周祺,張肖

(湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院,湖北武漢430068)

0 引 言

溫度變化對(duì)感應(yīng)測(cè)井儀測(cè)量結(jié)果有較大的影響,其影響因素包括電子電路的溫度漂移和線圈系的溫度形變[1]。通常整個(gè)感應(yīng)測(cè)井儀器串上只設(shè)計(jì)一個(gè)溫度傳感器,儀器設(shè)計(jì)要求儀器串需工作在一個(gè)溫度均勻度較高的環(huán)境,溫度傳感器的讀數(shù)認(rèn)為是整個(gè)測(cè)井儀器串的工作溫度。生產(chǎn)車間求取儀器溫度校正系數(shù)時(shí),如果加溫器的恒溫效果差,儀器串各處溫度不均勻,獲得的校正系數(shù)用于實(shí)際測(cè)井中會(huì)帶來(lái)較大誤差,甚至錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。

因此,溫度均勻度是感應(yīng)測(cè)井儀器加溫器的重要技術(shù)指標(biāo)。調(diào)研中發(fā)現(xiàn),多數(shù)感應(yīng)測(cè)井儀器加溫器的加溫腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,設(shè)備溫度均勻度、波動(dòng)度和溫度偏差等參數(shù)都有提升空間。

本文分析了感應(yīng)測(cè)井儀器加溫器,根據(jù)加溫腔體的結(jié)構(gòu)熱傳遞特點(diǎn),對(duì)測(cè)試條件要求較高的感應(yīng)類測(cè)井儀器加溫器加溫腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)熱量利用、環(huán)境保護(hù)、溫度均衡等方面得到改善,同時(shí)擴(kuò)展了設(shè)備的功能,對(duì)各類測(cè)井儀器加溫器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)也具有參考價(jià)值。

1 感應(yīng)測(cè)井儀器加溫器優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 感應(yīng)測(cè)井儀器加溫器加溫腔優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的熱傳遞分析

通常感應(yīng)測(cè)井儀器加溫器加溫腔幾何形狀接近管型,導(dǎo)熱介質(zhì)流動(dòng)方向如圖1(a)所示。在導(dǎo)熱介質(zhì)沿加溫腔向前流動(dòng)過(guò)程中,由于導(dǎo)熱介質(zhì)溫度高于管腔周圍的環(huán)境溫度,在徑向溫差的作用下,導(dǎo)熱介質(zhì)攜帶的熱能不斷地向腔管外散失。由于加溫腔外部空間無(wú)限大,這種熱耗散永遠(yuǎn)不會(huì)停止,從加溫腔A點(diǎn)到B點(diǎn)溫度會(huì)逐漸降低,引起軸向溫降,因此,如圖1(a)所示的加溫腔內(nèi)部理論上永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到恒溫狀態(tài)。即便加溫腔裹覆了保溫層,也只是減緩溫降。軸向溫降可用蘇霍夫公式表示[2]

TL=T0+(TA-T0)eKπD L/(G C)

(1)

式中,D為加溫腔外徑;T0為周圍環(huán)境溫度;K為總傳熱系數(shù);G為導(dǎo)熱介質(zhì)排量;C為導(dǎo)熱介質(zhì)的比熱容;TA為加溫腔入口的導(dǎo)熱介質(zhì)溫度;L為導(dǎo)熱介質(zhì)離開(kāi)加溫腔入口的距離;TL為導(dǎo)熱介質(zhì)離開(kāi)加溫腔入口L處的溫度。由式(1)可以得到如圖2所示的加溫腔軸向溫降曲線。

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后加溫腔的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 加溫腔軸向溫降曲線

由圖2可以看出,加溫腔內(nèi)各處溫度落在T～TA之間,不改變式(1)中的其他參數(shù),只要提高加溫腔周圍環(huán)境溫度T0,減小TA和T的溫差可以改善加溫腔內(nèi)部的溫度均勻度。因此,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),改變加溫腔外部無(wú)限大空間為有限空間[見(jiàn)圖1(b)],在導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)入加溫腔前先提高加溫腔周圍環(huán)境溫度T0。導(dǎo)熱介質(zhì)首先由外腔從A點(diǎn)流動(dòng)到B點(diǎn),導(dǎo)熱介質(zhì)攜帶的熱量部分傳遞給內(nèi)腔,部分耗散到外界環(huán)境,到達(dá)B點(diǎn)溫度最低;導(dǎo)熱介質(zhì)由內(nèi)腔從B點(diǎn)流動(dòng)到C點(diǎn),把熱量傳遞給感應(yīng)測(cè)井器的同時(shí)也會(huì)從外腔吸取熱量進(jìn)行補(bǔ)償,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熱交換,測(cè)試儀器吸收足夠的熱量后,加溫腔內(nèi)部的熱交換達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。所以,采用如圖1(b)所示雙層加溫腔結(jié)構(gòu)可使設(shè)備的溫度均勻度得到提高。

1.2 測(cè)井感應(yīng)儀器加溫器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

測(cè)井感應(yīng)儀加溫器通常采用空氣或特種油作為導(dǎo)熱介質(zhì)?？諝鉃閷?dǎo)熱介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn):①對(duì)加溫器各部件連接處的密封要求較低,易于維修保養(yǎng);②無(wú)揮發(fā)物排放,不污染環(huán)境,適宜于室內(nèi)安裝;③加熱過(guò)程中不污染儀器;④儀器加溫結(jié)束后,熱循環(huán)系統(tǒng)可及時(shí)轉(zhuǎn)為降溫系統(tǒng),對(duì)儀器和設(shè)備實(shí)施風(fēng)冷;⑤導(dǎo)熱介質(zhì)零成本。導(dǎo)熱油為導(dǎo)熱介質(zhì)唯一優(yōu)點(diǎn)是油的比熱容大于空氣,有利于制造加溫腔外徑更小的加溫器?？傮w來(lái)講,選擇導(dǎo)熱介質(zhì)時(shí)建議優(yōu)先考慮空氣,除非特殊工藝要求才選擇導(dǎo)熱油。

圖3為以空氣為導(dǎo)熱介質(zhì)、以高溫承壓無(wú)感復(fù)合絕緣材料為構(gòu)建材料的感應(yīng)測(cè)井儀器加溫器加溫腔的結(jié)構(gòu)示意圖。如果采用特種導(dǎo)熱油作為導(dǎo)熱介質(zhì),需要對(duì)圖3所示結(jié)構(gòu)的加溫內(nèi)腔前后端進(jìn)行設(shè)計(jì)修改,提高加溫內(nèi)腔[圖3(a)中藍(lán)色部分]導(dǎo)熱介質(zhì)的進(jìn)出口高度,保證在加熱循環(huán)過(guò)程中導(dǎo)熱介質(zhì)能充滿加溫內(nèi)腔的內(nèi)外空間。

圖3所示結(jié)構(gòu)僅說(shuō)明了設(shè)計(jì)思想,未給出各部件的具體尺寸,在實(shí)際設(shè)計(jì)中需結(jié)合式(1),根據(jù)所選用導(dǎo)熱介質(zhì)的比熱容、熱循環(huán)系統(tǒng)的排量、感應(yīng)儀器外徑、構(gòu)建設(shè)備所選用結(jié)構(gòu)材料、設(shè)備外附絕熱材料的熱傳導(dǎo)特性以及腔體對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)的摩阻等,綜合計(jì)算腔體各部位導(dǎo)熱介質(zhì)的通過(guò)面積,計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[3-7]。設(shè)備建設(shè)完成后,外表裹覆絕熱層,絕熱層的選擇及各指標(biāo)的計(jì)算可參考文獻(xiàn)[8]。

圖3 感應(yīng)測(cè)井儀無(wú)感空氣熱介質(zhì)加溫器結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)構(gòu)建材料強(qiáng)度確定管腔厚度和支架間的最大跨度,支架2和支架3之間的距離要滿足刻度環(huán)在滑道上移動(dòng)掃過(guò)整個(gè)線圈系,設(shè)備安裝時(shí)保證有4個(gè)支撐器分別落在4個(gè)支架的上部,使儀器串的大部分重量通過(guò)支撐器分散在4個(gè)支架上。加溫腔與支架1通過(guò)限位箍固定,其他支架上的限位箍和加溫腔保留一定間隙,而且在其他支架與加溫腔的接觸部位安裝滾輪,保證加溫腔熱脹冷縮時(shí)能在支架2、3和4上軸向自由移動(dòng)。

為進(jìn)一步提高加溫腔的溫度均勻度,可在加溫內(nèi)腔管壁局部鉆孔,形成導(dǎo)熱介質(zhì)回流支路,增加加溫內(nèi)腔內(nèi)部溫度補(bǔ)償,具體鉆孔位置和孔徑可通過(guò)建模進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)方案通過(guò)優(yōu)化感應(yīng)測(cè)井儀器加溫器的熱循環(huán)路線,提高了加溫腔的溫度均勻度,對(duì)提高感應(yīng)測(cè)井儀測(cè)量精度具有重要意義。

(2)優(yōu)化后的加溫腔體,使暴露在環(huán)境中的管線減少,降低了導(dǎo)熱介質(zhì)熱量耗損和泄漏風(fēng)險(xiǎn),提高了加溫效率。

(3)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了加熱過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)試感應(yīng)儀器對(duì)刻度環(huán)響應(yīng)的功能,可為感應(yīng)儀器的研發(fā)提供更豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(4)該方案可用作其他通用測(cè)井儀器加溫器的設(shè)計(jì)參考。