ES2933996A1 - Intercambiador de calor - Google Patents
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Abstract
Intercambiador de calor, que tiene al menos un tubo serpentín (1) para que circule por su interior un fluido caloportador estando el tubo serpentín (1) alojado en el interior de una estructura de celdas periódicas (4) para la circulación de aire (5) por su interior, cuyas paredes tienen una conductividad térmica mayor de 100 W/mK. El intercambiador tiene además medios de cerramiento que albergan en su interior a la estructura de celdas periódicas (4) formando una configuración tipo sándwich. El tubo serpentín (1) está realizado en plástico, y el intercambiador de calor tiene una masa aglomerante (3) que envuelve al tubo serpentín (1), de forma tal que la masa aglomerante (3) tiene agregados conductividad térmica mayor de 25 W/mK para que el material compuesto presente una conductividad térmica mayor de 4 W/mK.
Description
DESC RIPCI N
INTERCAMBIADOR DE CALOR
Campo de la invención
La presente invención pertenece al campo técnico de la captación de energía térmica y de la climatización, concretamente a las estructuras destinadas a dicha captación y climatización, y su optimización para reducir las pérdidas energéticas, y de forma específica las estructuras constructivas que integran sistemas energéticos de baja entalpía y alto rendimiento, para la captación de energía térmica y su empleo en la climatización. La invención se refiere en particular a un intercambiador de calor para la climatización de baja entalpía y su aplicación a edificios y cualquier otro recinto de diversos sectores en los que la climatización es fundamental, tal automoción y otros medios de transporte, medios de almacenamiento de datos, etc.
Antecedentes de la invención
En la actualidad existen diversos sistemas de captación de energía térmica y diversos sistemas de aplicación de esta a la climatización de edificios y otros recintos. Con el objeto de reducir los efectos negativos sobre el medio ambiente de las emisiones de CO2 , se están estableciendo medidas y directrices para disminuir el consumo de energía hasta hacerlo casi nulo.
Concretamente, en el sector de la edificación, una de las direcciones tomada es la implementación de elevados niveles de aislamiento de toda la envolvente de los edificios al tiempo que se eliminan los puentes térmicos y se optimizan las ganancias solares e internas, y adicionalmente implementando ventilación mecánica con recuperación de calor de alta eficiencia. Es lo que se conoce como edificaciones pasivas.
Adicionalmente se desarrollan sistemas activos como colectores solares térmicos y fotovoltaicos de última generación y el almacenamiento de energía térmica sensible y latente, que puedan llegar a cubrir la demanda energética aún en los periodos de
condiciones climatológicas más adversas. En estos casos la demanda térmica debe ser satisfecha por recursos renovables generados en la propia edificación o en proximidad a ella.
El documento WO2011018088A2 muestra estructuras y componentes para el intercambio de energía térmica en edificios, y se refiere a un sistema de tubos con fluido en paredes, techos o suelos de edificios para transportar e intercambiar calor/frío generado/almacenado en otras partes del edificio. El objetivo de este sistema es aumentar el confort en el edificio con el menor consumo de energía y la menor huella de carbono.
Los documentos WO2014198742A1 y WO2016180999A1 se refieren a estructuras y componentes utilizadas en la construcción de edificios, en las que se añade a los hormigones grafito, grafeno, nanotubos de carbono y otros aditivos para aumentar su conductividad térmica y hacer más eficiente el intercambio de energía térmica en edificios.
El documento EP3453985B1, cuyo titular es solicitante de la presente solicitud, muestra una edificación bioclimática con al menos un sistema colector de energía solar y un sistema de distribución y emisión térmica, formados por al menos un serpentín de tubo para un fluido caloportador en el interior de una capa de hormigón compuesto por una mezcla de aglomerantes cementantes y agregados que incluye una composición con carburo de silicio con un tamaño de grano superior a 1 milímetro en al menos un 30% de volumen con respecto al volumen total de hormigón, y donde el volumen total de la composición que incluye al carburo de silicio es al menos del 45% con respecto al volumen total de hormigón. De esta forma se consigue un modelo radiativo con una captación, emisión y distribución de calor en condiciones de baja entalpía y alta eficiencia, lo que proporciona un edificio autosuficiente y positivo en energía durante prácticamente todos los días del año. Sin embargo, estos edificios presentan una serie de inconvenientes, como son que los sistemas utilizados tienen un alto coste (debido al elevado coste del SiC y la complejidad de su instalación), y unas altas emisiones de CO2 en los materiales empleados (CO2 embebido) que impiden el despliegue masivo de esta solución y el aprovechamiento a gran escala que pueda contribuir a la descarbonización de los edificios y ciudades a nivel mundial. Además, requiere una superficie de implantación amplia al ser un sistema radiante y también tiene un peso por metro
cuadrado elevado que dificulta su uso en la reforma de edificios para convertirlos en positivos en energía.
Además, otro de los inconvenientes de los sistemas actuales es que los serpentines de tubo metálicos tienen durabilidad limitada en exteriores, ya que no resisten la congelación, y además la baja superficie de contacto entre los tubos y las aletas es un cuello de botella que limita la transmisión de calor entre el tubo y el aire. Estas aletas tienen una superficie de contacto limitada porque la soldadura y estampado de metales tiene un coste elevado. Por su manufactura son elementos costosos, lo que acaba limitando su dimensionamiento que obliga a tener elevados diferenciales de temperatura entre el fluido caloportador y el aire, lo que impediría la baja entalpía. Este problema se podría resolver empleando piezas de fundición que forman el conducto y aletas integrales obteniendo un flujo lo más radial posible pero es una solución compleja y muy costosa con uso limitado en exterior.
La UE estima que el 40% de las emisiones de gases de efecto invernadero provienen de los edificios y la mayor parte (más del 70%) es debido a las necesidades térmicas de dichos edificios (calefacción, ACS y refrigeración) y se ha fijado el objetivo de tener edificios neutros para el 2050. Las soluciones existentes hasta el momento pasan todas ellas por la mejora substancial de los cerramientos del edificio junto con la implementación de sistemas renovables activos. Pero con la tecnología actual, y debido a los inconvenientes indicados anteriormente, es logística y económicamente inviable lograr el ambicioso objetivo marcado.
Es por tanto deseable un sistema de intercambio de calor para captación de energía térmica y climatización que proporcione una climatización basada en un intercambio de calor a baja entalpía de forma eficiente, con un consumo mínimo de energía, evitando los inconvenientes de los sistemas anteriores existentes en el estado de la técnica
Descripción de la invención
La presente invención resuelve los problemas existentes en el estado de la técnica mediante un intercambiador de calor, que tiene al menos un tubo serpentín para la circulación por su interior de un fluido caloportador (generalmente líquido caloportador), estando el tubo serpentín alojado en el interior de una estructura de celdas periódicas
configuradas para la circulación de aire por su interior, teniendo las paredes de las celdas periódicas una muy alta conductividad térmica, lo que implica una conductividad térmica del material de las paredes de las celdas de al menos 100 W/mK. Además el intercambiador de calor dispone de medios de cerramiento que albergan en su interior a la estructura de celdas periódicas, formando una configuración tipo sándwich.
Las celdas periódicas se refieren a celdas de cualquier tipo de sección poligonal repetidas periódicamente, aunque predominan las de sección hexagonal o de panal, para la maximización de la superficie de contacto entre las caras de las diferentes celdas. Esta estructura permite multiplicar el área de transferencia térmica por 20 respecto a la misma sección de transferencia del tubo, equilibrando la diferencia entre la convección del agua en el interior del tubo y la convección del aire que pasa a través de las celdas.
Particularmente, las celdas periódicas pueden ser metálicas (aluminio, acero, cobre, etc.) u otros materiales de conductividad térmica elevada, tales como óxido de berilio y grafito.
En cuanto a la disposición y orientación relativa de las conducciones de los fluidos, las celdas periódicas están orientadas perpendicularmente a los medios de cerramiento en el caso de que estos sean placas, cajas o paredes, es decir con la sección poligonal paralela a dichas placas, cajas o paredes, mientras que el tubo serpentín que conduce el fluido caloportador está orientado perpendicularmente a dichas celdas periódicas, aunque otras disposiciones y configuraciones pueden ser posibles, por ejemplo el tubo serpentín dispuesto oblicuamente a las celdas periódicas, o también dispuestos a contracorriente.
En el intercambiador de calor de la presente invención, el tubo serpentín está realizado en plástico termoconformable de bajo coste y alta resistencia. Al estar realizado en plástico, se resuelven los problemas existentes en los serpentines del estado de la técnica de resiliencia debido a contracciones y dilataciones, congelación, sobrepresión, y también los anteriores problemas de corrosión. Así, el uso de material plástico en el tubo serpentín permite aumentar la resistencia del intercambiador de calor en exteriores, ya que la pared de plástico del tubo es capaz de absorber por deformación elástica las dilataciones producidas por congelación del fluido caloportador.
El intercambiador de calor presenta adicionalmente una masa aglomerante que envuelve al tubo serpentín, teniendo la masa aglomerante agregados de alta conductividad térmica, lo que supone que el material compuesto de la masa aglomerante y los agregados tenga una conductividad térmica de al menos 4 W mK. Esta masa aglomerante actúa como material intermedio, contactando con el tubo serpentín de plástico y con las celdas periódicas que conducen el aire, y crea un flujo de calor radial uniformemente repartido que permite un intercambio de calor eficiente usando toda la superficie perimetral del tubo serpentín, de manera que su temperatura sea completamente uniforme en toda su masa (AT<0,3K). En el caso de que se produjera la congelación del fluido en el tubo serpentín y su pared no absorbiera toda la expansión (caso improbable), la fragilidad a tracción de los materiales de la masa aglomerante hará que, en el peor de los casos, se formen grietas radiales de manera que no se cortarán las líneas de flujo de calor radiales por las que no se perderá la uniformidad de temperatura ni la eficiencia para transmitir calor radialmente.
De forma particular, la masa aglomerante puede ser de cemento, resina, o combinación de ambos. También de forma particular, los agregados incluidos en la masa aglomerante pueden ser carburo de silicio (SiC), metales, grafito, grafeno y combinación de algunos o todos ellos.
Esta masa aglomerante de alta conductividad térmica contrarresta la baja conductividad térmica del reducido espesor de plástico de la pared del tubo serpentín generando un flujo radial uniforme, lo que permite al intercambiador de calor de la presente invención trabajar con bajos diferenciales de temperatura a una baja entalpía, pese a ser el plástico un mal conductor térmico.
El intercambiador de calor formado por estos elementos permite crear un sistema de transferencia de calor entre el fluido caloportador en el tubo serpentín y el aire que fluye por las celdas que es económico, resistente y eficiente gracias a que es homogéneo (sin apenas gradientes de temperatura), aumenta varias veces el área de contacto entre las celdas y el tubo serpentín (frente a los sistemas existentes basados en aletas) y el alto potencial térmico suministrado por el fluido caloportador que circula por el tubo serpentín al aire que fluye por las celdas por la envolvente de material aglomerante de alta conductividad térmica.
Además, teniendo en cuenta que la masa aglomerante con agregados de alta conductividad térmica tiene un coste elevado, unas emisiones de CO2 embebidas significativas y un peso por metro cuadrado alto, al limitar su uso a unos carriles alrededor del tubo serpentín de plástico, se reduce la cantidad usada en más de un 70% con respecto al que se podría utilizar en el estado de la técnica. El resto de masa aglomerante se sustituye por la estructura de celdas periódicas que tiene un coste, emisiones embebidas y peso notablemente inferiores. Y sobre todo, se multiplica la superficie de contacto pudiendo crear un emisor o captador de energía térmica de baja entalpía y alta eficiencia, resistente, con mucho menor coste, peso y huella de carbono.
Comparado con intercambiadores aire-fluido realizados totalmente en metal (tanto el tubo para fluido caloportador y los conductos de aire), la presente invención y el uso de la masa aglomerante permite un área de intercambio mayor entre el tubo serpentín y celdas de aire que compensa la menor conductividad del tubo de plástico y tiene un coste menor que las soldaduras o estampados de áreas grandes entre el tubo y los conductos.
Preferentemente, en el intercambiador de calor de la presente invención el tubo serpentín tiene un diámetro exterior de entre 8-12 mm y un espesor de entre 0.7-1.5 mm. Esto permite disponer de elevada transferencia térmica (más de 7 W por metro lineal con una diferencia de temperatura entre ambas superficies de 1 K). El diámetro reducido hace que el tubo serpentín transporte un volumen relativamente pequeño de fluido caloportador en su interior, lo que limita la magnitud de la expansión del fluido en el caso de una posible congelación. Este espesor indicado del tubo serpentín de plástico sería capaz de absorber esa expansión limitando la carga transmitida al exterior. Así, la transferencia de calor entre el fluido caloportador dentro del tubo serpentín y el aire fluyendo por las celdas periódicas se mantiene alta debido al diámetro y espesor pequeño del tubo serpentín plástico, y a la masa aglomerante de alta conductividad envolviendo toda la superficie exterior del tubo serpentín en contacto directo con una superficie amplia de la estructura de celdas periódicas.
Dependiendo de las aplicaciones particulares o los diferentes usos, y lugares donde esté instalado el intercambiador, los medios de cerramiento serán diferentes.
De acuerdo con una realización particular de la invención, los medios de cerramiento estarán formados por una primera placa dispuesta en un lado de la estructura de celdas periódicas, y una segunda placa dispuesta en el lado opuesto de la estructura de celdas periódicas.
Según diferentes materializaciones de esta realización anterior, la primera placa o piel es de bajo espesor, menor de 2,5 mm, y puede estar realizada en un material de muy alta conductividad térmica, para intercambiadores de calor usados como emisores interiores para climatización de espacios mediante suelo, pared o techo radiantes. Esto implica el uso de materiales en la placa o piel con una conductividad térmica de al menos 100 W/mK. Alternativamente, la primera placa puede estar realizada en un material de alta absorción de energía lumínica y baja emisividad, para captadores solares térmicos en exterior, dispuestos en fachada y cubierta. Esto supone una absorción de energía lumínica de al menos un 60% y una emisividad térmica menor de 0,2.
En cuanto a la segunda placa o piel, también de bajo espesor, menor de 2,5 mm, puede estar realizada en un material de alta conductividad térmica (al menos una conductividad de 25 W/mK), o baja conductividad (como máximo una conductividad de 0,5 W/mK) térmica en función de que esté en contacto o no con una masa que pueda servir de acumulador de energía térmica.
En esta realización, la transmisión de calor será entre las superficies exteriores del sándwich, exterior a las placas, y el sistema compuesto por el fluido caloportador, el tubo serpentín de plástico y la envolvente de masa aglomerante de alta conductividad térmica. Este sistema puede emplearse en sistemas radiantes en interiores de edificios (suelo, techo o paredes). Además del coste menor de los componentes del sistema respecto al descrito en el documento del estado de la técnica anterior EP3453985B1, su instalación en obra (nueva o reforma) también se simplifica, ya que en el caso de la presente invención solo hay que colocar las placas y la estructura de celdas periódicas sobre el suelo, para luego insertar el tubo serpentín en carriles realizados en la estructura de celdas periódicas, y añadir finalmente la masa aglomerad alrededor del tubo serpentín y dejarlo solidificar. De esta forma se evita tener que realizar todo el esquema del serpentín de tubo en obra, así como el vertido de hormigón en toda la superficie del suelo.
De acuerdo con una realización alternativa de la invención, los medios de cerramiento están formados por una única primera placa o piel dispuesta en un lado de la estructura de celdas periódicas. En el lado contrario de la estructura de celdas periódicas no se incluye ninguna placa, y en cambio el intercambiador presenta un relleno de masa de baja conductividad en el interior de las celdas periódicas, lo que supone una conductividad menor de 0,5 W/mK.
Según otra realización de la invención, los medios de cerramiento están formados por una caja externa realizada en un material con una alta conductividad, es decir, conductividad mayor de 25 W/mK, dispuesta a cada lado de la estructura de celdas periódicas. Además, de acuerdo con esta realización de la invención, el intercambiador de calor presenta medios de ventilación forzada para redirigir el aire y hacerlo circular múltiples veces por las celdas periódicas en proximidad de diferentes partes del tubo serpentín con el fluido caloportador.
Con esta realización se consigue un intercambiador de calor interior híbrido radiativoconvectivo. El objetivo de la ventilación forzada es aumentar el caudal de aire en las celdas y por tanto generar un intercambio mayor de calor entre el fluido caloportador y el volumen de aire. Por tanto, estas unidades de climatización interior tendrán una superficie y tamaño menor que las placas para emisores radiantes descritas según la realización anterior, disminuyendo su coste, peso y huella de carbono.
Por tanto, esta realización del intercambiador de calor se puede utilizar para la climatización sistemas de transporte (coches, camiones, trenes o aviones) mediante su instalación en paredes y techo y la conexión a una bomba de calor para realizar una climatización eficiente con un peso bajo. Al trabajar con bajos diferenciales de temperatura, la bomba de calor operaría con coeficiente de rendimiento (COP) muy alto (>9) por lo que sería especialmente adecuado a sistemas de transporte con propulsión 100% eléctrica donde la calefacción es una fuente importante de consumo energético respecto a los motores basados en combustibles fósiles que emplean el calor residual de la combustión.
Además, debido a su baja superficie, peso, coste y huella de CO2 , esta realización del intercambiador de calor se puede utilizar integrada en bastidores de servidores para su
refrigeración con aplicación en grandes centros de datos para computación y almacenamiento en la nube.
De un modo análogo, esta realización se puede utilizar a modo de mueble que reviste congeladores y refrigeradores para disipar eficientemente el calor emitido por el condensador de los mismos, que habitualmente trabaja confinado y con una limitada capacidad de disipación de calor, con lo que se aumentaría drásticamente su eficiencia y reduciría su consumo eléctrico.
De acuerdo con otra realización del intercambiador de calor, los medios de cerramiento están formados por una pared exterior transparente a la radiación solar, dispuesta en uno de los lados de la estructura de celdas periódicas, que será la que se disponga hacia el exterior, para recibir radiación solar, y una pared interior dispuesta en el lado opuesto de la estructura de celdas periódicas, configurada para en uso absorber la radiación solar que ha atravesado la pared exterior transparente y no ha sido absorbida por la estructura de celdas periódicas y la masa aglomerante.
Con esta realización se consigue un intercambiador de calor exterior híbrido radiativoconvectivo capaz de trabajar indistintamente como panel térmico solar o como aerotermia. En caso de disponer de radiación solar directa suficiente, esta unidad exterior trabajaría en modo panel termosolar proveyendo de un fluido caloportador a una temperatura superior a la ambiental en el circuito primario de una bomba de calor aguaagua que trabajaría con un COP alto (>5). Cuando la energía de la radiación solar incidente en la superficie expuesta de esta unidad exterior quede por debajo de la demanda de la bomba de calor agua-agua, se activará su función como ventiloconvector, introduciendo aire exterior forzado iniciando el aporte térmico como sistema de aerotermia con el apoyo solar que pueda existir incluso en condiciones de radiación difusa. Lo que se consigue con esto es una temperatura en el retorno del primario superior a la que se obtiene con los sistemas de aerotermia existentes en la actualidad.
En esta realización de la invención, la estructura de celdas periódicas presenta un acabado pulido y coloración oscura para dotarlas de una absorción selectiva con baja emisividad. La estructura de celdas periódicas con el tubo serpentín y la masa aglomerante estará contenida en un cuerpo con función carcasa que en su pared
exterior (pared orientada al sol) dispondrá un vidrio que permita el paso de la radiación solar hacia las celdas y genere un efecto invernadero. La profundidad de las celdas será superior a 25 mm con un lado de celda inferior a los 10 mm, por lo que salvo con una perpendicularidad total del Sol, la radiación solar incidirá siempre sobre las mismas. El lado opuesto se cerrará con una pared interior opaca, que podría disponer celdas fotovoltaicas para recoger en forma de energía eléctrica la porción de luz incidente no absorbida por la estructura de celdas periódicas y la masa aglomerante y por tanto no transformada en calor.
Por ejemplo, considerando una bomba de calor agua de 5 kW de potencia térmica, en condiciones de sol directo con una radiación incidente de 1000 W/m2, una unidad exterior híbrida de 5m2 conseguiría un retorno del primario a una temperatura mayor al ambiente. Con un emisor interior de baja entalpía como los descritos que opere con agua en el secundario a menos de 23°C, se asegura un COP superior a 5 con unos equipos con costes muy asequibles. La misma instalación en un día nublado con una radiación difusa de 200 W/m2, modulando el compresor de la bomba podría obtener una producción térmica superior a los 1000 W, con un COP aún superior a 5.
Mediante la presente invención se solucionan los problemas existentes en el estado de la técnica relativos al elevado coste, peso, superficie necesaria, complejidad de instalación, resiliencia y CO2 embebido, y permite obtener edificios (nuevos o reformados) de un modo simple en los que la inversión en el sistema de climatización de baja entalpía tiene un rápido retorno económico por los ahorros en consumos energéticos. La mejora del sistema pasa por transformar el modelo radiativo existente en el sistema del estado de la técnica descrito en el documento EP3453985B1 a un sistema mixto de captación y emisión híbrido radiativo-convectivo, manteniendo la alta transferencia térmica con los bajos diferenciales de temperatura (y con ello la baja entalpia) del sistema del documento EP3453985B1.
La presente invención resuelve problemas anteriores de coste, CO2 embebido, extensión, resistencia y peso abriendo la puerta a sistemas de intercambio de calor entre fluidos y aire que pueden ser empleados en captadores exteriores y en emisores interiores para permitir que todas las nuevas construcciones y las reformas energéticas de edificios los conviertan en positivos en energía y con cero emisiones de CO2 lo que eliminaría una de las contribuciones principales al cambio climático.
El sistema del documento EP3453985B1 del estado de la técnica anterior limitaba su ámbito de aplicación a edificios con sistemas de climatización. Por el contrario, la presente invención permite implementar la tecnología de climatización de baja entalpía en el resto de los sectores de la técnica donde la climatización es fundamental, como automoción, trenes, aviones, barcos o data centers al reducir drásticamente su peso y coste, facilitar su modularización y mejorar su resistencia.
La presente invención puede ser empleada tanto en sistemas exteriores (captadores termo solares o unidades exteriores de aerotermias o aires acondicionados) como en interiores (ventiloconvectores para calefacción o refrigeración de edificios y sistemas).
Breve descripción de los dibujos
A continuación, para facilitar la comprensión de la invención, a modo ilustrativo pero no limitativo se describirá una realización de la invención que hace referencia a una serie de figuras.
La figura 1 muestra de forma esquemática una vista de sección lateral de una realización particular del intercambiador de calor objeto de la presente invención, que muestra sus elementos principales.
La figura 2 muestra de forma esquemática una vista de sección en planta del intercambiador de calor de la figura 1.
La figura 3 muestra de forma esquemática una vista de sección lateral de una realización alternativa del intercambiador de calor de la invención con una placa y un relleno de masa en el interior de las celdas periódicas.
La figura 4 muestra de forma esquemática una vista de sección lateral de otra realización del intercambiador de calor en disposición de emisor híbrido radiativo-convectivo para interior.
La figura 5 muestra de forma esquemática una vista de sección lateral de otra realización del intercambiador de calor en disposición de captador híbrido radiativo-convectivo para
exterior
En estas figuras se hace referencia a un conjunto de elementos que son:
1. tubo serpentín
2. fluido caloportador
3. masa aglomerante
4. celdas periódicas
5. aire
6. primera placa o piel de los medios de cerramiento
7. segunda placa o piel de los medios de cerramiento
8. relleno de masa
9. caja externa
10. pared exterior
11. pared interior
Descripción detallada de la invención
El objeto de la presente invención es un intercambiador de calor, destinado a la captación de energía térmica y la climatización
Tal y como muestran las figuras, el intercambiador de calor tiene al menos un tubo serpentín (1) para la circulación por su interior de un fluido caloportador (2), que generalmente es un líquido. El tubo serpentín (1) está alojado en el interior de una estructura de celdas periódicas (4) que actúan de conducción para la circulación de aire (5) por su interior, de forma tal que las paredes de las celdas periódicas (4) presentan una muy alta conductividad térmica, lo que convencionalmente significa que el material de estas celdas tenga una conductividad térmica de al menos 100 W/mK. Además el intercambiador de calor dispone de medios de cerramiento, los cuales albergan en su interior a la estructura de celdas periódicas (4), formando el conjunto una configuración tipo sándwich.
Las celdas periódicas (4) en esta descripción se refieren a celdas de cualquier tipo de sección poligonal repetidas periódicamente, aunque predominan las de sección hexagonal o de panal, para la maximización de la superficie de contacto entre las caras de las diferentes celdas, como se puede apreciar en las figuras.
Particularmente, las celdas periódicas (4) pueden ser metálicas (aluminio, acero, cobre, etc.) u otros materiales, siempre que tengan conductividad térmica muy elevada, mayor de 100 W/mK, tales como óxido de berilio y grafito.
En cuanto a la disposición y orientación relativa de las conducciones de los fluidos, las celdas periódicas (4) están orientadas perpendicularmente a los medios de cerramiento en el caso de que estos sean placas (6,7), cajas (9) o paredes (10,11), es decir con la sección poligonal paralela a dichas placas (6,7), cajas (9) o paredes (10,11), mientras que el tubo serpentín (1) que conduce el fluido caloportador (2) está orientado perpendicularmente a dichas celdas periódicas (4), como se puede observar en las figuras, aunque otras disposiciones y configuraciones pueden ser posibles, por ejemplo el tubo serpentín (1) dispuesto oblicuamente a las celdas periódicas (4), o también dispuestos a contracorriente.
En el intercambiador de calor de la presente invención, el tubo serpentín (1) está realizado en plástico, lo que incrementa su durabilidad en exteriores,
Como se puede observar en las figuras, el intercambiador de calor presenta adicionalmente una masa aglomerante (3) que envuelve al tubo serpentín (1), y dicha masa aglomerante (3) incluye agregados de alta conductividad térmica, lo que supone que el material compuesto de la masa aglomerante (3) y los agregados tenga una conductividad térmica de al menos 4 W/mK. Esta masa aglomerante (3)contacta con el tubo serpentín (1) y con las celdas periódicas (4), lo que favorece el intercambio de calor eficiente usando toda la superficie perimetral del tubo de serpentín.
Particularmente, la masa aglomerante (3) puede ser de cemento, resina, o combinación de ambos. También de forma particular, los agregados incluidos en la masa aglomerante (3) pueden ser carburo de silicio (SiC), metales, grafito, grafeno y combinación de algunos o todos ellos, siempre que cumplan con el requerimiento de alta conductividad térmica.
Preferentemente, el tubo serpentín (1) del intercambiador de calor de la presente invención tiene un diámetro exterior de entre 8-12 mm y un espesor de entre 0.7-1.5 mm. Esto asegura que, dependiendo de las aplicaciones particulares, o los diferentes
usos y lugares donde esté instalado el intercambiador, los medios de cerramiento serán diferentes.
De acuerdo con una realización particular de la invención mostrada en la figura 1, los medios de cerramiento estarán formados por una primera placa o piel (6) dispuesta en un lado de la estructura de celdas periódicas (4), y una segunda placa o piel (7) dispuesta en el lado opuesto de la estructura de celdas periódicas (4).
Según diferentes materializaciones de esta realización anterior, la primera placa o piel (6) es de bajo espesor, menor de 5 mm, y puede estar realizada en un material de alta conductividad térmica, para intercambiadores de calor de emisores de interiores para climatización de espacios mediante suelo, pared o techo radiantes. Esto implica materiales con una conductividad térmica de al menos 25 W/mK. Alternativamente, la primera placa o piel (6) puede estar realizada en un material de alta absorción de energía lumínica y baja emisividad, para captadores solares térmicos en exterior, dispuestos en fachada y cubierta. Esto supone una absorción de energía lumínica de al menos un 60% y una emisividad térmica menor de 0,2.
En cuanto a la segunda placa o piel (7), también de bajo espesor, puede estar realizada en un material de alta conductividad térmica (al menos una conductividad de 25 W/mK), o baja conductividad térmica (como máximo una conductividad de 0,5 W/mK) en función de que esté en contacto o no con un volumen que pueda servir de acumulador de energía térmica.
De acuerdo con una realización alternativa de la invención, representada en la figura 3, los medios de cerramiento están formados por una única primera placa o piel (6) dispuesta en un lado de la estructura de celdas periódicas (4). En el lado contrario de la estructura de celdas periódicas no se incluye ninguna placa, y en cambio el intercambiador presenta un relleno de masa (8) de baja conductividad térmica en el interior de las celdas periódicas (4), lo que supone una conductividad menor de 0,5 W/mK. Este relleno de masa que provee de rigidez a la estructura y aislamiento térmico puede ser tipo yeso, escayola o similar, para su integración en sistemas de trasdosados o revestimientos para su uso en paredes.
La figura 4 muestra otra realización de la invención, en la que los medios de cerramiento están formados por una caja externa (9) realizada en un material con una muy alta conductividad térmica, es decir, conductividad térmica mayor de 100 W/mK, dispuesta a cada lado de la estructura de celdas periódicas (4). Además, de acuerdo con esta realización de la invención, el intercambiador de calor presenta medios de ventilación forzada para redirigir el aire (5) y hacerlo circular múltiples veces por las celdas periódicas (4).
De acuerdo con otra realización del intercambiador de calor, mostrada en la figura 5, los medios de cerramiento están formados por una pared exterior (10) transparente a la radiación solar, dispuesta en uno de los lados de la estructura de celdas periódicas (4), que será la que se disponga hacia el exterior, para recibir radiación solar, y una pared interior (11) dispuesta en el lado opuesto de la estructura de celdas periódicas (4), para absorber la radiación solar que ha atravesado la pared exterior (10) transparente y no ha sido absorbida por la estructura de celdas periódicas (4) y la masa aglomerante (3).
Claims (11)
1. Intercambiador de calor, que comprende
- al menos un tubo serpentín (1), configurado para la circulación por su interior de un fluido caloportador (2), dicho tubo serpentín (1) alojado en el interior de
- una estructura de celdas periódicas (4) configuradas para la circulación de aire (5) por su interior, teniendo las paredes de las celdas periódicas (4) una conductividad térmica mayor de 100 W/mK, y
- medios de cerramiento que albergan en su interior a la estructura de celdas periódicas (4), formando una configuración tipo sándwich,
caracterizado por que
- el tubo serpentín (1) está realizado en plástico,
- el intercambiador de calor comprende una masa aglomerante (3) que envuelve al tubo serpentín (1), contactando con dicho tubo serpentín (1) y con las celdas periódicas (4), teniendo la masa aglomerante (3) agregados de conductividad térmica mayor de 25 W/mK, lo que hace que el material compuesto tenga una conductividad térmica mayor de 4 W/mK.
2. Intercambiador de calor, según la reivindicación 1, en el que el tubo serpentín (1) tiene un diámetro exterior de entre 8-12 mm y un espesor de entre 0.7-1.5 mm.
3. Intercambiador de calor, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la masa aglomerante está seleccionada entre cemento, resina y una combinación de ambos.
4. Intercambiador de calor, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los agregados incluidos en la masa aglomerante (3) están seleccionados entre carburo de silicio, metales, grafito y grafeno.
5. Intercambiador de calor, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las paredes de las celdas periódicas (4) están realizados en material seleccionado entre metálico, óxido de berilio y grafito.
6. Intercambiador de calor, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios de cerramiento comprenden
- una primera placa (6) dispuesta en un lado de la estructura de celdas periódicas (4),
- y una segunda placa (7) dispuesta en el lado opuesto de la estructura de celdas periódicas (4).
7. Intercambiador de calor, según la reivindicación anterior, en el que primera placa (6) tiene conductividad térmica mayor de 25 W/mK.
8. Intercambiador de calor, según la reivindicación 6, en el que la primera placa (6) tiene una absorción de energía lumínica mayor del 60% y una emisividad térmica menor de 0,2.
9. Intercambiador de calor, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios de cerramiento comprenden
- una primera placa (6) dispuesta en un lado de la estructura de celdas periódicas (4),
- y un relleno de masa (8) con una conductividad menor de 0,5 W/mK en el interior de las celdas periódicas (4).
10. Intercambiador de calor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que
- los medios de cerramiento comprenden una caja externa (9) realizada en un material con una conductividad mayor de 25 W/mK dispuesta a cada lado de la estructura de celdas periódicas (4), y
- el intercambiador de calor comprende medios de ventilación forzada configurados para redirigir el aire (5) y hacerlo circular múltiples veces por las celdas periódicas (4).
11. Intercambiador de calor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que los medios de cerramiento comprenden
- una pared exterior (10) transparente a la radiación solar, dispuesta en un lado de la estructura de celdas periódicas (4), y
- una pared interior (11) opaca dispuesta en el lado opuesto de la estructura de celdas periódicas (4), que comprende celdas fotovoltaicas configuradas para absorber
la radiación solar que no ha sido absorbida por la estructura de celdas periódicas (4) y la masa aglomerante (3).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2933996 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20230215 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2933996 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20230926 |