WO2013068613A1 - Tubería para el intercambio de calor en aplicaciones geotérmica - Google Patents

Tubería para el intercambio de calor en aplicaciones geotérmica Download PDF

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WO2013068613A1
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heat exchange
heat
pipework
plastic material
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Javier Antonio Vazquez Sanchez
David Rosa Ariza
Santiago LORENZO MAGAZ
Rosa Ana OCAMPO ARNAIZ
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Abn Pipe Systems, S.L.U.
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Definitions

  • the present invention belongs to the technical field of renewable energy use systems, and specifically to the use of geothermal energy from the subsoil of a land, in the form of heat, and its subsequent application in air conditioning and heating systems, or any other involve heat exchange. More specifically, the present invention pertains to the technical field of installations for the exchange of heat between a fluid that circulates inside some pipes and the subsoil of the land in which they are introduced, for later use in air conditioning and heating of homes, buildings, or any type of closed premises.
  • geothermal energy from the subsoil of a land, for its subsequent application in air conditioning and heating of enclosed premises.
  • the main element for heat transfer is a pipe, which performs the role of exchanger between the surrounding subsoil and e! flow of a fluid that circulates inside said pipe.
  • geothermal systems use a liquid, usually water, as a heat transfer fluid that circulates inside the pipes, while aerothermal systems use air as a heat transfer fluid.
  • pipes with surfaces with roughnesses between 0 and 5 micrometers are considered smooth, while those with roughnesses between 5 and 50 micrometers are considered slightly rough pipes.
  • Highly rough pipes are those that. They have roughness greater than 50 micrometers.
  • the conventional pipes used usually have a roughness of between 1 and 2 micrometers, such as cement, lead, PVC or polyethylene, with greater roughness those of fiber cement (10 micrometers) or steel (45 micrometers). Concrete pipes do have a roughness greater than 100 micrometers (specifically around 300 micrometers), but obviously they are not usually used for heat transfer applications, since they are not effective for this purpose, due to their high weight and Low heat conductivity
  • the present invention solves the problems existing in the state of the art by means of a pipe for heat exchange in geothermal applications, through which a heat transfer fluid circulates.
  • a pipe for heat exchange in geothermal applications through which a heat transfer fluid circulates.
  • the pipe is formed by an external surface and an internal surface, this internal surface being made of a mixture of plastic material and a granular load of medium-sized particles greater than 100 micrometers.
  • the particles of the liquid that touch the inner surface of the pipe vary their direction of travel due to the roughness, thus originating the flow turbulent, and increasing the heat transmission between the liquid and the ground that houses the pipe.
  • the external surface of the pipe is made of doped plastic material with conductive loads, which increases the conductivity of the pipe and thereby the heat transfer. That is, according to this embodiment, the pipe is formed by two layers, in which the first one, the inner one, has an inner surface of high roughness, specifically particles of medium size greater than 100 micrometers, while the second The outer layer has an outer surface of high conductivity, obtained using doped plastic material with conductive loads.
  • Figure 1 is a perspective view of a pipe object of the present invention having an inner surface of high roughness.
  • the object of the present invention is' a pipe for heat exchange in geothermal applications, through which a heat transfer fluid circulates, the heat exchange between the heat transfer fluid and the subsoil being carried out through said pipe .
  • the heat exchange pipe of the invention is formed by an external surface 1 and an internal surface 2.
  • the inner surface 2 is made of a mixture of plastic material and a granular charge of medium sized particles greater than 100 micrometers.
  • this plastic material that forms the inner surface 2 can be PVC, polyethylene (PE), polypropylene (PP), crosslinked polyethylene (PEX), or polybutylene (PB).
  • the pipe is formed by two layers, an inner layer and an outer layer.
  • the outer layer has an outer surface 1 made of doped plastic material with conductive loads, in order to increase the heat transmission between the heat transfer liquid and the subsoil that houses the pipe.
  • this plastic material of the external surface 1 can also consist of PVC, polyethylene (PE), polypropylene (PP), crosslinked polyethylene (PEX), or pblibutylene (PB).

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Abstract

Tubería para el intercambio de calor en aplicaciones geotérmicas, por cuyo interior circula un fluido caloportador. A través de la tubería se realiza el intercambio calórico entre el fluido caloportador que circula por su interior, y el subsuelo que la rodea. La tubería presenta una superficie externa (1 ), y una superficie interna (2), esta última realizada en una mezcla de material plástico y una carga granulada de partículas de tamaño medio mayor que 100 micrómetros.

Description

TUBERÍA PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR EN APLICACIONES
GEOTÉRMICAS
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo técnico de los sistemas de aprovechamiento de energías renovables, y concretamente ai aprovechamiento de la energía geotérmica del subsuelo de un terreno, en forma de calor, y su posterior aplicación en sistemas de climatización y calefacción, o cualquier otro que implique intercambio de calor. Más específicamente, la presente invención pertenece al campo técnico de las instalaciones para el intercambio de calor entre un fluido que circula por el interior de unas tuberías y el subsuelo del terreno en el que están introducidas, para su posterior utilización en la climatización y calefacción de viviendas, edificios, o cualquier tipo de local cerrado.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Son conocidos del estado de la técnica diversos sistemas para el aprovechamiento de la energía geotérmica del subsuelo de un terreno, para su posterior aplicación en climatización y calefacción de locales cerrados. En todos estos sistemas, el elemento principal para la transferencia de calor es una tubería, la cual realiza el papel de intercambiador entre el subsuelo que le rodea y e! flujo de un fluido que circula por el interior de dicha tubería. Específicamente, los sistemas geotérmicos utilizan un líquido, generalmente agua, como fluido caloportador que circula por el interior de las tuberías, mientras que los sistemas aerotérmicos utilizan aire como fluido caloportador.
Para conséguir una mayor transferencia de calor entre el terreno y el fluido que circula por el interior de las tuberías, es conveniente conseguir un flujo turbulento de dicho fluido, es decir, un flujo del fluido en diferentes direcciones en el interior de las tuberías. Esto hace que las partículas del fluido permanezcan más tiempo en el interior de la tubería, además de que se mezclarán unas con otras, y mayor número de partículas entrarán en contacto con la superficie de la tubería. Todo esto aumenta la transferencia de calor entre el terreno y el fluido que circula por el interior de las tuberías. Una de las formas de obtener un flujo turbulento del fluido en el interior de ia tubería, es mediante una superficie interior de la tubería rugosa, ya que las rugosidades en ia superficie que contacta con el fluido provocan un cambio de dirección en las partículas del fluido directamente en contacto con. ella, y la mezcla de todas las partículas dei fluido.
Convencionalmente, las tuberías con superficies con rugosidades entre 0 y 5 micrómetros se consideran lisas, mientras que las que presentan rugosidades entre 5 y 50 micrómetros son consideradas tuberías ligeramente rugosas. Las tuberías altamente rugosas son aquellas que. presentan rugosidades mayores de 50 micrómetros.
Para que la rugosidad tenga un efecto apreciable en el flujo del fluido que circula por el interior de la tubería, esta debe ser de al menos 100 micrómetros.
Las tuberías convencionales utilizadas suelen tener una rugosidad de entre 1 y 2 micrómetros, como las de cemento, plomo, PVC o polietileno, presentando mayor rugosidad las de fibrocemento (10 micrómetros) o las acero (45 micrómetros). Las tuberías de hormigón sí que presentan una rugosidad mayor de 100 micrómetros (concretamente alrededor de 300 micrómetros), pero obviamente no se suelen utilizar para aplicaciones de transmisión de calor, dado que no son eficaces para este propósito, debido a su elevado peso y su baja conductividad del calor.
Era por tanto deseable una tubería que consiguiera un flujo turbulento del fluido que circula por su interior, para incrementar la transmisión de calor con el terreno que la alberga.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención resuelve los problemas existentes en el estado de la técnica mediante una tubería para el intercambio de calor en aplicaciones geotérmicas, por cuyo interior circula un fluido caloportador. A través de esta tubería se realiza el intercambio calórico entre el fluido caloportador y el subsuelo que alberga a la tubería. La tubería está formada por una superficie externa y por una superficie interna, estando esta superficie interna realizada en una mezcla de material plástico y una carga granulada de partículas de tamaño medio mayor que 100 micrómetros. De esta forma, las partículas del líquido que tocan la superficie interior de la tubería varían su dirección de desplazamiento debido a las rugosidades, originándose así el flujo turbulento, e incrementando la transmisión de calor entre el líquido y el terreno que alberga a la tubería.
Adicionalmente, y según una realización preferente de la invención, la superficie externa de la tubería está realizada en material plástico dopado con cargas conductoras, lo que incrementa la conductividad de la tubería y con ello la transmisión de calor. Es decir, de acuerdo con esta realización, la tubería está formada por dos capas, en la que la primera de ellas, la interior, presenta una superficie interior de alta rugosidad, concretamente partículas de tamaño medio mayor que 100 micrómetros, mientras que la segunda capa, la exterior, presenta una superficie exterior de elevada conductividad, obtenida mediante material plástico dopado con cargas conductoras.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
A continuación, para facilitar la comprensión de la invención, a modo ilustrativo pero no limitativo se describirá una realización de la invención que hace referencia a una figura.
La figura 1 es una vista en perspectiva de una tubería objeto de ia presente invención que presenta una superficie interior de alta rugosidad.
En esta figura se hace referencia a un conjunto de elementos que son:
1. superficie externa de la tubería
2. superficie interna de la tubería
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN El objeto de la presente invención es' una tubería para el intercambio de calor en aplicaciones geotérmicas, por cuyo interior circula un fluido caloportador, realizándose a través de dicha tubería el intercambio calórico entre el fluido caloportador y el subsuelo.
Tal y como se puede observar en la figura 1 , la tubería para intercambio de calor de la invención está formada por una superficie externa 1 y por una superficie interna 2.
La superficie interna 2 está realizada en una mezcla de material plástico y una carga granulada de partículas de tamaño medio mayor que 100 micrómetros.
De forma particular, este material plástico que forma la superficie interna 2 puede ser PVC, polietüeno (PE), polipropileno (PP), polietileno reticulado (PEX), o bien polibutileno (PB). De acuerdo con una realización preferente de la invención, la tubería está formada por dos capas, una capa interna y una capa externa. En este caso, la capa externa presenta una superficie externa 1 realizada en material plástico dopado con cargas conductoras, con el objeto de aumentar la transmisión del calor entre el líquido caloportador y el subsuelo que alberga la tubería. De forma particular, este material plástico de la superficie externa 1 también puede consistir en PVC, polietileno (PE), polipropileno (PP), polietileno reticulado (PEX), o bien pblibutileno (PB).
Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia dé la invención.

Claims

REIVINDICACIONES
1. . Tubería para el intercambio de calor en aplicaciones geotérmicas, por cuyo interior circula un fluido caloportador, y a través de la cual se realiza el intercambio calórico entre el fluido caloportador y el subsuelo, y que comprende
una superficie externa (1), y
una superficie interna (2),
dicha tubería para el intercambio de calor caracterizada por que la superficie interna (2) está realizada en una mezcla de material plástico y una carga granulada de partículas de tamaño medio mayor que 100 micrómetros.
2. Tubería para el intercambio de calor en aplicaciones geotérmicas, según la reivindicación anterior, caracterizada por que su superficie externa (1 ) está realizada en material plástico dopado con cargas conductoras.
3. Tubería para el intercambio de calor en aplicaciones geotérmicas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el material plástico de la superficie interna (2) está seleccionado entre PVC, polietileno, polipropileno, polietileno reticulado y polibutileno.
4. Tubería para ei intercambio de calor en aplicaciones geotérmicas, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el material plástico de la superficie extema (1 ) está seleccionado entre PVC, polietileno, polipropileno, polietileno reticulado y polibutileno.
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