ES2342760A1 - Dispositivo de interrupcion termica en conexiones a intercambiadores de calor. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de interrupción térmica en conexiones a intercambiadores de calor, que disponen en las entradas y salidas de los conductos de ambos fluidos que intercambian calor, o al menos en uno de ellos, consistiendo en unas piezas aislantes (22), de interrupción térmica de su conducción metálica a lo largo de las paredes (21) de los conductos, siendo el material aislante de las piezas de interrupción térmica seleccionado entre grafito; carburo de silicio, u otro sólido de temperatura de fusión muy por encima de la temperatura de trabajo establecida, y cuya conductividad térmica sea menor que 1 vatio por metro y kelvin (1 W.m,-1, K-1 en sistema SI), quedando cada pieza ajustada a los conductas mediante uniones de penetración (23, 24), que también pueden estar embridadas perimetralmente (25).

Description

Dispositivo de interrupción térmica en conexiones a intercambiadores de calor.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el campo de los intercambiadores de calor y más particularmente en los que se usan para los almacenamientos de energía térmica, o trabajan en procesos discontinuos en los que hay períodos de tiempo en los que se ha de interrumpir la transferencia de calor de un fluido a otro, es decir, del primario (o rama caliente, que se enfría) al secundario (o rama fría, que se calienta) del intercambiador.

Antecedentes de la invención

El proceso de intercambio de calor se lleva a cabo muy eficientemente en los intercambiadores de calor, cuya configuración geométrica y disposición de las corrientes de fluido puede ser muy variada, pero obedecen a unas leyes físicas bien establecidas por las teorías al uso, y bien contrastadas, entre las cuales destaca el modelo de la Diferencia de Temperatura Logarítmica Media, por un lado, y el del Número de Unidades de Transmisión, por otro.

En todo caso, los intercambiadores están concebidos para transferir el calor desde un fluido primario a otro secundario de manera propicia, lo cual les hace ser muy eficientes en tal misión. Sin embargo, hay intercambiadores que deben dejar de funcionar como tales en períodos de tiempo relativamente largos. Si en esos períodos se mantuviera el flujo de fluidos, habría una transferencia de calor indeseable, pues en esos momentos ni se quiere que se enfríe el caliente, ni que se caliente el frío. En tal caso, la práctica común es dejar de bombear los fluidos en cuestión, y eventualmente cerrar su paso con sendas válvulas. No obstante, entre los dos fluidos sigue existiendo un nexo térmico, por compartir una pared conductora, como son los tubos en los intercambiadores muy comunes de tubos y carcasa, o las placas, en los también muy comunes intercambiadores de placas. Esas paredes comunes intermedias se prolongan más allá del intercambiador en sí, por los propios conductos de cada uno de los circuitos, y esas prolongaciones actúan a modo de grandes y alargadas aletas que son vías inevitables para que el calor fluya por ellas, desde los puntos de alta temperatura (donde se encuentra el fluido caliente) hasta los puntos de baja temperatura, que no sólo serán los bañados por el fluido frío, sino por transferencia al medio ambiente, que en muchas aplicaciones puede estar mucho más frío que el fluido frío, y comportarse por tanto como el sumidero de calor final.

Esto es especialmente inconveniente en las instalaciones donde se ha de almacenar la energía térmica de un fluido caliente, como pueden ser las sales fundidas (nitrato de potasio, por ejemplo) en los dispositivos empleados en las centrales termo-solares para almacenar la energía térmica que sea excedente en un momento dado. A efectos ilustrativos en la definición del problema a resolver, la figura 1 muestra un esquema de almacenamiento térmico, consistente en dos tanques de sales fundidas, uno de baja temperatura (aunque mucho más alta que el medio ambiente, incluso cercano a los 300ºC) y otro de alta temperatura, próxima a los 400ºC en aplicaciones actuales. En la fase de carga térmica del almacenamiento, se transvasan sales del tanque de baja al de alta, pasando a través de un intercambiador, cuyo fluido primario, más caliente, es el fluido calorífero que ha absorbido el calor de la radiación solar en el receptor de ésta. En la fase de descarga, las sales fluyen en sentido contrario, pasando del tanque de alta al de baja, calentando un fluido más frío, que puede ser el mismo fluido calorífero anterior, o bien puede ser el fluido del ciclo termodinámico de potencia (para lo cual, en general, se usará otro intercambiador de calor). El problema fundamental se da durante las largas horas, particularmente de noche, en las cuales no se hace ni carga térmica ni descarga, y sin embargo se debe preservar el calor almacenado, con la intención de usarlo al día siguiente, Más aún, de perder mucho calor los tanques, las sales pueden congelarse en ellos, y en el interior del intercambiador de calor, lo cual acarrearía un problema muy grave en la instalación.

El problema a resolver es encontrar una disposición técnica en el sistema y establecer un procedimiento que minimicen la pérdida de calor, evitando así tanto la pérdida de efectividad del sistema como los riesgos asociados, cual es el de la congelación de las sales, si se usan éstas, u otros fluidos que solidifican a temperaturas muy por encima de las del medio ambiente.

Explicación de la invención

La invención consiste en:

-

prescribir un procedimiento de vaciado del intercambiador en su circuito del fluido que actúa de almacén térmico, rematando dicho vaciado por la acción de la gravedad y por el arrastre de un gas inerte, efectuándose este vaciado al comienzo de cada período de inhabilitación de la transferencia de calor en el cambiador;

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disponer en cada uno de los conductos de los fluidos primario y secundario, que intercambian calor, o al menos en cada conducto de uno de estos fluidos, una interrupción física o corte total transversal de las paredes de dichos conductos, engastándose en dichas interrupciones unas piezas aislantes de interrupción térmica de su conducción metálica a lo largo de las paredes de los conductos, y estando estas piezas aislantes en unión con cada extremo del conducto metálico interrumpido, y pudiendo ser estas piezas de forma anular, encajadas en los tubos por cada extremo de la interrupción, o como pequeños tambores cilíndricos o esferas de material aislante que actúen de ensambladores de tubos o conductos.

Como gas inerte de arrastre se puede usar argón, dióxido de carbono, u otro gas no reactivo, insuflado desde un depósito que lo contiene, merced a un compresor o soplante que lo impulsa, recogiéndose después en ese depósito por extracción mediante compresor de succión desde el tanque de recogida del vaciado del fluido del almacenamiento, aislándose el depósito de gas por la acción de válvulas en sus conexiones con las tuberías del fluido a vaciar, no siendo imprescindible este gas de arrastre, cuando por gravedad se produce un vaciado de suficiente entidad, medido éste en no quedar más de un 0,1% de la sección recta del conducto a vaciar, lleno de líquido.

Como material aislante en las piezas de interrupción térmica se puede usar grafito, carburo de silicio, u otro sólido de temperatura de fusión superior a la temperatura de fusión del material metálico en el cual queda engastada la pieza, y cuya conductividad térmica sea menor que 1 vatio por metro y kelvin (1 W.m'^{-1}, K^{-1} en sistema SI), quedando la pieza ajustada a los conductos mediante uniones de penetración o bien embridadas perimetralmente.

Explicación de las figuras

La figura 1 muestra un esquema de almacenamiento térmico en tanques de sales fundidas u otro fluido térmico, con un intercambiador que transfiere el calor al almacenamiento, a partir de un fluido calorífero primario, como es el proveniente de una instalación de captura de la radiación solar.

La figura 2 muestra el mismo esquema al que se han añadido los elementos específicos de la invención, como es el circuito de gas de arrastre y las piezas de interrupción térmica.

La figura 3 muestra el esquema de un corte o sección longitudinal de una pieza concreta de interrupción térmica de configuración anular, de unión de penetración simple, y embridada circunferencialmente por ambos extremos.

La figura 4 muestra un esquema similar al de la figura 3, con unión de penetración por las dos caras de la pieza de corte.

Las figuras anteriores no están a escala, pues las dimensiones de las piezas del conjunto son muy variadas, y no todos los elementos relevantes se podrían visualizar con una escala única; pero en todo caso lo que se prescribe en la invención en cuanto a dimensiones absolutas o relativas es lo especificado en la Explicación.

Modo de realización de la invención

Para una mejor explicación de la invención y su realización, a continuación se relacionan sus elementos:

1.

Tanque de almacenamiento de baja temperatura, del almacenamiento térmico.

2.

Tanque de almacenamiento de alta temperatura, del almacenamiento térmico.

3.

Intercambiador de calor.

4.

Placa o elemento sólido de separación de los fluidos del intercambiador, a través de la cual de transfiere el calor.

5.

Bomba del fluido del almacenamiento en el tanque de baja, que actúa en el modo de carga térmica del almacenamiento, cuando este fluido se calienta.

6.

Boca de salida del fluido del almacenamiento en el tanque de alta, que actúa en el modo de carga térmica del almacenamiento.

7.

Bomba del fluido del almacenamiento en el tanque de alta, que actúa en el modo de descarga térmica del almacenamiento, cuando este fluido cede calor.

8.

Boca de salida del fluido del almacenamiento en el tanque de baja, que actúa en el modo de descarga térmica del almacenamiento.

9.

Conducto del fluido calorífero primario, que transfiere calor al del almacenamiento, en el modo de carga de éste.

10.

Válvula del tanque de baja, abierta en el modo de carga térmica.

11.

Válvula del tanque de alta, abierta en el modo de carga térmica.

12.

Válvula del tanque de alta, abierta en el modo de descarga térmica.

13.

Válvula del tanque de baja, abierta en el modo de descarga térmica.

14.

Piezas de corte anti-térmico, insertadas en los conductos del fluido del almacenamiento.

15.

Piezas de corte anti-térmico, insertadas en los conductos del fluido calorífero primario.

16.

Depósito del gas inerte de arrastre en el vaciado.

17.

Compresor o soplante del gas de arrastre.

18.

Boca de succión del gas de arrastre desde el tanque 1.

19.

Compresor de succión del gas de arrastre.

20.

Eje de revolución de un tubo de canalización de fluido.

21.

Paredes de los conductos (en general tubulares) de un fluido de los que participa en el intercambio de calor.

22.

Pieza de interrupción térmica insertada en las paredes de un conducto de fluido.

23.

Brida perimetral izquierda.

24.

Brida perimetral derecha.

25.

Boca en la interrupción de un tubo de conducto, en la que se practica la unión por penetración.

Para materializar esta invención, se parte de un intercambiador cualquiera (3), y en sus conductos de conexión con los circuitos primario (9) y secundario, o al menos en uno de ellos, se practican cortes totales del conducto, tanto en entrada como en salida del intercambiador (3); disponiendo en dichos cortes o interrupciones las piezas anti-térmicas (14, 15, 22) de grafito, carburo de silicio u otro material aislante, que se unen por penetración a los dos extremos del conducto cortado, fortaleciendo su encaje con una brida perimetral en cada extremo de la unión.

Como procedimiento de funcionamiento, para los períodos en los que se ha de inhabilitar la transferencia de calor, y preservar la energía térmica almacenada en uno de los fluidos, se procede al vaciado del circuito de este fluido en la parte que está en conexión con el intercambiador, montando éste con inclinación para efectuar el vaciado del fluido, contando además, opcionalmente, con un circuito de gas inerte de arrastre, que impulsa los restos del fluido hacia el tanque de recogida del vaciado, desde el cual se extrae el gas mediante un compresor de succión aplicado a la boca superior de tanque, habiendo otro compresor, de impulsión, desde el depósito del gas al circuito de vaciado.

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims (4)

1. Dispositivo de interrupción térmica en conexiones a intercambiadores de calor, caracterizado por que dispone en cada uno de los conductos de los fluidos primario y secundario, que intercambian calor, o al menos en cada conducto de uno de estos fluidos, una interrupción física o corte total transversal de las paredes (21) de dichos conductos, engastándose en dichas interrupciones unas piezas aislantes (14, 15, 22), de interrupción térmica de su conducción metálica a lo largo de las paredes (21) de los conductos, y estando estas piezas aislantes en unión con cada extremo del conducto metálico interrumpido, y pudiendo ser estas piezas (14, 15, 22) de forma anular, encajadas en los tubos por cada extremo de la interrupción, o como pequeños tambores cilíndricos o esferas de material aislante que actúen de ensambladores de tubos o conductos, siendo el material aislante de las piezas (14, 15, 22) de interrupción térmica seleccionado entre grafito, carburo de silicio, u otro sólido de temperatura de fusión superior a la temperatura de fusión del material metálico en el cual queda engastada la pieza, y cuya conductividad térmica sea menor que 1 vatio por metro y kelvin (1 W.m'^{-1}, K^{-1} en sistema SI).

2. Dispositivo de interrupción térmica de conexiones a intercambiadores de calor según lo descrito en la reivindicación 1, caracterizado por que cada pieza queda ajustada a los conductos (9) mediante uniones de penetración (23, 24).

3. Dispositivo de interrupción térmica de conexiones a intercambiadores de calor según lo descrito en la reivindicación 1, caracterizado por que cada pieza queda ajustada a los conductos (9) mediante uniones de penetración embridadas perimetralmente (25).

4. Procedimiento de interrupción térmica en intercambiadores de calor, que emplea un dispositivo según lo descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por prescribir el vaciado del intercambiador (3) en su circuito del fluido que actúa de almacén térmico, rematando dicho vaciado por la acción de la gravedad y por el arrastre de un gas inerte, efectuándose este vaciado al comienzo de cada período de inhabilitación de la transferencia de calor en el cambiador, y siendo el gas inerte de arrastre argón, dióxido de carbono, u otro gas no reactivo, insuflado desde un depósito (16) que lo contiene, merced a un compresor o soplante (17) que lo impulsa, recogiéndose después en el depósito por extracción mediante compresor de succión (19) desde el tanque de recogida del vaciado del fluido del almacenamiento (1), aislándose el depósito de gas por la acción de válvulas (10-13) en sus conexiones con las tuberías del fluido a vaciar, no siendo imprescindible este gas de arrastre, cuando por gravedad se produce un vaciado de suficiente entidad, medido éste en no quedar más de un 0,1% de la sección recta del conducto a vaciar, lleno de líquido.