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

Technisches Resümee: Design und wärmeübertragende Leistung eines hybriden isolierten Innenrohrstrangs für tiefe geothermische koaxiale Wärmetauscher

Problemstellung

Tiefe geothermische koaxiale Wärmetauscher stehen vor einem kritischen technischen Kompromiss hinsichtlich des Designs des inneren Rohrstrangs. Herkömmliche, vollständig aus Stahl gefertigte isolierte Rohre bieten die notwendige mechanische Festigkeit und Hochtemperaturresistenz für tiefe Bohrungen, verursachen jedoch ein übermäßiges Gewicht, das die Lasten des Bohrkopfs und die Einsatzvorgänge belastet. Umgekehrt bieten Polymerrohre ein geringes Gewicht und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, verfügen jedoch nicht über die für tiefe Bohrlochumgebungen (oft über 120 °C) erforderliche langfristige Temperaturbeständigkeit. Bestehende Lösungen haben Schwierigkeiten, die konkurrierenden Anforderungen an thermische Isolierung, mechanische Hochtemperaturzuverlässigkeit und leichtgewichtiges Design gleichzeitig zu erfüllen. Darüber hinaus verursacht der radiale Wärmetransfer zwischen dem nach oben strömenden heißen Fluid und dem nach unten strömenden kalten Fluid innerhalb des Bohrlochs einen „thermischen Kurzschluss“, der die effektive Wärmeextraktionskapazität des Systems erheblich reduziert.

Methodik

Die Studie wandte einen multiskaligen Ansatz an, der numerische Simulation, Materialwissenschaft, Strukturdesign und Feldvalidierung integriert:

1. Numerische Modellierung: Ein transientes gekoppeltes Sickerungs–Wärmeübertragungsmodell wurde mittels COMSOL Multiphysics entwickelt. Das Modell simulierte einen tiefen koaxialen geothermischen Wärmetauscher, ein Zementmantel-System und das umgebende Gestein (200 m × 200 m Domäne) basierend auf den geologischen Bedingungen der Xi'an-Depression. Es beinhaltete das $k$–$\varepsilon$-Turbulenzmodell für die Bohrlochströmung und das Darcy-Gesetz für die Grundwasserversickerung.
2. Modellvalidierung: Das numerische Modell wurde gegen Felddaten eines 4050 m tiefen geothermischen Bohrlochs validiert, wobei ein Gesamtrechenfehler von 6,6 % auftrat.
3. Parametrische Analyse: Das Modell bewertete die Auswirkungen von Einlassdurchflussrate, Einlasstemperatur, Wärmeleitfähigkeit des Innenrohrs, Innendurchmesser und der Länge des isolierten Abschnitts auf die Wärmeextraktionsleistung.
4. Material- und Strukturdesign:
   • Materialauswahl: Technische Polymere (PPS, PEEK, PEI) und Aluminiumlegierungen wurden evaluiert. Für den unteren Abschnitt wurde die 7075-T6511 Aluminiumlegierung aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und ihrer Temperaturbeständigkeit ausgewählt.
   • Isolationsstruktur: Ein Verbundisolationsdesign, das eine Vakuum-Ringraumkammer mit Silica-Aerogel-Filz kombiniert, wurde entwickelt.
   • Wärmeübertragungsverbesserung: Auf der Außenfläche des Innenrohrs wurde eine Spiralfin-Struktur entworfen, um den konvektiven Wärmeübergang zu verbessern, optimiert mittels eines Leistungsbewertungskriteriums (Performance Evaluation Criterion, PEC), das den Gewinn der Nusselt-Zahl gegen die Erhöhung des Reibungsfaktors abwägt.
   • Korrosionsminderung: Ein thermisch isolierendes und elektrisch isolierendes Kopplungsstück (unter Verwendung von PEEK-Liner) wurde entworfen, um galvanische Korrosion an der Stahl-Aluminium-Grenzfläche zu verhindern.
5. Feldtests: Ein segmentierter hybrider Innenrohrstrang wurde in einem 4050 m tiefen Bohrloch eingesetzt. Die Konfiguration bestand aus einem P110-Stahlabschnitt (0–3685 m) und einem 7075-Aluminiumlegierungsabschnitt (3685–4001 m). Die Leistung wurde mittels verteilter Temperaturmessung (Distributed Temperature Sensing, DTS) über einen 6-tägigen Test und eine dreimonatige Heizperiode überwacht.

Zentrale Beiträge

• Segmentiertes Hybriddesign: Die Studie schlägt einen neuartigen „hybriden isolierten Rohrstrang“ vor, der die Bohrungstiefe segmentiert, indem Stahl für den oberen Abschnitt zur Aufnahme der höchsten strukturellen Lasten und leichtes Aluminium zur Gewichtsreduktion im unteren Teil verwendet wird. Dieser Ansatz vereint die Isolationsbedürfnisse mit der Reduzierung des strukturellen Gewichts.
• Optimierte Isolation und Verbesserung: Die Entwicklung einer Vakuum-Aerogel-Verbundstruktur (mit einer Wärmeleitfähigkeit von nur 0,008 W/(m·K)) und die Optimierung einer Spiralfin-Geometrie (20 mm Höhe, 4 mm Dicke, 216,89 mm Abstand), um die thermo-hydraulische Leistung zu maximieren.
• Umfassende Validierung: Die Forschung schließt die Lücke zwischen Materialeigenschaften und Systemleistung durch Labortests, numerische Simulationen und eine vollskalige Feldvalidierung in einem tiefen geothermischen Bohrloch.

Ergebnisse

• Numerische Befunde:
  • Eine geringere Wärmeleitfähigkeit des Innenrohrs und längere isolierte Abschnitte verbessern die Wärmeextraktion signifikant durch die Unterdrückung thermischer Kurzschlüsse.
  • Eine Erhöhung der Länge des isolierten Abschnitts führt zu abnehmenden Grenzerträgen, was darauf hindeutet, dass die Isolierung im oberen Teil des Bohrlochs am kritischsten ist.
  • Höhere Einlassdurchflussraten erhöhen die gesamte Wärmeextraktionsleistung, verringern jedoch die Austrittstemperatur; niedrigere Einlasstemperaturen verbessern die thermodynamische Triebkraft.
• Materialleistung:
  • Das isolierte Rohr aus Aluminiumlegierung weist eine Masse pro Längeneinheit von 10,96 kg/m auf, was nur 36,9 % eines vergleichbaren Stahlrohrs (29,78 kg/m) entspricht.
  • Die Aluminiumlegierung behielt eine Streckgrenze von 381 MPa bei 150 °C bei.
  • Strukturelle Berechnungen bestätigten, dass das Design die Anforderungen an Kollapsdruck (58,1 MPa) und Innendruck (46,3 MPa) für eine Tiefe von 4000 m erfüllt.
• Feldleistung:
  • Der hybride Strang reduzierte das Gesamtgewicht des Rohrstrangs um 5,7 % im Vergleich zu einer reinen Stahlkonfiguration.
  • DTS-Daten zeigten einen gewichteten durchschnittlichen Temperaturabfall von nur 7,61 °C über den gesamten 4001 m langen Innenrohrstrang.
  • Das System erreichte eine Heizungs-Leistungszahl (Coefficient of Performance, COP) von 6,80.
  • Die durchschnittliche Wärmeextraktionsrate betrug 352 W/m, mit einer geschätzten jährlichen Einsparung von 770,73 Tonnen Standardkohle-Äquivalent und einer Reduktion der CO₂-Emissionen um 2019,31 Tonnen.
  • Die Betriebskosten lagen signifikant unter denen von Gasheizkesseln und kommunaler Fernwärme.

Bedeutung

Die Arbeit behauptet, dass der vorgeschlagene hybride isolierte Innenrohrstrang eine praktikable Systemlösung für die tiefe geothermische koaxiale Wärmeextraktion darstellt. Durch die Integration von leichtem Design, thermischer Isolierung, mechanischer Hochtemperaturzuverlässigkeit und verbesserter Wärmeübertragungsleistung zeigt die Studie, dass es möglich ist, die Einschränkungen von einstufigen Material-Rohrsträngen zu überwinden. Die erfolgreiche Feldprüfung validiert, dass dieser segmentierte Ansatz die thermische Isolierung und die mechanische Integrität effektiv aufrechterhält und gleichzeitig das strukturelle Gewicht reduziert, was einen praktischen Weg für die großflächige Nutzung tiefer geothermischer Ressourcen für die Fernwärmeversorgung eröffnet.