Technische Samenvatting: Ontwerp en Warmteoverdrachtprestaties van een Hybride Geïsoleerde Binnenbuis voor Diepe Geothermische Coaxiale Warmtewisselaars

Probleemstelling

Diepe geothermische coaxiale warmtewisselaars worden geconfronteerd met een kritieke technische afweging met betrekking tot het ontwerp van de binnenbuis. Conventionele, volledig stalen geïsoleerde buizen bieden de noodzakelijke mechanische sterkte en hoge temperatuurbestendigheid voor diepe boringen, maar veroorzaken een excessief gewicht, wat de belasting van de boorkop en de operaties tijdens de plaatsing belast. Omgekeerd bieden polymeerbuizen een laag gewicht en een lage thermische geleidbaarheid, maar missen zij de vereiste langetermijn Temperatuurbestendigheid voor omgevingen in diepe boringen (vaak boven de 120 °C). Bestaande oplossingen slagen er niet in om gelijktijdig te voldoen aan de concurrerende eisen van thermische isolatie, mechanische betrouwbaarheid bij hoge temperaturen en een lichtgewicht ontwerp. Bovendien veroorzaakt radiale warmteoverdracht tussen de omhoogstromende hete vloeistof en de omlaagstromende koude vloeistof binnen de boorgatwand een "thermisch kortsluitingseffect", wat de effectieve warmte-extractiecapaciteit van het systeem aanzienlijk vermindert.

Methodologie

De studie maakte gebruik van een multi-schaal benadering die numerieke simulatie, materiaalkunde, structureel ontwerp en veldvalidatie integreerde:

1. Numerieke Modellering: Een transient gekoppeld doorlatendheids–warmteoverdrachtsmodel werd ontwikkeld met behulp van COMSOL Multiphysics. Het model simuleerde een diepe coaxiale warmtewisselaar, een cementmantel en de omliggende formatie (200 m × 200 m domein) gebaseerd op de geologische condities van de Xi'an-depressie. Het incorporeerde het $k$–$\varepsilon$ turbulentiemodel voor de stroming in de boorgatwand en de wet van Darcy voor grondwaterdoorlatendheid.
2. Modelvalidatie: Het numerieke model werd gevalideerd aan de hand van veldgegevens van een 4050 m diepe geothermische boring, waarbij een totale rekenfout van 6,6% werd aangetoond.
3. Parametrische Analyse: Het model evalueerde de effecten van de inlaatdebiet, de inlaattemperatuur, de thermische geleidbaarheid van de binnenbuis, de diameter van de binnenbuis en de lengte van het geïsoleerde segment op de warmte-extractieprestaties.
4. Materiaal- en Structureel Ontwerp:
   • Materiaalselectie: Technische polymeren (PPS, PEEK, PEI) en aluminiumlegeringen werden geëvalueerd. 7075-T6511 aluminiumlegering werd geselecteerd voor het onderste segment vanwege de hoge sterkte-gewichtsverhouding en temperatuurbestendigheid.
   • Isolatiestructuur: Een composiet isolatieontwerp, bestaande uit een vacuüm ringvormige holte met silica-aerogelvilt, werd ontwikkeld.
   • Warmteoverdrachtverbetering: Een spiraalvormige vinstructuur werd ontworpen op de buitenkant van de binnenbuis om de convectieve warmteoverdracht te verbeteren, geoptimaliseerd met behulp van een Performance Evaluation Criterion (PEC) die de winst in het Nusselt-getal afweegt tegen de toename van de wrijvingsfactor.
   • Corrosiebestrijding: Een thermisch isolerende en elektrisch isolerende pup joint (met gebruik van PEEK-liners) werd ontworpen om galvanische corrosie bij de staal-aluminium interface te voorkomen.
5. Veldtesten: Een gesegmenteerde hybride binnenbuis werd ingezet in een 4050 m diepe boring. De configuratie bestond uit een P110 staalsectie (0–3685 m) en een 7075 aluminiumlegering sectie (3685–4001 m). Prestaties werden gemonitord met behulp van Distributed Temperature Sensing (DTS) over een testperiode van 6 dagen en een drie maanden durend stookseizoen.

Belangrijkste Bijdragen

• Gesegmenteerd Hybride Ontwerp: De studie stelt een nieuw "hyïde geïsoleerde binnenbuis-streng" voor die de diepte van de boring segmenteert, waarbij staal wordt gebruikt voor het bovenste gedeelte om de hoogste structurele belastingen op te vangen, en een lichtgewicht aluminiumlegering voor het onderste gedeelte om gewichtsreductie te bereiken. Deze aanpak verzoent de behoeften aan thermische isolatie met structurele gewichtsreductie.
• Geoptimaliseerde Isolatie en Verbetering: De ontwikkeling van een vacuüm-aerogel composiet isolatiestructuur (die een thermische geleidbaarheid van slechts 0,008 W/(m·K) bereikt) en de optimalisatie van een spiraalvormige vin-geometrie (20 mm hoogte, 4 mm dikte, 216,89 mm tussenruimte) om de thermo-hydraulische prestaties te maximaliseren.
• Uitgebreide Validatie: Het onderzoek overbrugt de kloof tussen materiaaleigenschappen en systeemprestaties door middel van laboratoriumtesten, numerieke simulatie en volledige veldvalidatie in een diepe geothermische boring.

Resultaten

• Numerieke Bevindingen:
  • Een lagere thermische geleidbaarheid van de binnenbuis en langere geïsoleerde secties verbeteren de warmte-extractie aanzienlijk door thermische kortsluiting te onderdrukken.
  • Het vergroten van de lengte van het geïsoleerde segment levert afnemende meeropbrengsten op, wat suggereert dat isolatie in het bovenste deel van de boring het meest kritiek is.
  • Hogere inlaatdebieten verhogen het totale warmte-extractievermogen maar verlagen de uitlaattemperatuur; lagere inlaattemperaturen verbeteren de thermodynamische drijfkracht.
• Materiaalprestaties:
  • De aluminiumlegering geïsoleerde buis heeft een massa per lengte-eenheid van 10,96 kg/m, wat slechts 36,9% is van een vergelijkbare stalen buis (29,78 kg/m).
  • De aluminiumlegering behield een vloeigrens van 381 MPa bij 150 °C.
  • Structurele berekeningen bevestigden dat het ontwerp voldoet aan de eisen voor bezwijking (58,1 MPa) en interne druk (46,3 MPa) voor een diepte van 4000 m.
• Veldprestaties:
  • De hybride streng reduceerde het totale gewicht van de buisstreng met 5,7% vergeleken met een volledig stalen configuratie.
  • DTS-gegevens toonden een gewogen gemiddelde temperatuurdaling van slechts 7,61 °C over de gehele 4001 m lange binnenbuis.
  • Het systeem behaalde een verwarmings-COP (Coefficient of Performance) van 6,80.
  • De gemiddelde warmte-extractiegraad was 352 W/m, met een geschatte jaarlijkste besparing van 770,73 ton standaard kolengelijkwaardigheid en een reductie van 2019,31 ton CO₂-emissies.
  • De operationele kosten waren aanzienlijk lager dan die van gasketels en stedelijke stadsverwarming-alternatieven.

Betekenis

Het artikel stelt dat de voorgestelde hybride geïsoleerde binnenbuis een levensvatbare systeemoplossing biedt voor diepe geothermische coaxiale warmte-extractie. Door het integreren van een lichtgewicht ontwerp, thermische isolatie, mechanische betrouwbaarheid bij hoge temperaturen en verbeterde warmteoverdrachtprestaties, demonstreert de studie dat het mogelijk is om de beperkingen van enkelvoudige materiaal-buis-strengen te overwinnen. De succesvolle veldtest valideert dat deze gesegmenteerde aanpak effectief het structurele gewicht vermindert terwijl de thermische isolatie en mechanische integriteit behouden blijven, wat een praktisch pad biedt voor de grootschalige benutting van diepe geothermische bronnen voor stadsverwarming.