Por qué es vital modelar la temperatura en la simulación de ductos
La presión genera la mayor parte de las diferencias de densidad en un ducto, pero el 10% o el 20% de los cambios de densidad se deben a la temperatura.1 Esto hace que la temperatura sea una consideración importante para construir un modelo preciso para la simulación de ductos.
Un cambio del 10% en la temperatura del gas afecta linealmente a su densidad, lo que significa que en un ducto de gas un modelo isotérmico no será preciso. Si se calcula el paquete de líneas sin tener en cuenta las diferencias de temperatura a lo largo del ducto, el resultado será considerablemente erróneo, las pérdidas por fricción (la energía que se pierde en el ducto) podrían ser de un 40% y el gas que fluye podría ser un 10% o un 20% menos denso en el extremo del ducto que en la entrada.
Las temperaturas extremas también tienen efectos en el material de los ductos. Si el metal se enfría demasiado, sufre una transición frágil. Esto debilita profundamente la infraestructura y obliga a sustituir las zonas afectadas. Del mismo modo, si un ducto se calienta demasiado repentinamente, se debilita y puede ser propenso a fracturarse. La temperatura también hace que el ducto se expanda y se contraiga, poniendo en tensión la infraestructura, lo que pone de manifiesto la importancia de por qué hay que modelar la temperatura.
En este artículo se examinan los temas clave en torno a la modelización térmica, entre ellos:
- La capacidad calorífica de un sólido o un fluido
- El modelo térmico del fluido
- El modelo térmico del suelo
- Calibración del modelo térmico
La capacidad calorífica de un sólido o fluidoThe heat capacity of a solid or fluid
La capacidad calorífica total (𝐶) es la energía que se necesita para elevar la temperatura de cualquier sustancia en una unidad.1 La mayoría de los líquidos, como el agua, se comportan de manera que el valor de su capacidad calorífica es casi el mismo para un proceso realizado a presión constante (capacidad calorífica isobárica específica 𝑐𝑃) que su valor para un proceso realizado a volumen constante (capacidad calorífica isocórica específica 𝑐𝑉).
En el caso de los líquidos, es más fácil medir la capacidad calorífica isobárica que la capacidad calorífica isocórica porque para mantener el volumen de un líquido realmente constante se requiere un equipo costoso, dado que el líquido no llena la totalidad de un recipiente. En cambio, capacidad calorífica isocórica del gas es mucho más fácil de medir la porque llena cualquier recipiente rígido en el que esté encerrado.
Una de las ventajas de utilizar Atmos Simulation (SIM) Suite es que calcula todas las relaciones termodinámicas para el usuario. A una temperatura determinada, Atmos SIM calculará la capacidad calorífica isobárica específica de un componente de gas puro, asumiendo que cambia linealmente con la temperatura e interpolando.1 Esta es una aproximación razonable en el rango de temperaturas que se encuentra en un simulador de ductos.
El modelo térmico del fluido
El modelo térmico del fluido se resuelve simultáneamente con el modelo hidráulico.1 Durante el estado estacionario, todos los flujos de calor y las temperaturas están equilibrados y no cambian con el tiempo, sin embargo esto no significa que la temperatura sea constante en todo el ducto.
La temperatura en un ducto con flujo se ve afectada por dos términos de fuente de calor además de la transferencia de calor conductiva con los alrededores. Estos términos son:
- Temperatura causada por fricción
- Temperatura causada por el estado termodinámico
La importancia de estos dos términos depende de si el ducto contiene un líquido o un gas. También depende de si el ducto funciona más caliente o más frío que su entorno.
Normalmente, el calor se pierde en el entorno porque es más frío y la fricción genera calor cuando el líquido fluye.
Figura 1: El perfil de temperatura de un líquido que fluye (un líquido fluye más caliente que el ambiente)
Los ductos de líquido funcionan a temperaturas más elevadas que las ambientales y el líquido se calienta por la ineficacia de las bombas, por lo que entra caliente. Luego, al fluir por el ducto, la fricción lo convierte en calor y la importante pérdida de carga traduce la energía en un calentamiento por fricción que suele estar afectado por el diámetro de la tubería.
Si observamos el perfil constante de un ducto de gas, éste entra muy caliente a la entrada. A medida que el gas fluye por el ducto, la presión disminuye a lo largo del recorrido, lo que reduce su densidad.
Figura 2: La temperatura a lo largo de un ducto de gas natural que se encuentra más fría que el ambiente
A medida que un gas avanza más rápido por un ducto, se enfría hasta cierto punto. Aunque ambas cosas son consecuencia de la reducción de la densidad, ninguna es causada por la otra. A menor velocidad de flujo, los cambios en presión son menores, por lo que la transferencia de calor con el entorno es más significativa y hay menos enfriamiento en una distancia determinada.
El modelo térmico del suelo
El modelo térmico del suelo comienza en el exterior de un ducto de acero. La masa térmica de la pared del ducto se trata como si fuera parte del fluido en el modelo térmico, pero no se convecta. Esto permite que los pasos de tiempo del modelo sean largos en la simulación de ductos mientras se mantiene estable el modelo térmico del suelo.
Figura 3: La pared del ducto está a la misma temperatura que el fluido en el modelo térmico, por lo que cualquier capa más allá del exterior de la pared se considera parte del modelo térmico del suelo
Cuando el modelo térmico del suelo se ejecuta, necesita una condición de contorno de temperatura interior en el diámetro exterior del ducto. Para ello, se acopla al resultado del paso anterior del modelo térmico de fluidos. Asimismo, cuando se ejecuta el modelo térmico de fluidos, necesita la transferencia de calor en ese nudo. Los resultados de los pasos anteriores del modelo térmico del suelo se utilizan para calcular esta.
Calibración del modelo térmico
Las propiedades térmicas son inciertas, lo que hace que la calibración del simulador de ductos sea muy importante para realizar predicciones precisas que respalden las necesidades del usuario. Es importante y una buena práctica realizar un análisis de sensibilidad para calificar adecuadamente las predicciones en torno a parámetros como la conductividad del suelo y la velocidad del agua de mar o del aire del entorno. Estas propiedades térmicas también pueden variar en función de las condiciones meteorológicas.
Si el simulador de ductos nos dice que estamos desperdiciando energía de alguna manera y que comprimiendo menos vigorosamente u operando a una presión más baja se resolverá esto, es importante primero estar cómodo confiando en los cálculos en cada punto no medido.
Figura 4: Perfiles de temperatura del gas ambiente y del ducto modelados en Atmos SIM
El asistente de configuración de Atmos SIM ayuda a automatizar los pasos manuales iterativos de la calibración. Esto puede calibrar los parámetros térmicos, recalibrando simultáneamente los parámetros hidráulicos en consecuencia. Esto se repite hasta que el error de tiempo transitorio está dentro de la tolerancia. Ha sido diseñado para automatizar los simuladores fuera de línea para casos refinados controlados para lograr el comportamiento hidráulico correcto. Los parámetros térmicos e hidráulicos ajustados pueden entonces actualizar la configuración del modelo con un solo clic para predecir con precisión los inventarios y los tiempos de llegada.
Referencias
1 “The Atmos book of pipeline simulation”
Descargue el capítulo seis en inglés Obtenga su libro en inglés