Separatus est un nouveau type d'échangeur de chaleur conçu pour réduire le coût d'investissement des champs de forage géothermiques - et vous pouvez calculer ses performances directement à l'aide de GHEtool ! Cet article explique le développement du modèle théorique actuel du système separatus dans GHEtool.
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Cet article se concentre sur les fondements théoriques du modèle separatus. Si vous cherchez des conseils pratiques sur la manière d'utiliser GHEtool pour modéliser ces systèmes, vous pouvez lire l'article de blog sur le site web de separatus.
Qu'est-ce que le separatus ?
Les échangeur de chaleur separatus a été mis au point en 2023 par Dietmar Alge, Jana Walker et Stefan Geser, en s'appuyant sur le concept de la technologie "split-pipe". Il est basé sur un tuyau standard d'un diamètre de 51 mm, mais avec une entretoise interne installée pour séparer les flux de fluides chauds et froids.
Grâce à cette conception, les foreurs n'ont qu'à installer un seul tube au lieu des deux ou quatre tubes traditionnels (utilisés dans les configurations à tube en U simple ou double). Cela réduit considérablement le temps d'installation et le diamètre du trou de forage, ce qui permet de réduire le coût d'investissement du champ de forage géothermique.
Développement de modèles
Le développement d'un modèle pour un nouveau produit est toujours un défi : on peut soit opter pour une simulation très détaillée, soit adopter une approche plus pratique, basée sur l'ingénierie. Pour separatus, c'est cette dernière voie qui a été choisie. L'équipe a développé un modèle pour son échangeur de chaleur basé sur la géométrie d'un simple tuyau en U, qui est le modèle existant le plus proche en termes de géométrie, et a ensuite ajusté les paramètres sur la base de mesures réelles.
Nous décrivons ci-dessous le dispositif expérimental et les deux mesures clés. Suit une discussion sur l'approximation finale calibrée d'un tuyau en U unique, qui a été mise en œuvre dans GHEtool.
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Le modèle décrit ci-dessous a été développé par separatus pour permettre la simulation de l'innovation à l'aide de Earth Energy Designer. La mise en œuvre de GHEtool est basée sur les mêmes hypothèses initiales. Dans la suite de cet article, les futures mises à jour du modèle sont également abordées.
Description de l'expérience
Le site d'essai pour l'expérience était situé à Altach, en Autriche. Trois forages de 70 mètres de profondeur ont été réalisés, l'un étant équipé d'un échangeur de chaleur à double tube en U DN32 et l'autre d'un échangeur de chaleur séparatif. Grâce à des vannes supplémentaires dans le collecteur, la pompe à chaleur pouvait être connectée à l'un ou l'autre des trous de forage individuellement ou aux deux simultanément, ce qui permettait une comparaison directe de leurs performances thermiques.
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Au cours de l'installation, un problème est survenu lors du remblayage au coulis du trou de forage du double tube en U. On suppose que ce trou n'a pas été correctement remblayé sur toute sa profondeur. On suppose que ce trou de forage n'a pas été correctement remblayé sur toute sa profondeur. Comme Altach a un niveau et un débit d'eau souterraine relativement élevé, cela peut avoir été avantageux pour la performance thermique du double tube en U.
Mesure d'un débit égal
Lors du premier essai, les sondes à double tube en U et à séparateur ont été connectées à la pompe à chaleur pendant une durée de 97 heures, chacune avec un débit nominal de 1100 l/h. Les résultats, présentés dans le graphique ci-dessous (avec un zoom sur la plus longue durée de fonctionnement continu de la pompe à chaleur), mettent en évidence les performances thermiques des deux systèmes.
Comme le montre le graphique, la puissance extraite du tube en double U (Doppel-U_Leistung) est plus élevée que celle de la sonde separatus (separatus_Leistung), avec des valeurs respectives d'environ 2,27 kW et 1,74 kW. Les deux puissances sont restées relativement constantes pendant la fenêtre de mesure de 6 heures.
En supposant que la résistance thermique équivalente du trou de forage pour le tube en double U est de 0,12 mK/W, cela correspond à une résistance thermique du trou de forage de 0,156 mK/W pour la configuration du séparateur. Cette relation découle du fait que, sur de courtes périodes, la température du sol peut être considérée comme constante, ce qui signifie que la puissance thermique est inversement proportionnelle à la résistance thermique effective du trou de forage.
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Si vous n'êtes pas familier avec le concept de résistance thermique effective d'un forage, vous pouvez lire notre article détaillé sur le sujet. ici.
Mesure de l'égalité du transfert de chaleur
Pour mieux évaluer les performances et inverser la résistance thermique effective du trou de forage, un deuxième essai a été réalisé, cette fois avec un taux de transfert de chaleur constant. Le débit du tube en double U a été réduit à 550 l/h, ce qui le place dans le régime d'écoulement laminaire, tandis que le débit de la sonde séparatrice a été augmenté à 1400 l/h, ce qui correspond à un régime d'écoulement transitoire.
Cette configuration a permis d'extraire la même quantité de chaleur des deux forages, comme le montre le graphique ci-dessous, qui se concentre à nouveau sur la période de fonctionnement continu la plus longue (environ 4 heures).
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Si vous n'êtes pas familier avec les différences entre les écoulements laminaires, transitoires et turbulents dans les systèmes géothermiques, consultez notre article sur les régimes d'écoulement. ici.
Bien que les deux systèmes aient fourni presque la même extraction de chaleur, la différence de température (deltaT) entre l'entrée et la sortie du fluide était plus faible pour la sonde separatus. Cela s'explique par le débit plus élevé, qui entraîne une chute de température plus faible dans l'échangeur de chaleur.
Résultats
Les résultats de la simulation précédente ont été utilisés pour rétroconcevoir les paramètres d'un tube en U unique qui donnerait la même résistance thermique effective du trou de forage que celle mesurée pour le séparatus. Cela a été fait en utilisant une approche d'essai et d'erreur, en supposant que le trou de forage était entièrement jointoyé.
La correspondance la plus étroite a été obtenue avec les paramètres suivants :
- Diamètre du tube : 35,74 mm
- Épaisseur de la paroi : 3 mm
- Distance entre les tuyaux et le centre : 18 mm
Pour modéliser l'interaction thermique supplémentaire entre les jambes chaudes et froides de la sonde separatus - causée par le mur de séparation interne - une résistance de contact supplémentaire de 0,03 mK/W a été ajoutée.
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En raison de sa conception, separatus a plus d'interaction thermique entre les jambes chaudes et froides qu'un simple tube en U typique. Pour en tenir compte dans le modèle, une résistance supplémentaire doit être introduite. Cette résistance est en série avec les résistances fluide-tube, tube et tube-sol (comme expliqué dans notre article sur la résistance thermique effective des forages, que vous pouvez trouver à l'adresse suivante ici). Sur la base d'un étalonnage par essais et erreurs par rapport aux données mesurées, une résistance de contact de 0,03 mK/W a été jugée comme représentant le mieux les performances observées.
Quelle est la prochaine étape ?
Le modèle décrit ci-dessus fournit une approximation technique pour simuler le comportement thermique de la sonde separatus. Bien qu'il soit utilisable dans la pratique, il repose sur quelques simplifications :
- La géométrie de la conduite est modélisée comme un simple tube en U, dont le diamètre est choisi de manière à ce que la surface de la section transversale corresponde à celle de la conduite séparative.
- Un facteur de correction supplémentaire a été introduit pour simuler l'interaction thermique additionnelle entre les côtés chaud et froid à l'intérieur du tuyau, mais il était basé sur une seule mesure.
Le modèle étant calibré à partir de mesures réelles, il peut être considéré comme fiable lorsqu'il est utilisé dans des conditions similaires à la configuration expérimentale, en particulier dans le régime d'écoulement turbulent.
Élargir l'applicabilité et la précision du modèle, Enead et separatus collaborent actuellement au développement d'un nouveau modèle plus complet. Cette version actualisée sera basée sur la géométrie réelle de l'échangeur de chaleur separatus et permettra des prévisions plus précises de la résistance thermique du trou de forage dans un plus large éventail de conditions (par exemple, différents diamètres de trou de forage, régimes de fluides, etc.) Grâce à la disponibilité de données de mesure supplémentaires, ce modèle de nouvelle génération peut également être calibré avec une plus grande précision.
Conclusion
Cet article explique le développement du modèle de l'échangeur de chaleur separatus. Le modèle actuel est construit sur la base d'un tube en U unique et a été calibré à l'aide de mesures réelles du système separatus. Une voie claire a été tracée, dans le but de passer à un modèle plus géométrique qui permette une simulation précise dans une gamme plus large de cas d'utilisation.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.