En este capítulo le ofrecemos las respuestas a las preguntas que se plantean al final de cada capítulo de la quinta parte del curso.
Pregunta 1.1
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En igualdad de condiciones, ¿cuál sería el efecto del diámetro del orificio de perforación sobre la cuestión del tubo en U simple o doble? Supongamos que los tubos permanecen centrados a la mitad del radio del orificio.
El radio de la perforación influye en la resistencia térmica entre la pared del tubo y la pared de la perforación. A medida que aumenta el diámetro de la perforación, la transferencia de calor a la pared de la perforación es menos eficaz. Este efecto puede observarse en el gráfico siguiente.
En el gráfico anterior se han comparado dos diámetros de perforación: 120 mm (con una distancia correspondiente entre el centro del tubo y el centro de la perforación de 30 mm) y 180 mm (con una distancia correspondiente de 45 mm). Es evidente que un diámetro mayor provoca una mayor resistencia de la perforación, ya que el calor debe recorrer una distancia mayor para llegar a la pared de la perforación. Este efecto es más pronunciado en el caso de un tubo en U simple que en el de un tubo en U doble.
Pregunta 1.2
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Debido a un caudal variable, la resistencia de la perforación cambia con el tiempo, y lo mismo ocurre con la sonda ideal. ¿Qué argumentos existen para tomar una decisión (tubo en U simple o doble) basándose en la resistencia más baja de la perforación durante el pico de potencia o en la resistencia más baja durante las condiciones medias?
Pregunta 2.1
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En el caso de la simulación de nuestro campo de sondeo con un caudal variable y una sola sonda DN40, el consumo eléctrico de la bomba fue inferior al de la sonda doble DN32, pero la caída de presión máxima fue en realidad superior (133 kPa frente a 119 kPa). ¿Puede explicar por qué?
Este resultado aparentemente contraintuitivo se reduce a la diferencia entre la caída de presión y el consumo eléctrico de la bomba. La caída de presión es una propiedad instantánea que cambia de hora en hora, siendo a veces mayor y a veces menor. En cambio, el consumo eléctrico de la bomba es un valor anual que tiene en cuenta todos los valores de caída de presión a lo largo del año.
En este caso concreto, la caída de presión máxima se produjo durante el verano, cuando ambas sondas funcionaban en régimen turbulento. En estas condiciones, como el caudal en la sonda DN40 es mayor que en la sonda doble DN32, la correspondiente pérdida de carga también es mayor. Sin embargo, por término medio, en condiciones de flujo laminar, la pérdida de carga en la sonda DN40 es menor que en la sonda doble DN32, porque tiene una superficie menor y, por tanto, menores pérdidas por fricción. En consecuencia, la sonda simple DN40 puede tener una mayor pérdida de carga máxima y, al mismo tiempo, menores necesidades energéticas anuales.
Pregunta 2.2
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Aunque el caudal de diseño de 6,79 l/s era el mismo para ambas simulaciones de doble DN32, la caída de presión durante la inyección era diferente (119 kPa para el caso de caudal variable y 142 kPa para el caso de caudal constante). ¿Puede explicar por qué?
Cuando se realiza una simulación horaria, la pérdida de carga se calcula para cada hora y se obtiene el valor máximo, tanto para calefacción como para refrigeración. Cuando se utiliza un caudal variable, la mayor caída de presión se produce en el momento de máxima refrigeración, cuando el caudal es de 6,79 l/s. Sin embargo, cuando se utiliza un caudal fijo, la situación es ligeramente diferente.
Con un caudal constante, la mayor caída de presión se produce justo después del periodo de calefacción, en este caso a principios de abril. Esto se debe a que las temperaturas del fluido son más bajas después del invierno, lo que da lugar a una mayor viscosidad y, por tanto, a un factor de fricción menos favorable. Dado que el caudal es constante, esto representa la peor caída de presión. Esto también se aprecia en la figura siguiente, donde las presiones son efectivamente más altas en abril y mayo que a mediados de verano.
Obsérvese que, en el perfil anterior, los picos bajos corresponden en realidad a los mismos momentos que los picos altos en el caso de caudal variable (véase el gráfico siguiente). Esto se debe a que, en esos momentos, la temperatura del fluido es máxima, lo que provoca la menor caída de presión. En cambio, en el caso de caudal variable, esos mismos momentos corresponden a los caudales más altos y, por tanto, a las caídas de presión más elevadas.
Esto ilustra que el comportamiento de la caída de presión no siempre es tan sencillo como puede parecer a primera vista. Los efectos combinados del caudal, la temperatura del fluido, la viscosidad y el régimen de flujo pueden dar lugar a resultados aparentemente contradictorios cuando se comparan distintas estrategias de funcionamiento.
Pregunta 2.3
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En el caso de un caudal variable, el consumo eléctrico de la bomba de circulación para el DN40 simple era menor que para el DN32 doble, pero en el caso de un caudal constante ocurre lo contrario. ¿Puede explicar por qué?
La explicación de este comportamiento es similar a la dada en la pregunta 2.1. Cuando se utiliza un caudal variable, ambas configuraciones de tuberías funcionan en régimen laminar durante más del 90% del tiempo, una condición en la que el DN40 único tiene un rendimiento más favorable. Como resultado, presenta una menor pérdida de carga media y, por tanto, un menor consumo eléctrico de la bomba.
Sin embargo, cuando se utiliza un caudal constante, ambas configuraciones de tuberías funcionan totalmente en régimen turbulento. En estas condiciones, la configuración DN32 doble tiene una pérdida de carga menor que la DN40 simple. En consecuencia, el consumo eléctrico de la bomba es mayor para la DN40 simple cuando funciona con un caudal constante.
Pregunta 3.1
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¿Puede explicar por qué, al pasar inicialmente de una cuadrícula rectangular a las coordenadas reales de la perforación, la temperatura media máxima del fluido aumentó de 16,95 °C a 17,21 °C?
Este comportamiento está causado por las mismas funciones g que proporcionan las ventajas a largo plazo de utilizar las coordenadas exactas del sondeo. Como se ha comentado anteriormente, el uso de las coordenadas exactas da lugar a valores de función g más bajos, lo que reduce el impacto del desequilibrio térmico a lo largo del tiempo.
Sin embargo, también hay un inconveniente. Al reducirse las interacciones térmicas entre las perforaciones, el efecto de refrigeración almacenado en el suelo durante el invierno como resultado de la extracción de calor también es menos pronunciado. En consecuencia, la temperatura del suelo durante el verano es ligeramente superior. Esto explica el aumento de la temperatura del fluido de 16,95°C a 17,21°C. Las temperaturas correspondientes de la pared del pozo en esos momentos son de 13,45 °C y 13,72 °C, respectivamente.
Pregunta 3.2
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La configuración personalizada tenía una distancia media mínima entre perforaciones de 5,5 m en lugar de los 5 m supuestos. ¿Qué cambia cuando se modifica la configuración rectangular inicial para trabajar con esta mayor distancia entre perforaciones?
En este caso, la temperatura media mínima del fluido es de 0,25 °C, frente a -0,05 °C cuando se utiliza una distancia uniforme entre perforaciones de 5 m. Aunque esto representa una mejora, sigue siendo significativamente inferior y, por lo tanto, sigue siendo una subestimación de la temperatura media mínima del fluido de 0,96 °C obtenida cuando se utilizan las coordenadas reales de las perforaciones.
Pregunta 4.1
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Se ha mencionado que hay casos en los que añadir una perforación adicional para hacer frente al desequilibrio no supone ninguna diferencia en la temperatura final. ¿Se puede crear una situación así en GHEtool?
La forma de demostrar este efecto es partir de una situación en la que el número de Reynolds está justo por encima del umbral de transición de 2300. Utilizando el mismo proyecto anterior con una distancia entre perforaciones de 5,5 m, esto puede conseguirse con una única sonda DN32, un caudal variable correspondiente a una diferencia de temperatura de 3 °C entre la entrada y la salida de la perforación y una mezcla MPG de 23 v/v%. En estas condiciones, la resistencia de la perforación durante la extracción es de 0,1781 mK/W, con un número de Reynolds correspondiente de 2404. El resultado es una temperatura media mínima del fluido de -0,09 °C.
Si a continuación se añade un orificio adicional, el caudal por orificio disminuye y el número de Reynolds baja a 2239. Por tanto, el régimen de flujo pasa a ser laminar, lo que hace que la resistencia de la perforación aumente hasta 0,2261 mK/W. Como consecuencia, el sistema con 16 perforaciones alcanza una temperatura media mínima del fluido de -0,23 °C, inferior a la obtenida en la simulación original.
Este ejemplo ilustra que la adición de una perforación no siempre conlleva una mejora del rendimiento térmico. Cuando la reducción del caudal hace que el régimen de flujo pase de turbulento a laminar, el aumento resultante de la resistencia de la perforación puede superar el beneficio térmico de la perforación adicional.
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