Separatus es un novedoso tipo de intercambiador de calor diseñado para reducir el coste de inversión de las perforaciones geotérmicas, ¡y puede calcular su rendimiento directamente con GHEtool! Este artículo explica el desarrollo del modelo teórico actual del sistema Separatus en GHEtool.
Nota
Este artículo se centra en los fundamentos teóricos del modelo separatus. Si buscas orientación práctica sobre cómo utilizar GHEtool para modelar estos sistemas, puedes leer la entrada del blog en el sitio web de separatus.
¿Qué es separatus?
En intercambiador de calor separatus fue desarrollado en 2023 por Dietmar Alge, Jana Walker y Stefan Geser, basándose en el concepto de la tecnología de tubo dividido. Se basa en una tubería estándar de 51 mm de diámetro, pero con un espaciador interno instalado para separar los flujos de fluido caliente y frío.
Al utilizar este diseño, los perforadores sólo tienen que instalar un único tubo en lugar de los dos o cuatro tubos tradicionales (como los utilizados en las configuraciones de tubo en U simple o doble). Esto reduce significativamente el tiempo de instalación y el diámetro de la perforación, lo que conlleva un menor coste de inversión del campo de perforación geotérmico.
Desarrollo de modelos
Desarrollar un modelo para un nuevo producto siempre es un reto: se puede optar por una simulación muy detallada o adoptar un enfoque más práctico, basado en la ingeniería. En el caso de separatus, se optó por esta última opción. El equipo desarrolló un modelo para su intercambiador de calor basado en la geometría de un solo tubo en U, que es el modelo existente más cercano en términos de geometría, y luego ajustó los parámetros basándose en mediciones reales.
A continuación se describen el montaje experimental y las dos mediciones clave. A continuación, se analiza la aproximación final calibrada de un solo tubo en U, que se ha implementado en GHEtool.
Nota
El modelo descrito a continuación fue desarrollado por separatus para permitir la simulación de la innovación utilizando Earth Energy Designer. La aplicación GHEtool se basa en los mismos supuestos originales. Más adelante en este artículo, las actualizaciones futuras al modelo también se discuten.
Descripción del experimento
El lugar donde se realizó el experimento estaba situado en Altach (Austria). Se perforaron tres pozos de 70 metros de profundidad, uno de ellos equipado con un intercambiador de calor de doble tubo en U DN32 y otro con el intercambiador de calor separatus. Gracias a unas válvulas adicionales en el colector, la bomba de calor podía conectarse a cualquiera de los pozos por separado o a ambos simultáneamente, lo que permitía comparar directamente su rendimiento térmico.
Nota
Durante la instalación, se produjo un problema con el relleno de lechada de la perforación de doble tubo en U. Se supone que esta perforación no se rellenó correctamente en toda su profundidad. Se supone que esta perforación no se rellenó correctamente en toda su profundidad. Dado que Altach tiene un nivel y un flujo de aguas subterráneas relativamente altos, esto puede haber sido ventajoso para el rendimiento térmico de la perforación de doble tubo en U.
Medición de caudal igual
En la primera prueba, tanto la sonda de doble tubo en U como la sonda separatus se conectaron a la bomba de calor durante 97 horas, cada una con un caudal nominal de 1.100 l/h. Los resultados, que se muestran en el siguiente gráfico (ampliado en el tiempo de funcionamiento continuo más largo de la bomba de calor), ponen de relieve el rendimiento térmico de ambos sistemas.
Como se observa en el gráfico, la potencia extraída del tubo en U doble (Doppel-U_Leistung) es superior a la de la sonda separatus (separatus_Leistung), con valores en torno a 2,27 kW y 1,74 kW respectivamente. Ambas potencias se mantuvieron bastante constantes a lo largo de la ventana de medición de 6 horas.
Suponiendo que la resistencia térmica equivalente de la perforación para el tubo doble en U sea de 0,12 mK/W, esto corresponde a una resistencia térmica de la perforación de 0,156 mK/W para la configuración separatus. Esta relación se deriva del hecho de que, a corto plazo, la temperatura del suelo puede considerarse constante, lo que significa que la potencia térmica es inversamente proporcional a la resistencia térmica efectiva de la perforación.
Nota
Si no está familiarizado con el concepto de resistencia térmica efectiva de la perforación, puede leer nuestro artículo detallado sobre el tema aquí.
Igualdad en la medición de la transferencia de calor
Para seguir evaluando el rendimiento e invertir la resistencia térmica efectiva de la perforación, se realizó una segunda prueba, esta vez con una tasa de transferencia de calor constante. El caudal del tubo doble en U se redujo a 550 l/h, situándolo en el régimen de flujo laminar, mientras que el caudal de la sonda separatus se aumentó a 1.400 l/h, correspondiente a un régimen de flujo transitorio.
Esta configuración dio como resultado la misma extracción de calor de ambas perforaciones, como se muestra en el gráfico siguiente, que de nuevo se centra en el periodo de funcionamiento continuo más largo (unas 4 horas).
Nota
Si no está familiarizado con las diferencias entre flujo laminar, transitorio y turbulento en los sistemas geotérmicos, consulte nuestro artículo sobre regímenes de flujo aquí.
Aunque ambos sistemas proporcionaron casi la misma extracción de calor, la diferencia de temperatura (deltaT) entre la entrada y la salida del fluido fue menor en la sonda separatus. Esto se debe al mayor caudal, que provoca una menor caída de temperatura en el intercambiador de calor.
Resultados
Los resultados de la simulación anterior se utilizaron para aplicar ingeniería inversa a los parámetros de un único tubo en U que daría lugar a la misma resistencia térmica efectiva de la perforación que la medida para separatus. Para ello se utilizó un método de ensayo y error, suponiendo que la perforación estaba completamente rellena de lechada.
La mayor coincidencia se consiguió con los siguientes parámetros:
- Diámetro del tubo: 35,74 mm
- Grosor de la pared: 3 mm
- Distancia entre tubos: 18 mm
Para modelar la interacción térmica adicional entre las patas caliente y fría de la sonda separatus -causada por la pared de separación interna- se añadió una resistencia de contacto adicional de 0,03 mK/W.
Nota
Debido a su diseño, separatus tiene más interacción térmica entre los tramos caliente y frío que un tubo en U simple típico. Para tenerlo en cuenta en el modelo, hay que introducir una resistencia adicional. Esta resistencia está en serie con las resistencias fluido-tubo, tubo y tubo-suelo (como se explica en nuestro artículo sobre la resistencia térmica efectiva de la perforación, que puede encontrar en aquí). A partir de la calibración por ensayo y error con los datos medidos, se determinó que una resistencia de contacto de 0,03 mK/W era la que mejor representaba el rendimiento observado.
¿Y ahora qué?
El modelo descrito ofrece una aproximación basada en la ingeniería para simular el comportamiento térmico de la sonda separatus. Aunque ofrece una utilidad práctica, se basa en algunas simplificaciones:
- La geometría de la tubería se modela como un único tubo en U, cuyo diámetro se elige de modo que la sección transversal coincida con la de la tubería separatus.
- Se introdujo un factor de corrección adicional para simular la interacción térmica adicional entre los lados caliente y frío del interior de la tubería, pero se basó en una única medición.
Dado que el modelo se ha calibrado a partir de mediciones reales, puede considerarse fiable cuando se utiliza en condiciones similares a las experimentales, especialmente en el régimen de flujo turbulento.
Ampliar la aplicabilidad y precisión del modelo, Enead y separatus colaboran ahora en el desarrollo de un modelo nuevo y más completo. Esta versión actualizada se basará en la geometría real del intercambiador de calor separatus y permitirá realizar predicciones más precisas de la resistencia térmica de las perforaciones en una gama más amplia de condiciones (por ejemplo, diferentes diámetros de perforación, regímenes de fluidos, etc.). Gracias a la disponibilidad de datos de medición adicionales, este modelo de nueva generación también podrá calibrarse con mayor precisión.
Conclusión
Este artículo explica el desarrollo del modelo del intercambiador de calor separatus. El modelo actual se basa en el marco de un único tubo en U y se ha calibrado utilizando mediciones reales del sistema separatus. Se ha establecido un claro camino a seguir, con el objetivo de pasar a un modelo más basado en la geometría que permita una simulación precisa en una gama más amplia de casos de uso.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.