ES2870918T3 - Elemento acumulador de calor latente, encapsulación para un material acumulador de calor latente y acumulador de calor latente - Google Patents

Abstract

Elemento acumulador de calor latente (10) con un material acumulador de calor latente (32) dispuesto en una encapsulación (11) que presenta al menos una temperatura de cambio de fase, produciéndose a esta temperatura un cambio de fase entre una primera fase y una segunda fase, presentando la encapsulación (11) una forma elipsoidal con una sección transversal no circular que se inclina hacia el borde con un lado superior (12) y con un lado inferior (14), caracterizado por que la encapsulación (11) presenta, al menos en uno de los lados superior (12) o inferior (14), al menos una acanaladura (28).

Description

DESCRIPCIÓN

Elemento acumulador de calor latente, encapsulación para un material acumulador de calor latente y acumulador de calor latente

La presente invención se refiere a un elemento acumulador de calor latente según el preámbulo de la reivindicación 1 y a un acumulador de calor latente según el preámbulo de la reivindicación 13.

Actualmente cada vez se hacen más esfuerzos para utilizar la energía de un modo más eficiente. Hasta ahora, con la ayuda de recursos finitos (petróleo, carbón, etc.) o modelos que caducan (energía nuclear) es posible disponer de suficiente energía "a la carta" en todo momento. Sin embargo, este lujo es posible a costa del medio ambiente, siendo preciso mantener disponibles capacidades de centrales eléctricas innecesariamente grandes. Las consecuencias son un aumento de las emisiones de CO2 y otros factores con un grave impacto en el medio ambiente debido a la extracción, al transporte y a la eliminación de estos recursos energéticos.

Por este motivo, aunque los países industrializados disponen de suficiente energía, existe el problema de que la oferta y la demanda están a menudo desplazadas en el tiempo. Este desplazamiento puede variar desde unos pocos minutos (por ejemplo, en los procesos de producción) hasta varias horas. Un ejemplo de este último caso es la energía solar térmica que apenas encuentra una salida directa por sus ofertas de calor durante el día, pero que tiene una gran demanda por la noche.

Debido al "giro energético" promovido en Alemania, también existe una pluralidad de generadores de energía volátil (eléctrica, térmica).

Para poder utilizar de forma óptima la energía que actualmente proporcionan los productores de energía, es indispensable un almacenamiento eficaz de esta energía. Este principio se aplica sobre todo en el campo de la energía térmica, del que trata la presente invención. No obstante, la invención también puede aplicarse de forma útil en otros sectores energéticos si la energía térmica se produce allí como "producto de desecho" o si se genera específicamente mediante conversión.

Hasta ahora se han utilizado principalmente grandes depósitos de agua como acumuladores de energía térmica (almacenamiento térmico). Esto resulta útil cuando es necesario trabajar con grandes diferencias de temperatura. Si en un depósito de agua se almacena, por ejemplo, agua a 90 grados y el consumidor la utiliza hasta, por ejemplo, 30°C, se trata de una diferencia de temperatura muy grande de 60 K. Con unas diferencias de temperatura tan grandes no es posible sustituir un tanque de almacenamiento de agua (acumulador sensible) por alternativas razonables. Sin embargo, los sistemas con mayores diferencias de temperatura son cada vez menos comunes, dado que presentan una eficiencia energética muy pobre.

Por el contrario, los sistemas energéticos modernos funcionan con diferencias de temperatura reducidas. Como consecuencia, los productores y los consumidores se aproximan mucho en cuanto a sus temperaturas y sólo es preciso aplicar el mínimo necesario de energía para devolver al ciclo la energía consumida a través de una pequeña diferencia de temperatura. Estos sistemas eficientes sólo requieren una fracción de la energía primaria antes utilizada. No obstante, cuanto más pequeñas sean las diferencias de temperatura, menos energía puede almacenarse en los depósitos sensibles. Si la diferencia de temperatura utilizable es, por ejemplo, de sólo 5 K (por ejemplo, un cambio de temperatura de 5°C a 10°C), un depósito de agua habrá almacenado aproximadamente 5,8 Wh por kg de agua. Además, con cada retirada de energía, la diferencia de temperatura de trabajo se reduce cada vez más, por lo que el rendimiento disminuye al mismo tiempo. Por lo tanto, los depósitos de almacenamiento sensible no resultan adecuados para diferencias de temperatura relativamente pequeñas.

Para estas pequeñas diferencias de temperatura se han desarrollado acumuladores de calor latente. Éstos contienen como material acumulador de calor latente los así llamados materiales de cambio de fase (Phase Change Materials, abreviado PCM), es decir, materiales que tienen la propiedad de experimentar un cambio de fase, por ejemplo, de sólido a líquido o viceversa, a temperaturas definidas (temperaturas de cambio de fase) (también son posibles los sistemas de líquido a vapor y similares, aunque en adelante sólo se tratará el cambio de fase de sólido a líquido).

En caso de un cambio de fase como éste se absorbe una gran cantidad de energía térmica (sólido -> líquido) o se libera (líquido -> sólido), permaneciendo la temperatura del material acumulador de calor latente constante durante el cambio de fase.

Por ejemplo, la capacidad térmica del agua es de 1,16 Wh/kg*K (calentamiento de 1°C). Por consiguiente, a 5 K resultan (5 K* 1,16 Wh =) 5,8 Wh por kg de agua. Si, por el contrario, se considera el rango de fusión principal de un PCM típico, como el ATP 62 a base de parafina disponible en el mercado (posee una temperatura de cambio de fase de 62°C) de la empresa Axiotherm, se obtiene una capacidad de almacenamiento de 53 Wh por kg de PCM con una diferencia de temperatura de 5 K, es decir, algo más de 9 veces por kg en comparación con el agua. Esta ventaja disminuye para diferencias de temperatura más elevadas, siendo, por ejemplo, la relación para una diferencia de temperatura de 10 K sólo de 5,2 veces. Aunque estos datos deben corregirse con respecto a la densidad en función de la aplicación (los PCM de parafina tienen una densidad de entre 0,7 y 0,85 g/cm3 aproximadamente), estos valores muestran claramente la evidente ventaja de los acumuladores de calor latente frente a los acumuladores sensibles en caso de diferencias de temperatura relativamente pequeñas.

Un problema importante en la actualidad radica en la función del material acumulador de calor latente, dado que, debido a la escasa conductividad térmica de los materiales acumuladores de calor latente, no resulta práctico llenar completamente un depósito acumulador de calor latente con un material acumulador de calor latente y, por ejemplo, disponer en este depósito un tubo helicoidal por el que fluye el agua, a fin de almacenar y recuperar así el calor o el frío. Ya ha habido algunos enfoques de este tipo, pero debido a las condiciones físicas estos enfoques siempre han fracasado, ya que en estas construcciones la escasa conductividad térmica del material acumulador de calor latente impide una entrada de energía continua (almacenamiento) y, aún en mayor medida, la salida de energía continua (liberación). Este efecto puede compararse con la preparación de huevos cocidos para el desayuno: las capas sólidas exteriores del huevo que se forman durante el proceso de cocción complican la entrada de calor al núcleo del huevo, y sólo gracias a las grandes diferencias de temperatura y al tiempo suficiente se consigue un calentamiento completo y, por consiguiente, la cocción del huevo. En relación con un acumulador de calor latente esto significa que, debido a las pequeñas diferencias de temperatura, para el almacenamiento y la liberación de la energía térmica (el núcleo del huevo aún está muy caliente pero la cáscara está como mucho templada) se requieren un tiempo muy prolongado, así como gradientes de temperatura muy elevados, no participando, de lo contrario, partes más o menos grandes del material acumulador de calor latente en el cambio de fase de almacenamiento o de liberación de energía.

Para resolver este problema ya se han propuesto las así llamadas microencapsulaciones, por ejemplo, en forma de pequeñas esferas, para insertar el material acumulador de calor latente por una gran superficie en un elemento de intercambio de calor. No obstante, en el caso de estas microencapsulaciones la relación entre el material de encapsulación y el material acumulador de calor latente resulta poco propicia.

Las así llamadas macroencapsulaciones, es decir, encapsulaciones que presentan un volumen de al menos unos 0,1 cm3, representan una mejor solución. A la vista de los costes y de las posibilidades de procesamiento, el metal y el plástico se han impuesto como materiales, aunque el metal suele descartarse por su propensión a la corrosión y problemas de obturación.

En el caso de las macroencapsulaciones a base de plástico, hasta ahora se han adquirido para los elementos acumuladores de calor latente, es decir, elementos que contienen un material acumulador de calor latente y que se disponen en un acumulador de calor latente, diversos envases de plástico disponibles en el mercado que los fabricantes correspondientes utilizan, por ejemplo, para fines completamente diferentes. Un ejemplo de ello es el extendido acumulador de frío (pieza moldeada por soplado), que se congela en el congelador y que a continuación se utiliza en cajas y bolsas frías, etc., para, por ejemplo, enfriar bebidas, alimentos y también medicamentos durante un transporte.

Sin embargo, en este caso no se pueden coordinar los parámetros de configuración necesarios para los elementos acumuladores de calor latente. En su lugar, el fabricante de piezas moldeadas por soplado sólo produce conforme a sus condiciones técnicas/económicas más favorables y su cliente suele rellenar agua o mezclas de agua y sal o similares. Estos sistemas funcionan en la medida suficiente para estos propósitos de refrigeración diaria, dado que no tienen ninguna relevancia técnica.

No obstante, si estas macroencapsulaciones se rellenan ahora también con otros materiales acumuladores de calor latente para obtener temperaturas distintas de 0°C, surgen problemas. En estos rangos de temperatura fuera de 0°C se utilizan principalmente parafinas y sus derivados o sustancias similares a las parafinas, así como hidratos de sal. Si estos materiales acumuladores de calor latente se encuentran en las macroencapsulaciones convencionales antes descritas, se produce una fuerte caída del rendimiento y unos altos gradientes de temperatura como consecuencia de los grosores demasiado grandes (> 10-15 mm) de la encapsulación y, por lo tanto, del material acumulador de calor latente. Esto provoca que, con una capa de parafina tan gruesa, un material acumulador de calor latente con una temperatura de cambio de fase de, por ejemplo, 53°C, sólo tenga una temperatura superficial de, por ejemplo, 45°C. Por consiguiente, las encapsulaciones como éstas presentan un grosor de material de calor latente demasiado grande.

Las esferas también se utilizan a menudo como macroencapsulación. Dado que, por motivos económicos, el volumen no debe ser demasiado pequeño, dado que, de lo contrario, los costes de llenado por kg de material acumulador de calor latente son demasiado elevados, se utilizan esferas huecas de un tamaño correspondiente (diámetro de hasta 8 cm aproximadamente). Éstas no se pueden utilizar termodinámicamente debido a las explicaciones anteriores.

Además, presentan un problema de estabilidad: en materiales a granel más grandes, éstos se deforman debido a las cargas, formando, como consecuencia de las superficies de contacto presionadas unas contra otras, una fuerte reducción de las superficies de transferencia (de calor) y una estructura cada vez más difícil de atravesar. Otras formas, como los cilindros huecos, las bolsas, las varillas, etc., mostraron los mismos problemas.

Además, existen grandes problemas con respecto a la técnica de cierre, es decir, el procedimiento para el llenado de la macroencapsulación con material acumulador de calor latente y el posterior cierre de sellado de la encapsulación. En el caso de los componentes citados, esto suele ir asociado a largas costuras (costuras de soldadura, de pegado, de atornillado, etc.) que a largo plazo no son aceptables económica ni técnicamente.

Además, las densidades de empaquetamiento de estas macroencapsulaciones en material a granel alcanzan valores insatisfactorios, dado que, como consecuencia de la geometría, no se forman patrones uniformes, por lo que se forman flujos preferenciales que dan lugar a procesos de carga y descarga irregulares.

Por último, hasta ahora han surgido otros problemas debidos a las excesivas fuerzas ascendentes y descendentes, ya que en el caso de las parafinas y de sustancias similares a las parafinas, por ejemplo, la densidad de aproximadamente 0,7-0,85 g/cm3 es muy inferior a la del agua (aproximadamente 1,0 g/cm3). Hasta ahora, estas diferencias de densidad han dado lugar a deformaciones de las macroencapsulaciones y, por consiguiente, a compresiones indefinidas y en parte impenetrables o también a la destrucción de las cápsulas como consecuencia de las tensiones mecánicas resultantes entre ellas o en las piezas del acumulador. Por el contrario, el mismo problema surge en caso de fuerzas descendentes demasiado altas, si, por ejemplo, se utilizan hidratos de sal comunes, cuya densidad es de aproximadamente 1,2-1,7 g/cm3.

Por este motivo, hasta ahora no existe ninguna macroencapsulación adecuada para los materiales acumuladores de calor latente que forme una unidad térmicamente funcional, cíclicamente estable y económica.

Por lo tanto, la tarea de la presente invención consiste en proporcionar una encapsulación para el material acumulador de calor latente que resuelva al menos uno de los problemas antes citados, especialmente varios de estos problemas.

Esta tarea se resuelve con el elemento acumulador de calor latente según la reivindicación 1 y con el elemento acumulador de calor latente según la reivindicación 13. En la siguiente descripción y en las reivindicaciones dependientes se proponen otras realizaciones ventajosas.

El inventor ha reconocido que la tarea planteada puede resolverse sorprendentemente de forma constructivamente sencilla y económica eligiendo para la encapsulación una forma de sección transversal que se desvíe de la forma circular y que se incline hacia el borde. Por lo tanto, se utiliza una forma de sección transversal con un lado inferior y con un lado superior que se desarrolla de forma discontinua en la transición del lado inferior al lado superior. De este modo, en caso de un grosor de pared comparativamente reducido de la encapsulación se puede lograr a pesar de todo una estabilidad de deformación suficientemente alta, mientras que la sección transversal que se inclina hacia el borde proporciona una superficie suficiente de flujo, incluso en caso de cargas a granel, a fin de conseguir un intercambio rápido de calor con un material de intercambio de calor.

Por consiguiente, el elemento acumulador de calor latente según la invención con un material acumulador de calor latente dispuesto en una encapsulación, que presenta al menos una temperatura de cambio de fase en la que se produce un cambio de fase entre una primera fase y una segunda fase, se caracteriza por que la encapsulación presenta una sección transversal no circular que se inclina hacia el borde con un lado superior y con un lado inferior. Debido a la forma plana asociada del elemento acumulador de calor latente, el elemento de intercambio de calor que fluye alrededor se distribuye forzosamente por toda una sección transversal del acumulador, no produciéndose cortocircuitos hidráulicos como sucede en caso de geometrías de libre flujo como, por ejemplo, las esferas.

En una variante perfeccionada ventajosa se prevé que la encapsulación presente una forma de disco, preferiblemente una forma similar a un cigarro, una lenteja o un disco. De este modo, con la estabilidad suficiente se obtiene una densidad de material a granel suficientemente alta con, al mismo tiempo, una muy buena relación superficie/volumen. Además, como consecuencia de la sección transversal del perfil alargado, una encapsulación como ésta presenta en el borde grosores de capa muy finos que aumentan hasta el centro. El resultado es un cuerpo moldeado muy resistente con una gran superficie.

Esta geometría proporciona otra ventaja en caso de inserción en tanques de almacenamiento: las cargas a granel anteriores presentaban irregularidades más o menos grandes que influyen negativamente en la densidad de empaquetamiento. Al mismo tiempo resultan potenciales de perturbación con respecto al flujo. Las lentes o los discos tienen la gran ventaja de que se disponen unos encima de otros. Así, la geometría de la lente crea una disposición por capas de por sí relativamente homogénea. Mientras que, por ejemplo, las esferas que se vierten en un recipiente completamente al azar sólo llenan un máximo del 62,5% del volumen disponible, los elipsoides (cigarros, lentes, discos, que pertenecen a la clase de esferas comprimidas o estiradas) que se apilan de forma arbitraria llenan casi del 70% al 74%, según su forma. Esto se debe probablemente a que tales formas elipsoidales, a diferencia de las esferas, no necesitan sólo seis vecinos para no poder moverse más, sino que pueden moverse hasta quedar fijados por más de diez vecinos, por lo que estas cargas a granel pueden asentarse durante más tiempo que los empaquetamientos esféricos.

En una variante perfeccionada ventajosa (para la que también se reivindica la protección independientemente de la otra configuración geométrica de la encapsulación con una sección transversal no circular inclinada hacia el borde con un lado superior y con un lado inferior) se prevé que la encapsulación presente al menos una escotadura configurada preferiblemente como una perforación, disponiéndose la escotadura especialmente en el centro. Una lente, por ejemplo, posee un buen volumen de llenado, siendo la dimensión de grosor mayor en el centro. Sin embargo, el mayor grosor de capa de PCM también se encuentra en este punto, por lo que el PCM allí situado apenas puede participar plenamente en el cambio de fase. Este "espacio muerto" queda neutralizado por la escotadura central. Dado que, desde un punto de vista geométrico, el punto central de un círculo presenta la menor superficie, la cavidad relativa y, por consiguiente, la pérdida de PCM correspondiente no son significativas. No obstante, esta escotadura no tiene que disponerse en el centro, sino que también puede disponerse de forma descentrada, por ejemplo, lateralmente, siendo la disposición central la mejor para obtener los efectos beneficiosos. También se puede practicar más de una escotadura.

En una variante perfeccionada ventajosa (para la que también se reivindica la protección independientemente de la otra configuración geométrica de la encapsulación con una sección transversal no circular inclinada hacia el borde con un lado superior y con un lado inferior) se prevé que la encapsulación presente, al menos en un lado, una zona replegada, preferiblemente cóncava. La zona se dispone preferiblemente en el centro. Esta zona replegada puede implementarse, por ejemplo, mediante pendientes o biseles. Esta zona replegada se comunica preferiblemente con la escotadura.

Mediante la escotadura y/o el repliegue se genera respectivamente una estabilidad mecánica muy grande. Además, los grosores de capa de PCM se reducen respectivamente de forma funcional, de manera que el PCM allí contenido pueda participar plenamente en el cambio de fase. La escotadura y/o el repliegue también tienen el efecto de mejorar significativamente la permeabilidad dentro de un material a granel y de evitar una "obstrucción" como consecuencia de superficies superpuestas de otros elementos de material de calor latente.

Según la invención se prevé que la encapsulación presente, en al menos uno de los lados superior o inferior, al menos una acanaladura que se extienda preferiblemente de forma radial y en especial completamente entre una zona marginal y una zona central. Así se reduce aún más el grosor de la capa de PCM. Se produce además una ampliación de la superficie para un intercambio de calor, se mejora la capacidad de flujo de un material a granel y se aumenta la estabilidad mecánica. En caso de un desarrollo radial, las acanaladuras discurren más densamente hacia el centro, es decir, unas hacia otras, por lo que también llegan a un punto en el que los grosores de capa de PCM se reducen.

En otra variante perfeccionada ventajosa (para la que también se reivindica la protección independientemente de la otra configuración geométrica de la encapsulación con una sección transversal no circular inclinada hacia el borde con un lado superior y con un lado inferior) se prevé que la encapsulación presente en el lado superior y en el lado inferior respectivamente al menos una acanaladura, y que las acanaladuras del lado superior y las acanaladuras del lado inferior se dispongan desplazadas azimutalmente unas frente a otras con respecto a una vista en planta de la encapsulación. De este modo se reduce ventajosamente el grosor de capa de PCM, mientras que al mismo tiempo no se interrumpe ni perturba un flujo en el interior de la encapsulación.

En una variante perfeccionada ventajosa (para la que también se reivindica la protección independientemente de la otra configuración geométrica de la encapsulación con una sección transversal no circular inclinada hacia el borde con un lado superior y con un lado inferior) se prevé que la encapsulación presente, además del material acumulador de calor latente, aire o uno o varios gases adecuados, siendo la proporción de volumen del aire en el volumen total de la encapsulación preferiblemente del orden del 1% al 30%, preferiblemente del orden del 5% al 20% y especialmente del orden del 10% al 15%. Así se obtiene un efecto especialmente sorprendente con respecto a la compensación de la expansión del PCM durante el cambio de fase: normalmente hay que prever una reserva de un 10-12% en volumen para la expansión de volumen del PCM en el recipiente de almacenamiento del acumulador de calor latente, por ejemplo, mediante vasos de expansión, un nivel correspondientemente reducido del elemento de intercambio de calor, etc. Gracias a la geometría especial de la encapsulación, la encapsulación puede expandirse y contraerse sin problemas (a través de los flancos de superficie). Además, por razones técnicas, al llenar la encapsulación con PCM queda un colchón de aire relativamente pequeño que en la mayoría de los casos se acumula en el centro o en el borde de la encapsulación, provocando allí una rigidez adicional. El PCM se presiona en estos espacios de aire durante la expansión de volumen, comprimiéndose el aire o transformándose en solución con el PCM. Como consecuencia, la expansión de volumen real de la encapsulación es sólo del 2-5% en volumen aproximadamente. Por este motivo, el acumulador de calor latente según la invención puede cargarse con una reserva de volumen menor y, por lo tanto, con un volumen de material acumulador de calor latente mayor.

En una variante perfeccionada ventajosa (para la que también se reivindica la protección independientemente de la otra configuración geométrica de la encapsulación con una sección transversal no circular inclinada hacia el borde con un lado superior y con un lado inferior) se prevé que la encapsulación presente, además del material acumulador de calor latente, al menos un material de nivelación, concretamente un material de ponderación o un material de sustentación, cuya proporción de volumen se dimensione preferiblemente de manera que el elemento acumulador de calor latente presente una densidad del orden de 0,8 a 1,2 g/cm3, preferiblemente de 0,9 a 1,1 g/cm3, especialmente de 0,99 a 1,01 g/cm3 a la temperatura de cambio de fase, una densidad del orden de 0,90 a 0,98 g/cm3 para la primera fase totalmente configurada (por ejemplo, líquida) por encima de la temperatura de cambio de fase y una densidad del orden de 1,02 a 1,1 g/cm3 para la segunda fase totalmente configurada (por ejemplo, aún sólida) por debajo de la temperatura de cambio de fase.

Si además de un primer material de nivelación, por ejemplo, un material de ponderación, se utiliza adicionalmente aire en la encapsulación para la compensación de volumen, que en tal caso representa simultáneamente un segundo material de nivelación, entonces deberían determinarse consecuentemente las respectivas proporciones de volumen de manera que, por una parte, la compensación de volumen se produzca óptimamente y de manera que, por otra parte, la densidad del elemento acumulador de calor latente se encuentre en el rango antes mencionado. Lo mismo ocurriría si en el caso del primer material de nivelación se tratara de un material de sustentación.

Se puede conseguir un aumento de la densidad, por ejemplo, mediante la adición de barita, arena, esferas de metal, etc. Con ello se consigue que la densidad global de la lente sea aproximadamente de 1 o que la misma se ajuste para ser ligeramente más pesada, de modo que cuando se encuentre en estado cristalino se produzca un ligero descenso y que cuando cambie de fase la densidad sea de 1, para a continuación, cuando esté totalmente expandida en estado líquido, la densidad sea ligeramente inferior a 1 (ligero empuje ascendente). Esto permite configurar las macroencapsulaciones y las cargas a granel resultantes de forma cuidadosa y reversible. Así, las macroencapsulaciones pueden trabajar en el material a granel y acumularse siempre de forma optimizada. Con esta dispersión, cuya intensidad puede controlarse adicionalmente por medio de la temperatura (cuanto más alta sea la temperatura, mayor será el empuje ascendente), la densidad de empaquetamiento siempre vuelve de nuevo a su estado inicial óptimo.

En caso de uso de materiales de cambio de fase con una densidad superior a 1 (como los hidratos de sal, por ejemplo, el ATS 58 de la empresa Axiotherm con una densidad de 1,3), se debe actuar en cada estado de cambio de fase contra un empuje descendente demasiado elevado. Aquí, en lugar de aditivos de ponderación, se prevé un mayor volumen de aire dentro de la macroencapsulación. Éste puede ser del orden del 1% en volumen al 30% en volumen y especialmente al menos del 10% en volumen. Como ya se ha mencionado, este volumen de aire también tiene un efecto favorable con respecto al cambio de volumen condicionado por la temperatura.

Gracias a una forma especial de la lente con un mayor grosor en la zona central, este aire tiene disponible un gran volumen, lo que a su vez da lugar a una minimización de la superficie necesaria, no pudiendo participar en tal caso en la transferencia de calor (aproximadamente del 10-20%, dependiendo de la cantidad de aire) debido a la inclusión de aire. En las macroencapsulaciones planas convencionales se forman burbujas de aire muy grandes y planas condicionadas geométricamente, incluso con mínimas inclusiones de aire, que reducen de forma extrema el rendimiento (aproximadamente el 50%) como consecuencia de la mala conducción térmica del aire, incluso con cantidades de aire mínimas. El aire contenido también puede sustituirse por gases inertes (por ejemplo, nitrógeno), dependiendo de las propiedades químicas del PCM.

Otra ventaja de los elementos acumuladores de calor latente según la invención en un depósito lleno de un elemento de intercambio de calor es la siguiente: en la zona de los elementos acumuladores de calor latente, templados por encima de la temperatura de cambio de fase, es decir, en los que se funde en el interior el material acumulador de calor latente, se establece una temperatura constante a esta altura del acumulador. Esto significa que, debido a las propiedades condicionadas por el flujo de las lentes en combinación con su alto rendimiento (como consecuencia de la gran superficie), no se produce ninguna estratificación de la temperatura con una pendiente en el depósito (como en caso de un acumulador sensible normal), sino que la forma constructiva del acumulador de calor latente según la invención se comporta isotérmicamente. Por este motivo, cuando el acumulador de calor latente está, por ejemplo, completamente cargado, prevalece la misma temperatura de arriba abajo.

En una variante perfeccionada ventajosa se prevé que la encapsulación presente un material plástico preferiblemente termoplástico, en especial, por ejemplo, polietileno, polipropileno, poliamida, poliéster o policarbonato. De este modo se consigue una estabilidad especialmente alta, incluso en caso de grosores de pared reducidos, y una larga vida útil. Las encapsulaciones como éstas pueden utilizarse en un rango de temperatura de aproximadamente -50 a 200°C. Sin embargo, también pueden utilizarse otros plásticos como los plásticos reticulables (reticulación de silano, de peróxido, de haz, etc.) o los duroplásticos.

Se reivindica una protección independiente para la encapsulación según la invención para un material acumulador de calor latente.

También se reivindica una protección independiente para el acumulador de calor latente según la invención con uno o varios elementos acumuladores de calor latente, conteniendo los elementos acumuladores de calor latente un material acumulador de calor latente dispuesto en una encapsulación que presenta al menos una temperatura de cambio de fase, produciéndose a esta temperatura un cambio de fase entre una primera fase y una segunda fase, presentando el acumulador de calor latente un elemento portador de calor que rodea al menos parcialmente los elementos acumuladores de calor latente, presentando el acumulador de calor latente al menos una conexión para la carga de calor y al menos una conexión para la extracción de calor, caracterizado por que al menos un elemento acumulador de calor latente se configura como el elemento acumulador de calor latente según la invención. Las dos conexiones para la carga y la descarga de calor también pueden configurarse como una única conexión. Las conexiones pueden configurarse especialmente como conexiones a un circuito primario.

En una variante perfeccionada ventajosa se prevé que el elemento acumulador de calor latente comprenda al menos dos elementos acumuladores de calor latente con diferentes temperaturas de cambio de fase. En este caso, los diferentes elementos acumuladores de calor latente pueden mezclarse unos con otros o disponerse en capas individuales en el acumulador. Este último sistema en cascada tiene la ventaja de que, por ejemplo, en caso de temperaturas de carga fluctuantes, los picos con un PCM con un punto de fusión más alto se captan, almacenándose su energía y almacenándose a continuación, con la siguiente estratificación de menor temperatura, el resto de la energía térmica a un nivel de temperatura inferior. Esta captación del exceso de temperatura y la transformación a temperaturas de almacenamiento escalonadas contribuyen a aumentar la eficiencia del acumulador de calor latente.

Mediante el uso de los elementos acumuladores de calor latente según la invención, éstos pueden introducirse como material a granel en un simple recipiente vacío utilizado en el acumulador de calor latente sin ninguna instalación especial, alineándose y estratificándose automáticamente gracias a su forma. Por consiguiente, es posible por primera vez realizar cualquier dimensión de acumulador como acumulador de calor latente. En este caso no importa que el recipiente sea redondo, ovalado o similar. Dado que los elementos acumuladores de calor latente están siempre separados unos de otros, éstos pueden sustituirse si es necesario, por ejemplo, en caso de un cambio de temperatura condicionado por el sistema. Así también es posible por primera vez reequipar los acumuladores de calor latente existentes o instalar nuevos acumuladores de calor latente vacíos in situ y llenarlos posteriormente.

Las características y ventajas adicionales de la presente invención se explican a continuación por medio de la descripción de un ejemplo de realización preferido en relación con la figura. Se muestra de forma puramente esquemática:

Figura 1 una forma de realización según la invención de un elemento acumulador de calor latente en una vista en perspectiva,

Figura 2 el elemento acumulador de calor latente según la invención de acuerdo con la figura 1 en una vista en planta, Figura 3 el elemento acumulador de calor latente según la invención de acuerdo con la figura 1 en una vista lateral,

Figura 4 el elemento acumulador de calor latente según la invención de acuerdo con la figura 1 en una vista horizontalmente seccionada,

Figura 5 el elemento acumulador de calor latente según la invención de acuerdo con la figura 1 en una vista verticalmente seccionada,

Figura 6 el acumulador de calor latente según la invención con elementos acumuladores de calor latente de acuerdo con la figura 1 en un primer estado de funcionamiento, y

Figura 7 el acumulador de calor latente según la invención de acuerdo con la figura 4 en un segundo estado de funcionamiento.

En las figuras 1 a 5 se muestra el elemento acumulador de calor latente 10 según la invención en diferentes vistas. Se puede ver que el elemento acumulador de calor latente 10 presenta una carcasa 11 compuesta de plástico con un lado superior 12 y con un lado inferior 14 que están unidos entre sí, por ejemplo, soldados, en el perímetro 16. En la sección transversal, el elemento acumulador de calor latente 10 presenta una forma aproximadamente lenticular con una zona central más gruesa 18, disminuyendo el grosor hacia la zona marginal 20.

Hay una escotadura central 22 con respectivamente repliegues cóncavos 24, 26 en el lado superior 12 y en el lado inferior 14. Tanto en el lado superior 12, como también en el lado inferior 14 se prevén adicionalmente acanaladuras 28 que se desarrollan radialmente, que se extienden completamente desde la zona marginal 20 hasta la zona central 18 y que presentan una distancia igual continua del horizonte perimetral UH. Estas acanaladuras 28 se disponen a cada lado 12, 14 respectivamente separadas unas de otras en 45°, disponiéndose las acanaladuras opuestas del lado superior 12 y del lado inferior 14 respectivamente desplazadas centralmente unas respecto a otras, con lo que resulta una zona de flujo continuo 30 para el material acumulador de calor latente 32 dispuesto en el elemento acumulador de calor latente 10 y compuesto por el material de ponderación 34 previsto para el aumento de la densidad.

En el perímetro 16 se dispone una pieza suplementaria de relleno 36 que ha sido soldada herméticamente como primer material de nivelación después de haber llenado con éxito el elemento acumulador de calor latente 10 con el material acumulador de calor latente 32 y con el material de ponderación 34. En la zona de la pieza suplementaria de relleno 36 no se prevé ninguna acanaladura 28 en el lado superior 12, a fin de no obstruir el proceso de llenado. Al mismo tiempo, durante el llenado se forma una pequeña burbuja de aire 38 que se utiliza para la compensación del volumen durante el cambio de fase y que al mismo tiempo representa un segundo material de nivelación.

El material acumulador de calor latente 32 es, por ejemplo, un PCM a base de parafina con una temperatura de cambio de fase de, por ejemplo, 53°C de la empresa Axiotherm (denominación: ATP 53). Como material de ponderación 34 se utiliza arena de cuarzo (con una distribución granulométrica de 0,063 - 2 mm). El diámetro de la carcasa 11 es de aproximadamente 18 cm en el perímetro 16 (pudiéndose utilizar también rangos de aproximadamente 5 cm a aproximadamente 50 cm). La altura máxima h de la carcasa 11 es de unos 3 cm (pudiéndose utilizar también rangos de aproximadamente 1 cm a aproximadamente 8 cm). El diámetro D_E de los repliegues 24, 26 es de unos 6,3 cm (pudiéndose utilizar también rangos de unos 3 cm a unos 20 cm) y el diámetro D_A de la escotadura 22 es de aproximadamente 1,2 cm (pudiéndose utilizar también rangos de unos 0,5 cm a unos 5 cm). El grosor de pared de la carcasa es de aproximadamente 0,1 cm. El volumen total de la carcasa 11 es, por lo tanto, de unos 382 ml, y la burbuja de aire 38 ocupa un volumen de unos 5-8 ml y sirve también para la compensación del volumen.

La proporción de volumen del primer material de nivelación 34 se ajusta con respecto a la proporción de volumen del segundo material de nivelación 38 y a la densidad del material acumulador de calor latente 32 en combinación con el volumen total de la encapsulación 11, de manera que se puedan producir los efectos ventajosos de la nivelación.

En las figuras 6 y 7, el acumulador de calor latente 50 según la invención se muestra en dos estados de funcionamiento diferentes, estando dotado su depósito 51 de una carga a granel 52 de elementos acumuladores de calor latente 10 según la invención. Como elemento de intercambio de calor 54 se utiliza el agua, opcionalmente mezclada con aditivos como agentes anticongelantes, inhibidores, protectores contra la corrosión, y siendo la relación volumen carga entre el agua y los elementos acumuladores de calor latente 10 de aproximadamente 1:1.

En la figura 6 se muestran las relaciones al cargar el acumulador de calor latente 50 con frío procedente de un circuito de refrigeración 56 a través de un intercambiador de calor 58 que realiza una separación hidráulica de elementos entre el circuito de refrigeración 56 (circuito secundario) y el circuito de intercambio de calor 60 (circuito primario) del acumulador de calor latente 50. En este caso se prevé una bomba 62 en el circuito primario 60. Según la aplicación, el acumulador de calor latente 50 también puede funcionar directamente, es decir, sin separación del sistema a través de un intercambiador de calor 58. Sin embargo, en caso de una separación del sistema, las cantidades de energía y las temperaturas necesarias pueden ajustarse ventajosamente de forma ideal por medio de diferentes flujos de masa en el circuito primario 60 y en el circuito secundario 56.

En la figura 7 se muestran las relaciones correspondientes durante la extracción de frío del acumulador de calor latente 50.

Puede verse que en el caso del acumulador de calor latente 50 según la invención se trata de un acumulador híbrido, en el que el PCM 32 macroencapsulado se encuentra en un depósito 56 lleno de agua.

En este caso, las macroencapsulaciones 11 se construyen de manera que, además de una gran superficie, los grosores de capa de PCM se mantengan al mismo tiempo tan bajos que todo el PCM 32 participe en el proceso de cambio de fase, garantizándose al mismo tiempo una estratificación 52 de los elementos acumuladores de calor latente estratificados 10 con una capacidad de flujo por toda la superficie.

El agua 54 contenida en el elemento acumulador de calor latente 50 también se utiliza para el balance energético y la dinámica del elemento acumulador de calor latente 50. Debido a la masa del agua 54, se almacenan cantidades más o menos apreciables de energía en la proporción de agua en todos los rangos de temperatura, dependiendo de la diferencia de temperatura. Como consecuencia de la separación del sistema del acumulador de calor latente 50 mediante el intercambiador de calor de placas 58 del circuito secundario 56, esta agua de acumulador 54 funciona con la ayuda de una bomba en el circuito primario 60. Por consiguiente, las cantidades de energía almacenadas se conservan en el sistema de almacenamiento. Por lo tanto, el agua 54 sirve, por una parte, como portador de la energía térmica para el acoplamiento y desacoplamiento de la energía térmica y, por otra parte, como elemento acumulador sensible.

Ahora, el acumulador de calor latente 50 según la invención puede integrarse en el proceso energético de un edificio (no mostrado), previéndose una máquina frigorífica de absorción (no mostrada), que funciona, por ejemplo, con bromuro de litio/agua y que sirve para la climatización de las habitaciones, y previéndose como equipamiento suplementario una unidad combinada de electricidad y calefacción (BHKW) convenientemente dimensionada y una tecnología de bomba de calor, energía solar térmica (no mostrada):

Si una máquina frigorífica de absorción utilizada, por ejemplo, para la generación de frío, funciona en puntos de funcionamiento respectivamente favorables o en caso puramente necesario, una parte de la energía de refrigeración se utiliza directamente para enfriar el edificio. La otra parte del flujo de energía puede almacenarse en el acumulador de calor latente 50. Este exceso de frío que, debido a las pequeñas diferencias de temperatura a las que por razones económicas y técnicas funcionan los sistemas de refrigeración modernos, y que, por consiguiente, sólo podría almacenarse en una medida relativamente pequeña en un acumulador sensible que contuviera, por ejemplo, agua, puede aprovecharse de forma óptima. El acumulador de calor latente 50 cargado de frío está inmediatamente disponible como acumulador adicional de picos de carga o redundancia (por ejemplo, en caso de mantenimiento) para cubrir los picos de potencia necesarios. El acumulador de calor latente 50 según la invención funciona a temperaturas constantes cercanas a la temperatura de cambio de fase del PCM 32 y puede almacenar y liberar de nuevo una gran cantidad de energía térmica con pequeñas diferencias de temperatura a través del cambio de fase del PCM.

El acumulador de calor latente 50 según la invención se configura, por ejemplo, como un acumulador de carga máxima con una proporción de PCM de 2.280 kg de PCM 32 y de 6.500 kg de agua 54. En caso de una diferencia de temperatura de 8 K, resulta una capacidad de 125,4 kWh para el PCM 32 y de 60,3 kWh para la parte de agua 54, es decir, una capacidad total de 185,7 kWh. La potencia oscila entre 25 y 50 kW en dependencia de la relación de caudal, de la diferencia de temperatura y del tiempo de duración. Mediante la variación de los caudales en el circuito primario 60 y en el circuito secundario 56 se pueden ajustar de forma continua las potencias entre los dos circuitos 56, 60.

Gracias a las propiedades híbridas, el acumulador de calor latente 50 es capaz, con un acondicionamiento térmico adecuado, en primer lugar, de liberar la energía de refrigeración sensible sin retraso debido al contenido de agua y a continuación de liberar la energía almacenada de forma latente sin transición perceptible debido al material acumulador de calor latente 32. En caso de un aumento repentino de la demanda de refrigeración (por ejemplo, la llegada de un grupo muy numeroso de visitantes a un edificio público), uno o varios acumuladores latentes 50, por ejemplo, pueden descargarse simplemente en un circuito secundario correspondiente 56 (circuito de refrigeración de habitación). Esto tiene lugar en un proceso continuo y energéticamente favorable, dado que como consecuencia de la temperatura de descarga continua no es preciso tomar medidas que consuman energía como los cambios continuos de caudal de la bomba. De este modo se crea una nivelación del perfil de potencia y de temperatura/absorción de la energía de refrigeración excedente (cuando la demanda de refrigeración disminuye). En este caso, los sistemas de BHKW y de bombas de calor que funcionan en paralelo se benefician de esta estabilización del proceso.

Estos sistemas energéticos dependientes unos de otros (sistemas BHKW y de bombas de calor) están en concreto dominados fundamentalmente por el sistema de acumulador utilizado: sin o con un acumulador sensible puro (agua), los componentes del sistema conectados sucesivamente están forzados a un ciclo constante o a un aumento lineal de la potencia para servir a las crecientes temperaturas del agua del acumulador. Además de un mayor consumo de energía y de una necesidad de espacio operativo considerablemente mayor (2-3 veces más que la solución según la invención), se acorta especialmente la vida útil de los componentes del sistema. Además, apenas es posible un control energéticamente eficiente. Simplemente la entrada de la bomba de calor en el campo de alta presión está asociada a diferencias extremas de temperatura en los ciclos y resulta muy contraproducente en términos de energía y tecnología.

Por el contrario, en caso de uso de uno o varios acumuladores de calor latente 50 según la invención, mediante la amortiguación de grandes cantidades de energía a una temperatura constante, el modo de funcionamiento continuo de los generadores de energía implicados se controla automáticamente a través de esta contraamortiguación. De este modo, la máquina frigorífica puede funcionar a una potencia constante sin necesidad de ciclos ni de adaptaciones constantes de la potencia a la demanda de carga de refrigeración en ese momento.

Esta constancia se apoya en una posible operación de carga parcial. En este caso, las capacidades del acumulador de calor latente sólo descienden hasta un máximo del 40% durante el funcionamiento normal. Así, en caso de fallo de la máquina frigorífica, están disponibles las reservas de refrigeración correspondientes, a fin de garantizar un suministro de puente.

Con el acumulador de calor latente 50 según la invención, un sistema de refrigeración por absorción tiene un absorbedor de frío eficiente y de alta capacidad con una temperatura de funcionamiento constante. De este modo se evita una sincronización de la máquina de refrigeración que, de otro modo, funcionaría de forma continua, evitándose los procesos de arranque y parada no deseados desde un punto de vista energético.

Aunque la invención se ha descrito antes por medio de un ejemplo de realización con una temperatura de cambio de fase de 53°C, en principio ésta puede utilizarse para rangos de temperatura de trabajo o para temperaturas de cambio de fase al menos de entre -30 y 200°C.

Gracias a la temperatura de almacenamiento constante determinada por el material de cambio de fase, esta aplicación, con sus datos de capacidad y de rendimiento, resulta muy adecuada para llevar a cabo un almacenamiento de energía altamente eficiente y, por lo tanto, un modo de funcionamiento en caso de proveedores de energía volátiles o cíclicos como, por ejemplo, bombas de calor, energía solar térmica, BHKW, quemadores de petróleo y de gas, calefacción o refrigeración geotérmicas, etc.

Ha quedado claro que con la presente invención se crea una macroencapsulación 11 para materiales acumuladores de calor latente que forma una unidad térmicamente funcional, estable en cuanto a los ciclos y económica, de manera que sea posible construir de un modo muy sencillo y económico acumuladores de calor latente 50 con una excelente eficiencia de absorción y de liberación de calor.

Siempre que no se indique lo contrario, todas las características de la presente invención pueden combinarse libremente y de forma aislada con otras características. Siempre que no se indique lo contrario, las características descritas en la descripción de las figuras pueden combinarse libremente y de forma aislada como características de la invención con las demás características, especialmente con las características de la reivindicación. En este caso, las características objetivas también pueden utilizarse formuladas de otro modo como características del procedimiento y las características del procedimiento pueden utilizarse formuladas de otro modo como características objetivas.

Lista de referencias

10 Acumulador de calor latente según la invención

11 Carcasa, encapsulación

12 Lado superior

14 Lado inferior

16 Perímetro

18 Zona media, zona central

20 Zona marginal

22 Escotadura central

24, 26 Repliegues cóncavos

28 Acanaladuras de desarrollo radial

30 Zona de flujo

32 Material acumulador de calor latente, PCM

34 Material de ponderación, primer material de nivelación

36 Pieza suplementaria de llenado

38 Burbuja de aire, segundo material de nivelación

50 Acumulador de calor latente según la invención

51 Depósito del acumulador de calor latente 50

52 Carga a granel de elementos acumuladores de calor latente 10 según la invención 54 Elemento de intercambio de calor, agua, elemento portador de calor

56 Circuito de refrigeración, circuito secundario

58 Intercambiador de calor

60 Circuito de intercambiador de calor, circuito primario

62 Bomba

UH Horizonte perimetral

h Altura máxima de la carcasa 11

D_E Diámetro de los repliegues 24, 26

D_A Diámetro de la escotadura 22

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Elemento acumulador de calor latente (10) con un material acumulador de calor latente (32) dispuesto en una encapsulación (11) que presenta al menos una temperatura de cambio de fase, produciéndose a esta temperatura un cambio de fase entre una primera fase y una segunda fase, presentando la encapsulación (11) una forma elipsoidal con una sección transversal no circular que se inclina hacia el borde con un lado superior (12) y con un lado inferior (14), caracterizado por que la encapsulación (11) presenta, al menos en uno de los lados superior (12) o inferior (14), al menos una acanaladura (28).

2. Elemento acumulador de calor latente (10) según la reivindicación 1, caracterizado por que la encapsulación (11) presenta una forma de disco, preferiblemente una forma similar a una lente o a un disco.

3. Elemento acumulador de calor latente (10) según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la encapsulación (11) presenta al menos una escotadura (22), configurándose la escotadura (22) preferiblemente como perforación y disponiéndose la escotadura (22) especialmente en el centro.

4. Elemento acumulador de calor latente (10) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la encapsulación (11) presenta, al menos en un lado (12, 14), una zona replegada, preferiblemente cóncava (24, 26).

5. Elemento acumulador de calor latente (10) según la reivindicación 4, caracterizado por que la zona replegada (24, 26) se dispone en el centro.

6. Elemento acumulador de calor latente (10) según la reivindicación 4 o 5, caracterizado por que la zona replegada (24, 26) se comunica con la escotadura (22) según la reivindicación 3.

7. Elemento acumulador de calor latente (10) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la acanaladura (28) se extiende preferiblemente de forma radial y en especial completamente entre una zona marginal (20) y una zona central (18).

8. Elemento acumulador de calor latente (10) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la encapsulación (11) presenta en el lado superior (12) y en el lado inferior (14) respectivamente al menos una acanaladura (28), disponiéndose las acanaladuras (28) del lado superior (12) y las acanaladuras (28) del lado inferior (14) desplazadas azimutalmente entre sí con respecto a una vista en planta de la encapsulación (11).

9. Elemento acumulador de calor latente (10) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que, adicionalmente al material acumulador de calor latente (32), la encapsulación (11) presenta al menos un material de nivelación (34, 38).

10. Elemento acumulador de calor latente (10) según la reivindicación 9, caracterizado por que el material de nivelación (34, 38) presenta uno o varios gases, ventajosamente aire (38), siendo la proporción de volumen de los gases (38) en el volumen total de la encapsulación (11) preferiblemente del orden del 1% al 30%, preferiblemente del orden del 5% al 20% y en especial del orden del 10% al 15%.

11. Elemento acumulador de calor latente (10) según la reivindicación 9 o 10, caracterizado por que la proporción de volumen del material de nivelación (34, 38) se dimensiona de manera que el elemento acumulador de calor latente (10) presente una densidad del orden de 0,8 a 1,2 g/cm3, preferiblemente de 0,9 a 1,1 g/cm3, especialmente de 0,99 a 1,01 g/cm3 a la temperatura de cambio de fase, una densidad del orden de 0,90 a 0,98 g/cm3 para la primera fase totalmente configurada por encima de la temperatura de cambio de fase y una densidad del orden de 1,02 a 1,1 g/cm3 para la segunda fase totalmente configurada por debajo de la temperatura de cambio de fase.

12. Elemento acumulador de calor latente (10) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la encapsulación (11) presenta un material plástico preferiblemente termoplástico, en especial polietileno, polipropileno, poliamida, poliéster o policarbonato.

13. Acumulador de calor latente (50) con uno o varios elementos acumuladores de calor latente (10), conteniendo los elementos acumuladores de calor latente (10) un material acumulador de calor latente (32) dispuesto en una encapsulación (11) que presenta al menos una temperatura de cambio de fase, produciéndose a esta temperatura un cambio de fase entre una primera fase y una segunda fase, presentando el acumulador de calor latente (50) un elemento portador de calor (54) que rodea al menos parcialmente los elementos acumuladores de calor latente (10), presentando el acumulador de calor latente (50) al menos una conexión (60) para la carga de calor y al menos una conexión (60) para la extracción de calor, caracterizado por que al menos un elemento acumulador de calor latente (10) se configura según una de las reivindicaciones 1 a 12.

14. Acumulador de calor latente (50) según la reivindicación 13, caracterizado por que el acumulador de calor latente (50) presenta al menos dos elementos acumuladores de calor latente (10) con diferentes temperaturas de cambio de fase.