多級(jí)分離式重力熱管設(shè)計(jì)

王曉東　周大可　劉洪辰　劉燕妮　沈允

摘 要：重力熱管具有傳熱效率高、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。常規(guī)的重力熱管在淺層地?zé)衢_發(fā)中已有先例，但是對(duì)于中深層地?zé)豳Y源的開發(fā)，傳統(tǒng)的重力熱管由于自身結(jié)構(gòu)的制約，在底部液池的充液量、長(zhǎng)細(xì)比、真空保溫、氣液對(duì)流阻力等方面存在一系列的問題；該文針對(duì)上述問題，結(jié)合國(guó)內(nèi)外中深層地?zé)豳Y源開發(fā)的情況，設(shè)計(jì)了一款新型多級(jí)分離式重力熱管結(jié)構(gòu)。基于重力熱管傳熱的基本原理，將管長(zhǎng)1 000 m以上的超長(zhǎng)重力熱管分為多級(jí)循環(huán)系統(tǒng)，每級(jí)循環(huán)系統(tǒng)既各自獨(dú)立又互為整體，在循環(huán)交界位置設(shè)計(jì)熱池結(jié)構(gòu)，減少傳熱過程中的熱量損失，提高傳熱效率，有效地提升了地?zé)岬膫鬟f距離。

關(guān)鍵詞：多級(jí)分離 重力熱管 熱循環(huán) 熱池結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TB657 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（a）-0051-03

1 研制背景

地?zé)崾侵匾那鍧嵞茉矗壳霸谖覈?guó)的開發(fā)利用還處于初級(jí)階段，尤其是高溫地?zé)豳Y源的開發(fā)，仍存在較多問題。高溫地?zé)豳Y源的開發(fā)方式主要有3種，即水熱系統(tǒng)、EGS系統(tǒng)、單井取熱。其中水熱系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的高溫地?zé)衢_發(fā)方式[1-3]，冰島深層鉆探計(jì)劃從2000年開始探索，到2016年，已經(jīng)鉆至5 000 m深度巖層，水溫400 ℃～1 000 ℃，是目前世界上地?zé)釡囟茸罡叩陌咐GS系統(tǒng)在美國(guó)、瑞士、日本、澳大利亞、韓國(guó)等國(guó)家都開展過相關(guān)試驗(yàn)，最大井深為5 093 m，最高溫度是美國(guó)的400 ℃。對(duì)于單井取熱也就是安裝井下?lián)Q熱器，目前應(yīng)用較少，主要在換熱效率以及產(chǎn)液量等方面受限。

2 理論分析

重力熱管結(jié)構(gòu)自下而上依次為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，其工作原理是：熱管內(nèi)注入適量的工質(zhì)，工質(zhì)在蒸發(fā)段受到外界熱源的加熱迅速氣化，在壓力和浮力的作用下，加速向上運(yùn)動(dòng)，流至冷凝段與管壁外的冷源發(fā)生熱交換，凝結(jié)液化，液相靠重力回流到蒸發(fā)段重新吸熱，如此循環(huán)往復(fù)，將熱量從底部蒸發(fā)段傳遞到上部冷凝段。

重力熱管所涉及到的傳熱極限主要有攜帶極限、沸騰極限和干涸極限。

（1）攜帶極限。

攜帶極限是由重力熱管內(nèi)的蒸汽流與逆向的凝結(jié)液流在兩者界面上的粘滯攜帶作用引起的，一旦上部空間的液體體積達(dá)到一定量以后，就可能突然快速下降至蒸發(fā)段，破壞熱管內(nèi)正常的兩相流動(dòng)和傳熱過程。目前普遍采用的計(jì)算公式如下：

（2）沸騰極限。

沸騰極限是在徑向熱流密度較大的情況下，蒸發(fā)段液池中的工作介質(zhì)首先發(fā)生沸騰，當(dāng)達(dá)到某一臨界熱流密度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，在蒸發(fā)段壁面上形成蒸汽膜，影響熱管的整體傳熱系數(shù)，使熱管的傳熱能力下降。

（3）干涸極限。

當(dāng)蒸汽量和熱功率很大時(shí)，回流液在接近液池前被燒干，導(dǎo)致熱管局部溫度持續(xù)升高，此時(shí)出現(xiàn)干涸極限。

重力熱管是在有限的管內(nèi)空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)單相和兩相自然對(duì)流、液體蒸發(fā)沸騰以及氣體凝結(jié)換熱等復(fù)雜過程，傳熱機(jī)理非常復(fù)雜。熱管的幾何尺寸、傾角、工質(zhì)充注率和物性參數(shù)、管內(nèi)氣體的溫度和壓力等因素都能夠影響其傳熱效率。考慮到中深層地?zé)衢_發(fā)的實(shí)際情況，管長(zhǎng)與管徑的比例對(duì)整個(gè)熱管傳熱具有極大的影響。利用Fluent軟件對(duì)3 000 m長(zhǎng)度（內(nèi)徑0.219 m）重力熱管進(jìn)行模擬的結(jié)果顯示，如圖1所示，熱蒸汽最多可傳遞530 m左右[4]，這個(gè)距離對(duì)于中深層地?zé)豳Y源開發(fā)來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此，筆者的提出了“多級(jí)循環(huán)”的設(shè)計(jì)思路，將長(zhǎng)管分隔為多段短管，解決長(zhǎng)細(xì)比過大所帶來的一系列傳熱問題。

3 多級(jí)分離式重力熱管設(shè)計(jì)

利用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)類似竹節(jié)式的多級(jí)分離式重力熱管結(jié)構(gòu)，將原來整體型的熱管結(jié)構(gòu)設(shè)置成三段獨(dú)立的循環(huán)體系（見圖2），各循環(huán)體系即各自獨(dú)立又相互影響，通過在自上而下的不同熱池中注入沸點(diǎn)不同的工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)多級(jí)蒸發(fā)冷凝循環(huán)。

熱管在地層中的情況如圖3所示，最下部地層為地?zé)醿?chǔ)層，熱管共分三級(jí)，每?jī)杉?jí)循環(huán)系統(tǒng)交界處設(shè)有熱池結(jié)構(gòu)，共有兩個(gè)熱池，最底部的熱池處在地?zé)醿?chǔ)層中。圖4是熱池與熱管通過密封橡膠圈與螺栓進(jìn)行鏈接方式，外部都包裹絕熱材料，防止與地層發(fā)生熱交換影響傳熱效率。

圖5中，熱池下端熱管外設(shè)盤管，底部工質(zhì)A熱流經(jīng)盤管與熱池中液體充分發(fā)生熱交換，將熱池中液體加熱至上層熱管內(nèi)工質(zhì)B的沸點(diǎn)溫度以上，使工質(zhì)B沸騰蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)一級(jí)換熱。圖6中熱管最底部液池內(nèi)設(shè)鋼絲盤網(wǎng)，增大與地層熱源的熱交換面積，使地層熱源可以高效加熱液池中的工質(zhì)A，實(shí)現(xiàn)沸騰蒸發(fā)。整個(gè)設(shè)計(jì)最核心的部件為兩段循環(huán)體系交界處的熱池結(jié)構(gòu)。

通過分離式的結(jié)構(gòu)，可以有效地減少了整個(gè)熱管的長(zhǎng)細(xì)比，提升了熱能的傳遞距離，但是在各循環(huán)體系之間的熱交換效率以及熱損失情況是我們必須要面對(duì)的新問題。基于此，我們提出了“熱池”結(jié)構(gòu)，在每?jī)啥螣峁芙唤绮课唬惭b熱池裝置，從地層上升的熱蒸汽流經(jīng)熱池內(nèi)的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)（圖中的細(xì)管部位），與熱池中的液體發(fā)生充分的熱交換，加熱熱池中的工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)一次熱循環(huán)。同時(shí)充分考慮到隨著熱量傳播，不可避免地會(huì)存在熱量損失等問題，自下而上三段熱管中注入的工質(zhì)材料的沸點(diǎn)依次降低，保證熱循環(huán)的有序進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

多級(jí)分離式重力熱管設(shè)計(jì)將常規(guī)的重力熱管一次循環(huán)系統(tǒng)創(chuàng)新為適用于超長(zhǎng)熱管開發(fā)地?zé)豳Y源的三級(jí)循環(huán)系統(tǒng)，在循環(huán)系統(tǒng)間設(shè)計(jì)“熱池”結(jié)構(gòu)，通過二次熱交換原理，有效地減少了熱量損失，通過在三次循環(huán)系統(tǒng)中加注不同沸點(diǎn)的工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了熱量的有效傳遞，提高能源的利用效率，減少開發(fā)成本。多級(jí)分離式重力熱管結(jié)構(gòu)在此背景下提出，為地?zé)嵊绕涫巧顚痈邷氐責(zé)岬拈_發(fā)提供了新思路、新方法，其應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

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