Este artículo introduce un avance en la precisión de las simulaciones geotérmicas al permitir que las propiedades de los fluidos cambien con el tiempo, lo que conduce a perforaciones geotérmicas más precisas y factibles. Estos cambios son ahora los predeterminados en GHEtool Cloud y están disponibles para todo el mundo.
Una larga historia resumida
Para entender los cambios importantes que se han introducido en el software, tenemos que resumir bastantes contenidos de artículos anteriores. A continuación, repetiremos algunas de las ideas principales de estos artículos para que puedas seguir la historia, pero haremos referencia a los artículos originales si quieres más información de fondo.
Resistencia térmica de la perforación
La resistencia térmica efectiva de la perforación (consulte el artículo aquí) describe la facilidad con la que la energía puede transferirse del fluido al suelo. Antes hemos visto que esta resistencia se compone de diferentes subresistencias, cada una de las cuales representa un límite que la energía debe atravesar para llegar al suelo. Esto se muestra en la siguiente figura.
Aunque el diseñador puede modificar (casi) todos estos parámetros, la resistencia térmica convectiva del fluido a la tubería suele ser la que más atención atrae, ya que es de gran importancia. La facilidad con la que el fluido intercambia energía con la tubería depende del régimen del fluido (laminar, de transición o turbulento), que se describe mediante el número de Reynolds.
Número de Reynolds
El número de Reynolds es una magnitud adimensional que indica el régimen de flujo del fluido. (Si no ha leído nuestro artículo sobre el tema, puede encontrarlo aquí). La figura siguiente muestra los distintos regímenes de fluido, que van del flujo laminar al turbulento.
Cuando el caudal es más bien bajo, las distintas partículas de fluido se mueven paralelas entre sí en lo que se denomina régimen de flujo laminar. Esto dificulta el intercambio de calor con el límite de la tubería, ya que las partículas de fluido del centro están más o menos aisladas. Cuando aumenta el caudal, el fluido pasa a un régimen turbulento, en el que las partículas de fluido se mezclan constantemente. Esto mejora la transferencia de calor (a costa de un mayor consumo de energía de la bomba).
La transición entre flujo laminar y transitorio, y entre transitorio y turbulento, se rige por el número de Reynolds, que depende no sólo de la velocidad del flujo, sino también de propiedades del fluido como la densidad y la viscosidad dinámica. Esto nos lleva al último paso de la historia.
Propiedades de los fluidos
No todos los fluidos se comportan igual. Es más fácil bombear agua a través de un sistema que bombear miel a través de una tubería. Esto tiene que ver con la viscosidad del fluido: una mayor viscosidad significa que es más difícil que el fluido pase a una fase turbulenta. Por tanto, cuanto más viscoso sea el fluido, mayor será la viscosidad dinámica y menor el número de Reynolds.
El punto clave es que estas propiedades del fluido no son constantes: dependen de la temperatura del fluido. Esto se muestra en la siguiente figura para dos mezclas de agua y glicol de 20% y 30% MPG.
Cuanto más se enfría el fluido, más difícil es llevarlo al régimen turbulento. La figura anterior muestra que cuando tu mezcla de agua y glicol (30%) ronda los 0 grados, estás lejos del régimen turbulento, mientras que a una temperatura de 15 °C, tu número de Reynolds es casi el doble, lo que te acerca mucho más al ventajoso régimen de flujo transitorio.
Esta dependencia de la temperatura de las propiedades del fluido y su impacto en el número de Reynolds es esencial para comprender el comportamiento de los sistemas geotérmicos y se pasó por alto durante décadas.
Un poco de historia
Históricamente, los campos de sondeo geotérmicos se inventaron como fuente estable y de temperatura relativamente alta para las bombas de calor geotérmicas. La única temperatura importante en este caso es la temperatura media mínima (a largo plazo) del fluido. Dado que los campos de sondeo siempre se dimensionaban para soportar esta temperatura media mínima del fluido, las propiedades del fluido se calculaban simplemente para esta situación en el peor de los casos (o incluso más baja, en el punto de congelación de la mezcla de agua y anticongelante).
Desde hace poco, cada vez más yacimientos se utilizan también para la refrigeración, lo que aumenta la gama de temperaturas posibles del fluido. Como se muestra en el gráfico anterior, las propiedades del fluido cuando se extrae calor del yacimiento (por ejemplo, a unos 0 °C) son muy diferentes de las que se dan cuando se inyecta calor en el suelo durante la refrigeración (alrededor de 15 °C). Si se utiliza la misma resistencia térmica de perforación para calefacción y refrigeración, se subestima el intercambio de calor en refrigeración, lo que a veces da lugar a sistemas sobredimensionados o aparentemente inviables.
Un salto en precisión
Con GHEtool, a partir de hoy, hemos roto con esta suposición de hace décadas. A partir de ahora, por defecto, todas sus simulaciones geotérmicas tendrán en cuenta la dependencia de la temperatura de las propiedades del fluido. Cada mes, tanto en calefacción como en refrigeración -hasta cada hora si es necesario-, volveremos a calcular la resistencia térmica efectiva de la perforación para la temperatura específica en ese momento, de modo que obtendrá los resultados más precisos posibles. Esto también significa que, a partir de ahora, dispondrá de dos números de Reynolds (tanto para la inyección de calor como para la extracción) y dos resistencias térmicas para cada simulación.
Este importante cambio aporta dos ventajas prácticas: reduce el riesgo de sobredimensionamiento cuando un campo de sondeo se diseña principalmente para refrigeración (es decir, inyección de calor), y disminuye la probabilidad de recibir un error de gradiente al calcular la profundidad de sondeo necesaria. Ambos aspectos se explican más adelante.
Atención
Al utilizar este nuevo método de simulación más preciso, puede resultar difícil comparar sus simulaciones actuales con las realizadas anteriormente (o con otro software). Si desea simular un escenario con fines comparativos, puede establecer la opción ‘Propiedades del fluido dependientes de la temperatura’ en ‘No’.
Evite sobredimensionar la refrigeración
A continuación se muestra un proyecto que se simuló con la hipótesis tradicional de una única resistencia térmica efectiva del pozo en el peor de los casos. El número de Reynolds fue de 2043, lo que da una resistencia de 0,2265 mK/W (tubo en U único con MPG 30%). A continuación se muestra el perfil de temperatura.
Basándose en este resultado, en el pasado habría sugerido perforar otro pozo para que la temperatura del fluido se mantuviera por debajo del límite de 17 °C. Sin embargo, al variar las propiedades del fluido, ahora tenemos el perfil de temperatura que se muestra a continuación.
Dado que nuestro número de Reynolds durante la inyección es de 4214, que es turbulento, nuestra resistencia térmica efectiva en la perforación es de 0,1305 mK/W durante el enfriamiento. Esto hace que la temperatura máxima del fluido durante el enfriamiento descienda, lo que conduce a una solución viable.
Nota
Aunque este nuevo modelo siempre es beneficioso para su demanda de refrigeración, no siempre se traducirá en una diferencia tan significativa como la mostrada anteriormente. Si su régimen de fluidos sigue siendo laminar tanto en calefacción como en refrigeración, por ejemplo, la diferencia será menor.
Error de gradiente menos frecuente
Como ya se comentó en un artículo anterior (que puede encontrar aquí), a veces puede producirse un error al calcular la profundidad de perforación necesaria. Esto se debía a que la temperatura del suelo aumenta con la profundidad, lo que causaba problemas en la refrigeración pasiva. Con esta actualización, la transferencia de calor durante la refrigeración se calcula ahora con mucha más precisión, lo que da lugar a temperaturas pico del fluido más bajas. Esto contrarresta el efecto del aumento de la temperatura del suelo, lo que da lugar a menos errores de gradiente y a diseños de sistemas más factibles.
Conclusión
Este artículo esboza un importante avance en la precisión de las simulaciones geotérmicas. Al tener en cuenta la dependencia de la temperatura de las propiedades del fluido a lo largo del tiempo, ahora podemos calcular la resistencia térmica efectiva del pozo en cada paso temporal, tanto durante la extracción como durante la inyección de calor. Como resultado, las simulaciones son mucho más precisas, los sistemas tienen más probabilidades de ser viables y se reduce la aparición de errores de gradiente.
Esperamos que acepte esta innovación y siga diseñando campos de sondeo con GHEtool Cloud con confianza.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.