EQUIPO ACUMULADOR CON ESTRATIFICACIÓN MEDIANTE HAZ DE TUBOS VERTICALES.

Equipo acumulador con estratificación mediante haz de tubos verticales.

El objetivo principal de la invención es un acumulador eléctrico o termo concebido para evitar la mezcla de agua caliente y fría en el interior del propio acumulador.

El equipo contiene la inserción dentro del depósito de acumulación o carcasa (1) de un conjunto de tubos (2) que actúan, como mini acumuladores y minimizan el mezclado entre agua caliente y fría; el equipo contiene además una resistencia eléctrica (3), discos superior (4) e inferior (5), placas microperforadas superior (6) e inferior (7) además de otros elementos.

La solución técnica que aporta la invención es la reducción considerable de tamaño y peso del termo sin mermar su capacidad de obtención de agua caliente sanitaria.

La invención es una alternativa al acumulador eléctrico de agua caliente convencional.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200600950.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE VIGO.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: PONTEVEDRA.

Inventor/es: VAZQUEZ ALFAYA,MANUEL EUSEBIO, CERDEIRA PEREZ,FERNANDO, SANCHEZ BERMUDEZ,ANGEL MANUEL, SANJURJO RODIGUEZ,MANUEL ANGEL, URREJOLA MADRIÑAN,SANTIAGO RAFAEL, GUITIAN BESCANSA,LAUREANO, REY GONZALEZ,GUILLERMO.

Fecha de Solicitud: 7 de Abril de 2006.

Fecha de Publicación: 27 de Enero de 2012.

Fecha de Concesión: 17 de Enero de 2012.

Clasificación PCT:

F24D11/00 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F24 CALEFACCION; HORNILLAS; VENTILACION. › F24D SISTEMAS DE CALEFACCION DOMESTICOS, p. ej. SISTEMAS DE CALEFACCION CENTRAL; SISTEMAS PARA SUMINISTRAR AGUA CALIENTE DE USO DOMESTICO; SUS ELEMENTOS O PARTES CONSTITUTIVAS (utilización del vapor o de los condensados provinientes, bien de la extracción o bien del escape de las plantas motrices a vapor para fines de calentamiento F01K 17/02). › Sistemas de calefacción central que utilizan el calor acumulado en masas de materiales (conjuntos de almacenamiento de calor F24D 15/02).
F24D17/00 F24D […] › Sistemas de suministro de agua caliente para uso doméstico.
F24H1/18 F24 […] › F24H CALENTADORES DE FLUIDOS, p. ej. CALENTADORES DE AGUA O DE AIRE, QUE TIENEN MEDIOS PARA PRODUCIR CALOR, EN GENERAL (sustancias para la transferencia, intercambio o almacenamiento de calor C09K 5/00; hornos de cracking térmico no catalítico C10G 9/20; dispositivos, p. ej. válvulas, para ventilación o aireación de recintos F16K 24/00; purgadores de agua de condensación o dispositivos análogos F16T; producción de vapor F22; aparatos de combustión F23; estufas domésticas u hornillas F24B, F24C; sistemas de calefacción doméstica o de otros lugares F24D; hornos, hornos de cuba, retortas F27; cambiadores de calor F28; dispositivos o elementos de calentamiento eléctrico H05B). › F24H 1/00 Calentadores de agua que tienen medios para producir calor, p. ej. caldera, calentador de agua instantáneo, calentador de agua por acumulación térmica (F24H 7/00, F24H 8/00 tienen prioridad; partes constitutivas F24H 9/00; calderas de vapor F22B; estufas u hornillas de uso doméstico con medios adicionales para calentar agua F24B 9/00, F24C 13/00). › 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).
F28D20/00 F […] › F28 INTERCAMBIO DE CALOR EN GENERAL. › F28D INTERCAMBIADORES DE CALOR, NO PREVISTOS EN NINGUNA OTRA SUBCLASE, EN LOS QUE LOS MEDIOS QUE INTERCAMBIAN CALOR NO ENTRAN EN CONTACTO DIRECTO (materiales de transferencia de calor, de intercambio de calor o de almacenamiento de calor C09K 5/00; calentadores de fluidos que tienen medios para producir y transferir calor F24H; hornos F27; partes constitutivas de los aparatos intercambiadores de calor de aplicación general F28F ); APARATOS O PLANTAS DE ACUMULACION DE CALOR EN GENERAL. › Aparatos o plantas de acumulación de calor en general; Aparatos cambiadores de calor regenerativos no cubiertos por los grupos F28D 17/00 o F28D 19/00.

Fragmento de la descripción:

Equipo acumulador con estratificación mediante haz de tubos verticales.

Sector de la técnica

El equipo acumulador que se describe es de aplicación en el sector técnico industrial de fabricación de aparatos acumuladores eléctricos de agua caliente destinados mayoritariamente al ámbito doméstico.

Estado de la técnica

La mayor parte de los sistemas individuales de producción de agua caliente mediante electricidad utilizan el termo eléctrico para calentar y almacenar agua. Existen otros equipos eléctricos aplicables, tales como el calentador instantáneo (que requiere elevadas potencias de funcionamiento).

Los sistemas de producción de agua caliente pueden agruparse en las dos categorías siguientes:

a) Calentamiento continuo.

El calentamiento del agua se produce en cualquier periodo de día en función de la demanda. Así, la extracción de agua caliente del termo significa la entrada al mismo de agua fría, que a continuación empieza a calentarse.

Este sistema se emplea en termos de poca capacidad o, para ser más precisos, termos cuyo volumen cubre sólo una pequeña parte de las necesidades totales de agua caliente.

Por este motivo, el calentamiento continuo no aprovecha suficientemente la Tarifa Nocturna, y el porcentaje de consumo durante la noche no suele sobrepasar el 20% del consumo total de agua caliente.

b) Calentamiento nocturno.

El calentamiento del agua se realiza prioritariamente por la noche, en las 8 horas de precio reducido.

La limitación del tiempo de calentamiento significa aumentar la capacidad del termo con relación al caso anterior, por lo cual los equipos reciben el nombre de acumuladores de agua caliente.

Dependiendo del volumen del termo, el agua caliente producida durante la noche atenderá la mayor parte o la totalidad de las necesidades del día siguiente. En cualquier caso, el termo debe poder conectarse también durante el día, a voluntad del usuario, para hacer frente a una demanda de agua no cubierta con el volumen almacenado.

Este sistema de calentamiento proporciona un gran aprovechamiento de la Tarifa Nocturna, con porcentajes de consumo durante la noche que van desde el 60% hasta el 100%, según la capacidad del termo.

En cuanto a la estratificación se pueden distinguir dos tipos de estratificación atendiendo a su naturaleza: natural o artificial:

a) Estratificación natural.

La utilización de la estratificación natural en lugar de separadores físicos maximiza la capacidad de descarga. Para un acumulador dado la capacidad de descarga máxima resulta de minimizar la transferencia interna de calor y el mezclado.

Para conseguir la estratificación natural es necesaria la utilización de difusores en la salida y sobre todo en la entrada del agua al acumulador. La función primordial de dichos difusores es reducir el mezclado producido por el agua fría que llega.

Existen dos mecanismos a tener en cuenta. Uno es el mezclado que se produce al comienzo de la descarga durante la formación de la termoclina. Esta mezcla determina en gran medida su espesor inicial.

Se produce simultáneamente con la transferencia de calor entre el agua que entra y los componentes sólidos del acumulador con los que el agua se pone en contacto.

El otro mecanismo de mezclado importante ocurre en el lado de la termoclina que está a la entrada del agua, una vez que aquella se ha formado. Está asociado con el movimiento circulatorio y los vórtices formados por el fluido que entra y depende del número de Froude y del de Reynolds para el flujo de entrada.

El diseño del difusor tiene un efecto principal sobre el mezclado y solamente un efecto secundario sobre la transmisión de calor. Es obvio que si el agua entra en el acumulador con una velocidad vertical elevada el mezclado será excesivo.

b) Estratificación artificial.

El aspecto novedoso que presenta la patente es la utilización de una técnica, la de la estratificación artificial, que aunque ha sido ampliamente utilizada en situaciones de almacenamiento de energía (tanto de agua caliente como de agua fría) es novedosa en el diseño de acumuladores eléctricos para viviendas.

Dicha estratificación permitirá en nuestro caso concreto la separación entre las capas fría y caliente de fluido y, por tanto, la optimización de la energía contenida en nuestro acumulador mediante un intercambio térmico mínimo.

Descripción de la invención

Realización

Para la realización de esta invención, así como para la evaluación de su eficacia se han seguido los siguientes pasos:

1) Revisión bibliográfica.

2) Construcción de prototipos y de la instalación necesaria. Para la realización de los experimentos se han construido tres prototipos diferentes que han sido ensayados suponiendo unos consumos tipo de la familia media española. De la misma manera se ha dotado a las instalaciones de la infraestructura necesaria para la realización de los estudios.

3) Realización de ensayos de laboratorio:

Régimen estático: i. Periodo de carga. Se determinarán las temperaturas en el interior del acumulador mientras la resistencia está suministrando calor. ii. Periodo de relajación (enfriamiento). Alcanzada cada una de las temperaturas de nuestro estudio se permite el enfriamiento durante 24/48 horas del acumulador para comprobar las variaciones de temperatura en el interior del acumulador así como las pérdidas de éste al exterior.

Régimen dinámico: i. Descarga completa. Mediante este patrón de consumo se han ensayado las condiciones más favorables a la estratificación natural Los ensayos se han realizado a diferentes temperaturas de calentamiento y con diferentes caudales. ii. Descargas según patrones de consumo. En condiciones normales de funcionamiento el consumo de agua caliente sanitaria no se produce de manera continua sino que se produce de manera discontinua a lo largo del día. Es en estas condiciones en las que se acentúa el problema de mezclado entre el agua fría y caliente del interior del termo.

4) Análisis de los programas de modelización matemática existentes en el mercado.

5) Simulación por ordenador ele los prototipos propuestos.

6) Comparación entre los resultados de dicha simulación y los extraídos de los experimentos realizados en laboratorio.

7) Conclusiones y posibles mejoras propuestas a los prototipos presentados.

Para la realización de los experimentos se ha contado con el siguiente equipamiento de laboratorio:

• Multímetro KEITHLEY 7000 con módulo 7100.

• Ordenador PC + software de control de programación propia.

• Tarjeta PC-LAB 512.

• Sondas K con rango de temperaturas de 0 a 100ºC.

El programa TERMO v.2.1 de programación propia permite realizar un control de la instalación al mismo tiempo que registra en disco el estado de las sondas de temperatura del sistema.

Con la utilización conjunta de este software y de los patrones de consumo habituales en las familias españolas se ha podido automatizar la realización de experimentos a la vez que se garantiza la exactitud en las mediciones.

Para la realización de la invención se han fabricado tres prototipos diferentes: uno clásico basado en estratificación natural, otro basado en la utilización de estratificación horizontal mediante...

Reivindicaciones:

1. Equipo acumulador con estratificación mediante haz de tubos verticales caracterizado porque comprende un depósito acumulador o carcasa, un conjunto de tubos interiores, una resistencia eléctrica, un disco superior, un disco inferior y unas placas microperforadas superior e inferior.

2. Equipo acumulador según la reivindicación 1 caracterizado porque comprende unos tubos interiores dispuestos de forma vertical que tienen por finalidad la estratificación artificial del agua.

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