深部岩层原位保真取心主动保温系统创新设计
发布时间：2020-12-19 18:46
深部岩层的原位保温是深地钻探、深部资源开发的关键技术,但目前该技术仍是深部岩层原位保真取心研究的难题。考虑到深部岩层的复杂地质条件,大规模开采活动衍生的强扰动和高成本问题限制了深部钻取的作业空间,同时在进行深部钻取作业时保真舱距离地表太远会导致供电、温度控制和数据采集的难度极大。为此,使用功能-行为-结构（function-behavior-structure,FBS）模型对深部岩层原位保真取心主动保温系统进行功能定义描述,初步提出了该系统的功能需求和功能结构布局;结合TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch,发明问题解决理论）,对初步提出的主动保温系统设计方案中的技术冲突进行分析和改进,提出了一套由热管、帕尔贴制冷器以及石墨烯加热涂层等组成的高效主动保温系统;通过设定不同的温度梯度来进行恒温控制,实现了不同深度下原位温度的保温模拟,验证了所提出的主动保温系统的可行性。深部岩层原位保真取心主动保温系统的实现可为后续的被动保温以及温压耦合研究提供研究思路和方法。
【文章来源】：工程设计学报. 2020年04期 北大核心
【文章页数】：9 页
【图文】：
改进后主动保温系统的工作原理
在恒温试验容器内安装PT100温度传感器并连接无纸记录仪，记录恒温试验容器内部循环介质（水）的实时温度，利用安装在恒温试验容器内壁的石墨烯加热涂层加热循环介质（水），当循环介质（水）的温度达到设定温度时，无纸记录仪发出信号以控制石墨烯加热涂层和帕尔贴制冷器实时启停：当恒温试验容器内循环介质（水）的温度低于设定温度时，石墨烯涂加热层开始对循环介质（水）进行加热；当恒温试验容器内循环介质（水）的温度高于设定温度时，帕尔贴制冷器对循环介质（水）进行冷却，被冷却的循环介质（水）在循环微泵的作用下在管路内部循环，使恒温试验容器内循环介质（水）的温度降低。通过石墨烯加热涂层和帕尔贴制冷器的交替工作，可实现对恒温试验容器内循坏介质（水）的恒温控制。同时，在试验平台上安装增压系统，以给恒温试验容器提供一定的压力，模拟主动保温系统在高压工况下的工作情况和恒温效果，从而探索温度和压力的耦合关系。基于PID温度控制算法，无纸记录仪可实现相关数据的采集和储存。主动保温系统试验平台实物图如图9所示。4.2 可行性试验开展
1）制冷工况。试验时室温为28.2℃，循环介质（水）的初始温度为29.3℃，体积为580 m L；循环微泵的流量为6 L/min；设定制冷至21℃。由图10所示的循环介质（水）的温度—时间曲线可知，帕尔贴制冷器在0～15 min的制冷效果较为明显，降温速率达到0.4℃/min；经过40 min的制冷后，在最后的15 min内管路中循环介质（水）的温度基本不变，维持在21℃左右。2）加热工况。使用石墨烯加热涂层加热恒温试验容器中的循环介质（水），得到循环介质（水）的温度—时间曲线，如图11所示。调节无纸记录仪设定需要的恒定温度，并使石墨烯加热涂层开始加热，达到设定温度后继续测定20 min内循环介质（水）的温度变化情况，然后继续下一设定温度的测试。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于TRIZ理论的圆草捆打捆机创新设计[J]. 孙文婷,王强,孟玉刚,杨莉,王振华,邢冀辉. 农业工程. 2019(05)
[2]海洋天然气水合物保温保压取样工具对比研究[J]. 刘协鲁,赵义,刘海龙,阮海龙,陈云龙,沈立娜,吴海霞,梁秋平. 地质装备. 2018(01)
[3]“深部岩体力学与开采理论”研究构想与预期成果展望[J]. 谢和平. 工程科学与技术. 2017(02)
[4]基于TRIZ的管道机器人自适应检测模块创新设计[J]. 夏文涵,王凯,李彦,熊艳. 机械工程学报. 2016(05)
[5]深部岩体力学研究与探索[J]. 谢和平,高峰,鞠杨. 岩石力学与工程学报. 2015(11)
[6]天然气水合物取样装置的研究现状及进展[J]. 朱海燕,刘清友,王国荣,俞祖英,姜正陆,钟雨师. 天然气工业. 2009(06)
[7]基于TRIZ的新型立体车库创新设计[J]. 韩立芳,张明勤,李海青,臧德江,石海龙. 工程设计学报. 2008(02)
[8]天然气水合物保真取样钻具的试验研究[J]. 张永勤,孙建华,赵海涛,刘秀美,王汉宝. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2007(09)
[9]重力活塞式天然气水合物保真取样器的研制[J]. 李世伦,程毅,秦华伟,顾临怡,叶瑛,邱敏秀. 浙江大学学报(工学版). 2006(05)
[10]精细、原位、保真取样技术的进展[J]. 赵尔信,贾美玲,蔡家品,张建元. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2005(S1)
本文编号：2926395
【文章来源】：工程设计学报. 2020年04期 北大核心
【文章页数】：9 页
【图文】：
改进后主动保温系统的工作原理
在恒温试验容器内安装PT100温度传感器并连接无纸记录仪，记录恒温试验容器内部循环介质（水）的实时温度，利用安装在恒温试验容器内壁的石墨烯加热涂层加热循环介质（水），当循环介质（水）的温度达到设定温度时，无纸记录仪发出信号以控制石墨烯加热涂层和帕尔贴制冷器实时启停：当恒温试验容器内循环介质（水）的温度低于设定温度时，石墨烯涂加热层开始对循环介质（水）进行加热；当恒温试验容器内循环介质（水）的温度高于设定温度时，帕尔贴制冷器对循环介质（水）进行冷却，被冷却的循环介质（水）在循环微泵的作用下在管路内部循环，使恒温试验容器内循环介质（水）的温度降低。通过石墨烯加热涂层和帕尔贴制冷器的交替工作，可实现对恒温试验容器内循坏介质（水）的恒温控制。同时，在试验平台上安装增压系统，以给恒温试验容器提供一定的压力，模拟主动保温系统在高压工况下的工作情况和恒温效果，从而探索温度和压力的耦合关系。基于PID温度控制算法，无纸记录仪可实现相关数据的采集和储存。主动保温系统试验平台实物图如图9所示。4.2 可行性试验开展
1）制冷工况。试验时室温为28.2℃，循环介质（水）的初始温度为29.3℃，体积为580 m L；循环微泵的流量为6 L/min；设定制冷至21℃。由图10所示的循环介质（水）的温度—时间曲线可知，帕尔贴制冷器在0～15 min的制冷效果较为明显，降温速率达到0.4℃/min；经过40 min的制冷后，在最后的15 min内管路中循环介质（水）的温度基本不变，维持在21℃左右。2）加热工况。使用石墨烯加热涂层加热恒温试验容器中的循环介质（水），得到循环介质（水）的温度—时间曲线，如图11所示。调节无纸记录仪设定需要的恒定温度，并使石墨烯加热涂层开始加热，达到设定温度后继续测定20 min内循环介质（水）的温度变化情况，然后继续下一设定温度的测试。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于TRIZ理论的圆草捆打捆机创新设计[J]. 孙文婷,王强,孟玉刚,杨莉,王振华,邢冀辉. 农业工程. 2019(05)
[2]海洋天然气水合物保温保压取样工具对比研究[J]. 刘协鲁,赵义,刘海龙,阮海龙,陈云龙,沈立娜,吴海霞,梁秋平. 地质装备. 2018(01)
[3]“深部岩体力学与开采理论”研究构想与预期成果展望[J]. 谢和平. 工程科学与技术. 2017(02)
[4]基于TRIZ的管道机器人自适应检测模块创新设计[J]. 夏文涵,王凯,李彦,熊艳. 机械工程学报. 2016(05)
[5]深部岩体力学研究与探索[J]. 谢和平,高峰,鞠杨. 岩石力学与工程学报. 2015(11)
[6]天然气水合物取样装置的研究现状及进展[J]. 朱海燕,刘清友,王国荣,俞祖英,姜正陆,钟雨师. 天然气工业. 2009(06)
[7]基于TRIZ的新型立体车库创新设计[J]. 韩立芳,张明勤,李海青,臧德江,石海龙. 工程设计学报. 2008(02)
[8]天然气水合物保真取样钻具的试验研究[J]. 张永勤,孙建华,赵海涛,刘秀美,王汉宝. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2007(09)
[9]重力活塞式天然气水合物保真取样器的研制[J]. 李世伦,程毅,秦华伟,顾临怡,叶瑛,邱敏秀. 浙江大学学报(工学版). 2006(05)
[10]精细、原位、保真取样技术的进展[J]. 赵尔信,贾美玲,蔡家品,张建元. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2005(S1)
本文编号：2926395
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