Resumen Técnico: Diseño y Desempeño de Transferencia de Calor de una Columna de Tubería Interior Híbrida Aislada para Intercambiadores de Calor Coaxiales de Geotermia Profunda

Planteamiento del Problema

Los intercambiadores de calor coaxiales de geotermia profunda enfrentan un compromiso de ingeniería crítico respecto al diseño de la columna de la tubería interior. Las tuberías aisladas de acero convencionales ofrecen la resistencia mecánica y la resistencia a altas temperaturas necesarias para pozos profundos, pero imponen un peso excesivo, lo que sobrecarga las cargas del cabezal del pozo y las operaciones de despliegue. Por el contrario, las tuberías de polímero ofrecen bajo peso y baja conductividad térmica, pero carecen de la resistencia a la temperatura a largo plazo requerida para entornos de pozos profundos (que a menudo superan los 120 °C). Las soluciones existentes luchan por satisfacer simultáneamente los requisitos competitivos de aislamiento térmico, fiabilidad mecánica a alta temperatura y diseño ligero. Además, la transferencia de calor radial entre el fluido caliente que fluye hacia arriba y el fluido frío que fluye hacia abajo dentro del pozo causa un "cortocircuito térmico", lo que reduce significativamente la capacidad efectiva de extracción de calor del sistema.

Metodología

El estudio empleó un enfoque multiescala integrando simulación numérica, ciencia de materiales, diseño estructural y validación de campo:

1. Modelado Numérico: Se desarrolló un modelo de acoplamiento transitorio de filtración y transferencia de calor utilizando COMSOL Multiphysics. El modelo simuló un intercambiador de calor coaxial profundo, la camisa de cemento y la formación circundante (dominio de 200 m × 200 m) basado en las condiciones geológicas de la Depresión de Xi'an. Incorporó el modelo de turbulencia $k$–$\varepsilon$ para el flujo en el pozo y la ley de Darcy para la filtración de aguas subterráneas.
2. Validación del Modelo: El modelo numérico se validó con datos de campo de un pozo geotérmico de 4050 m de profundidad, mostrando un error de cálculo global del 6.6%.
3. Análisis Paramétrico: El modelo evaluó los efectos del caudal de entrada, la temperatura de entrada, la conductividad térmica de la tubería interior, el diámetro de la tubería interior y la longitud de la sección aislada sobre el desempeño de la extracción de calor.
4. Diseño de Materiales y Estructural:
   • Selección de Materiales: Se evaluaron polímeros de ingeniería (PPS, PEEK, PEI) y aleaciones de aluminio. Se seleccionó la aleación de aluminio 7075-T6511 para la sección inferior debido a su alta relación resistencia-peso y resistencia a la temperatura.
   • Estructura de Aislamiento: Se desarrolló un diseño de aislamiento compuesto que combina una cavidad anular de vacío con fieltro de aerogel de sílice.
   • Mejora de la Transferencia de Calor: Se diseñó una estructura de aletas helicoidales en la superficie exterior de la tubería interior para mejorar la transferencia de calor por convección, optimizada mediante un Criterio de Evaluación de Desempeño (PEC) que equilibra las ganancias del número de Nusselt frente al incremento del factor de fricción.
   • Mitigación de la Corrosión: Se diseñó un unión de tramo (pup joint) térmicamente aislante y eléctricamente aislante (usando revestimientos de PEEK) para prevenir la corrosión galvánica en la interfaz acero-aluminio.
5. Pruebas de Campo: Se desplegó una columna de tubería interior híbrida segmentada en un pozo de 4050 m de profundidad. La configuración consistió en una sección de acero P110 (0–3685 m) y una sección de aleación de aluminio 7075 (3685–4001 m). El desempeño se monitoreó mediante Detección de Temperatura Distribuida (DTS) durante una prueba de 6 días y una temporada de calefacción de tres meses.

Contribuciones Clave

• Diseño Híbrido Segmentado: El estudio propone una novedosa "columna de tubería interior híbrida aislada" que segmenta la profundidad del pozo, utilizando acero para la sección superior para manejar las mayores cargas estructurales y una aleación de aluminio ligera para la sección inferior para lograr la reducción de peso. Este enfoque reconcilia las necesidades de aislamiento térmico con la reducción del peso estructural.
• Aislamiento Optimizado y Mejora: El desarrollo de una estructura de aislamiento compuesta de vacío-aerogel (logrando una conductividad térmica tan baja como 0.008 W/(m·K)) y la optimización de una geometría de aletas helicoidales (altura de 20 mm, espesor de 4 mm, espaciamiento de 216.89 mm) para maximizar el desempeño térmico-hidráulico.
• Validación Integral: La investigación cierra la brecha entre las propiedades de los materiales y el desempeño del sistema a través de pruebas de laboratorio, simulación numérica y validación de campo a escala real en un pozo geotérmico profundo.

Resultados

• Hallazgos Numéricos:
  • Una menor conductividad térmica de la tubería interior y secciones aisladas más largas mejoran significativamente la extracción de calor al suprimir el cortocircuito térmico.
  • El aumento de la longitud de la sección aislada produce rendimientos decrecientes, lo que sugiere que el aislamiento en la parte superior del po Well es más crítico.
  • Caudales de entrada más altos aumentan la potencia total de extracción de calor pero disminuyen la temperatura de salida; temperaturas de entrada más bajas mejoran la fuerza impulsora termodinámica.
• Desempeño de los Materiales:
  • La tubería aislada de aleación de aluminio tiene una masa por unidad de longitud de 10.96 kg/m, que es solo el 36.9% de una tubería de acero comparable (29.78 kg/m).
  • La aleación de aluminio mantuvo un límite elástico de 381 MPa a 150 °C.
  • Los cálculos estructurales confirmaron que el diseño cumple con los requisitos de colapso (58.1 MPa) y presión interna (46.3 MPa) para una profundidad de 4000 m.
• Desempeño de Campo:
  • La columna híbrida redujo el peso total de la columna de tubería en un 5.7% en comparación con una configuración totalmente de acero.
  • Los datos de DTS mostraron una caída de temperatura promedio ponderada de solo 7.61 °C en toda la columna de tubería interior de 4001 m.
  • El sistema alcanzó un Coeficiente de Desempeño (COP) de calefacción de 6.80.
  • La tasa promedio de extracción de calor fue de 352 W/m, con un ahorro anual estimado de 770.73 toneladas de equivalente de carbón estándar y una reducción de 2019.31 toneladas de emisiones de CO₂.
  • Los costos operativos fueron significativamente menores que los de las calderas de gas y las alternativas de calefacción municipal de distrito.

Significancia

El artículo sostiene que la columna de tubería interior híbrida aislada propuesta proporciona una solución viable a nivel de sistema para la extracción de calor coaxial de geotermia profunda. Al integrar un diseño ligero, aislamiento térmico, fiabilidad mecánica a alta temperatura y un desempeño de transferencia de calor mejorado, el estudio demuestra que es posible superar las limitaciones de las columnas de tubería de un solo material. La exitosa prueba de campo valida que este enfoque segmentado reduce efectivamente el peso estructural mientras mantiene el aislamiento térmico y la integridad mecánica, ofreciendo una vía práctica para la utilización a gran escala de los recursos geotérmicos profundos para la calefacción de distritos.