（油气储运工程专业论文）水套炉加热盘管管内传热特性研究.pdf

s t u d yo nt h eh e a t - t r a n s f e rp r o p e r t yo ft h e h e a t i n gc o i l i nw a t e rj a c k e tf u r n a c e c a i l i - y u n ( o i l & g a ss t o r a g ea n d t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n g g u o - z h o n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ew a t e r j a c k e tf u i n a c eh a db e e n 、】i r i d e l ya p p l i e di n t h eo i lf i e l db yi t sr e l i a b i l i t ya n ds a f e t y , b u tt h ed e s i g no f t h eh e a t - t r a n s f e r o f t h eh e a t i n gf u r l l a c ew h i c hw a s u s l l a l l ye s t i m a t e db yt h ee m p i r i c a lv a l u e a l w a y sl e a dt ob l i n d n e s s t h eh e a t - t r a n s f e rb e “m o e nt h ew a l lo ft h eh e a t i n gc o i la n dt h ec i u d e o i ii st h eb o t t l e n e c kw h i c hr e s t r i c t st h eh e a t - t r a n s f e re f f i c i e n c yo ft h e h e a t i n gc o i l f e ws y s t e m i cs t u d i e sa b o u tt h eh e a tt r a n s f e ro ft h eh e a t i n g c o i lw e r er e p o r t e da tp r e s e n t e v e nt o d a y , w ec o u l dn o tf i n dap r e c i s e m e t h o dt h a tw a sr e c o g n i z e db ye v e r y b o d ya n dt e s t e dw e l l w eh a v ef i n i s h e dt h ed e s i g na n df i x i n go ft h em a i ne q u i p m e n tf o r t h es t u d y ，c o m p l e t e dt h es t u d yo ft h eh e a t - t r a n s f e rp r o p e r t ya b o u tt h e w h i mo i la n dt h ee m u l s i f i e dw h i t eo i lw 油5 1 0 ，1 5 w a t e r , a n a l y z c d t h ee x t e r n a ll e c t o r sa f f e c t i n gt h et e s tr e s u l t sa n da v o i d e dt h ee f f e c t so f t h e m t h er e s u l t ss h o wt h a t , t h ep r e s s u r ed r o pa tt h ei m p o r ta n de x p o r to f e i t h e rt h ew h i t eo i lo rt h ee m u l s i f i e dw h i mo i lf i tt h ep r e s s u r el o s sw h i c h h a sb e e nc a l c u l a t e db yt h es y t0 5 3 5 9 4 。t h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o do f t h e r m a lr e s i s t a n c et ot u b eh e a t e r w e l l ，t h ec o n v e c t i h e a t - w a n s f c r c o e f f i c i e n tw h i c hh a sb e e nc a l c u l a t e db yt h es y t0 5 3 5 9 4 t h e c o m p u t a t i o n a lm e t h o do ft h e r m a lr e s i s t a n c et ot u b eh e a t e r o ft h e e m u l s i f i e dw h i t eo i la n dt h ed a t ao b t a i n e df r o me x p e r i m e n td i f f e rg r e a t l y w h i l et h ed i f f e r e n c eo f w h i t eo i li ss m a l l b e s i d e s , w eh a v ec o m p l e t e df o u r y u a nl i n e a rr c t u _ r n st ot h ed a t a , a n dh a v eo b t a i n e dt h ef o r m u l a k e yw o r d s ：w a t e rj a c k e tf u r n a c e ，h e a t i n gc o i l ，e m u l s i f i e do i l ， h e a t - t r a n s f e rp r o p e r t y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名： q - 月岁日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定。即； 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后废遵守此规定) 学生签名： 鏖盘日圭艮方唧年压, e l j - e t 导师签纠；丕型1 呻年啦月蟠丑 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 1 1 研究背景及意义 第1 章前言 近年来，水套加热炉以其可靠的安全性能，在油田地面工程中得 到广泛应用，特别是在油田井口、中转站、联合站内逐渐替代直接火 筒加热炉和管式加热炉【l 】相变传热水套炉的工作原理为；燃料产生 的高温烟气通过烟管与壳体内的中间介质水( 水浴液面控制在加热盘 管以下) 换热，中间介质水吸收热量后产生饱和蒸汽，蒸汽上升至加 热盘管处，与盘管内的被加热介质进行相变换热，加热盘管内的介质， 水蒸汽则冷凝，传熟系数高。蒸汽相变后的冷凝水返回水浴中，继续 加热蒸发，如此循环往复，在加热炉的壳体内形成动态平衡 2 11 3 1 。可 见，用水套炉进行加热时存在两个关键的换热过程：烟气与水换热产 生蒸汽、水蒸汽与原油换热。因此，火筒烟管和加热盘管的传热是影 响水套炉传热的主要因素1 4 。随着强化传热技术【5 1 的发展，烟管、盘 管的材料已经由普遥光管发展到螺旋管、波纹管、三维内肋管等多种 形式，且日趋多样化嘲川。但是包括普通光管在内的火筒烟管、加热 盘管的传热规律目前缺乏系统研究，也是近年来国内外研究的热点领 域。常用的经验公式误差较大，无法满足加热炉的优化设计要求，加 热炉的传热设计通常采用经验值法进行估算，易造成加热炉设计的盲 目性。 加热盘管主要浸没在炉内蒸汽中，蒸汽热量传递给盘管内被加热 介质的过程包括：蒸汽对盘管外表面的放热过程、盘管壁的导热过程 和盘管内壁对被加热介质的放热过程。当盘管内为原油时，虽然原油 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 为强制流动状态，但由于受原油性质的限制，特别是稠油，盘管内壁的 放热系数不高，一般为1 0 0 2 0 0 w m 2 k ，而管外蒸汽与管壁的凝结 换热系数一般在1 0 0 0 0w m 2 k 以上，因此，管内壁与原油的换热， 成为制约盘管换热性能的重要瓶颈【副。目前对于被加热介质为含水原 油的换热研究仍然较少，把含水原油当作原油乳袄液处理时，加热盘 管内乳状液的温度是逐渐升高的，随着温度的升高，乳状液的导热系 数名变小，同时乳状液的稳定性和粘度下降阴，随着乳状液稳定性下 降，乳状液中的水滴是否沉降甚至油水分离成为油水两相，以及在什 么条件下分离都是有待研究的问题。 对于加热盘管的换热研究迄今为止还没有为大家所公认的、经得 起实践考验且精确度较高的计算方法。在工程实际应用中，盘管热力 计算中的传热系数通常参考类似条件的实验数据或依据经验数据进行 估取。以加热介质为水蒸汽为例，当被加热介质为原油时，传热系数 的估取范围为1 0 0 2 0 0w m 2 ；当被加热介质为水时，估取范围为 1 6 0 0 4 0 0 0w m 2 【l o 】。而对于被加热介质为含水原油的传热系数通 常的处理方法是当含水率不高时按原油的估取范围选取，含水率高时 按水的估取范围选取，其误差较大。所以，对含水原油传热系数的研 究亦有待深入进行。 综上可见，对水套炉加热盘管内被加热介质为含水原油的传热规 律的研究具有十分重要的意义。 1 2 本文的主要研究内容 1 水套炉加热盘管管内传热特性研究实验装置设计与安装； 2 纯白油在加热盘管内的热力、水力实验：控制水蒸气的温度保 2 中国石油大学( 华东) 磺士论文第l 章前言 持不变( 近视为恒壁温) ，研究纯自油在不同流态条件下的传热规律 和流动阻力变化规律； 3 乳化自油在加热盘管内的热力、水力实验：控制水蒸气的温度 保持不变( 近视为恒壁温) ，研究不同性质、不同含水率的乳化白油 在不同流态条件下的传热规律和流动阻力变化规律； 4 被加热介质为纯白油及乳化自油时，一定热负荷下加热盘管的 热力、水力计算方法：对熟力实验所得的大量数据进行回归处理，得 出相应的计算公式，并与火筒式加热炉熟力阻力计算方法公式进 行比较。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章油母水套炉技术发展现状 第2 章油田水套炉技术发展现状 2 1 水套炉的基本结构形式 水套炉的基本结构主要包括简体、加热盘管、火筒、烟管、烟囱 和燃烧器等几部分。火筒、烟管一般布置在壳体的中下部空间，火筒 部分以辐射换热为主，烟管部分以对流换热为主：加热盘管布置在壳 体的上部空间，一般采用蛇形管，为了在有限的空间内，增加盘管换 热表面积，其直径一般不大于d n l 0 0 ，燃烧器和烟囱一般布置在水套 妒的前部【l 】。 2 2 水套炉主要技术进展 2 2 1 微正压燃烧通风技术 传统的水套炉一般采用自然通风负压燃烧方式，燃烧过剩空气系 数和燃烧自动控制较为困难，影响加热炉的运行效率。国内外新型现 代燃油( 气) 的水套炉，一般采用了强制通风的微正压燃烧方式，从 而强化了燃烧，提高了火筒容积热强度，使燃烧过剩空气系数可以控 制在1 2 ( 燃油) 和1 1 ( 燃气) 左右，技术经济指标显著提高【l l l 。 传统的水套炉按标准配备了安全保护措施，但大部分加热炉的运 行操作，特别是负荷调节和燃烧控制调节仍为手工操作。新型的水套 炉一股均配置了全自动燃烧器，除了具有程序点火、熄火保护和低液 位连锁保护等安全保护功能外，还可根据加热炉运行负荷的交化实现 燃烧器自动调节，有效控制燃烧过剩空气系数，使加热炉一直处于高 4 中国石油大学( 华东) 硬士论文 第2 章油田水套炉技术发展现状 效运行状态【1 2 1 。 2 2 ，2 传热和换热技术 1 1 波形火筒和螺纹烟管传热技术1 1 3 】【1 4 】 在水套炉的烟气受热面中，对流受热面积一般要占6 0 0 一7 0 ，对 流传热的强弱在很大程度上影响到加热炉热效率的高低、钢耗量的多 少和外形尺寸的大小。传统的水套炉一般采用平直火筒和光滑烟管， 为了改善传热条件和强化传热过程，在许多新型火筒式加热炉中采用 了波形火筒和螺纹烟管传热技术，既提高了加热炉的热效率，又降低 了加热炉的钢材耗量。采用高流速、小管径的螺纹烟管，不仅改变了 烟气的流动状态，而且改变了熘管的几何特性，强化了烟气的对流传 热。当烟气流速为1 5 m s ，烟气温度为3 6 5 c 时，螺纹烟管的对流放热 系数达6 9 w ( m 2 k ) ；而烟气流速为1 5 m s ，管径为d n l 0 0 的光滑烟管 的对流放热系数仅为1 6 w ( m 2 k ) 。 2 ) 热管传热技术 热管是一种巧妙地把热阻极小的沸腾和凝结两种相变换热结合在 一起的高效的传热元件，被广泛应用于很多领域【堋。热管的主要特点 是具有极好的导热性和均热性，它广泛应用于热流的输送、控制和需 要温度均匀的场合。近年来，热管技术已逐步应用于空气预热、气一 液换热、余热回收等设备和工业场合1 1 6 1 。 把先进的热管技术应用于油田火筒式加热炉上，对其进行节能技 术改造是一种尝试。实施方案( 1 7 l 是不拆除原加热炉烟管上插管的倩况 下，在原加热炉上开孔安装热管，原加热炉的其他结构均不改动。 1 7 4 5 m w 的火筒式加热炉应用热管技术后，额定负荷下正平衡热效率 提高7 5 3 ，反平衡效率提高7 6 7 ，节气率为8 7 1 ，每天节约天然 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章油田水套炉技术发展现状 气4 0 9 4 4 m3 ，其经济效益和社会效益均相当可观。火筒式加热炉经过 现场试验后不仅经济效益好，而且现场操作人员反应；( 1 ) 炉子运行 平稳：( 2 ) 炉子升温快，降温也快。这正是热管这个高效传热元件所 起作用的必然结果。 3 ) g - i 拆卸式螺旋管或波纹管加热盘管 我国传统水套炉的加热盘管一般采用一组蛇形盘管结构，并且与 水套炉壳体固定连接，造成水套炉的加热盘管维护和更换不便；另外， 加热盘管一般采用d n 6 5 e l n l o o 的光滑管，换热系数相对比较低。 国内一些新型水套炉采用小管径( d n l 0 - - d n 3 2 ) 螺旋槽传热管【嘲 或波纹管f 1 9 1 等作为加热盘管，不仅相对增加了盘管的表面积，而且由 于螺旋槽管和波纹管截面积不断变化，有效地破坏了管内流动介质形 成的热边界层，强化了管内传热。另外，当采用小管径螺旋槽传热管 或波纹管等作为加热盘管时，由于其整体结构较为紧凑，一般设计为 可拆卸式结构，法兰与加热炉壳体形成可拆卸式连接，对加热盘管的 维护和更换较为方便【2 0 】。但是在实际应用过程中，由于原油携砂、在 盘管内流动速度又较低，经常出现集砂问题，集砂清理频率高、维护 难度大。 4 ) 相变传热技术 同一种物质可以以气、液、固三种形式存在，而且三种不同的存 在形式可以相互转化，固体吸收一定的热量后可转化为液体，液体吸 收一定的热量后可转化为气体，气体释放出一定的热量后可转化为液 体，液体释放出一定的热量后可转化为固体【2 l 】。利用同一种物质存在 形式的转化实现热量传递的过程称为相变传热。相变传热具有传热热 阻较小、传熟速率极高、可实现等温传热等特点。液体沸腾和蒸汽凝 结都是伴有相变的对流传热传质过程，其换热特性与无相变的对流换 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油田水套炉技术发展现状 热过程有明显差别。在经历了几十年研究和发展后，沸腾和凝结已成 为传热、传质学科中的一个重要分支。由于相交对流换热过程涉及到 熟力学、传热学和复杂的两相流体动力学，过程变量很多，因此，沸 腾和凝结过程十分复杂 2 2 1 。 传统水套炉的加热盘管浸没在中问介质水中，由中间介质水对盘 管内的被加热介质进行加热。壳体的额定工作压力一般为0 6 m p a ，中 间介质水的水浴饱和温度为1 2 0 1 5 0 。由于水近似不流动，水浴 侧的传热热阻较大，造成中间介质水与被加热介质之间的传热系数相 对较低，从而增大了传热温差 2 3 1 。 近年，将相变强化换热技术应用于水套加热炉后，中间介质与盘 管的传热温差有所降低。 2 2 3 水套加热炉结构性能优化设计的必要性 近十几年，通过优化加热炉的结构，应用先进的燃烧技术和传热技 术等，国内己研制开发出结构合理、技术先进和性能优越的多种形式 的油田加热炉，而且有些加热炉的炉型结构和性能已接近和达到了国 际先进水平渊。但总的来说目前国内原油输送中使用的加热炉整体技 术装备水平相对不高，与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现 在【1 1 ： ( 1 ) 国内油田加热炉的单台热负荷较小，热负荷为1 2 5 0 k w 以下的 小型加热炉约占加热炉总数的9 0 以上。 ( 2 ) 国内油田加热炉的平均运行热效率约为7 0 左右，加热炉效率 较低；而国外有关加热炉的运行热效率为8 5 以上。 ( 3 ) 国内油田加热炉的燃烧过剩空气系数较高，一般在1 3 以上，有 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油田水套炉技术发展现状 的甚至高达2 0 以上；而国外加热炉的燃烧过剩空气系数可控制在1 1 以下。 ( 4 ) 国内油田加热炉的钢耗量相对较高，火筒式间接加热炉的单位钢 耗量一般达1 4 t m w 左右，而国外加热炉的单位钢耗量为 4 t m w 7 t m w 左右，单位钢耗量与国外先进水平相比，存在较大差 距，大有潜力可挖。 ( 5 ) 国内大部分油田加热炉按标准配备了安全保护装置，但加热炉的 运行操作，特别是负荷调节和燃烧调节主要为手工操作，国外加热炉 的安全保护和运行控制均实现了自动化，可实现加热炉运行无入值守。 水套加热炉以其可靠的安全性能，在油田地面工程中得到广泛应 用，特别是在油田并口、中转站、联合站内逐渐替代直接火筒加热炉 和管式加热炉，在简化供热流程、方便操作管理、提高安全可靠性等 方面显示很大优势。最初开发的水套炉，大多数为“u ”管加热结构， 火筒与烟管的尺寸相近，负压燃烧，烟管段换热面积小、换热系数低； 设计的水浴温度为1 2 0 1 5 0 ，根据蒸汽的饱和蒸汽压，筒体设计 压力一般为0 4 5 0 6 m p a 。早期水套加热炉的主要缺陷是结构庞大、 热效率低( 一般为7 0 8 0 ) 、金属耗量大( 一般为1 7 t m w ) ，炉 体承受压力较高。针对水套炉热效率低的问题，需要对水套加热炉的 结构作出改进和优化，以进一步提高加热炉的效率，降低金属耗量。 主要有以下几个方面： 烟气对流受热面。燃油燃气水套加热炉的排烟温度一般在3 0 0 。c 左右，由于尾部对流受热面烟气的温度较低，传热温差小，而烟气纵 向冲刷烟管的对流换热系数又很低，进一步降低排烟温度很困难，而 且势必增大设备的结构，增加造价；近来也有采用炉胆加烟管的三回 程或多回程的加热结构来设计水套加热炉的 2 5 1 ，主要是以增大尾部对 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油田水套炉技术发展现状 流换热面来提高加热炉的热效率，但该类加热炉的金属耗量增大2 0 0 4 左右。因此，如何提高对流段的换热系数，减少对流受热面的面积， 在提高加热炉热效率的同时，降低加热炉的金属耗量和加热炉的造价， 是加热炉优化设计面临的基本问题。 传热介质及设计压力。水套加热炉炉体的刚性和强度，主要是由 中间传热介质的温度和相对应的饱和蒸汽压决定的，水套加热炉的设 计压力高，耗费钢材多。优选热媒添加剂，降低水套加热炉的设计压 力，是降低加热炉金属耗量的一个途径i 协。 加热盘管。加热盘管主要浸没在炉内蒸汽中，蒸汽的热量传递给盘 管内介质的过程包括：蒸汽对盘管外表面的放热过程、盘管壁的导热 过程和盘管内壁对原油的放热过程。盘管内原油虽然为强制流动状态。 但由于受原油性质的限制，特别是稠油，盘管内壁的放热系数不高， 一般为1 0 0 2 0 0 w m 2 k ，而管外蒸汽与管壁的凝结换热系数一般在 1 0 0 0 0w m 2 k 以上，因此，管内壁与原油的换热，成为制约盘管换热 性能的重要瓶颈。 整体结构的配置性。水套加热炉的“u ，型加热系统一般水平布置 在炉体的中下部。管外壁与炉内蒸汽接触，热媒水被加热时，由上下层水 温差而引起的自然对流，由于对流速度低，很难形成扰动。理论计算和分 析表明盘管的传热性能受制于外管壁与热媒水的放热过程，而这一放 热过程又受制于炉体、盘管结构和空间的配合( 称为配置性) 。进一步 完善炉体和盘管的配置性，提高盘管的传热性能，减少盘管传热面积， 并提高单位壳体体积内的盘管传热面积，进一步降低钢材用量仍然具 有很大意义。因此改善配置性也是优化性能的一种手段嘲。 因此合理分配加热炉热负荷、强化烟管传热、突破烟管传热瓶颈， 改善换热盘管的传热性能、降低传热温差，优选中间传热介质、降低 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章油田水套炉技术发展现状 热媒的饱和蒸汽压力，合理配置水套加热炉的整体结构，成为提高水 套加热炉技术性能的关键。 2 3 被加热介质为含水油的传热计算 加热盘管内壁与原油的换热，是制约盘管换热性能的重要瓶颈， 而对于被加热介质是含水原油时盘管内壁放热系数的研究很少。 对于含水率不是特别高的含水原油，可以考虑按原油乳状液处理。 原油乳状液的主要物理化学性质有 9 1 ：分散度、粘度、密度、电化学 性质和稳定性等。 ( 一) 分散度 分散相在连续相中的分散程度称为分散度，分散度用内相颗粒平 均直径的倒数表示。此外，也常用内相颗粒平均直径或内相颗粒总表 面积与总体积的比值，即比表面积表示。 ( 二) 粘度 影响乳状液粘度的因素很多，主要有：( 1 ) 外相粘度；( 2 ) 内相 的体积浓度；( 3 ) 温度；( 4 ) 乳状液的分散度；( 5 ) 乳化剂及界面膜的 性质；( 6 ) 内相颗粒表面带电强弱等。 原油乳状液的粘度随含水率的变化呈现较为复杂的关系，如下图 所示：含水率较低时，乳状液的粘度随含水率的增加缓慢上升；含水 率较高时，粘度迅速上升；含水率超过某一数值时( 约为6 5 7 5 ) ， 粘度又迅速下降，此时w o 型乳状液转变为o w 型或w o w 型乳 状液。此后，随含水率的进一步增加，油水混合物的粘度变化不大。 l o 中国石油大学( 华东) 硬士论文第2 章油田水套炉技术发展现状 霄寮羊x 图2 1 原油乳化液粘度与含水率的关系 各曲线对应的温度( ) 及剪切速率( 1 s ) ：l 。4 02 7 ：2 。4 08 1 ；3 。5 02 7 ； 4 ，5 08 1 ；5 ，7 0 引；6 ，4 02 7 ( 加药) ；7 ，4 08 1 ( 加药) 。 计算w o 型乳状液粘度的公式很多鲫，较常见的有： 爱因斯坦( e i n s t e i n ) 公式 u = 胁( 1 + 2 却) 古斯( g u t h ) 公式 z = u 0 0 + 2 5 妒+ 1 4 1 妒2 ) 式中：一乳状液粘度； 络温度条件相同时原油的粘度； 驴一含水体积分数；， ( 三) 密度 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章油田水套炉技术发展现状 原油含水、含盐后，其密度显著增大。若已知乳状液体积含水率p 、 原油和含盐水的密度分别为岛和p o ，则原油乳状液的密度可按下式 确定： p ：毪挚。：们刊+ 氏妒 v o + u “、“” 式中v 0 、v 0 分别为油和水的体积，m 3 。 原油乳状液的密度还可按下式计算 l p 2 互j 互 p * p 4 垆南 式中q 一乳状液中水和溶解盐的质量分数； q 一乳状液中淡水的质量分数； z 一水中溶解盐的质量分数。 ( 四) 电化学性质 纯态时，水和原油都是很好的电介质，原油乳状液的电导率除取 决于其含水率和水颗粒的分散度外，在很大程度上决定于水中的含盐、 含酸、含碱量。乳状液的电导率还随温度的升高而增大。 ( 五) 稳定性和老化 原油稳定性是指：乳状液不被破坏，抗油水分层的能力。影响乳 状液稳定性的主要因素有：乳状液的分散度和原油粘度、乳化剂的类 型和保护膜的性质、内相颗粒表面带电、乳状液温度和水的p h 值等。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章加热盘管传热特性实验装置 第3 章加热盘管管内传热特性实验装置 3 1 实验流程描述 本实验装置主要包括加热换热器、泵入口罐、泵出口缓冲器、循环 泵四个设备。被加热介质为含水油，含水油在加热换热器中被加热，在 换热器出口测量温度和压力后进入泵入口罐，含水油在罐中被冷却至一 定温度并消除压力脉动( 同时通过泵循环使之混合均匀) ，进入泵出口 缓冲器，泵出口缓冲器连有氮气瓶，通过控制氮气瓶出口阀门来控制充 入的氮气压力，由于气体空间是可压缩的，缓冲器可以起到消除由于泵 出口压力不稳而产生的脉动的作用。含水油消除压力脉动后从缓冲器流 出，经流量计计量后，流入加热换热器内的加热盘管进口( 再次测量其 温度和压力) ，在加热换热器中加热后由加热盘管出口流出，如此循环 进行。如下图所示： 图3 一i 实验流程示意简图 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章加热盘管传热特性实验装置 3 2 主要实验设备 本实验需要设计加工的设备有：加热换热器、泵入口罐、泵出口 缓冲器。 3 2 1 加热换热器的设计 加热介质为水蒸气，取蒸汽温度t s = 1 2 0 ；假定被加热介质( 白 油或乳化白油) 进口温度取t i = 5 0 c ，出口温度取t f = 7 0 c ，计算得 对数平均温差：缸。“5 9 5 ； 考虑室内实验条件，选用d n l 5 ( 外径为2 1 2 5 n u n ，壁厚为2 7 5 n u n ) 的无缝钢管作为加热盘管，盘管根数和长度分以下四种情况进行试算， 所得结果如见下表： 表3 - 1 盘管设计试算结果 盘管根数长度( m ) t m ( )q ( k v o“)a p ( b a a ) 1 01 56 4 67 3 0 21 0 40 2 0 2 1 26 5 75 9 4 18 4 0 1 6 2 81 56 5 95 9 5 98 5o 1 2 5 1 26 6 34 7 9 76 80 1 2 6 表中： k 一对数平均温差； q 一换热负荷； t 一被加热介质在加热盘管进出口的温升； d 一总压力损失； 综合以上四种情况，考虑工程实际中，加热炉进出口原油的温升 在1 0 c 左右，进出口的压降在o 2 m p a 左右，综合考虑电加热器的加 热功率( 选用无锡永安电热器材有限公司生产的y r q g 8 3 8 0 - 1 5 电 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章加热盘管传热特性实验装置 加热器) ，选择1 0 根1 5 m 长d n l 5 ( 外径为2 1 2 5 r a m ，壁厚为2 7 5 r a m ) 的镀锌钢管作为加热盘管较为合理。加热盘管采用三角形错列的方式 排列。为了方便加工、安装和拆卸，采用分体式结构，结合加热盘管 的排列方式，上下筒体均为3 5 0 。为便于加热盘管的更换和维修， 加热盘管采用可拆卸式结构，即加热盘管进入上筒体的一端采用法兰 连接方式，另一端用椭圆封头封堵；加热盘管伸出于换热器部分为原 油的进出口，上筒体设有安全阀口、压力表口、热电偶口、放气口( 同 时作为加水口) 、液位计口，下简体设有温度计口、电加热器口、排污 口、液位计接口。其结构简图如下所示： ，卜j l 斗兰卜型q 产99 999 - i - j 邑d _ ! 望_ 图3 2 加热换热器结构简图 宣 中国石油大学( 华东) 硕七论文 第3 章加热盘管传热特性实验装置 图3 3 加热换热器侧视图 加热盘管的结构图如下： 广 l 年毫i 耻 田l 夏 图3 4 加热盘管结构图 被加热介质由1 号管进入加热盘管，按顺序流经各管，最后由0 号管流出。 加热换热器的开口规格表如下： 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章加热盘管传热特性实验装置 表3 2 加热换热器的开口规格表 序号开口名称数量p n ( m a )d n ( m m )管口型式备注 a凝结水口 20 6l o o接管 b 1 ，2液位计口 2 1 6 2 0平焊法兰h g 2 0 5 9 2 c加水口l1 62 0外螺纹 r 2 3 4 d安全阀口l1 62 5平焊法兰h g 2 0 5 9 2 e 压力表口 1 1 5 外螺纹r 2 1 ，2 f放气口11 5外螺纹 r 2 1 2 g电热器口 l 1 ol o o 平焊法兰 h g 2 0 5 9 2 h l 进出口 21 5管口 l水蒸汽口21 0 0接管 j l 温度计口22 0内螺纹m 2 7 2 k捧污口l2 0外螺纹 r 2 3 4 加热换热器壳体工作压力为0 4 5 m p a ，最高工作温度1 5 0 ；加 热盘管工作压力0 6 m p a ，工作温度8 0 ，上下简体均用6 0 m m 厚的 岩棉进行保温。 3 2 2 泵入口罐、泵出口缓冲器的设计 ( 1 ) 泵入口罐的设计 由于泵入口罐同时起到冷却来油的作用，所以泵入口罐中需要设 置一组冷却盘管。 a ) 冷却水管面积的确定 原油：由t l = 6 0 4 1 2 降至f l - - 5 0 c ，冷却水管选用d n 2 5 x 2 5 的冷 拔钢管，冷却水的流量为1 0 l r a i n ，进口温度为t 2 = 2 0 c ，冷却水的 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章加热盘管传热特性实验装置 质量流量q m = o 1 6 7 k g s ( 经测量) ，经计算所需的冷却面积为：4 “0 5 盯，所以选用1 0 根o 8n l 长、d n 2 5 x 2 5 的冷拔钢管作为冷却盘管。 ”缓冲容积的确定 实验所用两台并联泵均为k c b 1 8 3 ，工作参数：1 8 3 i j m i n ， p = - i 4 5 m p a ，1 5 k w , 1 4 0 0 r m i n ，汽蚀余量为5 m 。 设缓冲所需的体积为v o ，泵一腔的体积为v ，要求云击， 计算得所需最小缓冲容积约为4 l ；设计的泵入口罐容积为：0 2 8 8 m 3 。 泵入口罐中设有一组1 0 根o 8n l 长、d n 2 5 x 2 5 的冷拔钢管作为冷 却盘管，冷却盘管中流过自来水用于冷却从加热换热器中加热过的含水 油，通过调节自来水的流量控制含水油的温度。罐上设有回流口，通过 循环泵回流，同时消除压力脉动；罐体上方装有压力表，用于检测罐内 压力；罐体上方安全阀的起跳压力为0 4 5 m p a ；选用实验室已有的磁性 液位计便于观察和控制罐内液位。该罐的结构简图如下： 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章加热盘管传热特性实验装置 要 -， b ，一l 、 、 包 j ： 山 j _ 叶一 l 七 - 图3 5 泵入口罐结构简图 冷却水管的结构图如下所示： 9 9 j ooo j 电曲 一 l 布棱i t o 图3 6 冷却水管结构图 冷却水由l 号管进入罐内冷却盘管，依次流经各管，最后由0 号 管流出。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章加热盘管传热特性实验装置 泵入口罐的开口规格表如下： 表3 3 泵入口罐的开口规格表 序号开口名称数量p n d n管口型式备注 ( m p a )( m m ) a i 2液位计接口 2l 6 2 0平焊法兰 h g 2 0 5 9 2 b原油进口11 62 0外螺纹 r 2 1 陀 c原油出口l1 62 0外螺纹 r 2 l 尼 d安全阕口 1 1 6 2 5平焊法兰 h g 2 0 5 9 2 e压力表口l1 5外螺纹 r 2 1 ，2 f 回流口 l2 0外螺纹 r 2 1 2 9 1 2冷却水进出口 l1 62 0外螺纹 如1 尼 泵入口罐最高工作温度为9 0 ，最高工作压力为0 3 m p a ，安全阀 设计压力为0 3 1 5m p a 。 ( 2 ) 泵出口缓冲器 为了消除泵出口的压力脉动，以保证加热换热器进口前温度、压力 的测量值稳定，需在泵出口设置一小型缓冲器。经计算，该泵出口缓冲 器容积为o 0 4 m 3 。其结构简图如下所示： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章加熟盘管传热特性实验装置 开口规格表： 分 1 兮 国 电 电 固 o 一弋少瀚 图3 7 泵出口缓冲器结构图 表3 4 泵出口缓冲器开口规格表 序号开口名称数量 p nd n管口型式 备注 ( h 皿 a )( m m ) a l 3液位观察口 31 5外螺纹 r 2 1 2 b原油进口l1 62 0外螺纹 r 2 3 4 c原油出口l1 62 0外螵纹 r 2 3 4 d氮气进口l1 5外螺纹 8 2 1 2 e压力表口l1 5外螺纹 1 7 , 2 1 2 3 2 3 数据采集系统 本实验装置的数据采集系统采用了数据采集模块和微机相结合的 模式，数据采集模块主要采用了研华4 0 0 0 系列，其中包括模拟信号输 入模块a d a m 4 0 1 7 ，2 通路计数频率输入模块a d a m - 4 0 8 0 ， 2 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章加熟盘管传热特性实验装置 r s - 2 3 2 r s - 4 8 5 转换模块各一个。上位机的组态系统采用了研华的组 态王软件。该装置主要采集的数据有：2 路4 2 0 m a 温度信号、3 路 4 2 0 m a 压力信号，这5 路信号进入a d a m - 4 0 1 7 模块，串连一个 2 5 0 q 的电阻，输出为l 5 v 的电压信号。l 路脉冲流量信号进入 a d a m - 4 0 8 0 采集模块，2 块采集模块利用r s 4 8 5 通讯并联接到 a d a m - 4 5 2 0 模块，通过该模块实现跟组态软件数据实时的传送，控 制原理图如下： 田一 图3 8 数据采集系统控制原理图 在加热盘管的进出口均设有温度传感器、压力传感器，检测原油 在加热盘管进出口处的温度和压力值，在加热盘管进口前设置流量计 测量流体流量。 ( a ) 压力传感器的标定 由于压力传感器输出信号与输入信号成线性关系，所以只要调整 零点和量程即可。加热盘管进出口均为r o s e m o u n t 生产的输出电 流信号为4 2 0 m a 、量程为0 5 0 0 0 k p a 的压力传感器。对于本实验， 调整其量程为0 t m p a 即可。 加热盘管进出口压力传感器的标定：在不施压的情况下，通过万 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章加热盘管传熟特性实验装置 用表测量压力传感器输出的电流值，将其调为4 m a ( 对应压力o m p a ) ， 调零后断电2 0 秒通电，如此反复两次零点不漂移说明零点已调准。将 充入泵出口缓冲器的氮气压力保持在lm p a ，此时，用万用表测量压 力传感器输出的电流值，将其调为2 0 m a ，调整后断电2 0 秒通电，如 此反复两次数值不变，说明量程已调为0 i m p a 。静态标定过程包括 正反两个行程，正行程是指从零到满量程依次增加载荷的过程，而反 行程则相反，是依次减载的过程。不同压力对应输出电流值如下表： 表3 5 压力传感器标定实验数据 正行程反行程 压力值( m p a )电流值( r n a )压力值( m p a )电压值( m a ) o4o 4 o 27 2o 27 2 o 4 l o 4o 41 0 4 o 61 3 6o 61 3 6 o 81 6 8；o 81 6 8 1 o 2 01 02 0 所得曲线如下： v 煨 脚 压力( ) 图3 9 施加压力与输出电流值关系曲线 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章加热盘管传熟特性实验装置 出口压力传感器采取同样方法进行标定，标定结果同上。由上图 可以看出压力传感器输出的电流值与所旖加的压力是很好的线性关 系，完成了压力传感器的标定。 ( b ) 温度传感器的标定 加热盘管进出口使用的均为安徽省天长市仪表厂生产的 w z p j - 2 4 0 d l b t 4 型温度传感器，量程为o 1 5 0 。 零点的标定：取冰水混合物，将温度传感嚣和水银温度计同时插 入冰水混合物中( 水银温度计不能接触到冰块) ，水银温度计上显示为 0 c 时，通过万用表测量温度传感器输出的电流值，将其调为4 m a ( 对 应0 ) 。调零后断电2 0 秒通电，如此反复两次零点不漂移说明零点 已调准：1 5 0 的标定：通过加热换热器进行标定，将温度传感器安装 于加热换热器的加水口。打开电加热器，对加热换热器下简体中的纯 净水进行加热，将电加热器的温度设定在1 5 0 ，当温度升高至1 5 0 时，通过万用表测量温度传感器输出的电流值，将其调为2 0m a ( 对 应1 5 0 ) ，调好后断电2 0 秒通电，如此反复两次测量均为2 0m a 说 明量程已调准；两只温度传感器采取同样的方法进行0 c 和1 5 0 的标 定。 当加热换热器中的温度降为1 2 0 时，万用表测量温度传感器输 出的电流值为1 6 8m a 。使用天津市泰斯特仪器有限公司的d k 9 8 - i 电子恒温水浴锅对温度传感器进行进一步标定，电子恒温水浴锅的温 度范围为2 0 1 0 0 ，温波l 。打开水浴锅的电源，分别将其温度 设定为3 0 0 、6 0 、9 0 ，并保持恒温，将进出口的温度传感器置于 恒温水浴锅中，达到热平衡时用万用表测量温度传感器输出的电流值， 分别为7 2 、1 0 4 、1 3 6m a 。由下图可看出温度传感器输出的电流值 与对应的温度是很好的线性关系，完成了温度传感器的标定。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章加热盘管传热特性实验装置 与对应的温度是很好的线性关系，完成了温度传感器的标定。 葛 u 嚣 删 温度( ) 图3 一l o 温度与输出电流值关系曲线 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章纯白油传热特性实验研究 第4 章纯白油传热特性实验研究 4 1 实验用纯白油物性简介 所谓白油，通常是指白色矿物油。它是经过特殊的深度精制后的 矿物油。白油无色、无味、化学惰性、光安定性能好，基本组成为饱 和烃结构，芳香烃、含氮、氧、硫等物质近似于零。白油的分子量通 常都在2 5 0 4 5 0 范围之内，具有良好的氧化安定性、化学稳定性、光 安定性，无色、无味，不腐蚀纤维纺织物口引。 本实验用3 0 # 白油为胜利原油所得馏分，经溶剂脱蜡、化学精制 而得的的低倾点环烷基矿物油。 4 1 ，1 密度的计算 实验测试了3 0 # 白油在2 0 时的密度：p 2 0 = 8 5 5 4 k g m 3 。根据 公式：以= 卵一f 口一2 0 ) t 2 9 1 其中以相对密度； 刃o 2 0 时的相对密度； t 油温； f 韫度系数。 = 1 8 2 5 x 1 0 _ 一1 3 1 5 x 1 0 4 d 莩 将妒= o 8 5 5 4 、司5 = o 8 5 8 8 代入上面的公式，1 2 1 # 油任一 温度下的密度： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章纯白油传熟特性实验研究 4 1 2 比热容的计算 p = 8 5 5 4 0 7 ( t 一2 0 ) ( 4 - i ) 根据公式；c ，= - 、- 。- 。- 每1 5 ( 1 6 8 7 + 3 3 9 x 1 0 - 3 t ) 捌 将以5 = o 8 5 8 8 ( 实验测得) 代入上式，得纯白油在t 时的比热容： c ，- - 1 8 2 2 + 3 6 6 x 1 0 。t ( 4 - 2 ) 单位：k j k g 。 4 1 。3 导热系数的计算 根据公式：九；0 1 3 7 ( 1 0 5 4 1 0 。3 r ) d 5 四，将础5 = o 8 5 8 8 代 入上式得纯白油在t ( ) 时的导热系数； 以= o 1 5 9 5 0 0 0 0 0 8 6 t ( 4 - 3 ) 单位：w ( m ) 。 4 1 4 运动粘度的计算 实验测得纯白油从2 0 c 9 0 c ，以5 为一间隔，所得的温度和 运动粘度的数据表及粘温曲线如下： 2 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章纯白油传热特性实验研究 表4 1 纯白油温度及对应的运动粘度 温度( )2 02 53 0 3 54 04 55 0 5 5 粘度 9 0 9 66 8 8 45 3 0 94 1 7 43 3 3 42 7 0 42 2 0 81 8 5 6 ( m m 2 s ) 温度( )6 06 57 07 58 08 59 0 粘度 1 5 6 61 3 3 41 1 4 89 8 88 6 27 5 86 7 l ( m m 2 s ) 奄 l