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

तकनीकी सारांश: गहरे भूतापीय सहैक्षिक (कोएक्सियल) हीट एक्सचेंजर के लिए एक हाइब्रिड इंसुलेटेड इनर-पाइप स्ट्रिंग का डिज़ाइन और ऊष्मा-स्थानांतरण प्रदर्शन

समस्या विवरण

गहरे भूतापीय सहैक्षिक (coaxial) हीट एक्सचेंजरों को इनर-पाइप स्ट्रिंग के डिज़ाइन के संबंध में एक महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग ट्रेड-ऑफ का सामना करना पड़ता है। पारंपरिक सभी-स्टील इंसुलेटेड पाइप आवश्यक यांत्रिक शक्ति और उच्च-तापमान प्रतिरोध प्रदान करते हैं, लेकिन वे अत्यधिक वजन भी पैदा करते हैं, जिससे वेलहेड लोड और तैनाती संचालन पर दबाव पड़ता है। इसके विपरीत, पॉलीमर पाइप कम वजन और कम तापीय चालकता प्रदान करते हैं, लेकिन उनमें गहरे कुओं के वातावरण (जो अक्सर 120 °C से अधिक होता है) के लिए आवश्यक दीर्घकालिक तापमान प्रतिरोध की कमी होती है। मौजूदा समाधान थर्मल इन्सुलेशन, उच्च-तापमान यांत्रिक विश्वसनीयता और हल्के वजन के प्रतिस्पर्धी आवश्यकताओं को एक साथ पूरा करने में संघर्ष करते हैं। इसके अलावा, वेलबोर के भीतर ऊपर की ओर बहने वाले गर्म तरल और नीचे की ओर बहने वाले ठंडे तरल के बीच रेडियल ऊष्मा स्थानांतरण के कारण "थर्मल शॉर्ट-सर्किटिंग" होती है, जो सिस्टम की प्रभावी ऊष्मा निष्कर्षण क्षमता को काफी कम कर देती है।

कार्यप्रणाली

इस अध्ययन में संख्यात्मक सिमुलेशन, सामग्री विज्ञान, संरचनात्मक डिजाइन और क्षेत्र सत्यापन को एकीकृत करते हुए एक बहु-स्तरीय दृष्टिकोण अपनाया गया:

1. संख्यात्मक मॉडलिंग: COMSOL Multiphysics का उपयोग करके एक क्षणिक युग्मित रिसाव-ऊष्मा-स्थानांतरण मॉडल विकसित किया गया। मॉडल ने ज़ी'आन डिप्रेशन (Xi'an Depression) की भूगर्भीय स्थितियों के आधार पर एक गहरे सहैक्षिक हीट एक्सचेंजर, सीमेंट शीथ और आसपास के फॉर्मेशन (200 मीटर × 200 मीटर डोमेन) का अनुकरण किया। इसमें वेलबोर प्रवाह के लिए $k$–$\varepsilon$ टर्बुलेंस मॉडल और भूजल रिसाव के लिए डार्सी के नियम को शामिल किया गया।
2. मॉडल सत्यापन: संख्यात्मक मॉडल को 4050 मीटर गहरे भूतापीय कुएं के फील्ड डेटा के विरुद्ध सत्यापित किया गया, जिसमें कुल गणना त्रुटि 6.6% रही।
3. पैरामीट्रिक विश्लेषण: मॉडल ने ऊष्मा निष्कर्षण प्रदर्शन पर इनलेट प्रवाह दर, इनलेट तापमान, इनर-पाइप तापीय चालकता, इनर-पाइप व्यास और इंसुलेटेड-सेक्शन की लंबाई के प्रभावों का मूल्यांकन किया।
4. सामग्री और संरचनात्मक डिज़ाइन:
   • सामग्री चयन: इंजीनियरिंग पॉलिमर (PPS, PEEK, PEI) और एल्युमीनियम मिश्र धातुओं का मूल्यांकन किया गया। निचले हिस्से के लिए 7075-T6511 एल्युमीनियम मिश्र धातु को उसके उच्च शक्ति-से-वजन अनुपात और तापमान प्रतिरोध के कारण चुना गया।
   • इन्सुलेशन संरचना: वैक्यूम एनुलर कैविटी के साथ सिलिका एयरो जेल फेल्ट को संयोजित करने वाला एक कंपोजिट इंसुलेशन डिज़ाइन विकसित किया गया।
   • ऊष्मा स्थानांतरण संवर्धन: इनर पाइप की बाहरी सतह पर कन्वेक्टिव ऊष्मा स्थानांतरण को बढ़ाने के लिए एक स्पाइरल-फिन संरचना को डिज़ाइन किया गया, जिसे घर्षण कारक (friction factor) में वृद्धि के मुकाबले नसेल नंबर (Nusselt number) लाभ को संतुलित करने वाले प्रदर्शन मूल्यांकन मानदंड (PEC) का उपयोग करके अनुकूलित किया गया।
   • क्षरण शमन: स्टील-एल्युमीनियम इंटरफेस पर गैल्वेनिक क्षरण को रोकने के लिए एक तापीय रूप से इंसुलेटेड और विद्युत रूप से अलग करने वाले पप जॉइंट (PEEK लाइनर्स का उपयोग करके) को डिज़ाइन किया गया।
5. क्षेत्र परीक्षण: एक खंडित हाइब्रिड इनर-पाइप स्ट्रिंग को 4050 मीटर गहरे कुएं में तैनात किया गया। इस विन्यास में एक P110 स्टील सेक्शन (0–3685 मीटर) और एक 7075 एल्युमीनियम-अलॉय सेक्शन (3685–4001 मीटर) शामिल था। प्रदर्शन की निगरानी 6-दिवसीय परीक्षण और तीन महीने के हीटिंग सीजन के दौरान डिस्ट्रिब्यूटेड टेम्परेचर सेंसिंग (DTS) का उपयोग करके की गई।

मुख्य योगदान

• खंडित हाइब्रिड डिज़ाइन: यह अध्ययन एक नवीन "हाइब्रिड इंसुलेटेड इनर-पाइप स्ट्रिंग" का प्रस्ताव करता है जो वेल की गहराई को खंडित करता है, जिसमें उच्चतम संरचनात्मक भार को संभालने के लिए ऊपरी भाग के लिए स्टील और वजन कम करने के लिए निचले भाग के लिए हल्के एल्युमीनियम मिश्र धातु का उपयोग किया जाता है। यह दृष्टिकोण थर्मल इन्सुलेशन आवश्यकताओं और संरचनात्मक वजन में कमी के बीच सामंजस्य बिठाता है।
• अनुकूलित इन्सुलेशन और संवर्धन: एक वैक्यूम-एयरो जेल कंपोजिट इंसुलेशन संरचना का विकास (जिसकी तापीय चालकता 0.008 W/(m·K) जितनी कम है) और थर्मल-हाइड्रोलिक प्रदर्शन को अधिकतम करने के लिए स्पाइरल-फिन ज्यामिति (20 मिमी ऊंचाई, 4 मिमी मोटाई, 216.89 मिमी स्पेसिंग) का अनुकूलन किया गया।
• व्यापक सत्यापन: यह शोध प्रयोगशाला परीक्षण, संख्यात्मक सिमुलेशन और पूर्ण-स्तरीय क्षेत्र सत्यापन के माध्यम से सामग्री गुणों और सिस्टम-स्तरीय प्रदर्शन के बीच के अंतर को पाटता है।

परिणाम

• संख्यात्मक निष्कर्ष:
  • कम इनर-पाइप तापीय चालकता और लंबे इंसुलेटेड सेक्शन थर्मल शॉर्ट-सर्किटिंग को रोककर ऊष्मा निष्कर्षण में काफी सुधार करते हैं।
  • इंसुलेटेड-सेक्शन की लंबाई बढ़ाने से मिलने वाला लाभ घटता जाता है, जिससे पता चलता है कि ऊपरी वेल भाग में इन्सुलेशन सबसे महत्वपूर्ण है।
  • उच्च इनलेट प्रवाह दरें कुल ऊष्मा निष्कर्षण शक्ति को बढ़ाती हैं लेकिन आउटलेट तापमान को कम करती हैं; कम इनलेट तापमान थर्मोडायनामिक ड्राइविंग फोर्स में सुधार करते हैं।
• सामग्री प्रदर्शन:
  • एल्युमीनियम-अलॉय इंसुलेटेड पाइप का प्रति इकाई लंबाई द्रव्यमान 10.96 किलोग्राम/मीटर है, जो एक तुलनीय स्टील पाइप (29.78 किलोग्राम/मीटर) का केवल 36.9% है।
  • एल्युमीनियम मिश्र धातु ने 150 °C पर 381 MPa की यील्ड स्ट्रेंथ बनाए रखी।
  • संरचनात्मक गणनाओं ने पुष्टि की कि डिज़ाइन 4000 मीटर गहराई के लिए कोलैप्स (58.1 MPa) और आंतरिक दबाव (46.3 MPa) की आवश्यकताओं को पूरा करता है।
• क्षेत्र प्रदर्शन:
  • हाइब्रिड स्ट्रिंग ने सभी-स्टील विन्यास की तुलना में कुल पाइप स्ट्रिंग के वजन को 5.7% कम कर दिया।
  • DTS डेटा ने पूरे 4001 मीटर इनर पाइप स्ट्रिंग में केवल 7.61 °C की भारित औसत तापमान गिरावट दिखाई।
  • सिस्टम ने 6.80 का हीटिंग कोएफिशिएंट ऑफ परफॉर्मेंस (COP) प्राप्त किया।
  • औसत ऊष्मा निष्कर्षण दर 352 W/m थी, जिससे अनुमानित वार्षिक बचत 770.73 टन मानक कोयला समकक्ष हुई और 2019.31 टन CO₂ उत्सर्जन में कमी आई।
  • परिचालन लागत गैस-बॉयलर और नगर पालिका जिला हीटिंग विकल्पों की तुलना में काफी कम थी।

महत्व

यह शोध दावा करता है कि प्रस्तावित हाइब्रिड इंसुलेटेड इनर-पाइप स्ट्रिंग गहरे भूतापीय सहैक्षिक ऊष्मा निष्कर्षण के लिए एक व्यवहार्य सिस्टम-लेवल समाधान प्रदान करती है। हल्के वजन वाले डिज़ाइन, थर्मल इन्सुलेशन, उच्च-तापमान यांत्रिक विश्वसनीयता और संवर्धित ऊष्मा-स्थानांतरण प्रदर्शन को एकीकृत करके, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सिंगल-मटेरियल पाइप स्ट्रिंग्स की सीमाओं को पार करना संभव है। सफल क्षेत्र परीक्षण इस बात की पुष्टि करता है कि यह खंडित दृष्टिकोण थर्मल इन्सुलेशन और यांत्रिक अखंडता बनाए रखते हुए संरचनात्मक वजन को प्रभावी ढंग से कम करता है, जो जिला हीटिंग के लिए गहरे भूतापीय संसाधनों के बड़े पैमाने पर उपयोग के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।