技术摘要：深层地热同轴换热器混合绝热内管串的设计与传热性能

问题陈述

深层地热同轴换热器面临着内管串设计的关键工程权衡。传统的全钢绝热管虽然提供了深井所需的机械强度和耐高温性能，但其过大的重量会增加井口载荷和部署作业的难度。相反，聚合物管虽然重量轻且热导率低，但缺乏深井环境（通常超过 120 °C）所需的长期耐温能力。现有解决方案难以同时满足热绝热、高温机械可靠性和轻量化设计的竞争性需求。此外，井筒内向上流动的热流体与向下流动的冷流体之间的径向热传递会导致“热短路”现象，从而显著降低系统的有效热提取能力。

研究方法

本研究采用了一种整合了数值模拟、材料科学、结构设计和现场验证的多尺度方法：

1. 数值建模： 使用 COMSOL Multiphysics 开发了一个瞬态耦合渗流-传热模型。该模型基于西安凹陷的地质条件，模拟了一个包含地热同轴换热器、水泥环和周围地层的 200 m × 200 m 区域。模型结合了用于井筒流动的 $k$–$\varepsilon$ 湍流模型和用于地下水渗流的达西定律。
2. 模型验证： 数值模型通过 4050 米深的地热井现场数据进行了验证，整体计算误差为 6.6%。
3. 参数化分析： 模型评估了入口流速、入口温度、内管热导率、内管直径以及绝热段长度对热提取性能的影响。
4. 材料与结构设计：
   • 材料选择： 对工程聚合物（PPS、PEEK、PEI）和铝合金进行了评估。由于 7075-T6511 铝合金具有高强重比和耐温性，因此被选为下部管段材料。
   • 绝热结构： 开发了一种结合真空环形腔与二氧化硅气凝胶毡的复合绝热设计。
   • 传热增强： 在内管外表面设计了螺旋翅片结构以增强对流传热，并通过性能评价准则（PEC）对螺旋翅片几何形状进行优化，以平衡 Nusselt 数增益与摩擦因子增加之间的关系。
   • 腐蚀缓解： 设计了一种热绝热且电绝缘的接箍（使用 PEEK 内衬），以防止钢-铝界面处的电化学腐蚀。
5. 现场测试： 将一段分段式混合内管串部署在 4050 米深的井中。配置包括 P110 钢段（0–3685 m）和 7075 铝合金段（3685–4001 m）。利用分布式温度传感（DTS）技术对 6 天的测试过程及为期三个月的供暖季进行了性能监测。

核心贡献

• 分段混合设计： 本研究提出了一种新型“混合绝热内管串”，通过对井深进行分段，利用钢材处理上部的高结构载荷，并利用轻质铝合金处理下部，从而实现减重。这种方法调和了热绝热需求与结构减重之间的矛盾。
• 优化的绝热与增强： 开发了真空-气凝胶复合绝热结构（实现热导率低至 0.008 W/(m·K)），并优化了螺旋翅片几何形状（高度 20 mm，厚度 4 mm，间距 216.89 mm），以最大化热-水力性能。
• 全面验证： 通过实验室测试、数值模拟和全尺寸地热井现场验证，本研究弥合了材料特性与系统级性能之间的差距。

结果

• 数值模拟发现：
  • 较低的内管热导率和较长的绝热段能通过抑制热短路显著提高热提取效率。
  • 增加绝热段长度带来的收益递减，这表明对井口上部部分的绝热处理最为关键。
  • 较高的入口流速会增加总热提取功率，但会降低出口温度；较低的入口温度则能改善热力学驱动力。
• 材料性能：
  • 铝合金绝热管的单位长度质量为 10.96 kg/m，仅为同类钢管（29.78 kg/m）的 36.9%。
  • 铝合金在 150 °C 时保持了 381 MPa 的屈服强度。
  • 结构计算确认该设计满足 4000 米深度下的抗塌陷（58.1 MPa）和内压（46.3 MPa）要求。
• 现场表现：
  • 与全钢配置相比，混合管串减少了 5.7% 的总管串重量。
  • DTS 数据显示，在整个 4001 米内管串中，加权平均温降仅为 7.61 °C。
  • 系统实现了 6.80 的加热性能系数（COP）。
  • 平均热提取率为 352 W/m，预计每年可节省 770.73 吨标准煤当量，并减少 2019.31 吨二氧化碳排放。
  • 运行成本显著低于燃气锅炉和市政集中供热方案。

意义

本文声称，所提出的混合绝热内管串为深层地热同轴热提取提供了一种系统级的可行方案。通过整合轻量化设计、热绝热、高温机械可靠性和增强型传热性能，研究证明了克服单一材料管串局限性的可能性。成功的现场测试验证了这种分段方法在保持热绝热和机械完整性的同时，能有效减轻结构重量，为大规模利用深层地热资源进行区域供热提供了切实可行的路径。