ES2961807T3 - Dispositivo para acumulador de calor con formación de hielo - Google Patents

Abstract

Dispositivo de intercambio de calor que comprende un primer tubo (1) térmicamente conductor que es hueco en su longitud, un segundo tubo (2) térmicamente conductor que es hueco en su longitud, y que comprende una aleta (3) térmicamente conductora, en la que la aleta (3) se extiende longitudinalmente a lo largo del primer tubo (1), la aleta (3) se extiende longitudinalmente a lo largo del segundo tubo (2) y la aleta (3) se extiende a lo ancho entre el primer tubo (1) y el segundo tubo (2). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo para acumulador de calor con formación de hielo

[0001] La invención se refiere al campo técnico de los intercambiadores de calor y particularmente al de los acumuladores de calor que transfieren calor entre un fluido refrigerante y un material externo de cambio de fase o de formación de hielo, como una mezcla de agua y de hielo a 0 °C, a través de un material conductor del calor, como un metal, separando el fluido refrigerante y el material de cambio de fase. Dos parámetros significativos del coste de un intercambiador de este tipo son el volumen de material conductor del calor y el volumen de fluido refrigerante utilizado, en relación con la energía almacenada.

[0002] La técnica anterior conoce dos tipos principales de acumuladores de calor de cambio de fase:

- tubulares: estos acumuladores están formados por una multitud de tubos huecos a lo largo de su longitud y paralelos entre sí, estando cada tubo lleno de un refrigerante a presión y en contacto externo con un medio de formación de hielo. Estos tubos están fabricados principalmente de un material conductor del calor, normalmente metal, en particular acero, aluminio y más raramente cobre. Algunos acumuladores tubulares están formados por tubos de plástico. A pesar de la mayor resistencia térmica del plástico respecto a la de los metales, su menor coste permite compensar esta desventaja con superficies de intercambio mayores. Una variante de estos acumuladores consiste en un único tubo muy largo, dispuesto en espiral, hélice o serpentina. Una variante de estos acumuladores consiste en hacer circular en los tubos un fluido refrigerador, normalmente agua glicolada, en vez de fluido refrigerante.

- planos: estos acumuladores están formados por una multitud de intercambiadores planos, paralelos entre sí. Estos intercambiadores están a su vez formados por 2 placas metálicas planas de poco espesor, unidas herméticamente por su borde y soldadas entre sí por puntos, dispuestos a intervalos regulares según una distribución matricial (en filas y columnas), cuando se observan las placas sobre su lado más grande. Durante la fabricación de estos intercambiadores, un volumen interno se crea mediante la inyección de un fluido, gas o líquido, a alta presión hasta la deformación definitiva de las placas, que confiere a las placas un aspecto de cojín y de ahí su denominación “pillow plate” en inglés.

[0003] El volumen interno de cada intercambiador se llena de fluido refrigerante a presión y la superficie externa de cada intercambiador está en contacto con un medio para enfriar hasta la formación de hielo.

[0004] Tales intercambiadores tipopillow plateestán compuestos por láminas hechas de un material conductor del calor, normalmente un metal, particularmente de acero (habitualmente inoxidable) y de aluminio.

[0005] Algunos acumuladores planos son de plástico, de nuevo con una resistencia térmica del plástico mayor que la de los metales, pero a un coste menor que permite compensar esta desventaja con superficies de intercambio más grandes.

[0006] Una variante de estos acumuladores consiste también en hacer circular en los intercambiadores un fluido refrigerador, normalmente agua glicolada, en vez del fluido refrigerante.

[0007] El funcionamiento de estos acumuladores de calor de cambio de fase, tubulares o planos, consiste en almacenar el frío de la siguiente manera:

- producción de frigorías por la evaporación del fluido refrigerante contenido en el volumen interno de cada intercambiador

- inicialmente: transporte de las frigorías a través del material del intercambiador hasta el contacto con el material de cambio de fase líquida,

- luego: transporte de las frigorías a través del material del intercambiador y del espesor de hielo hasta el contacto con el material de cambio de fase aún líquida

- solidificación del material de cambio de fase aún líquida que está en contacto con el hielo por transferencia de las frigorías del hielo al material.

[0008] Una de las características comunes a todos los acumuladores de calor es que la temperatura de evaporación del fluido refrigerante desciende a medida que el espesor del hielo aumenta. En efecto, el crecimiento del espesor de hielo con el tiempo induce un aumento de la resistencia térmica, que se opone al flujo de las frigorías entre el fluido refrigerante y el material de cambio de fase aún líquida. Para combatir esta resistencia, a potencia constante de intercambio de calor, el fluido refrigerante reduce naturalmente su temperatura de evaporación con el tiempo.

[0009] En la técnica anterior, se observa un comportamiento muy diferente de los acumuladores de calor tubulares respecto a los acumuladores de calor planos o de placas, lo que provoca grandes diferencias en el plano energético:

- acumuladores tubulares: el frío generado dentro del intercambiador por la evaporación del fluido refrigerante provoca la formación de hielo isotrópica es decir que el crecimiento del hielo es concéntrico a los tubos o perpendicular a lo largo de su longitud o radial a los tubos. Esta característica isotrópica de la conducción induce una caída de la temperatura de evaporación del fluido refrigerante en función del tiempo con una pendiente pronunciada, del orden de 2 °C/hora.

- acumuladores planos: el frío generado dentro del intercambiador por la evaporación del fluido refrigerante provoca una formación de hielo normal o perpendicular a las dos superficies externas. Esta característica induce una caída de la temperatura de evaporación del fluido refrigerante en función del tiempo con una pendiente muy poco pronunciada, del orden de 0,3 °C/h, o del orden de 7 veces menor que los acumuladores tubulares.

[0010] El estudio del comportamiento de un acumulador tubular y de un acumulador plano, cuyos intercambiadores están fabricados con la misma cantidad de material térmicamente conductor, resulta en la valoración siguiente:

El valor “dT”, que representa la diferencia de temperatura entre el fluido refrigerante, que hierve dentro de un acumulador de calor que funciona a potencia térmica constante, y la temperatura de cambio de fase de un material de cambio de fase, tras un funcionamiento de 4,5 h es:

- acumulador tubular: dT = 9,4 °C

- acumulador plano: dT = 1,4 °C.

[0011] Sin embargo, es comúnmente admitido en la profesión que un aumento de 1 °C en la temperatura de evaporación de una máquina de refrigeración corresponde a un aumento de su eficiencia energética de 2,5 a 3 %. En el caso presente, la diferencia de 8 °C corresponde a una diferencia de 20 a 24 % en términos de eficiencia energética.

[0012] Pero esta importante mejora de la eficiencia energética tiene un coste: los acumuladores planos son más caros de producir (longitudes de soldadura muy largas) y necesitan un volumen importante de fluido refrigerante.

[0013] Existe por lo tanto una necesidad no satisfecha en la técnica anterior de un dispositivo intercambiador de calor, que confiera un rendimiento termodinámico que se aproxime al de los intercambiadores planos, que utilice un volumen de fluido refrigerante que se aproxime o sea inferior al de los intercambiadores de tubos, en un volumen de material térmicamente conductor idéntico, y cuyas longitudes de soldadura se aproximen o sean inferiores a las de los intercambiadores de tubos.

[0014] Además, la técnica anterior conoce los tubos con aletas o radiadores, para evacuar mediante aletas, el calor producido por tubos llenos de un fluido de transferencia de calor e inmersos en el aire, por convección en el aire. Sin embargo, las aletas de estos tubos se utilizan en la técnica anterior para alejar al máximo el calor de un tubo. Por lo tanto, las aletas no son consideradas adecuadas para un uso con matrices de tubos, que se colocan necesariamente lo más cerca posible en un acumulador de calor. En efecto, se supone que el calor alejado por las aletas se comunica a las aletas y los tubos vecinos, lo que disminuye entonces la eficacia del conjunto en su función de radiador.

[0015] De manera general, existe en la técnica anterior un prejuicio desfavorable hacia el uso de aletas en un acumulador de calor, incluido uno con formación de hielo, la función térmica de las aletas para alejar el calor de los tubos siendo incompatible con la aproximación de los tubos necesaria en un acumulador de calor para maximizar la formación de hielo en un volumen de carcasa dado del acumulador de calor.

[0016] Los documentos de patente WO2012142070 A1, WO03/027596A1, US5186022A, LU30780A1 y EP1236960A1 describen dispositivos intercambiadores de calor según el estado de la técnica. La patente EP-A-1236960 describe un dispositivo según el preámbulo de la reivindicación 1.

[0017] En este contexto, la invención es un dispositivo para intercambiar calor de tipo acumulador de calor según la reivindicación 1.

[0018] En variantes del dispositivo:

- el espesor de la aleta es inferior a la anchura del primer tubo y es inferior a la anchura del segundo tubo. - la aleta es plana.

- el primer tubo es paralelo al segundo tubo

- el primer tubo es recto a lo largo de su longitud y el segundo tubo es recto a lo largo de su longitud.

- el primer tubo es de aluminio, el segundo tubo es de aluminio y la aleta es de aluminio.

- la segunda semi-aleta se extiende a lo ancho entre la primera semi-aleta y el segundo tubo.

- el primer borde de la primera semi-aleta está en contacto con el segundo borde de la segunda semi-aleta.

[0019] La invención se refiere también a un procedimiento que comprende las etapas siguientes:

- evaporar en un primer tubo y en un segundo tubo, un fluido refrigerante,

- solidificar en el primer tubo, en el segundo tubo y en una aleta que se extiende entre el primer tubo y el segundo tubo, un material líquido.

[0020] En una variante del procedimiento, el material líquido es agua y el fluido refrigerante tiene una temperatura de evaporación inferior a la temperatura de congelación del agua.

[0021] Las diferentes formas de realización de la invención se describen con referencias a los números entre paréntesis, en relación con una lista de las figuras proporcionada con la presente solicitud, en la cual:

La figura 1 representa un dispositivo que no es conforme a la invención con una aleta continua que une dos tubos huecos.

La figura 2 representa un dispositivo según la invención con una aleta discontinua entre los dos tubos huecos, compuesta por dos semi-aletas que se extienden entre los tubos.

[0022] En un ejemplo, un acumulador de calor está formado por tubos dispuestos paralelamente en un plano. Una aleta plana de poco espesor respecto a la anchura de los tubos, que es su diámetro en el caso de tubos cilíndricos de revolución, está dispuesta entre los tubos en el plano de los tubos. Los tubos y la aleta están dispuestas en una carcasa que contiene agua a presión atmosférica. Un fluido refrigerante que es, por ejemplo un fluido refrigerante de tipo R134a, cuya temperatura de evaporación es inferior a la temperatura de congelación del agua es decir 273 K, en una gama de presión dada, se pone en circulación por una máquina de refrigeración que comprende un compresor, apto para funcionar en esta gama de presión.

[0023] La figura 1 representa así una parte característica del acumulador de calor descrito anteriormente en la cual un primer tubo (1) y un segundo tubo (2) están conectados a lo largo de su longitud por una aleta (3) plana continua que se extiende a lo largo de toda la anchura entre el primer tubo (1) y el segundo tubo (2).

[0024] El primer tubo (1), el segundo tubo (2) y la aleta (3) son por ejemplo de aluminio o de un material conductor del calor y que permite obtener por extrusión una pieza moldeada de una sola pieza y homogénea que incluye el primer tubo (1), el segundo tubo (2) y la aleta (3) en un conjunto continuo.

[0025] Preferiblemente, el primer tubo (1) y el segundo tubo (2) son de la misma longitud, la misma anchura y el mismo espesor y son cilíndricos y de revolución alrededor de un primer eje para el primer tubo (1) y un segundo eje para el segundo tubo (2).

[0026] La aleta es preferiblemente de un espesor mínimo permitido por el procedimiento de extrusión, es decir entre 1 mm y 1,5 mm, pero es también de un espesor inferior a la anchura o diámetro de los tubos y preferiblemente del orden del espesor de los tubos, en este caso 1,5 mm. Es también de anchura igual a la distancia entre los tubos y esta distancia entre los tubos se elige de una distancia que sea superior a diez veces la anchura de un tubo. Por ejemplo, se puede elegir una anchura de tubos de 8 mm y un espesor de tubos de 1,5 mm, y una distancia entre los ejes de los tubos de 100 mm, lo que tiene como resultado una anchura de aleta de 92 mm.

[0027] En todos los casos, se puede verificar un criterio de la invención para una geometría cualquiera de tubos y de aleta. Este criterio se puede obtener experimentalmente introduciendo el dispositivo según la invención en un acumulador de calor y trazando en función del tiempo a potencia de refrigeración constante, la deriva de la temperatura de evaporación del fluido refrigerante en el acumulador o “dT” como se ha indicado previamente. Por ejemplo, un manómetro se puede utilizar de manera tradicional y la temperatura del fluido, como el R134a, se puede deducir por la curva de presión de vapor saturado en función de la temperatura de la mezcla.

[0028] Para un sistema según la invención, se constata que la curva que representa “dt” en función del tiempo, posee una pendiente muy similar a la de los de los intercambiadores planos y por lo tanto muy diferente a la pendiente de los intercambiadores de tubos.

[0029] El sistema según la invención funciona por lo tanto no como un sistema de tubos sino como un sistema de placas desde el punto de vista de la formación de hielo. Se deduce que el sistema según la invención permite una formación de hielo anisotrópica, como en los intercambiadores planos, lo que permite utilizar un volumen de fluido refrigerante muy inferior al de un sistema de tubos ya fortioridel volumen de fluido refrigerante de un intercambiador plano.

[0030] Se pueden prever varias variantes del sistema de la figura 1, particularmente la aleta puede ser de forma diferente a un plano, fuera del plano de los ejes de los tubos, los tubos pueden ser no estrictamente paralelos y pueden ser rectos o rectilíneos o curvados de diferentes formas a lo largo de su longitud, de sección circular o elíptica o incluso rectangular.

[0031] El material de los tubos y de la aleta puede ser un material conductor del calor, diferente del aluminio, como un metal, particularmente acero inoxidable o cobre.

[0032] Se dará preferencia a las variantes que utilicen la menor cantidad de material y la menor cantidad de fluido refrigerante, sin dejar de funcionar como un sistema de placas, desde el punto de vista de la deriva de la temperatura de evaporación con la formación de hielo.

[0033] La aleta que conecta térmicamente los tubos cambia su comportamiento durante una formación de hielo y permite poner un número bajo de tubos para recrear térmicamente el funcionamiento de una placa.

[0034] Además, en la práctica, el primer tubo (1) presenta diametralmente opuesta a la aleta (3) en el plano de los tubos, una tercera semi-aleta (4), del mismo espesor que la aleta (3) y de anchura por ejemplo igual a la mitad del ancho de la aleta (3).

[0035] Asimismo, el segundo tubo (2) presenta diametralmente opuesta a la aleta (3) en el plano de los tubos, una cuarta semi-aleta (5), del mismo espesor que la aleta (3) y de anchura por ejemplo igual a la mitad del ancho de la aleta (3).

[0036] En una forma de realización de la invención, la aleta se produce de manera discontinua entre el primer tubo (1) y el segundo tubo (2) en la forma de una aleta cortada en dos semi-aletas a lo largo de su longitud: una primera semi-aleta (6) que se extiende desde el primer tubo (1) hasta un primer borde y una segunda semi-aleta (7) que se extiende desde el segundo tubo (2) hasta un segundo borde.

[0037] El corte de la aleta en dos semi-aletas se puede hacer a lo largo de un borde de cualquier forma sin apartarse del ámbito de la presente solicitud. Sin embargo, una forma recta de los bordes es particularmente ventajosa. En efecto, la estructura de la invención en esta segunda forma de realización se puede realizar a partir de una sola pieza extruida que comprende un tubo central y dos semi-aletas laterales en un mismo plano. Es posible de este modo fabricar el dispositivo ilustrado en la figura 2 tomando dos de estas piezas extruidas y haciendo sus tubos paralelos y sus aletas coplanares en el plano de los tubos.

[0038] Cuando los bordes enfrentados de semi-aletas se tocan mecánicamente, se obtiene así el equivalente térmico de una pieza extruida de anchura igual a la de una pieza multiplicada por el número de piezas utilizadas.

[0039] Cuando se alejan los bordes enfrentados, se obtiene una formación de hielo entre los bordes y un funcionamiento casi sin cambios respecto a las placas contiguas.

[0040] Aparte de un régimen transitorio para la primera forma de realización y la segunda forma de realización, el flujo de frigorías en medio de la aleta (3) es nulo y el flujo de frigorías entre la primera semi-aleta (6) y la segunda o segunda semi-aleta (7) es nulo.

[0041] Se observa en comparación con los acumuladores existentes, las características siguientes de la presente segunda forma de realización, para bordes enfrentados contiguos.

[0042] En resumen, parece que el acumulador según la segunda forma de realización descrita es el menos costoso de fabricar de los 3 (de 5 a 10 veces menos soldadura), que también es el menos costoso de utilizar (eficiente energéticamente y requiere de 5 a 10 veces menos fluido refrigerante que las otras dos técnicas), para resistencia a la presión igual o mayor que las otras dos. Para obtener esta tabla comparativa, las hipótesis de modelización y simulación son las siguientes:

- potencia térmica equivalente para los tres tipos de acumulador.

- cantidades de material térmicamente conductor del calor, idénticas para los tres tipos de acumulador.

[0043] El experto en la técnica podrá mediante operaciones de ejecución o mediante la aplicación del criterio de “dt” propuesto en la primera forma de realización y en la segunda forma de realización, verificar para una estructura de esta primera forma de realización y esta segunda forma de realización, si el comportamiento de la estructura geométrica seleccionada es bien de un comportamiento térmico análogo a una placa o una placa tipopillow plate.

[0044] Particularmente, para una estructura que funciona según la invención, la curva de la evolución de “dt” en función del tiempo o a lo largo del tiempo, presentará una pendiente muy cercana a la misma curva trazada para un intercambiador plano, con un desfase casi constante. Este desfase será del orden de 1,5 °C después de 4,5 h.

[0045] En el dispositivo de la figura 2, la tercera semi-aleta (4) es diametralmente opuesta sobre el primer tubo (1) a la primera semi-aleta (6) y la cuarta semi-aleta (5) es diametralmente opuesta sobre el segundo tubo (2) a la segunda semi-aleta (7). Se constata que, de esta manera, esta forma de realización se puede obtener disponiendo de manera fija mecánicamente en el mismo plano, dos piezas extruidas idénticas, una compuesta por el primer tubo (1), la primera semi-aleta (6) y la tercera semi-aleta (4) y la otra por el segundo tubo (2), el segunda semi-aleta (7) y la cuarta semi-aleta (5).

[0046] Por ejemplo, los tubos tienen un diámetro exterior de 8 mm y un diámetro interior de 5 mm para un espesor de 1,5 mm. Cada semi-aleta es de 46 mm de anchura, para una anchura de 100 mm aproximadamente de cada pieza extruida y un espesor de las semi-aletas de 1,5 mm. Los bordes de las semi-aletas enfrentadas son preferiblemente contiguos. Como para la primera forma de realización, la distancia entre los tubos, en este caso dos veces 46 mm para aletas contiguas, se elige de una distancia que sea superior a diez veces la anchura de un tubo, en este caso 8 mm.

[0047] Se pueden prever las mismas variantes que en el ejemplo en cuanto a la forma de los tubos y de las medias aletas y al material que los compone, que suele ser un metal apto para la extrusión.

[0048] Además, es deseable poner en contacto mecánico los bordes enfrentados de las semi-aletas, para maximizar la densidad energética de almacenamiento del acumulador.

[0049] Para esta forma de realización, se podrían prever semi-aletas de anchuras diferentes.

[0050] Normalmente en las dos formas de realización descritas, la relación de las superficies internas, supuestamente lisas, en contacto con el fluido refrigerante y las superficies externas en contacto con el material de cambio de fase es superior a 10. Esto constituye una anisotropía inhabitual en la técnica anterior para un tubo provisto de aletas laterales. Sin embargo, a pesar de tal relación de anisotropía, las simulaciones térmicas mediante procedimientos conocidos de la técnica anterior, muestran que a través de la aleta o de las medias aletas se intercambia 3 veces más calor que a través del tubo, lo que valida claramente la influencia de la aleta sobre la formación de hielo.

[0051] Para todas las formas de realización descritas, será posible utilizar las estructuras de tubos y de aleta o semi-aletas en una máquina de refrigeración como evaporador, para enfriar y solidificar, mediante un fluido refrigerante que se evapora en los tubos, un material líquido, preferiblemente quieto o inmóvil, rodeando los tubos y las aletas o semi-aletas.

[0052] La invención es susceptible de aplicación industrial o útil en el campo de los acumuladores de calor, transfiriendo calor entre dos materiales de cambio de fase y particularmente para almacenar energía en forma de hielo de agua dulce o de agua salada o salobre.

[0053] A lo largo de toda la solicitud, la aportación de una “frigoría” a un sistema termodinámico se definirá como la extracción de una caloría de este sistema termodinámico.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo para intercambiar calor del tipo acumulador de calor, que comprende un primer tubo (1) hueco a lo largo de su longitud y conductor del calor, un segundo tubo (2) hueco a lo largo de su longitud y conductor del calor, y una aleta (3) conductora del calor, en el cual la aleta (3) se extiende longitudinalmente a lo largo del primer tubo (1), la aleta (3) se extiende longitudinalmente a lo largo del segundo tubo (2) y la aleta (3) se extiende a lo ancho entre el primer tubo (1) y el segundo tubo (2),caracterizado por el hecho de queel dispositivo comprende además agua que rodea el primer tubo (1), el segundo tubo (2) y la aleta (3), y que la aleta comprende una primera semi-aleta (6) conductora del calor, que se extiende entre el primer tubo (1) y un primer borde y una segunda semi-aleta (7), conductora del calor, que se extiende entre el segundo tubo (2) y un segundo borde, la aleta siendo de anchura superior a diez veces la anchura de un tubo.

2. Dispositivo según la reivindicación 1,caracterizado por el hecho de queel espesor de la aleta (3) es inferior a la anchura del primer tubo (1) y es inferior a la anchura del segundo tubo (2).

3. Dispositivo según la reivindicación 1,caracterizado por el hecho de quela aleta (3) es plana.

4. Dispositivo según la reivindicación 1,caracterizado por el hecho de queel primer tubo (1) es paralelo al segundo tubo (2).

5. Dispositivo según la reivindicación 1,caracterizado por el hecho de queel primer tubo (1) es recto a lo largo de su longitud y el segundo tubo (2) es recto a lo largo de su longitud.

6. Dispositivo según la reivindicación 1,caracterizado por el hecho de queel primer tubo (1) es de aluminio, el segundo tubo (2) es de aluminio y la aleta (3) es de aluminio.

7. Dispositivo según la reivindicación 1,caracterizado por el hecho de quela segunda semi-aleta (7) se extiende a lo ancho entre la primera semi-aleta (6) y el segundo tubo (2).

8. Dispositivo según la reivindicación 1,caracterizado por el hecho de queel primer borde de la primera semialeta (6) está en contacto con el segundo borde de la segunda semi-aleta (7).

9. Procedimiento para intercambiar calor utilizando el dispositivo de una de las reivindicaciones 1 a 8,caracterizado por el hecho de quecomprende las etapas siguientes:

- evaporar en el primer tubo (1) y en el segundo tubo (2), un fluido refrigerante,

- solidificar el agua en el primer tubo (1), en el segundo tubo (2) y en la aleta (3).

10. Procedimiento según la reivindicación 9,caracterizado por el hecho de queel fluido refrigerante tiene una temperatura de evaporación inferior a la temperatura de congelación del agua.