BR112020001151B1

BR112020001151B1 - Tanque de água quente

Info

Publication number: BR112020001151B1
Application number: BR112020001151-7A
Authority: BR
Inventors: Garry Frederick Baverstock; Sam Peter Paolino; Stephen Frederick Lucks
Original assignee: Wise Earth Pty Ltd
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2023-01-17
Also published as: US11549693B2; EP3655711A4; CN111194391A; WO2019014711A1; GB202001995D0; ZA202000901B; AU2018303334B2; NZ761762A; GB2578409B; BR112020001151A2; CN111194391B; AU2018303334A1; US20210262676A1; GB2578409A; EP3655711A1

Abstract

Um tanque de água quente, incluindo: um invólucro que encerra uma câmara contendo um líquido de troca de calor, o invólucro incluindo uma base, parede lateral e tampa; uma entrada de água fria conectada a uma primeira extremidade de um trocador de calor e uma saída de água quente conectada a uma segunda extremidade do trocador de calor, em que o trocador de calor está localizado em uma porção superior da câmara; um elemento de aquecimento primário conectado a uma fonte de energia para aquecer o líquido de troca de calor, estando o elemento de aquecimento primário localizado em uma porção inferior da câmara.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a um tanque de água quente e, em particular, um tanque solar de água quente que é particularmente vantajoso para a produção de água quente com eficiência energética.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Os aquecedores solares de água operam coletando radiação solar em uma placa plana envidraçada ou em uma série de tubos evacuados. Geralmente, uma configuração de termossifão com os painéis e o tanque garante que a água quente seja direcionada para um tanque de pressão da rede (horizontal ou verticalmente ou ao nível do solo, no caso de sistemas bombeados).

[003] Com referência à Figura 10, é mostrado um sistema solar típico de água quente 200. O sistema inclui um tanque de armazenamento 202 montado horizontalmente, com uma entrada de água fria 204 na extremidade e em direção ao fundo do tanque de armazenamento de água 202 e uma saída de água quente 203 na extremidade e em direção à parte superior do tanque 202. A capacidade do tanque 202 é geralmente baseada na demanda por água quente nas instalações instaladas. Por exemplo, uma casa com quatro adultos normalmente exigiria uma maior capacidade de armazenamento em comparação com uma casa com dois adultos.

[004] O tanque 202 está conectado a um coletor de calor ou solar 201, geralmente compreendendo uma série de tubos coletores de calor 210, e é tipicamente instalado no telhado de uma casa.

[005] A água mais fria tenderá para o fundo do tanque 202 representado como item 207, e a água mais quente ou aquecida subirá em direção ao topo do tanque 202 representado como item 208. A água mais fria 207 passa para fora do tanque 202 e através de um tubo 205 para dentro dos tubos coletores de calor 210. Geralmente, os usuários podem se referir aos tubos coletores de calor como painéis solares. Depois de passar através dos tubos coletores de calor 210, a água aquecida retorna ao tanque 202 através do tubo 206.

[006] O suprimento de água quente sanitária passará assim para o tanque 202 e depois através de tubos de cobre alojados no coletor solar 210. A energia térmica do sol aquecerá a água no coletor solar 210. A água aquecida é então devolvida ao tanque 202 e, em seguida, está disponível para um usuário.

[007] Um sistema solar de água quente alternativo convencional é mostrado na Figura 9. Esse arranjo é semelhante ao sistema da Figura 10, no entanto, a água é bombeada do tanque de armazenamento de água 104 geralmente localizado no chão para o coletor de calor solar 100 geralmente localizado no telhado. Além disso, a operação é semelhante. A água fria da rede entra no tanque 104 através de uma entrada de água fria da rede 105 localizada na lateral e em direção ao fundo do tanque 104.

[008] A água fria 106 assenta em direção ao fundo do tanque 104 e a água aquecida 102 assenta em direção ao topo do tanque 104. A água fria 106 é bombeada 107 através de um tubo 108 para um coletor solar de calor 100. A água passa através de um número de tubos no coletor de calor solar, permitindo que a água seja aquecida. A água aquecida passa de volta para o tanque 104 através do tubo 101.

[009] O tubo de água fria 108 efetivamente passa através da parede lateral do tanque 104 em direção ao fundo do tanque 104, onde a água fria 106 se assentou. Inversamente, a água aquecida que retorna do coletor solar 100 através do tubo de água aquecido 101 passa através da parede lateral do tanque 104 na parte superior do tanque 104. Desta maneira, a mistura de água fria e água aquecida é minimizada, garantindo que, quando necessário, a água mais quente esteja disponível para o usuário. É necessário que a entrada 105 e a saída 103 de água estejam localizadas perto do fundo e da parte superior do tanque, respectivamente, para garantir que apenas a água quente seja liberada do tanque.

[0010] Água aquecida 102 está então disponível para um usuário através da saída de água quente 103. Em uso, à medida que o usuário extrai água através da saída 103, uma quantidade igual de água é adicionada através da entrada 105.

[0011] Em algumas circunstâncias, em ambos os arranjos anteriores, como em dias nublados com pouca luz do sol, pode não haver calor suficiente gerado pelo coletor solar 100, 201 para aquecer a água no tanque 104, 202. Para se proteger contra essa possibilidade os sistemas de água quente também incluem um elemento de aquecimento separado 109, 209 que se torna o impulsionador do sistema. O elemento de aquecimento 109, 209 está conectado à fonte de alimentação de corrente alternada. Se necessário, este elemento separado 109, 209 pode aquecer a água.

[0012] Os aquecedores solares de água, montados horizontalmente ou verticalmente, geralmente terão um reforço extra para adicionar calor quando a energia térmica solar não for suficiente dos painéis no inverno ou em condições de tempo nublado. Tipicamente, em sistemas horizontais o reforço 209 passa através da extremidade do tanque 202 em direção à metade inferior do tanque 202 e acima da entrada 204. Para sistemas verticais, o reforço 109 passa através da parede lateral do tanque 104 na parte do terço inferior do tanque 104 e novamente em um ponto mais alto que a entrada de água 105. Em ambos os casos, a localização do reforço é uma tentativa de melhor aquecer a água no tanque. Em particular, a água aquecida pelo reforço não é diretamente afetada pela entrada de água fria. O reforço também não é afetado negativamente por receber leituras de alta temperatura se estiver localizado em uma área de água quente. O desejo do sistema é garantir que todo o suprimento de água no tanque seja aquecido. Ao localizar o reforço mais baixo no tanque, isso pode ser melhor gerenciado.

[0013] Embora esses sistemas possam fornecer água quente, eles também têm várias limitações.

[0014] A maioria dos aquecedores solares de água são vasos de pressão principais em aço (revestido de vidro) com limites de pressão interna de 450 a 800 kPa, semelhantes em aço inoxidável ou sistemas de pressão reduzida para cobre (165 kPa). O suprimento de água da rede elétrica pode ter pulsações ou flutuações de pressão na pressão básica da água. Essas flutuações podem levar a falhas relacionadas à pressão da rede devido à fadiga do metal acionado por pulsação e à corrosão resultante das fendas, começando com micro fissuras no revestimento de esmalte dentro do tanque que protege o aço. As microfissuras geralmente começam dentro dos tanques, nas soldas finais ou nos pontos de penetração lateral através da parede do tanque.

[0015] A baixa qualidade da água também pode acelerar a degradação e a falha prematura dos sistemas de água quente. Em água de baixa qualidade, geralmente existem altos níveis de sais dissolvidos, incluindo o bicarbonato presente. O acúmulo de carbonato (ou escala de caldeira mais comumente conhecido) ocorre devido ao aquecimento dos sais de bicarbonato geralmente dissolvidos em água de baixa qualidade, precipitando os sais sólidos da solução. Os sais sólidos podem então bloquear os tubos de abastecimento de água quente do sistema e, em particular, os tubos de cobre nos painéis térmicos solares tradicionais ou nas válvulas. Não é incomum que os painéis aqueçam acima de 80 °C no verão, criando assim essa reação química degradante.

[0016] Todos os sistemas solares de água quente contam com a colocação de entradas e saídas de água e entradas de reforço através da parede lateral do tanque. Em relação aos tanques horizontais, a extremidade do tanque pode ser efetivamente considerada uma parede lateral. Essas entradas nas paredes laterais foram necessárias em parte para garantir que o fornecimento de água quente não seja comprometido. Para ativar as entradas, são realizadas penetrações na parede lateral do tanque. Ou seja, os furos são perfurados na parede do tanque para permitir que os tubos e quaisquer outras peças necessárias entrem no tanque. Esses cortes ou penetrações expõem a parede à corrosão. Cada penetração requer uma vedação à prova de água capaz de suportar a pressão exercida na parede lateral do tanque. Cada penetração também aumenta o risco de falha. Em particular, ela pode criar um ponto fraco emanado de qualquer leve imperfeição durante o processo de montagem na finalização do tanque e de seus componentes. Essa escolha para o local comum de penetrações cria complexidade na fabricação, pontos fracos para vazamentos, corrosão e custos de manutenção adicionais. No entanto, enquanto as penetrações na parede lateral causam problemas conhecidos, elas são necessárias para o funcionamento dos sistemas tradicionais.

[0017] Outro problema conhecido se origina de um recurso de segurança. É conhecido que as bactérias prosperam em ambientes aquáticos. Para evitar que a água infectada passe para o usuário, os sistemas de água quente garantem que a água seja aquecida a pelo menos 60 graus Celsius. As válvulas de têmpera são instaladas em cada torneira de saída para misturar a água fria com a água quente, de modo a reduzir a temperatura da água para um nível seguro. Isso é ineficiente, pois é necessária energia extra para aquecer a água, apenas para esfriá-la novamente. Além disso, não é incomum que essas válvulas exijam manutenção extra.

[0018] A falha na válvula também é um ponto comum de fraqueza nos aquecedores solares de água. Isso é exasperado devido ao número excessivo de válvulas necessárias para os sistemas básicos de pressão da rede de aquecedor solar de água. Como o tanque é pressurizado à pressão da rede elétrica e porque a água aquecida no tanque também é a água de suprimento para a casa, há várias válvulas extras adicionadas por razões de segurança. Por exemplo, válvulas extras, como válvulas de alívio de pressão, são incluídas no tanque para liberar a pressão do vapor quando os painéis solares aquecem demais a água do tanque. Da mesma forma, os painéis térmicos solares precisam das mesmas válvulas de liberação de pressão para evitar a pressão do vapor em condições quentes. Em várias localidades, os painéis térmicos solares também podem exigir uma válvula de geada. Essas válvulas de geada funcionam permitindo que a água quente do tanque flua através dos painéis e, assim, reduzem a probabilidade de a água congelar nos canos nos painéis e dividindo os canos, causando falhas no sistema. Isso tudo aumenta os custos de manutenção dos aquecedores solares de água.

[0019] É desejável fornecer um sistema de água quente melhorado que melhore alguns dos problemas identificados acima.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0020] De uma forma ampla, é fornecido um tanque de água quente em que todas as penetrações no tanque são através da parte superior do tanque.

[0021] Em outra forma ampla, é fornecido um tanque de água quente, incluindo um trocador de calor com bobina dupla.

[0022] Em um primeiro aspecto, é fornecido um tanque de água quente, incluindo: - um invólucro envolvendo uma câmara contendo um líquido de troca de calor, o invólucro incluindo uma base, parede lateral e tampa; - uma entrada de água fria conectada a uma primeira extremidade de um trocador de calor e uma saída de água quente conectada a uma segunda extremidade do trocador de calor, em que o trocador de calor está localizado em uma porção superior da câmara; - um elemento de aquecimento primário conectado a uma fonte de energia para aquecer o líquido de troca de calor, o elemento de aquecimento primário estando localizado em uma porção inferior da câmara.

[0023] Em um arranjo, o trocador de calor inclui um conjunto paralelo de bobinas que vão da primeira extremidade à segunda extremidade.

[0024] O elemento de aquecimento primário pode ser um elemento de corrente contínua conectado a um painel de painéis fotovoltaicos. Todas as penetrações no tanque podem passar pela tampa. Por exemplo, a entrada de água fria, a entrada de água quente e o elemento de aquecimento primário podem passar através da tampa.

[0025] Em um arranjo alternativo, o elemento de aquecimento primário pode ser um elemento de corrente alternada e, além disso, o tanque pode ser adaptado para receber excesso de energia de uma fonte ou instituição de energia externa.

[0026] Convenientemente, o elemento de aquecimento primário pode ser alojado em um alojamento para garantir melhor a colocação precisa do elemento de aquecimento primário.

[0027] Em alguns arranjos, o trocador de calor está localizado na metade superior da câmara e o elemento de aquecimento primário está localizado no terço inferior da câmara. De preferência, o elemento de aquecimento primário está localizado próximo à base.

[0028] Em uma disposição possível, o elemento de aquecimento primário é suspenso no líquido de troca de calor e, idealmente, a partir ou através da tampa.

[0029] Em um segundo aspecto, é fornecido um tanque solar de água quente, incluindo: - um invólucro cilíndrico que envolve uma câmara contendo um líquido de troca de calor, o invólucro incluindo uma base, parede lateral e tampa; - uma entrada de água fria conectada através da tampa a um primeiro divisor de uma primeira extremidade de um trocador de calor imerso no líquido de troca de calor e uma saída de água quente conectada através da tampa a um segundo divisor de uma segunda extremidade do trocador de calor, em que o trocador de calor está localizado em uma porção superior da câmara e inclui um conjunto paralelo de bobinas que conectam liquidamente o primeiro e o segundo separadores; - um alojamento de elemento que passa através da tampa e em direção à base, o alojamento de elemento adaptado para localizar um elemento de aquecimento de corrente contínua próximo à base para aquecer o líquido de troca de calor, o elemento de aquecimento de corrente contínua sendo conectado a um painel fotovoltaico.

[0030] Em arranjos preferenciais, o tanque incluirá ainda um segundo elemento de aquecimento conectado a uma segunda fonte de energia, o segundo elemento de aquecimento sendo posicionado dentro do trocador de calor. O segundo elemento de aquecimento pode ser um elemento de corrente alternada conectado através da tampa à rede elétrica. O tanque pode ainda incluir um tubo de enchimento passando através da tampa para permitir que o líquido de troca de calor seja adicionado ou removido do reservatório

[0031] O líquido de troca de calor pode ser tratado com água com tanino.

[0032] Na modalidade preferida, o invólucro será formado de plástico e, idealmente, as paredes do invólucro serão onduladas.

[0033] Espera-se que o invólucro seja envolto em isolamento. O isolamento pode ser pré-formado para acomodar um perfil cilíndrico capaz de envolver o invólucro. Se as paredes do invólucro forem onduladas, espera-se que o isolamento pré-formado encoste em cada um dos picos da ondulação. Dessa maneira, as paredes corrugadas não apenas reforçam o invólucro, mas também formam um espaço pelo menos entre o isolamento e as calhas da corrugação, aumentando a resistência térmica do tanque.

[0034] Uma película externa de alumínio refletivo também pode ser adicionalmente incluída ao redor do isolamento, para maior fortalecimento e resistência térmica.

[0035] Em várias disposições, o tanque incluirá ainda um controlador para ligar ou desligar efetivamente os elementos de aquecimento.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0036] Uma modalidade ilustrativa da presente invenção será agora descrita com referência às figuras anexas. Outras características e vantagens da invenção também se tornarão evidentes a partir da descrição anexa.

[0037] A Figura 1 mostra uma visão geral do sistema da presente invenção.

[0038] A Figura 2 é uma vista em corte transversal de um tanque em uma modalidade da presente invenção.

[0039] A Figura 3 exemplifica um conjunto de tampa de uma modalidade da presente invenção.

[0040] A Figura 4 exemplifica proporções de tanque de uma modalidade da presente invenção.

[0041] A Figura 5 demonstra o fluxo atual de líquido no tanque de uma modalidade da presente invenção.

[0042] A Figura 6 mostra detalhes em seção transversal da tampa em uma modalidade da presente invenção.

[0043] A Figura 7 mostra as bobinas de troca de calor em uma modalidade da presente invenção.

[0044] A Figura 8 mostra um diagrama funcional de um possível sistema de controle para a presente invenção.

[0045] As Figuras 9 e 10 mostram sistemas solares convencionais de água quente.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0046] A descrição a seguir é apresentada para permitir que qualquer pessoa versada na técnica faça e use a invenção, e é fornecida no contexto de uma aplicação específica e seus requisitos. Várias modificações nas modalidades divulgadas serão prontamente aparentes para as pessoas versadas na técnica, e os princípios gerais aqui definidos podem ser aplicados a outras modalidades e aplicações sem se afastar do espírito e do escopo da presente invenção. Assim, a presente invenção não se destina a ser limitada às modalidades mostradas, mas deve ser concedida ao escopo mais amplo consistente com os princípios e características aqui divulgados.

[0047] Referindo-se à Figura 1, é mostrada a disposição básica da presente invenção. O sistema inclui um tanque 8, de preferência construído em plástico, embora em outras modalidades ele possa ser feito de metal. O plástico é preferido ao metal, pois o plástico aumenta a resistência térmica da parede do tanque. Pensa-se que o procedimento mais rentável para a produção da modalidade preferida sendo um tanque corrugado de polietileno utiliza um processo de plástico fiado. Idealmente, a parede do tanque incluirá um material isolante, como poliuretano. O poliuretano pode ser feito de material orgânico no futuro e a resistência térmica é cerca de duas vezes melhor que o poliestireno. O poliuretano pode ser moldado ou cortado com fio em sua forma de projeto de componente. É rígido e possui boa resistência à compressão, capaz de fornecer suporte extra.

[0048] O tanque 8 pode ser instalado externamente ao nível do solo sob os beirais das casas tradicionais, que é o posicionamento usual para a maioria dos sistemas convencionais de armazenamento a gás ou elétrico.

[0049] O tanque 8 inclui uma entrada de água 3 e uma saída de água 4, ambas preferencialmente localizadas na parte superior do tanque 8. A água passa na entrada de água 3, através de um trocador de calor 6, e sai pela saída de água 4. Desta forma, a água não se mistura com o conteúdo do tanque 8.

[0050] O tanque também inclui um elemento de aquecimento 9 localizado próximo ao fundo do tanque 8. O elemento 9 é idealmente um elemento de corrente contínua e conectado a um painel solar fotovoltaico 1, de preferência através da parte superior do tanque 8. O conjunto de painéis fotovoltaicos pode estar localizado no telhado de um edifício ou em qualquer outro local conveniente que receba luz solar suficiente.

[0051] Em um arranjo alternativo, para regiões conectadas à rede, o elemento de corrente contínua inferior pode ser substituído por um elemento de corrente alternada localizado de maneira semelhante. Durante o dia, isso permite descarregar o excesso de energia das redes que são propensas a picos de energia renovável na rede. A classificação do reforço de corrente alternada pode ser aumentada para 3 kW ou mais para permitir um uso mais rápido quando disponível durante períodos de pico de excesso de suprimento. Uma função de controle especial poderia ser adicionada ao regime de controle e as funções desenvolvidas e finalmente programadas em conjunto com as autoridades de poder do estado. Dessa forma, essas autoridades poderiam lançar ou despejar o excesso de energia da rede sabendo que a energia será armazenada em energia térmica. Isso reduziria a necessidade de as autoridades de energia manterem bancos de baterias caros e também reduziria o uso de baterias para o consumidor em seu sistema doméstico. O aquecimento da água também pode ser usado durante períodos de baixa ou pouca utilização na rede, tornando ainda mais barato para o consumidor aquecer a água.

[0052] Em alguns arranjos, uma fonte de energia alternativa ao painel fotovoltaico pode ser usada. Por exemplo, um gerador eólico, uma fonte de energia hidrelétrica ou um gerador podem ser usados.

[0053] O tanque 8 é preenchido com um líquido de troca de calor 7, como a água, com uma mistura desoxigenada, como o tanino adicionada.

[0054] A luz solar no painel fotovoltaico 1 gera eletricidade para alimentar o elemento de aquecimento 9. Quando em operação, o elemento 9 transfere energia ou aquece o líquido primário ou de troca de calor 7 no tanque 8. À medida que o líquido 7 é aquecido, ele sobe para a parte superior do tanque 8, permitindo que qualquer líquido mais frio 7 caia no fundo do tanque 8. Desse modo, o líquido 7 na parte superior do tanque 8 seria geralmente mais quente que o líquido 7 na parte inferior do tanque 8. Praticamente em algum momento a temperatura de todo o líquido 7 no tanque 8 seria semelhante.

[0055] Em dias nublados, tempos de pouca luz solar ou uso pesado, o painel fotovoltaico 1 pode não gerar energia suficiente para aquecer o líquido 7. Para resolver isso, o arranjo preferido também inclui um segundo elemento de aquecimento 5 que está conectado a uma fonte de alimentação de corrente alternada 2 ou alguma outra fonte de energia. Essa conexão também passa preferencialmente pela parte superior do tanque 8. Pensa-se que, se necessário, o sistema possa ser impulsionado (via o segundo elemento de aquecimento) inteiramente à noite a partir da energia de pico (se disponível), reduzindo assim os custos e fornecendo relativamente água de baixo custo em 24 horas, devido à alta eficiência do armazenamento térmico mantido no líquido de troca de calor no tanque.

[0056] O segundo elemento de aquecimento 5 deve estar localizado na parte superior do tanque 8 e/ou próximo ao trocador de calor 6. Se o segundo elemento de aquecimento 5 estiver localizado no meio ou na parte inferior do tanque 8, ele funcionará da mesma maneira que o primeiro elemento de aquecimento 9. No entanto, ao localizar o segundo elemento de aquecimento 5 na parte superior, próximo ao líquido primário quente ascendente, ele funcionará para garantir melhor que o líquido 7 ao redor do trocador de calor 6 esteja na melhor das condições ou na melhor das circunstâncias, fornecendo líquido quente ao trocador de calor.

[0057] Quando um usuário requer água quente, a água fria ou da rede elétrica é bombeada para a entrada 3 ou à pressão da rede elétrica através do trocador de calor 6. À medida que a água passa pelo trocador de calor, a água é aquecida pela transferência de calor do líquido 7 através do trocador de calor 6 para a água. A água aquecida passa pela saída para uso do usuário.

[0058] Os acordos preferenciais também incluirão pelo menos alguns controles básicos. Os controles podem detectar quando o painel fotovoltaico 1 não está gerando energia suficiente e determinar se o segundo elemento de aquecimento 5 deve ser ligado. Essa decisão também pode ser baseada na temperatura do líquido 7. Por exemplo, o controlador também pode detectar a temperatura do líquido 7 e, se a temperatura cair abaixo de uma temperatura mínima predeterminada, o segundo elemento de aquecimento 5 é ativado.

[0059] Em outros casos, se o controlador detectar que a temperatura do líquido está acima de um limite predeterminado, desligará o primeiro e/ou ambos os elementos de aquecimento 5, 9. Nesse caso, o sistema também pode ser configurado para transferir a energia gerada dos painéis fotovoltaicos 1 de volta para a rede elétrica.

[0060] Idealmente, o controlador sentiria a temperatura do líquido 7 na parte superior do tanque 8 ao determinar ligar o segundo elemento 5 e, inversamente, sentiria a temperatura do líquido 7 na parte inferior do tanque 8 ao determinar desligar o primeiro elemento 5. Dessa maneira, quando a temperatura ao redor do trocador de calor 6 estiver baixa, o segundo elemento de aquecimento 5 poderá ser ligado para garantir melhor o fornecimento de água quente. Da mesma forma, se a temperatura do líquido 7 próximo ao fundo do tanque 8 atingir um limite, significa que todo o líquido 7 no tanque foi aquecido e não é necessário aquecimento adicional.

[0061] Como mostrado na Figura 1, o tanque pode ser criado como um sistema vedado. Ou seja, todos os elementos dentro do tanque geralmente não são acessíveis do lado de fora. Isso poderia potencialmente simplificar a instalação e reduzir os requisitos de manutenção. Alternativamente, os elementos dentro do tanque podem ser acessíveis fornecendo uma tampa ou outra porta de acesso na parte superior do tanque. Esse acesso permitiria o reparo ou a substituição de qualquer peça defeituosa dentro do tanque.

[0062] Voltando à Figura 2, uma modalidade preferida é mostrada. Nesta modalidade, o tanque 26 foi formado de paredes onduladas para maior resistência. Embora paredes não corrugadas também possam ser usadas, a resistência adicional das corrugações é uma vantagem, especialmente durante o transporte ou entrega no destino da instalação. As paredes são de preferência construídas a partir de um material plástico, como polietileno, polibutileno, ou outro material adequado para moldagem por injeção.

[0063] O tanque de plástico 26 deve ser resistente à degradação ou deformação e manter a resistência estrutural total a temperaturas inferiores a 80 °C. Pensa- se que a integridade estrutural de polietileno com 10 mm de espessura mantém a resistência estrutural total a 100 °C por um período prolongado e, portanto, é uma escolha adequada. Além disso, como não se espera que uma temperatura extrema ocorra na presente invenção. Espera-se sempre que as temperaturas internas estejam abaixo de 60 °C, negando qualquer problema de enfraquecimento estrutural no tanque de plástico.

[0064] Em algumas implementações, também pode ser decidido o uso de nanotecnologias moldadas à base de carbono, devido ao perfil relativamente simples do tanque. Outra alternativa ao plástico é o aço inoxidável ou cobre, embora seja provável que seja mais caro e mais pesado de transportar. Um tanque de plástico é preferível, pois é inerte à corrosão e possui uma melhor resistência térmica em comparação aos tanques de metal.

[0065] O tanque 26 pode ser encerrado em um material de isolamento 21, tal como poliuretano moldado ou cortado com fio, para evitar qualquer ponte térmica. O material de isolamento busca minimizar a perda de temperatura durante a noite, com o objetivo de manter as perdas do sistema em 1 a 3 kWh por dia ou menos ao longo das estações, nos climas mais temperados. De preferência, o material de isolamento 21 não grudará no metal ou em qualquer outro componente plástico.

[0066] Na modalidade preferida, o isolamento será pré-formado antes da construção do tanque. O isolamento pode ser pré-formado para se ajustar à forma exata do tanque. No entanto, é realmente preferido pré-formar o isolamento para acomodar um tanque de formato geralmente cilíndrico, inclusive quando o tanque é ondulado. Um molde imperfeito para o isolamento resulta em bolsas de ar que podem ser vantajosas. Esse método de montagem do isolamento ao redor do tanque aumenta a eficiência térmica geral do tanque em comparação com os sistemas padrão. O isolamento de espuma moldado em forma cilíndrica cria uma pequena resistência ao ar fina contra a película externa de alumínio, bem como de dentro para cima contra o tanque de plástico interno, criando intervalos de ar parciais em forma de onda senoidal entre o tanque de plástico de perfil ondulado e a superfície vertical relativamente suave do isolamento adjacente. Essa resistência extra ao ar da superfície aumenta substancialmente a película externa refletora, bem como o isolamento de espuma principal. Isso mantém a inércia térmica máxima no tanque por 24 horas.

[0067] Uma desvantagem dos sistemas convencionais é que o material de isolamento injetado é geralmente aplicado, o qual cola e se adere aos componentes. Ao adotar o uso de poliuretano, o material de isolamento não deve se aderir a nenhum componente. Isso permitirá a desmontagem dos painéis de isolamento laterais moldados e o isolamento em forma de parte superior e inferior para reparos improváveis e a reutilização dos painéis e formas de isolamento. Esses componentes podem, por exemplo, ser reutilizados em sistemas adaptados ou recondicionados em segunda mão.

[0068] Outros materiais alternativos para o material de isolamento 21 podem incluir poliestireno. Na disposição preferida, o material de isolamento terá entre 35 mm e 125 mm de espessura, dependendo da localização. Em uma disposição, a parte superior e inferior do tanque 26 é isolada com entre 75 mm e 125 mm, e preferencialmente 100 mm, de poliuretano na parte superior, entre 40 mm e 60 mm, e preferencialmente 50 mm na parte inferior e entre 35 mm e 55 mm, e de preferência 45 mm para os lados. Embora a mesma quantidade de isolamento possa ser fornecida a todas as partes externas, é preferível ter mais isolamento no topo, pois é onde a água mais quente aumenta e, portanto, haveria perdas maiores de transferência de calor neste momento. Os lados têm a vantagem de intervalos de ar extras entre o tanque de plástico e o isolamento, aumentando consideravelmente o isolamento térmico. Portanto, é necessário um pouco menos de isolamento.

[0069] Além disso, esta modalidade cria um efeito de isolamento radiativo de um bule de chá ou radiação refletora para dentro, reduzindo a condutância e, portanto, melhorando o efeito de isolamento geral da parede composta. Isso reduz a necessidade de isolamento mais espesso na parede lateral do tanque. A radiação térmica é refletida de volta ao sistema a partir da superfície interna e externa brilhante da pele de alumínio polida. O objetivo do material de isolamento é reduzir a perda de calor do tanque e, assim, melhorar a eficiência energética do sistema de água quente.

[0070] O material de isolamento é protegido por uma camada externa de alumínio 28 ou outro material de proteção. A pele externa 28 poderia, por exemplo, também ser formada a partir de um plástico endurecido. De preferência, a pele externa 28 também será reflexiva para ajudar ainda mais na prevenção da perda de calor.

[0071] Idealmente, o isolamento 21 é moldado ou a espuma de poliuretano é cortada com arame em duas formas. As formas podem ser dois segmentos complementares que circundam o tanque 26 e são mantidos no lugar pela folha de alumínio de tensão externa 28. De preferência, os níveis de isolamento são os seguintes: - Paredes 0,199 W/m2K Perdas máximas no inverno 0,267 kWh/dia - Topo 0,746 W/m2K Perdas máximas no inverno 0,125 kWh/dia - Fundo 1,456 W/m2K Perdas máximas no inverno 0,244 kWh/dia Perdas totais no inverno = - 0,635 kWh/dia

[0072] Pequenos intervalos de ar entre o isolamento pré-moldado 21, o tanque 26 e as superfícies externas das chapas 28 aumentam as resistências gerais do ar na superfície, melhorando ainda mais as taxas de isolamento além das tecnologias normais de água quente.

[0073] O tanque 26 deve ele próprio ser totalmente autoportante, com o isolamento 21 e a película de alumínio estressada 28 um acréscimo adicional à resistência à parede do tanque 26. Na disposição preferida, a película externa é a folha de alumínio 28 que segura os componentes de isolamento na posição e fornece suporte adicional à parede. A película de metal também adiciona resistência extra ao impacto a danos mecânicos. Além de proporcionar uma melhoria do isolamento com “efeito bule” para a eficiência térmica geral.

[0074] Em algumas instalações, pode ser decidido não incluir qualquer material isolante ou película externa. Se for esse o caso, a invenção ainda funcionará, no entanto, não será tão eficiente. Em particular, espera-se que seja necessária mais energia para manter a temperatura desejada na maioria dos casos.

[0075] Em algumas modalidades, o tanque também incluiria uma base plástica moldada 27. O uso de um material como plástico moldado reduz qualquer ponte térmica entre o tanque e o solo, maximizando a eficiência do isolamento. Ele também possui a força necessária e pode reduzir custos.

[0076] O tanque 26 é cheio com um líquido de troca de calor, como a água, com um aditivo que inibe a corrosão. Em uma disposição preferida, as propriedades do líquido de troca térmica incluem uma capacidade de armazenamento térmico de 4200 kJ/M3.

[0077] A parte superior do tanque é fechada por uma tampa 14 que, idealmente, será moldada em plástico, para vedar o líquido de troca de calor no tanque 26. Essa vedação pode ser melhorada através da implementação de uma braçadeira e vedação na borda da tampa 19. Incluir uma borda na parede interna do tanque 26 também facilita o fechamento da tampa 14. A vedação do líquido pode ser melhorada com o uso de uma junta 29 (Figura 6) e um grampo lateral da tampa 30. O grampo 30 permite acesso ao interior do tanque 26, ao mesmo tempo em que torna a montagem estanque à água e ao ar.

[0078] Os vários componentes são capazes de passar através da tampa 14 e entrar no líquido de troca de calor no tanque 26. Em um arranjo preferido, um compartimento de cabo do elemento de corrente contínua 25 é suspenso e passa através da tampa 14. No topo do invólucro 25 está uma porta do elemento de corrente contínua 11. Um elemento de corrente contínua 9, ou elemento de aquecimento primário, passa através da porta do elemento 11 e é suspenso em direção ao fundo do tanque 26 por um cabo conectado a um painel solar fotovoltaico ou a uma fonte de energia alternativa. Idealmente, o elemento de aquecimento primário 9 também estaria localizado próximo ao eixo central do tanque 26, além de estar próximo ao fundo do tanque. Tal arranjo estimula as correntes de distribuição de calor interno altamente eficientes discutidas abaixo.

[0079] O alojamento 25 não é essencial para a invenção, no entanto, permite uma manutenção ou substituição mais fácil do elemento 9, se necessário, e também localiza com precisão o elemento na posição correta. Ou seja, o elemento pode ser extraído simplesmente puxando o cabo para trás através da porta de entrada do elemento 11. Embora o elemento 9 possa ser removido se não houver alojamento, isso implicaria a remoção da tampa 14 em algumas instalações, se a tampa não foi projetada para possível remoção do elemento 9.

[0080] Em uso, o elemento 9 aquece o líquido de troca de calor no tanque 26. É o líquido sobre o elemento 9 que será aquecido. À medida que este líquido é aquecido, ele subirá em direção ao topo do tanque 26 e o líquido mais frio descerá. Este processo continuará com o líquido mais quente se movendo para o topo do tanque 26. Em algum momento, todo o líquido no tanque estará efetivamente com uma temperatura semelhante. Na realidade, pode haver uma diferença de temperatura de 10 °C a 15 °C entre a parte superior do tanque e o fundo em ocasiões durante o uso da água e em condições de clima frio.

[0081] Em uma disposição preferida, uma vez que o líquido tenha atingido uma temperatura predeterminada, o elemento de aquecimento 9 será desligado até que o líquido esfrie. Isso pode evitar o superaquecimento do líquido. Neste caso, a energia para o elemento de aquecimento 9 pode ser desviada para outros usos.

[0082] Prevê-se que a presente invenção faça parte de um sistema solar de água quente e que o elemento 9 seja conectado a um painel solar fotovoltaico. Isso tem a vantagem de fornecer energia gerada pelo sol. No entanto, em dias nublados ou encobertos, ou em áreas ou períodos de pouca luz solar, pode não haver energia suficiente fornecida ao elemento 9 para aquecer o líquido de troca de calor. Como alternativa, o alto uso de água pode ter drenado o sistema com eficiência. Para resolver isso, o tanque também inclui um segundo elemento 5 conectado via uma entrada de segundo elemento 12 a uma fonte de energia alternativa. Espera-se que esta fonte de energia alternativa seja a rede elétrica, embora outra alternativa possa ser um gerador.

[0083] Anteriormente, os reforçadores de corrente alternada sempre entravam pela parede lateral de um tanque vertical e costumavam ser localizados no meio do tanque para se adequar ao volume aberto e às correntes internas de um vaso do tipo pressão.

[0084] Ao contrário dos sistemas convencionais, na modalidade preferida da presente invenção, para melhor operação, o segundo elemento 5 será suspenso em direção ao topo do tanque 26 e próximo às bobinas de troca de calor 6. Isso permitirá que o líquido de troca de calor em torno do o trocador de calor 6 seja aquecido mais rapidamente e a água quente será fornecida mais cedo quando o aquecimento primário não estiver em sua capacidade máxima. Idealmente, o segundo elemento 5 seria centralizado, tanto quanto possível, nas bobinas do trocador de calor 6 para impulsionar e atuar como um elemento de aquecimento instantâneo quando necessário em condições de tempo frio ou nublado. No arranjo preferido, espera-se que a quantidade de reforço necessária seja mínima. Por conseguinte, pensa- se que, enquanto o segundo elemento 5 estiver localizado no vazio do permutador de calor, deve funcionar suficientemente para os requisitos. A maior parte do calor para o sistema será fornecida pelo elemento de aquecimento 9 todos os dias. Enquanto o reforço ou o segundo elemento 5 estiver dentro do vazio central do trocador de calor, ele funcionará como pretendido. Em algumas instalações extremas, pode ser mais importante garantir que o segundo elemento 5 esteja centralizado.

[0085] Em algumas aplicações, os cabos para os dois elementos de aquecimento podem passar através de uma caixa ou compartimento de conexões elétricas 13 localizado na tampa e através de um conduíte comum 18. Isso não é essencial, mas puramente para simplificar a instalação e garantir que as conexões não sejam acessadas acidentalmente pelos proprietários.

[0086] Se for regulado ou desejado, um tubo de transbordamento de tanque 16 também pode ser incluído. Se o líquido de troca de calor se expandir, ou ocorrer algum outro evento que aumente a pressão dentro do tanque 26, parte do líquido de troca de calor será capaz de escapar através do tubo de transbordamento do tanque 16 e convenientemente para um tanque de expansão 17. A inclusão do tubo de transbordamento do tanque 16 atenua o risco de explosão devido a altas pressões no interior do tanque, permitindo efetivamente eliminar a pressão dentro do tanque através deste mecanismo de ventilação aberto. Em algumas modalidades, o tubo de transbordamento e o tanque de expansão podem ser configurados para facilitar o retorno do líquido se a pressão de expansão no tanque diminuir.

[0087] Na modalidade mostrada, um painel de controle 20 também é mostrado. Neste caso, o painel de controle 20 está localizado abaixo do tanque de expansão 17 para facilitar a fabricação. Espera-se que o painel de controle 20 esteja dentro de um alojamento de dimensão semelhante ao tanque de expansão, embora em alguns casos um compartimento não possa ser fornecido. Embora o painel de controle 20 possa fornecer algum controle ao usuário, será reconhecido que o sistema pode ser criado sem um painel de controle. Nesse caso, o sistema seria amplamente um sistema passivo, pois os elementos continuariam a aquecer o líquido de troca de calor.

[0088] Na disposição preferida, o painel de controle 20 pode fornecer uma gama de funções, dependendo da implementação. Estes podem incluir: 1. Desligar o elemento 9 quando for atingida uma temperatura predeterminada e ligar novamente quando a temperatura cair abaixo desse limite predeterminado. 2. Ligar o elemento 5 se a temperatura estiver abaixo de um limite predeterminado e desligar novamente quando outra temperatura predeterminada for atingida. 3. Ativar e desativar os elementos 5, 9 somente durante períodos predeterminados. 4. Desligar o sistema - por exemplo, se o usuário estiver ausente por um período de tempo. 5. Regimes do relógio de ponto para aumento fora do pico predominantemente à noite.

[0089] Referindo-se à Figura 8, dois sistemas de controle são mostrados para uma modalidade - a saber, um controle de elemento de aquecimento de corrente contínua ou controlador primário 43 e um controle de reforço de corrente alternada ou controlador secundário 44. O controle de elemento de aquecimento de corrente contínua 43 é usado para controlar a operação do elemento de aquecimento 9, e o controle de reforço de corrente alternada 44 pode ser usado para controlar o segundo elemento de aquecimento 5.

[0090] O controlador primário inclui um primeiro sensor de temperatura 37 conectado a um primeiro termostato 35 e localizado para medir a temperatura do líquido de troca de calor 7. O termostato e o sensor de temperatura podem vir como uma unidade combinada, por exemplo, um termostato capilar bimetálico. Convenientemente, o primeiro sensor de temperatura 37 pode estar localizado dentro do tanque 26 e, de preferência, na porção inferior do tanque 26. Idealmente, o primeiro sensor de temperatura 37 não estará próximo ao elemento de aquecimento 9, a fim de evitar detectar a temperatura do líquido aquecido recentemente. É preferível ler a temperatura do líquido não sob calor imediato. A porção inferior do tanque também é preferida para medir a temperatura do líquido nocionalmente mais frio em comparação com o líquido na parte superior do tanque. Deverá ser reconhecido, no entanto, que o sensor de temperatura 37 pode estar localizado em qualquer local capaz de medir a temperatura do líquido, desde que seja levado em consideração o local em operação do controlador.

[0091] Quando o primeiro termostato 35 através do sensor de temperatura 37 detecta que a temperatura do líquido de troca de calor 7 está abaixo de uma temperatura predeterminada, um primeiro interruptor 38 pode ser ativado para ligar o elemento de aquecimento 9. Isso pode ser conseguido permitindo que a energia elétrica dos painéis fotovoltaicos 1 (ou outra fonte de energia) seja direcionada ao elemento de aquecimento 9. Quando o primeiro termostato 35 via sensor de temperatura 37 detecta que a temperatura do líquido de troca de calor 7 está acima a uma temperatura predeterminada, o primeiro interruptor 38 pode ser ativado para desligar o elemento de aquecimento 9. Isso pode ser alcançado cortando o suprimento de energia elétrica ao elemento de aquecimento 9.

[0092] Em algumas modalidades, pode ser preferido não ter um controlador primário 35. Nesse caso, o elemento de aquecimento 9 sempre estaria ligado. Em outras disposições, em vez de ter um controlador de temperatura ativado, o termostato e o sensor de temperatura podem ser substituídos por um temporizador.

[0093] No arranjo mostrado na Figura 8, o controlador primário inclui um segundo interruptor 39 que permite que a energia elétrica dos painéis fotovoltaicos 1 seja passada para um inversor 40 quando o elemento de aquecimento 9 não é necessário. O inversor 40 pode ser usado para alimentar outros dispositivos do usuário ou adicionado/retornado a uma rede elétrica principal. Em algumas disposições, o primeiro comutador 38 e o segundo comutador 39 podem ser combinados em um único comutador que passa a energia para o elemento de aquecimento 9 ou para o inversor 40.

[0094] Na disposição mostrada, o controlador secundário 36 usa um temporizador 41 e um segundo termostato 36 e um segundo sensor de temperatura 42. O segundo sensor de temperatura 42 pode novamente ser localizado em qualquer local que permita a temperatura da troca de calor líquido 7 a ser determinada. É preferível, no entanto, localizar o segundo sensor de temperatura 42 dentro do trocador de calor 6 no terço superior do tanque 26. A razão para isso é que o sistema preferido visa garantir que sempre haja água quente disponível para o usuário. Assim, o desejo de garantir o líquido de troca de calor 7 sobre o trocador de calor 6 está em uma temperatura ótima.

[0095] O temporizador opcional 41 é incluído para garantir que o segundo elemento de aquecimento 5 seja ligado apenas quando for provável que seja necessária água quente. Por exemplo, na maioria dos casos, é improvável que seja necessária água quente às 3 h da manhã. Da mesma forma, para uma família que trabalha, a água quente pode não ser necessária no meio de um dia útil. Assim, o temporizador 41 pode ser ajustado para permitir apenas a operação do segundo elemento de aquecimento antes e durante os períodos em que é provável que seja necessária água quente. Isso economiza aquecimento desnecessário e, portanto, custos.

[0096] Se o segundo termostato 36 através do segundo sensor de temperatura 42 detectar uma baixa temperatura no líquido de troca de calor 7, e o temporizador 41 indicar um momento em que pode ser necessária água quente, a energia para o segundo elemento de aquecimento 5 é fornecida pela rede elétrica principal ou alguma fonte de energia alternativa. Quando a temperatura do líquido de troca de calor 7 está acima de uma temperatura predeterminada ou o temporizador 41 indica um período não essencial, a energia para o segundo elemento de aquecimento 5 pode ser cortada.

[0097] Em alguns arranjos, um segundo elemento de aquecimento 5 pode não ser necessário. Em outras disposições, embora improvável, o segundo elemento de aquecimento 5 pode estar constantemente ligado. Em outros casos, pode haver uma chave manual que um usuário opera para ligar o segundo elemento de aquecimento 5.

[0098] Outra opção é a inclusão de um tubo de enchimento de tanque 15 que permitiria que líquido de troca de calor extra fosse derramado ou bombeado para o tanque 26, se necessário. Neste caso, seria preferível que o tubo de enchimento do tanque se estendesse em direção ao fundo do tanque 26 para não se misturar com o líquido mais quente na parte superior do tanque e/ou afetar negativamente a operação de troca de calor. Em alguns arranjos, um tubo de enchimento flexível pode ser fornecido. Alternativamente, um tubo rígido será usado para fornecer um tubo de água quente resistente ao calor com maior longevidade. O tubo de enchimento 15 também pode ser empregado para encher o tanque 26 durante a instalação do sistema de água quente ou para esvaziar o líquido de troca de calor do tanque 26, se houver necessidade de manutenção. Mais uma vez, garantir que o tubo de enchimento 15 se estenda em direção ao fundo do tanque permite que o tanque seja efetivamente bombeado vazio, se necessário, sem a necessidade de um tubo de drenagem estar localizado no fundo ou próximo ao fundo do tanque. Na maioria das situações, o líquido também pode ser esvaziado usando uma técnica de sifão em vez de bombear ou usando a gravidade para fazer o trabalho, se um ponto de coleta puder ser encontrado próximo, mais abaixo do nível do tubo de enchimento/esvaziamento.

[0099] Em uma disposição, o tubo de enchimento 15 pode ser de cobre para a terceira parte superior do tanque e depois estendido para o fundo do tanque através de um tubo flexível resistente ao calor 24. Alternativamente, o tubo 15 pode ser de polipropileno. O tubo de enchimento 15 também pode ser configurado para se conectar a uma bomba que seria particularmente vantajosa quando houver dificuldades no local de descarregar ou armazenar o líquido de troca de calor vazio. Idealmente, uma pessoa de reparo seria capaz de armazenar o líquido de troca de calor para reutilização após os reparos.

[00100] A entrada de água fria 3 pode ser convenientemente conectada a uma fonte de água da rede elétrica ou, alternativamente, outra fonte de água em algumas instalações. A água da rede passa pela entrada de água 3 e depois pelas bobinas de troca de calor 6. À medida que a água passa pelos canos/bobinas, ela absorve a energia térmica do líquido da troca de calor e aquece. A água aquecida continua através dos tubos e sai pela saída de água (não mostrada na seção transversal da Figura 12).

[00101] As bobinas de troca de calor 6 ou trocador de calor podem fazer parte do conjunto da tampa e ficarão efetivamente penduradas na tampa 14 do tanque 26 e ficarão centralmente localizadas no tanque 26. Idealmente, o eixo do tanque também formaria o eixo do trocador de calor. Convenientemente, o trocador de calor 6 será conectado à tampa 14. Isso pode ser devido à entrada e saída de água, embora outros suportes possam ser fornecidos pela tampa ou pela parede lateral do tanque 26. Em algumas instalações, podem ser os suportes que fornecem todo o suporte ao trocador de calor e a entrada e saída de água apenas permitem a passagem de água.

[00102] O trocador de calor 6 pode ser feito de cobre ou titânio de alto grau ou, no futuro, possivelmente, uma tecnologia baseada em nanotubos de carbono. Materiais alternativos podem ser utilizados, desde que tenham alta condutividade e possam suportar estruturalmente a pressão interna da água no tanque 26.

[00103] A água fria entra pela entrada de água 3. Em seguida, é efetivamente dividida em duas correntes na junção "Y" 3A, com as duas saídas da junção Y 3A passando em bobinas separadas do trocador de calor 6. O trocador de calor pode, portanto, ser considerado um formato espiral paralelo duplo, como mostrado na Figura 7. Se o tubo que leva à entrada de água tiver um tamanho convencional de 12,7 mm de diâmetro, o diâmetro preferido das bobinas será de cerca de 3/8 polegadas (9,52 mm). Na extremidade oposta do trocador de calor 6, as bobinas duplas são recombinadas através de uma junção Y inversa 4A, que é então conectada à saída de água quente 4. Desse modo, existe uma única fonte de água fria e uma única fonte de água quente, no entanto, a transferência de calor no trocador de calor é via bobinas duplas.

[00104] Em algumas disposições, as junções Y de entrada de água fria 3A e a junção Y de saída de água quente 4A, podem ser vazadas na tampa 14.

[00105] Embora a presente invenção tenha adotado bobinas paralelas duplas, será reconhecido que também podem ser usadas três ou mais bobinas paralelas. No entanto, espera-se que a eficiência do presente arranjo signifique que na maioria dos casos o custo e a complexidade adicionais de caminhos mais paralelos não sejam necessários. Caminhos paralelos mais altos podem ser empregados se forem usadas taxas de fluxo de água mais altas ou se um número menor de voltas for incluído na bobina. Neste exemplo posterior, ter mais caminhos paralelos garantiria efetivamente o mesmo comprimento total de tubo no líquido de troca de calor.

[00106] Ao dividir a bobina em caminhos paralelos, a pressão da rede elétrica é efetivamente reduzida enquanto a água nas bobinas passa pelo líquido de troca de calor. A transição de um tubo de 1/2 polegada para dois tubos de 3/8 polegada significa que o volume total que flui através do trocador de calor será ligeiramente diminuído, diminuindo a taxa de fluxo e aumentando o atrito e a turbulência no tubo. Portanto, haverá uma redução da pressão da água na saída de apenas cerca de 10%, mas resultando em menos água sendo usada na torneira. A pressão pode ser reduzida em 5 a 15% nas bobinas em comparação com a entrada. O abrandamento do fluxo de água aproveita assim o aumento do calor na parte superior do tanque 26, permitindo uma troca de calor melhorada entre o líquido de troca de calor e a água.

[00107] Espera-se que essa transferência de calor aprimorada também leve à redução do uso de água, pois o usuário precisará de menos água quente. O volume de água que sai do chuveiro é menor e, portanto, ocorre menos água quente na temperatura certa. Como o atrito e a turbulência no trocador de calor criam pressão efetiva reduzida no sistema total, uma lentidão da água que sai do sistema economiza água com uma pequena queda de pressão aceitável no sistema.

[00108] O tubo de 3/8 polegada 6A, 6B gera um fluxo turbulento de baixo nível nos tubos do trocador de calor, começando na entrada de água 3 à pressão da água de 500 kPa. Esse fluxo está a meio caminho entre o fluxo laminar e o turbulento, resultando em uma melhor taxa de transferência de calor contra a parede do tubo sem reduzir a pressão da água indevidamente. O fluxo laminar significa que há pouca turbulência e as moléculas fluem de maneira suave, principalmente paralela. Alguma turbulência aumenta a taxa de transferência à medida que as moléculas impactam com a parede quente do tubo do trocador de calor. Muita turbulência adiciona muito atrito e reduz muito a pressão da água. Um ponto médio é o preferido. Espera-se que a eficiência desse trocador de calor seja próxima de 100%, garantindo que a temperatura do líquido de transferência de calor no tanque 26 seja igual à temperatura na saída de água 4 durante uma condição de fluxo constante através do trocador de calor 6.

[00109] O comprimento total efetivo do trocador de calor 6 (incluindo os dois caminhos paralelos) é uma medida do comprimento do tubo que passa através do líquido de troca de calor. Em outras palavras, se as bobinas do trocador de calor fossem endireitadas em um único tubo linear, o comprimento seria o comprimento total efetivo. O comprimento de cada instalação pode ser determinado pelas condições climáticas ou de tempo em que o tanque deve operar. De preferência, esses comprimentos podem ser: - Climas Frios 70 a 75 metros - Temperado fresco 50 a 60 metros - Temperado quente 45 a 55 metros - Clima quente e seco 46 a 50 metros - Tropical 25 a 30 metros

[00110] Como alternativa, um único comprimento pode ser selecionado e usado para todos os climas. No entanto, não se espera que tal arranjo seja tão eficiente para vários climas.

[00111] O trocador de calor pode ocupar os 30% a 50% superiores do volume do tanque (como mostrado na Figura 1 e na Figura 2). De preferência, o trocador de calor ocupará cerca de 30% do volume do tanque. Climas mais frios provavelmente exigirão um trocador de calor mais longo que precisará se estender ainda mais para dentro do tanque.

[00112] A tampa 14 na disposição preferida inclui suportes 22, 23, que ficam pendurados na tampa 14 para garantir que as bobinas de cobre do trocador de calor 6 estejam localizadas na posição correta. Os suportes 22, 23 podem ser feitos de plástico na forma de polibutileno especialmente moldado ou outro material à base de carbono. Em uma modalidade, os suportes do conjunto têm um suporte de fixação 23 à parede do tanque 26, novamente feito de tubo de cobre ou material à base de carbono moldado ou polibutileno.

[00113] A localização e a proporção do trocador de calor 6 são capazes de criar fluxos de corrente no tanque de maneira única e, assim, melhorar ainda mais a eficiência da troca de calor. É importante reconhecer que a presente invenção gera dois fluxos diferentes. Há água fluindo através do trocador de calor e uma corrente fluindo no tanque. Portanto, existem referências ao fluxo de água sob pressão da rede elétrica no trocador de calor que não devem ser confundidas com o fluxo de corrente no tanque. Prevê-se que um sistema solar de água quente incorporando o tanque atual, ajudando potencialmente a permitir 100% de contribuição solar dos elementos de corrente contínua e corrente alternada (direta e indiretamente via menos movimento e deslocamentos conectados à rede) seja possível em todos os climas do mundo.

[00114] Como mostrado na Figura 5, a configuração do trocador de calor 6 na presente invenção cria um fluxo vertical uniforme, suave e do tipo laminar 32 de líquido aquecido para cima através da bobina dupla e para cima e para fora no topo como uma fonte, além de completar sua subida vertical, a corrente possui um fluxo cruzado angular para cima 33 do trocador de calor interno em direção à parede do tanque, unindo o líquido refrigerado de fluxo vertical em cascata para baixo 34. O fluxo mais frio desce pela superfície interna da parede do tanque.

[00115] Esta condição geral de fluxo de corrente ocorre enquanto o aquecimento está em andamento a partir dos elementos primário e/ou secundário, mas as correntes aceleram quando o trocador de calor de pressão principal é ativado à medida que os usuários estão ativando a torneira e o calor está sendo transferido do trocador de calor, e líquido frio está fluindo para cima dentro do trocador de calor sendo aquecido progressivamente. O líquido de troca de calor mais denso do resfriador subsequente que termina na parede lateral cai no fundo do tanque 34, conduzindo as correntes internas no tanque através da força da gravidade.

[00116] Essas correntes distribuem água quente em torno do trocador de calor de maneira eficiente e inovadora, garantindo uma recuperação mais rápida da temperatura para o consumidor após o uso extensivo de água quente, como um longo banho ou chuveiro.

[00117] Em termos mais gerais, o líquido de troca de calor é aquecido pelo elemento 9. Isso atuará para aquecer o líquido de troca de calor 7 no tanque 26. Quando houver demanda de água quente por um usuário, a água fria entrará no fundo do trocador de calor 6 nesta modalidade. À medida que a água flui através das bobinas do trocador de calor 6, o calor é transferido do líquido 7 de troca de calor para a água. A água aquecida continua a fluir para cima e para fora do trocador de calor 6.

[00118] Quando a água flui através do trocador de calor 6, o projeto da presente modalidade é tal que um fluxo de corrente é formado no líquido 7 de troca de calor. À medida que a água fria flui através do trocador de calor 6, o calor é transferido a partir do líquido de troca de calor 7 para a água. Isso resulta no líquido de troca de calor 7 no ponto de transferência para esfriar. O líquido de troca de calor resfriado 7, depois de transferir seu calor para a água que flui através das bobinas 6A, 6B, irá então cascatear 34 pela parede do tanque 26. O líquido de troca de calor resfriado 7 será então aquecido pelo elemento de aquecimento 9.

[00119] À medida que o elemento de aquecimento aquece o líquido de troca de calor 7, o líquido de troca de calor 7 sobe 32 através do meio do tanque 26. O líquido de troca de calor 7 continua subindo através do meio do trocador de calor 6. O fluxo atual é de modo que o líquido 7 de troca de calor passe sobre a bobina interna 6B e entre a bobina interna 6B e a bobina externa 6A. Enquanto o líquido 7 de troca de calor está sobre as bobinas 6A, 6B, ele pode transferir seu calor armazenado para a água dentro das bobinas 6A, 6B.

[00120] Esse caminho atual cria um fluxo eficiente que garante substancialmente que o líquido aquecido não seja misturado com o líquido resfriado, e que o líquido aquecido rodeie o trocador de calor e seja eficientemente substituído à medida que a transferência de calor ocorre.

[00121] Na disposição preferida, o trocador de calor 6 pode ser construído em cobre de alta qualidade com dois tubos paralelos que se separam do tubo de entrada de água fria 3 acima da tampa 14 na junção 'Y' moldada na tampa 14 e formando dois tubos de 3/8 polegada (ou 1/2 polegada como um trocador de calor alternativo) que se estendem até o fundo do conjunto do trocador de calor 6 dentro do tanque 26. Os tubos de 3/8 polegada ou 1/2 de polegada são convenientemente selecionados, pois são um tubo disponível padrão. Outros tamanhos podem ser usados, se preferir, embora seja provável que tubos de tamanho personalizado sejam necessários.

[00122] Cada tubo se dobra para dentro dos tubos 6B internos e externos 6A paralelos em espiral ascendente para formar o trocador de calor. Idealmente, o tubo externo 6A precisa ser recuado cerca de 90 mm da parede interna do tanque 26 para um tanque de 300 litros. Na disposição preferida, o tubo externo 6A do trocador de calor pode ter um raio de cerca de 157,74 mm em relação à linha central do tubo a partir da linha central do interior do tanque 26 e o tubo interno 6B pode ter um raio de 147,74 mm em relação à linha central do tubo a partir do mesmo ponto.

[00123] Isso cria uma folga de cerca de 15 mm entre as bobinas espiraladas para cima internas e externas. As bobinas são preferencialmente espaçadas a cerca de 12,7 mm de distância, à medida que espiralam para cima até a parte inferior da tampa 14 da qual está suspensa.

[00124] Essa espiral dos dois tubos continua até cerca de 55 mm a partir da parte inferior da tampa 14, criando a folga necessária para as correntes de fluxo de calor que fluem de dentro do espaço vazio do conjunto do trocador de calor 6 na região central do tanque 26 ao espaço externo entre o trocador de calor 6 e a parede do tanque 26, unindo o líquido de troca de calor mais frio em cascata no interior do tanque 26.

[00125] Quando os dois tubos paralelos atingem o topo, eles se juntam a outra junção 'Y' 4A que é a saída 4, fundindo-se novamente em um tubo de 1/2 polegada que se projeta para fora da tampa 14. Este se torna o tubo de abastecimento de água quente que atende as saídas no edifício.

[00126] Em climas temperados, prevê-se que o número de voltas seja 24 para a bobina externa e 23 para a bobina interna.

[00127] Além do trocador de calor 6 conectado com as conexões roscadas à prova de água às duas junções 'Y' fundidas da tampa, um suporte extra pode ser fornecido por suportes estruturais especialmente formados, auxiliando na suspensão do trocador de calor 6 da tampa 14. Essas instalações podem ser suportes de suspensão de plástico mais fortes com entalhes especiais para prender as bobinas de cobre interna e externa, mantendo-as firmemente e em posição segura e separando-as tanto do espaço entre as bobinas, criando um espaço para os fluxos de corrente ascendentes quanto para manter as folgas entre os tubos em espiral nos tubos interno e externo.

[00128] As bobinas paralelas do trocador de calor 6 podem ser mantidas juntas por suportes estruturais de plástico 22. Os suportes podem, por exemplo, ser feitos de polibutileno moldado ou material similar com a resistência à tração/compressão estrutural necessária, além de serem resistentes à temperatura. Em alguns arranjos, pode haver quatro suportes 22 espaçados uniformemente em torno do trocador de calor 6. Os suportes 22 podem travar ao localizar projeções moldadas entalhadas lançadas no interior do tanque 26 na parte superior e inferior do trocador de calor 26. Os suportes 22 podem ser taco de hóquei em forma de recessos moldados ou metal para recorte no conjunto de bobinas formatadas em paralelo no espaçamento desejado.

[00129] Esses suportes que podem proporcionar maior integridade estrutural também podem ser convenientemente conectados à tampa 14, de modo a estabilizar ainda mais o trocador de calor solidamente na posição 22. Isso é particularmente vantajoso na proteção contra deslocamento durante o transporte e também no manuseio durante a instalação.

[00130] Na parte inferior do trocador de calor 26, os suportes em forma de taco de hóquei 22 podem se assentar ordenadamente em projeções entalhadas lançadas da parede do tanque 14. Na parte inferior desses portais de suporte, braços especiais podem se projetar para o local central para manter firme o alojamento do cabo do elemento 25, bem como o tubo do tubo de enchimento 24.

[00131] Esta configuração relativamente aberta deve fornecer um impedimento mínimo às correntes de água quente ascendentes no tanque 26. Esse arranjo mantém o trocador de calor 6 bem afastado da parede do tanque de perímetro interno e o líquido em cascata mais frio que cai na superfície interna do tanque 26 quando a água flui e é aquecida pelo trocador de calor.

[00132] Em algumas implementações, o tanque 26 também pode incluir uma caixa de conexões elétricas 13, como mostrado na Figura 3, para acomodar os cabos de energia para os dois elementos. A inclusão de uma caixa de conexões pode simplificar a instalação, deixando claro onde estão os componentes elétricos que entram no sistema. A caixa também pode ser um recurso de segurança adicional e auxiliar na impermeabilização das conexões.

[00133] Voltando agora à Figura 4, são apresentadas as dimensões relativas da modalidade preferida. Foi assumido que o tanque foi projetado com capacidade para aquecer 300 litros de água quente sanitária. No entanto, será entendido que tanques com capacidade menor ou maior podem ser empregados usando as mesmas relações ou relatividades descritas abaixo.

[00134] A disposição preferida para fornecer 300 litros de água quente incluirá cerca de 300 litros de líquido de troca de calor dentro do tanque 26. Para conseguir isso, o tanque terá um diâmetro B entre 400 mm e 600 mm e, de preferência, cerca de 500 mm, e altura A entre 1400 mm e 1600 mm e, de preferência, cerca de 1500 mm medidos entre a tampa e o piso interno do tanque.

[00135] O elemento primário 9 pode ser suspenso da tampa 14 entre 1000 mm e 1300 mm até a linha central do elemento primário 9, conforme indicado pelo item E na Figura 4, e idealmente será suspenso a cerca de 1300 mm da parte inferior da tampa. A preferência é garantir que uma folga de 100 mm seja mantida entre o fundo do tanque 26 e a extremidade inferior do elemento 9.

[00136] O tanque 26 é dimensionado para alojar o trocador de calor 6 na terceira posição superior, como mostrado no item C do tanque 26. Para aplicações em clima temperado, C estará preferencialmente entre 500 mm e 700 mm. Para climas que variam de regiões tropicais com dimensões menores a climas frios com dimensões maiores, C será preferencialmente entre 270 mm e 1000 mm. O líquido de troca de calor subirá continuamente do fundo do tanque 26 à medida que é aquecido pelo elemento primário 9. O elemento primário 9 está localizado centralmente em relação à parede lateral para aquecer continuamente o líquido de troca de calor e, portanto, o trocador de calor 6 e pode ser mantida em posição pelo alojamento 25, o qual pode ser conectado ao fundo do trocador de calor 6 por uma cinta lateral 23.

[00137] Na disposição preferida, o trocador de calor 6 compreende um conjunto duplo de bobinas. As bobinas externas do trocador de calor 6 podem estar localizadas 55 a 75 mm abaixo da parte inferior da tampa 14, conforme marcado no item F, e 90 a 100 mm longe da superfície interna da parede do tanque 26, conforme marcado por item G. Em uma modalidade, o trocador de calor 6 está localizado 55 mm abaixo da tampa e 90 mm da parede lateral.

[00138] Considera-se que esse espaçamento relativo permite que um espaço ideal para que o líquido de troca de calor descendente interno em cascata caia de maneira laminar, de modo a não perturbar o líquido de troca de calor quente ascendente através das regiões centrais do tanque 26 subindo e através do trocador de calor 6.

[00139] Cada volta da bobina 6 estará entre 9,52 mm e 15 mm de distância e, idealmente, 12 mm de distância, conforme mostrado no item H. O espaço entre duas voltas paralelas marcadas como item I estará entre 15 mm e 25 mm de distância, e idealmente separados 15 mm. O diâmetro do trocador de calor será de cerca de 325 mm até as bordas. Pensa-se que este espaçamento permita uma distribuição mais eficiente do calor para as superfícies externas de todos os tubos do trocador de calor por todo o comprimento das duas seções em espiral paralelas.

[00140] Além disso, a proporção das lacunas na parte superior (sob a tampa) F, bem como as lacunas na lateral do tanque G, criam um regime de fluxo do tipo laminar eficiente e suave, para que o aumento da água quente não se misture com a água fria caindo que emergiu na superfície interna do tanque.

[00141] Como mostrado na Figura 4, as proporções relativas da modalidade preferida são: Abertura da tampa:Abertura lateral:Abertura vertical entre os tubos em espiral:Abertura entre os conjuntos de bobinas paralelas (F):(G):(H):(I) = (55 a 75):(90 a 100):(12 a 15):(15 a 25). Essa proporção trabalha para garantir o regime atual correto para fazer com que o tanque funcione com mais eficiência na maioria, se não em todos os climas.

[00142] Para um tanque para uso em clima temperado, o trocador de calor 6 tem um diâmetro entre 300 mm e 400 mm, marcado como item D. De preferência, o diâmetro será de cerca de 325 mm quando o diâmetro interno do tanque B for cerca de 500 mm. O item A pode ter 1500 mm para uma versão de tanque de 300 litros. O diâmetro D deve ser ajustado para acomodar o comprimento do trocador de calor para as várias zonas climáticas.

[00143] Espera-se que D seja fixado para tanques de 300 litros, mas aumentará proporcionalmente com tanques maiores. Por exemplo, um tanque de 450 litros pode resultar em D se tornando cerca de 402 mm. As dimensões para C provavelmente dependerão do número de voltas na bobina. Por exemplo, em climas tropicais C pode ser de cerca de 140 mm, em climas frios de cerca de 900 mm e em climas temperados cerca de 597 mm.

[00144] A Tabela 1 abaixo fornece configurações gerais recomendadas do sistema, necessárias para vários climas.

Tabela 1 - Dimensionamento sugerido do sistema para regiões climáticas

[00145] Como pode ser visto, a maioria dos climas deve precisar usar painéis fotovoltaicos de até 4/320 W 1 (especialmente os painéis com maior desempenho em condições nubladas) para um tanque de 300 litros 26. Esse conjunto deve fornecer calor por 1,2 kW elemento de resistência de corrente contínua classificado 9, representando energia suficiente para aquecer completamente o tanque estático sem aumentar durante um dia inteiro de sol durante os meses quentes e de verão. No inverno e no meio da temporada, a contribuição será de 60 a 90%, sendo o restante fornecido pelo elemento de reforço de corrente alternada 5 conforme a necessidade.

[00146] O elemento de reforço 5 pode ser dimensionado como 1 kW em climas tropicais e quentes, 2 kW em climas temperados frios e quentes e 3 kW em climas frios e quentes, que devem atender à maioria das necessidades domésticas. Em clima frio, esses elementos de reforço de corrente alternada 5 poderiam atuar virtualmente como reforçadores instantâneos durante os tempos de alto uso. Contudo, tal necessidade não é esperada para uso familiar médio devido aos benefícios de inércia térmica da presente invenção.

[00147] A presente invenção fornece uma maneira muito eficiente de maximizar as contribuições de energia solar. A fonte de calor primária na parte inferior e o sistema de reforço secundário no terço superior do tanque podem garantir a manutenção de 50 °C para todos os 300 litros, e não apenas a parte superior do tanque, como é o caso da maioria dos sistemas de água quente convencionais.

[00148] O presente tanque trata de vários problemas associados aos sistemas solares de água quente padrão.

[00149] A necessidade de um anodo de sacrifício necessário em alguns sistemas convencionais também é eliminada, juntamente com seus requisitos de manutenção associados. A presente invenção não é um vaso de pressão, nem possui componentes propensos à corrosão. Todos os acessórios e acessórios de metal podem ser de cobre ou latão, e o líquido primário pode ser tratado com aditivo de tanino.

[00150] A limitação de pressão (500 kPa) no limite da conexão de água fria da rede elétrica a uma residência e, portanto, manter essa válvula longe do tanque de água quente reduz o potencial aumento da escala referida.

[00151] A válvula de retenção está localizada bem longe da fonte de água quente, resultando em uma vantagem de não corrosão ou formação de incrustações em comparação com a maioria dos sistemas (3), recomenda-se um mínimo de 200 mm. Se a válvula de retorno estiver muito perto da água quente do tanque, subindo o suprimento de água fria e estiver muito perto, a válvula estará constantemente em uma situação aquecida. Isso aumentará a degradação por corrosão e possível deposição de sais que degradam a válvula prematuramente.

[00152] Uma característica única da modalidade preferida é que todos os componentes internos do tanque são suspensos a partir da parte superior ou da tampa 14 do tanque 26. Será reconhecido que, em alguns arranjos, a tampa pode, em vez disso, ser parte integrante do tanque e, portanto, não removível. Ao garantir que os componentes entrem pela parte superior, significa que não são necessárias penetrações nas paredes laterais. Será apreciado que a ausência de penetrações significa que as paredes laterais não criaram pontos fracos ou potenciais pontos de vazamento. Um problema conhecido com os sistemas existentes é que podem ocorrer vazamentos ao redor das penetrações. Até o momento, esse foi simplesmente um problema aceito. O projeto convencional exigia penetrações laterais no tanque. Essas penetrações laterais foram consideradas necessárias e foram tomadas medidas de resposta para tentar minimizar vazamentos ou outros problemas. No entanto, o problema permaneceu.

[00153] Uso do trocador de calor em espiral de alta qualidade com bobina dupla de cobre de alta qualidade (ou metal alternativo ou à base de carbono) (de tubo de 1/2 a 3/8 polegada). Isso garante que a água inerte usada saia diretamente da rede elétrica, evitando problemas com bactérias normalmente associadas aos principais vasos de pressão da água quente.

[00154] O limite de 50 °C definido para o líquido primário também reduz qualquer potencial para a escala da caldeira ou calcificação de válvulas próximas ao sistema, eliminando as chamadas de manutenção. Também elimina a necessidade de qualquer válvula de liberação de pressão no próprio tanque.

[00155] Um tanque interno de plástico 26 e a tampa 14 garantem um ambiente completamente inerte à corrosão. Essa é uma enorme vantagem para uso em sistemas de água quente (especialmente sistemas indiretos).

[00156] Este ambiente inerte à prova de corrosão pode ser estendido ao trocador de calor desoxigenando e limitando o crescimento bacteriano no líquido de troca térmica. Isso pode ser conseguido tratando o líquido de troca de calor com o aditivo eliminador de oxigênio de tanino, protegendo praticamente completamente todos os componentes metálicos e fixações dentro do tanque. Isso elimina a corrosão nas superfícies externas do trocador de calor ou quaisquer acessórios ou fixações metálicas localizadas internamente dentro do tanque.

[00157] Não há problemas de corrosão para o próprio tanque quando fabricado em plástico fiado ou moldado (por exemplo, polietileno corrugado 10 mm) 26. Este tanque inerte possui resistência estrutural total às temperaturas operacionais, além de ser totalmente isolado com suporte extra pelo isolamento e pela película externa estressada, garantindo uma vida muito longa (possivelmente até 40 a 50 anos). A temperatura máxima que a tampa plástica 14 tem de suportar é de cerca de 54 °C no fundo da superfície da tampa e o polietileno permanece quimicamente estável abaixo de 80 °C. O conjunto da tampa é muito forte e bem isolado acima, sem pressão da água aplicada a nenhuma das penetrações, facilitando a prova d'água do tanque em comparação com os sistemas convencionais.

[00158] O elemento de aquecimento primário 9 pode ser do tipo de resistência elétrica de corrente contínua construído possivelmente em aço inoxidável e não deve estar sujeito a corrosão devido ao ambiente de água tratado criado. O elemento de corrente contínua 9 é suspenso da entrada 11 por um alojamento tubular 25 através de um cabo flexível à prova d'água e resistente ao calor. Na impossibilidade de o elemento de corrente contínua precisar de substituição, tudo isso pode ser acessado a partir da entrada do elemento de corrente contínua 11 na parte superior do tanque, retirada, substituída e abaixada de volta pelo tubo para sua posição correta no tanque E para a posição da linha central.

[00159] O trocador de calor da presente invenção equilibra exclusivamente a taxa de troca de calor, com a taxa de uso na torneira, que não foi abordada adequadamente anteriormente em sistemas solares de água quente. Isso significa que a queda de temperatura do líquido de troca de calor é mínima, à medida que o líquido frio que cai na lateral do tanque flui direto para o fundo do tanque sem se misturar com o líquido quente ascendente do tanque. O terço superior do tanque é totalmente ocupado pelo trocador de calor de fluxo paralelo duplo e, portanto, a temperatura máxima é sempre mantida para o suprimento de água da rede.

[00160] Este posicionamento de justaposição da fonte de calor primária é melhor do que outros tanques verticais de água quente, e espera-se que a recuperação das temperaturas da água da torneira na saída principal 4 seja mais rápida que em outros sistemas de troca de calor. Isso ocorre porque uma fonte nova de líquido quente está constantemente subindo do fundo para substituir o líquido quente usado através do trocador de calor 6 na parte superior.

[00161] Uma vantagem desse arranjo é que o líquido aquecido que flui para cima passa pelo meio do trocador de calor e não se mistura com a corrente de perímetro em cascata que criaria turbulência desnecessária, retardando a substituição de calor ao redor do trocador de calor do aumento do calor no vazio do meio e no espaço entre as bobinas paralelas do trocador de calor.

[00162] Com base em simulações térmicas, a Requerente acredita que a presente invenção melhora significativamente a eficiência térmica do tanque de água quente, tornando a estratégia de inércia térmica no fluido primário altamente eficaz ao longo de um ciclo de 24 horas. Pensa-se que a presente invenção seja 3 a 5 vezes mais eficiente que um tanque de água quente convencional. Isso se deve em parte ao aumento da resistência térmica das resistências do ar na superfície além da película refletora e às bolhas de ar criadas pelas ondulações anteriores ao isolamento rígido moldado, ao tanque de plástico e ao efeito do bule de chá da película externa de alumínio. Isso permite que qualquer impulso necessário ocorra à noite durante períodos de pico de fornecimento de energia, quando necessário.

[00163] Na modalidade preferida da presente invenção, a eficiência do tanque, juntamente com um sistema de reforço fora do pico, permite o uso de PV diretamente ou através da grade para aquecimento econômico da água. A alternativa fotovoltaica conectada à rede permite o possível despejo de energia renovável em excesso nos tanques de água quente, em vez de exclusivamente em sistemas de bateria caros, reduzindo potencialmente os custos de armazenamento para consumidores e empresas de serviços públicos. Essa instalação também adiciona flexibilidade de gerenciamento para as concessionárias, reduzindo o excesso de oferta de energia renovável na rede e auxiliando as concessionárias no gerenciamento da estabilidade do fornecimento de eletricidade no sistema da rede.

[00164] Outra vantagem da presente invenção é a necessidade reduzida de válvulas de têmpera. Conforme observado na seção anterior, os sistemas convencionais de água quente incluem várias válvulas de têmpera para liberar a pressão e/ou reduzir o congelamento. Em muitos casos, estes podem ser considerados um recurso de segurança e um padrão exigido. Na presente invenção, uma válvula de têmpera é desnecessária. Isso ocorre porque o fluido de troca de calor, incluindo quaisquer aditivos usados, e a segregação da água de pressão da rede elétrica através do trocador de calor, eliminam o risco de aumento de pressão e, portanto, a necessidade de uma válvula de liberação de pressão. No entanto, se um padrão exigir o uso de uma válvula de têmpera, a presente invenção poderá incluir uma na saída do sistema. Limitar um tanque de água quente a uma única válvula, se necessário, reduz os custos de produção e manutenção.

[00165] A referência ao longo deste relatório descritivo a "uma modalidade" significa que uma característica, estrutura ou característica específica descrita em conexão com a modalidade está incluída em pelo menos uma modalidade da presente invenção. Assim, a aparição da frase "em uma modalidade" em vários lugares ao longo deste relatório descritivo não é necessariamente referente à mesma modalidade.

[00166] Além disso, os recursos, estruturas ou características particulares podem ser combinados de qualquer maneira adequada em uma ou mais combinações. Será reconhecido que pessoas versadas na técnica podem implementar a presente invenção de maneiras diferentes da descrita acima, e variações podem ser produzidas sem se afastar de seu espírito e escopo.

[00167] Qualquer discussão sobre documentos, dispositivos, atos ou conhecimentos neste relatório descritivo é incluída para explicar o contexto da invenção. Não se deve admitir que qualquer material faça parte da base da técnica anterior ou do conhecimento geral comum na técnica relevante, em qualquer país, na data ou antes do depósito do pedido de patente a que o presente relatório descritivo se refere.

Claims

1. Tanque de água quente (8, 26) caracterizado pelo fato de incluir: um invólucro envolvendo uma câmara contendo um líquido de troca de calor (7), o referido invólucro incluindo uma base (27), uma parede lateral e uma tampa (14); um trocador de calor (6) compreendendo múltiplas bobinas paralelas que vão de uma primeira extremidade do trocador de calor (6) a uma segunda extremidade do trocador de calor (6), as múltiplas bobinas paralelas compreendendo uma bobina interna (6B) e uma bobina externa (6A), em que o trocador de calor (6) define: um espaço entre a bobina interna (6B) e a bobina externa (6A); e um vazio central; uma entrada de água fria (3) conectada a uma primeira extremidade de um trocador de calor (6), a entrada de água fria (3) em transição de um primeiro diâmetro para as múltiplas bobinas paralelas, cada uma com diâmetro menor que a entrada de água fria (3), de modo que haja uma taxa de fluxo de água reduzida e turbulência induzida através do trocador de calor (6), as múltiplas bobinas paralelas se recombinando em uma saída de água quente (4) conectada a uma segunda extremidade do referido trocador de calor (6), em que o referido trocador de calor (6) está localizado acima de uma linha média da referida câmara, em que a referida linha média está localizada a meio caminho entre a referida tampa (14) e a referida base (27); um elemento de aquecimento primário elétrico (9) conectado a uma primeira fonte de energia para aquecer o referido líquido de troca de calor (7), estando o referido elemento de aquecimento primário elétrico (9) localizado em uma porção inferior da referida câmara, o elemento de aquecimento primário elétrico (9) sendo suspenso no líquido de troca de calor (7) a partir ou através da tampa (14); um segundo elemento de aquecimento elétrico (5) conectado a uma segunda fonte de energia, em que: uma conexão entre o segundo elemento de aquecimento elétrico (5) e a segunda fonte de energia passa pela tampa (14); e o segundo elemento de aquecimento (5) está localizado em direção ao topo da câmara e dentro do vazio central do trocador de calor (6), em que o tanque de água quente (8, 26) inclui ainda: um controlador primário (43) compreendendo: um primeiro sensor de temperatura (37) conectado a um primeiro termostato (35), estando o primeiro sensor de temperatura (37) localizado em uma porção inferior da câmara, longe do elemento de aquecimento primário elétrico; um primeiro comutador (38) que está configurado para: ser ativado para ligar o elemento de aquecimento primário elétrico (9) em resposta a uma temperatura do líquido de troca de calor (7) detectada pelo primeiro sensor de temperatura (37) estar abaixo de uma temperatura predeterminada; e ser ativado para desligar o elemento de aquecimento primário elétrico (9) em resposta à temperatura do líquido de troca de calor (7) detectada pelo primeiro sensor de temperatura (37) estar acima da temperatura predeterminada; um segundo interruptor (39) que é configurado para permitir que a energia elétrica da primeira fonte de energia seja passada para um inversor que está eletricamente conectado a uma rede elétrica quando o elemento de aquecimento primário elétrico (9) está desligado; um controlador secundário (44) compreendendo: um temporizador (41); e um segundo sensor de temperatura (42) conectado a um segundo termostato (36), sendo o segundo sensor de temperatura (42) localizado dentro do trocador de calor (6) em um terço superior da câmara; em que: o controlador secundário (44) é configurado para ativar o segundo elemento de aquecimento elétrico (5) quando o segundo sensor de temperatura (42) indica que uma temperatura do líquido de troca de calor (7) está abaixo de um limite predeterminado e o temporizador (41) indica um tempo em que a água quente é necessária; e o controlador secundário (44) é configurado para desativar o segundo elemento de aquecimento elétrico (5) quando o segundo sensor de temperatura (42) indica que uma temperatura do líquido de troca de calor (7) atinge outro limite predeterminado ou o temporizador (41) indica um não período essencial.

2. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida parede lateral é ondulada; o referido invólucro é envolto em isolamento (21), o isolamento (21) é pré-formado para acomodar um perfil cilíndrico para envolver o invólucro; e as ondulações da parede lateral proporcionam intervalos de ar parciais em forma de onda senoidal entre o isolamento (21) e a parede lateral.

3. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido elemento de aquecimento primário elétrico (9) é um elemento de corrente contínua e a referida primeira fonte de energia é uma matriz de painéis fotovoltaicos (1).

4. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido elemento de aquecimento primário elétrico (9) é um elemento de corrente alternada.

5. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida entrada de água fria (3), a referida saída de água quente e o referido elemento de aquecimento primário elétrico (9) passam através da referida tampa (14).

6. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido elemento de aquecimento primário elétrico (9) está alojado em um alojamento.

7. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido trocador de calor (6) está localizado na metade superior da referida câmara e o referido elemento de aquecimento primário elétrico (9) está localizado no terço inferior da referida câmara.

8. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido elemento de aquecimento primário elétrico (9) está localizado próximo à referida base (27).

9. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido elemento de aquecimento primário elétrico (9) está localizado ao longo de uma linha central que passa verticalmente através do tanque.

10. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que: a entrada de água fria (3) é conectada através da referida tampa (14) a um primeiro divisor de uma primeira extremidade do trocador de calor (6) imerso no referido líquido de troca de calor (7) e à saída de água quente (4) está ligado através da referida tampa (14) a um segundo divisor de uma segunda extremidade do referido permutador de calor (6); e o tanque de água quente inclui um alojamento de elemento que passa através da referida tampa (14) e em direção à referida base (27), o referido alojamento de elemento adaptado para localizar um elemento de aquecimento primário elétrico de corrente contínua próximo à referida base (27) para aquecer o referido líquido de troca de calor (7), sendo o referido elemento de aquecimento primário elétrico de corrente contínua conectado a uma matriz fotovoltaica.

11. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido segundo elemento de aquecimento elétrico (5) é um elemento de corrente alternada conectado através da referida tampa (14) à energia elétrica.

12. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o referido líquido de troca de calor (7) é água tratada com tanino.

13. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo fato de incluir adicionalmente um tubo de enchimento que passa através da referida tampa (14) para permitir que o referido líquido de troca de calor (7) seja adicionado ou removido do referido invólucro.

14. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o referido invólucro é plástico.

15. Tanque de água quente (8, 26), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o referido isolamento (21) é encerrado em uma película externa refletora de alumínio (28).