En los capítulos anteriores se introdujeron los conceptos de caída de presión, potencia de la bomba y energía de la bomba. En este capítulo, estos conceptos se utilizarán para llevar a cabo nuestro primer diseño hidráulico en GHEtool Cloud.
Diseño hidráulico del campo de perforación
El diseño hidráulico de los campos de sondeos va más allá de la simple selección del diámetro de la tubería utilizada en el interior del sondeo. El diseño horizontal completo también desempeña un papel importante: ¿cuál es el diámetro horizontal de la tubería? ¿Cuántas curvas o empalmes hay? ¿Cómo se conectan los pozos entre sí?
En los apartados siguientes se explican las distintas formas de conectar los pozos (en paralelo, Tichelmann o en serie), seguidas del concepto de equilibrado hidráulico.
Conexiones horizontales
Cuando hay varias perforaciones en un sistema, suelen conectarse a un colector de una de las cuatro formas siguientes: directa, en paralelo, Tichelmann o en serie. Estas opciones se explican a continuación.
Directo
Cuando las perforaciones se conectan directamente al colector, el caudal que circula por cada perforación es el mismo que circula por la sección horizontal. Esta es la forma más sencilla de conectar los pozos y tiene la ventaja de ofrecer una mayor flexibilidad para controlar los distintos pozos individualmente. Además, proporciona un nivel adicional de seguridad en caso de que algo vaya mal. Como los pozos pueden desconectarse individualmente, los problemas pueden resolverse más fácilmente.
La principal desventaja de la conexión directa es que es más cara, ya que requiere un colector más grande y más conexiones horizontales. Además, como ahora el caudal se divide entre las $n$ perforaciones del sistema, puede ser más difícil conseguir un flujo turbulento.
Conexión en paralelo
En el caso de una conexión paralela (también llamada retorno directo) de las perforaciones, el número de conexiones horizontales es menor que el número de perforaciones. Esto significa que una única conexión horizontal puede, por ejemplo, conectarse a 2, 3 o más perforaciones. Esto tiene la ventaja de requerir menos conexiones horizontales y soldaduras, lo que hace que el sistema sea más rentable. El colector también puede ser más pequeño, debido al menor número de conexiones.
Las desventajas son que se reduce la flexibilidad en el control, ya que no todos los pozos pueden controlarse o equilibrarse individualmente. Esto también significa que cuando un pozo falla o tiene una fuga, toda la conexión paralela se ve afectada. Además, como los sondeos se conectan en grupos de n, el caudal que circula por la sección horizontal es n veces el caudal que circula por cada sondeo, lo que pone de manifiesto la importancia de un diseño hidráulico adecuado del diámetro de la tubería horizontal.
A continuación se muestra una imagen de la conexión en paralelo (retorno directo).
La figura anterior muestra dos configuraciones hidráulicas “paralelas”. La de la izquierda, de retorno inverso, también se denomina Tichelmann y se tratará a continuación. La de la derecha es la conexión en paralelo tradicional. Aunque este diseño es más sencillo de aplicar, no garantiza un caudal igual a través de los distintos pozos. La trayectoria a través del orificio 1 es más corta que la del orificio 2, lo que se traduce en menores pérdidas por fricción y, por tanto, en un caudal ligeramente superior. Esto no suele ser deseable (como se verá más adelante), por lo que suele preferirse una conexión Tichelmann.
Conexión Tichelmann
Cuando los pozos se conectan en una configuración Tichelmann, siguen estando agrupados en conjuntos de n, lo que da como resultado un factor n menos de conexiones horizontales que en el caso de una conexión directa y un caudal n veces mayor en la sección horizontal. En ese sentido, es muy similar a la conexión paralela descrita anteriormente, con la diferencia clave de que la tubería de retorno tiene la misma longitud para cada perforación. Esto garantiza que las pérdidas de presión de cada perforación sean idénticas, lo que se traduce en un caudal igual a través de cada perforación. Todas las demás ventajas de una conexión paralela siguen siendo válidas en este caso.
Las desventajas son, una vez más, la menor capacidad para controlar perforaciones individuales (aunque, en teoría, una conexión Tichelmann siempre está equilibrada hidráulicamente).
Conexión en serie
Una conexión en serie se utiliza normalmente cuando se desea un mayor caudal a través de los pozos para mejorar la transferencia de calor. Al conectar los orificios en serie en grupos de $n$, el número de tuberías horizontales se reduce de nuevo en un factor n, pero ahora porque la salida de un orificio está directamente conectada a la entrada del siguiente. Esto significa que el caudal en cada perforación es idéntico e igual al caudal en las tuberías horizontales. A continuación se muestra un ejemplo de conexión en serie.
La principal ventaja de un diseño hidráulico en serie es que es más fácil conseguir un flujo turbulento debido al mayor caudal por perforación. También es relativamente rentable, ya que no requiere conexiones hidráulicas complejas, como en el caso de una configuración Tichelmann, y se necesitan menos tuberías que en una conexión directa. La desventaja de una conexión en serie es que, cuando un pozo tiene un problema, todos los pozos de ese grupo se ven afectados. Además, como el caudal debe pasar por todas las perforaciones, la caída de presión de una conexión en serie es significativamente mayor que la de un diseño directo o Tichelmann.
Cuando se conectan tubos en U dobles en serie, es habitual que ambos tubos en U tengan entradas y salidas diferentes. Por ejemplo, si se conectan dos perforaciones en serie, un par de tubos en U tendrá la entrada en la perforación izquierda fluyendo hacia la derecha, mientras que el otro par tendrá la entrada en la perforación derecha fluyendo hacia la izquierda. Esto garantiza un mejor equilibrio entre la extracción y la inyección. Esto también se muestra en la siguiente figura, donde la línea roja representa la entrada y la línea azul la salida.
Combinación
Por supuesto, también es posible combinar distintas configuraciones horizontales, como se muestra en la imagen siguiente.
En este caso, las perforaciones se dividen en dos grupos de tres perforaciones. Dentro de cada grupo, las perforaciones se conectan en serie y, a continuación, los dos grupos se conectan en una configuración Tichelmann. Este tipo de diseños complejos pueden darse por diversas razones, pero a menudo se evitan debido al alto riesgo de errores de instalación.
Equilibrado hidráulico
Como se menciona en primer capítulo de esta parte, la caída de presión a lo largo de una trayectoria hidráulica dada viene determinada tanto por la longitud de esta trayectoria como por todas las pérdidas locales (curvas, empalmes, etc.). En un yacimiento geotérmico, esto puede variar significativamente de una perforación a otra, ya que algunas están más cerca del colector y otras más lejos. La clave para calcular la pérdida de carga global de un sistema tan complejo de forma relativamente sencilla es el concepto de equilibrado hidráulico.
Desde el punto de vista térmico, lo ideal es que cada perforación contribuya por igual a la demanda de potencia y energía del sistema. Por lo tanto, el objetivo es conseguir el mismo caudal a través de cada perforación. Esto puede garantizarse haciendo que la caída de presión de cada perforación (es decir, cada recorrido hidráulico) sea idéntica. Esto se consigue calculando (o midiendo sobre el terreno) la pérdida de carga del trayecto más desfavorable y garantizando que todos los demás pozos tengan la misma pérdida de carga mediante válvulas de equilibrado.
Mediante estas válvulas, se puede introducir una caída de presión local adicional en cada conexión al colector para lograr el equilibrio hidráulico.
Para el diseño hidráulico de los campos de perforación, la clave está en identificar la situación más desfavorable, en la que la caída de presión es mayor. Suele tratarse de la perforación más alejada del colector, que provoca las mayores pérdidas de presión horizontales. Dado que el resto de perforaciones se ajustan para que tengan la misma pérdida de carga, basta con calcular una única vía hidráulica para determinar la pérdida de carga global del sistema.
Este concepto de equilibrado hidráulico garantiza que la caída de presión total, para un caudal de diseño determinado, sea idéntica para todas las conexiones al colector. Sin embargo, esto no significa que las pérdidas por fricción y las pérdidas locales sean idénticas para cada recorrido hidráulico. Algunas conexiones tendrán menos tuberías horizontales y, por tanto, necesitarán más pérdidas locales para compensarlas, mientras que otras tendrán mayores pérdidas de presión horizontales y necesitarán menos pérdidas locales adicionales.
El hecho de que estas válvulas de caudal o de equilibrado sean estáticas (lo que significa que, una vez ajustadas, mantienen el mismo valor K) introduce una complejidad adicional en el diseño hidráulico. La ecuación de la pérdida de carga total se indica de nuevo a continuación:$$\Delta P = \left(f\cdot \frac{L}{D}+\sum{K}\right)\cdot \frac{\rho v^2}{2}$$donde $\Delta P$ es la caída de presión en (Pa), $f$ es el factor de fricción de Darcy-Weisbach, $L$ y $D$ son la longitud de la tubería en (m) y su diámetro en (m), $\rho$ es la densidad del fluido en (kg/m³) y $v$ es la velocidad del flujo en (m/s).
Cuando cambia el caudal, también cambia la velocidad del flujo $v$, lo que afecta tanto a las pérdidas locales como a las pérdidas por fricción. Sin embargo, como se explica en Parte 4.1, El factor de fricción es también función del caudal (a través del número de Reynolds). Esto significa que las pérdidas por fricción se ven más afectadas que las pérdidas locales. Como resultado, cuando se trabaja fuera del punto de ajuste de diseño de las válvulas de equilibrado, es posible que el sistema ya no esté perfectamente equilibrado debido a la diferencia en cómo responden las pérdidas locales y por fricción.
Cabe señalar que, aunque este efecto existe, su repercusión en el rendimiento global del sistema suele ser limitada. En caso necesario, pueden utilizarse válvulas de equilibrado controladas dinámicamente para ajustar el valor K en función del caudal. Sin embargo, estos sistemas son significativamente más caros, tanto en términos de inversión inicial como de mantenimiento continuo.
Diseño hidráulico en GHEtool Cloud
En GHEtool, en el diseño hidráulico se tienen en cuenta tres contribuciones diferentes de pérdida de carga: la parte dentro del propio pozo, las conexiones entre los pozos y el colector, y la conexión desde el colector a la sala técnica.
En la siguiente captura de pantalla se muestran claramente las distintas contribuciones.
Diferentes parámetros de entrada
Para las conexiones de los taladros, puede hacerse una selección o combinación de conexiones Tichelmann y en serie. Cuando todos los taladros están conectados directamente al colector, ambos valores se fijan en 1, lo que significa que cada grupo contiene un único taladro. Para el caso combinado anterior, en el que había dos grupos de tres sondeos conectados en serie, el número de sondeos en Tichelmann debe fijarse en 2 y el de los conectados en serie en 3. De este modo se garantiza el caudal correcto tanto a través de los sondeos como de las conexiones horizontales.
Para la conexión lateral, que conecta la perforación con el colector, debe seleccionarse la situación más desfavorable. Suele tratarse de la conexión con el recorrido horizontal más largo y, por tanto, la más alejada del colector. También puede contarse el número de curvas, empalmes y otros componentes a lo largo de este recorrido para determinar el valor K correspondiente para las tuberías laterales.
Por último, es posible que el colector esté situado a cierta distancia del local técnico. Por esta razón, se incluye una contribución separada para tener en cuenta la pérdida de carga en la tubería principal. En este caso, si procede, también pueden incluirse los valores K para codos y empalmes.
Ejemplo de cálculo en GHEtool
Para ilustrar lo sencillo que resulta realizar una simulación hidráulica en GHEtool Cloud, consideremos el siguiente edificio. En este caso, hay 12 perforaciones situadas a la izquierda del edificio, con el colector situado dentro del propio edificio. Esto significa que no es necesario considerar la tubería de cabecera, y sólo hay que evaluar las pérdidas de carga en los pozos y las conexiones laterales.
Para calcular la pérdida de carga de las conexiones horizontales, hay que identificar el trayecto más largo. En la situación anterior, se trata de la perforación situada abajo a la izquierda, con una longitud de trayecto horizontal de 30 m. Para tener en cuenta las pérdidas locales a lo largo de esta tubería, hay una válvula reguladora de caudal en el colector, una curva de 90° en el centro de la tubería lateral y una curva de 90° al final de la tubería lateral, donde el fluido entra en la perforación. Como el caudal es bidireccional, las pérdidas locales se producen dos veces. Suponiendo un valor K de 0,5 para cada componente, se obtiene un coeficiente total de pérdida de carga local de 3. Para la conexión horizontal se utiliza una tubería DN40 PN16.
Los pozos tienen una longitud de 120 m, utilizan intercambiadores de calor de doble U DN32 y se simulan con 25 v/v% MPG y un caudal variable con una diferencia de temperatura constante de 3 °C durante la extracción y la inyección. La potencia de calefacción es de 37 kW con una demanda anual de 67 MWh/año, y para refrigeración de 4 kW y 2,9 MWh/año. Esto da lugar a un desequilibrio relativamente alto, como puede verse en el perfil de temperatura que se muestra a continuación.
Como primera simulación, se supone que todas las perforaciones están conectadas directamente al colector. Esto da lugar a un régimen de flujo altamente laminar (tanto durante el calentamiento como durante el enfriamiento), con números de Reynolds de Re = 875 durante la extracción y Re = 232 durante la inyección, siendo la diferencia causada por una variación en el caudal. A continuación se muestra el gráfico del diseño hidráulico.
Debido a la diferencia de potencia máxima, el caudal de diseño para calefacción es de 2,49 l/s, mientras que es de 0,35 l/s durante la refrigeración. Esto significa que la caída de presión durante la refrigeración es casi despreciable (≈ 1 kPa) y que todo el diseño hidráulico se rige por la demanda de calefacción. En este caso, la pérdida de carga total es de 15,99 kPa, de los cuales 13,21 kPa se producen en el propio pozo y 2,78 kPa en las conexiones laterales. La energía estimada de la bomba (suponiendo un rendimiento de 70%) es de 75 kWh/año.
Como segunda opción, se investiga una conexión Tichelmann con grupos de 2 perforaciones. Por lo tanto, el número de perforaciones en Tichelmann se establece en 2 en la pestaña general, lo que da como resultado la curva de caída de presión que se muestra a continuación.
Dado que una conexión Tichelmann garantiza que el caudal a través de las perforaciones sigue siendo el mismo, la pérdida de carga para la parte vertical es idéntica a la de la conexión directa, de 13,21 kPa. El único cambio se produce en la caída de presión en las tuberías horizontales, que ahora es, debido a la duplicación del caudal, de 10,82 kPa, lo que da como resultado una caída de presión global de 24,03 kPa. El consumo eléctrico estimado aumenta a 108 kWh/año.
Como tercera variación, los orificios ya no están conectados en una configuración Tichelmann, sino en serie. Esto modifica el caudal que pasa por cada perforación (duplicándolo), lo que mejora la transferencia de calor. Sin embargo, como el flujo sigue siendo laminar (Re = 1776 durante la extracción), no se observa ninguna mejora significativa. La temperatura media mínima del fluido aumenta de 0,07 °C en los dos casos anteriores a 0,37 °C. A continuación se muestra el gráfico de caída de presión para este caso.
Para esta conexión en serie, la caída de presión en el pozo aumenta a 26,04 kPa, ya que el caudal es ahora el doble que antes. La pérdida de carga horizontal es de 10,77 kPa. Para la caída de presión total, como los pozos están conectados en serie, la caída de presión a través del pozo debe contarse dos veces, ya que todo el caudal pasa por ambos. El resultado es una pérdida de carga total de 62,85 kPa, significativamente superior a la de la conexión Tichelmann (o directa). El consumo energético estimado de la bomba es de 290 kWh/año.
Como siguiente variación, se sustituye la doble sonda DN32 por una única sonda DN40. En esta nueva situación, la transferencia de calor se vuelve turbulenta (Re = 2833), lo que da lugar a la misma temperatura mínima de 0,37 °C que en el caso anterior. Sin embargo, la caída de presión a través de una única perforación casi se duplica hasta 41,33 kPa, lo que da lugar a una caída de presión global de 93,44 kPa y un consumo eléctrico estimado de la bomba de 393 kWh/año.
Como variación final, para ilustrar la importancia del caudal supuesto, se realiza la misma simulación con un caudal constante de 2,49 l/s para todo el campo de sondeo (para igualar la situación anterior). La demanda anual estimada de energía de la bomba es ahora de 1272 kWh/año, aproximadamente 900 kWh/año más que en el caso anterior. La principal diferencia es que, mientras que antes la caída de presión durante la refrigeración era insignificante debido al bajo caudal, ahora alcanza los 78,75 kPa.
Conclusión
En este último capítulo de la Parte 4, se explicó el diseño hidráulico para distintos tipos de conexión horizontal (directa, paralela, Tichelmann y en serie). Utilizando el concepto de equilibrado hidráulico, resultó sencillo traducir la pérdida de carga de un único pozo en la pérdida de carga de todo el campo de perforación. En GHEtool Cloud se demostró cómo puede simularse la pérdida de carga y cuál es el impacto de pasar de una conexión directa a un diseño Tichelmann o en serie.
En la siguiente parte, exploraremos con más detalle las sensibilidades del diseño, tanto desde el punto de vista térmico como hidráulico.
Preguntas
En la configuración hidráulica siguiente, si el caudal de entrada es de 1 l/s, ¿cuál será el caudal que circulará por cada perforación?
A continuación se da un ejemplo de dos perforaciones conectadas en paralelo. Puede explicar por qué los dos grupos anteriores están conectados en una configuración Tichelmann en lugar de una conexión en paralelo?
¿Por qué hay dos saltos en el gráfico de caída de presión durante la inyección, pero sólo uno durante la extracción en el caso de una conexión directa al colector?
Descargas
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