一种井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置的设计

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(东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江大庆 163318)

0 引言

据估计全球存在约2 000万～3 000万个废弃油井[1]，对废弃油井中的地热加以利用，获得丰富的地热资源，特别是回收相对难提取的井筒内低品位余热，对于节能减排具有巨大的经济与环境效益。重力热管是一种依靠工质介质相变传递热量的导热装置，由于具有高效的传热效率，在工程上得到广泛运用[2-3]。重力热管所涉及到的传热极限主要包括携带极限、沸腾极限和干涸极限。对于细长管，即当重力热管蒸发段的长径比较大时，首先考虑携带极限的问题[4-5]。为解决这一问题，有学者提出一种类似竹节式的多级分离式重力热管结构，在每段热管交界部位，安装热池装置，通过二次交换原理，实现热量的有效传递[6]。在井筒采油技术领域，有学者发明一种采油井井筒组合式重力热管装置[7]，该重力热管放置于井下时，各重力热管单元将热量从井底依次向上传递至上一级单元，逐级向上传递至井口，提高井口流体的温度，有效降低传统超长重力热管失效的风险，达到井口流体降黏的目的[8]。为了更好地解决超长重力热管的携带极限问题以及达到提高传热效率的目的，本文提出一种新型井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置。该装置采用多个热管节串级的形式，根据井深确定热管节参数与自下而上沸点依次降低的合适工质，保证热循环的有效性，消除携带极限的问题；同时，该装置单个热管节利用上端、下端两个重力热管，通过嵌套在其中的翅片热管进行传热，翅片热管上的环形翅片[9-11]增大其在热管节套筒中和工质的接触面积，有效地提高热管的换热效率，从而高效提取废弃油井中的低品位余热。

1 串级式重力热管原理

传统重力热管的传热过程分为3个区域[12-15]，如图1(a)所示：(1)在重力热管蒸发段液池内，当热流密度较小时，进行的是自然对流蒸发；当热流密度较大时，是液池内的核态沸腾；(2)在重力热管蒸发段液池以上部分，当热流密度较小时，进行的是冷凝液膜的层流膜状蒸发；当热流密度较大时，是冷凝液膜的核态沸腾；(3)在重力热管的冷凝段内，遵循Nusselt数(努塞尔数)的竖直平板层流膜状凝结理论，饱和蒸汽呈层流膜状凝结。

(a)传统重力热管

(b)单个热管节

本文设计的串级式重力热管的传热原理，基于单个重力热管节传热过程，采用多个热管节串级的结构，单个热管节传热过程如图1(b)所示。单个热管节由3个重力热管组成，即单个热管节经历3次热循环。第1步，承装工质A的重力热管从地层中通过热传导获得热能，将这部分热量记为Q1。第2步，这部分热能使得重力热管中的工质A受热达到沸点、蒸发、热蒸汽在压差作用下向上运动，到达承装工质A的重力热管冷凝段，释放出冷凝潜热，将这部分热量记为Q2。第3步，热量Q2经过和承装工质B的重力热管的传导换热，将热量传递给工质B，使得工质B受热，达到沸点、蒸发、向上运动，到达承装工质B的重力热管的冷凝段，释放冷凝潜热，将这部分热量记为Q3。第4步，放出的热量Q3和承装工质C的重力热管传导换热，将热量Q3传递给工质C。最后，在热量Q3作用下，工质C受热，达到沸点、蒸发、向上运动，完成单个热管节中的热量传递过程。重复以上过程，通过多级热管节串级使用，构成串级式重力热管装置。

2 串级式翅片重力热管装置结构设计

2.1 单个热管节结构设计

所设计的串级式翅片重力热管装置的每一个热管节的结构如图2所示，每个热管节由串级套筒(6，11)、热管节套筒(7，10)、接箍一(3)、翅片热管(8，9)、接箍二(2，5)、固定环(4)构成。

1-扶正器；2-接箍二；3-接箍一；4-固定环；5-接箍二；6-串级套筒；7-热管节套筒；8-翅片热管；9-翅片热管；10-热管节套筒；11-串级套筒

热管节套筒和串级套筒均选用石油行业中∅273 mm、长度10 m的套管，翅片热管为石油行业中∅244 mm套管改制而成，环形翅片的翅片螺距12 mm，翅片高度20 mm，翅片宽度2 mm，翅片倾伏角75°，翅片在热管上的轴向长度8 m，环形翅片增大翅片热管在热管节套筒中和工质的接触面积，增加单位体积设备的传热面积，有效提高热管的换热效率。因而翅片热管具有传热效率高，节省空间与材料的特点；同时翅片螺距设计为12 mm，保证合适的翅化比，还具有清洁热管和减少管外流体阻力的特点。串级套筒(11)和热管节套筒(10)构成承装工质A的重力热管，翅片热管(8)和翅片热管(9)构成承装工质B的重力热管，串级套筒(6)和热管节套筒(7)构成承装工质C的重力热管。

接箍一用来连接翅片热管与热管节套筒，剖视图见图3。接箍二一方面用于连接同一热管节上的串级套筒和热管节套筒；另一方面用于连接相邻热管节之间的串级套筒，根据∅273 mm套管，选用标准件接箍二。接箍一、接箍二上的内螺纹均为偏梯内螺纹，与接箍一配合的翅片热管与热管节套筒对应设有偏梯外螺纹，与接箍二配合的串级套筒和热管节套筒亦对应设有偏梯外螺纹。

1-接箍一；2-翅片热管；3-热管节套筒

三维热管节结构如图4所示。为了显示内部结构，将热管节套筒、接箍一、接箍二均设置为透明显示。接箍一上设计有4个螺纹孔，它们分别为2个抽真空阀接口和2个填充工质阀接口，抽真空阀接口和填充工质阀接口对称地分布在接箍一上。这4个阀门接口尺寸的设计遵循12412224—2005《钢制阀门 一般要求》。

1-串级套筒；2-接箍二；3-固定环；4-热管节套筒；5-翅片热管；6-接箍一

从图4可以看出，翅片热管在热管节套筒内部，由固定环连接，固定环和翅片热管及热管节套筒之间采用焊接的连接形式，固定环的存在保证了翅片热管在热管节套筒中安装的稳定性，使得它们的密封都不易被破坏。

翅片热管结构参数包括翅片螺距、翅片高度、翅片宽度、翅片倾伏角、翅片在热管上的轴向长度、热管长度及直径等。在翅片热管的封闭端设计有环形翅片,环形翅片与热管焊接在一起。由于翅片为螺旋形，将旋转360°的一部分螺旋翅片近似看成一个圆。近似圆的个数B通过下式计算得到：

(1)

式中B——近似圆的个数；

L——翅片在光管上的长度，m，L=8 m；

l1——翅片螺距，m，l1=0.012 m;

b——翅片宽度，m，b=0.002 m。

通过近似圆的数量就可以求出翅片面积，进而求出翅片热管与无翅片热管的传热面积比值R。

无翅片热管的传热面积A1:

A1=πDl=8.572 2 m2

(2)

式中D——热管直径，m，D=0.273 m；

l——热管长度，m，l=10 m。

翅片热管的传热面积A：

A=A1+A2

+π(D+2h)bB}=30.725 2 m2

(3)

式中A——翅片热管的传热面积，m2;

A2——翅片热管上的翅片面积，m2；

h——翅片高度，m，h=0.02 m。

则翅片热管与无翅片热管的传热面积比值R为：

(4)

通过R可看出，环形翅片增大了翅片热管在热管节套筒中和工质的接触面积，从而提高热管的换热效率。

2.2 串级式结构设计

串级式翅片重力热管装置包括同轴设置并串接在一起的多组串级套筒和多组热管节，如图5所示。串级套筒和热管节相间分布或两个热管节之间设有多个串级套筒，且所设计装置的上端部和底端部均为串级套筒。串级套筒用于吸收地层中的热量，并将热量依据热管传热原理向上传递给热管节，同样依据热管传热原理,热管节将传递上来的热量继续向上传递给相间分布的串级套筒，通过这种一级一级向上的热量传递，最终将地层深处的热能提取到地面上来。

1-地面；2-串级套筒；3-热管节；4-多个串级套筒组合；5-井底

本文所设计的串级式翅片重力热管装置和传统重力热管的区别是:有效消除热管长径比对其携带极限的影响，通过适合地层温度的一级一级热管节和串级套筒的配合使用，可以多次利用重力热管的工作原理，将串级式翅片重力热管装置设计到满足工程实际需要的长度。

3 实例分析

根据文献[16]中建立的地温方程如下：

T=GH+T0

(5)

式中T——地层温度，℃；

G——地温梯度，℃/100 m；

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

T0——地层的地面温度常数，℃。

在文献[16]中，得到大庆油田的通用地温方程：

T=3.44H+18.24

(6)

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。根据文献[6]的报道,利用Fluent软件对长度3 000 m(内径0.219 m)重力热管进行模拟的结果显示，热蒸汽可传递530 m。因而本文图2中承装工质A和工质C的重力热管长度均设计为500 m，此重力热管由50根10 m长的套管组成；承装工质B的重力热管长度设计为200 m，此重力热管由20根10 m长的翅片热管，即20根10 m长的翅片热管组成。下文分别以井深1 000，5 000 m为例，根据地温方程和所设计的串级式翅片重力热管装置的结构尺寸，选择合适的工质。

3.1 算例1

井深1 000 m时所设计的串级式翅片重力热管装置由1个热管节组成，此热管节长度1 000 m，如图6所示。由于各地区冻土层厚度各不相同，所以本文设计中，从地表以下100 m开始计算工质温度，地表到地表以下100 m中间采用相应的保温技术，使提取的热量不散失到地层中。根据式(6)，当H=1时，即地下100 m处，T100=21.68 ℃；当H=5时，即地下500 m处，T500=35.44 ℃；当H=10时，即地下1 000 m处，T1000=52.64 ℃。其中承装工质B的重力热管由20根10 m长的翅片热管组成，它的长度200 m，所以当H=4时，即地下400 m处承装工质B的重力热管的上端处，TB上=32 ℃；当H=6时，即地下600 m处承装工质B的重力热管的下端处，TB下=38.88 ℃。

图6 井深1 000 m时串级式翅片重力热管装置示意

根据以上计算，确定出工质C的沸点范围在21.68～35.44 ℃之间；工质B的沸点范围在32～38.88 ℃之间；工质A的沸点在35.44～52.64 ℃之间。可根据工质的沸点选择具体的工质，此工质可根据沸点选择不同的单质或选择制备不同浓度的同一种混合物，实现井深1 000 m的串级式翅片重力热管装置的设计。

3.2 算例2

井深5 000 m时所设计的串级式翅片重力热管装置由9个热管节组成，如图7所示。

图7 井深5 000 m时串级式翅片重力热管装置示意

工质类别安装位置/m温度范围/℃工质S100～50021.68～35.44工质R400～60032.00～38.88工质Q500～1 00035.44～52.64工质P900～1 10049.20～56.08工质O1 000～1 50052.64～69.84工质N1 400～1 60066.40～73.28工质M1 500～2 00069.84～87.04工质L1 900～2 10083.60～90.48工质K2 000～2 50087.04～104.24工质J2 400～2 600100.80～107.68工质I2 500～3 000104.24～121.44工质H2 900～3 100118.00～124.88工质G3 000～3 500121.44～138.64工质F3 400～3 600135.20～142.08工质E3 500～4 000138.64～155.84工质D3 900～4 100152.40～159.28工质C4 000～4 500155.84～173.04工质B4 400～4 600169.60～176.48工质A4 500～5 000173.04～190.24

由于所设计的单个重力热管长度500 m，井底的热管节承装工质C的重力热管由井底热管节与相邻的第2个热管节共用，承装工质C的重力热管的下半部分为井底热管节的冷凝段、上半部分为相邻的第2个热管节的蒸发段，因而井底的热管节中的长度由承装工质A的重力热管长度与承装工质C的重力热管长度的一半组成，即井底热管节的长度为750 m，同理可得，井口热管节的长度亦为750 m。第2个热管节中的长度由承装工质C的重力热管长度的一半与承装工质E的重力热管长度的一半组成，即第2个热管节的长度为500 m，故除了井底、井口的热管节，其余7个热管节的长度均为500 m。图7中工质A～工质S的沸点范围的确定与上例井深1 000 m的计算方法相同，通过计算，得到井深5 000 m的串级式翅片重力热管装置工质工作温度范围如表1所示。同样，根据工质的沸点选择具体的工质，实现井深5 000 m的串级式翅片重力热管装置的设计。

4 结语

(1)基于重力热管原理，采用多个(2个或2个以上)热管节串级的形式，同时热管节连接多个串级套筒，通过一级一级热管节和串级套筒的配合使用，构成一种新型的井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置。根据井深与地层温度，确定热管节与串级套筒组合的数量，选择出合适的工质；并通过井深1 000，5 000 m的算例，阐述如何确定热管节参数以及工质的沸点范围；所选的工质的沸点自下而上依次降低，保证热循环的有效性；通过串级式结构向上传递热量，最终将地底的热能传递到地面，解决传统重力热管的携带极限问题，有效提取井筒内低品位余热。

(2)设计的井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置，其单个热管节由3个重力热管组成，上端、下端两个重力热管通过嵌套在热管节套筒中的重力热管进行传热，套装在热管节套筒中的重力热管由2组翅片热管构成。翅片热管的环形翅片增大其在热管节套筒中和工质的接触面积，有效地提高了热管的换热效率，具有较好的推广应用前景。