ES2348172T3

ES2348172T3 - Acumulador de calor para agua de calefacción o agua de servicio.

Info

Publication number: ES2348172T3
Application number: ES06025505T
Authority: ES
Inventors: Thomas Zollner; Uwe Marx; Burkhard Mathes; Jens Langer; Rainer Lang Dr.
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-09
Publication date: 2010-11-30
Anticipated expiration: 2026-12-09
Also published as: AT502648A4; AT502648B1

Abstract

Circuitos con un acumulador de calor (1) para agua de calefacción y/o agua de servicio, que está comunicado a través de un circuito con una fuente de calor (9), y a través de otro circuito con por lo menos un consumidor de calor (10, 7), estando el acumulador de calor cargado con una emulsión (PCS, 2) a base de agua y parafina, caracterizado porque la parafina de la emulsión (PCS, 2) del acumulador de calor está microencapsulada, con lo cual la emulsión representa una Phase Change Slurry (PCS), y donde el acumulador de calor (1) está unido a la fuente de calor (9) y/o al consumidor de calor (10, 7) a base de respectivamente una emulsión (PCS, 2) a base de agua y parafina microencapsulada, es decir un circuito por el que circula una Phase Change Slurry.

Description

La invención se refiere a un acumulador de calor para agua de calefacción o agua de servicio.

Por el estado de la técnica se conocen acumuladores de calor de agua de calefacción o agua de servicio de una sola pieza llenos de agua, que se calientan por medio de una fuente de calor ambiental, por ejemplo un absorbedor solar y/o un equipo de calefacción convencional.

En los acumuladores de agua caliente existe el problema de que por una parte la temperatura no debe rebasar una determinada temperatura con el fin de limitar las pérdidas por radiación. Para poder extraer calor a un determinado nivel se requiere una determinada temperatura mínima dentro de un campo limitado. Por otra parte, es preciso mantener la temperatura al menos temporalmente por encima de 55°C con el fin de evitar la formación de legionella. De ahí resulta un campo de temperaturas relativamente reducido dentro del cual puede permanecer la temperatura del acumulador. Por lo tanto se requiere un depósito acumulador relativamente grande para poder absorber mucho calor. Pero un volumen grande tiene también una gran superficie por lo que se producen pérdidas considerables hacia el medio ambiente.

El documento WO 1003/064931 A1 muestra un elemento de pared y de techo con un material de cambio de fase para el almacenamiento intermedio temporal del calor evacuado de los recintos y que en caso de necesidad se puede volver a utilizar. Para ello se emplea una emulsión a base de agua y parafina microencapsulada, con el fin de incrementar la resistencia al fuego y evitar los escapes de parafina. La mala conductibilidad térmica de la parafina se compensa mediante la adición de grafito.

Por el documento DE 29 22 162 A1 se conoce una emulsión a base de agua y ácido esteárico (C14H36O2). La emulsión se almacena en un tanque aislado térmicamente y se calienta en un circuito cerrado cargado de emulsión a través de un intercambiador de calor, por medio de un calentador solar. En otro intercambiador de calor que está unido con el tanque conduciendo emulsión se puede transmitir el calor a una calefacción de locales.

El documento EP 1 482 254 A1 muestra un acumulador de calor latente que está unido a una célula de combustible para poder acumular calor a una temperatura sensiblemente constante.

Por el documento DE 30 24 201 A1 se conoce una bomba de acumulador de calor latente y vaso de expansión. El vaso de expansión sirve para compensar las variaciones de volumen del medio en un serpentín tubular para calentamiento del acumulador de calor latente.

Por el documento US 4 911 232 se conoce un único circuito atravesado por un material acumulador de calor latente microencapsulado, donde una fuente de calor, un acumulador, un consumidor de calor y una bomba están conectados en serie. Por lo tanto no se pueden desacoplar la aportación de calor y la cesión de calor.

El objetivo de la presente invención es incrementar la capacidad térmica de un acumulador de calor de agua de calefacción o de agua de servicio, reduciendo al mismo tiempo el volumen necesario del acumulador y el nivel de temperatura necesario.

De acuerdo con la invención se resuelve esto según la reivindicación 1 por el hecho de que el acumulador de calor esté lleno de una emulsión (PCS) a base de agua y materiales acumuladores de calor latente (Phase Change Materials, PCM), y porque el acumulador de calor está unido a la fuente de calor y/o al consumidor de calor mediante sendos circuitos atravesados por una emulsión (PCS).

De acuerdo con las características de la reivindicación 2 se calienta la emulsión en un equipo de calefacción y se conduce a continuación al acumulador. Alternativamente y según la reivindicación 3, se calienta la emulsión en el mismo acumulador mediante un intercambiador de calor calentado por un equipo de calefacción.

Resulta especialmente ventajosa una mezcla a base de agua o glicol hidratado y parafina microencapsulada.

La parafina (CnH2n+2) es una denominación colectiva para mezclas de hidrocarburos saturados que se obtienen principalmente a partir del petróleo. Las parafinas, que también se denominan ceras, son sustancias orgánicas que una vez refinadas son inodoras, insípidas y no tóxicas. Se distingue entre parafinas normales e isoparafinas. Las parafinas normales son cadenas simples largas. Las isoparafinas llevan unas ramas que se derivan de una cadena básica larga. Para las aplicaciones termotécnicas se emplean principalmente parafinas normales. La temperatura de fusión de las parafinas está entre 30 y 90°C para un índice n entre 18 y 50. Al ir aumentando la longitud de la cadena molecular, es decir al aumentar la masa molar, aumenta progresivamente la temperatura de fusión del material. Las parafinas son muy adecuadas para aplicaciones térmicas. La ventaja de las parafinas está en el aprovechamiento del calor latente durante el cambio de fase. Una parte menor se acumula como calor sensible. La capacidad térmica específica de la parafina para calefacción está en unos 2,1 kJ (kg.K), la entalpía de fusión está en 180 a 230 kJ/kg. Por este motivo las parafinas son sumamente adecuadas para la acumulación de calor. Durante el cambio de fase la parafina acumula aproximadamente tanto calor como la misma cantidad de agua a una diferencia de temperatura de 40 K. Por este motivo las parafinas se emplean preferentemente dentro del campo de su temperatura de fusión ya que en este campo pueden acumular mucho calor. Sin embargo hay que vigilar que durante el cambio de fase de sólido (densidad 0,8 a 0,8 kg/l) a líquido (densidad 0,75 a 0,85 kg/l), el volumen aumenta aproximadamente en un 10%, de modo que en los acumuladores de calor cargados con parafinas se debería prever un dispositivo de compensación.

Una forma especial la representan las suspensiones de cambio de fase PCS (Phase Change Slurries). En este caso, la parafina en forma de pequeñas bolitas (diámetro 1 a 20 µm) se rodea con una envolvente (espesor de pared notablemente inferior a 200 nm) (microencapsulado). Estas bolitas se echan al agua, con lo cual se forma una emulsión a base de agua y bolitas con características de PCM, es decir con una alta capacidad de acumulación de energía dentro de un campo de temperaturas reducido. Eligiendo adecuadamente los PCM se puede ajustar la temperatura de fusión de la PCS de forma individual dentro de un campo situado preferentemente entre 6 y 65°C.

Una ventaja especial de la PCS frente al PCM está representada por el hecho de que en la PCS la parafina conserva su movilidad debido a las bolitas. En la parafina convencional se produce la solidificación primeramente en las superficies de transmisión de calor del medio refrigerante. La parafina se deposita en el transmisor de calor y forma una capa aislante, con lo cual se dificulta notablemente la ulterior transmisión de calor. La conductibilidad térmica de la parafina sólida está en solamente 0,18 W/(mK). En cambio en la PCS se solidifica la parafina únicamente en las bolitas. Las bolitas se pueden transportar alejándolas de la superficie de transmisión de calor con lo cual se facilita la transmisión de calor a la PCS restante.

De acuerdo con las características de la reivindicación 4, el acumulador latente presenta un dispositivo de compensación del volumen. Cuando el medio acumulador de energía de cambio de fase es la PCS, se puede emplear un vaso de dilatación convencional con un cojín de nitrógeno separado por una membrana. Un dispositivo de esta clase no se requiere si la PCS se calienta directamente en el equipo calefactor y el mismo equipo calefactor dispone de un vaso de dilatación.

De acuerdo con las características de la reivindicación dependiente 5 se puede mejorar la transmisión de calor mediante la recirculación de la emulsión.

Según las características de la reivindicación dependiente 6, se conecta a continuación del acumulador de calor un dispositivo de recalentamiento para poder mantener la temperatura del acumulador de calor a un nivel de temperatura relativamente bajo, que sea por ejemplo suficiente para una ducha, y poderlo calentar mediante recalentamiento hasta un nivel de temperatura más alto, tal como se requiere por ejemplo para el lavado de la vajilla.

Las características de la reivindicación dependiente 7 prevén que la fuente de calor sea una célula de combustible. En el caso de tratarse de células de combustible se debe poder desacoplar el calor, a ser posible a un nivel de temperatura prácticamente constante. Por este motivo la combinación de una célula de combustible con un acumulador de calor latente resulta especialmente adecuada ya que éste último puede recibir grandes cantidades de calor a un

nivel de temperatura prácticamente constante.

La invención se describe a continuación con mayor detalle sirviéndose de los dibujos.

La Figura 1 muestra una calefacción con un acumulador de calor 1 cargado con una PCS 2. La temperatura de fusión de la PCS 2 está ajustada a la temperatura de consigna de la parte acumuladora, y ya no se puede modificar. El acumulador de calor 1 está unido por un lado a través de un intercambiador de calor 4 dentro del acumulador de calor 1, con un equipo de calefacción convencional 9. Por otra parte se encuentra en el acumulador de calor 1 un intercambiador de calor 5 que está unido a un intercambiador de calor de placas 10 de una estación de agua fresca no representada con mayor detalle, con alimentación de agua fría 15 y conducción de ida de agua de consumo 10. Entre el acumulador de calor de placas 10 y el acumulador de calor 1 se encuentra una bomba 11.

Durante el funcionamiento, el equipo de calefacción 9 calienta el acumulador de calor 10 con la PCS 2 contenida en el mismo, a través del intercambiador de calor 4 atravesado de arriba hacia abajo, a una temperatura de consigna de hasta 5 Kelvin por encima de la temperatura de fusión de la PCS 2, de modo que la PCS 2 queda totalmente fundida. Durante este proceso se funde primeramente la PCS 2 situada en la zona superior del acumulador de calor 1, y debido al enfriamiento del portador de calor en el intercambiador de calor 4 no se produce todavía en la zona inferior del acumulador de calor 1 ningún cambio de fase. Si se requiere agua de consumo caliente, se pone en funcionamiento la bomba 11 y transporta agua al intercambiador de calor 5. Ahí se absorbe calor de la PCS 2, que a su vez cede calor en el intercambiador de calor de placas 10 de la estación de agua fresca al agua de consumo fría que afluye. Si se baja por debajo de la temperatura de fusión del acumulador de calor 1, entonces la PCS 2 cede calor sin que disminuya la temperatura en el acumulador de calor 1. Solamente una vez que esté cristalizada toda la PCS 2, baja la temperatura en el acumulador de calor 1.

La Figura 2 muestra un acumulador de calor 1 conforme a la invención que se diferencia del acumulador de calor antes descrito por el hecho de que la PCS 2 se calienta directamente en el equipo de calefacción 9, y por lo tanto se puede renunciar al intercambiador secundario en el acumulador de calor 1. En lugar del intercambiador de calor de placas 10 de la estación de agua fresca se emplea por lo menos un radiador 7 de calefacción de locales como consumidor del calor acumulado.

La Figura 3 muestra un acumulador de calor 1 calentado mediante el intercambiador de calor 4 en cuyo interior hay una PCS 2, donde la PCS 2 se transporta mediante la bomba 11 en circuito cerrado al intercambiador de placas 10 de una estación de agua fresca.

La Figura 4 muestra el caso en el que la PCS 2 que se encuentra en el equipo de calefacción 9, el acumulador de calor actúa como acumulador por estratos y la PCS 2 se transporta mediante la bomba en circuito cerrado al intercambiador de calor de placas 10 de una estación de agua fresca.

5 Entre el equipo de calefacción 9 y el intercambiador de calor 4 se puede intercalar otro intercambiador de calor 22 con otro circuito y bomba 23 según la Figura 5.

En la Figura 6 está representado un intercambiador de calor 1 con una PCS 2, en el cual hay un agitador 20 en el acumulador de calor 1 con el fin de homogeneizar el contenido del acumulador y mejorar la transmisión de calor. Esto último también se consigue

10 incrementando el índice de Reynolds al aumentar la velocidad de flujo. Como alternativa se recircula según la Figura 7 la PCS 2 mediante la bomba 21 en el intercambiador de calor 1. La Figura 8 muestra el caso en el que el intercambiador de calor 1 sirve únicamente para calentar hasta un nivel mediante el cual se puede suministrar agua por ejemplo para

15 duchas o baño. El agua que se conduce al acumulador de calor 1 a través del conducto de agua fría 24 se puede utilizar o bien para la ducha o el baño a través de la conducción de agua caliente 25, o se puede conducir a través del intercambiador de calor 27 hacia la conducción de agua caliente 26, por ejemplo para lavar la vajilla. El intercambiador de calor 27 se puede calentar de forma directa o indirecta. De este modo se pueden reducir las pérdidas por estar

20 disponible y por la distribución gracias a la baja temperatura del acumulador. Debido al nivel de temperatura más bajo las bombas de calor y los equipos de poder calorífico pueden trabajar con mayor rendimiento.

Claims

Reivindicaciones

1.

Circuitos con un acumulador de calor (1) para agua de calefacción y/o agua de servicio, que está comunicado a través de un circuito con una fuente de calor (9), y a través de otro circuito con por lo menos un consumidor de calor (10, 7), estando el acumulador de calor cargado con una emulsión (PCS, 2) a base de agua y parafina, caracterizado porque la parafina de la emulsión (PCS, 2) del acumulador de calor está microencapsulada, con lo cual la emulsión representa una Phase Change Slurry (PCS), y donde el acumulador de calor (1) está unido a la fuente de calor (9) y/o al consumidor de calor (10, 7) a base de respectivamente una emulsión (PCS, 2) a base de agua y parafina microencapsulada, es decir un circuito por el que circula una Phase Change Slurry.
2.

Acumulador de calor (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque la PCS (2) se calienta directamente en un equipo de calefacción convencional (9).
3.

Acumulador de calor (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque la emulsión

(2) se calienta en el acumulador de calor (1), mediante un intercambiador de calor (4) calentado por un equipo de calefacción (9).
4.

Acumulador de calor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el acumulador de calor (1) presenta un dispositivo de compensación del volumen, preferentemente un vaso de dilatación.
5.

Acumulador de calor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en el acumulador de calor (1) se recircula la emulsión (2) mediante un dispositivo, preferentemente un agitador (20) o una bomba (21).
6.

Acumulador de calor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque a continuación del acumulador de calor (1) está conectado un dispositivo de recalentamiento, preferentemente un intercambiador (27) calentado de forma directa o indirecta.
7.

Acumulador de calor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la fuente de calor (9) es una célula de combustible.