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

Résumé Technique : Conception et Performance de Transfert Thermique d'une Colonne de Tubes Intérieurs Hybrides Isolés pour les Échangeurs de Chaleur Coaxiaux Géothermiques Profonds

Problématique

Les échangeurs de chaleur coaxiaux géothermiques profonds sont confrontés à un arbitrage technique critique concernant la conception de la colonne de tubes intérieurs. Les tubes isolés conventionnels entièrement en acier offrent la résistance mécanique et la résistance aux hautes températures nécessaires pour les puits profonds, mais imposent un poids excessif, sollicitant trop la tête de puits et les opérations de déploiement. À l'inverse, les tubes polymères sont légers et présentent une faible conductivité thermique, mais manquent de la résistance thermique à long terme requise pour les environnements de puits profonds (dépassant souvent 120 °C). Les solutions existantes peinent à satisfaire simultanément les exigences concurrentes d'isolation thermique, de fiabilité mécanique à haute température et de conception légère. De plus, le transfert de chaleur radial entre le fluide chaud montant et le fluide froid descendant à l'intérieur du forage provoque un « court-circuit thermique », réduisant considérablement la capacité effective d'extraction de chaleur du système.

Méthodologie

L'étude a employé une approche multi-échelle intégrant la simulation numérique, la science des matériaux, la conception structurelle et la validation sur le terrain :

1. Modélisation Numérique : Un modèle de transfert de chaleur et de percolation couplé transitoire a été développé via COMSOL Multiphysics. Le modèle a simulé un échangeur de chaleur coaxial profond, la gaine de ciment et la formation environnante (domaine de 200 m × 200 m) basés sur les conditions géologiques de la dépression de Xi'an. Il intègre le modèle de turbulence $k$–$\varepsilon$ pour l'écoulement dans le puits et la loi de Darcy pour la percolation des eaux souterraines.
2. Validation du Modèle : Le modèle numérique a été validé par rapport aux données de terrain d'un puits géothermique de 4050 m de profondeur, présentant une erreur de calcul globale de 6,6 %.
3. Analyse Paramétrique : Le modèle a évalué les effets du débit d'entrée, de la température d'entrée, de la conductivité thermique du tube intérieur, du diamètre du tube intérieur et de la longueur de la section isolée sur la performance d'extraction de chaleur.
4. Conception Matérielle et Structurelle :
   • Sélection des Matériaux : Les polymères techniques (PPS, PEEK, PEI) et les alliages d'aluminium ont été évalués. L'alliage d'aluminium 7075-T6511 a été sélectionné pour la section inférieure en raison de son rapport résistance/poids élevé et de sa résistance thermique.
   • Structure d'Isolation : Une conception d'isolation composite combinant une cavité annulaire sous vide et un feutre d'aérogel de silice a été développée.
   • Amélioration du Transfert de Chaleur : Une structure à ailettes hélicoïdales a été conçue sur la surface extérieure du tube intérieur pour améliorer le transfert de chaleur par convection, optimisée à l'aide d'un critère d'évaluation de la performance (PEC) équilibrant les gains du nombre de Nusselt et l'augmentation du facteur de friction.
   • Atténuation de la Corrosion : Un joint de raccordement (pup joint) thermiquement isolant et électriquement isolant (utilisant des garnitures en PEEK) a été conçu pour prévenir la corrosion galvanique à l'interface acier-aluminium.
5. Tests sur le Terrain : Une colonne de tubes hybrides segmentée a été déployée dans un puits de 4050 m de profondeur. La configuration se compose d'une section en acier P110 (0–3685 m) et d'une section en alliage d'aluminium 7075 (3685–4001 m). Les performances ont été surveillées par détection de température distribuée (DTS) sur une période de test de 6 jours et une saison de chauffage de trois mois.

Principales Contributions

• Conception Hybride Segmentée : L'étude propose une nouvelle « colonne de tubes intérieurs hybrides isolés » qui segmente la profondeur du puits, utilisant l'acier pour la section supérieure afin de supporter les charges structurelles les plus élevées et un alliage d'aluminium léger pour la section inférieure afin de réduire le poids. Cette approche concilie les besoins d'isolation thermique avec la réduction du poids structurel.
• Isolation et Amélioration Optimisées : Le développement d'une structure d'isolation composite vide-aérogel (atteignant une conductivité thermique aussi basse que 0,008 W/(m·K)) et l'optimisation d'une géométrie d'ailettes hélicoïdales (hauteur de 20 mm, épaisseur de 4 mm, espacement de 216,89 mm) pour maximiser la performance thermo-hydraulique.
• Validation Complète : La recherche comble le fossé entre les propriétés des matériaux et la performance du système grâce à des tests en laboratoire, des simulations numériques et une validation complète sur le terrain dans un puits géothermique profond.

Résultats

• Résultats Numériques :
  • Une conductivité thermique du tube intérieur plus faible et des sections isolées plus longues améliorent considérablement l'extraction de chaleur en supprimant le court-circuit thermique.
  • L'augmentation de la longueur de la section isolée produit des rendements décroissants, suggérant que l'isolation dans la partie supérieure du puits est la plus critique.
  • Des débits d'entrée plus élevés augmentent la puissance totale d'extraction de chaleur mais diminuent la température de sortie ; des températures d'entrée plus basses améliorent la force motrice thermodynamique.
• Performance des Matériaux :
  • Le tube isolé en alliage d'aluminium présente une masse par unité de longueur de 10,96 kg/m, soit seulement 36,9 % d'un tube en acier comparable (29,78 kg/m).
  • L'alliage d'aluminium a maintenu une limite d'élasticité de 381 MPa à 150 °C.
  • Les calculs structurels ont confirmé que la conception répond aux exigences d'écrasement (58,1 MPa) et de pression interne (46,3 MPa) pour une profondeur de 4000 m.
• Performance sur le Terrain :
  • La colonne hybride a réduit le poids total de la colonne de tubes de 5,7 % par rapport à une configuration entièrement en acier.
  • Les données DTS ont montré une chute de température moyenne pondérée de seulement 7,61 °C sur l'ensemble de la colonne de tubes intérieurs de 4001 m.
  • Le système a atteint un coefficient de performance (COP) de chauffage de 6,80.
  • Le taux moyen d'extraction de chaleur était de 352 W/m, avec une économie annuelle estimée à 770,73 tonnes d'équivalent charbon standard et une réduction de 2019,31 tonnes d'émissions de CO₂.
  • Les coûts d'exploitation étaient nettement inférieurs à ceux des chaudières à gaz et des réseaux de chauffage urbains.

Signification

L'article affirme que la colonne de tubes intérieurs hybrides isolés proposée constitue une solution systémique viable pour l'extraction de chaleur géothermique profonde coaxiale. En intégrant une conception légère, une isolation thermique, une fiabilité mécanique à haute température et une performance de transfert de chaleur améliorée, l'étude démontante qu'il est possible de surmonter les limites des colonnes de tubes à matériau unique. Le succès du test sur le terrain valide que cette approche segmentée réduit efficacement le poids structurel tout en maintenant l'isolation thermique et l'intégrité mécanique, offrant une voie pratique pour l'utilisation à grande échelle des ressources géothermiques profondes pour le chauffage urbain.