多级分离式重力热管设计

王晓东　周大可　刘洪辰　刘燕妮　沈允

摘 要：重力热管具有传热效率高、成本低廉、结构简单等突出优点，近年来在各领域的应用越来越广泛。常规的重力热管在浅层地热开发中已有先例，但是对于中深层地热资源的开发，传统的重力热管由于自身结构的制约，在底部液池的充液量、长细比、真空保温、气液对流阻力等方面存在一系列的问题；该文针对上述问题，结合国内外中深层地热资源开发的情况，设计了一款新型多级分离式重力热管结构。基于重力热管传热的基本原理，将管长1 000 m以上的超长重力热管分为多级循环系统，每级循环系统既各自独立又互为整体，在循环交界位置设计热池结构，减少传热过程中的热量损失，提高传热效率，有效地提升了地热的传递距离。

关键词：多级分离 重力热管 热循环 热池结构

中图分类号：TB657 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0051-03

1 研制背景

地热是重要的清洁能源，目前在我国的开发利用还处于初级阶段，尤其是高温地热资源的开发，仍存在较多问题。高温地热资源的开发方式主要有3种，即水热系统、EGS系统、单井取热。其中水热系统是目前国内外应用最为广泛的高温地热开发方式[1-3]，冰岛深层钻探计划从2000年开始探索，到2016年，已经钻至5 000 m深度岩层，水温400 ℃～1 000 ℃，是目前世界上地热温度最高的案例。EGS系统在美国、瑞士、日本、澳大利亚、韩国等国家都开展过相关试验，最大井深为5 093 m，最高温度是美国的400 ℃。对于单井取热也就是安装井下换热器，目前应用较少，主要在换热效率以及产液量等方面受限。

2 理论分析

重力热管结构自下而上依次为蒸发段、绝热段和冷凝段，其工作原理是：热管内注入适量的工质，工质在蒸发段受到外界热源的加热迅速气化，在压力和浮力的作用下，加速向上运动，流至冷凝段与管壁外的冷源发生热交换，凝结液化，液相靠重力回流到蒸发段重新吸热，如此循环往复，将热量从底部蒸发段传递到上部冷凝段。

重力热管所涉及到的传热极限主要有携带极限、沸腾极限和干涸极限。

（1）携带极限。

携带极限是由重力热管内的蒸汽流与逆向的凝结液流在两者界面上的粘滞携带作用引起的，一旦上部空间的液体体积达到一定量以后，就可能突然快速下降至蒸发段，破坏热管内正常的两相流动和传热过程。目前普遍采用的计算公式如下：

（2）沸腾极限。

沸腾极限是在径向热流密度较大的情况下，蒸发段液池中的工作介质首先发生沸腾，当达到某一临界热流密度时就会产生大量气泡，在蒸发段壁面上形成蒸汽膜，影响热管的整体传热系数，使热管的传热能力下降。

（3）干涸極限。

当蒸汽量和热功率很大时，回流液在接近液池前被烧干，导致热管局部温度持续升高，此时出现干涸极限。

重力热管是在有限的管内空间内，实现单相和两相自然对流、液体蒸发沸腾以及气体凝结换热等复杂过程，传热机理非常复杂。热管的几何尺寸、倾角、工质充注率和物性参数、管内气体的温度和压力等因素都能够影响其传热效率。考虑到中深层地热开发的实际情况，管长与管径的比例对整个热管传热具有极大的影响。利用Fluent软件对3 000 m长度（内径0.219 m）重力热管进行模拟的结果显示，如图1所示，热蒸汽最多可传递530 m左右[4]，这个距离对于中深层地热资源开发来说远远不够，因此，笔者的提出了“多级循环”的设计思路，将长管分隔为多段短管，解决长细比过大所带来的一系列传热问题。

3 多级分离式重力热管设计

利用仿生学原理，设计类似竹节式的多级分离式重力热管结构，将原来整体型的热管结构设置成三段独立的循环体系（见图2），各循环体系即各自独立又相互影响，通过在自上而下的不同热池中注入沸点不同的工质，实现多级蒸发冷凝循环。

热管在地层中的情况如图3所示，最下部地层为地热储层，热管共分三级，每两级循环系统交界处设有热池结构，共有两个热池，最底部的热池处在地热储层中。图4是热池与热管通过密封橡胶圈与螺栓进行链接方式，外部都包裹绝热材料，防止与地层发生热交换影响传热效率。

图5中，热池下端热管外设盘管，底部工质A热流经盘管与热池中液体充分发生热交换，将热池中液体加热至上层热管内工质B的沸点温度以上，使工质B沸腾蒸发实现一级换热。图6中热管最底部液池内设钢丝盘网，增大与地层热源的热交换面积，使地层热源可以高效加热液池中的工质A，实现沸腾蒸发。整个设计最核心的部件为两段循环体系交界处的热池结构。

通过分离式的结构，可以有效地减少了整个热管的长细比，提升了热能的传递距离，但是在各循环体系之间的热交换效率以及热损失情况是我们必须要面对的新问题。基于此，我们提出了“热池”结构，在每两段热管交界部位，安装热池装置，从地层上升的热蒸汽流经热池内的导管结构（图中的细管部位），与热池中的液体发生充分的热交换，加热热池中的工质，实现一次热循环。同时充分考虑到随着热量传播，不可避免地会存在热量损失等问题，自下而上三段热管中注入的工质材料的沸点依次降低，保证热循环的有序进行。

4 结语

多级分离式重力热管设计将常规的重力热管一次循环系统创新为适用于超长热管开发地热资源的三级循环系统，在循环系统间设计“热池”结构，通过二次热交换原理，有效地减少了热量损失，通过在三次循环系统中加注不同沸点的工质，实现了热量的有效传递，提高能源的利用效率，减少开发成本。多级分离式重力热管结构在此背景下提出，为地热尤其是深层高温地热的开发提供了新思路、新方法，其应用前景十分广阔。

参考文献

[1] 张军，张辉，张红，等.地热热管融雪系统应用研究[J].太阳能学报，2011（12）：1822-1826.

[2] 李龙，李春生，朱兰.重力热管自吸地热改善热采井井筒热损失研究[J].科学技术与工程，2011（8）：1691-1694.

[3] 张龙.某超长重力热管提取地热的热工分析及改进措施[D].西安工程大学，2016.

[4] 林红.某超长重力热管提取地热的模拟及分析[D].西安工程大学，2016.