ES2683884B1 - Intercambiador de calor con almacenamiento de energia - Google Patents
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Description
INTERCAMBIADOR DE CALOR CON ALMACENAMIENTO DE ENERGIA
DESCRIPCION
CAMPO TECNICO DE LA INVENCION
La presente invencion se relaciona con un equipo intercambiador de calor con medios internos de almacenamiento de energia, por ejemplo, de los empleados en las instalaciones de climatizacion que son aptos para combinarse con enemas renovables intermitentes, o bien, con energias convencionales de bajo coste.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
La mayoria de las energias renovables empleadas en la actualidad (solar, geotermia, aire, etc.) son fuentes de energia dependientes de la temporalidad del clima, y en muchas ocasiones, no coincide la necesidad energetica del usuario con la disponibilidad de dicha energia renovable, por ejemplo, durante la noche o en periodos en el que la energia de las compamas suministradoras de electricidad es cara.
Es por esto que en los sistemas de climatizacion de baja y media temperatura (entre 30oC y 90oC) de instalaciones o edificios de vivienda, oficinas, etc., sobre todo, en los adaptados para combinarse con energias renovables intermitentes, se empleen intercambiadores de calor con medios de almacenamiento de energia, con vistas a satisfacer la demanda de energia en momentos diferentes a aquellos en los que la energia renovable esta disponible.
Estos intercambiadores de calor, generalmente, comprenden un contenedor que conforma una cavidad interior hermetica y sendas entradas y salidas de un fluido caliente, que cede energia termica al circular por la cavidad interior, y de un fluido frio, el cual, absorbe energia termica al circular por dicha cavidad interior.
Adicionalmente, el intercambiador de calor comprende unos medios de almacenamiento de energia dispuestos en la cavidad interior. Entre los medios de almacenamiento de energia conocidos estan los que se basan en sistemas de almacenamiento mediante calor latente. Los materiales empleados para almacenar
calor latente se conocen como materiales de cambio de fase (PCM) (Siglas en ingles de "phase change materials”), y se comercializan en la actualidad en forma de cilindros, esferas o bloques rectangulares.
El material de cambio de fase (PCM), contenido en los medios de almacenamiento de energia dispuestos en la cavidad interior del intercambiador de calor, almacena energia termica que absorbe del fluido caliente proveniente de la fuente primaria (energia solar, geotermia, aerotermia, etc.) durante los momentos en que dicha energia renovable esta disponible, y cede energia termica al fluido frio (fluido de trabajo de la instalacion de climatizacion) en los momentos de carencia de dicha energia renovable.
El material de cambio de fase (PCM) debe mantenerse funcionando correctamente, absorbiendo y cediendo energia termica en los momentos que corresponda. Sin embargo, la practica habitual indica que, a lo largo de la vida util de la instalacion, el material de cambio de fase (PCM) puede sufrir cambios de comportamiento (por ejemplo, la repetition de los ciclos de fusion/solidificacion a los que se ve sometido pueden producir la separation de fases en sales hidratadas) que le hagan perder la funcionalidad del almacenamiento de energia, con la consiguiente perdida de eficiencia y aumento efectivo del consumo de energia de la instalacion de climatizacion en la que se encuentra incluido el intercambiador de calor.
En los intercambiadores de calor conocidos, cuando se produce la alteration anterior u otra que tambien afecte su funcionamiento energetico no es posible detectarla, salvo tras un largo periodo de funcionamiento, cuando la facturacion de suministro energetico ha tenido lugar, o bien, cuando se detecta que las prestaciones energeticas no son las esperadas.
Por tal razon, se requiere disenar, de forma sencilla y economica, un intercambiador de calor con medios de almacenamiento de energia que permita superar los inconvenientes anteriormente comentados.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La presente invencion queda establecida y caracterizada en las reivindicaciones independientes, mientras que las reivindicaciones dependientes describen otras caracteristicas de la misma.
El objeto de la invencion es un intercambiador de calor con medios de almacenamiento de ene^a. El problema tecnico a resolver es como detectar las alteraciones en el funcionamiento energetico del intercambiador de calor en el momento que surgen.
El intercambiador de calor comprende:
- un contenedor que conforma una cavidad interior hermetica,
- sendos primeros conductos de entrada y de salida de un fluido caliente que cede energia termica al circular por la cavidad interior,
- sendos segundos conductos de entrada y de salida de un fluido frio que absorbe energia termica al circular por la cavidad interior, y
- unos medios de almacenamiento de energia dispuestos en la cavidad interior, donde, dichos medios de almacenamiento de energia contienen un material de cambio de fase (PCM).
Adicionalmente, el intercambiador de calor comprende unos primeros medios sensores de temperatura del material de cambio de fase (PCM), unos segundos medios sensores de temperatura de la circulacion de los fluidos caliente/frio por la cavidad interior y sendos terceros medios sensores de temperatura de los fluidos caliente/frio en sus respectivos primeros y segundos conductos de entrada y de salida.
Las medidas de temperatura censadas resultan de interes para conocer el estado del funcionamiento energetico de del intercambiador de calor, por ejemplo, dichos valores censados pueden ser enviados continuamente a un sistema automatizado de gestion energetica de la instalacion de climatizacion que incluye al intercambiador de calor, con vistas a evaluar continuamente y tomar decisiones sobre la eficiencia energetica de los medios de almacenamiento de energia del intercambiador de calor.
Asi, el sistema automatizado de gestion energetica de la instalacion de climatizacion recibe alarmas de posibles deficiencias del funcionamiento de los medios de almacenamiento de energia del intercambiador de calor con antelacion, y no, al final
de la temporada de uso, evitandose as^ incurrir en perdidas economicas y despilfarro de ene^a, conduciendo a una optimization energetica de la operation y mantenimiento de la instalacion de climatizacion.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Se complementa la presente memoria descriptiva, con una figura ilustrativa del ejemplo preferente y nunca limitativo de la invention.
La figura 1 representa una vista esquematica del intercambiador de calor con almacenamiento de energia.
EXPOSICION DETALLADA DE LA INVENCION
La presente invencion es un intercambiador de calor con almacenamiento de energia.
Como se muestra en la figura 1, el intercambiador de calor comprende:
- un contenedor (1) que conforma una cavidad interior (1.1) hermetica,
- sendos primeros conductos de entrada (2) y de salida (3) de un fluido caliente que cede energia termica al circular por la cavidad interior (1.1),
- sendos segundos conductos de entrada (4) y de salida (5) de un fluido frio que absorbe energia termica al circular por la cavidad interior (1.1), y
- unos medios de almacenamiento de energia (6) dispuestos en la cavidad interior (1.1), donde, dichos medios de almacenamiento de energia (6) contienen un material de cambio de fase (PCM).
Preferiblemente, el contenedor (1) tiene forma cilmdrica, siendo circular la section transversal de su cavidad interior (1.1), y preferiblemente dispuesto de forma acostada, es decir, con la pared lateral (1.4) del cilindro dispuesta horizontalmente.
Por su parte, se prefiere que los medios de almacenamiento de energia (6) comprendan un haz de tubos (6.1) distribuidos de forma equidistantes entre si en la cavidad interior (1.1), quedando dispuesto el material de cambio de fase (PCM) al interior de los tubos (6.1).
Asi mismo, se prefiere que los tubos (6.1) atraviesen transversalmente una pluralidad de placas verticales (10) distribuidas de manera equidistantes entre si en la cavidad interior (1.1).
Asi, por un lado, se tiene que los tubos (6.1) quedan convenientemente distribuidos en toda la seccion transversal circular de la cavidad interior (1.1), y extendidos longitudinalmente de forma paralela a la pared lateral (1.4) del contenedor (1), y por otro, dichos tubos (6.1) quedan soportados por las placas verticales (10) que estos atraviesan a traves de sendos orificios pasantes (10.1) practicados en dichas placas verticales (10).
Adicionalmente, se prefiere que las placas verticales (10) esten dispuestas en la cavidad interior (1.1) de manera alternada dejando unos pasos libres (1.2), de tal modo que conforman un canal interior (1.3) en forma de "zig-zag” que alarga el trasiego de los fluidos caliente/frio dentro de la cavidad interior (1.1).
En otras palabras, las placas verticales (10) se extienden de manera alternada desde lados opuestos de la pared lateral (1.4), configurandose los pasos libres (1.2) hacia los lados de la pared lateral (1.4) desde donde no se extienden, lo cual, provoca cambios en la direccion de los fluidos caliente/frio al atravesar la cavidad interior (1.1), aumentando el tiempo de contacto entre ambos fluidos, asi como, entre esos y los medios de almacenamiento de energia (6). Ademas, se produce un flujo cruzado de los fluidos respecto a los tubos (6.1), lo cual, produce una transmision de calor eficaz.
Por otro lado, el intercambiador de calor adicionalmente comprende unos primeros medios sensores de temperatura (7) del material de cambio de fase (PCM), unos segundos medios sensores de temperatura (8) de la circulation de los fluidos caliente/frio por la cavidad interior (1.1) y sendos terceros medios sensores de temperatura (9) de los fluidos caliente/frio en sus respectivos primeros y segundos conductos de entrada (2, 4) y de salida (3, 5).
Preferiblemente, los primeros medios sensores de temperatura (7) son sendas primeras sondas (7.1, 7.2) adaptadas para medir valores de temperatura del material de cambio de fase (PCM) en el interior y en la superficie exterior de uno de los tubos (6.1) respectivamente.
Igualmente se prefiere que los segundos medios sensores de temperatura (8) sean dos segundas sondas (8.1, 8.2) adaptadas para medir valores de temperatura de la circulacion de los fluidos caliente/frio por la cavidad interior (1.1), donde, dichas segundas sondas (8.1, 8.2) estan dispuestas en sendos lados opuestos al centro del canal interior (1.3).
Por su parte, se prefiere que los terceros medios sensores de temperatura (9) sean sendos pares de terceras sondas (9.1, 9.2) adaptadas para medir valores de temperatura del fluido caliente y del fluido frio en sus respectivos primeros y segundos conductos de entrada (2, 4) y de salida (3, 5).
Preferiblemente, las primeras, segundas y terceras sondas (7.1, 7.2, 8.1, 8.2, 9.1, 9.2) estan adaptadas para enviar los valores de temperatura censados a una unidad de control y automatizacion (no mostrada en las figuras) de la instalacion de climatizacion en la que se encuentra insertado el intercambiador de calor.
Durante la fase de carga de energia termica, el fluido caliente, proveniente de la fuente primaria de energia (no mostrada en las figuras), circula por el canal interior (1.3) conformado entre el primer conducto de entrada (2) y el primer conducto de salida (3), aportando energia termica al material de cambio de fase (PCM) de los medios de almacenamiento de energia (6). Esta fase de carga se mantiene hasta que la unidad de control y automatizacion detecte que se ha alcanzado una temperatura de consigna maxima en los valores suministrados por las primeras sondas (7.1, 7.2).
Durante esta fase, el fluido frio puede estar circulando simultaneamente, o no, por el canal interior (1.3), en este caso, entre los segundos conductos de entrada (4) y de salida (5), siempre que una temperatura de uso se haya alcanzado en los valores suministrados por la tercera sonsa (9.2) dispuesta en el segundo conducto de salida (5) del fluido frio.
Seguidamente, se produce la fase de descarga de energia termica. Se han alcanzado tanto la temperatura de consigna maxima como la temperatura de uso. No hay circulacion de flujo caliente y solo el fluido frio circula por el canal interior (1.3) absorbiendo la energia termica acumulada en el material de cambio de fase (PCM)
contenido en los tubos (6.1). Esta fase de descarga se mantiene hasta que la unidad de control y automatizacion detecte que se ha alcanzado una temperatura de consigna mmima en los valores suministrados por las primeras sondas (7.1, 7.2). Lo cual, haria volver a la fase de carga.
Igualmente, los valores de temperatura censados por las primeras sondas (7.1, 7.2) permiten detectar alteraciones o cambios relevantes en el material de cambio de fase (PCM) que afecten a la eficiencia energetica de la instalacion, con lo cual, permite tomar una decision de operacion y mantenimiento al respecto.
Asi mismo, la variacion de condiciones de flujo debidas a cualquier causa, por ejemplo, ensuciamiento, existencia de flujos preferenciales a traves de intersticios surgidos entre los tubos (6.1) y las placas verticales (10), etc., son detectadas gracias a los valores de temperatura censados por las segundas sondas (8.1, 8.2), lo cual, igualmente permite tomar una decision de operacion y mantenimiento al respecto.
Por su parte, los valores de temperatura censados por las terceras sondas (9.1, 9.2), junto con unos valores de caudal previamente fijados de sendas bombas de circulation (no mostradas en las figuras) correspondientes a los fluidos caliente/frio, permiten a la unidad de control y automatizacion realizar una comprobacion del balance de energia intercambiada entre ambos fluidos y con el material de cambio de fase (PCM) de los medios de almacenamiento de energia (6).
Asi mismo, dado que los valores de temperatura del material de cambio de fase (PCM) son tambien conocidas por unidad de control y automatizacion, aportados por las primeras sondas (7.1, 7.2), dicha unidad de control y automatizacion puede realizar una verification continua del balance de energia del intercambiador de calor y detectar desviaciones en el funcionamiento del mismo debido a cualquier causa, por ejemplo, por alteraciones en la temperatura de cambio de fase del material de los medios de almacenamiento de energia (6), etc., lo cual, igualmente permite tomar una decision de operacion y mantenimiento al respecto.
Claims (9)
1. - Intercambiador de calor con almacenamiento de ene^a que comprende:
- un contenedor (1) que conforma una cavidad interior (1.1) hermetica,
- sendos primeros conductos de entrada (2) y de salida (3) de un fluido caliente que cede ene^a termica al circular por la cavidad interior (1.1),
- sendos segundos conductos de entrada (4) y de salida (5) de un fluido frio que absorbe energia termica al circular por la cavidad interior (1.1),
- unos medios de almacenamiento de energia (6) dispuestos en la cavidad interior (1.1), donde, dichos medios de almacenamiento de energia (6) contienen un material de cambio de fase (PCM),
caracterizado por que comprende unos primeros medios sensores de temperatura (7) del material de cambio de fase (PCM), unos segundos medios sensores de temperatura (8) de la circulation de los fluidos caliente/frio por la cavidad interior (1.1) y sendos terceros medios sensores de temperatura (9) de los fluidos caliente/frio en sus respectivos primeros y segundos conductos de entrada (2, 4) y de salida (3, 5).
2. - Intercambiador de calor segun la reivindicacion 1, en el que los medios de almacenamiento de energia (6) comprenden un haz de tubos (6.1) distribuidos de forma equidistantes entre si en la cavidad interior (1.1).
3. - Intercambiador de calor segun la reivindicacion 2, en el que los primeros medios sensores de temperatura (7) son sendas primeras sondas (7.1, 7.2) adaptadas para medir valores de temperatura del material de cambio de fase (PCM) en el interior y en la superficie exterior de uno de los tubos (6.1) respectivamente.
4. - Intercambiador de calor segun la reivindicacion 2, en el que los tubos (6.1) atraviesan transversalmente una pluralidad de placas verticales (10) distribuidas de manera equidistantes entre si en la cavidad interior (1.1).
5. - Intercambiador de calor segun la reivindicacion 3, en el que las placas verticales (10) estan dispuestas en la cavidad interior (1.1) de manera alternada dejando unos pasos libres (1.2), de tal modo que conforman un canal interior (1.3) en forma de "zig zag” que alarga el trasiego de los fluidos caliente/frio dentro de la cavidad interior (1.1).
6. - Intercambiador de calor segun la reivindicacion 4, en el que los segundos medios sensores de temperatura (8) son dos segundas sondas (8.1, 8.2) adaptadas para medir valores de temperatura de la circulation de los fluidos caliente/frio por la cavidad interior (1.1), donde, dichas segundas sondas (8.1, 8.2) estan dispuestas en sendos lados opuestos al centro del canal interior (1.3).
7. - Intercambiador de calor segun la reivindicacion 1, en el que los terceros medios sensores de temperatura (9) son sendos pares de terceras sondas (9.1, 9.2) adaptadas para medir valores de temperatura del fluido caliente y del fluido frio en sus respectivos primeros y segundos conductos de entrada (2, 4) y de salida (3, 5).
8. - Intercambiador de calor segun las reivindicaciones 3, 5 y 6, en el que las primeras, segundas y terceras sondas (7.1, 7.2, 8.1, 8.2, 9.1, 9.2) estan adaptadas para enviar los valores de temperaturas censados a una unidad de control y automatization.
9. - Intercambiador de calor segun la reivindicacion 1, en el que el contenedor (1) tiene forma cilmdrica.
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| ES2683884A1 ES2683884A1 (es) | 2018-09-28 |
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