Comparación del Rendimiento Térmico de Fluidos de Trabajo para el Deshielo Geotérmico con Tubo de Calor Gravitacional
Autores: Cui, Wenwen; Chai, Yutong; Asgarpour, Soheil; Yin, Shunde
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Comparación del Rendimiento Térmico de Fluidos de Trabajo para el Deshielo Geotérmico con Tubo de Calor Gravitacional
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Nieve
Acumulación de hielo
Infraestructura de transporte
Sistema geotérmico de derretimiento de nieve
Rendimiento térmico
Eficiencia de cambio de fase
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
La acumulación de nieve y hielo en la infraestructura de transporte presenta desafíos significativos de seguridad y mantenimiento en regiones frías, mientras que los métodos de eliminación convencionales son tanto intensivos en energía como perjudiciales para el medio ambiente. Este estudio propone un Sistema de Derretimiento de Nieve Geotérmico Acoplado por Tubo de Calor Pasivo (HP-GSMS) que aprovecha la energía geotérmica superficial para mantener superficies libres de nieve sin necesidad de energía externa. Utilizando simulaciones CFD basadas en Fluent, se evaluó el rendimiento térmico del sistema bajo varios fluidos de trabajo (amoníaco, dióxido de carbono, agua) y materiales de tubería (acero inoxidable, aluminio). Un modelo de resistencia térmica unidimensional validó los resultados de CFD bajo condiciones de amoníaco-acero inoxidable, prediciendo un flujo de calor de 358.6 W/m2 en comparación con 361.0 W/m2 de la simulación, con una desviación de solo 0.66%, confirmando la precisión del modelo. El amoníaco demostró una eficiencia de cambio de fase superior, con la configuración de aluminio-amoníaco produciendo el flujo de calor más alto (hasta 677 W/m2), superando los umbrales típicos de derretimiento de nieve. Las tuberías de aluminio mejoraron la conducción de calor radial sin comprometer la estabilidad de fase, mientras que el agua mostró un rendimiento deficiente en el cambio de fase y el CO2 mostró un comportamiento moderado pero estable. Además, se empleó una red térmica RC dinámica de tres nodos para evaluar el rendimiento transitorio bajo variaciones de temperatura diurnas realistas, revelando flujos de calor en la superficie que oscilaban entre 230 y 460 W/m2, con un promedio diario de aproximadamente 340 W/m2. Estos hallazgos demuestran la viabilidad práctica del HP-GSMS en climas fríos y subrayan la importancia de seleccionar fluidos de bajo punto de ebullición y materiales de alta conductividad para aplicaciones de derretimiento de nieve escalables, eficientes en energía y de bajo carbono en la infraestructura urbana.
Descripción
La acumulación de nieve y hielo en la infraestructura de transporte presenta desafíos significativos de seguridad y mantenimiento en regiones frías, mientras que los métodos de eliminación convencionales son tanto intensivos en energía como perjudiciales para el medio ambiente. Este estudio propone un Sistema de Derretimiento de Nieve Geotérmico Acoplado por Tubo de Calor Pasivo (HP-GSMS) que aprovecha la energía geotérmica superficial para mantener superficies libres de nieve sin necesidad de energía externa. Utilizando simulaciones CFD basadas en Fluent, se evaluó el rendimiento térmico del sistema bajo varios fluidos de trabajo (amoníaco, dióxido de carbono, agua) y materiales de tubería (acero inoxidable, aluminio). Un modelo de resistencia térmica unidimensional validó los resultados de CFD bajo condiciones de amoníaco-acero inoxidable, prediciendo un flujo de calor de 358.6 W/m2 en comparación con 361.0 W/m2 de la simulación, con una desviación de solo 0.66%, confirmando la precisión del modelo. El amoníaco demostró una eficiencia de cambio de fase superior, con la configuración de aluminio-amoníaco produciendo el flujo de calor más alto (hasta 677 W/m2), superando los umbrales típicos de derretimiento de nieve. Las tuberías de aluminio mejoraron la conducción de calor radial sin comprometer la estabilidad de fase, mientras que el agua mostró un rendimiento deficiente en el cambio de fase y el CO2 mostró un comportamiento moderado pero estable. Además, se empleó una red térmica RC dinámica de tres nodos para evaluar el rendimiento transitorio bajo variaciones de temperatura diurnas realistas, revelando flujos de calor en la superficie que oscilaban entre 230 y 460 W/m2, con un promedio diario de aproximadamente 340 W/m2. Estos hallazgos demuestran la viabilidad práctica del HP-GSMS en climas fríos y subrayan la importancia de seleccionar fluidos de bajo punto de ebullición y materiales de alta conductividad para aplicaciones de derretimiento de nieve escalables, eficientes en energía y de bajo carbono en la infraestructura urbana.