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

기술 요약: 심부 지열 동축 열교환기를 위한 하이브리드 단열 내관 스트링의 설계 및 열전달 성능

문제 정의

심부 지열 동축 열교환기는 내관(inner-pipe) 스트링 설계와 관련하여 중요한 공학적 절충안에 직면해 있다. 기존의 전강철(all-steel) 단열 파이프는 심부 유정(deep well)에 필요한 기계적 강도와 고온 저항성을 제공하지만, 과도한 무게를 발생시켜 유정 헤드 하중과 배치 운영에 부담을 준다. 반대로, 폴리머 파이프는 가볍고 열전도율이 낮지만, 심부 유정 환경(흔히 120 °C 초과)에서 요구되는 장기적인 온도 저항성이 부족하다. 기존의 솔루션들은 열 단열, 고온 기계적 신뢰성, 그리고 경량 설계라는 상충하는 요구사항을 동시에 만족시키는 데 어려움을 겪고 있다. 또한, 유정 내부에서 상승하는 온수와 하강하는 냉수 사이의 반경 방향 열전달은 "열적 단락(thermal short-circuiting)"을 유발하여 시스템의 유효 열 추출 능력을 크게 저하시킨다.

연구 방법론

본 연구는 수치 시뮬레이션, 재료 과학, 구조 설계 및 현장 검증을 통합한 다중 스케일 접근 방식을 채택하였다:

1. 수치 모델링: COMSOL Multiphysics를 사용하여 과도 상태의 결합 침투-열전달 모델을 개발하였다. 이 모델은 시안 분지(Xi'an Depression)의 지질 조건을 기반으로 심부 동축 열교환기, 시멘트 셰스(cement sheath), 그리고 주변 지층(200 m × 200 m 영역)을 시뮬레이션하였다. 모델에는 유정 내 흐름을 위한 $k$–$\varepsilon$ 난류 모델과 지하수 침투를 위한 Darcy의 법칙이 포함되었다.
2. 모델 검증: 수치 모델을 4050m 깊이의 지열정 현장 데이터와 비교 검증하였으며, 전체 계산 오차는 6.6%로 나타났다.
3. 매개변수 분석: 유입 유량, 유입 온도, 내관 열전도율, 내관 직경, 단열 구간 길이가 열 추출 성능에 미치는 영향을 평가하였다.
4. 재료 및 구조 설계:
   • 재료 선정: 엔지니어링 폴리머(PPS, PEEK, PEI)와 알루미늄 합금을 평가하였다. 하부 구간에는 높은 비강도와 온도 저항성을 갖춘 7075-T6511 알루미늄 합금을 선택하였다.
   • 단열 구조: 진공 환상 공동(vacuum annular cavity)과 실리카 에어로젤 펠트를 결합한 복합 단열 설계를 개발하였다.
   • 열전달 향상: 내관 외면에 나선형 핀(spiral-fin) 구조를 설계하여 대류 열전달을 강화하였으며, Nusselt 수 증가와 마찰 계수 증가 사이의 균형을 맞추는 성능 평가 기준(PEC)을 통해 최적화하였다.
   • 부식 방지: 강철과 알루미늄 계면에서의 갈바닉 부식을 방지하기 위해 열 단열 및 전기 절연 기능이 있는 펍 조인트(PEEK 라이너 사용)를 설계하였다.
5. 현장 테스트: 분절형 하이브리드 내관 스트링을 4050m 깊이의 유정에 배치하였다. 구성은 P110 강철 구간(0–3685 m)과 7075 알루미늄 합금 구간(3685–4001 m)으로 이루어졌다. 성능은 6일간의 테스트와 3개월간의 난방 시즌 동안 분포형 온도 센싱(DTS)을 통해 모니터링되었다.

주요 기여

• 분절형 하이브리드 설계: 본 연구는 유정 깊이에 따라 구간을 나누어, 상부 구간은 가장 높은 구조적 하중을 견디는 강철을 사용하고 하부 구간은 경량화를 위해 가벼운 알루미늄 합금을 사용하는 새로운 "하이브리드 단열 내관 스트링"을 제안한다. 이 방식은 단열 요구사항과 구조적 경량화 사이의 관계를 조화시킨다.
• 최적화된 단열 및 향상: 열전도율을 0.008 W/(m·K)까지 낮출 수 있는 진공-에어로젤 복합 단열 구조를 개발하였으며, 열-수력 성능을 극대화하기 위해 나선형 핀 형상(높이 20 mm, 두께 4 mm, 간격 216.89 mm)을 최적화하였다.
• 포괄적 검증: 본 연구는 실험실 테스트, 수치 시뮬레이션, 그리고 실제 심부 지열정에서의 풀스케일 현장 검증을 통해 재료 특성과 시스템 레벨 성능 사이의 간극을 메웠다.

결과

• 수치 해석 결과:
  • 내관의 열전도율이 낮을수록, 그리고 단열 구간이 길수록 열적 단락을 억제하여 열 추출 성능이 크게 향상된다.
  • 단열 구간의 길이를 늘릴수록 한계 효용이 감소하며, 이는 상부 유정 구간의 단열이 가장 중요하다는 것을 시사한다.
  • 유입 유량이 높아지면 총 열 추출 동력은 증가하지만 유출 온도는 감소하며, 유입 온도가 낮을수록 열역학적 구동력이 개선된다.
• 재료 성능:
  • 알루미늄 합금 단열 파이프의 단위 길이당 질량은 10.96 kg/m로, 이는 유사한 강철 파이프(29.78 kg/m)의 36.9% 수준에 불과하다.
  • 알루미늄 합금은 150 °C에서 381 MPa의 항복 강도를 유지하였다.
  • 구조 계산 결과, 설계가 4000 m 깊이에 대한 붕괴 압력(58.1 MPa) 및 내부 압력(46.3 MPa) 요구사항을 충족함을 확인하였다.
• 현장 성능:
  • 하이브리드 스트링은 전강철 구성 대비 전체 파이프 스트링 무게를 5.7% 감소시켰다.
  • DTS 데이터에 따르면 4001 m 전체 내관 스트링에 걸쳐 가중 평균 온도 강하는 7.61 °C에 불과했다.
  • 시스템은 6.80의 난방 성적 계수(COP)를 달릭하였다.
  • 평균 열 추출율은 352 W/m였으며, 연간 표준 석탄 환산량 770.73톤 절감 및 CO₂ 배출량 2019.31톤 감소 효과가 추정된다.
  • 운영 비용은 가스 보일러 및 지역 난방 대안보다 현저히 낮았다.

의의

본 논문은 제안된 하이브리드 단열 내관 스트링이 심부 지열 동축 열 추출을 위한 실행 가능한 시스템 레벨 솔루션을 제공한다고 주장한다. 경량 설계, 열 단열, 고온 기계적 신뢰성 및 강화된 열전달 성능을 통합함으로써, 본 연구는 단일 재료 파이프 스트링의 한계를 극복할 수 있음을 입증하였다. 성공적인 현장 테스트는 이러한 분절형 접근 방식이 열 단열과 기계적 무결성을 유지하면서 구조적 무게를 효과적으로 줄일 수 있음을 검증하였으며, 이는 지역 난방을 위한 심부 지열 자원의 대규모 활용을 위한 실질적인 경로를 제시한다.