WO2014053677A1 - Sistema de almacenamiento térmico y su procedimiento de carga y descarga - Google Patents

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WO2014053677A1
WO2014053677A1 PCT/ES2013/000218 ES2013000218W WO2014053677A1 WO 2014053677 A1 WO2014053677 A1 WO 2014053677A1 ES 2013000218 W ES2013000218 W ES 2013000218W WO 2014053677 A1 WO2014053677 A1 WO 2014053677A1
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transfer fluid
heat transfer
heat
fluid
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Aleix Jove Llovera
Cristina PRIETO RÍOS
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Abengoa Solar New Technologies, S.A.
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Definitions

  • the present invention is part of the thermal storage sector based on phase change materials (PCM).
  • PCM phase change materials
  • it refers to a thermal energy storage system suitable for being loaded and unloaded with a heat transfer fluid in the process of thermal exchange
  • the proposed thermal storage system has application both in solar thermal power plants for steam production, and in production processes where heat storage can be an interesting differentiating factor from an economic point of view.
  • Phase change materials are presented as a very interesting alternative for efficient thermal storage, high energy density and especially for applications at constant temperature.
  • the exchange systems based on phase change materials for the generation of saturated steam or for evaporating / condensing some heat transfer fluid are proposed to be always loaded by the upper part of the system. That is, the passage of the heat transfer fluid through the phase change material container is always carried out from the top of said equipment and circulates towards the bottom.
  • the main reason for this fact is that in this way it is possible to make a correct management of the volume expansion of the phase change material, leaving at the top of the equipment, a free space in anticipation of the expansion of this phase change material.
  • the phase change material is solidified, occupying in the tank a space up to the level represented by the line thick discontinuous
  • the phase change material begins to melt and expand, occupying the free space above the dotted line.
  • the steam or heat transfer fluid must always enter through the upper part condensing along the tubes and condensing out the bottom without the possibility of natural recirculation, thus limiting the speed / flow of the fluid inside the tubes to the maximum that the condensation allows and with it the speed of thermal transfer of the steam or heat transfer fluid to the phase change material.
  • a condensate tank would be required at the bottom of the system.
  • US2007Q175609 describes a thermal exchange system between a material! of phase change and a fluid thanks to the use of graphite fins within the phase change material in order to increase thermal conductivity. The invention however does not go into details of how the loading and unloading operations are performed.
  • US005220954 describes a heat exchanger / accumulator system based on phase change materials with the particularity that its cylindrical configuration allows the thermal expansion of the phase change material in its load. The system does not propose any improvement of the thermal conductivity of the phase change material or any improvement of the transfer speed on the side of the working fluid.
  • This document also describes how to load the system with a single-step load but always in a downward direction (starting the load from above and ending at the bottom), a fact that in the case you want to obtain saturated water at The exit of the system makes necessary the existence of a condensate tank in the lower part to allow obtaining saturated water in order to be pumped back to the rest of the cycle.
  • the system can only be loaded in this way (in the downstream direction) due to the previously stated problem of volumetric expansion of the phase change material, thus allowing the material to expand does not create areas of overpressurization.
  • WO2010146197 refers to a phase change composite consisting of a carbon foam or graphite and a hydroxides salt. The whole material allows to increase the thermal conductivity of the sai thanks to the matrix Conductive carbon and graphite in addition to allowing local management of salt volume expansion.
  • phase change material that allows to have a system that can be loaded and unloaded by the lower part of it (in an upward vertical direction) thus allowing a natural recirculation of the heat transfer fluid in the condensation / evaporation process and achieving a better thermal transfer between this working fluid and the phase change material.
  • the flow through the heat exchange tubes is also increased, which means an increase in the flow rate of the fluid and, in turn, an increase in the Reynolds number and with it the effectiveness of the thermal exchange between the heat transfer fluid and the phase change material. It also saves the use of a recirculation pump and a condensate tank at the bottom of the equipment, currently necessary during the loading of the systems present in the state of the art.
  • phase change material that is capable of managing its own volume expansion itself or, if not, the use of a phase change material-exchanger configuration that allows local management of the material volume expansion of phase change.
  • the invention consists of a thermal storage system and the method for carrying out the heat exchange between the storage material contained in said system and a heat transfer fluid (loading / unloading procedure of the system).
  • the storage system comprises a heat exchanger through which a heat transfer fluid and a storage material circulated, this being a phase change material that has a minimum thermal expansion below 5%, being capable of managing itself Your own volume expansion.
  • the phase change storage material consists of a rigid matrix that includes a phase change material and is contained in an outer shell or tank.
  • the heat exchanger comprises a set of vertical straight tubes that pass through the storage material through which the thermal exchange between the heat transfer fluid circulating through them and the storage material is carried out. These tubes are separated from each other allowing fusion or crystallization of all the storage material that exists between them.
  • the vertical tubes connect with at least one lower manifold by means of lower subcollectors.
  • the lower subcollectors include a series of injectors to allow heat transfer fluid to be introduced in the gaseous state to the lower part of the heat exchanger in the case of system loading.
  • vertical tubes connect with at least one upper manifold by means of upper subcollectors.
  • the upper manifold is, in turn, connected to a boiler located outside the housing and at a level above the upper manifold.
  • One or more downstream recirculation pipes come out of the boiler, also located externally to the housing and connecting said boiler to the lower manifold.
  • heat transfer fluid circulates in a liquid state from the boiler and enters through the collector and subcollectors below the vertical tubes that pass through the storage material.
  • the boiler also has an outlet for heat transfer fluid in a gaseous state and an entry or exit point for heat transfer fluid in a liquid state, in the case of discharge or charge respectively.
  • the heat transfer fluid in the liquid state that descends through the downspouts is mixed with the heat transfer fluid in the gaseous state that is injected into the system by the lower subcollectors.
  • This gas phase fluid introduced by the lower part of the system and mixed with the liquid phase fluid that comes from the downspouts allows that, due to density differences with the liquid phase fluid contained in the downspouts, a natural recirculation is created of the fluid, taking advantage of this fact to increase the flow rate through the vertical tubes of the heat exchanger and thus increasing the thermal transfer by the heat transfer fluid.
  • the water level in the boiler is kept constant thanks to the extraction of heat transfer fluid in its liquid state.
  • the mixing of the heat transfer fluid in the liquid phase and in the gas phase is carried out to facilitate the transfer of heat by the fluid to the storage material, since thermal transfer by a liquid-gas mixture is always more effective than by part of a gas
  • the system In solar thermal power plants, the system would be charged during the day, that is, while steam is generated in the plant thanks to solar radiation. The discharge would occur at night, when there is no solar radiation, so that the heat stored in the phase change storage material is used for steam production.
  • the natural recirculation of the heat transfer fluid is possible due to the difference in densities between the evaporating / condensing heat transfer fluid present in the vertical heat exchange tubes and the of the heat transfer fluid in the liquid state present in the downspouts.
  • this natural recirculation implies an increase in the flow rate in the recirculation circuit and with it the increase in thermal transfer (increase in Reynolds number and thermal transfer coefficient).
  • the system does not need a recirculation pump.
  • the heat transfer fluid from the latent heat of crystallization of the phase change material is produced thanks to the heat exchange through the vertical tubes, starting the phase change of said fluid to gas phase at the same time as the storage material is crystallized 4)
  • the heat transfer fluid changes to the gaseous phase it circulates ascending through the vertical tubes thanks to the difference in pressures with the fluid in the liquid phase that circulates through the downspouts, which favors natural circulation.
  • the system of the present invention allows loading and unloading operations through the lower part thereof, which results in the natural recirculation of the heat transfer fluid in both cases, thus increasing the transfer between heat transfer fluid and exchange material. phase This fact also eliminates both the recirculation pump (necessary for forced recirculation) and the condensate tank that would be necessary in the lower part of the equipment to obtain saturated water in the case of the loading of state of the art systems .
  • the boiler located in the upper part of the system is used instead of the condensate tank.
  • phase change storage material composed of graphite, carbon or metallic foam infiltrated with phase change salts
  • the thermal storage system of the present invention comprises a storage material composed of a rigid, porous, graphite, carbon or metallic foam matrix (12) of high thermal conductivity, said matrix being infiltrated with highly salts thermally based hydroxides (11) (see Figures 3 and 4).
  • Said storage material is located inside a housing or container tank.
  • the storage system further comprises a heat exchanger formed by heat exchange tubes (3), preferably vertical, through which the heat transfer fluid circulates and through the storage material through the holes of passage of tubes (13, figure 4), so that there is a direct contact between said storage material and the vertical tubes (3).
  • a heat exchanger formed by heat exchange tubes (3), preferably vertical, through which the heat transfer fluid circulates and through the storage material through the holes of passage of tubes (13, figure 4), so that there is a direct contact between said storage material and the vertical tubes (3).
  • the salt (11) infiltrated in the matrix (12) of the storage material melts when heat is delivered and crystallizes when the heat is extracted coinciding with the condensation or evaporation of the heat transfer fluid that passes through the heat exchange tubes.
  • heat (3) in addition a high thermal transfer between the fluid and the phase change storage material is also obtained thanks to the increase in thermal conductivity given by the carbon, graphite or metallic foam (10) that constitutes this material.
  • the storage material itself manages the volumetric expansion because the phase change material (for example salt) expands and contracts in its fusion / crystallization locally within of the same empty spaces of the matrix (12) without filtering, a fact that allows the process of loading the system to be carried out at the bottom of the system and in an ascending vertical direction.
  • phase change material for example salt
  • This composite storage material is housed in the system housing in the form of preferably square blocks which facilitates assembly, being able to alternate infiltrated blocks with phase change material and without infiltrating.
  • a series of holes (13) are drilled through the blocks thereof to facilitate the passage of the vertical tubes (3) of the exchanger. These holes (13) are preferably circular for the passage of preferably cylindrical tubes because they withstand high pressures and improve thermal transfer to square channels, in addition to being more easily manufactured and available on the market.
  • the heat exchange tubes (3) (where condensation or evaporation of the heat transfer fluid occurs) pass through two flat tubular plates (5 'and 5) located at the top and bottom of the exchanger and protrude through the plate bottom (5) of the container or housing of the storage material. These tubes are welded and fixed to the lower tubular plate (5) forming a sealed container to prevent leakage of the storage material, instead they are not welded to the upper tubular plate (5 ') thus allowing their thermal expansion.
  • the heat exchange tubes (3) are connected to a series of upper subcollectors (61 ') and these to an upper manifold (61), which is free for vertical movement and can thus absorb the vertical expansion of the tubes thanks to the expansion joints (14), or by means of expansion management lines or expansion compensators.
  • the entire upper tubular plate assembly (5 '), upper subcollectors (61') and upper manifold (61) and thermal expansion joints or lyre, are contained in the container or housing of the storage material.
  • the upper manifold (61) ends, either separately or through a common connecting pipe (7), in a boiler (1) located at the top of the manifolds (61) and from where the extraction pipe ( 2) of the heat transfer fluid. preferably steam or dry saturated steam. From the same boiler (1) also the pipe for the introduction or extraction of heat transfer fluid in liquid state (15) comes out.
  • the heat exchange tubes (3) are connected to a series of lower subcollectors (62 ') and these to a lower manifold (62) which, through one or more connection lines (4), it connects with some downpipe of recirculation (8) (external to the housing containing the storage material) that allow the recirculation of the non-evaporated heat transfer fluid, preferably water. These downpipes (8) come from the boiler (1).
  • the lower subcollectors (62 ') include a series of steam injectors (9) to allow heat transfer fluid, preferably steam or saturated steam, to be introduced into the lower part of the heat exchange tubes (3) in the case of loading.
  • This steam introduced by the lower part of the system allows for a difference in densities with e! Water contained in the downspouts (8) creates a natural recirculation of the fluid, taking advantage of this fact to increase the flow rate and thus increasing the thermal transfer on the steam side.
  • a recirculation pump in the line (4) can be included in the system to allow the discharge with forced recirculation and also the installation of a valve in the same location to allow the discharge of a single step.
  • the system can include one or more valves in the downspouts (8) to allow the system to be loaded and unloaded without recirection, only thanks to the pressure of the incoming and outgoing steam of the system respectively.
  • phase change material consisting of a carbon foam, graphite or metal with infiltrated salts:
  • This natural recirculation implies an increase in the flow rate in the recirculation circuit and with it the increase in thermal transfer (increase in Reynolds number and thermal transfer coefficient). Unlike forced recirculation, the system does not need a recirculation pump.

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Abstract

Sistema de almacenamiento térmico y su procedimiento de carga y descarga mediante un fluido caloportador. El sistema incluye un material de almacenamiento de cambio de fase contenido en una carcasa que es atravesado por unos tubos de intercambio de calor (3), preferentemente verticales, cuyo extremo inferior conecta con al menos un colector inferior (62) por medio de unos subcolectores inferiores (62') que incluyen una serie de inyectores (9) para permitir introducir fluido caloportador en estado gaseoso, en su extremo superior, dichos tubos (3) conectan por medio de subcolectores superiores (61') con al menos un colector superior (61) que está, a su vez, conectado con un calderín (1) del que salen unas tuberías bajantes (8) por las que circula el fluido caloportador en estado líquido, situadas exteriormente a la carcasa, que conectan a dicho calderín (1) con el colector inferior (62), lo que permite una circulación natural del fluido caloportador dentro del sistema.

Description

SISTEMA DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO Y SU PROCEDIMIENTO DE CARGA
Y DESCARGA
Sector técnico de Ja invención
La presente invención se enmarca en el sector del almacenamiento térmico basado en materiales de cambio de fase (PCM, deí inglés phase change material). En particular, se refiere a un sistema de almacenamiento de energía térmica apto para ser cargado y descargado con un fluido caloportador en proceso de intercambio térmico
(evaporación/condensación) y que almacena el calor en forma de calor latente de fusión de un material de cambio de fase.
El sistema de almacenamiento térmico propuesto tiene aplicación tanto en centrales termosolares para la producción de vapor, como en procesos de producción dónde el almacenamiento de calor puede ser un factor diferenciador interesante desde el punto de vista económico.
Antecedentes de la invención
Los materiales de cambio de fase se presentan como una alternativa muy interesante para un almacenamiento térmico eficiente, de alta densidad energética y sobre todo para aplicaciones a temperatura constante.
Existen infinidad de materiales de cambio de fase y sistemas de intercambio asociados a ellos los cuales buscan entre otras cosas:
- La mejora de la conductividad térmica del material de cambio de fase ya que los materiales de cambio de fase más comúnmente utilizados tienen baja conductividad térmica (alrededor de 0.5W/mK).
- La obtención de la máxima densidad energética posible.
- La gestión de la expansión de volumen del material de cambio de fase. Los materiales normalmente utilizados expanden en su fusión y contraen en su cristalización/solidificación.
- La optimización de la transferencia o intercambio térmicos entre material de almacenamiento y el medio de transferencia,...
En la actualidad, los sistemas intercambiadores basados en materiales de cambio de fase para generación de vapor saturado o para evaporar/condensar algún fluido caloportador, se plantean para ser cargados siempre por la parte superior del sistema. Esto es, el paso del fluido caloportador por el contenedor del material de cambio de fase, se realiza siempre desde la parte superior de dicho equipo y circula hacia la parte inferior. La razón principal de este hecho, es que de esta manera se consigue realizar una correcta gestión de la expansión de volumen del material de cambio de fase, dejando en la parte superior del equipo, un espacio libre en previsión de la expansión de este material de cambio de fase.
Como se puede ver en el sistema intercambiador de calor de la Figura 1 del estado del arte, en el instante inicial de la carga, el material de cambio de fase se encuentra solidificado, ocupando en el tanque un espacio hasta el nivel representado por ta línea discontinua gruesa. Al empezar la carga por la parte de arriba (el vapor o fluido caloportador entra por la parte superior), el material de cambio de fase empieza a fundirse y a expandir, ocupando el espacio libre situado por encima de la línea punteada. En caso contrario, es decir, si la carga del sistema se realizara por la parte inferior con las soluciones con las que actualmente se cuenta en el estado del arte, durante el cambio de fase se crearían sobrepresiones que podrían dañar el contenedor, al no existir espacio previsto en la parte inferior para la expansión. Por ello, con las soluciones planteadas hasta ahora, se precisa que la carga sea siempre en sentido vertical descendente.
Como consecuencia de este hecho, en el momento de la carga, el vapor o fluido caloportador debe entrar siempre por la parte superior condensándose a lo largo de los tubos y saliendo condensado por la parte inferior sin posibilidad de que exista recirculación natural, limitando así la velocidad/caudal del fluido dentro de los tubos al máximo que permita la condensación y con ello la velocidad de transferencia térmica del vapor o fluido caloportador al material de cambio de fase. Además, si se quisiera obtener líquido totalmente condensado a la salida se requeriría un tanque de condensado en la parte inferior del sistema.
En el estado del arte existen diferentes patentes que hacen referencia a sistemas de intercambio de calor entre un material de almacenamiento térmico de cambio de fase y un fluido de transferencia de calor.
La patente US2007Q175609 describe un sistema de intercambio térmico entre un materia! de cambio de fase y un fluido gracias al uso de aletas de grafito dentro del material de cambio de fase con el fin de aumentar la conductividad térmica. La invención sin embargo no entra en detalles de cómo se realizan las operaciones de carga y descarga.
En la patente US499348 A se recoge un sistema de acumulación de energía térmica basado en un material cerámico poroso contenedor de un material de cambio de fase y a su vez atravesado por una serie de canales por donde circula el fluido caloportador. En este caso la invención está destinada a fluidos caloportadores o de trabajo del tipo gases o líquidos sin cambio de fase (sin evaporación/condensación) por lo que no existe posibilidad de que se produzca una recirculación natural debida a la diferencia de densidad del fluido.
La patente US005220954 se describe un sistema intercambiador/acumulador de calor basado en materiales de cambio de fase con la particularidad de que su configuración cilindrica permite la expansión térmica del material de cambio de fase en su carga. El sistema no propone ningún tipo de mejora de la conductividad térmica del material de cambio de fase ni ninguna mejora de la velocidad de transferencia en el lado del fluido de trabajo.
En la patente CN201093907Y encontramos un sistema intercambiador de calor entre un material de cambio de fase y un fluido caloportador caracterizado por estar constituido por una serie de tubos aleteados dispuestos en paralelo además de un sistema que permite la circulación de esta fluido en el sentido deseado, ya sea en carga o descarga del sistema; sin embargo, dicho sistema, por el hecho de plantear la carga en sentido vertical ascendente, presentaría la misma problemática de la expansión del material de cambio de fase antes explicada y por io tanto dicha patente no plantea una solución a éste.
En el documento "Development of High Temperatura Phase-Change-Material Storages" - Doerte Laing, Thomas Bauer, Nils Breidenbach, Bemd Hachmann, Maike Johnson- Institute of Technical Thermodynamics, Germán Aerospace Center (DLR)- se describe un sistema de acumulación de energía térmica basado en un material de cambio de fase y un sistema intercambiador de calor a base de tubos verticales aleteados capaz de intercambiar el calor con vapor saturado. También se describe en dicho documento la forma de cargar el sistema con una carga de un solo paso pero siempre en sentido descendente (empezando la carga por arriba y acabando por la parte inferior), hecho que en el caso que se quiera obtener agua saturada a la salida del sistema hace necesaria la existencia de un tanque de condensado en la parte inferior para permitir la obtención de agua saturada con el fin de ser bombeada de nuevo al resto del ciclo. El sistema solo puede ser cargado de esta forma (en sentido descendente) debido al problema anteriormente planteado de expansión volumétrica del material de cambio de fase permitiendo así que el material al expandirse no cree zonas de sobrepresurización.
La patente WO2010146197 se refiere a un material compuesto de cambio de fase formado por una espuma de carbono o grafito y una sal de hidróxidos. El conjunto del material permite incrementar la conductividad térmica de la sai gracias a la matriz conductiva de carbono y grafito además de permitir la gestión local de la expansión de volumen de la sal.
A la vista de lo existente en el estado de la técnica, la presente invención trata de mejorar los siguientes aspectos:
- Emplear un material de cambio de fase que permita contar con un sistema que pueda ser cargado y descargado por la parte inferior de éste (en sentido vertical ascendente) permitiendo así una recirculación natural del fluido caloportador en proceso de condensación/evaporación y logrando una mejor transferencia térmica entre este fluido de trabajo y el material de cambio de fase. De esta forma se incrementa también el caudal que pasa por los tubos de intercambio térmico, lo que significa un aumento de la velocidad de paso del fluido y, a su vez, un incremento del número de Reynolds y con ello la efectividad del intercambio térmico entre el fluido caloportador y el material de cambio de fase. Además permite ahorrarse el uso de una bomba de recirculación y de un tanque de condensado en la parte inferior del equipo, actualmente necesario durante la carga de los sistemas presentes en el estado del arte.
- Conseguir un material de cambio de fase que sea capaz en sí mismo de gestionar su propia expansión de volumen o si no, la utilización de una configuración de intercambiador-material de cambio de fase que permita la gestión local de la expansión de volumen del material de cambio de fase.
- Conseguir un sistema capaz de ser descargado de tres formas distintas: i) con un solo paso del vapor (el vapor circula una sola vez por los tubos del intercambiador), ¡i) con recirculación forzada gracias a una bomba de recirculación y iii) con recirculación natural (gracias a la diferencia de densidades del vapor en circulación). Tanto la descarga como la carga del sistema por un solo paso (el fluido solo pasa una vez por los tubos de intercambio) son significativamente menos efectivas de lo que lo es tanto la descarga como la carga por recirculación natural y que se produce desde la parte de abajo del sistema (operación donde se produce una recirculación interna del fluido caloportador con el fin de incrementar el caudal que pasa por los tubos de intercambio).
Descripción de la invención
La invención consiste en un sistema de almacenamiento térmico y el procedimiento para llevar a cabo el intercambio de calor entre el material de almacenamiento contenido en dicho sistema y un fluido caloportador (procedimiento de carga/descarga de! sistema).
El sistema de almacenamiento comprende un intercambiador de calor por el que circuía un fluido caloportador y un material de almacenamiento, siendo éste un material de cambio de fase que cuenta con una expansión térmica mínima por debajo del 5%, siendo capaz en sí mismo de gestionar su propia expansión de volumen.
Durante el proceso de carga del sistema es el fluido caloportador en estado gaseoso el que cede calor al material de almacenamiento, el cual se funde a la vez que el fluido caloportador se condensa. Durante el proceso de descarga es el material de almacenamiento el que cede calor al fluido caloportador, de forma que éste pasa de estado líquido a estado gaseoso mientras que el material de almacenamiento se solidifica.
El material de almacenamiento de cambio de fase consiste en una matriz rígida que incluye un material de cambio de fase y que se encuentra contenida en una carcasa o tanque exterior.
El intercambiador de calor comprende un conjunto de tubos rectos verticales que atraviesan el material de almacenamiento a través de los cuales se realiza el intercambio térmico entre el fluido caloportador que circula por ellos y el material de almacenamiento. Estos tubos están separados los unos de los otros permitiendo ¡a fusión o la cristalización de la totalidad del material de almacenamiento que existe entre ellos.
En su extremo inferior, los tubos verticales conectan con ai menos un colector inferior por medio de unos subcolectores inferiores. Los subcolectores inferiores incluyen una serie de inyectores para permitir introducir fluido caloportador en estado gaseoso a la parte inferior del intercambiador de calor en el caso de la carga del sistema.
En su extremo superior, los tubos preferentemente verticales conectan con al menos un colector superior por medio de unos subcolectores superiores. El colector superior está, a su vez, conectado con un calderín situado fuera de la carcasa y a un nivel por encima del colector superior. Del calderín sale una o varias tuberías bajantes de recirculación, situadas también exteriormente a la carcasa y que conectan a dicho calderín con el colector inferior. Por estas tuberías bajantes circula fluido caloportador en estado líquido proveniente del calderín y entra a través del colector y subcolectores inferiores a los tubos verticales que atraviesan el material de almacenamiento. El calderín dispone, asimismo, de una salida de fluido caloportador en estado gaseoso y de un punto de entrada o salida de fluido caloportador en estado líquido ya sea para el caso de descarga o carga respectivamente.
En el caso de la carga del sistema, el fluido caloportador en estado líquido que desciende por las tuberías bajantes se mezcla con el fluido caloportador en estado gaseoso que se inyecta al sistema por ios subcolectores inferiores. Este fluido en fase gaseosa introducido por la parte baja del sistema y mezclado con el fluido en fase líquida que proviene de las tuberías bajantes permite que, por diferencia de densidades con el fluido en fase liquida contenida en las tuberías bajantes, se cree una recirculación natural del fluido, aprovechando este hecho para aumentar el caudal de paso por los tubos verticales del intercambiador de calor y aumentando así la transferencia térmica por parte del fluido caloportador. Se mantiene constante el nivel de agua en el calderín gracias a la extracción de fluido caloportador en estado líquido del mismo.
Se realiza la mezcla del fluido caloportador en fase líquida y en fase gaseosa para facilitar la transferencia de calor por parte del fluido al material de almacenamiento, ya que siempre es más efectiva una transferencia térmica por parte de una mezcla de líquido-gas que por parte de un gas.
En centrales termosolares, la carga del sistema se realizaría durante el día, es decir, mientras se genera vapor en la central gracias a la radiación solar. La descarga se produciría por las noches, cuando no existe radiación solar, de forma que se aprovecha el calor almacenado en el material de almacenamiento de cambio de fase para la producción de vapor.
A continuación se describe el procedimiento de la carga del sistema de almacenamiento térmico descrito anteriormente que comprende un material de cambio de fase:
1) Introducción del fluido caloportador en fase gaseosa a los subcolectores inferiores del sistema a través de los inyectores, donde se mezcla con el fluido caloportador en fase liquida recirculado proveniente del calderín y que desciende a través de las tuberías bajantes, pasando por el colector o colectores inferiores
2) Circulación ascendente de la mezcla de fluido en fase líquida y gaseosa por circulación natural a través de los tubos verticales de intercambio de calor gracias a la diferencia de densidad entre la mezcla de fluido en fase líquida y gaseosa y el fluido líquido contenido en las tuberías bajantes. 3) Cesión del calor del fluido caloportador en estado gaseoso contenido en la mezcla que asciende por los tubos verticales de intercambio térmico al material de cambio de fase alojado en la carcasa, produciéndose así la condensación de dicho fluido
4) Ganancia de la energía cedida por el fluido caloportador en estado gaseoso por parte del material de cambio de fase, el cual se funde.
5) Circulación del fluido condensado recogido en los subcolectores y colector superiores hasta el calderín.
6) Extracción de fluido caloportador en estado líquido del calderín manteniendo las condiciones constantes de carga y el nivel constante en el calderín.
Gracias al sistema de almacenamiento antes descrito y al método de carga de éste por su parte inferior es posible la recirculación natural del fluido caloportador motivada por la diferencia de densidades entre el fluido caloportador en evaporación/condensación presente en los tubos verticales de intercambio térmico y la del fluido caloportador en estado liquido presente en las tuberías bajantes. Tal y como se ha comentado anteriormente, esta recirculación natural implica un aumento del caudal de paso en el circuito de recirculación y con ello el incremento de transferencia térmica (aumento del número de Reynolds y del coeficiente de transferencia térmica).
Además gracias a la recirculación natural el sistema no necesita de una bomba de recirculación.
A continuación se describe el procedimiento de descarga del sistema de almacenamiento térmico (normalmente se descargará en periodos sin sol, ya sea de noche o en transitorios):
1) Alimentación del calderín con fluido caloportador en estado líquido para mantener las condiciones constantes de descarga
2) El fluido caloportador en estado líquido que se encuentra en el calderín a baja temperatura (inferior a la temperatura de fusión del material de cambio de fase), desciende por gravedad a través de las tuberías bajantes, pasando por el colector inferior y subcolectores inferiores hasta entrar por la parte inferior de los tubos verticales de intercambio térmico
3) Una vez que el fluido caloportador se encuentra en los tubos verticales de intercambio térmico se produce la absorción por parte del fluido caloportador del calor latente de cristalización del material de cambio de fase gracias al intercambio térmico a través de los tubos verticales, empezando el cambio de fase de dicho fluido a fase gaseosa al mismo tiempo que el material de almacenamiento se va cristalizando 4) A medida que el fluido caloportador va cambiando a fase gaseosa circula ascendiendo por los tubos verticales gracias a la diferencia de presiones con el fluido en fase líquida que circula por las tuberías bajantes, lo que favorece la circulación natural.
5) El fluido caloportador en estado gaseoso que se recoge por la parte superior de los tubos verticales se dirige, pasando por los subcolectores superiores y por el colector superior, al calderín desde donde es extraído a través de una tubería de extracción de vapor.
Así pues, el sistema de la presente invención permite realizar las operaciones de carga y descarga por la parte inferior de éste, lo que da lugar a la recirculación natural del fluido caloportador en ambos casos, aumentando así la transferencia entre fluido caloportador y material de cambio de fase. Este hecho permite eliminar además tanto la bomba de recírculación (necesaria para una recirculación forzada) como el tanque de condensado que seria necesario en la parte inferior del equipo para la obtención de agua saturada en el caso de la carga de los sistemas del estado del arte. En la presente invención se utiliza el calderín situado en la parte superior del sistema en sustitución del tanque de condesado.
Descripción de las figuras
Figura 1. Intercambiador de calor del estado del arte
Figura 2. Esquema completo del sistema de almacenamiento térmico basado en materiales de cambio de fase (PCM) de la presente invención (vista frontal y lateral) Figura 3. Esquema del material compuesto de almacenamiento PCM formado por sales y una matriz de carbono, grafito o metálica .
Figura 4. Esquema de 4 bloques (vista en planta) que contienen el material compuesto de almacenamiento PCM donde se observan los taladrados u orificios para facilitar el paso de los tubos verticales de intercambio de calor
Las referencias que aparecen en las figuras son las siguientes:
(1 ) Calderín
(2) Tubería de extracción de vapor
(3) Tubos de intercambio de calor
(4) Línea de conexión entre tubería bajante (8) y colector inferior (62)
(5) Placa tubular horizontal inferior
(5') Placa tubular horizontal superior
(61) Colector superior
(62) Colector inferior (61 ') Subcolectores superiores (conexión entre los tubos verticales y colectores superiores)
(62') Subcolectores inferiores (conexión entre los tubos verticales y colectores inferiores)
(7) Tubería de conexión entre el colector superior (61) y el calderín (1)
(8) Tubería bajante
(9) Inyectores de vapor
(10) Espuma de grafito, carbono o metálica
(11) Sales de cambio de fase
(12) Matriz rectangular de material de almacenamiento de cambio de fase compuesto por espuma de grafito, carbono o metálica infiltrada con sales de cambio de fase
(13) Orificio de paso de tubos
(14) Junta de expansión térmica o compensador de expansión
(15) Tubería de entrada o salida de fluido caloportador en estado líquido
Descripción de la realización preferencia!
Para lograr una mayor comprensión de la invención a continuación se va a describir, con ayuda de las figuras, una realización preferida de la presente invención.
El sistema de almacenamiento térmico de la presente invención comprende un material de almacenamiento compuesto a base de una matriz (12) de espuma de grafito, carbono o metálica (10) rígida, porosa, de alta conductividad térmica estando dicha matriz infiltrada con unas sales altamente energéticas térmicamente a base de hidróxidos (11) (véanse figuras 3 y 4). Dicho material de almacenamiento se encuentra ubicado en el interior de una carcasa o tanque contenedor.
Como se observa en la figura 2, el sistema de almacenamiento comprende además un intercambiador de calor formado por unos tubos de intercambio de calor (3), preferentemente verticales, por los que circula el fluido caloportador y que atraviesan el material de almacenamiento por los orificios de paso de tubos (13, figura 4), de forma que existe un contacto directo entre dicho material de almacenamiento y los tubos verticales (3).
La sal (11) infiltrada en la matriz (12) del material de almacenamiento se funde cuando se le entrega calor y se cristaliza cuando se le extrae el calor coincidiendo con la condensación o la evaporación del fluido caloportador que pasa por los tubos de intercambio de calor (3), además también se obtiene una alta transferencia térmica entre el fluido y el material de almacenamiento de cambio de fase gracias al incremento de la conductividad térmica dada por la espuma de carbono, grafito o metálica (10) que constituye este material.
Gracias a la utilización de esta matriz (12) de carbono, grafito o metálica, el propio material de almacenamiento gestiona la expansión volumétrica debido a que el material de cambio de fase (por ejemplo sal) expande y contrae en su fusión/cristalización localmente dentro de los mismos espacios vacíos de ia matriz (12) sin llegar a filtrarse, hecho que permite llevar a cabo el proceso de carga del sistema por la parte inferior de éste y en sentido vertical ascendente.
Este material compuesto de almacenamiento se aloja en la carcasa del sistema en forma de bloques preferentemente cuadrados lo que facilita el montaje, pudiéndose alternar bloques infiltrados con material de cambio de fase y sin infiltrar. A través de los bloques del mismo se taladran una serie de orificios (13) para facilitar el paso de los tubos verticales (3) del intercambiador. Estos orificios (13) son preferentemente circulares para el paso de los tubos preferentemente cilindricos debido a que soportan altas presiones y mejoran la transferencia térmica ante canales cuadrados, además de ser más fácilmente manufactu rabies y disponibles en el mercado.
Los tubos de intercambio de calor (3) (por los que se produce la condensación o evaporación del fluido caloportador) atraviesan dos placas tubulares planas (5' y 5) situadas en la parte superior e inferior del intercambiador y sobresalen a través de la placa inferior (5) del contenedor o carcasa del material de almacenamiento. Estos tubos quedan soldados y fijados a la placa tubular inferior (5) formando un recipiente estanco para evitar fugas del material de almacenamiento, en cambio no van soldados a la placa tubular superior (5') permitiendo asi la expansión térmica de los mismos. Por la parte superior, los tubos de intercambio de calor (3) van unidos a una serie de subcolectores superiores (61 ') y éstos a un colector superior (61), quedando éste libre para el movimiento vertical pudiendo absorber así las dilataciones verticales de los tubos gracias a las juntas de expansión (14), o bien mediante liras de gestión de la expansión o compensadores de dilatación. Todo el conjunto de placa tubular superior (5'), subcolectores superiores (61') y colector superior (61) y juntas o liras de expansión térmica, queda contenido en el contenedor o carcasa del material de almacenamiento.
El colector superior (61) acaba, ya sea por separado o a través de una tubería de conexión común (7), en un calderín (1) situado en la parte superior de los colectores (61) y desde donde sale la tubería de extracción (2) del fluido caloportador. preferentemente vapor o vapor saturado seco. Del mismo calderín (1) también sale la tubería para la introducción o extracción de fluido caloportador en estado líquido (15). Por su parte inferior, los tubos de intercambio de calor (3) van unidos a una serie de subcolectores inferiores (62') y éstos a un colector inferior (62) que, a través de una o más líneas de conexión (4), conecta con unas tuberías bajantes de recirculación (8) (externas a la carcasa que contiene el material de almacenamiento) que permiten la recirculación del fluido caloportador no evaporado, preferentemente agua. Estas tuberías bajantes (8) proceden del calderín (1).
Los subcolectores inferiores (62') incluyen una serie de inyectores de vapor (9) para permitir introducir fluido caloportador, preferentemente vapor o vapor saturado a la parte inferior de los tubos de intercambio de calor (3) en el caso de la carga. Este vapor introducido por la parte baja del sistema permite que por diferencia de densidades con e! agua contenida en las tuberías bajantes (8) se cree una recireulación natural del fluido aprovechando este hecho para aumentar el caudal de paso y aumentando así la transferencia térmica en el lado del vapor.
Opcionalmente se puede incluir en el sistema una bomba de recirculación en la línea (4) para permitir la descarga con recirculación forzada y la instalación también de una válvula en la misma localización para permitir la descarga de un solo paso.
Opcionalmente, el sistema puede incluir una o más válvulas en las tuberías bajantes (8) para permitir que el sistema sea cargado y descargado sin recireulación, sólo gracias a la presión del vapor entrante y saliente del sistema respectivamente.
A continuación se pasa a describir el procedimiento de carga del sistema y el procedimiento de producción de vapor saturado (descarga del sistema) mediante el empleo de la energía del almacenamiento térmico mediante un material de cambio de fase consistente en una espuma de carbono, grafito o metálica con sales infiltradas:
Procedimiento de la carga del sistema:
1) El vapor saturado entra a través de los inyectores de vapor (9) a los subcolectores inferiores (62') del sistema donde se mezcla con el agua recirculada proveniente del calderín (1) a través de las tuberías bajantes (8) y pasando por el colector inferior (62). 2) Circulación ascendente de la mezcla de vapor y agua por circulación natural a través de los tubos de intercambio de calor (3) gracias a la diferencia de densidad con el agua contenida en la o las tuberías bajantes (8).
3) Cesión del calor del vapor saturado contenido en la mezcla al material compuesto de almacenamiento consistente en una espuma de carbono, de grafito o metálica (10) infiltrada con sal (11) alojada en la carcasa y atravesada por tos tubos de intercambio de calor (3).
4) Ganancia de la energía cedida por el vapor por parte de la sal (11) contenida en espuma de carbono, de grafito o metálica (10), la cual se funde,
5) Extracción de agua saturada a través de la tubería de salida de agua saturada (15) manteniendo el nivel de fluido caloportador constante en el calderín (1).
Esta recirculación natural implica un aumento del caudal de paso en el circuito de recirculación y con ello el incremento de transferencia térmica (aumento del número de Reynolds y del coeficiente de transferencia térmica). A diferencia de la recirculación forzada el sistema no necesita de una bomba de recirculación.
Procedimiento de descarga de! sistema:
1) Alimentación del calderín con fluido caloportador en estado líquido a través de la tubería de entrada de agua saturada (15) para mantener las condiciones constantes de descarga.
2) Bajada por gravedad del agua (fase líquida) a baja temperatura (inferior a la temperatura de fusión del material de cambio de fase) desde el calderín (1) a través de la o las tuberías bajantes (8), pasando por el colector (62) y subcolectores inferiores (62') hasta entrar por la parte inferior de los tubos de intercambio de calor (3) que están en contacto con el material compuesto de almacenamiento consistente preferentemente en una espuma de carbono, de grafito o metálica (10) infiltrada con una sal (11).
3) Una vez que el agua se encuentra en los tubos de intercambio de calor (3) que están en contacto con el material de almacenamiento, se produce la absorción por parte del agua del calor latente de cristalización del material de cambio de fase gracias al intercambio térmico a través de los tubos de intercambio de calor (3), comenzando así el cambio de fase de agua a vapor al mismo tiempo que el material de almacenamiento se va solidificando
4) A medida que el agua va cambiando a fase gaseosa (vapor) circula ascendiendo por los tubos de intercambio de calor (3) gracias a la diferencia de presiones con el agua que circula por las tuberías bajantes (8), lo que favorece la circulación natural.
5) El vapor de agua generado se recoge por la parte superior de los tubos de intercambio de calor (3) y se dirige al calderín (1) desde donde es extraído a través de una tubería de extracción de vapor. El agua que no ha evaporado se acumula en el calderín a la espera de recircular de nuevo por las tuberías bajantes (8).

Claims

Reivindicaciones
1.- Sistema de almacenamiento térmico caracterizado porque comprende:
■ un material de almacenamiento de cambio de fase con una expansión térmica por debajo del 20% y estando ubicado dicho material en el interior de una carcasa,
■ un intercambiador de calor por el que circula un fluido caloportador y
■ un calderín (1)
donde dicho intercambiador comprende unos tubos de intercambio de calor (3) que atraviesan el material de almacenamiento con el que están en continuo contacto y estando conectados los tubos de intercambio de calor (3) en su parte inferior con al menos un colector inferior (62) por medio de unos subcolectores inferiores (62') que incluyen una serie de inyectores (9) por donde se introduce fluido caloportador en estado gaseoso a la parte inferior del intercambiador de calor; en su parte superior, los tubos de intercambio de calor (3) conectan con al menos un colector superior (61) por medio de unos subcolectores superiores (61 ') y donde el colector superior (61) está, a su vez, conectado con el calderín (1) situado fuera de la carcasa y a un nivel por encima de dicho colector superior (61); del calderín (1) sale una tubería de extracción (2) de fluido caloportador en estado gaseoso, una tubería de entrada o salida de fluido caloportador en estado líquido (15) y una o varias tuberías bajantes de recirculación (8) por las que circula el fluido caloportador en estado líquido, situadas también exteriormente a la carcasa, que conectan a dicho calderín (1) con el colector inferior (62), lo que permite una circulación natural del fluido caloportador dentro del sistema.
2 - Sistema de almacenamiento térmico según reivindicación 1 caracterizado porque el material de almacenamiento de cambio de fase es un material compuesto por una matriz de grafito, carbono o metálica (10) infiltrada con sales a base de hidróxidos (11).
3.- Sistema de almacenamiento térmico según la reivindicación 1 caracterizado porque incluye una bomba de recirculación situada entre entre las tuberías bajantes (8) y el colector inferior (62).
4.- Sistema de almacenamiento térmico según la reivindicación 1 caracterizado porque incluye al menos una válvula en las tuberías bajantes (8).
5.- Sistema de almacenamiento térmico según la reivindicación 1 caracterizado porque los tubos de intercambio de calor (3) son verticales.
6 - Sistema de almacenamiento térmico según la reivindicación 1 caracterizado porque los tubos de intercambio de calor (3) atraviesan dos placas tubulares planas, una inferior (5) a la que van fijados y soldados y otra superior (55) a la cual no van soldados.
7. - Procedimiento de carga del sistema de almacenamiento térmico descrito en las reivindicaciones anteriores caracterizado por comprender las siguientes etapas:
- introducción del fluido caloportador en fase gaseosa a los subcolectores inferiores (62') del sistema a través de los inyectores (9), donde se mezcla con el fluido caloportador en fase liquida recirculado proveniente del calderin (1) y que desciende a través de las tuberías bajantes (8), pasando por el colector o colectores inferiores (62), - circulación ascendente de la mezcla de fluido en fase liquida y gaseosa por circulación natural a través de los tubos de intercambio de calor (3) gracias a la diferencia de densidad entre la mezcla de fluido en fase liquida y gaseosa y el fluido líquido contenido en las tuberías bajantes (8),
- cesión del calor del fluido caloportador en estado gaseoso contenido en la mezcla que asciende por los tubos de intercambio de calor (3) al material de cambio de fase alojado en la carcasa , produciéndose así la condensación de dicho fluido,
- ganancia de la energía cedida por el fluido caloportador en estado gaseoso por parte del material de cambio de fase el cual se funde,
- circulación del fluido condensado recogido en los subcolectores superiores (61') y en colector superior (61) hasta el calderin (1).
- extracción de agua saturada a través de la tubería de salida de agua saturada (15) manteniendo el nivel de fluido caloportador constante en el calderin (1).
8. - Procedimiento de descarga del sistema de almacenamiento térmico descrito en las reivindicaciones anteriores 1 a 6, caracterizado por comprender las siguientes etapas;
- alimentación del calderin con fluido caloportador en estado líquido a través de la tubería de entrada de agua saturada (15) para mantener las condiciones constantes de descarga.
- descenso por gravedad de! fluido caloportador en estado líquido que se encuentra en el calderin (1) a una temperatura inferior a la temperatura de fusión del material de cambio a través de las tuberías bajantes (8), pasando por el colector inferior (62) y subcolectores inferiores (62') hasta entrar por la parte inferior de los tubos de intercambio de calor (3),
- absorción por parte del fluido caloportador del calor latente de cristalización del material de almacenamiento de cambio de fase gracias al intercambio térmico a través de los tubos de intercambio de calor (3), empezando el cambio de fase de dicho fluido a fase gaseosa al mismo tiempo que el material de almacenamiento se va cristalizando,
-ascenso del fluido caloportador que va cambiando a fase gaseosa por los tubos de intercambio de calor (3) gracias a la diferencia de presiones con el fluido en fase líquida que circula por las tuberías bajantes (8), lo que favorece la circulación natural, - circulación del fluido caloportador en estado gaseoso que se recoge por la parte superior de los tubos de intercambio de calor (3) por los subcolectores superiores (61') y por el colector superior (61) hacia el calderín (1) desde donde es extraído a través de una tubería de extracción (2).
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