En este artículo, daremos la última perspectiva al debate sobre el tubo en U simple o doble, es decir, los aspectos prácticos. Además, volveremos sobre los aspectos térmicos e hidráulicos, pero ahora nos fijaremos en algunas sondas innovadoras como el Separatus, el TurboCollector y los GEROtherm VARIO y FLUX.
Nota
Si no ha leído los dos artículos anteriores de esta serie, puede encontrar el que trata de los aspectos térmicos aquí y el de aspectos hidráulicos aquí.
¿Individual o doble? Esa es la cuestión
En el mundo del diseño geotérmico, pocos temas parecen tan delicados o tan susceptibles de suscitar debate como la cuestión de utilizar un tubo en U simple o doble. En las dos últimas semanas, ya hemos explorado esta cuestión desde la perspectiva térmica, La resistencia térmica efectiva de la perforación. En este caso, nos dimos cuenta de que necesitábamos simular nuestra situación específica para saber cuál funcionaba mejor.
La semana pasada hablamos de los aspectos hidráulicos y cuál es la pérdida de carga de una U simple y una U doble. Cuando comparamos tubos en U sencillos y dobles con diámetros diferentes, la situación se complica y es necesario realizar simulaciones específicas para cada caso.
Hoy analizamos la última pieza del rompecabezas: los aspectos prácticos, así como algunos diseños innovadores de sondas que podrían añadir matices al debate.
Aspectos prácticos
Muchos perforistas prefieren trabajar con un tubo en U sencillo en lugar de uno doble, por diversas razones, que hemos clasificado en dos categorías: los tubos en U sencillos son más baratos y las sondas en U sencillas son más fáciles de instalar. Ambas se explican a continuación.
Los tubos en U simples son más baratos
Si comparamos los tubos en U simples con los dobles, los simples suelen ser más baratos por varias razones:
- Como sólo tenemos la mitad de sondas, el coste de material de las sondas es menor.
- Como los tubos en U simples tienen menos volumen interno que los dobles, también podemos ahorrar en la cantidad de anticongelante necesaria para el sistema.
- El peso de contrapeso que se utiliza para arrastrar las sondas hacia el interior del pozo puede ser menor para una U simple que para una doble, ya que hay menos material PE que arrastrar hacia abajo.
- El número de soldaduras también es menor cuando se utiliza un tubo en U simple en lugar de uno doble, lo que supone un ahorro de tiempo y también una reducción del coste de material. Además, al haber menos soldaduras, también se reduce el riesgo de fugas.
Los tubos en U simples son más fáciles de instalar
Cuando se perfora un pozo, el espacio disponible para instalar una sonda geotérmica es limitado. No es difícil imaginar que, dado el espacio disponible, es más fácil hacer descender dos tubos (es decir, un único tubo en U) por la perforación en lugar de cuatro (para un tubo en U doble). En el primer caso, hay más espacio para las tuberías, lo que significa que bajan más rápido, lo que reduce el tiempo de instalación y, por tanto, el coste. Además, el riesgo de colapso de la perforación es menor debido a que la instalación es más rápida, lo que aumenta las posibilidades de una buena instalación.
El último aspecto es que, al haber más espacio disponible en la perforación, también es más fácil rellenarla con lechada, lo que contribuye al buen funcionamiento del sistema.
Conclusión aspectos prácticos
Por primera vez en esta serie, parece haber un claro ganador. Al analizar las razones prácticas para instalar un tubo en U sencillo o uno doble, el sencillo sale como claro vencedor.
Sondas especiales
Para terminar esta serie, veamos más de cerca algunas sondas innovadoras o especiales y las (otras) ideas que pueden aportar al debate. En las siguientes subsecciones hablaremos del separatus, el TurboCollector y las sondas cónicas GEROtherm VARIO y FLUX.
Nota
A menos que se indique lo contrario, en este artículo se supone una tubería DN32, un diámetro de perforación de 140 mm con una longitud de 100 m y una lechada con una conductividad térmica de 1,5 W/(mK).
Separatus
En separatus es un tubo único (DN50) en el que se instala una membrana (el separador). Gracias a esta membrana, tanto el flujo de entrada como el de retorno pueden tener lugar en la misma tubería, lo que facilita aún más la instalación que un tubo en U simple, ya que ahora sólo hay una tubería de bajada en lugar de dos.
Nota
Si no ha leído nuestro artículo sobre el desarrollo del modelo de la sonda separatus, puede encontrarlo aquí.
La sonda separatus (como se comenta en un artículo anterior) puede compararse con un tubo en U simple en términos de comportamiento térmico e hidráulico. En la figura siguiente, se muestra una comparación de la resistencia térmica efectiva de la perforación de un DN32 simple y doble, así como de una sonda separatus.
En el gráfico anterior, queda claro que el separatus transita, al igual que el DN32 simple (aunque algo más tarde), hacia un estado turbulento antes que el homólogo DN32 doble. Esto reduce significativamente la resistencia de la perforación, pero no lo suficiente como para acercarse al rendimiento del tubo en U simple, por no hablar del doble. La razón es que el separato, al estar próximos el fluido de entrada y el de retorno, presenta bastante resistencia en la lechada (como puede verse en la ilustración siguiente).
Cuando el separatus se instala en una perforación más pequeña de, digamos, 90 mm, la resistencia de la lechada es significativamente menor, lo que da lugar al gráfico revisado que se muestra a continuación. Aquí se puede ver que toda la curva se ha desplazado hacia abajo al pasar de un diámetro de 140 mm a uno de 90 mm, superando incluso al doble tubo en U en un rango de caudal entre 0,27 y 0,48 l/s.
Cuando observamos la caída de presión de estas sondas diferentes, vemos que la separatus se encuentra en algún punto intermedio entre una DN32 simple tradicional y una doble.
TurboCollector
Nuestra próxima sonda innovadora es la TurboCollector de Muovitech. Se trata de un tubo liso tradicional en el que se instalan aletas giradas en el sentido de las agujas del reloj y en sentido contrario para aumentar la turbulencia a un caudal menor.
Nota
Si no has leído nuestro artículo sobre el desarrollo del modelo TurboCollector, puedes encontrarlo aquí.
El gráfico siguiente muestra la resistencia térmica efectiva de la perforación para el tubo en U liso simple y doble DN32, así como para el TurboCollector DN32 simple. Como puede verse, los tubos lisos simples y TurboCollector siguen trayectorias similares, con el TurboCollector pasando antes a un estado turbulento (número de Reynolds de 1800 en lugar de 2300).
En el gráfico siguiente también se muestra la caída de presión. Aquí se ve claramente que el TurboColector tiene un comportamiento hidráulico muy similar al de la tubería lisa, excepto en la región en la que la tubería lisa sigue siendo laminar y el TurboColector ya está en régimen transitorio.
Una última comparación que podemos hacer es entre el TurboColector DN32 doble y el DN40 simple. En el gráfico siguiente, se añade esta línea desde el punto de vista térmico.
Se puede ver que este TurboColector DN40 supera a la opción DN32 doble liso incluso más que la sonda DN32 normal. Esto se debe a que una sonda DN40 tiene más superficie para transferir calor. El inconveniente es que, como ahora tenemos un diámetro mayor, la transición a la turbulencia comienza a un caudal ligeramente superior (unos 0,2 l/s en lugar de 0,17 l/s), por lo que perdemos un pequeño intervalo en el que la tubería simple (TurboCollector DN40) rinde mejor que la doble DN32.
La otra gran ventaja de pasar de un DN32 a un DN40 se aprecia claramente en el gráfico hidráulico. Como se explica en nuestro artículo anterior, el diámetro tiene un efecto muy importante en la pérdida de carga resultante, haciendo que el TurboColector DN40 simple tenga casi la misma pérdida de carga que la alternativa DN32 lisa.
GEROtherm VARIO y FLUX
Las últimas sondas innovadoras de las que queremos hablar en este artículo son las sondas cónicas GEROtherm VARIO y FLUX sondas de HakaGerodur. La idea que subyace a esta tubería es que el grosor de pared, necesario para un determinado índice de presión, sólo es necesario en el fondo de la perforación, no en la parte superior. Por lo tanto, desarrollaron un diseño cónico que tiene, por término medio, un menor grosor de pared, lo que se traduce en una menor caída de presión.
Nota
Si no ha leído nuestro artículo sobre el desarrollo del modelo de las sondas GEROtherm VARIO y FLUX, puede encontrarlo aquí.Nota
Dado que estas sondas cónicas se desarrollaron para perforaciones más profundas, las hipótesis de los gráficos siguientes se modificaron a una longitud de perforación de 350 m, un diámetro de 170 mm y una clase de presión PN32 (salvo que se indique lo contrario).
El gráfico siguiente muestra la resistencia térmica de perforación de un tubo en U DN40 simple y uno doble en comparación con un FLUX DN43 simple. Como puede observarse, debido a su diámetro ligeramente mayor, la sonda FLUX inicia la transición a un régimen turbulento algo más tarde, indicado por el primer punto de flexión. El segundo se produce cuando la parte superior (que, debido al diseño cónico, tiene un diámetro interior mayor) también entra en el régimen de flujo transitorio.
Se puede observar que la sonda FLUX tiene un mejor rendimiento térmico que la alternativa tradicional, ya que el diseño cónico da lugar a un grosor medio de pared ligeramente inferior, lo que reduce la resistencia conductiva a través de la pared de la tubería. Entre 0,3 y 0,47 l/s (y también a caudales muy bajos), presenta el mejor rendimiento térmico.
Nota
Dado que esta perforación es mucho más larga, la forma general del gráfico también es diferente y mucho más pronunciada en el régimen laminar.
En el gráfico hidráulico que se muestra a continuación, queda claro que, debido a su diseño cónico, la pérdida de carga de la sonda FLUX DN43 simple ya se aproxima a la de la opción DN40 PN32 doble tradicional.
Cuando hacemos el mismo planteamiento que antes y cambiamos a un diámetro aún mayor, ahora una sonda FLUX DN53 PN38, obtenemos un comportamiento térmico que vuelve a ser ligeramente diferente. Debido al mayor diámetro, la transición a la turbulencia comienza más tarde, lo que hace que el rango en el que el FLUX simple rinde mejor que el DN40 doble se reduzca al pasar de un FLUX DN43 a un DN53. Sin embargo, el rendimiento de este tubo más grande es muy parecido al de un tubo doble en U a caudales más altos.
Como gráfico final, tenemos el rendimiento hidráulico de la sonda FLUX DN53. En él vemos que esta solución es, para todos los caudales, la alternativa con menor pérdida de carga. Esto significa que esta solución también tiene un rango de caudales para los que es beneficiosa tanto hidráulica como térmicamente en comparación con los tradicionales tubos en U dobles DN40.
Conclusión
Este artículo ofrecía la perspectiva definitiva sobre la pregunta: ¿cuál es mejor, el tubo en U simple o el doble? Desde un punto de vista práctico, el tubo en U simple siempre ha sido la opción preferida, debido a su instalación más sencilla y probablemente más barata.
Como matiz final, también consideramos diseños de sonda innovadores como el separatus, el TurboCollector y las sondas VARIO y FLUX de GEROtherm. Una vez más, quedó claro que el diámetro de la tubería, el caudal y, en el caso del separatus, el diámetro de la perforación desempeñan un papel importante a la hora de determinar qué solución ofrece mejores resultados térmicos e hidráulicos.
Después de tres semanas debatiendo este tema, debería quedar claro que no existe una solución milagrosa. Cada proyecto es único y requiere sus propias simulaciones y consideraciones: prácticas, térmicas e hidráulicas. Esperamos que esta serie de artículos le haya ayudado a comprender mejor los distintos puntos de vista y le haya proporcionado algunos puntos de partida para realizar sus propias simulaciones y comparar distintas opciones de diseño con GHEtool Cloud.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.