مدل سازی فرآیندهای زمین گرمایی با نرم افزار COMSOL

در این اولین ورودی از سری جدید انرژی زمین گرمایی، مفهوم مدل‌سازی فرآیندهای زمین گرمایی و بسیاری از پدیده‌های فیزیکی مرتبط را معرفی می‌کنیم. ما همچنین نمونه ای از مدل مبدل حرارتی گمانه را به شما نشان می دهیم.

نحوه استخراج گرما از زمین

در دوران دانشجویی دکترا، مجبور بودم با انواع تکنیک های استخراج انرژی زمین گرمایی سر و کار داشته باشم. تمرکز تحقیقات من بر روی مبدل‌های حرارتی کم عمق گمانه زمین گرمایی بود، اما در تیم من، با روش‌های زمین گرمایی عمیق و گمانه باز نیز در تماس بودم. در کمال تعجب متوجه شدم که تقریباً تمام فرآیندهای درگیر در کاربردهای مختلف زمین گرمایی را می‌توان با مدول جریان زیرسطحی مدل‌سازی کرد.

انرژی های تجدیدپذیر یک صنعت در حال رشد است و شاخه انرژی زمین گرمایی موضوع داغ تحقیقات فعال است. در طول چند دهه گذشته، تکنیک های مختلفی برای استخراج گرمای زمین گرمایی از سطوح کم عمق تا عمیق زیرسطحی ایجاد شده است. مبدل حرارتی گمانه حلقه بسته (BHE) یک رویکرد استاندارد برای کاربردهای عمق کمتر و متوسط است.

در BHE، سیال از طریق لوله‌هایی که در داخل گمانه‌ها قرار دارند، گردش می‌کند و در نتیجه تماس حرارتی غیرمستقیم بین سیال و سطح زیرین ایجاد می‌شود. این روش به دلیل ماهیت بسته مبدل حرارتی با منطقه تبادل حرارت موثر محدود شده توسط تجهیزات درگیر محدود شد. این را می توان با استخراج آب های زیرزمینی از سفره های زیرزمینی، به دست آوردن انرژی حرارتی از طریق تزریق مجدد سیال داغ در فاصله ای از نقطه تزریق از طریق دوتایی های گرمابی افزایش داد.

سیستم‌های زمین گرمایی پیشرفته (EGS) برای بهره‌برداری از منابع زمین گرمایی در سنگ‌های خشک و غیرقابل نفوذ یا سنگ‌های خشک سخت (HDR)، با شکست هیدرولیکی یا شکستگی توسعه داده شدند. این روش شامل پمپاژ آب با فشار بالا به لایه مورد نظر برای ایجاد ترک های جدید و گسترش ترک ها و شکستگی های موجود است. سپس آب تزریق شده می تواند از میان شکستگی ها عبور کند، گرم شود و در گمانه دوم استخراج شود.

روش های استخراج حرارت زمین گرمایی

نیاز به چند فیزیک در شبیه سازی انرژی زمین گرمایی

انتقال گرما در سطح زیرین با همرفت، پراکندگی و هدایت انجام می شود. برای اجرای شبیه سازی ها باید خواص حرارتی لایه های زمین شناسی را بدانید. با این حال، ما معمولاً فقط می‌توانیم تخمین‌های مبهم را بر اساس نقشه‌های زمین‌شناسی و نمونه‌های هسته به دست آوریم. انتقال حرارت همرفتی، یا به طور طبیعی توسط نیروهای شناوری هدایت می شود یا به طور مصنوعی از طریق چاه ها ایجاد می شود، می تواند در فرآیندها نقش داشته باشد – و حتی بر آن تسلط داشته باشد.

بسته به زمین‌شناسی محلی، رژیم جریان زیرسطحی ممکن است در محیط‌های متخلخل کاملاً یا تا حدی اشباع قرار گیرد یا در شکستگی‌ها ادامه یابد . اگرچه تکنیک های مختلف برای تولید گرمای زمین گرمایی اساساً متفاوت است، ماژول جریان زیرسطحی ویژگی های مورد نیاز را برای شبیه سازی توسعه حرارتی زیرسطحی فراهم می کند. شما به راحتی می توانید انتقال گرما را با میدان سرعت جفت کنید.

در برخی شرایط، کوپلینگ باید به صورت دو جهته اعمال شود. اگر شیب دما زیاد باشد، وابستگی دما پارامترهای درگیر (به عنوان مثال هدایت هیدرولیکی) دیگر ناچیز نیست و باید در نظر گرفته شود. همچنین، فرآیندهای پورالاستیک ممکن است در برخی موارد نقش داشته باشند، به ویژه هنگامی که صحبت از شکستگی به میان می‌آید.

نمونه مدل: تاثیر حرارتی آرایه مبدل حرارتی گمانه

بیایید نگاهی به یک مثال بیندازیم تا برخی از ویژگی‌های لازم برای شبیه‌سازی فرآیندهای زمین گرمایی را نشان دهیم. مدل زیر برای انتقال گرما در اطراف یک تاسیسات زمین گرمایی کم عمق تعبیه شده در یک حوزه زمین شناسی حل می کند. دامنه به بخش‌های مختلفی تقسیم می‌شود که نشان‌دهنده لایه‌های زمین‌شناسی مختلف با ویژگی‌های خاص آن‌ها است. تأثیر حرارتی تغییرات دمای فصلی در سطح با استفاده از پایگاه داده هوای محیط داخلی COMSOL Multiphysics در نظر گرفته شده است .

یک آرایه مبدل حرارتی گمانه سه در سه (BHE) به عمق 135 متر، واقع در بستر لایه‌ای. هر BHE گرما را با 20 W/mK در طول سال استخراج می کند. بین 60 تا 70 متر آبخوانی است که در آن جریان آب زیرزمینی رخ می دهد و باعث انتقال حرارت همرفتی افقی می شود. در سمت راست، دمای دیواره گمانه سه BHE در وسط آرایه نشان داده شده است. به دلیل برهمکنش حرارتی بین هیت سینک ها، دمای BHE میانی ( خط سبز ) کمتر از دو هیت سینک دیگر است. در منطقه آبخوان، BHE پایین‌تر از دو مورد دیگر ( خط قرمز ) تحت تأثیر تبادل حرارتی است که در بالادست آن رخ می‌دهد و در نتیجه دمای پایین‌تری ایجاد می‌کند.

شبیه‌سازی برای پیش‌بینی اثرات بلندمدت بر BHEs ضروری است تا مشخص شود آیا لوله از یخ زدگی جلوگیری می‌کند یا خیر. ساده ترین راه برای مدل سازی سریع BHE ها نادیده گرفتن درخشش و انتقال حرارت در داخل گمانه و اعمال یک شرایط مرزی شار حرارتی مناسب در دیوارها است. با انجام این کار، گمانه تبدیل به یک هیت سینک موضعی می شود و گرما به سمت آن حرکت می کند. اگر بیش از یک BHE در یک سایت محلی نصب شده باشد، مبدل های حرارتی ممکن است پس از مدتی شروع به تعامل کنند. به ویژه، اگر جریان آب زیرزمینی در یک سفره آب وجود داشته باشد، گمانه ها به صورت حرارتی به هم متصل می شوند. این برهمکنش حرارتی می تواند باعث تلفات بازده قابل توجهی در کل سیستم زمین گرمایی شود. از سوی دیگر، جریان آب زیرزمینی نیز نرخ بازیافت حرارتی را افزایش می دهد.

انتقال حرارت از طریق BHEs در یک دوره یک ساله. بر اساس داده های هواشناسی هواشناسی از برلین، آلمان، دمای بالای سطح به صورت فصلی بین ۲- تا ۲۲ درجه سانتی گراد تغییر می کند. توجه کنید که چگونه الگوی گرما در جهت جریان در منطقه آبخوان کشیده می شود.

امروز نحوه استفاده از شبیه سازی چندفیزیکی در کاربردهای انرژی زمین گرمایی را معرفی کرده ایم. در ادامه در این مجموعه وبلاگ، ما یک برنامه پیشرفته تر را ارائه خواهیم کرد، که شامل انتقال حرارت جفت در آرایه های لوله حرارتی با جریان رسانه متخلخل زیرسطحی است. گوش به زنگ باشید!

مدل آموزشی را دریافت کنید