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

Riepilogo Tecnico: Progettazione e Prestazioni di Trasferimento del Calore di una Colonna di Tubi Interni Ibrida Isolata per Scambiatori di Calore Coassiali Geotermici Profondi

Definizione del Problema

Gli scambiatori di calore coassiali geotermici profondi affrontano un critico compromesso ingegneristico relativo alla progettazione della colonna di tubi interni. Le colonne isolate interamente in acciaio convenzionali offrono la necessaria resistenza meccanica e resistenza alle alte temperature per i pozzi profondi, ma impongono un peso eccessivo, gravando sui carichi della testa del pozzo e sulle operazioni di dispiegamento. Al contrario, i tubi in polimero offrono un peso ridotto e una bassa conducibilità termica, ma mancano della resistenza alla temperatura a lungo termine richiesta per gli ambienti di pozzi profondi (spesso superiori a 120 °C). Le soluzioni esistenti faticano a soddisfare simultaneamente i requisiti contrastanti di isolamento termico, affidabilità meccanica ad alta temperatura e progettazione leggera. Inoltre, il trasferimento di calore radiale tra il fluido caldo in risalita e il fluido freddo in discesa all'interno del pozzo causa un "cortocircuito termico", riducendo significativamente la capacità effettiva di estrazione del calore del sistema.

Metodologia

Lo studio ha impiegato un approccio multi-scala integrando simulazione numerica, scienza dei materiali, progettazione strutturale e validazione sul campo:

1. Modellazione Numerica: Un modello di trasporto accoppiato transitorio tra infiltrazione e calore è stato sviluppato utilizzando COMSOL Multiphysics. Il modello ha simulato uno scambiatore di calore coassiale profondo, la guaina di cemento e la formazione circostante (dominio 200 m × 200 m) basandosi sulle condizioni geologiche della Depressione di Xi'an. Ha incorporato il modello di turbolenza $k$–$\varepsilon$ per il flusso nel pozzo e la legge di Darcy per l'infiltrazione delle acque sotterranee.
2. Validazione del Modello: Il modello numerico è stato validato rispetto ai dati di campo di un pozzo geotermico profondo 4050 m, mostrando un errore di calcolo complessivo del 6,6%.
3. Analisi Parametrica: Il modello ha valutato gli effetti della portata in ingresso, della temperatura in ingresso, della conducibilità termica del tubo interno, del diametro del tubo interno e della lunghezza della sezione isolata sulle prestazioni di estrazione del calore.
4. Progettazione dei Materiali e Strutturale:
   • Selezione dei Materiali: Sono stati valutati polimeri tecnici (PPS, PEEK, PEI) e leghe di alluminio. La lega di alluminio 7075-T6511 è stata selezionata per la sezione inferiore grazie al suo elevato rapporto resistenza-peso e alla resistenza alle alte temperature.
   • Struttura di Isolamento: È stato sviluppato un design di isolamento composito che combina una cavità anulare a vuoto con feltro di aerogel di silice.
   • Potenziamento del Trasferimento di Calore: Una struttura a alette elicoidali è stata progettata sulla superficie esterna del tubo interno per migliorare il trasferimento di calore convettivo, ottimizzata tramite un Criterio di Valutazione delle Prestazioni (PEC) che bilancia i guadagni del numero di Nusselt rispetto all'incremento del fattore di attrito.
   • Mitigazione della Corrosione: È stato progettato un giunto di prolunga (pup joint) termicamente isolante ed elettricamente isolante (utilizzando rivestimenti in PEEK) per prevenire la corrosione galvanica all'interfaccia acciaio-alluminio.
5. Test sul Campo: Una colonna di tubi interni ibrida segmentata è stata dispiegata in un pozzo profondo 4050 m. La configurazione consisteva in una sezione in acciaio P110 (0–3685 m) e una sezione in lega di alluminio 7075 (3685–4001 m). Le prestazioni sono state monitorate utilizzando la Sensoristica di Temperatura Distribuita (DTS) durante un test di 6 giorni e una stagione di riscaldamento di tre mesi.

Contributi Chiave

• Design Ibrido Segmentato: Lo studio propone una nuova "colonna di tubi interni ibrida isolata" che segmenta la profondità del pozzo, utilizzando l'acciaio per la sezione superiore per gestire i carichi strutturali più elevati e una leggera lega di alluminio per la sezione inferiore per ridurre il peso. Questo approccio concilia le necessità di isolamento termico con la riduzione del peso strutturale.
• Isolamento Ottimizzato e Potenziamento: Lo sviluppo di una struttura di isolamento composita vuoto-aerogel (che raggiunge una conducibilità termica di appena 0,008 W/(m·K)) e l'ottimizzazione di una geometria a alette elicoidali (altezza 20 mm, spessore 4 mm, spaziatura 216,89 mm) per massimizzare le prestazioni termo-idrauliche.
• Validazione Completa: La ricerca colma il divario tra proprietà dei materiali e prestazioni del sistema attraverso test di laboratorio, simulazione numerica e validazione sul campo su scala reale in un pozzo geotermico profondo.

Risultati

• Risultati Numerici:
  • Una minore conducibilità termica del tubo interno e sezioni isolate più lunghe migliorano significativamente l'estrazione del calore sopprimendo il cortocircuito termico.
  • L'aumento della lunghezza della sezione isolata produce rendimenti decrescenti, suggerendo che l'isolamento nella parte superiore del pozzo è il più critico.
  • Portate in ingresso più elevate aumentano la potenza totale di estrazione del calore ma diminuiscono la temperatura in uscita; temperature in ingresso più basse migliorano la forza motrice termodinamica.
• Prestazioni dei Materiali:
  • Il tubo isolato in lega di alluminio ha una massa per unità di lunghezza di 10,96 kg/m, che è solo il 36,9% di un tubo in acciaio comparabile (29,78 kg/m).
  • La lega di alluminio ha mantenuto uno snervamento di 381 MPa a 150 °C.
  • I calcoli strutturali hanno confermato che il design soddisfa i requisiti di collasso (58,1 MPa) e pressione interna (46,3 MPa) per una profondità di 4000 m.
• Prestazioni sul Campo:
  • La colonna ibrida ha ridotto il peso totale della colonna di tubi del 5,7% rispetto a una configurazione interamente in acciaio.
  • I dati DTS hanno mostrato una caduta di temperatura media ponderata di soli 7,61 °C attraverso l'intera colonna di tubi interni di 4001 m.
  • Il sistema ha raggiunto un Coefficiente di Prestazione (COP) di riscaldamento di 6,80.
  • Il tasso medio di estrazione del calore è stato di 352 W/m, con un risparmio annuo stimato di 770,73 tonnellate di equivalente carbone standard e una riduzione di 2019,31 tonnellate di emissioni di CO₂.
  • I costi operativi sono stati significativamente inferiori rispetto alle alternative con caldaie a gas e teleriscaldamento municipale.

Significato

L'articolo afferma che la proposta colonna di tubi interni ibrida isolata fornisce una soluzione a livello di sistema per l'estrazione del calore coassiale geotermico profondo. Integrando il design leggero, l'isolamento termico, l'affidabilità meccanica alle alte temperature e le prestazioni potenziate del trasferimento di calore, lo studio dimostra che è possibile superare i limiti delle colonne di tubi a materiale singolo. Il successo del test sul campo valida il fatto che questo approccio segmentato riduce efficacemente il peso strutturale mantenendo l'isolamento termico e l'integrità meccanica, offrendo una via pratica per l'utilizzo su larga scala delle risorse geotermiche profonde per il riscaldamento urbano.