Acumulador de calor con alta densidad de acumulación (1) según el principio de sorción y está especialmente indicado para la acumulación provisional-periódica de calor útil y residual de origen industrial o comercial o de calor de baja temperatura de origen solar o terrestre,

con transferencia posterior del calor a un consumidor de calor, para lo cual por medio de un medio de trabajo evaporable y relicuable, preferentemente agua, durante un proceso de descarga se adsorbe en un sorbente microporoso un vapor del medio de trabajo generado mediante evaporación y el calor de sorción generado se extrae en su mayor parte del acumulador de calor, y durante un proceso de carga el medio de trabajo licuado mediante la subsiguiente condensación se desorbe del sorbente microporoso, el calor excedente situado por encima del calor de evaporación del medio de trabajo se almacena en el sorbente como calor de desorción introducido en el acumulador y los sistemas termodinámicos existentes son tanto cerrados como semiabiertos, el acumulador de calor (1) consta de una funda tubular (2), como mínimo de una carcasa (3; 3'), una placa tubular (8; 8') y una placa de circulación (9; 9'), y los tubos de portador de calor (10) están integrados de forma fija en al menos una de las placas tubulares (8; 8') y pasan a través de una placa de circulación (9; 9'), y aberturas en forma de intersticio formadas en al menos una placa de circulación (9; 9') alrededor de tubos de portador de calor (10) que pasan a través de dicha placa de circulación, estando estas aberturas conectadas al lecho de sorbente (14), caracterizado por el hecho de que entre los tubos de portador de calor (10) o perfiles de portador de calor (10') hay canales de flujo (11; 11') situados en las placas de circulación (9; 9'), los cuales están penetrados por las capas de tela no tejida (13; 13'), y las guías de medio de trabajo (16; 16') se hacen pasar por ranuras de abertura formadas o perforadas según sea el caso (12; 12'), las cuales no están necesariamente provistas de ajuste material, y las guías de medio de trabajo (16; 16') se hallan en contacto directo con los tubos de portador de calor (10) o los perfiles de portador de calor

Acumulador de calor con alta densidad de acumulación La invención se refiere a un acumulador de calor con alta densidad de acumulación según al principio de sorción con una guía mejorada del medio de trabajo, especialmente para la acumulación provisional-periódica de calor útil y residual conforme al concepto general de la reivindicación de patente 1. DE-A1-19 963 322 describe un acumulador de calor de este tipo.

Estado de la técnica

Los acumuladores de calor acumulan el calor generado no utilizado por medio de un medio de trabajo en un material acumulador microporoso activo en cuanto a sorción, de manera selectiva y fácil de utilizar. Los ámbitos de aplicación preferentes del acumulador de calor se dan sobre todo en instalaciones consumidoras de calor que no disponen de un suministro económico de calor durante periodos de carga punta. Existen posibilidades de aplicación favorables para la acumulación temporal de calor para la técnica de edificios y doméstica, por ejemplo para la calefacción y la climatización de salas, para el calentamiento de agua de uso industrial o para la ejecución de otros procesos técnicos limitados en el tiempo y que consuman calor antes del lugar de su demanda. Parecen prometedoras las ejecuciones transportables para ámbitos de aplicación orientados a catástrofes civiles.

Además, en combinación con acumuladores de calor, mediante evaporación puede generarse un frío por evaporación que resulta útil para los fines de refrigeración oportunos.

Los sistemas de acumulación por sorción constan como mínimo de un recipiente térmicamente aislado que se carga de calor siguiendo una secuencia predefinida y se descarga de nuevo selectivamente. Para este fin se transforma cíclicamente el medio de trabajo a un estado gaseoso mediante evaporadores y condensadores y se licúa nuevamente. El medio de trabajo preferentemente utilizado es el vapor de agua. Para la generación industrial de frío se utilizan también medios de trabajo, tales como determinados hidrocarburos fácilmente evaporables.

Durante el proceso de descarga del acumulador, el medio de trabajo se liga mediante adsorción tanto a gel de sílice, zeolitas como a sorbentes desarrollados, tales como metalsilicatos, entre ellos aluminosilicatos y aluminofosfatos. El calor de sorción liberado se transfiere a otros portadores del calor líquidos mediante circuitos de calor útil conectados.

Durante el proceso de carga de los acumuladores, el medio de trabajo es eliminado cíclicamente de los sorbentes mediante desorción. Esto tiene lugar en dispositivos de acumulación estacionarios mediante el suministro de calor procedente de redes energéticas o de instalaciones de obtención de energía solar. En un proceso que se desarrolla paralelamente, se licúa nuevamente el medio de trabajo en condensadores. El calor excedente situado por encima del calor de evaporación del medio de trabajo se retiene en el sorbente como calor de desorción introducido en el acumulador de calor. Los circuitos de portador de calor y medio de trabajo en los que se basan estos procesos se corresponden con sistemas termodinámicos tanto cerrados como semiabiertos.

En periodos de carga baja, de este modo puede almacenarse como energía térmica calor residual, generado por ejemplo durante procesos energéticamente intensivos y con excedente energético, tales como la fabricación de metal y cemento, la industria procesadora del metal, en fundiciones y talleres de temple, pero también en establecimientos alimentarios (como panaderías) o en la elaboración de bebidas (fábricas de cerveza) . En periodos de consumo energético incrementado, de esta manera están disponibles cantidades adicionales de calor útil, que de otro modo hasta ahora se desperdician de forma nada económica.

Las densidades energéticas de los acumuladores por sorción por lo menos duplican las de los acumuladores de calor latente conocidos, y cuadruplican las de los acumuladores de agua convencionales dependiendo de la profundidad y la duración del estado de carga. El incremento de las densidades de acumulación de energía y de la eficiencia térmica de los acumuladores es objeto de esfuerzos constantes.

El estado de la técnica viene determinado por los denominados dispositivos tank in tank (depósito dentro del depósito) . En estos acumuladores de calor por sorción de alto rendimiento, el evaporador, el condensador y la cámara de sorbente se agrupan en un recipiente, con objeto de lograr un alto grado de compacidad y por consiguiente una elevada densidad energética. Cuando procede, en las soluciones conocidas se disponen el evaporador y el condensador en estrecha vecindad con la cámara de sorbente, y a través de ellos circulan portadores de calor en un circuito aparte. Se ofrecen ejemplos en las especificaciones DE 40 19 669 A1, DE 35 198 11 302 A1 y EP 0 897 094 A1. El volumen activo del acumulador puede cerrarse y evacuarse, a fin de aprovechar al máximo el juego cíclico entre la carga y la descarga. El tamaño del juego de carga se determina mediante equilibrios de sorción en función de la presión y la temperatura.

Existen problemas ligados a los procesos de transporte de sustancias y calor para los medios de calefacción, refrigeración y trabajo en el interior del acumulador de calor y sobre las superficies que determinan y median en el transporte del calor:

- En los acumuladores por sorción, los sistemas de poros para densidades de acumulación elevadas deben ser llenados totalmente por el medio de trabajo.

- Los sorbentes presentan una capacidad de conducción del calor propia limitada. Se persigue una buena compensación térmica en todas las direcciones espaciales en el recipiente, pero esta se ve impedida por una parte por los tabiques, los cuales transmiten calor por sí mismos. En cambio, unas proporciones elevadas de partículas como material de relleno dentro de los tabiques incrementan la densidad de acumulación.

- Por otra parte, unas proporciones de relleno elevadas reducen las vías libremente disponibles para el transporte del medio de trabajo. El aumento de escala de los acumuladores está limitado porque el sorbente sólido no se mueve como un fluido y en consecuencia se cierran vías de flujo y por lo tanto en los lechos sólidos se desarrollan procesos de transporte bastante complejos.

Los acumuladores de calor por sorción avanzados ya están adecuadamente adaptados a las tecnologías introducidas y normalizadas de la construcción de recipientes. Con una mayor cantidad de tubos para portador de calor en una dirección longitudinal preferente, están indicados para una distribución rápida del medio de trabajo también en las direcciones transversales de los acumuladores de calor, acompañada de un alto grado de llenado de la cámara con tabiques y sorbentes. Esto incrementa el rendimiento espacial del acumulador como criterio importante para la efectividad de los acumuladores.

En soluciones precedentes, tales como en las especificaciones DE 199 63 322 A1 y en el mismo sentido US 6, 672, 103 B1, por lo que respecta al diseño se recurre a dispositivos acreditados que cumplen los requisitos para la estandarización en la fabricación y el funcionamiento. Entre estos se utilizan principalmente intercambiadores de calor de carcasa y tubos normalizados según la DIN 28008, DIN 28182 y DIN 28185. También se utilizan radiadores adecuados para fines de técnica de edificios, calderas tubulares de agua de generadores de vapor o dispositivos similares a hornos tubulares de la industria química y para otros fines de la técnica de procesos. Una consideración prevé que para los acumuladores de calor están indicados preferentemente intercambiadores de calor con placas tubulares de geometría redonda o rectangular adaptadas a lechos sólidos de sorción. El cuerpo tubular forma una estructura portante con las placas tubulares y se utiliza como cuerpo básico portante con una envoltura que lo rodea. La envoltura puede cerrarse herméticamente y también es evacuable, a fin de aprovechar de forma casi óptima el periodo de presión necesario entre una carga y una descarga, y por consiguiente los juegos de carga existentes.

Por lo menos entre dos placas tubulares están fijados tubos de portador térmico, los cuales penetran en el lecho de sorbente en función de las particiones de la placa tubular prefijadas. Los tubos habituales dentro de los intercambiadores de calor alcanzan una estabilidad longitudinal suficiente, y las placas tubulares propiamente dichas alcanzan una elevada estabilidad transversal, similar a la de una estructura de carrocería autoportante, sin que la masa... [Seguir leyendo]

1. Acumulador de calor con alta densidad de acumulación (1) según el principio de sorción y está especialmente indicado para la acumulación provisional-periódica de calor útil y residual de origen industrial o comercial o de calor de baja temperatura de origen solar o terrestre, con transferencia posterior del calor a un consumidor de calor, para lo cual por medio de un medio de trabajo evaporable y relicuable, preferentemente agua, durante un proceso de descarga se adsorbe en un sorbente microporoso un vapor del medio de trabajo generado mediante evaporación y el calor de sorción generado se extrae en su mayor parte del acumulador de calor, y durante un proceso de carga el medio de trabajo licuado mediante la subsiguiente condensación se desorbe del sorbente microporoso, el calor excedente situado por encima del calor de evaporación del medio de trabajo se almacena en el sorbente como calor de desorción introducido en el acumulador y los sistemas termodinámicos existentes son tanto cerrados como semiabiertos, el acumulador de calor (1) consta de una funda tubular (2) , como mínimo de una carcasa (3; 3') , una placa tubular (8; 8') y una placa de circulación (9; 9') , y los tubos de portador de calor (10) están integrados de forma fija en al menos una de las placas tubulares (8; 8') y pasan a través de una placa de circulación (9; 9') , y aberturas en forma de intersticio formadas en al menos una placa de circulación (9; 9') alrededor de tubos de portador de calor

(10) que pasan a través de dicha placa de circulación, estando estas aberturas conectadas al lecho de sorbente (14) , caracterizado por el hecho de que entre los tubos de portador de calor (10) o perfiles de portador de calor (10') hay canales de flujo (11; 11') situados en las placas de circulación (9; 9') , los cuales están penetrados por las capas de tela no tejida (13; 13') , y las guías de medio de trabajo (16; 16') se hacen pasar por ranuras de abertura formadas

o perforadas según sea el caso (12; 12') , las cuales no están necesariamente provistas de ajuste material, y las guías de medio de trabajo (16; 16') se hallan en contacto directo con los tubos de portador de calor (10) o los perfiles de portador de calor

2. Acumulador de calor conforme a la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las guías de medio de trabajo (16; 16') poseen entre las placas tubulares (8. 8') y las placas de circulación (9; 9') aberturas (15) dirigidas a la capa de tela no tejida (13) y de que debajo de estas placas de circulación (9; 9') las aberturas (15') están dirigidas al lecho de sorbente (14) .

3. Acumulador de calor conforme a las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por el hecho de que las guías de medio de trabajo (16; 16') constan de elementos cóncavos, de las guías de medio de trabajo (16) , o de elementos en forma de perfil en U o de S, las guías de medio de trabajo (16') que están apoyadas en uno a tres conductos en la periferia de los tubos de portador de calor (10) , están adaptadas a estos y no están unidas necesariamente a estos mediante ajuste material, y además se encuentran por lo menos enclavadas elásticamente e intercaladas por fricción en las ranuras de abertura (12; 12') .

4. Acumulador de calor conforme a la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que los elementos cóncavos o en forma de perfil en U o en S de las guías de medio de trabajo (16; 16') presentan en lugar de las aberturas (15) aberturas dentiformes (15') , que discurren paralelamente con respecto al eje principal y en la extensión longitudinal a lo largo de los bordes que limitan longitudinalmente estos elementos y/o presentan en estos bordes para su fijación las grapas (23; 23') que encierran por lo menos parcialmente los tubos de portador de calor (10) .

5. Acumulador de calor conforme una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que las guías de medio de trabajo (16; 16)

a) realizadas en un material elástico en forma de las grapas (23; 23) están unidas a los tubos de portador de calor

(10) o perfiles de portador de calor (10') dentro de los niveles entre las placas tubulares (8; 8') y las placas de circulación (9; 9') , y las acanaladuras (27; 27') y las entalladuras (30; 30') garantizan el asiento de las guías de medio de trabajo (16; 16') sobre las ranuras de abertura (12;12')

o bien

b) constan de elementos de tipo perfil extruido de dos o más conductos, los cuales están unidos en ajuste material a los tubos de portador de calor (10) de sección redonda o elíptica o bien a los perfiles de portador de calor rectangulares (10') y el material de las guías de medio de trabajo (16; 16') que se encuentra dentro de la capa de tela no tejida (13) está total o parcialmente retirado entre las placas tubulares (8 ;8') y las placas de circulación (9;9') .

6. Acumulador de calor conforme a la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que las guías de medio de trabajo (16; 16') de los elementos de tipo perfil extruido de dos o más conductos están provistas de escotaduras (22; 22') en lugar de las aberturas (15; 15') entre las placas tubulares (8; 8') y las placas de circulación (9; 9') .

7. Acumulador de calor conforme una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que en una envoltura cilíndrica (25) se agrupan en forma de haz tres tubos de portador de calor (10) o en una envoltura rectangular se agrupan si es posible cuatro tubos de portador de calor (10') , que dentro del nivel de las placas tubulares (8) , los tubos de portador de calor (10; 10') están provistos, también en sus zonas axiales, de los cierres (24; 24') fuera de sus periferias y dentro de las envolturas (25; 25') , las envolturas (25; 25') están unidas firmemente a las placas tubulares (8) y en el nivel de las placas de circulación (9; 9') , las cuales también presentan los cierres

(24; 24') , quedan libres de estos cierres (24; 24') las zonas axiales únicamente dentro de este segundo nivel, y de que entre ambos niveles se encuentran las capas de tela no tejida (13, 13') .

8. Acumulador de calor conforme una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por el hecho de que en lugar de los tubos de portador de calor (10) se utilizan perfiles laminados que conforman los perfiles de portador de calor (10') y que dentro de una placa tubular (8; 8') están provistos de una compresión (27) y dentro de una placa de circulación (9; 9') presentan un paso (26) , así como el cierre (24) que desemboca en un intersticio longitudinal (28) y está unido a la capa de tela no tejida (13) .

9. Acumulador de calor conforme a la reivindicación 8 caracterizado por el hecho de que a partir de un único recorte de material plano se forman tubos (10) y perfiles (10') de medio portador, salientes (29; 29') del mismo material forman las guías de medio de trabajo (16; 16') con las aberturas (15; 15') intercaladas en ambos niveles entre las placas tubulares (8; 8') y las placas de circulación (9; 9') (13; 13') y dentro de las placas tubulares que presentan los cierres (24; 24') entre los tubos (10) y perfiles (10') de medio portador dentro de las placas tubulares (8; 8') , y asimismo presentan los salientes (29; 29') , los cuales con sus formaciones de intersticio se asientan de forma esencialmente estanca sobre las placas de circulación (9; 9') y están orientados al interior de las ranuras de abertura (12; 12') .

10. Acumulador de calor conforme una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que las guías de medio de trabajo (16; 16') contienen también capas de tela no tejida (13') , si bien estas poseen una densidad menor de la tela no tejida que las capas de tela no tejida (13) .

11. Acumulador de calor conforme una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por el hecho de que dispositivos modificados con placas tubulares (8; 8') superpuestas de forma contigua y los tubos de portador de calor (10) o perfiles de portador de calor (10') están provistos de una sola placa de circulación (9) dispuesta debajo o encima, pero con todas las demás restantes particularidades descritas presentan tubos de inmersión o perfiles de inmersión en forma de disposiciones coaxiales o excéntricas con las guías de medio de trabajo (16; 16') .

12. Acumulador de calor conforme una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por el hecho de que el lecho de sorbente (14) puede estar distribuido en porciones en forma de envases tipo saco realizados en tela metálica, y puede introducirse en el acumulador de calor (1) entre una cantidad reducida de tubos de portador de calor (10) o perfiles de portador de calor (10') con las guías de medio de trabajo (16; 16') .

13. Acumulador de calor conforme una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por el hecho de que este, en tanto que acumulador de calor compacto, posee un tanque tanto para la evaporación como para la condensación del medio de trabajo y está unido a ambos, estando previstas también disposiciones tanto verticales como horizontales de los tubos de portador de calor (10) , de las placas de circulación (9; 9') y de las capas de tela no tejida (13, 13') .

14. Acumulador de calor conforme una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por el hecho de que las capas de tela no tejida (13, 13') constan de una empaquetadura de granulados, los cuales se componen de

a) sorbentes microporosos silicáticos de tipo zeolita, o bien sorbentes microporosos y mesoporosos del tipo de los metalofosfatos, aluminofosfatos o silicoaluminofosfatos b) adsorbentes compuestos con hidratos de sales como componente activo.

16 17 18 19 20