Procedimiento y dispositivo para el almacenamiento y distribución de calor por medio de un material de cambio de fases.

Procedimiento para el almacenamiento y distribución de calor por medio de un material de cambio de fases, en el que durante un proceso de carga en un medio de almacenamiento, que comprende un material de cambio de fases, se lleva a cabo en un primer dispositivo de intercambio de calor

(2, 12) bajo aportación de calor un cambio de fases, para el almacenamiento del calor en el medio de almacenamiento como calor latente y durante el proceso de descarga en el primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12) se lleva a cabo bajo disipación de calor en el medio de almacenamiento un cambio de fases, y se utiliza como medio de almacenamiento al menos en una medida predominante material de cambio de fases no encapsulado, en el que durante el proceso de carga se alimenta el medio de almacenamiento como corriente de fluido o como corriente de partículas al primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12) y después de la realización del cambio de fases se descarga el medio de almacenamiento, durante el proceso de descarga se alimenta el medio de almacenamiento como corriente de fluido al primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12) y después de la realización el cambio de fases se descarga el medio de almacenamiento como corriente de fluido o como corriente de partículas desde el primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12), el medio de almacenamiento es almacenado temporalmente después el proceso de carga en un primer depósito de almacenamiento (1) y/o después del proceso de descarga es almacenado temporalmente en el primero o en otro depósito de almacenamiento (3), durante el proceso de carga y/o durante el proceso de descarga durante el cambio de fases se lleva a cabo al mismo tiempo un transporte activo del medio de almacenamiento y el intercambio de calor, caracterizado porque el primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12) presenta medios para el transporte del medio de almacenamiento.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/000570.

Solicitante: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V..

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: HANSASTRASSE 27C 80686 MUNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: NEUHÄUSER,ANTON, NITZ,PETER, PLATZER,WERNER.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > INTERCAMBIO DE CALOR EN GENERAL > INTERCAMBIADORES DE CALOR, NO PREVISTOS EN NINGUNA... > Aparatos o plantas de acumulación de calor en general... > F28D20/02 (utilizando calor latente)

PDF original: ES-2518867_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Procedimiento y dispositivo para el almacenamiento y distribución de calor por medio de un material de cambio de fases

La invención se refiere a un procedimiento para el almacenamiento y distribución de calor por medio de un material de cambio de fases de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 así como a un dispositivo de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 11. Un procedimiento y un dispositivo de este tipo se conocen a partir del documento US 23/1833745 A1.

Para una pluralidad de aplicaciones técnicas es necesario o ventajoso y almacenamiento de calor. Éste se refiere, por ejemplo, a la utilización de energía renovables en centrales termo-solares así como a procesos cíclicos, en los que la eficiencia se puede elevar a través del almacenamiento del calor excesivo de un ciclo para la utilización en un ciclo siguiente.

Para el almacenamiento eficiente de calor o frío son adecuados especialmente los acumuladores de calor, que comprenden un material de cambio de fases (Phase Change Material, PCM). Tales acumuladores de calor latente presentan frente a otros acumuladores de calor la ventaja de que se puede almacenar grandes cantidades de calor en un intervalo de temperatura estrecho. Frente a los acumuladores de calor sensibles convencionales, con acumuladores de calor latente se pueden realizar altas densidades de energía a una temperatura de funcionamiento en gran medida constante. Así, por ejemplo, en comparación con la acumulación de calor convencional por medio de calor sensible en acumuladores de calor latente típicos a través de una modificación de la temperatura de 1 K durante el cambio de fases del medio de almacenamiento se puede conseguir una densidad de almacenamiento de calor de diez a veinte veces mayor. De esta manera se reduce significativamente la cantidad necesaria de material de almacenamiento y el tamaño de construcción de los dispositivos y de los contenedores correspondientes.

En la utilización de materiales de cambio de fases es especialmente problemática la capacidad de conducción de calor comparativamente baja de los medios de almacenamiento orgánicos e inorgánicos utilizados típicamente (típicamente ,5 a 1 W/(m K)). De esta manera, durante la aplicación técnica del almacenamiento de calor latente se plantea el problema del transporte de calor insuficiente entre el medio de almacenamiento y un fluido de transporte de calor utilizado para el intercambio de calor. No sólo deben superarse, como en los otros sistemas de almacenamiento, las resistencias de transferencia de calor desde el fluido de transporte de calor (dado el caso, a través de superficies de intercambio de calor) sobre el medio de almacenamiento propiamente dicho, sino adicionalmente resistencias de transferencia de calor comparativamente alta dentro del volumen del acumulador del medio de almacenamiento, para utilizar todo el volumen del acumulador.

Por lo tanto, se conoce mejorar el transporte de calor con el material de cambio de fases, estado presente el material de cambio de fases en micro encapsulamiento en un líquido portador. En este caso, se utilizan típicamente parafinas como material de cambio de fases, que están presentes como cápsulas con envolventes de materiales orgánicos en agua. En este caso surge el inconveniente de la fabricación costosa de las microcápsulas. Además, a través de la utilización de parafinas y de los materiales orgánicos solamente es posible una utilización de tales acumuladores de calor latente por debajo de 1 °C. Incluso si se alcanzase un encapsulamiento a temperatura estable, no estaría disponible ningún medio de transporte adecuado, porque los medios de transferencia de calor habituales actualmente desprenden: agua debido a presiones demasiado altas, aceite térmico debido a reacciones vigorosas previsibles con las sales encapsuladas y sales fundidas, puesto que entonces no sería necesario ningún encapsulamiento.

En otros dispositivos conocidos anteriormente, el material de cambio de fases está fijo estacionario. A este respecto se conoce encapsular el material de cambio de fases en tubos de acero, que están bañados por fluido de transporte de calor para el intercambio de calor. De la misma manera se conoce formar a partir del material de cambio de fases y de un material conductor de calor en cambio más elevado un material compuesto para la configuración de un acumulador de calor latente, como se describe, por ejemplo, en el documento US 24/84659 A1. Además, se conoce elevar la superficie de transmisión de calor durante el intercambio de calor a través de láminas de material con alta conductividad térmica, que están en contacto con el material de cambio de fases. Por ejemplo, se conoce a partir del documento EP 1 816 178 A2 la utilización de láminas de grafito para la mejora de las propiedades de transporte de calor o bien de las propiedades de transmisión de calor.

El documento DE 13 29 623 B3 describe un procedimiento para la obtención termo-solar de energía eléctrica, en el que por medio de un medio portador de calor calentado con energía termo solar, se carga un acumulador de calor, que está conectado delante de una turbina. Como material de almacenamiento para el acumulador de calor se emplean medios de almacenamiento latentes, por ejemplo material de cambio de fases (no encapsulado).

El documento JP 2-13931 A (o bien la EP equivalente correspondiente EP 353 992 A2) publica la utilización de un material de cambio de fases para el almacenamiento de energía latente, en el que un material oleófilo y un material no-oleófilo insoluble en él sirven como material de cambio de fases. En un primer estado (emulsión de agua en aceite), el material oleófilo forma la fase continua y el material líquido no-oleófilo forma la fase interna, mientras

que en un segundo estado (suspensión, Slurry), el material no-oleófilo está presente en forma de partículas.

En los dispositivos conocidos anteriormente con material de cambio de fases fijo estacionario surge el inconveniente de que en virtud de las propiedades corrosivas de los materiales de cambio de fases utilizados típicamente se necesitan grandes cantidades de materiales de alta calidad, como por ejemplo acero inoxidable para la configuración de los intercambiadores de calor, de manera que con ello se producen costes altos.

Por lo tanto, la invención tiene el cometido de crear un procedimiento para el almacenamiento y distribución de calor por medio de un material de cambio de fases así como un dispositivo de este tipo, que se pueden realizar de manera menos costosa y, por lo tanto, más económica. Además, el procedimiento de acuerdo con la invención y el dispositivo de acuerdo con la invención deben poder emplearse en una gama de temperatura amplia, en particular en la gama de temperatura relevante para una pluralidad de aplicaciones para el intercambio de calor entre 1°C y 3°C o más.

Este cometido se soluciona por medio de un procedimiento para el almacenamiento y distribución de calor por medio de un material de cambio de fases de acuerdo con la invención así como por medio de un dispositivo para el almacenamiento y distribución de calor por medio de un material de cambio de fases de acuerdo con la reivindicación 11. Las configuraciones ventajosas del procedimiento de acuerdo con la invención se encuentran en las reivindicaciones 2 a 1 y las del dispositivo de acuerdo con la invención se encuentran en las reivindicaciones 12 a 15.

La invención se basa en el reconocimiento de la solicitante de que en los procedimientos y dispositivos conocidos anteriormente es necesaria una fabricación intensiva de costes y/o limitadora de la gama de temperatura del medio de almacenamiento y/o existe una acoplamiento directo entre la capacidad del acumulador, por una parte,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1.- Procedimiento para el almacenamiento y distribución de calor por medio de un material de cambio de fases, en el que durante un proceso de carga en un medio de almacenamiento, que comprende un material de cambio de fases, se lleva a cabo en un primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12) bajo aportación de calor un cambio de fases, para el almacenamiento del calor en el medio de almacenamiento como calor latente y durante el proceso de descarga en el primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12) se lleva a cabo bajo disipación de calor en el medio de almacenamiento un cambio de fases, y se utiliza como medio de almacenamiento al menos en una medida predominante material de cambio de fases no encapsulado, en el que durante el proceso de carga se alimenta el medio de almacenamiento como corriente de fluido o como corriente de partículas al primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12) y después de la realización del cambio de fases se descarga el medio de almacenamiento, durante el proceso de descarga se alimenta el medio de almacenamiento como corriente de fluido al primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12) y después de la realización el cambio de fases se descarga el medio de almacenamiento como corriente de fluido o como corriente de partículas desde el primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12), el medio de almacenamiento es almacenado temporalmente después el proceso de carga en un primer depósito de almacenamiento (1) y/o después del proceso de descarga es almacenado temporalmente en el primero o en otro depósito de almacenamiento (3), durante el proceso de carga y/o durante el proceso de descarga durante el cambio de fases se lleva a cabo al mismo tiempo un transporte activo del medio de almacenamiento y el intercambio de calor, caracterizado porque el primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12) presenta medios para el transporte del medio de almacenamiento.

2.- Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el transporte activo durante el proceso de carga y/o durante el proceso de descarga se realiza mecánicamente a través de medios de transporte accionados con motor del dispositivo de intercambio de calor (2, 12) y el intercambio de calor se realiza al menos a través de los elementos accionados con motor y/o través de elementos estacionarios de los medios de transporte.

3.- Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el transporte activo durante el proceso de carga y/o el proceso de descarga se realiza por medio de un transportador de tornillo sin fin, con preferencia por medio de un transportador de tornillo sin fin que comprende al menos un tornillo sin fin hueco.

4.- Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque durante el proceso de descarga se alimenta el medio de almacenamiento en forma líquida, se lleva a cabo un cambio de fases de líquido a sólido y se descarga el medio de almacenamiento como corriente de partículas y porque durante el proceso de carga se alimenta el medio de almacenamiento como corriente de partículas, se lleva a cabo un cambio de fases de sólido a líquido y se descarga el medio de almacenamiento en forma líquida.

5.- Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque durante el proceso de descarga en el dispositivo de intercambio de calor (2, 12) se desmenuza el medio de almacenamiento durante y/o después el cambio de fases en partículas.

6.- Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 5, caracterizado porque durante el proceso de carga se alimenta al medio de almacenamiento adicionalmente calor después del cambio de fases, para el almacenamiento adicional de calor sensible y porque durante el proceso de descarga desde el medio de almacenamiento se descarga calor sensible antes del cambio de fases.

7.- Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque durante el proceso de carga y/o durante el proceso de descarga se realiza el intercambio de calor por medio de un fluido de transporte de calor, con preferencia por medio de un gas de transporte de calor o de un líquido de transporte de calor o de una mezcla de líquido y gas.

8.- Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque durante el proceso de carga y/o durante el proceso de descarga se realiza un cambio de fases del fluido de transporte de calor, con preferencia porque durante el proceso de descarga por medio del calor distribuido desde el medio de almacenamiento al fluido de transporte de calor se lleva a cabo un cambio de fases del fluido de transporte de calor de líquido a gaseoso y/o porque durante el proceso de carga en virtud el calor distribuido desde el fluido de transporte de calor en el medio de almacenamiento se lleva a cabo un cambio de fases del fluido de transporte de calor de gas a líquido.

9.- Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se utiliza un medio de almacenamiento con partículas con una conductividad térmica mayor que la del material de cambio de fases.

1.- Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se utiliza un medio de almacenamiento con mezclas, que favorecen la configuración de un granulado durante la transición desde la fase líquida hasta la fase sólida y/o impiden la configuración de una fase sólida de volumen grande.

11.- Dispositivo para el almacenamiento y distribución de calor por medio de un material de cambio de fases con un medio de almacenamiento, que comprende un material de cambio de fases, y con al menos un primer dispositivo de

intercambio de calor (2, 12), en el que el dispositivo está configurado para un proceso de descarga bajo distribución de calor latente del medio de almacenamiento a través de un cambio de fases en el primer dispositivo de Intercambio de calor (2, 12) y para un proceso de carga bajo acumulación de calor como calor latente en el medio de almacenamiento a través de un cambio de fases en el primer dispositivo de Intercambio de calor (2, 12) del dispositivo y en el que el medio de almacenamiento está constituido al menos en una medida predominante por material de cambio de fases no encapsulado, el dispositivo está configurado de tal forma que durante el proceso de carga se puede alimentar el medio de almacenamiento como corriente de fluido o como corriente de partículas al primer dispositivo de Intercambio de calor (2, 12) y después de la realización del cambio de fases, se descarga el medio de almacenamiento, durante el proceso de descarga se puede alimentar el medio de almacenamiento como corriente de fluido al primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12) y después de la realización del cambio de fases se puede descargar el medio de almacenamiento como corriente de fluido o como corriente de partículas desde el dispositivo de Intercambio de calor, el dispositivo comprende al menos un depósito de almacenamiento (1, 3) para el alojamiento del medio de almacenamiento después de la descarga desde el primer dispositivo de Intercambio de calor (2, 12), caracterizado porque al menos el primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12) presenta medios de transporte para el transporte del medio de almacenamiento y está configurado de tal forma que órnate el cambio de fases se puede realizar al mismo tiempo un transporte activo del medio de almacenamiento y un intercambio de calor.

12.- Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque al menos el medio de transporte del primer dispositivo de Intercambio de calor (2, 12) comprende un accionamiento a motor y un elemento accionado para el transporte del medio de almacenamiento durante el proceso de carga y porque al menos el elemento accionado con motor y/o un elemento fijo estacionarlo el medio de transporte está configurado para el intercambio de calor.

13.- Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 11 a 12, caracterizado porque al menos el primer dispositivo de Intercambio de calor (2, 12) comprende un transportador de tornillo sin fin, con preferencia porque cada dispositivo de Intercambio de calor (2, 4, 12) comprende, respectivamente, un transportador de tornillo sin fin.

14 - Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque el primer dispositivo de intercambio de calor (2, 12) presenta medios de desmenuzamiento y está configurado para el desmenuzamiento del medio de almacenamiento en partículas durante y/o después del cambio de fases.

15.- Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque el dispositivo está configurado para la realización de un procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11.