ES2605386T3

ES2605386T3 - Intercambiador térmico para sistema de almacenamiento térmico

Info

Publication number: ES2605386T3
Application number: ES13774643.4T
Authority: ES
Inventors: Marco Olcese
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2017-03-14
Anticipated expiration: 2033-10-07
Also published as: SA515360244B1; FR2996631A1; MA20150272A1; EP2904343A1; MA37979B1; WO2014056857A1; TN2015000125A1; FR2996631B1; EP2904343B1; CN104718422A

Abstract

Intercambiador térmico para sistema de almacenamiento térmico que comprende una envuelta (2), al menos un tubo (4) en el que está destinado a circular un caloportador, estando dicho tubo dotado de una superficie exterior del tubo (4) que lleva aletas de intercambio térmico (7), comprendiendo asimismo dicho intercambiador térmico al menos una inserción (10, 10') de material conductor térmico dispuesto alrededor de dicho tubo (4), comprendiendo dicha inserción (10, 10') al menos un alojamiento (9) para recibir al menos en parte el tubo (4) dotado de aletas (7), caracterizado porque dicha inserción (10, 10') recibe la parte del tubo con holgura y comprende un ensamblaje de ramas (14, 16, 20, 22, 24, 26, 28) de material conductor térmico para así formar una red de distribución y de recogida de calor.

Description

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DESCRIPCION

Intercambiador termico para sistema de almacenamiento termico Ambito tecnico y tecnica anterior

La presente invencion se refiere a un intercambiador para sistema de almacenamiento termico en el que se emplea un material con cambio de fase.

La tecnologia solar termica de concentracion consiste en utilizar la radiacion solar para calentar un fluido que sirve, directa o indirectamente, como fuente caliente en un ciclo termodinamico. La concentracion permite alcanzar temperaturas mas o menos elevadas y beneficiarse de rendimientos de conversion termodinamicos mas o menos importantes.

Con objeto de que la explotacion de las centrales solares termodinamicas de concentracion sea muy interesante para la produccion de potencia electrica, se requiere disponer de sistemas de almacenamiento termico a alta temperatura destinados a almacenar energia termica excedente y ponerla a disposicion, por ejemplo durante una disminucion de la insolacion.

Las centrales solares de generacion directa de vapor estan disponibles; estas producen vapor que es enviado a una turbina que produce electricidad. Cuando el caudal de vapor producido es superior al caudal nominal de la turbina, la cantidad de vapor en exceso se almacena en un sistema de almacenamiento termico. Cuando el caudal de vapor producido es inferior al caudal nominal de la turbina, se libera vapor almacenado para alimentar la turbina.

Los sistemas de almacenamiento termico que se revelan especialmente interesantes emplean los materiales con cambio de fase para almacenar y liberar el calor. Los sistemas de almacenamiento directo considerados aqui comprenden un haz de tubos en los que circula el caloportador, con los tubos atravesando el material con cambio de fase, intercambiandose calor latente entre el fluido caloportador y el material con cambio de fase. Los tubos presentan aletas para aumentar la superficie de intercambio.

Los materiales con cambio de fase, gracias a que la energia se almacena en el material en forma de calor latente, permiten intercambiar grandes cantidades de energia a una temperatura casi constante. Esto es un elemento especialmente importante cuando se debe almacenar la energia latente del fluido caloportador, por ejemplo agua, ya que el intercambio de calor entre dos fluidos que cambian de fase a temperaturas proximas permite incrementar sensiblemente la eficacia del ciclo de almacenamiento.

Ahora bien, los materiales con cambio de fase tienen como inconveniente presentar una escasa conductividad termica; por ejemplo en el caso del NaNO3 su conductividad termica media es del orden de 0,5 W/mK, valor tipico de los materiales escasamente conductores incluso termicamente aislantes.

La escasa conductividad termica de los materiales con cambio de fase es un factor con un impacto mayor en los costes y las prestaciones del intercambiador, ya que la mayoria de los intercambios termicos fluido caloportador-materiales con cambio de fase se realizan principalmente mediante conduccion en fase solida, lo que implica un grosor maximo de material con cambio de fase escaso para no reducir la eficacia del intercambio, el grosor maximo es del orden de 10 mm a 20 mm para el NaNO3. Con grosores de este orden de magnitud, los intercambiadores deben presentar una superficie muy grande de intercambio en el caso del uso de un material con intercambio de fase en estado puro.

Ahora bien, en el caso de los sistemas de almacenamiento con material con cambio de fase, el fluido caloportador es a alta presion. En consecuencia, por motivos de precio de coste, es preferible reducir el numero de tubos del intercambiador. Lo que se opone al empleo de muy grandes superficies de intercambio termico.

Con el fin de mejorar la conductividad del material con cambio de fase, se ha propuesto dispersar estructuras metalicas en el material con cambio de fase. Pero el problema que se plantea es el de la estabilidad de la dispersion en los ciclos termicos, pero sobre todo el problema de la gestion del contacto termico entre la matriz de material con cambio de fase y los tubos del fluido caloportador.

Con el fin de aumentar la superficie de intercambio termico entre los tubos y el material con cambio de fase, se montan unas aletas en la superficie exterior del tubo. Se utilizan dos geometrias de aletas, extendiendose las aletas radialmente y extendiendose longitudinalmente las aletas a lo largo del tubo.

Ademas, se ha observado que la realizacion de tubos de acero y de aletas de aluminio convenia desde un punto de vista tecnico, ya que se garantiza la resistencia a las altas presiones del fluido caloportador que circula en los tubos, a la vez que ofrecia un precio de coste reducido en relacion con tubos y aletas

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completamente de acero. Las aletas se montan entonces en el tubo y se debe garantizar un buen contacto para obtener intercambios termicos eficaces. Por el contrario, debido al empleo de dos materiales distintos, existe una dilatacion diferencial entre ambos materiales que poseen un coeficiente de dilatacion termica sensiblemente distinto.

Ademas, el cambio de volumen del material con cambio de fase durante el cambio de fase ejerce una accion mecanica en las aletas. Este cambio de volumen es del orden del 11 % para el NaNC>3.

El efecto de dilatacion diferencial y del cambio del volumen del material con cambio de fase puede tener un impacto importante sobre la fiabilidad del contacto termico entre el tubo y las aletas y la durabilidad termomecanica del conjunto.

Como se ha indicado anteriormente, existen aletas longitudinales. Estas son interesantes para su aplicacion a un intercambiador termico con material con cambio de fase ya que permiten una compensacion mas facil de los cambios de volumen del material con cambio de fase despues del cambio de fase.

En general, el tubo esta engastado en el interior de perfiles extrudidos de aluminio que forman las aletas longitudinales. Ahora bien, esta estructura es muy sensible a los efectos de la dilatacion diferencial entre ambos materiales. La vida util de los tubos con aletas longitudinales queda entonces reducida.

En el caso de los tubos con aletas radiales, por ejemplo las aletas se engarzan en el tubo mediante brunido con bola o las aletas se extruden radialmente, estos tubos presentan limites a nivel de la temperatura de utilizacion.

Existen tubos dotados de aletas radiales que en realidad se enrollan en espiral alrededor del tubo y estan encastradas en su base, estas aletas se denominan aletas del tipo G. esta estructura permite la utilizacion de temperaturas elevadas de funcionamiento, por ejemplo hasta 400-450 0C y presenta un menor riesgo de desolidarizacion. Por el contrario, la relacion entre el diametro exterior de las aletas y el diametro del tubo es limitada, lo que obliga a recurrir a un numero de tubos muy elevado para tener una superficie de intercambio suficiente. Por lo tanto, los precios de coste son considerables.

El documento US 4.624.242 divulga un intercambiador termico para sistema de almacenamiento termico segun el preambulo de la reivindicacion 1.

Exposicion de la invencion

En consecuencia es un objetivo de la presente invencion ofrecer un intercambiador termico para sistema de almacenamiento termico que ofrece una resistencia mecanica a temperaturas elevadas con, al mismo tiempo, un precio de coste reducido con relacion a los sistemas de almacenamiento existentes.

El objetivo de la presente invencion se alcanza mediante un intercambiador termico segun la reivindicacion 1, que comprende un deposito atravesado por al menos un tubo dotado de aletas en el que esta destinado a circular un caloportador y al menos una insercion que define un alojamiento para el tubo de manera que el tubo provisto de aletas se reciba con holgura en dicho alojamiento, formando dicha insercion una red que garantiza la conduccion y la recogida del calor.

En un ejemplo particular, el deposito del intercambiador termico esta destinado a contener un material con cambio de fase, de manera que la red formada por la insercion garantiza una conduccion y una recogida del calor en el material con cambio de fase situado entre dos tubos.

En un ejemplo de realizacion, las inserciones estan configuradas de tal manera que la asociacion de varias inserciones adyacentes define el alojamiento para el tubo.

En otro ejemplo de realizacion, cada insercion comprende un alojamiento para un tubo. Por lo tanto, cada insercion rodea totalmente un tubo.

Dicho de otro modo, la invencion emplea elementos conductores termicos entre y alrededor de los tubos que realizan, al mismo tiempo, un aumento de la superficie de intercambio termico entre el tubo y el material con cambio de fase y un aumento de la conductividad termica equivalente del material con cambio de fase. En efecto, los elementos conductores presentan una gran superficie y forman una prolongacion de las aletas fijadas al tubo, sin estar sin embargo, en contacto mecanico con las mismas al menos en funcionamiento normal.

Ademas, dado que estos elementos conductores estan repartidos en todo el material con cambio de fase situado entre los tubos, pueden considerarse como un anadido de un material conductor termico dentro del mismo, segun un reparto discreto.

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En un ejemplo especialmente interesante, las aletas fijadas a los tubos son radiales y las inserciones forman aletas longitudinales. Por una parte, la invencion palia el diametro reducido de las aletas radiales utilizando inserciones entre los tubos, que aumentan la superficie de intercambio termico. Por otra parte, la invencion palia la escasa resistencia a la dilatacion diferencial de los tubos con aletas longitudinales haciendo que las aletas longitudinales sean independientes mecanicamente de los tubos. Ademas, las inserciones garantizan una compensacion mas facil de los cambios de volumen del material con cambio de fase tras el cambio de fase.

Ademas, dado que las inserciones delimitan alojamientos para los tubos, forman asimismo medios de guia de los tubos, lo que permite por otra parte simplificar la estructura y reducir su coste.

De manera ventajosa, los tubos son tubos del tipo G, que ofrecen una excelente resistencia a la dilatacion diferencial tubo-aletas.

Dado que se reduce el coste de fabricacion de dichos tubos, se reduce asimismo el coste del sistema.

La presente invencion tiene por lo tanto por objeto un intercambiador termico para sistema de almacenamiento termico que comprende una envuelta, por lo menos un tubo en el que esta destinado a circular un caloportador, estando dicho tubo provisto de una superficie exterior del tubo que lleva aletas de intercambio termico, comprendiendo dicho intercambiador termico asimismo al menos una insercion de material conductor termico dispuesto alrededor de dicho tubo, comprendiendo dicha insercion al menos un alojamiento para recibir con holgura, por lo menos en parte el tubo dotado de aletas, comprendiendo dicha insercion un ensamblaje de ramas de material conductor termico para asi formar una red de distribucion y de recogida de calor.

Preferiblemente, el ensamblaje de ramas comprende ramas que se extienden radialmente alrededor del tubo.

El tubo puede presentar un eje longitudinal, con las ramas pudiendo extenderse entonces segun planos paralelos al eje del tubo.

Ventajosamente, la insercion tiene sensiblemente la forma de un cilindro de eje confundido con el eje del tubo al que rodea.

En un modo de realizacion, la insercion puede realizarse de una sola pieza.

Preferiblemente, el intercambiador termico comprende medios de posicionamiento en su periferia exterior que cooperan con medios de posicionamiento de una insercion vecina.

En otro modo de realizacion, la insercion comprende varios tramos de insercion. La insercion puede entonces comprender por ejemplo seis tramos de insercion, participando cada tramo de insercion en la delimitacion de tres alojamientos, con dichos tramos de inserciones en apoyo plano contra tres inserciones vecinas.

En un ejemplo de realizacion, cada tramo de insercion posee sensiblemente la forma de un prisma, con las aristas del prisma vaciadas para asi presentar un perfil concavo que forma un tramo de la pared de un alojamiento.

De manera preferida, las ramas comprenden aletas.

Las aletas de los tubos son preferiblemente aletas que se extienden sensiblemente transversales con relacion al eje longitudinal del tubo. De manera tambien preferida, las aletas de los tubos son aletas del tipo G.

Segun una caracteristica de la invencion, la insercion o los tramos de insercion pueden realizarse mediante extrusion. Por ejemplo, la insercion o los tramos de insercion son de aluminio.

En lo que se refiere al tubo y a las aletas, el tubo puede realizarse de acero y las aletas fijadas al tubo pueden ser de aluminio.

Preferiblemente, el intercambiador termico comprende varios tubos paralelos recibidos en varias inserciones o varios tramos de inserciones.

La presente invencion tiene asimismo por objeto un sistema de almacenamiento termico que comprende un intercambiador termico segun la invencion y un material con cambio de fase contenido en la envuelta y que rodea y entra en contacto con dicho al menos un tubo y dicha al menos una insercion. El material con cambio de fase puede ser NaNO3, una parafina o agua.

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La presente invencion tiene asimismo por objeto una central solar de concentracion que comprende un campo solar en el que se calienta el caloportador y al menos un sistema de almacenamiento termico segun la presente invencion, conectado a la salida del campo solar.

La central solar es por ejemplo una central solar de generacion directa de vapor, generando el campo solar un caloportador en forma de vapor.

Breve descripcion de los dibujos

La presente invencion se entendera mejor mediante la siguiente descripcion y los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 es una vista desde arriba de un conjunto de inserciones segun un ejemplo de realizacion;

- la figura 2A es una vista desde arriba de una unica insercion del conjunto de la figura 1;

- la figura 2B es una vista en perspectiva de la insercion de la figura 2A;

- la figura 3 es una vista desde arriba de un conjunto de inserciones segun otro ejemplo de realizacion;

- la figura 4 es una vista desde arriba de una unica insercion del conjunto de la figura 3;

- la figura 5 representa esquematicamente la evolucion del frente de fusion en un material con cambio de fase contenido en un sistema de almacenamiento termico que comprende inserciones de la figura 1;

- la figura 6 es una representacion grafica de la diferencia de temperatura entre la temperatura del fluido y la temperatura de cambio de fase en funcion del tiempo en el caso de un sistema de almacenamiento termico que comprende inserciones de la figura 1;

- la figura 7 es una vista en corte transversal de un ejemplo de realizacion de un sistema de almacenamiento termico que comprende inserciones segun la figura 1.

Exposicion detallada de modos de realizacion particulares

En la figura 7, se puede ver representado esquematicamente un ejemplo de realizacion de un sistema de almacenamiento termico segun la presente invencion.

El sistema de almacenamiento termico comprende un intercambiador termico y bien un material con cambio de fase, siendo entonces el almacenamiento un almacenamiento por calor latente, bien un caloportador que almacena calor sin cambio de fase, siendo entonces el almacenamiento un almacenamiento por calor sensible.

El intercambiador termico comprende una virola 2 de eje longitudinal X atravesada por tubos 4 que se extienden paralelamente al eje longitudinal X y conectados, a la entrada y a la salida, a un circuito de circulacion de un caloportador. La virola 2 esta destinada a ser llenada con un material con cambio de fase 6 que rodea y esta en contacto con la superficie exterior de los tubos 4.

El caloportador puede ser por ejemplo agua en forma de vapor generado por una central solar de generacion directa de vapor, transfiriendo el caloportador su calor al material con cambio de fase o agua en forma liquida que se desea transformar en vapor para alimentar una turbina, siendo entonces el material con cambio de fase el que transfiere calor al caloportador. El caloportador puede ser un gas o un liquido.

El material con cambio de fase especialmente adaptado a las centrales solares presenta una temperatura de cambio de fase comprendida en la gama de temperaturas de 250-350 0C, que es la gama tipica de temperaturas de funcionamiento de las centrales solares de concentracion. Por ejemplo, se trata de las sales puras o de las mezclas de sales. El nitrato de sodio (NaNO3) es una sal pura perteneciente a esta familia, presenta una temperatura de cambio de fase de 307 0C. Se puede plantear asimismo el uso, como material con cambio de fase, de parafinas o de agua, cuando las temperaturas de funcionamiento son mas bajas.

En este ejemplo, el caloportador que circula en los tubos atraviesa una sola vez el material con cambio de fase, teniendo lugar los intercambios termicos durante este paso. Un sistema de almacenamiento en el que el caloportador circula varias veces en el material con cambio de fase e intercambia el calor durante varios pasos, no se sale del marco de la presente invencion. Ademas, los tubos pueden estar orientados horizontalmente y/o el eje de la virola puede estar dispuesto horizontalmente. Ademas, el deposito puede tener otra forma, por ejemplo paralelepipedica.

Los tubos 4 estan dotados de aletas 7, en el ejemplo representado se trata de aletas radiales. Las aletas pueden realizarse por separado y fijarse a la superficie exterior del tubo o estar formadas de una sola pieza

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con el tubo.

Ademas, el intercambiador termico comprende una o varias inserciones 10 conductoras termicas dispuestas entre los tubos 4 y alrededor de los tubos 4, para asf formar una red conductora termica a traves del volumen de material con cambio de fase 6. Las inserciones 10 delimitan alojamientos longitudinales 9 para los tubos.

Los tubos 4 dotados de las aletas 7 son recibidos con holgura en los alojamientos delimitados por las inserciones 10 para permitir las dilataciones termicas.

En las figuras 1 y 2, se puede observar en vista desde arriba un ejemplo de realizacion de inserciones que pueden emplearse en el sistema de almacenamiento termico de la figura 7.

En este ejemplo de realizacion, una insercion 10 comprende varios tramos de inserciones 11 que, ensamblados, forman la insercion 10.

El perfil general exterior de un tramo de insercion 11 segun un corte transversal esta formado a partir de un triangulo equilatero cuyos vertices han sido cortados por arcos de cfrculo, de manera que el tramo de insercion este formado por tres bordes rectos 12 de misma longitud y que las zonas de union entre los bordes rectos 12 sean superficies con arcos de cfrculo concavos 14 representados en trazo discontinuo, sin que estas existan ffsicamente en el ejemplo representado. Las zonas de union 14 estan entonces abiertas. El tramo de insercion comprende ramas internas 16 que se describen a continuacion. Las ramas 16 poseen un borde de extremo situado a nivel de la zona de union.

El hecho de que la zona 14 de interfaz con el tubo este abierta permite una comunicacion directa entre el volumen en el interior del tramo de insercion y el volumen en la parte exterior del tramo de insercion y por lo tanto, ventajosamente una compensacion mas facil de las tensiones mecanicas derivadas de los cambios de volumen del material con cambio de fase.

En la figura 1, seis tramos de insercion 11 estan ensamblados juntos de para asf formar un hexagono cuya parte central delimita un alojamiento cilmdrico de seccion circular para alojar un tubo 4. En el ejemplo representado, cada tramo de insercion 11 participa en la delimitacion de tres alojamientos. Cada arco de cfrculo concavo 14 delimita una sexta parte de la circunferencia de un alojamiento 9.

Los tramos de insercion 11 se extienden segun una direccion perpendicular al plano de la hoja en la representacion de las figuras 1 y 2. Cada tramo de insercion 10 tiene entonces sensiblemente la forma de un prisma con base triangular como se puede ver representado en perspectiva en la figura 2B.

Los tramos de inserciones 11 comprenden una estructura interna formada por tres ramas rectas 16 que se superponen a las bisectrices del triangulo equilatero y conectadas unas a otras en el centro de simetrfa del triangulo y tres ramas curvas 18 en forma de arco de cfrculo centradas en los arcos de cfrculo 14 y que unen dos bordes rectos 12. Las ramas rectas 16 estan conectadas a las ramas curvas 18.

Ventajosamente, unas aletas 19 se extienden a cada lado de las ramas 18, aumentando aun mas la superficie de intercambio termico.

La disposicion de las ramas 16 y 18 se elige de tal manera que, cuando se considera la insercion de la figura 1, las ramas 16 se extienden radialmente a partir de la pared virtual del alojamiento 9 del tubo y las ramas curvas delimitan una envuelta periferica que lleva las aletas 19 que se extienden radialmente. Por lo tanto gracias a esta disposicion, se obtiene una red de intercambio termico que garantiza una distribucion y una recogida de calor casi simetrica en el material con cambio de fase que rodea los tubos 4 y simetrica alrededor de los tubos 4.

Las inserciones en la periferia del intercambiador poseen una forma adaptada.

Las inserciones estan realizadas por ejemplo de aleacion de aluminio mediante extrusion. Dichas inserciones pueden utilizarse hasta temperaturas del orden de 500 °C, al mismo tiempo que conservan una elevada resistencia mecanica.

Los tubos 4 estan realizados por ejemplo de acero y las aletas 7 son de aluminio. Las aletas pueden extenderse longitudinalmente a lo largo de la superficie exterior de los tubos. De manera ventajosa, se trata de aletas radiales, de manera aun mas ventajosa, se trata de aletas radiales del tipo G.

Se entiende por “aletas radiales”, aletas que se extienden transversalmente con relacion al eje longitudinal del tubo 4, a la inversa de las aletas longitudinales que se extienden paralelamente al eje longitudinal del tubo.

Un tubo dotado de aletas del tipo G se realiza por ejemplo de la siguiente manera. Una banda de aleta se

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enrolla en una ranura mecanizada en la superficie exterior del tubo y se encastra en la ranura mediante resalte del material del tubo de base. El tubo esta entonces dotado de una unica aleta helicoidal que rodea el tubo en al menos una parte de su longitud. Esto permite mantener una transferencia de calor maxima a temperaturas elevadas del tubo. Ademas, el riesgo de desolidarizacion entre las aletas y el tubo es reducido. Este tipo de tubo es insensible a las dilataciones diferenciales ya que la dilatacion aumenta el engaste y por lo tanto al mismo tiempo la sujecion mecanica y los intercambios termicos. Por ejemplo, las aletas presentan un escaso grosor, por ejemplo como maximo 0,5 mm y con paso muy apretado del orden de 3,6 mm.

En la figura 5, se puede observar el avance del frente de fusion durante una fase de carga a traves de una insercion de la figura 2A y en la figura 6 esta representada graficamente la evolucion de la diferencia de temperatura AT en 0C entre la temperatura del fluido en el tubo y la temperatura del cambio de fase en funcion del tiempo t en segundos en el caso de un sistema de almacenamiento termico que comprende inserciones de las figuras 1 y 2. La temperatura del fluido que circula en el tubo es la temperatura media del fluido en el tubo.

En la figura 5, la zona mas oscura denominada ZL es la zona de material con cambio de fase en estado liquido y la zona mas clara denominada ZS es la zona de material con cambio de fase en estado solido, el frente de fusion FF es el limite entre las zonas ZL y ZS.

En t0 + 1500 s, la zona ZL esta unicamente en proximidad del tubo entre las aletas radiales.

En t0 + 7000 s, la zona ZL se extiende a lo largo de la estructura de la insercion. Este avance del frente de fusion a lo largo de la estructura de la insercion puede observarse en t0 + 12000 s y en t0 + 14000 s. En efecto, la insercion conduce mejor el calor que el material con cambio de fase que presenta una escasa conductividad termica. En el tiempo t0 + 14000 s, se observa la fusion del material con cambio de fase a proximidad de las ramas de la insercion, mostrando la conduccion del calor por la insercion.

En t0 + 18000 s, la zona ZS situada en el interior de la insercion ha desaparecido. Todo el material con cambio de fase esta en forma liquida.

El grafico de la figura 6 se ha trazado considerando un tubo de diametro 1"1/2 (alrededor de 38 mm) con aletas radiales del tipo G de diametro exterior de 70 mm y un paso entre los tubos de 152 mm.

Las figuras 5 y 6 se refieren a una simulacion con flujo de calor constante, es decir caudal de vapor constante, en la que el material con cambio de fase es NaNO3. La temperatura del fluido caloportador en la entrada del intercambiador esta comprendida en el intervalo 315-320 0C.

Se observa la presencia de dos mesetas. La primera meseta P1 corresponde a la fase en que el frente de fusion se encuentra a nivel de las aletas radiales.

La meseta P2 corresponde a la fase en que el frente de fusion se encuentra en la insercion (t0 + 7000 s). La fase de fuerte pendiente entre P1 y P2 corresponde a la superacion de la zona entre las aletas radiales y la insercion que requiere un aumento significativo de la temperatura a causa de la resistencia termica concentrada en la capa de material con cambio de fase en el intersticio tubo-insercion.

La presencia de la segunda meseta P2 en un largo periodo demuestra que el empleo de inserciones segun la presente invencion permite alcanzar una prestacion termica constante durante la mayor parte del almacenamiento, garantizando una transferencia termica eficaz del fluido que circula en los tubos hacia el material con cambio de fase y a la inversa en fase de descarga, lo que es especialmente ventajoso para el funcionamiento del bucle de potencia.

Se ha descrito una fase de almacenamiento de calor en el sistema. Cuando se desea recuperar este calor, por ejemplo en caso de un descenso de la insolacion, se libera el calor. Para ello el caloportador que circula en los tubos 4 esta a una temperatura inferior a la temperatura de cambio de fase del material con cambio de fase, las inserciones recogen entonces el calor almacenado en el material con cambio de fase para conducirlo hasta el tubo y el caloportador. El material con cambio de fase que rodea los tubos, al ceder su calor al caloportador, pasa en primer lugar del estado liquido al estado solido y a continuacion, es el material proximo a las ramas el que pasa del estado liquido al estado solido. A continuacion por conduccion, el material situado entre las ramas de las inserciones pasa del estado liquido al estado solido.

Gracias a la invencion, el ensamblaje es mas sencillo ya que no se requiere un buen contacto termico entre las inserciones y los tubos con aletas, en efecto la interfaz tubos con aletas-inserciones se situa en una zona donde el flujo termico es mucho menos importante con relacion al existente a nivel de la superficie exterior del tubo. Por lo tanto no es necesario garantizar un intercambio termico rapido. Un espaciamiento del orden de algunos porcentajes de la dimension caracteristica es aceptable. Para un sistema tubo-insercion con un diametro exterior de las aletas de 70 mm y un paso de los tubos de 152 mm, el espaciamiento necesario es del orden de 1 mm.

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El empleo de inserciones que presentan una estructura longitudinal permite el cambio de volumen del material con cambio de fase sin imponer tensiones mecanicas intolerables en la estructura y el empleo de aletas denominadas radiales y mas aun en el caso de aletas del tipo G, permite gestionar eficazmente la zona critica con flujo de calor elevado.

Ademas, la presencia de las inserciones permite optimizar el numero de tubos del intercambiador y su disposicion con independencia de las dimensiones de los tubos con aletas y al mismo tiempo optimizar la curva de las prestaciones en funcion de la tasa de avance del frente de cambio de fase en el intercambiador.

El empleo de inserciones presenta la ventaja de ofrecer un sistema de guia natural de los tubos del haz del intercambiador y permite por lo tanto simplificar su ensamblaje y reducir su coste.

Ademas, el uso de inserciones segun la presente invencion permite definir unas primeras zonas en los alojamientos 9 entre los tubos con aletas y las inserciones 10 y unas segundas zonas fuera de los alojamientos 9, formando entonces un sistema de almacenamiento termico a “dos velocidades”:

- las primeras zonas son entonces solicitadas para la carga y descarga de corta duracion con un poco de energia disponible, por ejemplo en periodo invernal cuando la fuente de fluido caliente esta formada por una central solar. Son las zonas mas eficaces. El hecho de poder almacenar poca energia en una parte del intercambiador con una mayor eficacia es una ventaja. Ademas, una zona con mayor eficacia permite gestionar de manera mas eficiente pasos de nubes transitorios;

- las segundas zonas son solicitadas por cargas superiores a cierto umbral y permiten globalmente optimizar por separado la relacion prestacion/coste del intercambiador. La zona correspondiente a la segunda meseta puede optimizarse con independencia de la zona con eficacia incrementada buscando la relacion optima prestacion/coste que es funcion de la capacidad de almacenamiento y del perfil de utilizacion de la energia almacenada y adaptada a cada uno de los casos.

En las figuras 3 y 4, se puede observar otro ejemplo de insercion 10’. En este ejemplo de realizacion, la insercion 10’ que delimita un alojamiento 9 para un tubo es de una sola pieza.

Comprende una pared cilindrica 20 coaxial al eje longitudinal del alojamiento y de las ramas radiales 22 que se extienden entre el alojamiento y la pared cilindrica 20. La insercion comprende ramas radiales 24 de un primer tipo que se extienden a partir de la pared cilindrica 20 hacia el exterior, unas ramas radiales 26 de un segundo tipo que se extienden a partir de la pared cilindrica 20 hacia el exterior y unas ramas radiales 28 de un tercer tipo que se extienden a partir de la pared cilindrica 20 hacia el exterior. Ventajosamente estan previstas unas aletas 23 en las ramas 20, 22, 24, 26, 28.

Las ramas del primer tipo 24 comprenden en su extremo libre dos caras inclinadas 24.1 destinadas cada una a venir en apoyo plano contra dos caras inclinadas de dos ramas de un primer tipo de otras dos inserciones.

Las ramas del segundo tipo 26 comprenden en su extremo libre una cara plana 26.1 destinada a venir en apoyo plano contra una cara plana de una rama de un segundo tipo de otra insercion.

Las ramas del tercer tipo 28 comprenden en su extremo libre un conector hembra o macho 28.1 destinado a recibir un conector macho o hembra de una rama del tercer tipo de otra insercion.

En el ejemplo representado, cada insercion 10’ comprende una unica rama del tercer tipo 28.

Durante el ensamblaje del intercambiador termico las ramas del primero 24, del segundo 26 y del tercer 28 tipo cooperan y garantizan el auto-posicionamiento de las inserciones unas con relacion a otras.

Se entiende que el numero de ramas 24, 26, 28 de cada uno de los tipos descritos no es, en ningun caso limitativo, asi como la forma de estas ramas. Se pueden plantear otras formas que garantizan la funcion de auto-posicionamiento.

La insercion de las figuras 3 y 4 esta montada alrededor del tubo antes del ensamblaje del haz de tubos.

Esta insercion presenta la ventaja de garantizar un mayor control del espaciamiento tubo con aletas-insercion. Ademas, el numero de piezas que ensamblar es sensiblemente reducido con relacion al ejemplo de realizacion de las figuras 1 y 2.

En los ejemplos descritos, se han considerado tubos de seccion circular. Pero la presente invencion puede aplicarse a conductos de cualquier seccion, por ejemplo cuadrada o hexagonal; la forma de las inserciones o tramos de insercion se adapta entonces a la forma de los tubos.

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Ademas, se entiende que los dos ejemplos de insercion descritos anteriormente no son limitativos y que la presente invencion trata del empleo de inserciones conductoras termicas dispuestas entre los tubos delimitando alrededor de ellos una red de distribucion y de recogida del calor dentro del material con cambio de fase.

Por ejemplo para facilitar el manejo la insercion de la figura 3 podria estar formada de dos partes, cada una comprendiendo la mitad del alojamiento del tubo, o la insercion de la figura 1 podria comprender menos tramos de insercion, por ejemplo tres.

Se podria asimismo plantear la asociacion de inserciones de una sola pieza de la figura 3 con inserciones formadas de dos o mas tramos de insercion.

Ademas, se podria plantear por ejemplo, una insercion que comprenda varios alojamientos, incluso una unica insercion de una sola pieza para todos los tubos. En este ultimo caso, dicha insercion se denominaria “rejilla metalica”.

Las inserciones, especialmente las de aluminio, pueden ser extrudidas en grandes longitudes, incluso en toda la longitud de los tubos, pero puede surgir una degradacion progresiva de tolerancias de forma. Para paliar este inconveniente, se pueden realizar ventajosamente ensamblajes tubo inserciones con varios modulos de inserciones superpuestos con longitud reducida por tubo, ofreciendo cada modulo una precision dimensional mas elevada, lo que permite un mejor acoplamiento con el tubo y un ensamblaje mas facil.

El grosor de las ramas de las inserciones es funcion de la longitud de las propias ramas. A modo de ejemplo, para las inserciones extrudidas de aluminio de la figura 2A y 4 con un diametro de las aletas de 70 mm y un paso de los tubos de 152 mm, los grosores de las ramas son del orden de 1,5-2,5 mm.

La insercion puede realizarse de otros materiales, pero el aluminio permite una mayor flexibilidad dimensional y la mejor relacion prestacion/masa. Se puede plantear la realizacion de la insercion de varios materiales conductores.

El sistema de almacenamiento termico segun la invencion esta especialmente adaptado para ser empleado por ejemplo en centrales solares de concentracion, de manera aun mas ventajosa en centrales solares de generacion directa de vapor para recoger el calor en exceso y liberarlo durante periodos de reducida produccion de vapor, por ejemplo durante un periodo nublado.

El sistema de almacenamiento segun la invencion puede emplearse en cualquier instalacion que requiera un almacenamiento de calor, por ejemplo en instalaciones en las que se desea desacoplar la produccion de vapor de su utilizacion o alisar la produccion de vapor frente a la produccion de vapor, por ejemplo en sistemas de incineracion de desechos.

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REIVINDICACIONES

1. Intercambiador termico para sistema de almacenamiento termico que comprende una envuelta (2), al menos un tubo (4) en el que esta destinado a circular un caloportador, estando dicho tubo dotado de una superficie exterior del tubo (4) que lleva aletas de intercambio termico (7), comprendiendo asimismo dicho intercambiador termico al menos una insercion (10, 10') de material conductor termico dispuesto alrededor de dicho tubo (4), comprendiendo dicha insercion (10, 10') al menos un alojamiento (9) para recibir al menos en parte el tubo (4) dotado de aletas (7), caracterizado porque dicha insercion (10, 10') recibe la parte del tubo con holgura y comprende un ensamblaje de ramas (14, 16, 20, 22, 24, 26, 28) de material conductor termico para asi formar una red de distribucion y de recogida de calor.
2. Intercambiador termico segun la reivindicacion 1, en el que el ensamblaje de ramas (12, 16, 20, 22, 24, 26, 28) comprende ramas que se extienden radialmente alrededor del tubo.
3. Intercambiador termico segun la reivindicacion 1 o 2, en el que el tubo (4) presenta un eje longitudinal, con las ramas extendiendose segun planos paralelos al eje del tubo.
4. Intercambiador termico segun la reivindicacion 1, 2 o 3, en el que la insercion tiene sensiblemente la forma de un cilindro de eje confundido con el eje del tubo al que rodea.
5. Intercambiador termico segun una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la insercion (10') es de una sola pieza.
6. Intercambiador termico segun la reivindicacion 5, en el que la insercion comprende medios de posicionamiento (24.1,26.1,28.1) en su periferia exterior que cooperan con medios de posicionamiento de una insercion (10') vecina.
7. Intercambiador termico segun una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la insercion (10) comprende varios tramos de insercion (11).
8. Intercambiador termico segun la reivindicacion 7, en el que la insercion (10) comprende seis tramos de insercion (11), participando cada tramo de insercion (11) en la delimitacion de tres alojamientos (9), estando dichos tramos de inserciones (11) en apoyo plano contra tres inserciones (11) vecinas, teniendo ventajosamente cada tramo de insercion (11) sensiblemente la forma de un prisma, estando las aristas del prisma vaciadas para asi presentar un perfil concavo que forma un tramo de la pared de un alojamiento (9).
9. Intercambiador termico segun una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que las ramas (12, 16, 20, 22, 24, 26, 28) comprenden aletas.
10. Intercambiador termico segun una de las reivindicaciones 1 a 9, en el que las aletas (7) de los tubos son aletas (7) que se extienden sensiblemente transversales con relacion al eje longitudinal del tubo, siendo dichas aletas (7) de los tubos (4) aletas del tipo G.
11. Intercambiador termico segun una de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la insercion (10') o los tramos de insercion (11) estan realizados mediante extrusion.
12. Intercambiador termico segun una de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la insercion (10') o los tramos de insercion (11) son de aluminio y/o el tubo (4) es de acero y las aletas (7) fijadas al tubo (4) son de aluminio.
13. Intercambiador termico segun una de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende varios tubos (4) paralelos recibidos en varias inserciones (10') o varios tramos de inserciones (11).
14. Sistema de almacenamiento termico que comprende un intercambiador termico segun una de las reivindicaciones 1 a 13 y un material con cambio de fase (6) contenido en la envuelta y que rodea y entra en contacto con dicho al menos un tubo y dicha al menos una insercion, siendo ventajosamente el material con cambio de fase (6) NaNO3, una parafina o agua.
15. Central solar de concentracion que comprende un campo solar en el que se calienta el caloportador y al menos un sistema de almacenamiento termico segun la reivindicacion 14, conectado a la salida del campo solar, siendo ventajosamente la central solar una central solar de generacion directa de vapor, generando el campo solar un caloportador en forma de vapor.