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

Resumo Técnico: Design e Desempenho de Transferência de Calor de uma Coluna de Tubos Internos Híbridos Isolados para Permutadores de Calor Coaxiais de Geotermia Profunda

Definição do Problema

Os permutadores de calor coaxiais geotérmicos profundos enfrentam um compromisso de engenharia crítico em relação ao design da coluna de tubos internos. As tubulações isoladas convencionais de aço oferecem a resistência mecânica e a resistência a altas temperaturas necessárias para poços profundos, mas impõem um peso excessivo, sobrecarregando as cargas da cabeça do poço e as operações de implantação. Por outro lado, os tubos de polímero oferecem baixo peso e baixa condutividade térmica, mas carecem da resistência térmica de longo prazo exigida para ambientes de poços profundos (frequentemente superiores a 120 °C). As soluções existentes lutam para satisfazer simultaneamente os requisitos conflitantes de isolamento térmico, confiabilidade mecânica em alta temperatura e design leve. Além disso, a transferência de calor radial entre o fluido quente ascendente e o fluido frio descendente dentro do poço causa um "curto-circuito térmico", reduzindo significativamente a capacidade efetiva de extração de calor do sistema.

Metodologia

O estudo empregou uma abordagem multiescala integrando simulação numérica, ciência dos materiais, design estrutural e validação de campo:

1. Modelagem Numérica: Um modelo de fluxo transiente acoplado de infiltração–transferência de calor foi desenvolvido utilizando o COMSOL Multiphysics. O modelo simulou um permutador de calor coaxial profundo, a bainha de cimento e a formação circundante (domínio de 200 m × 200 m) com base nas condições geológicas da Depressão de Xi'an. Incorporou o modelo de turbulência $k$–$\varepsilon$ para o fluxo no poço e a lei de Darcy para a infiltração de água subterrânea.
2. Validação do Modelo: O modelo numérico foi validado contra dados de campo de um poço geotérmico de 4050 m de profundidade, apresentando um erro de cálculo global de 6,6%.
3. Análise Paramétrica: O modelo avaliou os efeitos da taxa de fluxo de entrada, temperatura de entrada, condutividade térmica do tubo interno, diâmetro do tubo interno e comprimento da seção isolada no desempenho de extração de calor.
4. Design de Material e Estrutura:
   • Seleção de Materiais: Polímeros de engenharia (PPS, PEEK, PEI) e ligas de alumínio foram avaliados. A liga de alumínio 7075-T6511 foi selecionada para a seção inferior devido à sua alta relação resistência-peso e resistência à temperatura.
   • Estrutura de Isolamento: Um design de isolamento composto combinando uma cavidade anular a vácuo com feltro de aerogel de sílica foi desenvolvido.
   • Melhoria da Transferência de Calor: Uma estrutura de aletas espirais foi projetada na superfície externa do tubo interno para aumentar a transferência de calor por convecção, otimizada usando um Critério de Avaliação de Desempenho (PEC) que equilibra os ganhos do número de Nusselt contra o aumento do fator de fricção.
   • Mitigação de Corrosão: Um pup joint termicamente isolante e eletricamente isolante (usando revestimentos de PEEK) foi projetado para prevenir a corrosão galvânica na interface aço-alumínio.
5. Testes de Campo: Uma coluna de tubos internos híbrida segmentada foi implantada em um poço de 4050 m de profundidade. A configuração consistiu em uma seção de aço P110 (0–3685 m) e uma seção de liga de alumínio 7075 (3685–4001 m). O desempenho foi monitorado usando Sensoriamento de Temperatura Distribuída (DTS) durante um teste de 6 dias e uma temporada de aquecimento de três meses.

Principais Contribuições

• Design Híbrido Segmentado: O estudo propõe uma nova "coluna de tubos internos isolados híbridos" que segmenta a profundidade do poço, utilizando aço para a seção superior para suportar as maiores cargas estruturais e alumínio leve para a seção inferior para redução de peso. Esta abordagem concilia as necessidades de isolamento térmico com a redução do peso estrutural.
• Isolamento e Melhoria Otimizados: O desenvolvimento de uma estrutura de isolamento composta de vácuo-aerogel (alcançando condutividade térmica de apenas 0,008 W/(m·K)) e a otimização de uma geometria de aletas espirais (altura de 20 mm, espessura de 4 mm, espaçamento de 216,89 mm) para maximizar o desempenho termo-hidráulico.
• Validação Abrangente: A pesquisa preenche a lacuna entre as propriedades dos materiais e o desempenho do sistema através de testes laboratoriais, simulação numérica e validação de campo em escala real em um poço geotérmico profundo.

Resultados

• Descobertas Numéricas:
  • Menor condutividade térmica do tubo interno e seções isoladas mais longas melhoram significativamente a extração de calor ao suprimir o curto-circuito térmico.
  • O aumento do comprimento da seção isolada gera retornos decrescentes, sugerindo que o isolamento na parte superior do poço é o mais crítico.
  • Taxas de fluxo de entrada mais altas aumentam a potência total de extração de calor, mas diminuem a temperatura de saída; temperaturas de entrada mais baixas melhoram a força motriz termodinâmica.
• Desempenho do Material:
  • O tubo isolado de liga de alumínio possui uma massa por unidade de comprimento de 10,96 kg/m, o que representa apenas 36,9% de um tubo de aço comparável (29,78 kg/m).
  • A liga de alumínio manteve um limite de escoamento de 381 MPa a 150 °C.
  • Cálculos estruturais confirmaram que o design atende aos requisitos de colapso (58,1 MPa) e pressão interna (46,3 MPa) para 4000 m de profundidade.
• Desempenho de Campo:
  • A coluna híbrida reduziu o peso total da coluna de tubos em 5,7% em comparação com uma configuração totalmente de aço.
  • Os dados de DTS mostraram uma queda de temperatura média ponderada de apenas 7,61 °C em toda a coluna de tubos internos de 4001 m.
  • O sistema alcançou um Coeficiente de Desempenho (COP) de aquecimento de 6,80.
  • A taxa média de extração de calor foi de 352 W/m, com uma economia anual estimada de 770,73 toneladas de equivalente de carvão padrão e uma redução de 2019,31 toneladas de emissões de CO₂.
  • Os custos operacionais foram significativamente menores do que as alternativas de caldeira a gás e aquecimento municipal de distrito.

Significância

O artigo afirma que a coluna de tubos internos isolados híbridos proposta fornece uma solução de nível de sistema viável para a extração de calor coaxial geotérmica profunda. Ao integrar design leve, isolamento térmico, confiabilidade mecânica em alta temperatura e desempenho de transferência de calor aprimorado, o estudo demonstra que é possível superar as limitações das colunas de tubos de material único. O teste de campo bem-sucedido valida que esta abordagem segmentada reduz efetivamente o peso estrutural enquanto mantém o isolamento térmico e a integridade mecânica, oferecendo um caminho prático para a utilização em larga escala dos recursos geotérmicos profundos para aquecimento de distritos.