ES2958532T3 - Sistema de tostado - Google Patents

Abstract

Un sistema (1) para tostar material particulado (P), tal como granos de café o cacao, granos, malta, comprendiendo dicho sistema: una unidad fotovoltaica (100) configurada para generar electricidad a partir de la radiación solar; un dispositivo de almacenamiento de calor (200) que comprende al menos un material de cambio de fase (201, 202, 203); un dispositivo de tostar (300) configurado para tostar dicho material en partículas; un circuito térmico (400) que conecta el dispositivo de almacenamiento de calor (200) al dispositivo de tostar (300), y configurado para hacer circular un fluido (FI) a través del dispositivo de tostar (300); y un circuito eléctrico (500) que conecta la unidad fotovoltaica (100) al dispositivo de almacenamiento de calor (200), y configurado para intercambiar calor con dicho al menos un material de cambio de fase (201, 202, 203). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de tostado

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un sistema de tostado para material particulado, tal como granos de café o cacao, granos, malta.

Antecedentes de la invención

Aunque el tostado de material particulado, tal como los granos de cacao o café, se realiza en grandes instalaciones industriales, sigue siendo una operación extremadamente delicada que requiere una pericia particular. La composición química del material cambia durante el tostado: su apariencia, así como el desarrollo de aromas y sabores, evoluciona durante esta operación. Además, al contacto con el calor algunos elementos desaparecen, mientras que otros se combinan.

Según las soluciones conocidas en la industria, el tueste se realiza en una parrilla circular o cilíndrica, denominada tostadora. Se trata de un aparato dotado de un tambor en rotación permanente para que el material, siempre en movimiento, se tueste uniformemente y sin quemarse. La fuente de calor debe regularse porque las reacciones evolucionan durante el tostado. Al final de la operación, el material debe enfriarse rápidamente para interrumpir los procesos químicos. Durante el tostado, el material particulado debe alcanzar una temperatura uniforme dentro de sí mismo, para obtener la mejor calidad posible. Algunas técnicas se distinguen por su duración y por la cantidad de calor usada. El método tradicional opera a baja temperatura durante mucho tiempo, lo que conlleva una pequeña cantidad de producción, pero una consecución de la mejor calidad. Por el contrario, los procesos industriales que permiten velocidades de producción más rápidas, generalmente se llevan a cabo a temperaturas más altas, con el resultado de que una parte del material se quemará, liberando sabores menos refinados.

En la actualidad, la energía no se usa de manera óptima en los dispositivos de tostado, y se pueden destacar numerosas pérdidas, por ejemplo, al considerar un sistema abierto con emisiones de gas de tostado y/o vapor, al exterior de este sistema. Además, el consumo de energía puede resultar sustancial cuando se trata de procesos industriales que operan a alta temperatura. Las instalaciones de tratamiento de emisiones no están reguladas de forma óptima, y funcionan a niveles de potencia elevados, lo que puede tener un impacto en el medio ambiente.

El documento US-6.922.908 B1 describe un secador construido y dispuesto para secar productos vegetales, como granos de café. El secador incluye un colector térmico, que está construido y dispuesto para convertir la energía solar en energía térmica, un sistema de transferencia de calor, y una carcasa, que define una cámara de secado. El colector térmico se coloca hacia una fuente de luz, y se conecta térmicamente al sistema de transferencia de calor. El sistema de transferencia de calor está en comunicación térmica con la cámara de secado.

El documento CN 105.520.165 A describe un sistema de horneado solar que comprende dispositivos de sala de horneado compuestos por cajas con cavidades de horneado formadas en el interior y un dispositivo de recolección de calor solar, un dispositivo de circulación de calor, y dispositivos de control de deshumidificación, respectivamente conectados a un dispositivo de sala de horneado. Los dispositivos de sala de horneado comprenden unidades de control para ejecutar la circulación de calor a los dispositivos de sala de horneado, que comprenden tubos de calentamiento eléctricos y sensores de temperatura dispuestos en las cavidades de horneado.

Sumario

La finalidad de las realizaciones de la invención es proponer un sistema de tostado de material particulado, susceptible de ser implementado industrialmente a altas tasas de producción, y que comprenda una eficiente generación y almacenamiento de energía, con el menor volumen y coste.

Se propone un sistema para tostar material particulado, tales como granos de café o cacao, granos, malta. El sistema comprende una unidad fotovoltaica configurada para generar electricidad a partir de la radiación solar, un dispositivo de almacenamiento térmico, que comprende al menos un material de cambio de fase, un dispositivo de tostado, configurado para tostar dicho material particulado, un circuito térmico que conecta el dispositivo de almacenamiento térmico con el dispositivo de tostado, y configurado para hacer circular un fluido a través del dispositivo de tostado, y un circuito eléctrico que conecta la unidad fotovoltaica al dispositivo de almacenamiento térmico, y configurado para intercambiar calor con dicho al menos un material de cambio de fase.

El sistema se basa, por tanto, en una fuente de energía limpia y renovable, evitando el uso de combustible fósil, para reducir las emisiones de carbono, un dispositivo de almacenamiento térmico derivado de esta fuente, y un dispositivo de tostado alimentado por el calor producido y/o almacenado. El circuito eléctrico asegura el suministro de electricidad al dispositivo de almacenamiento térmico y al intercambio de calor, con dicho al menos un material de cambio de fase.

El propio circuito térmico asegura la entrega de un flujo de calor procedente de un fluido que circula por el mismo al dispositivo de tostado, así como un intercambio de calor y/o materia entre este fluido y el dispositivo de tostado.

En vista de los futuros desafíos energéticos, el desarrollo de fuentes de energía sostenibles se está volviendo cada vez más de actualidad. Sin embargo, debido a que estas energías se entregan de manera inconsistente, su desarrollo está estrechamente ligado al de sistemas adecuados de almacenamiento de energía. Por tanto, la unidad fotovoltaica y el dispositivo de almacenamiento térmico permiten generar energía bajo demanda, y no solo cuando la luz solar sea suficiente. La unidad fotovoltaica convierte la energía solar en energía eléctrica. Además, el dispositivo de almacenamiento térmico permite almacenar energía térmica, que puede ser usada para calentar el fluido que circula en el circuito térmico. Entre las tecnologías existentes para el almacenamiento de energía térmica, el almacenamiento de calor latente mediante el uso de materiales de cambio de fase, resulta ser una solución de interés, ya que puede conducir a un tamaño de almacenamiento reducido y a una temperatura elevada. Los materiales de cambio de fase son materiales capaces de sufrir una transición de fase a una temperatura constante. El almacenamiento y la liberación de energía tienen lugar durante estos procesos de cambio de fase, y la cantidad de energía corresponde a su calor latente, que es relativamente alto en comparación con los sistemas de almacenamiento termosensibles.

Según una realización ilustrativa, la unidad fotovoltaica comprende al menos un panel fotovoltaico. Dicho al menos un panel fotovoltaico está normalmente compuesto por células fotovoltaicas que usan el efecto fotoeléctrico para convertir las ondas electromagnéticas (radiación) emitidas por el Sol, en electricidad. Varias células fotovoltaicas conectadas entre sí, normalmente forman un panel fotovoltaico, y varios paneles fotovoltaicos agrupados, normalmente forman una unidad fotovoltaica como se ha descrito anteriormente.

Según una realización preferida, el circuito eléctrico comprende al menos una resistencia eléctrica en contacto térmico con dicho al menos un material de cambio de fase, y un primer ramal eléctrico que conecta la unidad fotovoltaica a dicha al menos una resistencia eléctrica. En caso de contacto térmico directo con dicho al menos un material de cambio de fase, dicha al menos una resistencia eléctrica puede comprender una vaina protectora que la envuelve, y está realizada de un material termoconductor, estando dicha vaina en contacto térmico directo con dicho al menos un material de cambio de fase.

Según una realización preferida, el circuito térmico comprende un primer ramal térmico que atraviesa el dispositivo de almacenamiento térmico.

Según una realización preferida, el circuito térmico comprende un segundo ramal térmico paralelo al primer ramal térmico, y el circuito eléctrico comprende al menos una resistencia eléctrica en contacto con el segundo ramal térmico, y un segundo ramal eléctrico que conecta la unidad fotovoltaica a dicha al menos una resistencia eléctrica.

Por tanto, durante el día y cuando la luz solar sea suficiente, el fluido puede circular por el segundo ramal térmico, y ser calentado por dicha al menos una resistencia eléctrica en contacto con el segundo ramal térmico. En efecto, en este caso, la unidad fotovoltaica produce energía eléctrica suficiente para alimentar dicha al menos una resistencia eléctrica, y una parte de esta energía eléctrica puede suministrarla. Además, otra parte de la energía eléctrica producida por la unidad fotovoltaica puede suministrar dicha al menos una resistencia eléctrica en contacto térmico con dicho al menos un material de cambio de fase, de forma que se funda. De esta forma, este último permite el almacenamiento y liberación de energía en forma térmica. Durante la noche, o cuando la luz solar sea insuficiente, el fluido puede circular por el primer ramal térmico, y ser calentado por el dispositivo de almacenamiento térmico. En este caso, la unidad fotovoltaica no produce energía eléctrica suficiente para alimentar dicha al menos una resistencia eléctrica en contacto con el segundo ramal térmico. De esta forma, durante el día, la unidad fotovoltaica puede configurarse para producir energía eléctrica correspondiente al 100 % de la energía consumida en 24 horas por el sistema de tostado.

Según una realización preferida, el dispositivo de tostado comprende un compartimento de tratamiento configurado para recibir el material particulado, y al menos una unidad de generación configurada para generar al menos un flujo de gas y/o vapor a temperatura controlada a través del compartimento de tratamiento. Dicha al menos una unidad de generación está configurada para intercambiar calor entre el fluido y dicho al menos un flujo de gas y/o vapor, o para usar directamente el fluido para generar dicho al menos un flujo de gas y/o vapor.

Por lo tanto, se puede prescindir del uso de aceite térmico, como en las instalaciones solares térmicas que comprenden, por ejemplo, colectores solares de concentración. De hecho, el aceite térmico puede ser inflamable y no puede estar en contacto directo con el material particulado que se va a tostar. El aceite térmico permite el uso de intercambiadores de calor, pero no permite el intercambio directo de material entre el circuito térmico y el dispositivo de tostado.

Según una realización ilustrativa, el fluido está compuesto por gas y/o vapor.

En efecto, un gas como el aire, o un vapor como el vapor de agua, tienen capacidades caloríficas de interés para el desarrollo de una instalación industrial.

Según una realización preferida, el sistema de tostado comprende una batería eléctrica configurada para almacenar una parte de la electricidad generada por la unidad fotovoltaica.

Por tanto, la unidad fotovoltaica convierte la energía solar en energía eléctrica, y puede almacenar una parte de esta energía eléctrica en la batería eléctrica. En comparación con una solución que use exclusivamente baterías eléctricas para almacenar la energía producida por la unidad fotovoltaica, las realizaciones que involucran una batería eléctrica y un dispositivo de almacenamiento térmico, permiten una reducción del coste de almacenamiento de energía solar por un factor de tres, y permiten una reducción del volumen de almacenamiento de energía solar por un factor de dos.

La unidad fotovoltaica y/o la batería eléctrica, también pueden alimentar dispositivos eléctricos o electromecánicos, tales como motores, bombas, ventiladores y/o dispositivos electrónicos, tales como sistemas de control de los diversos componentes del sistema de tostado. Por tanto, durante el día, y cuando la luz solar sea suficiente, la unidad fotovoltaica puede alimentar dichos dispositivos y cargar la batería eléctrica, y durante la noche, o cuando la luz solar sea insuficiente, la batería eléctrica puede alimentar dichos dispositivos.

Según una realización preferida, el circuito eléctrico comprende medios de control configurados para controlar el flujo de la electricidad generada por la unidad fotovoltaica en el primer ramal eléctrico y en el segundo ramal eléctrico.

Según una realización preferida, el circuito térmico comprende medios de control configurados para controlar el flujo del fluido en el primer ramal térmico y en el segundo ramal térmico.

Según una realización ilustrativa, el sistema de tostado está configurado para asignar entre el 25 % y el 75 % de la electricidad generada por la unidad fotovoltaica a dicha al menos una resistencia eléctrica en contacto térmico con dicho al menos un material de cambio de fase, entre el 25 % y el 75 % de dicha electricidad a dicha al menos una resistencia eléctrica en contacto con el segundo ramal térmico, y entre el 0 % y el 10 % de dicha electricidad a dicha batería eléctrica.

Por tanto, una menor cantidad de dicha electricidad puede destinarse a la batería eléctrica usada para alimentar dichos dispositivos eléctricos y electromecánicos y/o dichos dispositivos electrónicos, procediendo la mayor parte del consumo de energía eléctrica generada por la unidad fotovoltaica, de las referidas resistencias eléctricas.

Según una realización preferida, la unidad fotovoltaica y el dispositivo de almacenamiento térmico están configurados para operar en un intervalo de temperaturas entre 150 °C y 350 °C, preferiblemente entre 200 °C y 300 °C.

De esta manera, se obtiene una calidad de material particulado comparable a la obtenida con un método de tostado tradicional. Este intervalo de temperaturas también permite reducir el consumo de energía térmica, manteniendo esta calidad. Por tanto, las realizaciones pretenden proponer un sistema de tostado de material particulado, susceptible de ser implementado industrialmente y de operar a baja temperatura, para obtener un material tostado de mejor calidad, con bajo consumo energético, y con altas tasas de producción.

Según una realización ilustrativa, dicha al menos una resistencia eléctrica en contacto térmico con dicho al menos un material de cambio de fase, comprende al menos dos resistencias eléctricas dispuestas en paralelo o en serie. Además, o como alternativa, el primer ramal térmico comprende al menos dos subramales térmicos dispuestos en paralelo en el interior del dispositivo de almacenamiento térmico.

Por tanto, el primer ramal térmico puede bifurcarse en varios subramales térmicos paralelos para aumentar el intercambio de calor entre dicho al menos un material de cambio de fase y los subramales térmicos. Dichas al menos dos resistencias eléctricas y/o dichos al menos dos subramales térmicos, pueden estar provistos de aletas en su superficie exterior, para optimizar el intercambio térmico con dicho al menos un material de cambio de fase.

Según una realización ilustrativa, dicho al menos un material de cambio de fase comprende un material aguas arriba y un material aguas abajo en la dirección de circulación del fluido. Preferiblemente, la temperatura de fusión del material aguas arriba es menor que la temperatura de fusión del material aguas abajo. Preferiblemente, la temperatura de solidificación del material aguas arriba es menor que la temperatura de solidificación del material aguas abajo.

De esta forma, si la intensidad de la luz incidente es débil, al menos una parte del dispositivo de almacenamiento térmico está en estado líquido, y permite la liberación de energía usada para el dispositivo de tostado. Esta configuración, que involucra diferentes materiales de cambio de fase dispuestos en capas, tiene una mayor eficiencia energética volumétrica que una configuración que involucra solo un material de cambio de fase.

Según una realización ilustrativa, dicho al menos un material de cambio de fase comprende uno cualquiera o más de los siguientes materiales: material orgánico, tal como parafina o ácidos grasos, combinación de acetato de potasio o acetato de sodio, mezcla eutéctica de sales fundidas, tal como cloruro de potasio y bromuro de litio, metales y sus aleaciones, sales hidratadas.

Según una realización preferida, el circuito térmico comprende un primer ramal de generación y un segundo ramal de generación, una primera válvula en el primer ramal de generación y una segunda válvula en el segundo ramal de generación, y una unidad de bomba configurada para bombear el fluido a través del primer ramal de generación y el segundo ramal de generación. Dicha al menos una unidad de generación comprende una primera unidad de generación acoplada al primer ramal de generación, y una segunda unidad de generación acoplada al segundo ramal de generación, un primer intercambiador de calor en la primera unidad de generación, y un segundo intercambiador de calor en la segunda unidad de generación.

Por tanto, el dispositivo de válvula que permite regular la temperatura del flujo de gas y/o vapor en las unidades de generación, permite el uso de una sola bomba. Para regular estas temperaturas, las válvulas pueden abrirse cada vez más hasta alcanzar un cierto porcentaje de la capacidad máxima de apertura. Más allá de este valor, la bomba puede comenzar a bombear más para regular dichas temperaturas.

Según una realización preferida, una unidad de generación de dicha al menos una unidad de generación comprende un intercambiador de calor que tiene un primer ramal en donde circula un flujo de gas y/o vapor, y un segundo ramal en donde circula el fluido. Dicho intercambiador de calor permite regular la temperatura de dicho flujo de gas y/o vapor.

Según una realización preferida, dicha al menos una unidad de generación comprende una primera unidad de generación, una segunda unidad de generación, y un intercambiador de calor que tiene un primer ramal en donde circula el flujo de gas y/o vapor generado por la primera unidad de generación, y un segundo ramal en donde circula un flujo de gas y/o vapor generado por la segunda unidad de generación. Dicho intercambiador de calor permite recuperar la energía del flujo de gas y/o vapor generado por la segunda unidad de generación, y que ha pasado por el compartimento de tratamiento.

De esta forma, cada unidad de generación puede comunicarse con el circuito térmico o con otra unidad de generación, mediante intercambiadores de calor, de forma que se regule la temperatura del flujo de gas y/o vapor.

Según una realización ilustrativa, el sistema comprende un sistema de control configurado para controlar el intercambiador de calor entre una unidad de generación y el circuito térmico, y/o el intercambiador de calor entre una primera unidad de generación y una segunda unidad de generación, con el fin de regular la temperatura del caudal de gas y/o vapor generado por dicha unidad de generación.

Según una realización ilustrativa, el sistema comprende, además, un ventilador dispuesto en el primer ramal del intercambiador de calor, y una válvula conectada entre dicho primer ramal y una entrada de aire fresco. El sistema de control está configurado para controlar el ventilador y/o la válvula.

Como se ha descrito anteriormente, la temperatura del flujo de gas y/o vapor de cada unidad de generación, se regula mediante intercambiadores de calor. La velocidad y composición de estos flujos se regulan, respectivamente, mediante el uso de ventiladores y válvulas regulables.

Según una realización preferida, dicha al menos una unidad de generación comprende una primera unidad de generación y una segunda unidad de generación. La primera unidad de generación está configurada para usar directamente, es decir, sin recurrir a un intercambiador de calor, al menos una parte del flujo de gas y/o vapor generado por la segunda unidad de generación, preferiblemente una unidad de generación aguas abajo de dicha primera unidad de generación, y que ha pasado a través el compartimento de tratamiento, para generar su propio flujo de gas y/o vapor.

Por tanto, no solo la energía, sino también el material, se pueden transferir de una unidad de generación a otra.

Según una realización ilustrativa, la primera unidad de generación comprende una válvula configurada para regular el flujo de gas y/o vapor desde la segunda unidad de generación hacia la primera unidad de generación. El sistema comprende, además, un sistema de control configurado para controlar dicha válvula, con el fin de regular la temperatura y/o la composición del flujo de gas y/o vapor generado por la primera unidad de generación.

Esta válvula permite regular la parte del caudal procedente de la segunda unidad de generación que se redirige a la primera unidad de generación.

Según una realización preferida, el dispositivo de tostado comprende un sistema de transporte configurado para transportar una capa de material particulado a través del compartimento de tratamiento que comprende una primera zona, una o más zonas intermedias, y una última zona, de manera que el material particulado pase consecutivamente a través de la primera zona, las zonas intermedias y la última zona.

La solución existente para tostar material particulado es el uso del método por lotes o discontinuo, en donde el material particulado se agita en un tambor rotatorio mientras se sopla aire caliente a través de él. Este método produce lotes de material tostado a intervalos regulares. Las ventajas de transportar una capa de material particulado, permitiendo así un funcionamiento continuo, a través de un compartimento de tratamiento compuesto por varias zonas, son la reducción de la cantidad de energía mecánica a suministrar durante el tueste, así como la posibilidad de operar a temperaturas más bajas que puedan ajustarse de tal forma que se obtenga un tostado óptimo, obteniendo así un material tostado de mejor calidad. Aunque el método de tostado que usa un compartimento de tratamiento que comprende varias zonas es el método preferido según el propósito de las realizaciones de la invención, se puede considerar el uso de uno o más tambores giratorios, combinados con una unidad fotovoltaica y un dispositivo de almacenamiento térmico. Como estos dos métodos no operan en el mismo intervalo de temperaturas, se pueden considerar diferentes configuraciones y regímenes operativos para la producción y almacenamiento de calor. También se puede considerar el uso de un dispositivo de tostado que comprenda al menos un lecho fluidizado de material particulado, combinado con una unidad fotovoltaica y un dispositivo de almacenamiento térmico. Dicho al menos un lecho fluidizado puede producirse dirigiendo un flujo de gas y/o vapor verticalmente ascendente hacia el material particulado a tostar. Como dichos métodos que involucran uno o más tambores giratorios, o al menos un lecho fluidizado de material particulado, no funcionan de manera continua, se pueden considerar diferentes configuraciones y regímenes operativos para la producción y almacenamiento de calor, en particular, puede preverse un dispositivo de almacenamiento térmico de mayor volumen.

Según una realización ilustrativa, el sistema de transporte comprende medios de alimentación configurados para alimentar el material particulado, de modo que la capa tenga un espesor que comprenda no más de 10 partículas del material particulado, tales como granos, preferiblemente no más de 3 partículas, más preferiblemente, no más de 2 partículas.

De esta forma, la determinación de la altura máxima de la capa de material particulado, es decir, el número de partículas que pueden superponerse sin que estas partículas se adhieran entre sí, asegura una temperatura uniforme en el interior de todas las partículas. Al proporcionar una capa fina, es más fácil hacer que la temperatura dentro de las partículas sea más uniforme.

Según una realización preferida, dicha al menos una unidad de generación comprende: una primera unidad de generación, configurada para generar un primer flujo de gas y/o vapor a través de la primera zona; una o más unidades de generación intermedia, configuradas para generar uno o más flujos intermedios de gas y/o vapor a través de una o más zonas intermedias; una última unidad de generación, configurada para generar un último flujo de gas y/o vapor a través de la última zona; un sistema de control, configurado para controlar la primera unidad de generación, la una o más unidades de generación intermedia y la última unidad de generación, de manera que la capa de material particulado se precaliente y se seque en la primera zona, se tueste en la una o más zonas intermedias, y se enfríe en la última zona.

Por tanto, este tostador se divide en diferentes zonas, donde cada zona tiene una temperatura diferente, para alcanzar en cada zona una determinada temperatura predeterminada en el interior del material particulado, realizándose el calentamiento por gas y/o vapor.

Según una realización ilustrativa, el sistema de control está configurado para usar al menos una parte del caudal de gas y/o vapor que ha pasado por una de las zonas para generar el caudal de gas y/o vapor de otra zona, preferiblemente de una zona aguas arriba de dicha zona.

Este sistema de recuperación y recirculación de calor permite reducir tanto el consumo de energía térmica, como el nivel de emisiones de gases y/o vapores al exterior. El uso de al menos una parte del flujo de gas y/o vapor que ha pasado por una zona aguas abajo de la zona que recupera este flujo, tiene la ventaja de que este último está a una temperatura más alta. Por tanto, la cantidad de calor recuperado es mayor.

Breve descripción de las figuras

Las realizaciones de la invención se describirán a continuación con más detalle, con referencia a los dibujos adjuntos. En los dibujos, los números de referencia idénticos corresponden a características idénticas o similares.

La Figura 1 ilustra una vista esquemática de una realización ilustrativa de un sistema de tostado según la invención;

la Figura 2 ilustra una vista esquemática de una realización ilustrativa de una unidad fotovoltaica según la invención;

la Figura 3 ilustra una vista esquemática de una realización ilustrativa de la interfaz entre el primer ramal eléctrico y el dispositivo de almacenamiento térmico según la invención;

la Figura 4 ilustra una vista esquemática de una realización ilustrativa de un dispositivo de almacenamiento térmico según la invención;

la Figura 5 ilustra una vista esquemática de una realización ilustrativa de un dispositivo continuo de tostado de material particulado según la invención;

la Figura 6A ilustra una vista esquemática de una realización ilustrativa de la interfaz entre el circuito térmico y el dispositivo de tostado según la invención;

la Figura 6B ilustra una vista esquemática de otra realización ilustrativa de la interfaz entre el circuito térmico y el dispositivo de tostado según la invención;

la Figura 7 ilustra una vista esquemática de una realización ilustrativa de la interfaz entre el circuito térmico y una unidad de generación del dispositivo de tostado según la invención;

la Figura 8 ilustra una vista esquemática de una realización ilustrativa de la interfaz entre dos unidades de generación del dispositivo de tostado según la invención;

la Figura 9 ilustra una vista esquemática de otra realización ilustrativa de la interfaz entre dos unidades de generación del dispositivo de tostado según la invención.

Descripción de las realizaciones

La Figura 1 ilustra esquemáticamente una realización ilustrativa de un sistema de tostado según la presente invención.

En la realización ilustrativa ilustrada en la Figura 1, el sistema 1 para tostar material particulado, como granos de café o cacao, granos, malta, comprende una unidad fotovoltaica 100 configurada para generar electricidad a partir de la radiación solar, un dispositivo 200 de almacenamiento térmico que comprende al menos un material de cambio de fase (véase Figura 4), un dispositivo 300 de tostado configurado para tostar el material particulado P, un circuito térmico 400 que conecta el dispositivo 200 de almacenamiento térmico al dispositivo 300 de tostado, y configurado para hacer circular un fluido F1 a través del dispositivo 300 de tostado, y un circuito eléctrico 500 que conecta la unidad fotovoltaica 100 al dispositivo 200 de almacenamiento térmico, y configurado para intercambiar calor con dicho al menos un material de cambio de fase.

La unidad fotovoltaica 100 comprende tres paneles fotovoltaicos 101, 102, 103 dispuestos en paralelo, pero el experto en la materia comprenderá que el número y/o la disposición (en serie o en paralelo) de los paneles fotovoltaicos incluidos en la unidad fotovoltaica 100 puede variar.

El dispositivo 200 de almacenamiento térmico se basa en el uso de uno o más materiales de cambio de fase, capaces de almacenar y liberar energía térmica, y que comprende, por ejemplo, materiales orgánicos, tales como parafina o ácidos grasos, combinación de acetato de potasio o acetato de sodio, mezcla eutéctica de sales fundidas, tales como cloruro de potasio y bromuro de litio, metales y sus aleaciones, sales hidratadas, o una combinación de los materiales antes mencionados.

El dispositivo 300 de tostado comprende un compartimento 310 de tratamiento, configurado para recibir el material particulado P, así como cuatro unidades 321, 322, 323, 324 de generación configuradas para generar cuatro flujos de gas y/o vapor, con temperatura controlada, a través del compartimento 310 de tratamiento. Al menos una de las unidades 321, 322, 323, 324 de generación, preferiblemente cada unidad de generación, está configurada para intercambiar calor entre el flujo de gas, y/o vapor que genera, y el fluido F1. Al menos una de las cuatro unidades 321, 322, 323, 324 de generación, preferiblemente cada unidad de generación, puede configurarse para intercambiar calor entre el fluido F1 y el flujo de gas, y/o vapor que genera (véase Figura 6A), o para directamente usar el fluido F1, es decir, sin recurrir a un intercambiador de calor intermedio, para generar el flujo de gas y/o vapor que genera (véase Figura 6B). El fluido F1 puede estar en forma de gas y/o vapor, en particular en la realización de la Figura 6B, pero el experto en la materia comprenderá que se puede usar otro fluido con una capacidad calorífica similar.

El dispositivo 300 de tostado comprende cuatro unidades 321, 322, 323, 324 de generación, pero el experto en la materia comprenderá que su número puede variar. Además, el compartimento 310 de tratamiento puede comprender un sistema 330 de transporte, configurado para transportar una capa L de material particulado P, o bien un sistema de tambores giratorios. Por lo tanto, el tueste de material particulado P puede operar de forma continua o discontinua. Finalmente, el dispositivo 300 de tostado comprende un sistema 700 de control, configurado para regular la temperatura y/o la composición y/o la velocidad de los flujos de gas y/o vapor generados por las unidades de generación.

El circuito térmico 400 comprende un primer ramal térmico 410 que atraviesa el dispositivo 200 de almacenamiento térmico. El circuito eléctrico 500 comprende al menos una resistencia eléctrica (véase Figura 3) en contacto térmico con dicho al menos un material de cambio de fase, y un primer ramal eléctrico 510 que conecta la unidad fotovoltaica 100 a dicha al menos una resistencia eléctrica. El circuito térmico 400 comprende, además, un segundo ramal térmico 420 paralelo al primer ramal térmico 410. El circuito eléctrico 500 comprende, además, al menos una resistencia eléctrica 504 en contacto con el segundo ramal térmico 420, y un segundo ramal eléctrico 520 paralelo al primer ramal eléctrico 510, y que conecta la unidad fotovoltaica 100 a dicha al menos una resistencia eléctrica 504. En otras realizaciones, el segundo ramal eléctrico 520 puede estar en serie con el primer ramal eléctrico 510.

Durante el día, por ejemplo, durante un período de 12 horas, la unidad fotovoltaica 100 puede configurarse para producir energía eléctrica correspondiente al 100 % de la energía consumida en 24 horas por el sistema 1 de tostado. Esta energía consumida por el sistema 1 de tostado incluye tanto la energía eléctrica consumida por los dispositivos eléctricos del sistema 1, como la energía térmica consumida por los dispositivos térmicos del sistema 1.

Una parte de la energía eléctrica producida por la unidad fotovoltaica 100 durante el día, por ejemplo, el 5 % de esta energía eléctrica, es consumida por los dispositivos eléctricos del sistema 1. Esta puede ser una unidad 430 de bomba configurada para bombear el fluido F1, y hacerlo circular en el circuito térmico 400, o ventiladores configurados para regular la velocidad del fluido F1 dentro del circuito térmico 400, o para regular la velocidad de los flujos de gas y/o de vapor generados por las unidades 321, 322, 323, 324 de generación, o incluso componentes electrónicos del sistema 1, tales como varios componentes del sistema 700 de control, o de un sistema de control externo.

Otra parte de la energía eléctrica producida por la unidad fotovoltaica 100 durante el día, por ejemplo, el 45 % de esta energía eléctrica, es consumida por la resistencia eléctrica 504 en contacto con el segundo ramal térmico 420, de forma que el fluido F1 que circula en el circuito térmico 400 se caliente por el efecto Joule. Como se ha mencionado anteriormente, el fluido F1 puede intercambiar calor con al menos uno de los flujos de gas y/o vapor generados por las unidades 321, 322, 323, 324 de generación, o puede usarse directamente para generar al menos uno de dichos flujos de gas y/o vapor. La corriente eléctrica que circula en la resistencia eléctrica 504 se regula de manera que la temperatura del fluido F1 requerida por las unidades 321, 322, 323, 324 de generación, se obtenga justo aguas arriba del dispositivo 300 de tostado en la dirección de circulación del fluido F1, en el sensor 461 de temperatura, o justo aguas abajo del dispositivo 300 de tostado en la dirección de circulación del fluido F1, en el sensor 462 de temperatura. La corriente eléctrica que circula en la resistencia eléctrica 504 puede ser regulada por el sistema 700 de control de las unidades 321, 322, 323, 324 de generación, o por un sistema de control externo.

El exceso de energía eléctrica producida por la unidad fotovoltaica 100 durante el día, es decir, el 50 % de esta energía eléctrica en el ejemplo anterior, se puede almacenar en una batería eléctrica 800 (por ejemplo, el 5 % de esta energía eléctrica), y en el dispositivo 200 de almacenamiento térmico, (por ejemplo, el 45 % de esta energía eléctrica). En otras realizaciones, todo el exceso de energía eléctrica producido por la unidad fotovoltaica 100 durante el día, se puede almacenar en el dispositivo 200 de almacenamiento térmico, es decir, el 50 % de esta energía eléctrica. Dicho al menos un material de cambio de fase del dispositivo 200 de almacenamiento térmico, está en contacto con dicha al menos una resistencia eléctrica del primer ramal eléctrico 510.

Durante el día, dicha al menos una resistencia eléctrica puede fundir dicho al menos un material de cambio de fase, consumiendo el excedente del 45 % de energía eléctrica producida por la unidad fotovoltaica 100 durante el día. Por tanto, el dispositivo 200 de almacenamiento térmico permite la transformación de la energía eléctrica en energía térmica, que se almacena en dicho al menos un material de cambio de fase.

El circuito eléctrico 500 puede comprender medios de control, tales como interruptores 511, 521, configurados para controlar el flujo de la electricidad generada por la unidad fotovoltaica 100 en el primer ramal eléctrico 510 y en el segundo ramal eléctrico 520. El primer interruptor 511 está dispuesto en el primer ramal eléctrico 510 y el segundo interruptor 521 está dispuesto en el segundo ramal eléctrico 520. En realizaciones donde el segundo ramal eléctrico 520 esté en serie con el primer ramal eléctrico 510, los interruptores se pueden disponer de tal manera que la electricidad generada por la unidad fotovoltaica 100 pueda fluir solo en el primer ramal eléctrico 510, o solo en el segundo ramal eléctrico 520, o bien al mismo tiempo en el primer ramal eléctrico 510 y en el segundo ramal eléctrico 520.

El circuito térmico 400 puede comprender medios de control, tales como válvulas 411,421, configurados para controlar el flujo del fluido F1 en el primer ramal térmico 410 y en el segundo ramal térmico 420. La primera válvula 411 está dispuesta en el primer ramal térmico 410, y la segunda válvula 421 está dispuesta en el segundo ramal térmico 420.

Cuando la unidad fotovoltaica 100 ya no produzca suficiente energía eléctrica para suministrar dicha al menos una resistencia eléctrica 504 en contacto con el segundo ramal térmico 420, por ejemplo, durante el crepúsculo o cuando la luz del sol sea débil, las dos válvulas 411, 421 pueden usarse para dirigir una parte del fluido F1 al dispositivo 200 de almacenamiento térmico. Por tanto, las válvulas 411,421 pueden ayudar a dicha al menos una resistencia eléctrica 504 a mantener la temperatura del fluido F1 requerida en el sensor 461 de temperatura o en el sensor 462 de temperatura, sin consumir una cantidad excesiva de energía térmica almacenada en el dispositivo 200 de almacenamiento térmico.

Durante la noche, por ejemplo, durante un período de 12 horas, el dispositivo 200 de almacenamiento térmico puede descargarse de su energía térmica almacenada, haciendo circular un fluido frío F1 en el primer ramal térmico 410, de manera que caliente por intercambio térmico el fluido F1 que circula en el circuito térmico 400. Por tanto, la válvula 421 está cerrada porque ya no hay energía eléctrica disponible para alimentar dicha al menos una resistencia eléctrica en contacto con el segundo ramal térmico 420, la válvula 411 está abierta porque hay energía térmica disponible en el interior de dicha al menos una fase cambia de material, y todo el fluido F1 circula en el primer ramal térmico 410 a través del dispositivo 200 de almacenamiento térmico.

Cuando la unidad fotovoltaica 100 vuelve a producir energía eléctrica suficiente para alimentar dicha al menos una resistencia eléctrica 504 en contacto con el segundo ramal térmico 420, por ejemplo, al amanecer, o cuando la luz del sol sea más fuerte, las dos válvulas 411, 421 redireccionan el fluido F1 cada vez más hacia el segundo ramal térmico 420. Con toda la energía eléctrica suministrada por la unidad fotovoltaica 100, la válvula 411 puede cerrarse completamente.

Además, las válvulas 440, 450 permiten regular el nivel de humedad del fluido F1. La válvula 440 situada aguas arriba del dispositivo 300 de tostado en la dirección de circulación del fluido F1, puede permitir la inyección de aire fresco en el circuito térmico 400. La válvula 450 situada aguas abajo del dispositivo 300 de tostado, puede permitir expulsar el exceso de aire del circuito térmico 400. La apertura de las válvulas 440, 450 puede ser regulada por el sistema 700 de control de las unidades 321, 322, 323, 324 de generación, o por un sistema de control externo (no mostrado), y puede requerir un suministro de energía eléctrica de la unidad fotovoltaica 100.

Durante la noche, o cuando la luz del sol sea débil, la batería eléctrica 800 puede liberar la energía eléctrica almacenada procedente del excedente del 5 % de la energía eléctrica producida por la unidad fotovoltaica 100 durante el día. Esta energía eléctrica liberada se puede usar para alimentar los dispositivos eléctricos antes mencionados del sistema 1 de tostado.

Preferiblemente, la unidad fotovoltaica 100 y el dispositivo 200 de almacenamiento térmico están configurados para operar en un intervalo de temperaturas entre 150 °C y 350 °C, preferiblemente entre 200 °C y 300 °C.

Este intervalo de temperaturas corresponde a la obtención de una calidad de material particulado comparable a la obtenida con un método de tostado tradicional, al mismo tiempo que permite la reducción del consumo energético.

El dispositivo 200 de almacenamiento térmico, el dispositivo 300 de tostado y el circuito térmico 400 pueden formar un sistema sustancialmente cerrado, de manera que sustancialmente no haya fugas de energía térmica desde el sistema sustancialmente cerrado. Por tanto, esto permite tanto la reducción del consumo energético, como del nivel de emisiones de gas de tostado y/o vapor, al exterior del sistema 1.

La Figura 2 ilustra esquemáticamente una realización ilustrativa de una unidad fotovoltaica según la invención.

En la realización ilustrativa ilustrada en la Figura 2, la unidad fotovoltaica 100 comprende un panel fotovoltaico 101. El panel fotovoltaico 101 está compuesto por células fotovoltaicas 102 que usan el efecto fotoeléctrico para convertir en electricidad las ondas electromagnéticas (radiación) emitidas por el Sol. Varias células fotovoltaicas 102 conectadas entre sí forman un panel fotovoltaico 101, y varios paneles fotovoltaicos 101 agrupados forman una unidad fotovoltaica 100. La electricidad producida por la unidad fotovoltaica 100 se usa o se almacena en el sitio, o se transmite a través de una red de transmisión y distribución eléctrica. En el contexto de la invención, toda la energía eléctrica producida por la unidad fotovoltaica puede ser usada por el sistema de tostado.

El panel fotovoltaico 101 se puede orientar según la dirección de los rayos de luz incidentes. La inclinación del panel fotovoltaico 101 puede operar con respecto a un eje de rotación 110 horizontal, y la orientación del panel fotovoltaico 101 puede operar con respecto a un eje de rotación 120 vertical, según la dirección de los rayos de luz incidentes provenientes del Sol S. Esto permite optimizar la producción de electricidad a partir del panel fotovoltaico 101. Para reducir el coste asociado con inclinar y orientar cada panel fotovoltaico 101 individualmente, los paneles fotovoltaicos 101 se pueden agrupar en serie y/o en paralelo, para formar una unidad fotovoltaica 100 organizada en una red bidimensional, y así inclinarse y orientarse de forma sincronizada.

La Figura 3 ilustra esquemáticamente una realización ilustrativa de la interfaz entre el primer ramal eléctrico y el dispositivo de almacenamiento térmico según la invención.

En la realización ilustrativa ilustrada en la Figura 3, la unidad fotovoltaica 100 y el dispositivo 200 de almacenamiento térmico se comunican a través del primer ramal eléctrico 510 del circuito eléctrico 500. El dispositivo 200 de almacenamiento térmico comprende al menos un material de cambio de fase. El primer ramal eléctrico 510 está conectado a tres resistencias eléctricas 501, 502, 503 dispuestas en paralelo y en contacto térmico con dicho al menos un material de cambio de fase. El experto en la materia comprenderá que el número de resistencias eléctricas puede variar en otras realizaciones, y/o que estas resistencias eléctricas pueden estar dispuestas en serie. En caso de contacto térmico directo con dicho al menos un material de cambio de fase, cada una de las tres resistencias eléctricas 501, 502, 503 puede comprender una vaina protectora (no representada) que las envuelve, y está realizada en un material termoconductor, estando dicha vaina en contacto térmico directo con dicho al menos un material de cambio de fase.

Durante el día, las tres resistencias eléctricas 501, 502, 503 pueden fundir dicho al menos un material de cambio de fase, consumiendo una parte del exceso de energía eléctrica producida por la unidad fotovoltaica 100. Por tanto, el dispositivo 200 de almacenamiento térmico permite la transformación de energía eléctrica en energía térmica, que se almacena en dicho al menos un material de cambio de fase 201, 202, 203. Las tres resistencias eléctricas 501, 502, 503 pueden estar provistas de aletas en su superficie exterior, para optimizar el intercambio térmico con dicho al menos un material de cambio de fase.

Durante la noche, o cuando la luz del sol sea débil, el dispositivo 200 de almacenamiento térmico puede descargarse, al menos parcialmente, de su energía térmica almacenada, haciendo circular un fluido frío F1 en el primer ramal térmico 410, de tal manera que lo caliente por intercambio de calor. Por tanto, al menos una parte del fluido F1 circula en el primer ramal térmico 410 a través del dispositivo 200 de almacenamiento térmico. Dentro del dispositivo 200 de almacenamiento térmico, el primer ramal térmico 410 puede ramificarse en varios subramales térmicos 411, 412, 413, 414 dispuestos en paralelo para aumentar el intercambio de calor entre dicho al menos un material de cambio de fase y los subramales térmicos 411,412, 413, 414. Los subramales térmicos 411,412, 413, 414 pueden estar provistas de aletas en su superficie exterior, para optimizar el intercambio térmico con dicho al menos un material de cambio de fase. El experto en la materia comprenderá que en otras realizaciones los subramales térmicos 411, 412, 413, 414 pueden sustituirse por el uso de un serpentín en el interior del dispositivo 200 de almacenamiento térmico, para aumentar el intercambio de calor entre dicho al menos un material de cambio de fase y la bobina.

La Figura 4 ilustra esquemáticamente una realización ilustrativa de un dispositivo de almacenamiento térmico según la invención.

En la realización ilustrativa ilustrada en la Figura 4, el fluido F1 que circula en el primer ramal térmico 410 del circuito térmico 400 ingresa al dispositivo 200 de almacenamiento térmico, para ser calentado allí por intercambio térmico con uno o más materiales de cambio de fase. El dispositivo 200 de almacenamiento térmico comprende tres capas distintas 201, 202, 203, correspondientes a tres materiales PCM1, PCM2, PCM3 de cambio de fase diferentes, que tienen diferentes temperaturas Tm1, T m2, T m3 de fusión. El experto en la materia comprenderá que su número puede variar, y que algunos materiales pueden ser idénticos. Preferiblemente, la temperatura de fusión de un material situado aguas arriba del sentido de circulación del fluido F1 en el primer ramal térmico 410, es inferior a la temperatura de fusión de un material situado aguas abajo en dicha dirección de circulación del fluido F1. También preferiblemente, la temperatura de solidificación de un material ubicado aguas arriba es menor que la temperatura de solidificación de un material ubicado aguas abajo. Por ejemplo, la temperatura Tm1 de fusión puede estar entre 150 °C y 250 °C, la temperatura Tm2 de fusión puede estar entre 250 °C y 350 °C, y la temperatura Tm3 de fusión puede estar entre 350 °C y 450 °C. Estos intervalos de temperatura son compatibles con los intervalos de temperatura del método de tostado tradicional.

Por tanto, si la intensidad de la luz incidente es débil, al menos una parte del dispositivo 200 de almacenamiento térmico está en estado líquido, y permite la liberación de energía que necesita el dispositivo 300 de tostado. Esta configuración, que involucra diferentes materiales de cambio de fase dispuestos en capas, tiene una eficiencia energética volumétrica mayor que una configuración que involucra solo un material de cambio de fase único. Sin embargo, la adición de materiales termoconductores, tales como grafito o metales dentro de uno o más materiales de cambio de fase, permite un aumento de la conductividad térmica de estos últimos. Los cálculos de modelado también deben tener en cuenta cualquier superposición en los valores de las temperaturas Tm1, T m2, T m3 de fusión y de las temperaturas Ts1, Ts2, Ts3 de solidificación de los materiales PCM1, PCM2, PCM3 de cambio de fase.

Como se ilustra en las Figuras 3 y 4, cada una de las tres resistencias 501, 502, 503 puede estar en contacto con un respectivo material PCM1, PCM2, PCM3 de cambio de fase. Por tanto, la resistencia 501 se puede asociar con el material PCM1, la resistencia 502 se puede asociar con el material PCM2, y la resistencia 503 se puede asociar con el material PCM3. La corriente eléctrica que circula en cada una de las resistencias eléctricas 501, 502, 503 puede adaptarse a la temperatura Tm1, Tm2, Tm3 de fusión y/o temperatura Ts1, Ts2, Ts3 de solidificación de los respectivos materiales PCM1, PCM2, PCM3 de cambio de fase. Por tanto, en el caso de que la temperatura de fusión de un material situado aguas arriba sea inferior a la temperatura de fusión de un material situado aguas abajo, la corriente que circula en la resistencia eléctrica asociada al material aguas arriba tendrá una intensidad menor que la corriente que circula en la resistencia eléctrica asociada con el material aguas abajo. Lo mismo es cierto para las temperaturas de solidificación de los materiales aguas arriba y aguas abajo.

La Figura 5 ilustra esquemáticamente una realización ilustrativa de un dispositivo continuo de tostado de material particulado según la invención.

En la realización ilustrativa ilustrada en la Figura 5, el dispositivo 300 de tostado continuo comprende un compartimento 310 de tratamiento, un sistema 330 de transporte, una primera unidad 321 de generación de fluido, dos unidades intermedias 322, 323 de generación de fluido, una última unidad 324 de generación de fluido, así como un sistema 700 de control. El compartimento 310 de tratamiento está compuesto por una primera zona Z1, dos zonas intermedias Zi 1, Zi2, y una última zona Zd. El sistema 330 de transporte está configurado para transportar una capa L de material particulado P a través del compartimento 310 de tratamiento, de manera que el material particulado P pase consecutivamente por la primera zona Z1, las dos zonas intermedias Zi1, Zi2, y la última zona Zd. El experto en la materia comprenderá que el número y longitud de cada zona puede variar. Por tanto, cada zona puede tener su propia longitud, y el compartimento 310 de tratamiento puede comprender más de dos zonas intermedias.

El sistema 330 de transporte comprende medios 340 de alimentación configurados para alimentar el material particulado P, sin introducir aire ambiental, de manera que la capa L tenga un espesor que comprenda no más de 10 partículas de material particulado, tales como granos de café o cacao, granos, malta, es decir, un espesor de menos de 100 mm, preferiblemente no más de 3 partículas, es decir, un espesor inferior a 20 mm, y más preferiblemente con no más de 2 partículas, es decir, un espesor inferior a 15 mm. Además, el sistema 330 de transporte comprende una cinta transportadora 350 con una superficie sustancialmente plana que soporta la capa L de material particulado P. La cinta transportadora 350 pasa por la primera zona Z1, las dos zonas intermedias Zi 1, Zi2, y la última zona Zd. La energía mecánica necesaria para mover la cinta transportadora 350 puede ser suministrada por la electricidad generada por la unidad fotovoltaica 100, o por la batería eléctrica 800 de la Figura 1.

La primera unidad 321 de generación de fluido está configurada para generar un primer flujo F1 de gas y/o vapor a través de la primera zona Z1, las dos unidades intermedias 322, 323 de generación de fluido están configuradas para generar dos flujos intermedios Fi1, Fi2 de gas y/o vapor a través de las zonas intermedias Zi 1, Zi2, y la última unidad 324 de generación de fluido está configurada para generar un último flujo Fd de gas y/o vapor a través de la última zona Zd. La cinta transportadora 350 está configurada para permitir que el primer flujo F1 de gas y/o vapor, los dos flujos intermedios Fi1, Fi2 de gas y/o vapor, y el último flujo Fd de gas y/o vapor, pasen a través de la capa L de material particulado P que soporta. Por ejemplo, la cinta transportadora 350 puede comprender aberturas a modo de cinta perforada, o bien puede ser de material poroso, permitiendo así el paso de los flujos de gas y/o vapor. El sistema 700 de control está configurado para usar al menos una parte del flujo de gas y/o vapor que haya pasado por una de las zonas Z1, Zi 1, Zi2, Zd, para generar el flujo de gas y/o vapor de otra zona Z1, Zi1, Zi2, Zd, preferiblemente de otra zona aguas arriba de dicha zona.

El sistema 700 de control está configurado para controlar la temperatura T1 y/o la composición y/o la velocidad del primer flujo F1 de gas y/o vapor, de los dos flujos intermedios Fi1, Fi2 de gas y/o vapor y del último flujo Fd de gas y/o vapor. Se controla la temperatura T1 para que esté entre 45 °C y 150 °C, se controlan las temperaturas Ti1, Ti2 para que estén entre 150 °C y 350 °C, y se controla la temperatura Td para que esté entre 10 °C y 100 °C. También se controla la humedad relativa de los dos flujos intermedios Fi1, Fi2 de gas y/o vapor. Normalmente, la temperatura Ti1 de la primera zona intermedia Zi1 es superior a la temperatura T1 de la primera zona Z1, y la temperatura de una zona intermedia aguas abajo de una determinada zona intermedia es superior a la de dicha zona. Además, normalmente la temperatura Td de la última zona Zd es inferior a la temperatura T1 de la primera zona Z1.

La Figura 6A ilustra esquemáticamente una realización ilustrativa de la interfaz entre el circuito térmico y el dispositivo de tostado según la invención.

En la realización ilustrativa ilustrada en la Figura 6A, el fluido F1 se entrega al dispositivo 300 de tostado (no se muestra en su totalidad por motivos de claridad). Este último incluye cuatro ramales 431, 432, 433, 434 de generación, cuatro válvulas regulables 441, 442, 443, 444, una en cada uno de los cuatro ramales 431,432, 433, 434 de generación, así como una unidad 430 de bomba configurada para bombear el fluido F1 a través de los cuatro ramales 431, 432, 433, 434 de generación. La unidad 430 de bomba entrega, por lo tanto, el fluido F1 al compartimento de tratamiento (no mostrado en aras de la claridad). Esta última comprende una primera zona Z1, por la que circula un flujo F1 de gas y/o vapor a una temperatura T1, dos zonas intermedias Zi1, Zi2, por las que circulan, respectivamente, los flujos Fi1, Fi2 de gas y/o vapor a temperaturas Ti1, Ti2, así como una última zona Zd, por la que circula un flujo Fd de gas y/o vapor a una temperatura Td. El experto en la materia comprenderá que el número de zonas intermedias puede variar.

Aguas arriba del compartimento de tratamiento en la dirección de circulación del fluido F1 se encuentran las cuatro válvulas 441, 442, 443, 444. El experto en la materia comprenderá que estas cuatro válvulas 441, 442, 443, 444 pueden también estar situadas aguas abajo del compartimento de tratamiento en la dirección de circulación del fluido Fl. Este dispositivo de válvula en cascada, que permite regular la temperatura del flujo de gas y/o vapor en cada una de las zonas Z1, Zi1, Zi2, Zd, permite el uso de una sola unidad 430 de bomba. Además, la unidad 430 de bomba puede comprender una bomba y un regulador de velocidad configurado para controlar la velocidad de la bomba. Por tanto, la unidad 430 de bomba está configurada para usar una cantidad reducida de energía eléctrica para bombear el fluido F1 a través de los cuatro ramales 431,432, 433, 434 de generación del circuito térmico 400, de modo que las válvulas 441, 442, 443, 444 se abran de tal manera que se minimice la caída de presión. Para regular estas temperaturas, las válvulas 441, 442, 443, 444 pueden abrirse cada vez más hasta alcanzar, por ejemplo, aproximadamente el 95 por ciento de la capacidad máxima de apertura. Más allá de este valor, la unidad 430 de bomba puede empezar a bombear más para regular dichas temperaturas.

El circuito térmico 400 puede intercambiar calor con cada una de las cuatro zonas Z1, Zi1, Zi2, Zd incluidas en el compartimento de tratamiento, a través de los intercambiadores 601,602, 603, 604 de calor. En efecto, cada una de las cuatro unidades de generación (no mostradas en aras de la claridad), correspondientes a cada una de las cuatro zonas Z1, Zi1, Zi2, Zd, está, respectivamente, acoplada a un ramal 431, 432, 433, 434 del circuito térmico 400. Cada una de las cuatro unidades de generación, por las que circulan los flujos F1, Fi1, Fi2, Fd de gas y/o vapor, comprende un ventilador regulable 361,362, 363, 364 que permite regular la velocidad de dichos flujos de gas y/o vapor, mediante, por ejemplo, un regulador de velocidad, así como una válvula regulable 371, 372, 373, 374 que permite regular el nivel de humedad presente en los flujos F1, Fi1, Fi2, Fd, gracias a un circuito de entrada de aire fresco exterior al dispositivo 300 de tostado. Finalmente, una chimenea 390 evita que las cuatro unidades 321, 322, 323, 324 de generación sobrerreaccionen por la presencia de los circuitos de entrada de aire fresco junto a los ventiladores 361, 362, 363, 364 y las válvulas 371, 372, 373, 374. Cada una de las válvulas regulables 371', 372', 373', 374' están ubicadas en un circuito de escape para los gases y/o vapor usados después del contacto con el material particulado que se va a tostar. Cabe señalar que el flujo de entrada de aire fresco y el flujo de escape de los gases y/o vapor usados, están en equilibrio con la regulación de las válvulas 371, 372, 373, 374 y las válvulas 371', 372', 373', 374'.

La Figura 6B ilustra esquemáticamente otra realización ilustrativa de la interfaz entre el circuito térmico y el dispositivo de tostado según la invención.

A diferencia de la realización de la Figura 6A, donde cada una de las unidades 321, 322, 323, 324 de generación está configurada para intercambiar calor entre el fluido F1 del circuito térmico 400 y el flujo F1, Fi1, Fi2, Fd de gas y/o vapor que genera, en la realización de la Figura 6B cada una de las unidades 321, 322, 323, 324 de generación está configurada para usar directamente el fluido F1, para generar el flujo de gas y/o vapor F1, Fi1, Fi2, Fd que genera. El fluido F1 está, por tanto, en forma de gas y/o vapor, para generar directamente dichos flujos F1, Fi1, Fi2, Fd de gas y/o vapor. Por tanto, a continuación, se hará referencia a “ fluido F1” cuando el gas y/o vapor circulen en el circuito térmico 400, y a “ flujo F1, Fi1, Fi2, Fd de gas y/o vapor” cuando este mismo gas y/o este mismo vapor circulen en las unidades 321, 322, 323, 324 de generación, sin olvidar que se trata de la misma sustancia. En otras palabras, en la realización de la Figura 6B, el fluido F1 corresponde a los gases y/o vapor de tostado del material particulado dentro del dispositivo 300 de tostado. Por tanto, a diferencia de la realización de la Figura 6A, en donde el fluido F1 puede estar en forma de gas y/o vapor, o bien en forma líquida, como agua o aceite térmico, en la realización de la Figura 6B el fluido F1 está en forma de gas y/o vapor. Por lo tanto, la unidad 430 de bomba de la Figura 6A, que está configurada para bombear un líquido en el circuito térmico 400, se reemplaza por un ventilador 430' en la Figura 6B, que está configurado para hacer circular un gas y/o vapor en el circuito térmico 400. Asimismo, cuando el fluido F1 se encuentre en forma de gas y/o vapor en el circuito térmico 400, la unidad 430 de bomba de la Figura 1 se sustituye por el ventilador 430' de la Figura 6B.

En la realización de la Figura 6B, cada uno de los ramales 431, 432, 433, 434 de generación de la Figura 6A se subdivide en un primer semiramal 431', 432', 433', 434' de generación y en un segundo semiramal 431", 432", 433", 434" generación. Cada uno de los primeros semiramales 431', 432', 433', 434' de generación está situado entre el ventilador 430' y las unidades 321, 322, 323, 324 de generación. Cada uno de los segundo semiramales 431", 432", 433", 434" de generación está situado entre las unidades 321, 322, 323, 324 de generación y una parte del circuito térmico 400 situada aguas abajo del compartimento de tratamiento en la dirección de circulación del fluido Fl.

Las válvulas regulables 441', 442', 443', 444' están, respectivamente, presentes en los primeros semiramales 431', 432', 433', 434' de generación. De manera similar, las válvulas regulables 441", 442", 443", 444" están, respectivamente, presentes en los segundos semiramales 431", 432", 433", 434" de generación. Una conexión directa se encuentra, respectivamente, entre cada uno de los primeros semiramales 431', 432', 433', 434' de generación y cada una de las unidades 321, 322, 323, 324 de generación. De igual forma, una conexión directa se encuentra, respectivamente, entre cada uno de los segundos semiramales 431'', 432'', 433'', 434'' de generación y cada una de las unidades 321, 322, 323, 324 de generación. Estas conexiones directas están situadas, respectivamente, entre las válvulas 441', 442', 443', 444' y las válvulas 441", 442", 443", 444".

Para la admisión del fluido F1 desde un primer semiramal 431', 432', 433', 434' hasta una unidad 321, 322, 323, 324 de generación, se abren las válvulas 441', 442', 443', 444'. Para la extracción del flujo F1, Fi1, Fi2, Fd de gas y/o vapor desde una unidad 321, 322, 323, 324 de generación hasta un segundo semiramal 431", 432", 433", 434" de generación, se abren las válvulas 441", 442", 443", 444".

El experto en la materia comprenderá que la admisión del fluido F1 desde un primer semiramal 431', 432', 433', 434' de generación hasta una unidad 321, 322, 323, 324 de generación, puede realizarse en el mismo tiempo que la extracción del flujo F1, Fi1, Fi2, Fd de gas y/o vapor desde una unidad 321, 322, 323, 324 de generación hasta un segundo semiramal 431", 432", 433", 434" de generación. Por tanto, las válvulas 441', 442', 443', 444' y las válvulas 441", 442", 443", 444", pueden abrirse simultáneamente. Cabe señalar que los flujos de admisión del fluido F1 y los flujos de extracción de los gases y/o vapor F1, Fi1, Fi2, Fd, están en equilibrio con la regulación de las válvulas 441', 442', 443', 444' y válvulas 441 ", 442", 443", 444".

El experto en la materia comprenderá que, en otras realizaciones, cada una de las unidades de generación puede estar configurada a la vez para intercambiar calor y materia entre el fluido del circuito térmico y el flujo de gas y/o vapor que genera.

La Figura 7 ilustra esquemáticamente una realización ilustrativa de la interfaz entre el circuito térmico y una unidad de generación del dispositivo de tostado según la invención.

En la realización ilustrativa ilustrada en la Figura 7, la primera unidad 321 de generación, en donde circula el flujo F1 de gas y/o vapor, se comunica con el circuito térmico 400, en donde circula el fluido F1, por medio del intercambiador 601 de calor. Este último tiene pues un primer ramal por el que circula el flujo F1 de gas y/o vapor, y un segundo ramal por el que circula el fluido Fl que circula en el circuito térmico 400. El intercambiador 601 de calor permite la regulación de la temperatura T1 del flujo F1. Por lo tanto, la Figura 7 amplía el intercambiador de calor asociado con la zona Z1 que se muestra en la Figura 6A. El experto en la materia entenderá que la descripción anterior también puede aplicarse a una o más unidades de generación, asociadas a las otras zonas Zi1, Zi2, Zd mostradas en la Figura 6A. Además, el sistema de control (no mostrado) está configurado para controlar el intercambiador 601 de calor, para regular la temperatura y/o la composición y/o la velocidad del flujo F1 de gas y/o vapor generado por la primera unidad 321 de generación.

La Figura 8 ilustra esquemáticamente una realización ilustrativa de la interfaz entre dos unidades de generación del dispositivo de tostado según la invención.

En la realización ilustrativa ilustrada en la Figura 8, la primera unidad 321 de generación, en donde circula el flujo F1 de gas y/o vapor, se comunica con la primera unidad intermedia 322 de generación, en donde circula el flujo de gas y/o vapor Fi1, mediante del intercambiador 610 de calor. Por lo tanto, este último tiene un primer ramal por el que circula el flujo F1 de gas y/o vapor generado por la primera unidad 321 de generación, y un segundo ramal por el que circula el flujo Fi1 de gas y/o vapor generado por la primera unidad intermedia 322 de generación. El intercambiador 610 de calor permite la regulación de la temperatura T1 y/o la temperatura Ti1 del flujo F1 y/o del flujo Fi1. El experto en la materia comprenderá que dicho intercambiador de calor puede servir de intermediario entre otras unidades de generación distintas de las unidades 321 y 322, y no necesariamente entre dos unidades de generación adyacentes. Por ejemplo, se puede ubicar un intercambiador de calor entre las unidades 321, 323 que se muestran en las Figuras 1 y 5. Además, el sistema de control (no mostrado) está configurado para controlar el intercambiador 610 de calor, para regular la temperatura y/o la composición y/o la velocidad del flujo F1 de gas y/o vapor generado por la primera unidad 321 de generación.

La Figura 9 ilustra esquemáticamente otra realización ilustrativa de la interfaz entre dos unidades de generación del dispositivo de tostado según la invención.

En la realización ilustrativa ilustrada en la Figura 9, la primera unidad 321 de generación, en donde circula el flujo F1 de gas y/o vapor, se comunica directamente con la primera unidad intermedia 322 de generación, en donde circula el flujo Fi1 de gas y/o vapor, es decir, sin recurrir a un intercambiador de calor. Por tanto, cada una de las dos unidades 321, 322 de generación está configurada para usar directamente al menos una parte del flujo de gas y/o vapor generado por la otra unidad 321 o 322 de generación, que pasa por el compartimento 310 de tratamiento, para generar su propio flujo F1 o Fi1 de gas y/o vapor. Preferiblemente, la unidad de generación usada para extraer al menos una parte del flujo de gas y/o vapor para la otra unidad de generación, está ubicada aguas abajo de esta otra unidad. En el caso que se muestra en la Figura 9, al menos una parte del flujo Fi1, cuya temperatura Ti1 es superior a la temperatura T1 del flujo F1, se toma para generar el flujo F1 de la unidad 321 de generación. Por tanto, no solo la energía, sino también el material, se pueden transferir de una unidad de generación a otra. Esta característica distingue la realización ilustrativa ilustrada en la Figura 9 de la ilustrada en la Figura 8. El experto en la materia comprenderá que un intercambio de calor y materia de este tipo puede realizarse entre otras unidades de generación distintas de las unidades 321,322, y no necesariamente entre dos unidades de generación adyacentes. Por ejemplo, puede tener lugar un intercambio de calor y material entre las unidades 321, 323, preferiblemente de la unidad 323 a la unidad 321, como se muestra en las Figuras 1 y 5. Además, la unidad 321 de generación comprende una válvula 381 configurada para regular el flujo de gas y/o vapor de la unidad de generación 322 a la unidad 321 de generación. El sistema de control (no mostrado) está configurado para controlar la válvula 381, con el fin de regular la temperatura y/o la composición y/o la velocidad del flujo F1 de gas y/o vapor generado por la unidad 321 de generación.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema (1) para tostar material particulado (P), tales como granos de café o cacao, granos, malta, comprendiendo dicho sistema (1):

una unidad fotovoltaica (100) configurada para generar electricidad a partir de la radiación solar; un dispositivo (200) de almacenamiento térmico que comprende al menos un material (201, 202, 203) de cambio de fase;

un dispositivo (300) de tostado configurado para tostar dicho material particulado (P);

un circuito térmico (400) que conecta el dispositivo (200) de almacenamiento térmico al dispositivo (300) de tostado, y configurado para hacer circular un fluido (Fl) a través del dispositivo (300) de tostado;caracterizado porquecomprende, además, un circuito eléctrico (500) que conecta la unidad fotovoltaica (100) al dispositivo (200) de almacenamiento térmico, y configurado para intercambiar calor con dicho al menos un material (201,202, 203) de cambio de fase.

2. El sistema según la reivindicación 1, en donde el circuito eléctrico (500) comprende al menos una resistencia eléctrica (501, 502, 503) en contacto térmico con dicho al menos un material (201, 202, 203) de cambio de fase, y un primer ramal eléctrico (510) que conecta la unidad fotovoltaica (100) a dicha al menos una resistencia eléctrica (501, 502, 503); y/o

en donde el circuito térmico (400) comprende un primer ramal térmico (410) que atraviesa el dispositivo (200) de almacenamiento térmico;

en donde preferiblemente el circuito térmico (400) comprende un segundo ramal térmico (420) paralelo al primer ramal térmico (410), y el circuito eléctrico (500) comprende al menos una resistencia eléctrica (504) en contacto con el segundo ramal térmico (420), y un segundo ramal eléctrico (520) que conecta la unidad fotovoltaica (100) a dicha al menos una resistencia eléctrica (504).

3. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el dispositivo (300) de tostado comprende un compartimento (310) de tratamiento configurado para recibir el material particulado (P), al menos una unidad (321, 322) de generación configurada para generar al menos un flujo (F1, Fi1, Fi2, Fd) de gas y/o vapor a temperatura controlada a través del compartimento (310) de tratamiento; y

en donde dicha al menos una unidad (321, 322, 323, 324) de generación está configurada para intercambiar calor entre el fluido (Fl) y dicho al menos un flujo (F1, Fi1, Fi2, Fd) de gas y/o vapor, o para generar directamente dicho al menos un flujo (F1, Fi1, Fi2, Fd) de gas y/o vapor.

4. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el fluido (Fl) está compuesto por gas y/o vapor.

5. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, una batería eléctrica (800) configurada para almacenar una parte de la electricidad generada por la unidad fotovoltaica (100).

6. El sistema según la reivindicación 2, opcionalmente, en combinación con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha al menos una resistencia eléctrica (501, 502, 503) en contacto térmico con dicho al menos un material (201, 202, 203) de cambio de fase, comprende al menos dos resistencias eléctricas (501, 502, 503) dispuestas en paralelo o en serie; y/o

en donde la primera rama térmica (410) comprende al menos dos subramales térmicos (411, 412, 413, 414) dispuestos en paralelo dentro del dispositivo (200) de almacenamiento térmico; y/o

en donde el circuito eléctrico (500) comprende medios (511, 521) de control configurados para controlar el flujo de la electricidad generada por la unidad fotovoltaica (100) en el primer ramal eléctrico (510) y en el segundo ramal eléctrico (520); y/o

en donde el circuito térmico (400) comprende medios (411, 421) de control configurados para controlar el flujo del fluido (Fl) en el primer ramal térmico (410) y en el segundo ramal térmico (420).

7. El sistema según las reivindicaciones 2 y 6, opcionalmente, en combinación con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, configurado para asignar entre el 25 % y el 75 % de la electricidad generada por la unidad fotovoltaica (100) a dicha al menos una resistencia eléctrica (501, 502, 503) en contacto térmico con dicho al menos un material (201, 202, 203) de cambio de fase, entre el 25 % y el 75 % de dicha electricidad a dicha al menos una resistencia (504) en contacto con el segundo ramal térmico (420), y entre el 0 % y el 10 % de dicha electricidad a dicha batería eléctrica (800).

8.El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la unidad fotovoltaica (100) y el dispositivo (200) de almacenamiento térmico están configurados para operar en un intervalo de temperaturas entre 150 °C y 350 °C, preferiblemente entre 200 °C y 300 °C.

9.El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el al menos un material (201, 202, 203) de cambio de fase comprende un material aguas arriba y un material aguas abajo en la dirección de circulación del fluido (Fl); en donde la temperatura de fusión del material aguas arriba es menor que la temperatura de fusión del material aguas abajo; y/o en donde la temperatura de solidificación del material aguas arriba es menor que la temperatura de solidificación del material aguas abajo; y/o

en donde al menos un material de cambio de fase comprende uno cualquiera o más de los siguientes materiales: material orgánico, tal como parafina o ácidos grasos, combinación de acetato de potasio o acetato de sodio, mezcla eutéctica de sales fundidas, tal como cloruro de potasio y bromuro de litio, metales y sus aleaciones, sales hidratadas.

10. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 3-9, en donde el circuito térmico (400) comprende un primer ramal (431) de generación y un segundo ramal (432) de generación, una primera válvula (441) en el primer ramal de generación y una segunda válvula (442) en el segundo ramal (432) de generación, y una unidad (430) de bomba configurada para bombear el fluido (FI) a través del primer ramal (431) de generación y el segundo ramal (432) de generación; y en donde al menos una unidad (321, 322, 323, 324) de generación comprende una primera unidad (321) de generación acoplada al primer ramal (431) de generación, y una segunda unidad (322) de generación acoplada al segundo ramal (432) de generación, un primer intercambiador (601) de calor en la primera unidad (321) de generación y un segundo intercambiador (602) de calor en la segunda unidad (322) de generación.

11. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 3-10, en donde una unidad (321) de generación de dicha al menos una unidad de generación comprende un intercambiador (601) de calor que tiene un primer ramal en donde circula un flujo (F1) de gas y/o vapor, y un segundo ramal en donde circula el fluido (Fl), permitiendo dicho intercambiador (601) de calor la regulación de la temperatura de dicho flujo (F1) de gas y/o vapor; y/o

en donde la al menos una unidad de generación comprende una primera unidad (321) de generación, una segunda unidad (322) de generación y un intercambiador (610) de calor que tiene un primer ramal en donde circula el flujo (F1) de gas y/o vapor generado por la primera unidad (321) de generación, y un segundo ramal en donde circula un flujo (Fil) de gas y/o vapor generado por la segunda unidad (322) de generación, permitiendo dicho intercambiador (610) de calor recuperar la energía del flujo (Fil) de gas y/o vapor generado por la segunda unidad (322) de generación, y que ha pasado por el compartimento (310) de tratamiento.

12. El sistema según la reivindicación 11, que comprende, además, un sistema (700) de control configurado para controlar dicho intercambiador (601,610) de calor, para regular la temperatura del flujo (F1) de gas y/o vapor generado por dicha unidad (321) de generación; comprendiendo, además, preferiblemente un ventilador (361) dispuesto en el primer ramal de dicho intercambiador (601,610) de calor, y una válvula (371) conectada entre dicho primer ramal y una entrada de aire fresco; y en donde preferiblemente el sistema (700) de control está configurado para controlar el ventilador (361) y/o la válvula (371).

13. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 3-12, en donde al menos una unidad de generación comprende una primera unidad (321) de generación y una segunda unidad (322) de generación; y

en donde la primera unidad de generación está configurada para usar directamente al menos una parte del flujo (Fil) de gas y/o vapor generado por la segunda unidad (322) de generación, preferiblemente una unidad de generación aguas abajo de dicha primera unidad (321) de generación, y que ha pasado por el compartimento (310) de tratamiento, para generar su propio flujo (F1) de gas y/o vapor;

en donde preferiblemente la primera unidad (321) de generación comprende una válvula (381) configurada para regular el flujo (Fil) de gas y/o vapor de la segunda unidad (322) de generación a la primera unidad (321) de generación; y comprendiendo preferiblemente, además, un sistema (700) de control configurado para controlar dicha válvula (381), para regular la temperatura y/o la composición del flujo (F1) de gas y/o vapor generado por la primera unidad (321) de generación.

14. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 3-13, en donde el dispositivo (300) de tostado comprende un sistema (330) de transporte configurado para transportar una capa (L) de material particulado (P) a través del compartimento (310) de tratamiento que comprende una primera zona (Z1), una o más zonas intermedias (Zi1, Zi2) y una última zona (Zd), de manera que el material particulado pase consecutivamente a través de la primera zona (Z1), la una o más zonas intermedias (Zi1, Zi2), y la última zona (Zd); en donde preferiblemente el sistema (330) de transporte comprende medios (340) de alimentación configurados para alimentar el material particulado (P), de modo que la capa tenga un espesor que comprenda no más de 5 partículas del material particulado (P), tales como granos, preferiblemente no más de 3 partículas, más preferiblemente no más de 2 partículas.

15. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 3-14, en donde dicha al menos una unidad de generación comprende: una primera unidad (321) de generación configurada para generar un primer flujo (F1) de gas y/o vapor a través de la primera zona (Z1); una o más unidades intermedias (322, 323) de generación configuradas para generar uno o más flujos intermedios (Fi1, Fi2) de gas y/o vapor a través de una o más zonas intermedias (Zi1, Zi2); una última unidad (324) de generación configurada para generar un último flujo (Fd) de gas y/o vapor a través de la última zona (Zd); un sistema (700) de control configurado para controlar dicha primera unidad (321) de generación, dicha una o más unidades intermedias (322, 323) de generación y dicha última unidad (324) de generación, de manera que la capa (L) de material particulado (P) se precaliente y se seque en la primera zona (Z1), se tueste en la una o más zonas intermedias (Zi1, Zi2), y se enfríe en la última zona (Zd); en donde preferiblemente el sistema (700) de control está configurado para usar al menos una parte del flujo de gas y/o vapor que haya pasado por una de las zonas (Z1, Zi1, Zi2, Zd), para generar el flujo de gas y/o vapor de otra zona (Z1, Zi1, Zi2, Zd), preferiblemente de una zona aguas arriba de dicha zona.