Sistema de almacenamiento térmico y su procedimiento de carga y descarga.

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.

SISTEMA DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO Y SU PROCEDIMIENTO DE CARGA Y

DESCARGA Sector técnico de la invención La presente invención se enmarca en el sector del almacenamiento térmico basado en materiales de cambio de fase (PCM, del 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 la 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 US20070175609 describe un sistema de intercambio térmico entre un material 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 US4993481A 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 cilíndrica 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 lo tanto dicha patente no plantea una solución a éste. En el documento "Development of High Temperature Phase-Change-Material Storages" -Doerte Laing, Thomas Bauer, Nils Breidenbach, Bernd Hachmann, Maike Johnson-Institute of Technical Thermodynamics, German 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 W02010146197 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 sal 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...

1. Sistema de almacenamiento térmico caracterizado porque comprende:

• 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 (5') 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 calderín (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 calderín (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 calderín (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 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. -descenso por gravedad del fluido caloportador en estado líquido que se encuentra en el calderín (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) .