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        多級(jí)分離式重力熱管設(shè)計(jì)

        2017-08-08 23:39:48王曉東周大可劉洪辰劉燕妮沈允
        科技資訊 2017年19期
        關(guān)鍵詞:熱循環(huán)

        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、長細(xì)比、真空保溫、氣液對流阻力等方面存在一系列的問題;該文針對上述問題,結(jié)合國內(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)?;谥亓峁軅鳠岬幕驹恚瑢⒐荛L1 000 m以上的超長重力熱管分為多級(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?,目前在我國的開發(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?。EGS系統(tǒng)在美國、瑞士、日本、澳大利亞、韓國等國家都開展過相關(guān)試驗(yàn),最大井深為5 093 m,最高溫度是美國的400 ℃。對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??紤]到中深層地?zé)衢_發(fā)的實(shí)際情況,管長與管徑的比例對整個(gè)熱管傳熱具有極大的影響。利用Fluent軟件對3 000 m長度(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,將長管分隔為多段短管,解決長細(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),每兩級(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的新問題?;诖耍覀兲岢隽恕盁岢亍苯Y(jié)構(gòu),在每兩段熱管交界部位,安裝熱池裝置,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

        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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        [2] 李龍,李春生,朱蘭.重力熱管自吸地?zé)岣纳茻岵删矡釗p失研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011(8):1691-1694.

        [3] 張龍.某超長重力熱管提取地?zé)岬臒峁し治黾案倪M(jìn)措施[D].西安工程大學(xué),2016.

        [4] 林紅.某超長重力熱管提取地?zé)岬哪M及分析[D].西安工程大學(xué),2016.

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