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ES2358488A1 - ACCUMULATOR EQUIPMENT WITH STRATIFICATION THROUGH VERTICAL TUBES. - Google Patents

ACCUMULATOR EQUIPMENT WITH STRATIFICATION THROUGH VERTICAL TUBES. Download PDF

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ES2358488A1
ES2358488A1 ES200600950A ES200600950A ES2358488A1 ES 2358488 A1 ES2358488 A1 ES 2358488A1 ES 200600950 A ES200600950 A ES 200600950A ES 200600950 A ES200600950 A ES 200600950A ES 2358488 A1 ES2358488 A1 ES 2358488A1
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ES
Spain
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stratification
accumulator
baselineskip
water
hot
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ES200600950A
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Spanish (es)
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ES2358488B1 (en
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Laureano Guitian Bescansa
Manuel Eusebio Vazquez Alfaya
Fernando Cerdeira Perez
Manuel Angel Sanjurjo Rodiguez
Guillermo Rey Gonzalez
Angel Manuel Sanchez Bermudez
Santiago Rafael Urrejola Madriñan
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Universidade de Vigo
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Universidade de Vigo
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Abstract

Equipo acumulador con estratificación mediante haz de tubos verticales.El objetivo principal de la invención es un acumulador eléctrico o termo concebido para evitar la mezcla de agua caliente y fría en el interior del propio acumulador.El equipo contiene la inserción dentro del depósito de acumulación o carcasa (1) de un conjunto de tubos (2) que actúan, como mini acumuladores y minimizan el mezclado entre agua caliente y fría; el equipo contiene además una resistencia eléctrica (3), discos superior (4) e inferior (5), placas microperforadas superior (6) e inferior (7) además de otros elementos.La solución técnica que aporta la invención es la reducción considerable de tamaño y peso del termo sin mermar su capacidad de obtención de agua caliente sanitaria.La invención es una alternativa al acumulador eléctrico de agua caliente convencional.Accumulator equipment with stratification by means of a bundle of vertical tubes. The main objective of the invention is an electric or thermo accumulator designed to avoid the mixture of hot and cold water inside the accumulator itself. The equipment contains the insert inside the accumulation tank or casing (1) of a set of tubes (2) that act as mini accumulators and minimize the mixing between hot and cold water; The equipment also contains an electrical resistance (3), upper (4) and lower (5) discs, upper (6) and lower (7) microperforated plates as well as other elements.The technical solution provided by the invention is the considerable reduction of size and weight of the thermos without reducing its ability to obtain sanitary hot water. The invention is an alternative to the conventional electric hot water tank.

Description

Equipo acumulador con estratificación mediante haz de tubos verticales.Accumulator equipment with stratification by bundle of vertical tubes.

Sector de la técnicaTechnical sector

El equipo acumulador que se describe es de aplicación en el sector técnico industrial de fabricación de aparatos acumuladores eléctricos de agua caliente destinados mayoritariamente al ámbito doméstico.The accumulator equipment described is from Application in the industrial technical manufacturing sector of electric hot water storage devices intended mostly to the domestic sphere.

Estado de la técnicaState of the art

La mayor parte de los sistemas individuales de producción de agua caliente mediante electricidad utilizan el termo eléctrico para calentar y almacenar agua. Existen otros equipos eléctricos aplicables, tales como el calentador instantáneo (que requiere elevadas potencias de funcionamiento).Most of the individual systems of hot water production using electricity use the thermos electric to heat and store water. There are other teams applicable electric, such as the instant heater (which requires high operating powers).

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Los sistemas de producción de agua caliente pueden agruparse en las dos categorías siguientes:Hot water production systems They can be grouped into the following two categories:

a)to)
Calentamiento continuo.Continuous heating.

El calentamiento del agua se produce en cualquier periodo de día en función de la demanda. Así, la extracción de agua caliente del termo significa la entrada al mismo de agua fría, que a continuación empieza a calentarse.The warm-up of water is produced in any period of day depending on the demand. Thus, the extraction of hot water from the thermos means the cold water inlet, which then begins to get warm.

Este sistema se emplea en termos de poca capacidad o, para ser más precisos, termos cuyo volumen cubre sólo una pequeña parte de las necesidades totales de agua caliente.This system is used in low capacity thermoses or, to be more precise, thermos whose volume covers only a small part of the total needs of hot water.

Por este motivo, el calentamiento continuo no aprovecha suficientemente la Tarifa Nocturna, y el porcentaje de consumo durante la noche no suele sobrepasar el 20% del consumo total de agua caliente.For this reason, continuous heating does not take sufficient advantage of the Rate Night, and the percentage of consumption during the night is not usually exceed 20% of total hot water consumption.

b)b)
Calentamiento nocturno.Night heating.

El calentamiento del agua se realiza prioritariamente por la noche, en las 8 horas de precio reducido.The warm-up of water is done primarily at night, in the 8 hours of reduced price.

La limitación del tiempo de calentamiento significa aumentar la capacidad del termo con relación al caso anterior, por lo cual los equipos reciben el nombre de acumuladores de agua caliente.The limitation of the heating time means increasing the capacity of the thermos in relation to the previous case, whereby the equipment is called hot water accumulators .

Dependiendo del volumen del termo, el agua caliente producida durante la noche atenderá la mayor parte o la totalidad de las necesidades del día siguiente. En cualquier caso, el termo debe poder conectarse también durante el día, a voluntad del usuario, para hacer frente a una demanda de agua no cubierta con el volumen almacenado.Depending on volume of the thermos, the hot water produced overnight will attend most or all of the day's needs next. In any case, the thermos must also be able to connect during the day, at the user's discretion, to deal with a Water demand not covered with the volume stored.

Este sistema de calentamiento proporciona un gran aprovechamiento de la Tarifa Nocturna, con porcentajes de consumo durante la noche que van desde el 60% hasta el 100%, según la capacidad del termo.This system of heating provides a great use of the Rate Nocturnal, with percentages of consumption during the night ranging from 60% to 100%, depending on the capacity of the thermos.

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En cuanto a la estratificación se pueden distinguir dos tipos de estratificación atendiendo a su naturaleza: natural o artificial:Regarding stratification, two types of stratification can be distinguished according to their nature: natural or artificial :

a)to)
Estratificación natural.Natural stratification

La utilización de la estratificación natural en lugar de separadores físicos maximiza la capacidad de descarga. Para un acumulador dado la capacidad de descarga máxima resulta de minimizar la transferencia interna de calor y el mezclado.The utilization of natural stratification instead of physical separators Maximize download capacity. For a given accumulator the maximum discharge capacity results from minimizing transfer Internal heat and mixing.

Para conseguir la estratificación natural es necesaria la utilización de difusores en la salida y sobre todo en la entrada del agua al acumulador. La función primordial de dichos difusores es reducir el mezclado producido por el agua fría que llega.To obtain natural stratification is necessary to use diffusers at the outlet and especially at the entrance of the water to the accumulator. The The primary function of these diffusers is to reduce mixing produced by the cold water that arrives.

Existen dos mecanismos a tener en cuenta. Uno es el mezclado que se produce al comienzo de la descarga durante la formación de la termoclina. Esta mezcla determina en gran medida su espesor inicial.Two exists mechanisms to consider. One is the mixing that occurs at beginning of discharge during thermocline formation. This Mix largely determines its initial thickness.

Se produce simultáneamente con la transferencia de calor entre el agua que entra y los componentes sólidos del acumulador con los que el agua se pone en contacto.It is produced simultaneously with the heat transfer between the water that enters and the solid components of the accumulator with which the water He gets in touch.

El otro mecanismo de mezclado importante ocurre en el lado de la termoclina que está a la entrada del agua, una vez que aquella se ha formado. Está asociado con el movimiento circulatorio y los vórtices formados por el fluido que entra y depende del número de Froude y del de Reynolds para el flujo de entrada.The other important mixing mechanism occurs on the side of the thermocline that is at the entrance of the water, once that one has formed. It is associated with circulatory movement and formed vortices by the fluid that enters and depends on the number of Froude and the number of Reynolds for the inflow.

El diseño del difusor tiene un efecto principal sobre el mezclado y solamente un efecto secundario sobre la transmisión de calor. Es obvio que si el agua entra en el acumulador con una velocidad vertical elevada el mezclado será excesivo.The design of the diffuser has a main effect on mixing and only one Side effect on heat transmission. It is obvious that if the water enters the accumulator with a high vertical speed the mixed will be excessive.

b)b)
Estratificación artificial.Artificial stratification

El aspecto novedoso que presenta la patente es la utilización de una técnica, la de la estratificación artificial, que aunque ha sido ampliamente utilizada en situaciones de almacenamiento de energía (tanto de agua caliente como de agua fría) es novedosa en el diseño de acumuladores eléctricos para viviendas.Appearance The novelty of the patent is the use of a technique, that of artificial stratification, which although it has been widely used in energy storage situations (both water hot as cold water) is new in the design of accumulators Electrical for homes.

Dicha estratificación permitirá en nuestro caso concreto la separación entre las capas fría y caliente de fluido y, por tanto, la optimización de la energía contenida en nuestro acumulador mediante un intercambio térmico mínimo.Bliss stratification will allow separation in our case between the cold and hot layers of fluid and therefore the optimization of the energy contained in our accumulator through minimal heat exchange

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Descripción de la invenciónDescription of the invention Realización Realization

Para la realización de esta invención, así como para la evaluación de su eficacia se han seguido los siguientes pasos:For the realization of this invention, as well as for the evaluation of its effectiveness the following have been followed Steps:

1) Revisión bibliográfica.1) Bibliographic review.

2) Construcción de prototipos y de la instalación necesaria. Para la realización de los experimentos se han construido tres prototipos diferentes que han sido ensayados suponiendo unos consumos tipo de la familia media española. De la misma manera se ha dotado a las instalaciones de la infraestructura necesaria para la realización de los estudios.2) Construction of prototypes and the necessary installation. To carry out the experiments, they have built three different prototypes that have been tested assuming some typical consumption of the average Spanish family. Of the the same way the infrastructure facilities have been equipped necessary for carrying out the studies.

3) Realización de ensayos de laboratorio:3) Performing laboratory tests:

\quadquad
Régimen estático:Static regime:

i. i.
Periodo de carga. Se determinarán las temperaturas en el interior del acumulador mientras la resistencia está suministrando calor.Charging Period Temperatures will be determined inside the accumulator while the resistance is supplying heat

ii. ii.
Periodo de relajación (enfriamiento). Alcanzada cada una de las temperaturas de nuestro estudio se permite el enfriamiento durante 24/48 horas del acumulador para comprobar las variaciones de temperatura en el interior del acumulador así como las pérdidas de éste al exterior.Relaxation period (cooling). Reached every one of the temperatures of our study is allowed the 24/48 hour cooling of the accumulator to check the temperature variations inside the accumulator as well as its losses abroad.

\quadquad
Régimen dinámico:Dynamic regime:

i. i.
Descarga completa. Mediante este patrón de consumo se han ensayado las condiciones más favorables a la estratificación natural Los ensayos se han realizado a diferentes temperaturas de calentamiento y con diferentes caudales.Full download Through this consumption pattern the most favorable conditions for stratification have been tested natural The tests have been carried out at different temperatures of heating and with different flows.

ii. ii.
Descargas según patrones de consumo. En condiciones normales de funcionamiento el consumo de agua caliente sanitaria no se produce de manera continua sino que se produce de manera discontinua a lo largo del día. Es en estas condiciones en las que se acentúa el problema de mezclado entre el agua fría y caliente del interior del termo.Downloads according to consumption patterns. In conditions normal operating domestic hot water consumption not it is produced continuously but it is produced continuously discontinuous throughout the day. It is in these conditions that the problem of mixing between the hot and cold water of the inside of the thermos.

4) Análisis de los programas de modelización matemática existentes en el mercado.4) Analysis of modeling programs Mathematics existing in the market.

5) Simulación por ordenador ele los prototipos propuestos.5) Computer simulation of prototypes proposed.

6) Comparación entre los resultados de dicha simulación y los extraídos de los experimentos realizados en laboratorio.6) Comparison between the results of said simulation and those extracted from the experiments performed on laboratory.

7) Conclusiones y posibles mejoras propuestas a los prototipos presentados.7) Conclusions and possible improvements proposed to The prototypes presented.

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Para la realización de los experimentos se ha contado con el siguiente equipamiento de laboratorio:For the realization of the experiments it has been It has the following laboratory equipment:

\bullet?
Multímetro KEITHLEY 7000 con módulo 7100.KEITHLEY 7000 multimeter with module 7100.

\bullet?
Ordenador PC + software de control de programación propia.PC computer + software own programming control.

\bullet?
Tarjeta PC-LAB 512.PC-LAB card 512.

\bullet?
Sondas K con rango de temperaturas de 0 a 100ºC.K probes with range of temperatures from 0 to 100 ° C.

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El programa TERMO v.2.1 de programación propia permite realizar un control de la instalación al mismo tiempo que registra en disco el estado de las sondas de temperatura del sistema.The TERMO v.2.1 program of its own programming allows you to control the installation at the same time as record the status of the temperature probes on disk system.

Con la utilización conjunta de este software y de los patrones de consumo habituales en las familias españolas se ha podido automatizar la realización de experimentos a la vez que se garantiza la exactitud en las mediciones.With the joint use of this software and of the usual consumption patterns in Spanish families, has been able to automate the performance of experiments while guarantees accuracy in measurements.

Para la realización de la invención se han fabricado tres prototipos diferentes: uno clásico basado en estratificación natural, otro basado en la utilización de estratificación horizontal mediante discos horizontales separadores y por último uno que consigue realizar una estratificación artificial mediante un haz de tubos verticales, este último motivo de la invención de la presente patente.For the realization of the invention have been manufactured three different prototypes: a classic one based on natural stratification, another based on the use of horizontal stratification using horizontal separator discs and finally one that manages to perform a stratification artificial by means of a beam of vertical tubes, this last reason of the invention of the present patent.

Para la correcta simulación del problema físico que nos ocupa es importante poder predecir el movimiento del agua que estará definido por un régimen laminar que obliga a utilizar, al mismo tiempo, las ecuaciones de Navier-Stokes y la ecuación general de la energía.For the correct simulation of the physical problem what concerns us is important to predict the movement of water which will be defined by a laminar regime that requires the use of same time, the Navier-Stokes equations and the general equation of energy.

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Además, existen momentos en el funcionamiento de un acumulador de agua caliente sanitaria en los que también es necesaria la presencia de diferentes modelos informáticos:In addition, there are moments in the operation of a domestic hot water tank in which it is also necessary the presence of different computer models:

i) i)
En el calentamiento. Cuando la resistencia eléctrica entra en funcionamiento el agua que la rodea se calienta instantáneamente y, debido a los gradientes de densidad, tiende a ascender en el depósito. Por la misma razón, el agua fría tenderá a descender.In the warm up. When electrical resistance the surrounding water becomes hot instantly and, due to density gradients, it tends to Ascend in the warehouse. For the same reason, cold water will tend to descend.

ii) ii)
En el momento de la extracción de agua caliente se produce un movimiento de convección forzada y, simultáneamente, hay una columna de agua que asciende para reemplazar al agua extraída.At the time of hot water extraction it produces a forced convection movement and simultaneously there a column of water that rises to replace the water extracted.

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Son estas y otras las razones que hacen necesaria una compleja simulación matemática que, en la actualidad, es posible mediante la utilización de modernos programas informáticos de simulación como FEMLAB (basado en el motor matemático de MATLAB).Are these and others the reasons they do necessary a complex mathematical simulation that, at present, it is possible by using modern programs simulation software such as FEMLAB (engine based mathematician of MATLAB).

Para la simulación informática se han realizado una serie de simplificaciones sobre el modelo matemático con el fin de reducir el tiempo de cálculo necesario y las necesidades de equipamiento. Así, y debido a la utilización de un programa de simulación mediante elementos finitos, se ha tenido que convertir la superficie cilíndrica del acumulador en una malla de superficies triangulares. Utilizando un número suficientemente alto de polígonos se obtiene una buena aproximación de los resultados sin resultar necesaria una elevadísima potencia de cálculo.For computer simulation have been performed a series of simplifications on the mathematical model in order to reduce the necessary calculation time and the needs of equipment. Thus, and due to the use of a program of simulation using finite elements, the cylindrical surface of the accumulator in a surface mesh triangular Using a sufficiently high number of polygons a good approximation of the results is obtained without being Very high computing power is necessary.

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Para la resolución del problema original se ha utilizado un sistema de ecuaciones diferenciales acopladas, a saber:For the resolution of the original problem it has been used a system of coupled differential equations, to to know:

i) Transferencia de calor:i) Heat transfer:

1one

dondewhere

q = Flujo interno de calorq = Internal heat flow

h = Coeficiente de Transferencia Térmicah = Thermal Transfer Coefficient

T_{inf} = Temperatura ExternaT_ {inf} = External Temperature

Const = Constante Dependiente del TiempoConst = Time Dependent Constant

T_{amb} = Temperatura AmbienteT_ {amb} = Ambient Temperature

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      

ii) Mecánica de fluidos (Navier-Stokes):ii) Fluid mechanics (Navier-Stokes):

22

dondewhere

\rho = Densidad\ rho = Density

u = Viscosidad Dinámicau = Dynamic Viscosity

F_{i} = Fuerza del Volumen en el eje iF_ {i} = Volume Force on axis i

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      

Todos los valores utilizados en las simulaciones provienen de las características del material que han sido facilitadas por los diferentes fabricantes.All values used in the simulations they come from the characteristics of the material that have been provided by different manufacturers.

Una vez realizado un muestreo de comprobación entre las simulaciones informáticas y las experiencias realizadas en laboratorio se puede considerar que dichas simulaciones son exactas en un 93%, un número suficientemente alto teniendo en cuenta la cantidad de parámetros experimentales que se escapan al campo de la simulación informática actual.Once a test sampling has been performed between computer simulations and experiences in laboratory can be considered that such simulations are accurate by 93%, a sufficiently high number considering the number of experimental parameters that escape the field of Current computer simulation.

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Prototipos Prototypes Prototipo convencionalConventional prototype

Las principales características físicas del prototipo utilizado son las siguientes:The main physical characteristics of Prototype used are the following:

Capacidad Nominal: 87 (l)Capacity Nominal: 87 (l)

Capacidad Real: 87 (l)Real Capacity: 87 (l)

Máxima Potencia: 2000 (W)Maximum power: 2000 (W)

Espesor de aislamiento: 40 (mm)Thickness of insulation: 40 (mm)

Altura total: 625 (mm)Total height: 625 (mm)

Altura interna: 600 (mm)Internal height: 600 (mm)

Diámetro calderín: 416 (mm)Diameter boiler: 416 (mm)

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      

Siendo la capacidad real la nominal menos el espacio ocupado por los discos separadores, los tubos y resto de elementos interiores al calderín.The actual capacity being the nominal minus the space occupied by separator discs, tubes and other interior elements to the boiler.

Este prototipo a diferencia del prototipo objeto de esta invención (con estratificación mediante tubos verticales) tiene un depósito vacío; los datos de sondeo de temperaturas se realizan a través de los agujeros practicados a lo largo del depósito (al igual que en el prototipo con estratificación mediante tubos verticales). En este caso la estratificación será natural y se conseguirá, en la medida de lo posible, gracias a la existencia de una pequeña capa intermedia llamada termoclina que separa el volumen de agua caliente del de agua fría.This prototype unlike the object prototype of this invention (with stratification by vertical tubes) It has an empty tank; temperature probe data is made through the holes made along the deposit (as in the prototype with stratification by vertical tubes). In this case the stratification will be natural and will will achieve, as far as possible, thanks to the existence of a small intermediate layer called thermocline that separates the volume of hot water of cold water.

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      
Prototipo con estratificación artificial mediante discos horizontalesPrototype with artificial stratification using discs horizontal

Las características físicas más reseñables de este prototipo son:The most notable physical characteristics of This prototype are:

Capacidad Nominal: 87 (l)Capacity Nominal: 87 (l)

Capacidad Real: 82 (l)Real Capacity: 82 (l)

Máxima Potencia: 2000 (W)Maximum power: 2000 (W)

Espesor de aislamiento: 40 (mm)Thickness of insulation: 40 (mm)

Altura total: 625 (mm)Total height: 625 (mm)

Altura interna: 600 (mm)Internal height: 600 (mm)

Diámetro calderín: 416 (mm)Diameter boiler: 416 (mm)

Nº deflectores: 5No. of baffles: 5

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      

A diferencia del prototipo objeto de esta invención (con estratificación mediante tubos verticales) en este caso se ha añadido una estructura central que consta de un tubo y de unos discos unidos solidariamente a éste (Davis y Bartera (1975) realizaron diversos experimentos para comprobar el efecto de colocar diversas láminas en la estratificación térmica conseguida). En este caso observamos una disminución del volumen útil en el interior del termo y la existencia de un mejor mantenimiento de las temperaturas en el interior de los compartimentos al minimizarse la capacidad de mezcla entre el agua caliente y el agua fría; los datos de sondeo de temperaturas se realizan a través de los agujeros practicados a lo largo del depósito (al igual que en el prototipo con estratificación mediante tubos verticales).Unlike the prototype object of this invention (with stratification by vertical tubes) in this case a central structure consisting of a tube and of some discs united in solidarity with this one (Davis and Bartera (1975) they performed various experiments to check the effect of placing various sheets in the thermal stratification achieved). In this case we observed a decrease in the useful volume inside the thermos and the existence of better temperature maintenance inside the compartments by minimizing the ability to mixture between hot water and cold water; polling data from temperatures are made through holes made at tank length (as in the prototype with stratification by vertical tubes).

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      
Prototipo con estratificación artificial mediante tubos verticalesPrototype with artificial stratification by tubes vertical

Las características físicas más reseñables de este prototipo son:The most notable physical characteristics of This prototype are:

Capacidad Nominal: 87 (l)Capacity Nominal: 87 (l)

Capacidad Real: 76 (l)Real Capacity: 76 (l)

Máxima Potencia: 2000 (W)Maximum power: 2000 (W)

Espesor de aislamiento: 40 (mm)Thickness of insulation: 40 (mm)

Altura total: 625 (mm)Total height: 625 (mm)

Altura interna: 600 (mm)Internal height: 600 (mm)

Diámetro calderín: 416 (mm)Diameter boiler: 416 (mm)

Nº de tubos interiores: 32No. of tubes interiors: 32

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      

El último de los prototipos propuestos, y objeto de esta invención, se basa en la investigación realizada por Lavan y Thompson (1977) que desarrollaron un modelo empírico que demuestra que la eficiencia de la estratificación aumenta al hacerlo la relación altura/diámetro.The last of the proposed prototypes, and object of this invention, is based on the research conducted by Lavan and Thompson (1977) who developed an empirical model that demonstrates that stratification efficiency increases by doing so height / diameter ratio.

Como se puede observar en el dibujo de este prototipo con estratificación mediante 1 tubos verticales (Fig. 1) se trata de la inserción dentro del depósito principal o carcasa (1) de un conjunto de tubos (2) que actúan como mini acumuladores en los que la relación altura/diámetro es superior a la original permitiendo que en cada uno de ellos el espesor de la termoclina sea menor y, por tanto, también sea menor el mezclado entre el agua caliente y la fría; los datos de sondeo de temperaturas se realizan a través de los agujeros practicados a lo largo del depósito (8).As you can see in the drawing of this prototype with stratification using 1 vertical tubes (Fig. 1) it is the insertion into the main tank or housing (1) of a set of tubes (2) that act as mini accumulators in the that the height / diameter ratio is greater than the original allowing in each of them the thickness of the thermocline is minor and, therefore, also less mixed between water hot and cold; temperature survey data is performed through the holes made along the tank (8).

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      
Conclusiones Conclusions

De acuerdo con los datos obtenidos se pueden distinguir las siguientes conclusiones generales comunes para el prototipo de estratificación artificial mediante discos horizontales y para el prototipo de estratificación artificial mediante tubos verticales (objeto de esta patente):According to the data obtained, you can distinguish the following common general conclusions for the artificial stratification prototype using horizontal discs and for the artificial stratification prototype using tubes vertical (object of this patent):

i) i)
Conductividad térmicaThermal conductivity

\quadquad
Como era de esperar al disminuir X_{p} (conductividad térmica de las paredes) las pérdidas de la zona caliente a la zona fría disminuyen, lo que mejora la calidad de la estratificación.As it expected to decrease {p} X (thermal conductivity of the walls) losses from the hot zone to the cold zone is decreased, which improves the quality of stratification.

ii) ii)
Espesor de la pared.Wall thickness.

\quadquad
La disminución del espesor e_{p} (espesor de la pared) implica una reducción del flujo térmico conductivo a lo largo de la pared y, por tanto, una mejora de la estratificación.The decrease in thickness e_ {p} (thickness of the wall) implies a reduction of conductive thermal flux along of the wall and, therefore, an improvement of the stratification.

iii) iii)
Volumen de almacenamiento.Storage volume

\quadquad
Las pérdidas térmicas a nivel de la zona caliente disminuyen al aumentar el volumen del acumulador.Thermal losses at the level of the hot zone decrease with increasing the volume of the accumulator.

iv) iv)
Influencia de la Conductividad Térmica del Fluido.Influence of Thermal Conductivity of Fluid.

\quadquad
El aumento de la conductividad del fluido provoca el consiguiente aumento del coeficiente de intercambio de calor a lo largo de la pared.The increase in fluid conductivity causes consequent increase in the heat exchange coefficient at wall length

v) v)
Influencia del Espesor de Aislamiento.Influence of Insulation Thickness.

\quadquad
Cuanto mayor es el espesor del aislamiento menores son las pérdidas producidas en el acumulador.The greater the thickness of the insulation, the smaller are the losses produced in the accumulator.

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      

A partir de estos estudios se puede concluir que las condiciones ideales de fabricación y funcionamiento dentro de un acumulador son las siguientes:From these studies it can be concluded that the ideal manufacturing and operating conditions within a accumulator are as follows:

i) i)
Disminuir la conductividad térmica de la pared.Decrease the thermal conductivity of the wall.

ii) ii)
Disminuir el espesor de la pared.Decrease wall thickness.

iii) iii)
Disminuir la conductividad térmica del líquido.Decrease the thermal conductivity of liquid.

iv) iv)
Aumentar el espesor de aislamientoIncrease insulation thickness

v) v)
Utilizar una geometría que minimice la relación superficie/volumen.Use a geometry that minimizes the relationship surface / volume

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      
Conclusiones prototipo con estratificación artificial mediante discos horizontalesConclusions prototype with artificial stratification by horizontal discs

Los diferentes ensayos realizados en este prototipo nos llevan a obtener las siguientes conclusiones: por un lado el prototipo permite, efectivamente, conseguir una estratificación artificial mejorando el rendimiento del sistema para descargas discontinuas (en el caso de descargas continuas dichas ventajas se minimizan al permitir la termoclina una separación temporal muy buena entre el agua caliente y la fría). Sin embargo han aparecido problemas para conseguir evitar la existencia de tubos de corriente de características específicas en el interior del fluido formándose bolsas de agua caliente que permanecen inalterables en el interior del acumulador mientras que el agua fría se dirige entre éstas hacía el exterior.The different tests carried out in this prototype lead us to obtain the following conclusions: for a side the prototype allows to effectively achieve a artificial stratification improving system performance for discontinuous downloads (in the case of continuous downloads said advantages are minimized by allowing thermocline a separation very good temporary between hot and cold water). But nevertheless Problems have appeared to avoid the existence of tubes of specific characteristics current inside the fluid forming hot water pockets that remain unchanged inside the accumulator while the cold water He goes between them abroad.

En las simulaciones realizadas mediante ordenador se observa que al disminuir la proporción altura/diámetro el agua necesita una mayor componente horizontal en su velocidad provocando dichas bolsas de agua caliente en los laterales del volumen. Dichos problemas pueden ser solventados utilizando diferentes "obstáculos" que obliguen al agua a realizar un mayor recorrido y, por tanto, permitiendo que dicha agua tenga mayor contacto con la presente en el interior del acumulador, sin embargo la utilización de esta solución provoca un aumento de las pérdidas de carga del circuito y, por tanto, dificulta la convección natural necesaria para el correcto funcionamiento del prototipo tanto en la fase de calentamiento como en la de descarga.In simulations performed by computer shows that by decreasing the height / diameter ratio water needs a greater horizontal component in its speed causing said hot water bags on the sides of the volume. These problems can be solved using different "obstacles" that force the water to make a greater travel and, therefore, allowing said water to have greater contact with the present inside the accumulator, however the use of this solution causes an increase in losses circuit load and therefore hinders natural convection necessary for the correct functioning of the prototype both in the heating phase as in the discharge phase.

Como conclusión descartamos la utilización de discos horizontales para mejorar la estratificación térmica dentro del acumulador por no ser adecuada la distribución horizontal de los diferentes elementos.In conclusion we discard the use of horizontal discs to improve thermal stratification within of the accumulator because the horizontal distribution of the different elements.

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Conclusiones prototipo con estratificación artificial mediante tubos verticalesConclusions prototype with artificial stratification by vertical tubes

La disposición vertical de los elementos que lo componen permite solucionar los problemas que acarrea la utilización de discos horizontales. De hecho, la utilización de las placas microperforadas superior (6) e inferior (7) permite conseguir una distribución uniforme y vertical de velocidades dentro del termo que resulta la adecuada para conseguir una mejor estratificación dentro del acumulador.The vertical arrangement of the elements that make up allows to solve the problems involved in the use of horizontal discs. In fact, the use of the plates upper (6) and lower (7) microperforated allows to achieve a uniform and vertical distribution of speeds within the thermos that It is adequate to achieve a better stratification within of the accumulator.

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      
Descripción de los dibujosDescription of the drawings

En el interior de la carcasa (1) se acopla el conjunto de tubos verticales (2). La placa microperforada inferior (7) queda aprisionada de manera fija entre la carcasa (1) y el disco inferior (5) y tiene dos agujeros pasantes que albergan a la resistencia eléctrica (3). La placa microperforada superior (6) permanece aprisionada de manera fija entre la carcasa (1) y el disco superior (4).Inside the housing (1) the set of vertical tubes (2). The bottom microperforated plate (7) is fixedly trapped between the casing (1) and the disc bottom (5) and has two through holes that house the electrical resistance (3). The upper microperforated plate (6) remains fixed between the casing (1) and the disk upper (4).

Los agujeros (8) practicados a lo largo de la carcasa (1) tienen la finalidad de servir como vía de penetración para realizar sondeos de temperaturas.The holes (8) practiced along the housing (1) are intended to serve as a penetration path to conduct temperature surveys.

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      
Modos de realización de la invenciónEmbodiments of the invention

La presente invención se ilustra adicionalmente mediante el siguiente ejemplo, el cual no pretende ser limitativo de su alcance.The present invention is further illustrated. by the following example, which is not intended to be limiting of its reach

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      

Ejemplo 1Example one

Las características físicas a utilizar para una correcta realización de un termo acumulador como el que se describe en esta patente podrían ser:The physical characteristics to use for a correct realization of a thermo accumulator like the one described In this patent they could be:

Capacidad Nominal: 87 (l)Capacity Nominal: 87 (l)

Capacidad Real: 76 (l)Real Capacity: 76 (l)

Máxima Potencia: 2000 (W)Maximum power: 2000 (W)

Espesor de aislamiento: 40 (mm)Thickness of insulation: 40 (mm)

Altura total: 625 (mm)Total height: 625 (mm)

Altura interna: 600 (mm)Internal height: 600 (mm)

Diámetro calderín: 416 (mm)Diameter boiler: 416 (mm)

Nº de tubos interiores: 32No. of tubes interiors: 32

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      

Los elementos que debe contener la realización de un termo acumulador similar al que se describe en esta patente han de ser:The elements that the realization must contain of a thermo accumulator similar to that described in this patent have to be:

--
depósito acumulador o carcasa (1)storage tank or housing (one)

--
conjunto de tubos interiores (2)set of inner tubes (2)

--
resistencia eléctrica (3)electrical resistance (3)

--
disco superior (4)disk superior (4)

--
disco inferior (5)disk lower (5)

--
placas microperforadas superior (6) e inferior (7)plates upper (6) and lower (7) microperforated

--
agujeros para introducción de sondas de temperatura que permitan la obtención de datos para la modelización y el diseño del acumulador (8).holes for introduction of probes temperature that allow obtaining data for modeling and the design of the accumulator (8).

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      

Los materiales que se podrían emplear para la construcción de un termo acumulador con estratificación mediante haz de tubos verticales podrían ser:The materials that could be used for construction of a thermo accumulator with beam stratification of vertical tubes could be:

Acero AIS1-304AIS1-304 steel

Tipo = 316Type = 316

Designación AISI = 316AISI designation = 316

Peso específico para 20ºC = 8,06 (g/cm^{3})Specific weight for 20 ° C = 8.06 (g / cm 3)

Resistencia eléctrica para 20ºC = 74 (ohms)Resistance electric for 20ºC = 74 (ohms)

Calor específico = 501,6 (J/Kg.ºC)Specific heat = 501.6 (J / Kg. ° C)

Conductividad térmica = 0,16302 (J/cm^{2}).Conductivity thermal = 0.16302 (J / cm2).
Tecaform Tecaform

Denominación química = Polioximetileno (Poliacetal colimero)Denomination Chemistry = Polyoxymethylene (Polyacetal colimero)

Abreviatura DIN = POMDIN abbreviation = POM

Color/Añadidos = OpacoColor / Additives = Opaque

Densidad = 1,41 (g/m^{3})Density = 1.41 (g / m 3)

Capacidad de conductividad calorífica específica = 0,31 (W/m.ºC)Capacity of specific heat conductivity = 0.31 (W / m.ºC)

Capacidad calórica = 1,5 (J/g.ºC).Capacity Caloric = 1.5 (J / g.ºC).

Claims (2)

1. Equipo acumulador con estratificación mediante haz de tubos verticales caracterizado porque comprende un depósito acumulador o carcasa, un conjunto de tubos interiores, una resistencia eléctrica, un disco superior, un disco inferior y unas placas microperforadas superior e inferior.1. Accumulator equipment with stratification by means of a bundle of vertical tubes characterized in that it comprises an accumulator tank or housing, a set of inner tubes, an electrical resistance, an upper disk, a lower disk and upper and lower microperforated plates. 2. Equipo acumulador según la reivindicación 1 caracterizado porque comprende unos tubos interiores dispuestos de forma vertical que tienen por finalidad la estratificación artificial del agua.2. Accumulator equipment according to claim 1 characterized in that it comprises inner tubes arranged vertically for the purpose of artificial water stratification.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1755599A (en) * 1926-11-17 1930-04-22 Sidney J Bush Circulation element for tanks
US4436058A (en) * 1979-04-23 1984-03-13 Mcalister Roy E Hot water supply tank assembly
US4522254A (en) * 1981-09-30 1985-06-11 Kajima Kensetsu Kabuhiki Kaisha Heat storage trough

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