ES2749703T3 - Sistema de intercambio de calor con compensación del cambio de dimensión del material de almacenamiento de calor y procedimiento para intercambiar calor usando el sistema de intercambio de calor de los antecedentes de la invención - Google Patents
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Abstract
Sistema de intercambio de calor (1), con - al menos una cámara de intercambio de calor (11) con límites de cámara de intercambio de calor (111) que rodean al menos un interior de cámara de intercambio de calor (112) de la cámara de intercambio de calor (11), en el que - los límites de cámara de intercambio de calor (111) comprenden al menos una primera abertura (1111) para guiar hacia dentro un flujo de entrada (132) de al menos un fluido de transferencia de calor (131) hacia el interior de cámara de intercambio de calor (112) y al menos una segunda abertura (1112) para guiar hacia fuera un flujo de salida (133) del fluido de transferencia de calor (131) hacia fuera del interior de cámara de intercambio de calor (112); - al menos un material de almacenamiento de calor (121) está dispuesto en el interior de cámara de intercambio de calor (112) de modo que un flujo de intercambio de calor (13) del fluido de transferencia de calor (131) a través del interior de cámara de intercambio de calor (112) provoca un intercambio de calor entre el material de almacenamiento de calor (121) y el fluido de transferencia de calor (131); caracterizado por que - la cámara de intercambio de calor (11) comprende al menos un dispositivo de empaquetadura (123) para la compensación del hueco, el hueco resultante de una empaquetadura del material de almacenamiento de calor (131) dentro del interior de cámara de intercambio de calor (112), en el que el dispositivo de empaquetadura (123) es un techo deslizante verticalmente (118) de la cámara de intercambio de calor (11) que se sitúa en la parte superior del material de almacenamiento de calor (131) y/o el dispositivo de empaquetadura (123) es una pared de tablestaca flexible como parte de al menos uno de los límites laterales de cámara de intercambio de calor (1115) de la cámara de intercambio de calor (11).
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de intercambio de calor con compensación del cambio de dimensión del material de almacenamiento de calor y procedimiento para intercambiar calor usando el sistema de intercambio de calor de los antecedentes de la invención
1. CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema de intercambio de calor con una cámara de intercambio de calor y un procedimiento para intercambiar calor usando el sistema de intercambio de calor.
2. DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA RELACIONADA
A pesar de la integración de las energías renovables en el sistema público de energía eléctrica (red eléctrica), una gran parte de la electricidad se genera todavía actualmente mediante las fuentes de energía fósiles. Pero el cambio climático global requiere un desarrollo mayor de las energías renovables.
La producción de energía de fuentes de energía renovables, como la eólica y la solar, no es constante a lo largo de un día o a lo largo de un año. En consecuencia, la electricidad que se genera al usar la energía de fuentes de energía renovables fluctúa.
A fin de gestionar esta electricidad fluctuante, los sistemas de almacenamiento de calor (energía térmica) se desarrollan para almacenar y liberar energía térmica (sistema de intercambio de calor). Dicho sistema de intercambio de calor comprende una cámara de intercambio de calor con límites de cámara de intercambio de calor que rodean el interior de una cámara de intercambio de calor. El interior de cámara de intercambio de calor está lleno de material de almacenamiento de calor como piedras. Los límites de cámara de intercambio de calor comprenden una primera abertura para guiar un flujo de entrada de un fluido de transferencia de calor, por ejemplo, aire, hacia el interior de cámara de intercambio de calor y una segunda abertura para guiar hacia fuera un flujo de salida del fluido de transferencia de calor hacia fuera del interior de cámara de intercambio de calor.
Para un modo de carga, el sistema de intercambio de calor comprende adicionalmente una unidad de carga para calentar el fluido de transferencia de calor con la ayuda del exceso de electricidad. El fluido de transferencia de calor caliente resultante se infunde en el interior de cámara de intercambio de calor por medio de una de las aberturas (por ejemplo, la primera abertura) de los límites de cámara de intercambio de calor. Esta abertura define un terminal "caliente" de la cámara de intercambio de calor. El fluido de transferencia de calor caliente se guía a través del interior de cámara de intercambio de calor. Mediante el guiado del fluido de transferencia de calor caliente a través del interior de cámara de intercambio de calor, se provoca una transferencia de calor desde el fluido de transferencia de calor al material de almacenamiento de calor. Se almacena calor por el material de almacenamiento de calor.
Por medio de la otra abertura (segunda abertura) de la cámara de intercambio de calor, el fluido de transferencia de calor “frío” resultante se guía hacia fuera del interior de cámara de intercambio de calor. De este modo, esta abertura de los límites de cámara de intercambio de calor define un terminal "frío" (extremo) de la cámara de intercambio de calor. El modo de carga se detiene cuando la temperatura en el terminal frío de la cámara de intercambio de calor empieza a elevarse por encima de una temperatura predeterminada.
En un modo de descarga de la cámara de intercambio de calor, se puede recuperar este calor almacenado: el fluido de transferencia de calor "frío" se infunde en el interior de cámara de intercambio de calor por medio de la primera abertura de los límites de cámara de intercambio de calor. En este caso, la primera abertura define un terminal "frío". El fluido de transferencia de calor frío se guía a través del interior de cámara de intercambio de calor. Mediante el guiado del fluido de transferencia de calor frío a través del interior de cámara de intercambio de calor se provoca una transferencia de calor desde el material de almacenamiento de calor al fluido de transferencia de calor. Se libera calor del material de almacenamiento de calor.
Por medio de la segunda abertura de los límites de cámara de intercambio de calor, el fluido de transferencia de calor "caliente" resultante se guía hacia fuera del interior de cámara de intercambio de calor. De este modo, la segunda abertura de la cámara de intercambio de calor define un terminal “caliente” de la cámara de intercambio de calor.
El fluido de transferencia de calor caliente resultante se puede usar para generar vapor con el que se accione una turbina de vapor. Resultado del modo de descarga descrito: El calor se transforma de nuevo en electricidad.
El modo de descarga se detiene cuando la temperatura en el terminal frío del almacenamiento de intercambio de calor comienza a caer por debajo de una determinada temperatura.
Por ejemplo, el material de almacenamiento de calor comprende piedras. Debido al estrés inducido térmicamente, las piedras se rompen durante el modo de carga, lo que da como resultado una empaquetadura (compactación) de las piedras. Además, las cargas térmicas cíclicas dan lugar a una extensión y a una contracción de las piedras y, por lo
tanto, a una mayor compactación de la base. Suponiendo que el volumen total de la cámara de intercambio de calor permanece constante, esto provoca rutas adicionales para el fluido de transferencia de calor a través del interior de cámara de intercambio de calor. El flujo del fluido de transferencia de calor a través del interior de cámara de intercambio de calor apenas se puede controlar.
A partir del documento US 2009/0194250 A1 que divulga un sistema intercambiador de calor de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, se conoce que un acumulador de calor puede tener un denominado miembro de soporte como cubierta superior para liberar una carga o presión que actúe sobre un tubo de circulación de fluido.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Es un objetivo de la invención proporcionar un sistema de intercambio de calor con una cámara de intercambio de calor a través de la cual se pueda guiar uniformemente un fluido de transferencia de calor.
Este objetivo se logra mediante la invención especificada en las reivindicaciones.
Un sistema de intercambio de calor está provisto de al menos una cámara de intercambio de calor con los límites de cámara de intercambio de calor que rodean al menos un interior de cámara de intercambio de calor de la cámara de intercambio de calor. Los límites de cámara de intercambio de calor comprenden al menos una primera abertura para guiar hacia dentro un flujo de entrada de al menos un fluido de transferencia de calor hacia el interior de cámara de intercambio de calor y al menos una segunda abertura para guiar hacia fuera un flujo de salida del fluido de transferencia de calor hacia fuera del interior de cámara de intercambio de calor. Al menos un material de almacenamiento de calor está dispuesto en el interior de cámara de intercambio de calor de modo que un flujo de intercambio de calor del fluido de transferencia de calor a través del interior de cámara de intercambio de calor provoca un intercambio de calor entre el material de almacenamiento de calor y el fluido de transferencia de calor. La cámara de intercambio de calor comprende al menos un dispositivo de empaquetadura para la compensación de una empaquetadura (sedimentación) del material de almacenamiento de calor dentro del interior de cámara de intercambio de calor. Preferentemente, al menos uno de los límites de cámara de intercambio de calor comprende el dispositivo de empaquetadura. El límite de cámara de intercambio de calor con el dispositivo de empaquetadura es un techo de la cámara de intercambio de calor. Por ejemplo, el techo es un techo colgante. De forma alternativa, el límite de cámara de intercambio de calor con el dispositivo de empaquetadura es un límite de cámara de intercambio de calor lateral (pared lateral) de la cámara de intercambio de calor. Esta pared lateral de la cámara comprende preferentemente al menos una pared de tablestacas. Esta pared de tablestacas es flexible.
En un modo de realización preferente adicional, el dispositivo de empaquetadura comprende al menos un obstáculo de flujo flexible para el flujo de intercambio de calor. Se suprime el flujo de intercambio de calor. Por ejemplo, el obstáculo de flujo flexible comprende al menos una bolsa que está llena de aire (bolsa de aire).
Para evitar los flujos de derivación y las pérdidas de calor resultantes (por ejemplo, en la salida de almacenamiento), se pueden instalar una o más bolsas de aire entre una estructura de soporte del material de almacenamiento de calor en el interior de cámara de intercambio de calor de la cámara de intercambio de calor y el techo aislante en reducción de la cámara de intercambio de calor. El número y el tamaño de las bolsas de aire instaladas dependen de la permeabilidad del aislamiento sobre el material de almacenamiento de calor hacia el fluido de transferencia de calor. Las bolsas de aire bloquean el flujo del fluido de transferencia de calor, de modo que tiene que fluir a través del material de almacenamiento de calor para llegar a la segunda abertura.
La bolsa de aire puede estar hecha de un material flexible y elástico que se adapte a la forma del hueco resultante de la sedimentación del material de almacenamiento de calor sólido.
Ventajoso, es resistente a la temperatura a las temperaturas que se producen por encima del techo (preferentemente aislado) de la cámara de intercambio de calor. El volumen de la bolsa de aire se tiene que adaptar al volumen del hueco (especialmente a la altura y al ancho si la longitud de la bolsa de aire es paralela a la dirección del flujo del fluido de transferencia de calor) en todo momento durante el funcionamiento. Esto se puede resolver bombeando un fluido (por ejemplo, aire) dentro de la bolsa de aire cuando la cámara de intercambio de calor del material de almacenamiento de calor se enfríe (descargando) y bombeando un fluido fuera de la bolsa de aire cuando el almacenamiento se caliente (cargando) de manera que la presión en la bolsa de aire se mantenga controlada.
Además, se proporciona un procedimiento para intercambiar calor usando el sistema de intercambio de calor. En un modo de funcionamiento del sistema de intercambio de calor, el flujo de intercambio de calor del fluido de transferencia de calor se guía a través del interior de cámara de intercambio de calor, en el que se produce un intercambio de calor entre el material de almacenamiento de calor y el fluido de transferencia de calor.
La cámara de intercambio de calor es un espacio, una cavidad o un alojamiento en el que se localiza el material de almacenamiento de calor. Dentro de la cámara de intercambio de calor tiene lugar el intercambio de calor. A fin de proporcionar un intercambio de calor eficiente, la cámara de intercambio de calor está preferentemente aislada térmicamente contra los alrededores. La pérdida de calor se reduce mediante el aislamiento térmico.
El fluido de transferencia de calor se guía (conduce) hacia el interior de cámara de intercambio de calor por medio de la primera abertura y se guía hacia fuera del interior de cámara de intercambio de calor por medio de la segunda abertura. La primera abertura de los límites de cámara de intercambio de calor es una abertura de entrada. La segunda abertura de los límites de cámara de intercambio de calor es una abertura de salida. Por tanto, existen diferentes áreas de los límites de cámara de intercambio de calor, a saber, un área de entrada de los límites de cámara de intercambio de calor con la primera abertura y un área de salida de los límites de cámara de intercambio de calor con la segunda abertura.
El modo de funcionamiento del sistema de intercambio de calor se selecciona del grupo que consiste en el modo de carga con una transferencia de calor desde el fluido de transferencia de calor al material de almacenamiento de calor y en el modo de descarga con una transferencia de calor desde el material de almacenamiento de calor al fluido de transferencia de calor.
Dependiendo del modo de funcionamiento, una abertura específica puede tener la función de una abertura de entrada o la función de una abertura de salida. La dirección de flujo del flujo de intercambio de calor depende del modo de funcionamiento. Preferentemente, durante el modo de carga, el flujo de intercambio de calor se dirige en una dirección de modo de carga; durante el modo de descarga, el flujo de intercambio de calor se dirige en una dirección de modo de descarga, y la dirección de modo de carga y la dirección de modo de descarga son opuestas entre sí (operación a contracorriente). Pero no es necesario un cambio de las direcciones del flujo de intercambio de calor. La dirección de modo de carga y la dirección de modo de descarga comprenden la misma dirección (operación en equicorriente).
En la operación a contracorriente, al conmutar del modo de carga al modo de descarga, se invierte la dirección de flujo de intercambio de calor a través del interior de cámara de intercambio de calor y, en consecuencia, también se invierten la función de las aberturas (abertura de entrada, abertura de salida) así como una temperatura relativa (fría o caliente). Con dicha solución, es especialmente ventajoso usar el mismo fluido de transferencia de calor para el modo de carga y para el modo de descarga. Pero, por supuesto, también se pueden usar diferentes fluidos de transferencia de calor para el modo de carga y el modo de descarga.
Para el modo de carga, el sistema de intercambio de calor está equipado con al menos una unidad de carga para calentar el fluido de transferencia de calor. Esta unidad de carga se localiza preferentemente corriente arriba de la cámara de intercambio de calor.
Preferentemente, la unidad de carga comprende al menos un dispositivo de calentamiento eléctrico que se selecciona del grupo que consiste en calentador de resistencia, calentador inductivo, emisor de radiación electromagnética y bomba de calor. La radiación electromagnética es preferentemente radiación infrarroja. Es posible una combinación de diferentes dispositivos de calentamiento eléctrico. Con la ayuda de los dispositivos de calentamiento eléctrico, la electricidad se transforma en calor. Este calor se absorbe por el fluido de transferencia de calor y se transporta al material de almacenamiento de calor en el interior de cámara de intercambio de calor.
Por ejemplo, el dispositivo de calentamiento eléctrico comprende un calentador de resistencia. Este calentador se localiza en el flujo de entrada de intercambio de calor. El calentador de resistencia comprende un área grande de intercambio de calor para un intercambio de calor eficiente desde el calentador de resistencia al fluido de transferencia de calor. Por ejemplo, la gran área de intercambio de calor está formada por una rejilla del calentador de resistencia. También es posible un calentador de resistencia en forma de meandro. Con dicha medida, se mejora la transferencia de calor al fluido de transferencia de calor. Además, se reduce la posibilidad de la aparición (no deseada) de puntos calientes dentro del calentador de resistencia.
El sistema de intercambio de calor está equipado preferentemente con al menos una unidad de descarga para descargar el fluido de transferencia de calor del flujo de salida del calor para la producción de electricidad. Se extrae calor del fluido de transferencia de calor. El calor extraído se transforma en electricidad. En un modo de realización preferente, la transformación de calor en electricidad se lleva a cabo mediante un ciclo de agua/vapor para accionar una turbina de una central de energía de vapor.
El modo de descarga se puede realizar cuando los precios y la demanda de electricidad sean altos o cuando la producción de energías renovables sea baja. Para eso y a fin de limitar los costes que estén conectados con la invención, es ventajoso usar las centrales eléctricas existentes. Entonces, el sistema de intercambio de calor es un tipo de sistema de actualización. Por ejemplo, son muy adecuadas las CCPP (planta de energía de ciclo combinado) ya que su generador de vapor de recuperación de calor (HRSG) es similar a la aplicación propuesta aquí. No obstante, se pueden usar centrales eléctricas de carbón duro, petróleo, gas, incineración de residuos, leña o lignito, ya que la unidad de carga se puede diseñar para altas temperaturas para que coincida con las temperaturas usadas en el generador de vapor. En un modo híbrido, el combustible se puede usar para incrementar la temperatura desde el nivel de temperatura del sistema de intercambio de calor hasta la temperatura de funcionamiento del diseño original del horno o caldera.
En un modo de realización preferente, el sistema de intercambio de calor está equipado con al menos un elemento de ajuste de flujo para ajustar el flujo de intercambio a través del interior de cámara de intercambio de calor, para ajustar el flujo de entrada dentro del interior de cámara de intercambio de calor y/o para ajustar el flujo de salida fuera de la cámara de intercambio de calor. Preferentemente, el elemento de ajuste de flujo comprende al menos un dispositivo de movimiento activo de fluidos que se selecciona del grupo que consiste en soplador, ventilador y bomba y/o el elemento de ajuste de flujo comprende al menos un dispositivo de control pasivo de fluidos que se selecciona del grupo que consiste en una tubería de desvío activable, una boquilla, una pestaña, un amortiguador y una válvula. Son posibles una multitud de estos dispositivos, así como una combinación de estos dispositivos. Además, los elementos de ajuste de flujo se pueden disponer en serie o en paralelo. Por ejemplo, se disponen dos pestañas en dos aberturas a fin de ajustar los flujos de entrada del fluido de transferencia de calor dentro del interior de cámara de intercambio de calor y, en consecuencia, a fin de ajustar la distribución de temperatura en el interior de cámara de intercambio de calor.
La ventaja de los dispositivos de control pasivo es que son baratos. Además, los dispositivos de control pasivo son muy confiables. Pero preferentemente se usan dispositivos de movimiento activo. Por eso, es ventajoso que las unidades de accionamiento de los dispositivos de movimiento activo de fluidos como motores eléctricos y equipos eléctricos se localicen fuera del flujo de intercambio de calor con el fluido de transferencia de calor (posiblemente muy caliente).
Solo para destacar: Existen diferentes localizaciones para el elemento de ajuste de flujo posible. El elemento de ajuste de flujo se puede disponer directamente en el interior de cámara de intercambio de calor, corriente abajo del interior de cámara de intercambio de calor y/o corriente arriba del interior de cámara de intercambio de calor. La localización depende, entre otros, del tipo de elemento de ajuste de flujo (dispositivo de movimiento activo de fluidos o dispositivo de control pasivo de fluidos).
El material sólido comprende preferentemente material a granel. También son posibles mezclas de diferentes materiales sólidos.
En un modo de realización preferente, el material de almacenamiento de calor comprende al menos un material química y/o físicamente estable. En el intervalo de la temperatura operativa del sistema de intercambio de calor, el material de almacenamiento de calor no cambia sus propiedades físicas y/o químicas. Un material físicamente estable no cambia sus propiedades físicas durante el intercambio de calor. Por ejemplo, el material de almacenamiento de calor permanece en un estado sólido en el intervalo de temperatura de funcionamiento.
En un modo de realización preferente, el material de almacenamiento de calor comprende arena y/o piedras.
Preferentemente, las piedras comprenden grava (gravilla, grava no consolidada), escombros y/o arenilla (hendiduras). Por ejemplo, basalto, granito o gabro son adecuados. El material artificial comprende preferentemente clínker o cerámica. De nuevo, también son posibles las mezclas de los materiales mencionados.
A fin de proporcionar un material de almacenamiento de energía barato, es ventajoso usar material de residuo. Por lo tanto, en un modo de realización preferente, el material artificial comprende al menos un subproducto de un proceso industrial. Por ejemplo, el subproducto es silicato de hierro. El silicato de hierro tiene su origen en una escoria de producción de cobre.
En un modo de realización preferente, los canales de intercambio de calor están incrustados en el material de almacenamiento de calor para el guiado del flujo de intercambio de calor a través del interior de cámara de intercambio de calor. El material de almacenamiento de calor forma una base de intercambio de calor. La base de intercambio de calor comprende los canales de intercambio de calor. Los canales de intercambio de calor están incrustados en la base de almacenamiento de calor de modo que el flujo de intercambio de calor del fluido de transferencia de calor a través de los canales de intercambio de calor provoca el intercambio de calor entre el material de almacenamiento de calor y el fluido de transferencia de calor. Los canales de intercambio de calor pueden estar formados por espacios intermedios (huecos) del material de almacenamiento de calor. Por ejemplo, el material de almacenamiento de calor comprende piedras. Las piedras forman la base de intercambio de calor con los canales de intercambio de calor. Además o de forma alternativa, el material de almacenamiento de calor es poroso. Los poros abiertos del material de almacenamiento de calor forman los canales de intercambio de calor.
El fluido de transferencia de calor se selecciona del grupo que consiste en un líquido y un gas. El gas se selecciona del grupo que consiste en gas inorgánico y/o gas orgánico. El gas inorgánico es preferentemente aire. Son posibles mezclas de diferentes líquidos, así como mezclas de diferentes gases.
Preferentemente, el fluido de transferencia de calor comprende un gas a presión ambiente de gas. Preferentemente, el gas a presión ambiente es aire. La presión ambiental (900 hPa a 1.100 hPa) varía de modo que se provoca el flujo de intercambio de calor a través del interior de cámara de intercambio de calor.
Para el guiado del fluido de transferencia de calor hacia el interior de cámara de intercambio de calor y para el guiado del fluido de transferencia de calor hacia fuera del interior de cámara de intercambio de calor, se usa un sistema de tuberías (o sistema de canales, sistema de canalización). Este sistema de tuberías puede estar cerrado (con un bucle cerrado) o puede estar abierto (con un bucle abierto).
Por ejemplo, el fluido de transferencia de calor es el aire ambiente del entorno. El bucle es un bucle abierto. El aire del entorno se introduce en el sistema de intercambio de calor y se libera aire del sistema de intercambio de calor a los alrededores. Existe un intercambio de aire durante el funcionamiento del sistema de intercambio de calor.
Por el contrario, no existe ningún intercambio de aire ni ningún intercambio de aire ajustable de forma selectiva durante el funcionamiento en un bucle cerrado. El aire del entorno no se añade o solo se añade a una pequeña escala al aire que se usa como fluido de transferencia de calor. Esto tiene la siguiente ventaja específica: En una situación con material de almacenamiento de calor casi completamente cargado, el fluido de transferencia de calor con el calor restante se liberaría al entorno en un bucle abierto. El calor restante se pierde. Por el contrario, en un bucle cerrado, este fluido de transferencia de calor con el calor restante permanece en el sistema de intercambio de calor. El calor restante no se pierde. Por lo tanto, en un modo de realización preferente, se implementa un bucle cerrado y en el que el flujo de entrada comprende el flujo de salida. El flujo de salida se guía de vuelta hacia el interior de cámara de intercambio de calor.
La cámara de intercambio de calor puede ser una cámara de intercambio de calor vertical y/o una cámara de intercambio de calor horizontal. Preferentemente, la cámara de almacenamiento de calor es una cámara de intercambio de calor horizontal.
El término "cámara de intercambio de calor horizontal" implica un flujo principal (promedio) horizontal del fluido de transferencia de calor a través del interior de cámara de intercambio de calor. La dirección de flujo del flujo principal horizontal es esencialmente paralela a la superficie promedio de la tierra. La dirección horizontal es esencialmente una dirección perpendicular a la dirección de la fuerza de gravedad que afecta al fluido de transferencia de calor. Perpendicular significa en este contexto que son posibles desviaciones de la perpendicularidad de hasta 20 ° y preferentemente desviaciones de hasta 10 °.
Se puede lograr una dirección orientada horizontalmente del flujo de intercambio de calor por las primeras aberturas laterales y/o las segundas aberturas laterales. La cámara de intercambio de calor horizontal comprende estas aberturas en sus límites laterales de cámara de intercambio de calor. Además, con la ayuda de un dispositivo de movimiento activo de fluidos como un soplador o una bomba, se provoca el flujo de intercambio de calor en el interior de cámara de intercambio de calor. El fluido de transferencia de calor se sopla o bombea dentro de cámara de intercambio de calor o se bombea o succiona fuera del interior de cámara de intercambio de calor.
En una cámara de intercambio de calor horizontal debido a la convección natural, la temperatura del material de almacenamiento de calor a lo largo de la sección transversal perpendicular a la dirección de flujo del fluido de transferencia de calor (véase a continuación) puede diferir (líneas isotérmicas inclinadas).
Ha de tenerse en cuenta que los términos "horizontal" y "vertical" son independientes de las dimensiones de la cámara de intercambio de calor y de su orientación. Decisiva es la dirección de flujo del fluido de transferencia de calor a través del interior de cámara de intercambio de calor. Por ejemplo, una "cámara de intercambio de calor horizontal" puede tener una longitud de cámara que sea menor que la altura de cámara de intercambio de calor.
Además de las cámaras de intercambio de calor vertical y horizontal puras, también es posible una mezcla de "cámara de intercambio de calor vertical" y "cámara de intercambio de calor horizontal". En dicha cámara de intercambio de calor, el flujo principal del fluido de transferencia de calor es el resultado del movimiento horizontal y vertical del fluido de transferencia de calor a través del interior de cámara de intercambio de calor. El flujo principal se guía a través de la cámara de intercambio de calor en ángulo.
En un modo de realización preferente, al menos dos primeras aberturas están dispuestas verticalmente entre sí y/o al menos dos segundas aberturas están dispuestas verticalmente entre sí. Las aberturas están dispuestas una encima de la otra. Con esta medida, es posible influir en una distribución vertical de los flujos de intercambio de calor a fin de mejorar una distribución de temperatura (frente de temperatura) en el interior del material de almacenamiento de calor y el interior de cámara de intercambio de calor, respectivamente. Las líneas isotérmicas perpendiculares a la dirección de flujo se ven influenciadas.
El frente de temperatura se define por las áreas vecinas frías y calientes del material de almacenamiento de calor en el interior de cámara de intercambio de calor provocado por el flujo del fluido de transferencia de calor a través del interior de cámara de intercambio de calor. El frente de temperatura está alineado perpendicular a la respectiva dirección de flujo del flujo de intercambio de calor a través de la cámara de intercambio de calor. Durante el modo de carga, el flujo de intercambio de calor se dirige en una dirección de modo de carga en la que el frente de temperatura se mueve a lo largo de esta dirección de modo de carga. Por el contrario, durante el modo de descarga, el flujo de intercambio de calor se dirige en la dirección de modo de descarga (por ejemplo, opuesta a la dirección de modo de
carga durante la operación a contracorriente) en la que el frente de temperatura se mueve a lo largo de la dirección de modo de descarga. En ambos casos, el frente de temperatura de la cámara de intercambio de calor está migrando a través de la cámara de intercambio de calor a los respectivos extremos caliente/frío de la cámara de intercambio de calor. Se debe tener en cuenta que, en caso de operación a contracorriente, el extremo caliente (abertura caliente) permanece como el extremo caliente (abertura caliente), independientemente del modo (modo de carga o modo de descarga).
El frente de temperatura es una zona de fuerte gradiente de temperatura en el material de almacenamiento de calor, es decir, la diferencia de alta temperatura entre las áreas frías y calientes. En esta aplicación, separa la zona caliente (cargada con calor) y la fría (no cargada) en la cámara de intercambio de calor con el material de almacenamiento de calor. El frente de temperatura se desarrolla debido a la transferencia de calor desde el fluido de transferencia de calor al material de almacenamiento de calor durante el modo de carga y debido a la transferencia de calor desde el material de almacenamiento de calor al fluido de transferencia de calor durante el modo de descarga. Las zonas/líneas isotérmicas se desarrollan idealmente (por ejemplo, sin la influencia de la gravitación) perpendicular a la dirección principal del flujo, es decir, las zonas/líneas de temperatura constante.
A fin de optimizar la eficacia del sistema de intercambio de calor, es ventajoso garantizar un frente de temperatura uniforme. Solo existen pequeñas variaciones en relación con los gradientes de temperatura perpendiculares a la dirección de flujo. En una cámara de intercambio de calor vertical con una dirección de flujo de arriba a abajo, el frente de temperatura es casi uniforme debido a la convección natural. Entonces, en este caso no son necesarias medidas adicionales. Por el contrario, la convección natural da lugar a un frente de temperatura no uniforme en una cámara de intercambio de calor horizontal. Entonces, en este caso, las mediciones adicionales podrían ser significativas (como el uso de más aberturas o el uso de más elementos de ajuste de flujo).
Preferentemente, el límite de cámara con una de las aberturas comprende un área de transición con un perfil cónico de modo que un diámetro de abertura de la abertura se alinea con un primer diámetro de perfil cónico del perfil cónico y un diámetro de cámara de la cámara de intercambio de calor se alinea con un segundo perfil cónico del diámetro de perfil cónico. El área de transición comprende una sección transversal en aumento desde la respectiva abertura hacia la cámara de intercambio de calor. Esto es especialmente ventajoso para la primera abertura para guiar el fluido de transferencia de calor hacia dentro de la cámara de intercambio de calor. El diámetro del área de transición se expande desde el diámetro de abertura de la primera abertura hasta el diámetro de la cámara de intercambio de calor. Con la ayuda del perfil cónico, el flujo de entrada del fluido de transferencia de calor se guía hacia el interior de cámara de intercambio de calor. El flujo de entrada guiado se distribuye a un área amplia con el material de almacenamiento de calor. Por esta medida, una capacidad de la unidad de intercambio de calor (material de almacenamiento de calor que se localiza en la cámara de intercambio de calor) se puede explotar altamente. Además, la eficacia del intercambio de calor se puede mejorar adaptando el flujo de intercambio de calor. Observaciones: Para adaptar adicionalmente el flujo de intercambio de calor, se puede localizar un difusor en la primera abertura, especialmente en el área de transición. Por medio del difusor, se puede ajustar un flujo incidente del fluido de transferencia de calor hacia el interior de cámara de intercambio de calor. Por ejemplo, dicho difusor está formado por piedras que se localizan en el área de transición con el perfil cónico.
Para el caso en el que la cámara de intercambio de calor comprenda una cantidad de primeras aberturas, es muy ventajoso disponer un área de transición descrita en ese número de primeras aberturas. De este modo, las primeras aberturas pueden comprender un área de transición conjunta o áreas de transición individuales.
El área de transición con la segunda abertura para guiar el fluido de transferencia de calor hacia fuera del interior de cámara de intercambio de calor también se puede hacer cónica gradualmente. Mediante esta medida, se simplifica el guiado del flujo de calor hacia fuera del interior de cámara de intercambio de calor de la cámara de intercambio de calor.
En este contexto, es muy ventajoso el uso de un área de transición corta. Por ejemplo, el área de transición corta comprende una dimensión que es inferior al 50 % de la longitud de la cámara de intercambio de calor. Por ejemplo, la dimensión es de aproximadamente el 20 % de la longitud de cámara de intercambio de calor. La longitud es la dimensión de la cámara de intercambio de calor que es paralela a la dirección de flujo principal del fluido de transferencia de calor a través del interior de cámara de intercambio de calor. Pero, por supuesto, la dimensión del área de transición es dependiente de una cantidad de características del sistema de intercambio de calor completo, por ejemplo, la temperatura del fluido de transferencia de calor, el flujo de masa del flujo de intercambio de calor, la velocidad del flujo de intercambio de calor a las temperaturas de abertura pertinentes, etc.
A fin de ahorrar espacio y a fin de reducir la proporción superficie-volumen para una pérdida de calor reducida, es ventajoso implementar un área de transición lo más corta posible. El resultado es un canal corto de transición para guiar el flujo de entrada hacia el interior de cámara de intercambio de calor. Además de un uso eficiente de la capacidad de la cámara de intercambio de calor, un bajo requisito de espacio está conectado a esta solución.
Preferentemente, la cámara de intercambio de calor comprende un límite de cámara de forma cilíndrica. Por ejemplo, el límite de cámara que comprende la primera abertura se forma como un cilindro circular y/o el límite de cámara con
la segunda abertura se forma como un cilindro circular. Dichas formas dan lugar a las mejores relaciones de superficievolumen.
Las dimensiones de la cámara de intercambio de calor pueden ser diferentes. Pero la invención es especialmente ventajosa para los sistemas de intercambio de calor con grandes cámaras de intercambio de calor. Por lo tanto, en un modo de realización preferente, la cámara de intercambio de calor horizontal comprende una longitud de cámara de intercambio de calor que es al menos el doble del ancho de cámara de intercambio de calor de la cámara de intercambio de calor y/o que es al menos el doble de la altura de cámara de intercambio de calor de la cámara de intercambio de calor. Preferentemente, la longitud de cámara de intercambio de calor se selecciona del intervalo entre 20 m y 300 m. Además, el ancho de cámara de intercambio de calor y/o la altura de cámara de intercambio de calor se seleccionan del intervalo de 1 m a 100 m.
Preferentemente, la cámara de intercambio de calor del sistema de intercambio de calor está enterrada. Más preferente, la cámara de intercambio de calor se localiza en una excavación. Por lo tanto, de acuerdo con un modo de realización preferente, la cámara de intercambio de calor está dispuesta al menos parcialmente en al menos una excavación de suelo de un suelo. El intercambio de calor resultante es más barato en comparación con un sistema de intercambio de calor que se construye en la superficie de un suelo. Entonces, al menos uno de los límites de cámara de intercambio de calor está formado al menos en parte por al menos un límite de suelo.
El sistema de intercambio de calor está especialmente adaptado para el funcionamiento a altas temperaturas de más de 300 °C. Por lo tanto, en un modo de realización preferente, una temperatura de funcionamiento del modo de funcionamiento se selecciona del intervalo entre 300 °C y 1000 °C, preferentemente se selecciona del intervalo entre 500 °C y 1000 °C, más preferentemente se selecciona del intervalo entre 600 °C y 1000 °C, 650 °C a 1000 °C y lo más preferentemente entre 700 °C y 1000 °C. Es posible una desviación de los intervalos de temperatura. En este contexto, es muy ventajoso un límite superior del intervalo de temperatura de 900 °C y lo más preferentemente un límite superior del intervalo de temperatura de 800 °C. El sistema de intercambio de calor es un sistema de intercambio de calor de alta temperatura.
La invención propuesta se puede aplicar para la producción de energía renovable así como para la producción de energía convencional. Por ejemplo, a fin de incrementar la flexibilidad, el ciclo de vapor de las centrales eléctricas de combustión fósil (o centrales nucleares, etc.) se puede combinar con el sistema de intercambio de calor propuesto aquí. En este caso, la caldera del ciclo de vapor de la central de energía se puede hacer funcionar con combustible cuando los costes de combustible sean menores que los costes de electricidad y el sistema de intercambio de calor se cargue en períodos en que los precios de la electricidad sean bajos. De forma alternativa, la carga puede tener lugar durante un período de producción excesiva de energía.
La ventaja de la presente invención radica en evitar huecos dentro del material de almacenamiento de calor provocados por la empaquetadura del material de almacenamiento de calor. Estos huecos tienen una resistencia al flujo menor que el llenado del interior de cámara de intercambio de calor con material de almacenamiento de calor. Por lo tanto, se evita que las áreas en el interior de cámara de intercambio de calor pasen preferentemente a través del flujo del fluido de transferencia de calor debido a una resistencia menor. La eficacia general del sistema se incrementa debido a la mejora de la perfusión y del intercambio de calor. Además, las soluciones descritas son ambas pasivas y, por lo tanto, no son caras de mantener y no consumen energía, y se pueden implementar con bajos costes.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Otras características y ventajas de la invención se producen a partir de la descripción de modos de realización ejemplares con referencia a los dibujos. Los dibujos son esquemáticos.
La figura 1 muestra una cámara de intercambio de calor del sistema de intercambio de calor.
La figura 2 muestra una distribución de temperatura de la cámara de intercambio de calor de la figura 1 en un modo de carga.
La figura 3 muestra el sistema de intercambio de calor en un modo de carga.
La figura 4 muestra el mismo sistema de intercambio de calor en un modo de descarga.
La figura 5 muestra una cámara de intercambio de calor con un flujo incontrolado.
Las figuras 6 y 7 muestran soluciones para evitar el flujo incontrolado del fluido de transferencia de calor representado en la figura 5.
Las figuras 8 a 11 muestran modos de realización alternativos de la invención.
DESCRIPCIÓN DE LOS MODOS DE REALIZACIÓN PREFERENTES
El núcleo de la presente invención es un sistema de intercambio de calor 1 con una cámara de intercambio de calor 11 en un nivel alto de temperatura.
El material de almacenamiento de calor 121 (por ejemplo, piedras o arena) que se localiza en el interior de cámara de intercambio de calor 112 de la cámara de intercambio de calor 11 se puede cargar y descargar con calor por medio del fluido de transferencia de calor 13. El calor se almacena por el material de almacenamiento de calor 121 y se puede liberar del material de almacenamiento.
El nivel de temperatura del calor almacenado es significativamente mayor en comparación con los procedimientos aplicados hasta ahora para incrementar la eficacia. El nivel de temperatura se sitúa entre 300 °C y 1000 °C, preferentemente entre 500 °C y 1000 °C, más preferentemente entre 650 °C y 1000 °C y lo más preferentemente entre 700 °C y 1000 °C. La capacidad térmica del sistema de intercambio de calor 1 se sitúa en el intervalo entre 0,3 GWh y 100 GWh, lo que genera una potencia térmica de 50 MW.
El sistema de intercambio de calor 1 comprende al menos una cámara de intercambio de calor 11 con límites de cámara de intercambio de calor 111 que rodean al menos un interior de cámara de intercambio de calor 112 de la cámara de intercambio de calor 11. La cámara de intercambio de calor 11 es una cámara de intercambio de calor horizontal 113.
Los límites de cámara de intercambio de calor 111 comprenden al menos una primera abertura 1111 para guiar hacia dentro un flujo de entrada 132 de al menos un fluido de transferencia de calor 131 hacia el interior de cámara de intercambio de calor 112 y al menos una segunda abertura 1112 para guiar un flujo de salida 133 del fluido de transferencia de calor 131 hacia fuera del interior de cámara de intercambio de calor 112. Al menos un material de almacenamiento de calor 121 está dispuesto en el interior de cámara de intercambio de calor 112, de modo que un flujo de intercambio de calor 13 del fluido de transferencia de calor 131 a través del interior de cámara de intercambio de calor 112 provoca un intercambio de calor entre el material de almacenamiento de calor 121 y el fluido de transferencia de calor 131.
Adicionalmente, la cámara de intercambio de calor 11 comprende al menos un dispositivo de empaquetadura 123 para la compensación de una empaquetadura del material de almacenamiento de calor 131 dentro del interior de cámara de intercambio de calor 112.
De forma ejemplar, la longitud de cámara de intercambio de calor de la cámara de intercambio de calor horizontal 11 es de aproximadamente 200 m, la altura de cámara de intercambio de calor de la cámara de intercambio de calor 11 es de aproximadamente 10 m y el ancho de cámara de intercambio de calor de la cámara de intercambio de calor es de aproximadamente 50 m.
Con la ayuda del sistema de intercambio de calor 1 propuesto, la energía térmica se puede almacenar en un nivel de alta temperatura durante el modo de carga. Esta energía térmica almacenada se puede usar durante el modo de descarga para la producción de vapor en un ciclo de vapor de agua para la reconversión en energía eléctrica.
Existe un área de transición 116 de la cámara de intercambio de calor 11 con un perfil cónico 1161. De este modo, un diámetro de abertura 1113 de la abertura 1111 u 1112 se alinea con un primer diámetro de perfil cónico 1162 del perfil cónico 1161 y un diámetro de cámara 117 de la cámara de intercambio de calor 11 se alinea con un segundo diámetro de perfil cónico 1163 del perfil cónico 1161.
El flujo de entrada 132 del fluido de transferencia de calor 13 se guía hacia el interior de cámara de intercambio de calor 112. El flujo de entrada 132 guiado se distribuye a un área amplia del material de almacenamiento de calor 121. Mediante esta medida, se puede usar una capacidad de la unidad de intercambio de calor (material de almacenamiento de calor 121 que se localiza en el interior de cámara de intercambio de calor 112) de una manera ventajosa.
El área de transición 116 es corta. El área de transición corta 116 sobresale en la cámara de intercambio de calor 11. El resultado es un canal de transición corta para el guiado del flujo de entrada 132 hacia el interior de cámara de intercambio de calor 112 de la cámara de intercambio de calor 11.
El sistema de intercambio de calor 1 está equipado adicionalmente con al menos un elemento de ajuste de flujo 134 para ajustar adicionalmente un flujo de masa del flujo de intercambio de calor 13 del fluido de transferencia de calor 131 a través del interior de cámara de intercambio de calor 11. El elemento de ajuste de flujo 134 es un dispositivo de movimiento activo de fluidos 1341 como un soplador o una bomba. Dicho dispositivo permite un transporte del fluido de transferencia de calor 131 a través del interior de cámara de intercambio de calor 112 de la cámara de intercambio de calor 11. El soplador o la bomba se puede instalar corriente arriba o corriente abajo de la cámara de intercambio de calor 11.
En el modo de carga, el fluido de transferencia de calor 131 entra en la cámara de intercambio de calor 11 a través de un difusor 1164. El difusor 1164 comprende piedras 1165 y está dispuesto en el área de transición 116 de la cámara de intercambio de calor 11.
El flujo de intercambio de calor 13 del fluido de transferencia de calor 131 se dirige en la dirección de modo de carga 135. El elemento de ajuste de flujo 134, 1341 se instala de forma ventajosa corriente arriba de la unidad de carga 200, 201 (figura 3): El fluido de transferencia de calor relativamente frío pasa por el elemento de ajuste de flujo 134, 1341 antes de absorber el calor de la unidad de carga.
Para el modo de carga, el fluido de transferencia de calor 131 se calienta a partir de las condiciones del ambiente mediante el dispositivo de calentamiento eléctrico 201 (unidad de carga 200). Este fluido de transferencia de calor cargado (calentado) se guía hacia el interior de cámara de intercambio de calor 112 de la cámara de intercambio de calor 11 para cargar el material de almacenamiento de calor. De este modo, tiene lugar el intercambio de calor entre el fluido de transferencia de calor y el material de almacenamiento de calor. Con la referencia 2000, se muestra el frente de temperatura en un momento determinado de este proceso de carga (figura 2). Además, se representa el gradiente de temperatura 2001 que da como resultado el frente de temperatura.
Para el modo de descarga, el sistema de intercambio de calor 1 comprende una o varias cámaras de intercambio de calor 11 mencionadas anteriormente, un dispositivo de movimiento activo de fluidos 1341 para hacer circular el fluido de transferencia de calor 131 y una máquina térmica para la reelectrificación, lo que puede ser un ciclo de agua/vapor 1003. El fluido de trabajo de este ciclo es agua y vapor. El ciclo de agua/vapor 1003 tiene la función de una unidad de descarga 400. Los componentes esenciales del ciclo de turbina de vapor 1003 son una turbina de vapor 1006 y un generador 1004.
En el modo de descarga, el flujo de intercambio de calor del fluido de transferencia de calor se dirige en la dirección de modo de carga 136.
Con la ayuda del sistema de intercambio de calor (intercambiador de calor) 1002, el calor del fluido de transferencia de calor se transfiere al fluido de trabajo del ciclo de vapor 1003.
El sistema de intercambio de calor 1 comprende un bucle cerrado 1005. El fluido de intercambio de calor que ha pasado por el interior de cámara de intercambio de calor 112 se guía de vuelta hacia el interior de cámara de intercambio de calor 112.
La figura 5 muestra el problema de la empaquetadura del material de almacenamiento de calor. Se encuentra disponible una ruta adicional en el techo de la cámara de intercambio de calor para el flujo del fluido de transferencia de calor. El control del flujo de intercambio de calor a través del interior de cámara de intercambio de calor es fundamental. En base a la invención, el hueco se reduce.
Con respecto a un primer modo de realización, el techo de la cámara de intercambio de calor se acaba de colocar sobre el material de almacenamiento de calor. Debido a la fuerza de gravedad (o al vacío en el interior de cámara de intercambio de calor por succión del fluido de transferencia de calor gaseoso), el techo se presiona contra el material de almacenamiento de calor (figura 6). Con la instalación de un sistema de guía (por ejemplo, guía de riel) o estructuras de reborde (por ejemplo, muescas, hendiduras, ranuras) a lo largo de los bordes del techo y de la estructura de soporte, se garantiza una reducción uniforme (movimiento vertical) del techo. La reducción del techo y del sellado del hueco se produce debido al peso neto de los techos. Además, el guiado del techo y las conexiones a las paredes están diseñadas de modo que no se produzcan fugas en la unidad de almacenamiento de calor. Adicionalmente, es posible cubrir todo el almacenamiento con una lámina para garantizar la estanqueidad de las fugas. Esta lámina está pegada a la contención de almacenamiento externo y puede estar hecha de lámina de EPDM.
En un modo de realización alternativo, las pestañas de flujo se usan para compensar la empaquetadura del material de almacenamiento de calor. Para cerrar el hueco, se instalan pestañas de flujo pasivo sobre toda la longitud de almacenamiento de la cámara de intercambio de calor. Estas pestañas de flujo están montadas con un rodamiento flexible, como se muestra en la figura 7. Cuando la altura de llenado del almacenamiento disminuye, debido a la mayor densidad del material de relleno de almacenamiento, las pestañas de flujo cierran el hueco entre el techo y la altura de llenado real continuamente debido a su peso neto. También es posible construir el techo, también como una estructura de soporte firmemente conectada, para cerrar el hueco, las pestañas de flujo pasivo se instalan en toda la longitud de almacenamiento. Estas pestañas de flujo están montadas con un rodamiento flexible, como se muestra en la figura 7. Cuando la altura de llenado del material de almacenamiento de calor disminuye, debido a la mayor densidad general del material de almacenamiento de calor, las pestañas de flujo cierran el hueco entre el techo de la cámara de intercambio de calor y la altura de llenado real continuamente debido a su peso neto.
En el modo de realización relativo a la figura 8, el obstáculo de flujo flexible 1232) comprende una bolsa de aire. Para evitar los flujos de derivación y las pérdidas de calor resultantes, se puede instalar una o más bolsas de aire entre la estructura de soporte del almacenamiento de calor y el techo aislado en reducción. El número y el tamaño de las bolsas de aire instaladas dependen de la permeabilidad del aislamiento sobre el material de almacenamiento hacia el
fluido de transferencia de calor. Las bolsas de aire bloquean el fluido de transferencia de calor, de modo que tiene que fluir a través del material de almacenamiento para llegar a la segunda abertura. La bolsa de aire debe estar hecha de un material flexible y elástico que se adapte a la forma del hueco. También es necesario que sea resistente a las temperaturas que se produzcan por encima del techo aislado. El volumen de la bolsa de aire se debe adaptar al volumen del hueco (especialmente a la altura y al ancho si la longitud de la bolsa de aire es paralela a la dirección del flujo del fluido de transferencia de calor) en todo momento durante el funcionamiento. Esto se puede resolver bombeando un fluido (por ejemplo, aire) dentro de la bolsa de aire cuando el almacenamiento se enfríe (descargando) y bombeando un fluido fuera de la bolsa de aire cuando el almacenamiento se caliente (cargando) de una manera en la que la presión en la bolsa de aire se mantenga a un nivel constante.
De forma alternativa, también es posible una cantidad de bolsas de aire (véase la figura 9).
Otra opción para incrementar la resistencia al flujo entre el techo aislado (118) y la estructura de soporte del material de almacenamiento de calor es instalar obstáculos de flujo flexibles que cubran toda la sección transversal del hueco en crecimiento (véase la figura 10). Estos obstáculos de flujo están conectados tanto a la estructura de soporte arriba como al techo aislado debajo que se sitúa en la parte superior del material de almacenamiento. Los obstáculos de flujo no absorben ninguna fuerza resultante de la reducción del techo aislado de modo que el techo aislado siempre está en contacto directo con el material de almacenamiento debido a la gravedad y/o a la baja presión dentro del volumen vacío del material de almacenamiento. Los obstáculos de flujo pueden estar hechos de telas resistentes a la temperatura con una alta resistencia al flujo y se pueden plegar antes de que comience la primera operación de almacenamiento de calor como se indica en la Figura 5. A medida que el techo aislado se reduce durante el funcionamiento del almacenamiento de calor, las telas plegadas se desplegarán paso a paso y, por lo tanto, cubrirán la sección transversal del hueco por completo en todo momento. Puede existir un sistema de guiado en el lado del almacenamiento de calor que conecta los obstáculos de flujo a la pared interna para reducir las fugas a los lados de los obstáculos de flujo (véase la figura 11).
Un modo de realización adicional resulta al excavar al menos en parte la cámara de intercambio de calor: A fin de reducir el coste de instalación de la cámara de intercambio de calor y a fin de crear una contención de adaptación de volumen (cámara de intercambio de calor con el dispositivo de empaquetadura), la cámara de intercambio de calor se localiza al menos parcialmente en una excavación.
El material de almacenamiento de calor comprende piedras. Las cargas de la cámara de intercambio de calor, por ejemplo, debido a la expansión térmica y a las fuerzas de gravedad, se soportarán por el suelo circundante y un techo flexible.
Los límites de cámara de intercambio de calor y la base de la cámara de intercambio de calor pueden estar hechos de hormigón, acero, hormigón poroso, arcilla espumada o cualquier otro material de construcción que pueda separar el suelo circundante del interior del material de almacenamiento. Especialmente para un extremo frío de la cámara de intercambio de calor, las paredes de tablestacas pueden ser una forma sencilla y económica de construir un límite hermético entre el material de almacenamiento y el suelo.
Las cerraduras de la pared de tablestacas están soldadas de modo que la pared de la pila de láminas sea hermética. La pared de tablestacas y la base de la cámara de intercambio de calor forman una forma fija y definida de modo que el fluido de transferencia de calor se pueda distribuir y fluir de forma óptima a través del interior de cámara de intercambio de calor con las piedras.
Debido a que el material de almacenamiento de calor está estrictamente separado del suelo circundante, la cámara de intercambio de calor con el material de almacenamiento de calor es más independiente de la calidad del suelo circundante. Por lo tanto, se incrementa el número de localizaciones posibles para instalar la cámara de intercambio de calor del sistema de intercambio de calor.
Una forma fija de la cámara de intercambio de calor evita que la excavación se aplaste debido a la expansión térmica y la contracción, lo que incrementaría las pérdidas de calor debido al aislamiento disminuido y a la superficie incrementada.
Las capas de aislamiento térmico están unidas a los límites de intercambio de calor (por ejemplo, techo, paredes laterales o recipiente) en el interior o en el exterior para reducir las pérdidas de calor y evitar que se sobrecaliente el suelo circundante. El material de aislamiento se selecciona del grupo de cerámica, sinterizado, ladrillos, arcilla espumada, lana mineral, espuma mineral, fibras minerales, vidrio de espuma, vermiculita, perlita, chamota, componentes de vacío formados, silicato de calcio y material de aislamiento microporoso.
En lugar de un techo estático convencional con aislamiento térmico, una capa flexible de aislamiento térmico cubre el material de almacenamiento de calor. Opcionalmente se instalará una capa interna para proteger de la abrasión toda la capa de aislamiento térmico.
A fin de evitar que el fluido de transferencia de calor salga de la cámara de intercambio de calor hacia los lados, se instala una lámina hermética. Esta lámina se puede instalar entre la estructura de soporte (límites de cámara de intercambio de calor como la pared de la cámara de intercambio de calor o la base de la cámara de intercambio de calor) y la capa de aislamiento.
Como no hay ningún techo estático, la lámina hermética en la parte superior de la cámara de intercambio de calor se sitúa directamente encima de la capa de aislamiento. La lámina se puede conectar firmemente a la parte superior de las paredes laterales de la cámara de intercambio de calor de modo que no se produzcan huecos de aire. Para evitar el desgarro de la lámina hermética, se puede instalar con arrugas de modo que se pueda desplegar en el caso de una expansión térmica del material de almacenamiento de calor.
La capa de aislamiento térmico (o la capa de protección contra la abrasión) se sitúa directamente encima del material de almacenamiento de calor de modo que no se necesite más estructura de soporte aquí. Una capa de suelo se localiza en la parte superior de la capa de aislamiento térmico para cubrirla.
El suelo en la parte superior de la cámara de intercambio de calor es preferentemente el suelo tomado de la excavación a fin de evitar un transporte caro.
La capa de aislamiento térmico que se sitúa en la parte superior del material de almacenamiento de calor puede ser recta o curvada dependiendo de su expansión total y/o contracción debido a los cambios de temperatura y la carga resultante del suelo en la parte superior para evitar la formación de huecos de aire.
La primera abertura (abertura de entrada) y la segunda abertura (abertura de salida) de la cámara de intercambio de calor están estrechamente conectadas a la estructura de soporte de modo que no pueda haber fugas del fluido de transferencia de calor. La forma definida de los límites de cámara de intercambio de calor de la cámara de intercambio de calor evita que se desplacen la primera y la segunda abertura. Esto da como resultado una posición óptima de las primera y segunda aberturas a lo largo del ciclo de vida de la cámara de intercambio de calor de modo que se distribuya idealmente el fluido de transferencia de calor.
Debido a que una parte del sistema de tuberías que se conecta a la cámara de intercambio de calor se instala debajo del nivel del suelo, se puede evitar un soporte de tuberías caro y complejo. El peso de esta parte del sistema de tuberías se soporta por el suelo circundante.
Claims (11)
1. Sistema de intercambio de calor (1), con
- al menos una cámara de intercambio de calor (11) con límites de cámara de intercambio de calor (111) que rodean al menos un interior de cámara de intercambio de calor (112) de la cámara de intercambio de calor (11), en el que - los límites de cámara de intercambio de calor (111) comprenden al menos una primera abertura (1111) para guiar hacia dentro un flujo de entrada (132) de al menos un fluido de transferencia de calor (131) hacia el interior de cámara de intercambio de calor (112) y al menos una segunda abertura (1112) para guiar hacia fuera un flujo de salida (133) del fluido de transferencia de calor (131) hacia fuera del interior de cámara de intercambio de calor (112);
- al menos un material de almacenamiento de calor (121) está dispuesto en el interior de cámara de intercambio de calor (112) de modo que un flujo de intercambio de calor (13) del fluido de transferencia de calor (131) a través del interior de cámara de intercambio de calor (112) provoca un intercambio de calor entre el material de almacenamiento de calor (121) y el fluido de transferencia de calor (131); caracterizado por que
- la cámara de intercambio de calor (11) comprende al menos un dispositivo de empaquetadura (123) para la compensación del hueco, el hueco resultante de una empaquetadura del material de almacenamiento de calor (131) dentro del interior de cámara de intercambio de calor (112),
en el que el dispositivo de empaquetadura (123) es un techo deslizante verticalmente (118) de la cámara de intercambio de calor (11) que se sitúa en la parte superior del material de almacenamiento de calor (131) y/o el dispositivo de empaquetadura (123) es una pared de tablestaca flexible como parte de al menos uno de los límites laterales de cámara de intercambio de calor (1115) de la cámara de intercambio de calor (11).
2. Sistema de intercambio de calor de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el dispositivo de empaquetadura comprende además al menos un obstáculo de flujo flexible (1232) para el flujo de intercambio de calor (13).
3. Sistema de intercambio de calor de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el obstáculo de flujo flexible (1232) comprende al menos una bolsa que está llena de aire.
4. Sistema de intercambio de calor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el techo y un límite lateral de cámara de intercambio de calor (1115) están conectados entre sí herméticamente sellados.
5. Sistema de intercambio de calor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el dispositivo de empaquetadura está dispuesto entre al menos un límite de intercambio de calor de la cámara de intercambio de calor y el material de almacenamiento de calor.
6. Sistema de intercambio de calor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el dispositivo de empaquetadura comprende pestañas de flujo.
7. Sistema de intercambio de calor de acuerdo con la reivindicación 6, en el que las pestañas de flujo son pestañas de flujo pasivo que están dispuestas en el techo de la cámara de intercambio de calor.
8. Sistema de intercambio de calor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el fluido de transferencia de calor comprende un gas a presión ambiente de gas.
9. Sistema de intercambio de calor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la cámara de intercambio de calor (11) está dispuesta al menos en parte en al menos una excavación de suelo (160) de un suelo (161).
10. Sistema de intercambio de calor de acuerdo con la reivindicación 9, en el que al menos uno de los límites de cámara de intercambio de calor (111) está formado al menos en parte por al menos un límite de suelo (1601).
11. Procedimiento para intercambiar calor usando el sistema de intercambio de calor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10, en el que, en un modo de funcionamiento del sistema de intercambio de calor, el flujo de intercambio de calor del fluido de transferencia de calor se guía a través del interior de cámara de intercambio de calor, en el que se provoca un intercambio de calor entre el material de almacenamiento de calor y el fluido de transferencia de calor.
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