一種井筒內(nèi)低品位余熱回收的串級式翅片重力熱管裝置的設(shè)計

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

0 引言

據(jù)估計全球存在約2 000萬～3 000萬個廢棄油井[1]，對廢棄油井中的地?zé)峒右岳茫@得豐富的地?zé)豳Y源，特別是回收相對難提取的井筒內(nèi)低品位余熱，對于節(jié)能減排具有巨大的經(jīng)濟與環(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。對于細長管，即當(dāng)重力熱管蒸發(fā)段的長徑比較大時，首先考慮攜帶極限的問題[4-5]。為解決這一問題，有學(xué)者提出一種類似竹節(jié)式的多級分離式重力熱管結(jié)構(gòu)，在每段熱管交界部位，安裝熱池裝置，通過二次交換原理，實現(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，各重力熱管單元將熱量從井底依次向上傳遞至上一級單元，逐級向上傳遞至井口，提高井口流體的溫度，有效降低傳統(tǒng)超長重力熱管失效的風(fēng)險，達到井口流體降黏的目的[8]。為了更好地解決超長重力熱管的攜帶極限問題以及達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式翅片重力熱管裝置。該裝置采用多個熱管節(jié)串級的形式，根據(jù)井深確定熱管節(jié)參數(shù)與自下而上沸點依次降低的合適工質(zhì)，保證熱循環(huán)的有效性，消除攜帶極限的問題；同時，該裝置單個熱管節(jié)利用上端、下端兩個重力熱管，通過嵌套在其中的翅片熱管進行傳熱，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 串級式重力熱管原理

傳統(tǒng)重力熱管的傳熱過程分為3個區(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，進行的是自然對流蒸發(fā)；當(dāng)熱流密度較大時，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，進行的是冷凝液膜的層流膜狀蒸發(fā)；當(dāng)熱流密度較大時，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)單個熱管節(jié)

本文設(shè)計的串級式重力熱管的傳熱原理，基于單個重力熱管節(jié)傳熱過程，采用多個熱管節(jié)串級的結(jié)構(gòu)，單個熱管節(jié)傳熱過程如圖1(b)所示。單個熱管節(jié)由3個重力熱管組成，即單個熱管節(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受熱達到沸點、蒸發(fā)、熱蒸汽在壓差作用下向上運動，到達承裝工質(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，達到沸點、蒸發(fā)、向上運動，到達承裝工質(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，達到沸點、蒸發(fā)、向上運動，完成單個熱管節(jié)中的熱量傳遞過程。重復(fù)以上過程，通過多級熱管節(jié)串級使用，構(gòu)成串級式重力熱管裝置。

2 串級式翅片重力熱管裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 單個熱管節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計的串級式翅片重力熱管裝置的每一個熱管節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個熱管節(jié)由串級套筒(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-串級套筒

熱管節(jié)套筒和串級套筒均選用石油行業(yè)中?273 mm、長度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；同時翅片螺距設(shè)計為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。串級套筒(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。

接箍一用來連接翅片熱管與熱管節(jié)套筒，剖視圖見圖3。接箍二一方面用于連接同一熱管節(jié)上的串級套筒和熱管節(jié)套筒；另一方面用于連接相鄰熱管節(jié)之間的串級套筒，根據(jù)?273 mm套管，選用標準件接箍二。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)套筒對應(yīng)設(shè)有偏梯外螺紋，與接箍二配合的串級套筒和熱管節(jié)套筒亦對應(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)計有4個螺紋孔，它們分別為2個抽真空閥接口和2個填充工質(zhì)閥接口，抽真空閥接口和填充工質(zhì)閥接口對稱地分布在接箍一上。這4個閥門接口尺寸的設(shè)計遵循12412224—2005《鋼制閥門 一般要求》。

1-串級套筒；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度、熱管長度及直徑等。在翅片熱管的封閉端設(shè)計有環(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圓。近似圓的個數(shù)B通過下式計算得到：

(1)

式中B——近似圓的個數(shù)；

L——翅片在光管上的長度，m，L=8 m；

l1——翅片螺距，m，l1=0.012 m;

b——翅片寬度，m，b=0.002 m。

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

無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。

則翅片熱管與無翅片熱管的傳熱面積比值R為：

(4)

通過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 串級式結(jié)構(gòu)設(shè)計

串級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套筒和多組熱管節(jié)，如圖5所示。串級套筒和熱管節(jié)相間分布或兩個熱管節(jié)之間設(shè)有多個串級套筒，且所設(shè)計裝置的上端部和底端部均為串級套筒。串級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)將傳遞上來的熱量繼續(xù)向上傳遞給相間分布的串級套筒，通過這種一級一級向上的熱量傳遞，最終將地層深處的熱能提取到地面上來。

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

本文所設(shè)計的串級式翅片重力熱管裝置和傳統(tǒng)重力熱管的區(qū)別是:有效消除熱管長徑比對其攜帶極限的影響，通過適合地層溫度的一級一級熱管節(jié)和串級套筒的配合使用，可以多次利用重力熱管的工作原理，將串級式翅片重力熱管裝置設(shè)計到滿足工程實際需要的長度。

3 實例分析

根據(jù)文獻[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，代表地下100 m；H=2時，代表地下200 m)；

T0——地層的地面溫度常數(shù)，℃。

在文獻[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_發(fā)的實際情況，管長與管徑的比例對整個熱管傳熱具有極大的影響。根據(jù)文獻[6]的報道,利用Fluent軟件對長度3 000 m(內(nèi)徑0.219 m)重力熱管進行模擬的結(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的重力熱管長度均設(shè)計為500 m，此重力熱管由50根10 m長的套管組成；承裝工質(zhì)B的重力熱管長度設(shè)計為200 m，此重力熱管由20根10 m長的翅片熱管，即20根10 m長的翅片熱管組成。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)計的串級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時所設(shè)計的串級式翅片重力熱管裝置由1個熱管節(jié)組成，此熱管節(jié)長度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)計中，從地表以下100 m開始計算工質(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，即地下100 m處，T100=21.68 ℃；當(dāng)H=5時，即地下500 m處，T500=35.44 ℃；當(dāng)H=10時，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長的翅片熱管組成，它的長度200 m，所以當(dāng)H=4時，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，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時串級式翅片重力熱管裝置示意

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

3.2 算例2

井深5 000 m時所設(shè)計的串級式翅片重力熱管裝置由9個熱管節(jié)組成，如圖7所示。

圖7 井深5 000 m時串級式翅片重力熱管裝置示意

工質(zhì)類別安裝位置/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)計的單個重力熱管長度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個熱管節(jié)的蒸發(fā)段，因而井底的熱管節(jié)中的長度由承裝工質(zhì)A的重力熱管長度與承裝工質(zhì)C的重力熱管長度的一半組成，即井底熱管節(jié)的長度為750 m，同理可得，井口熱管節(jié)的長度亦為750 m。第2個熱管節(jié)中的長度由承裝工質(zhì)C的重力熱管長度的一半與承裝工質(zhì)E的重力熱管長度的一半組成，即第2個熱管節(jié)的長度為500 m，故除了井底、井口的熱管節(jié)，其余7個熱管節(jié)的長度均為500 m。圖7中工質(zhì)A～工質(zhì)S的沸點范圍的確定與上例井深1 000 m的計算方法相同，通過計算，得到井深5 000 m的串級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)的沸點選擇具體的工質(zhì)，實現(xiàn)井深5 000 m的串級式翅片重力熱管裝置的設(shè)計。

4 結(jié)語

(1)基于重力熱管原理，采用多個(2個或2個以上)熱管節(jié)串級的形式，同時熱管節(jié)連接多個串級套筒，通過一級一級熱管節(jié)和串級套筒的配合使用，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)與串級套筒組合的數(shù)量，選擇出合適的工質(zhì)；并通過井深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)的沸點范圍；所選的工質(zhì)的沸點自下而上依次降低，保證熱循環(huán)的有效性；通過串級式結(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題，有效提取井筒內(nèi)低品位余熱。

(2)設(shè)計的井筒內(nèi)低品位余熱回收的串級式翅片重力熱管裝置，其單個熱管節(jié)由3個重力熱管組成，上端、下端兩個重力熱管通過嵌套在熱管節(jié)套筒中的重力熱管進行傳熱，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。