Investigación Numérica de Sistemas de Tubos de Calor de Gravedad Ultra-Largos para la Generación de Energía Geotérmica en el Monte Meager
Autores: Chai, Yutong; Cui, Wenwen; Ren, Ao; Asgarpour, Soheil; Yin, Shunde
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Investigación Numérica de Sistemas de Tubos de Calor de Gravedad Ultra-Largos para la Generación de Energía Geotérmica en el Monte Meager
Categoría
Ciencias de los Materiales
Subcategoría
Extracción y transformación de minerales
Palabras clave
Geotérmico
Transporte térmico
Simulaciones de CFD
Flujo de calor
Rendimiento del sistema
Generación de energía
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 30
Citaciones: Sin citaciones
El tubo de calor de gravedad superlargo (SLGHP) es una tecnología eficiente de utilización de energía geotérmica que puede transmitir energía térmica aprovechando completamente las diferencias de temperatura naturales sin necesidad de energía externa. Este estudio se centra en el entorno geotérmico de gran altitud del Monte Meager, Canadá, y emplea simulaciones numéricas y análisis térmico dinámico para investigar sistemáticamente el rendimiento del transporte térmico del sistema SLGHP bajo condiciones de operación tanto en estado estacionario como dinámico. El estudio también examina el impacto de varios parámetros estructurales en el rendimiento del sistema. Se realizaron simulaciones CFD tridimensionales para analizar los efectos del diámetro del tubo, la longitud, la relación de llenado, la selección del fluido de trabajo y el material del tubo en la eficiencia de transferencia de calor y la distribución del flujo de calor del SLGHP. Los resultados indican que fluidos de trabajo como el CO y el NH mejoran significativamente la densidad del flujo de calor, mientras que aumentar el diámetro del tubo puede reducir la cantidad de líquido retenido en la sección del condensador, afectando así el retorno del condensado y la estabilidad térmica. Además, el análisis térmico dinámico utilizando un modelo de red RC de tres nodos simuló los efectos de las fluctuaciones diurnas de temperatura y las variaciones en el coeficiente de transferencia de calor convectivo en la sección del condensador sobre la estabilidad térmica del sistema. Los resultados muestran que el flujo de calor del condensador puede alcanzar un pico de 5246 W/m durante el día, mientras que se mantiene en un rango de 2200-2600 W/m por la noche, con el sistema exhibiendo una buena capacidad de respuesta térmica y sin retrasos significativos o interrupciones en el flujo. Además, basado en la salida térmica del sistema SLGHP y la integración con el sistema de Ciclo Orgánico de Rankine (ORC), el análisis del potencial de generación de energía indica que el sistema, con 100 tubos de calor, puede proporcionar una generación de energía estable de 50-60 kW. En contraste con estudios previos de SLGHP centrados en modelado generalizado, este trabajo introduce un marco CFD-RC específico para el sitio, cuantifica la sensibilidad estructural a través de índices de flujo de calor y conecta el rendimiento numérico con la viabilidad económica, ofreciendo información práctica para el despliegue en gran altitud. Este sistema tiene aplicaciones prácticas prometedoras, particularmente para proporcionar energía renovable estable en regiones remotas y frías. La investigación futura se centrará en experimentos de campo y optimización del sistema para mejorar aún más la eficiencia del sistema y la viabilidad económica.
Descripción
El tubo de calor de gravedad superlargo (SLGHP) es una tecnología eficiente de utilización de energía geotérmica que puede transmitir energía térmica aprovechando completamente las diferencias de temperatura naturales sin necesidad de energía externa. Este estudio se centra en el entorno geotérmico de gran altitud del Monte Meager, Canadá, y emplea simulaciones numéricas y análisis térmico dinámico para investigar sistemáticamente el rendimiento del transporte térmico del sistema SLGHP bajo condiciones de operación tanto en estado estacionario como dinámico. El estudio también examina el impacto de varios parámetros estructurales en el rendimiento del sistema. Se realizaron simulaciones CFD tridimensionales para analizar los efectos del diámetro del tubo, la longitud, la relación de llenado, la selección del fluido de trabajo y el material del tubo en la eficiencia de transferencia de calor y la distribución del flujo de calor del SLGHP. Los resultados indican que fluidos de trabajo como el CO y el NH mejoran significativamente la densidad del flujo de calor, mientras que aumentar el diámetro del tubo puede reducir la cantidad de líquido retenido en la sección del condensador, afectando así el retorno del condensado y la estabilidad térmica. Además, el análisis térmico dinámico utilizando un modelo de red RC de tres nodos simuló los efectos de las fluctuaciones diurnas de temperatura y las variaciones en el coeficiente de transferencia de calor convectivo en la sección del condensador sobre la estabilidad térmica del sistema. Los resultados muestran que el flujo de calor del condensador puede alcanzar un pico de 5246 W/m durante el día, mientras que se mantiene en un rango de 2200-2600 W/m por la noche, con el sistema exhibiendo una buena capacidad de respuesta térmica y sin retrasos significativos o interrupciones en el flujo. Además, basado en la salida térmica del sistema SLGHP y la integración con el sistema de Ciclo Orgánico de Rankine (ORC), el análisis del potencial de generación de energía indica que el sistema, con 100 tubos de calor, puede proporcionar una generación de energía estable de 50-60 kW. En contraste con estudios previos de SLGHP centrados en modelado generalizado, este trabajo introduce un marco CFD-RC específico para el sitio, cuantifica la sensibilidad estructural a través de índices de flujo de calor y conecta el rendimiento numérico con la viabilidad económica, ofreciendo información práctica para el despliegue en gran altitud. Este sistema tiene aplicaciones prácticas prometedoras, particularmente para proporcionar energía renovable estable en regiones remotas y frías. La investigación futura se centrará en experimentos de campo y optimización del sistema para mejorar aún más la eficiencia del sistema y la viabilidad económica.