ES2238869T3 - Bomba de calor quimica. - Google Patents

Abstract

Bomba de calor química que comprende un reactor principal (2; 95) que incluye un primer espacio, un condensador/evaporador (3; 98) principal que incluye un segundo espacio, una sustancia (2) activa situada en el primer espacio y un líquido (6, 5) volátil (6, 5), cuya fase (6) de vapor, en una etapa de descarga, es absorbida por la sustancia activa a una primera temperatura y, en una etapa de carga, es desorbida por la sustancia activa a una segunda temperatura más elevada, en la que la sustancia activa tiene, a la primera temperatura, un estado sólido a partir del cual la sustancia activa, cuando absorbe la fase de vapor del líquido volátil, pasa parcialmente directamente a un estado líquido o a una fase de solución, y teniendo, a la segunda temperatura, un estado líquido o existiendo en una fase de solución, a partir de la cual la sustancia activa, cuando desorbe el líquido volátil en la etapa de carga, pasa parcial y directamente a un estado sólido, la fase (6) de vapor del líquido volátil, en la etapa de carga, después de ser desorbida por la sustancia activa, se condensa en una fase (5) líquida en el segundo espacio, el cual a través de un primer conducto (4) que conecta el reactor principal al condensador/evaporador principal está en comunicación para la circulación de un fluido con el primer espacio, y la fase líquida del líquido volátil, durante la etapa de descarga, se convierte en una fase de vapor mientras que la sustancia activa absorbe la fase de vapor, un primer intercambiador (7; 71, 67) de calor que tiene una superficie en el primer espacio para mantener, en la etapa de descarga cuando la sustancia activa pasa sucesivamente de un estado sólido a un estado líquido mientras absorbe el líquido volátil, la sustancia activa en un estado sólido y en un estado líquido a la primera temperatura, caracterizada por medios (23; 74, 72) de separación en el primer espacio para separar la sustancia (2) activa en el estado sólido de la sustancia activa en el estado líquido o en fase de solución y medios (25, 26; 69, 70) de distribución (25, 26; 69, 70) para hacer que la sustancia activa separada en el estado líquido o en fase de solución pase a estar en contacto con dicha superficie del primer intercambiador (7; 71, 67) de calor y con la sustancia activa en estado sólido.

Description

Bomba de calor química.

Campo técnico

La presente invención se refiere a una bomba de calor química.

Antecedentes

El principio de funcionamiento de la bomba de calor química se conoce bien, véanse por ejemplo las patentes de los Estados Unidos números 5.440.889, 5.056.591, 4.993.239, 4.754.805 y la solicitud de patente internacional publicada WO 94/21973. En una bomba de calor química, se usa una sustancia activa, el absorbente, que realiza el proceso mismo de la bomba de calor y que trabaja junto con un medio volátil, el absorbato o sorbato, que normalmente es un líquido dipolar, en la mayoría de los casos agua. Como sustancia activa de trabajo se puede usar, según la tecnología conocida, una sustancia sólida o una sustancia líquida. Una sustancia sólida tiene las ventajas de que la presión de vapor permanece constante durante el proceso completo de descarga para una temperatura de enfriamiento constante y una capacidad relativamente alta para acumular calor. Un valor normal de la capacidad de acumulación para una sustancia sólida que tiene agua como el sorbato, contada como energía de enfriamiento, es de aproximadamente 0,3 kWh/l de sustancia. Una ventaja adicional, asociada a una sustancia sólida, es que no se requiere en el sistema ningún componente móvil. El calor se transfiere a o se dirige afuera de la sustancia a través de un intercambiador de calor laminar o de un intercambiador de calor de placas en contacto homogéneo con la sustancia. El inconveniente asociado a una sustancia sólida es la limitada potencia que puede obtenerse, debido a la mala conductividad térmica de las sustancias sólidas. Para sistemas cuyo tiempo de carga corresponde por ejemplo a seis horas de carga diurna utilizando energía solar, y cuyo tiempo de descarga corresponde a un período de doce horas de enfriamiento, de por ejemplo un edificio, esto no crea ningún problema serio. Sin embargo, un inconveniente es que para un enfriamiento continuo durante el día y la noche, y basado en energía solar, se requieren dos instalaciones que trabajen en paralelo la una con la otra.

Una sustancia líquida tiene la ventaja de una potencia elevada ya que la sustancia se puede dispersar sobre el intercambiador de calor tanto en la carga como en la descarga, y por tanto puede enfriarse o calentarse respectivamente de forma eficiente. El inconveniente de una sustancia líquida es que la capacidad de enfriamiento disminuye en función de la dilución del sorbato. Esto en realidad limita considerablemente el intervalo de funcionamiento dentro del cual se puede usar la sustancia, lo que a su vez reduce la capacidad de acumulación, contada tal como antes, como energía de enfriamiento por litro de sustancia. La mayoría de sustancias líquidas o absorbentes utilizados en bombas de calor químicas comprenden soluciones de sales inorgánicas altamente higroscópicas, preferiblemente en agua, junto con las cuales el agua se usa como líquido volátil, el sorbato. Entonces, se obtiene otra limitación por el hecho de que la sustancia disuelta no puede dejarse cristalizar. La cristalización crea problemas en las boquillas de pulverización y bombas. Por tanto, el uso de una sustancia líquida se limita a convertir energía calorífica en enfriamiento sin ninguna acumulación de calor y por tanto los sistemas se conocen y usan generalmente. En tal proceso, puede utilizarse por ejemplo una solución de bromuro de litio que, cuando se calienta, se evapora para pasar de una solución diluida a una solución más concentrada. Esto puede hacerse en una bomba de calor química a una presión baja o a presión atmosférica utilizando flujos de aire. La cantidad de sustancia de trabajo es relativamente pequeña, ya que no se realiza ninguna acumulación de solución concentrada "cargada". La solución concentrada caliente es entonces enfriada y de nuevo se hace que absorba el sorbato que se evapora desde un intercambiador de calor, cuyo calor se toma de, por ejemplo, los espacios que deben enfriarse. Los inconvenientes de este conocido sistema pueden ser que la solución concentrada caliente debe ser continuamente enfriada, lo que puede resultar prácticamente en pérdidas de energía y que no se puede obtener ningún enfriamiento durante el periodo de tiempo en el que no hay suministro de calor. Por ello, tal sistema no puede realizar el acondicionamiento del aire durante la noche.

En la patente de los Estados Unidos número 925.039, se describe un procedimiento de refrigeración según el preámbulo de la reivindicación 1. El amoniaco es un depósito absorbedor/generador absorbido por una sal sólida, un tiocianato de amonio o de un metal alcalino, para formar una solución, estando el depósito refrigerado con agua fría que pasa a través de un intercambiador de calor. En la absorción, la disolución del amoniaco es un proceso endotérmico, que requiere o consume energía, para el cual se usa todo el calor latente de la evaporación/condensación del gas amoniaco. Esto reduce la potencia de enfriamiento exterior requerida en el proceso de absorción, en comparación con procesos en los que la disolución por el contrario libera energía, siendo el último caso ventajoso cuando el proceso también se destina para la generación de calor. La solución es entonces calentada haciendo pasar agua caliente a través del intercambiador de calor. El amoniaco se libera de la solución, pasa a través de otro intercambiador de calor para ser de este modo enfriado y se condensa en un depósito receptor. Después de que la mayoría del amoniaco se condensa, las válvulas se abren para dejar que se expanda y que pase a través de un tercer intercambiador de calor o elemento refrigerador, desde el cual el calor es arrastrado por el gas amoniaco cuando éste se expande. El gas expandido pasa entonces al depósito absorbedor/generador para empezar un nuevo ciclo.

Sumario

Un objetivo de la invención es proporcionar una bomba de calor química que puede funcionar con energía solar.

Otro objetivo de la invención es proporcionar una bomba de calor química en la cual las ventajas asociadas a un sistema de sustancia sólida se combinan con las ventajas de un sistema de sustancia líquida.

Otro objetivo de la invención es proporcionar una bomba de calor química en la que se obtiene un intercambio eficiente de calor entre una fase líquida y un intercambiador de calor.

En un sistema que utiliza una sustancia sólida, que también, tras absorber el líquido volátil, permanece sólida, se mantiene una presión de reacción constante del líquido volátil para una temperatura constante de la sustancia cuando absorbe vapor del líquido volátil. La presión de reacción permanece constante hasta que toda la sustancia ha sido transferida desde la primera fase sólida hasta la segunda fase sólida. Para un sistema, tal como se sugiere en la mencionada patente de los Estados Unidos, que tiene una sustancia seleccionada de manera que cuando en el proceso de descarga el vapor es absorbido por la sustancia, la primera fase es sólida y la segunda fase es líquida, una fase de solución, de forma similar se mantiene una presión de reacción constante del sorbato para una temperatura de reacción constante. La sustancia es convertida entonces sucesivamente de un estado sólido a un estado líquido. El proceso continúa a una presión de reacción constante hasta que toda la sustancia se ha transferido a un estado líquido. En el mismo sentido, la presión de reacción en la última parte del proceso de carga es constante para una temperatura constante cuando la sustancia se está convirtiendo de una forma líquida a una forma sólida y el vapor se libera de la solución. En la primera parte del proceso de carga, la fase de solución sólo se calienta y no se libera vapor. Por ello, para una bomba de calor de este tipo, que usa una transición de fases entre estados sólido y líquido, las ventajas de un sistema de sustancia sólida pueden combinarse con las ventajas de un sistema de sustancia líquida.

Cuando se descarga la sustancia, es decir, cuando absorbe el líquido volátil, se hace que la sustancia esté cada vez más disuelta en una especie de solución diluida de la sustancia en el líquido volátil que existe en su estado de vapor alrededor de las fases sólida y líquida. De este modo, se hace que la solución producida gotee sobre y a través de la sustancia sólida restante y se pasa entonces por un filtro o rejilla para ser separada de la sustancia sólida. La solución que se vuelve ahora saturada libera entonces el calor producido, tanto en la condensación del vapor como en la disolución del vapor en la sustancia, hacia un intercambiador de calor que es enfriado, por ejemplo, por el aire exterior. Esto puede conseguirse con una bomba que haga pasar la solución por un intercambiador de calor. La solución es entonces dispersada o distribuida en algunos medios de aumento de superficie para nuevamente participar en la absorción del vapor. Los medios de aumento de superficie pueden comprender ovillos, varillas, redes, fibras hechas de algún material adecuado. El intercambiador de calor y los medios de aumento de superficie pueden combinarse en una unidad.

De este modo, en el proceso se usa un sistema de tres fases, en el cual existen simultáneamente vapor, una sustancia activa sólida y la solución saturada de la sustancia activa. En la etapa de descarga, estos tres componentes existen todo el tiempo. De este modo, para una temperatura constante se mantiene una presión de vapor constante. Por ello, cuando el proceso comienza, la parte mayoritaria de la sustancia existe en su estado sólido. Una parte minoritaria existe en la solución saturada de la sustancia. En el proceso de descarga, la proporción entre la cantidad de sustancia sólida y la cantidad de solución se cambia de manera que, al final del proceso, la parte mayoritaria de la sustancia existe en la solución saturada. Siempre que un monocristal de la sustancia sólida permanezca en el reactor, se cumple la regla de las tres fases y de este modo la presión del vapor es constante para una temperatura constante. Además, la instalación está diseñada para separar la sustancia sólida y la solución saturada la una de la otra, antes de pasar por la bomba y antes de pasar por la etapa del intercambio de calor. De este modo, el intercambio de calor se realiza completamente en la fase líquida y de este modo el intercambio de calor será eficiente. No se usa ninguna fusión de la sustancia. La eficiencia del proceso está determinada por la capacidad del intercambiador de calor y la reacción entre la solución saturada y el vapor, que a su vez depende del tamaño del área de solución saturada expuesta y de las caídas de presión en el sistema.

En el proceso de carga, en la manera correspondiente, debe considerarse el sistema de tres fases. Tanto el vapor, la sustancia sólida y la solución saturada pueden existir simultáneamente. La carga implica que la proporción de sustancia sólida y solución saturada cambia hacia más sustancia sólida. Cuando los tres componentes o fases existen al mismo tiempo, en el mismo modo que en la descarga, la presión de vapor es constante siempre que la temperatura sea constante. La solución saturada y las partículas de la sustancia sólida se separan la una de las otras por medio de la rejilla o filtro y el intercambio de calor se realiza en la fase de solución. La solución se distribuye por una gran zona para liberar vapor del líquido volátil.

Por ello, el proceso en la carga es completamente reversible y utiliza la misma organización básica que en la descarga. Sin embargo, debería observarse que en el proceso de carga, debido a la temperatura más elevada, la sustancia, que al principio de la carga existe casi completamente en la fase de solución, permanece en la solución durante parte del proceso de carga ya que la solubilidad de las sustancias aumenta con la temperatura y el sistema tiene entonces sólo dos fases. En algún momento del proceso de carga, las partes de la solución comienzan a convertirse en sustancia sólida y entonces el sistema tiene nuevamente tres fases. La diferente solubilidad a diferentes temperaturas significa que en cierto modo se produce una pequeña subida en la escala de temperatura, lo que obviamente es necesario para aumentar la presión de vapor de forma que sea más alta que en el condensador.

Haciendo que la solución cristalice gradualmente y obteniendo de esta manera una presión de vapor constante para una temperatura dada, se facilita el proceso de carga dado que ya no es necesario aumentar la temperatura de la reacción después de que haya empezado una cristalización. En cambio, si la sustancia, como en un proceso normal de refrigeración por absorción, hubiese permanecido en un estado líquido, la temperatura final de carga se habría vuelto tan elevada como superior a 130ºC para sistemas normales de sal/agua, mientras que, tal como se usa aquí, puede mantenerse bastante inferior a 100ºC, a menudo en el intervalo de 70-85ºC.

En sistemas convencionales de refrigeración por absorción que por ejemplo pueden usar una solución de LiBr, por razones técnicas del proceso debe evitarse una cristalización. En tales procesos, el líquido volátil -agua- en la solución puede liberarse sólo si se permite que la temperatura aumente muy por encima de 100ºC. Éste es el problema básico encontrado cuando se obtiene refrigeración con instalaciones de refrigeración que funcionan con energía solar que usan procesos de absorción. La solución de este problema es permitir, durante la etapa de aumento de temperatura, que el vapor de agua se emita libremente, dejando de este modo cristales de la sustancia sólida-hidrato. Cuando esto ocurre, es decir, cuando comienzan a formarse cristales, se entra en el estado de tres fases. La temperatura se mantiene entonces constante y en un valor considerablemente inferior que el del correspondiente proceso de refrigeración por absorción que utiliza una solución no cristalizante (un sistema de sustancia líquida). A esta temperatura considerablemente inferior, la carga con energía solar es mucho más favorable y puede alcanzarse sin utilizar costosos paneles solares concentradores de vacío. Además, se obtiene una ventaja ya que la sustancia sólida -la sal hidratada- constituye un tampón que puede usarse para acumular calor.

De forma similar, es perfectamente posible utilizar, al mismo tiempo que tiene lugar la carga, la solución saturada que existe en el sistema para un proceso de refrigeración por absorción, es decir, la refrigeración puede realizarse durante el día mientras la carga se hace acumulando sustancia sólida para necesidades futuras cuando el sol no brilla.

En general, la sustancia activa debe tener la siguiente propiedad: debería tener, a una primera temperatura inferior, un estado sólido desde el que, cuando absorbe el líquido volátil y en la mayoría de los casos, su fase de vapor pasa directamente de forma parcial a una fase líquida o a una fase de solución y, a una segunda temperatura superior, debería tener un estado líquido o existir en una fase de solución desde la que, cuando emite el líquido volátil que se transfiere entonces a vapor, pasa directamente de forma parcial a un estado sólido. Las sustancias activas preferidas que trabajan con el vapor de agua normalmente incluyen varias sales metálicas que, en el estado sólido, contienen agua de cristalización. Entre éstas, puede mencionarse preferiblemente el cloruro de magnesio pero también el bromuro de magnesio y el cloruro de litio, y algunas otras sales también pueden funcionar bien.

La presión de vapor del líquido volátil debería ser preferiblemente tan baja (lo que equivale a la condición de que la cantidad \DeltaT definida más abajo debería ser tan grande) que se obtenga una temperatura de refrigeración suficientemente baja. Además, el contenido de energía en la reacción de la sustancia sólida y el vapor debería ser suficientemente alto para ser interesante en las aplicaciones deseadas, es decir, la sustancia sólida debería absorber una cantidad suficiente de agua por volumen final de la solución.

También puede utilizarse una sustancia sólida que sea una mezcla de sales, siempre que cumpla los requisitos comentados anteriormente. Un ejemplo de tal mezcla es el dihidrato de cloruro de calcio mezclado con una parte minoritaria, digamos aproximadamente del 10% (en peso), de cloruro de litio.

Para obtener un funcionamiento continuo de la bomba de calor, las diversas etapas del proceso pueden realizarse en espacios separados. Por ello, un primer espacio puede usarse sólo para cargar la sustancia, es decir, calentar una fase de solución de la sustancia para producir sustancia sólida y/o una solución saturada, un segundo espacio puede utilizarse sólo para condensar el vapor, un tercer espacio sólo para la descarga, es decir para hacer que una solución saturada y una sustancia sólida absorban vapor, y un cuarto espacio sólo para evaporación. Los conductos de gas están dispuestos de manera que el vapor pueda moverse libremente entre el primer y segundo espacios y entre el tercer y cuarto espacios. Están previstos los conductos y las bombas para transferir solución y líquido volátil entre el primer y el segundo espacios y entre el tercer y el cuarto espacios respectivamente.

Breve descripción de las figuras

La invención se describirá ahora por medio de realizaciones no limitantes con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es un dibujo esquemático de una bomba de calor química,

la figura 2 es una vista esquemática en alzado del lado de absorción de una bomba de calor química,

la figura 3 es un diagrama de una diferencia de temperatura característica como una función de la temperatura de una solución saturada de LiCl en agua,

la figura 4 es un diagrama logarítmico que muestra, en una curva inferior, la presión de vapor como una función de la temperatura de la misma solución que en la figura 3 y que muestra en una curva superior la presión de vapor del agua como una función de la temperatura,

la figura 5 es un diagrama de reacción que muestra la diferencia de temperatura característica como una función de la temperatura de un sistema de reacción que incluye LiCl, el LiCl monohidratado y agua,

la figura 6 es una vista esquemática en alzado de otra realización del lado de absorción de una bomba de calor química,

la figura 7 es un diagrama esquemático que muestra una instalación que comprende un acumulador termoquímico, y

la figura 8 es una vista esquemática en alzado del acumulador termo-químico de la figura 7.

Descripción detallada

En la figura 1, se muestra de forma esquemática una bomba de calor química para la producción de refrigeración o calentamiento. La bomba de calor química mostrada tiene un primer depósito 1 o acumulador, también llamado absorbedor/generador, que contiene una sustancia 2, el absorbente, que puede absorber de forma exotérmica y desorber de forma endotérmica un sorbato, normalmente agua. El primer depósito 1 está conectado a un segundo depósito 3, también denominado condensador/evaporador, a través de una conexión 4 de gas fija que tiene la forma de una tubería conectada en sus extremos a los lados superiores de los depósitos. El segundo depósito 3 actúa como un condensador para condensar sorbato 6 gaseoso en sorbato 5 líquido cuando la sustancia 2 del primer depósito 1 desorbe el sorbato de forma endotérmica y como un evaporador 5 de sorbato líquido en sorbato 6 gaseoso cuando la sustancia 2 en el primer depósito 1 absorbe sorbato de forma exotérmica.

El sistema, es decir los espacios internos en los primer y segundo depósitos 1, 3 y el conducto 4 de gas, que están en comunicación para la circulación de un fluido entre sí, es completamente hermético al gas y se le extraen todos los gases excepto el gas 6 que participa en el proceso químico y que normalmente es vapor de agua. La sustancia 2 del acumulador 1 está en contacto directo con un primer intercambiador de calor 7 del acumulador. El primer intercambiador de calor, a través de un fluido 8 líquido, puede recibir calor del o proporcionar calor al entorno. El líquido 5 de la parte 3 evaporadora/condensadora está de forma similar en contacto directo con un segundo intercambiador 9 de calor en el evaporador/condensador. Puede suministrarse calor desde el segundo intercambiador de calor hacia el entorno o desde el entorno hacia el segundo intercambiador de calor a través de un fluido 10 líquido.

Los diferentes componentes del sistema pueden disponerse de forma ventajosa dentro de un único recipiente exterior, tal como se ilustra en la anteriormente mencionada patente de los Estados Unidos número 5.440.899 de De Beijer et al., de manera que los recipientes 1 y 3 se forman por división del recipiente con tabiques de separación.

La sustancia 2 de la bomba de calor se selecciona aquí de forma que a las temperaturas para las cuales la bomba de calor está prevista, puede trabajar con una transición entre estados sólido y líquido. Por ello, la reacción en el acumulador 1 se produce entre un estado de fase sólida y un estado de fase líquida de la sustancia 2. En un proceso de descarga, cuando el sorbato es absorbido por la sustancia, la primera fase es sólida y la segunda fase es líquida y entonces una presión de reacción constante del sorbato se mantiene a una temperatura constante. La sustancia pasará entonces de forma sucesiva de un estado sólido a un estado líquido. El proceso continúa a una presión de reacción constante para la temperatura constante hasta que toda la sustancia haya pasado de un estado sólido a un estado líquido. De la misma manera, la presión de reacción es constante en esta parte del proceso de carga cuando la sustancia pasa de un estado líquido a un estado sólido.

En la figura 2, se muestra un acumulador 1 que es adecuado para tal sustancia 2 que tiene una transición entre los estados sólido y líquido. La sustancia se sitúa en su forma 21 sólida en una de las superficies de un intercambiador 22 de calor que corresponde al intercambiador 7 de calor de la figura 1. El intercambiador 22 de calor está diseñado como una placa que tiene, por ejemplo, pestañas verticales que amplían la superficie en su lado frontal donde se sitúa la sustancia 21 sólida. La parte posterior del intercambiador 22 de calor está en contacto con un medio exterior que suministra calor o transporta calor afuera. Además, el intercambiador 22 de calor, junto con la forma 21 sólida de la sustancia, está en todas las direcciones completamente encerrado por una red 23 de mallas estrechas, a través de la que sólo pueden pasar partículas muy pequeñas y a través de la que el líquido y el gas pueden pasar libremente. La solución 24 que forma el estado líquido de la sustancia, está situada en la parte inferior del recipiente acumulador 1 y se acumula en un espacio 24' libre directamente debajo del intercambiador 22 de calor. Este espacio tiene una salida 24'' en conexión con una bomba 26. Un sistema 25 de distribución de líquido está situado dentro de la red 23 encima del intercambiador 22 de calor y se conecta, a través de un conducto 25', a una bomba 36 de forma que la bomba 26 puede distribuir solución sobre el intercambiador 22 de calor. El sistema de distribución de líquido puede configurarse como una varilla de pulverización pero requiere una presión más bien alta y los pequeños agujeros en la misma pueden ser taponados fácilmente por los cristales formados. En cambio, puede usarse de forma ventajosa una tubería giratoria que tenga grandes aberturas.

El proceso de la parte 1 del acumulador que tiene como un ejemplo la sal MgCl2-6H2O para la sustancia sólida, se describirá ahora y entonces, en la etapa "de carga", puede utilizarse por ejemplo energía solar. Se supone que la sustancia 2 está inicialmente "cargada" y será por tanto "descargada". Existe entonces en su fase sólida, situada en 21 en contacto con el intercambiador 22 de calor. La forma 21 sólida de la sustancia puede existir como finos cristales o más o menos sinterizados para dar una torta sólida y no puede, en ningún caso, pasar a través de la red 23. El intercambiador 22 de calor está por ejemplo a temperatura ambiente, por ejemplo a temperatura exterior, tal como aproximadamente 30ºC y también el condensado 5 del condensador 3 puede tener la misma temperatura. Cuando el vapor de agua es absorbido por la forma 21 sólida de la sustancia, se forma energía en el acumulador 1 y su temperatura puede entonces aumentar, pero normalmente el calor se conduce, es decir, la sustancia es enfriada por el medio que fluye en el intercambiador 22 de calor. Se consume energía para evaporar dentro del evaporador/condensador 3, cuya temperatura es disminuida y que por tanto, a través del intercambiador 9 de calor, puede usarse para por ejemplo refrigerar habitaciones en las casas. La forma 21 sólida de la sustancia se transforma entonces parcialmente en la solución 24 que fluye fuera del intercambiador 22 de calor y fuera de la cesta de rejilla circundante. La solución 24 se recoge en el espacio 24' libre debajo del intercambiador 2 de calor, desde cuyo espacio es transportada por la bomba 26 a través de la salida 24'' hacia el sistema 25 de distribución en la parte superior del intercambiador 22 de calor, donde se dispersa sobre la superficie del intercambiador de calor. La solución 24 gotea entonces a través de la forma 21 sólida de la sustancia y se satura entonces siempre, cuando alcanza la parte inferior del acumulador y cuando es distribuida entonces por la varilla 25 de distribución sobre la parte superior del intercambiador 22 de calor. La parte superior del intercambiador 22 de calor se liberará pronto de la sustancia 21 sólida, tras lo cual puede obtenerse una buena transferencia de calor y por tanto una alta eficiencia del proceso de absorción. Esto continúa hasta que sustancialmente la totalidad de la forma 21 sólida se haya convertido en la solución 24.

En la "carga" de la sustancia 2, en el estado inicial, puede suponerse que existe como una solución 24. El intercambiador 22 de calor en el acumulador 1, se calienta hasta una temperatura adecuada, por ejemplo al menos 50ºC mediante por ejemplo energía solar, véase el comentario en lo sucesivo, mientras que el evaporador/condensador se mantiene a temperatura ambiente, es decir, interior o exterior, por ejemplo, a lo sumo a aproximadamente 30ºC. La solución 24 de entonces en adelante se bombea alrededor y se dispersa sobre el intercambiador 22 de calor, ahora libre. Cuando la solución 24 se calienta en contacto con el intercambiador de calor, el sorbato es liberado hacia el condensador 3 y la solución 24 se concentra. Sin embargo, la solubilidad de la sustancia 1 es considerablemente mayor a temperaturas altas que a temperaturas bajas, y por ello la carga puede llevarse a la fase de solución en alta concentración.

La cristalización, es decir, la conversión de la sustancia hasta su estado sólido, se produce entonces espontáneamente en la solución 24 y se forman cristales finos que crecen hasta que ya no pueden pasar a través de la red 23, tras lo cual serán recogidos en la parte inferior del intercambiador 22 de calor. Para una mayor concentración deseada, cuando de este modo el sistema está listo para descargarse de nuevo y usarse como refrigerador, la bomba 26 se para y se invierte, de forma que la solución 24 que queda en el espacio 24' se presiona en el espacio alrededor del intercambiador 22 de calor. Al mismo tiempo, el intercambiador 22 de calor se enfría hasta por ejemplo la temperatura ambiente, es decir interior o exterior, de aproximadamente 30ºC y toda la sustancia 2 que queda en forma 24 líquida cristaliza. El sistema puede ahora, en la etapa de descarga, usarse para enfriar habitaciones siempre que el intercambiador 9 de calor 9 en el evaporador/condensador 3 se sitúe en una habitación de una casa o apartamento.

Las paredes del intercambiador 22 de calor pueden ser tratadas de forma ventajosa, por ejemplo con Teflón, para impedir que se acumulen cristales en las mismas en una medida demasiado grande, de forma que en lugar de esto, los cristales formados puedan moverse de forma substancialmente libre dentro de la red 23. Se supone que el nivel de la solución 24 en el intercambiador 22 de calor, cuando toda la forma 21 sólida de la sustancia se ha transformado a la fase de solución, comprende a lo sumo 2/3 de la altura del intercambiador de calor.

Se supone que el reactor químico descrito para una bomba de calor química se combina con una parte condensadora/evaporadora situada en el mismo depósito y no mostrada en la figura 2. Está diseñado de forma que comprenda intercambiadores de calor de placas de forma cilíndrica o plana, y está equipado con o bien material absorbente capilar en al menos parte de la superficie del intercambiador de calor, o un sistema de distribución y una bomba para distribuir por ejemplo pulverizando y de esta manera humedeciendo las superficies del intercambiador de calor en el proceso de evaporación.

Una instalación del tipo descrito anteriormente, está preferiblemente diseñada de forma que el reactor se sitúa en la parte inferior y el condensador/evaporador en la parte superior para que los desbordamientos y salpicaduras de la sustancia en su fase líquida no puedan transferirse fácilmente a la parte condensadora/evaporadora. Sin embargo, esto aún puede ocurrir por el fuerte flujo de gas y por ello existe un riesgo de que el agua en la parte evaporador/condensador obtendrá con el tiempo una concentración demasiado elevada de la sustancia. Para evitar esto, después de cada proceso de descarga, cuando queda sólo una pequeña cantidad de agua en el evaporador, una válvula, no mostrada, puede abrirse en la parte inferior del evaporador, a través de la cual estos últimos restos de agua pueden fluir libremente descendiendo hasta el reactor. De esta manera, se evita una acumulación de sustancia en la parte condensadora/evaporadora. Puede permitirse que esta agua liberada mecánicamente pase a través de la bomba del reactor para limpiarla. Del mismo modo, después de un proceso de descarga, es posible permitir que el agua pura invierta la marcha hacia atrás a través de la bomba, a través de la misma válvula para eliminar solución concentrada antes del enfriamiento final del reactor/acumulador.

Un diseño algo diferente del reactor o del absorbedor/generador 1 se muestra en la figura 6. En la etapa de carga, el agua caliente fluye desde un panel solar, no mostrado, a través de una válvula 63 adecuadamente dispuesta y de un conducto 61 hacia una cubierta 64 que encierra la bomba 66 y un conducto 66', que conecta la bomba a un lado de un intercambiador 67 de calor externo. El agua caliente entra en el otro lado del intercambiador 67 de calor externo y continúa desde allí a través de un conducto 68 de vuelta al panel solar. La solución saturada fluye impulsada por la bomba 66, guiada por un motor 65 de bomba a través de dicho lado del intercambiador 67 de calor externo hacia una tubería 69 de distribución, desde el que se dispersa sobre los medios 70 de aumento de superficie, dispuestos en la parte superior del espacio dentro del reactor y más abajo sobre un intercambiador 71 de calor interior, situado directamente debajo de los medios de aumento de superficie pero que sólo tiene una pequeña extensión vertical y que no se calienta o enfría activamente en esta etapa. En la parte superior del reactor, está dispuesto un filtro 72 de gas y a través del mismo el vapor emitido desde la solución saturada pasa a un conducto 72 de gas conectado al condensador, no mostrado en la figura 6. En la evaporación, se forman cristales que junto, con la solución que queda, pasan hacia abajo y más allá del intercambiador 71 de calor interior hacia la parte inferior de la cesta del filtro o rejilla 74, donde se acumulan, en el interior de la cesta. La solución saturada se acumula en el fondo del reactor, en un espacio por debajo del fondo de la rejilla 74.

Los medios de aumento de superficie pueden comprender ovillos de Teflón que tengan un diámetro de 10 cm, situados dentro de una estructura de rejilla en la parte superior del espacio del reactor, debajo del filtro 72 superior. En la realización mostrada, el riesgo de que se formen cristales en lugares no deseados durante el proceso de carga disminuye de forma radical, debido principalmente al flujo de agua caliente alrededor de la bomba y al conducto desde la bomba. De lo contrario, pueden producirse cristales en estos dispositivos, lo que da como resultado paradas del flujo de solución saturada. Además, usando un intercambiador 67 de calor exterior cerrado, cuando se calienta la solución, no puede formarse vapor y se evita el riesgo de que haya cristales dentro del intercambiador de calor.

En la etapa de descarga, la válvula 63 de admisión se coloca de manera que un flujo de agua fría, de algún disipador de calor tal como agua refrigerada por aire exterior, ahora sólo pasa a través de una tubería 62 directamente al intercambiador 71 de calor interior, circunvalando por tanto el intercambiador exterior, y de vuelta a través de la tubería 68 de salida, no calentándose o enfriándose activamente el intercambiador 67 de calor exterior en el proceso de descarga. La solución saturada se bombea a través del intercambiador 67 de calor exterior inactivo o a través de un conducto de derivación separado, no mostrado, hacia la tubería 69 de distribución y desde ahí hacia abajo al medio de aumento de superficie. La solución absorbe entonces vapor, lo que genera calor. Este calor se transporta afuera en el intercambiador 71 de calor interior, tras lo cual la solución pasa al fondo de la cesta 74 de rejilla para ahí saturarse nuevamente por contacto con los cristales que quedan. Entonces, pasa a través de la cesta y es nuevamente bombeada hacia la parte superior. El riesgo de que en la etapa de descarga se formen cristales de forma involuntaria es pequeño ya que la solución y los cristales absorben agua.

Como sustancia activa que trabaja junto con el agua, puede usarse un hidrato. La sustancia debe tener un punto de fusión que exceda todas las temperaturas existentes en el proceso. Cuando absorbe el líquido volátil, preferiblemente su vapor, la sustancia debe convertirse en una solución saturada, cuya presión de vapor es significativamente inferior que la del mismo líquido volátil. La presión de vapor debe ser tan inferior que las temperaturas de carga utilizadas y las temperaturas de refrigeración deseadas cumplan con los requisitos para el uso particular de la instalación. Usos diferentes pueden requerir diferentes sustancias.

La sustancia utilizada en el proceso, que como se ha indicado antes puede por ejemplo ser MgCl2-6H2O, cloruro de magnesio hexahidratado, en su estado sólido inmediatamente cuando absorbe el sorbato (agua), debería transformarse parcialmente en un estado líquido. El cloruro de magnesio hexahidratado tiene un punto de fusión superior a 100ºC pero se transforma inmediatamente en una solución, es decir, en forma líquida, cuando se absorbe más agua. La presión de equilibro del hexahidrato de reacción en la solución saturada a una temperatura de 20ºC, es de aproximadamente de 4,6 mm Hg, que corresponde con una \DeltaT de 20ºC. \DeltaT es aquí la diferencia de temperatura que, en un equilibrio de presión, existe entre las tres fases, es decir, sustancia sólida, solución saturada y vapor, y el líquido volátil en el condensador/evaporador. Una \DeltaT adecuada para un sistema que funciona con energía solar que incluye agua/vapor de agua como sorbato, está en el intervalo de 20-40ºC. Por ello, la reacción es capaz de enfriar el sorbato en el evaporador en el proceso de descarga hasta aproximadamente 20ºC por debajo de la temperatura actual de la sustancia. Por ejemplo, si la sustancia se mantiene refrigerada en el proceso de descarga a una temperatura externa de 30ºC, el agua de refrigeración para la refrigeración de habitaciones puede producirse a una temperatura de 10ºC, lo que es muy adecuado para sistemas de aire acondicionado. De la misma manera, en el proceso de carga, si el condensador se mantiene a una temperatura exterior de 30ºC, la sustancia tiene que calentarse sólo hasta una temperatura que exceda los (30 + 20)ºC = 50ºC.

La capacidad de acumulación en kWh de energía de refrigeración por litro de sustancia, depende principalmente de la solubilidad de la sustancia en el sorbato. Un mol de cloruro de magnesio hexahidratado absorbe 3,5 mol de agua a 30ºC para convertirse en una solución, lo que corresponde a aproximadamente 0,25 kWh de energía de refrigeración por litro de solución final. El contenido de energía y la diferencia de temperatura \DeltaT varían considerablemente entre diferentes sustancias. El cálculo correspondiente para LiCl-H2O, el monohidrato del cloruro de litio, da más de 0,3 kWh/l para una diferencia de temperatura \DeltaT de 32ºC. El número de sustancias utilizables es limitado. Las sustancias adecuadas comprenden LiCl, LiBr, LiI, MgCl2, MgBr2, MgI2, CaCl2, CaBr2, Cal2, Srl2, KOH, NaOH, ZnCl2, ZnBr2, Znl2, AlCl3, AlBr3 y AlI3, y entre ellas, MgCl2, MgBr2, LiCl, CaCl2, CaBr2, ZnCl2 y NaOH pueden considerarse especialmente adecuadas.

También pueden emplearse mezclas de sales. De este modo, el cloruro de calcio CaCl2 forma cuatro hidratos, un monohidrato, un dihidrato, un tetrahidrato y un hexahidrato. El hexahidrato se convierte directamente en una solución cuando se expone a vapor de agua. Sin embargo, la diferencia de energía \DeltaT es demasiado pequeña y el contenido de energía es pequeño. El hexahidrato se funde a aproximadamente 30ºC y por tanto es inadecuado debido a un punto de fusión demasiado bajo ya que la temperatura en los procesos de descarga es a menudo superior a 30ºC. La sustancia se enfría normalmente por el aire exterior. El tetrahidrato absorbe vapor de agua y se convierte entonces directamente en una solución saturada, siempre que la temperatura sea superior a 30ºC y que no se formen cristales del hexahidrato. El punto de fusión del tetrahidrato es aproximadamente de 45ºC. Sin embargo, la diferencia de temperatura \DeltaT y el contenido de energía son demasiado pequeños.

Sin embargo, si por ejemplo aproximadamente un 10% (en peso) de LiCl se mezcla con el dihidrato, los puntos de fusión de todos los hidratos disminuyen. Tanto el hexahidrato como el tetrahidrato tendrán entonces puntos de fusión inferiores a las temperaturas de descarga consideradas aquí. Entonces el proceso puede ejecutarse usando el dihidrato (dopado con LiCl) como la sustancia sólida de partida. El dihidrato absorbe entonces el vapor de agua y pasa a una solución saturada. Ahora, se obtiene una diferencia de energía \DeltaT igual a 26ºC para una temperatura de sustancia de 30ºC. El contenido de energía contado como energía de refrigeración es de más de 0,3 kWh por litro de solución final.

En una reacción de tres fases del tipo (sustancia sólida) \rightarrow (sustancia sólida + vapor), se mantiene una presión de vapor de reacción constante siempre que el proceso se produzca a una temperatura constante. Además, \DeltaT es claramente constante para diferentes temperaturas. Esto significa que la presión de vapor de la reacción a diferentes temperaturas sigue sustancialmente la pendiente de la curva de presión de vapor del líquido volátil, es decir, en el caso preferido, agua. \DeltaT representa la diferencia entre las curvas, es decir, para la misma presión sobre la superficie del agua como sobre la mezcla de reacción, la diferencia de temperaturas en el agua y en la mezcla de reacción debe ser \DeltaT. Esta condición es bastante constante, independientemente del nivel de temperatura del agua y de la sustancia.

Las condiciones en una reacción de tres fases del tipo considerado aquí (sustancia sólida) \rightarrow (solución saturada + vapor) son algo más complicadas. La solución saturada con componentes de fase es un parámetro variable. Las soluciones saturadas a diferentes temperaturas contienen diferentes concentraciones de la sustancia disuelta. Esto da como resultado que \DeltaT en carga a una primera temperatura constante difiere de \DeltaT en descarga a una segunda temperatura constante. La variación de \DeltaT para diferentes temperaturas de la reacción LiCl-H2O \rightarrow (LiCl-H2O + solución saturada de LiCl + vapor de agua) se ilustra mediante el diagrama de la figura 3. Las correspondientes presiones de vapor se muestran en un diagrama logarítmico en la figura 4, en el que la curva inferior se traza para dicha reacción y la curva superior se traza para H2O. Por ello, \DeltaT = 32ºC para la descarga cuando la sustancia se enfría hasta 30ºC. Para la carga a 80ºC, \DeltaT es más de 45ºC. La consecuencia es que para la carga, que por ejemplo con una \DeltaT constante igual a 32ºC podría haberse hecho un poco por encima de 62ºC, para una temperatura de condensación de 30ºC, ahora no puede hacerse por debajo de 75ºC. Sin embargo, puede usarse una temperatura de refrigeración inferior, a pesar de que la temperatura exterior es alta.

Para cálculos aproximados, sin embargo, puede considerarse en muchos casos que \DeltaT es constante.

Para describir las diferentes etapas de fases de la sustancia en la carga y descarga como una función de la temperatura de la sustancia e \DeltaT, puede ser útil un diagrama de la reacción tal como se muestra en la figura 5. El diagrama está relacionado con LiCl y muestra, en el eje horizontal, los moles de H2O por mol de LiCl y, en el eje vertical, \DeltaT. Para 0 moles de H2O, en el eje izquierdo del diagrama, se muestra el estado de LiCl seco. En el intervalo entre 0 y 1 moles de H2O, se muestra LiCl seco mezclado con el monohidrato, donde \DeltaT = 60ºC. El intervalo de funcionamiento de una bomba de calentamiento tal como la descrita aquí es, a la derecha de la línea vertical 1, mol de H2O/mol de LiCl. La reacción comienza por descargar el monohidrato sólido a una temperatura de 30ºC. La reacción sigue la línea horizontal inferior hacia la derecha en la dirección de la flecha. \DeltaT es entonces, tal como se observa anteriormente, aproximadamente de 32ºC. La reacción se produce en esta línea, mientras las tres fases existen simultáneamente. Al final de la línea, el monohidrato se ha consumido y toda la sustancia está en la solución saturada. Por ello, el sistema ya no es una reacción de tres fases y permanece así cuando la carga está comenzando. Entonces, la línea oblicua "solución saturada" sigue hacia arriba y hacia la izquierda. Cuando la solución saturada está calentándose, la solubilidad de LiCl aumenta, es decir, la solubilidad aumenta con la temperatura. Al mismo tiempo, la \DeltaT de la solución aumenta conforme el vapor de agua se libera de la solución. En una molaridad dada, la solución se vuelve sobresaturada y comienzan a generarse cristales del monohidrato. El sistema funciona entonces nuevamente como una reacción de tres fases y \DeltaT es, en el ejemplo mostrado, igual a 46ºC para una temperatura de sustancia de 80ºC. Cuando el sistema vuelve a ser una reacción de tres fases, a este grado, la temperatura de carga está limitada a un nivel relativamente bajo. Una vez que toda la solución saturada se ha convertido en monohidrato, la sustancia puede enfriarse hasta 30ºC y entonces se repite el ciclo. En la descarga, la región entre monohidrato y solución saturada representa descarga una considerable capacidad de refrigeración de aproximadamente de 0,3 kWh por litro de solución saturada final.

La bomba de calor química completa según la descripción anterior puede utilizarse, tal como se ha mencionado, para convertir energía solar en refrigeración para el acondicionamiento del aire. Si la necesidad de refrigeración sólo va a satisfacerse durante el día, se combinan dos instalaciones relativamente pequeñas, que funcionan intermitentemente. Por la alta potencia que proporciona toda instalación de este tipo, los períodos de repetición pueden hacerse muy cortos. Un período de repetición adecuado puede ser de aproximadamente una hora. Temprano por la mañana, una de las instalaciones se carga durante una hora, tras lo cual ésta se conmuta a la fase de descarga y el acondicionamiento del aire puede comenzar. Durante el tiempo en que esta instalación se descarga, la otra instalación se carga. Este procedimiento se repite entonces intermitentemente durante todo el día. Para una instalación doble completa considerada, que tiene la potencia de refrigeración de 2kW, sólo se requieren entre 10 y 20 litros de sustancia en el reactor, y un espacio de aproximadamente 10 litros de agua en la parte de condensador/evaporador.

Para obtener el acondicionamiento del aire también por la noche, pueden concebirse varias soluciones técnicas. Por ejemplo, una posibilidad de obtener acondicionamiento de aire tanto por el día como por la noche es combinar una instalación de bomba de calor pequeña del tipo descrito anteriormente con una instalación mayor del mismo tipo, que haga frente al requisito de acumulación para la refrigeración por la noche. Otra posibilidad es utilizar una única instalación grande del tipo descrito anteriormente, que almacene energía para refrigerar por la noche pero, al mismo tiempo que el proceso de carga, desvíe un flujo de solución saturada, refrigere la solución desviada por separado y permita que esta solución absorba vapor de agua procedente de un evaporador separado de forma similar. En estos casos, el panel solar debe dimensionarse para hacer frente a una mayor potencia, ya que la energía para la refrigeración se extrae también durante el día. Asimismo, la energía debería ser suficiente para cargar la instalación grande para refrigerar durante la noche entrante.

De este modo, una instalación que comprende un acumulador termoquímico según la figura 6 y tal como se muestra en el esquema de la figura 7 puede proporcionar refrigeración, calefacción y agua corriente caliente todos los días del año. En una instalación de este tipo, una unidad 91 principal se combina con al menos una unidad 92 secundaria para proporcionar propiedades análogas a las de un acumulador eléctrico. La unidad 91 principal, en la que se acumula el exceso de calor de carga del panel solar, comprende una instalación grande del tipo descrito con referencia a las figuras 1, 2 o 6. Su capacidad de acumulación se adapta al consumo de energía para una climatización, agua corriente caliente o calefacción de la casa durante esa parte del día en la que no hay sol. La unidad 92 secundaria es más pequeña que la unidad 81 principal y produce continuamente refrigeración durante la estación de calor y puede producir calefacción durante la estación de frío.

El funcionamiento de una instalación de este tipo, que tiene una única unidad secundaria es como sigue: durante el día, se conduce calor desde el panel 93 solar, transportado por medio de agua calentada que se impulsa en sistema indirecto por medio de una bomba 94 para pasar en primer lugar por un calentador 95 de agua corriente para calentar el agua en el mismo y después hacia el intercambiador 96 de calor del reactor 97 de la unidad principal. La condensación se realiza en el evaporador/condensador 98 de la unidad principal, cuyo intercambiador 99 de calor es refrigerado por un refrigerador 100 exterior, que utiliza agua de refrigeración accionada por una bomba 101. Al mismo tiempo, y de forma totalmente independiente, el reactor 102 de la unidad 92 secundaria se descarga, reactor que también se refrigera por medio del agua del intercambiador de calor que circula desde el refrigerador 100 exterior hasta el intercambiador 102' de calor del reactor secundario. El evaporador 103 de la unidad 92 secundaria proporciona vapor de agua al reactor 102 secundario y suministra climatización a través de un intercambiador 104 de calor y de los refrigeradores 105 de habitaciones. Mientras que el reactor 95 principal y el condensador/evaporador 98 principal alojan la mayor parte de la sustancia y del agua para futuras necesidades de acumulación, la unidad 92 secundaria funciona con pequeñas cantidades de la sustancia. De este modo, el agua entra intermitentemente en el evaporador 103 secundario desde el evaporador 98 principal, y la solución descargada se proporciona desde el reactor 92 secundario hacia el reactor 95 principal, tras lo cual la solución cargada caliente saturada se introduce de nuevo en el reactor 92 secundario en el que se refrigera, formándose cristales y tanto los cristales como la solución saturada absorbiendo vapor del evaporador secundario. El período de repetición del mismo puede ser aproximadamente de 10 minutos a 2 horas.

De este modo, en el sistema de la figura 7, el intervalo de funcionamiento de la sustancia se expande un tanto en comparación con el proceso descrito en conjunción con la figura 2. De este modo, la solución saturada también puede absorber vapor, utilizado al menos para algunas sustancias. Esto presupone que la solución saturada tiene una presión de vapor suficientemente baja para obtener cierta eficiencia en el proceso de absorción. Algunas sustancias como ZnCl2 tienen una \DeltaT demasiado grande en la reacción sólido-líquido y pueden utilizarse mejor sólo en la fase de solución. La capacidad de acumulación es menor y \DeltaT está en un nivel variable, pero todavía pueden trabajar de manera excelente en un reactor termoquímico como el descrito en el presente documento.

La energía que no se consume en la producción de refrigeración o de agua corriente caliente se almacena en la unidad 91 principal. Cuando la energía solar ya no está disponible, la unidad 92 secundaria continúa funcionando como antes y consume entonces energía almacenada. El reactor 95 principal, que ahora ya no se carga más automáticamente, avanza al estado de descarga después de que haya pasado el estado de equilibrio del sistema. Esto podría producirse a aproximadamente 60ºC en verano. De este modo, ahora el calor para el agua corriente caliente es producido por el reactor 96 principal, pasando ahora el flujo de agua del intercambiador de calor sólo a través del calentador 95 de agua corriente y no a través del panel 93 solar, estableciendo por consiguiente una válvula 106, mientras el reactor 92 produce refrigeración.

El método de desviar pequeñas cantidades de la sustancia cargada y de agua hacia las unidades 92 secundarias acarrea que el reactor 95 principal no deba transformarse, es decir, refrigerarse, para ir a un estado de producción de climatización, ya que la refrigeración necesaria se proporciona por medio de las unidades secundarias. El hecho de que el reactor 95 principal se mantenga en cambio en un estado caliente, en el estado de descarga (estado de equilibrio), reduce incluso más el riesgo de que se formen cristales en lugares no deseados en el reactor. El condensador/evaporador 98 principal continúa calentándose por medio del refrigerador exterior. Generalmente, la instalación requiere un mínimo de válvulas para conmutar los flujos.

Las unidades 92 secundarias funcionan en sólo una dirección, es decir, en un estado de descarga, que es el más favorable con respecto a la formación no deseada de cristales. En invierno, la unidad 91 principal funciona de la manera descrita y está en equilibrio por la noche, siendo la temperatura de equilibrio de aproximadamente 35 a 40ºC. Esto precalentará el agua corriente por la noche, calentándose el agua corriente hasta una mayor temperatura por medio de un calentador de resistencia eléctrica, no mostrado. En la estación de frío, los intercambiadores 102' y 104 de calor de las unidades secundarias tienen una conexión inversa comparada con la mostrada en la figura 7, no siendo mostrada esta conexión. De este modo, el refrigerador 100 exterior se conecta entonces al evaporador secundario y a los refrigeradores 105 de habitaciones, que ahora se usan para el calentamiento del reactor secundario. Las unidades secundarias producen entonces agua que también tiene una temperatura de 35 a 40ºC para calentar las habitaciones usando los refrigeradores 105 de habitaciones.

En el acumulador de calor termoquímico total de la figura 7, pueden utilizarse diferentes tipos de intercambiadores de calor, compárense el intercambiador 67 de calor de placa exterior y el intercambiador 70 de calor de tubería interior de la figura 6. Los intercambiadores de calor de placa se usan para todo intercambio de calor cuando el medio de conducción del calor es circulación de agua, tal como en la carga en los reactores y en la descarga en los evaporadores. Entonces sólo la solución/agua se calienta de esta manera desde la parte inferior del recipiente hasta la parte superior. En el proceso de descarga, en los reactores se utilizan en cambio los intercambiadores de calor de tubería, que tienen tuberías situadas de una manera en zigzag con tuberías horizontales largas. El reactor 102 secundario funciona sólo en descarga y de este modo requiere sólo un intercambiador de calor interior, que de este modo es un intercambiador de calor de tubería. En la etapa de carga en el reactor, la solución se calienta entonces en un espacio cerrado desde el que no puede liberarse vapor. La solubilidad aumenta, lo que evita la formación de cristales. Sólo cuando la solución deja la tubería de distribución para fluir sobre los medios de aumento de superficie, puede liberarse vapor y entonces formarse cristales. El proceso correspondiente realizado en un intercambiador de calor interior implicaría un riesgo de acumulación de cristales de sal en las superficies calientes del intercambiador de calor. En la descarga en el reactor, el intercambiador de calor se refrigera, lo que acarrearía un riesgo obvio de que se formasen cristales en un intercambiador de calor de placa cerrada. En un intercambiador de calor de tubería abierta dentro del reactor, la solución se refrigera y se expone al mismo tipo al vapor de agua. De este modo, la absorción de agua y la refrigeración se realizan simultáneamente, de forma que los cristales no pueden formarse fácilmente pese a la refrigeración.

Una instalación según la figura 7 para una casa para una sola familia en el área mediterránea construida con hormigón ligero y con una superficie de 200 m^{2} puede requerir una área de panel solar de 25 m^{2}, una capacidad de acumulación de refrigeración de 50 kWh o de calefacción de 65 kWh. La potencia máxima de carga es de 15 kW y la potencia máxima de refrigeración es de 6 kW. El acumulador termoquímico que comprende una unidad principal y una unidad secundaria puede tener un diámetro de aproximadamente 800 mm y una altura de 1800 mm incluyendo el aislamiento térmico.

En la figura 8 se muestra más detalladamente un acumulador termoquímico que comprende una unidad 91 principal y una unidad 92 secundaria según la figura 7, teniendo la unidad principal un reactor 95 construido sustancialmente tal como se muestra en la figura 6. Deberían observarse el manguito 64 de calefacción alrededor de la bomba 66 y alrededor del conducto 64' desde la bomba en el reactor 95 principal, y el intercambiador 67 de calor exterior y el intercambiador 71 de calor interior. Dado que la unidad 91 principal en descarga sólo proporciona calefacción al calentador de agua corriente a través del intercambiador 71 de calor interior, este intercambiador de calor puede realizarse pequeño, situado en la parte superior del reactor 95, comprendiendo normalmente una pluralidad de secciones de tubería sustancialmente horizontales conectadas en serie y/o paralelo en alguna configuración en zigzag. Normalmente, sólo se requieren unos pocos kW. La potencia principal se transfiere al intercambiador 67 de calor exterior en la carga en la que la potencia puede normalmente ascender a 15 kW. El evaporador 103 secundario se construye de manera similar al condensador/evaporador 98 principal y comprende una bomba 107, una tubería 108 de distribución y medios 109 de aumento de superficie, estando situados los medios de aumento de superficie en la parte superior del espacio interior directamente debajo de la tubería de distribución. El intercambiador 104 de calor del evaporador secundario es un intercambiador de calor de placa exterior, dimensionado para una potencia de refrigeración de 6kW, refrigerando este intercambiador de calor sólo el sorbato condensado bombeado por la bomba 107 desde la parte inferior del evaporador hasta la varilla de distribución. El reactor 102 secundario, que sólo funciona en descarga, tiene un intercambiador 102' de calor de tubería grande de tipo zigzag, que tiene una capacidad de aproximadamente 8 kW y está situado dentro del reactor secundario. Este intercambiador de calor también actúa como medio de aumento de superficie que recibe una solución desde una tubería 110 de distribución que se bombea desde la parte inferior del reactor secundario por medio de una bomba 111. Una válvula 112 de dos vías está conectada en el conducto entre la bomba y la tubería de distribución y para el estado normal, en descarga, se establece para dejar que la solución desde la parte inferior sólo pase a la varilla de distribución. La otra salida de la válvula es a través de un conducto conectado a una entrada de la bomba 66 del reactor principal, de forma que la válvula cuando cambia su disposición permite que la solución consumida se bombee afuera, en el reactor 95 principal. La entrada de la solución saturada caliente desde la parte inferior del reactor principal se realiza a través de un conducto 113 que tiene una válvula 114 de apertura y cierre, teniendo ambos un manguito 115 en el que pasa el agua caliente de la válvula 63 de entrada. En el evaporador 103 secundario sólo se consume agua. El agua nueva entra a través de un conducto 116 desde el condensador/evaporador principal que termina en una válvula 117 de dos vías conectada en el conducto desde la bomba 119 hasta el intercambiador 99 de calor del condensador/evaporador 98 principal. Un conducto 117' conecta el espacio inferior del condensador/evaporador principal a la parte superior del reactor 95 principal a través de una válvula 118 de apertura y cierre, estando situado el condensador/evaporador principal encima del reactor 95 principal. Para una disposición apropiada de la válvula 117, la bomba 107 del evaporador secundario puede bombear agua, que posiblemente está "contaminada" por la sustancia, de vuelta al condensador/evaporador principal. Para una válvula 118 abierta, semejante agua residual "contaminada" puede extraerse desde el condensador/evaporador principal hasta el reactor principal, estando esta válvula normalmente cerrada.

La contaminación comprende restos de la sal o sales activas que en la carga acompañan al flujo de gas por el filtro de gas y se acumulan en el agua. Si esto continúa durante muchos ciclos, la presión de vapor del agua se reducirá y la temperatura de refrigeración aumentará y la temperatura del agua corriente caliente disminuirá. De este modo, la extracción de agua condensada se realiza cuando el sistema se ha descargado y, de este modo, contiene una cantidad pequeña de agua en el condensador/evaporador 98 principal, por ejemplo, cada décimo ciclo.

El condensador/evaporador 98 principal tiene la bomba 119 bombeando agua desde la parte inferior del espacio dentro del condensador/evaporador a través de un conducto calentado por el intercambiador 99 de calor exterior similar al intercambiador 104 de calor del evaporador secundario pero que tiene una mayor capacidad para una tubería 120 de distribución en la parte superior, desde la que el agua fluye sobre los medios 121 de aumento de superficie, también en la parte superior, hacia abajo a la parte inferior del condensador/evaporador en la etapa de carga para vaporizarse. La conexión 73 de gas del reactor 95 principal se conecta a la parte superior del condensador/evaporador, no siendo esto visible en la figura 8. Un conducto de gas similar o una conexión 122 conecta el reactor 102 secundario y el evaporador 103 secundario entre sí.

Un juego de cuatro válvulas 123, 124, 125, 126 de dos vías se conectan en los conductos que conectan el refrigerador exterior y los refrigeradores/calefactores de habitaciones al reactor secundario y al evaporador secundario. Para unos ajustes apropiados de estas válvulas, para la refrigeración en verano, el refrigerador exterior se conecta al intercambiador 102' de calor del reactor secundario y los refrigeradores/calefactores de habitaciones al intercambiador 104 de calor del evaporador secundario. Para suministrar calefacción en la estación fría, en cambio, las válvulas se disponen de forma que el refrigerador exterior se conecta al intercambiador de calor del evaporador secundario y los refrigeradores/calefactores de habitaciones se conectan al intercambiador de calor del reactor secundario.

En general, puede observarse que existe una pluralidad de posibilidades de combinación, incluyendo tanto instalaciones grandes que funcionan sólo con una sustancia o sustancias sólidas en una transición de fase sólida-líquida según la exposición anterior, como instalaciones pequeñas basadas en sustancias para las que se usa el mismo tipo de transición de fase. Depende del usuario seleccionar el tipo de sistema que mejor resuelva sus necesidades de acondicionamiento de aire, considerando el tamaño, función y coste del sistema. El procedimiento aquí descrito, en el que se utilizan sustancias que tienen, en el intervalo de temperatura de interés, una transición de fase entre un estado sólido y un estado líquido, constituye una importante contribución a la posibilidad de utilizar comercialmente energía solar para fines de acondicionamiento de aire.

La bomba de calor química tal como se ha descrito en el presente documento no está limitada a la utilización de energía solar sino que puede utilizar cualquier fuente de calor, en particular fuentes de calor de energía a baja temperatura que proporcionan calor a temperaturas no demasiado elevadas. También la refrigeración o calefacción generadas por la bomba de calor química no se limitan a refrigerar o calentar casas, sino que pueden utilizarse en cualquier lugar donde exista una necesidad, por ejemplo, de refrigeración, tales como cajones o cámaras de refrigeración y refrigeradores y en automóviles para el acondicionamiento de aire usando el calor disipado del motor.

Un acumulador termoquímico tal como el descrito anteriormente es una bomba detallada de calor para refrigeración que funciona con energía solar, que de hecho es una bomba de calor química de refrigeración completa que puede proporcionar los requisitos de agua corriente caliente, climatización y calefacción para una casa todos los días del año. Proporciona en una única unidad tanto una acumulación de calor como la conversión de calor mayoritariamente a baja temperatura en calefacción y refrigeración. La unidad aloja todas las válvulas y bombas de circulación y el procesador de control para la instalación en una casa y sólo ocupa una pequeña parte de la superficie del piso de la casa.

Claims (18)

1. Bomba de calor química que comprende un reactor principal (2; 95) que incluye un primer espacio, un condensador/evaporador (3; 98) principal que incluye un segundo espacio, una sustancia (2) activa situada en el primer espacio y un líquido (6, 5) volátil (6, 5), cuya fase (6) de vapor, en una etapa de descarga, es absorbida por la sustancia activa a una primera temperatura y, en una etapa de carga, es desorbida por la sustancia activa a una segunda temperatura más elevada, en la que la sustancia activa tiene, a la primera temperatura, un estado sólido a partir del cual la sustancia activa, cuando absorbe la fase de vapor del líquido volátil, pasa parcialmente directamente a un estado líquido o a una fase de solución, y teniendo, a la segunda temperatura, un estado líquido o existiendo en una fase de solución, a partir de la cual la sustancia activa, cuando desorbe el líquido volátil en la etapa de carga, pasa parcial y directamente a un estado sólido, la fase (6) de vapor del líquido volátil, en la etapa de carga, después de ser desorbida por la sustancia activa, se condensa en una fase (5) líquida en el segundo espacio, el cual a través de un primer conducto (4) que conecta el reactor principal al condensador/evaporador principal está en comunicación para la circulación de un fluido con el primer espacio, y la fase líquida del líquido volátil, durante la etapa de descarga, se convierte en una fase de vapor mientras que la sustancia activa absorbe la fase de vapor, un primer intercambiador (7; 71, 67) de calor que tiene una superficie en el primer espacio para mantener, en la etapa de descarga cuando la sustancia activa pasa sucesivamente de un estado sólido a un estado líquido mientras absorbe el líquido volátil, la sustancia activa en un estado sólido y en un estado líquido a la primera temperatura, caracterizada por medios (23; 74, 72) de separación en el primer espacio para separar la sustancia (2) activa en el estado sólido de la sustancia activa en el estado líquido o en fase de solución y medios (25, 26; 69, 70) de distribución (25, 26; 69, 70) para hacer que la sustancia activa separada en el estado líquido o en fase de solución pase a estar en contacto con dicha superficie del primer intercambiador (7; 71, 67) de calor y con la sustancia activa en estado sólido.

2. Bomba de calor química según la reivindicación 1, caracterizada porque los medios de separación comprenden una red o filtro (23; 74) que incluye al menos una parte de dicha superficie del primer intercambiador (7) de calor.

3. Bomba de calor química según la reivindicación 2, caracterizada porque los medios de separación comprenden una rejilla (23; 74) que incluye al menos una parte baja de dicha superficie, un compartimiento (24') que está formado debajo de una parte inferior de la rejilla para recibir la sustancia activa en el estado líquido o en fase de solución.

4. Bomba de calor química según la reivindicación 3, caracterizada porque la rejilla está unida a las paredes del primer espacio.

5. Bomba de calor según la reivindicación 2, caracterizada porque los medios de separación comprenden un filtro (72) dispuesto en una parte superior de dicha superficie, dividiendo el filtro el primer espacio en dos compartimientos para permitir que el vapor del líquido volátil pase entre una región en dicha superficie y el conducto (4; 73).

6. Bomba de calor química según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque los medios de distribución comprenden una bomba (26; 66) acoplada a un distribuidor (25; 69) situado en la parte superior de dicha superficie para distribuir la sustancia (2) activa en el estado líquido o en fase de solución sobre una parte superior del primer intercambiador (7; 71, 67) de calor.

7. Bomba de calor química según la reivindicación 6, caracterizada porque el distribuidor (25; 69) comprende un tubo que tiene aberturas.

8. Bomba de calor química según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el primer intercambiador de calor comprende una parte (71) interior y una parte (67) exterior, teniendo la parte interior dicha superficie e intercambiando la parte exterior calor con la sustancia (2) activa en un estado líquido o en fase de solución directamente antes de pasar a través del medio (69) de distribución.

9. Bomba de calor química según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada por un segundo intercambiador (9) de calor y un segundo medio (120) de distribución en el condensador/evaporador (3; 98) principal para el segundo espacio, para hacer que el líquido volátil en la fase (6) líquida del segundo espacio pase al segundo intercambiador (9) de calor para ser entonces distribuido en el segundo espacio.

10. Bomba de calor química según la reivindicación 9, caracterizada porque el segundo medio de distribución comprende una bomba (119) acoplada a un segundo distribuidor (120) situado en la parte superior de dicha superficie del segundo intercambiador de calor (9).

11. Bomba de calor química según la reivindicación 10, caracterizada porque el segundo distribuidor (120) comprende un tubo que tiene aberturas.

12. Bomba de calor química según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada porque el reactor (95) principal y el condensador/evaporador principal están dispuestos de forma que el segundo espacio está situado encima del primer espacio y que la parte inferior del segundo espacio está en comunicación para la circulación de un fluido con la parte superior del primer espacio a través de un tercer conducto (117') que tiene una válvula (118).

13. Bomba de calor química según la reivindicación 12, caracterizada porque la parte inferior del segundo espacio está en comunicación para la circulación de un fluido con el primer espacio a través de dicho tercer conducto (117'), a través del cual el líquido volátil en la fase (5) fluida puede transferirse hacia el primer espacio para eliminar posible sustancia activa del segundo espacio.

14. Bomba de calor química según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizada por un reactor (102) secundario que incluye un tercer espacio y un condensador/evaporador (103) secundario que incluye un cuarto espacio, estando el tercer y cuarto espacios en comunicación para la circulación de un fluido a través de un segundo conducto (122), estando el tercer espacio dispuesto para recibir intermitentemente la sustancia (2) activa en el estado líquido o en fase de solución a la segunda temperatura desde el primer espacio en el reactor (95) principal (95) y para devolver al primer espacio la sustancia activa en un estado líquido o en fase de solución, estando el cuarto espacio dispuesto para recibir intermitentemente el líquido volátil en la fase (6) líquida del segundo espacio en el condensador/evaporador (98) principal.

15. Bomba de calor química según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizada porque la sustancia (2) activa comprende una sal metálica que en su estado sólido contiene agua de cristalización y el líquido volátil comprende agua, seleccionándose la sal metálica de manera que libere calor cuando absorbe vapor de agua.

16. Bomba de calor química según la reivindicación 15, caracterizada porque la sal metálica se selecciona de manera que se disuelva en agua liberando calor.

17. Bomba de calor química según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizada porque la sustancia (2) activa (2) comprende una sal metálica seleccionada entre cloruro de calcio, bromuro de calcio, cloruro de magnesio, bromuro de magnesio, cloruro de litio, dicloruro de cinc e hidróxido de sodio.

18. Método para enfriamiento y/o calentamiento que comprende que una sustancia (2) activa en descarga se ponga en estado de absorber una fase (6) de vapor de un líquido volátil a una primera temperatura para producir una sustancia activa descargada que está en estado líquido o en fase de solución y, en carga, para desorber la fase de vapor del líquido volátil a una segunda temperatura más elevada para producir una sustancia activa cargada que está en estado sólido, estando la fase de vapor condensada de forma separada para producir líquido (5) condensado que entonces se evapora y puede ser absorbido por la sustancia activa cargada, caracterizado porque la sustancia activa cargada en el estado sólido se separa de la sustancia activa descargada en un estado líquido o en fase de solución, distribuyéndose la sustancia activa descargada sobre una superficie de intercambio de calor y sobre la sustancia activa cargada en el estado sólido.