Numerical Model of Borehole Heat Exchanger in Ansys CFX Software / Numeryczny Model Otworowego Wymiennika Ciepła W Pakiecie Ansys Cfx

Open access

Abstract

The paper presents the results of numerical simulation of thermal response test (TRT) and the results of the experiment of TRT in Johan Paul the second Centre “Have No Fear!” in Cracow. The aim of the study is to determine and compare the values of effective thermal conductivity of rocks obtained in TRT experiment with the results obtained from the numerical simulation of TRT. The results are shown as graphs of temperature variation in the time on inlet and outlet of the borehole heat exchanger (BHE) and as drawings of thermal distribution. Borehole heat exchanger is constructed of a single u-tube at a depth of 180 m. In the numerical simulation of TRT was included geological profile of the rock mass and the associated changes in thermal properties of rocks. Temperature dependence of liquid viscosity were also adopted. Groundwater flow has been neglected. Presented mathematical model based on energy balance equation, Navier-Stokes equation and flow continuity equation was solved using the finite volume method. To numerical calculation was used ANSYS CFX software.

Streszczenie

W pracy przedstawiono wyniki numerycznej symulacji testu reakcji termicznej górotworu (TRT) oraz wyniki z przeprowadzonych badań polowych badawczego wymiennika otworowego w budowanym Centrum Jana Pawła II „Nie lękajcie się” w Krakowie-Łagiewnikach. Celem pracy jest określenie oraz porównanie wartości efektywnej przewodności cieplnej skał otrzymanej w badaniach polowych z wynikami otrzymanymi z numerycznej symulacji testu TRT. Wyniki przedstawiono w postaci wykresów zmian temperatury nośnika ciepła w czasie na zasilaniu i powrocie z otworowego wymiennika ciepła oraz w formie rysunków przedstawiających rozkłady pól temperatury. Otworowy wymiennik ciepła zbudowany jest z pojedynczej u-rurki o głębokości 180 m. W numerycznej symulacji testu uwzględniono profil litologiczny górotworu oraz związane z tym zmiany właściwości termicznych skał. Uwzględniono również zmiany lepkości czynnika grzewczego od temperatury. Nie uwzględniono natomiast przepływu wód podziemnych. Przedstawiony model matematyczny oparty na równaniach bilansu energii, równaniach Naviera-Stoksa oraz równaniach ciągłości przepływu rozwiązano z wykorzystaniem metody objętości skończonych. Obliczenia numeryczne przeprowadzono w środowisku Ansys CFX.

References
  • Al-Khoury R., Kolbel T., Schramedei R., 2010. Efficient numerical modeling of borehole heat exchangers. Computers and Geosciences, 36, 1301-1315.

  • Beier R.A., 2011. Vertical temperature profile in ground heat exchanger during in-situ test. Renewable Energy, 36, 1578-1587.

  • Diersch H.-J.G., Bauer D., Heidemann W., Ruhaak W., Schatzl P., 2011. Finite element modeling of borehole heat exchangersystems Part 2. Numerical simulation. Computers and Geosciences, 37, 1136-1147.

  • Eskilson P., 1987. Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes, Doctoral Thesis, University of Lund, Sweden.

  • Gehlin S., 2002. Thermal Response Test - Method development and evaluation. Doctoral Thesis 2002:39, LuTH.

  • Gołaś A., Wołoszyn J., 2011. Analiza rozkładu pola temperatury w gruntowych wymiennikach ciepła. Modelowanie Inżynierskie 41 Gliwice, ISSN 1896-771X.

  • Gonet A. (red.), 2011. Metodyka identyfikacji potencjału cieplnego górotworu wraz z technologia wykonywania i eksploatacjiotworowych wymienników ciepła, Wydawnictwa AGH, Kraków.

  • Gonet A., Śliwa T., 2010b. Testowanie otworowych wymienników ciepła (TRT). GLOBEnergia ; ISSN 1897-1288, nr 1.

  • Gonet A., Śliwa T., 2010a. Interpretacja testów reakcji termicznej otworowych wymienników ciepła w Krakowie-Łagiewnikach,Centrum Jana Pawła II „Nie lękajcie się“. Kraków, (praca niepublikowana).

  • Hart D.P., Couvillion R., 1986. Earth Coupled Heat Transfer. Publication of the National Water Well Association.

  • Ingersoll, L.R., Zobel O.J., Ingersoll A.C., 1954. Heat conduction with engineering, geological, and other applications. New York.

  • Katalog Chem Group, 2011. Inc. http://www.chem-group.com/2011

  • Kavanaugh, S.P., Deerman J.D., 1991. Simulation of Vertical U-Tube Ground Coupled Heat Pump Systems Using theCylindrical Heat Source Solution, ASHRAE Transactions. vol. 97.

  • Kohl T., 1992. Modellsimulation gekoppelter Vorgänge beim Wärmeentzug aus heissem Tiefengestein. Ph.D. thesis, ETH Zürich, No 9802, Switzerland, Zürich.

  • Kujawa T., Nowak W., Szaflik W., 1998. Mathematical model of a geothermal Field exchanger. ed. Tupholme G., E., Wood A., S., Mathematics of Heat Transfer, Clarendon Press, Oxford.

  • Lee C.K., Lam H.N., 2008. Computer simulation of borehole ground heat exchangers for geothermal heat pump systems. Renewable Energy, 33, 1286-1296.

  • Li Z., Zheng M., 2009. Development of a numerical model for the simulation of vertical U-tube ground heat exchangers. Applied Thermal Engineering, 29, 920-924.

  • Pająk L., 1999. Określenie mocy pionowych wymienników ciepła wykorzystujących energię geotermiczną. Ogólnopolskie Forum Odnawialnych Źródeł Energii.

  • Pruess K., Oldenburg C., Moridis G., 1999. TOUGH2 User’s Guide, Version 2.0. Lawrence Berkeley National Laboratory University of California, Berkeley.

  • Raymond J., Therrien R., Gosselin L., 2011. Borehole temperature evolution during thermal response test. Geothermics, 40, 69-78.

  • Sanner B., Hellstrom G., Spitler J., Gehlin S., 2005. Thermal response test - current status and world-wide application. Proceedings World Geothermal Congress 2005 Antalya, Turkey, 24-29 April.

  • Śliwa T., Gonet A., 2004. Mathematical model of borehole heat exchanger. JERT

  • Śliwa T., 2002. Techniczno-ekonomiczne problemy adaptacji wykorzystanych odwiertów na otworowe wymienniki ciepła. Doctoral Thesis, AGH, Kraków.

  • Solik-Heliasz E., Skrzypczak M., 2009. The technological design of geothermal plant for producing energy from minewaters. Archives of Mining Sciences, Vol. 54 , No 3, p. 563-572.

  • Staśko D., Kalisz M., 2006. An evaluation model of energy safety in Poland in view of energy forecasts for 2005-2020. Archives of Mining Sciences, Vol. 51, No 3, p. 311-346.

Archives of Mining Sciences

The Journal of Committee of Mining of Polish Academy of Sciences

Journal Information


IMPACT FACTOR 2016: 0.550
5-year IMPACT FACTOR: 0.610

CiteScore 2016: 0.72

SCImago Journal Rank (SJR) 2016: 0.320
Source Normalized Impact per Paper (SNIP) 2016: 0.950

Metrics

All Time Past Year Past 30 Days
Abstract Views 0 0 0
Full Text Views 10 10 10
PDF Downloads 2 2 2