Históricamente, se ha supuesto que las propiedades de los fluidos (como la densidad, la viscosidad, etc.) son constantes a lo largo del periodo de simulación del campo de sondeo. Sin embargo, esta suposición puede llevar a un sobredimensionamiento significativo del sistema, especialmente en lo que respecta a la refrigeración, y dar una impresión errónea del comportamiento a largo plazo del sistema.
La importancia de las propiedades de los fluidos
El fluido caloportador desempeña un papel muy importante en el comportamiento térmico del campo de sondeo. Dependiendo del régimen de flujo, ya sea laminar, de transición o turbulento, la velocidad de transferencia de calor variará significativamente. Esto tiene un efecto considerable en la resistencia térmica efectiva de la perforación (como se explica en el apartado 2.2) y, por tanto, también en el diseño final del sistema.
Propiedades de los fluidos en función de la temperatura
En el gráfico siguiente se muestran tres soluciones anticongelantes típicas: monopropilenglicol (MPG), monoetilenglicol (MEG) y etanol. Las concentraciones respectivas de las soluciones (25%, 22% y 22%) se seleccionaron de forma que el punto de congelación fuera idéntico en todos los casos, aproximadamente -11 °C. También se muestra agua pura como caso de referencia.
Tanto la densidad (utilizada para el número de Reynolds y el caudal) como la viscosidad dinámica (utilizada para el número de Reynolds) son muy importantes en la simulación de campos de sondeo. Puede observarse que la densidad es más o menos constante con la temperatura, variando sólo ±1% en el intervalo de temperaturas de -5 °C a 25 °C, es decir, el intervalo de funcionamiento típico de un campo de sondeo geotérmico. Tanto el MEG como el MPG tienen una densidad significativamente mayor que el agua, mientras que la mezcla de agua y etanol tiene una densidad menor.
En el caso de la viscosidad, la situación es diferente. En este caso, se observa una tendencia muy significativa al pasar de temperaturas más frías a temperaturas más cálidas, con más de un factor de 3 de diferencia en el caso de MPG entre -5 °C y 25 °C. También está claro que el agua pura tiene una viscosidad muy baja, mucho mejor que la de las soluciones anticongelantes.
Número de Reynolds en función de la temperatura
En el gráfico siguiente, se ha calculado el número de Reynolds para todos los fluidos utilizando una única sonda DN40 PN16 (con un radio interior de 16,3 mm) y un caudal fijo de 0,2 l/s.
Debido a la fuerte dependencia de la viscosidad con la temperatura y a su relación con el número de Reynolds, se observa el mismo factor de 3 de diferencia entre -5 °C y 25 °C. También está claro que el número de Reynolds del agua, debido a su bajísima viscosidad, es siempre significativamente mayor que el de cualquier solución anticongelante. Esto tiene importantes consecuencias para la resistencia térmica efectiva de la perforación, como se mostrará en la siguiente sección.
Resistencia de la perforación en función de la temperatura
Como recordarán de Parte 2.2, el régimen del fluido tiene un impacto significativo en la resistencia térmica efectiva de la perforación. Siempre que el número de Reynolds sea inferior a 2300, se supone que el fluido se encuentra en estado laminar, y por encima de 4000, se encuentra en estado turbulento plenamente desarrollado. La región 2300 < Re < 4000 se considera una zona de transición.
En el gráfico anterior se aprecia un descenso significativo de la resistencia térmica efectiva de la perforación cuando el fluido pasa del régimen laminar al de transición. El aspecto interesante es la temperatura a la que esto ocurre. En el rango más frío (0-5 °C), que es el típico cuando se extrae calor del yacimiento, la resistencia del pozo es alta debido al régimen de flujo laminar. Sin embargo, con el mismo caudal pero a temperaturas más altas (>12 °C), todos los fluidos se convierten en transitorios, lo que reduce significativamente la resistencia del sondeo.
Lo interesante es que, dentro del mismo campo de sondeo, y dada la variación de temperatura a lo largo de las estaciones, es totalmente posible (como se demostrará más adelante) que el fluido entre y salga del régimen laminar en función de la temperatura. Suponer que las propiedades del fluido son constantes (una suposición histórica típica, que se sigue utilizando en muchas otras herramientas de diseño) y, por tanto, un número de Reynolds y una resistencia de perforación correspondientes constantes, es una grave simplificación de la realidad.
Históricamente, los campos de sondeo geotérmicos se utilizaban como fuente estable y de temperatura relativamente alta para las bombas de calor geotérmicas. En este caso, la única temperatura importante es la temperatura media mínima del fluido a largo plazo. Dado que los campos de sondeo siempre se dimensionaban para hacer frente a esta temperatura media mínima del fluido, las propiedades del fluido se calculaban normalmente para esta condición en el peor de los casos (o incluso más baja, en el punto de congelación de la mezcla de agua y anticongelante).
Más recientemente, los campos de sondeo se utilizan cada vez más para la refrigeración, lo que amplía la gama de posibles temperaturas del fluido y aumenta la importancia de esta dependencia de la temperatura. Obsérvese que otros programas informáticos, como Energía de la Tierra Designer o EWS sólo funcionan con una única temperatura del fluido y su correspondiente número de Reynolds y resistencia de perforación. Esta mejora de la precisión es exclusiva de GHEtool.
Además de la densidad y la viscosidad dinámica, la conductividad térmica del fluido también influye en la resistencia de la perforación. La resistencia convectiva viene dada por $$R_{conv}=\frac{1}{hA}$$donde $A$ es la superficie de transferencia de calor en (m²) y $h$ el coeficiente de transferencia de calor convectivo en (W/m²), en el que influyen la conductividad térmica del fluido y su capacidad calorífica. Sin embargo, como puede verse en el gráfico siguiente, al igual que la densidad, estos parámetros no varían significativamente, y el parámetro más influyente sigue siendo la viscosidad.
Ejemplos en GHEtool
Para ilustrar la importancia de utilizar propiedades de fluidos variables en el diseño, se mostrarán dos ejemplos diferentes. El primer ejemplo ilustra su importancia para el diseño de campos de sondeo, mientras que el segundo muestra perspectivas adicionales sobre el comportamiento de los campos de sondeo que antes pasaban desapercibidas.
Diferencia de diseño
A continuación, se simula un yacimiento utilizando propiedades de fluido constantes.
Como puede observarse claramente, con una temperatura media máxima del fluido de 19,57 °C, estamos significativamente por encima del umbral de 17 °C. Si queremos mantenernos por debajo de este límite, habría que aumentar el tamaño del campo de sondeo de 476 m a 654 m (un aumento de 37%), con lo que la temperatura máxima sería de 17,3 °C.
Sin embargo, si volvemos a realizar la misma simulación, ahora suponiendo que las propiedades del fluido son variables, obtenemos el perfil de temperatura que se muestra a continuación con una temperatura media máxima del fluido de 17,5 °C. Esto se debe a que el número de Reynolds durante la inyección es ahora de 4295 (turbulento), lo que da lugar a una resistencia de perforación de 0,1324 mK/W durante la inyección en lugar de la mayor de 0,2277 mK/W durante la extracción.
Sólo con cambiar la forma de calcular las propiedades del fluido y, por tanto, la resistencia de la perforación, ahorramos casi 200 m de perforación adicional.
Salto en la resistencia de la perforación
Como la resistencia de la perforación y la temperatura del fluido dependen ahora bidireccionalmente la una de la otra, el desequilibrio vuelve a hacerse patente. A medida que un campo de sondeo se enfría año tras año, la viscosidad aumenta, y puede ocurrir que al cabo de cierto año se observe un brusco descenso de la temperatura, como se muestra en la figura siguiente.
En el año 6 de la simulación anterior, las temperaturas del fluido ya son más bajas debido al desequilibrio de los años anteriores, y a partir de ese momento ya no es posible conseguir un flujo turbulento. Sin el uso de propiedades variables del fluido, las temperaturas del primer año también serían más bajas, y este efecto (y su posible mitigación) pasaría desapercibido.
Conclusión
En este capítulo hemos tratado la dependencia de la temperatura de las propiedades de los fluidos. Dado que la viscosidad del fluido puede variar en un factor de 3 a lo largo del intervalo de temperaturas de funcionamiento típico de un campo de sondeo, el número de Reynolds y la resistencia térmica efectiva del pozo también pueden variar significativamente.
La suposición tradicional de utilizar propiedades de fluidos constantes en las simulaciones de campos de sondeo puede conducir a un sobredimensionamiento significativo, especialmente cuando el campo de sondeo tiene una carga de inyección sustancial. Otro aspecto importante es que el uso de propiedades variables de los fluidos puede aportar información adicional al diseño. Esto se ilustró con un ejemplo en el que, al cabo de cinco años, la temperatura descendió por debajo de un umbral crítico en el que ya no se podía mantener un flujo turbulento, lo que provocó un descenso repentino de la temperatura del fluido.
Por lo tanto, se recomienda encarecidamente trabajar con propiedades de fluido variables (y es la opción por defecto en GHEtool) para obtener resultados más precisos. La siguiente mejora importante en la precisión de la simulación es el uso de caudales variables.
Pregunta
Descargas
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Referencias
- Peere, W. (2026) Towards a more accurate design of borefields: using variable fluid properties, flow rate and heat pump efficiency. En las actas de GeoTHERM expo & congress, Offenburg, Alemania, 26-27 de febrero de 2026. Enlace