MÓDULO DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO BASADO EN CALOR LATENTE CON ALTAS TASAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

Módulo de almacenamiento térmico basado en calor latente con altas tasas de transferencia de calor.

Módulo de almacenamiento térmico basado en la transmisión de calor de un fluido caloportador a un material de cambio de fase comprendido en un canal delimitado por placas metálicas en forma de espiral que forman un elemento interno del módulo. El fluido caloportador se hace circular por el canal exterior al canal que comprende el material de cambio de fase. El elemento interno tiene una sección longitudinal espiral cónica en las partes superior e inferior. Esto hace que, una vez el fluido recorre el módulo desde la parte superior a la inferior, el condensado quede en la parte inferior, separándose automáticamente del vapor, que puede ser recirculado.

Módulo de almacenamiento térmico basado en calor latente con altas tasas de transferencia de calor

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un módulo de almacenamiento de energía en forma de calor latente, el cual está diseñado para obtener tasas altas de transferencia de calor entre un fluido caloportador bifásico y un medio de almacenamiento que cambia de fase sólida a fase líquida, cuando entre ambos no existe contacto directo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad existen gran cantidad de aplicaciones industriales donde se requiere aprovechar calor de proceso y en las que es muy común el uso de sistemas de almacenamiento que permiten la utilización del calor en momentos posteriores a su generación.

Un claro ejemplo de la importancia de los sistemas de almacenamiento térmico se encuentra en las plantas termosolares (en inglés Concentrating Solar Power-CSP-Plants) , que generan electricidad a partir de la radiación solar concentrada. En ellas, la presencia de un sistema de almacenamiento permite mantenerlas en funcionamiento también durante las horas de ausencia de radiación solar.

Por lo general, los sistemas de almacenamiento de las plantas CSP comerciales están basados en calor sensible ya que el fluido caloportador (en inglés, Heat Transfer Fluid o HTF) es un fluido monofásico.

Sin embargo, en las plantas con generación directa de vapor (en inglés Direct Steam Generation o DSG) el fluido caloportador es un fluido bifásico, cuyo potencial térmico se adquiere principalmente a través de su evaporación. Por eso, para almacenar y más tarde recuperar dicho potencial de forma eficiente, es recomendable utilizar una sustancia que cambie de fase (Phase Change Material o PCM) .

Para desarrollar un sistema de almacenamiento térmico basado en calor latente es fundamental que el PCM empleado se adecue bien a las condiciones de trabajo del HTF, especialmente en términos de temperatura. Además, es deseable que presente un buen comportamiento desde el punto de vista de la transferencia de calor y del almacenamiento térmico en dichas condiciones de trabajo, que sean seguros, duraderos tras los ciclados térmicos y económicos.

En una planta DSG el intervalo de temperaturas de trabajo (i. e. temperatura de saturación de vapor/agua de 210º C310º C) viene determinado por el intervalo de presiones en el que pueden operar la turbina y el circuito hidráulico (i.

e. 20 bar-100 bar)

La temperatura de cambio de fase sólido-líquido de un gran número de sales anhidras y mezclas eutécticas se encuentra dentro de este intervalo, además, en general, todas tienen un bajo coste, por lo que pueden ser buenas candidatas para los sistemas de almacenamiento. Pero, su principal inconveniente es la baja conductividad térmica (inferior a 1W/mK) , que limita mucho la potencia del sistema de almacenamiento.

Por este motivo, el desarrollo de un sistema de almacenamiento térmico basado en este tipo de materiales de cambio de fase debe enfocarse hacia conceptos que permitan compensar la limitación que impone su baja conductividad sobre las tasas de transferencia de calor.

Desde esta perspectiva, existen dos líneas principales de actuación: bien sobre el propio PCM tratando de mejorar su conductividad térmica intrínseca, o bien sobre el diseño del sistema de almacenamiento térmico tratando de maximizar el área efectiva de transferencia de calor entre el HTF y el PCM.

La patente US 2933885 describe un sistema de almacenamiento térmico basado en calor latente donde el módulo está compuesto por un contenedor de PCM y un conjunto de tubos embebidos en el mismo colocados bien verticalmente o bien en forma de espirales descendentes por los que circula un fluido caloportador bifásico.

También, en el artículo publicado en Applied Thermal Engineering, 30 (2010) p. 2643-2651, se describe un módulo de almacenamiento de calor latente constituido por tubos horizontales, por los que circula un fluido caloportador bifásico, y una masa de PCM (mezcla eutéctica NaNO3/KNO3) . En él, la conductividad térmica se mejora mediante aletas de grafito adheridas a los tubos.

En ambos casos, durante la carga, el HTF se hace circular por los tubos desde la parte superior del módulo hacia la inferior, de manera que, en el transcurso de su recorrido la mayor parte del HTF condensa transfiriendo energía en forma de calor latente al PCM. Con estas configuraciones de tubos embebidos en el PCM se fuerza tanto al HTF condensado como al no condensado a fluir en la misma dirección, por lo que a la salida de dichos módulos se tiene aún un fluido bifásico. Este tipo de fluidos no deben ser recirculados ya que podrían dañar las bombas del circuito por fenómenos de cavitación. Por otro lado, el vapor en suspensión en el seno del condensado a la salida de tales módulos tampoco puede ser reutilizado, por lo que se desaprovecha su potencial térmico. Por eso estos módulos de almacenamiento térmico que no pueden separar el HTF condensado del no condensado, requieren un sistema de separación adicional.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención tiene por objeto paliar los problemas técnicos citados en el apartado anterior. Para ello, propone un módulo de almacenamiento térmico que comprende un contenedor sustancialmente cilíndrico con un eje longitudinal, tapas superior e inferior en sus extremos, al menos tres orificios de entrada y salida situados en las tapas y en el cuerpo del contenedor, un material de cambio de fase y un elemento interno rodeado por dicho contenedor. El elemento interno está formado por dos placas en forma de espiral que junto con el contenedor delimitan un canal exterior y un canal interior y donde dicho elemento, en sus extremos superior e inferior, tiene una geometría espiral cónica, encontrándose el material de cambio de fase en el canal interior. De preferencia, el módulo comprende además una pieza de interconexión provista de una abertura adaptada para cooperar con el elemento interno de manera que el material de cambio de fase no invada la tapa inferior y el canal exterior pueda atravesar dicha pieza. La tapa inferior será preferentemente cónica, es decir, de la misma forma que la pieza. El PCM es uno o una mezcla eutéctica de los siguientes compuestos: nitritos, nitratos, cloritos, cloratos, fluoritos, fluoratos, hidróxidos o carbonatos de metales alcalinos. Preferentemente, el módulo comprende una capa aislante entre el contenedor y el canal exterior y en los espacios entre las tapas superior e inferior y el elemento interno. También se puede disponer de una placa adicional unida al extremo superior del elemento interno que prolonga verticalmente el canal interno hasta la tapa superior y soportes dentro del canal interior perpendiculares a las placas del elemento interno.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña la siguiente descripción de un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo se ha representado lo siguiente:

Figura 1: muestra una vista frontal externa del módulo.

Figura 2: es una vista superior del contenedor.

Figura 3: es un corte transversal del contenedor a lo largo de la línea I.

Figura 4: muestra un corte transversal a lo largo de la línea II.

Figura 5: es una vista frontal externa del elemento interno que forma un doble canal en espiral.

Figura 6: muestra un corte transversal a media altura del doble canal en espiral.

Figura 7: es un corte longitudinal del módulo de almacenamiento térmico por el centro.

Figura 8: muestra un corte transversal del módulo de almacenamiento térmico a lo largo de la línea III.

Figura 9: vista en detalle de las zonas rayadas en la parte superior e inferior del módulo de la figura 7.

Figura 10: muestra el doble canal en espiral desenrollado y las posiciones de los soportes estructurales.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

El módulo de almacenamiento térmico está diseñado para que, durante el proceso de carga, el calor latente procedente de la condensación del HTF sea almacenado por el PCM en forma de calor latente de fusión y, durante el proceso de descarga, el calor latente de solidificación liberado por el PCM sea absorbido por el HTF en forma de calor latente de vaporización.

El módulo de almacenamiento térmico (figura 1) está formado por un contenedor 1, una tapa superior 2, otra inferior 3, un elemento interno 4 (figura 5) formado por dos placas en forma de espiral que delimitan un canal exterior 5 y un canal interior 6 y, finalmente,...

1. Módulo de almacenamiento térmico que comprende un contenedor (1) sustancialmente cilíndrico con un eje longitudinal, tapas superior (2) e inferior (3) en sus extremos, al menos tres orificios de entrada y salida (9, 10, 11) situados en las tapas y en el cuerpo del contenedor y un material de cambio de fase (PCM) , caracterizado porque comprende además un elemento interno (4) rodeado por dicho contenedor (1) , donde el elemento interno (4) está formado por dos placas en forma de espiral que junto con el contenedor (1) delimitan un canal exterior (5) y un canal interior (6) y donde dicho elemento, en sus extremos superior e inferior, tiene una geometría espiral cónica, encontrándose el material de cambio de fase en el canal interior (6) .

2. Módulo según la reivindicación 1 caracterizado porque comprende además una pieza de interconexión (7) provista de una abertura (8) adaptada para cooperar con el elemento interno (4) de manera que el material de cambio de fase no invada la tapa inferior (3) y el canal exterior pueda atravesar dicha pieza (7) .

3. Módulo según la reivindicaciones 1 o 2 caracterizado porque la tapa inferior (3) es cónica.

4. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el PCM es uno o una mezcla eutéctica de los siguientes compuestos: nitritos, nitratos, cloritos, cloratos, fluoritos, fluoratos, hidróxidos o carbonatos de metales alcalinos.

5. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende una capa aislante

(12) entre el contenedor (1) y el canal exterior (5) .

6. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los espacios (13, 14) entre las tapas superior e inferior y el elemento interno (4) están provistos de un aislante térmico (12) .

7. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque está provisto de una placa adicional (15) unida al extremo superior del elemento interno (4) que prolonga verticalmente el canal interno (6) hasta la tapa superior (2) .

8. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende soportes (18) dentro del canal interior (6) perpendiculares a las placas del elemento interno (4) .