ES2584389A1 - Conventional heat exchanger for conversion of thermal energy into mechanical or electrical energy (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓN DESCRIPTION
Intercambiador de calor por convección para conversión de energía térmica en energía mecánica o eléctrica. Convection heat exchanger for conversion of thermal energy into mechanical or electrical energy.
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Objeto de la invención Object of the invention
La presente invención se refiere a un intercambiador de calor por convección del tipo empleado en sistemas de conversión de energía térmica en energía mecánica o eléctrica. The present invention relates to a convection heat exchanger of the type used in systems for converting thermal energy into mechanical or electrical energy.
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Antecedentes de la invención Background of the invention
La energía procedente de la concentración solar, o energía solar termoeléctrica, se viene desarrollando en los últimos años como una alternativa tecnológica y económicamente factible para la producción de energía eléctrica a gran escala, frente a los medios 15 tradicionales de producción de energía mediante combustión de combustibles fósiles, e incluso frente a otras tecnologías que se aprovechan de la misma fuente de energía, como la solar fotovoltaica. Por lo tanto, la mayor parte de las aplicaciones de la energía solar termoeléctrica están orientadas a la generación de grandes cantidades de energía para abastecer a poblaciones o actividades industriales con alto requerimiento 20 energético. Energy from solar concentration, or thermoelectric solar energy, has been developing in recent years as a technologically and economically feasible alternative for large-scale electricity production, compared to traditional means of energy production through combustion of fossil fuels, and even against other technologies that take advantage of the same energy source, such as solar photovoltaic. Therefore, most of the applications of thermoelectric solar energy are aimed at generating large amounts of energy to supply populations or industrial activities with a high energy requirement.
Sin embargo, alternativas cuyo objetivo sea responder a requerimientos energéticos de menor escala (a niveles comparables al doméstico) no han sido exploradas todavía con la suficiente intensidad como para permitir la llegada al mercado de pequeños sistemas o 25 sistemas domésticos de aprovechamiento termoeléctrico de la energía solar. However, alternatives whose objective is to respond to smaller-scale energy requirements (at levels comparable to the domestic level) have not yet been explored with sufficient intensity to allow the arrival of small systems or 25 domestic systems of thermoelectric use of energy on the market. solar.
La solución a esta carencia pasa por el desarrollo de sistemas que, a una escala menor que las tecnologías actualmente utilizadas para la producción de energía eléctrica a partir de la concentración solar, permita aunar sistemas eficientes y viables económicamente 30 que permitan en un primer lugar el direccionamiento y concentración de la luz solar sobre un punto o una superficie reducida; en segundo lugar el almacenamiento del calor; en tercer lugar regular y transferir el calor almacenado a un elemento que sea capaz de convertirlo en movimiento o electricidad; y por último convertir ese calor almacenado en movimiento o electricidad, como por ejemplo mediante un motor de combustión externa 35 de tipo Stirling o un ciclo cerrado Brayton. The solution to this deficiency involves the development of systems that, on a smaller scale than the technologies currently used for the production of electric energy from solar concentration, allow to combine efficient and economically viable systems 30 that allow the first addressing and concentration of sunlight on a point or a reduced surface; secondly heat storage; thirdly regulate and transfer the stored heat to an element that is capable of converting it into motion or electricity; and finally converting that stored heat into motion or electricity, such as by means of an external combustion engine 35 of the Stirling type or a closed Brayton cycle.
En línea con lo anterior, varios documentos describen los distintos sistemas enumerados. Así el documento MX2010014111 (A) describe una lente Fresnel multicapa, para la recepción y direccionamiento de la luz solar. Por otro lado el documento MX2009014123 40 (A) describe un tanque que almacena calor mediante un material de cambio de fase a alta temperatura. Por su parte, el documento WO2011014048 (A2) describe la geometría de un intercambiador de calor por contacto que permite regular y transferir el calor almacenado hasta un motor Sitrling, una turbina Brayton o cualquier otro elemento capaz de convertir energía térmica en energía mecánica o eléctrica. 45 In line with the above, several documents describe the different systems listed. Thus, document MX2010014111 (A) describes a multilayer Fresnel lens, for receiving and addressing sunlight. On the other hand, document MX2009014123 40 (A) describes a tank that stores heat by means of a phase change material at high temperature. For its part, WO2011014048 (A2) describes the geometry of a contact heat exchanger that allows regulating and transferring stored heat to a Sitrling engine, a Brayton turbine or any other element capable of converting thermal energy into mechanical or electrical energy. . Four. Five
El intercambiador descrito en el documento WO2011014048 (A2) requiere estrechas tolerancias de fabricación en la pieza de transmisión de calor, que requiere a su vez de un contacto preciso con el cabezal del motor Stirling para así asegurar la eficiencia en la transmisión de calor. Por lo tanto, además de las tolerancias exigidas, la pieza de 50 transmisión de calor debe variarse en función del sistema de conversión energía térmica The exchanger described in WO2011014048 (A2) requires close manufacturing tolerances in the heat transfer part, which in turn requires precise contact with the Stirling engine head in order to ensure heat transfer efficiency. Therefore, in addition to the required tolerances, the heat transfer piece must be varied depending on the thermal energy conversion system
a energía mecánica o eléctrica. Además, al ser necesario asegurar una superficie de contacto continua de la pieza de transmisión de calor con el cabezal del motor, se deben utilizar materiales con bajos coeficientes de dilatación ya que es una zona que opera a alta temperatura. Por último, la regulación de la transferencia de calor se realiza a través de un sistema de válvula móvil, pensada de tal forma que mediante un giro de la misma 5 se puede regular la transferencia de calor. Las altas temperaturas a las que ha de trabajar este mecanismo, que pueden alcanzar los 500ºC, dificultan la actuación sobre la válvula. to mechanical or electrical energy. In addition, since it is necessary to ensure a continuous contact surface of the heat transfer part with the motor head, materials with low coefficients of expansion should be used since it is an area that operates at a high temperature. Finally, the regulation of heat transfer is carried out through a mobile valve system, designed in such a way that heat transfer can be regulated by turning it. The high temperatures at which this mechanism has to work, which can reach 500ºC, make it difficult to act on the valve.
En este sentido es más ventajoso la utilización de intercambiadores de calor por 10 convección, donde el uso de un fluido para transferir calor tiene justamente ventajas donde la transferencia por conducción presenta una serie de debilidades. En efecto un fluido se puede canalizar de la manera deseada a través del diseño de un intercambiador capaz de dirigir el fluido portador de calor más fácilmente hacia las superficies con las cuales transferir calor. Por otra parte, y frente a la dificultad de controlar la transferencia 15 de calor mediante medios físicos, se puede llevar a cabo la regulación del caudal de fluido portador de calor de forma más sencilla, por ejemplo mediante válvulas. De este modo se facilita la regulación del intercambiador ante variaciones de temperatura en la entrada o la salida del mismo. Además el intercambiador por convección aporta asimismo una mayor versatilidad a la hora de acoplarse con el elemento al que haya que transferir 20 calor, sea un motor Stirling, o sea otro elemento, ya que dicho acople puede realizarse a través de un junta que en cada caso asegure la unión entre dicho elemento y el intercambiador, sin por ello tener que modificar el diseño de este último. In this sense, the use of heat exchangers by convection is more advantageous, where the use of a fluid to transfer heat has just advantages where conduction transfer presents a series of weaknesses. In fact, a fluid can be channeled in the desired manner through the design of an exchanger capable of directing the heat-carrying fluid more easily to the surfaces with which to transfer heat. On the other hand, and in view of the difficulty of controlling the heat transfer 15 by physical means, the regulation of the heat carrier fluid flow can be carried out more easily, for example by valves. This facilitates the regulation of the exchanger in case of temperature variations at the entrance or exit of it. In addition, the convection exchanger also provides greater versatility when coupled with the element to which heat has to be transferred, be it a Stirling motor, or another element, since said coupling can be made through a joint that in each In this case, ensure the union between said element and the exchanger, without having to modify the design of the latter.
El documento CN102733991 describe un intercambiador de calor como el descrito 25 anteriormente, en el que el mecanismo de transmisión de calor por convección es aplicando en un motor Stirling. El concepto de base de este intercambiador consiste en un cuerpo con un espacio comprendido entre una estructura interna y otra externa por el que circula el fluido portado del calor, por ejemplo aire o gas, y una serie de orificios y conexiones que permite el paso de dicho fluido a una zona interior en la que tiene lugar el 30 intercambio de calor con el cabezal del motor Stirling, aprovechando las ventajas descritas anteriormente y comunes a los intercambiadores por convección. Document CN102733991 describes a heat exchanger as described above, in which the convection heat transmission mechanism is applied in a Stirling engine. The basic concept of this exchanger consists of a body with a space between an internal and an external structure through which the heat-carrying fluid circulates, for example air or gas, and a series of holes and connections that allow the passage of said fluid to an interior area in which the heat exchange takes place with the Stirling engine head, taking advantage of the advantages described above and common to convection heat exchangers.
No obstante el sistema reivindicado en CN102733991 presenta importantes limitaciones en su operación que comprometen su eficiencia ya que no alcanza las condiciones 35 óptimas de entrega de calor al cabezal del motor Stirling, ya que la velocidad del fluido disminuye a lo largo del camino que recorre por el interior del intercambiador, debido a la pérdida sucesiva de caudal por las corrientes que se generan través de los orificios. Esta variación en la velocidad del fluido no permite mantener una temperatura constante durante el intercambio de calor que se da entre el aire y el foco caliente del motor, no 40 siendo posible alcanzar el régimen estacionario del proceso que es por otro lado el óptimo para alcanzar la máxima eficiencia de operación del motor. However, the system claimed in CN102733991 has important limitations in its operation that compromise its efficiency since it does not reach the optimal conditions for heat delivery to the Stirling engine head, since the speed of the fluid decreases along the path it travels through the interior of the exchanger, due to the successive loss of flow due to the currents generated through the holes. This variation in the speed of the fluid does not allow to maintain a constant temperature during the heat exchange that occurs between the air and the hot focus of the engine, not being possible to reach the steady state of the process that is on the other hand the optimum to reach Maximum engine operation efficiency.
La presente invención aporta una alternativa frente al intercambiador reivindicado en CN102733991 y en general respecto a los intercambiadores por convección para este 45 tipo de aplicaciones. De este modo la invención propuesta consiste en un diseño de intercambiador con un espacio comprendido entre las estructuras externa e interna caracterizado por una sección que decrece en el sentido de circulación del fluido portador del calor. De este modo se compensa la pérdida de caudal originada por los orificios que sucesivamente van tomando aire de la corriente para su proyección contra el cabezal del 50 motor Stirling. Por lo tanto la disminución progresiva de la sección conforme el fluido The present invention provides an alternative to the exchanger claimed in CN102733991 and in general with respect to the convection exchangers for this type of applications. In this way the proposed invention consists of an exchanger design with a space between the external and internal structures characterized by a section that decreases in the direction of circulation of the heat-carrying fluid. This compensates the loss of flow caused by the holes that successively take air from the stream for projection against the head of the Stirling engine. Therefore the progressive decrease of the section according to the fluid
portado del calor avanza por el interior del intercambiador permite que la velocidad del mismo se mantenga constante a lo largo del camino y en consecuencia que la proyección del fluido a través de los orificios se lleve a cabo a la misma temperatura en todos los puntos de proyección del fluido sobre el foco caliente del motor. De este modo se logra que el intercambio de calor se produzca en condiciones de régimen estacionario 5 asegurando la máxima eficiencia de operación del motor. El mismo principio de funcionamiento es aplicable cuando se cuenta con otro sistema de conversión de energía térmica en energía mecánica o eléctrica, como por ejemplo un ciclo Brayton. The port of the heat advances through the interior of the exchanger allows its speed to remain constant along the way and consequently that the projection of the fluid through the holes is carried out at the same temperature at all the projection points of the fluid over the hot focus of the engine. In this way it is achieved that the heat exchange takes place under steady-state conditions 5 ensuring maximum engine operating efficiency. The same principle of operation is applicable when there is another system for converting thermal energy into mechanical or electrical energy, such as a Brayton cycle.
Descripción de la invención 10 Description of the invention 10
El objeto de la presente invención es, como ya se ha mencionado, un intercambiador de calor por convección, cuya finalidad es la transferencia de calor a un sistema capaz de convertir energía térmica aplicada en energía mecánica o eléctrica. The object of the present invention is, as already mentioned, a convection heat exchanger, whose purpose is the transfer of heat to a system capable of converting applied thermal energy into mechanical or electrical energy.
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La invención se refiere a un intercambiador de calor por convección, que se estructura en dos partes claramente diferenciadas: una estructura externa y una estructura interna. The invention relates to a convection heat exchanger, which is structured in two distinct parts: an external structure and an internal structure.
La estructura externa dispone de al menos un orificio a través del cual entra en el mismo un fluido portador de calor (un gas caliente, como por ejemplo pueda ser aire), que habrá 20 sido calentado de manera previa con algún medio tal como puede ser un tanque almacenador de calor solar, o cualquier otro medio capaz de suministrar una corriente de fluido a temperatura mayor que la ambiental. Asimismo, la estructura externa dispone de un orificio a través del cual el intercambiador se conecta con el elemento con el cual el fluido portador de calor realizará la transferencia de calor, que puede ser un motor 25 Stirling, una turbina Brayton o cualquier otro sistema de conversión de energía térmica en energía mecánica o eléctrica. Por último, la estructura externa cuenta con al menos un orificio de salida para el fluido portador de calor, de tal forma que cuando el fluido ha realizado el intercambio de calor con el elemento de interés pueda salir del intercambiador a través del mismo. 30 The external structure has at least one hole through which a heat-carrying fluid enters (a hot gas, such as air, for example), which will have been preheated with some means such as a solar heat storage tank, or any other means capable of supplying a fluid current at a temperature greater than the ambient one. Likewise, the external structure has a hole through which the exchanger is connected with the element with which the heat-carrying fluid will carry out the heat transfer, which can be a Stirling engine, a Brayton turbine or any other system of conversion of thermal energy into mechanical or electrical energy. Finally, the external structure has at least one outlet orifice for the heat-carrying fluid, so that when the fluid has made the heat exchange with the element of interest it can exit the exchanger through it. 30
La estructura interna delimita un espacio interior del intercambiador, y está separada de la estructura externa, de tal modo que entre la estructura interna y la estructura externa existe al menos un espacio vacío a través del cual puede discurrir el fluido portador de calor una vez entra en el intercambiador por el orificio de entrada del que dispone la 35 estructura externa. Dicha estructura interna se comunica con el al menos un espacio existente entre la estructura interna y la estructura externa a través de una serie de conductos, que permiten el flujo del fluido portador de calor hacia el espacio interior del intercambiador de calor. The internal structure delimits an internal space of the exchanger, and is separated from the external structure, such that between the internal structure and the external structure there is at least one empty space through which the heat-carrying fluid can flow once it enters in the exchanger through the inlet hole available to the external structure. Said internal structure communicates with the at least one space between the internal structure and the external structure through a series of ducts, which allow the flow of the heat-carrying fluid into the interior space of the heat exchanger.
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Tanto la estructura interna como el espacio comprendido entre la estructura interna y la estructura externa podrán tener la geometría de una curva (curva abierta, circunferencia, elipse, ovoide, espiral, etc.), de una línea recta o de una línea poligonal abierta o cerrada. Both the internal structure and the space between the internal structure and the external structure may have the geometry of a curve (open curve, circumference, ellipse, ovoid, spiral, etc.), of a straight line or of an open polygonal line or closed.
La existencia de conductos que comunican el al menos un espacio contenido entre la 45 estructura externa e interna con el espacio interior del intercambiador, hacen que el fluido portador de calor penetre en los mismos. Al hacerlo, la corriente de fluido portador de calor tiende a disgregarse en un número de corrientes igual al número de conductos, incrementando su velocidad como consecuencia de la disminución de la sección, y saliendo al interior del intercambiador de calor con una trayectoria que lleva a estas 50 The existence of conduits that communicate the at least one space contained between the external and internal structure with the interior space of the exchanger, causes the heat-carrying fluid to penetrate them. In doing so, the heat carrier fluid stream tends to disintegrate in a number of streams equal to the number of ducts, increasing its speed as a result of the decrease in the section, and leaving the interior of the heat exchanger with a path that leads to you are 50
corrientes hacia los puntos donde puedan incidir sobre el elemento con el que intercambiar calor. currents to the points where they can influence the element with which to exchange heat.
Un primer aspecto de la invención se refiere a un intercambiador por convección como el descrito, que presenta un espacio entre las estructuras interna y externa con una sección 5 decreciente en el sentido de circulación del fluido portador de calor. Ello produce un incremento de velocidad por la disminución de sección, que se compensa con la evacuación de fluido portador de calor, que se va produciendo a medida que la corriente que circula por el espacio va penetrando en los conductos que en su trayectoria se va encontrando. De este modo se logra mantener constante la velocidad de fluido portador 10 de conforme éste avanza por el interior del intercambiador. A first aspect of the invention relates to a convection exchanger like the one described, which has a space between the internal and external structures with a decreasing section 5 in the direction of circulation of the heat-carrying fluid. This produces an increase in speed by the decrease in section, which is compensated by the evacuation of heat-carrying fluid, which is produced as the current flowing through the space penetrates the conduits that in its trajectory is found . In this way it is possible to keep the carrier fluid speed 10 constant as it advances through the interior of the exchanger.
Según otro aspecto de la invención, los conductos que comunican el al menos un espacio comprendido entre la estructura externa y la estructura interna del intercambiador y el espacio interior del intercambiador de calor, podrán estar orientados de tal manera que, 15 dirigen las corrientes del fluido portador hacia puntos en los que incide directamente sobre el elemento con el que intercambiar el calor. According to another aspect of the invention, the conduits that communicate the at least one space between the external structure and the internal structure of the exchanger and the internal space of the heat exchanger, may be oriented in such a way that they direct the flow of the fluid carrier towards points where it directly affects the element with which to exchange heat.
Según otro aspecto de la invención los conductos que comunican el al menos un espacio comprendido entre la estructura externa y la estructura interna del intercambiador y el 20 espacio interior del intercambiador de calor, podrán estar orientados de tal manera que, dirigen las corrientes del fluido portador hacia puntos en los que incide indirectamente sobre el elemento con el que intercambiar el calor. De este modo la geometría interna del intercambiador favorece la formación de corrientes de fluido alrededor del elemento con el que intercambiar calor, aumentando la eficacia del intercambio. 25 According to another aspect of the invention, the conduits that communicate the at least one space between the external structure and the internal structure of the exchanger and the interior space of the heat exchanger may be oriented in such a way that they direct the currents of the carrier fluid towards points where it indirectly affects the element with which to exchange heat. In this way the internal geometry of the exchanger favors the formation of fluid currents around the element with which to exchange heat, increasing the efficiency of the exchange. 25
Según otro aspecto de la invención, los orificios se distribuirán a lo largo de parte o de la totalidad de la estructura interna del intercambiador de calor, de tal forma que en sus realizaciones preferentes estarán distribuidos de tal modo que la corrientes de fluido portador de calor que salen por los mismos cubran de manera directa o indirecta la mayor 30 superficie posible de dicho elemento. According to another aspect of the invention, the holes will be distributed along part or all of the internal structure of the heat exchanger, so that in their preferred embodiments they will be distributed such that the heat carrier fluid streams coming out of them cover directly or indirectly the largest possible surface area of said element.
Descripción de las figuras Description of the figures
A continuación se pasa a describir una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor 35 la invención y que se relacionan expresamente con realizaciones de dicha invención, que se presentan como ejemplo ilustrativo y no limitativo de ésta. A series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to embodiments of said invention, which are presented as illustrative and non-limiting example thereof, will now be described.
Figura 1. Vista en perspectiva del intercambiador de calor por convección en la realización preferente. 40 Figure 1. Perspective view of the convection heat exchanger in the preferred embodiment. 40
Figura 2. Vista en sección vertical del intercambiador de calor por convección en la realización preferente. Figure 2. Vertical section view of the convection heat exchanger in the preferred embodiment.
Figura 3. Acoplamiento de un motor Stirling y el intercambiador de calor por convección 45 en la realización preferente. Figure 3. Coupling of a Stirling motor and convection heat exchanger 45 in the preferred embodiment.
Figura 4. Vista en sección horizontal del intercambiador de calor por convección en la realización preferente. Figure 4. Horizontal section view of the convection heat exchanger in the preferred embodiment.
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Figura 5. Vista ampliada de los canales de unión entre el espacio interior y la estructura interior del intercambiador de calor por convección en la realización preferente. Figure 5. Enlarged view of the connection channels between the interior space and the internal structure of the convection heat exchanger in the preferred embodiment.
Figura 6. Vista ampliada de los orificios de salida de los canales de unión entre el espacio interior y la estructura interior del intercambiador de calor por convección en la realización 5 preferente. Figure 6. Enlarged view of the outlet orifices of the connection channels between the interior space and the internal structure of the convection heat exchanger in the preferred embodiment.
Forma preferente de realización Preferred embodiment
En una posible realización preferente no limitante, el intercambiador de calor (1) ilustrado 10 en la figura 1 está ideado con la finalidad de transferir calor a un sistema capaz de convertir energía térmica aplicada de manera externa en energía mecánica o eléctrica, y de manera más concreta un motor Stirling. Las figuras 1, 2, 3 y 4, muestran una estructura externa cerrada bien delimitada (2), una estructura interna (6) que delimita un espacio interno, y una serie de orificios, para la entrada del aire caliente (3), la salida del 15 mismo del intercambiador (5) y el acople con el cabezal o foco caliente de un motor Stirling (4). Las figuras 2 y 4 son ilustrativas de cómo, en esta realización preferente, entre la estructura externa (2) y la estructura interna (6) del intercambiador existe un espacio vacío (7), que rodea la estructura interna del intercambiador a lo largo de una sección de forma circular. 20 In a possible non-limiting preferred embodiment, the heat exchanger (1) illustrated in Figure 1 is designed for the purpose of transferring heat to a system capable of converting externally applied thermal energy into mechanical or electrical energy, and in a manner more concrete a Stirling engine. Figures 1, 2, 3 and 4 show a well-defined closed external structure (2), an internal structure (6) that delimits an internal space, and a series of holes, for the entry of hot air (3), the Exit of the same from the exchanger (5) and the coupling with the head or hot spot of a Stirling engine (4). Figures 2 and 4 are illustrative of how, in this preferred embodiment, between the external structure (2) and the internal structure (6) of the exchanger there is an empty space (7), which surrounds the internal structure of the exchanger along A circular section. twenty
En esta realización preferente, el intercambiador presenta una serie de conductos (8) ilustrados en las figuras 2 y 4, que comunican el espacio entre estructura externa e interna (7) con el espacio interior delimitado por la estructura interna del intercambiador (6). Estos conductos, ilustrados en mayor detalle en la figura 5 tienen forma de canales, 25 de tal modo que por su forma y trayectoria favorecen la penetración en los mismos del fluido portador de calor que circula por el espacio entre la estructura externa e interna (7). Al hacerlo, se generan una serie de corrientes de fluido portador de calor de alta velocidad, que saliendo a través de unos orificios practicados en la estructura interna del intercambiador de calor (9), ilustrados en mayor detalle en la figura 6, penetran en el 30 espacio interior del intercambiador de calor. In this preferred embodiment, the exchanger has a series of ducts (8) illustrated in Figures 2 and 4, which communicate the space between external and internal structure (7) with the interior space delimited by the internal structure of the exchanger (6). These ducts, illustrated in greater detail in Figure 5, are in the form of channels, 25 in such a way that by their shape and trajectory they favor the penetration into them of the heat-carrying fluid that circulates through the space between the external and internal structure (7 ). In doing so, a series of high-speed heat carrier fluid streams are generated, which, through holes made in the internal structure of the heat exchanger (9), illustrated in greater detail in Figure 6, penetrate the 30 interior space of the heat exchanger.
En esta realización preferente, el intercambiador de calor (1) está ideado para recibir una corriente de aire a alta temperatura que se habrá generado por el contacto previo de la corriente de aire con una fuente calor tal y como puede ser un tanque almacenador de 35 calor solar como el propuesto en la patente MX2009014123, y transferir el calor a la superficie del cabezal, también denominado foco caliente, de un motor Stirling (11). Esta realización es ilustrada por la figura 3, en la cual se puede ver como el intercambiador de esta realización se acopla al cabezal de un motor Stirling (10) que puede estar provisto de una serie de aletas que favorecen la transferencia de calor. Así, tanto la estructura 40 externa (2) como interna (6) favorecen este acoplamiento, mediante formas curvas que se cierran alrededor del cabezal al que tienen que calentar. In this preferred embodiment, the heat exchanger (1) is designed to receive a high temperature air stream that will have been generated by the previous contact of the air stream with a heat source such as a storage tank of 35 solar heat as proposed in the patent MX2009014123, and transfer heat to the surface of the head, also called hot spot, of a Stirling engine (11). This embodiment is illustrated by Figure 3, in which it can be seen how the exchanger of this embodiment is coupled to the head of a Stirling engine (10) which may be provided with a series of fins that favor heat transfer. Thus, both the external structure (2) and internal (6) favor this coupling, by means of curved shapes that close around the head to which they have to heat.
En esta realización, el cabezal del motor Stirling (11) se inserta en el espacio interno delimitado por la estructura interna (6) del intercambiador, de forma que queda encerrado 45 en ella. La unión entre ambos elementos se produce a través de un junta (12), especialmente ideada para evitar fugas de fluido y calor en dicha unión. In this embodiment, the Stirling engine head (11) is inserted into the internal space delimited by the internal structure (6) of the exchanger, so that it is enclosed 45 therein. The union between both elements is produced through a joint (12), specially designed to avoid leaks of fluid and heat in said joint.
En la realización preferente descrita, durante el funcionamiento del intercambiador, la corriente de aire alta temperatura entra al intercambiador por el orificio de entrada al 50 mismo (3), y circula entonces a través del espacio interno (7) existente entre la estructura In the preferred embodiment described, during the operation of the exchanger, the high temperature air stream enters the exchanger through the inlet port thereof (3), and then circulates through the internal space (7) existing between the structure
externa (2) y la estructura interna del intercambiador (4). Dicho espacio interno (7) tiene en esta realización preferente una geometría toroidal con una sección decreciente, ideada de tal forma que la velocidad del portador de calor sea aproximadamente uniforme en todos los puntos de dicho espacio. A la vez que el aire caliente va circulando a través de este espacio (7), va penetrando a su vez en los conductos (8) que comunican el 5 mismo con el espacio interior delimitado por la estructura interna (6), de tal forma que cuando lo hacen las corrientes que circulan a través de los mismos incrementan su velocidad por la disminución de la sección, y salen a alta velocidad por los orificios (9) practicados en la estructura interna (6) del intercambiador. En esta realización, estos orificios están distribuidos a lo largo de una sección radial de la estructura interna del 10 intercambiador (6), de tal modo que se forman una serie de corrientes que inciden sobre la zona central del espacio interior delimitado por la estructura interna (6) del intercambiador. external (2) and the internal structure of the exchanger (4). Said internal space (7) has in this preferred embodiment a toroidal geometry with a decreasing section, designed such that the speed of the heat carrier is approximately uniform at all points of said space. At the same time that the hot air circulates through this space (7), it penetrates the ducts (8) that connect the same 5 with the interior space delimited by the internal structure (6), in such a way that when they do the currents that circulate through them increase their speed by the decrease of the section, and leave at high speed through the holes (9) made in the internal structure (6) of the exchanger. In this embodiment, these holes are distributed along a radial section of the internal structure of the exchanger (6), such that a series of currents are formed that affect the central area of the interior space delimited by the internal structure (6) of the exchanger.
Por otro lado, en esta realización, las corrientes que salen por los orificios (9) colisionan 15 de manera frontal con el cabezal del motor Stirling (11), a lo largo de toda la superficie del mismo, logrando un calentamiento uniforme del cabezal, al asegurarse una velocidad aproximadamente constante en el proceso de intercambio. Una vez el aire caliente impacta sobre el cabezal, y circula en el espacio interno del intercambiador, el mismo sale al exterior del intercambiador por el orificio de salida (5), ya que el resto de orificios 20 están impedidos, bien por formar un cierre estanco (4), bien por la presión que ejercen las corrientes de aire que salen por los orificios (9). Una vez sale del intercambiador el aire todavía conservará una cantidad de calor razonablemente alta, por lo que podrá ser recirculado o aprovechado para aumentar la eficiencia global del sistema. On the other hand, in this embodiment, the currents that exit through the holes (9) collide 15 frontally with the Stirling motor head (11), along the entire surface thereof, achieving uniform head heating, by ensuring an approximately constant speed in the exchange process. Once the hot air hits the head, and circulates in the internal space of the exchanger, it exits outside the exchanger through the outlet hole (5), since the rest of the holes 20 are prevented, either by forming a closure tight (4), either because of the pressure exerted by the air currents that flow out through the holes (9). Once the exchanger leaves, the air will still retain a reasonably high amount of heat, so it can be recirculated or used to increase the overall efficiency of the system.
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Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES201400665A ES2584389B1 (en) | 2014-08-04 | 2014-08-04 | Convection heat exchanger for conversion of thermal energy into mechanical or electrical energy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES201400665A ES2584389B1 (en) | 2014-08-04 | 2014-08-04 | Convection heat exchanger for conversion of thermal energy into mechanical or electrical energy |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2584389A1 true ES2584389A1 (en) | 2016-09-27 |
| ES2584389B1 ES2584389B1 (en) | 2017-08-11 |
Family
ID=56943994
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES201400665A Withdrawn - After Issue ES2584389B1 (en) | 2014-08-04 | 2014-08-04 | Convection heat exchanger for conversion of thermal energy into mechanical or electrical energy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2584389B1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB892962A (en) * | 1957-12-05 | 1962-04-04 | Philips Nv | Improvements in or relating to heat exchangers |
| US6381958B1 (en) * | 1997-07-15 | 2002-05-07 | New Power Concepts Llc | Stirling engine thermal system improvements |
| WO2003052328A1 (en) * | 2001-12-19 | 2003-06-26 | Microgen Energy Limited | A heating appliance |
| WO2005003544A1 (en) * | 2003-07-01 | 2005-01-13 | Tiax Llc | Impingement heat exchanger for a stirling cycle machine |
-
2014
- 2014-08-04 ES ES201400665A patent/ES2584389B1/en not_active Withdrawn - After Issue
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB892962A (en) * | 1957-12-05 | 1962-04-04 | Philips Nv | Improvements in or relating to heat exchangers |
| US6381958B1 (en) * | 1997-07-15 | 2002-05-07 | New Power Concepts Llc | Stirling engine thermal system improvements |
| WO2003052328A1 (en) * | 2001-12-19 | 2003-06-26 | Microgen Energy Limited | A heating appliance |
| WO2005003544A1 (en) * | 2003-07-01 | 2005-01-13 | Tiax Llc | Impingement heat exchanger for a stirling cycle machine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2584389B1 (en) | 2017-08-11 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20151207 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2584389 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20170811 |
|
| FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20180212 |