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(chǔ)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(huán)和多級循環(huán)的熱管結(jié)構(gòu)傳熱效率進行模擬對比，試驗數(shù)據(jù)顯示多級循環(huán)熱管結(jié)構(gòu)存在必要的啟動時間，但最終傳熱穩(wěn)定后的溫度卻無較大差別，得出新型結(jié)構(gòu)可以在保證傳熱效果的基礎(chǔ)上，有效提升重力熱管的熱量傳輸距離的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：多級分離 重力熱管 熱循環(huán) 熱池結(jié)構(gòu) 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(fā)潛力巨大，其開發(fā)方式主要有3種：水熱系統(tǒng)、EGS系統(tǒng)以及井下?lián)Q熱器[1]。目前應用最廣泛的水熱系統(tǒng)開發(fā)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(huán)境和社會問題，不利于我國能源領(lǐng)域的供給側(cè)改革，而采用井下?lián)Q熱器裝置可直接利用天然能量開發(fā)，避免直接抽取地熱水資源，無需消耗高質(zhì)能（電能等），大大提高了能源的利用效率，同時將開發(fā)系統(tǒng)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(guī)的重力熱管結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新性設計，提出多級分離式的熱管結(jié)構(gòu)，解決目前深度1 000 m以上的地熱開發(fā)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(chǔ)

熱管指工質(zhì)在一個抽成高真空的封閉殼體中循環(huán)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(jié)構(gòu)稱為重力熱管。在圖1中，重力熱管底部的工質(zhì)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(fā)生熱交換，凝結(jié)液化，液相靠重力回流到加熱段重新吸熱，如此循環(huán)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(jié)的多級分離式熱管結(jié)構(gòu)，將原來一次循環(huán)的熱管結(jié)構(gòu)設置成多級循環(huán)體系，各循環(huán)體系既各自獨立又相互影響，系統(tǒng)交界處的熱池結(jié)構(gòu)中充注比熱容較高的液體（可根據(jù)目標地層溫度調(diào)整），不同段熱管注入沸點不同的工質(zhì)，實現(xiàn)多級蒸發(fā)冷凝循環(huán)。

多級分離式的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)”作為一個儲能區(qū)域，其既是下端熱管的冷凝放熱區(qū)，又是上端熱管的加熱蒸發(fā)區(qū)，安裝于兩段熱管交界處，直徑略大于內(nèi)套熱管，熱池內(nèi)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(zhì)。當?shù)谝欢危ㄗ韵露希峁軆?nèi)的工質(zhì)A經(jīng)地層加熱氣化上升至熱池時，經(jīng)盤管與熱池中的液體發(fā)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(zhì)B（t1

3 試驗論證及分析

在提出新型熱管結(jié)構(gòu)后，建立室內(nèi)試驗模型，研究多級循環(huán)系統(tǒng)對傳熱效果的影響。與一級循環(huán)系統(tǒng)進行對比，論證新結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)。當銅閥同時打開時，模擬常規(guī)一次循環(huán)的熱管結(jié)構(gòu)，內(nèi)充注工質(zhì)為150 mL水；當銅閥關(guān)閉時，模擬的是多級循環(huán)系統(tǒng)的熱管結(jié)構(gòu)，由下到上熱管內(nèi)充注的工質(zhì)依次為50 mL水、50 mL工業(yè)酒精和50 mL體積系數(shù)35%氨水。

頂端長15 cm短管內(nèi)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(nèi)水的溫度，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

通過試驗數(shù)據(jù)的曲線圖（見圖3），可以很明顯地看出，采用多級循環(huán)系統(tǒng)的溫度上升曲線略微滯后于一次循環(huán)，存在啟動時間臺階；最終溫度穩(wěn)定后，多級循環(huán)的溫度略低于一次循環(huán)但相差不大。筆者分析認為由于銅閥模擬的熱池結(jié)構(gòu)采用的是空氣作為儲能介質(zhì)，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(jié)構(gòu)中的空氣，以此同時由于銅閥材質(zhì)的傳熱系數(shù)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(wěn)定后溫度略低于一次循環(huán)。

4 結(jié)語

通過多次試驗可以得出結(jié)論，多級重力熱管結(jié)構(gòu)能夠在保證傳熱效果不受較大影響的基礎(chǔ)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(huán)失效問題，實現(xiàn)地熱資源的有效開發(fā)?！盁岢亟Y(jié)構(gòu)”的設計雖然使整個系統(tǒng)需要一定的啟動預熱時間，但是保證了各級循環(huán)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(fā)領(lǐng)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(huán)蒸發(fā)側(cè)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(shù)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(shù)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(shù)在蒸汽吞吐井中的應用[J].石油鉆采工藝，2006（1）：60-63，85.