Desempenho térmico de um trocador de calor de poço profundo: insights de um modelo sintético acoplado de calor e fluxo
APLICAÇÕES GEOTÉRMICAS DE MÉDIA A GRANDE COMPLEXIDADE
Morgan Le Lous, François Larroque, Alain Dupuy, Adeline Moignard (2015). Thermal performance of a deep borehole heat exchanger: Insights from a synthetic coupled heat and flow model. ScienceDirect, Geothermics, Volume 57, September 2015, Pages 157-172 – (link)
Título
Thermal performance of a deep borehole heat exchanger: Insights from a synthetic coupled heat and flow model
(Desempenho térmico de um trocador de calor de poço profundo: insights de um modelo sintético acoplado de calor e fluxo)
Resumo
Earth heat exchangers are drawing increasing attention and popularity due to their efficiency, sustainability and universality. Compared to shallow geothermal energy, these systems operate at greater depths, which could offer higher temperatures and more return of investment, despite greater investment costs. However, the functioning and numerical modeling of deep borehole heat exchangers (DBHE), in contrast to those of shallow conventional systems, remain poorly known. In this work, the influence of subsurface physical parameters, DBHE materials and operating settings had been investigated, in order to assess their impacts on deep-system performance. To this end, a numerical model was built, accounting for flow and mass/heat transport in a homogenous porous media, at the vicinity of a vertical 5-km coaxial DBHE. Fluid outlet temperature, specific heat extraction rate as well as thermal affected zone were observed over 6-month and 25-year periods of operation. Sensitivity studies highlighted the importance of parameters related to DBHE design and operational settings, such as thermal conductivity of the inner pipe, discharge rate of fluid carrier. It also emphasized the role of groundwater velocity as a catalyst for subsurface thermal recovery. Over 25-year periods of operation, average differential temperature from 3.8 to 13.9 °C, associated with circulation rate from 150 to 600 m3 d−1, led to a potential installed capacity from approximately 125–600 kW. Therefore, this study demonstrated the basis of a feasible and sustainable thermal use of DBHE.
Os trocadores de calor geotérmicos estão atraindo cada vez mais atenção e popularidade devido à sua eficiência, sustentabilidade e universalidade. Em comparação com a energia geotérmica superficial, esses sistemas operam em profundidades maiores, o que pode oferecer temperaturas mais altas e maior retorno do investimento, apesar dos custos de investimento mais elevados. No entanto, o funcionamento e a modelagem numérica dos trocadores de calor de poços profundos (DBHE), em contraste com os dos sistemas convencionais superficiais, ainda são pouco conhecidos. Neste trabalho, a influência dos parâmetros físicos do subsolo, dos materiais DBHE e das configurações operacionais foi investigada, a fim de avaliar seus impactos no desempenho do sistema profundo. Para isso, foi construído um modelo numérico, levando em consideração o fluxo e o transporte de massa/calor em um meio poroso homogêneo, nas proximidades de um DBHE coaxial vertical de 5 km. A temperatura de saída do fluido, a taxa específica de extração de calor e a zona afetada termicamente foram observadas durante períodos de operação de 6 meses e 25 anos. Estudos de sensibilidade destacaram a importância dos parâmetros relacionados ao projeto do DBHE e às configurações operacionais, como a condutividade térmica do tubo interno e a taxa de descarga do fluido transportador. Também enfatizaram o papel da velocidade da água subterrânea como catalisador para a recuperação térmica subterrânea. Ao longo de períodos de operação de 25 anos, a temperatura diferencial média de 3,8 a 13,9 °C, associada à taxa de circulação de 150 a 600 m3 d−1, levou a uma capacidade instalada potencial de aproximadamente 125–600 kW. Portanto, este estudo demonstrou a base de um uso térmico viável e sustentável do DBHE.
