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(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

0 引言

據(jù)估計(jì)全球存在約2 000萬(wàn)～3 000萬(wàn)個(gè)廢棄油井[1]，對(duì)廢棄油井中的地?zé)峒右岳?，獲得豐富的地?zé)豳Y源，特別是回收相對(duì)難提取的井筒內(nèi)低品位余熱，對(duì)于節(jié)能減排具有巨大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。重力熱管是一種依靠工質(zhì)介質(zhì)相變傳遞熱量的導(dǎo)熱裝置，由于具有高效的傳熱效率，在工程上得到廣泛運(yùn)用[2-3]。重力熱管所涉及到的傳熱極限主要包括攜帶極限、沸騰極限和干涸極限。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)管，即當(dāng)重力熱管蒸發(fā)段的長(zhǎng)徑比較大時(shí)，首先考慮攜帶極限的問(wèn)題[4-5]。為解決這一問(wèn)題，有學(xué)者提出一種類(lèi)似竹節(jié)式的多級(jí)分離式重力熱管結(jié)構(gòu)，在每段熱管交界部位，安裝熱池裝置，通過(guò)二次交換原理，實(shí)現(xiàn)熱量的有效傳遞[6]。在井筒采油技術(shù)領(lǐng)域，有學(xué)者發(fā)明一種采油井井筒組合式重力熱管裝置[7]，該重力熱管放置于井下時(shí)，各重力熱管單元將熱量從井底依次向上傳遞至上一級(jí)單元，逐級(jí)向上傳遞至井口，提高井口流體的溫度，有效降低傳統(tǒng)超長(zhǎng)重力熱管失效的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到井口流體降黏的目的[8]。為了更好地解決超長(zhǎng)重力熱管的攜帶極限問(wèn)題以及達(dá)到提高傳熱效率的目的，本文提出一種新型井筒內(nèi)低品位余熱回收的串級(jí)式翅片重力熱管裝置。該裝置采用多個(gè)熱管節(jié)串級(jí)的形式，根據(jù)井深確定熱管節(jié)參數(shù)與自下而上沸點(diǎn)依次降低的合適工質(zhì)，保證熱循環(huán)的有效性，消除攜帶極限的問(wèn)題；同時(shí)，該裝置單個(gè)熱管節(jié)利用上端、下端兩個(gè)重力熱管，通過(guò)嵌套在其中的翅片熱管進(jìn)行傳熱，翅片熱管上的環(huán)形翅片[9-11]增大其在熱管節(jié)套筒中和工質(zhì)的接觸面積，有效地提高熱管的換熱效率，從而高效提取廢棄油井中的低品位余熱。

1 串級(jí)式重力熱管原理

傳統(tǒng)重力熱管的傳熱過(guò)程分為3個(gè)區(qū)域[12-15]，如圖1(a)所示：(1)在重力熱管蒸發(fā)段液池內(nèi)，當(dāng)熱流密度較小時(shí)，進(jìn)行的是自然對(duì)流蒸發(fā)；當(dāng)熱流密度較大時(shí)，是液池內(nèi)的核態(tài)沸騰；(2)在重力熱管蒸發(fā)段液池以上部分，當(dāng)熱流密度較小時(shí)，進(jìn)行的是冷凝液膜的層流膜狀蒸發(fā)；當(dāng)熱流密度較大時(shí)，是冷凝液膜的核態(tài)沸騰；(3)在重力熱管的冷凝段內(nèi)，遵循Nusselt數(shù)(努塞爾數(shù))的豎直平板層流膜狀凝結(jié)理論，飽和蒸汽呈層流膜狀凝結(jié)。

(a)傳統(tǒng)重力熱管

(b)單個(gè)熱管節(jié)

本文設(shè)計(jì)的串級(jí)式重力熱管的傳熱原理，基于單個(gè)重力熱管節(jié)傳熱過(guò)程，采用多個(gè)熱管節(jié)串級(jí)的結(jié)構(gòu)，單個(gè)熱管節(jié)傳熱過(guò)程如圖1(b)所示。單個(gè)熱管節(jié)由3個(gè)重力熱管組成，即單個(gè)熱管節(jié)經(jīng)歷3次熱循環(huán)。第1步，承裝工質(zhì)A的重力熱管從地層中通過(guò)熱傳導(dǎo)獲得熱能，將這部分熱量記為Q1。第2步，這部分熱能使得重力熱管中的工質(zhì)A受熱達(dá)到沸點(diǎn)、蒸發(fā)、熱蒸汽在壓差作用下向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)承裝工質(zhì)A的重力熱管冷凝段，釋放出冷凝潛熱，將這部分熱量記為Q2。第3步，熱量Q2經(jīng)過(guò)和承裝工質(zhì)B的重力熱管的傳導(dǎo)換熱，將熱量傳遞給工質(zhì)B，使得工質(zhì)B受熱，達(dá)到沸點(diǎn)、蒸發(fā)、向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)承裝工質(zhì)B的重力熱管的冷凝段，釋放冷凝潛熱，將這部分熱量記為Q3。第4步，放出的熱量Q3和承裝工質(zhì)C的重力熱管傳導(dǎo)換熱，將熱量Q3傳遞給工質(zhì)C。最后，在熱量Q3作用下，工質(zhì)C受熱，達(dá)到沸點(diǎn)、蒸發(fā)、向上運(yùn)動(dòng)，完成單個(gè)熱管節(jié)中的熱量傳遞過(guò)程。重復(fù)以上過(guò)程，通過(guò)多級(jí)熱管節(jié)串級(jí)使用，構(gòu)成串級(jí)式重力熱管裝置。

2 串級(jí)式翅片重力熱管裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 單個(gè)熱管節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的串級(jí)式翅片重力熱管裝置的每一個(gè)熱管節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)熱管節(jié)由串級(jí)套筒(6，11)、熱管節(jié)套筒(7，10)、接箍一(3)、翅片熱管(8，9)、接箍二(2，5)、固定環(huán)(4)構(gòu)成。

1-扶正器；2-接箍二；3-接箍一；4-固定環(huán)；5-接箍二；6-串級(jí)套筒；7-熱管節(jié)套筒；8-翅片熱管；9-翅片熱管；10-熱管節(jié)套筒；11-串級(jí)套筒

熱管節(jié)套筒和串級(jí)套筒均選用石油行業(yè)中?273 mm、長(zhǎng)度10 m的套管，翅片熱管為石油行業(yè)中?244 mm套管改制而成，環(huán)形翅片的翅片螺距12 mm，翅片高度20 mm，翅片寬度2 mm，翅片傾伏角75°，翅片在熱管上的軸向長(zhǎng)度8 m，環(huán)形翅片增大翅片熱管在熱管節(jié)套筒中和工質(zhì)的接觸面積，增加單位體積設(shè)備的傳熱面積，有效提高熱管的換熱效率。因而翅片熱管具有傳熱效率高，節(jié)省空間與材料的特點(diǎn)；同時(shí)翅片螺距設(shè)計(jì)為12 mm，保證合適的翅化比，還具有清潔熱管和減少管外流體阻力的特點(diǎn)。串級(jí)套筒(11)和熱管節(jié)套筒(10)構(gòu)成承裝工質(zhì)A的重力熱管，翅片熱管(8)和翅片熱管(9)構(gòu)成承裝工質(zhì)B的重力熱管，串級(jí)套筒(6)和熱管節(jié)套筒(7)構(gòu)成承裝工質(zhì)C的重力熱管。

接箍一用來(lái)連接翅片熱管與熱管節(jié)套筒，剖視圖見(jiàn)圖3。接箍二一方面用于連接同一熱管節(jié)上的串級(jí)套筒和熱管節(jié)套筒；另一方面用于連接相鄰熱管節(jié)之間的串級(jí)套筒，根據(jù)?273 mm套管，選用標(biāo)準(zhǔn)件接箍二。接箍一、接箍二上的內(nèi)螺紋均為偏梯內(nèi)螺紋，與接箍一配合的翅片熱管與熱管節(jié)套筒對(duì)應(yīng)設(shè)有偏梯外螺紋，與接箍二配合的串級(jí)套筒和熱管節(jié)套筒亦對(duì)應(yīng)設(shè)有偏梯外螺紋。

1-接箍一；2-翅片熱管；3-熱管節(jié)套筒

三維熱管節(jié)結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將熱管節(jié)套筒、接箍一、接箍二均設(shè)置為透明顯示。接箍一上設(shè)計(jì)有4個(gè)螺紋孔，它們分別為2個(gè)抽真空閥接口和2個(gè)填充工質(zhì)閥接口，抽真空閥接口和填充工質(zhì)閥接口對(duì)稱(chēng)地分布在接箍一上。這4個(gè)閥門(mén)接口尺寸的設(shè)計(jì)遵循12412224—2005《鋼制閥門(mén) 一般要求》。

1-串級(jí)套筒；2-接箍二；3-固定環(huán)；4-熱管節(jié)套筒；5-翅片熱管；6-接箍一

從圖4可以看出，翅片熱管在熱管節(jié)套筒內(nèi)部，由固定環(huán)連接，固定環(huán)和翅片熱管及熱管節(jié)套筒之間采用焊接的連接形式，固定環(huán)的存在保證了翅片熱管在熱管節(jié)套筒中安裝的穩(wěn)定性，使得它們的密封都不易被破壞。

翅片熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)包括翅片螺距、翅片高度、翅片寬度、翅片傾伏角、翅片在熱管上的軸向長(zhǎng)度、熱管長(zhǎng)度及直徑等。在翅片熱管的封閉端設(shè)計(jì)有環(huán)形翅片,環(huán)形翅片與熱管焊接在一起。由于翅片為螺旋形，將旋轉(zhuǎn)360°的一部分螺旋翅片近似看成一個(gè)圓。近似圓的個(gè)數(shù)B通過(guò)下式計(jì)算得到：

(1)

式中B——近似圓的個(gè)數(shù)；

L——翅片在光管上的長(zhǎng)度，m，L=8 m；

l1——翅片螺距，m，l1=0.012 m;

b——翅片寬度，m，b=0.002 m。

通過(guò)近似圓的數(shù)量就可以求出翅片面積，進(jìn)而求出翅片熱管與無(wú)翅片熱管的傳熱面積比值R。

無(wú)翅片熱管的傳熱面積A1:

A1=πDl=8.572 2 m2

(2)

式中D——熱管直徑，m，D=0.273 m；

l——熱管長(zhǎng)度，m，l=10 m。

翅片熱管的傳熱面積A：

A=A1+A2

+π(D+2h)bB}=30.725 2 m2

(3)

式中A——翅片熱管的傳熱面積，m2;

A2——翅片熱管上的翅片面積，m2；

h——翅片高度，m，h=0.02 m。

則翅片熱管與無(wú)翅片熱管的傳熱面積比值R為：

(4)

通過(guò)R可看出，環(huán)形翅片增大了翅片熱管在熱管節(jié)套筒中和工質(zhì)的接觸面積，從而提高熱管的換熱效率。

2.2 串級(jí)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

串級(jí)式翅片重力熱管裝置包括同軸設(shè)置并串接在一起的多組串級(jí)套筒和多組熱管節(jié)，如圖5所示。串級(jí)套筒和熱管節(jié)相間分布或兩個(gè)熱管節(jié)之間設(shè)有多個(gè)串級(jí)套筒，且所設(shè)計(jì)裝置的上端部和底端部均為串級(jí)套筒。串級(jí)套筒用于吸收地層中的熱量，并將熱量依據(jù)熱管傳熱原理向上傳遞給熱管節(jié)，同樣依據(jù)熱管傳熱原理,熱管節(jié)將傳遞上來(lái)的熱量繼續(xù)向上傳遞給相間分布的串級(jí)套筒，通過(guò)這種一級(jí)一級(jí)向上的熱量傳遞，最終將地層深處的熱能提取到地面上來(lái)。

1-地面；2-串級(jí)套筒；3-熱管節(jié)；4-多個(gè)串級(jí)套筒組合；5-井底

本文所設(shè)計(jì)的串級(jí)式翅片重力熱管裝置和傳統(tǒng)重力熱管的區(qū)別是:有效消除熱管長(zhǎng)徑比對(duì)其攜帶極限的影響，通過(guò)適合地層溫度的一級(jí)一級(jí)熱管節(jié)和串級(jí)套筒的配合使用，可以多次利用重力熱管的工作原理，將串級(jí)式翅片重力熱管裝置設(shè)計(jì)到滿(mǎn)足工程實(shí)際需要的長(zhǎng)度。

3 實(shí)例分析

根據(jù)文獻(xiàn)[16]中建立的地溫方程如下：

T=GH+T0

(5)

式中T——地層溫度，℃；

G——地溫梯度，℃/100 m；

H——井深/100 m(H=1時(shí)，代表地下100 m；H=2時(shí)，代表地下200 m)；

T0——地層的地面溫度常數(shù)，℃。

在文獻(xiàn)[16]中，得到大慶油田的通用地溫方程：

T=3.44H+18.24

(6)

考慮到中深層地?zé)衢_(kāi)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。根據(jù)文獻(xiàn)[6]的報(bào)道,利用Fluent軟件對(duì)長(zhǎng)度3 000 m(內(nèi)徑0.219 m)重力熱管進(jìn)行模擬的結(jié)果顯示，熱蒸汽可傳遞530 m。因而本文圖2中承裝工質(zhì)A和工質(zhì)C的重力熱管長(zhǎng)度均設(shè)計(jì)為500 m，此重力熱管由50根10 m長(zhǎng)的套管組成；承裝工質(zhì)B的重力熱管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為200 m，此重力熱管由20根10 m長(zhǎng)的翅片熱管，即20根10 m長(zhǎng)的翅片熱管組成。下文分別以井深1 000，5 000 m為例，根據(jù)地溫方程和所設(shè)計(jì)的串級(jí)式翅片重力熱管裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，選擇合適的工質(zhì)。

3.1 算例1

井深1 000 m時(shí)所設(shè)計(jì)的串級(jí)式翅片重力熱管裝置由1個(gè)熱管節(jié)組成，此熱管節(jié)長(zhǎng)度1 000 m，如圖6所示。由于各地區(qū)凍土層厚度各不相同，所以本文設(shè)計(jì)中，從地表以下100 m開(kāi)始計(jì)算工質(zhì)溫度，地表到地表以下100 m中間采用相應(yīng)的保溫技術(shù)，使提取的熱量不散失到地層中。根據(jù)式(6)，當(dāng)H=1時(shí)，即地下100 m處，T100=21.68 ℃；當(dāng)H=5時(shí)，即地下500 m處，T500=35.44 ℃；當(dāng)H=10時(shí)，即地下1 000 m處，T1000=52.64 ℃。其中承裝工質(zhì)B的重力熱管由20根10 m長(zhǎng)的翅片熱管組成，它的長(zhǎng)度200 m，所以當(dāng)H=4時(shí)，即地下400 m處承裝工質(zhì)B的重力熱管的上端處，TB上=32 ℃；當(dāng)H=6時(shí)，即地下600 m處承裝工質(zhì)B的重力熱管的下端處，TB下=38.88 ℃。

圖6 井深1 000 m時(shí)串級(jí)式翅片重力熱管裝置示意

根據(jù)以上計(jì)算，確定出工質(zhì)C的沸點(diǎn)范圍在21.68～35.44 ℃之間；工質(zhì)B的沸點(diǎn)范圍在32～38.88 ℃之間；工質(zhì)A的沸點(diǎn)在35.44～52.64 ℃之間?？筛鶕?jù)工質(zhì)的沸點(diǎn)選擇具體的工質(zhì)，此工質(zhì)可根據(jù)沸點(diǎn)選擇不同的單質(zhì)或選擇制備不同濃度的同一種混合物，實(shí)現(xiàn)井深1 000 m的串級(jí)式翅片重力熱管裝置的設(shè)計(jì)。

3.2 算例2

井深5 000 m時(shí)所設(shè)計(jì)的串級(jí)式翅片重力熱管裝置由9個(gè)熱管節(jié)組成，如圖7所示。

圖7 井深5 000 m時(shí)串級(jí)式翅片重力熱管裝置示意

工質(zhì)類(lèi)別安裝位置/m溫度范圍/℃工質(zhì)S100～50021.68～35.44工質(zhì)R400～60032.00～38.88工質(zhì)Q500～1 00035.44～52.64工質(zhì)P900～1 10049.20～56.08工質(zhì)O1 000～1 50052.64～69.84工質(zhì)N1 400～1 60066.40～73.28工質(zhì)M1 500～2 00069.84～87.04工質(zhì)L1 900～2 10083.60～90.48工質(zhì)K2 000～2 50087.04～104.24工質(zhì)J2 400～2 600100.80～107.68工質(zhì)I2 500～3 000104.24～121.44工質(zhì)H2 900～3 100118.00～124.88工質(zhì)G3 000～3 500121.44～138.64工質(zhì)F3 400～3 600135.20～142.08工質(zhì)E3 500～4 000138.64～155.84工質(zhì)D3 900～4 100152.40～159.28工質(zhì)C4 000～4 500155.84～173.04工質(zhì)B4 400～4 600169.60～176.48工質(zhì)A4 500～5 000173.04～190.24

由于所設(shè)計(jì)的單個(gè)重力熱管長(zhǎng)度500 m，井底的熱管節(jié)承裝工質(zhì)C的重力熱管由井底熱管節(jié)與相鄰的第2個(gè)熱管節(jié)共用，承裝工質(zhì)C的重力熱管的下半部分為井底熱管節(jié)的冷凝段、上半部分為相鄰的第2個(gè)熱管節(jié)的蒸發(fā)段，因而井底的熱管節(jié)中的長(zhǎng)度由承裝工質(zhì)A的重力熱管長(zhǎng)度與承裝工質(zhì)C的重力熱管長(zhǎng)度的一半組成，即井底熱管節(jié)的長(zhǎng)度為750 m，同理可得，井口熱管節(jié)的長(zhǎng)度亦為750 m。第2個(gè)熱管節(jié)中的長(zhǎng)度由承裝工質(zhì)C的重力熱管長(zhǎng)度的一半與承裝工質(zhì)E的重力熱管長(zhǎng)度的一半組成，即第2個(gè)熱管節(jié)的長(zhǎng)度為500 m，故除了井底、井口的熱管節(jié)，其余7個(gè)熱管節(jié)的長(zhǎng)度均為500 m。圖7中工質(zhì)A～工質(zhì)S的沸點(diǎn)范圍的確定與上例井深1 000 m的計(jì)算方法相同，通過(guò)計(jì)算，得到井深5 000 m的串級(jí)式翅片重力熱管裝置工質(zhì)工作溫度范圍如表1所示。同樣，根據(jù)工質(zhì)的沸點(diǎn)選擇具體的工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)井深5 000 m的串級(jí)式翅片重力熱管裝置的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)基于重力熱管原理，采用多個(gè)(2個(gè)或2個(gè)以上)熱管節(jié)串級(jí)的形式，同時(shí)熱管節(jié)連接多個(gè)串級(jí)套筒，通過(guò)一級(jí)一級(jí)熱管節(jié)和串級(jí)套筒的配合使用，構(gòu)成一種新型的井筒內(nèi)低品位余熱回收的串級(jí)式翅片重力熱管裝置。根據(jù)井深與地層溫度，確定熱管節(jié)與串級(jí)套筒組合的數(shù)量，選擇出合適的工質(zhì)；并通過(guò)井深1 000，5 000 m的算例，闡述如何確定熱管節(jié)參數(shù)以及工質(zhì)的沸點(diǎn)范圍；所選的工質(zhì)的沸點(diǎn)自下而上依次降低，保證熱循環(huán)的有效性；通過(guò)串級(jí)式結(jié)構(gòu)向上傳遞熱量，最終將地底的熱能傳遞到地面，解決傳統(tǒng)重力熱管的攜帶極限問(wèn)題，有效提取井筒內(nèi)低品位余熱。

(2)設(shè)計(jì)的井筒內(nèi)低品位余熱回收的串級(jí)式翅片重力熱管裝置，其單個(gè)熱管節(jié)由3個(gè)重力熱管組成，上端、下端兩個(gè)重力熱管通過(guò)嵌套在熱管節(jié)套筒中的重力熱管進(jìn)行傳熱，套裝在熱管節(jié)套筒中的重力熱管由2組翅片熱管構(gòu)成。翅片熱管的環(huán)形翅片增大其在熱管節(jié)套筒中和工質(zhì)的接觸面積，有效地提高了熱管的換熱效率，具有較好的推廣應(yīng)用前景。