ES2424922B2 - Recuperador de energía térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contrafase, y procedimiento de uso. - Google Patents

Abstract

Recuperador de energía térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contrafase, y procedimiento de uso.#Dispositivo con dos acumuladores de calor, paralelos y vecinos, con sus extremos emparejados, en su cara caliente, que es por donde entre el fluido inicialmente caliente que va a ceder su calor en uno de los rellenos, y sale calentado el otro fluido, inicialmente frío, tras atravesar el otro relleno; habiendo entrado dicho fluido inicialmente frío por la cara, fría, del otro extremo, por la que sale enfriado el fluido inicialmente caliente; estando cada una de dichas caras conectadas a sendos cabezales, cada uno de los cuales está dividido en cuatro compartimentos, cuyos flujos están gobernados por válvulas, y alternativamente dan paso a los fluidos a uno u otro acumulador, consiguiéndose un intercambio continuo de calor entre ellos.

Description

RECUPERADOR

DE ENERGíA TÉRMICA MEDIANTE PAREJA DE

ACUMULADORES

DE CALOR TRABAJANDO EN CONTRAFASE. y

PROCEDIMIENTO DE USO

SECTOR DE LA TÉCNICA la invención se encuadra en el campo de los intercambiadores de calor, y particularmente los destinados a transferir el calor desde un fluido caliente, que está en una fase de su ciclo de trabajo termodinámico, a ese mismo fluido pero en otra fase del ciclo, usualmente con presiones diferentes, o con diferencia de calidad en su composición, como ocurre en la ventilación de edificios; y particularmente trata de los sistemas de intercambio alternativo de calor, basados en acumuladores de lecho fijo o relleno, que es una aglomeración más

o menos ordenada de piezas sólidas de diversas formas y materiales, en algunos casos de naturaleza cerámica, yen otros de buenos conductores, según la aplicación de que se trate.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN No se han identificados antecedentes inmediatos de la invención, aunque los acumuladores de lecho fijo son perfectamente conocidos, y hay varios libros que los describen, en los cuales se establecen los dos modos siguientes de operación:

La de funcionamiento discontinuo o altemativo. en et cual el relleno pasa por una fase de calentamiento, en el cual un fluido se enfría, cruzando de un extremo a otro del acumulador de calor donde el lecho está contenido; y posteriormente pasa por un fase de enfriamiento, al fluir en dirección contraria un fluido frio que se calienta; que puede ser el mismo fluido que calentó previamente el relleno, trabajando en otra fase de su ciclo termodinámico. La de funcionamiento continuo usando un rotor que hace girar el relleno, que en cada evolución pasa sucesivamente por la corriente de fluido caliente, que se enfría tal como se calienta esa parte del relleno giratorio; y por la corriente de fluido fria. que se ealienla al tiempo que el relleno se enfría. Esta modalidad tiene el inconveniente de las partes móviles, que además alcanzan grandes dimensiones y pesos para potencias térmicas altas, más el reciclado o fuga de una corriente de fluido a otra, por las caras del rotor, sobre todo cuando ambos fluidos tienen presiones muy diferentes, lo cual llega inhabilitar su uso.

Existen varios documentos sobre intercambiadores con diversas configuraciones, y respecto de los montajes con lechos fijos reversibles, cabe senalar el documento US3941185A que presenta un lecho fijo de placas con un ventilador reversible, para mover el aire en una u otra dirección; y en cuanto a rotores existe una pluralidad de ellos en el mercado, y como dOaJmento se puede citar KR20100117298A, basado esencialmente en dicha parte móvil , que es el rotor que contiene el relleno.

Por descontado, existen multitud de intercambiadores de flujos separados, que es la disposición más habitual , en la que los fluidos que intercambian calor nunca pasan por los mismos circuitos hidráulicos. Para muchas aplicaciones, esa altemativa de separación es la única válida, pero se tiene el problema de que la superficie de separación no puede hacerse con el grado de compactación que tiene el relleno. Por el contrario, con la configuración tan abigarrada de material que hay en los rellenos (tlpicamente en láminas corrugadas o en lecho de bolas de diverso diámetro) no se puede separar en ellos dos conjuntos de circuitos adyacentes, uno para cada fluido, fundamentalmente por no encontrar solución viable a la configuración de los colectores de entrada y salida en cada cara del intercambiador, llamando cara a la zona física donde los circurtos del intercambiador entroncan con el resto del sistema térmico O el medio ambiente.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER El problema a resolver es configurar un sistema de circuitos de fluidos que no tenga partes móviles masivas, como los rotores de relleno, pero que funcione en régimen prácticamente continuo, cómo funcionan los de r6tor, simplemente con ayuda de bombas o ventiladores para mover los fluidos, y de válvulas de apertura y cierre de los circuitos en cuestión.

Téngase en cuenta que la potencia ténnica transferida, Q, medida en vatios fW), es función del coeficiente global de transferencia, U, medido en W/(m2 ·K); del área de transferencia, A, en m2; y de la diferencia de temperaturas logarítmica media, DT (en K o "e), más un faclor de forma F (adimensional, menor o igual a 1) siendo su relación

Hay que tener en cuenta que existirá un OT durante la fase de calentamiento de relleno, que denotaremos como DT e; y otra diferencia durante el enfriamiento del relleno y calentamiento del fluido frío, que denotaremos por OTf y por tanto en la recuperación de la energía térmica se perderá cierto valor de la temperatura, DTt que será igual a la suma de los dos términos anteriores: DTr: DTc + OTf.

Es obvio que la utilización de rellenos de gran valor de A dará mejores prestaciones de temperatura en el intercambiador, y la cuestión es proporcionar éstas sin rotores móviles y de manera continua, usando los rellenos más densos que haya, en términos de m2 de área de termo-transferencia por m3 de relleno.

EXPLICACiÓN DE LA INVENCiÓN

La invención comprende dos acumuladores de calor, con sus rellenos correspondientes para almacenar energía térmica, paralelos y vecinos entre sí, con sus extremos emparejados, por un lado en lo que denominamos cara caliente, que es por donde entre el fluido inicialmente caliente que va a ceder su calor en uno de los rellenos, y sale calentado el otro fluido, inicialmente frío, tras atravesar el otro relleno; habiendo entrado dicho fluido inicialmente fria por la cara del otro extremo, denominada cara fría, que es asi mismo la cara por la que sale enfriado el fluido inicialmente caliente; estando cada una de dichas caras conectadas directamente a sendos cabezales, cada uno de los cuales está dividido en cuatro compartimentos, cada uno de los cuales limita con un tabique de cierre de paso de fluido, provisto de su correspondiente válvula de apertura y cierre total; habiendo un tabique central vertical que divide el cabezal en dos mitades, a derecha e izquierda, cada una correspondiendo al extremo de uno de los acumuladores; existiendo asimismo un tabique central horizontal en cada cabezal, al que divide en dos pisos, superior e inferior, quedando conformados así los cuatro compartimentos en cada cabezal, correspondiendo siempre los del piso superior, de cada cabezal, a un fluido dado; y los del inferior, al otro fluido; uniéndose los dos compartimentos superiores de cada cabezal en un solo colector de trasiego de fluido, e igualmente uniéndose los dos compartimentos inferiores de cada cabezal en otro único colector de trasiego de fluido; siendo este colector de trasiego simplemente un conducto franco de evacuación para la salida del fluido inicialmente frlo por el cabezal caliente, y siendo asimismo dicho colector de trasiego simplemente un conducto franco de evacuación para la salida por el cabezal frío del fluido inicialmente caliente; y estando dicho colector de trasiego dotado de una bomba o de un ventilador para impulsar la entrada del fluido inicialmente frio por el cabezal frío; y estando asimismo dicho colector de trasiego dotado de una bomba o de un ventilador para impulsar la entrada del fluido inicialmente caliente por el cabezal caliente.

Las válvulas de los compartimentos se seleccionan entre las de accionamiento individualizado, que son indispensables cuando existen grandes diferencias de presión entre los dos fhi dos; o de tipo conmutador entre compartimentos del mismo cabezal del mismo piso, cerrándose la válvula de uno de los lado cuando se abre el otro y viceversa.

El conducto franco de evacuación de cada cabezal va dotado de un tenn6metro, y a la medida del tennómetro de la salida por el cabezal caliente, del fluido inicialmente frio, la denominamos temperatura calentada de salida; y a la del termómetro de la salida por el cabezal frío, del fluido inicialmente caliente, la denominamos temperatura enfriada de salida.

El procedimiento de utilización de la invención hace que en un momento dado, uno de los acumuladores de calor se esté calentando, y el fluido inicialmente caliente se enfría a su paso por él, desde el cabezal caliente hasta el frío; al tiempo que el otro acumulador se está enfriando, y el fluido inicialmente frío se calienta a su paso por él, desde el cabezal frio hasta el caliente.

Por los cabezales, cada fluido pasa siempre por su piso correspondiente; y en el cabezal frfo, está abierta o se abre la válvula que permite el paso de fluido inicialmente frio, impulsado por el ventilador o la bomba de dicho cabezal frío, hacia el acumulador Que ya está caliente, y va a experimentar o está experimentando enfriamiento, y está cerrada la otra válvula de ese piso; mientras que en el otro piso de dicho cabezal fria, está cerrada la válvula del lado que en el otro piso está abierta, y está abierta la válvula por la que sale enfriado el fluido inicialmente caliente, estando dicha válvula en el lado en el cual está cerrada la válvula del otro piso; y en el cabezal caliente, está abierta o se abre la válvula que pennite el paso de fluido inicialmente caliente, impulsado por el ventilador o la bomba de dicho cabezal caliente, hacia el acumulador que ya está frío, y va a experimentar o está experimentando calentamiento, y está cerrada la otra válvula de ese piso; mientras que en el otro piso de dicho cabezal caliente, está cerrada la válvula del lado que en el otro piso está abierta, y está abierta la

válvula por la que sale calentado el fluido inicialmente fria, estando esta válvula en el lado en el cual está cerrada la válvula del otro piso.

El proceso de calentamiento de un relleno finaliza cuando la temperatura enfriada de salida, que es la del fluido inicialmente caliente a su escape por el cabezal fria, comienza a subir tras un periodo de descenso y de mantenimiento en valores bajos, del orden de DT, por encima de la temperatura del fluido inicialmente frío a su entrada en el cabezal frío; y se efectúa exactamente el cierre de las válvulas por las que está pasando el fluido inicialmente caliente, cuando la temperatura enfriada de salida alcanza en dicha subida un valor de consigna, seleccionado en el rango por encima del valor mínimo alcanzado previamente por el fluido en esa etapa de calentamiento del relleno, y por debajo de la temperatura inicial del fluido inicialmente caliente.

El proceso de enfriamiento de un relleno finaliza cuando la temperatura calentada de salida, que es la del fluido inicialmente frío a su escape por el cabezal caliente, comienza a bajar tras un periodo de aumento y de mantenimiento en valores attos, del orden de DT1 por debajo de la temperatura del fluido inicialmente caliente a su entrada en el cabezal caliente; y se efectúa exactamente el cierre de las válvulas por las que está pasando el fluido inicialmente frio, cuando la temperatura calentada de salida alcanza en esa bajada un valor de consigna, seleccionado en el rango por debajo del valor máximo alcanzado previamente por el fluido en esa etapa de enfriamiento del relleno, y por encima de la temperatura inicial del fluido inicialmente frío.

Como solución aplicable para no interrumpir ninguno de los flujos por mucho tiempo, en las parejas de válvulas del mismo cabezal y piso se usan válvulas de conmutación, pasando en una sola acción del estado de cierre al de apertura, y viceversa, cuando se produce o bien el fin de enfriamiento, o bien el fin del calentamiento de los rellenos, causando efecto el primero de ellos que suceda.

El relleno puede colocarse de manera continuada dentro del cuerpo lateralmente estanco en el que se ubica, o de con interrupciones en sentido longitudinal, para dificultar la conducción interna en el relleno en ese sentido, y evitar la igualación longitudinal de su temperatura, que es negativa para las prestaciones de recuperación del calor y la temperatura.

EXPLICACiÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra una vista superior del aparato, con los compartimentos de los pisos superiores de los cabezales.

La figura 2 muestra una vista similar a la anterior, pero incluyendo ambos pisos

en cada cabezal. La figura 3 muestra un corte longitudinal de un cabezal con válvulas de accionamiento individ ual en los compartimentos.

la figura 4 muestra un corte longitudinal del dispositivo, con los pisos claramente identificados en cada cabezal. En el Oeste el ventilador o bomba está en el piso de arriba, y en el Este por tanto en el de abajo. La inclinación con que se presenta se debe a recolectar el condensado que se pueda producir en el gas inicialmente caliente, particularmente si es aire atmosférico; por lo que se incluye un drenaje y bomba de achique de condensado.

La figura 5 muestra el corte transversal del cabezal Este, con sus pisos superior e inferior.

La figura 6 muestra una representación longitudinal de temperaturas al final de una etapa de calentamiento de un relleno térmico, y de enfriamiento del fluido inicialmente caliente. Nótese que en esta figura el fluido caliente se mueve de derecha a izquierda, lo que significa que el cabezal Este es el caliente, y el Oeste el frio.

la figura 7 muestra una representación longitudinal de temperaturas al final de una etapa de enfriamiento de un relleno térmico, y de calentamiento del fluido inicialmente fria, en contra-dirección con e[ fluido caliente de [a figura 6.

Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de [a misma, anotando que las figuras no están a escala, pues algunos elementos no podrían identificarse:

1.

Relleno térmico de uno de los acumuladores. que denotaremos como acumulador Norte.

2.

Carcasa del acumulador Norte.

3.

Relleno térmico del otro acumulador, que denotaremos como acumulador Sur.

4.

Carcasa del acumulador Sur.

5.

Plano de entronque de un cabezal, que denotaremos como cabezal Oeste, con el primero de los acumuladores, o acumulador Norte.

6. Plano de entronque del cabezal Oeste con el otro de los acumuladores, 5 que es el acumulador Sur.

7.

Tabique vertical central que separa el lado del acumulador Norte del lado del aQJmulador Sur, en el cabezal Oeste.

8.

Plano de entronque del otro cabezal, que denotaremos como cabezal Este, con el primero de los acumuladores, o acumulador Norte.

10 9. Plano de entronque del cabezal Este con el acumulador Sur.

10. Tabique vertical central que separa el lado del acumulador Norte del lado del acumulador Sur, en el cabezal Este.

11 . Interrupciones del relleno en sentido longitudinal.

12. Aislante ténnico entre y alrededor de los acumuladores. 15 13. Bomba o ventilador en el cabezal Oeste.

14.

Válvula de compuerta en el compartimento del cabezal Oeste en su entronque con el acumulador Norte.

15.

Eje de la pareja de válvulas de compuerta (14,17) sobre el que rotan para

hacer el efecto de cierre/apertura conmutadas. 20 16. Marco de cierre de la válvula 14.

17.

Válvu la de compuerta en el compartimento del cabezal Oeste en su entronque con el acumulador Sur (abierta en la figura 1).

18.

Marco de cierre de la válvula 17.

19. Posición de cierre de la válvula 17. 25 20. Marco de cierre de la válvula 21 .

21.

Válvula de compuerta en el compartimento del cabezal Este en su entronque con el acumulador Norte.

22.

Válvula de compuerta en el compartimento del cabezal Este en su entronque con el acumulador Sur (abierta en la figura 1).

23. Eje de la pareja de válvulas de compuerta (21,22) sobre el que rotan para hacer el efecto de cierre/apertura conmutadas.

24. Posición de cierre de la válvula 22.

25. Marco de cierre de la válvula 22.

5

26. Coledor donde cabezal Oeste. convergen los compartimentos del piso superior del

27. Colector donde convergen cabezal Este.

los compartimentos del piso superior del

1 O

28. Coledor donde cabezal Oeste. convergen los compartimentos del piso inferior del

29. Colector donde cabezal Este.

convergen los compartimentos del piso inferior del

30. Bomba o ventilador en el cabezal Este, en el piso inferior.

15

31 . Válvula de compuerta en el compartimento del entronque con el acumulador Sur, piso inferior. cabezal Este en su

32. Válvula de compuerta en el compartimento del cabezal Este en su entronque con el acumulador Norte, piso inferior (abierta en la figura 2).

33. Posición de cierre de la válvula 32.

20

34. Eje de la pareja de válvulas de compuerta (31,32) sobre el que rotan para hacer el efecto de cierre/apertura conmutadas.

35. Válvula de compuerta en el compartimento del cabezal entronque con el acumulador Sur, piso inferior.

Oeste en su

36. Válvula de compuerta en el compartimento del cabezal Oeste en su entronque con el acumulador Norte, piso inferior (abierta en la figura 2).

25

37. Posición de cierre de la válvula 36.

38. Eje de la pareja de válvulas de compuerta (35,36) sobre el que rotan para hacer el efecto de cierre/apertura conmutadas.

39. Eje del ventilador o bomba 13.

30

40. Compartimento del piso superior del (conectando con el acumulador Sur). cabezal Oeste del lado Sur

41 . Tabique de la válvula del compartimento 40.

42.

Tapón de la válvula del compartimento 40, que se acciona eléctricamente, o por medios de presión.

43.

Eje del tapón 42.

5 44. Compartimento del piso superior del cabezal Oeste del lado Norte (conectando con el acumulador Norte).

45.

Tabique de la válvula del compartimento 44.

46.

Tapón de la válvula del compartimento 44, que se acciona

eléctricamente, o por medios de presión. 10 47. Eje del tapón 46.

48.

Asiento del tapón 46.

49.

Tabique horizontal central que separa los pisos en el cabezal Oeste.

50.

Tabique horizontal central que separa los pisos en el cabezal Este.

51. Compartimento superior del cabezal Este que conecta con el acumulador 15 Sur.

52.

Compartimento inferior del cabezal Oeste que conecta con el acumulador Sur.

53.

Compartimento inferior del cabezal Este que conecta con el acumulador

Sur. 20 54. Tabique de la válvula del compartimento 52 del cabezal Oeste.

55.

Tapón de la válvula del compartimento 52 del cabezal Oeste.

56.

Tabique de la válvula del compartimento 53 del cabezal Este.

57.

Tapón de la válvula del compartimento 53 del cabezal Este.

58. Eje del ventilador o bomba 30, del compartimento 53. 25 59. Tabique de la válvula del compartimento 51 .

60. Tapón de la valvula del compartimento 51 .

61 . Bisagras de accionamiento de las válvulas de clapeta del piso superior del cabezal Este, 62 y 63.

62.

Válvula de clapeta en el compartimento del piso superior con conexión del cabezal Este al acumulador Norte.

63.

Válvula de clapeta en el compartimento del piso superior con conexión del cabezal Este al acumulador Sur.

64.

Bisagras de accionamiento de las válvulas de clapeta del piso inferior del cabezal Este, 65 y 66.

65.

Válvula de clapela en el compartimento del piso inferior con conexión del cabezal Este al acumulador Norte.

66.

Válvula de clapeta en el compartimento del piso inferior con conexión del cabezal Este al acumulador Sur.

67.

Carcasa del conducto de salida desde el piso superior del cabezal Este, que se corresponde con el colector 27.

68.

Carcasa del conducto de entrada o impulsión por el piso inferior del cabezal Este, que se corresponde con el colector 29.

69.

Bloque virtual representando la energia térmica de un relleno, según la temperatura alcanzada a lo largo de su longitud, pues se admite que la temperatura es uniforme a lo ancho de cada sección recta.

70.

Cara del relleno que da al cabezal caliente, en este caso el Este.

71 . Cara del relleno que da al cabezal frio, en este caso el Oeste.

72.

Temperatura mínima del relleno, que tiene al finalizar la etapa de enfriamiento.

73.

Temperatura máxima del relleno, que tiene al finalizar la etapa de calentamiento.

74.

Caída de temperatura en el frente de calentamiento, en el momento final de la etapa.

75.

Abscisa del relleno donde comienza el frente de calentamiento, 74.

76.

Longrtud del frente de calentamiento en el momento que alcanza la cara fria 71 .

77.

Eje de abscisas, que marca la longitud en el relleno y a lo largo del cual, en un sentido u otro, se mueven los fluidos.

78.

Eje de ordenadas, que marca la temperatura del relleno y del fluido para cada abscisa.

79.

Temperatura inicial del fluido inicialmente caliente.

80.

Perfil de la temperatura de dicho fluido tal como se enfrla en el frente de calentamiento del relleno.

81 , Temperatura de dicho fluido al salir por la cara tria 71 en el momento en el que llega a ella el trente de calentamiento.

82.

Valor de la temperatura de salida de dicho fluido a 10 largo de la mayor parte del calentamiento del relleno, que es un valor sensiblemente igual al señalado en 81 .

83.

Perfil de la temperatura de dicho fluido si se mantiene el régimen de movimiento del fluido más allá de la llegada del frente a la cara 71 , por lo que se incrementa respecto del valor señalado en 82.

84.

Valor de la temperatura del fluido que se toma como consigna para

detenninar el final de la etapa de calentamiento del relleno, y ha de estar entre los valores marcados por 82 y 79.

85.

Abscisa de comienzo del frente de enfriamiento del relleno, cuando este llega a la cara caliente del relleno, 70.

86.

Longitud del frente de calentamiento en el momento que alcanza dicha cara 70.

87.

Perlil de temperaturas en el relleno dentro del frente de calentamiento.

88.

Perlil de temperatura en el fluido, en dicho frente.

89.

Temperatura del fluido a la salida del relleno en la cara caliente de éste, cuando llega a ella el frente de calentamiento.

90.

Temperatura inicial del fluido inicialmente fria.

91.

Temperatura de salida del aire calentado, durante la mayor parte de esa etapa, prácticamente igual al valor 89.

92.

Perfil de temperatura en el fluida, después de haber alcanzado el frente de calentamiento la cara 70, si no se detiene el flujo.

93.

Temperatura, por debajo de la marcada en 89 y superior a la de 90, seleccionada como oonsigna para dar por acabada la etapa de enfriamiento del relleno.

94.

Drenaje de condensado, si se trata de lrI fluido gaseoso con una fracción condensable, como es el aire atmosférico.

95.

Cámara hueca en el acumulador Norte, en el extremo Oeste.

96.

Cámara hueca en el acumulador Norte, en el extremo Este.

97.

Cámara hueca en el acumulador Sur, en el extremo Oeste.

98.

Cámara hueca en el acumulador Sur, en el extremo Este.

99.

Bomba de evacuación de condensado.

100.

Tennómetro del colector de salida del cabezal Oeste.

101 , Termómetro del colector de salida del cabezal Este.

MODO PREFERENTE DE REALIZACiÓN DE LA INVENCiÓN

Para la aplicación de la invención es preciso acopiar los diversos componentes referenciados, con los tamanos adecuados y las propiedades físicas requeridas. En esto se abre un campo amplísimo, tanto el tipo de fluidos como en material de relleno, que son los dos constituyentes fundamentales respecto de las prestaciones del aparato. Por lo que respecta a la invención en si, funciona en toda condición, siempre y cuando se cuente con unos circuladores, típicamente ventiladores para gases y bombas para líquidos, que impulsen a cada fluido con la velocidad especificada. La invención funciona igualmente si no se llega a esos valores especifiCados. pero lo hará con menores prestaciones térmicas.

Es importante señalar que el procedimiento de funcionamiento está perfectamente integrado en la invención, y basta medir dos temperaturas para aplicarlo, correspondientes a las salidas de los fluidos por el colector de salida de cada cabezal. En el caso que se ha descrito en las figuras 6 y 7, el cabezal Este era el caliente, y el Oeste el frío, y por ende el termómetro 100 medirla la temperatura enfriada de salida. yel 101 la temperatura calentada de salida. Esta se aproxima, pero jamás llega, a la temperatura inicial del fluido inicialmente caliente (79).

Nótese también que si la impulsión de uno de los circuladores está por debajo de lo requerido, la invención funcionará, pero no con la potencia prevista, pues en cada ciclo completo de funcionamiento se tendrá el inconveniente de que ese circulador ha impulsado menos fluido del necesario, y por tanto la transferencia de calor con el relleno correspondiente se queda por debajo de lo esperado.

Un problema que también afecta al resultack> del funcionamiento es cualquier desproporción entre elementos. Por ejemplo, si la capacidad calorlfica de los rellenos es mucho mayor que la energía ténnica a transferir del fluido caliente a lo largo de un dla, resultará que las etapas en contratase, de calentamiento y enfriamiento, durarán mfls de un dia, y los rellenos nunca se utilizarán del todo, por lo que habrán sido una inversión parcialmente inútil.

Por el contrario, si la capacidad del relleno es muy baja, los períodos serán muy cortos, y el peso de los transitorios será muy grande en el total del tiempo, y hay que tener en cuenta que en los transitorios las prestaciones son peores, por lo que habrá una menna de resultados.

En todo caso, lo más caracteristico de la invención es la configuración geométrica de los circuitos termo hidráulicos y el manejo prescrito de las válvulas que controlan esa confonnación, en la que lo fundamental es que la pareja de acumuladores se conecten adecuadamente a los compartimentos correspondientes, quedando claro la existencia de dos compartimentos en el piso superior, que son para uno de los fluidos (el caliente o el fria) siendo el otro piso para el otro fluido.

En el cabezal caliente, el fluido caliente entra y es impulsado hacia el acumulador que haya que calentar, que tendrá su correspondiente válvula abierta (al contrario que la del otro acumulador, que en este piso estará cerrada). En el otro piso, la situación de las válvulas será justo la contraria. Al tratarse del cabezal caliente, por el saldrá el fluido inicialmente fria, calentado, y esa etapa la cumplirá en el otro acumulador, cuyo relleno se enfriará

En la conjundón de cada cara de cada acumulador con su compartimento correspondiente juegan un papel importante las cámaras huecas que hay en cada acumulador (95 y 96 en el Norte, y 97 Y 98 en el Sur) entre cada cara del relleno y el extremo del acumulador que se empalma con el cabezal correspondiente, en lo cual son también cruciales los dos tabiques centrales, el vertical, 7 en el cabezal Oeste y 10 en el Este, y el horizontal, 49 en el Oeste y

50 en el Este; pues estos tabiques conforman los cuatro compartimentos, según el piso y según el acumulador al que esten conectados.

En cuanto a las válvulas, que son piezas esenciales en cualquier circuito hidráulico, éstas se sitúan sobre un tabique que cierra el compartimento por su parte más exterior, por lo que son fáciles de ubicar en el cabezal cuando éste se está construyendo, tanto si son de clapeta y de conmutación, como si son accionadas por electlicidad, tipo válvula de solenoide, o accionadas por un circuito de presión, bien de aceite, bien de aire comprimido.

Como ejemplo de dimensionamiento de la invención supongamos un recuperador de calor de equipo de ventilación de aire, teniendo el interior del edificio a 200c y el exterior a SOC bajo cero, con un salto por tanto de 25 OC. Supóngase que deseamos renovar 1440 m3 a la hora, es decir, 0,4 m3/s; lo que con una densidad (media) de 1,25 kg/m' hacen 0,5 kg/s. El Cp del aire frlo y seco es 1 kJlkg.oC, y admitamos un rendimiento termométrico (r) de 0,8; lo cual quiere decir que el aire exterior se calienta 200C a su paso por el intercambiador, lo que en total hace una potencia térmica recuperada de 10 kW.

Para dimensionar los rellenos con el funcionamiento que van a tener en el dispositivo de la invención, se parte de seleccionar la velocidad de paso del sire por el relleno, que fijamos en 10 mis, y la fracción de volumen de aire en el relleno, que fijamos en 0,5; siendo el otro 50% aluminio en hoja de 0,2 mm de espesor, corrugada y enrollada, con una densidad de 2,7 kg/m',un calor especifico de 0,88 kJlkg'C y una conductividad de 180 W/m ··C.

Con esa velocidad del aire y su fracción de volumen, se calcula que el radio de cada relleno sale de 16 cm, y la sección recta de paso de aire 0,04 m2, y el aluminio ocupa otro tanto.

Para la velocidad supuesta del aire, el coeficiente de película se estima en 40 W/m2·OC; que es un valor mucho menor que la conductividad del aluminio dividida por su espesor, que es 9·10W/m2 ·OC , lo que indica que el calentamiento del aluminio es instantáneo, comparado con la convección del aire, por lo que el coeficiente global de transmisión de calor, U, queda en 40 W/m'··C.

Para calcular la longitud de relleno que ocupa un frente de calentamiento o de enfriamiento, se iguala el balance entálpico del aire con la tasa de termotransferencia, que es

En una aproximación de intercambiador equilibrado, se llega a

DT'm =(1-r)-(T,o -Tu )

lo cual permite estimar el área A de termotransferencia, que es el área total interna de todos los canalillos de paso de aire que hay en el relleno, lo que se calcula con todo el volumen del aluminio, dividido por su espesor, y multiplicado por 2, por tener 2 caras. Teniendo en cuenta que la sección recta del aluminio en el relleno es 0,04 m2 y que su espesor es de 0,2 mm, el valor de A que se obtiene es de 400 m 2 por cada metro de longitud. por lo que el área A es

A =4OOl¡ siendo L., la longitud del frente de calentamiento o enfriamiento, que es la dimensión que hemos de determinar, y que con los datos conocidos sale

l¡ = (m'-Cp),,,.-r/(U-400-(1-r» = 0,125 m

A esa distancia hay que añadir la necesaria para almacenar el calor cedido por el aire caliente en el relleno, donde se ha de producir un salto de temperaturas igual, muy aproximadamente, al experimentado por el aire frío en su calentamiento.

La masa del aluminio será M, que corresponde a M= 2700-0,04-Le =108-Le

Si seleccionamos el tiempo que dura el período de enfriamiento o calentamiento, por ejemplo en 1 minuto, se tiene la energla total a almacenar transitoriamente, que es de 0,6 MJ. Recordando que el Cp del aluminio es 880 Jlkg·oC queda que la longitud necesaria es

Le = 0,6-10'/(108-880-20) = 0,3 m

Por lo que la longitud total de cada relleno (sumando la longitud del frente térmico) debe ser algo mayor que 0,425 m, que junto al radio de 16 cm en los rellenos de los acumuladores, hace una máquina de proporciones adecuadas a la potencia térmica que recupera. Estas medidas determinan las demás, dentro de ciertos márgenes, que hay que verificar a posteriorl. Por ejemplo, si de acuerdo a esas medidas seleccionamos que las válvulas de clapeta sean de 30X30 cm, se obtiene que para el caudal nominal de 0,4 m3 /s la velocidad en esa sección será de 4,4 mis, lo cual está en un nivel ligeramente alto, pero aceptable.

5 Queda por estimar la potencia de los ventiladores, para superar la pérdida de carga manométrica, sobre todo a su paso por el relleno. Esta se estima en función de la velocidad de paso y del diámetro hidráulico, que en funci6n de los datos disponibles sale O,4mm. Eso lleva a valores del Reynolds toralmente laminares, del orden de 500, y una pérdida de carga en el relleno de 2400 Palm;

10 lo cual podrfa aumentar con suciedad y deformaciones. Para un relleno de medio metro, habrfa que superar 1200 Pa con un caudal de 0,4 m3/s, 10 que llevaría a necesitar casi 500 W en cada ventilador (sin contar su rendimiento interno). En total se consumiría en potencia eléctrica un 10% de lo ahorrado en térmica. Esto podría disminuirse, haciendo los periodos más cortos, por acortar el relleno. En

15 concreto bajaría a la mitad si los rellenos se reducen a 25 cm, pero los períodos se reducirían a unos 25 segundos, en vez de ser de 1 minuto. Eso incrementarla el defecto de ventilación, estimado en la duración del cambio en la dirección de flujo, unos 2 segundos, dividido por el período. Ese defecto de ventilación subiría de un 3% a un 8% al acortar los rellenos, y consecuentemente los periodos.

20 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 (1)

1. REIVINDICACIONES

   1 -Recuperador de energfa térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contratase, que comprende dos acumuladores de calor (2, 4), con sus rellenos correspondientes (1, 3) para almacenar energía térmica, paralelos y vecinos entre 51, con sus extremos emparejados, por un lado en la cara caliente, que es por donde entra el fluido inicialmente caliente y sale calentado el otro fluido, inicialmente frlo, existiendo la cara fría en el otro extremo, denominada cara fría, que es así mismo la cara por la que sale enfriado el fluido inicialmente caliente y entra el fluido inicialmente frio, caracteñzado porque cada una de dichas caras caliente y'rfa está conectada directamente a sendos cabezales, cada uno de los cuales está dividido en cuatro compartimentos, cada uno de los cuales limita con un tabique (41 , 45, 54, 56, 59) de cierre de paso de fluido, provisto de su correspondiente válvula de apertura y cierre total (42, 46, 55, 57, 60); habiendo un tabique central vertical (7, 10) que divide el cabezal en dos mitades, a derecha e izquierda, cada una correspondiendo al extremo de uno de los acumuladores; existiendo asimismo un tabique central horizontal (49, 50) en cada cabezal, al que divide en dos pisos, superior e inferior, quedando conformados así los cuatro compartimentos en cada cabezal, correspondiendo siempre los del piso superior, de cada cabezal, a un fluido dado; y los del inferior, al otro fluido; uniéndose los dos compartimentos superiores de cada cabezal en un solo colector de trasiego de fluido (26, 27), e igualmente uniéndose los dos compartimentos inferiores de cada cabezal en otro único coleclor de trasiego de fluido (28, 29); siendo este colector de trasiego simplemente un conducto franco de evacuación para la salida del fluido inicialmente frío por el cabezal caliente, y siendo asimismo dicho colector de trasiego simplemente un conducto franco de evacuación para la salida por el cabezal frío del fluido inicialmente caliente; y estando dicho colector de trasiego dotado de una bomba o de un ventilador para impulsar la entrada del fluido inicialmente frío por el cabezal frío; y estando asimismo dicho cotector de trasiego dotado de una bomba o de un ventilador para impulsar la entrada del fluido inicialmente caliente por el cabezal caliente.

   2 -Recuperador de energla térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contratase. según reivindicación primera, caracterizado porque las válvulas de los compartimentos se seleccionan entre las de accionamiento indiVidualizado (42, 46, 55, 57, 60); , que son indispensables

   ,.

   cuando existen grandes diferencias de presión entre los dos fluidos; o de tipo conmutador (14,17,21 ,22,31,32,35,36) entre compartimentos del mismo cabezal del mismo piso, cerrándose la válvula de uno de los lado cuando se abre el otro y viceversa.

   3 -Recuperador de energfa ténnica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contratase, según cualquiera de las reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque el conducto franco de evacuación de cada cabezal va dotado de un termómetro (100,101), y a la medida del termómetro de la salida por el cabezal caliente, del fluido inicialmente frio, es la temperatura calentada de salida; y a la del termómetro de la salida por el cabezal frlo, del fluido inicialmente caliente, es la temperatura enfriada de salida.

   4 -Recuperador de energla térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contrafase. según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el relleno puede colocarse de manera continuada dentro del cuerpo lateralmente estanco en el que se ubica, o con interrupciones (11) en sentido longitudinal, para dificuttar la conducción térmica interna en el relleno en ese sentido.

   5 -Procedimiento de uso del recuperador de energla térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contratase. según cualquiera de las reivindicackmes anteriores, caracterizado porque por los cabezales, cada fluido pasa siempre por su piso correspondiente; yen el cabezal trio. está abierta

   o se abre la válvula que permite el paso de fluido inicialmente frío, impulsado por el ventilador o la bomba de dicho cabezal frío, hacia el acumulador que ya está caliente, y va a experimentar o está experimentando enfriamiento, y está cerrada la otra válvula de ese piso; mientras que en el otro piso de dicho cabezal frio, está cerrada la válvula del lado que en el otro piso está abierta, y está abierta la válvula por la que sale enfriado el fluido inicialmente caliente, estando dicha válvula en el lado en el cual está cerrada la válvula del otro piso; y en el cabezal caliente, está abierta o se abre la válvula que permite el paso de fluido inicialmente caliente, impulsado por el ventilador o la bomba de dicho cabezal caliente, hacia el acumulador que ya está frto, y va a experimentar o está experimentando calentamiento, y está cerrada la otra válvula de ese piso; mientras que en el otro piso de dicho cabezal caliente, está cerrada la válvula del lado que en el otro piso está abierta, y está abierta la válvula por la que sale

   calentado el fluido inicialmente frío, estando esta válvula en el lado en el cual está cerrada la válvula del otro piso.

   6 -Procedimiento de uso del recuperador de energia ténnica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contrafase. según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el proceso de calentamiento de un relleno finaliza cuando la temperatura enfriada de salida, que es la del fluido inicialmente caliente a su escape por el cabezal frío, comienza a subir tras un periodo de descenso y de mantenimiento en valores bajos; y se efectúa exactamente el cierre de las válvulas por las que está pasando el fluido inicialmente caliente, cuando la temperatura enfriada de salida alcanza en dicha subida un valor de consigna. seleccionado en el rango por encima del valor mfnimo alcanzado previamente por el fluido en esa etapa de calentamiento del relleno, y por debajo de la temperatura inicial del fluido inicialmente caliente.

   7 -Procedimiento de uso del recuperador de energía térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contrafase, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el proceso de enfriamiento de un relleno finaliza cuando la temperatura calentada de salida, que es la del fluido inicialmente frío a su escape por el cabezal caliente, comienza a bajar tras un período de aumento y de mantenimiento en valores altos; y se efectúa exactamente el cierre de las válvulas por las que está pasando el fluido inicialmente fria, cuando la temperatura calentada de salida alcanza en esa b~ada un valor de consigna, seleccionado en el rango por debajo del valor

   máximo alcanzado previamente por el fluido en esa etapa de enfriamiento del relleno, y por encima de la temperatura inicial del fluido inicialmente fria.

   S -Procedimiento de uso del recuperador de energía térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contrafase, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en las parejas de válvulas del mismo cabezal y piso se usan válvulas de conmutación, pasando en una sola acción del estado de cierre al de apertura, y viceversa, cuando se produce o bien el fin de enfriamiento, o bien el fin del calentamiento de los rellenos, causando efecto el primero de ellos que suceda.