Nous avons étendu les fonctions de calcul des pertes de charge dans GHEtool Cloud pour inclure les collecteurs, les collecteurs principaux et les connexions Tichelmann - ce qui vous permet de modéliser facilement 99% de vos conceptions de champs de forage. Lisez l'article ci-dessous pour découvrir comment cela fonctionne !
Quelle est la perte de charge ?
La perte de charge est un concept de dynamique des fluides défini comme la différence de pression entre le point A et le point B, causée par le frottement - et ce frottement est essentiel. Il peut se produire entre le fluide et les parois du tuyau, au niveau des vannes, des pompes, etc., mais aussi à l'intérieur du fluide lui-même, entre les différentes ‘gouttelettes’ de fluide. La perte de charge peut donc être considérée comme l'effort nécessaire pour déplacer le fluide dans le système.
!Note
Pour plus d'informations sur les fondements théoriques de la perte de charge, le lecteur est invité à se reporter aux documents suivants cet article.
En règle générale, deux facteurs contribuent à la perte de charge : les pertes de débit dans les conduites elles-mêmes, qui se produisent dans l'ensemble du système et sont appelées pertes importantes, et les pertes causées par les coudes, les contractions et autres raccords, qui sont localisées et donc appelées pertes mineures. Les deux types de pertes sont proportionnels à la vitesse d'écoulement et donc au débit. Une courbe de perte de charge typique est illustrée ci-dessous.
!Note
Le choix des facteurs de pertes locales à utiliser fait l'objet de nombreuses discussions. Dans GHEtool Cloud, les coudes reliant les tuyaux latéraux et horizontaux aux forages sont modélisés à l'aide d'un facteur de perte locale de k = 0,3 (appliqué à l'entrée et à la sortie), tandis que les connexions entre les tuyaux latéraux et le collecteur sont modélisées avec k = 0,5 (là encore, pour l'entrée et la sortie). D'autres pertes locales - telles que celles causées par des coudes ou des raccords supplémentaires dans le circuit - ne sont pas encore prises en compte.
Perte de charge et GHEtool Cloud
GHEtool Cloud a toujours inclus un module de calcul de la perte de charge dans le champ de forage (pour plus de détails, vous pouvez vous référer à notre article précédent sur ce sujet). Ce module comprend deux éléments principaux :
- Une simulation de la chute de pression à travers un seul trou de forage, calculée par défaut
- Une simulation de la chute de pression dans la tuyauterie horizontale, en supposant que tous les trous de forage soient connectés individuellement au collecteur.
Bien que cela ait permis d'obtenir une première estimation solide des performances hydrauliques du système, sa simplicité ne lui permettait pas de prendre en compte des configurations plus complexes, telles que les raccordements Tichelmann et les collecteurs principaux. Ces caractéristiques ont été intégrées dans la dernière mise à jour de GHEtool et sont brièvement présentées ci-dessous.
Connexions Tichelmann
Qu'il s'agisse de petits ou de grands champs de forage, le raccordement individuel de chaque forage au collecteur - où le débit peut être calibré pour atteindre l'équilibre hydraulique - peut s'avérer très coûteux. Une solution alternative consiste à utiliser une connexion Tichelmann (également connue sous le nom de retour inverse), où deux ou plusieurs forages sont reliés par le même tuyau horizontal qui se connecte au collecteur. Cette configuration de retour inverse se rapproche d'une chute de pression égale entre les différents forages, ce qui permet de minimiser le nombre de connexions horizontales, de réduire la taille du collecteur et de limiter le nombre de débits à ajuster pour obtenir un système hydrauliquement équilibré.
!Attention
Il existe plusieurs façons de connecter des forages en parallèle, mais seule la configuration Tichelmann (retour inversé) permet d'obtenir un système hydrauliquement équilibré.
Tuyau principal
Un autre aspect important de la conception hydraulique des grands champs de forage est la conduite principale reliant le collecteur à la salle d'installation. Pour les champs de forage plus petits, le collecteur est généralement situé dans le bâtiment lui-même, ce qui rend cet effet négligeable. Cependant, pour les champs de forage plus importants, il n'est pas rare que le collecteur soit situé à des dizaines de mètres de la salle d'installation. Dans ce cas, étant donné que la conduite principale transporte 100% du débit du champ de forage, la chute de pression entre le collecteur et la salle d'installation peut devenir très importante.
Exemple 1 : Petit bâtiment
Comme premier exemple, considérons un petit bâtiment avec deux doubles forages DN32, chacun d'une profondeur de 150 m. Le forage le plus éloigné est situé à 10 m du bâtiment. Le forage le plus éloigné est situé à 10 mètres du bâtiment et des tuyaux DN40 sont utilisés pour les connexions horizontales. Nous examinerons trois manières différentes de raccorder les forages à la salle d'installation : raccordement direct, raccordement Tichelmann et raccordement en série.
Connexion directe
La manière la plus simple de raccorder les forages à la salle d'installation est d'utiliser un collecteur, les deux forages étant directement raccordés. Pour déterminer la perte de charge dans cette configuration, les facteurs de série et de Tichelmann doivent être réglés sur 1, et la longueur de la conduite horizontale jusqu'au collecteur doit être indiquée. (Le collecteur étant situé à l'intérieur du bâtiment, les pertes de charge dans la conduite principale sont négligeables).
La perte de charge totale dans ce système est de 22,74 kPa, dont 20,74 kPa sont dus aux forages eux-mêmes. Ce scénario est idéal en termes de performances hydrauliques, mais il est souvent trop coûteux dans la pratique. Considérons donc la configuration de Tichelmann, qui peut être simulée en fixant le facteur de Tichelmann dans GHEtool Cloud à 1.
Connexion Tichelmann
Dans cette configuration, les forages sont raccordés à l'aide d'un système Tichelmann. Seuls deux tuyaux pénètrent dans le bâtiment, ce qui élimine la nécessité d'un collecteur (bien qu'il soit toujours représenté pour plus de clarté). Comme la configuration de Tichelmann équilibre le flux de fluide de manière égale entre les deux forages, la chute de pression dans chaque forage reste de 20,74 kPa. Cependant, comme 100% du débit passe maintenant par une seule conduite horizontale (au lieu d'être réparti sur deux), les pertes dans la conduite horizontale passent de 1,98 kPa à 6,48 kPa, ce qui porte la perte de charge totale du système à 27,22 kPa.
Connexion à la série
Dans une configuration en série (modélisée en réglant le facteur de série dans GHEtool Cloud sur 1), un forage est connecté directement après l'autre. Cette configuration est souvent moins coûteuse à installer qu'une configuration Tichelmann, car elle implique moins de soudures.
Dans ce cas, les pertes de charge horizontales restent les mêmes puisqu'elles transportent toujours le débit total. Cependant, la chute de pression à travers les trous de forage augmente de manière significative. Chaque trou de forage traite maintenant 100% du débit, ce qui entraîne une perte de charge de 81,70 kPa dans chaque trou de forage. Comme les composants en série subissent des pertes cumulées, la perte de charge totale liée aux trous de forage atteint 163,40 kPa et la perte de charge totale du système s'élève à 169,78 kPa, ce qui est bien plus élevé que les 27,22 kPa observés dans la configuration de Tichelmann.
!Note
La perte de charge dans le système horizontal peut différer légèrement entre la configuration Tichelmann et la configuration en série. En effet, les deux configurations hydrauliques influencent la résistance thermique effective du trou de forage, qui à son tour affecte les propriétés du fluide. Des changements mineurs dans la viscosité peuvent donc entraîner de petites différences dans la perte de charge. Pour plus d'informations sur les propriétés des fluides en fonction de la température, vous pouvez vous référer à cet article.!Note
Il est également possible de combiner des connexions de Tichelmann et en série en fixant le facteur de Tichelmann et le facteur de série à des valeurs supérieures à 1. Par exemple, s'il y a trois groupes de deux forages connectés en série, et que ces groupes sont ensuite disposés dans une configuration de Tichelmann, les facteurs de Tichelmann et de série doivent être fixés respectivement à 3 et à 2.
Exemple 2 : Auditorium
Examinons maintenant un exemple plus détaillé impliquant 20 forages (à nouveau, double DN32 et 150 m de profondeur), connectés à un collecteur situé à 20 m de la salle d'installation. Les tuyaux latéraux reliant les forages au collecteur sont de type DN40, la distance la plus longue étant de 36 m. Nous étudierons d'abord deux cas où les forages sont directement connectés au collecteur, en variant uniquement le diamètre de la conduite principale - de DN63 à DN90. Enfin, nous analyserons un cas dans lequel les forages sont regroupés en configuration Tichelmann avant d'être connectés au collecteur.
!Note
Une licence Design de GHEtool Cloud est nécessaire pour simuler la chute de pression dans la conduite principale.
Directement avec un tuyau principal DN63
Dans le premier cas, la perte de charge totale s'élève à 104,63 kPa, répartie comme suit : 21,87 kPa dans les forages, 4,31 kPa dans les raccordements latéraux et 78,45 kPa dans la conduite principale. Même si la conduite principale ne mesure que 20 m de long - ce qui est relativement court par rapport aux forages de 150 m - la perte de pression est importante en raison du débit élevé dans cette section.
Directement avec un tuyau principal DN90
En gardant les connexions latérales inchangées et en augmentant le diamètre de la conduite principale à DN90, la chute de pression dans la conduite principale passe de 78,45 kPa à seulement 14,46 kPa. Par conséquent, la perte de charge totale tombe à 40,64 kPa, soit moins de la moitié du cas précédent. Cela souligne clairement l'importance d'un dimensionnement correct de la conduite principale dans la conception du champ de forage.
Tichelmann avec un tuyau principal DN90
Comme le raccordement direct de 20 trous de forage à un collecteur peut s'avérer coûteux, une autre approche consiste à regrouper les trous de forage par paires en utilisant une configuration Tichelmann (retour inverse), comme illustré ci-dessous.
Par rapport au scénario précédent, la perte de charge dans la conduite principale reste inchangée car le débit total est le même. Cependant, la perte de charge dans le système latéral passe de 4,31 kPa à 23 kPa en raison du débit plus élevé dans chaque conduite latérale.
!Note
Pour les champs de forage plus importants, où la distance latérale entre les trous de forage et le collecteur peut également être considérable, le choix du diamètre des tuyaux pour les connexions latérales devient un facteur clé de la performance hydraulique du système.
Conclusion
Cet article présentait les nouvelles méthodes, plus avancées, de simulation hydraulique d'un champ de forage géothermique. Désormais, il est possible de prendre en compte les connexions Tichelmann et les conduites principales reliant le collecteur à la salle d'installation. Ces ajouts étendent l'applicabilité des calculs de pertes de charge de GHEtool Cloud à 99% de projets typiques, améliorant ainsi de manière significative la précision et l'efficacité de vos conceptions de systèmes.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.