ES2828693B2 - Fluido de transferencia térmica de composición basada en el uso de agua - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

Fluido de transferencia térmica de composición basada en el uso de agua

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un fluido biodegradable y ecológico, sustitutivo del aceite en su uso como refrigerante o disipador de calor en equipos eléctricos o de calefacción.

El campo de aplicación de Ia presente invención, se encuentra dentro del sector químico al proponer una fórmula para un fluido que sustituya al aceite en sus aplicaciones dentro de dispositivos disipadores de calor, más concretamente en la industria de la climatización.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como introducción al estado de la técnica en la materia, es conveniente introducir el concepto de "fluido disipador de calor” como cualquier líquido que una vez almacenado en un dispositivo a tal efecto y al calentarlo haciendo uso una resistencia eléctrica, circula por el interior de los circuitos del referido dispositivo como consecuencia de la diferencia de presiones que se generan, calentado, como consecuencia, el ambiente del recinto en el que se encuentra.

Así, es por todos conocido como los fluidos basados en aceites son utilizados en muchas aplicaciones comerciales e industriales, por ejemplo, en sistemas de calentamiento industrial con aceite térmico, haciendo uso para ello de una cámara de combustión a través de un serpentín. Así, en estas aplicaciones, el serpentín toma energía de la combustión, mediante el sistema de aceite bombeado a bajas presiones que por él circula, comportándose como un fluido térmico que al calentar los serpentines transmite el calor de forma indirecta a un consumidor, haciendo uso del correspondiente circuito hidráulico.

Otra aplicación habitual del aceite es como fluido térmico dentro de un radiador, con un funcionamiento muy parecido al uso industrial del aceite térmico. En estas aplicaciones, el radiador conectado a la red eléctrica proporciona energía en forma de calor a través de resistencias colocadas en el interior del mismo. En concreto, estas resistencias están en contacto directo con el fluido o aceite térmico contenido en su interior aportándoles el calor necesario y la presión para que se dilate y origine el correspondiente flujo de aceite por el interior del circuito de tuberías que contiene el radiador, hasta calentar el ambiente que lo circunda.

Además, los sistemas de calentamiento que hacen uso de aceite térmico pueden operar a presiones muy bajas, dentro de una gama de temperaturas de hasta 360°C.

Ahondado en el origen y características de los fluidos térmicos, se pueden clasificar en fluidos térmicos de tipo sintético o de tipo material. El primer grupo se halla formado por derivados del petróleo, a los que se han añadido diferentes aditivos a fin de mejorar determinadas propiedades. Por otro lado, los aceites térmicos de tipo mineral son combinaciones de hidrocarburos a los que también se han añadido diferentes aditivos, siendo la diferencia fundamental entre ambos grupos, el rango de temperaturas en el que operan, más elevado en los aceites térmicos de tipo sintético.

No obstante, los sistemas de calentamiento que operan con aceite térmico sean de tipo mineral, sintético o incluso medicinal, se adaptan con facilidad a los requerimientos de cada aplicación, con independencia de que sea para el sector petroquímico, la industria agroalimentaria, automoción, madera, u otro sector o industria cualquiera.

Atendiendo a los inconvenientes que suponen el uso del aceite en la sociedad actual, al proceder del petróleo y, por tanto, de combustibles fósiles, es un fluido altamente contaminante, cuando con frecuencia es vertido al medio sin control alguno. En concreto en el caso de los radiadores de aceite, cuando concluye su vida útil suelen acabar en vertederos donde son prensados para un mejor aprovechamiento del metal o carcasa con el consiguiente vertido del aceite al suelo, lo que supone un impacto medioambiental considerable. En conclusión, existe una conciencia ambiental cada vez mayor relativa a la necesidad de sustituir estos aceites térmicos por otros fluidos que tengan rendimientos similares durante su ciclo de vida, pero que una vez se conviertan en residuo tras su uso, reduzcan considerablemente su impacto en el medio ambiente.

Luego a modo de conclusión surge la necesidad de cambiar el aceite como fluido disipador de calor, al tratarse habitualmente de un aceite mineral altamente refinado para su producción como derivado del petróleo y, por tanto, procedentes de combustibles fósiles, los cuales, son recursos limitados en la naturaleza y no renovables. Así, la sociedad actual, toma cada vez más conciencia de la importancia de cuidar nuestro entorno, haciendo que nuestro desarrollo sea sostenible en el tiempo ante la realidad del cambio climático, como consecuencia, entre otras cosas, del uso desproporcionado de los productos químicos derivados del petróleo, que al finalizar su vida útil generan un impacto ambiental relevante.

Atendiendo a las invenciones presentes en el estado de la técnica, identificadas por número de publicación y título, respectivamente;

1. ES2384848B1, Radiador eléctrico de alto rendimiento y eficiencia termodinámica, en la que se propone el uso de agua como fluido térmico, aunque la misma al no incorporar sustancias adicionales no soluciona los problemas que su uso directo incorpora.

2. ES1072521U, Radiador convector eléctrico de bajo consumo en la que se plantea el fluido térmico en aceite o agua, aunque evidentemente se trata de una propuesta con fines específicos y claramente diferenciados.

3. ES2233289T3, Fluido de transferencia térmica que contiene nanoparticulas y carboxilatos, referido al uso de partículas submicrométricas (nanopartículas) y carboxilatos para mejorar las características de transferencia térmica de fluidos de transferencia térmica o refrigerantes anticongelantes.

4. WO2015011318A1 Patente mundial 2014-06-26. PCT/ES2014/070520 Procedimiento de acumulación de energía térmica en un dispositivo con fluido condensable donde ya se introducen la problemática asociada al uso del agua como fluido térmico, aunque evidentemente se trata de una invención con fines claramente diferenciados.

5. WO2013182713A1, Fluidos térmicos mejorados, donde se propone un nuevo fluido térmico que no está basado en el uso de agua.

6. ES2363288A1, Receptor solar de sales fundidas, que hace uso de un fluido térmico de sales fundidas.

7. ES-2384848B1, Radiador eléctrico de alto rendimiento y eficiencia termodinámica, en el que el fluido térmico es agua con aditivos.

Ante la problemática descrita no resuelta por el estado de la técnica, la propuesta objeto de la presente invención consiste en la sustitución del aceite térmico como fluido disipador de calor, por otro fluido que no proceda de combustibles fósiles, mejorando el impacto ambiental de los dispositivos que lo utilizan tanto a lo largo de su vida útil como tras ella, una vez convertido en residuo.

A priori, como condicionante de partida, para que una sustancia pueda ser utilizada como portadora de calor, ha de cumplir las siguientes condiciones;

S Bajo precio de adquisición y fácil obtención.

S Buena estabilidad térmica.

S No ha de deteriorar mediante corrosión los materiales de los dispositivos que lo contienen, radiadores, tuberías, serpentines, etc.

S Baja volatilidad.

S Buenas propiedades de transferencia de calor.

S Bajo punto de solidificación y baja viscosidad.

En cuanto a la eficiencia de su uso, es importante señalar que una pérdida en la eficiencia energética puede tener impactos ambientales secundarios a través de un incremento de consumo de combustibles fósiles asociado a una mayor demanda de energía eléctrica.

Además, al objeto de integrarse en la tecnología y equipos habitualmente extendidos en el estado de la técnica, sería deseable que el nuevo fluido resultante pudiera sustituir al aceite térmico sin necesidad de llevar a cabo cambios algunos en los equipos existentes.

Por último, también es importante, recalcar la importancia de que en aplicaciones de transferencia de calor es necesario que el fluido utilizado no sea una sustancia inflamable. La expresión "no inflamable” se refiere a un comportamiento ante el fuego asociado a un compuesto o composiciones, en virtud de lo que se establece en la Norma ASTM E-681 de 2002.

Habida cuenta de que el agente transmisor de calor con las propiedades calorífica más favorables es el agua, al permitir transmitir grandes cantidades de calor a temperaturas de hasta 100 ° C sin requerir para ello elevadas presiones, en combinación a su fácil obtención, se ha investigado en la identificación de un fluido que contenga agua como principal componente y que pueda sustituir al aceite térmico.

Continuando con el análisis del comportamiento del agua ante los cambios de temperatura y la problemática a resolver, se observa como a medida que el agua eleva su temperatura a 180 °C, desarrolla una presión de vapor de 10 bar, alcanzando los 50 bar para una temperatura de 260 °C, lo cual involucra inexorablemente la aparición de una serie de riesgos que complica su utilización. Por otro lado, los materiales en contacto prolongado con el agua sufren problemas de corrosión y deterioro en el tiempo que implica una mayor supervisión y mantenimiento, haciendo en la práctica que el uso de los sistemas de calefacción indirecto mediante vapor se encuentre hoy en día en regresión.

A partir del contexto anterior, para la obtención de la composición del fluido disipador de calor se planteó el siguiente condicionado;

S El fluido no podría estar compuesto por sustancias procedentes de combustibles fósiles.

S El uso del agua como principal componente requiere de una sustancia espesante que incremente la viscosidad del fluido térmico resultante ya que el agua en estado puro presenta una viscosidad que no hace viable su uso en un sistema de disipación de calor.

S Se hace necesario que el fluido térmico resultante no generara corrosión sobre la envolvente interior del dispositivo o instalación que lo contiene.

S Otras propiedades presenten en los fluidos térmico más extendidos como son buenas propiedades para la transferencia de calor, estabilidad química, toxicidad baja o nula y no inflamabilidad.

A partir de los antecedentes y la problemática descrita, el "Fluido de transferencia térmica de composición basada en el uso de agua”, propone un fluido basado en agua a la que se añaden un conjunto de componentes que le confiere las características adecuadas para su uso como fluido térmico, concretamente, evitando que produzca la habitual corrosión sobre los recipientes al contacto con el agua, mientras que su viscosidad y eficiencia energéticas es similar a la del aceite térmico que sustituye, aunque aportando adicionalmente las siguientes ventajas con respecto al estado de la técnica en la materia;

S Ahorro del consumo eléctrico del orden de un 30%, al comparar el uso de un radiador convencional de aceite térmico, respecto al que utilizaría el fluido objeto de la invención manteniendo el mismo rendimiento térmico.

S Permite la sustitución directa de los aceites térmicos presentes en el mercado, ya que al incorporar el carboximetilcelulosa se aumenta la viscosidad del fluido resultante, haciéndola similar a la de un aceite térmico convencional utilizado como disipador de calor en la mayoría de los dispositivos generadores de calor.

S Reducción de impacto ambiental asociado al uso del fluido propuesto en sustitución del aceite térmico, al no incorporar ninguna sustancia procedente de combustibles fósiles.

S Coste de adquisición del agua.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

A modo de explicación de la invención, el "Fluido de transferencia térmica de composición basada en el uso de agua” se basa en el uso de agua (H2O) como fluido disipador de calor a la que se añade las siguientes sustancias en las proporciones aproximadas en peso que se indican;

A. Entre un 0,8% y un 1% de carboximetilcelulosa, al objeto de hacer más espesa la disolución resultante.

B. Entre un 0,2% y un 0,7% de silicatos.

C. Entre un 0,3% y un 0,5% de hidróxido de sodio (NaOH) o hidróxido de potasio (KOH) a modo de sustancia química con propiedades alcalinas, al objeto de evitar la corrosión en el dispositivo en el que se ubica el fluido resultante y mantener un pH básico.

A partir de la composición descrita, el uso de los silicatos y del hidróxido de sodio o de potasio impide, por un lado, que se produzca el habitual efecto de corrosión del agua sobre los elementos metálicos con los que está en contacto y, por otro, mantiene un pH básico en el intervalo comprendido entre 10 y 12, en el cual se mantienen estables todas las propiedades que la adición de carboximetilcelulosa le ha proporcionado al agua.

El referido "Fluido de transferencia térmica de composición basada en el uso de agua” se obtiene haciendo uso de un reactor industrial provisto de los siguientes elementos adicionales;

A. Manta calefactora, al objeto de acelerar y optimizar la disolución de las referidas sustancias.

B. Un agitador que garantice una disolución uniforme en todo el volumen de fluido contenido en el reactor.

A partir del fluido obtenido, objeto de la presente invención, el mismo encuentra aplicación en cualquier instalación o dispositivo que requiera para su funcionamiento el uso de un fluido térmico, siendo por tanto la aplicación más frecuente en radiadores eléctricos de aceite utilizados en los sistemas de calefacción de edificios, en los que se puede hacer uso del mismo en sustitución del aceite térmico sin adaptación alguna del radiador proporcionando un rendimiento térmico equivalente al aceite que sustituye e incluso de mayor eficiencia energética.

A continuación, se presentan ejemplos ilustrativos de la invención que se exponen para una mejor comprensión de la misma y que, en ningún caso, deben considerarse una limitación de su alcance.

Así, los referidos ejemplos ilustrativos son ensayo donde se compara el funcionamiento de un radiador de diferentes características al sustituir el aceite térmico convencional por el fluido de transferencia térmica basado en el agua objeto de la presente invención, al objeto de evaluar tanto su rendimiento térmico como su eficiencia energética.

Ejemplo 1

Se hace uso de una primera disolución basada en el "Fluido de transferencia térmica de composición basada en el uso de agua” para un radiador de aceite de cinco elementos con una resistencia de 1000 W potencia, según la composición que se muestra en Tabla 1 a continuación;

Acto seguido en la Figura 1, se recopilaron los datos correspondientes a las temperaturas resultantes en el mismo radiador, tanto al utilizar como fluido térmico el aceite como al sustituirlo por el fluido objeto de la presente invención, evidenciando que se alcanza una mayor temperatura al llevar a cabo la sustitución.

Evidentemente, a partir de los resultados obtenidos, con la sustitución del fluido térmico se podría reducir la potencia de la resistencia utilizada dentro del radiador en la cantidad necesaria para obtener unas temperaturas similares a las obtenidas con el aceite como fluido disipador de calor, reduciendo en consecuencia el consumo eléctrico del dispositivo con el consiguiente ahorro energético.

Ejemplo 2

Se prepara una nueva disolución con la misma composición que la utilizada en el ejemplo 1, haciendo uso en esta ocasión de dos radiadores iguales de siete elementos cada uno. Únicamente se ha reducido la potencia de la resistencia alojada en el radiador en el que se va a introducir la disolución basada en agua aditivada en un 30%, sin alterar la potencia original en el segundo radiador, al objeto de llevar a cabo un nuevo estudio de temperaturas comparando las temperaturas obtenidas en sendos radiadores.

Acto seguido en la Figura 2, se recopilaron los datos de las temperaturas obtenidas en sendos radiadores, evidenciando que al reducir la potencia del radiador en un 30%, el uso de la disolución basada en agua aditivada mantiene las temperaturas en el mismo rango que las proporcionadas por el radiador relleno de aceite, proporcionando en consecuencia un rendimiento térmico similar al que proporciona el radiador que contiene aceite convencional, aunque reduciendo el consumo energético en un 30%.

Ejemplo 3

Como continuación de los ejemplos anteriores y al objeto de confirmar que los mismos son extrapolables a radiadores de mayores dimensiones, se prepara una nueva disolución para un radiador eléctrico de nueve elementos.

En este caso se realiza la comparación de las temperaturas proporcionada por tres radiadores iguales que únicamente se diferencian en los siguientes aspectos;

A. Un radiador eléctrico de nueve elementos que mantiene la potencia eléctrica original dotado de aceite térmico convencional.

B. Un radiador eléctrico con una resistencia de la misma potencia que en el apartado anterior dotado del fluido basado en agua objeto de la presente invención.

C. Un radiador eléctrico dotado del fluido basado en agua objeto de la presente invención, con una resistencia de una potencia de un 30% inferior.

A modo de conclusión de los resultados obtenidos, en la Figura 3, se muestra como a pesar de que en el radiador que hace uso de la disolución basada en agua se ha reducido la potencia eléctrica en un 30%, su rendimiento térmico sigue estando por encima del que proporciona el radiador relleno de aceite a una potencia eléctrica superior.

Ejemplo 4

A continuación, se llevó a cabo una prueba al objeto de valorar si el fluido objeto de la presente invención era, realmente, biodegradable al estar en contacto con las plantas.

En concreto, se llevaron a cabo pruebas con la especie, "epipremnum aureum”, comúnmente conocido como "potus", "pothos" o "potos" de la familia Araceae nativa del sudeste asiático.

Las pruebas consistían en el vertido de 80 ml en diferentes potos, durante dos días a la semana, de las siguientes variedades de líquidos;

1. Fluido de la invención recién fabricado.

2. Fluido de la invención una vez ha sido utilizado en un radiador eléctrico.

3. Agua.

Para ello se utilizaron cinco potos convenientemente numerados, del uno al cinco, vertiendo fluido de la invención recién fabricado en los potos número uno y dos, fluido de la invención usado en un radiador eléctrico en el poto número tres y agua en los potos número cuatro y cinco, estas últimas llamadas plantas de control, ya que la comparativa física de los potos regados con el fluido de la invención se realizaron con estas últimas para observar los cambios que puedan tener durante la prueba.

El resultado de la prueba evidenciaba que después de tres meses, las plantas regadas con el fluido de la invención tanto nuevo como una vez usado, no presentaban deterioro alguno, manteniendo un aspecto similar al del primer día.

Es decir, las plantas regadas con el fluido de la invención tenían un aspecto similar a las plantas control, que habían sido regadas únicamente con agua, concluyendo que durante un periodo de 90 días las plantas no habían sufrido ningún tipo de perturbación al ser regadas con el fluido de la invención, ya que no experimentaron cambio físico aparente durante dicho periodo de prueba.

Establecido el concepto expresado, se redacta a continuación la nota de reivindicaciones, sintetizando así las novedades que se desean reivindicar.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Fluido de transferencia térmica de composición basada en el uso de agua, caracterizado por hacer uso de agua (H2O) como fluido disipador de calor a la que se añade las siguientes sustancias en las proporciones aproximadas en peso que se indican;

A. Entre un 0,8% y un 1% de carboximetilcelulosa.

B. Entre un 0,2% y un 0,7% de silicatos.

C. Entre un 0,3% y un 0,5% de una sustancia química con propiedades alcalinas.

2. Fluido de transferencia térmica de composición basada en el uso de agua, según reivindicación 1, caracterizado porque la sustancia química con propiedades alcalinas es Hidróxido de sodio (NaOH).

3. Fluido de transferencia térmica de composición basada en el uso de agua, según reivindicación 1, caracterizado porque la sustancia química con propiedades alcalinas es Hidróxido de potasio (KOH).

4. Equipo para la obtención del "Fluido de transferencia térmica de composición basada en el uso de agua” de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por consistir en un reactor industrial provisto de manta calefactora y agitador.