Design and Heat-Transfer Performance of a Hybrid Insulated Inner-Pipe String for Deep Geothermal Coaxial Heat Exchangers

ملخص تقني: تصميم وأداء انتقال الحرارة لسلسلة أنابيب داخلية هجينة معزولة للمبادلات الحرارية متحد محورية في الجيوتيرمال العميق

بيان المشكلة

تواجه المبادلات الحرارية متحد محورية في الجيوتيرمال العميق مقايضة هندسية حرجة تتعلق بتصميم سلسلة الأنابيب الداخلية. توفر الأنابيب المعزولة المصنوعة بالكامل من الفولاذ القدرة الميكانيكية اللازمة ومقاومة درجات الحرارة العالية للآبار العميقة، لكنها تفرض أوزانًا مفرطة، مما يجهد أحمال رأس البئر وعمليات النشر. وفي المقابل، توفر الأنابيب البوليمرية وزنًا منخفضًا وموصلية حرارية منخفضة، لكنها تفتقر إلى مقاومة درجات الحرارة طويلة الأمد المطلوبة لبيئات الآبار العميقة (التي تتجاوز غالبًا 120 درجة مئوية). وتكافح الحلول الحالية لاستيفاء المتطلبات المتنافسة للعزل الحراري، والموثوقية الميكانيكية عند درجات الحرارة العالية، والتصميم خفيف الوزن في آن واحد. علاوة على ذلك، يتسبب انتقال الحرارة الشعاعي بين السائل الساخن المتدفق للأعلى والسائل البارد المتدفق للأسفل داخل بئر الحفر في حدوث "قصر حراري" (thermal short-circuiting)، مما يقلل بشكل كبير من قدرة استخراج الحرارة الفعالة للنظام.

المنهجية

استخدمت الدراسة نهجًا متعدد المقاييس يدمج المحاكاة العددية، وعلوم المواد، والتصميم الهيكلي، والتحقق الميداني:

1. النمذجة العددية: تم تطوير نموذج محاكاة لترشيح وتدفق الحرارة العابر باستخدام برنامج COMSOL Multiphysics. قام النموذج بمحاكاة مبادل حراري متحد المحور عميق، وغلاف أسمنتي، وتكوين محيط (نطاق 200 م × 200 م) بناءً على الظروف الجيولوجية لمنخفض شيآن. وقد دمج النموذج نموذج الاضطراب $k$–$\varepsilon$ لتدفق بئر الحفر وقانون دارسي لتسرب المياه الجوفية.
2. التحقق من النموذج: تم التحقق من صحة النموذج العددي مقابل بيانات ميدانية من بئر جيوتيرمال بعمق 4050 مترًا، حيث أظهر خطأ حسابيًا إجماليًا بنسبة 6.6%.
3. التحليل البارامتري: قيم النموذج تأثير معدل تدفق المدخلات، ودرجة حرارة المدخلات، والموصلية الحرارية للأنبوب الداخلي، وقطر الأنبوب الداخلي، وطول القسم المعزول على أداء استخراج الحرارة.
4. تصميم المواد والهيكل:
   • اختيار المواد: تم تقييم البوليمرات الهندسية (PPS، PEEK، PEI) وسبائك الألومنيوم. تم اختيار سبيكة الألومنيوم 7075-T6511 للقسم السفلي نظرًا لنسبة القوة إلى الوزن العالية ومقاومتها لدرجات الحرارة.
   • هيكل العزل: تم تطوير تصميم عزل مركب يجمع بين تجويف حلقي مفرغ من الهواء ولباد الهلام السيليكي (silica aerogel felt).
   • تعزيز انتقال الحرارة: تم تصميم هيكل زعانف حلزوني على السطح الخارجي للأنبوب الداخلي لتعزيز انتقال الحرونة بالحمل، وتم تحسينه باستخدام معيار تقييم الأداء (PEC) الذي يوازن بين مكاسب رقم نوسلت (Nusselt number) وزيادة معامل الاحتكاك.
     ‌5. تخفيف التآكل: تم تصميم وصلة قصيرة (pup joint) عازلة حراريًا وكهربائيًا (باستستخدام بطانات PEEK) لمنع التآكل الجلفاني عند الواجهة بين الفولاذ والألومنيوم.
5. الاختبار الميداني: تم نشر سلسلة أنابيب داخلية هجينة مجزأة في بئر بعمق 4050 مترًا. تألف التكوين من قسم من فولاذ P110 (0–3685 م) وقسم من سبيكة الألومنيو 7075 (3685–4001 م). تمت مراقبة الأداء باستخدام الاستشعار الحراري الموزع (DTS) على مدار اختبار لمدة 6 أيام وموسم تسخين لمدة ثلاثة أشهر.

المساهمات الرئيسية

• التصميم الهجين المجزأ: تقترح الدراسة "سلسلة أنابيب داخلية هجينة معزولة" مبتكرة تقوم بتجزئة عمق البئر، حيث تستخدم الفولاذ للقسم العلوي لتحمل أعلى الأحمال الهيكلية، وسبيكة الألومنيوم خفيفة الوزن للقسم السفلي لتحقيق تقليل الوزن. يوفق هذا النهج بين احتياجات العزل الحراري وتقليل الوزن الهيكلي.
• العزل والتعزيز الأمثل: أدى تطوير هيكل عزل مركب (فراغ وهلام سيليكي) (حقق موصلية حرارية منخفضة تصل إلى 0.008 واط/(متر·كلفن)) وتحسين هندسة الزعانف الحلزونية (ارتفاع 20 مم، سمك 4 مم، تباعد 216.89 مم) إلى تعظيم الأداء الحراري الهيدروليكي.
• التحقق الشامل: يجسّر البحث الفجوة بين خصائص المواد وأداء النظام من خلال الاختبارات المختبرية، والمحاكاة العددية، والتحقق الميداني كامل النطاق في بئر جيوتيرمال عميق.

النتائج

• النتائج العددية:
  • تعمل الموصلية الحرارية المنخفضة للأنبوب الداخلي وأقسام العزل الأطول على تحسين استخراج الحرارة بشكل كبير من خلال كبح القصر الحراري.
  • يؤدي زيادة طول القسم المعزول إلى عوائد متناقصة، مما يشير إلى أن العزل في الجزء العلوي من البئر هو الأكثر أهمية.
  • تزيد معدلات التدفق الأعلى عند المدخل من إجمالي قدرة استخراج الحرارة ولكنها تقلل من درجة حرارة المخرج؛ بينما تحسن درجات حرارة المدخل المنخفضة من القوة الدافعة الديناميكية الحرارية.
• أداء المواد:
  • تبلغ كتلة وحدة الطول للأنبوب المعزول المصنوع من سبيكة الألومنيوم 10.96 كجم/م، وهو ما يمثل 36.9% فقط من وزن أنبوب فولاذي مماثل (29.78 كجم/م).
  • حافظت سبيكة الألومنيوم على قوة خضوع بلغت 381 ميجا باسكال عند 150 درجة مئوية.
  • أكدت الحسابات الهيكلية أن التصميم يلبي متطلبات الانهيار (58.1 ميجا باسكال) والضغط الداخلي (46.3 ميجا باسكال) لعمق 4000 متر.
• الأداء الميداني:
  • قللت السلسلة الهجينة الوزن الإجمالي لسلسلة الأنابيب بنسبة 5.7% مقارنة بالتكوين المكون بالكامل من الفولاذ.
  • أظهرت بيانات DTS انخفاضًا في متوسط درجة الحرارة المرجحة قدره 7.61 درجة مئوية فقط عبر كامل سلسلة الأنابيب الداخلية بطول 4001 م.
  • حقق النظام معامل أداء (COP) للتدفئة قدره 6.80.
  • بلغ متوسط معدل استخراج الحرارة 352 واط/م، مع توفير سنوي تقديري قدره 770.73 طن من مكافئ الفحم القياسي، وخفض 2019.31 طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
  • كانت تكاليف التشغيل أقل بكثير من بدائل غلايات الغاز والتدفئة المناطقية.

الأهمية

تزعم الورقة أن سلسلة الأنابيب الداخلية الهجينة المعزولة المقترحة توفر حلاً على مستوى النظام لاستخراج الحرارة متحد المحور في الجيوتيرمال العميق. ومن خلال دمج التصميم خفيف الوزن، والعزل الحراري، والموثوقية الميكانيكية عند درجات الحرارة العالية، وتعزيز أداء انتقال الحرارة، تثبت الدراسة أنه من الممكن التغلب على قيود سلاسل الأنابيب ذات المادة الواحدة. ويؤكد الاختبار الميداني الناجح أن هذا النهج المجزأ يقلل بفعالية الوزن الهيكلي مع الحفاظ على العزل الحراري والسلامة الميكانيكية، مما يوفر مسارًا عمليًا للاستخدام واسع النطاق لموارد الجيوتيرمال العميقة لأغراض التدفئة المناطقية.