Flujo de calor en sistemas geotermales: fenómenos de transporte con densidad y viscosidad variables

Abstract

En las últimas décadas, la exploración y explotación de sistemas geotermales ha tenido grandes avances, tanto en la comprensión de los procesos que gobiernan la geotermia, como en el desarrollo de ingeniería de reservorios. La geotermia es una fuente de energía renovable no convencional que sostendrá la transición de una economía mundial basada en combustibles fósiles a una economía limpia y sustentable, el transporte de calor en estos sistemas corresponde a un proceso cuyo origen está en el transporte de energía desde el núcleo terrestre hacia la superficie. Cuando este calor llega a la corteza en zonas donde ésta se encuentra debilitada, es posible el desarrollo de transporte convectivo de calor, donde la presencia de fracturas y agua permite que el calor pueda transportarse en forma más eficiente. El propósito de esta investigación es implementar un modelo de transporte térmico en medios permeables y a la escala de laboratorio, el cual pueda servir como modelo análogo a lo que sucede en sistemas geotérmicos naturales controlados por fallas geológicas. Esto se realiza con el objetivo de analizar el efecto que posee la variabilidad de la viscosidad del fluido frente a cambios de temperatura en la eficiencia del transporte de calor. Para lograr esto, primero se valida la metodología con la implementación de un modelo numérico de flujos convectivos del manto y, posteriormente, se implementa un modelo en elementos finitos de transporte de calor en un medio permeable representado por una celda de Hele-Shaw, la cual representa una falla geológica vertical. Los hallazgos encontrados en el estudio corresponden a unos nuevos escalamientos del transporte de calor para los casos de fluidos con viscosidad variable, los cuales son parametrizados en función de los números adimensionales del sistema: el número de Rayleigh, el cual caracteriza el régimen de transporte (convectivo o conductivo), el número lambda, el cual cuantifica la variación de viscosidad del fluido frente a cambios de temperatura y la respuesta del sistema a través del número de Nusselt, el cual cuantifica el aumento del transporte de calor debido a la convección.