Hemos ampliado las funciones de cálculo de caída de presión en GHEtool Cloud para incluir colectores, colectores principales y conexiones Tichelmann, lo que le permite modelar 99% sus diseños de perforación con facilidad. Lea el siguiente artículo para descubrir cómo funciona.
¿Cuál es la pérdida de carga
La caída de presión es un concepto de la dinámica de fluidos que se define como la diferencia de presión entre el punto A y el punto B, causada por la fricción, y esta fricción es clave. Puede producirse entre el fluido y las paredes de la tubería, en válvulas, bombas, etc., pero también dentro del propio fluido, entre distintas ‘gotas’ de fluido. Por lo tanto, la caída de presión puede considerarse como el esfuerzo necesario para mover el fluido a través del sistema.
Nota
Para más información sobre los fundamentos teóricos de la pérdida de carga, se remite al lector a este artículo.
Normalmente, hay dos factores que contribuyen a la caída de presión: las pérdidas de caudal en las propias tuberías, que se producen en todo el sistema y se denominan pérdidas principales, y las pérdidas causadas por codos, contracciones y otros accesorios, que son localizadas y, por tanto, se denominan pérdidas menores. Ambos tipos de pérdidas son proporcionales a la velocidad del flujo y, por tanto, al caudal. A continuación se muestra una curva típica de pérdida de carga.
Nota
Se ha discutido mucho sobre los factores de pérdidas locales que deben utilizarse. En GHEtool Cloud, los codos que conectan las tuberías horizontales laterales a los pozos se modelizan con un factor de pérdida local de k = 0,3 (aplicado tanto a la entrada como a la salida), mientras que las conexiones entre las tuberías laterales y el colector se modelizan con k = 0,5 (de nuevo, tanto a la entrada como a la salida). No se han tenido en cuenta otras pérdidas locales, como las causadas por codos o accesorios adicionales en el circuito.
Pérdida de carga y GHEtool Cloud
GHEtool Cloud siempre ha incluido un módulo para calcular la caída de presión en el campo de sondeo (para más detalles, puede consultar nuestro artículo anterior sobre este tema). Este módulo constaba de dos componentes principales:
- Una simulación de la caída de presión a través de un único sondeo, calculada por defecto
- Una simulación de la caída de presión en las tuberías horizontales, suponiendo que todas las perforaciones estuvieran conectadas individualmente al colector.
Aunque esto proporcionó una primera estimación sólida del rendimiento hidráulico del sistema, su simplicidad significaba que no podía acomodar configuraciones más complejas, como conexiones Tichelmann y cabeceras principales. Estas características se han incorporado a la última actualización de GHEtool y se comentan brevemente a continuación.
Conexiones Tichelmann
Tanto para los sondeos pequeños como para los grandes, la conexión individual de cada sondeo al colector -donde se puede calibrar el caudal para lograr el equilibrio hidráulico- puede resultar muy costosa. Una solución alternativa es utilizar una conexión Tichelmann (también conocida como retorno inverso), en la que dos o más sondeos se conectan a través de la misma tubería horizontal que se conecta al colector. Esta configuración de retorno inverso se aproxima a una caída de presión igual en los distintos pozos, lo que permite minimizar el número de conexiones horizontales, reducir el tamaño del colector y limitar el número de caudales que deben ajustarse para conseguir un sistema equilibrado hidráulicamente.
Atención
Hay varias formas de conectar perforaciones en paralelo, pero sólo la configuración Tichelmann (retorno inverso) da como resultado un sistema equilibrado hidráulicamente.
Tubería principal
Otro aspecto importante en el diseño hidráulico de los campos de sondeo más grandes es la tubería principal que conecta el colector con la sala de máquinas. En los yacimientos más pequeños, el colector suele estar situado dentro del propio edificio, por lo que este efecto es insignificante. Sin embargo, en los yacimientos más grandes, no es raro que el colector esté situado a decenas de metros de la sala de máquinas. En estos casos, dado que la tubería principal transporta 100% del caudal del campo de sondeo, la caída de presión entre el colector y la sala de planta puede llegar a ser bastante significativa.
Ejemplo 1: Edificio pequeño
Como primer ejemplo, consideremos un edificio pequeño con dos perforaciones dobles DN32 de 150 metros de profundidad cada una. El pozo más alejado está situado a 10 metros del edificio y las conexiones horizontales se realizan con tubos DN40. Examinaremos tres formas distintas de conectar los pozos a la sala de máquinas: conexión directa, conexión Tichelmann y conexión en serie.
Conexión directa
La forma más sencilla de conectar las perforaciones a la sala de máquinas es mediante un colector, con ambas perforaciones conectadas directamente. Para determinar la pérdida de carga en esta configuración, los factores de serie y de Tichelmann deben ajustarse a 1, y se introduce la longitud de la tubería horizontal hasta el colector. (Como el colector está situado dentro del edificio, las pérdidas de presión en la tubería principal son despreciables).
La pérdida de carga total en este sistema es de 22,74 kPa, de los cuales 20,74 kPa se deben a los propios pozos. Se trata de un escenario ideal en términos de rendimiento hidráulico, pero suele ser demasiado costoso en la práctica. Consideremos, pues, la configuración Tichelmann, que puede simularse fijando en 1 el factor Tichelmann en GHEtool Cloud.
Conexión Tichelmann
En esta configuración, los pozos se conectan mediante un sistema Tichelmann. Sólo dos tuberías entran en el edificio, lo que elimina la necesidad de un colector (aunque se sigue mostrando para mayor claridad). Como la configuración de Tichelmann equilibra el flujo de fluido por igual entre ambos pozos, la caída de presión a través de cada pozo sigue siendo de 20,74 kPa. Sin embargo, como 100% del caudal pasa ahora por una única tubería horizontal (en lugar de dividirse en dos), las pérdidas en la tubería horizontal aumentan de 1,98 kPa a 6,48 kPa, con lo que la caída de presión total del sistema asciende a 27,22 kPa.
Conexión en serie
En una configuración en serie (modelada estableciendo el factor de serie en GHEtool Cloud en 1), un pozo se conecta directamente después del otro. La instalación suele ser menos costosa que en una disposición Tichelmann, ya que requiere menos soldaduras.
En este caso, las pérdidas de presión horizontales siguen siendo las mismas, ya que siguen transportando todo el caudal. Sin embargo, la caída de presión a través de los pozos aumenta significativamente. Cada perforación gestiona ahora 100% del caudal, lo que supone una caída de presión de 81,70 kPa en cada perforación. Como los componentes en serie tienen pérdidas acumulativas, la caída de presión total relacionada con el pozo se convierte en 163,40 kPa, y la caída de presión total del sistema se eleva a 169,78 kPa, muy por encima de los 27,22 kPa observados en la configuración de Tichelmann.
Nota
La caída de presión en el sistema horizontal puede diferir ligeramente entre las configuraciones Tichelmann y en serie. Esto se debe a que ambas configuraciones hidráulicas influyen en la resistencia térmica efectiva de la perforación, que a su vez afecta a las propiedades del fluido. Por lo tanto, pequeños cambios en la viscosidad pueden provocar pequeñas diferencias en la caída de presión. Para más información sobre las propiedades de los fluidos en función de la temperatura, puede consultar este artículo.Nota
También es posible combinar conexiones Tichelmann y en serie estableciendo tanto el factor Tichelmann como el factor en serie en valores superiores a 1. Por ejemplo, si hay tres grupos de dos perforaciones conectadas en serie, y estos grupos se disponen después en una configuración Tichelmann, los factores Tichelmann y en serie deben establecerse en 3 y 2 respectivamente.
Ejemplo 2: Auditorio
Examinemos ahora un ejemplo más detallado que incluye 20 perforaciones (de nuevo, doble DN32 y 150 m de profundidad), conectadas a un colector situado a 20 m de la sala de máquinas. Las tuberías laterales que conectan los sondeos con el colector son DN40, y la distancia más larga es de 36 m. Primero estudiaremos dos casos en los que las perforaciones están conectadas directamente al colector, variando únicamente el diámetro de la tubería principal: de DN63 a DN90. Por último, analizaremos un caso en el que las perforaciones se agrupan en configuración Tichelmann antes de conectarse al colector.
Nota
Se requiere una licencia Design de GHEtool Cloud para simular la caída de presión en la tubería principal.
Directo con una tubería principal DN63
En el primer caso, la caída de presión total asciende a 104,63 kPa, distribuidos del siguiente modo: 21,87 kPa en las perforaciones, 4,31 kPa en las conexiones laterales y 78,45 kPa en la tubería principal. Aunque la tubería principal sólo tiene 20 m de longitud -relativamente corta en comparación con los 150 m de los sondeos-, la pérdida de presión es significativa debido al elevado caudal de esta sección.
Directo con una tubería principal DN90
Si se mantienen sin cambios las conexiones laterales y se aumenta el diámetro de la tubería principal a DN90, la caída de presión en la tubería principal se reduce de 78,45 kPa a sólo 14,46 kPa. Como resultado, la caída de presión total se reduce a 40,64 kPa, menos de la mitad que en el caso anterior. Esto pone claramente de manifiesto la importancia de dimensionar correctamente la tubería principal en el diseño de la perforación.
Tichelmann con una tubería principal DN90
Dado que conectar 20 perforaciones directamente a un colector puede resultar costoso, un enfoque alternativo consiste en agrupar las perforaciones de dos en dos utilizando una configuración Tichelmann (retorno inverso), como se muestra a continuación.
En comparación con el escenario anterior, la caída de presión en la tubería principal no varía porque el caudal total es el mismo. Sin embargo, la caída de presión en el sistema lateral aumenta de 4,31 kPa a 23 kPa debido al mayor caudal en cada tubería lateral.
Nota
En los yacimientos más grandes, donde la distancia lateral entre los pozos y el colector también puede ser considerable, la elección del diámetro de la tubería para las conexiones laterales se convierte en un factor clave para el rendimiento hidráulico del sistema.
Conclusión
En este artículo se describen los nuevos y más avanzados métodos de simulación de la hidráulica de un campo de sondeo geotérmico. A partir de ahora, es posible tener en cuenta las conexiones Tichelmann y las tuberías principales que conectan el colector con la sala de máquinas. Estas adiciones amplían la aplicabilidad de los cálculos de pérdida de carga de GHEtool Cloud a 99% de proyectos típicos, mejorando significativamente la precisión y eficacia de sus diseños de sistemas.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.