ES3040569T3 - Heat storage system and method for storing thermal energy - Google Patents

Heat storage system and method for storing thermal energy

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ES3040569T3
ES3040569T3 ES22777242T ES22777242T ES3040569T3 ES 3040569 T3 ES3040569 T3 ES 3040569T3 ES 22777242 T ES22777242 T ES 22777242T ES 22777242 T ES22777242 T ES 22777242T ES 3040569 T3 ES3040569 T3 ES 3040569T3
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interior space
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Jonas Tombrink
Dan Bauer
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Abstract

Para proporcionar un sistema de almacenamiento de calor con mayor densidad de almacenamiento de energía y versatilidad, según la invención, el sistema comprende un contenedor para almacenar el material y un circuito para extraer y alimentar dicho material. Este circuito incluye: un dispositivo de transferencia de calor para descargar y/o cargar térmicamente el material; un dispositivo de extracción para extraer el material en fase líquida del contenedor y alimentarlo al dispositivo de transferencia de calor para su descarga y/o carga térmica; y un dispositivo de retorno para devolver el material en fase sólida al interior del contenedor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y procedimiento de almacenamiento de energía térmica
La presente invención se refiere a un sistema de almacenamiento de calor para almacenar energía térmica. La presente invención también se refiere a un procedimiento para almacenar energía térmica usando un sistema de almacenamiento de calor.
Se conocen acumuladores de calor para almacenar energía térmica, en los que un material de almacenamiento, por ejemplo agua u hormigón, experimenta un aumento de temperatura mediante la adición de calor para la carga térmica. En el caso de la descarga térmica, el calor almacenado se libera de nuevo, haciendo que el material de almacenamiento experimente una reducción de temperatura. Estos acumuladores de calor sensibles tienen una densidad de almacenamiento de energía limitada.
Los acumuladores de calor de este tipo son conocidos, por ejemplo, a partir de los documentos DE 102019 210 703 A1, DE 102014 103 108 A1, US 4 286 141 A y DE 203 02 591 U1 . El documento DE 102019 210 703 A1 divulga un sistema de almacenamiento de calor según el preámbulo de la reivindicación 1.
La presente invención se basa en el objetivo de proporcionar un sistema de almacenamiento de calor que tenga una densidad de almacenamiento de energía aumentada y que se pueda usar de forma flexible.
Según la invención, este objetivo se consigue mediante un sistema de almacenamiento de calor que comprende un recipiente de almacenamiento para alojar material de almacenamiento en un espacio interior del recipiente de almacenamiento y un circuito para retirar y para alimentar el material de almacenamiento alojado en el espacio interior, en donde el circuito comprende un dispositivo de transferencia de calor para descargar térmicamente y/o cargar térmicamente el material de almacenamiento, comprende un dispositivo de extracción que está configurado para extraer el material de almacenamiento en fase líquida del recipiente de almacenamiento y alimentarlo al dispositivo de transferencia de calor para su descarga térmica y/o su carga térmica, comprende un canal de alimentación/canal de descarga que forma una conexión de fluido entre el dispositivo de transferencia de calor y el recipiente de almacenamiento, y comprende un dispositivo de retorno que está configurado para devolver el material de almacenamiento en fase sólida al espacio interior del recipiente de almacenamiento.
Por medio de un sistema de almacenamiento de calor de este tipo se puede lograr una alta densidad de almacenamiento de energía, ya que el material de almacenamiento puede almacenar y liberar de nuevo grandes cantidades de calor usando el cambio de fase entre la fase sólida y la fase líquida.
El material de almacenamiento se extrae del tanque de almacenamiento en fase líquida tanto para la descarga térmica como para la carga térmica. El material de almacenamiento descargado térmicamente se devuelve al recipiente de almacenamiento en fase sólida. De esta forma, además de una alta densidad de almacenamiento de energía, se consigue un modo de funcionamiento sencillo del sistema de almacenamiento de calor y puede ser usado de manera flexible. Dependiendo del área de aplicación del sistema de almacenamiento de calor, el material de almacenamiento se puede seleccionar para un intervalo de temperatura bajo o para un intervalo de temperatura alto.
El sistema de almacenamiento de calor puede estar realizado como una unidad de almacenamiento de calor a corto plazo o como una unidad de almacenamiento de calor a largo plazo.
En un perfeccionamiento del sistema de almacenamiento de calor, se puede configurar el dispositivo de transferencia de calor para que transfiera calor latente con el fin de descargar térmicamente el material de almacenamiento y para que transfiera calor sensible con el fin de cargar térmicamente el material de almacenamiento.
Mediante la transferencia de calor latente para descargar térmicamente el material de almacenamiento, se puede liberar una gran cantidad de calor en un intervalo de temperatura relativamente pequeño por medio de un cambio de fase. Ventajosamente, puede estar previsto un intervalo de temperatura del sistema de almacenamiento de calor desde un nivel de temperatura ligeramente por debajo de la temperatura de descomposición y/o la temperatura de vaporización del material de almacenamiento hasta por debajo de la temperatura de fusión.
De este modo, es posible usar tanto el calor sensible, almacenado en el material de almacenamiento en fase líquida por encima de la temperatura de fusión, como también el calor latente liberado por el cambio de fase.
Por lo tanto, con el sistema de almacenamiento de calor se puede conseguir una densidad de almacenamiento de energía particularmente alta.
Otra configuración del procedimiento puede prever que el dispositivo de transferencia de calor comprenda un intercambiador de calor latente o que esté realizado como un intercambiador de calor latente y tenga un dispositivo de descarga con el fin de descargar el material de almacenamiento solidificado y/o alimentarlo al dispositivo de retorno. Preferentemente, el intercambiador de calor latente está realizado como un intercambiador de calor latente activo o accionado.
El intercambiador de calor latente puede tener un dispositivo de descarga que está diseñado para triturar y/o para descargar el material de almacenamiento solidificado por medio de un cambio de fase.
El dispositivo de descarga puede, por ejemplo, estar realizado como un dispositivo de raspado que raspa y/o tritura el material de almacenamiento solidificado en el intercambiador de calor latente.
Preferentemente, el material de almacenamiento es descargado del dispositivo de transferencia de calor en forma sólida, en particular en forma de gránulos o de pequeños trozos.
En una configuración ventajosa del procedimiento, el dispositivo de transferencia de calor puede comprender un intercambiador de calor de tambor giratorio o estar realizado como un intercambiador de calor de tambor giratorio. Un intercambiador de calor de tambor de este tipo permite la transferencia de calor latente. Mediante un movimiento giratorio del intercambiador de calor de tambor, se puede romper el material de almacenamiento, solidificado por la transferencia de calor latente en el intercambiador de calor de tambor giratorio, en forma de gránulos o de pequeños trozos.
Una configuración del sistema de almacenamiento de calor puede prever que el dispositivo de retorno tenga al menos una unidad de transporte y/o una alimentación por gravedad y que se abra hacia el espacio interior del recipiente de almacenamiento.
El dispositivo de retorno puede ser usado para devolver material de almacenamiento solidificado desde el dispositivo de transferencia de calor de nuevo al espacio interior del recipiente de almacenamiento.
Preferentemente, mediante un movimiento de transporte el material de almacenamiento solidificado puede ser devuelto al espacio interior del recipiente de almacenamiento por la unidad de transporte.
La alimentación por gravedad puede ser usada para devolver el material de almacenamiento solidificado bajo la influencia de la gravedad.
Ventajosamente, el material de almacenamiento solidificado puede ser introducido de nuevo por gravedad, desde arriba o desde un lado, en el recipiente de almacenamiento .
Preferentemente, la alimentación por gravedad puede ser configurada como un tubo descendente o como una zona de recirculación independiente.
En una forma de realización, la unidad de transporte y la alimentación por gravedad se pueden combinar entre sí y formar una trayectoria de transporte continua para devolver el material de almacenamiento solidificado al espacio interior del recipiente de almacenamiento.
Preferentemente, en el sistema de almacenamiento de calor puede estar previsto que al menos una unidad de transporte comprenda un transportador continuo, una esclusa y/o similares.
Preferentemente, el transportador continuo puede realizarse como un transportador de tornillo, una cinta transportadora, una válvula rotativa o similar.
Una alimentación continua y/o discontinua del material de almacenamiento solidificado en el espacio interior del recipiente de almacenamiento puede estar prevista por medio de la unidad de transporte.
En un perfeccionamiento del sistema de almacenamiento de calor, puede estar previsto un dispositivo de distribución en el espacio interior del recipiente de almacenamiento con el fin de formar una distribución uniforme del material de almacenamiento en fase sólida en una zona inferior del espacio interior del recipiente de almacenamiento.
El dispositivo de distribución puede estar realizado como un dispositivo de distribución activo, por ejemplo accionado, o como un dispositivo de distribución pasivo.
Preferentemente, el dispositivo de distribución puede estar realizado como un dispositivo de deslizamiento, un dispositivo de transporte, un dispositivo guía, por ejemplo en forma de placas guía dispuestas en el espacio interior del recipiente de almacenamiento, o similares.
En una vonfiguración particularmente preferida del sistema de almacenamiento de calor, puede estar prevista al menos una zona de recogida para recoger el material de almacenamiento en fase líquida en el espacio interior del recipiente de almacenamiento, por lo que la zona de recogida está separada del resto del espacio interior del recipiente de almacenamiento por medio de un dispositivo de separación permeable a líquidos e impermeable a sólidos y la zona de recogida está acoplada mediante fluido con el dispositivo de eliminación.
El dispositivo de separación está realizado preferentemente como una placa perforada o como un tamiz.
Un dispositivo de separación de este tipo impide que el material de almacenamiento en fase sólida en el espacio interior del recipiente de almacenamiento entre en la zona de recogida. Por el contrario, el material de almacenamiento en fase líquida puede fluir a través del separador y acumularse en la zona de recogida.
Debido a la diferencia de densidad entre el material de almacenamiento en fase líquida y el material de almacenamiento en fase sólida, se forma un lecho de material de almacenamiento en fase sólida en una zona inferior del espacio interior del recipiente de almacenamiento. Debido a la menor densidad del material de almacenamiento en fase líquida, el material de almacenamiento en fase líquida se acumula en una zona superior del espacio interior del recipiente de almacenamiento.
A medida que el material de almacenamiento en fase sólida es devuelto al espacio interior del recipiente de almacenamiento en forma de gránulos o como trozos pequeños, el lecho de material de almacenamiento en fase sólida forma una estructura porosa en la zona inferior del espacio interior del recipiente de almacenamiento.
Preferentemente, puede estar previsto que la zona de recogida forme una zona más baja en el espacio interior del recipiente de almacenamiento. El lecho superpuesto de material de almacenamiento en fase sólida puede formar la zona inferior en el espacio interior del tanque de almacenamiento. El material de almacenamiento en fase líquida puede formar una zona superior en el espacio interior del tanque de almacenamiento.
Cuando se extrae el material de almacenamiento en fase líquida a través del dispositivo de extracción, el material de almacenamiento líquido fluye a través del lecho poroso subyacente de material de almacenamiento en fase sólida. Debido al flujo a través del material de almacenamiento líquido, el material de almacenamiento en fase sólida puede fundirse al menos parcialmente por medio de transferencia de calor.
Después de fluir a través del lecho poroso de material de almacenamiento en fase sólida, el material de almacenamiento en fase líquida se puede acumular preferentemente en la zona de recogida.
El tamaño de las partículas del material de almacenamiento en fase sólida que pueden pasar a través del dispositivo de separación puede ser controlado por medio de un dimensionamiento apropiado del diámetro de los orificios proporcionados en el dispositivo de separación.
Puede ser ventajoso que los orificios del dispositivo de separación tengan un diámetro de orificio de aproximadamente 50 mm o menos, preferentemente de aproximadamente 20 mm o menos, de manera particularmente de aproximadamente 5 mm o menos.
El término "aproximadamente" significa en particular una desviación no superior al 20 %, por ejemplo no superior al 10 %, del valor especificado respectivo.
Un perfeccionamiento ventajoso del sistema de almacenamiento de calor puede prever que la al menos una zona de recogida esté dispuesta en una zona base del recipiente de almacenamiento y/o que se extienda al menos en parte a lo largo de una zona periférica del recipiente de almacenamiento.
Preferentemente, la zona de recogida con el dispositivo de separación puede formar un suelo en el espacio interior del recipiente de almacenamiento.
Preferentemente, la zona de recogida puede formar una zona delimitada más baja en el espacio interior del recipiente de almacenamiento.
Puede estar previsto que la zona de recogida formada en la zona de la base del recipiente de almacenamiento y la zona de recogida que se extiende al menos en parte a lo largo de una zona periférica del recipiente de almacenamiento estén acopladas por medio de fluido.
En otra configuración ventajosa del sistema de almacenamiento de calor puede estar previsto que la al menos una zona de recogida comprenda un canal de recogida que se extienda en el espacio interior del recipiente de almacenamiento. Preferentemente, el al menos un canal de recogida se extiende en una dirección sustancialmente vertical en el espacio interior del recipiente de almacenamiento.
El al menos un canal de recogida puede, por ejemplo, estar formado por un elemento tubular que se extiende hacia el espacio interior del recipiente de almacenamiento.
Preferentemente, una pared del conducto colector forma el dispositivo de separación.
El canal de recogida puede estar acoplado mediante fluido con el dispositivo de extracción en una zona inferior del espacio interior del recipiente de almacenamiento.
El canal de recogida también puede desembocar en la zona de recogida anteriormente descrita, que está formada en la zona de la base o en la zona periférica del recipiente de almacenamiento.
En un perfeccionamiento preferido del sistema de almacenamiento de calor, el canal de recogida puede tener un dispositivo regulador del nivel que bloquea una trayectoria de flujo formada por el canal de recogida hacia el dispositivo de eliminación en función de una temperatura de estratificación del material de almacenamiento.
Preferentemente, el dispositivo de regulación del nivel tiene un elemento de ajuste de la altura que es conducido a lo largo de una dirección de ajuste de la altura en el conducto colector, de tal modo que se puede ajustar la altura.
El elemento de ajuste de la altura puede bloquear una trayectoria de flujo entre la zona de recogida y la zona superior del espacio interior del recipiente de almacenamiento, en la que el material de almacenamiento está presente en fase líquida a un nivel de temperatura relativamente más alto, dependiendo de la temperatura de estratificación del material de almacenamiento.
Una posición de altura del elemento de ajuste de la altura puede ser controlada en particular en función de la temperatura de estratificación del material de almacenamiento.
De manera particularmente preferente, la posición en altura del elemento de ajuste de la altura se controla de tal manera que el elemento de ajuste de la altura se dispone de manera esencialmente continua al nivel del límite entre la fase sólida y la fase líquida del material de almacenamiento.
De esta manera, al retirar el material de almacenamiento líquido para la carga térmica, es posible evitar que el material de almacenamiento líquido sea retirado a un nivel de temperatura elevado de la zona superior del espacio interior del recipiente de almacenamiento por parte del dispositivo de extracción.
Cuando se elimina material de almacenamiento en fase líquida, se puede conseguir que el material de almacenamiento líquido a un nivel de temperatura relativamente bajo de la zona del límite entre la fase sólida y la fase líquida fluya, primero al menos en algunas áreas, a través del lecho poroso de material de almacenamiento en fase sólida y que se recoja después en al menos un canal de recogida.
El material de almacenamiento sólido es fundido, al menos parcialmente, por el flujo de material de almacenamiento líquido a través de al menos algunas zonas del lecho poroso de material de almacenamiento en fase sólida.
Una configuración del sistema de almacenamiento de calor también puede prever que el dispositivo de separación y/o la zona de recogida se calienten, al menos en algunas zonas.
Preferentemente, el dispositivo de separación y/o la zona de recogida pueden ser calentados por medio de un calentador eléctrico.
Mediante el calentamiento del dispositivo de separación y/o de la zona de recogida se puede evitar que la zona de recogida se obstruya debido al material de almacenamiento en fase sólida.
En otra realización del sistema de almacenamiento de calor, puede estar previsto un intercambiador de calor en una zona inferior del espacio interior del recipiente de almacenamiento.
Se puede introducir calor en el recipiente de almacenamiento a través de un intercambiador de calor de este tipo con el fin de fundir el material de almacenamiento en fase sólida en la zona inferior del espacio interior.
Debido a la temperatura de cambio de fase isotérmica del material de almacenamiento, el calentamiento del material de almacenamiento en fase sólida por parte del intercambiador de calor puede tener lugar en el nivel de temperatura más bajo del recipiente de almacenamiento.
Además, la presente invención se basa en el objetivo de proporcionar un procedimiento para almacenar energía térmica, mediante el cual se pueda almacenar energía térmica con una alta densidad de almacenamiento de energía y que se pueda ser usada de una manera flexible.
Según la invención, este objetivo se puede conseguir mediante un procedimiento para almacenar energía térmica por medio de un sistema de almacenamiento de calor, en particular un sistema de almacenamiento de calor según una de las realizaciones descritas anteriormente, en donde, para la descarga térmica, el material de almacenamiento en fase líquida se extrae de un recipiente de almacenamiento y se alimenta a un dispositivo de transferencia de calor a través de un canal de alimentación/canal de descarga, el material de almacenamiento se descarga térmicamente en el dispositivo de transferencia de calor mediante la transferencia de calor latente, el material de almacenamiento solidificado se alimenta a un dispositivo de retorno después de la descarga térmica, y el material de almacenamiento en fase sólida se devuelve al espacio interior del recipiente de almacenamiento por parte del dispositivo de retorno.
Por medio de este procedimiento es posible alcanzar una alta densidad de almacenamiento de energía cuando se almacena energía térmica, ya que el material de almacenamiento puede liberar una gran cantidad de calor usando el cambio de fase de la fase líquida a la fase sólida durante la descarga térmica, es decir, por medio de la transferencia de calor latente.
Al retirar el material de almacenamiento del recipiente de almacenamiento en fase líquida, también se puede usar el calor sensible almacenado en el material de almacenamiento en fase líquida por encima de la temperatura de fusión. De este modo, la densidad de almacenamiento de energía puede ser aumentada aún más mediante este procedimiento.
El procedimiento puede estar configurado para almacenar energía térmica en el intervalo de baja temperatura o en el intervalo de alta temperatura.
Un perfeccionamiento preferido del procedimiento puede prever que el material de almacenamiento en fase líquida se extraiga del recipiente de almacenamiento y se alimente al dispositivo de transferencia de calor con el fin de cargar térmicamente el sistema de almacenamiento de calor, que el material de almacenamiento se caliente suministrando calor en el dispositivo de transferencia de calor y que el material de almacenamiento calentado se alimente de nuevo al recipiente de almacenamiento.
La carga térmica del material de almacenamiento en el dispositivo de transferencia de calor puede estar prevista, por ejemplo, por medio de un intercambiador de calor o un dispositivo de calentamiento, tal como un calentador eléctrico. Otras características preferidas y/o ventajas de la invención son objeto de la siguiente descripción y de la descripción gráfica de ejemplos de realización.
En las figuras se muestra:
Fig. 1 una representación esquemática de una primera forma de realización de un sistema de almacenamiento de calor durante un proceso de carga térmica;
Fig. 2 una representación esquemática del sistema de almacenamiento de calor de la Fig. 1 durante un proceso de descarga térmica;
Fig. 3 una representación esquemática de una forma de realización alternativa del sistema de almacenamiento de calor durante un proceso de carga térmica;
Fig. 4 una representación esquemática del sistema de almacenamiento de calor de la Fig. 3 durante un proceso de descarga térmica.
Los elementos idénticos o funcionalmente equivalentes se dotan de los mismos signos de referencia en todas las figuras. La Fig. 1 y la Fig. 2 muestran esquemáticamente una primera forma de realización de un sistema de almacenamiento de calor designado como 100 en su conjunto.
La fig. 1 muestra el sistema de almacenamiento de calor durante un proceso de carga térmica y la fig.2 muestra el sistema de almacenamiento de calor durante un proceso de descarga térmica.
Un sistema de almacenamiento de calor 100 de este tipo está previsto preferentemente para su uso en procesos de centrales eléctricas, en particular centrales eléctricas termosolares, centrales eléctricas convencionales, centrales eléctricas de almacenamiento y centrales eléctricas OCR, o en procesos industriales, como por ejemplo para almacenar calor residual o proporcionar vapor de proceso.
El sistema de almacenamiento de calor 100 comprende un recipiente de almacenamiento 102 configurado para contener un material de almacenamiento 104. El material de almacenamiento 104 está previsto para cargar, almacenar y descargar energía térmica.
El recipiente de almacenamiento 102 forma un espacio interior 106 en el que se aloja el material de almacenamiento 104.
El material de almacenamiento 104 es un material de cambio de fase (PCM). El material de almacenamiento 104 puede ser cualquier material de cambio de fase que se seleccionar en función de un nivel de temperatura de un área de aplicación del sistema de almacenamiento de calor 100, por ejemplo, un nivel de temperatura de un flujo de calor residual o similar.
El material de almacenamiento 104 puede ser seleccionado tanto para un intervalo de baja temperatura como para un intervalo de alta temperatura. El material de almacenamiento 104 puede ser agua, parafinas, hidratos de sal o metales, por ejemplo. Además, como material de almacenamiento 104 puede estar prevista una sal de nitrato o una mezcla eutéctica de sales de nitrato y/u otras sales.
Dependiendo de un estado de carga térmica, el material de almacenamiento 104 está presente en el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102 tanto en fase líquida como en fase sólida.
La relación entre el material de almacenamiento 104 en fase líquida y el material de almacenamiento 104 en fase sólida en el recipiente de almacenamiento 102 depende del estado de carga térmica del material de almacenamiento 104.
Cuanto mayor sea el estado de carga térmica del material de almacenamiento 104, tanto mayor será la proporción de material de almacenamiento 104 en fase líquida en el recipiente de almacenamiento 102. Cuanto menor sea el estado de carga térmica del material de almacenamiento 104, tanto menor será la proporción de material de almacenamiento 104 en fase sólida en el recipiente de almacenamiento 102.
Dependiendo de la elección del material de almacenamiento 104, debido a la diferencia de densidad entre el material de almacenamiento 104 en fase líquida y el material de almacenamiento 104 en fase sólida, el material de almacenamiento 104 en fase líquida, por ejemplo, se puede acumular en una zona superior en el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102, mientras que un lecho de material de almacenamiento 104 en fase sólida se forma en una zona inferior en el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102. Si se selecciona agua o algún medio acuoso como material de almacenamiento 104, también también puede tener lugar lo contrario.
Tal como se explicará con más detalle a continuación, el lecho formado a partir del material de almacenamiento 104 en fase sólida tiene una estructura porosa. Como resultado, el material de almacenamiento 104 en fase sólida puede ser atravesado por el material de almacenamiento 104 en fase líquida.
El sistema de almacenamiento de calor 100 comprende un circuito 108 para extraer y suministrar el material de almacenamiento 104 alojado en el espacio interior 106.
El circuito 108 tiene un dispositivo de extracción 110. El dispositivo de extracción 110 forma una conexión de fluido entre el recipiente de almacenamiento 102 y un dispositivo de transferencia de calor 112.
Preferentemente, el dispositivo de extracción 110 está formado por un sistema de conducciones.
El dispositivo de extracción 110 se abre hacia el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102, en particular en una zona inferior o en una zona de la base del recipiente de almacenamiento 102.
El dispositivo de extracción 110 extrae el material de almacenamiento 104 en fase líquida del recipiente de almacenamiento 102 y lo alimenta al dispositivo de transferencia de calor 112 para su descarga térmica.
Además, el circuito 108 forma un canal de suministro/canal de descarga 114 que forma una conexión de fluido entre el dispositivo de transferencia de calor 112 y el recipiente de almacenamiento 102.
El canal de alimentación/canal de descarga 114 está acoplado al espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102 a través de una abertura de alimentación/de descarga. La abertura de alimentación/de descarga 112 forma un acceso/una salida al espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102.
El material de almacenamiento 104 se alimenta y se extrae del recipiente de almacenamiento 102 en fase líquida a través del canal de alimentación/canal de descarga 114.
En particular, el canal de alimentación/canal de descarga 114 se abre en una zona superior del recipiente de almacenamiento 102 a través de la abertura de alimentación/de descarga.
Preferentemente, el canal de alimentación/canal de descarga 114 se abre en el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102 en una posición relativamente más alta que el dispositivo de extracción 110.
El circuito 108 comprende el dispositivo de transferencia de calor 112 para la descarga y la carga térmicas del material de almacenamiento 104.
Por medio del suministro o de la retirada de calor Q, el material de almacenamiento 104 alimentado al dispositivo de transferencia de calor 112 se carga térmicamente o se descarga térmicamente. Durante la carga térmica, el material de almacenamiento 104 experimenta un aumento de temperatura durante la descarga térmica y el material de almacenamiento 104 experimenta una disminución de temperatura.
Para la carga térmica del material de almacenamiento 104, el dispositivo de transferencia de calor 112 está configurado para transferir calor sensible.
Para la carga térmica, el material de almacenamiento 104 en fase líquida se extrae del recipiente de almacenamiento 102 a un nivel de baja temperatura mediante el dispositivo de extracción 110 y se alimenta al dispositivo de transferencia de calor 112. Mediante el suministro de calor Q, el material de almacenamiento 104 se calienta a un nivel de temperatura superior en el dispositivo de transferencia de calor 112.
Durante la carga térmica, el material de almacenamiento 104 no experimenta ningún cambio de fase, es decir, permanece en fase líquida. Después de calentar el material de almacenamiento 104 en el dispositivo de transferencia de calor 112, el material de almacenamiento 104 calentado es alimentado al recipiente de almacenamiento 102 a través del canal de alimentación/canal de descarga 114.
Como resultado del suministro del material de almacenamiento 104 calentado se forma una estratificación de temperatura en fase líquida, particularmente en la zona superior del recipiente de 102. Por lo tanto, el sistema de almacenamiento de calor 100 también puede ser denominado acumulador termoclínico.
Para la descarga térmica del material de almacenamiento 104, el dispositivo de transferencia de calor 112 está configurado para transferir calor latente. La Fig. 2 muestra el sistema de almacenamiento de calor 100 durante la descarga térmica.
El dispositivo de transferencia de calor 112 está realizado como un intercambiador de calor latente.
Para la descarga térmica, el material de almacenamiento 104 en fase líquida se alimenta al dispositivo de transferencia de calor 112 a través del canal de alimentación/canal de descarga 114. Durante la descarga térmica, el material de almacenamiento 104 experimenta un cambio de fase de la fase líquida a la fase sólida con la liberación de calor latente Q.
El dispositivo de transferencia de calor 112 está realizado en particular como un intercambiador de calor latente activo. El intercambiador de calor latente activo puede tener un dispositivo de descarga no mostrado en detalle, como por ejemplo un dispositivo de raspado, con el fin de descargar el material de almacenamiento 104 del dispositivo de transferencia de calor 112 solidificado como resultado del cambio de fase.
Preferentemente, el dispositivo de transferencia de calor 112 está realizado como un intercambiador de calor de tambor giratorio.
El material de almacenamiento solidificado 104 se descarga del dispositivo de transferencia de calor 112 en forma de trozo pequeños o como granulado. La forma del material de almacenamiento solidificado 104 puede variar en función del material de cambio de fase.
El circuito 108 comprende un dispositivo de retorno 116. El dispositivo de retorno 116 está configurado para devolver el material de almacenamiento solidificado 104 al espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102 después de la descarga térmica mediante la liberación de calor latente en fase sólida.
El dispositivo de retorno 116 forma una conexión para devolver el material de almacenamiento solidificado 104 desde el dispositivo de transferencia de calor 112 al recipiente de almacenamiento 102. El dispositivo de retorno 116 se abre hacia el espacio interior 106 del tanque de almacenamiento 102.
El dispositivo de retorno 116 comprende una unidad de transporte 118 para transportar el material de almacenamiento solidificado 104 desde el dispositivo de transferencia de calor 112 al espacio interior 104 del recipiente de almacenamiento 102.
La unidad de transporte 118 está realizada preferentemente como un transportador continuo. Preferentemente, la unidad de transporte 118 se puede realizar como un transportador de tornillo, tal como se muestra en la Fig. 1, una cinta transportadora, una válvula rotativa o similar.
Alternativa o adicionalmente, el dispositivo de retorno 116 puede comprender una esclusa para alimentar el material de almacenamiento solidificado 104 en el espacio interior 104 del recipiente de almacenamiento 102.
Alternativa o adicionalmente, el dispositivo de retorno 116 puede tener una alimentación por gravedad que se abre en el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102. Esta alimentación por gravedad puede adoptar, por ejemplo, la forma de un tubo de bajada o de una zona de recirculación independiente en el tanque de almacenamiento 102.
El material de almacenamiento 104 solidificado puede ser alimentado a la alimentación por gravedad, por ejemplo desde arriba o desde un lado, de tal manera que el material de almacenamiento 104 se alimente al espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102 bajo la influencia de la gravedad. Opcionalmente, por ejemplo, puede estar previsto un transportador de tornillo, que está dispuesto en particular completamente en el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102 y sirve para distribuir el material de almacenamiento 104 solidificado en la zona inferior del recipiente de almacenamiento 102.
En el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102 hay formada una zona de recogida 120 para recoger el material de almacenamiento 104 en fase líquida.
La zona de recogida 120 está prevista en una zona más baja en el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102.
Opcionalmente, puede estar previsto que un dispositivo de calentamiento eléctrico y/o térmico esté dispuesto en la zona de recogida 120 y/o dispuesto adyacente a la zona de recogida 120. En particular, esto garantiza la presencia previa de una fase líquida.
En una forma de realización alternativa o complementaria, la zona 120 de recogida se puede extender por zonas a lo largo de una zona periférica o de una pared periférica del recipiente 102 de almacenamiento.
Por medio de dispositivo de separación 122 permeable a los líquidos, e impermeable a los sólidos, la zona de recogida 120 que separada del resto del espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102. El dispositivo de separación 122 está realizado como una placa perforada o un tamiz.
Por medio del dispositivo de separación 122 se permite que el material de almacenamiento 104 en fase líquida fluya hacia la zona de recogida 120 y se evita que el material de almacenamiento 104 en fase sólida entre en la zona de recogida 120.
La zona de recogida 120 está acoplada mediante fluido con el dispositivo de extracción 110. Como resultado, el material de almacenamiento 104 en fase líquida puede ser retirado de la zona de recogida 120 por parte del dispositivo de extracción 110 y alimentado al dispositivo de transferencia de calor 112.
Durante la carga térmica del material de almacenamiento 104, el material de almacenamiento 104 es retirado de la zona de recogida 120 en fase líquida a un nivel de temperatura ligeramente superior a la temperatura de fusión o la temperatura de cambio de fase.
En la zona superior del recipiente de almacenamiento 102 hasta el límite de fase entre la fase líquida y la fase sólida del material de almacenamiento 104 se establece, en el límite de fase, un gradiente de temperatura desde una temperatura máxima del material de almacenamiento 104 cargado térmicamente hasta la temperatura de fusión del material de almacenamiento 104.
En el lecho del material de almacenamiento 104 en fase sólida, es decir, en la zona inferior del recipiente de almacenamiento 102, se forma una temperatura constante en el caso de la temperatura de fusión o de la temperatura de cambio de fase del material de almacenamiento 104.
Parala extracción del material de almacenamiento 104 en fase líquida, se le retira de la zona de recogida 120 mediante el dispositivo de extracción 110, por lo que el material de almacenamiento 104 en fase líquida fluye, en la zona del límite entre la fase líquida y la fase sólida en la dirección de flujo S, a través del lecho poroso de material de almacenamiento 104 en fase sólida hacia la zona de recogida 120.
Al hacer fluir el material de almacenamiento 104 en fase líquida a través del lecho poroso de material de almacenamiento 104 en fase sólida, se pretende que el material de almacenamiento 104 en fase líquida ceda calor al material de almacenamiento 104 en fase sólida y que lo funda, al menos parcialmente.
El proceso de fusión del material de almacenamiento 104 en fase sólida puede tener lugar principalmente en las proximidades del límite de fase entre la fase sólida y la fase líquida.
Debido a la retirada del material de almacenamiento 104 en fase líquida, se produce de esta manera un cambio de fase continuo del material de almacenamiento 104 de la fase sólida a la fase líquida.
El material de almacenamiento 104 retirado en fase líquida se alimenta entonces al dispositivo de transferencia de calor 112 y se calienta suministrando calor Q.
El calor Q puede ser suministrado por medio de un intercambiador de calor, por ejemplo accionado por calor residual, o bien por medio de un dispositivo de calentamiento, por ejemplo un dispositivo de calentamiento eléctrico. El calor Q también puede ser suministrado mediante una bomba de calor de alta temperatura.
Preferentemente, el material de almacenamiento 104 se calienta a un nivel de temperatura significativamente superior a la temperatura de cambio de fase.
De manera particularmente preferente, el material de almacenamiento 104 es calñentado a un nivel de temperatura ligeramente inferior a la temperatura de descomposición del material de almacenamiento 104.
Posteriormente, el material de almacenamiento 104 calentado en fase líquida es introducido de nuevo en el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102 a través del canal de alimentación/canal de descarga 114.
La Fig. 2 muestra un proceso de descarga térmica a través del sistema de almacenamiento de calor 100.
Para descargar el material de almacenamiento 104 calentado, el material de almacenamiento 104 en fase líquida es extraído de la zona superior en el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102 a través del canal de alimentación/canal de descarga 114 y se alimenta al dispositivo de transferencia de calor 112.
Cuando se descarga el material de almacenamiento 104, se le enfría en el dispositivo de transferencia de calor 112, liberando calor Q.
En particular, la descarga térmica del material de almacenamiento 104 en el intercambiador de calor latente activo tiene lugar con la liberación de calor sensible y latente Q. El material de almacenamiento 104 se solidifica como resultado del cambio de fase de la fase líquida a la fase sólida.
Después de la transferencia de calor latente, el material de almacenamiento solidificado 104 está en trozos o en forma de gránulos sueltos debido al intercambiador de calor latente activo, por ejemplo debido al dispositivo de descarga, a un dispositivo de raspado o al intercambiador de calor de tambor giratorio.
Este material de almacenamiento solidificado en trozos o en gránulos 104 se alimenta entonces al dispositivo de retorno 116, que devuelve el material de almacenamiento solidificado 104 a través de la unidad de transporte 118 al espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102.
Preferentemente, el material de almacenamiento 104 solidificado se devuelve a la zona inferior del espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102 mediante el dispositivo de retorno 116.
Por medio de la devolución del material de almacenamiento 104 solidificado al espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102, se forma en fase sólida el lecho poroso de material de almacenamiento 104.
De la manera descrita anteriormente, el material de almacenamiento solidificado 104 recirculado es es fundido de nuevo por el flujo de material de almacenamiento 104 en fase líquida.
La Fig. 3 y la Fig. 4 muestran una forma de realización alternativa del sistema de almacenamiento de calor 100, mostrando la Fig. 3 el sistema de almacenamiento de calor 100 durante un proceso de carga térmica y la Fig. 4 el sistema de almacenamiento de calor 100 durante un proceso de descarga térmica.
Esta forma de realización alternativa del sistema de almacenamiento de calor 100 difiere de la primera forma de realización descrita anteriormente esencialmente en la configuración de la zona de recogida 120. El concepto subyacente del procedimiento de descarga y de carga térmicas se corresponde con el de la primera forma de realización del sistema de almacenamiento de calor 100.
En el sistema de almacenamiento de calor 100 según las Figs. 3 y 4, la zona de recogida 120 está formada por un canal de recogida 124.
La zona de recogida 120 puede estar formada por un canal de recogida 124 o por varios canales de recogida 124, que se disponen distribuidos en el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102.
El canal de recogida 124 se extiende en el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102 en una dirección sustancialmente vertical. Preferentemente, el canal de recogida 124 se extiende de forma continua desde un fondo del recipiente de almacenamiento 102 hasta una tapa del recipiente de almacenamiento 102.
El canal de recogida 124 puede estar formado, por ejemplo, por un elemento tubular.
Una pared del canal de recogida 124 forma el dispositivo de separación 122 permeable a líquidos e impermeable a sólidos para separar la zona de recogida 120 del resto del espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102.
El dispositivo de separación 122 puede, por ejemplo, estar formado por una pluralidad de pasajes o de orificios a lo largo de una extensión longitudinal en la pared del canal de recogida 124. El dispositivo de separación 122 también puede estar formado por un tamiz tubular.
Una sección más inferior del canal de recogida 124 está conectada por fluido al dispositivo de extracción 110, de tal modo que el material de almacenamiento 104 puede ser alimentado al dispositivo de transferencia de calor 112 en fase líquida para la carga térmica.
Para evitar que el material de almacenamiento 104 en fase líquida se extraiga a un nivel de temperatura elevado de la zona más superior del espacio interior 106 a través del canal de recogida 124 que se extiende en el espacio interior 106 durante la carga térmica, el canal de recogida 124 tiene un dispositivo regulador de nivel 126.
El dispositivo regulador de nivel 126 bloquea una trayectoria de flujo formada por el canal de recogida 124 hacia el dispositivo de extracción 110 en función de la temperatura de estratificación del material de almacenamiento 104. De esta manera se impide que el material de almacenamiento 104 en fase líquida fluya a un nivel de temperatura elevado desde la zona superior del espacio interior 106 a través del canal de recogida 124.
El dispositivo regulador del nivel 126 comprende un elemento de ajuste de la altura 128, que está dispuesto dentro del conducto colector 124 de tal manera que se puede ajustar su altura a lo largo de una dirección de ajuste de la altura H y bloquea la trayectoria del flujo.
El elemento de ajuste de la altura 128 puede ser accionado activamente para disponerlo en una posición de altura correspondiente en función de la temperatura de estratificación del material de almacenamiento 104.
En particular, se prevé que el elemento de ajuste de la altura 128 esté dispuesto constantemente sustancialmente al nivel del límite entre la fase sólida y la fase líquida del material de almacenamiento 104.
Asimismo, el elemento de ajuste de la altura 128 puede estar configurado como un elemento pasivo que se dispone automáticamente en la posición de altura correspondiente en función de la temperatura de estratificación del material de almacenamiento 104 debido a un cambio de densidad o similar.
En una forma de realización alternativa del dispositivo regulador del nivel 126, el conducto colector 124 puede estar configurado para que se pueda ajustar en altura. Aquí, un extremo superior del canal de recogida 124 puede disponerse en diferentes posiciones de altura en el espacio interior 106 del recipiente de almacenamiento 102 en la dirección de ajuste de la altura H para evitar que el material de almacenamiento 104 en fase líquida fluya a través del canal de recogida 124 en el nivel de alta temperatura desde la zona más superior del espacio interior 106.
El ajuste de la altura puede estar formado por tubos telescópicos introducidos uno en el otro o por dos tubos coaxiales que se retuercen.
Mediante el dispositivo regulador de nivel 126, cuando se extrae material de almacenamiento 104 en fase líquida se consigue que el material de almacenamiento líquido 104 en la zona del límite entre la fase sólida y la fase líquida, es decir, a un nivel de temperatura relativamente más bajo, fluya primero a través de una zona superior del lecho poroso de material de almacenamiento en fase sólida y después se acumule en el canal de recogida 124.
Al hacer fluir en ciertas zonas el material de almacenamiento 104 en fase líquida a través del lecho poroso de material de almacenamiento 104 en fase sólida, el material de almacenamiento 104 en fase sólida se funde al menos parcialmente.
El proceso de descarga térmica del sistema de almacenamiento de calor 100 mostrado en la Fig.4 tiene lugar de la misma manera que el proceso de descarga descrito anteriormente en la Fig. 2.
Lista de símbolos de referencia
100 Sistema de almacenamiento de calor
102 Depósito de almacenamiento
104 Material de almacenamiento
106 Espacio interior
108 Circulación
110 Dispositivo de extracción
112 Dispositivo de transferencia de calor
114 Canal de alimentación/canal de descarga
116 Mecanismo de retorno
118 Unidad de transporte
120 Zona de recogida
122 Dispositivo de separación
Conducto colector
Dispositivo regulador del nivel
Elemento de ajuste de la altura
Calor

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Sistema de almacenamiento de calor (100), que tiene un recipiente de almacenamiento (102) para alojar material de almacenamiento (104) en un espacio interior (106) del recipiente de almacenamiento (102) y un circuito (108) para extraer y suministrar el material de almacenamiento (104) alojado en el espacio interior (106), en donde el circuito (108) comprende:
- un dispositivo de transferencia de calor (112) para descargar térmicamente y/o cargar térmicamente el material de almacenamiento (104),
- un dispositivo de extracción (110) que está configurado para extraer el material de almacenamiento (104) en fase líquida del recipiente de almacenamiento (102) y alimentarlo al dispositivo de transferencia de calor (112) para su descarga térmica y/o carga térmica,
- un canal de suministro/canal de descarga (114) que forma una conexión de fluido entre el dispositivo de transferencia de calor (112) y el recipiente de almacenamiento (102), y
caracterizado porque
el circuito (108) comprende un dispositivo de retorno (116) que está dispuesto para devolver el material de almacenamiento (104) en fase sólida al espacio interior (106) del recipiente de almacenamiento (102).
2. Sistema de almacenamiento de calor según la reivindicación 1,caracterizado porqueel dispositivo de transferencia de calor (112) está configurado para transferir calor latente para descargar térmicamente el material de almacenamiento (104) y para transferir calor sensible para cargar térmicamente el material de almacenamiento (104).
3. Sistema de almacenamiento de calor según las reivindicaciones 1 o 2,caracterizado porqueel dispositivo de transferencia de calor (112) comprende un intercambiador de calor latente o está configurado como un intercambiador de calor latente y tiene un dispositivo de descarga para descargar el material de almacenamiento solidificado y/o para alimentarlo al dispositivo de retorno (116).
4. Sistema de almacenamiento de calor según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porqueel dispositivo de transferencia de calor (112) comprende un intercambiador de calor de tambor giratorio o está configurado como un intercambiador de calor de tambor giratorio.
5. Sistema de almacenamiento de calor según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porqueel dispositivo de retorno (116) tiene al menos una unidad de transporte (118) y/o una alimentación por gravedad y se abre hacia el espacio interior (106) del recipiente de almacenamiento (102).
6. Sistema de almacenamiento de calor según la reivindicación 5,caracterizado porquela al menos una unidad de transporte (118) tiene un transportador continuo, una esclusa y/o similar.
7. Sistema de almacenamiento de calor según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porqueestá previsto un dispositivo de distribución en el espacio interior (106) del recipiente de almacenamiento (102) para crear una distribución uniforme del material de almacenamiento (104) en fase sólida en una zona inferior del espacio interior (106) del recipiente de almacenamiento (102).
8. Sistema de almacenamiento de calor según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porqueen el espacio interior (106) del recipiente de almacenamiento (102) está prevista al menos una zona de recogida (120) para recoger material de almacenamiento (104) en fase líquida, estando la zona de recogida (120) delimitada del resto del espacio interior (106) del recipiente de almacenamiento (102) por un dispositivo de separación (122) permeable a líquidos e impermeable a sólidos, y estando la zona de recogida (120) acoplada de manera fluida al dispositivo de extracción (110).
9. Sistema de almacenamiento de calor según la reivindicación 8,caracterizado en quela al menos una zona de recogida (120) está dispuesta en una zona base del recipiente de almacenamiento (102) y/o se extiende al menos en algunas zonas a lo largo de una zona circunferencial del recipiente de almacenamiento (102).
10. Sistema de almacenamiento de calor según las reivindicaciones 8 o 9,caracterizado porquela al menos una zona de recogida (120) comprende un canal de recogida (124) que se extiende en el espacio interior (106) del recipiente de almacenamiento (102), preferentemente en una dirección esencialmente vertical.
11. Sistema de almacenamiento de calor según la reivindicación 10,caracterizado porqueel conducto colector (124) presenta un dispositivo regulador de nivel (126) que bloquea un paso de flujo formado por el conducto colector (124) hacia el dispositivo de extracción (110) en función de una temperatura de estratificación del material de almacenamiento (104).
12. Sistema de almacenamiento de calor según una de las reivindicaciones 8 a 11,caracterizado porqueel dispositivo de separación (122) y/o la zona de recogida (120) se calientan al menos en algunas zonas.
13. Acumulador de calor según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porqueun intercambiador de calor está previsto en una zona inferior en el espacio interior (106) del recipiente de almacenamiento (102).
14. Procedimiento para almacenar energía térmica mediante un sistema de almacenamiento de calor (100), en particular un sistema de almacenamiento de calor (100) según una de las reivindicaciones 1 a 13, que presenta las etapas que - para la descarga térmica, el material de almacenamiento (104) en fase líquida se extrae de un recipiente de almacenamiento (102) y se alimenta a un dispositivo de transferencia de calor (112) a través de un canal de alimentación/canal de descarga (114),
- el material de almacenamiento (104) en el dispositivo de transferencia de calor (112) es descargado térmicamente mediante la transferencia de calor latente,
caracterizado porque
- el material de almacenamiento solidificado (104) es alimentado a un dispositivo de retorno (116) después de la descarga térmica, y
- el material de almacenamiento (104) en fase sólida es devuelto al espacio interior (106) del recipiente de almacenamiento (102) por medio del dispositivo de retorno (116).
15. Procedimiento según la reivindicación 14,caracterizado porquepara cargar térmicamente el sistema de almacenamiento de calor (100), el material de almacenamiento (104) se extrae en fase líquida del recipiente de almacenamiento (102) y se alimenta al dispositivo de transferencia de calor (112), el material de almacenamiento (104) se calienta suministrando calor en el dispositivo de transferencia de calor (112) y el material de almacenamiento (104) calentado se devuelve al recipiente de almacenamiento (102).
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