DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34388-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507299
تاريخ النشر: 2026-01-08
المؤلف: Xingyu Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأيروجيلات والعزل الحراري
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير حجم الحبيبات على أداء العزل الحراري لحبيبات هلام السيليكا، والتي تتميز بانخفاض الموصلية الحرارية وخصائصها الكارهة للماء. تم إنتاج حبيبات هلام السيليكا بأحجام تتراوح من 0.04 إلى 3.33 مم من خلال الطحن الميكانيكي أو الطحن النفاث. تم تطوير نموذج شبكة مقاومة حرارية متوازية للتنبؤ بالموصلية الحرارية الفعالة، والتي تم قياسها باستخدام طريقة مقياس تدفق الحرارة. تكشف النتائج أن الحبيبات ذات القطر المتوسط 0.61 مم أظهرت أقل موصلية حرارية تبلغ 0.0173 واط·م⁻¹·ك⁻¹. يُعزى هذا الأداء الحراري الأمثل إلى توازن بين التوصيل في الطور الصلب، الذي يتم تقليله من خلال تقليل نقاط الاتصال، والتوصيل في الطور الغازي، الذي يسهل من خلال كثافة التعبئة المضغوطة.
بالإضافة إلى ذلك، أشارت محاكيات COMSOL إلى أن استخدام هذا المادة الهلامية في بئر حراري على شكل حرف U بطول 2 كم يمكن أن يحافظ على درجة حرارة سائل المخرج عند 99.38 °م. تستنتج الدراسة أن الموصلية الحرارية لطبقات العزل الهلامية (AILs) لخطوط الأنابيب النفطية والحرارية تظهر اعتمادًا على شكل حرف U على حجم الحبيبات، حيث تحدث أقل موصلية حرارية عند 0.61 مم. توضح الأبحاث آليات توصيل الحرارة في هلام السيليكا الحبيبي، مع تسليط الضوء على أهمية شكل التعبئة على مستوى الحجم في التحكم في الأداء الحراري.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية الطاقة الحرارية الأرضية كمصدر متجدد مستدام وصديق للبيئة، خاصة في الصين، حيث يعد الاستغلال الفعال للاحتياطيات الحرارية الأرضية أمرًا حيويًا للحفاظ على الطاقة وتقليل الانبعاثات. لقد اعتمدت بناء آبار الحرارة الأرضية بشكل متزايد على تقنيات الحفر المشتقة من النفط، مما يبرز أهمية مواد العزل عالية الأداء لأسطوانات النفط لتعزيز كفاءة استخدام الحرارة واستقرار التشغيل. تظهر مواد العزل التقليدية مثل الصوف الزجاجي والألياف الزجاجية قيودًا مثل الموصلية الحرارية العالية ومقاومة الرطوبة الضعيفة، مما يستدعي تطوير مواد متقدمة.
تعتبر هلام السيليكا، المعروفة بخصائصها الاستثنائية في العزل بسبب كثافتها المنخفضة وموصلتها الحرارية (حوالي 0.02 واط·م⁻¹·ك⁻¹)، حلاً واعدًا. تجعل هيكلها المسامي الفريد وخصائصها الكارهة للماء مناسبة للبيئات القاسية. لقد حسنت التطورات الأخيرة في تكنولوجيا الهلام، بما في ذلك تنظيم المجموعات السطحية، من كفاءة عزلها الحراري واستقرارها الكاره للماء. بينما تم استخدام مركبات قائمة على الهلام في عزل الأنابيب، تواجه الأشكال التقليدية تحديات مثل الكثافة العالية والمرونة المحدودة. بالمقابل، تقدم حبيبات هلام السيليكا مزايا من حيث الكثافة المنخفضة والقدرة على التكيف مع المساحات غير المنتظمة. ومع ذلك، لا يزال العلاقة بين حجم الحبيبات وأداء العزل غير مستكشفة بشكل كافٍ، وهو ما تهدف هذه الدراسة إلى معالجته من خلال التحقيق في حبيبات هلام السيليكا كمواد تعبئة لطبقات العزل الهلامية في التطبيقات الحرارية الأرضية.
طرق
في هذه الدراسة، تشمل المواد التجريبية المستخدمة ميثيل تريميثوكسي سيليان (MTMS، 97%)، يوريا (99.3%)، وبروميد سيتيل تريميثيل الأمونيوم (CTAB، 98%)، جميعها مستمدة من شركة ألفا أيسر. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على حمض الأسيتيك (نقي تحليليًا) والماء منزوع الأيونات (DIW) من مصنع بكين الكيميائي، بينما تم شراء الإيثانول والإيزوبروبانول من تكنولوجيا ألعادين الكيميائية. تم اختيار هذه المواد لخصائصها الكيميائية المحددة، والتي تعتبر حاسمة للإجراءات التجريبية الموضحة في البحث.
نتائج
كانت نتائج محاكيات COMSOL تهدف إلى التحقق من آلية العزل لآبار الحرارة الأرضية على شكل حرف U مع طبقات عزل هلامية وتقييم تطبيقها العملي. تم قياس الموصلية الحرارية للهلام عند 0.0173 واط·م⁻¹·ك⁻¹، والتي تم اشتقاقها من البيانات التجريبية لحجم الحبيبات المحسن 0.61 مم، والذي أظهر أقل موصلية حرارية فعالة. استخدمت المحاكيات تدرج حراري عمودي قدره 4 كلفن/100 م وقارنت أداء الهلام ضد مواد العزل التقليدية مثل الصوف الزجاجي والألياف الزجاجية، التي تتراوح موصلاتها الحرارية من 0.03 إلى 0.05 واط·م⁻¹·ك⁻¹. تم نمذجة صخور التكوين كوسط متجانس مع معلمات حرارية فيزيائية محددة، بما في ذلك موصلية حرارية تتراوح من 3.03 إلى 3.44 واط·م⁻¹·ك⁻¹.
تم تطوير نموذجين لنقل الحرارة: أحدهما لاختبارات الموصلية الحرارية والآخر للتطبيقات العملية في خطوط الأنابيب النفطية. استخدم نموذج الموصلية الحرارية قانون فورييه لحساب تدفق الحرارة من بيانات درجة الحرارة، مما يكشف أنه على الرغم من اختلاف القيم المطلقة، إلا أن النموذج توقع بدقة الاتجاه العام في سلوك الموصلية الحرارية. في نموذج التطبيق العملي، تم دمج طبقة العزل الهلامية في تكوين بئر على شكل حرف U، مما يسهل التبادل الحراري الفعال بين السوائل المدخلة والصخور الجافة الساخنة. أظهرت المحاكيات الأداء المتفوق للعزل الحراري للهلام عبر معلمات مختلفة، بما في ذلك معدلات التدفق وأحجام الأسطوانات، مع الإشارة إلى أن الأقطار الداخلية الأكبر للأنابيب أدت إلى انخفاض درجات حرارة المخرج. يبرز هذا الحاجة إلى تحقيق توازن بين الكفاءة الحرارية وتكاليف المواد في التطبيقات الهندسية، كما هو ملخص في الجداول والأشكال المقدمة.
مناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون إعداد وخصائص طبقات العزل الهلامية (AILs) لإدارة الحرارة، خاصة في خطوط الأنابيب النفطية والحرارية الأرضية. تم تصنيع هلام السيليكا من خلال عملية sol-gel ذات الخطوتين باستخدام سلف ميثيل تريميثوكسي سيليان، تلاها التجفيف بالتجميد وتقليل الحجم عبر الطحن اليدوي والطحن النفاث. أظهرت الحبيبات الناتجة توزيع حجم محكوم يتراوح من 10 ميكرومتر إلى 6 مم، حيث أنتجت عملية الطحن اليدوي نطاق حجم أوسع مقارنة بالطحن النفاث. شملت طرق التوصيف قياسات الموصلية الحرارية باستخدام مقياس تدفق الحرارة الثابت وتحليل البنية الدقيقة عبر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وخصائص الامتصاص والانبعاث للنيتروجين، مما يكشف أن الهلام حافظ على هيكله النانوي بعد المعالجة.
تستكشف الدراسة أيضًا آليات العزل الحراري للـ AILs، مع التركيز على التفاعل بين التوصيل الصلب من خلال هيكل السيليكا والتوصيل الغازي داخل الفراغات البينية. حدد المؤلفون حجم حبيبات مثالي يبلغ حوالي 0.61 مم، مما يقلل من الموصلية الحرارية (0.0173 واط·م⁻¹·ك⁻¹) بسبب زيادة الاتصال الصلب وتقليل مسارات التوصيل الغازي. كما لاحظوا أن الحبيبات الأكبر تؤدي إلى زيادة التوصيل الغازي، بينما يمكن أن تؤدي الحبيبات الأصغر، على الرغم من كثافتها العالية، إلى المساس بسلامة شبكة الهلام. تشير النتائج إلى أن الموصلية الحرارية الفعالة للـ AILs تتأثر بشكل كبير بشكل الحبيبات وكثافة التعبئة، مما يوفر رؤى للتطبيقات المستقبلية في العزل الحراري وكفاءة الطاقة في البيئات الصناعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34388-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507299
Publication Date: 2026-01-08
Author(s): Xingyu Liu et al.
Primary Topic: Aerogels and thermal insulation
Overview
This study investigates the impact of granule size on the thermal insulation performance of silica aerogel granules, which are characterized by low thermal conductivity and hydrophobic properties. Silica aerogel granules with sizes ranging from 0.04 to 3.33 mm were produced through mechanical or jet grinding. A parallel thermal resistance network model was developed to predict effective thermal conductivity, which was measured using the heat flow meter method. The findings reveal that granules with an average diameter of 0.61 mm exhibited the lowest thermal conductivity of 0.0173 W·m⁻¹·K⁻¹. This optimal thermal performance is attributed to a balance between solid-phase conduction, which is minimized by reduced contact points, and gas-phase conduction, facilitated by a compact packing density.
Additionally, COMSOL simulations indicated that utilizing this aerogel material in a 2 km U-shaped geothermal well could maintain the outlet fluid temperature at 99.38 °C. The study concludes that the thermal conductivity of the aerogel insulation layers (AILs) for petroleum and geothermal pipelines displays a U-shaped dependence on granule size, with the minimum thermal conductivity occurring at 0.61 mm. The research elucidates the mechanisms of heat conduction in granular silica aerogels, highlighting the significance of packing-scale morphology in governing thermal performance.
Introduction
The introduction highlights the significance of geothermal energy as a sustainable and eco-friendly renewable resource, particularly in China, where efficient exploitation of geothermal reserves is crucial for energy conservation and emission reduction. The construction of geothermal wells has increasingly adopted petroleum-derived drilling technologies, emphasizing the importance of high-performance insulation materials for oil casings to enhance heat-utilization efficiency and operational stability. Traditional insulation materials like glass wool and fiberglass exhibit limitations such as high thermal conductivity and poor moisture resistance, necessitating the development of advanced materials.
Silica aerogels, recognized for their exceptional insulation properties due to their low density and thermal conductivity (approximately 0.02 W·m⁻¹·K⁻¹), present a promising solution. Their unique porous structure and hydrophobic characteristics make them suitable for harsh environments. Recent advancements in aerogel technology, including interfacial group regulation, have further improved their thermal insulation efficiency and hydrophobic stability. While aerogel-based composites have been utilized in pipeline insulation, conventional forms face challenges such as high density and limited flexibility. In contrast, silica aerogel granules offer advantages in terms of low density and adaptability for irregular spaces. However, the relationship between granule size and insulation performance remains underexplored, which this study aims to address by investigating silica aerogel granules as filling materials for aerogel insulation layers in geothermal applications.
Methods
In this study, the experimental materials utilized include methyltrimethoxysilane (MTMS, 97%), urea (99.3%), and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB, 98%), all sourced from Alfa Aesar Inc. Additionally, acetic acid (analytically pure) and deionized water (DIW) were obtained from Beijing Chemical Plant, while ethanol and isopropanol were procured from Aladdin Biochemical Technology. These materials were selected for their specific chemical properties, which are critical for the experimental procedures outlined in the research.
Results
The results of the COMSOL simulations aimed to validate the insulation mechanism of U-shaped geothermal wells with aerogel insulation layers and assess their practical application. The thermal conductivity of the aerogel, measured at 0.0173 W·m⁻¹·K⁻¹, was derived from experimental data for the optimized granule size of 0.61 mm, which exhibited the lowest effective thermal conductivity. The simulations utilized a vertical geothermal gradient of 4 K/100 m and compared the aerogel’s performance against conventional insulation materials like glass wool and fiberglass, which have thermal conductivities ranging from 0.03 to 0.05 W·m⁻¹·K⁻¹. The formation rock was modeled as a homogeneous medium with established thermophysical parameters, including a thermal conductivity of 3.03-3.44 W·m⁻¹·K⁻¹.
Two heat transfer models were developed: one for thermal conductivity tests and another for practical applications in petroleum pipelines. The thermal conductivity model employed Fourier’s law to calculate heat flux from temperature data, revealing that while absolute values differed, the model accurately predicted the overall trend in thermal conductivity behavior. In the practical application model, the aerogel insulation layer was integrated into a U-shaped well configuration, facilitating efficient thermal exchange between injected fluids and hot dry rock. The simulations demonstrated the aerogel’s superior thermal insulation performance across various parameters, including flow rates and casing sizes, with results indicating that larger inner pipe diameters led to decreased outlet temperatures. This highlights the need for a balance between thermal efficiency and material costs in engineering applications, as summarized in the provided tables and figures.
Discussion
In this section, the authors detail the preparation and characterization of silica aerogel insulation layers (AILs) for thermal management applications, particularly in petroleum and geothermal pipelines. The silica aerogel was synthesized through a two-step sol-gel process using MTMS precursor, followed by freeze-drying and size reduction via manual grinding and jet milling. The resulting granules exhibited a controlled size distribution ranging from 10 μm to 6 mm, with the manual grinding process yielding a broader size range compared to jet milling. Characterization methods included thermal conductivity measurements using a steady-state heat flow meter and microstructural analysis via scanning electron microscopy (SEM) and nitrogen adsorption-desorption isotherms, revealing that the aerogels maintained their nanoporous structure post-processing.
The study further explores the thermal insulation mechanisms of the AILs, emphasizing the interplay between solid conduction through the silica skeleton and gaseous conduction within the interstitial voids. The authors identified an optimal granule size of approximately 0.61 mm, which minimizes thermal conductivity (0.0173 W·m⁻¹·K⁻¹) due to enhanced solid contact and reduced gas conduction pathways. They also noted that larger granules lead to increased gaseous conduction, while smaller granules, despite higher packing density, can compromise the aerogel network’s integrity. The findings suggest that the effective thermal conductivity of the AILs is significantly influenced by granule geometry and packing density, providing insights for future applications in thermal insulation and energy efficiency in industrial settings.