Simulación de un Intercambiador de Calor de Fondo de Pozo para el Aprovechamiento de la Energía Geotérmica Empleando Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)

Abstract

La energía geotérmica es una fuente potencial y prometedora de energía renovable que juega un papel clave en la transición hacia un futuro mas sostenible, a diferencia de las energías eólica y solar, la energía geotérmica está disponible las 24 horas del día, sin embargo, su implementación enfrenta desafíos. Los yacimientos geotérmicos se clasifican según su temperatura, las zonas de de baja entalpía comprende las temperaturas menores a los 100 °C, las cuales son las zonas más comunes, estas zonas del subsuelo consisten en un sistema de roca caliente formadas por capas de roca impermeable que recubre un foco calorífico y del cual se hace uso de un intercambiador de calor de fondo de pozo, o DHE por sus siglas en inglés, para la extracción de la energía, sin embargo, dicha energía se pierde a los alrededores a medida que asciende ya que la temperatura de la superficie varía para cada época del año, además el incorrecto dimensionamiento del DHE puede dar lugar a instalaciones ineficientes donde las pérdidas representan el 18% de la energía útil. En este estudio se simularon los efectos termodinámicos de un intercambiador de calor de fondo para el aprovechamiento de la energía geotérmica mediante el uso de la herramienta de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). Para ello se recrea en el simulador, un modelo de un intercambiador de tipo vertical de 50 metros de longitud y de diámetro de 150 mm, además de tipo coaxial, es decir, tubo dentro de otro tubo con tubería externa de 75 mm e interna de 40 mm, por el cual circula agua a flujo constante y a una temperatura de entrada de 30°C para uso de refrigeración. Las temperaturas del subsuelo y las temperaturas de salida del fluido son extraídas de un banco de pruebas experimentales de un artículo de la literatura, datos que posteriormente validan los resultados obtenidos por la simulación. El modelo utilizado es la teoría clásica de la fuente cilíndrica simplificada con el método de volúmenes finitos. Una vez se calculan los valores de la energía transferida y la temperatura de salida del fluido portador, se procede a calcular una vez más dichos resultados en un diseño paramétrico que consiste en aumentar en un 10% y 20% los diámetros de la tubería interior y exterior y así conocer las posibles combinaciones que mejoren la captación de la energía. Los resultados encontrados demuestran un delta de temperatura de 8 grados y una mejora en más del 5% del coeficiente operacional (COP) del DHE al modificar la relación de diámetros de las tuberías y de la velocidad del flujo, dando lugar a valores de turbulencia y de transferencia de calor efectivas. De igual manera se hace análisis del efecto en las pérdidas de calor al aumentar la longitud del intercambiador para los casos de refrigeración y calefacción, dando lugar a un dimensionamiento del DHE más conveniente y eficaz.