文章来源

Frank S, Heinze T, Pollak S, et al. Transient heat transfer processes in a single rock fracture at high flow rates[J]. Geothermics, 89: 101989.

全文导读

了解裂隙内部传热过程及其对裂隙表面形态的影响是优化热采的关键，在本研究中，我们研究了不同入流温度下高流速(80~350 mm/s)下的瞬态传热行为。在实验装置中安装了一个分裂的砂岩岩心，允许流体循环、冷却和再加热。水通过裂缝循环，在上游的热交换器的帮助下产生温度阶跃。岩心前后的热电偶实现了瞬态冷却和加热曲线的测量和评估。热穿透曲线揭示了岩石在相当长的时间内保持最大流出温度的能力。热和质量分散系数是可比较的，但热传递的解析解的使用具有很大的局限性。传热系数采用稳态法测定。通过对表面粗糙度的评价，发现其对传热系数的重要影响。我们的实验表明，流速超过200 mm/s会导致冷出口温度，导致储层的冷却和长时间的换热过程。就地热能产生的效率而言，这些影响不应被低估。本研究的目的是研究单一裂缝系统的瞬态传热过程，以及在相对高流速下达到的稳态条件。进一步研究了裂缝开缝宽度、裂缝表面粗糙度、渗透率和弥散系数等输输参数对传热过程的影响。本文介绍了从等相温度的局部热平衡状态向稳态LTNE状态过渡的瞬态传热实验和分析。

热传导研究的实验装置示意图

孔径分布采用高精度表面扫描试样半分裂后的岩心

结果讨论

本研究的目的是研究高流速(高达350 mm/s)下单裂隙系统在瞬态和稳态下的传热。从实验中我们得出结论：

在非常高的流速，高于本研究测试，热传递能量将达到其最大。热扩散长度和扩散时间尺度表明，裂缝内垂直扩散足以使流体内部温度分布完全发育。热传递的最大值只能由热传递机制缩减导致，与当前的模型预测不一致。

岩石的瞬态特性受到岩石性质的强烈影响，因为岩石的热容量和传导率控制着其维持初始最大出口温度的能力，而维持时间大体上比流动时间长。在目前的模型中，热传递被认为与岩石类型无关。我们的研究表明，至少在瞬态特性方面的实验应该在真实的地热储层岩石上进行。

换热方向对换热系数的绝对值没有影响，因为换热方向的变化过程是平滑的、无间断的。

粗糙度计算导致在减去断裂面接触面积时，传热面积比具有平面表面的模型大20%。由于传热系数的理论模型与接触面积成反比关系，使用平面进行计算会低估传热系数。非均匀流场对断裂表面粗糙度的进一步影响仍然是未来的研究课题，但无法通过实验室方法实现。

数值模拟需要考虑温度依赖的流体参数，以再现系统在加热和冷却期间观察到的压力变化。此外，瞬态行为对于参数校准和验证影响瞬态行为的传热系数的数值模型也很重要。解析方程无法再现得到的实验突破曲线，这说明需要更复杂的数值程序。

流入与流出温度之间热突破信号随流速变化的时间差

不同泵速下系统内及换热器内进出水的瞬态温度和压力曲线