Actualmente, el cable coaxial JANSEN Powerwave de Jansen está disponible en la configuración GHEtool Cloud. En este artículo, analizamos el modelo matemático en el que se basa esta sonda coaxial, centrándonos en el comportamiento fluidodinámico del sistema.
Cable coaxial Powerwave de JANSEN
El JANSEN Powerwave Coax es un intercambiador de calor geotérmico coaxial desarrollado por la empresa suiza Jansen. Se trata de un tubo coaxial con un diámetro exterior de 63 mm y un tubo interior de 32 mm, ambos con un espesor de pared de 2,9 mm. Lo que hace que este tubo sea único es su superficie exterior corrugada, que aumenta la superficie de transferencia de calor al lechado y modifica el comportamiento del fluido en el interior de la sonda.
Esta superficie exterior ondulada modifica el comportamiento del fluido y, por lo tanto, también la turbulencia en el espacio anular de la tubería. Esto altera tanto la transferencia de calor del espacio anular a la lechada como la transferencia de calor de la zona del espacio anular a la tubería interior. Para cuantificar esta transferencia de calor, primero hay que cuantificar el comportamiento del fluido en esta sonda. Al igual que con el TurboCollector y el MuoviELLIPSE, lo que también alteró el comportamiento de los fluidos internos a su manera; esto puede cuantificarse recurriendo a la dinámica de fluidos computacional y, más concretamente, a la simulación numérica directa.
Nota
El desarrollo del modelo del cable coaxial «Powerwave» de JANSEN se presentó en el Congreso de Geotermia de 2026, celebrado en Potsdam (Alemania). Este artículo es una descripción de carácter divulgativo de dicho trabajo científico. Para obtener información más detallada sobre el modelo utilizado, se remite al lector al artículo original, cuya referencia figura a continuación.
Nota
Además del cable coaxial Powerwave, Jansen también fabrica este tubo corrugado en configuración de U simple o doble. Debido a la diferencia significativa en el comportamiento del fluido (las configuraciones de U simple y doble no son, por supuesto, coaxiales), el comportamiento del fluido en el interior de estas sondas vuelve a ser diferente y requiere un estudio específico. Las demás «powerwaves» se tratarán en un artículo posterior.
Desarrollo de modelos
En esta sección se analiza el desarrollo del modelo del cable coaxial «Powerwave» de JANSEN. En primer lugar, se analizan las simulaciones de fluidos, seguidas de las correlaciones para el número de Nusselt y el coeficiente de fricción.
Simulaciones de fluidos
La dinámica de fluidos computacional (o CFD, por sus siglas en inglés) es uno de los campos más importantes de la ingeniería en la actualidad. Se utiliza para simular el comportamiento de los fluidos en plantas químicas, optimizar la forma de las alas de los aviones para maximizar la sustentación, evaluar el rendimiento aerodinámico de los vehículos, predecir la producción de los aerogeneradores y mucho más.
Aunque existen diferentes modelos de turbulencia, que van desde modelos simplificados y más rápidos como el RANS o el LES, en este estudio se utiliza el método de Simulación Numérica Directa (o DNS), más preciso pero que requiere un mayor esfuerzo computacional. Con este enfoque, la turbulencia se calcula hasta las escalas temporales y espaciales más pequeñas, lo que permite estudiar con precisión tanto el comportamiento térmico como el hidráulico. Esto es necesario para determinar el inicio real de la turbulencia en el conducto coaxial de la onda de potencia, así como la transferencia de calor en todos los distintos regímenes de flujo.
En la siguiente figura se muestran los resultados del fluido para diferentes números de Reynolds, que oscilan entre 600 y 2000.
Al observar las diferentes simulaciones anteriores, queda claro que el caso con un número de Reynolds de 600 sigue siendo completamente laminar, lo que se aprecia en la clara distinción entre los distintos colores que indican la temperatura del fluido. En este caso, todas las capas se desplazan claramente una junto a otra y no se produce mezcla alguna.
Cuando se aumenta el caudal hasta alcanzar un número de Reynolds de entre 800 y 1000, esto cambia claramente. A Re = 800 se observan los primeros vórtices en el interior de los pozos, pero estos permanecen principalmente dentro del propio pozo, provocando solo una perturbación menor en el flujo general dentro del anillo de la tubería. A Re = 1000, estas perturbaciones comienzan a propagarse por el resto de la sonda, reduciendo significativamente la región laminar. Por lo tanto, se considera que el inicio de la turbulencia se produce a Re = 1000.
Para números de Reynolds más elevados, esta mezcla va aumentando, desapareciendo la región laminar en torno a Re = 1400 y presentándose un flujo claramente mezclado para números de Reynolds superiores a 2000. Sin embargo, por motivos de coherencia, se considera que el flujo turbulento plenamente desarrollado comienza a partir de Re = 4000.
Desarrollo de las correlaciones
A partir de las simulaciones de fluidos anteriores, se pueden derivar las correlaciones para el número de Nusselt (utilizado para la transferencia de calor por convección) y el factor de fricción (utilizado para la caída de presión). A diferencia de las correlaciones desarrolladas para el TurboCollector y el MuoviELLIPSE, el Powerwave Coax requiere dos correlaciones diferentes para el número de Nusselt. Esto se debe a que el fluido del anillo intercambia calor tanto con la lechada, a través de la pared exterior corrugada del tubo, como con el tubo interior. A continuación se muestran ambas correlaciones.
Al analizar la situación en la pared exterior del anillo, queda claro que el número de Nusselt aumenta significativamente en torno a Re = 1000, que era precisamente el punto de inicio de la región de turbulencia. En el caso del tubo interior, esta transición comienza algo más tarde y es menos pronunciada. Al observar las simulaciones de fluidos anteriores, también queda claro que los vórtices más intensos (y los primeros en aparecer) se producen en los pozos y no cerca de la pared interior del tubo, lo que a su vez resulta beneficioso para la transferencia de calor por convección.
Nota
Cabe señalar que, en el caso del número de Nusselt, se realizaron varias simulaciones para diferentes números de Prandtl, indicados con los colores rojo y azul. Una explicación detallada del número de Prandtl excede el alcance de este artículo, pero para aplicaciones geotérmicas suele oscilar entre aproximadamente 20 (azul) y 75 (rojo), dependiendo de las propiedades del fluido —como el tipo de anticongelante utilizado— y de la temperatura del mismo.
En cuanto al coeficiente de fricción, la correlación se muestra más arriba. En este caso, el coeficiente de fricción disminuye con bastante rapidez en el régimen laminar y se mantiene bastante constante en las regiones de transición y turbulenta.
Utilizando las ecuaciones del número de Nusselt y del coeficiente de fricción, se pueden trazar gráficos de la resistencia térmica efectiva del pozo y de la caída de presión. Esto se tratará en la siguiente sección.
Resultados de la simulación
En esta sección se analizará, en primer lugar, la resistencia térmica efectiva en el pozo del cable coaxial Powerwave de JANSEN, y a continuación se abordará la caída de presión.
Resistencia térmica efectiva de la perforación
El gráfico siguiente muestra la resistencia térmica efectiva del pozo para el cable coaxial JANSEN Powerwave, así como para un tubo coaxial convencional (con el mismo tubo interior de 32 mm y un diámetro exterior de 63 mm) y una sonda doble DN32, a modo de comparación. Los resultados se obtuvieron para un diámetro de pozo de 150 mm (salvo que se indique lo contrario) y un fluido compuesto por un 25 % v/v de monopropilenglicol (MPG) % en todos los casos. Se asumió una profundidad de pozo de 100 m, junto con una conductividad térmica del lechado de 1,5 W/(mK).
En el gráfico anterior se aprecia claramente que el tubo coaxial Powerwave ofrece un mejor rendimiento que el tubo coaxial convencional para todos los caudales. Alrededor de 0,7 l/s, el fluido en el anillo del tubo coaxial convencional también se vuelve turbulento, lo que mejora significativamente la transferencia de calor. Por eso, a caudales más elevados, el tubo coaxial convencional converge hacia la solución del tubo coaxial «Powerwave», que ya es turbulento a partir de unos 0,2 l/s.
La pequeña diferencia que se aprecia en torno a los 0,2 l/s corresponde al punto en el que se produce turbulencia en la tubería interior de DN32. Esto aumenta ligeramente la resistencia del pozo, ya que el cortocircuito térmico entre la tubería interior y la exterior es ahora menor.
Dado que se supone que la tubería coaxial se encuentra en el centro, en el caso de un pozo de 150 mm de diámetro interior, esto implica que hay más de 40 mm de lechada a ambos lados de la tubería, lo que la aísla de la pared. Por lo tanto, cuando se instala el Powerwave Coax en un pozo de menor diámetro, de 110 mm, la resistencia del pozo disminuye significativamente, superando incluso a la sonda de doble U en un rango de 0,2 a 0,4 l/s.
En el gráfico anterior se muestra la resistencia del pozo para un caudal constante, pero con diferentes profundidades de perforación. Es evidente que la resistencia efectiva del pozo aumenta a medida que aumenta la profundidad, pero de forma significativamente mayor en el caso de las sondas coaxiales que en el de las de doble U. Esto se debe a que el cortocircuito térmico entre el fluido de entrada y el de salida es mayor en un tubo coaxial (donde el fluido está separado únicamente por una pared del tubo) que en un tubo en U, donde hay lechada y dos capas de pared del tubo entre ambos.
Este mayor intercambio de calor entre el fluido de entrada y el de retorno aumenta la resistencia térmica efectiva global del pozo y se hace más pronunciado cuanto mayor es la profundidad de los pozos. Esto es así para cualquier tubería coaxial.
Por lo tanto, cualquier tubería coaxial se beneficia de profundidades menores y de diámetros de perforación más reducidos. En este sentido, queda claro que, con un diámetro de perforación menor, la tubería coaxial Powerwave de JANSEN puede superar al modelo «doble U» hasta una profundidad de perforación de 120 m.
Nota
Para obtener más información sobre la dependencia de la profundidad de la resistencia térmica efectiva del pozo, así como de la resistencia local e interna, se remite al lector a nuestro curso, Parte 2.2.
Caída de presión
A continuación se muestra el gráfico de la caída de presión, de nuevo para una profundidad de pozo de 100 m y 25 v/v% MPG a 5 °C. Dado que el diámetro del pozo no influye en la caída de presión, a continuación solo se muestra una sonda Powerwave.
Está claro que, una vez más, el precio que hay que pagar por una mejor transferencia de calor y una mayor turbulencia es una mayor caída de presión. De todos los tubos comparados, el tubo coaxial Powerwave de JANSEN presenta la mayor caída de presión, debido a la turbulencia que ya se inicia en el anillo a Re = 1000. El tubo coaxial convencional necesita un caudal mucho mayor para pasar a la turbulencia y, por lo tanto, también presenta la caída de presión más baja.
Esto, junto con lo expuesto sobre la resistencia del pozo, demuestra que el Powerwave de JANSEN ya ofrece una buena resistencia del pozo a caudales muy bajos, en los que la caída de presión también es razonablemente baja. Dado que una tubería coaxial también se beneficia de profundidades de perforación menores, la caída de presión es automáticamente algo menor.
Cable coaxial Powerwave de JANSEN en GHEtool
A partir de hoy, el cable coaxial Powerwave de JANSEN está disponible en la configuración GHEtool Cloud.
Conclusión
En este artículo se presenta el cable coaxial JANSEN Powerwave en configuración GHEtool y se analiza su comportamiento termohidráulico. A partir de una simulación numérica directa de dinámica de fluidos, se ha demostrado que la turbulencia en la región anular de la tubería ya comienza a aparecer a partir de un número de Reynolds de 1000.
Al analizar la resistencia térmica efectiva del pozo, el tubo coaxial Powerwave de JANSEN superó al tubo coaxial tradicional en todos los caudales. Se señaló que cualquier tubo coaxial se beneficia de un diámetro de pozo menor, así como de una profundidad de perforación menor. Cuando el diámetro del pozo se redujo a 110 mm, el Powerwave Coax también superó al caso del tubo de doble U DN32.
La desventaja de una mayor turbulencia y una mejor transferencia de calor es, una vez más, una mayor caída de presión. Por lo tanto, esta sonda resulta más adecuada para profundidades menores, donde el caudal puede ser bajo (debido a la mayor turbulencia), lo que permite minimizar la energía necesaria para el funcionamiento de la bomba.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.
- Peere, W., Hidman, N., Hofstetter, R. (2027). Desarrollo de un modelo termohidráulico para el sistema coaxial «Powerwave» de JANSEN mediante simulación numérica directa y su impacto en la resistencia térmica del pozo. En las actas de El Congreso de Geotermia (DGK) 2026, del 20 al 22 de octubre de 2026, Potsdam, Alemania.
- Hidman, N., Almgren, D., Johansson, K., Nilsson, E. (2026). Cómo las aletas internas mejoran el rendimiento termohidráulico de las tuberías geotérmicas: un estudio de simulación numérica directa. International Journal of Heat and Mass Transfer, 256(3), 128114