Recuperador de energía térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contrafase, y procedimiento de uso.

Recuperador de energía térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contrafase,

y procedimiento de uso.

Dispositivo con dos acumuladores de calor, paralelos y vecinos, con sus extremos emparejados, en su cara caliente, que es por donde entre el fluido inicialmente caliente que va a ceder su calor en uno de los rellenos, y sale calentado el otro fluido, inicialmente frío, tras atravesar el otro relleno; habiendo entrado dicho fluido inicialmente frío por la cara, fría, del otro extremo, por la que sale enfriado el fluido inicialmente caliente; estando cada una de dichas caras conectadas a sendos cabezales, cada uno de los cuales está dividido en cuatro compartimentos, cuyos flujos están gobernados por válvulas, y alternativamente dan paso a los fluidos a uno u otro acumulador, consiguiéndose un intercambio continuo de calor entre ellos.

RECUPERADOR DE ENERGíA TÉRMICA MEDIANTE PAREJA DE

ACUMULADORES DE CALOR TRABAJANDO EN CONTRAFASE, y

PROCEDIMIENTO DE USO

SECTOR DE LA TÉCNICA La invención se encuadra en el campo de los intercambiadores de calor, y particularmente los destinados a transferir el calor desde un fluido caliente, que está en una fase de su ciclo de trabajo termodinámico, a ese mismo fluido pero en otra fase del ciclo, usualmente con presiones diferentes, o con diferencia de calidad en su composición, como ocurre en la ventilación de edificios; y particularmente trata de los sistemas de intercambio alternativo de calor, basados en acumuladores de lecho fijo o relleno, que es una aglomeración más o menos ordenada de piezas sólidas de diversas formas y materiales, en algunos casos de naturaleza cerámica, y en otros de buenos conductores, según la aplicación de que se trate.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN No se han identificados antecedentes inmediatos de la invención, aunque los acumuladores de lecho fijo son perfectamente conocidos, y hay varios libros que los describen, en los cuales se establecen los dos modos siguientes de operación:

La de funcionamiento discontinuo o alternativo, en el cual el relleno pasa por una fase de calentamiento, en el cual un fluido se enfría, cruzando de un extremo a otro del acumulador de calor donde el lecho está contenido; y posteriormente pasa por un fase de enfriamiento, al fluir en dirección contraria un fluido frío que se calienta; que puede ser el mismo fluido que calentó previamente el relleno, trabajando en otra fase de su ciclo termodinámico. La de funcionamiento continuo usando un rotor que hace girar el relleno, que en cada evolución pasa sucesivamente por la corriente de fluido caliente, que se enfría tal como se calienta esa parte del relleno giratorio; y por la corriente de fluido frío, que se calienta al tiempo que el relleno se enfría. Esta modalidad tiene el inconveniente de las partes móviles, que además alcanzan grandes dimensiones y pesos para potencias térmicas altas, más el reciclado o fuga de una corriente de fluido a otra, por las caras del rotor, sobre todo cuando ambos fluidos tienen presiones muy diferentes, lo cual llega inhabilitar su uso.

Existen varios documentos sobre intercambiadores con diversas configuraciones, y respecto de los montajes con lechos fijos reversibles, cabe señalar el documento US3941185A que presenta un lecho fijo de placas con un ventilador reversible, para mover el aire en una u otra dirección; y en cuanto a rotores existe una pluralidad de ellos en el mercado, y como documento se puede citar KR20100117298A, basado esencialmente en dicha parte móvil, que es el rotor que contiene el relleno.

Por descontado, existen multitud de intercambiadores de flujos separados, que es la disposición más habitual, en la que los fluidos que intercambian calor nunca pasan por los mismos circuitos hidráulicos. Para muchas aplicaciones, esa alternativa de separación es la única válida, pero se tiene el problema de que la superficie de separación no puede hacerse con el grado de compactación que tiene el relleno. Por el contrario, con la configuración tan abigarrada de material que hay en los rellenos (típicamente en láminas corrugadas o en lecho de bolas de diverso diámetro) no se puede separar en ellos dos conjuntos de circuitos adyacentes, uno para cada fluido, fundamentalmente por no encontrar solución viable a la configuración de los colectores de entrada y salida en cada cara del intercambiador, llamando cara a la zona física donde los circuitos del intercambiador entroncan con el resto del sistema térmico o el medio ambiente.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER

El problema a resolver es configurar un sistema de circuitos de fluidos que no tenga partes móviles masivas, como los rotores de relleno, pero que funcione en régimen prácticamente continuo, cómo funcionan los de rótor, simplemente con ayuda de bombas o ventiladores para mover los fluidos, y de válvulas de apertura y cierre de los circuitos en cuestión.

Téngase en cuenta que la potenCia térmica transferida, Q, medida en vatios 0JV) , es función del coeficiente global de transferencia, U, medido en W/ (m2 'K) ; del área de transferencia, A, en m2; y de la diferencia de temperaturas logarítmica media, DT (en K o oC) , más un factor de forma F (adimensional, menor o igual a 1) siendo su relación Q= UADT·F

Hay que tener en cuenta que existirá un DT durante la fase de calentamiento de relleno, que denotaremos como DTe; Y otra diferencia durante el enfriamiento del relleno y calentamiento del fluido frío, que denotaremos por DT, y por tanto en la recuperación de la energía térmica se perderá cierto valor de la temperatura, DTt que será igual a la suma de los dos términos anteriores: DTt= DTe + DT, .

Es obvio que la utilización de rellenos de gran valor de A dará mejores prestaciones de temperatura en el intercambiador, y la cuestión es proporcionar éstas sin rotores móviles y de manera continua, usando los rellenos más densos que haya, en términos de m2 de área de termo-transferencia por m3 de relleno.

EXPLICACiÓN DE LA INVENCiÓN

La invención comprende dos acumuladores de calor, con sus rellenos correspondientes para almacenar energía térmica, paralelos y vecinos entre sí, con sus extremos emparejados, por un lado en lo que denominamos cara caliente, que es por donde entre el fluido inicialmente caliente que va a ceder su calor en uno de los rellenos, y sale calentado el otro fluido, inicialmente fria, tras atravesar el otro relleno; habiendo entrado dicho fluido inicialmente frío por la cara del otro extremo, denominada cara fría, que es así mismo la cara por la que sale enfriado el fluido inicialmente caliente; estando cada una de dichas caras conectadas directamente a sendos cabezales, cada uno de los cuales está dividido en cuatro compartimentos, cada uno de los cuales limita con un tabique de cierre de paso de fluido, provisto de su correspondiente válvula de apertura y cierre total; habiendo un tabique central vertical que divide el cabezal en dos mitades, a derecha e izquierda, cada una correspondiendo al extremo de uno de los acumuladores; existiendo asimismo un tabique central horizontal en cada cabezal, al que divide en dos pisos, superior e inferior, quedando conformados así los cuatro compartimentos en cada cabezal, correspondiendo siempre los del piso superior, de cada cabezal, a un fluido dado; y los del inferior, al otro fluido; uniéndose los dos compartimentos superiores de cada cabezal en un solo colector de trasiego de fluido, e igualmente uniéndose los dos compartimentos inferiores de cada cabezal en otro único colector de trasiego de fluido; siendo este colector de trasiego simplemente un conducto franco de evacuación para la salida del fluido inicialmente frío por el cabezal caliente, y siendo asimismo dicho colector de trasiego simplemente un conducto franco de evacuación para la salida por el cabezal frío del fluido inicialmente caliente; y estando dicho colector de trasiego dotado de una bomba o de un ventilador para impulsar la entrada del fluido inicialmente frío por el cabezal frío; y estando asimismo dicho colector de trasiego dotado de una bomba o de un ventilador para impulsar la entrada del fluido inicialmente caliente por el cabezal caliente.

Las válvulas de los compartimentos se seleccionan entre las de accionamiento individualizado, que son indispensables cuando existen grandes diferencias de presión entre los dos fluidos; o de tipo conmutador entre compartimentos del mismo cabezal del mismo piso, cerrándose la válvula de uno de los lado cuando se abre el otro y viceversa.

El conducto franco de evacuación de cada cabezal va dotado de un termómetro, y a la medida del termómetro de la salida por el cabezal caliente, del fluido inicialmente frío, la denominamos temperatura calentada de salida; y a la del termómetro de la salida por el cabezal frío, del fluido inicialmente caliente, la denominamos temperatura enfriada de salida.

El procedimiento de utilización de la invención hace que en un momento dado, uno de los acumuladores de calor se esté calentando, y el fluido inicialmente caliente se enfría a su paso por él, desde el cabezal caliente hasta el frío; al tiempo que el otro acumulador se está enfriando, y el fluido inicialmente frío se calienta a su paso por él, desde el cabezal frío hasta el caliente.

Por los cabezales, cada fluido pasa siempre por su piso correspondiente; y en el cabezal frío, está abierta o se abre la válvula que permite el paso de fluido inicialmente frío, impulsado por el ventilador o la bomba de dicho cabezal frío, hacia el acumulador que ya está caliente, y va a experimentar o está experimentando...

-Recuperador de energía tél71lica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contratase, que comprende dos acumuladores de calor (2, 4) , con sus rellenos correspondientes (1, 3) para almacenar energía térmica, paralelos y vecinos entre sí, con sus extremos emparejados, por un lado en la cara caliente, que es por donde entra el fluido inicialmente caliente y sale calentado el otro fluido, inicialmente frío, existiendo la cara fría en el otro extremo, denominada cara fría, que es así mismo la cara por la que sale enfriado el fluido inicialmente caliente y entra el fluido inicialmente frío, caracterizado porque cada una de dichas caras caliente y fria está conectada directamente a sendos cabezales, cada uno de los cuales está dividido en cuatro compartimentos, cada uno de los cuales limita con un tabique (41, 45, 54, 56, 59) de cierre de paso de fluido, provisto de su correspondiente válvula de apertura y cierre total (42, 46, 55, 57, 60) ; habiendo un tabique central vertical (7, 10) que divide el cabezal en dos mitades, a derecha e izquierda, cada una correspondiendo al extremo de uno de los acumuladores; existiendo asimismo un tabique central horizontal (49, 50) en cada cabezal, al que divide en dos pisos, superior e inferior, quedando conformados así los cuatro compartimentos en cada cabezal, correspondiendo siempre los del piso superior, de cada cabezal, a un fluido dado; y los del inferior, al otro fluido; uniéndose los dos compartimentos superiores de cada cabezal en un solo colector de trasiego de fluido (26, 27) , e igualmente uniéndose los dos compartimentos inferiores de cada cabezal en otro único colector de trasiego de fluido (28, 29) ; siendo este colector de trasiego simplemente un conducto franco de evacuación para la salida del fluido inicialmente frío por el cabezal caliente, y siendo asimismo dicho colector de trasiego simplemente un conducto franco de evacuación para la salida por el cabezal frio del fluido inicialmente caliente; y estando dicho colector de trasiego dotado de una bomba o de un ventilador para impulsar la entrada del fluido inicialmente frío por el cabezal frío; y estando asimismo dicho colector de trasiego dotado de una bomba o de un ventilador para impulsar la entrada del fluido inicialmente caliente por el cabezal caliente.

-Recuperador de energla tél71lica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contratase, según reivindicación primera, caracterizado porque las válvulas de los compartimentos se seleccionan entre las de accionamiento individualizado (42, 46, 55, 57, 60) ;, que son indispensables cuando existen grandes diferencias de presión entre los dos fluidos; o de tipo conmutador (14, 17, 21, 22, 31, 32, 35, 36) entre compartimentos del mismo cabezal del mismo piso, cerrándose la válvula de uno de los lado cuando se abre el otro y viceversa.

-Recuperador de energía térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contra fase, según cualquiera de las reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque el conducto franco de evacuación de cada cabezal va dotado de un termómetro (100, 101) , Y a la medida del termómetro de la salida por el cabezal caliente, del fluido inicialmente frío, es la temperatura calentada de salida; y a la del termómetro de la salida por el cabezal frío, del fluido inicialmente caliente, es la temperatura enfriada de salida.

-Recuperador de energía térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contrafase, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el relleno puede colocarse de manera continuada dentro del cuerpo lateralmente estanco en el que se ubica, o con interrupciones (11) en sentido longitudinal, para dificultar la conducción térmica interna en el relleno en ese sentido.

- Procedimiento de uso del recuperador de energla térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contrafase, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque por los cabezales, cada fluido pasa siempre por su piso correspondiente; y en el cabezal frío, está abierta o se abre la válvula que permite el paso de fluido inicialmente frío, impulsado por el ventilador o la bomba de dicho cabezal frío, hacia el acumulador que ya está caliente, y va a experimentar o está experimentando enfriamiento, y está cerrada la otra válvula de ese piso; mientras que en el otro piso de dicho cabezal frío, está cerrada la válvula del lado que en el otro piso está abierta, y está abierta la válvula por la que sale enfriado el fluido inicialmente caliente, estando dicha válvula en el lado en el cual está cerrada la válvula del otro piso; y en el cabezal caliente, está abierta o se abre la válvula que permite el paso de fluido inicialmente caliente, impulsado por el ventilador o la bomba de dicho cabezal caliente, hacia el acumulador que ya está frío, y va a experimentar o está experimentando calentamiento, y está cerrada la otra válvula de ese piso; mientras que en el otro piso de dicho cabezal caliente, está cerrada la válvula del lado que en el otro piso está abierta, y está abierta la válvula por la que sale calentado el fluido inicialmente frío, estando esta válvula en el lado en el cual está cerrada la válvula del otro piso.

-Procedimiento de uso del recuperador de energía térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contrafase, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterízado porque el proceso de calentamiento de un relleno finaliza cuando la temperatura enfriada de salida, que es la del fluido inicialmente caliente a su escape por el cabezal frío, comienza a subir tras un período de descenso y de mantenimiento en valores bajos; y se efectúa exactamente el cierre de las válvulas por las que está pasando el fluido inicialmente caliente, cuando la temperatura enfriada de salida alcanza en dicha subida un valor de consigna, seleccionado en el rango por encima del valor mínimo alcanzado previamente por el fluido en esa etapa de calentamiento del relleno, y por debajo de la temperatura inicial del fluido inicialmente caliente.

-Procedimiento de uso del recuperador de energía térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contrafase, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el proceso de enfriamiento de un relleno finaliza cuando la temperatura calentada de salida, que es la del fluido inicialmente frío a su escape por el cabezal caliente, comienza a bajar tras un período de aumento y de mantenimiento en valores altos; y se efectúa exactamente el cierre de las válvulas por las que está pasando el fluido inicialmente frío, cuando la temperatura calentada de salida alcanza en esa bajada un valor de consigna, seleccionado en el rango por debajo del valor máximo alcanzado previamente por el fluido en esa etapa de enfriamiento del relleno, y por encima de la temperatura inicial del fluido inicialmente frío.

-Procedimiento de uso del recuperador de energía térmica mediante pareja de acumuladores de calor trabajando en contrafase, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en las parejas de válvulas del mismo cabezal y piso se usan válvulas de conmutación, pasando en una sola acción del estado de cierre al de apertura, y viceversa, cuando se produce o bien el fin de enfriamiento, o bien el fin del calentamiento de los rellenos, causando efecto el primero de ellos que suceda.

11.

Figura 1

26 20 27

13 14 10 21

2 22

95

96 8

17 24 23

33

12

10

97

98 34

4 32

30

29

Figura 2

44 46 45

Figura 3

100 13 41 42 40 6 3 9 51 59 60 101

49 55 54 52 98 57 53 50 56 30 58

Figura 4

101 61

/

63

on°

64

Figura

807`, 1 69 79

70

-r

76

Figura 6

71 69 73 9385 T 89 91

- r 78 77 90 86 92 I 87 -

Figura 7