螺纹管式泥浆制冷换热器研究

【摘要】天然气水合物赋存于高压和低温的特殊环境下，因此在获取水合物岩心的钻井施工中，为了抑制水合物样品发生分解，就必须要严格控制钻井过程中所使用泥浆的温度。目前，我校所研制的天然气水合物泥浆制冷系统的核心部件换热器部分采用的是光滑同轴套管式换热器。这种管有许多特有的优点，但是从传热效率来讲，光滑管并不是传热效率最高的，因此在现有泥浆制冷系统的设计基础上，对其进行改进优化，同轴套管式换热器内管采用螺纹管，螺纹管是采用钢管或不锈钢钢管通过挤压机组一次挤压出螺纹状的一种高效换热管，它的强化作用是在管外，一方面体现在螺纹增加了换热面积，另一方面是环隙中乙二醇水溶液流经螺纹管表面时，表面螺纹对层流边界层产生分割作用，减薄了边界层厚度，更容易形成湍流，而且表面形成的湍流也较光管强，进一步减薄边界层厚度。根据传热学、流体力学以及换热器的相关知识对换热器进行了设计计算。运用SolidWorks软件建立螺纹管换热器的三维立体模型，运用流体分析软件SolidWorksFlowSimulation对螺纹管换热器进行数值模拟，通过数值模拟对理论计算进行验证。通过数值模拟结果的温度云图可以得出：在理论计算的参数条件下，低温乙二醇与泥浆在螺纹管换热器中对流换热后，泥浆由0℃降为-2.07℃，数值模拟的结果与理论计算结果相吻合，验证了理论计算结果的可靠性。为了进一步深入研究泥浆制冷换热器，研究不同类型换热器的换热性能以及同种换热器在不同工况下的工作性能，设计了天然气水合物钻井泥浆制冷试验装置，并进行了设备选型和室内试验平台的搭建。通过该室内试验装置，对泥浆制冷系统进行室内测试，测试各关键点的温度以及流量，了解载冷剂流量、泥浆流量，换热器类型以及换热面积等对泥浆制冷效果的影响。对螺纹管式泥浆制冷换热器进行了室内试验，通过对室内试验数据的分析可知，螺纹管式泥浆制冷换热器的换热性能更好，很好的满足了理论设计要求，能够有效的降低泥浆温度，并且能够快速的将泥浆温度降低至0℃左右。对设计的螺纹管式泥浆制冷换热器进行了野外试验，应用于羌塘盆地天然气水合物钻探试验井工程中，检验了螺纹管换热器的可靠性，并且在原泥浆制冷系统中添加了防冻装置，预防换热器内部结冰问题。在原有泥浆制冷系统的基础上，对其进行改进优化设计，制冷机组采用交流变频启动，载冷剂箱、螺纹管换热器、机组泵、载冷剂泵及无纸记录仪等集成到一个箱体内，使其自动化和集成化程度更高。在祁连山木里地区的天然气水合物钻探工程中应用了该套新型泥浆制冷系统，换热器部分采用螺纹管换热器。试验结果证明：螺纹管换热器能够有效的降低泥浆温度，很好的满足天然气水合物钻探取心工艺要求，达到了预期设计效果。
【作者】刘卫卫；
【导师】孙友宏；
【作者基本信息】吉林大学，地质工程，2014，硕士
【关键词】天然气水合物；螺纹管；换热器；数值模拟；泥浆制冷；野外试验；

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