INVESTIGACIÓN FORMATIVA

Trabajo de Investigación Formativa

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Análisis de rendimiento de tres métodos numéricos sin itera-

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ciones para una simulación rápida y precise de dinámica tér-

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mica en tuberías de calefacción urbana

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Erika Condo-Caiza2, María Guacho-Cepeda2, Fanny Guano-Punina3, Ginyer Iza-Estrella4, Lizbeth Ilbay-Paca 5

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Escuela Superior Politécnica de Chimborazo

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Resumen: El objetivo de esta investigación se basa en realizar una comparación bibliográfica rela-

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cionada con el análisis del rendimiento de los métodos numéricos para así proporcionar una infor-

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mación adecuada para la dinámica térmica de la red de calefacción urbana, de tal manera que en

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este estudio se dio la aplicación de tres métodos numéricos el primero se trata de un método de

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primer orden que enfoca a las interacciones de una simulación rápida para la tubería DH, también

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restringe su rendimiento numérico para mejorar el rendimiento de las simulaciones, el segundo

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también realiza interacciones con presión de alto orden, el método upwind implícito de segundo

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orden y el método QUICK semiimplicito, esto funciona mejor considerando la carga de cálculos

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mínimos dentro de un error aceptable. Con la aplicación del método implícito de contra viento de

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segundo orden, por lo tanto, se realiza el análisis de tuberías en DH bajo velocidades de flujos va-

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riables

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Palabra clave: Dinámica térmica, calefacción urbana, tubería DH, método upwind.

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1. Introducción

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Zheng et al., (2020) manifestó que las redes de calefaccion urbana DH se utlizan

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apliamente para proprcionar calor fuente de calor al consumidor a traves del medio de

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transferencia de calor en tubos DH en el sistema 4GDH, por lo tanto las energias

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renovables aumentan considerablemente, la eficacia energetica del sistema de DH

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Wang  et  al.,  (2017)  dice  que  los  métodos  numéricos  pueden  proporcionar

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predicciones precisase informadas sobre los procesos termicos, pero la alta sobrecarga

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computacional limita la aplicación de metodos numericos, especialmente cuando se

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aplican para optimizar grandes operaciones de redes DH.

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Zhou et al., (2014) analiza las influencias de los diferentes errores espaciales y los

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valores iniciales en la convergencia de los cálculos del modelo dinámico que se diseña

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para una  red de sistema de tuberías  Para realizar las simulaciones y los modelos

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matemáticos se debe utilizar software como Matlab, Simulink ya que con estos medios se

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puede construir los modelos y simulaciones presentadas. Esto con el fin de reducir los

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costos lo cual es serís muy satisfactorio.

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Brand et al., (2014) analiza las influencias de diferentes errores, pasos espaciales y

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valores inciales en la convergencia de los resultados del modelo dinamico para una red

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modelo, para que los clientes puedan tanto producir como consumir la calefaccion urbana

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.Para ello desarrolló un modelado físico completo de la red sin introducir cambios

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artificiales este modelo es una herramienta confiable para el análisis de la operación ter-

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mohidráulica del gran complejo DHN real.

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Wang et al., (2017) desarrolló un modelo físico matemático para la simulación diná-

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mica de caudal y temperatura en redes de DH. En su enfoque la térmica el transitorio de

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la tubería se describe mediante una ecuación diferencial de retardo derivada de la ecua-

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ción diferencial parcial de la transferencia de calor de la tubería, y el tiempo de retardo

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también se calcula rastreando la masa de flujo como el método del nodo.

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Zheng et al., (2017) investigó, que la variación de la carga de calor para los consumi-

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dores debido a los cambios en las condiciones climáticas y la demanda diaria también se

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intensifica en el proceso de redistribución del calor.  Para ello desarrolló un modelado

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físico completo de la red sin introducir cambios artificiales en la estructura de la red,

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consta en dividir la tubería en muchos "elementos" o "nodos" discretos y en cada paso de

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cálculo, cada "elemento" o "nodo" debe ser calculado, que tiende a ser computacional-

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mente intensivo.

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Miao et al., (2018) desarrolló un método multiescalar integrado para simular el ren-

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dimiento operativo de la calefacción urbana basada en CHP sistema, incluida la pérdida

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de calor, la caída de presión, la potencia de la bomba y temperaturas de suministro esta-

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bleció un modelo matemático que describe las condiciones térmicas de estado estacionario

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del DH sistemas con un método de calibración de parámetros del modelo. Inteligente al-

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goritmos de optimización como el Algoritmo Genético (GA) y el Optimizador de Bús-

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queda de Grupo (GSO) son efectivos para resolver problemas de optimización operativa

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de la red DH.

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Jie et al., (2015) resolvió el problema de optimización de reducir el costo de bombeo

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y pérdida de calor para determinar los parámetros de calentamiento con MATLAB. Para

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ello desarrolló una estrategia de operación óptima basada en GSO de un sistema integrado

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de DH basado en energía para minimizar el combustible fósil consumo optimizando la

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temperatura de consigna de la caldera y caudal de agua de la bomba.

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Lahdelma et al., (2015) estableció una AG estrategia basada en la optimización de

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operaciones para minimizar la combinación costes de producción y distribución de la red

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de DH. estos trabajos son muy notables en la optimización operativa del caudal y tempe-

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ratura de impulsión de la red de DH. Pero todavía hay un gran potencial en la mejora

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adicional del rendimiento hidráulico de la red DH al minimizar el cabezal de la bomba

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para proporcionar la diferencia de presión necesaria y demanda de caudal para cada ca-

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lentamiento subestación.

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Dentro de este estudio, los autores presentan dos modelos para un sistema de cale-

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facción urbana en Cottbus. Se desarrolla un modelo usando la herramienta EBSILON Pro-

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fessional, mientras que el otro se desarrolla utilizando la caja de herramientas de Simscape

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para el modelado físico en Matlab. Los modelos fueron validados experimentalmente con-

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tra datos medidos del sistema de calefacción de distrito. Los resultados muestran que el

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modelo Simscape tiene un mejor ajuste y una mejor respuesta que el modelo EBSILON

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(Dahash et al., 2019).

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Se desarrolló un modelo integrado para simular la dinámica de operación del sistema

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de calefacción urbana en lo que respecta a la optimización del uso de las unidades TES.

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Este estudio proporciona un rendimiento de las tecnologías TES de acuerdo con las tran-

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siciones de los sistemas LTDH actuales a los futuros, indicando las relaciones entre las

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características del sistema y las aplicaciones óptimas de TES (Zhang et al., 2021).

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