Sondaj kuyusu ısı eşanjörü sistemleri üzerine bir çalışma

Eden Jeotermal sondaj kulesi (kaynak: Exeter Bilim Merkezi, YouTube ekran görüntüsü)

Merve Uytun 11 Nis 2024

Glasgow Üniversitesi James Watt Mühendislik Okulu’ndan Christopher S. Brown, Isa Kolo, David Banks ve Gioia Falcone tarafından yakın zamanda yayınlanan bir makale, farklı tipteki tek kuyulu, orta derinlikteki sondaj kuyusu ısı eşanjörü tasarımlarının termal ve hidrolik performansını karşılaştırmaktadır.

“Tek U borulu, çift U borulu ve koaksiyel orta-derin kuyu ısı değiştiricilerinin termal ve hidrolik performansının karşılaştırılması” başlıklı makalenin tamamı Geothermics dergisinde yayınlandı ( https://doi.org ) /10.1016/j.geothermics.2023.102888 ).

Tasarım karşılaştırması

Bu çalışmada karşılaştırılan üç tasarımın tümü tek kuyulu, kapalı döngü sistemlerdir. Bu tasarımlar Avrupa’nın ve ABD’nin farklı yerlerinde çok yaygın olarak uygulanmaktadır . Çalışma, birçok Avrupa ülkesinde kapalı devre sondaj ısı eşanjörlerinin (BHE) tipik derinliğinin istikrarlı bir şekilde arttığını belirtiyor. Bu çalışmanın amacı doğrultusunda orta-derin aralığın 500 metreden 1000 metreye kadar derinlik olduğu kabul edilmiştir.

Koaksiyel DBHE’lerde sıvı, yıllık alan boyunca aşağı doğru akarken doğal jeotermal gradyan tarafından ısıtılır. Daha sonra ısı, ısı kaybını en aza indirmek için sıvının merkezi boru yoluyla yüzeye geri pompalanmasıyla, genellikle daha yüksek bir hızda çıkarılır.

U-boruları ve çift U-boruları, tipik olarak yüksek yoğunluklu veya çapraz bağlı polietilenden yapılmış, tamamen kapalı borular aracılığıyla bir ısı transfer sıvısını deliğin aşağısında ve yukarısında dolaştırır. U-boruları ya doğal yeraltı suyu kolonuna asılabilir ya da düşük geçirgenliğe ve yüksek ısı iletkenliğine sahip bir harçla yerinde kapatılabilir. U-boruların standart dış çapı her uygulamaya göre değişiklik gösterebilir.

Yöntem ve termal tepki testleriyle karşılaştırma

Simülasyonlar, açık kaynaklı OpenGeoSys yazılımının sondaj ısı değiştirici ısı taşıma modülü kullanılarak yapıldı. Modeller kaya oluşumunda, enjeksiyon bölgesinde ve giriş ve çıkış borularındaki ısı transferini dikkate alır.

Modellerin doğrulanması, çıkış değerlerinin gerçek termal tepki testleri kullanılarak elde edilen değerlerle karşılaştırılması yoluyla yapıldı. U-borulu sistemler için modellenen veriler, gerçek dünya değerlerine kıyasla yalnızca %0,4’lük bir hataya sahipken, koaksiyel sistemler için ~%0,6’lık benzer bir hata vardı.

Tasarım parametrelerine model yanıtı

Bireysel modeller daha sonra ısı ekstraksiyonunu, basınç düşüşünü ve parazit kayıplarını değerlendirmek için farklı sistem tasarım parametrelerine göre değerlendirildi.

• Isı ekstraksiyonu

Koaksiyel sistem, muhtemelen yıllık alan ile çevredeki katı kaya/harç arasındaki artan sözleşme alanı nedeniyle daha iyi ısı çıkarma oranları gösterdi. Termal verimlilik açısından koaksiyel sistem, maliyet, mühendislik pratikliği ve potansiyel basınç kayıpları gibi diğer hususlar nedeniyle çift U borudan yalnızca çok az daha iyiydi.

Sistemdeki basınç düşüşü, sırasıyla 1,46 MPa ve 423 kPa’daki tek U borulu ve çift U borulu konfigürasyonlarla karşılaştırıldığında, koaksiyalde 85 kPa’da çok daha düşüktür. Bu daha sonra, benzer akış hızları göz önüne alındığında, sirkülasyon pompasının sistemi koaksiyel konfigürasyon için çalıştırması için gereken daha düşük bir çıktıya dönüşür.

• Derinlik

Sondaj derinliğinin arttırılması, tüm sondaj konfigürasyonları için çıkış sıcaklığını ve termal gücü arttırır. Ayrıca derinlikle birlikte basınç düşüşünde doğrusal bir artış olur, dolayısıyla pompalama gücü artar.

• Akış hızı

Akış hızının hem termal güç hem de basınç düşüşü üzerinde önemli bir etkisi vardı. Daha yüksek akış hızları (> 3 L/s), tüm konfigürasyonlar için ısı çıkarma oranlarında artışa yol açar ve koaksiyel, ulaşılabilir en yüksek termal gücü sağlar. Artan akış hızları, tüm MDBHE konfigürasyon tipleri için basınç düşüşündeki orantısız bir artışla ilişkilidir; bu da basınç kaybının akış hızının karesiyle orantılı olduğunu gösterir.

İlginç bir şekilde, kaydedilen en büyük termal güç, en düşük akış hızında (1 L/s) U-boru konfigürasyon modeli içindi. Bunun nedeni dar borudaki daha yüksek akışkan hızlarıydı ve bu da daha fazla ısı çıkışına yol açıyordu.

• Kaya termal iletkenliği

Hem çıkış sıcaklığı hem de termal güç, kayanın termal iletkenliği ile doğrusala yakın pozitif korelasyonlara sahiptir; en yüksek artış oranı koaksiyel sistemlerde gözlemlenmiştir.

Sonuçlar

Çalışma, koaksiyel sondaj deliği ısı değişiminin, orta-derin BHE’lerde jeotermal ısı çıkarımını optimize etme ve hidrolik basınç kayıplarını en aza indirme açısından en iyi performansı gösterdiği sonucuna varmıştır. Bu durumda tavsiye, 500 metreden daha derin sondaj kuyuları inşa edilirken bu tür bir tasarımın benimsenmesidir.

Tekli U-boruları, 1 L/s akış hızına sahip senaryolarda uygundur. Ancak derinlikte düşük termal çıktı sağlarlar ve 500 metrenin ötesindeki derinliklerde parazitik pompalama kayıplarını arttırabilirler.

Kaynak: ThinkGeoEnergy