为工质以及以蒸汽为工质等方面的研究。将实验室科研设备和技术引入实验教学,将部分科研成果转化为本科实验教学内容,吸收并引导学生参与教师的科研项目,一方面实现教学与科研的紧密结合,另一方面可以激发学生的科研兴趣,实现实验室资源的有效利用[11-12]。

4　结语

环空对流换热实验教学平台的建设,实现了科研实验项目和教学实验项目的紧密结合,在资源整合的基础上,将部分科研成果转化为实验教学项目,使本科生的实验教学能够在一定程度上体现学科研究的前沿内容,加深学生对环空对流换热知识的理解,鼓励学生自主设计实验方案,并培养学生的工程素养、实践动手能力和科研创新意识。实验室资源整合和教学科研相融合的做法,对于促进实验室优质资源共享和创新性人才培养都发挥了积极的作用。

References)

[1] 赵杰,李强. 注蒸汽热菜技术研究进展[J]. 内蒙古石油化工,2010,9(1):110.

[2] 彭常宏,吴埃敏,郭赟,等. 窄缝环形通道内单相液体传热和压降的试验研究[J]. 核动力工程,2003,24(增刊2):92-96.

[3] 李斌,何安定,周芳德. 窄缝环形管内流动与传热实验研究,单相强制流动换热[J]. 化工机械,2001,28(1):1-4.

[4] 李俊. 论高校教学与科研之互动关系[J]. 信阳师范学院学报:哲学社会科学版,2007(3):80-84.

[5] 张玉莲. 学分制下工程类专业学生科技创新能力的培养和构建[J]. 浙江海洋学院学报:自然科学版,2008,27(2):249-252.

[6] 吴敏华,李志平. 实验教学示范中心建设与实验课程体系构建[J]. 实验技术与管理,2011,3028(10):105-108.

[7] 林日亿,张伟,王新伟,等. 高水平特色大学本科生的多元化培养[J]. 中国石油大学学报:社会科学版,2014,30(3):104-108.

[8] 廖庆敏,秦钢年,李勉媛.科研融入实验教学提高学生创新能力与综合素质[J]. 实验室研究与探索,2009,28(3):15-18.

[9] 蒋常建. 倾斜与水平同心套管中自然对流换热的研究[D]. 上海:上海交通大学,1999.

[10] Trombetta M L. Laminar forced convection in eccentric annuli [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,1971,14(8):1161-1173.

[11] 詹福建,许可,张东方,等. 整合资源,优化资源共享,促进实验室全面开放[J]. 实验技术与管理,2011,28(11):343-345.

[12] 罗明良,温庆志,齐宁,等. 基于学生创新能力培养的压裂酸化实验教学平台构建[J].实验技术与管理,2014,31(9):77-80.

Construction of comprehensive experimental teaching platform for annulus convective heat transfer

Lin Riyi, Jia Zhiying, Xu Weidong, Wang Xinwei, Jiang Ye

(College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

In order to simulate heat transfer process of annulus during oil recovery,the experimental teaching platform for annulus convective heat transfer has been built. It is composed of annulus convective heat transfer device and digital data acquisition system. The convective heat transfer of air in annulus and hot water in inner pipe were taken as an example to introduce the needed working medium,apparatuses and convective heat transfer experimental method. The teaching experimental platform achieves the item of making scientific experiment project and teaching experiment project together. The established experiments on annulus convective heat transfer can expand students’ understanding of basic theories,encourage students to design experimental plan independently,cultivate the students’ engineering quality,practical ability and scientific innovative consciousness. The experimental teaching platform for annulus convective heat transfer will play a positive role in cultivating the innovative talents.

annulus convective heat transfer； experimental teaching； comprehensive platform； practical and innovative ability

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.011

2015-11-21

中国石油大学(华东)教学研究与改革项目(JY-A201207，JY-A201418)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(15CX05002A，15CX05005A)

林日亿(1973—)，男，湖南桂阳，博士，副教授，主要研究方向为热力采油.

E-mail:linry@upc.edu.cn

TK123；G484

A

1002-4956(2016)6-0038-04