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Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción
Guayaquil, Octubre de 2015
Oportunidades y Retos de Aplicaciones de Geotermia de baja entalpía en la costa de Ecuador
Introducción: Problema
Introducción
• Conocer el funcionamiento de los sistemas de enfriamiento geotérmicos
• Geología
• Características térmicas del terreno
• Comparación del consumo y eficiencia entre un sumidero geotérmico y una torre de enfriamiento
• Toma de datos meteorológicos
• Medida experimental en modelo de pruebas
• Difusión de resultados
• Diseño de una metodología experimental
• Elaboración de guías técnicas
Introducción: Objetivos
Propiedades térmicas del terreno: Metodología
𝑇𝑓(𝑡) − 𝑇𝑔 = 𝑄
4𝜋𝐿𝑘𝑠𝑙𝑛 𝑡 +
𝑄
𝐿
𝑙𝑛16𝛼𝑠𝑑𝑏2 − 𝛾
4𝜋𝑘𝑠+ 𝑅𝑔 +
𝑅𝑝 + 𝑅𝑓
2
𝑅𝑓 =1
𝜋𝑑𝑝,𝑖ℎ𝑓
𝑅𝑝 =1
2𝜋𝑘𝑝ln
𝑑𝑝,𝑜
𝑑𝑝,𝑖
𝑅𝑔 =1
2𝜋𝑘𝑔ln
𝑑𝑏
𝑑𝑝,𝑜 𝑛
ℎ𝑓 = 0.023𝑘𝑓
𝑑𝑝,𝑖𝑅𝑒0.8𝑃𝑟0.35
𝑅𝑠 𝑡 =𝑇𝑓 − 𝑇𝑔
𝑄𝐿
Ecuación de Dittus-Boelter:
Método de la fuente lineal:
𝑉á𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 >20𝑟2
𝛼y para diámetros de tubo menores de 50 mm.
Test de respuesta térmica
• Se realizaron un total de 10 perforaciones.
• Profundidades alcanzadas de 50 y 60 m.Propiedades térmicas del terreno: Metodología
P-1P-1
• Maquinaría: equipo ACKER sobre patines y equipo TP50 sobre Land Rover.
• Método: Rotación con recuperación de testigo.
• Diámetro de perforación 113 mm, longitud de 50 y 60 m.Recuperación del testigo de la perforación
Propiedades térmicas del terreno: Instalación
Cemento (kg/m3) 587.7
Agua (L/m3) 323.3
Arena (kg/ m3) 1251.8
Bentonita (kg/m3) 6.5
Plastificante (L/m3) 8.8
Densidad Relativa 2.18
Composición del relleno(kg≈1.73 W/mK)
Preparación del relleno
• Ensayos de identificación.
• Contenido en humedad mediante secado en estufa (UNE 103-300-95)
• Límites de Atterberg (Límite Líquido UNE 103-103-94 y Límite Plástico UNE 103-104-93).
• Análisis granulométrico de suelo por tamizado (UNE 103-101-95).
• Densidad seca del suelo (UNE 103-302-94).
• Clasificación (ASTMD-2487-93).
• Ensayos determinación de la mineralogía.
• Difractometría (identifica y cuantifica minerales con estructura cristalina).
• Termogravimetría Espectrometría y Calorimetría diferencial (identifica minerales con estructura amorfa).
Propiedades térmicas del terreno: Geología
Calentamiento por resistencias eléctricas a 50 - 80 W/m, durante 48 horas (ASHRAE). Generador de gasolina de 10 kW.
T promedio
T media entrada
T media salida
Flujo promedioT suelo sin perturbar
Flujo de calor
321.37 K48.22 ºC
322.21 K49.06 ºC
320.53 K47.38 ºC
4.592x10-4 m3/s27.55 L/min
302.15 K29 ºC
2746.03 W
Propiedades térmicas del terreno: Test de Respuesta Térmica
Centro cívico
306
308
310
312
314
316
318
320
322
324
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tem
per
atu
re (
K)
Time (h)
Outlet Temp
Inlet Temp
Mean Temp
∆𝑇(𝑡) = 𝑎 ∙ 𝑙𝑛 𝑡 + 𝑏 → 𝑎 = 𝑄
4𝜋𝐿𝑘𝑠→ 𝑘𝑠
∆T(t) = 3.3977x + 308.11
R² = 0.9968
316
317
318
319
320
321
322
2 3 4
Tf(t
)-Tg
(K
)
ln(t)
Propiedades térmicas del terreno: Test de Respuesta Térmica
Método fuente lineal
Resistividad térmica del terreno Rs (mK/W)
Conductividad térmica del terreno ks (W/mK)
Difusividad térmica del terreno α (m2/día)
ESPOL 0.421 1.668 0.378
Univ. Guayaquil 0.546 0.898 0.066
Base Naval Norte 0.467 1.013 0.076
Centro Cívico 0.337 1.123 0.012
Astinave 0.349 1.245 0.030
Hosp. Teodoro Maldonado 0.574 0.676 0.031
Esclusas 0.420 0.991 0.038
Base Naval Sur 0.400 1.120 0.024
Central Térmica Trinitaria 0.470 0.690 0.047
Policía Militar del Suburbio 0.394 0.923 0.012
Propiedades térmicas del terreno: Resultados
Estero Aluvial Roca
R k α R k α R k α
Máximo 0.524 1.312 0.144 0.469 1.020 0.075 0.421 1.674 0.386
Mínimo 0.080 0.782 0.017 0.180 1.008 0.053 0.230 1.670 0.094
Media 0.267 1.069 0.049 0.324 1.014 0.064 0.326 1.672 0.240
Propiedades térmicas del terreno: Efecto de las mareas
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
met
ros
ΔT
(°C
)horas
Efectos de la marea sobre el TRT
Gradiente de Temperatura [ºC] Marea [m]
ASTINAVE
Tiempo de la prueba 48hPotencia promedio empleada 2718WCaudal promedio medido 5.37 gal/minTemperatura sin perturbar 29ºCProfundidad de pozo 50m
Propiedades térmicas del terreno: Mapas de propiedades térmicas
Conductividad Difusividad Resistividad
Torres de enfriamiento del Edif. del Gobierno Zonal
Sensor ultrasónico de flujo
Desempeño de una torre de enfriamiento
Registradores de consumo eléctrico
Sensores de temperatura del agua
Desempeño de una torre de enfriamiento
Estación meteorológica
Mapa de distribución de precipitaciones en Guayaquil(INAMHI)
Desempeño de una torre de enfriamiento
• Toma de datos cada 10 min.
• Periodo de muestreo de 10 s.
Enfriamiento por evaporación de agua en aire/intercambio de calor
Consumo eléctrico en bomba de circulación y ventilador
Consumo de agua
Limpieza periódica
Expuesto a las condiciones meteorológicas
Tipos:Húmeda/SecaAbierta/cerradaTiro inducido/forzado
RSD Cooling Towers
Comparación de una torre de enfriamiento y un sumidero de calor
Torre de enfriamiento:
Potencia de 5 TRFT entrada 95 ºFT salida 85 ºFT bulbo húmedo 75 ºF
Sumidero geotérmico:
4 perforacionesProfundidad de 42 metrosSeparación 6 metros
Distribución:
Tuberías HDPE1-1/4’’ y 3/4’’
Carga térmica:
Calderas eléctricasPotencia de 9 kW
Comparación de una torre de enfriamiento y un sumidero de calor
Tuberías de distribución
Calderas y bombas
Torre de enfriamiento
Comparación de una torre de enfriamiento y un sumidero de calor
Comparación de una torre de enfriamiento y un sumidero de calor: Resultados
Temperaturas de entrada y salida del sumidero
Temperaturas de entrada y salida de la torre
Comparación de una torre de enfriamiento y un sumidero de calor: Rentabilidad
Inversión TorreCoste unitario ($) Unidades Coste total ($)
Torre de enfriamiento (5 TRF) $1,675.00 1 $1,675.00
Tubería PE $1.50 20 $30.00
Válvula de bola $364.00 2 $728.00
Panel de control $738.00 1 $738.00
Solera de hormigón $100.00 1 $100.00
Bomba de agua $375.00 1 $375.00
Mano de obra $11.51 16 $184.16
Transporte materiales $20.00 2 $40.00
TOTAL $3,870.16
Inversión SumideroCoste unitario ($) Unidades Coste total ($)
Perforaciones 42 m. Relleno de
cemento y bentonita$5,021.00 4 $20,084.00
Manguera PE $0.52 384 $199.68
Válvulas de bola $15.00 6 $90.00
Panel de control $826.00 1 $826.00
Bomba de agua $246.00 1 $246.00
Mano de obra $11.51 8 $92.08
Transporte de material $20 1 $20.00
TOTAL $21,557.76
Costos Corrientes
TorreCoste unitario ($/mes) Consumo Unidades Coste total ($/mes)
Consumo eléctrico $0.12 207.67 kWh/mes $24.92
Consumo de agua (Ver hoja) 16.225 m3/mes $10.06
Limpieza bombas y
torre$11.51 2 $/mes $23.02
Consumibles $154.00 0.25 $ $38.50
TOTAL $96.50
Costos Corrientes
SumideroCoste unitario ($/mes) Consumo Unidades Coste total ($/mes)
Consumo eléctrico $0.12 79.38 kWh/mes $9.53
Limpieza bomba e
inspección$11.51 0.33 $/mes $3.84
Consumibles $0.50 0.083 $ $0.04
TOTAL $13.37
𝐴𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛𝑆𝑖𝑚𝑝𝑙𝑒 =
=𝐶𝐼𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑒𝑟𝑜 − 𝐶𝐼𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒
𝐶𝐶 + 𝐶𝑅 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑒𝑟𝑜 − 𝐶𝐶 + 𝐶𝑅 𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒= 16.76 𝑎ñ𝑜𝑠
Torre enfriamiento Sumidero geotérmico
Estimados costos de reemplaces/año (CR) $155.59 $97.79
700 BTU-HR/m2 Torre Sumidero
Inversión/m2 $88.01 $502.55
Coste/m2/año $30.65 $6.02
Energía(kWh)/m2/año 58.148 22.227
1000 BTU-HR/m2 Torre Sumidero
Inversión/m2 $121.54 $693.99
Coste/m2/año $42.33 $8.32
Energía(kWh)/m2/año 80.299 30.695
Costes por m2:
Comparación de una torre de enfriamiento y un sumidero de calor: Rentabilidad
Investment costs Operating costs Replacementcosts
Cooling tower $3,870.16 $1,158.04/year $155.59/yearHeat sink $21,557.76 $160.39/year $97.79/year
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
$
Años
Sumidero 9kW Torre 9kW Torre 18kW Sumidero 18kW
AHORRO
ahorro
Trabajos en Desarrollo
- Medición de perfiles de temperatura
- Mejora diseño sitemas verticales, uso de diferentes fluidos y materiales- Desempeño de sistemas horizontales- Influencia de flujos de agua en suelo (e.g. mareas, acuíferos) en propiedades térmicas.
El uso del suelo como sumidero de calor es una alternativa para la refrigeración que ha demostrado buen
rendimiento y disponibilidad. Existen varias tipologías de sumidero de calor.
La mayoría de las perforaciones se encontró material perteneciente al ambiente estuarino con intercalaciones
aluviales.
Las propiedades térmicas encontradas son más favorables en los terrenos rocosos.
El nivel freático tiene una gran influencia en el calor intercambiado.
El aumento de la temperatura ambiental aumenta la carga térmica de las edificaciones y disminuye el
rendimiento térmico de una torre de enfriamiento húmeda.
Se han obtenido los valores de conductividad, difusividad y resistividad térmicas del terreno. Resultados
congruentes con varios métodos de cálculo.
El Test de Respuesta Térmica se considera el método de medida más preciso y directo.
Las propiedades térmicas son casi constantes a lo largo del año. Tienen una gran influencia en el rendimiento
del sumidero de calor.
Bajos costes de operación y altos de inversión. Mayor ahorro con cargas térmicas grandes.
Conclusiones