ES2728439A1

ES2728439A1 - ACCUMULATION AND HEAT EXCHANGE EQUIPMENT FOR TRIANGULATION ELECTRICAL RESISTORS TO HEAT A FLUID (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Info

Publication number: ES2728439A1
Application number: ES201930418A
Authority: ES
Inventors: Gimenez Julio Martinez
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2019-10-24

Abstract

Heat accumulation and exchange equipment for triangular electrical resistors to heat a fluid. Heat exchange and accumulation equipment (TSU) by electrical resistors for simultaneous radiation heating and conduction by triangulation effect from formwork adapted to operate at a temperature in the range of -70 to + 1,425ºC in a concrete block (1) which has cylindrical channels (2) in its interior arranged in a horizontally aligned manner horizontally, electric resistors (3) of spiral-shaped fork-shaped wire that are incorporated into the cylindrical channels and the two connection terminals of each of the forks on the same side of the block, and a coil (4) crossed for the circulation of fluids in liquid or gaseous state. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIONDESCRIPTION

EQUIPO DE ACUMULACION E INTERCAMBIO DE CALOR POR RESISTENCIAS ELECTRICAS EN TRIANGULACION PARA CALENTAR UN FLUIDOACCUMULATION AND HEAT EXCHANGE EQUIPMENT FOR TRIANGULATION ELECTRICAL RESISTORS TO HEAT A FLUID

SECTOR DE LA TÉCNICASECTOR OF THE TECHNIQUE

La invención que se protege en esta Patente, consiste en un equipo fácilmente escalable de acumulación de calor y su intercambio mediante el empleo de resistencias eléctricas alineadas y dispuestas en triangulación que calientan por contacto directo un cuerpo de hormigón refractario para responder a consumos de energía o utilizarlo en plantas con mecanismos de producción de energía mecánica.The invention that is protected in this Patent, consists of an easily scalable equipment for heat accumulation and its exchange by means of the use of aligned and triangulated electrical resistors that heat a refractory concrete body by direct contact to respond to energy consumption or Use it in plants with mechanical energy production mechanisms.

Se trata, por tanto, de un equipo o unidad de acumulación térmica -conocidas con las siglas en inglés TSU o Thermal Storage Unit - que proporcionan almacenamiento y suministro de energía térmica aumentando su eficiencia y reduciendo los costos en comparación con las TSU conocidas.It is, therefore, a thermal accumulation unit or unit - known by the acronym TSU or Thermal Storage Unit - that provide storage and supply of thermal energy increasing its efficiency and reducing costs compared to known TSUs.

Es particularmente digno de destacar que este acumulador no solo acumula calor, sino que también lo intercambia, por lo que se trata de un acumulador-intercambiador.It is particularly noteworthy that this accumulator not only accumulates heat, but also exchanges it, so it is an accumulator-exchanger.

Por ello, se produce conjuntamente el almacenamiento y su intercambio de calor para procesos de calentamiento de fluidos con alcance de temperatura de 1.425° C en dicho acumulador-intercambiador mediante la disposición estructural de un gran número de resistencias de hilo resistivo con su conexión a una fuente de la red eléctrica general o autónoma o energía que provenga de energías renovables.Y en particular, para su uso eficiente mediante energía solar fotovoltaica de autoconsumo. For this reason, storage and heat exchange for fluid heating processes with a temperature range of 1,425 ° C in said accumulator-exchanger is produced jointly by means of the structural arrangement of a large number of resistors of resistive wire with its connection to a source of the general or autonomous electricity network or energy that comes from renewable energies. And in particular, for its efficient use by means of self-consumption photovoltaic solar energy.

Estos fluidos pueden ser materia en estado líquido o gaseoso, materia en transición entre estado líquido y gas, o una combinación de ambos.These fluids can be matter in the liquid or gaseous state, matter in transition between liquid and gas state, or a combination of both.

Esta unidad de acumulador térmico utiliza conductos o serpentínes en contacto con la masa térmica y obliga al fluido a circular varias veces a través de la unidad de acumulación térmica. Los conductos tienen que ser de una longitud y diámetro determinado para generar una gran área de superficie y poder extraer el calor del sólido circundante.This thermal accumulator unit uses conduits or coils in contact with the thermal mass and forces the fluid to circulate several times through the thermal accumulation unit. The ducts have to be of a certain length and diameter to generate a large surface area and be able to extract heat from the surrounding solid.

Las resistencias eléctricas son el medio para la entrada de energía (carga) y el fluido caloportador que circula a través de los conductos o serpentines es el medio para la salida de energía acumulada (descarga). La masa de acumulación térmica actúa como intercambiador entre el medio de entrada y el medio de salida de energía. Este fluido puede trabajar con presión ya que el conducto puede contener la presión de un fluido que fluye a través del mismo.The electrical resistors are the means for the input of energy (charge) and the heat transfer fluid that circulates through the conduits or coils is the means for the output of accumulated energy (discharge). The thermal accumulation mass acts as an exchanger between the input medium and the energy output medium. This fluid can work with pressure since the duct can contain the pressure of a fluid flowing through it.

La presente invención consigue una carga y descarga eficaz de energía y un diseño sencillo, versátil, fácilmente realizable a distintas dimensiones según las necesidades.The present invention achieves an efficient charge and discharge of energy and a simple, versatile design, easily achievable to different dimensions according to needs.

Los cálculos revelarán las cantidades apropiadas de los fluidos de transferencia de calor, la potencia de las resistencias, las dimensiones de los conductos de transferencia de calor y la masa del acumulador y su dimensión.The calculations will reveal the appropriate amounts of the heat transfer fluids, the strength of the resistances, the dimensions of the heat transfer ducts and the mass of the accumulator and its dimension.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION

Actualmente los acumuladores intercambiadores están limitados por la temperatura máxima que puede soportar el fluido caloportador que circula a través del conducto o serpentín interior. Currently, the heat exchanger tanks are limited by the maximum temperature that the heat transfer fluid that circulates through the inner duct or coil can withstand.

Existen acumuladores intercambiadores de agua, vapor, agua supercrítica (vapor a más de 300 °C), aceite térmico, sales u otro fluido apropiado.There are water, steam, supercritical water exchanger accumulators (steam at more than 300 ° C), thermal oil, salts or other appropriate fluid.

Con las sales se ha logrado trabajar a la más alta temperatura ya que pueden soportar hasta 600°C, pero las investigaciones y desarrollo de nuevos productos están orientadas a lograr fluidos caloportadores que puedan soportar más temperatura.With the salts it has been possible to work at the highest temperature since they can withstand up to 600 ° C, but the research and development of new products are aimed at achieving heat transfer fluids that can withstand more temperature.

A diferencia del uso para el calentamiento de líquidos, en cuanto a su uso para el calentamiento de aire, siendo otro proceso distinto al calentamiento de un líquido, son también ya conocidas las TSU que se utilizan en sistemas de almacenamiento de aire comprimido (CAES por sus siglas en inglés, Compressed Air Energy Storage) (CAS por sus siglas en inglés Compressed Air Storage), y sistemas de almacenamiento de aire comprimido y térmico (TACAS por sus siglas en inglés Thermal and Compressed Air Storage). Tales sistemas, que a menudo se usan para proporcionar energía eléctrica, emplean aire comprimido para impulsar una turbina que alimenta un generador eléctrico.Unlike the use for the heating of liquids, as for its use for the heating of air, being another process other than the heating of a liquid, the TSUs that are used in compressed air storage systems (CAES by its acronym in English, Compressed Air Energy Storage (CAS) for its acronym in English Compressed Air Storage, and compressed and thermal air storage systems (TACAS for its acronym in English Thermal and Compressed Air Storage). Such systems, which are often used to provide electrical energy, use compressed air to drive a turbine that feeds an electric generator.

En estos sistemas denominados, es preciso calentar el aire comprimido antes de suministrarlo a la turbina ya que el aire caliente, a diferencia del aire ambiente o frío, permite que la turbina funcione de manera mucho más eficiente. Por lo tanto, se necesita un mecanismo o sistema para calentar el aire antes de suministrarlo a la turbina. Esta acción se podría realizar también, utilizando un sistema de calentamiento por combustión de combustible o por calentamiento por resistencias eléctricas calefactoras. Pero lo cierto es que, en ambos casos necesitamos un aporte de energía y concretamente los sistemas de calentamiento de combustión están asociados a emisiones de gases contaminantes. In these so-called systems, it is necessary to heat the compressed air before supplying it to the turbine since hot air, unlike ambient or cold air, allows the turbine to operate much more efficiently. Therefore, a mechanism or system is needed to heat the air before supplying it to the turbine. This action could also be performed, using a heating system by combustion of fuel or by heating by heating electric heaters. But the truth is that, in both cases we need a contribution of energy and specifically the combustion heating systems are associated with emissions of polluting gases.

En el caso de un sistema por calentamiento por resistencias, la energía instantánea en función del periodo horario de conexión a una red eléctrica pública, puede suponer un coste muy alto dependiendo del precio de la energía en ese instante.In the case of a system for resistance heating, instantaneous energy, depending on the time period of connection to a public electricity grid, can be very expensive depending on the price of energy at that time.

Ahora bien, esta energía necesaria para el proceso de calentamiento de aire podemos almacenarla en un periodo horario concreto del día en un equipo acumulador o TSU con resistencias eléctricas, cuando la energía sea más económica, o incluso esa energía puede provenir de una fuente fotovoltaica o eólica cuya captación es gratuita.However, this energy necessary for the air heating process can be stored in a specific time period of the day in an accumulator or TSU with electrical resistors, when the energy is more economical, or even that energy can come from a photovoltaic source or wind whose collection is free.

Hoy en día existe expectación ante una cuota creciente de suministro de energía procedente de fuentes renovables y el almacenamiento de energía será una tecnología clave en el sector.Today there is expectation of a growing share of energy supply from renewable sources and energy storage will be a key technology in the sector.

Para algunos tipos de producción de energía renovable es absolutamente necesario poder almacenarla.For some types of renewable energy production it is absolutely necessary to be able to store it.

Hace tiempo que se conocen diversos acumuladores de calor en estado sólido que utilizan hormigón o roca natural como medio de acumulación. Sin embargo, los medios ineficientes o pocos prácticos para la carga y descarga rápida del calor constituyen el tradicional problema de los acumuladores térmicos de estado sólido.Several solid-state heat accumulators that use concrete or natural rock as a means of accumulation have long been known. However, inefficient or impractical means for rapid loading and unloading of heat constitute the traditional problem of solid-state thermal accumulators.

Algunos de ellos, son los TSU de placas paralelas, TSU de cavidades alargadas creadas en un medio sólido, TSU de bloque que envuelven totalmente con masa térmica un serpentín tubular, TSU de bloque que envuelven totalmente con masa térmica varios colectores tubulares soldados entre sí, etc... Some of them are the TSU of parallel plates, TSU of elongated cavities created in a solid medium, block TSU that totally wrap a tubular coil with thermal mass, block TSU that completely wrap several welded tubular collectors with thermal mass, etc...

Las dos primeras TSU citadas anteriormente, de placas paralelas y de cavidades alargadas, no incluyen alojamientos para poder calentar los bloques mediante resistencias.The first two TSUs mentioned above, with parallel plates and elongated cavities, do not include housings to be able to heat the blocks using resistors.

Las dos últimas TSU citadas incluyen alojamientos para introducir resistencias tipo cartucho que limitan su temperatura de utilización a 700°C y provocan frecuentes paradas técnicas por fallas frecuentes en este tipo de resistencias.The last two TSUs mentioned include housings for introducing cartridge-type resistors that limit their operating temperature to 700 ° C and cause frequent technical shutdowns due to frequent failures in this type of resistors.

Todas ellas, requieren el mecanizado o el montaje de varias piezas para proporcionar conductos de conducción de fluidos. Son poco eficaces para conseguir una homogeneidad de calor en todo el bloque y no son duraderos ya que no se evita la fatiga mecánica de los conductos interiores del bloque.All of them require the machining or assembly of several parts to provide conduits for fluid conduction. They are ineffective in achieving heat homogeneity throughout the block and are not durable since mechanical fatigue of the inner ducts of the block is not avoided.

Así pues, los equipos acumuladores o TSU ofrecen determinadas ventajas frente a otros sistemas de almacenamiento de energía, si bien es cierto que presentan ciertas limitaciones o condicionantes, entre los cuales destacan: 1.La dimensión física de la TSU, 2.la capacidad de la TSU para calentar el fluido a una temperatura predeterminada, 3. la capacidad de almacenamiento de energía térmica de la TSU a altas temperaturas, 4. el caudal másico de fluido que fluye a través del conducto de la TSU, 5. la capacidad de minimizar la caída de presión del fluido a medida que fluye a través del conducto de la TSU, 6. la capacidad de calentar el fluido mediante calentamiento por convección forzada, 7. proporcionar un funcionamiento seguro en aplicaciones de alta presión, y, 8. bajos costos de fabricación. 9 La vida útil de las resistencias 10 La integración de las resistencias en la TSU Thus, the accumulator equipment or TSU offers certain advantages over other energy storage systems, although it is true that they have certain limitations or conditions, among which are: 1. The physical dimension of the TSU, 2. the capacity of the TSU to heat the fluid to a predetermined temperature, 3. the thermal energy storage capacity of the TSU at high temperatures, 4. the mass flow of fluid flowing through the TSU conduit, 5. the ability to minimize fluid pressure drop as it flows through the TSU conduit, 6. the ability to heat the fluid by forced convection heating, 7. provide safe operation in high pressure applications, and, 8. low costs of manufacturing. 9 The lifespan of the resistors 10 The integration of the resistors in the TSU

Las TSU existentes, pueden no ser capaces de cumplir muchos o todos los criterios anterioresExisting TSUs may not be able to meet many or all of the above criteria.

Todas ellas como anterioridades a la invención que se presenta, que conllevan limitaciones funcionales y operativas. El objeto de esta invención es proporcionar una TSU duradera y de bajo coste que proporcione almacenamiento de calor eficiente a una temperatura superior a 1000°C, suministro de calor, y contención de presión.All of them as prior to the invention presented, which entail functional and operational limitations. The object of this invention is to provide a durable and low-cost TSU that provides Efficient heat storage at a temperature above 1000 ° C, heat supply, and pressure containment.

Además, también es una finalidad de la invención que se presenta, el proporcionar una flexibilidad de disposición de medios técnicos mejorada para cumplir mejor con los criterios de diseño predeterminados al prescindir de los costosos y difíciles procesos de fundición y poder trabajar con materiales en frio con técnicas de moldeo y encofrado que en 24 horas nos pueda proporcionar una TSU con conductos embebidos y con un gran número de alojamientos para resistencias y termopares en una sola operación.In addition, it is also an aim of the invention presented, to provide an improved flexibility in the provision of technical means to better meet predetermined design criteria by dispensing with expensive and difficult smelting processes and being able to work with cold materials with molding and formwork techniques that in 24 hours can provide us with a TSU with embedded ducts and with a large number of housings for resistors and thermocouples in a single operation.

Podemos destacar como ventajas técnicas, operativas y funcionales de la invención que se presenta, que las curvas o enlaces de los conductos continuos quedarán fuera del bloque para evitar tensiones internas como consecuencia de la restricción impuesta a la libre dilatación o contracción de los tramos de los tubos o serpentines que forman un circuito con distintas direcciones dentro de un material de diferente coeficiente de dilatación como es el hormigón. Una acumulación de ciclos térmicos altamente estresados fatigan el material de los tubos o serpentines en esos puntos críticos que conducen a la fisura.We can highlight as technical, operational and functional advantages of the invention presented, that the curves or links of the continuous ducts will be out of the block to avoid internal stresses as a result of the restriction imposed on the free expansion or contraction of the sections of the tubes or coils that form a circuit with different directions within a material of different coefficient of expansion such as concrete. An accumulation of highly stressed thermal cycles fatigue the material of the tubes or coils at those critical points that lead to the crack.

Al tratarse de conductos continuos, no existen soldaduras dentro del bloque que puedan sufrir también los efectos no deseados citados anteriormente.As they are continuous ducts, there are no welds within the block that may also suffer the unwanted effects mentioned above.

Los alojamientos en la TSU para la utilización de resistencias eléctricas se realizarán de un modo estudiado para que todos los tramos de los conductos continuos se encuentren alrededor de una masa con una temperatura homogénea.The housings in the TSU for the use of electrical resistors will be carried out in a way studied so that all the sections of the continuous conduits are around a mass with a homogeneous temperature.

Cada tramo de conducto se encontrará bajo la influencia de resistencias calefactoras repartidas de una forma homogénea en una configuración triangular que nos asegurará una distribución de calor lineal y que cuando el fluido circula a través de la TSU el flujo de calor sea igual en toda la longitud del conducto. A continuación lo mostramos con flechas:Each section of conduit will be under the influence of heating resistors distributed in a homogeneous way in a triangular configuration that will ensure a linear heat distribution and that when the fluid circulates through the TSU the heat flow is equal throughout the length of the duct. Next we show it with arrows:

Después de un período de tiempo predeterminado, la mayoría del calor de la parte más próxima a la masa se eliminará, pero podemos recuperarla rápidamente ya que las resistencias se diseñan con una potencia suficiente para contrarrestar la pérdida de calor cuando el fluido comienza a circular a través del conducto y este absorbe la energía de la masa que está en contacto con el conducto.After a predetermined period of time, most of the heat from the part closest to the mass will be removed, but we can recover it quickly since the resistors are designed with sufficient power to counteract the loss of heat when the fluid begins to circulate at through the duct and this absorbs the energy of the mass that is in contact with the duct.

Por eso es tan importante el poder utilizar resistencias eléctricas de hilo resistivo ya que pueden trabajar a una alta carga sin deteriorarse como ocurre en otros modelos de resistencias. La carga es una medida de la resistencia calefactora relacionada con la potencia y se mide en vatios por centímetro cuadrado de superfície de resistencia (W/cm2).That is why it is so important to be able to use electrical resistors of resistive wire since they can work at a high load without deteriorating as in other resistance models. The load is a measure of the heating resistance related to the power and is measured in watts per square centimeter of resistance surface (W / cm2).

Un objeto adicional de la presente invención es eliminar al máximo las fallas en las resistencias y no tener que proporcionar métodos y sistemas para reemplazar y reparar el sistema de calefacción de un conjunto TSU con personal adicional y / o herramientas especiales como en técnicas anteriores A further object of the present invention is to eliminate maximum resistance failures and not have to provide methods and systems to replace and repair the heating system of a TSU assembly with additional personnel and / or special tools as in prior art.

Nuestra TSU ofrece un gran número de alojamientos para insertar resistencias ya que para trabajar con energías variables como la fotovoltaica y la eólica (porque el sol y el viento son variables) es necesario establecer conexiones y desconexiones serie-paralelo entre las resistencias para variar la carga óhmica.Our TSU offers a large number of housings to insert resistors since to work with variable energies such as photovoltaic and wind (because the sun and wind are variable) it is necessary to establish serial-parallel connections and disconnections between the resistances to vary the load Ohmic

Dependiendo de la tensión generada por este tipo de energías en cada instante, la carga óhmica tiene que variar para poder generar una potencia máxima según la ley de ohm P=V2/R. En donde, Potencia es igual a la tensión elevada al cuadrado dividida por la resistencia.Depending on the voltage generated by this type of energy at each moment, the ohmic load has to vary in order to generate a maximum power according to the law of ohm P = V2 / R. Wherein, Power is equal to the voltage squared divided by the resistance.

Actualmente hay muchos trabajos de investigación para desarrollar sales que superen los 700°C y en breve tendremos disponibles nuevos productos en el mercado. Por lo que nuestra TSU de 1425°C se anticipa a la espera de que surjan estos nuevos productos.There are currently many research projects to develop salts that exceed 700 ° C and soon we will have new products available in the market. So our TSU of 1425 ° C anticipates waiting for these new products to emerge.

Ningún acumulador de calor comparable anteriormente conocido, por lo que sabemos, opera en unos intervalos de temperatura tan amplios sin agrietamientos, fugas u otros problemas operativos indebidos.No comparable heat accumulator previously known, as far as we know, operates in such wide temperature ranges without cracking, leakage or other improper operational problems.

La invención provee también un procedimiento de construcción de un acumulador intercambiador de energía térmica de acuerdo con la invención, disponiendo conductos de transferencia de calor con tramos horizontalmente orientados y barras que posteriormente al fraguado del hormigón generarán alojamientos cilíndricos para las resistencias y termopares también horizontalmente orientados. Vertiendo el enlechado y hormigón en el volumen dentro del encofrado dejara fuera las conexiones de los conductos.The invention also provides a method of construction of a heat exchanger accumulator according to the invention, providing heat transfer ducts with horizontally oriented sections and bars that subsequently to the setting of the concrete will generate cylindrical housings for the resistors and also horizontally oriented thermocouples . Pouring the grout and concrete into the volume inside the formwork will leave out the duct connections.

Esto proporciona una enorme ventaja respecto de los acumuladores térmicos de la técnica anterior.This provides a huge advantage over prior art thermal accumulators.

Nuestras TSUs se fabricarán con un tamaño y un peso apropiados para su transporte y manejo mediante una grúa a pie de obraOur TSUs will be manufactured with an appropriate size and weight for transport and handling using a crane on site

Nuestro sistema puede eliminar los grandes problemas que genera la sal fundida en instalaciones de energía solar concentrada.Our system can eliminate the big problems generated by molten salt in concentrated solar energy installations.

Sustituyendo los espejos reflectores por paneles fotovoltaicos, con nuestra TSU podríamos transformar la energía solar en calor a través de resistencias eléctricas calefactoras con temperaturas de hasta 1425°C y almacenarla en hormigón en vez de en tanques de sal.By replacing the reflector mirrors with photovoltaic panels, with our TSU we could transform solar energy into heat through electric heating resistors with temperatures up to 1425 ° C and store it in concrete instead of in salt tanks.

Con TSU de hormigón podríamos almacenar el calor y posteriormente generar vapor haciendo recircular el fluido a través de los conductos y llevarlo a una turbina de generación de energía eléctrica.With TSU of concrete we could store the heat and subsequently generate steam by recirculating the fluid through the ducts and taking it to an electric power generation turbine.

De esta forma eliminamos el uso de fluidos de almacenamiento muy costosos como la sal fundida, eliminamos los múltiples intercambiadores de calor de sal/aceite, y no necesitamos tanques grandes de almacenamiento de sal fundida, ni tampoco bombas de sal fundida y las correspondientes bombas para mover la sal fundida a través de conductos corriendo el riesgo de que la sal se solidifique en tuberías u otras estructuras.In this way we eliminate the use of very expensive storage fluids such as molten salt, eliminate multiple heat exchangers. salt / oil heat, and we do not need large molten salt storage tanks, nor molten salt pumps and the corresponding pumps to move molten salt through conduits at the risk of salt solidifying in pipes or other structures .

También podríamos utilizar nuestra TSU para generar electricidad. El aire caliente que sale del nuestra TSU puede fluir contra un rotor de una turbina. Puede ser cualquier sistema de turbina (por ejemplo, una turbina de flujo radial). La turbina impulsará el generador eléctrico, que produce energía eléctrica.We could also use our TSU to generate electricity. The hot air that leaves our TSU can flow against a rotor of a turbine. It can be any turbine system (for example, a radial flow turbine). The turbine will drive the electric generator, which produces electric power.

Generar electricidad inyectando aire precalentado procedente de una TSU en una turbina es un sistema ventajoso porque utiliza aire caliente para mover el rotor sin necesidad de calentarlo mediante cámara de combustión.Generating electricity by injecting preheated air from a TSU into a turbine is an advantageous system because it uses hot air to move the rotor without heating it by means of a combustion chamber.

El sistema, a diferencia de los sistemas convencionales que utilizan sistemas de combustión para proporcionar aire caliente a la turbina, no requiere un suministro de combustible para calentar el aire que se suministra a la turbina.The system, unlike conventional systems that use combustion systems to provide hot air to the turbine, does not require a fuel supply to heat the air supplied to the turbine.

La TSU que estamos describiendo calienta el aire comprimido que circula a través de su conducto antes de que se suministre a la turbina, sin producir las emisiones dañinas asociadas con los sistemas de combustión.The TSU we are describing heats the compressed air that circulates through its duct before it is supplied to the turbine, without producing the harmful emissions associated with combustion systems.

Es más, dicha TSU puede calentarse con energía eléctrica procedente de una fuente renovable, lo que lo convierte en un sistema muy atractivo por la gratuidad de la energía con cero emisiones de CO2Moreover, this TSU can be heated with electric energy from a renewable source, which makes it a very attractive system for the free energy with zero CO2 emissions

Finalmente, esta TSU preferiblemente tienen una forma paralelepipeda, incluyendo los conductos, la masa de hormigón y los alojamientos para las resistencias y termopares y tener un eje longitudinal. En su fabricación, el bloque se puede proyectar con una forma rectangular que se pueda fabricar y embalar fácilmente. La forma rectangular puede ser un modelo ideal para unaFinally, this TSU preferably has a parallelepiped shape, including ducts, concrete mass and housings for resistors and thermocouples and have a longitudinal axis. In its manufacture, the block can be projected with a rectangular shape that can be easily manufactured and packed. The rectangular shape can be an ideal model for a

1 one

estructura de conductos con tramos paralelos al eje A como se muestra en la figura anterior.duct structure with sections parallel to the A axis as shown in the previous figure.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓNEXPLANATION OF THE INVENTION

El principal objetivo de la invención que se presenta es el acumular energía térmica a altas temperaturas mediante resistencias eléctricas cuya fuente de alimentación sea la electricidad generada por una red eléctrica o generada por módulos fotovoltaicos o energía eólica o cualquier otra fuente de energía renovable.The main objective of the invention presented is the accumulation of thermal energy at high temperatures by means of electrical resistors whose power source is electricity generated by an electrical network or generated by photovoltaic modules or wind energy or any other renewable energy source.

El acumulador contendrá uno o varios conductos capaces de extraer el calor para el aprovechamiento de la energía en sistemas industriales, domésticos o plantas de generación de energíaThe accumulator will contain one or more ducts capable of extracting heat for the use of energy in industrial, domestic or power generation plants

Para ello se desarrolla un equipo de TSU mediante un proceso de moldeado que contiene un conjunto de alojamientos para resistencias eléctricas y uno o varios conductos que están embebidos dentro de un bloque acumulador de energía térmica, construido a partir de hormigón refractario que es un producto accesible y económico, que es capaz de almacenar grandes cantidades de energía térmica. Dicho sistema es modular, con la consiguiente ventaja de ser fácilmente escalable en función de las necesidades de almacenamiento energético de una instalación.For this, a TSU equipment is developed through a molding process that contains a set of housings for electrical resistors and one or more conduits that are embedded within a thermal energy storage block, constructed from refractory concrete that is an accessible product and economical, which is capable of storing large amounts of thermal energy. This system is modular, with the consequent advantage of being easily scalable depending on the energy storage needs of an installation.

Así, se incluye una resistencia bobinada de hilo resistivo de ida y vuelta en cada dos alojamientos. Es decir, cada dos alojamientos contienen una resistencia eléctrica. De esta forma se localizan múltiples resistencias eléctricas todas ellas extraíbles en un único bloque en donde se hallan alineadas en un plano paralelo con respecto a los tramos de los conductos pero desalineadas en el plano vertical para facilitar el intercambio térmico, optimizando así el tamaño del sistema y sus necesidades de transmisión de calor, conectado a un módulo electrónico capaz de realizar entre las resistencias múltiples desconexiones y conexiones en paralelo o en serie para poder variar la carga óhmica y poder funcionar a diferentes tensiones y de esta forma conseguir que la potencia de las resistencias que se encuentren trabajando en cada momento sea máxima, dependiendo del voltaje suministrado por fuentes renovables que no es constante y varía.Thus, a winding resistance of round-trip resistive wire is included in every two housings. That is, every two housings contain an electrical resistor. In this way, multiple electrical resistances are located, all of them removable in a single block where they are aligned in a parallel plane with respect to the sections of the ducts but misaligned in the vertical plane to facilitate thermal exchange, thus optimizing the size of the system and its heat transmission needs, connected to an electronic module capable of performing between multiple resistors disconnections and connections in parallel or in series to be able to vary the ohmic load and to be able to operate at different voltages and thus achieve that the power of the resistances that are working at each moment is maximum, depending on the voltage supplied by renewable sources that do not It is constant and varies.

Su principal ventaja reside en su funcionalidad puesto que su estructura de uno o varios serpentines embebidos en un bloque de hormigón con la disposición alineada en configuración triangular de diversas resistencias que calientan la masa que está por encima y por debajo de los conductos que componen el serpentín, facilitan el intercambio de calor directo tanto con la relación a su eficiencia energética como a su rapidez junto con termopares como sensores de temperatura. Cuando se requiere mayores termias, su estructura modular permite la conexión de dos o más bloques que incrementa dicho requerimiento.Its main advantage lies in its functionality since its structure of one or several coils embedded in a concrete block with the arrangement arranged in triangular configuration of various resistances that heat the mass that is above and below the ducts that make up the coil , facilitate direct heat exchange both with regard to its energy efficiency and its speed along with thermocouples and temperature sensors. When larger therms are required, its modular structure allows the connection of two or more blocks that increases said requirement.

Esta disposición de resistencias con hilo resistivo elimina las posibilidades de gripado como sucede en las resistencias convencionales de cartucho, permite trabajar a una temperatura mucho más alta que las resistencias de cartucho que es transferida a la masa térmica.This arrangement of resistors with resistive wire eliminates the chances of seizing as in conventional cartridge resistances, allows working at a much higher temperature than the resistances of the cartridge that is transferred to the thermal mass.

También se eliminan los problemas en el conexionado eléctrico. El terminal de conexión trenzado en las resistencias de hilo resistivo soporta temperaturas de hasta 1425°C, temperatura que no soporta los cables de alimentación de las resistencias de cartucho. Del mismo modo que también se eliminan los problemas de derivación a tierra. Las resistencias de hilo resistivo no tienen una cubierta metálica aislada como las resistencias de cartucho.Problems in electrical wiring are also eliminated. The twisted connection terminal on resistive wire resistors withstands temperatures up to 1425 ° C, a temperature that does not support the supply cables of the cartridge resistors. In the same way that the problems of earthing are also eliminated. Resistor wire resistors do not have an insulated metal cover like cartridge resistors.

Todo ello contribuye a dotar unos resultados y aplicaciones donde se incorpora la invención, que no se dan en los medios ya conocidos.All this contributes to providing results and applications where the invention is incorporated, which are not given in the known means.

Con todo lo anteriormente expuesto, un equipo o TSU de acuerdo con la presente invención se puede construir proporcionando primero uno o varios conductos continuos - o estructuras conductoras continuas en donde las curvas o enlaces entre sus diferentes tramos queden fuera del bloque para que no estén sometidos a fatiga por dilataciones y contracciones.With all of the foregoing, a device or TSU according to the present invention can be constructed by first providing one or more continuous conduits - or continuous conductive structures where the curves or links between their different sections are outside the block so that they are not subjected to fatigue due to dilations and contractions.

El o los conductos o serpentines, y un gran número de barras colocadas ortogonalmente a el conducto o los conductos o serpentines, se rellenan con lechada y hormigón en un proceso de moldeado. Posteriormente se retiran las barras. Los orificios que dejen libres las barras nos crearán un gran número de alojamientos para la utilización de resistencias eléctricas y termopares de un modo estudiado para que todos los tramos del conducto o conductos se encuentren alrededor de una masa con una temperatura homogénea. El o los conductos proporcionarán un circuito a través del cual el fluido fluye a través de la TSU. El proceso de moldeado con hormigón producirá un bloque compacto que envolverá el o los conductos con material de acumulador térmico. La masa tendrá propiedades de acumulador térmico y masa térmica deseables.The or the ducts or coils, and a large number of bars placed orthogonally to the duct or ducts or coils, are filled with grout and concrete in a molding process. Subsequently the bars are removed. The holes that leave the bars free will create a large number of housings for the use of electrical and thermocouple resistors in a way studied so that all sections of the duct or ducts are around a mass with a homogeneous temperature. The duct (s) will provide a circuit through which fluid flows through the TSU. The concrete molding process will produce a compact block that will wrap the duct (s) with thermal accumulator material. The mass will have desirable thermal accumulator and thermal mass properties.

La masa puede penetrar y ocupar sustancialmente todo el espacio libre existente entre el o los conductos y las barras que generaran los alojamientos para resistencias y termopares, dando como resultado un TSU cohesivo e integrado en el que el o los conductos y la masa quedaran fusionados. Por lo tanto, después de que la masa frague, se proporciona una masa conductora térmica sólida que tiene un paso de conducción de fluido a través de un circuito creado con uno o varios conductos.The mass can penetrate and occupy substantially all the free space between the conduit (s) and the bars that will generate the resistances and thermocouple housings, resulting in a cohesive and integrated TSU in which the conduit (s) and the mass will be fused. Therefore, after the dough sets, a solid thermal conductive mass is provided that has a passage of fluid conduction through a circuit created with one or more ducts.

Una ventaja de construir un TSU mediante un proceso de moldeado es que proporciona una flexibilidad de diseño sustancial, al tiempo que reduce los costos de fabricación.An advantage of building a TSU through a molding process is that it provides substantial design flexibility, while reducing manufacturing costs.

La flexibilidad del diseño puede realizarse porque el diseño y la selección de la composición del material del conducto o conductos y los alojamientos para las resistencias eléctricas y termopares se pueden ejercer independientemente del diseño y la selección de la composición del material del bloque.The flexibility of the design can be realized because the design and selection of the composition of the duct or duct material and the housings for the electrical and thermocouple resistors can be exercised independently of the design and the selection of the composition of the block material.

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Esto puede permitir que las TSU de acuerdo con la invención tengan propiedades de flujo másico y de transferencia térmica y de contención de presión y de reparto equitativo de la temperatura que no se pueden alcanzar previamente en las TSU de la técnica anterior. Por ejemplo, la TSU puede incluir uno o varios conductos en una estructura determinada creada en un molde con un gran número de alojamientos para resistencias y termopares.This may allow the TSUs according to the invention to have mass flow and thermal transfer and pressure containment and equal temperature distribution properties that cannot be previously achieved in the prior art TSUs. For example, the TSU may include one or more ducts in a particular structure created in a mold with a large number of housings for resistors and thermocouples.

Estos orificios para alojar las resistencias y termopares los generamos también en el proceso de moldeado mediante materiales que posteriormente retiraremos dejando libres orificios perfectos y calibrados para alojar resistencias eléctricas.These holes to accommodate the resistance and thermocouples are also generated in the molding process using materials that we will later remove leaving free holes perfect and calibrated to accommodate electrical resistors.

Sería muy difícil construir una TSU de este tipo utilizando técnicas de mecanizado convencionales. Y si lo fuese sería a un coste prohibitivo.It would be very difficult to build such a TSU using conventional machining techniques. And if it were, it would be at a prohibitive cost.

Así, la masa puede penetrar y ocupar el espacio libre existente entre el o los conductos y las barras que crearan los alojamientos para las resistencias y termopares maximizando así la capacidad de almacenamiento de calor y la capacidad de transferencia de calor de la TSU. El conducto o los conductos embebidos actúan como soporte estructural del hormigón. Además de, proporcionar almacenamiento de energía y una transferencia de calor eficiente, el modelo contiene uno o varios conductos que permiten contener fluidos presurizados ya que un conducto metálico embebido en hormigón soporta presiones muy altas.Thus, the mass can penetrate and occupy the free space existing between the conduit (s) and the bars that will create the housings for the resistances and thermocouples thus maximizing the heat storage capacity and the heat transfer capacity of the TSU. The duct or embedded ducts act as structural support of the concrete. In addition to providing energy storage and efficient heat transfer, the model contains one or more ducts that allow to contain pressurized fluids since a metal duct embedded in concrete withstands very high pressures.

La TSU puede calentarse a una temperatura por encima de los 1000°C. Esto se puede lograr usando un sistema de calefacción que use resistencias eléctricas internas de hilo resistivo para calentar la masa. En una realización, las resistencias internas pueden alojarse en los orificios generados durante el moldeado de la TSU. Cuando están activos, las resistencias eléctricas internas irradian calor a la masa, elevando así la temperatura de la TSU a la temperatura deseada. The TSU can be heated to a temperature above 1000 ° C. This can be achieved using a heating system that uses internal electrical resistors of resistive wire to heat the dough. In one embodiment, the internal resistors can be housed in the holes generated during the molding of the TSU. When active, the internal electrical resistors radiate heat to the mass, thus raising the temperature of the TSU to the desired temperature.

Los calentadores de hilo resistivo son muy económicos y fácilmente disponibles. Son las resistencias de mayor durabilidad ya que pueden trabajar a temperaturas de 1425°C y ofrecen un gran rendimiento. Están disponibles en una variedad de longitudes, diámetros, potencias y voltajes. A diferencia de los calentadores de cartucho, el uso de calentadores de hilo resistivo reduce el costo de la TSU y permite que un operador retire y reemplace fácilmente un calentador sin necesidad de mano de obra adicional y/o herramientas especiales.Resistive wire heaters are very economical and easily available. They are the most durable resistors since they can work at temperatures of 1425 ° C and offer great performance. They are available in a variety of lengths, diameters, powers and voltages. Unlike cartridge heaters, the use of resistive wire heaters reduces the cost of the TSU and allows an operator to easily remove and replace a heater without the need for additional labor and / or special tools.

Las resistencias de cartucho generaban problemas de extracción en caso de avería ya que la superficie metálica del cartucho se oxidaba y dilataba dentro del orificio de alojamiento y era muy difícil su extracción. También generan muchos problemas de fallas por derivación a tierra.The cartridge resistances generated extraction problems in the event of a breakdown since the metal surface of the cartridge oxidized and dilated inside the housing hole and its removal was very difficult. They also generate many problems of faults due to grounding.

Los extremos de las resistencias sobresaldrán de la TSU y el aislamiento que rodea a la TSU para poder alimentar las resistencias con tensión. Los calentadores serán fácilmente extraíbles de la TSU. Esto facilita la reparación y el reemplazo de los calentadores que se deterioren en un futuroThe ends of the resistors will protrude from the TSU and the insulation surrounding the TSU in order to power the resistors with tension. The heaters will be easily removable from the TSU. This facilitates the repair and replacement of heaters that deteriorate in the future.

El aislamiento térmico no mostrado mejorará aún más la capacidad de calefacción y el potencial para retener el calor.The thermal insulation not shown will further improve the heating capacity and the potential to retain heat.

El aislamiento puede permitir que la TSU mantenga una temperatura predeterminada ya que limita las pérdidas por radiación y convección.The insulation can allow the TSU to maintain a predetermined temperature as it limits radiation and convection losses.

El aislamiento debe cubrir toda la superficie exterior del TSU. El aislamiento puede incluir cualquier material que proporcione retención de calor. Por ejemplo aislamiento de fibra cerámica.The insulation must cover the entire outer surface of the TSU. The insulation can include any material that provides heat retention. For example ceramic fiber insulation.

La TSU de acuerdo con la invención puede usarse en un sistema TACAS. En un sistema TACAS, como comentamos anteriormente, la TSU puede calentar sensiblemente el gas comprimido antes de enviarlo a la entrada de una turbina de un generador de turbina. El aire comprimido calentadoThe TSU according to the invention can be used in a TACAS system. In a TACAS system, as we discussed earlier, the TSU can significantly heat the compressed gas before sending it to the inlet of a turbine of a turbine generator. Heated compressed air

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impulsa una turbina, que alimenta a un generador eléctrico para proporcionar energía eléctrica. Una ventaja de usar la TSU de acuerdo con la invención es que puede calentar el gas comprimido sin requerir el uso de combustibles, que cuando se queman causan contaminación además de utilizar energía que previamente ha sido almacenada y que puede provenir, entre otras, de fuentes renovables.It drives a turbine, which feeds an electric generator to provide electric power. An advantage of using the TSU according to the invention is that it can heat the compressed gas without requiring the use of fuels, which when burned cause pollution in addition to using energy that has previously been stored and that can come, among others, from sources renewable.

Como la técnica de modelado para crear la masa es una técnica en frío en donde no se utiliza material de fundición, la masa no va a producir pérdida alguna del espesor de la pared del conducto. Este efecto no deseado se produce en TSUs de fundición con metales incandescentes debido al proceso de fusión.As the modeling technique for creating the dough is a cold technique where no casting material is used, the dough will not cause any loss of the thickness of the duct wall. This unwanted effect occurs in cast TSUs with incandescent metals due to the melting process.

La flexibilidad de diseño puede lograrse porque el o los conductos pueden diseñarse independientemente de la masa.Design flexibility can be achieved because the duct (s) can be designed independently of the mass.

La longitud del conducto o conductos dependerá del caudal que necesitemos recircular a través de la masa. Puede tener varios tramos y podemos determinar a que lado va a estar la entrada y la salida de fluido.The length of the duct or ducts will depend on the flow we need to recirculate through the mass. It can have several sections and we can determine which side the fluid inlet and outlet will be.

El posicionamiento de las entradas y las salidas puede ser una cuestión de elección del diseño de la TSU. Así como, entradas y salidas en el mismo extremo de la TSU o en extremos opuestos o entrada(s) en un extremo y salidas en el extremo opuesto, etc...The positioning of the inputs and outputs can be a matter of choosing the design of the TSU. As well as, inputs and outputs at the same end of the TSU or at opposite ends or input (s) at one end and outputs at the opposite end, etc ...

El control de la presión del fluido es crucial para la seguridad.Fluid pressure control is crucial for safety.

De modo preferente, es por esta razón que todas las conexiones de los conductos están dispuestas en el exterior del acumulador.Preferably, it is for this reason that all duct connections are arranged outside the accumulator.

Para circular el fluido a través de TSU a través de sus conexiones exteriores, utilizaremos bridas normalizadas que puedan soportar grandes presiones y temperatura.To circulate the fluid through TSU through its external connections, we will use standard flanges that can withstand high pressures and temperature.

Siempre se perseguirá que el fluido circule a través del conducto o conductos por sus tramos paralelos al eje longitudinal del bloqueIt will always be pursued that the fluid circulates through the duct or ducts along its parallel sections to the longitudinal axis of the block

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paralelepípedo. De esta forma el fluido pasará de un lado a otro del bloque varias veces para extraer el calor de la masa, lo que da como resultado un sistema de transferencia de calor que puede calentar el fluido más efectivamente que en otros sistemas que utilizan una sola pasada.parallelepiped. In this way the fluid will pass from one side of the block to the other several times to extract heat from the dough, which results in a heat transfer system that can heat the fluid more effectively than in other systems that use a single pass .

El conducto o conductos se pueden conformar sin problemas a partir de una sola tubería. Por ejemplo, puede ser un tubo largo de la máxima longitud disponible en el mercado de un diámetro interno predeterminado y lo curvamos para que adquiera una forma y longitudes de tramos predeterminados. De esta forma evitamos soldaduras.The duct or ducts can be formed without problems from a single pipe. For example, it can be a long tube of the maximum commercially available length of a predetermined internal diameter and we bend it so that it acquires a predetermined shape and length of sections. In this way we avoid welding.

La longitud de los tramos del conducto o conductos estará limitada por la longitud del tubo que pueda suministrarnos el proveedor. Por ejemplo, si el tubo suministrado es de 6 metros, podremos generar un conducto o serpentín de máximo 4 tramos de 1.5m de longitud o 6 tramos de 1m de longitud.The length of the sections of the duct or ducts will be limited by the length of the tube that can be supplied by the supplier. For example, if the tube supplied is 6 meters, we can generate a conduit or coil of maximum 4 sections of 1.5m in length or 6 sections of 1m in length.

Para el conducto o conductos se pueden utilizar superaleaciones que soporten temperaturas superiores a 1425°C.For super-alloys that withstand temperatures above 1425 ° C can be used for the duct or ducts.

Para extraer las posibles bolsas de aire de la masa líquida y asegurarnos una unión de la masa con el conducto o conductos y las barras, el encofrado se puede someter a vibración.In order to extract the possible air pockets from the liquid mass and ensure a union of the mass with the duct or ducts and the bars, the formwork can be subjected to vibration.

Nuestro bloque se puede fabricar con distintos tipos de hormigones refractarios de una masa térmica deseable y / o propiedades de acumulador térmico.Our block can be manufactured with different types of refractory concrete of a desirable thermal mass and / or thermal accumulator properties.

Este material en estado sólido puede ser cualquier material dieléctrico (no conductor de la electricidad) en estado sólido con un calor específico y densidad apropiados para trabajar a altas temperaturas o combinaciones de materiales en estado sólido que ofrezcan las suficientes capacidad y resistencia de almacenamiento de calor en las condiciones operativas perseguidas, que se pueda moldear como el hormigón, enlechado, y otros. This solid state material can be any solid state dielectric material (non-conductive of electricity) with a specific heat and density suitable for working at high temperatures or combinations of solid state materials that offer sufficient heat storage capacity and resistance. In the pursued operating conditions, it can be molded like concrete, grouting, and others.

Hormigones con contenido de alúmina, grafito, óxido de magnesio, etc... o compuestos de los mismos. Existen hormigones que soportan hasta 1.800°C.Concrete with alumina, graphite, magnesium oxide, etc ... or compounds thereof. There are concretes that support up to 1,800 ° C.

La tasa de transferencia de calor puede ser una función de uno o más de los siguientes criterios:The heat transfer rate may be a function of one or more of the following criteria:

- la temperatura del conducto o conductos- the temperature of the duct or ducts

- temperatura de la masa- mass temperature

- coeficiente de convección que puede depender del caudal másico - el área de superficie del conducto o conductos en contacto con la masa - el área de superficie del fluido en contacto con las paredes internas del conducto o conductos.- convection coefficient that can depend on the mass flow rate - the surface area of the duct or ducts in contact with the mass - the surface area of the fluid in contact with the inner walls of the duct or ducts.

- el coeficiente de transferencia y conductividad térmica de la masa- the transfer coefficient and thermal conductivity of the mass

- potencia total de las resistencias eléctricas instaladas- total power of the installed electrical resistors

- uniformidad de temperatura en todo el volumen de la masa.- temperature uniformity throughout the volume of the dough.

Muchos o todos estos criterios se pueden tener en cuenta al diseñar y fabricar la TSU de acuerdo con los principios de la presente invención.Many or all of these criteria can be taken into account when designing and manufacturing the TSU in accordance with the principles of the present invention.

Es decir, la flexibilidad de diseño de conducto o conductos, alojamientos para las resistencias y termopares y masa permite construir un TSU que almacene el calor generado por las resistencias y posteriormente caliente un fluido a una temperatura predeterminada.That is, the flexibility of duct or duct design, housings for resistances and thermocouples and mass allows the construction of a TSU that stores the heat generated by the resistances and subsequently heats a fluid at a predetermined temperature.

Existen resistencias con aleaciones más complejas pero de un alto coste como el disiliciuro de molibdeno o el carburo de silicio que podrían calentar este material a una temperatura incluso superior a 1600°C. Por lo tanto, la invención no se limita a las técnicas de calentamiento específicas discutidas anteriormente.There are resistors with more complex alloys but of a high cost such as molybdenum disilicide or silicon carbide that could heat this material to a temperature even higher than 1600 ° C. Therefore, the invention is not limited to the specific heating techniques discussed above.

Es posible que inicialmente, cuando la TSU se halla a la máxima temperatura, no deseemos que todo el volumen del gas o fluido circule a travésIt is possible that initially, when the TSU is at the maximum temperature, we do not want the entire volume of the gas or fluid to circulate through

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de la TSU porque conseguiríamos una temperatura mucho más alta que la que necesitamos.of the TSU because we would get a much higher temperature than what we need.

Para conseguir una temperatura óptima de fluido, podemos utilizar una válvula de 3 vías que controle el flujo de aire o fluido que tiene que pasar a través de la TSU y el flujo de aire o fluido que tiene que pasar a través de otra ruta que evite la TSU proporcionando así un método para controlar la temperatura del aire o fluido que se suministra a la turbina o al proceso.To achieve an optimal fluid temperature, we can use a 3-way valve that controls the flow of air or fluid that has to pass through the TSU and the flow of air or fluid that has to pass through another route that avoids The TSU thus providing a method to control the temperature of the air or fluid that is supplied to the turbine or process.

A medida que la temperatura del gas o fluido proporcionado por TSU desciende, la proporción de gas o fluido no calentado que circula a través de la ruta que evita la TSU puede disminuir en consecuencia para mantener una temperatura de entrada al proceso deseada.As the temperature of the gas or fluid provided by TSU decreases, the proportion of unheated gas or fluid that circulates through the route that avoids the TSU may decrease accordingly to maintain an input temperature to the desired process.

En una realización, el sistema de calefacción de la presente invención comprende varias hileras de resistencias eléctricas con una potencia determinada necesaria para calentar la TSU.In one embodiment, the heating system of the present invention comprises several rows of electrical resistors with a given power needed to heat the TSU.

Más específicamente, la potencia determinada de los calentadores es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de la masa de la TSU a un valor predeterminado en un tiempo predeterminado de forma homogénea.More specifically, the determined power of the heaters is the amount of energy needed to raise the temperature of the mass of the TSU to a predetermined value in a predetermined time in a homogeneous manner.

Repartiendo la potencia entre el gran número de calentadores la carga de cada calentador individual no es muy alta y de esta forma podemos prolongar su vida útil.By distributing the power among the large number of heaters the load of each individual heater is not very high and in this way we can prolong its life.

No necesitamos un sensor acoplado a los calentadores como en técnicas anteriores que detecta cuándo se produce el fallo de cualquier calentador individual o calentadores para que un controlador genere advertencias y alarmas para el mantenimiento.We do not need a sensor attached to the heaters as in previous techniques that detects when the failure of any individual heater or heaters occurs for a controller to generate warnings and alarms for maintenance.

El acoplar internamente al calentador de cartucho un sensor supone un coste muy elevado. Este tipo de calentadores no son standard.Attaching a sensor internally to the cartridge heater is a very high cost. These types of heaters are not standard.

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Las resistencias de hilo resistivo utilizadas en la presente invención dejan de consumir amperios cuando dejan de funcionar por fusión del hilo resistivo sin generar fallo a tierra. De esta forma no es necesario incorporar fusibles por cada resistencia como en técnicas anteriores, el fusible es la propia resistencia.The resistive wire resistors used in the present invention cease to consume amps when they cease to function by melting the resistive wire without generating a ground fault. In this way it is not necessary to incorporate fuses for each resistor as in previous techniques, the fuse is the resistor itself.

Un medidor de intensidad nos indicaría el fallo y en que zona se encuentra para poder sustituir fácilmente la resistencia.An intensity meter would indicate the fault and in what area it is to easily replace the resistance.

La vida de una resistencia de hilo resistivo es larga mientras no se superen temperaturas críticas.The life of a resistive wire resistance is long as long as critical temperatures are not exceeded.

Se perseguirá potenciar al máximo la velocidad de transferencia de calor entre el medio de calentamiento eléctrico y el o los conductos.It will be sought to maximize the heat transfer rate between the electric heating medium and the conduit (s).

Cualquier medio de calentamiento eléctrico viable, como por ejemplo un calentamiento por efecto Joule, pueden disponerse como medio para la entrada de energía.Any viable electric heating means, such as a Joule heating, can be arranged as a means for energy input.

El número TSUs en una instalación puede ser cualquier número dependiendo del tamaño de cada elemento y su respectiva capacidad de almacenamiento de energía, y la capacidad de almacenamiento de energía deseada de todo el sistema de almacenamiento de la planta.The number of TSUs in an installation can be any number depending on the size of each element and its respective energy storage capacity, and the desired energy storage capacity of the entire plant storage system.

Un ejemplo de realización sería una TSU con 1.1 metros de longitud 0.76X0.34 m de sección puede almacenar aprox. 61 kWh de energía térmica a 1425°C en 6 horas, por lo que una planta con 10 MWh (10.000KW) de capacidad requeriría 164 de tales elementos.An example of realization would be a TSU with 1.1 meters in length 0.76X0.34 m section can store approx. 61 kWh of thermal energy at 1425 ° C in 6 hours, so a plant with 10 MWh (10,000KW) capacity would require 164 of such elements.

Otro ejemplo ilustrativo sería, una TSU con 1.80 metros de longitud 0.76X0.34 m de sección puede almacenar aprox. 100 kWh de energía térmica a 1425°C en 6 horas, por lo que una planta con 10 MWh (10.000KW) de capacidad requeriría 100 de tales elementos.Another illustrative example would be, a TSU with 1.80 meters in length 0.76X0.34 m in section can store approx. 100 kWh of thermal energy at 1425 ° C in 6 hours, so a plant with 10 MWh (10,000KW) of capacity would require 100 such elements.

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REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

Con referencia a la invención que se describe, se procede a una combinación de cuatro categorías de piezas por unidad de intercambio y almacenamiento de calor: Un bloque de hormigón refractario (1) con canales cilíndricos en su interior (2) dispuestos de manera alineada paralelamente en modo horizontal, y resistencias eléctricas independientes de hilo resistivo (3) que se incorporan dentro de los canales cilíndricos y los bornes de conexión de cada una de las resistencias. El hilo resistivo dispuesto en espiral se encuentra en contacto con la pared del orificio de dichos canales cilíndricos. Así, se produce el calentamiento por radiación, y también, por conducción de modo simultáneo. Finalmente, un conducto o conductos o serpentín o serpentines (4) de varios tramos dispuestos también de manera alineada paralelamente en modo horizontal por donde circula el fluidoWith reference to the invention described, a combination of four categories of pieces per heat exchange and storage unit is carried out: A refractory concrete block (1) with cylindrical channels inside (2) arranged in a parallel aligned manner in horizontal mode, and independent resistors of resistive wire (3) that are incorporated into the cylindrical channels and the connection terminals of each of the resistors. The spirally arranged resistive wire is in contact with the hole wall of said cylindrical channels. Thus, radiation heating occurs, and also, simultaneously driving. Finally, a conduit or conduits or coil or coils (4) of several sections also arranged in a horizontally aligned manner in a horizontal way through which the fluid circulates

La realización de una unidad de intercambio y almacenamiento de calor con carácter ilustrativo y no limitativo, contemplaría un juego de 50 canales cilíndricos para la incorporación de 25 resistencias eléctricas junto con uno o varios canales para termopares de control de temperatura. Pueden ser empleados termopares tipo K cerámicos de alta temperatura de respuesta instantánea. Las dimensiones tipo de una TSU serían 1,79 X 0,76 X 0,34m (largo, alto y ancho)The realization of a heat exchange and storage unit of an illustrative and non-limiting nature would contemplate a set of 50 cylindrical channels for the incorporation of 25 electrical resistors together with one or more channels for temperature control thermocouples. Type K ceramic thermocouples with high temperature instant response can be used. The standard dimensions of a TSU would be 1.79 X 0.76 X 0.34m (length, height and width)

La eficiencia y uniformidad de calor en una masa se consigue con la equidistancia de los puntos de calor entre sí. Se trata de que las tuberías embebidas que están rodeadas en todo su contorno por arriba y por debajo de una masa caliente. Y aunque esta masa no resultase homogénea en temperatura, el fluido que recorre el bloque a través del conducto o los conductos, atravesando prácticamente todas las zonas, completa y garantiza la mayor uniformidad y eficiencia térmica. En consecuencia, se produce un efecto acumulativo de calor de forma radial por cada canal en comunicación con su canal contiguo, produciéndose la expansión de calor radial a través de la masa. The efficiency and uniformity of heat in a mass is achieved with the equidistance of the heat points from each other. It is about the embedded pipes that are surrounded in all their contour above and below a hot mass. And although this mass is not homogeneous in temperature, the fluid that runs through the block through the duct or ducts, crossing virtually all areas, completes and guarantees the highest uniformity and thermal efficiency. Consequently, a radially cumulative heat effect is produced for each channel in communication with its adjoining channel, the radial heat expanding through the mass.

El equipo posee en sí un refuerzo estructural por el tubo metálico del propio conducto o serpentín de varios tramos, así como los orificios pasantes ortogonales a los conductos que luego se utilizarán para la inserción de resistencias, permiten también introducir varillas con orejetas de elevación para poder cargarlos y descargarlos mediante grúa.The equipment itself has a structural reinforcement by the metal tube of the conduit itself or coil of several sections, as well as the through holes orthogonal to the conduits that will then be used for the insertion of resistances, also allow rods with lifting lugs to be introduced to be able to load and unload them by crane.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para una mejor comprensión de las características generales anteriormente mencionadas, se acompañan varios dibujos a la presente invención los cuales exponen como se especifica a continuación:For a better understanding of the general characteristics mentioned above, several drawings are attached to the present invention which are set forth as specified below:

Figura 1: Vista general (1a) de un encofrado para vertido de hormigón para la fabricación de un equipo de intercambio y acumulación de calor o TSU con conducto y barras para generar alojamientos para resistencias y termopares dejando libre la parte superior para verter el hormigón. Esto es una base con cuatro paredes que deja libre la parte superior para verter el hormigón, y dentro se halla el/los conductos o serpentin/es y las barras para generar los alojamientos. Junto con, dicha vista una vez realizado el encofrado (1b) del bloque de hormigón (1) con canales cilíndricos (2) en su interior dispuestos de manera alineada paralelamente en modo horizontal conteniendo resistencias eléctricas, y su conducto o serpertín (4).Figure 1: General view (1a) of a concrete pouring formwork for the manufacture of heat exchange and accumulation equipment or TSU with conduit and bars to generate housings for resistors and thermocouples leaving the upper part free to pour concrete. This is a base with four walls that leaves the upper part free to pour the concrete, and inside is the ducts or coils and the bars to generate the housings. Together with, said view once the formwork (1b) of the concrete block (1) with cylindrical channels (2) inside it is arranged arranged in a parallel manner horizontally containing electrical resistors, and its conduit or serpentine (4).

Figura.2: Vista general de un conjunto de TSU con una pluralidad de calentadores dispuestos de manera extraíble dentro de un TSU, con sus resistencias (3) en horquilla - de ida y vuelta - y conducto o serpentín (4).Figure 2: General view of a set of TSUs with a plurality of heaters arranged removably within a TSU, with their resistances (3) on the fork - back and forth - and duct or coil (4).

Figura 3: Vista frontal de cada uno de los laterales de un equipo de intercambio y acumulación de calor. . Figure 3: Front view of each side of a heat exchange and accumulation equipment. .

Figura 4: Vista en detalle seccionada y ampliada de una TSU que tiene alojamientos para elementos de calentamiento internos de resistencias de hilo resistivo, compuesta por un bloque de hormigón (1) con sus canales de resistencias (2) y resistencia eléctrica (3)Figure 4: Sectioned and enlarged detail view of a TSU that has housings for internal heating elements of resistive wire resistors, consisting of a concrete block (1) with its resistance channels (2) and electrical resistance (3)

Figura 5: Vista en detalle seccionada y ampliada de una TSU, por ambos lados, con su bloque de hormigón (1) y canales (2) a modo de alojamientos para elementos de calentamiento internos de resistencias (3) de hilo resistivo para su disposición dentro de la TSU de manera que los extremos de conexión de los calentadores sobresalgan de la TSU y el aislamiento (5) que rodea a la TSU en su interior.Figure 5: Sectioned and enlarged detail view of a TSU, on both sides, with its concrete block (1) and channels (2) as housings for internal heating elements of resistors (3) of resistive wire for disposal inside the TSU so that the connection ends of the heaters protrude from the TSU and the insulation (5) surrounding the TSU inside.

Cada calentador puede ser reemplazado de la TSU sin tener que reemplazar ninguno de los calentadores restantes.Each heater can be replaced from the TSU without having to replace any of the remaining heaters.

Figura 6: Vista frontal de un lateral de una instalación de alto rendimiento de ocho equipos de intercambio y acumulación de calor compacto superpuestos a dos alturas y conectados entre sí, con la entrada y salida de la circulación de fluidoFigure 6: Front view of a side of a high-performance installation of eight compact heat exchange and accumulation equipment superimposed at two heights and connected to each other, with the fluid inlet and outlet

Figura 7: Vista frontal de un lateral de una instalación de alto rendimiento de cuatro equipos de intercambio y acumulación de calor, separados entre sí. Un conjunto de ellos superpuestos a dos alturas y conectados entre sí, con la entrada y salida de fluido, y de otros dos equipos superpuestos para requerimientos independientes dentro de un misma instalación.Figure 7: Front view of a side of a high performance installation of four heat exchange and accumulation equipment, separated from each other. A set of them superimposed at two heights and connected to each other, with the fluid inlet and outlet, and two other superimposed equipment for independent requirements within the same installation.

Figura 8: Vista frontal de distintos laterales de una TSU de intercambio y acumulación de calor en donde los canales de flujo pueden estar conectados entre sí de diferentes formas en comunicación fluida. El fluido, como también puede ser el aire comprimido, ingresa a la TSU a través de una entrada, fluye a través de los canales de flujo y sale de la TSU a través de una salida. Todas las conexiones de entrada y salida están por un lado de la TSU y en el otro lado los enlaces de los conductos.Figure 8: Front view of different sides of a heat exchange and accumulation TSU where the flow channels can be connected to each other in different ways in fluid communication. The fluid, such as compressed air, can enter the TSU through an inlet, flow through the flow channels and exit the TSU through an outlet. All input and output connections are on one side of the TSU and on the other side the duct links.

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Figura 9: Vista general una instalación de alto rendimiento de veinte equipos de intercambio y acumulación de calor superpuestos a dos alturas y conectados entre sí en batería, con un juego de entradas y salidas por el mismo lateral, proporcionando un circuito de larga distancia para la conducción y convección de calor, y con ello la capacidad potenciada de transferencia de calor.Figure 9: General view of a high-performance installation of twenty heat exchange and accumulation equipment superimposed on two heights and connected to each other on battery, with a set of inputs and outputs on the same side, providing a long distance circuit for the heat conduction and convection, and with it the enhanced heat transfer capacity.

Figura 10: Vista del funcionamiento radial de transferencia de calor de las resistencias (3) desde los canales cilíndricos de alojamiento, y de la distribución del conducto o serpentín (4) a través del bloque de hormigón en un evento de transferencia de calor de acuerdo con los principios de la presente invención de su triangulación, puesto que el calor de un cuerpo cilíndrico se transmite de forma radial hacia la masa que lo rodea.Figure 10: View of the radial heat transfer operation of the resistors (3) from the cylindrical housing channels, and of the distribution of the conduit or coil (4) through the concrete block in a heat transfer event according to with the principles of the present invention of its triangulation, since the heat of a cylindrical body is transmitted radially to the surrounding mass.

Figura 11: Vista del funcionamiento radial de transferencia de calor de las resistencias (3) desde los canales cilíndricos de alojamiento (2) a través del bloque de hormigón en un evento de transferencia de calor de acuerdo con los principios de la presente invención de su triangulación, en donde en cada tramo de conducto se encontrará bajo la influencia de resistencias calefactoras repartidas de una forma homogénea en una configuración triangular que nos asegurará una distribución de calor lineal para que cuando el fluido circule a través de la TSU el flujo de calor sea igual en toda la longitud del conducto. Figure 11: View of the radial heat transfer operation of the resistors (3) from the cylindrical housing channels (2) through the concrete block in a heat transfer event in accordance with the principles of the present invention of its triangulation, where in each section of the duct it will be under the influence of heating resistors distributed in a homogeneous way in a triangular configuration that will ensure a linear heat distribution so that when the fluid circulates through the TSU the heat flow is equal throughout the length of the duct.

Claims

1. Heat exchange and accumulation equipment (TSU) by electrical resistors for simultaneous radiation heating and conduction by triangulation from formwork adapted to operate at a temperature in the range of -70 to + 1,425 ° C characterized in that it comprises a block of concrete (1) having cylindrical channels (2) inside arranged in a horizontally aligned manner horizontally, electric resistances (3) of fork-shaped spiral resistive wire that are incorporated into the cylindrical channels and the two connection terminals of each of the forks on the same side of the block, and a coil (4) crossed for the circulation of fluids in liquid or gaseous state.

2.- Heat exchange and accumulation equipment (TSU) by electrical resistors for simultaneous radiation heating and conduction by triangulation from formwork according to Claim.1 characterized in that an interconnection of a certain number of concrete units can be arranged on top of others, in two or more heights, and next to each other in two or more rows.

3.- Heat exchange and accumulation equipment (TSU) by electrical resistors for simultaneous radiation heating and conduction by triangulation from formwork according to claims 1 and, 2, 3 characterized by a structural reinforcement by the metal tube of the own conduit or coil of several sections, as well as the through holes orthogonal to the conduits that will then be used for the insertion of resistances, also allow to introduce rods with lifting lugs to be able to load and unload them by crane.

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4.- Heat exchange and accumulation equipment (TSU) by electrical resistors for simultaneous radiation heating and conduction by triangulation from formwork according to claims 1 and, 2, 3 characterized in that the concrete block (1) is a form of parallelepiped.