Aparato para calentar fluido que comprende un medio de paso que define una ruta de flujo (12,

63) para el fluido que se va a calentar, una pluralidad de conjuntos de elementos que forman electrodos dentro o formando la ruta del flujo y entre los que pasa dicho fluido, en los que dichos conjuntos de elementos que forman electrodos incluyen al menos un primero (16) y un segundo (17) conjunto de electrodos a lo largo de la ruta de flujo del fluido, en el que dicho primer conjunto de electrodos y dicho segundo conjunto de electrodos tienen al menos un par de electrodos (16a, 16b, 17a, 17b) entre los que una corriente eléctrica pasa a través de dicho fluido para calentar el fluido durante su paso a lo largo de la ruta de flujo, corriente arriba de los medios de medición de temperatura del fluido (35), corriente arriba del primer conjunto de electrodos, para medir la temperatura del fluido que se va a calentar, primero corriente abajo del medio de medición de la temperatura corriente abajo del segundo conjunto de electrodos, los medios de determinación del caudal del fluido (36, 39) y los medios de control eléctrico (41) para suministrar y controlar la potencia eléctrica a los electrodos de cada conjunto, en los que dichos medios de control tienen medios de procesamiento para relacionar el flujo actual y la tensión aplicada en respuesta a las temperaturas medidas corriente arriba y corriente abajo y el caudal del fluido para determinar la entrada de potencia deseada en el fluido desde cada conjunto de electrodos para alcanzar una temperatura de fluido deseada corriente abajo del segundo conjunto de electrodos

Sistema y procedimiento de calentamiento rápido de un fluido.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un aparato, sistema y procedimiento para el rápido calentamiento de fluidos y, más particularmente, a un aparato, sistema y procedimiento para calentar rápidamente fluidos usando energía eléctrica.

Antecedentes de la invención

Sistemas de agua caliente de una forma u otra están instalados en la gran mayoría de locales residenciales y oficinas en los países desarrolladas. En algunos países, la fuente de energía más habitual para calentar el agua es la electricidad.

Por supuesto, como se conoce generalmente, la generación de electricidad quemando combustibles fósiles contribuye de forma significativa a la contaminación y el calentamiento global. Por ejemplo, en 1996, el sector más consumidor de energía en Estados Unidos eran los hogares residenciales, que eran responsables del 20% de todas las emisiones de carbono producidas. Del total de las emisiones de carbono por este sector consumidor de electricidad, el 63% era directamente atribuible a quemar combustibles fósiles usados para generar electricidad para dicho sector.

En las naciones desarrolladas, la electricidad se considera ahora una necesidad práctica para locales residenciales y con el consumo de electricidad por hogar en crecimiento de alrededor de 1,5% anual desde 1990, el incremento proyectado del consumo de electricidad para el sector residencial se ha convertido en un tema central en e debate sobre la estabilización del carbón y el cumplimiento de los objetivos del protocolo de Kyoto.

Desde 1982 a 1996, el número de hogares en Estados Unidos ha aumentado a una tasa del 1,4% anual y el consumo de electricidad residencial aumentó a una tasa de 2,6% al año durante el mismo periodo. En consecuencia, se ha proyectado que el número de hogares en Estados Unidos va a aumentar en 1,1% al año hasta el año 2010 y cabe esperar que el consumo de electricidad en las residencias aumente a una tasa del 1,6% anual para el mismo periodo.

Se ha estimado que en 1995, 40 millones de hogares, aproximadamente, de todo el mundo usaban sistemas de calentamiento de agua eléctricos. La forma más frecuente de sistema de calentamiento de agua caliente eléctrico implica un tanque de almacenamiento en el que el agua se calienta lentamente durante un tiempo a una temperatura predeterminada. El agua en el tanque de almacenamiento se mantiene a la temperatura predeterminada, porque el agua se extrae del tanque de mantenimiento y se repone con la entrada de agua fría. Generalmente, los tanques de almacenamiento incluyen un elemento de calentamiento por resistencia eléctrico sumergido conectado a la red de alimentación cuyo funcionamiento está controlado por un termostato o dispositivo de monitorización de la temperatura.

Generalmente, los sistemas eléctricos de almacenamiento de agua caliente se consideran ineficientes en términos de energía porque operan sobre el principio de almacenar y calentar agua hasta una temperatura predeterminada superior a la temperatura requerida para el uso, aunque el consumidor puede no necesitar agua caliente hasta más tarde en el tiempo. Dado que se pierde energía térmica del agua caliente en el tanque de almacenamiento, puede ser necesario un consumo adicional de energía eléctrica para recalentar el agua hasta la temperatura predeterminada. En última instancia, un consumidor puede no requerir agua caliente durante un periodo de tiempo considerable. No obstante, durante ese tiempo, algunos de los sistemas de almacenamiento de agua caliente eléctricos continúan consumiendo energía para calentar el agua en preparación para que el consumidor requiera agua caliente en cualquier momento.

Por supuesto, el calentamiento rápido de agua de modo que la temperatura del agua alcance un nivel predeterminado en un corto periodo de tiempo permite que un sistema evite las ineficiencias que necesariamente se producen como resultado de almacenar agua caliente. En la actualidad se dispone de sistemas de agua caliente de calentamiento rápido o "instantáneos" de modo que, como fuente de energía, se usan gas, tal como gas natural o LPG (Gas de Petróleo Licuado), y electricidad. En el caso del gas natural y el LPG, estos son tipos de combustible que están particularmente bien adaptados al calentamiento rápido de fluidos, dado que la ignición de estos combustibles puede impartir suficiente transferencia de energía térmica al fluido y elevar la temperatura de dicho fluido hasta un nivel satisfactorio en un periodo de tiempo relativamente corto en condiciones controladas.

No obstante, aunque es posible usar fuentes de combustible de gas natural para el rápido calentamiento del agua, estas fuentes no siempre están disponibles fácilmente, En contraste con ello, una red de electricidad está fácilmente disponible para la mayoría de los hogares en los países desarrollados.

Se han producidos ineficaces intentos previos para producir un sistema de agua caliente eléctrico "instantáneo". Estos incluyen los sistemas de hilo caliente y de inducción electromagnética. Se ha desarrollado el sistema de agua caliente "instantáneo" de hilo caliente en el que se localiza un tubo término y eléctricamente no conductor de un diámetro relativamente pequeño. En funcionamiento, el agua pasa a través del tubo que está en contacto o muy cerca del cable, que se energiza para transferir de este modo energía térmica al agua en el interior del tubo. Generalmente, se actúa sobre el control monitorizando la temperatura de salida del agua del tubo y comparándola con una configuración de temperatura predeterminada. En función del la temperatura de salida del agua monitorizada se aplica una tensión al cabe hasta que la temperatura del agua alcanza la configuración de temperatura predeterminada deseada. Aunque este tipo de sistema evita las ineficiencias de energía implicadas con el almacenamiento de agua caliente, por desgracia sufre una serie de otras desventajas. En particular, es necesario calentar el hilo a temperaturas mucho mayores que las del agua de alrededor. Esto tiene la desventaja de causar la formación de cristales de sales disueltas que normalmente están presentes a concentraciones variables en agua, tales como carbonato de calcio y sulfato de calcio. Las áreas calientes del cable en contacto directo con el agua proporcionan un ambiente excelente para la formación de estos tipos de cristales, lo que tiene como resultado que el hilo se "encostra" y, por tanto, se reduzca la eficiencia de la transferencia térmica desde el hilo al agua de alrededor. Como el tubo es, generalmente, de diámetro relativamente pequeño, la formación de cristales también puede reducir el flujo de agua a través del tubo. Además, los sistemas de tipo de hilo caliente requieren presiones de agua relativamente altas para que funcionen de forma eficaz y, por tanto, estos sistemas no son eficaces para usar en regiones que tienen una presión de agua relativamente baja o frecuentes descensos de la presión de agua que se pueden producir durante los momentos de uso máximo de agua.

El sistema de inducción electromagnética funciona como un transformador. En este caso, las corrientes inducidas en un arrollamiento secundario del transformador hacen que el arrollamiento secundario se caliente. El calor generado aquí se disipa mediante el agua circulante a través de una camisa de agua que rodea al arrollamiento secundario. Después, el agua calentada sale del sistema para usar. Generalmente, se actúa sobre el control monitorizando la temperatura de salida de la camisa de agua y comparándola con una configuración de temperatura predeterminada. En función de la temperatura de salida monitorizada del agua se puede variar la tensión aplicada al arrollamiento primario, lo que varía las corrientes eléctricas inducidas en el arrollamiento secundario hasta que la temperatura del agua alcanza la configuración de temperatura predeterminada. Aunque este tipo de sistema evita las ineficiencias de energía implicadas con el almacenamiento de agua caliente, también sufre una serie de otras desventajas. En particular, es necesario calentar el arrollamiento secundario a temperaturas mayores que las del agua de alrededor. Esto tiene el mismo efecto de causar la formación de cristales de sales disueltas, tales como se ha comentado en lo que antecede. Como el hueco entre el arrollamiento secundario y la camisa de agua que lo rodea es, generalmente, relativamente estrecho, la formación de cristales también puede reducir el flujo de agua a través de la camisa.

Además, los campos magnéticos desarrollados y las elevadas...

1. Aparato para calentar fluido que comprende un medio de paso que define una ruta de flujo (12, 63) para el fluido que se va a calentar, una pluralidad de conjuntos de elementos que forman electrodos dentro o formando la ruta del flujo y entre los que pasa dicho fluido, en los que dichos conjuntos de elementos que forman electrodos incluyen al menos un primero (16) y un segundo (17) conjunto de electrodos a lo largo de la ruta de flujo del fluido, en el que dicho primer conjunto de electrodos y dicho segundo conjunto de electrodos tienen al menos un par de electrodos (16a, 16b, 17a, 17b) entre los que una corriente eléctrica pasa a través de dicho fluido para calentar el fluido durante su paso a lo largo de la ruta de flujo, corriente arriba de los medios de medición de temperatura del fluido (35), corriente arriba del primer conjunto de electrodos, para medir la temperatura del fluido que se va a calentar, primero corriente abajo del medio de medición de la temperatura corriente abajo del segundo conjunto de electrodos, los medios de determinación del caudal del fluido (36, 39) y los medios de control eléctrico (41) para suministrar y controlar la potencia eléctrica a los electrodos de cada conjunto, en los que dichos medios de control tienen medios de procesamiento para relacionar el flujo actual y la tensión aplicada en respuesta a las temperaturas medidas corriente arriba y corriente abajo y el caudal del fluido para determinar la entrada de potencia deseada en el fluido desde cada conjunto de electrodos para alcanzar una temperatura de fluido deseada corriente abajo del segundo conjunto de electrodos.

2. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha vía de paso comprende un espacio anular (63) entre los miembros cilíndricos espaciados sustancialmente coaxiales (61, 62).

3. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que un segundo medio de medición de la temperatura (38) mide la temperatura del fluido entre los conjuntos de electrodos primero (16) y segundo (17) y el medio de control (41) controla la potencia a los conjuntos de electrodos primero y segundo de acuerdo con las temperaturas medidas y un incremento deseado de la temperatura del fluido en el paso del fluido entre los respectivos conjuntos de electrodos.

4. Aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha pluralidad de conjuntos de elementos que forman electrodos incluye un tercer conjunto de electrodos (18) colocado corriente abajo de dicho segundo conjunto de electrodos (17) y un tercer medio de medición de la temperatura corriente abajo (36) mide la temperatura del fluido corriente abajo del tercer conjunto de electrodos.

5. Aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el elemento que forma electrodos comprende electrodos cilíndricos sustancialmente coaxiales (61, 62), que definen secciones separadas (51, 52, 53) de la vía de paso a lo largo de la(s) ruta(s) de flujo.

6. Aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha vía de paso incluye tres secciones (51, 52, 53), en el que cada sección de la vía de paso tiene una entrada y una salida, estando las secciones conectadas entre sí en serie de modo que la salida de una primera sección se comunica con la entrada de la segunda sección y la salida de la segunda sección se comunica con la entrada de la tercera sección, con un conjunto de electrodos para cada sección.

7. Aparato de acuerdo con la reivindicación 6, en el que las salidas de cada una de loas secciones primera, segunda y tercera (51, 52, 53) tienen medios de medición de la temperatura del fluido y dicho medio de control (58) controla la potencia a los electrodos de cada sección de acuerdo con las temperaturas detectadas en la entrada y la salida de cada sección y una diferencia de temperaturas deseada predeterminada.

8. Aparato de acuerdo con la reivindicación 6, en el que cada sección de la vía de paso (51, 52, 53) está formada por electrodos cilíndricos espaciados sustancialmente coaxiales (61, 62) que definen una ruta de flujo anular (63) para el fluido.

9. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha vía de paso incluye más de tres secciones de la vía de paso (51, 52, 53), en el que cada sección tiene una entrada y una salida, estando las secciones conectadas en serie y el medio de control (58) controla la potencia hacia un par de electrodos de cada sección de acuerdo con las temperaturas de entrada y salida medidas de cada sección y una diferencia de temperaturas deseada predeterminada para cada sección.

10. Aparato de acuerdo con la reivindicación 7 o la reivindicación 9, en el la diferencia de temperaturas deseada predeterminada se determina en relación con la tensión aplicada entre los respectivos electrodos y la corriente extraída, las temperaturas de entrada y de salida de las secciones, el flujo del fluido y las temperaturas medidas corriente arriba y corriente abajo.

11. Aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el medio de control (41, 58) suministra una tensión variable a los pares de electrodos (16, 17, 18, 61, 62) a una frecuencia de pulso que es submúltiplo de la frecuencia de la tensión de suministro de red y el control de la potencia suministrada a los electrodos incluye variar el número de pulsos por tiempo unitario.

12. Aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que dicha vía de paso define una pluralidad de rutas de flujo paralelas para dicho fluido.

13. Un procedimiento para calentar fluido, que comprende las etapas de:

hacer pasar fluido a lo largo de una ruta de fluido;

proporcionar al menos dos conjuntos de electrodos espaciados a lo largo de la ruta del fluido;

aplicar una tensión eléctrica variable entre los electrodos de cada conjunto para hacer pasar de este modo corrientes eléctricas a través del fluido entre los electrodos de cada conjunto;

monitorizar la temperatura del fluido de entrada en la ruta del fluido;

monitorizar la temperatura del fluido de salida en la ruta del fluido;

monitorizar las corrientes que atraviesan el fluido entre electrodos de cada conjunto de electrodos en respuesta a la aplicación de la tensión eléctrica variable; y

controlar la tensión eléctrica variable entre los electrodos de cada conjunto de electrodos en respuesta a la conductancia específica del fluido determinado mediante referencia a las temperaturas de fluido monitorizadas y los flujos de corriente para un flujo de fluido dado en cada sección de la ruta del flujo de modo que una cantidad de potencia eléctrica que ha pasado al fluido corresponde a un incremento de temperatura predeterminado del fluido.

14. Un procedimiento para calentar fluido de acuerdo con la reivindicación 13, que incluye la etapa de monitorizar la temperatura del fluido entre los conjuntos de electrodos (16, 17, 18, 61, 62).

15. Un procedimiento para calentar fluido de acuerdo con la reivindicación 13, que incluye la etapa de controlar la potencia eléctrica que se pasa al fluido mediante un sistema de gestión controlado por microordenador.

16. Un procedimiento para calentar fluido de acuerdo con la reivindicación 13, que incluye la etapa de gestionar y responder a los cambios en la conductividad eléctrica del fluido a media que se caliente dentro del sistema junto con el flujo del fluido medido, la temperatura de entrada del fluido y la velocidad deseada de elevación de la tempera-tura.

17. Un procedimiento para calentar fluido de acuerdo con la reivindicación 13, que incluye la etapa de compensar un cambio en la conductividad eléctrica del fluido producido por temperaturas variables y concentraciones variables de sustancias químicas y sales disueltas y a través del calentamiento del fluido, alternado la tensión eléctrica media para acomodar los cambios en la conductancia específica al incrementar la temperatura del fluido mediante la cantidad deseada.

18. Un procedimiento para calentar fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, que incluye las etapas de proporcionar al menos tres conjuntos de electrodos en el flujo de fluido, aplicar una tensión eléctrica entre los electrodos de cada par de acuerdo con las temperaturas monitorizadas de fluido en localizaciones corriente arriba y corriente abajo de los pares de electrodos.

19. Un procedimiento para calentar fluido de acuerdo con la reivindicación 18, que incluye las etapas de monitorizar la temperatura del fluido en la ruta de flujo en ambos lados de cada par de electrodos, controlar por separado la potencia eléctrica aplicada a los pares de electrodos de cada conjunto de electrodos para mantener un incremento constante de la temperatura del fluido en el segmento del flujo de fluido adyacente a los respectivos pares de electrodos.

20. Un sistema de calentamiento de fluido que comprende al menos una ruta de flujo (12, 63) para el fluido que se va a calentar y que tiene una entrada de fluido, medios de medición de la temperatura del fluido de entrada (35), al menos dos pares de electrodos (16, 17,18) dentro o definiendo la ruta del fluido, estando los pares de electrodos espaciados a lo largo de la ruta de flujo, corriente abajo del medio de medición de la temperatura del fluido (38, 39), corriente abajo de cada par de electrodos, medio de medición del caudal del fluido (34) medio de control eléctrico (41, 58) para suministrar y controlar la potencia eléctrica a los electrodos de cada par, en el que dicho medio de control tiene medios de procesamiento para relacionar el flujo de la corriente, la tensión aplicada, la temperatura del fluido de entrada, las respectivas temperaturas del fluido después y el caudal del fluido para determinar la entrada de potencia deseada al fluido por cada par de electrodos para alcanzar una temperatura de fluido de salida deseada en un tiempo predeterminado.

21. Un sistema de calentamiento de fluido de acuerdo con la reivindicación 20, en el que dicha ruta de flujo comprende un espacio anular (63) entre los miembros cilíndricos espaciados sustancialmente coaxiales (61, 62).

22. Un sistema de calentamiento de fluido de acuerdo con la reivindicación 20, en el que dichos miembros cilíndricos constituyen dichos electrodos (61, 62).

23. Un sistema de calentamiento de fluido de acuerdo con la reivindicación 20, que tiene una pluralidad de rutas de flujo paralelas para dicho fluido.

24. Un sistema de calentamiento de fluido de acuerdo con la reivindicación 20, en el que dicha ruta de flujo incluye tres secciones (51, 52, 53), en el que cada sección tiene una entrada y una salida, estando las secciones conectadas entre sí en serie, de modo que la salida de una primera sección se comunica con la entrada de la segunda sección y la salida de la segunda sección se comunica con la entrada de la tercera sección, con un conjunto de electrodos para cada sección.

25. Un sistema de calentamiento de fluido de acuerdo con la reivindicación 20, en el que dichos dispositivos de medición de la temperatura del fluido se localizan adyacentes a cada conjunto de electrodos (16, 17, 18, 61, 62) y dicho medio de control (41, 58) controla la potencia a los electrodos de cada sección de acuerdo con las temperaturas de entrada y de salida detectadas de cada sección y una diferencia de temperatura deseada predeterminada en cada sección.

26. Un sistema de calentamiento de fluido de acuerdo con la reivindicación 20, en el que el medio de control (41, 58) suministra una tensión a los pares de electrodos a una frecuencia de pulso que es submúltiplo de la frecuencia de la tensión de suministro de red, control de la potencia suministrada a cada par de electrodos, incluido el control mediante la variación del número de pulsos.