Para que el diseño de un campo de sondeos sea eficiente, hay que prestar mucha atención tanto a la caída de presión como al consumo de energía de la bomba. En este artículo analizaremos las últimas novedades de GHEtool Cloud para ayudarle en el diseño hidráulico de su campo de sondeos.
Nota
Este artículo se basa en nuestro artículo sobre la teoría del cálculo de las pérdidas de carga. Si no lo has leído, puedes echarle un vistazo aquí.
Caída de presión en el campo de perforación
Aunque hay muchas formas diferentes de conectar hidráulicamente los sondeos, la pérdida de carga de todo el campo de sondeos puede calcularse fácilmente basándose en una hipótesis central: queremos que todos los sondeos tengan el mismo caudal (para que puedan intercambiar la misma cantidad de energía con el suelo). Para conseguirlo, hay que asegurarse de que todos los sondeos del campo experimenten la misma caída de presión, de modo que el fluido no tenga un camino preferente con menor resistencia. Esto significa que la caída de presión de todo el sistema vendrá definida por la perforación en la que sea mayor, y que todas las demás perforaciones se calibrarán para que tengan la misma caída de presión, de modo que el caudal que circula por todas ellas se mantenga igual. Esto es lo que se denomina sistema equilibrado hidráulicamente.
La caída de presión total a través de este pozo en el peor de los casos puede calcularse como la suma de la caída de presión a través del parte vertical de la propia perforación y la caída de presión desde la perforación hasta el colector central de la perforación, es decir, la pérdida de carga horizontal.
Pérdida de carga horizontal
Los pozos pueden conectarse hidráulicamente de muchas formas distintas: en serie o en paralelo (consulte nuestro artículo sobre este tema). aquí), se pueden utilizar diferentes diámetros de tuberías horizontales, se pueden implementar múltiples subcolectores o combinaciones de todo lo anterior. Cada uno de estos sistemas tiene unas características hidráulicas diferentes y merece su propio artículo. Sin embargo, la mayoría de los sistemas pueden modelizarse como perforaciones conectadas individualmente (o en un grupo en serie) a un colector central de perforación.
Permanezca atento
Por el momento, aún no es posible modelizar las conexiones hidráulicas paralelas, en las que varios pozos se conectan en paralelo en una única tubería horizontal en un sistema de retorno directo o de retorno inverso (es decir, Tichelmann). Esto se debe a que también hay que tener en cuenta la distancia entre las perforaciones conectadas en paralelo, ya que el caudal no es el mismo en todas las partes del circuito horizontal. Esta función se añadirá en una actualización posterior. ¡Esté atento!
La imagen siguiente muestra un ejemplo de un campo de sondeos con 14 perforaciones. El sondeo con la conexión horizontal más larga es el de la parte inferior izquierda. Por lo tanto, la pérdida de carga de este sondeo determinará la pérdida de carga de todo el campo de sondeo.
Ejemplo con GHEtool Cloud
Para calcular el comportamiento hidráulico de su campo de sondeo, debe utilizar una resistencia térmica de sondeo calculada dinámicamente (consulte la pestaña ‘Resistencia térmica’). Si lo hace, puede seleccionar la opción de calcular la caída de presión y la energía de bombeo en la pestaña ‘General’.
Especifiquemos más el ejemplo anterior. Supongamos una mezcla agua-MPG con 25% MPG y un caudal de 0,3 l/s. Las perforaciones tienen 150 m de profundidad, con un intercambiador de calor de doble tubo en U DN32. Las conexiones horizontales se realizan con un diámetro DN40 ligeramente mayor para reducir las pérdidas.
Introduzcamos el caudal de 4,2 l/s para todo el campo de sondeo en la sección ‘Datos del fluido’ de la pestaña ‘Resistencia térmica’.
Supongamos que todos los paralelos
Si suponemos que todas las perforaciones están conectadas individualmente al colector principal, podemos fijar el factor de serie en 1. Los resultados de esta simulación pueden verse a continuación.
Se observan dos saltos principales, que identifican la transición entre flujo laminar y turbulento (como se explicó en nuestro artículo anterior).
El primer salto, más pequeño, es la transición de la tubería horizontal del flujo laminar al turbulento. Esto ocurre porque una tubería DN40, utilizada para la conexión horizontal, pasa a la turbulencia (o a la zona transitoria) más rápidamente que la tubería doble DN32 del interior de la perforación. El segundo salto, que se produce en torno a los 7 l/s de caudal, marca el punto en el que toda la perforación también se vuelve turbulenta.
Los resultados numéricos para este caso son los siguientes:
- Pérdida de carga en una perforación : 17,37 kPa
- Pérdida de carga del campo de sondeo: 21,04 kPa
- Caudal a través del campo de perforación: 4,2 l/s
- Potencia de bombeo necesaria: 88,367 W
- Energía estimada de la bomba220,98 kWh/año
Se puede observar que la pérdida de carga de todo el campo de sondeos es ligeramente superior a la de un único sondeo debido a la tubería horizontal. Ambos se calculan con un caudal de diseño de 4,2 l/s para todo el campo de sondeo. En este punto de diseño, la bomba debe proporcionar 88 W para que el sistema funcione según lo previsto y consumirá aproximadamente 220 kWh/año de electricidad.
Por dos en serie
Para mejorar el comportamiento térmico, podemos optar por conectar las perforaciones en serie. Si los conectamos en grupos de dos, el caudal que pasa por cada perforación se duplica, lo que reduce la resistencia térmica de la perforación. Sin embargo, la caída de presión y la potencia necesaria de la bomba aumentan drásticamente, como se ve en la figura siguiente.
La figura anterior muestra que todo el sistema es ahora turbulento, lo que conduce a los siguientes resultados numéricos en el punto de diseño:
- Pérdida de carga en una perforación : 67,18 kPa
- Pérdida de carga del campo de sondeo: 86,65 kPa
- Caudal a través del campo de perforación: 4,2 l/s
- Potencia de bombeo necesaria: 363,922 W
- Energía estimada de la bomba861,55 kWh/año
Debido a la naturaleza altamente turbulenta de las tuberías horizontales, la pérdida de carga del campo de perforación es ahora significativamente mayor que en el propio pozo. Como último paso, podemos aumentar el diámetro de la tubería horizontal a DN50 para reducir las pérdidas en esta parte del sistema.
DN50 para conexiones horizontales
Si queremos conseguir el mismo comportamiento térmico reduciendo el consumo de energía de la bomba, podemos aumentar el diámetro de la tubería horizontal, acercando la pérdida de carga del campo de sondeo a la del propio pozo. Los resultados se muestran a continuación.
- Pérdida de carga en una perforación : 67,18 kPa
- Pérdida de carga del campo de sondeo: 73,98 kPa
- Caudal a través del campo de perforación: 4,2 l/s
- Potencia de bombeo necesaria: 310,735 W
- Energía estimada de la bomba735,64 kWh/año
La caída de presión a través de un pozo no cambia, como era de esperar, pero se reducen las pérdidas en las tuberías horizontales, lo que disminuye la potencia de bombeo necesaria de 363 W a 310 W. Aunque este efecto puede parecer pequeño en este ejemplo, puede ser muy significativo en campos de sondeo más grandes, donde las distancias horizontales son comparables a las verticales.
Conclusión
En este artículo, exploramos cómo GHEtool Cloud puede ayudar en el diseño hidráulico de perforaciones. Demostramos cómo afectan los distintos diámetros de tuberías horizontales a la caída de presión y analizamos el impacto de las conexiones en serie en el comportamiento térmico de las perforaciones. Con esta nueva función, pretendemos ayudarle a diseñar campos de sondeo aún más eficientes, garantizando que la bomba pueda suministrar eficazmente el caudal diseñado.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.