低温海水外掠圆管混合对流传热规律实验

林日亿, 李晓辰, 梁金国, 徐伟栋, 郭 彬

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛 266580; 2.山东省油气储运安全省级重点实验室,山东青岛 266580; 3.山东力诺瑞特新能源有限公司，山东济南 250000)

在海洋深水区的油气资源开发、存储和运输过程中经常需要利用海底输油(气)管道以及海洋平台立管,处于深海低温环境中的海洋立管在波浪和海流的冲刷下进行强烈的换热[1-3]。但由于立管内部一般会流过高温高压的流体,在波浪及海流等多种因素的影响下,管外的流动换热情况比较复杂,为强制对流和自然对流并存的混合对流传热。对于圆管外流动与换热规律的研究,国内外许多学者[4-6]大都采用数值模拟,运用有限元、格子玻尔兹等方法对纳米流体、熔盐、丙烷燃烧产物等各类液体和气体横掠单管进行传热特性研究[7-11],但大都是单纯强制对流传热[12-13]。对于混合对流传热的研究基本都集中在管内和气体方面,Hamouche等[14]探究了有内热源的水平通道内空气混合对流传热,Touahri等[15]模拟探究了管内蒸馏水混合对流传热。张颖莉、种道彤等[16-17]数值模拟了方管内混合对流传热过程,龙天渝等[18]用k-ε双方程模拟了大宽隙比矩形窄缝通道内单相流体的混合对流传热问题,发现大宽隙比窄缝通道内的混合对流存在着与圆管内混合对流相似的“中部热岛”现象。Gau、Mare等[19-20]研究了水平通道内的混合对流特性。目前对低温海水横掠单管的混合对流传热研究较少,由于海水中含有大量盐类,而深海海水温度较低,低温条件下海水物理性质与常温下纯水物理性质差别较大,不能用纯水的物性代替,且不同海域的海水成分也存在较大差别。笔者以黄海海域自然海水为工质,对低温环境下管外海水的混合对流传热特性进行实验研究,探究换热特性的影响因素,拟合出适用于黄海海域的混合对流传热经验公式。

1 实验系统和方法

1.1 实验系统

基于相似原理指导模化实验并设计实验台,其示意图如图1所示,主要包括高温流体循环系统、低温海水循环系统和温度测量系统3个部分。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,空心管由规格为Φ30 mm×1 mm,Φ36 mm×1 mm,Φ50 mm×1 mm,Φ63 mm×1 mm的不锈钢管制成;低温海水循环系统包括恒温水箱、低温制冷机组、均流孔板、高精度电子流量计、流量调节器、溢流器、排空阀、管线等组件;温度测量系统由热电偶、数据采集系统、计算机等组成,热电偶在不锈钢管上的分布如图2所示。分别在测量段的入口、出口以及S1～S5五个截面上布置热电偶。

1.2 实验方法

向实验水箱内放入除去杂质的海水,使水位达到设定高度,通过均流板使水箱中的海水形成均匀流动(为保证沿立管高度方向冷流体流速均匀,实验前通过Fluent数值模拟软件研究了均流板布置方式对流场的影响,得到了一组均匀流场的均流板布置参数(布置位置、层数、孔径等),以此设计均流板,进行实验。低温水浴中的海水由离心泵泵入水箱中,中间采用流量调节器对水箱中的海水进行调节,由高精度电子流量计测量进、出口流量,保证每个入口和出口的流量相同,同时保持水箱内液面恒定在1 m的位置,最后流出的海水进入低温水浴中降温,进行再次循环。水位及温度稳定后,记录立管与水箱内的流量、进出口温度、每个截面的温度等参数。实验结束后,打开排空阀,将水箱内的海水排空,并将恒温水浴、立管和泵内的海水排尽,避免腐蚀设备。

图2 热电偶测温点布置图Fig.2 Layout of measuring point of thermocouples

2 实验结果与分析

2.1 数据处理方法

立管内流体为高温海水,且保持入口温度和体积流量恒定,圆管外为低温海水,其温度通过立管外壁附着热电偶测得,同时结合温度计测量作为对比;通过计算立管和管外低温流体的换热量Φ,得出对流传热系数。在水箱外部敷设了一层复合硅酸铝保温材料,边界条件看作绝热,因此管内流体的散热量在理论上与管外流体的吸热量相等。

管内流体散热量的计算公式[21]为

(1)

(2)

根据式(1)和(2)可求出各截面处的对流传热系数,进而求得平均对流传热系数。

计算得到努赛尔数Nu为

(3)

式中,De为当量直径,m;λf为管外来流海水的导热系数,W·(m·K)-1。

2.2 换热特性与雷诺数Re和格拉晓夫数Gr关系

选取4种不同的进口流体温度20、40、60和80 ℃,计算得到4组Gr,选取不同的立管进口流体速度,计算得到Re;研究不同Re和Gr对Nu的影响,如图3所示。

图3 Gr对流动换热特性影响Fig.3 Effect of Gr on heat transfer

深海海水的温度在4～10 ℃,实验时保持水箱内水温恒定在7 ℃。图3为30 mm管径下换热特性与Re和Gr的关系,由图3中可以看出,当Gr不变时,Nu随着Re增加而增大;当Re不变时,Nu随着Gr的增加明显增大,并且Re越小,Gr对Nu的影响越明显,随着Re的增大,Gr对Nu的影响减弱。

Gr/Re2可以直观地反映出自然对流和强迫对流的相对强弱,Gr/Re2的值在0.1～10时,是自然对流与强迫对流并存的混合对流,并且Gr/Re2值越大自然对流的影响越强。图4为Gr/Re2随Re和Gr的变化关系。从图4中可以看出,Gr不变时,Gr/Re2值随Re增大而减小;Re不变时,Gr/Re2值随着Gr增大而明显增大,且在低Re时,Gr/Re2值变化很大;高Re时,Gr/Re2值变化很小。由此可见,自然对流随着Re增加而减弱,随着Gr增加而增强。

图4 Gr/Re2随Re和Gr的变化Fig.4 Variation of Gr/Re2 with Re and Gr

2.3 换热特性与管径关系

图5为不同管径下换热特性随雷诺数的变化规律。从图5中可以得出,Nu随着Re增大而增大,随着立管直径增大逐渐减小,结合式(3)说明管径增大,对流传热系数h减小,即管径增大会削弱管外流体换热,小管径有利于增强对流传热强度。

图5 管径对流动换热特性影响Fig.5 Effect of diameter on heat transfer

图6为不同管径下Gr/Re2随雷诺数的变化规律。由图6中可以看出,Gr/Re2值随着Re增大而减小,立管直径越大,Gr/Re2值越大,自然对流对于总换热量的影响越强,且Re越小,管径变化对自然对流在总换热量中的影响越明显。

2.4 实验关联式拟合

图7为实验值与经验公式对比结果。强迫对流采用文献[22]中经验公式计算,自然对流采用文献[23]中公式计算。由图7中可知,实验值和经验公式的Nu均随着Re增大而增大,实验值介于单纯强迫对流值和自然对流与强制对流值加和的中间。随着Re增大,实验值与单纯强迫对流经验公式的值逐渐靠近,因为随着Re增大,强迫对流在增强,而自然对流在逐渐减弱,强迫对流对于总换热量的影响在逐渐增强。

图6 管径对Gr/Re2影响Fig.6 Effect of diameter on Gr/Re2

图7 实验与经验公式计算结果对比Fig.7 Comparison between experimental data and empirical results

利用量纲分析法[21],对于此单项对流传热,其努赛尔数可以表示为

Nu=f(Re,Pr,Gr).

(4)

经Matlab多元线性回归方程拟合后得到的实验关联式为

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

(5)

拟合关联式的适用范围为:490

图8 Nu与Re拟合关系曲线Fig.8 Correlation between Nu and Re

图9 Nu与Gr拟合关系曲线Fig.9 Correlation between Nu and Gr

由图8、9可以看出,拟合的关联式与实验数据点的吻合度较高,关联式和数据点的偏差均在-5.14%～6.17%。

3 结 论

(1)在实验范围内Nu随着Re和Gr增大而增大,且Re越小,Gr对Nu的影响越明显,随着Re增大,Gr对Nu的影响减弱;Nu随着立管直径增大逐渐减小,小管径有利于增强对流传热强度。

(2)综合考虑自然对流和强制对流的影响,自然对流的影响随着Re增加而减小,随着Gr增大而增大;立管直径越大,自然对流对于总换热量的影响越强,且Re越小,管径变化对自然对流在总换热量中的影响越明显。

(3)拟合得到层流混合对流传热的实验关联式,与实验数据吻合较好,偏差在-5.14%～6.17%。