Conjunto de almacenamiento térmico latente, de tipo modular.

Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente, de tipo modular, que comprende al menos dos módulos paralelos

(10) de almacenamiento, siendo dichos módulos (10) en forma de caja estanca y conteniendo en su interior al menos un material (40) de cambio de fase, dispositivos colectores (110) de entrada y dispositivos colectores (120) de salida, destinados a distribuir un fluido caloportador a lo largo de dicho conjunto, definiendo cada dos módulos contiguos (10) de almacenamiento, un canal (130) de paso de fluido caloportador; pudiendo tener además, dicho conjunto (100) filas paralelas que comprenden al menos dos módulos (10) de almacenamiento dispuestos en serie y filas superpuestas, que comprenden al menos dos módulos (10) de almacenamiento dispuestos en serie, formando una matriz de módulos (10) de almacenamiento.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201231183.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE PAÍS VASCO/EUSKAL HERRIKO UNIBERTSITATEA (UPV/EHU).

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: SALA LIZARRAGA, JOSE MARIA, CAMPOS CELADOR,Álvaro, LUIS,Del Portillo Valdés.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > CALEFACCION; HORNILLAS; VENTILACION > CALENTADORES DE FLUIDOS, p. ej. CALENTADORES DE AGUA... > Calentadores de agua que tienen medios para producir... > F24H1/18 (Calentadores de agua por acumulación térmica (F24H 1/50 tiene prioridad; combinados con cocinas u hornos que calientan agua para calefacción central F24H 1/22))
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Conjunto de almacenamiento térmico latente, de tipo modular.

Fragmento de la descripción:

Conjunto de almacenamiento térmico latente, de tipo modular

CAMPO TÉCNICO

La presente invención se refiere a un conjunto de almacenamiento térmico. Más en particular, a un conjunto de almacenamiento térmico latente, de tipo modular, que comprende una pluralidad de módulos, en el que cada uno de dichos módulos tiene forma de caja estanca y contiene, en su interior, al menos, un material de cambio de fase.

El campo técnico al que pertenece la invención es el de la ingeniería térmica y mecánica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La acumulación de energía en forma de calor es actualmente una alternativa viable en diversas aplicaciones y está generando un creciente interés en el sector energético porque, en los últimos años, el rendimiento de los dispositivos de almacenamiento térmico (también llamados TES, acrónimo de la expresión inglesa “Thermal Energy Storage”) , ha aumentado considerablemente.

No obstante, los TES están provistos de tanques verticales de gran tamaño (teniendo cada tanque un volumen en el intervalo de 15 a 40 m3) en cuyo interior se deposita temporalmente un fluido caloportador (habitualmente agua) , por lo que estos dispositivos sólo pueden instalarse en aquellos casos en los que hay un amplio espacio disponible.

Además, existen instalaciones concretas de gran interés como, por ejemplo, las plantas de cogeneración del sector residencial y terciario, en las que es necesario almacenar cantidades considerables de energía térmica en espacios reducidos (habitualmente en el intervalo de 150 kJ/m2 a 850 kJ/m2) , y en las que, por lo tanto, es complicado usar dispositivos de almacenamiento térmico.

Es evidente, en vista de lo anterior, que para conseguir una mayor implantación de esta tecnología es conveniente mejorar la densidad de almacenamiento por unidad de volumen de dichos dispositivos. Asimismo, es deseable aumentar aún más su rendimiento. Y también aumentar su estabilidad de funcionamiento puesto que, en los dispositivos de la técnica anterior mencionados, la capacidad de almacenar calor de forma eficiente depende de que se consiga una correcta estratificación del fluido caloportador, un fenómeno que consiste en que el fluido caloportador circule muy lentamente por el interior del tanque y que la fracción más caliente de dicho fluido caloportador ascienda a la parte superior.

Recientemente se han propuesto varios dispositivos de almacenamiento térmico latente (también llamados LHTES, acrónimo de la expresión inglesa “Latent Heat Thermal Energy Storage”) . Uno de dichos dispositivos se muestra, por ejemplo, en la solicitud PCT WO2011/080490-A. Los LHTES están caracterizados porque incorporan materiales de cambio de fase (también llamados PCM, acrónimo de la expresión inglesa “Phase Change Material”) . Dichos materiales de cambio de fase poseen un elevado calor latente de fusión (superior a 170 kJ/Kg) , es decir, al cambiar de estado sólido a estado líquido absorben mucha energía en forma de calor (más de 170 kJ por Kg de material fundido) , que liberan al cambiar de estado líquido a sólido. Esta propiedad les permite almacenar mucha energía en forma de calor latente y su incorporación a los dispositivos de almacenamiento térmico hace que dichos dispositivos LHTES tengan la misma capacidad de almacenamiento en volúmenes muy inferiores (del orden de cuatro veces inferior) , en comparación con otros dispositivos de la técnica anterior.

Los LHTES están provistos de tanques esencialmente cilíndricos que contienen los materiales de cambio de fase. A dichos tanques accede un flujo de fluido caloportador, el cual cede calor a dichos materiales de cambio de fase durante la llamada etapa de carga del LHTES y el cual absorbe calor de los materiales de cambio de fase, durante la llamada etapa de descarga del LHTES.

La conductividad térmica de los materiales de cambio de fase es, en sí misma, demasiado baja (está habitualmente en el intervalo de 0, 1 a 0, 7 W/m ºC) , como para asegurar por sí sola un intercambio eficiente de calor con el fluido caloportador, por lo que los LHTES también están provistos de elementos de elevada conductividad térmica (igual o mayor que 25 W/m ºC) , los cuales están interpuestos entre el material de cambio de fase y el fluido caloportador.

En la gran mayoría de los LHTES empleados actualmente en la técnica, dichos elementos de elevada conductividad térmica son tubos que transportan el fluido caloportador y tienen una considerable longitud, (habitualmente varias decenas de metros en total) y pequeño diámetro (habitualmente unos pocos centímetros) . Dichos tubos suelen tener, además, formas muy sinuosas para aumentar la superficie de contacto entre el fluido caloportador y el material de cambio de fase dispuesto en el interior del LHTES. Esto complica y encarece notablemente su fabricación, e imposibilita o dificulta notablemente las labores de mantenimiento, al no tener dichos dispositivos una naturaleza desmontable.

Por otro lado, los LHTES conocidos todavía ocupan un espacio considerable, (aunque para una capacidad de almacenamiento dada, dicho espacio es del orden de cuatro veces inferior que en el caso de los TES) . Además, los LHTES conocidos, especialmente los de gran tamaño, no pueden diseñarse ni fabricarse de forma modular, lo que les resta flexibilidad y complica su incorporación a una aplicación concreta.

Asimismo, los materiales de cambio de fase son costosos (según se explica, en detalle, por ejemplo en “Heat and Cold Storage with PCM. An up to date introduction into basics and applications”. Mehling, H. and Cabeza L. Berlin, Springer. 2008) , por lo que es conveniente mejorar la potencia de intercambio térmico entre los materiales de cambio de fase y el fluido caloportador, para poder integrar dichos materiales de cambio de fase en los LHTES de una forma económica.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Un primer aspecto de la invención se refiere a un conjunto de almacenamiento térmico latente (LHTES) , caracterizado porque comprende dos o más módulos de almacenamiento térmico latente, dispositivos colectores de entrada y dispositivos colectores de salida, destinados a distribuir un fluido caloportador a lo largo de dicho conjunto; y porque:

- Cada uno de dichos módulos está hecho a partir de un material de elevada conductividad térmica (igual o mayor que 25 W/ (m·K) ) y tiene la forma de una caja estanca y contiene, en su interior al menos un material de cambio de fase;

- Los módulos están dispuestos en paralelo entre sí, a una distancia entre módulos contiguos pequeña (menor de 3 cm) ; de tal manera que el espacio libre existente entre cada dos módulos contiguos paralelos forma un canal para el paso del fluido caloportador.

El carácter modular del conjunto de almacenamiento térmico de acuerdo con la invención permite adaptarlo fácilmente, variando el número de módulos, a las capacidades de almacenamiento y a las potencias de intercambio requeridas por una aplicación específica. Asimismo, el coste de fabricación de dicho conjunto es bajo en comparación con el coste de los dispositivos LHTES de la técnica anterior, puesto que la elaboración de los módulos, que son los principales componentes, es sencilla y barata (los módulos sólo son, en esencia, cajas que contienen al menos un material de cambio de fase) .

A diferencia de los dispositivos LHTES de la técnica anterior, el conjunto de la invención no debe estar necesariamente provisto de tubos de gran longitud, pequeño diámetro y/o elevada sinuosidad, para poder transportar un fluido caloportador por el interior de dicho dispositivo, ni para facilitar el intercambio de calor entre dicho fluido caloportador y el...

 


Reivindicaciones:

1. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente caracterizado porque comprende al menos dos módulos (10) de almacenamiento térmico latente, dispositivos colectores (110) de entrada y dispositivos colectores (120) de salida, destinados a distribuir un fluido caloportador a lo largo de dicho conjunto (100) ; y porque:

- cada uno de dichos módulos (10) , está hecho a partir de un material de conductividad térmica elevada y tiene la forma de una caja estanca y contiene, en su interior, al menos un material (40) de cambio de fase; y porque

- dichos módulos (10) están dispuestos en paralelo entre sí, a una distancia entre módulos contiguos menor de 3 cm; de tal manera que el espacio libre existente entre cada dos módulos (10) contiguos paralelos forma un canal

(130) para el paso del fluido caloportador.

2. Conjunto (100) de almacenamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende, además, un marco (140) destinado a alojar dichos módulos (10) .

3. Conjunto (100) de almacenamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque comprende, además, un marco (140) destinado a alojar, de forma amovible, dichos módulos (10) .

4. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque las porciones inferior y superior del marco (140) están provistas de ranuras talladas destinadas a la inserción amovible y alineada de los módulos (10) y que permiten, en consecuencia, la continuidad sin interrupciones de los canales (130) de paso de fluido caloportador.

5. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha distancia entre módulos (10) contiguos es de entre 1 y 5 mm, preferiblemente entre 1 y 3 mm.

6. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada módulo (10) tiene una forma prismática.

7. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque cada módulo (10) tiene una forma de paralelepípedo recto.

8. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende al menos cuatro módulos (10) dispuestos en al menos dos filas separadas por dicha distancia entre módulos (10) , comprendiendo cada fila al menos dos módulos (10) dispuestos en serie, sin espacio de separación entre dichos módulos (10) dispuestos en serie, teniendo además todas las filas sustancialmente la misma longitud.

9. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque todos los módulos (10) tienen la misma longitud, y porque cada fila comprende el mismo número de módulos (10) dispuestos en serie.

10. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los módulos (10) están dispuestos en filas paralelas, compuestas por módulos dispuestos en serie sin espacio de separación y en filas superpuestas, compuestas por módulos en serie sin espacio de separación, formando una matriz de módulos de al menos 2x2x2 módulos (10) , estando dicho conjunto (100) caracterizado además porque todas las filas paralelas tienen sustancialmente la misma longitud y porque todas las filas superpuestas tienen sustancialmente la misma longitud.

11. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque todos los módulos (100) tienen la misma longitud, y porque cada fila paralela comprende el mismo número de módulos (10) dispuestos en serie y cada fila superpuesta comprende el mismo número de módulos (10) dispuestos en serie.

12. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque las filas paralelas y las filas superpuestas tienen sustancialmente la misma longitud.

13. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los módulos (10) están hechos de acero o aluminio.

14. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos módulos (10) están provistos de elementos de aumento adicional de la conductividad térmica.

15. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque los elementos de aumento adicional de la conductividad térmica son aletas (30) metálicas que se extienden por el interior de dichos módulos, para transportar calor desde las paredes de los módulos hacia el interior de los módulos.

16. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque los elementos de aumento adicional de la conductividad térmica son aletas (30) de un material no metálico de conductividad térmica igual o mayor que 25 W/ (m·K) .

17. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque los elementos de mejora adicional de la conductividad térmica son matrices porosas de conductividad térmica igual o mayor que 25 W/m ºC, que están impregnadas con al menos un material (40) de cambio de fase y están alojadas en el interior de al menos un módulo (10) .

18. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque los elementos de mejora adicional de la conductividad térmica son partículas de conductividad térmica igual o mayor que 25 W/m ºC, dispersas en el interior de al menos un módulo (10) .

19. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque los elementos de mejora adicional de la conductividad térmica son piezas metálicas unidas al material (40) de cambio de fase.

20. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la temperatura de fusión del material o materiales (40) de cambio de fase está en el intervalo de 50 a 90 ºC.

21. Conjunto (100) de almacenamiento térmico latente de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el lado más largo de los módulos (10) tiene una longitud entre 0, 75 m y 2, 5 m, preferiblemente entre 0, 75 m y 1, 25 m.

22. Planta de cogeneración caracterizada porque está provista de al menos un conjunto (100) de almacenamiento térmico latente, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

23. Bomba de calor caracterizada porque está provista de al menos un conjunto (100) de almacenamiento térmico latente, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 21.

24. Instalación solar térmica caracterizada porque está provista de al menos un conjunto (100) de almacenamiento térmico latente, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 21.