ES2973120T3 - Acumulador de calor - Google Patents

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Abstract

El depósito de calor (1) tiene una porción de calentamiento de agua (2) que está provista de porciones de medición de la temperatura del agua (4,4',4''). Los canales de flujo (6,7) están provistos de líneas que se extienden helicoidalmente (9,10) que tienen espaciadores de agua industriales conmutados en paralelo (9',9'',9''''), para guiar el flujo de líquidos sobrenadantes (11,12). . (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Acumulador de calor
La invención se refiere a un acumulador de calor que tiene un tanque de almacenamiento de agua de calefacción con diferentes temperaturas de agua de calefacción, que tiene un canal de flujo que está conectado para la circulación al tanque de almacenamiento de agua de calefacción y tiene convección libre del agua de calefacción, y que tiene al menos un conducto que se extiende al menos parcialmente de forma helicoidal y que está provisto en el canal de flujo para guiar un líquido en intercambio de calor con el agua de calefacción.
Para poder calentar el agua de servicio con ayuda de la convección libre del agua de calefacción de un acumulador de calor, es conocido en la técnica anterior (WO00/29789 A1) prever un canal de flujo en el acumulador de agua de calefacción en el que se insertan los conductos para el agua de servicio. Aunque estos sistemas de termosifón son baratos, fiables y requieren poco mantenimiento, presentan corrientes de convección relativamente bajas en el canal de flujo y, por tanto, un bajo nivel de eficacia en el intercambio de calor entre el agua de calefacción y el agua de servicio. Por lo tanto, estos acumuladores de calor no son adecuados para los requisitos de gran volumen y temperatura en la producción de agua de servicio.
También es conocido en un acumulador de calor (DE19848648C1) un canal de flujo para calentar el agua alrededor de un tanque de almacenamiento de agua de servicio para que pueda calentarse mediante convección libre. Esta convección se genera al enfriarse el agua de calefacción en el canal de flujo debido a una retirada de agua de servicio, hundiéndose hacia abajo en el canal de flujo y saliendo a continuación del canal de flujo, por lo que el agua de calefacción caliente es estirada hacia el canal de flujo. Aunque un tanque de almacenamiento de agua de servicio puede cubrir un consumo predeterminado gracias a su volumen de almacenamiento, el flujo a su alrededor a efectos de intercambio de calor con el agua de calefacción no es especialmente eficaz. Por lo tanto, se necesitan tanques de almacenamiento de agua de servicio relativamente grandes para cumplir los requisitos de volumen y temperatura, ya que con un tanque de almacenamiento de agua de servicio refrigerada sólo cabe esperar un recalentamiento lento. Esto no se puede remediar con una pared lateral del canal de flujo poco conductora del calor para canalizar el agua de calefacción, sobre todo porque el canal de flujo está diseñado a modo de trampa de calor.
Los documentos EP 2 206 971 A2 y DE 43 01 723 A1 muestran acumuladores de calor con las características del preámbulo de la reivindicación 1.
La invención se ha fijado por tanto el objetivo de mejorar un acumulador de calor del tipo descrito al principio de tal manera que, a pesar de un sistema de termosifón para el intercambio de calor entre el agua de calefacción y el agua líquida o de servicio, sea posible un alto grado de eficacia para cubrir suficientemente las necesidades de volumen y temperatura. Además, debe mejorarse la dinámica del sistema de termosifón para poder seguir rápidamente los cambios de volumen y de temperatura del intercambiador de calor.
La invención resuelve el objeto fijado mediante las características de la reivindicación 1.
Si la pared del canal de flujo tiene aislamiento térmico, al menos en algunas zonas, entonces incluso una diferencia de temperatura comparativamente pequeña en el acumulador de agua de calefacción puede crear una convección básica en el canal de flujo en comparación con la técnica anterior. Esta convección básica puede mantenerse incluso si las tuberías del canal de flujo tienen poca o ninguna necesidad de intercambio de calor con el agua de calefacción. Sin embargo, a diferencia de la técnica anterior, esta convección continua, aunque posiblemente baja, según la invención abre la posibilidad de garantizar una dinámica comparativamente elevada al descargar el acumulador de calor. Se ha comprobado que los parámetros de la convección libre pueden adaptarse comparativamente con rapidez a las necesidades variables de potencia en el intercambiador de calor si se parte de la convección básica. Por lo tanto, incluso los picos de potencia pueden ser cubiertos por un intercambiador de calor de este tipo, lo que significa que también puede satisfacer requisitos de volumen y temperatura comparativamente elevados. Además, el aislamiento térmico de la pared del canal de flujo puede reducir las interferencias indeseables con el flujo de convección, lo que puede permitir flujos de convección comparativamente altos y, por tanto, también un nivel de eficacia comparativamente alto en el intercambiador de calor. Este aislamiento térmico puede ser posible, por ejemplo, si la pared está aislada con materiales poco conductores del calor o si la pared está hecha de un material de este tipo. Tales aislamientos térmicos con una resistencia comparativamente alta a un flujo de energía térmica son conocidos en la técnica anterior, por ejemplo, las espumas de plástico. Ventajosamente, el aislamiento térmico según la invención puede mejorar no sólo la convección libre básica, sino también la convección libre asociada a los requisitos de rendimiento del intercambiador de calor. A ello puede contribuir también un recorrido del canal de flujo esencialmente en dirección vertical, por ejemplo, para permitir una circulación de baja resistencia del agua de calefacción o para utilizar de forma especialmente ventajosa la gravedad del agua de calefacción. Preferiblemente, la pared del canal de flujo puede consistir en un aislamiento térmico. En comparación con los sistemas de termosifón conocidos de la técnica anterior, un canal de flujo no sólo puede mejorarse en cuanto a su convección libre de una manera estructuralmente sencilla y, por tanto, rentable, sino que también pueden aumentarse significativamente la dinámica y el rendimiento del intercambiador de calor alrededor del cual fluye.
Si el conducto se diseña como un tubo corrugado, se abre la posibilidad de aumentar aún más la eficacia del intercambiador de calor de una forma estructuralmente sencilla. Por un lado, la forma ondulada puede garantizar una mayor mezcla y, por tanto, una mejor absorción del calor del agua de proceso canalizada y, por otro, esta forma ondulada también puede permitir velocidades de flujo elevadas en el canal de flujo. Esta forma de onda también puede garantizar una menor resistencia al flujo en el canal de flujo en el caso de una tubería helicoidal, por lo que la perturbación de la convección básica puede reducirse al mínimo. Además, la forma de onda puede utilizarse para generar un flujo turbulento en el canal de flujo y en el conducto de una manera estructuralmente sencilla, lo que garantiza una mejor transferencia y absorción del calor. A diferencia de los sistemas de termosifón conocidos, se puede conseguir así una dinámica mejorada incluso con una gran superficie de intercambio de calor y, por tanto, un alto rendimiento del intercambiador de calor.
Se pueden obtener condiciones de diseño sencillas si el canal de flujo se extiende esencialmente a lo largo de la camisa del acumulador de agua de calefacción y si el conducto se diseña como un conducto de agua de servicio para el agua de servicio de calefacción. Ventajosamente, esto también puede permitir una longitud de arco considerable del tubo helicoidal, lo que puede mejorar significativamente la superficie para calentar el agua de servicio y, por tanto, la eficacia del intercambiador de calor.
Para aumentar la capacidad de flujo del intercambiador de calor, se puede prever una pluralidad de tuberías de agua de servicio conectadas en paralelo en el canal de flujo. Esto también puede mejorar la dinámica del intercambiador de calor, ya que una mayor entrada de frío en el canal de flujo permite que la convección responda rápidamente. A diferencia de la técnica anterior, el acumulador de agua de calefacción puede descargarse por tanto con relativa rapidez a través del agua de servicio y utilizarse así para una elevada capacidad de llenado de los conductos de agua de servicio. Además, un mayor número de conductos de agua de servicio puede permitir ventajosamente una baja tosquedad del intercambiador de calor.
La simplicidad del diseño puede lograrse si los conductos de agua de servicio se conectan a un distribuidor común con una conexión de agua fría y se abren a un distribuidor común con una conexión de agua caliente. Esto también puede garantizar relaciones de presión uniformes en los conductos paralelos para mejorar la eficacia del intercambiador de calor.
En las figuras, por ejemplo, se ilustra el objeto de la invención mediante una realización ejemplar, en la que
La Figura 1 muestra una vista en sección de un acumulador de calor,
La Figura 2 muestra una vista en sección según ll-ll de la Figura 1,
La Figura 3 muestra una vista parcial parcialmente abierta según la Figura 1 y
Las Figuras 4 y 5 muestran vistas parciales ampliadas de la Figura 1.
El acumulador de calor 1 representado en la Figura 1 a modo de ejemplo tiene un tanque de almacenamiento de agua de calefacción 2, que está rodeado por una pared del tanque de almacenamiento 3. Esta pared del tanque de almacenamiento 3 está contigua a un aislamiento exterior que no se muestra en detalle. Como es sabido, un acumulador de agua de calefacción 2 cargado de calor tiene un gradiente vertical de temperatura, lo que provoca diferentes temperaturas 4, 4', 4" del agua de calefacción 5 en el acumulador de agua de calefacción 2. Estas diferencias relacionadas con la temperatura en la densidad del agua de calefacción 5 pueden utilizarse para crear un sistema de termosifón. Para ello, en el acumulador de agua de calefacción 2 se dispone de un canal de flujo 6 según la invención y de un segundo canal de flujo 7 no según la invención, que está conectado al acumulador de agua de calefacción 2 para la circulación de tal manera que se produzca la convección libre 8 del agua de calefacción 5. Esta convección libre 8 puede utilizarse para presurizar los conductos 9 o 10 del canal de flujo 6 o 7 con agua de calefacción 5, cuyos conductos 9 o 10 sirven para guiar un líquido 11 o 12 en intercambio térmico con el agua de calefacción 5. Esta construcción puede crear ahora un intercambiador de calor 13 o 14 alrededor del cual fluye el agua de calefacción 5 sin aporte adicional de energía. Los conductos 9 o 10 están dispuestos en forma helicoidal en el canal de flujo 6, 7 para proporcionar una gran superficie de intercambio de calor, lo que puede apreciarse, por ejemplo, observando los conductos 9 de la figura 3 en relación con la figura 2. Más concretamente, la eficacia y la dinámica del intercambiador de calor 13 ó 14 pueden mejorarse si la pared 15 ó 17 del canal de flujo 6 ó 7 está formada por un aislamiento térmico 16 ó 18. Por un lado, esto puede garantizar una convección básica 8' y, por otro, se puede generar una convección específica de alta exigencia 8" (convección debida a los requisitos de rendimiento respectivos del intercambiador de calor 13 o 15) porque el canal de flujo 6 o 7 está separado térmicamente del acumulador de agua de calefacción 2, lo que se puede ver más claramente en las figuras 4 y 5. La convección libre 8 según la invención, compuesta por la convección básica 8' y la convección específica para cada requisito 8", es por tanto especialmente adecuada para satisfacer requisitos elevados de volumen y temperatura del líquido a calentar. De acuerdo con la invención, el canal de flujo 6 y ventajosamente también el canal de flujo 7 están diseñados para extenderse esencialmente de forma vertical en una dirección con el fin de poder utilizar los flujos o fuerzas de flotación o abrasión para fines de intercambio de calor sin obstáculos, como puede verse en particular en la figura 1. Además, la convección básica 8' puede garantizarse incluso con pequeñas diferencias de temperatura en el acumulador de agua de calefacción 2.
El canal de flujo 6 se extiende a lo largo de la camisa 3' del acumulador de agua de calefacción 2. Esto permite que se forme un canal de flujo vertical 6 particularmente homogéneo con una convección comparativamente alta. Además, el canal de flujo 6 a lo largo de la camisa 3' permite que las pérdidas de calor del depósito de agua de calefacción puedan introducirse siempre en la zona inferior del tanque de almacenamiento de agua de calefacción 2. De este modo, la estratificación del acumulador de agua de calefacción 2 puede mantenerse durante un tiempo comparativamente largo, de modo que, a pesar del enfriamiento del acumulador de agua de calefacción 2, sigue habiendo temperaturas suficientemente altas disponibles para el intercambio de calor. Por lo tanto, se pueden reducir las pérdidas en espera.
Además, este canal de flujo de borde 6 también tiene unas dimensiones relativamente grandes, por lo que es especialmente adecuado para los conductos 9 para calentar el agua de servicio 11, ya que en él pueden tenderse conductos 9 de una longitud considerable. De este modo puede crearse un intercambiador de calor 13 eficaz para calentar el agua de servicio 11.
El conducto 9 está diseñado como un tubo ondulado, como puede verse en la vista parcial según la Figura 3, cuya forma de tubo ondulado puede garantizar una mejor descarga del acumulador de agua de calefacción 2.
En el canal de flujo 6 hay cuatro conductos de agua de servicio 9, 9', 9", 9'" conectados en paralelo para permitir una descarga más eficaz del acumulador de agua de calefacción 2. Estos conductos 9, 9', 9", 9'" también están diseñados como tuberías onduladas para aumentar adicionalmente el contenido energético que se extrae del acumulador de agua de calefacción 2.
Los conductos de agua de servicio 9, 9', 9", 9'" están conectados a un distribuidor común 19 con una conexión de agua fría 20 y desembocan en un distribuidor común 21 con una conexión de agua caliente 22. Los distribuidores 19 y 21 están previstos en el acumulador de agua de calefacción 2, lo que permite lograr una solución estructuralmente sencilla.
El acumulador de agua de calefacción 2 también aloja un depósito de compensación de presión 23 en el centro. El depósito de compensación de la presión 23 se utiliza para soportar los conductos 10 del segundo canal de flujo 7, lo que da lugar a una solución estructuralmente sencilla.
Se puede conseguir una estratificación diferente en el acumulador de agua de calefacción 2 si este segundo canal de flujo 7 tiene aberturas 24 a lo largo de su longitud de canal 14' para el intercambio de calor con el agua de calefacción 5 del acumulador de agua de calefacción 2. Esta abertura 24 se extiende en forma de S en el aislamiento 18 y permite una estratificación especialmente ventajosa al permitir que el agua de calefacción 5 procedente del segundo canal de flujo 7 fluya de vuelta al acumulador de agua de calefacción 2 cuando su ascenso se ve limitado por capas con temperaturas más elevadas.
El tanque de igualación de presión 23 tiene un gas, más concretamente un gas inerte 25, que puede introducirse en el tanque de igualación de presión 23 a través de un conducto de presión de gas 26. Además, este conducto de presión de gas 26 puede utilizarse para purgar el depósito de agua de calefacción con el fin de llenarlo de agua de calefacción. Tras el llenado, se puede introducir el gas inerte 25 para poder absorber la expansión térmica del agua de calefacción en función de la compresibilidad.
Los conductos 10 del segundo canal de flujo 7 están conectados, por ejemplo, a un colector solar no representado, de modo que el acumulador de agua de calefacción 2 puede cargarse a través de estos conductos 10. Durante este calentamiento, se forma una convección libre 27, que puede combinarse con una convección libre 28 del depósito de igualación de presión 23 para proporcionar una carga especial del tanque de almacenamiento de agua de calefacción 2. Para ello, la pared exterior aislada 29 del depósito de compensación de presión 23 dispone de una abertura de conexión 30. Inicialmente, el depósito de compensación de presión 23 puede absorber la dilatación térmica del agua de calefacción 5 a través de esta abertura de conexión 30. Si el acumulador de agua de calefacción 2 se descarga, entonces el agua de calefacción caliente 5 del depósito de compensación de presión puede introducirse ventajosamente en la estratificación asociada del acumulador de agua de calefacción 2 a través de la abertura respectiva 24 del segundo canal de flujo 7.
Los conductos 10 del canal de flujo 14 están conectados, por ejemplo, a un colector solar no representado, de modo que el acumulador de agua de calefacción 2 puede cargarse a través de estos conductos 10. Durante este calentamiento, se forma una convección libre 27, que puede combinarse con una convección libre 28 del depósito de igualación de presión 23 para proporcionar una carga especial del acumulador de agua de calefacción 2. Para ello, la pared exterior aislada 29 del depósito de compensación de presión 23 dispone de una abertura de conexión 30. Inicialmente, el depósito de compensación de presión 23 puede absorber la dilatación térmica del agua de calefacción 5 a través de esta abertura de conexión 30. Si el acumulador de agua de calefacción 2 se descarga, el agua de calefacción caliente 5 del depósito de compensación de presión puede introducirse ventajosamente en la estratificación asociada del acumulador de agua de calefacción 2 a través de la abertura respectiva 24 del canal de flujo 14.

Claims (2)

REIVINDICACIONES
1. Acumulador de calor provisto de un acumulador de agua de calefacción (2) con diferentes temperaturas del agua de calefacción (4, 4', 4"), con un canal de flujo (6) conectado para la circulación al acumulador de agua de calefacción (2) y con convección libre (8) del agua de calefacción (5), y con al menos un conducto (9) provisto en el canal de flujo (6) para guiar un líquido (11) que está en intercambio de calor con el agua de calefacción (5), en el que al menos la pared (15) del canal de flujo (6) tiene un aislamiento térmico (16) al menos en ciertas regiones, el canal de flujo (6) está diseñado para extenderse verticalmente en una dirección y el conducto (9) está previsto en el canal de flujo (6) para discurrir helicoidalmente, caracterizado porque el conducto (9) está diseñado como un tubo corrugado, en el que el canal de flujo (6) se extiende sustancialmente a lo largo de la camisa (3') del acumulador de agua de calefacción (2), y en el que el conducto (9) está diseñado como un conducto de agua de servicio para calentar el agua de servicio, en el que se proporcionan en el canal de flujo (6) una pluralidad de conductos de agua de servicio (9, 9', 9", 9'") conectados en paralelo.
2. Acumulador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los conductos de agua de servicio (9, 9', 9", 9'") se conectan a un distribuidor común (19) con una conexión de agua fría (20) y se abren a un distribuidor común (21) con una conexión de agua caliente (22).
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