ES2938477T3 - Acumulador térmico que contiene un PCM - Google Patents

Acumulador térmico que contiene un PCM Download PDF

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Abstract

Acumulador térmico (1) que comprende paredes exteriores (2) que delimitan un espacio cerrado de almacenamiento (3) que contiene un PCM (4) y un intercambiador de calor (5) formado por un conducto para fluidos dispuesto de manera que intercambia calor con dicho PCM (4).). Las paredes exteriores (2) son de metal. El PCM (4) es una solución salina acuosa que comprende como soluto una sal seleccionada del grupo que consiste en formiato de sodio, formiato de potasio, formiato de calcio y formiato de magnesio. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Acumulador térmico que contiene un PCM
Campo de la invención
La invención se refiere a un equipo térmico que contiene un PCM (material de cambio de fase) para cargar una carga térmica y posteriormente suministrarla a un entorno externo.
Más específicamente, la invención se refiere a un acumulador térmico que contiene un PCM, comprendiendo dicho acumulador térmico unas paredes externas que delimitan un espacio de almacenamiento cerrado, un PCM contenido en dicho espacio de almacenamiento y por lo menos un intercambiador de calor formado por un conducto para fluidos que presenta un orificio de entrada y un orificio de salida, estando dicho intercambiador de calor dispuesto de modo que intercambie calor con dicho PCM, estando dichas paredes externas realizadas a partir de metal y presentando una superficie interna en contacto con dicho PCM y una superficie externa en contacto con un entorno externo que rodea dicho acumulador térmico.
Estado de la técnica
Los acumuladores térmicos a los que se refiere la invención se utilizan generalmente para refrigerar un entorno mediante el contacto directo con las paredes externas del acumulador térmico. El acumulador térmico se carga previamente con una carga de refrigeración haciendo circular un refrigerante a través del intercambiador de calor, haciendo que el PCM cambie de fase de líquido a sólido. El acumulador térmico está completamente cargado con la carga de refrigeración cuando todo el PCM está en estado sólido. El refrigerante puede ser o bien un líquido que mantiene su estado líquido, por ejemplo, un líquido que circula en un circuito secundario de una unidad de refrigeración, o bien un refrigerante que se evapora en el intercambiador de calor. En este último caso, el intercambiador de calor del acumulador térmico es el evaporador de una unidad de refrigeración que comprende normalmente un evaporador, un compresor, un condensador y una válvula de expansión. El intercambiador de calor puede estar conectado al resto de la unidad de refrigeración o bien de manera permanente o bien de manera desmontable por medio de tubos flexibles de conexión. Una vez que el contenido de PCM en el acumulador térmico se ha cargado con la carga de refrigeración, la unidad de refrigeración se enciende. El acumulador térmico puede entonces refrigerar el entorno de manera autónoma (sin la unidad de refrigeración) durante un largo periodo de tiempo transfiriendo la carga de refrigeración al entorno. Esta transferencia se hace funcionar mediante el intercambio de calor entre el entorno y el PCM a través de las paredes externas del acumulador térmico, mientras el PCM vuelve progresivamente a la fase líquida. La temperatura de las paredes externas sigue siendo fría y sensiblemente constante, dado que el PCM permanece a su temperatura de cambio de fase.
El documento WO2014178015A1 divulga unos acumuladores térmicos de este tipo, en el que las paredes externas que rodean el PCM están realizadas a partir de aluminio y el PCM es una mezcla de agua y peróxido de hidrógeno. El documento US20150316309A1 sugiere la utilización de propilenglicol como PCM, como alternativa al peróxido de hidrógeno.
El documento US6148634A divulga un sistema de refrigeración de múltiples etapas que comprende un depósito de almacenamiento térmico que contiene un PCM. El sistema presenta un primer bucle de refrigeración con un primer refrigerante, un segundo bucle de refrigeración con un segundo refrigerante y un tercer bucle de refrigeración con un tercer refrigerante. El depósito de almacenamiento térmico que contiene un PCM se proporciona en el segundo bucle de refrigeración y no intercambia calor con el entorno externo a través de sus paredes externas. En una forma de realización preferida, el PCM se elabora mezclando el 20 por ciento en peso de formiato de potasio con agua.
El documento US5065598A divulga un aparato de almacenamiento térmico que utiliza como PCM agua con un aditivo. El agua en estado líquido se superenfría haciéndola circular en un aparato de refrigeración y posteriormente se convierte en hielo en forma de sorbete mediante un aparato de desuperenfriamiento a través de un tanque de almacenamiento térmico. El agua restante en estado líquido en el tanque de almacenamiento térmico se recircula mediante una bomba al interior del aparato de refrigeración, de modo que se forma hielo de manera continua en el tanque de almacenamiento térmico sin tener que bombear una salmuera. El aditivo en el agua presenta el único propósito de garantizar de manera estable un estado superenfriado, de modo que no se forme hielo en el circuito de recirculación. Se citan formiato de potasio y formiato de sodio como posibles aditivos, entre otros compuestos. La concentración de aditivo en agua es muy baja, entre el 0.05 y el 0.5% en peso. Se desaconseja utilizar una mayor concentración de aditivo, porque la estabilidad superenfriada aumenta demasiado, de modo que hacer hielo desde el estado superenfriado en el aparato de desuperenfriamiento se vuelve difícil.
Descripción de la invención
El propósito de la invención es proporcionar un acumulador térmico del tipo indicado anteriormente, en el que el PCM sea compatible con metales, sea más seguro y fácil de utilizar y proporcione un mejor comportamiento térmico del acumulador térmico.
Esto se consigue por medio de un acumulador térmico según la reivindicación 1. El PCM es una disolución de sal acuosa en la que el soluto es formiato de sodio.
Esta salmuera de formiato es particularmente adecuada como PCM para un acumulador térmico del tipo al que se hace referencia mediante la invención, porque no es corrosiva para metales, porque la utilización de la misma como PCM en un acumulador térmico no implica ninguna complicación y no supone un riesgo ni para la salud humana ni para el medioambiente, y porque su comportamiento en términos de transferencia de calor y acumulación de calor es particularmente ventajoso.
Esta salmuera de formiato según la invención es muy estable a lo largo del tiempo, a diferencia del peróxido de hidrógeno que se descompone en H2O y O2. Esta descomposición progresiva del peróxido de hidrógeno obliga a purgar regularmente el O2 acumulado en el espacio de almacenamiento cerrado y provoca también una pérdida progresiva de las propiedades térmicas del PCM. Por el contrario, la salmuera de formiato según la invención se mantiene inalterada en el espacio de almacenamiento cerrado y mantiene sus propiedades térmicas intactas durante un número infinito de ciclos de carga/descarga de calor. Otra ventaja de la salmuera de formiato según la invención con respecto al peróxido de hidrógeno es que también es estable a temperaturas superiores por encima del punto de fusión y, por tanto, es adecuada para su utilización como acumulador de calor sensible. Esto permite utilizar el acumulador térmico tanto como acumulador de calor latente como acumulador de calor sensible. El peróxido de hidrógeno no es adecuado para este propósito, porque la descomposición mencionada anteriormente se acelera cuando las temperaturas aumentan.
La salmuera de formiato según la invención es también ventajosa con respecto a la utilización de propilenglicol como PCM por varios motivos. La conductividad térmica de esta salmuera de formiato es mucho mayor y la entalpía de cambio de fase sólida-líquida es también mucho mayor.
Por tanto, la utilización de esta salmuera de formiato como PCM proporciona una tasa de transferencia de calor mayor por la conducción dentro del PCM y proporciona también una mayor acumulación de calor mediante el cambio de fase por unidad de volumen de PCM. Además, en estas salmueras de formiato la cinética de formación de cristales es mucho mejor, de modo que esta temperatura de cambio de fase se mantiene casi constante (normalmente con una variación por debajo de 1°C) entre la formación de los primeros cristales y la formación de los últimos cristales, y no hay necesidad de subenfriar significativamente el líquido con el fin de desencadenar la cristalización (normalmente un subenfriamiento de 1°C es suficiente). Por el contrario, cuando se utiliza una disolución de glicol como PCM, la variación de temperatura de cambio de fase es normalmente de entre 5°C y 10°C y puede ser necesario un subenfriamiento de hasta 10°C.
El PCM es una disolución de sal acuosa en la que el soluto es formiato de sodio. El formiato de sodio no es nocivo para el medioambiente y es adecuado para aplicaciones en contacto con alimentos. El acumulador térmico según la reivindicación 1 es particularmente adecuado para su utilización en entornos de acondicionamiento en los que están presentes productos alimenticios o farmacéuticos.
En algunas formas de realización preferidas, en las que el acumulador térmico está previsto para refrigerar un entorno externo, el PCM es una disolución de sal acuosa en la que el soluto es formiato de sodio y estando la fracción de masa de formiato de sodio en la disolución comprendida entre 0.05 y 0.25. La temperatura de cristalización de la salmuera en este intervalo de fracción de masa es de entre - 4°C y - 16°C. Esto es particularmente adecuado para refrigerar un entorno que tiene que mantenerse a temperaturas de entre - 5°C y 25°C, tal como, por ejemplo, un contenedor refrigerado en el que se almacenan productos alimenticios o farmacéuticos.
En otras formas de realización preferidas, en las que el acumulador térmico está previsto para presentar una función doble de refrigeración y de calentamiento de un entorno externo, dependiendo de la temperatura estacional de dicho entorno, el PCM es una disolución de sal acuosa en la que el soluto es formiato de sodio, estando la fracción de masa de formiato de sodio en la disolución comprendida entre 0.45 y 0.55. La temperatura de cristalización de la salmuera en este intervalo de fracción de masa es de entre 6°C y 15°C. Una temperatura de cristalización, o temperatura de cambio de fase, del PCM mayor de 0°C es particularmente adecuada para proporcionar una función doble de refrigeración o de calentamiento de un entorno que está sujeto a variaciones de temperatura estacionales o diarias y en el que se almacenan artículos que tienen que mantenerse fríos, pero sin congelación. Si la temperatura del entorno es mayor que la temperatura de cambio de fase del PCM, el acumulador térmico refrigera el entorno, de lo contrario, el mismo acumulador térmico calienta el entorno.
Las paredes externas del acumulador térmico que delimitan el espacio de almacenamiento cerrado para el PCM están realizadas ventajosamente a partir de un metal que presenta una alta conductividad térmica, preferiblemente una conductividad térmica mayor de 200 W/(m.K). Por ejemplo, podría utilizarse una aleación de aluminio de la serie 6000. Sin embargo, en las formas de realización preferidas dichas paredes externas están realizadas a partir de cobre. El término cobre se utiliza en este caso en el sentido de una aleación de cobre que presenta una composición de Cu de al menos el 99.5%. Las salmueras de formiato utilizadas como PCM según la invención son compatibles, en particular, con cobre, que presenta una conductividad térmica muy alta, más del 60% mayor que la del aluminio, de modo que las paredes externas realizadas a partir de cobre proporcionan un intercambio de calor mucho mejor entre el entorno externo y el núcleo del PCM.
El intercambiador de calor puede estar adherido al lado externo de una o varias de las paredes externas, de modo que intercambie calor con el PCM mediante conducción a través de la pared externa. Sin embargo, aprovechando la buena compatibilidad con los metales de las salmueras de formiato utilizadas como PCM, en las formas de realización preferidas el intercambiador de calor presenta una sección realizada a partir de metal, preferiblemente realizada a partir de cobre, que se adentra en el espacio de almacenamiento delimitado por las paredes externas y que está en contacto con el PCM. Esta configuración proporciona un intercambio de calor más eficiente entre el intercambiador de calor y el PCM.
Además, aprovechando la buena compatibilidad con los metales de las salmueras de formiato utilizadas como PCM, el acumulador térmico comprende preferiblemente paredes internas realizadas a partir de metal, más preferiblemente realizadas a partir de cobre, estando dichas paredes internas ubicadas dentro del espacio de almacenamiento y extendiéndose desde al menos una de las paredes externas. Estas paredes internas conducen calor entre las paredes externas y el PCM ubicado dentro del espacio de almacenamiento, proporcionando de este modo un intercambio de calor más eficiente entre el PCM y el entorno.
La invención comprende también otras características en detalle ilustradas en la siguiente descripción detallada de una forma de realización de la invención y en los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
Las ventajas y características de la invención se entenderán a partir de la siguiente descripción, en la que se describen formas de realización preferidas de la invención con referencia a los dibujos sin limitar el alcance de la invención definido en las reivindicaciones.
La figura 1 es una vista en perspectiva de una primera forma de realización del acumulador térmico, en la que la pared externa frontal y parcialmente la pared externa superior se han recortado con el fin de mostrar las partes internas del acumulador térmico.
La figura 2 es una vista frontal en sección del acumulador térmico de la figura 1.
La figura 3 es una vista en sección desde arriba del acumulador térmico de la figura 1.
La figura 4 es una vista ampliada de un área de la figura 3 que muestra un tubo recto del intercambiador de calor en la esquina entre una pared externa y una pared interna.
Descripción detallada de formas de realización de la invención
Las figuras 1 a 4 muestran una forma de realización del acumulador térmico 1.
El acumulador térmico 1 está constituido por seis paredes externas 2 que forman un paralelepípedo rectangular que delimita un espacio de almacenamiento 3, varias paredes internas 10a que conectan entre las mismas dos paredes enfrentadas de dichas paredes externas 2, y un intercambiador de calor 5 que presenta una sección 12 que se adentra en el espacio de almacenamiento 3. El espacio de almacenamiento 3 contiene un PCM (material de cambio de fase) 4 que está en contacto con dicha sección 12 del intercambiador de calor 5 y con la superficie interna 8 de las paredes externas 2. La superficie externa 9 de las paredes externas 2 están en contacto con el entorno externo que rodea el acumulador térmico 1, de modo que el PCM 4 intercambia calor con el entorno externo a través de dichas paredes externas 2.
Las paredes externas 2 y las paredes internas 10a son láminas de cobre. Por ejemplo, son láminas de 0.0197 pulgadas (0.5 mm) de grosor de aleación de cobre recocida blanda 110 (que contiene al menos un 99.9% de cobre). Las paredes internas 10a presentan extremos plegados que forman pestañas planas 34 que descansan contra la superficie interna 8 de dichas dos paredes externas enfrentadas 2 y que están unidas a dicha superficie interna 8 preferiblemente mediante soldadura fuerte. Las paredes internas 10a son paralelas entre sí y transversales a las dos paredes externas enfrentadas 2, de modo que estas paredes 10a, 2 forman células 11 que contienen PCM 4 en el espacio de almacenamiento 3. Como puede apreciarse en la figura 2, las paredes internas 10a están separadas de una pared inferior 18 y de una pared superior 20 que delimitan el espacio de almacenamiento 3. En esta forma de realización a modo de ejemplo, la pared inferior 18 y la pared superior 20 son también paredes externas 2. Por tanto, una banda inferior 19 y una banda superior 21 del espacio de almacenamiento 3 están definidas entre la pared inferior 18 y un borde inferior de las paredes internas 10a, y entre la pared superior 20 y un borde superior de dichas paredes internas 10a, respectivamente. El espacio de almacenamiento 3 está lleno de PCM 4, de modo que el nivel de PCM 4 en dicho espacio de almacenamiento 3 está en la banda superior 21. Por tanto, las células 11 están en comunicación de fluido entre sí a través de la banda inferior 19 y la banda superior 21. Por tanto, la fracción de PCM 4 que está en estado líquido puede circular entre las células 11 a través de estas bandas 19, 21. Como puede apreciarse también a partir de la figura 2, está previsto un hueco de aire 41 entre el nivel de PCM 4 y la pared superior 20. Este hueco de aire 41 actúa como cámara de expansión para absorber las variaciones de volumen del PCM 4 en el cambio de fase. La pared superior 20 está dotada de una caperuza 35 que puede retirarse para llenar el espacio de almacenamiento 3 con PCM 4. Al menos una sonda de temperatura 36 se inserta en el espacio de almacenamiento 3 para medir la temperatura del PCM 4 con el fin de controlar el proceso de carga del acumulador térmico 1 con una carga térmica y también para monitorizar el estado del PCM 4 durante la fase de suministro de la carga térmica al entorno.
La sección 12 del intercambiador de calor 5 que se adentra en el espacio de almacenamiento 3 es un tubo en espiral que comprende dos secciones planas 13 que son paralelas a una y otra de las dos paredes externas enfrentadas 2 y que están unidas a una y otra de dichas dos paredes externas enfrentadas 2. Este tubo en espiral está hecho también de aleación de cobre 110. Cada sección plana 13 del tubo en espiral comprende una sucesión de tubos rectos 14 conectados entre sí mediante codos de tubo 15. Los tubos rectos 14 están situados de modo que, en las esquinas formadas entre una de las dos paredes externas enfrentadas 2 y la pared interna 10a conectada a la misma, uno de dichos tubos rectos 14 está unido a una cara de al menos una de la pared externa 2 y la pared interna 10a. Preferiblemente, están unidos a ambas paredes 2, 10a tal como se muestra en la figura 4. En la forma de realización a modo de ejemplo, los tubos rectos 14 están unidos a las paredes 2, 10a mediante soldadura fuerte. Por tanto, cada una de dichas secciones planas 13 del intercambiador de calor 5 está unida a una cara de una de las dos paredes externas enfrentadas 2. Como puede verse en las figuras 1 y 2, los codos de tubo 15 pasan de una célula 11 a otra a través de la banda inferior 19 y la banda superior 21.
El intercambiador de calor 5 está formado por un conducto para fluidos, en este caso en forma de un tubo en espiral, y presenta un orificio de entrada 6 y un orificio de salida 7, de modo que un fluido de transferencia de calor puede entrar en el acumulador térmico 1 a través del orificio de entrada 6, fluir dentro de dicho intercambiador de calor 5 al tiempo que intercambia calor con el PCM 4 y salir del acumulador térmico 1 a través del orificio de salida 7. Este fluido de transferencia de calor que circula en el intercambiador de calor 5 proporciona una carga térmica para cargar el acumulador térmico 1.
Son posibles otras configuraciones estructurales del acumulador térmico 1. Por ejemplo, las paredes internas 10a pueden estar interrumpidas de modo que no unan dos paredes externas 2 enfrentadas. La sección 12 del intercambiador de calor 5 que se adentra en el espacio de almacenamiento 3 puede ser un tubo en espiral que comprende secciones internas que están separadas de las paredes externas y que están unidas a al menos una de las paredes internas 10a. Las paredes internas 10a puede extenderse en diferentes direcciones. Por ejemplo, el acumulador térmico 1 puede comprender paredes internas longitudinales que son ortogonales a las paredes internas transversales 10a mostradas en la figura 3.
El PCM es una disolución de sal acuosa en la que el soluto es formiato de sodio.
Los siguientes ejemplos son algunas elecciones preferidas posibles para el PCM.
Ejemplo 1 (soluto: formiato de sodio)
El PCM 4 es una disolución de sal acuosa en la que el soluto es formiato de sodio. La fracción de masa de formiato de sodio en la disolución se selecciona en el intervalo entre 0.05 y 0.25. La temperatura de cristalización de la salmuera en este intervalo de fracción de masa es la siguiente:
Figure imgf000005_0001
Ejemplo 2 (soluto: formiato de sodio)
El PCM es una disolución de sal acuosa en la que el soluto es formiato de sodio. La fracción de masa de formiato de sodio en la disolución se selecciona en el intervalo entre 0.45 y 0.55. La temperatura de cristalización de la salmuera en este intervalo de fracción de masa es la siguiente:
Figure imgf000005_0002
Además de estos ejemplos, el PCM puede incluir aditivos adecuados además de dicha sal de formiato.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Acumulador térmico (1) que contiene un PCM (material de cambio de fase), comprendiendo dicho acumulador térmico (1) unas paredes externas (2) que delimitan un espacio de almacenamiento (3) cerrado, un PCM (4) contenido en dicho espacio de almacenamiento (3) y por lo menos un intercambiador de calor (5) formado por un conducto para fluidos que presenta un orificio de entrada (6) y un orificio de salida (7), estando dicho intercambiador de calor (5) dispuesto de modo que intercambie calor con dicho PCM (4), estando dichas paredes externas (2) realizadas a partir de metal y presentando una superficie interna (8) en contacto con dicho PCM (4) y una superficie externa (9) en contacto con un entorno externo que rodea dicho acumulador térmico (1), caracterizado por que dicho PCM (4) es una disolución de sal acuosa en la que el soluto es formiato de sodio.
2. Acumulador térmico (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho PCM (4) es una disolución de sal acuosa en la que el soluto es formiato de sodio, estando la fracción de masa de formiato de sodio en la disolución comprendida entre 0.05 y 0.25.
3. Acumulador térmico (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho PCM (4) es una disolución de sal acuosa en la que el soluto es formiato de sodio, estando la fracción de masa de formiato de sodio en la disolución comprendida entre 0.45 y 0.55.
4. Acumulador térmico (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que dichas paredes externas (2) están realizadas a partir de cobre.
5. Acumulador térmico (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que dicho intercambiador de calor (5) presenta una sección (12) realizada a partir de metal que se adentra en dicho espacio de almacenamiento (3) y que está en contacto con dicho PCM (4).
6. Acumulador térmico (1) según la reivindicación 5, caracterizado por que dicha sección (12) del intercambiador de calor (5) que se adentra en dicho espacio de almacenamiento (3) está realizada a partir de cobre.
7. Acumulador térmico (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que comprende unas paredes internas (10a) realizadas a partir de metal, estando dichas paredes internas (10a) situadas dentro de dicho espacio de almacenamiento (3) y extendiéndose desde por lo menos una de dichas paredes externas (2).
8. Acumulador térmico (1) según la reivindicación 7, caracterizado por que dichas paredes internas (10a) están realizadas a partir de cobre.
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