Material acumulador de energía térmica.

La invención describe un material capaz de acumular energía térmica a altas temperaturas sin pérdida de sus capacidades estructurales.

El material es fundamentalmente un hormigón formado por una mezcla de cemento, áridos y agua por medio de un vibrado de alta frecuencia, y comprende una proporción de áridos que corresponde a entre el 70% y el 85% del volumen total de la mezcla seca, donde los áridos se clasifican en áridos finos de menos de 8 mm de diámetro y áridos gruesos de entre 8 mm y 25 mm de diámetro, presentando la granulometría de la mezcla seca unas desviaciones con relación a la curva de Bolomey menores del 5% en los tercios de los extremos de la granulometría y menores del 10% en el tercio central de la granulometría.

Material acumulador de energía técnica.

OBJETO DE LA INVENCIÓN 5

La presente invención pertenece en general al campo de los materiales de construcción, y más concretamente a los hormigones.

El objeto de la presente invención es un nuevo material capaz de acumular energía térmica a 10 altas temperaturas sin pérdida de sus capacidades estructurales.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En una central termosolar, se utilizan grandes bloques de materiales acumuladores de la 15 energía térmica para almacenar parte del calor del fluido que han calentado los colectores. Este fluido pasa a través de unas tuberías embebidas en el interior de los bloques acumuladores, de manera que durante el día el fluido calentado por los colectores cede energía a los bloques acumuladores mientras que, durante la noche, el flujo de calor se invierte y son los bloques acumuladores los que ceden calor al fluido. Esto permite que la 20 planta continúe funcionando durante la noche, con lo que se aumenta considerablemente su rendimiento global.

En cualquier caso, se puede decir de manera general que las características más importantes que debe presentar un material acumulador de calor son una elevada capacidad de absorción 25 y acumulación de calor a altas temperaturas, una adecuada conductividad térmica para que la energía acumulada sea gestionable y una resistencia mecánica en altas temperaturas suficiente para el uso concreto en cada caso. Desde el punto de vista estructural el material deberá presentar las características adecuadas para la construcción de los elementos para los que se proyecte, a saber, tanques acumuladores de sales, bloques autónomos, 30 captadores de energía, etc

Actualmente son conocidos los denominados hormigones refractarios. Sin embargo, estos materiales presentan el inconveniente de la aparición de fisuras o microfisuras cuando se somete a altas temperaturas. Estas fisuras, aún a pesar de que no afectan gravemente a la 35 capacidad estructural del material, provocan una elevada pérdida de conductividad térmica debido a la rotura de los puentes térmicos correspondientes. Como consecuencia de esta situación estos hormigones están siendo utilizados en la mayoría de los casos como meras estructuras resistentes a altas temperaturas, y fundamentalmente como elementos prefabricados para el confinamiento de espacios a altas temperaturas ( hornos, muflas, 40 radiadores domésticos) .

Entendemos que existe una necesidad de un material en la familia de los hormigones refractarios que, aparte de mantener las capacidades estructurales adecuadas, sea capaz de aportar una alta capacidad de acumulación térmica, una alta conductividad, y que se 45 configuren como una pieza fundamental en la gestión energética.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El inventor de la presente solicitud han desarrollado un material acumulador de energía 50 térmica con una composición similar al hormigón que es capaz de absorber y acumular de manera eficiente grandes cantidades de calor sin perder su resistencia estructural a altas temperaturas, pudiendo llegar hasta más de 1200 ºC sin pérdida de sus capacidades térmicas y estructurales.

Un primer aspecto de la invención está dirigido a un material basado fundamentalmente en una mezcla de cemento, áridos y agua obtenido a partir de un vibrado de alta frecuencia, donde la proporción de áridos corresponde a entre el 70% y el 85% del volumen total de la 5 mezcla seca, presentando la granulometría de la mezcla seca unas desviaciones con relación a la curva granulométrica de Bolomey menores del 5% en los tercios de los extremos de la granulometría y menores del 10% en el tercio central de la granulometría. El tamaño medio de los áridos utilizados sería de entre la mitad y un tercio de la cota más pequeña del prefabricado con un tamaño máximo de 25 mm, siendo el prefabricado una pieza de hormigón 10 fabricada en molde, no en masa.

En este contexto, los áridos utilizados se clasifican en áridos finos de menos de 8 mm de diámetro y áridos gruesos de entre 8 mm y 25 mm de diámetro. De acuerdo con realizaciones preferentes de la invención, estos áridos pueden ser de manera general cualquier árido con 15 un alto contenido en hierro, como por ejemplo magnetita, hematita, o granalla de hierro. Además, como se describirá más adelante en el presente documento, el inventor de la presente solicitud han descubierto que modificando la relación entre áridos finos y gruesos se puede conseguir modificar las propiedades del material para adaptarlo a su uso en diferentes rangos de temperatura, por ejemplo como material acumulador para centrales termosolares, 20 bloques acumuladores autónomos y sistemas de captación.

La curva granulométrica de Bolomey es una curva patrón que permite obtener la máxima compactación de los diferentes elementos granulares que contiene el material. A diferencia de teorías anteriores, como la teoría de Fuller, la curva de Bolomey tiene en cuenta el cemento 25 como si fuese un árido más, lo cual permite obtener mejores resultados. La curva de Bolomey está definida fundamentalmente por la siguiente expresión:

Ddaay) 100 (

donde: 30

y: % que pasa d: Serie de tamices D: Tamiz que corresponde al tamaño máximo del árido a: Parámetro que depende de la consistencia del hormigón y del tipo de árido empleado 35

Los valores de "a" en la parábola de Bolomey varían en función del tipo de árido y de la consistencia del hormigón.

Valores de "a" en la parábola de Bolomey

Consistencia del hormigón

Áridos rodados Áridos machacados

Seca y plástica

Blanda

Fluida

La granulometría del material de la invención sigue fundamentalmente la curva de Bolomey, estando limitadas las desviaciones permisibles de dicha curva por los porcentajes mencionados anteriormente: un 5% en los tercios de los extremos y un 10% en el tercio central.

En cuanto al vibrado de alta frecuencia, se trata de un vibrado ejecutado a una frecuencia superior de 3500 rpm, siendo óptimas las frecuencias cercanas a 7000 rpm. Este vibrado debe ser de impulsos cortos para evitar la segregación del árido grueso.

Adicionalmente, en una realización preferida de la invención se puede añadir al material entre 4 kg/m3 y 12 kg/m3 de fibra de roca de pizarra de una longitud de entre 50 mm y 100 mm. La 5 adición de fibra de roca de pizarra permite aumentar la resistencia del material de la invención. La fibra de roca de pizarra es una armadura compatible mecánicamente con el hormigón y con la temperatura que aporta una mejora en los comportamientos estructurales del hormigón a altas temperaturas, y que además es resistente a las sales fundidas.

Además, la variación de la relación entre las cantidades de áridos finos y de áridos gruesos permite modificar las propiedades del material resultante para adaptarlas a su uso a diferentes temperaturas. En efecto, se ha descubierto que un alto porcentaje de áridos finos contribuye a obtener una mayor compactación de la mezcla, y por tanto una mayor capacidad de acumulación térmica, aunque habrá que ser especialmente vigilante para que no disminuya la 15 densidad del fabricado y por lo tanto su capacidad calorífica total. Sin embargo, una compactación elevada también incide en la temperatura máxima que puede aguantar el material sin perder su estabilidad estructural, ya que cuando más compacto menor es su capacidad de aguantar las tensiones en la estructura que provocan las temperaturas muy elevadas, pudiendo producirse grietas. 20

Teniendo en cuenta estos factores, se han desarrollado y testado tres materiales compatibles con su uso en plantas termosolares en tres rangos de temperaturas concretas, estando caracterizado cada uno de estos materiales por la relación entre las cantidades de áridos finos y gruesos, y más concretamente por dicha relación fino/grueso en la fracción correspondiente 25 al 1/3 de la parte inferior de la curva de Bolomey. En este contexto, el término "compatibles" se refiere a que las dilataciones que experimenta el material como consecuencia de los cambios de temperatura a los que está sometido son compatibles con las dilataciones que experimentan las tuberías o armaduras metálicas que tiene embebidas en su interior. Estos tres materiales son los siguientes: 30

a) Un primer material diseñado para ser compatible con armaduras o tuberías de acero al carbono en ciclos de temperaturas desde 50ºC hasta 250ºC, que comprende una relación fino/grueso de aproximadamente 0, 5.

Esta configuración corresponde a un uso similar al de un acumulador térmico en plantas termosolares cuyo fluido caloportador es aceite, y que funcionan... [Seguir leyendo]

1. Material acumulador de energía térmica que comprende una mezcla de cemento, áridos y agua, caracterizado porque se obtiene a partir de un vibrado de alta frecuencia, y 5 porque el material comprende una proporción de áridos que corresponde a entre el 70% y el 85% del volumen total de la mezcla seca, donde los áridos se clasifican en áridos finos de menos de 8 mm de diámetro y áridos gruesos de entre 8 mm y 25 mm de diámetro, presentando la granulometría de la mezcla seca unas desviaciones con relación a la curva de Bolomey menores del 5% en los tercios de los extremos de la granulometría y menores del 10 10% en el tercio central de la granulometría.

2. Material acumulador de energía térmica de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende entre 4 kg/m3 y 12 kg/m3 de fibra de roca de pizarra de una longitud de entre 50 mm y 100 mm. 15

3. Material acumulador de energía térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los áridos se eligen de la siguiente lista: magnetita, hematita, y granalla de hierro.

4. Material acumulador de energía térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores compatible con armaduras o tuberías de acero al carbono en ciclos de temperaturas desde 50ºC hasta 250ºC, cuya relación fino/grueso es de aproximadamente 0, 5.

5. Material acumulador de energía térmica de acuerdo con la reivindicación 4, que además comprende una armadura de fibra de pizarra pultrusionada de entre 10 mm y 25 mm de diámetro.

6. Material acumulador de energía térmica de acuerdo con cualquiera de las 30 reivindicaciones 4-5, donde el cemento es cemento refractario con un contenido en Al2O3 de entre el 35% y el 51% o cemento Portland.

7. Material acumulador de energía térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3 compatible con armaduras o tuberías de acero al carbono en ciclos de 35 temperaturas desde 250ºC hasta 400ºC, cuya relación fino /grueso es de aproximadamente 0, 6.

8. Material acumulador de energía térmica de acuerdo con la reivindicación 7, que además comprende una armadura de acero al carbono de no más de 15 mm de diámetro. 40

9. Material acumulador de energía térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3 compatible con armaduras o tuberías de acero inoxidable en ciclos de temperaturas desde 350ºC hasta 600ºC, que comprende una relación fino/grueso es de aproximadamente 0, 75. 45

10. Material acumulador de energía térmica de acuerdo con la reivindicación 9, que además comprende una armadura de acero al carbono de no más de 12 mm de diámetro.

11. Material de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-10, donde el cemento 50 utilizado es cemento refractario con un contenido en Al2O3 de entre el 35% y el 51%.

12. Material de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además

comprende menos de un 10% de material de relleno formado por los áridos triturados finamente hasta tamaños de entre 60 µm y 120 µm.

13. Material acumulador de energía térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende aditivos plastificantes reductores del 5 agua.

14. Material acumulador de energía térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende fibra metálica.

15. Procedimiento de fabricación de un material acumulador de energía térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende el paso de aplicar un vibrado de alta frecuencia a la mezcla.

16. Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 15, donde dicho vibrado se 15 lleva a cabo a una frecuencia superior a 3500 rpm.

17. Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 16, donde el vibrado se lleva a cabo a una frecuencia de esencialmente 7000 rpm.