多级分离式重力热管试验研究

王晓东+安永生+周大可+刘洪辰

摘 要：该文在多级分离式重力热管设计的基础上，开展试验研究。通过建立多级分离式重力热管试验模型，对一次循环和多级循环的热管结构传热效率进行模拟对比，试验数据显示多级循环热管结构存在必要的启动时间，但最终传热稳定后的温度却无较大差别，得出新型结构可以在保证传热效果的基础上，有效提升重力热管的热量传输距离的结论。

关键词：多级分离 重力热管 热循环 热池结构 试验研究

中图分类号：TK172.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（b）-0048-02

1 工程背景

我国的高温地热资源丰富，是重要的可再生清洁能源，开发潜力巨大，其开发方式主要有3种：水热系统、EGS系统以及井下换热器[1]。目前应用最广泛的水热系统开发方式[2-3]，带来了水污染、废热污染以及地层沉降一系列的环境和社会问题，不利于我国能源领域的供给侧改革，而采用井下换热器装置可直接利用天然能量开发，避免直接抽取地热水资源，无需消耗高质能（电能等），大大提高了能源的利用效率，同时将开发系统与地下水隔离，有效地避免了对地层的污染。笔者在《多级分离式重力热管设计》中通过对常规的重力热管结构进行创新性设计，提出多级分离式的热管结构，解决目前深度1 000 m以上的地热开发井热量无法有效传导至地面的客观问题，其效果如何？需要开展试验室模拟研究。

2 试验设计基础

热管指工质在一个抽成高真空的封闭壳体中循环相变而传递热量的装置，其中靠重力完成液相回流的热管结构称为重力热管。在图1中，重力热管底部的工质在吸热段受到外界热源的加热后，迅速气化，在浮力和压力的作用下，向上加速运动，流至放热段时与管壁外的冷源发生热交换，凝结液化，液相靠重力回流到加热段重新吸热，如此循环往复，将热量从一端传递到另一端[4]。

在《多级分离式重力热管设计》中，利用仿生学原理，设计类似竹节的多级分离式热管结构，将原来一次循环的热管结构设置成多级循环体系，各循环体系既各自独立又相互影响，系统交界处的热池结构中充注比热容较高的液体（可根据目标地层温度调整），不同段热管注入沸点不同的工质，实现多级蒸发冷凝循环。

多级分离式的结构有效地缩短了热管的长度，大大提升了热量的传递，但是各段热管交界处热交换效率以及热损失情况是必须要面对的新问题。针对这一问题，笔者设计了“热池结构”作为一个储能区域，其既是下端热管的冷凝放热区，又是上端热管的加热蒸发区，安装于两段热管交界处，直径略大于内套热管，热池内充注高比热容的液体，热池分上下半段，下半段设盘管与下端热管连通。其工作过程为：多级热管自下到上充注沸点依次降低的工质。当第一段（自下而上）热管内的工质A经地层加热气化上升至热池时，经盘管与热池中的液体发生热交换，将热池加热至；t1第二段热管中充注的沸点为t2的工质B（t1

3 试验论证及分析

在提出新型热管结构后，建立室内试验模型，研究多级循环系统对传热效果的影响。与一级循环系统进行对比，论证新结构的的可行性，笔者利用不锈钢管、铜阀、保温材料、加热器以及传感器等装置组装了简易的多级分离式重力热管试验模型，试验流程见图2。

利用三段长50 cm，内径0.04 m的不锈钢管来模拟热管（绝热段外包隔热材料），铜阀模拟热池结构。当铜阀同时打开时，模拟常规一次循环的热管结构，内充注工质为150 mL水；当铜阀关闭时，模拟的是多级循环系统的热管结构，由下到上热管内充注的工质依次为50 mL水、50 mL工业酒精和50 mL体积系数35%氨水。

顶端长15 cm短管内为50 mL的水，底部加热温装置控制温度100 ℃进行加热，记录不同时间顶端短管内水的温度，试验数据如表1所示。

通过试验数据的曲线图（见图3），可以很明显地看出，采用多级循环系统的温度上升曲线略微滞后于一次循环，存在启动时间台阶；最终温度稳定后，多级循环的温度略低于一次循环但相差不大。笔者分析认为由于铜阀模拟的热池结构采用的是空气作为储能介质，其比热容较小，传热效率较差，导致需要一个启动时间来预加热热池结构中的空气，以此同时由于铜阀材质的传热系数远大于不锈钢钢管，所以，在铜阀处的热损失较大，导致最终温度稳定后温度略低于一次循环。

4 结语

通过多次试验可以得出结论，多级重力热管结构能够在保证传热效果不受较大影响的基础上，有效地提升地热能的傳递距离，解决由于管长问题所造成的传热循环失效问题，实现地热资源的有效开发。“热池结构”的设计虽然使整个系统需要一定的启动预热时间，但是保证了各级循环系统间热量传递的效率，减少了热损失，因此，多级分离式重力热管结构有着较高的工程价值，其在地热尤其是中深层高温地热开发领域应用前景十分广阔。

参考文献

[1] 张朋磊，王宝龙，韩林俊，等.两相热虹吸循环蒸发侧传热模型比较[J].化工学报，2013（8）：2752-2759.

[2] 王淑彦，成庆林，韩洪升，等.井筒重力热管传热特性的研究[J].科学技术与工程，2010，31（1）：46-50.

[3] 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.

[4] 吴晓东，马春红，石崇兵，等.井筒重力热管传热技术在蒸汽吞吐井中的应用[J].石油钻采工艺，2006（1）：60-63，85.