Una de las cuestiones centrales en el diseño de perforaciones es: “¿Qué es mejor, un tubo en U simple o doble?”. En este artículo, empezaremos a desvelar este misterio de una vez por todas analizando el lado térmico de la historia.
¿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 cuanto empiezas a responder a esta pregunta, te encuentras en una madriguera de conejos con diferentes puntos de vista y algunas consideraciones sorprendentes. ¿Hablamos de aspectos térmicos o hidráulicos? ¿De aspectos prácticos o de sondas innovadoras? ¿Se puede sacar alguna conclusión general?
En esta serie de tres partes, desvelaremos esta cuestión de una vez por todas. Hoy nos centraremos en los aspectos térmicos de esta comparación. En las próximas semanas, abordaremos los elementos hidráulicos y prácticos, así como diseños de sonda únicos como el separatus, el TurboCollector y sondas cónicas como las sondas GEROtherm VARIO y FLUX.
Aspectos térmicos
Cuando hablamos de los aspectos térmicos de la cuestión de los tubos en U simples o dobles, tenemos que volver a nuestro debate sobre la resistencia térmica efectiva de la perforación (sobre la que puede leer más en nuestro artículo específico). Esta resistencia cuantifica la facilidad con la que el calor se transfiere del fluido a la pared del pozo y, en última instancia, al suelo.
Una buena resistencia térmica de perforación efectiva puede beneficiarle de dos maneras:
- Puede reducir la longitud total de la perforación, lo que hace que su sistema sea más asequible.
- Puede mantener el mismo diseño pero funcionar con temperaturas menos extremas, mejorando la eficiencia de su sistema y reduciendo los costes de explotación.
A continuación se muestra una representación gráfica de los distintos elementos que componen esta resistencia de perforación.
En nuestro análisis de los tubos en U simples y dobles, el factor principal es la transferencia de calor por convección, en particular la transición del flujo laminar al turbulento. La resistencia conductiva del tubo a la lechada también es importante, ya que un tubo en U doble tiene el doble de superficie de transferencia de calor que un tubo en U simple y, por tanto, su resistencia será menor.
En las secciones siguientes se analizan algunos aspectos térmicos clave:
- La influencia del tipo de fluido (por ejemplo, el tipo de anticongelante)
- La influencia de la conductividad térmica de la lechada
- Rendimiento constante con caudales variables
- Propiedades variables de los fluidos
Influencia del tipo de fluido
El gráfico siguiente muestra la resistencia térmica efectiva de la perforación para un tubo en U simple y uno doble con distintos caudales. Como puede verse, ambos gráficos muestran un corte brusco en el punto en el que el fluido pasa de flujo laminar a turbulento (más información aquí). En esta fase de transición, la parte convectiva de la resistencia de la perforación disminuye significativamente, haciendo que la resistencia total también descienda.
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).Atención
Los gráficos que figuran a continuación no deben tomarse como directrices de diseño, ya que el resultado también depende de la profundidad de perforación, el radio de perforación, el grosor de la pared de la tubería, la separación entre tuberías y otros factores.
En el gráfico anterior, se ve claramente que esta transición se produce con la mitad de caudal en el tubo en U simple que en el doble. Esto se debe a que, en un tubo en U doble, el caudal se divide entre dos tubos, mientras que en una sonda simple sólo pasa por uno.
En este caso, existe una ventana (entre 0,25 y 0,45 l/s) en la que el tubo en U simple muestra una menor resistencia de perforación y, por tanto, ofrece un mejor rendimiento térmico que su homólogo en U doble.
La posición de esta ventana depende en gran medida del número de Reynolds, en el que influyen tanto la temperatura (véase más adelante) como el tipo de fluido. En el gráfico siguiente se muestra la misma comparación para el agua. Debido a su viscosidad favorable, el agua alcanza el estado turbulento a velocidades de flujo muy bajas.
En este caso, la ventana en la que un tubo en U sencillo rinde mejor que uno doble es muy pequeña (<0,15 l/s) y casi inexistente en la práctica. Por tanto, puede decirse que, en la situación anterior, el diseño doble supera sistemáticamente al de la sonda simple en términos de rendimiento.
Influencia de la conductividad térmica de la lechada
Un aspecto que puede resultar sorprendente es que incluso la conductividad térmica de la lechada desempeña un papel en este debate. Como se mencionó al principio de este artículo, la tercera parte de la resistencia de la perforación es la resistencia conductiva de la tubería a la lechada.
Dado que la energía debe viajar desde el tubo hasta la pared de la perforación a través de la lechada, el uso de una lechada con mayor conductividad (por ejemplo, 2 W/(mK)) mejorará el rendimiento del sistema. En la figura siguiente, se utiliza el mismo fluido MPG 25% que arriba, pero con la conductividad térmica de la lechada reducida a 1 W/(mK), con lo que desaparece la ventaja del tubo en U único.
La razón por la que antes había una ventana en la que un tubo en U simple superaba a un tubo en U doble era la disminución de la parte convectiva de la resistencia térmica efectiva de la perforación. Ahora que la lechada tiene una conductividad menor, esta resistencia desempeña un papel dominante en la resistencia global. Dado que un tubo en U simple sólo tiene la mitad de superficie de transferencia de calor que un tubo en U doble, la transición a un flujo turbulento no es suficiente para superar esta barrera.
Rendimiento constante con caudales variables
En la actualidad, cada vez más bombas de calor son modulantes, lo que significa que funcionan con un caudal variable. En los gráficos anteriores, queda claro que, en estos casos, el diseño de tubo en U doble ofrece un rendimiento más constante cuando funciona en el rango laminar, mientras que el tubo en U simple muestra grandes variaciones en la resistencia de la perforación debido al funcionamiento en el régimen transitorio. Por lo tanto, aunque un tubo en U simple podría permitir un diseño de perforación más pequeño, si el caudal de diseño se encuentra en el rango en el que una sonda simple rinde mejor que una doble, el rendimiento bajo caudales variables seguirá siendo más coherente con un diseño de tubo en U doble laminar.
Nota
Las bombas de calor modulantes también desempeñan un papel importante en el aspecto hidráulico de este debate. Esté atento a la segunda parte de este artículo para saberlo todo al respecto.
Propiedades variables de los fluidos
Como recordará de un artículo anterior, Las propiedades del fluido (y, por tanto, el número de Reynolds y la transición de laminar a turbulento) varían con la temperatura. Por lo tanto, un campo de sondeo tiene diferentes números de Reynolds durante el calentamiento (es decir, la extracción de calor) y el enfriamiento (es decir, la inyección de calor). Para obtener una imagen más completa, la resistencia se muestra en el gráfico siguiente para MPG (25 v/v%) a 0 °C y 16 °C, tomados como las temperaturas medias mínima y máxima del fluido, respectivamente.
En el gráfico anterior, es evidente que una temperatura de fluido más elevada provoca la transición a un flujo turbulento a un caudal más bajo. Esto también influye en el presente debate, ya que los campos de perforación pueden estar limitados por la temperatura media máxima o mínima del fluido (más información al respecto en nuestro artículo sobre la cuadrantes del campo de perforación).
El campo de sondeo anterior está claramente limitado por la temperatura media mínima del fluido de 0 °C. Para mejorar este diseño, debemos decidir si utilizar un tubo en U simple o doble con una temperatura de referencia de 0 °C. Si observamos el gráfico anterior (líneas roja y naranja), queda claro que, para un caudal de diseño de entre 0,35 y 0,55 l/s, el tubo en U sencillo tiene una resistencia menor que el tubo en U doble y, por tanto, podría permitir un tamaño de campo de sondeo menor.
En cambio, el campo de sondeo anterior está claramente limitado por la temperatura media máxima del fluido de 16 °C. Para mejorar este diseño, tenemos que decidir si utilizar un tubo en U simple o doble con una temperatura de referencia de 16 °C. Si observamos el gráfico de resistencia anterior (las líneas azul y verde), vemos que hay una ventana entre 0,17 y 0,28 l/s en la que el tubo en U sencillo supera al doble.
Conclusión
En el artículo anterior, arrojamos algo de luz sobre la pregunta: “¿Qué es mejor, un tubo en U simple o doble?” desde el punto de vista térmico. Está claro que no existe una respuesta definitiva, ya que el resultado depende de la mezcla de fluidos, de la temperatura e incluso de la conductividad térmica de la lechada. Para determinar qué opción es mejor para su propio proyecto, puede confiar en GHEtool para realizar una simulación precisa.
Sin embargo, los aspectos térmicos son sólo una parte del debate. En nuestro próximo artículo, analizaremos más detenidamente los aspectos hidráulicos del debate entre el tubo en U simple y el doble.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.