ES2279025T3 - Instalacion solar. - Google Patents

Abstract

Instalación solar (10) con un campo colector (K), que está unido mediante un conducto (14) de alimentación y un conducto (16) de retorno, por tramos especialmente en forma de un par (18) de conductos, a un intercambiador (22) de calor de un depósito (20) acumulador de calor, presentando el conducto (16) de retorno una bomba (26), dado el caso, con un bypass (28) a ésta, y existiendo un dispositivo receptor de drenaje (24) del lado del conducto de alimentación y del lado del conducto de retorno en el depósito (20) acumulador de calor, caracterizada porque el dispositivo receptor de drenaje (24) está unificado constructivamente con el intercambiador (22) de calor que está configurado como serpentín integral y presenta en su zona superior un volumen de expansión y retorno.

Description

Instalación solar.

La invención se refiere a una instalación solar según los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 5.

Las instalaciones solares típicas tienen al menos un colector solar dispuesto, por ejemplo, en el techo de una vivienda y unido mediante tuberías a un acumulador de calor. Éste es, por lo general, un tanque vertical de agua de servicio que contiene un intercambiador de calor en forma de serpentín. En la práctica, la temperatura se mide directamente en el acumulador, aproximadamente a la altura media del intercambiador solar de calor. En función de la diferencia actual de temperatura respecto a la temperatura del colector se puede controlar una bomba dispuesta en el conducto de retorno.

Un regulador activa la bomba en caso de una radiación solar suficiente, comenzando a circular el medio situado en los conductos, frecuentemente agua con anticongelante, mediante lo que el calor absorbido por el colector se transporta al tanque. Si la radiación solar no es suficiente, la bomba se desconecta. El agua situada en el acumulador se puede llevar a continuación a una temperatura deseada con elementos calefactores convencionales, por ejemplo, mediante un segundo intercambiador de calor. Si se produce un sobrecalentamiento, por ejemplo, en el verano caliente o en caso de un fallo de corriente, hay que impedir una pérdida de líquido solar, condicionada por la sobrepresión. Una válvula de expansión de membrana con un dimensionamiento adecuado, por ejemplo, sirve en este sentido como un llamado elemento propio de seguridad.

Para ahorrar elementos constructivos, por ejemplo, un recipiente de expansión de membrana, y poder usar también portadores de calor sin anticongelante, se han desarrollado sistemas de drenaje que al estar parada la bomba permiten el reflujo del medio portador de calor a un depósito colector, situado mayormente del lado del conducto de alimentación delante del depósito acumulador de calor. El colector vaciado contiene entonces únicamente aire. Sólo mediante el funcionamiento de la bomba, éste se llena nuevamente con el medio y, por tanto, es utilizable. Al llenarse el circuito colector con el portador líquido de calor y con aire se logra que en caso de una expansión térmica, un cojín de aire en el depósito colector se ocupe de compensar la presión. Se impide la congelación y la evaporación de líquido solar en la zona exterior, si el líquido solar se evacua del colector al estar parada la bomba. En este caso se puede usar incluso como medio portador de calor simplemente agua, lo que tiene la ventaja de una capacidad térmica mayor, así como una viscosidad menor que en las mezclas de glicol/agua. Sin embargo, resulta desfavorable que la configuración del campo colector esté sometida a distintas limitaciones debido a los requisitos de ventilación y purga del aire, así como de circulación uniforme. Se necesita una pendiente mínima al montarse los tubos y también bombas especiales con gran altura de transporte y caudal pequeño, por ejemplo, bombas de ruedas dentadas, cuyo ruido durante el funcionamiento puede resultar muy molesto. Además, aproximadamente a la altura del acumulador del conducto de alimentación del circuito colector es necesario un recipiente de retorno que ha de ser a la vez resistente a la temperatura y a la presión, así como tener en especial aislamiento térmico.

En el documento US-A-4574779 se describe una instalación solar para la producción de agua caliente que presenta un dispositivo de drenaje con un compartimento de retorno en combinación con un intercambiador de calor. En este caso, un acumulador con un serpentín está separado arriba en un depósito y el compartimento de retorno, debajo en vertical mediante una pared divisora horizontal. En ésta desemboca el serpentín desde arriba en el compartimento de retorno, a partir del que se transporta el líquido solar mediante una bomba al o los consumidores de calor. Este tipo de instalaciones solares requiere un elevado gasto constructivo debido a la división necesaria de los sistemas hidráulicos.

Del documento DE-A-2753756 se conoce una instalación de calefacción solar que está provista de un recipiente de vaciado y expansión y configurada como sistema abierto. Existe, por tanto, una unión constante con la atmósfera y, por consiguiente, hay que vigilar y restablecer continuamente el nivel del agua para que no se sequen los intercambiadores de calor de agua de servicio o agua de calefacción.

El documento EP-A-0616174 describe un dispositivo acumulador de energía solar con un tanque amortiguador, al que está conectado un circuito de fluido compuesto de un campo colector, un intercambiador de calor, previsto en el tanque amortiguador, una primera tubería que se extiende entre el campo colector y el intercambiador de calor, y una segunda tubería que se extiende entre el campo colector y el intercambiador de calor y en la que está cerrada una bomba de fluido, disponiendo el circuito de un dispositivo receptor de drenaje en forma de un tanque de drenaje dispuesto en la zona inferior del tanque amortiguador.

En el documento EP-A-11037705 se describe un intercambiador de calor. El documento US-A25993520 se refiere a tuberías que se usan, por ejemplo, en un intercambiador de calor.

Es un objetivo importante de la invención superar las desventajas mencionadas arriba y otras desventajas del estado de la técnica, así como lograr con medios económicos mejoras que posibiliten un reflujo (drenaje) y una compensación de la presión sin recipiente exterior adicional. Además, los dispositivos nuevos deben posibilitar ahorros de volumen, ser fabricados de manera económica y ofrecer ventajas termodinámicas no logradas hasta el momento, a saber, una alta densidad de la corriente térmica en el sistema intercambiador de calor.

En las reivindicaciones 1 y 5 están reflejadas características principales de la invención. Las configuraciones son objeto de las reivindicaciones 2 a 4 y 6 a 9.

En una instalación solar con un campo colector, que está unido mediante un conducto de alimentación y un conducto de retorno, por tramos especialmente en forma de un par de conductos, a un intercambiador de calor de un depósito acumulador de calor, presentando el conducto de retorno una bomba, dado el caso, con un bypass a ésta, y existiendo un dispositivo receptor de drenaje del lado del conducto de alimentación y del lado del conducto de retorno, la invención prevé según la parte caracterizadora de la reivindicación 1 que en el depósito acumulador de calor se encuentre el dispositivo receptor de drenaje, unificado constructivamente con el intercambiador de calor que está configurado como serpentín integral y presenta en su zona superior un volumen de expansión y retorno. Como resultado de esto desaparece un recipiente de expansión en el exterior, es decir, en el conducto de alimentación por fuera del acumulador. El volumen del medio portador de calor se establece de modo que al estar parada la bomba éste llena el dispositivo receptor de drenaje que, sin embargo, aloja el aire desplazado al ponerse en funcionamiento la bomba. En caso de aumentar la temperatura, éste compensa la expansión del medio portador de calor, sin que el aumento de presión, asociado a esto, provoque la reacción anticipada de una válvula de seguridad.

Habitualmente, dentro de un acumulador ya se ha dispuesto un dispositivo colector de retorno, a saber, como equipo configurado con este fin y soldado en la dirección de flujo delante del intercambiador de calor. Según la invención, el volumen necesario de retorno está alojado, por el contrario, directamente en el intercambiador de calor, de modo que su zona inferior y su zona superior se unen entre sí sin costura. Mediante esta simplificación constructiva, así como gracias al uso de material de tubería, resistente a la presión y a la temperatura, sin costuras de soldadura y sin aislamiento se logra una fabricación especialmente simple con ahorros esenciales en la producción y facilidades de mantenimiento.

La reivindicación 3 prevé que en el depósito acumulador de calor, por encima del serpentín, esté dispuesto un intercambiador de calor de postcalentamiento, preferentemente en sentido coaxial con éste respecto al eje del depósito. Este segundo intercambiador de calor está unido a una calefacción secundaria para servir en forma de acumuladores bivalentes como fuente sustituta de calor al faltar o debilitarse la radiación solar.

Según la reivindicación 4, al menos la zona inferior del serpentín puede contener dispositivos para reducir la sección transversal libre de la corriente en el interior, por ejemplo, uno o varios cuerpos de relleno. De este modo se mejora la transmisión de calor. La capacidad térmica total aumenta más si estos cuerpos de relleno están hechos de un material de alta capacidad térmica como el acero, la piedra, la cerámica o similar. Mientras que esto contribuye a conservar el calor durante largo tiempo, el sistema reacciona, sin embargo, algo más lento a los cambios de
temperatura.

En un dispositivo según el documento DE-A-3315280 se han previsto en tubos de intercambiadores de calor insertos elásticos huecos que deben permitir como protección anticongelante pasiva un aumento del volumen del agua y evitar que revienten tubos del intercambiador de calor de un radiador de agua debido a la congelación. Sin embargo, esto no tiene nada que ver con la transmisión de calor. Asimismo, en el documento US-A-4321908 se propuso para la protección anticongelante una pieza tubular de nailon hermetizada por ambos extremos dentro de un conducto de líquido, que se llena de gas noble a sobrepresión, pero que se puede comprimir en caso de formarse hielo para asumir una expansión del volumen del líquido. Aquí una espiral de alambre debe garantizar una distancia uniforme de pared respecto al conducto de líquido y producir en la corriente una turbulencia más fuerte.

En una instalación solar con un colector solar, que está unido mediante un conducto de alimentación y un conducto de retorno, por tramos especialmente en forma de un par de conductos, a un intercambiador de calor de un depósito acumulador de calor, presentando el conducto de retorno una bomba, dado el caso, con un bypass a ésta, especialmente según una de las reivindicaciones 1 a 4, la reivindicación independiente 5 prevé que el intercambiador de calor sea o presente una disposición tubular que está provista, según la invención, de elementos para reducir la sección transversal libre de la corriente. Dado que de este modo se reduce el contenido de líquido solar, el elemento superior del intercambiador de calor es suficiente para alojar el volumen de expansión o retorno. La disposición tubular puede ser, al igual que el colector, un cuerpo plano de serpentines o también, por ejemplo, un registro vertical de calefacción, pero tiene preferentemente una configuración helicoidal, discurriendo el eje helicoidal en paralelo al eje del depósito. El estrechamiento de la sección transversal se realiza concretamente en el interior del tubo, de modo que se tiene un diámetro exterior constante del tubo y se puede usar un tubo estándar uniforme para la fabricación. El bypass se usa si la instalación es un sistema de drenaje y si la bomba es simultáneamente una bomba de desplazamiento que al estar parada bloquea el reflujo e impide el vaciado del colector.

Resulta especialmente ventajoso cuando la disposición tubular es, según la reivindicación 6, parte integrante de un serpentín que guía cuerpos de relleno cilíndricos o perfilados que reducen así la sección transversal libre del tubo, lo que provoca una velocidad elevada de la corriente y, por tanto, una turbulencia multiplicada en el sistema tubular. Se tiene en cuenta también un tubo, cuyo volumen se reduce mediante perfilado o conformación de la sección transversal. La turbulencia aumentada provoca una transmisión óptima del calor. Al mismo tiempo se puede trabajar con un volumen de intercambiador de calor más pequeño, pero mejor usado, ya que se necesita menos medio portador de calor y en caso de aumentar la temperatura su volumen de expansión es convenientemente bajo. Por tanto, existe una diferencia evidente respecto a un intercambiador de calor para instalaciones depuradoras según el documento DE-U1967260, que usa una espiral de material redondo o plano para conducir en línea helicoidal a lo largo de un tubo interior, conductor de lodo, un medio calefactor dentro de un tubo exterior dispuesto de forma concéntrica a éste con el fin de mejorar una transmisión del calor mediante esta prolongación del recorrido.

Según la reivindicación 7, los cuerpos de relleno pueden tener una configuración uniforme, por ejemplo, tubular, de modo que resulta posible fabricarlos con facilidad y con características ventajosas, manteniendo los bajos costos respecto a la producción y al almacenamiento, a saber, con una superficie lisa y de buen deslizamiento. Según la reivindicación 8 se logra una turbulencia favorable mediante cuerpos individuales moldeados adecuadamente y favorables para la turbulencia, por ejemplo, mediante un tubo enrollado fácilmente durante la fabricación del intercambiador de calor. Estos cuerpos pueden estar especialmente cerrados por el extremo.

Los cuerpos de relleno, posibles de colocar posteriormente en el intercambiador de calor, pueden estar fijados en el serpentín o, según la reivindicación 9, guiados en éste de forma esencialmente concéntrica. Sin embargo, se tienen en cuenta también disposiciones excéntricas y/o cuerpos de relleno de simetría no rotativa.

Otros detalles, características y ventajas de la invención se derivan del texto de las reivindicaciones, así como de la siguiente descripción de ejemplos de realización con ayuda de los dibujos. Muestran:

Fig. 1 un esquema de una instalación solar según la invención,

Fig. 2a una vista esquematizada en planta desde arriba de un elemento del intercambiador de calor,

Fig. 2b una vista lateral parcial a escala ampliada de una sección tubular del intercambiador de calor de la figura 2a en correspondencia con el detalle IIb y

Fig. 2c una vista de la sección transversal del tubo de la figura 2b.

La vista esquemática de la figura 1 permite reconocer que una instalación solar, identificada en general con 10, presenta un campo colector K que se compone de dos colectores solares 11, 12, configurados en el ejemplo mostrado como captadores de serpentines. Estos se encuentran unidos a un conducto distribuidor o colector 15 que se extiende, por una parte, como conducto 14 de alimentación y, por la otra parte, como conducto 16 de retorno hacia un depósito 20 acumulador de calor, por tramos en forma de una unión 18 de tubo doble.

El depósito 20 acumulador de calor contiene un intercambiador 22 de calor que puede ser una espiral de tubo liso con eje helicoidal vertical y estar conectado por abajo con el conducto 16 de retorno y por arriba, con el conducto 14 de alimentación. La zona superior del intercambiador 22 de calor está configurada como dispositivo receptor de drenaje 24 con una unión sin costura, formando los elementos 22, 24 un serpentín integral identificado en general con R.

En el conducto 16 de retorno está dispuesta una bomba 26 que puede estar puenteada por un bypass 28 para el reflujo del medio portador de calor que circula a través de los componentes mencionados antes.

En el depósito 20 acumulador de calor, indicado con líneas, puede estar dispuesto especialmente en sentido coaxial otro intercambiador 34 de calor por encima del serpentín R. Éste se encuentra unido convenientemente mediante conductos de admisión y descarga (no representados) a un dispositivo calefactor (no representado tampoco) para posibilitar en caso de una radiación solar menor un postcalentamiento en forma de acumuladores solares bivalentes.

Se observa que la instalación solar 10 presenta un circuito colector cerrado que está lleno mayormente de un medio portador de calor (elementos del conducto con un trazado grueso) y parcialmente de aire (elementos del conducto y del intercambiador de calor dibujados de forma hueca). El volumen del medio líquido portador de calor se establece de modo que las espirales del serpentín R queden llenas aproximadamente con el líquido portador de calor al estar parada la bomba 26. Tan pronto la bomba comienza a funcionar, la zona superior 24 del serpentín R aloja el aire desplazado. Se forma entonces un cojín de aire que debido a su compresibilidad al aumentar la temperatura compensa la expansión del volumen del medio portador de calor. Incluso en caso de un sobrecalentamiento del colector se puede alojar el volumen del líquido evaporado portador de calor sin que el aumento de presión provoque la reacción de una válvula de seguridad mientras los colectores estén dispuestos en horizontal y la presión del vapor del líquido solar expulse todo el contenido del colector, lo que impide a la vez la evaporación de cantidades mayores de líquido solar.

El serpentín R se amplía en un número de vueltas tubulares mediante el dispositivo receptor de drenaje 24, dispuesto sobre el intercambiador 22 de calor. Esto requeriría en sí una cantidad convenientemente mayor de medio portador de calor. Para contrarrestar esto y mejorar a la vez la transmisión de calor, la invención prevé que al menos en la zona inferior del serpentín R, es decir, en el intercambiador 22 de calor, existan elementos para reducir la sección transversal, por ejemplo, uno o varios cuerpos móviles 30 de relleno y/o elementos fijos de montaje en el interior 32 del tubo, según se deriva de las figuras 2a a 2c.

Se puede prever, por ejemplo, un cuerpo tubular o una secuencia de cuerpos individuales que se colocan también posteriormente en el serpentín R y que pueden estar fijados aquí en caso necesario. En el ejemplo de la figura 2b, en el interior 32 de la disposición tubular existe una cantidad de cuerpos cilíndricos 30 de relleno, situados uno detrás de otro a distancia de las paredes tubulares. De este modo se reduce la sección transversal libre de la corriente en el tubo principalmente en las zonas marginales, lo que aumenta la velocidad de la corriente en la hendidura periférica restante y se producen a la vez turbulencias de un modo conocido en sí.

Los cuerpos 30 de relleno están cerrados especialmente por el extremo y provistos de superficie lisa. Si estos se componen en cada caso de una pieza tubular, se logra el desplazamiento deseado del volumen al estar ésta cerrada por ambos lados o abierta por un lado, pero llena de aire que compensa adicionalmente la expansión del calor. Los cuerpos 30 de relleno pueden estar hechos de un material con una alta capacidad térmica, por ejemplo, de acero, piedra, cerámica o similar. Si tienen un perfil, por ejemplo, con resaltos radiales o aletas, esto posibilita o refuerza una guía preferentemente concéntrica en el interior 32 del tubo, según está indicado en la figura 2c (con la omisión de apoyos radiales). Está previsto también guiar de forma excéntrica los cuerpos 30 de relleno en el interior 32 del tubo (figura 2b).

La invención no está limitada a una de las formas de realización descritas antes, sino que se puede modificar de múltiples maneras. Es posible variar, por ejemplo, el tipo, la disposición y la cantidad de colectores 11, 12, así como el sistema hidráulico unido a estos. Puede haber además tubos individuales en lugar de la guía de tubo doble. Los conductos 14, 15, 16 se pueden colocar in situ, por ejemplo, como tubos de cobre. Un bypass 28 de bomba no es necesario en todas las aplicaciones.

Al estar parada la bomba se desea que ascienda el aire en el conducto 14 de alimentación. Durante el funcionamiento de la bomba se impide un ascenso del aire en esa dirección mediante la alta velocidad de la corriente del medio portador de calor en el circuito colector. Contra la presión dinámica del líquido circulante se sujetan cuerpos móviles 30 de relleno en la disposición tubular, por ejemplo, mediante un inserto inferior de rejilla (no mostrado). Se impide una flotación mediante el peso específico de los cuerpos 30 de relleno o mediante medidas constructivas adecuadas.

Los cuerpos individuales tubulares 30 ya se pueden colocar durante la fabricación del intercambiador 22 de calor mediante el enrollado de las vueltas tubulares. Si los cuerpos individuales 30 tienen forma esférica, estos se pueden insertar cómodamente en el serpentín acabado R.

Se observa que una forma constructiva preferida de una instalación solar 10 con un campo colector K y un depósito 20 acumulador de calor tiene por el lado del conducto de alimentación o por el lado del conducto de retorno un dispositivo receptor de drenaje 24 que está integrado, según la invención, con un intercambiador 22 de calor situado en el depósito acumulador 20 al presentar su zona superior un volumen de expansión y retorno. Éste es ventajosamente un serpentín integral R, en especial, una espiral de tubo liso con inclinación uniforme. Sobre ésta puede estar dispuesto un segundo intercambiador de calor 34 de postcalentamiento situado con ésta en sentido coaxial al eje del depósito, como en el caso de acumuladores solares bivalentes. Al menos en la zona inferior del serpentín R, es decir, en el intercambiador 22 de calor están previstos elementos para reducir la sección transversal libre en el interior 32 del tubo, a saber, cuerpos 30 de relleno cilíndricos o perfilados, preferentemente móviles. Estos pueden estar hechos en especial de un material de alta capacidad térmica, por ejemplo, de acero, piedra, cerámica o similar. Los cuerpos 30 de relleno son convenientemente cuerpos individuales con una configuración uniforme y, sobre todo, favorable para la turbulencia. Es posible usar también un único cuerpo 30 de relleno, por ejemplo, un tubo de acero cerrado por el extremo.

Lista de referencias

K

Campo colector

R

Serpentín

10

Instalación solar

11, 12

Colectores solares

14

Conducto de alimentación

15

Conducto distribuidor/colector

16

Conducto de retorno

18

Par de conductos

20

Depósito acumulador de calor

22

Intercambiador de calor/zona inferior

24

Dispositivo receptor de drenaje/zona superior

26

Bomba

28

Bypass

30

Cuerpo de relleno

32

Interior del tubo

34

Intercambiador de calor de postcalentamiento

Claims (8)

1. Instalación solar (10) con un campo colector (K), que está unido mediante un conducto (14) de alimentación y un conducto (16) de retorno, por tramos especialmente en forma de un par (18) de conductos, a un intercambiador (22) de calor de un depósito (20) acumulador de calor, presentando el conducto (16) de retorno una bomba (26), dado el caso, con un bypass (28) a ésta, y existiendo un dispositivo receptor de drenaje (24) del lado del conducto de alimentación y del lado del conducto de retorno en el depósito (20) acumulador de calor, caracterizada porque el dispositivo receptor de drenaje (24) está unificado constructivamente con el intercambiador (22) de calor que está configurado como serpentín integral y presenta en su zona superior un volumen de expansión y retorno.

2. Instalación solar según la reivindicación 1, caracterizada porque el serpentín (R) es una espiral de tubo liso con inclinación uniforme.

3. Instalación solar según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque en el depósito (20) acumulador de calor, por encima del serpentín (R), está dispuesto un intercambiador (34) de calor de postcalentamiento, preferentemente en sentido coaxial a éste.

4. Instalación solar según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque al menos la zona inferior del serpentín (R) contiene elementos para reducir la sección transversal de la corriente en el interior, por ejemplo, uno o varios cuerpos (30) de relleno.

5. Instalación solar con un campo colector (K), que está unido mediante un conducto (14) de alimentación y un conducto (16) de retorno, por tramos preferentemente en forma de un par (18) de conductos, a un intercambiador (22) de calor de un depósito (20) acumulador de calor, presentando el conducto (16) de retorno una bomba (26), dado el caso, con un bypass (28) a ésta, especialmente según una de las reivindicaciones 1 a 4, siendo o presentando el intercambiador (22) de calor una disposición tubular que es parte integrante de un serpentín (R), caracterizada porque el serpentín guía al menos en su zona inferior (22) en el interior (32) cuerpos (30) de relleno cilíndricos o perfilados para reducir la sección transversal libre de la corriente.

6. Instalación solar según la reivindicación 5, caracterizada porque los cuerpos de relleno tienen una configuración uniforme, por ejemplo, tubular.

7. Instalación solar según una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizada porque los cuerpos (30) de relleno son cuerpos individuales cerrados especialmente por el extremo y favorables para la turbulencia.

8. Instalación solar según una de las reivindicaciones 4 a 8, caracterizado porque los cuerpos (30) de relleno están guiados en el serpentín (R) de forma esencialmente concéntrica.