Wärmetransfer in porösen und geklüfteten Aquiferen

An der Phasengrenze von Wasser und Gestein kann es zu einem lokalen thermischen Ungleichgewicht kommen, wenn die Temperaturen des strömenden Fluids und des umgebenden Wirtsgesteins voneinander abweichen. Solche Fälle treten zum Beispiel auf, wenn kaltes Wasser in ein warmes System eingegeben wird und es eine bestimmte Zeit und Fließstrecke dauert, bis ein thermisches Gleichgewicht zwischen den Phasen erreicht ist.

Die explizite Beschreibung des Wärmeübergangs zwischen den Phasen ist eine schwierige Aufgabe, da der Wärmeübergangskoeffizient von verschiedenen Parametern wie der Fließgeschwindigkeit und der Kluftöffnungsweite, abhängt. Experimentell ist der Wärmeübergangskoeffizient nur schwer zu bestimmen, da er aus der Austrittstemperatur abgeleitet werden muss. Dazu müssen analytischen oder numerische Lösungsverfahren zur Berücksichtigung des Wärmeflusses innerhalb der porösen Matrix und des strömenden Fluids eingesetzt werden.

Auf der Grundlage analytischer Lösungen zur Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten einzelner Klüfte kann die Bedeutung der Topologie des Kluftnetzes und der Kombination von Klüften im Allgemeinen untersucht werden. Der Einfluss des Wärmeübertrags einzelner Risse auf die Temperaturverteilung wird stark durch die Netzwerktopologie, aber auch durch die Heterogenität im Netzwerk insgesamt, geprägt. Durch die lineare Abhängigkeit des Wärmeübertrags von Kluftöffnungsweite und Geschwindigkeit dominieren insbesondere breite Klüfte mit hohen Fließraten den Wärmeübertrag pro Längeneinheit. Erst bei übermäßig hohen Fließgeschwindigkeiten reduziert die geringe Verweilzeit in der Kluft den Zugewinn an Wärmeübertrag durch die erhöhte Geschwindigkeit. Bei Netzwerken mit hoher Kluftdichte und guter Konnektivität ist der Einfluss einzelner Klüfte stark reduziert im Vergleich zu Netzwerken mit geringer Konnektivität.