Simulação do desempenho da transferência de calor utilizando trocadores de calor coaxiais de profundidade média por FEFLOW
APLICAÇÕES GEOTÉRMICAS DE MÉDIA A GRANDE COMPLEXIDADE
Wen-kai Kang, Feng Liu, Fei-fan Yang, Hua-jun Wang (2020). Simulation of heat transfer performance using middle-deep coaxial borehole heat exchangers by FEFLOW. SciOpen, Journal of Groundwater Science and Engineering, Volume 8 Issue 4, December 2020 Pages 315-327 – (link)
Título
Simulation of heat transfer performance using middle-deep coaxial borehole heat exchangers by FEFLOW
(Simulação do desempenho da transferência de calor utilizando trocadores de calor coaxiais de profundidade média por FEFLOW)
Resumo
Due to its large heat transfer area and stable thermal performance,the middle-deep coaxial borehole heat exchanger (CBHE) has become one of the emerging technologies to extract geothermal energy. In this paper,a numerical modeling on a three-dimensional unsteady heat transfer model of a CBHE was conducted by using software FEFLOW,in which the model simulation was compared with the other studies and was validated with experimental data. On this basis,a further simulation was done in respect of assessing the influencing factors of thermal extraction performance and thermal influence radius of the CBHE. The results show that the outlet temperature of the heat exchanger decreases rapidly at the initial stage,and then tended to be stable; and the thermal influence radius increases with the increase of borehole depth. The heat extraction rate of the borehole increases linearly with the geothermal gradient. Rock heat capacity has limited impact on the heat extraction rate,but has a great influence on the thermal influence radius of the CBHE. When there is groundwater flow in the reservoir,the increase of groundwater velocity will result in the rise of both outlet temperature and heat extraction rate. The heat affected zone extends along with the groundwater flow direction; and its influence radius is increasing along with flow velocity. In addition,the material of the inner pipe has a significant effect on the heat loss in the pipe,so it is recommended that the material with low thermal conductivity should be used if possible.
Devido à sua grande área de transferência de calor e desempenho térmico estável, o trocador de calor coaxial de profundidade média (CBHE) tornou-se uma das tecnologias emergentes para extrair energia geotérmica. Neste artigo, foi realizada uma modelagem numérica em um modelo tridimensional de transferência de calor instável de um CBHE usando o software FEFLOW, no qual a simulação do modelo foi comparada com outros estudos e validada com dados experimentais. Com base nisso, foi realizada uma simulação adicional para avaliar os fatores que influenciam o desempenho da extração térmica e o raio de influência térmica do CBHE. Os resultados mostram que a temperatura de saída do trocador de calor diminui rapidamente no estágio inicial e, em seguida, tende a se estabilizar; e o raio de influência térmica aumenta com o aumento da profundidade do poço. A taxa de extração de calor do poço aumenta linearmente com o gradiente geotérmico. A capacidade térmica da rocha tem impacto limitado na taxa de extração de calor, mas tem grande influência no raio de influência térmica do CBHE. Quando há fluxo de água subterrânea no reservatório, o aumento da velocidade da água subterrânea resulta no aumento da temperatura de saída e da taxa de extração de calor. A zona afetada pelo calor se estende ao longo da direção do fluxo de água subterrânea; e seu raio de influência aumenta junto com a velocidade do fluxo. Além disso, o material do tubo interno tem um efeito significativo na perda de calor no tubo, por isso recomenda-se que, se possível, seja utilizado um material com baixa condutividade térmica.
