多級(jí)分離式重力熱管試驗(yàn)研究

王曉東+安永生+周大可+劉洪辰

摘 要：該文在多級(jí)分離式重力熱管設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開展試驗(yàn)研究。通過建立多級(jí)分離式重力熱管試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)一次循環(huán)和多級(jí)循環(huán)的熱管結(jié)構(gòu)傳熱效率進(jìn)行模擬對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示多級(jí)循環(huán)熱管結(jié)構(gòu)存在必要的啟動(dòng)時(shí)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(jí)分離 重力熱管 熱循環(huán) 熱池結(jié)構(gòu) 試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：TK172.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（b）-0048-02

1 工程背景

我國(guó)的高溫地?zé)豳Y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(yīng)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(huì)問題，不利于我國(guó)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?zé)崴Y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(shí)將開發(fā)系統(tǒng)與地下水隔離，有效地避免了對(duì)地層的污染。筆者在《多級(jí)分離式重力熱管設(shè)計(jì)》中通過對(duì)常規(guī)的重力熱管結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，提出多級(jí)分離式的熱管結(jié)構(gòu)，解決目前深度1 000 m以上的地?zé)衢_發(fā)井熱量無法有效傳導(dǎo)至地面的客觀問題，其效果如何？需要開展試驗(yàn)室模擬研究。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

熱管指工質(zhì)在一個(gè)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(yùn)動(dòng)，流至放熱段時(shí)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(fù)，將熱量從一端傳遞到另一端[4]。

在《多級(jí)分離式重力熱管設(shè)計(jì)》中，利用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)類似竹節(jié)的多級(jí)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(shè)置成多級(jí)循環(huán)體系，各循環(huán)體系既各自獨(dú)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(biāo)地層溫度調(diào)整），不同段熱管注入沸點(diǎn)不同的工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)多級(jí)蒸發(fā)冷凝循環(huán)。

多級(jí)分離式的結(jié)構(gòu)有效地縮短了熱管的長(zhǎng)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(duì)的新問題。針對(duì)這一問題，筆者設(shè)計(jì)了“熱池結(jié)構(gòu)”作為一個(gè)儲(chǔ)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(shè)盤管與下端熱管連通。其工作過程為：多級(jí)熱管自下到上充注沸點(diǎn)依次降低的工質(zhì)。當(dāng)?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(shí)，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(diǎn)為t2的工質(zhì)B（t1

3 試驗(yàn)論證及分析

在提出新型熱管結(jié)構(gòu)后，建立室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究多?jí)循環(huán)系統(tǒng)對(duì)傳熱效果的影響。與一級(jí)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)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(jiǎn)易的多級(jí)分離式重力熱管試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)流程見圖2。

利用三段長(zhǎng)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(dāng)銅閥同時(shí)打開時(shí)，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(dāng)銅閥關(guān)閉時(shí)，模擬的是多級(jí)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(zhǎng)15 cm短管內(nèi)為50 mL的水，底部加熱溫裝置控制溫度100 ℃進(jìn)行加熱，記錄不同時(shí)間頂端短管內(nèi)水的溫度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線圖（見圖3），可以很明顯地看出，采用多級(jí)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(dòng)時(shí)間臺(tái)階；最終溫度穩(wěn)定后，多級(jí)循環(huán)的溫度略低于一次循環(huán)但相差不大。筆者分析認(rèn)為由于銅閥模擬的熱池結(jié)構(gòu)采用的是空氣作為儲(chǔ)能介質(zhì)，其比熱容較小，傳熱效率較差，導(dǎo)致需要一個(gè)啟動(dòng)時(shí)間來預(yù)加熱熱池結(jié)構(gòu)中的空氣，以此同時(shí)由于銅閥材質(zhì)的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于不銹鋼鋼管，所以，在銅閥處的熱損失較大，導(dǎo)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(yàn)可以得出結(jié)論，多級(jí)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?zé)崮艿膫鬟f距離，解決由于管長(zhǎng)問題所造成的傳熱循環(huán)失效問題，實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的有效開發(fā)?！盁岢亟Y(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)雖然使整個(gè)系統(tǒng)需要一定的啟動(dòng)預(yù)熱時(shí)間，但是保證了各級(jí)循環(huán)系統(tǒng)間熱量傳遞的效率，減少了熱損失，因此，多級(jí)分離式重力熱管結(jié)構(gòu)有著較高的工程價(jià)值，其在地?zé)嵊绕涫侵猩顚痈邷氐責(zé)衢_發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)報(bào)，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(xué)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?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.

[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(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2006（1）：60-63，85.