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ES2627443T3 - Depósito de almacenamiento de calor de estratificación térmica mejorada - Google Patents

Depósito de almacenamiento de calor de estratificación térmica mejorada Download PDF

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ES2627443T3
ES2627443T3 ES13724192.3T ES13724192T ES2627443T3 ES 2627443 T3 ES2627443 T3 ES 2627443T3 ES 13724192 T ES13724192 T ES 13724192T ES 2627443 T3 ES2627443 T3 ES 2627443T3
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ES
Spain
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tank
liquid
layer
deposit according
temperature
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ES13724192.3T
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English (en)
Inventor
Arnaud Bruch
Raphaël Couturier
Jean-François FOURMIGUE
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • F24S60/00Arrangements for storing heat collected by solar heat collectors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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Abstract

Depósito de almacenamiento de calor que contiene un envolvente (2) de eje longitudinal (X) rellenado de un líquido refrigerante y de elementos sólidos de almacenamiento térmico, un primer extremo provisto de primeros medios de recogida y de alimentación (10) en un líquido a una primera temperatura y un segundo extremo longitudinal provisto de segundos medios de recogida y de alimentación (12) en un líquido a una segunda temperatura, estando dicho depósito caracterizado porque dichos elementos sólidos de almacenamiento térmico están repartidos en al menos dos capas (TH1, TH2, TH3) superpuestas a lo largo del eje longitudinal (X), separadas por una capa de líquido refrigerante (L1, L2, L3), siendo apto el líquido refrigerante para circular entre el primer extremo longitudinal y el segundo extremo longitudinal.

Description

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DESCRIPCION
Deposito de almacenamiento de calor de estratificacion termica mejorada Campo tecnico y tecnica anterior
La presente invencion se refiere a un deposito de almacenamiento de calor de estratificacion termica mejorada de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1. El documento FR 2369507 divulga dicho deposito.
Numerosos campos y numerosas aplicaciones industriales aplican el almacenamiento de calor. El almacenamiento de calor permite la valorizacion del calor sometido a procesos industriales, la recuperacion de energia excedente o la desvinculacion entre el momento de produccion de energia termica y su utilizacion.
A modo de ejemplo, en el campo de la energia solar termica en concentracion (CSP por sus siglas en ingles para «Concentrated Solar Power»), el excedente de calor producido en horas de sol intenso puede almacenarse de este modo para aprovecharlo al final del dia.
El almacenamiento del calor puede realizarse tipicamente en forma de energia sensible (haciendo variar el nivel de temperatura de un material de almacenamiento solido o liquido), en forma de energia latente (haciendo cambiar de fase un material de almacenamiento) o finalmente en forma de energia quimica (utilizando reacciones quimicas endotermicas y exotermicas).
En el caso de un almacenamiento de calor mediante calor sensible, el calor se almacena mediante la elevacion de la temperatura de un material de almacenamiento que puede puede ser liquido, solido o una combinacion de los dos.
Los procedimientos industriales que implican una utilizacion o una conversion de la energia termica por medio de un ciclo termodinamico, por ejemplo mediante la utilizacion de una turbina de vapor, hacen intervenir globalmente dos niveles de temperatura que son las condiciones en los bornes del ciclo. Se busca el mantenimiento de estos dos niveles de temperatura lo mas constantes posible con el fin de obtener un funcionamiento optimizado del ciclo. De hecho, a modo de ejemplo, las turbinas de vapor que garantizan la conversion de la energia termica en energia electrica tienen un rendimiento mas elevado cuando la temperatura de entrada en la turbina se mantiene constante a un valor predefinido. Como consecuencia, el almacenamiento asociado a dichos sistemas debe respetar por lo tanto estas caracteristicas y permitir por ejemplo descargar el calor a un nivel de temperatura constante.
Un ejemplo de este tipo de funcionamiento es el campo de la energia solar termica en concentracion donde un sistema de almacenamiento tipico se constituye por dos depositos rellenados de fluido de almacenamiento a dos niveles de temperatura. Uno de los depositos almacena a una temperatura baja constante y el segundo deposito almacena a una temperatura alta constante. La temperatura de salida del deposito caliente es por lo tanto constante a lo largo de la descarga.
Existen igualmente sistemas que solo contienen un unico deposito que contiene a la vez el fluido caliente y el fluido frio. Existe entonces una estratificacion termica en el interior del deposito, el fluido caliente situado en la parte superior y el fluido frio situado en la parte inferior estan separados entonces por una region de transicion llamada «termoclina».
La utilizacion de un deposito unico permite reducir el numero de compuestos, como las bombas, las valvulas, etc. y simplificar los mandos y sistemas de control.
En un almacenamiento de tipo termoclina, el material de almacenamiento puede ser un liquido refrigerante o, de forma ventajosa, una mezcla de un fluido refrigerante y de un material solido barato. La utilizacion de dicho material solido permite mejorar mas la segregacion del fluido caliente y del fluido frio disminuyendo los efectos de remezcla. En este ultimo caso, se habla entonces de «termoclina dual» (o «mixed-media thermocline» en ingles).
Este deposito «termoclina dual» presenta la ventaja de reducir la cantidad de liquido necesario, sabiendo que los materiales solidos de tipo rocas son baratos, se reduce el coste total.
En un deposito termoclina, con el fin de tener en cuenta diferencias de masa volumetrica y evitar movimientos de conveccion natural, el fluido refrigerante se introduce por la parte superior del deposito durante las fases de almacenamiento y por la parte inferior del deposito durante las fases de descarga. El almacenamiento se caracteriza por lo tanto por una zona caliente en la parte superior del deposito, una zona fria en la parte inferior y una zona de transicion entre las dos zonas llamada termoclina. El principio de este tipo de almacenamiento de calor es crear un «piston termico», es decir, el saliente de un frente termico lo mas delgado posible y transversalmente uniforme. Esto permite mantener temperaturas constantes durante las fases de carga y de descarga.
Durante las fases de carga, el liquido frio se retira del deposito por la parte inferior y se calienta, por ejemplo atravesando un intercambiador termico de un colector solar y se devuelve a continuacion al deposito por la parte
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superior. Durante una fase de descarga, el liquido caliente se retira del deposito por la parte superior y se envia por ejemplo hacia el evaporador de un ciclo termodinamico que integra una turbina, en el cual se enfria y se devuelve a continuacion al deposito por la parte inferior. Durante las fases de carga y de descarga, el piston termico se desplaza hacia la parte inferior y hacia la parte superior respectivamente.
El almacenamiento de tipo «termoclina dual» basado en una mezcla de fluido refrigerante liquido y de matriz solida pone en juego velocidades de fluidos muy debiles del orden de algunos mm/s con el fin de garantizar la transferencia de calor entre el fluido y la carga estatica y de limitar las heterogeneidades.
Los depositos termoclina que utilizan una mezcla de un fluido refrigerante y una matriz solida sufren el problema de la expansion termica progresiva (o «thermal ratcheting» en ingles): durante las fases de calor, el deposito se dilata y la matriz solida desciende para ocupar el espacio liberado. Durante las fases de refrigeracion, el deposito se contrae y se limita por la capa de rocas compacta. El dimensionamiento de un deposito para un almacenamiento termoclina dual debe encontrar por lo tanto un equilibrio entre:
- la fuerza mecanica vinculada al «thermal ratcheting» que se orienta hacia geometrias bastante planas, es decir, un gran diametro de deposito y una altura debil del deposito con el fin de disminuir la relacion de la altura sobre el diametro;
- la hidraulica que se orienta hacia geometrias de tipo cigarro, es decir, diametro debil y altura elevada del deposito, con el fin de favorecer una distribucion homogenea de fluido refrigerante y de mantener un piston termico delgado y transversalmente uniforme.
En funcionamiento real, dicho sistema de almacenamiento presenta heterogeneidades y el piston termico no es perfecto. Estas heterogeneidades pueden proceder:
- de heterogeneidades en el reparto de la carga estatica que pueden estar vinculadas al llenado inicial del deposito de almacenamiento (mezcla heterogenea, segregacion de la roca y de la arena, etc.) o al ciclo termico de la matriz solida que «vive» a lo largo de las dilataciones y de las contracciones termicas del deposito;
- de efectos de borde al nivel de la pared del deposito. Estos efectos de borde son de caracter hidraulico, puesto que la pared induce una heterogeneidad de la carga estatica, y de caracter termico debido a una pared fria en contacto del fluido caliente en la fase de carga y de una pared caliente en contacto con el fluido frio en la fase de descarga;
- de una mala distribucion del fluido refrigerante en la carga estatica.
Estas heterogeneidades conducen a la aparicion de caminos preferentes, a efectos chimenea que degradan el funcionamiento en el piston termico y limitan el buen funcionamiento de la termoclina. En la fase de carga, puede llegarse de este modo a «lenguas» calientes que avancen en el fluido frio. Una fuerte disparidad de temperatura aparece entonces en un plano transversal del deposito. Esto induce, por ejemplo, a que la temperatura de salida del deposito durante una fase de descarga sea constante sobre un intervalo de tiempo mas debil, lo que no se desea para el organo de conversion termodinamica.
Exposicion de la invencion
Como consecuencia, es un objetivo de la invencion ofrecer un deposito de almacenamiento de calor de tipo «termoclina dual» que presente una distribucion transversal de temperatura homogenea, de modo que alcance valores muy estables de temperatura caliente y de temperatura fria.
El objetivo de la presente invencion se alcanza mediante un deposito de acuerdo con la reivindicacion 1, en particular, un deposito que contiene una matriz solida y un refrigerante liquido repartidos en diversas etapas en comunicacion fluidica, conteniendo cada piso una capa de matriz solida, estando separadas las capas de matriz solida de dos etapas consecutivas por una capa de refrigerante liquido en la cual aparezcan movimientos de conveccion natural en caso de heterogeneidad de temperatura en un plano transversal. Estos movimientos de conveccion natural garantizan una homogeneizacion de la temperatura, lo que permite restablecer una homogeneidad de temperatura transversal en las capas de matriz solida.
A modo de ejemplo, en fase de carga, en cada piso, el frente termico progresando en la capa de matriz solida desde la parte superior hacia la parte inferior del deposito ve aparecer heterogeneidades transversales de temperatura. Cuando el frente termico encuentra la capa de liquido refrigerante del piso inferior, del hecho de los movimientos de conveccion natural, ve alcanzadas estas heterogeneidades transversales. De este modo, en cada paso de una etapa a la otra, se alcanzan las heterogeneidades transversales de temperaturas, lo que permite mantener un piston termico.
En otras palabras, el deposito de almacenamiento se compartimenta sobre su altura por medio de elementos aptos para dejar circular el liquido, con el fin de crear debajo de cada elemento zonas puramente liquidas por encima de
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las zonas solidas de material de almacenamiento termico. Caracterizadas por las velocidades muy debiles y una carga estatica solida, las zonas liquidas creadas de este modo permiten reducir las heterogeneidades mediante mecanismos de conveccion natural y de este modo «reiniciar» el piston termico en cada paso desde un compartimento a otro.
Los elementos que delimitan los compartimentos son por ejemplo rejillas.
De manera preferente, las zonas solidas comportan elementos de al menos dos granulometrias, que permiten reducir los espacios vacios de la matriz solida y por lo tanto la cantidad de liquido refrigerante necesaria.
El fenomeno de «thermal ratcheting» se reduce de forma ventajosa, puesto que cada compartimento presenta una altura debil en relacion con su diametro garantizando un piston termico transversalmente uniforme puesto que el deposito presenta una gran altura en relacion con su diametro.
La presente invencion tiene entonces como objeto un deposito de almacenamiento de calor que contiene un envolvente de eje longitudinal rellenado de un liquido refrigerante y de elementos solidos de almacenamiento termico, un primer extremo provisto de primeros medios de recogida y de alimentacion en un liquido a una primera temperatura y un segundo extremo longitudinal provisto de segundos medios de recogida y de alimentacion en un liquido a una segunda temperatura, en el cual dichos elementos solidos de almacenamiento termico se reparten en al menos dos capas superpuestas a lo largo del eje longitudinal, separadas por una capa de liquido refrigerante, siendo apto el liquido refrigerante para circular entre el primer extremo longitudinal y el segundo extremo longitudinal. Por ejemplo, cada capa reside sobre un soporte que permite la comunicacion fluidica.
Al menos uno de los soportes puede contener una estructura portadora y un enrejado recubierto de un recubrimiento metalico.
Los soportes estan preferentemente en dos partes.
Los elementos solidos de almacenamiento termicos presentan de forma ventajosa al menos dos granulometrias diferentes.
La capa de liquido refrigerante tiene preferentemente un grosor comprendido entre 1 cm y 10 cm.
Por ejemplo, el envolvente es una virola y la altura de cada capa es inferior al diametro del envolvente.
Los elementos solidos de almacenamiento termico pueden contener bloques de rocas y de arena. Los bloques de roca se forman por ejemplo a partir de rocas aluviales. El liquido refrigerante es por ejemplo un aceite termico.
Los primeros y/o los segundos medios de recogida y de alimentacion contienen de forma ventajosa medios de distribucion que garantizan una homogeneidad transversal de la velocidad axial del fluido.
El envolvente puede ser una virola. Los segundos medios de distribucion pueden contener un conducto de alimentacion que se extienda siguiendo el diametro de la virola y conductos de distribucion que se extiendan lateralmente desde el conducto de alimentacion, estando provistos dichos conductos de distribucion de orificios repartidos a lo largo de su longitud. De forma ventajosa, los conductos de distribucion presentan longitudes diferentes de tal manera que el contorno de los medios de distribucion tiene sensiblemente la forma de un circulo.
Los segundos medios de alimentacion y de recogida pueden aislarse de los elementos solidos de almacenamiento termicos.
La presente invencion tiene igualmente como objeto una central solar que contiene al menos un deposito de calor de acuerdo con la invencion.
La central solar puede ser una central solar del tipo Fresnel o una central solar de torre.
Los primeros y los segundos medios de recogida y de alimentacion del deposito pueden conectarse entonces a una turbina.
Breve descripcion de los dibujos
La presente invencion se comprendera mejor con la ayuda de la descripcion siguiente y de los dibujos adjuntos en los cuales:
- la figura 1 es una vista en corte longitudinal de un ejemplo de realizacion de un deposito de almacenamiento de calor de acuerdo con la invencion,
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- la figura 2 es una vista detallada del deposito de la figura 1 representada de forma esquematica que ilustra el funcionamiento del deposito,
- las figuras 3A y 3B son vistas de la parte superior de un ejemplo de realizacion de soportes destinados a delimitar los compartimentos en el deposito,
- la figura 3C es una vista en corte que sigue el plano A-A de la figura 3A,
- la figura 4 es una vista de la parte superior de un ejemplo de realizacion de un distribuidor que puede aplicarse en el deposito de acuerdo con la invencion,
- la figura 5A es una vista en corte longitudinal esquematica de un deposito de acuerdo con la invencion sobre la cual se representan planos de medicion de la temperatura,
- las figuras 5B y 5C son vistas en corte transversales del reparto de termopares en el liquido refrigerante y en los planos diferentes de la capa solida respectivamente,
- las figuras 6A a 6D son representaciones graficas de las mediciones de temperaturas proporcionadas por los termopares en los niveles diferentes de las etapas diferentes del deposito de la figura 5A.
Exposicion detallada de modos de realizacion particulares
En la descripcion siguiente, los terminos «piso» o «compartimento» se utilizaran indistintamente.
Los terminos «inferior», «superior», «parte superior^ y «parte inferior^ se consideran en relacion con la orientacion del deposito en la figura 1.
En la figura 1, puede verse una vista en corte longitudinal de un ejemplo de deposito de almacenamiento de calor de acuerdo con la invencion.
El deposito contiene un envolvente 2 cilindrico de eje longitudinal X. En el ejemplo representado, el deposito presenta una seccion circular.
El eje longitudinal X esta destinado a estar orientado sensiblemente verticalmente como en la representacion de la figura 1.
El envolvente 2 esta formado por una virola 4 y por dos fondos bombeados 6, 8 que cierran los extremos longitudinales superior e inferior respectivamente de la virola 4.
El deposito contiene medios de admision y de recogida 10 de liquido caliente situados en el fondo bombeado superior 6 del deposito y medios de admision y de recogida 12 del liquido frio situados en el fondo bombeado inferior 8 en la parte baja del deposito.
El interior del deposito esta dividido en diversos compartimentos C1, C2, C3 que se superponen a lo largo del eje longitudinal X. Cada compartimento C1, C2, C3 contiene un fondo G1, G2, G3 que forma el soporte que garantiza la retencion de elementos de almacenamiento termicos solidos permitiendo la comunicacion fluidica entre los compartimentos y una capa TH1, TH2, TH3 de elementos solidos de almacenamiento termico. Solo la capa TH1 se representa con elementos solidos.
Ademas, una capa de liquido refrigerante L1, L2, L3 recubre las capas TH1, TH2, TH3 de elementos de almacenamiento termicos solidos.
El volumen util del deposito no contiene una zona de vacio, aunque el volumen no ocupado por los elementos solidos se rellene con el fluido refrigerante. La zona situada por encima de la capa TH1 y delimitada por el fondo bombeado 6 no se rellena de liquido y forma un cielo para la evacuacion de los vapores.
En el ejemplo representado, la zona situada bajo la capa TH3 delimitada por el fondo bombeado inferior 8 esta llena de liquido de un material solido, por ejemplo, de tipo hormigon. Esto permite ademas disminuir la cantidad de fluido refrigerante aplicada.
Los elementos de almacenamiento termico estan formados por ejemplo por rocas y/o arena. Preferentemente, los elementos presentan al menos dos granulometrias que garantizan de este modo un buen llenado y que reducen los espacios libres para el liquido refrigerante. De forma ventajosa, los elementos de almacenamiento termico solidos estan formados por bloques de rocas y de arena que rellenan los espacios entre las rocas.
Cada granulometria corresponde a un diametro d50 de elementos solidos, definido como el valor para el cual el 50
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% de los elementos solidos tienen un diametro inferior a d50. El diametro d50 se designa igualmente como la mediana.
Preferentemente, se elige un factor 10 entre las medianas de las dos granulometrias, lo que permite el llenado del espacio libre entre las rocas grandes por las rocas pequenas. Por ejemplo, las rocas grandes tienen un diametro de alrededor de 3 cm y las rocas pequenas tienen un diametro de alrededor de 3 mm. El reparto del volumen es el siguiente: aproximadamente el 75 % de rocas grandes y el 25 % de rocas pequenas de volumen.
Puede tratarse por ejemplo de rocas aluviales compuestas principalmente de silicio. Las rocas se eligen en funcion de sus caracteristicas vinculadas a la capacidad de almacenamiento termico y a su comportamiento termico (masa volumetrica, capacidad termica masica y conductividad termica) y en su compatibilidad con el liquido refrigerante, por ejemplo la compatibilidad entre la naturaleza geologica de la roca y del liquido refrigerante.
El liquido refrigerante es por ejemplo aceite o sales fundidas. Por ejemplo, el aceite puede ser Therminol66 ® o Jarytherm DBT ®, no mostrando la misma interacciones particulares con las rocas aluviales, de manera mas general los aceites termicos de sintesis de alta temperatura pueden acordar la utilizacion con las rocas aluviales.
Con fines de simplicidad, las «capas de elementos de almacenamiento termico solidos» se designaran a continuacion como «capa de almacenamiento termico».
Los soportes estan adaptados por lo tanto para soportar de forma mecanica las capas de almacenamiento termico, para retener los elementos de granulometria debil, como la arena, y para dejar pasar el liquido refrigerante.
En las figuras 3A a 3C, pueden verse detalles de un soporte F1 de acuerdo con un ejemplo de realizacion.
De manera ventajosa, el soporte G1 esta formado por dos semisoportes que facilitan su montaje en la virola 4. Un soporte en una unica pieza no sale del ambito de la presente invencion.
En las figuras 3A y 3B, puede verse una estructura portadora 14 en forma de semidisco y un enrejado 16 en forma de semidisco recubierto de una rejilla 18 que repose en la estructura portadora 14.
La estructura portadora 14 esta formada por barras portadoras paralelas 20 solidarizadas entre ellas por transversales 22 y que realizan una estructura en forma de semicirculo.
En la figura 3C, puede verse una vista en corte de acuerdo con un plano A-A de la figura 3A del enrejado 16 y de la rejilla 18.
La rejilla 18 esta formada por ejemplo por una tela metalica cuyo tamano de las mallas es de tal manera que garantiza la retencion de los elementos solidos de granulometrias mas debiles.
Cada soporte G1, G2, G3 esta suspendido en la virola mediante un saliente anular 23 que rodea la superficie interior de la virola a la altura deseada.
Los medios de admision y de recogida 10, 12 contienen preferentemente un orificio para recoger el fluido caliente y frio respectivamente y medios de distribucion para alimentar el deposito de fluido caliente y frio respectivamente.
En la figura 4, puede verse un ejemplo de realizacion ventajosa de medios de distribucion vistos anteriormente.
Los medios de distribucion 24 contienen un conducto de alimentacion 26 unido a la alimentacion de liquido exterior y conductos de distribucion 28 conectados al conducto de alimentacion y que se extienden transversalmente en relacion con el mismo. En el ejemplo representado, los conductos de distribucion 28 son perpendiculares al conducto de alimentacion 26. Cada conducto esta provisto de una pluralidad de orificios de distribucion que garantiza una distribucion del liquido a lo largo de su eje.
El conducto principal se extiende de forma ventajosa a lo largo de un diametro de la virola. De manera ventajosa igualmente, los conductos de distribucion presentan longitudes diferentes en funcion de su posicion a lo largo del conducto principal de tal manera que los medios de distribucion cubren de manera sensiblemente homogenea toda la seccion transversal de la virola.
Pueden contemplarse otras formas de medios de distribucion, preferentemente estas formas que garantizan un reparto homogeneo de los liquidos que alimentan el deposito.
En la figura 2, pueden verse representadas de forma esquematica una parte superior de un compartimento C2 y una parte inferior del compartimento C1.
Puede verse la capa de liquido L2 por encima de la capa de almacenamiento termico TH2 y por debajo del soporte
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G1 que esta recubierto de la capa de almacenamiento termico TH1.
La flecha F simboliza los movimientos de conveccion natural que aparecen en la capa de liquido L2 cuando es el lugar de las heterogeneidades transversales de temperatura.
En caso de heterogeneidades transversales de temperatura, aparecen gradientes de temperatura y por lo tanto gradientes de masa volumetrica de liquido en las capas liquidas, lo que conduce a la aparicion de movimientos de conveccion natural que tienden a reducir este gradiente.
Preferentemente, el grosor de las capas de liquido es del orden de 1 cm a 10 cm.
Se ha constatado que, para grosores inferiores a 1 cm, la funcion de remezcla global esta menos garantizada porque las celulas de conveccion que se crean tienen un efecto mas local.
Para grosores superiores a 10 cm, se conserva la eficacia de la funcion de remezcla. En cambio, cuanto mayor es el grosor de la capa de liquido refrigerante, mas importante es la cantidad de liquido. Ademas, el coste del liquido es elevado. Da como resultado que un deposito con capas liquidas que presenten un grosor importante sea economicamente menos interesante. Ademas, los grosores demasiado importantes de capas liquidas se traducirian en una remezcla axial demasiado importante que reduciria la eficacia de la termoclina.
De manera ventajosa, los compartimentos presentan todos sensiblemente la misma altura y la misma composicion de cantidad de liquido y de cantidad de elementos solidos de manera que garantizan un componente homogeneo en toda la altura del deposito.
La altura del deposito de almacenamiento esta por lo tanto «recortada» en diversas regiones de altura hi: h1, h2, h3 que pueden variar de algunas decenas de centimetros a algunos metros. La altura de las capas se elige en la practica de manera que conserva una relacion hi/D<1, lo que permite reducir el fenomeno mecanico de «thermal ratcheting».
A modo de ejemplo unicamente, un deposito que presenta una temperatura baja de 150 0C y una temperatura alta de 300 0C puede contener una virola que presente un diametro de 2500 mm, tres compartimentos que contengan cada uno una capa de almacenamiento termico de altura igual a 1900 mm y una capa de liquido refrigerante que tenga un grosor de 100 mm.
Vamos a mostrar ahora la eficacia de la estructura del deposito de acuerdo con la invencion.
Para ello, se considera un deposito de cuatro compartimentos. Se efectuan mediciones de temperatura en las capas de liquido L1 a L3 y a alturas diferentes en cada capa de almacenamiento termico TH1, TH2, TH3, TH4 y en diversos puntos de pianos transversales de cada capa correspondiente a alturas diferentes. Las alturas diferentes de medicion se representan en la figura 5A. Los puntos diferentes de medicion por la altura se representan en el corte de la figura 5C para las rocas y en el corte de la figura 5B para el liquido. Las mediciones se hacen en el medio de los termopares.
Las mediciones de representan en los graficos de las figuras 6A a 6D para cada uno de los compartimentos C1 a C4 respectivamente.
La carga se realiza a la temperatura de 170 0C y el deposito esta inicialmente por completo a la temperatura de 60
0C.
El saliente del frente termico se simboliza con la flecha Fth en las representaciones graficas.
El analisis de las mediciones de temperatura muestran que, en el compartimento superior C1, se distinguen tres grupos de curvas correspondientes al plano C1-3, al plano C1-2 y al plano C1-1. A medida que el frente termico progresa en la virola a lo largo del eje X, aparece una heterogeneidad en la temperatura: de hecho, se constata que las curvas se agrupan cada vez menos, lo que se traduce en la existencia de diferencias de temperatura entre puntos de medicion situados en un mismo plano. La heterogeneidad de la temperatura crece de este modo desde el plano C1-1 hacia el plano C1-3.
El paso del compartimento C1 al compartimento 2 se traduce mediante un fortalecimiento de las curvas en el plano C2-1 en relacion con las del plano C1-3 (figura 6A), lo que significa una disminucion de la heterogeneidad de la temperatura en el plano C2-1 en relacion con el plano C1 -3.
El paso por la capa liquida L2 entre las capas TH1 y TH2 permite reducir el escalonamiento del grupo de curvas, es decir, reducir la heterogeneidad en la temperatura.
El mismo fenomeno aparece en cada uno de los pasos de un compartimento a otro durante el paso de una capa
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liquida.
En los compartimentos C3 y C4, se observan solamente dos grupos de curvas: un primer grupo bien fortalecido correspondiente a los planos C3-1 y C4-1 y un grupo de curvas escalonadas correspondientes a las dos capas siguientes de medicion C3-2 y c3-3 y C4-2 y C4-3. Esto ilustra una heterogeneidad en el deposito debido a la capa de rocas. Sin embargo, el paso por la capa liquida L4 permite restablecer la homogeneidad en la temperatura.
En un deposito de acuerdo con la invencion, la reduccion de las heterogeneidades en la temperatura durante el paso por una capa unicamente liquida se ha observado de forma experimental incluso en caso de heterogeneidad fuerte de la temperatura en un plano situado en sentido ascendente de la capa liquida. La capa de liquido permite igualmente retrasar la desestabilizacion de la termoclina puesto que la dispersion en la temperatura en los planos C2-1, C3-1 y C4-1 es mas debil que en el plano C1 -3.
El deposito presenta entonces un funcionamiento mejorado que se acerca al funcionamiento en el piston termico. El deposito de acuerdo con la invencion ayuda por lo tanto a mantener una temperatura constante en la salida del deposito.
Ademas, la proporcion util del deposito se aumenta. De hecho, la reduccion de las heterogeneidades transversales en la temperatura permite obtener un porcentaje de volumen mas importante del deposito a temperatura constante.
Ademas, gracias a la invencion, es posible combinar las ventajas de una relacion debil de altura de la capa sobre el diametro de la virola y de una relacion de la altura total sobre el diametro de la virola elevada.
De hecho, la segmentacion de la capa de elementos solidos permite alcanzar, para cada compartimento, una relacion de altura de la capa de almacenamiento termico sobre el diametro de la virola inferior a 1, lo que permite reducir el efecto de «thermal ratcheting» y por lo tanto garantizar una buena fuerza mecanica. Y de forma simultanea, la segmentacion permite tener una altura total de capa de elementos solidos importante y por lo tanto una relacion de altura total sobre el diametro grande. Se obtienen por lo tanto propiedades de almacenamiento importantes en la duracion y en el volumen de la zona isotermica.
Ademas, gracias a la invencion, es imposible reducir el grosor de la virola en relacion con las del estado de la tecnica puesto que la presion vinculada a los materiales solidos de almacenamiento se reparte en los compartimentos diferentes. Ademas, el fenomeno de compactacion durante los ciclos termicos se reparte en los compartimentos diferentes.
Ademas, gracias al reparto en compartimentos, los medios de distribucion situados en el fondo inferior del deposito se aislan de los elementos solidos de almacenamiento termico, ya no se someten mas entonces a las limitaciones mecanicas vinculadas por ejemplo a la compactacion de esta matriz durante ciclos termicos.
El deposito de acuerdo con la invencion puede utilizarse para almacenar el calor de cualquier o sistema que produzca calor.
Esta adaptado particularmente a la utilizacion con sistemas que utilicen liquidos que presenten temperaturas controladas y constantes, como turbinas.
El deposito de acuerdo con la presente invencion esta adaptado particularmente a una utilizacion en una central solar de tipo Fresnel para alimentar una turbina. Puede utilizarse igualmente en una central solar de torre.

Claims (15)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    REIVINDICACIONES
    1. Deposito de almacenamiento de calor que contiene un envolvente (2) de eje longitudinal (X) rellenado de un liquido refrigerante y de elementos solidos de almacenamiento termico, un primer extremo provisto de primeros medios de recogida y de alimentacion (10) en un liquido a una primera temperatura y un segundo extremo longitudinal provisto de segundos medios de recogida y de alimentacion (12) en un liquido a una segunda temperatura, estando dicho deposito caracterizado porque dichos elementos solidos de almacenamiento termico estan repartidos en al menos dos capas (TH1, TH2, TH3) superpuestas a lo largo del eje longitudinal (X), separadas por una capa de liquido refrigerante (L1, L2, L3), siendo apto el liquido refrigerante para circular entre el primer extremo longitudinal y el segundo extremo longitudinal.
  2. 2. Deposito de acuerdo con la reivindicacion 1, en el cual cada capa (TH1, TH2, TH3) reposa sobre un soporte (G1, G2, G3) que permite la comunicacion fluidica.
  3. 3. Deposito de acuerdo con la reivindicacion 2, en el cual al menos uno de los soportes (G1, G2, G3) contiene una estructura portadora (14) y un enrejado (16) recubierto de un recubrimiento metalico (18).
  4. 4. Deposito de acuerdo con la reivindicacion 2 o 3, en el cual los soportes (G1, G2, G3) estan en dos partes.
  5. 5. Deposito de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual los elementos solidos de almacenamiento termico presentan al menos dos granulometrias diferentes.
  6. 6. Deposito de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual la capa de liquido refrigerante (L1, L2, L3) tiene un grosor comprendido entre 1 cm y 10 cm.
  7. 7. Deposito de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual el envolvente (2) es una virola y en el cual la altura de cada capa (G1, G2, G3) es inferior al diametro del envolvente (2).
  8. 8. Deposito de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7. en el cual el liquido refrigerante es un aceite y/o en el cual los elementos solidos de almacenamiento termico contienen bloques de roca y de arena, estando formados dichos bloques de roca de forma ventajosa a partir de rocas aluviales.
  9. 9. Deposito de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual los primeros (10) y/o los segundos (12) medios de recogida y de alimentacion contienen medios de distribucion (24) que garantizan una homogeneidad transversal de la velocidad axial del fluido.
  10. 10. Deposito de acuerdo con la reivindicacion 9, en el cual el envolvente (2) es una virola y los segundos medios de distribucion (24) contienen un conducto de alimentacion (26) que se extiende siguiendo el diametro del envolvente (2) y conductos de distribucion (28) que se extienden lateralmente desde el conducto de alimentacion, estando provistos dichos conductos de distribucion (28) de orificios repartidos a lo largo de su longitud.
  11. 11. Deposito de acuerdo con la reivindicacion 10, en el cual los conductos de distribucion (28) presentan longitudes diferentes de manera que el contorno de los medios de distribucion (24) tiene sensiblemente la forma de un circulo.
  12. 12. Deposito de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11, en el cual los segundos medios de alimentacion y de recogida (12) estan aislados de los elementos solidos de almacenamiento termico.
  13. 13. Central solar que contiene al menos un deposito de calor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 12.
  14. 14. Central solar de acuerdo con la reivindicacion 13, en la cual la central solar es una central solar de tipo Fresnel o una central solar de torre.
  15. 15. Central solar de acuerdo con la reivindicacion 13 o 14, en la cual los primeros (10) y los segundos (12) medios de recogida y de alimentacion del deposito estan conectados a una turbina.
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