多級分離式重力熱管試驗研究

王曉東+安永生+周大可+劉洪辰

摘 要：該文在多級分離式重力熱管設計的基礎上，開展試驗研究。通過建立多級分離式重力熱管試驗模型，對一次循環和多級循環的熱管結構傳熱效率進行模擬對比，試驗數據顯示多級循環熱管結構存在必要的啟動時間，但最終傳熱穩定后的溫度卻無較大差別，得出新型結構可以在保證傳熱效果的基礎上，有效提升重力熱管的熱量傳輸距離的結論。

關鍵詞：多級分離 重力熱管 熱循環 熱池結構 試驗研究

中圖分類號：TK172.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（b）-0048-02

1 工程背景

我國的高溫地熱資源豐富，是重要的可再生清潔能源，開發潛力巨大，其開發方式主要有3種：水熱系統、EGS系統以及井下換熱器[1]。目前應用最廣泛的水熱系統開發方式[2-3]，帶來了水污染、廢熱污染以及地層沉降一系列的環境和社會問題，不利于我國能源領域的供給側改革，而采用井下換熱器裝置可直接利用天然能量開發，避免直接抽取地熱水資源，無需消耗高質能（電能等），大大提高了能源的利用效率，同時將開發系統與地下水隔離，有效地避免了對地層的污染。筆者在《多級分離式重力熱管設計》中通過對常規的重力熱管結構進行創新性設計，提出多級分離式的熱管結構，解決目前深度1 000 m以上的地熱開發井熱量無法有效傳導至地面的客觀問題，其效果如何？需要開展試驗室模擬研究。

2 試驗設計基礎

熱管指工質在一個抽成高真空的封閉殼體中循環相變而傳遞熱量的裝置，其中靠重力完成液相回流的熱管結構稱為重力熱管。在圖1中，重力熱管底部的工質在吸熱段受到外界熱源的加熱后，迅速氣化，在浮力和壓力的作用下，向上加速運動，流至放熱段時與管壁外的冷源發生熱交換，凝結液化，液相靠重力回流到加熱段重新吸熱，如此循環往復，將熱量從一端傳遞到另一端[4]。

在《多級分離式重力熱管設計》中，利用仿生學原理，設計類似竹節的多級分離式熱管結構，將原來一次循環的熱管結構設置成多級循環體系，各循環體系既各自獨立又相互影響，系統交界處的熱池結構中充注比熱容較高的液體（可根據目標地層溫度調整），不同段熱管注入沸點不同的工質，實現多級蒸發冷凝循環。

多級分離式的結構有效地縮短了熱管的長度，大大提升了熱量的傳遞，但是各段熱管交界處熱交換效率以及熱損失情況是必須要面對的新問題。針對這一問題，筆者設計了“熱池結構”作為一個儲能區域，其既是下端熱管的冷凝放熱區，又是上端熱管的加熱蒸發區，安裝于兩段熱管交界處，直徑略大于內套熱管，熱池內充注高比熱容的液體，熱池分上下半段，下半段設盤管與下端熱管連通。其工作過程為：多級熱管自下到上充注沸點依次降低的工質。當第一段（自下而上）熱管內的工質A經地層加熱氣化上升至熱池時，經盤管與熱池中的液體發生熱交換，將熱池加熱至；t1第二段熱管中充注的沸點為t2的工質B（t1

3 試驗論證及分析

在提出新型熱管結構后，建立室內試驗模型，研究多級循環系統對傳熱效果的影響。與一級循環系統進行對比，論證新結構的的可行性，筆者利用不銹鋼管、銅閥、保溫材料、加熱器以及傳感器等裝置組裝了簡易的多級分離式重力熱管試驗模型，試驗流程見圖2。

利用三段長50 cm，內徑0.04 m的不銹鋼管來模擬熱管（絕熱段外包隔熱材料），銅閥模擬熱池結構。當銅閥同時打開時，模擬常規一次循環的熱管結構，內充注工質為150 mL水；當銅閥關閉時，模擬的是多級循環系統的熱管結構，由下到上熱管內充注的工質依次為50 mL水、50 mL工業酒精和50 mL體積系數35%氨水。

頂端長15 cm短管內為50 mL的水，底部加熱溫裝置控制溫度100 ℃進行加熱，記錄不同時間頂端短管內水的溫度，試驗數據如表1所示。

通過試驗數據的曲線圖（見圖3），可以很明顯地看出，采用多級循環系統的溫度上升曲線略微滯后于一次循環，存在啟動時間臺階；最終溫度穩定后，多級循環的溫度略低于一次循環但相差不大。筆者分析認為由于銅閥模擬的熱池結構采用的是空氣作為儲能介質，其比熱容較小，傳熱效率較差，導致需要一個啟動時間來預加熱熱池結構中的空氣，以此同時由于銅閥材質的傳熱系數遠大于不銹鋼鋼管，所以，在銅閥處的熱損失較大，導致最終溫度穩定后溫度略低于一次循環。

4 結語

通過多次試驗可以得出結論，多級重力熱管結構能夠在保證傳熱效果不受較大影響的基礎上，有效地提升地熱能的傳遞距離，解決由于管長問題所造成的傳熱循環失效問題，實現地熱資源的有效開發。“熱池結構”的設計雖然使整個系統需要一定的啟動預熱時間，但是保證了各級循環系統間熱量傳遞的效率，減少了熱損失，因此，多級分離式重力熱管結構有著較高的工程價值，其在地熱尤其是中深層高溫地熱開發領域應用前景十分廣闊。

參考文獻

[1] 張朋磊，王寶龍，韓林俊，等.兩相熱虹吸循環蒸發側傳熱模型比較[J].化工學報，2013（8）：2752-2759.

[2] 王淑彥，成慶林，韓洪升，等.井筒重力熱管傳熱特性的研究[J].科學技術與工程，2010，31（1）：46-50.

[3] 李龍，李春生，朱蘭.重力熱管自吸地熱改善熱采井井筒熱損失研究[J].科學技術與工程，2011（8）：1691-1694.

[4] 吳曉東，馬春紅，石崇兵，等.井筒重力熱管傳熱技術在蒸汽吞吐井中的應用[J].石油鉆采工藝，2006（1）：60-63，85.