ES2342760B2 - Dispositivo de interrupcion termica en conexiones a intercambiadores de calor. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de interrupción térmica en
conexiones a intercambiadores de calor, que disponen en las entradas
y salidas de los conductos de ambos fluidos que intercambian calor,
o al menos en uno de ellos, consistiendo en unas piezas aislantes
(22), de interrupción térmica de su conducción metálica a lo largo
de las paredes (21) de los conductos, siendo el material aislante de
las piezas de interrupción térmica seleccionado entre grafito;
carburo de silicio, u otro sólido de temperatura de fusión muy por
encima de la temperatura de trabajo establecida, y cuya
conductividad térmica sea menor que 1 vatio por metro y kelvin (1
W.m'^{-1}, K^{-1} en sistema SI), quedando cada pieza ajustada a
los conductas mediante uniones de penetración (23, 24), que también
pueden estar embridadas perimetralmente (25).
Description
Dispositivo de interrupción térmica en
conexiones a intercambiadores de calor.
La invención se encuadra en el campo de los
intercambiadores de calor y más particularmente en los que se usan
para los almacenamientos de energía térmica, o trabajan en procesos
discontinuos en los que hay períodos de tiempo en los que se ha de
interrumpir la transferencia de calor de un fluido a otro, es decir,
del primario (o rama caliente, que se enfría) al secundario (o rama
fría, que se calienta) del intercambiador.
El proceso de intercambio de calor se lleva a
cabo muy eficientemente en los intercambiadores de calor, cuya
configuración geométrica y disposición de las corrientes de fluido
puede ser muy variada, pero obedecen a unas leyes físicas bien
establecidas por las teorías al uso, y bien contrastadas, entre las
cuales destaca el modelo de la Diferencia de Temperatura Logarítmica
Media, por un lado, y el del Número de Unidades de Transmisión, por
otro.
En todo caso, los intercambiadores están
concebidos para transferir el calor desde un fluido primario a otro
secundario de manera propicia, lo cual les hace ser muy eficientes
en tal misión. Sin embargo, hay intercambiadores que deben dejar de
funcionar como tales en períodos de tiempo relativamente largos. Si
en esos períodos se mantuviera el flujo de fluidos, habría una
transferencia de calor indeseable, pues en esos momentos ni se
quiere que se enfríe el caliente, ni que se caliente el frío. En tal
caso, la práctica común es dejar de bombear los fluidos en cuestión,
y eventualmente cerrar su paso con sendas válvulas. No obstante,
entre los dos fluidos sigue existiendo un nexo térmico, por
compartir una pared conductora, como son los tubos en los
intercambiadores muy comunes de tubos y carcasa, o las placas, en
los también muy comunes intercambiadores de placas. Esas paredes
comunes intermedias se prolongan más allá del intercambiador en sí,
por los propios conductos de cada uno de los circuitos, y esas
prolongaciones actúan a modo de grandes y alargadas aletas que son
vías inevitables para que el calor fluya por ellas, desde los puntos
de alta temperatura (donde se encuentra el fluido caliente) hasta
los puntos de baja temperatura, que no sólo serán los bañados por el
fluido frío, sino por transferencia al medio ambiente, que en muchas
aplicaciones puede estar mucho más frío que el fluido frío, y
comportarse por tanto como el sumidero de calor final.
Esto es especialmente inconveniente en las
instalaciones donde se ha de almacenar la energía térmica de un
fluido caliente, como pueden ser las sales fundidas (nitrato de
potasio, por ejemplo) en los dispositivos empleados en las centrales
termo-solares para almacenar la energía térmica que
sea excedente en un momento dado. A efectos ilustrativos en la
definición del problema a resolver, la figura 1 muestra un esquema
de almacenamiento térmico, consistente en dos tanques de sales
fundidas, uno de baja temperatura (aunque mucho más alta que el
medio ambiente, incluso cercano a los 300ºC) y otro de alta
temperatura, próxima a los 400ºC en aplicaciones actuales. En la
fase de carga térmica del almacenamiento, se transvasan sales del
tanque de baja al de alta, pasando a través de un intercambiador,
cuyo fluido primario, más caliente, es el fluido calorífero que ha
absorbido el calor de la radiación solar en el receptor de ésta. En
la fase de descarga, las sales fluyen en sentido contrario, pasando
del tanque de alta al de baja, calentando un fluido más frío, que
puede ser el mismo fluido calorífero anterior, o bien puede ser el
fluido del ciclo termodinámico de potencia (para lo cual, en
general, se usará otro intercambiador de calor). El problema
fundamental se da durante las largas horas, particularmente de
noche, en las cuales no se hace ni carga térmica ni descarga, y sin
embargo se debe preservar el calor almacenado, con la intención de
usarlo al día siguiente, Más aún, de perder mucho calor los tanques,
las sales pueden congelarse en ellos, y en el interior del
intercambiador de calor, lo cual acarrearía un problema muy grave en
la instalación.
El problema a resolver es encontrar una
disposición técnica en el sistema y establecer un procedimiento que
minimicen la pérdida de calor, evitando así tanto la pérdida de
efectividad del sistema como los riesgos asociados, cual es el de la
congelación de las sales, si se usan éstas, u otros fluidos que
solidifican a temperaturas muy por encima de las del medio
ambiente.
La invención consiste en:
- -
- prescribir un procedimiento de vaciado del intercambiador en su circuito del fluido que actúa de almacén térmico, rematando dicho vaciado por la acción de la gravedad y por el arrastre de un gas inerte, efectuándose este vaciado al comienzo de cada período de inhabilitación de la transferencia de calor en el cambiador;
- -
- disponer en cada uno de los conductos de los fluidos primario y secundario, que intercambian calor, o al menos en cada conducto de uno de estos fluidos, una interrupción física o corte total transversal de las paredes de dichos conductos, engastándose en dichas interrupciones unas piezas aislantes de interrupción térmica de su conducción metálica a lo largo de las paredes de los conductos, y estando estas piezas aislantes en unión con cada extremo del conducto metálico interrumpido, y pudiendo ser estas piezas de forma anular, encajadas en los tubos por cada extremo de la interrupción, o como pequeños tambores cilíndricos o esferas de material aislante que actúen de ensambladores de tubos o conductos.
Como gas inerte de arrastre se puede usar argón,
dióxido de carbono, u otro gas no reactivo, insuflado desde un
depósito que lo contiene, merced a un compresor o soplante que lo
impulsa, recogiéndose después en ese depósito por extracción
mediante compresor de succión desde el tanque de recogida del
vaciado del fluido del almacenamiento, aislándose el depósito de gas
por la acción de válvulas en sus conexiones con las tuberías del
fluido a vaciar, no siendo imprescindible este gas de arrastre,
cuando por gravedad se produce un vaciado de suficiente entidad,
medido éste en no quedar más de un 0,1% de la sección recta del
conducto a vaciar, lleno de líquido.
Como material aislante en las piezas de
interrupción térmica se puede usar grafito, carburo de silicio, u
otro sólido de temperatura de fusión superior a la temperatura de
fusión del material metálico en el cual queda engastada la pieza, y
cuya conductividad térmica sea menor que 1 vatio por metro y kelvin
(1 W.m'^{-1}, K^{-1} en sistema SI), quedando la pieza ajustada
a los conductos mediante uniones de penetración o bien embridadas
perimetralmente.
La figura 1 muestra un esquema de almacenamiento
térmico en tanques de sales fundidas u otro fluido térmico, con un
intercambiador que transfiere el calor al almacenamiento, a partir
de un fluido calorífero primario, como es el proveniente de una
instalación de captura de la radiación solar.
La figura 2 muestra el mismo esquema al que se
han añadido los elementos específicos de la invención, como es el
circuito de gas de arrastre y las piezas de interrupción
térmica.
La figura 3 muestra el esquema de un corte o
sección longitudinal de una pieza concreta de interrupción térmica
de configuración anular, de unión de penetración simple, y embridada
circunferencialmente por ambos extremos.
La figura 4 muestra un esquema similar al de la
figura 3, con unión de penetración por las dos caras de la pieza de
corte.
Las figuras anteriores no están a escala, pues
las dimensiones de las piezas del conjunto son muy variadas, y no
todos los elementos relevantes se podrían visualizar con una escala
única; pero en todo caso lo que se prescribe en la invención en
cuanto a dimensiones absolutas o relativas es lo especificado en la
Explicación.
Para una mejor explicación de la invención y su
realización, a continuación se relacionan sus elementos:
- 1.
- Tanque de almacenamiento de baja temperatura, del almacenamiento térmico.
- 2.
- Tanque de almacenamiento de alta temperatura, del almacenamiento térmico.
- 3.
- Intercambiador de calor.
- 4.
- Placa o elemento sólido de separación de los fluidos del intercambiador, a través de la cual de transfiere el calor.
- 5.
- Bomba del fluido del almacenamiento en el tanque de baja, que actúa en el modo de carga térmica del almacenamiento, cuando este fluido se calienta.
- 6.
- Boca de salida del fluido del almacenamiento en el tanque de alta, que actúa en el modo de carga térmica del almacenamiento.
- 7.
- Bomba del fluido del almacenamiento en el tanque de alta, que actúa en el modo de descarga térmica del almacenamiento, cuando este fluido cede calor.
- 8.
- Boca de salida del fluido del almacenamiento en el tanque de baja, que actúa en el modo de descarga térmica del almacenamiento.
- 9.
- Conducto del fluido calorífero primario, que transfiere calor al del almacenamiento, en el modo de carga de éste.
- 10.
- Válvula del tanque de baja, abierta en el modo de carga térmica.
- 11.
- Válvula del tanque de alta, abierta en el modo de carga térmica.
- 12.
- Válvula del tanque de alta, abierta en el modo de descarga térmica.
- 13.
- Válvula del tanque de baja, abierta en el modo de descarga térmica.
- 14.
- Piezas de corte anti-térmico, insertadas en los conductos del fluido del almacenamiento.
- 15.
- Piezas de corte anti-térmico, insertadas en los conductos del fluido calorífero primario.
- 16.
- Depósito del gas inerte de arrastre en el vaciado.
- 17.
- Compresor o soplante del gas de arrastre.
- 18.
- Boca de succión del gas de arrastre desde el tanque 1.
- 19.
- Compresor de succión del gas de arrastre.
- 20.
- Eje de revolución de un tubo de canalización de fluido.
- 21.
- Paredes de los conductos (en general tubulares) de un fluido de los que participa en el intercambio de calor.
- 22.
- Pieza de interrupción térmica insertada en las paredes de un conducto de fluido.
- 23.
- Brida perimetral izquierda.
- 24.
- Brida perimetral derecha.
- 25.
- Boca en la interrupción de un tubo de conducto, en la que se practica la unión por penetración.
Para materializar esta invención, se parte de un
intercambiador cualquiera (3), y en sus conductos de conexión con
los circuitos primario (9) y secundario, o al menos en uno de ellos,
se practican cortes totales del conducto, tanto en entrada como en
salida del intercambiador (3); disponiendo en dichos cortes o
interrupciones las piezas anti-térmicas (14, 15, 22)
de grafito, carburo de silicio u otro material aislante, que se unen
por penetración a los dos extremos del conducto cortado,
fortaleciendo su encaje con una brida perimetral en cada extremo de
la unión.
Como procedimiento de funcionamiento, para los
períodos en los que se ha de inhabilitar la transferencia de calor,
y preservar la energía térmica almacenada en uno de los fluidos, se
procede al vaciado del circuito de este fluido en la parte que está
en conexión con el intercambiador, montando éste con inclinación
para efectuar el vaciado del fluido, contando además, opcionalmente,
con un circuito de gas inerte de arrastre, que impulsa los restos
del fluido hacia el tanque de recogida del vaciado, desde el cual se
extrae el gas mediante un compresor de succión aplicado a la boca
superior de tanque, habiendo otro compresor, de impulsión, desde el
depósito del gas al circuito de vaciado.
Una vez descrita de forma clara la invención, se
hace constar que las realizaciones particulares anteriormente
descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que
no alteren el principio fundamental y la esencia de la
invención.
Claims (4)
1. Dispositivo de interrupción térmica en
conexiones a intercambiadores de calor, caracterizado por que
dispone en cada uno de los conductos de los fluidos primario y
secundario, que intercambian calor, o al menos en cada conducto de
uno de estos fluidos, una interrupción física o corte total
transversal de las paredes (21) de dichos conductos, engastándose en
dichas interrupciones unas piezas aislantes (14, 15, 22), de
interrupción térmica de su conducción metálica a lo largo de las
paredes (21) de los conductos, y estando estas piezas aislantes en
unión con cada extremo del conducto metálico interrumpido, y
pudiendo ser estas piezas (14, 15, 22) de forma anular, encajadas en
los tubos por cada extremo de la interrupción, o como pequeños
tambores cilíndricos o esferas de material aislante que actúen de
ensambladores de tubos o conductos, siendo el material aislante de
las piezas (14, 15, 22) de interrupción térmica seleccionado entre
grafito, carburo de silicio, u otro sólido de temperatura de fusión
superior a la temperatura de fusión del material metálico en el cual
queda engastada la pieza, y cuya conductividad térmica sea menor que
1 vatio por metro y kelvin (1 W.m'^{-1}, K^{-1} en sistema
SI).
2. Dispositivo de interrupción térmica de
conexiones a intercambiadores de calor según lo descrito en la
reivindicación 1, caracterizado por que cada pieza queda
ajustada a los conductos (9) mediante uniones de penetración (23,
24).
3. Dispositivo de interrupción térmica de
conexiones a intercambiadores de calor según lo descrito en la
reivindicación 1, caracterizado por que cada pieza queda
ajustada a los conductos (9) mediante uniones de penetración
embridadas perimetralmente (25).
4. Procedimiento de interrupción térmica en
intercambiadores de calor, que emplea un dispositivo según lo
descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado por prescribir el vaciado del intercambiador
(3) en su circuito del fluido que actúa de almacén térmico,
rematando dicho vaciado por la acción de la gravedad y por el
arrastre de un gas inerte, efectuándose este vaciado al comienzo de
cada período de inhabilitación de la transferencia de calor en el
cambiador, y siendo el gas inerte de arrastre argón, dióxido de
carbono, u otro gas no reactivo, insuflado desde un depósito (16)
que lo contiene, merced a un compresor o soplante (17) que lo
impulsa, recogiéndose después en el depósito por extracción mediante
compresor de succión (19) desde el tanque de recogida del vaciado
del fluido del almacenamiento (1), aislándose el depósito de gas por
la acción de válvulas (10-13) en sus conexiones con
las tuberías del fluido a vaciar, no siendo imprescindible este gas
de arrastre, cuando por gravedad se produce un vaciado de suficiente
entidad, medido éste en no quedar más de un 0,1% de la sección recta
del conducto a vaciar, lleno de líquido.
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- 2010-12-09 WO PCT/ES2010/000496 patent/WO2011073470A1/es active Application Filing
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