ES2882883T3 - Un sistema calentador de agua/calentador de aire - Google Patents

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Abstract

Un sistema calentador de agua/calentador de aire que comprende: un colector solar (100") que comprende un intercambiador de calor (1) que comprende: un primer y un segundo material de revestimiento polimérico transparente (2, 2') que definen una cavidad entre ellos adecuada para recibir agua y también adecuada para recibir aire; y al menos un conductor de calor no transparente (3) ubicado dentro de la cavidad para estar sumergido dentro del agua o el aire dentro de la cavidad en uso, en el que el al menos un conductor de calor (3) es una parte alargada compuesta de metal, aleación, o una combinación de metales y/o aleaciones, y donde, en uso, al menos el primer material de revestimiento polimérico transparente (2, 2') es expuesto a la radiación solar, de modo que la radiación infrarroja de dicha radiación solar pasa a través de al menos el primer material de revestimiento polimérico transparente (2) al conductor de calor (3) ubicado dentro de la cavidad, y el conductor de calor (3) libera la radiación como calor directamente al agua o aire dentro de la cavidad; una válvula de entrada de agua fría y una válvula de salida de agua caliente en comunicación con la cavidad del intercambiador de calor (1), en el que las válvulas son operables selectivamente para permitir que el agua fluya a través del colector solar (100"); un depósito de agua caliente (25") en comunicación con la válvula de salida de agua caliente; una bomba (20") operable selectivamente para bombear agua a través del colector solar (100") y a continuación hacia el depósito de agua caliente (25"); una válvula de espita (21") operable selectivamente para drenar agua del colector solar (100"); una válvula de entrada de aire (32) y una válvula de salida de aire (30) en comunicación con la cavidad del intercambiador de calor (1), en el que las válvulas (30, 32) son operables selectivamente para permitir que el aire fluya a través del colector solar (100"); y un ventilador o bomba de baja presión operable selectivamente para bombear aire alrededor del colector solar (100").

Description

DESCRIPCIÓN
Un sistema calentador de agua/calentador de aire
La presente invención se refiere a un sistema calentador de agua/calentador de aire que comprende un colector solar que comprende un intercambiador de calor, usado típicamente con sistemas de agua tales como, por ejemplo, sistemas de agua solares domésticos.
Antecedentes de la invención
La tecnología de paneles solares ha surgido en los últimos 100 años. La tecnología inicial de paneles solares usaba contenedores de agua pintados de negro simples que estaban expuestos a la radiación solar para transferencia de calor indirecta. Sin embargo, esta tecnología solo era capaz de extraer entre aproximadamente un 25 y un 30 % de la energía obtenida de la radiación solar debido al enfriamiento del contenedor a partir del aire ambiente. La tecnología de paneles solares ha evolucionado durante los últimos 50 años para proporcionar productos comerciales con una transferencia de calor mejorada que se puede ensamblar fácilmente dentro de los sistemas de agua domésticos existentes. La demanda de sistemas de paneles solares para su uso con el sistema de agua doméstico es alta debido al hecho de que un hogar típico usa la mayor parte de su suministro de energía para calentar agua. Se ha demostrado que los sistemas de paneles solares convencionales son eficaces en diferentes condiciones y, por lo general, pueden convertir entre el 80 y el 90 % de la energía solar en calor. Sin embargo, existen una serie de limitaciones en los sistemas solares de agua caliente convencionales y, como tales, los sistemas convencionales no pueden satisfacer la demanda del mercado.
Aunque las mejoras recientes han dado como resultado sistemas con extracción de calor mejorada, tal como, por ejemplo, mediante el uso de tubos de vacío, se ha descubierto que el coste total de producción de dicha tecnología es considerablemente alto y el retorno de la inversión por kilovatio de energía es pequeño.
Los sistemas convencionales también requieren el uso de un intercambiador de calor con un líquido de intercambio de calor. Los sistemas proporcionan un método de separación entre el agua que se usa en el hogar y el líquido de intercambio de calor que se calienta dentro del panel. El líquido de intercambio de calor es, típicamente, anticongelante y, por lo tanto, esto plantea una serie de problemas ambientales. El intercambiador de calor es el único medio de separación entre el agua que se usará en el hogar y el líquido de intercambio de calor. Por lo tanto, existe un riesgo potencial para la salud asociado con estos sistemas si, por ejemplo, el intercambiador de calor es dañado o se rompe.
También existen costes adicionales asociados con el uso de un líquido de intercambio de calor, ya que el sistema requerirá mantenimiento para reemplazar y/o eliminar el líquido de intercambio de calor. Los paneles solares convencionales típicamente usan tuberías de cobre para proporcionar una superficie de absorción de calor. Existen consideraciones de peso e implicaciones de coste asociadas con el uso de cobre dentro de los paneles solares. Un panel solar típico usa entre aproximadamente 20 y 30 kg de tubería de cobre que cubre solo aproximadamente el 10 % de la superficie de exposición solar efectiva del panel. Para extraer más energía solar de la superficie expuesta, es necesario instalar un reflector de placa posterior en el panel. Este reflector de placa posterior adicional aumenta el peso del panel en 5 kg más aproximadamente. Debido al peso de los paneles solares convencionales, junto con el peso del agua dentro del colector, los paneles solares requieren una construcción de soporte pesada que aumenta aún más el coste y el peso del sistema. Como resultado, el montaje de los colectores solares convencionales es lento y para lograr una extracción de energía suficiente, generalmente se requieren múltiples paneles. Por lo tanto, los paneles debían estar conectados entre sí, lo que a menudo produce un punto débil mecánico y provoca una mayor pérdida de calor.
El documento EP1918661 desvela un elemento de construcción con un elemento de calentamiento solar integrado. El elemento de construcción usado, preferentemente, para aplicación en techumbres o fachadas se caracteriza por que el elemento de construcción comprende un panel de policarbonato. El panel comprende una pluralidad de celdas. El panel comprende, además, al menos una capa de policarbonato, preferentemente al menos dos. El panel es al menos parcialmente transparente. El panel funciona como un intercambiador de calor que transfiere el calor de la radiación solar a fluido transportador de calor. Las celdas se sitúan longitudinalmente a lo largo de la posición de la dirección del movimiento del fluido. Las celdas comprenden, además, un medio de transporte para el fluido transportador de calor, un medio de absorción de radiación térmica y un medio de concentración de radiación térmica.
El documento DE7720646 desvela un colector solar formado a partir de una pluralidad de canales que discurren paralelos entre sí y conectados entre sí a través de líneas colectoras. El colector tiene un absorbedor en forma de placa más oscura de paredes delgadas hecha de material absorbente de calor. El absorbedor está presente dentro de los canales.
El documento DE102007041267 desvela un colector solar térmico que comprende un cuerpo de base que contiene o consiste en al menos un material plástico que es al menos parcialmente transparente a la radiación solar, que tiene al menos una capa de transferencia de calor con al menos un fluido caloportador a través de la cual fluye un fluido caloportador, y al menos un cuerpo de absorción dentro de al menos uno de los canales de transferencia de calor.
El documento DE102010019575 desvela un colector para calentar aire y/u otros medios de baja viscosidad por medio de energía solar que consiste en módulos individuales que están estrechamente conectados entre sí. Los módulos individuales están unidos entre sí como uno solo. Los módulos individuales tienen un absorbedor en su interior, a través del cual fluye un medio caloportador.
La presente invención busca abordar uno o más de los problemas asociados con los sistemas convencionales. En particular, la presente invención busca proporcionar un sistema calentador de agua/calentador de aire, que aborde uno o más de los problemas de coste, consideraciones de peso y/o eficiencias de transferencia de calor, asociados con los sistemas convencionales.
Resumen de la invención
De acuerdo con un primer aspecto, la presente invención proporciona un sistema de calentamiento de agua y/o aire que comprende:
un colector solar que comprende un intercambiador de calor que comprende:
un primer y un segundo material de revestimiento polimérico transparente que definen una cavidad entre ellos adecuada para recibir agua y también adecuada para recibir aire; y
al menos un conductor de calor no transparente ubicado dentro de la cavidad para estar sumergido dentro del agua o el aire dentro de la cavidad en uso, en el que el al menos un conductor de calor es una parte alargada compuesta por metal, aleación o una combinación de metales y/o aleaciones, y donde, en uso, al menos el primer material de revestimiento polimérico transparente es expuesto a la radiación solar, de modo que la radiación infrarroja de dicha radiación solar pasa a través de al menos el primer material de revestimiento polimérico transparente al conductor o conductores de calor ubicados dentro de la cavidad, y el conductor de calor libera la radiación como calor directamente al agua o al aire dentro de la cavidad;
una válvula de entrada de agua fría y una válvula de salida de agua caliente en comunicación con la cavidad del intercambiador de calor, en el que las válvulas son operables selectivamente para permitir que el agua fluya a través del colector solar;
un depósito de agua caliente en comunicación con la válvula de salida de agua caliente;
una bomba operable selectivamente para bombear agua a través del colector solar y a continuación hacia el depósito de agua caliente;
una válvula de espita operable selectivamente para drenar el agua del colector solar;
una válvula de entrada de aire y una válvula de salida de aire en comunicación con la cavidad del intercambiador de calor, en el que las válvulas son operables selectivamente para permitir que el aire fluya a través del colector solar; y
un ventilador o bomba de baja presión operable selectivamente para bombear aire alrededor del colector solar. Los paneles solares convencionales típicamente comprenden una capa transparente compuesta por vidrio. El vidrio tiene alta transparencia, durabilidad con respecto a la luz ultravioleta, propiedades mecánicamente resistentes y buen aislamiento. Sin embargo, la capa de vidrio puede dañarse o romperse durante malas condiciones climáticas. Además, los paneles solares que comprenden una capa de vidrio requieren etapas de descongelación adicionales durante las condiciones de clima frío.
El intercambiador de calor del presente sistema comprende material de revestimiento polimérico transparente. Uno o más de los materiales de revestimiento poliméricos transparentes se seleccionan preferentemente entre policarbonato, acrílico (polimetilmetacrilato), butirato (acetato butirato de celulosa), Lexan (policarbonato), PETG (tereftalato de polietileno modificado con glicol) o una combinación de los mismos. Preferentemente, el material de revestimiento polimérico transparente es policarbonato.
El o los materiales de revestimiento poliméricos transparentes tienen, preferentemente, una buena resistencia al impacto. Por ejemplo, los acrílicos son significativamente más resistentes, por ejemplo, 17 veces más resistentes a la rotura que el vidrio. El PETG tiene una resistencia al impacto significativamente mayor, por ejemplo 17 veces más resistencia al impacto, que el acrílico. El Lexan tiene una resistencia al impacto significativamente mayor, por ejemplo 17 veces más resistencia al impacto, que el acrílico.
Uno o más de los materiales de revestimiento poliméricos transparentes pueden comprender, además, un recubrimiento resistente a la abrasión.
El o los materiales de revestimiento poliméricos transparentes tienen, preferentemente, una maquinabilidad y conformabilidad mejoradas en comparación con el vidrio. La perforación, el serrado y/o el enrutamiento se pueden realizar en el o los materiales de revestimiento poliméricos con equipo estándar para trabajar la madera. El o los materiales de revestimiento también se pueden producir mediante termoformado.
El material de revestimiento polimérico transparente tiene, preferentemente, una transparencia reducida en comparación con el vidrio. Preferentemente, el o los materiales de revestimiento poliméricos transparentes se seleccionan para transmitir al menos el 95 %, más preferentemente al menos el 80 %, por ejemplo, al menos el 75 % de la luz disponible. Como resultado de la transparencia reducida de los materiales de revestimiento, existe cierta pérdida de calor dentro del material transparente del intercambiador de calor. Esta pérdida de calor ayuda, ventajosamente, a descongelar automáticamente el colector solar en climas fríos.
El material de revestimiento polimérico transparente también tiene una capacidad de aislamiento mejorada en comparación con el vidrio. Esta capacidad de aislamiento adicional de los materiales de revestimiento poliméricos de la presente invención ayuda a mejorar aún más la eficiencia de transferencia de calor del intercambiador de calor de la presente invención.
Además, el material de revestimiento polimérico transparente, por ejemplo, policarbonato, es significativamente más ligero que el vidrio. Preferentemente, la densidad del de los materiales de revestimiento poliméricos transparentes es al menos un 25 %, más preferentemente al menos un 33 %, por ejemplo, un 50 % menos densa que el vidrio. Por lo tanto, el uso de material de revestimiento polimérico transparente, por ejemplo, policarbonato, ayuda a reducir significativamente el peso total del intercambiador de calor y del colector solar. Como resultado del peso reducido, el intercambiador de calor y el colector solar de la presente invención, por lo tanto, no requieren ninguna construcción de soporte pesada adicional para su fijación a un tejado.
Debido al peso reducido del intercambiador de calor, el presente sistema también permite producir grandes colectores solares individuales para su uso con el sistema calentador de agua/calentador de aire a un coste menor sin requerir conexiones adicionales a colectores adyacentes en comparación con los colectores solares de panel plano convencionales. Las conexiones adicionales entre colectores también contribuyen a un mayor riesgo de fallo mecánico y aumentan las pérdidas de calor. Por lo tanto, el presente sistema proporciona ventajosamente un sistema calentador de agua/calentador de aire que comprende intercambiadores de calor ligeros con una extracción de calor mejorada y pérdidas de calor reducidas.
El riesgo de que el intercambiador de calor y el colector solar del sistema de la presente invención resultan dañados o se rompan se reduce significativamente debido al uso de material de revestimiento polimérico transparente, tal como, por ejemplo, policarbonato. El material de revestimiento polimérico transparente, por ejemplo policarbonato, tiene una mayor flexibilidad en comparación con el vidrio y, como tal, reduce el riesgo de que el intercambiador de calor y el colector solar se rompan durante malas condiciones climáticas tales como aguanieve, granizo o tormentas. Los intercambiadores de calor de colectores solares convencionales comprenden, típicamente, una serie de tuberías que contienen agua. Se ha descubierto que aproximadamente la mitad de la energía solar se libera en el compartimento aislado y la otra mitad se transmite al agua, ya que solo la mitad de la superficie de cada tubería está sumergida en el agua. La presente invención proporciona un sistema que comprende un intercambiador de calor con una eficiencia de intercambio de calor mejorada en comparación con los intercambiadores de calor de colectores solares convencionales. El intercambiador de calor del sistema de la presente invención realiza la extracción de calor en dos fases. La primera fase implica la extracción de calor parcial. La segunda fase implica la extracción de calor completa realizada por uno o más conductores de calor, por ejemplo, chapados en metal, que están sumergidos en el agua dentro de la cavidad.
En uso, el primer material de revestimiento polimérico es expuesto a radiación solar. El agua pasa a través de la cavidad definida entre el primer y el segundo materiales de revestimiento poliméricos. La radiación solar calienta el primer material de revestimiento del intercambiador de calor (mostrado en la figura (1)). El primer material de revestimiento es delgado y, como resultado, parte de la energía se libera al agua dentro de la cavidad. La energía infrarroja que pasa a través del material de revestimiento se liberará en el agua. La energía pasa a través del agua al o a los conductores de calor (figura (3)). El o los conductores de calor liberan la radiación en forma de calor directamente al agua dentro de la cavidad. Como resultado, se ha descubierto que la pérdida de calor del intercambiador de calor del sistema de la presente invención es significativamente menor que la de los intercambiadores de calor de colectores solares convencionales.
El intercambiador de calor puede comprender cualquier número adecuado de conductores de calor dependiendo de los requisitos particulares del intercambiador de calor. El intercambiador de calor comprende, preferentemente, una pluralidad de conductores de calor.
El o los conductores de calor pueden tener cualquier forma y/o dimensiones adecuadas dependiendo de los requisitos del intercambiador de calor. El o los conductores de calor son, preferentemente, partes alargadas. El o los conductores de calor pueden comprender partes sustancialmente planas, por ejemplo, partes de placa. El o los conductores de calor pueden comprender partes en forma de U. El o los conductores de calor pueden comprender partes tubulares.
Los conductores de calor pueden estar compuestos por cualquier material adecuado que no sea transparente para la luz IR, tenga un coeficiente de reflexión bajo y sea conductor del calor, tal como para cualquier metal, aleación o combinación de metales y/o aleaciones adecuados. Preferentemente, el o los conductores de calor están compuestos por cobre, aluminio, papel de aluminio recubierto de carbono, papel de aluminio recubierto de cobre/carbono, material compuesto de carbono, fibra de carbono con o sin inclusiones metálicas, una aleación o cualquier combinación de los mismos. Cabe señalar que el uso de cobre confiere propiedades antibacterianas, destruyendo bacterias y esterilizando el agua. Preferentemente, el o los conductores de calor no son tóxicos y no reaccionan con el agua, por ejemplo, se oxidan a temperaturas elevadas, tales como, por ejemplo, a una temperatura de aproximadamente 120 °C. Los conductores de calor se revisten, preferentemente, para aumentar la eficiencia de transferencia de calor de las partes metálicas. Por ejemplo, los conductores de calor se revisten, preferentemente, con un recubrimiento negro, por ejemplo pintura negra, o pintura de óxido o una combinación de los mismos. El o los conductores de calor se pueden producir con una superficie térmicamente oxidada.
El o los conductores de calor pueden disponerse dentro de la cavidad en cualquier disposición adecuada. Por ejemplo, el o los conductores de calor pueden disponerse dentro de la cavidad en una disposición en 2D o en 3D. Los conductores de calor pueden disponerse para extenderse sustancialmente paralelos entre sí dentro de la cavidad. Cada conductor de calor puede estar sustancialmente en contacto con un conductor de calor adyacente. El intercambiador de calor puede tener cualquier forma y/o dimensiones adecuadas. Preferentemente, el grosor del intercambiador de calor medido entre la superficie de exposición al sol, proporcionada, por ejemplo, por el primer material de revestimiento de policarbonato, y la superficie externa del segundo material de revestimiento de policarbonato es de al menos 5 mm, preferentemente al menos 10 mm, más preferentemente al menos 15 mm. El panel transparente del colector solar puede ser proporcionado por el primer material de revestimiento polimérico. Como alternativa, el colector solar puede comprender, además, un panel transparente dispuesto en uso para ser expuesto a la luz solar. El panel transparente puede estar compuesto por cualquier material polimérico transparente adecuado. El transparente puede estar compuesto por policarbonato, acrílico (polimetilmetacrilato), butirato (acetato butirato de celulosa), Lexan (policarbonato), PETG (tereftalato de polietileno modificado con glicol) o una combinación de los mismos. Preferentemente, el material de revestimiento polimérico transparente es policarbonato. El panel transparente puede estar dispuesto para estar alineado con el primer y/o el segundo materiales de revestimiento de policarbonato del intercambiador de calor.
Debe apreciarse que el panel transparente (o la primera estructura de revestimiento, donde se omite el panel transparente) puede tener cualquier forma y dimensión adecuadas. En una realización, el panel transparente (o primer panel de revestimiento) es ondulado o plano hasta un ángulo de ondulación de 45 grados. Esto aumenta tanto la absorción de calor como la resistencia.
El soporte de aislamiento, por ejemplo, la caja de aislamiento, está, preferentemente, dispuesto para rodear y/o abarcar al menos una parte del panel transparente.
El colector solar puede tener cualquier dimensión y/o forma adecuada dependiendo de los requisitos del colector. Por ejemplo, el colector solar es, preferentemente, un colector solar de placa plana.
El soporte de aislamiento puede estar compuesto por cualquier material adecuado. Preferentemente, la caja de aislamiento está compuesta por uno o más materiales ligeros. Por ejemplo, la caja de aislamiento puede estar compuesta por materiales de aislamiento de plástico y/o de espuma. La caja de aislamiento puede ser una caja de metal (por ejemplo, aluminio), plástico o madera que comprenda materiales de aislamiento seleccionados entre: espuma, plástico, madera o cualquier material de aislamiento natural o sintético, o cualquier combinación de los mismos.
El soporte de aislamiento comprende, preferentemente, material aislante de plástico y/o de espuma ubicado en un área del colector que está dispuesta en uso para ubicarse adyacente a una estructura de tejado, por ejemplo, la parte trasera del colector.
Preferentemente, el soporte de aislamiento rodea y/o encierra sustancialmente el perímetro de al menos uno de los intercambiadores de calor y/o el panel transparente.
De acuerdo con un aspecto adicional, se proporciona un método para instalar un sistema calentador de agua/calentador de aire como se describe en el presente documento, que comprende conectar el suministro de agua y/o aire al colector solar, de modo que el suministro de agua y/o aire esté en comunicación fluida con la cavidad del intercambiador de calor; y conectar la salida de agua caliente al colector solar de modo que la o las salidas estén en comunicación fluida con la cavidad del intercambiador de calor. La salida de agua caliente puede estar en comunicación fluida con un depósito de agua caliente.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se describirá una realización de la invención, únicamente a modo de ejemplo, y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 ilustra una vista de un intercambiador de calor durante la construcción de un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con una realización de la presente invención antes de ser insertado dentro de un soporte de aislamiento;
La figura 2 ilustra una vista de un colector solar plano de un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con una realización de la presente invención que comprende el intercambiador de calor de la figura 1; Las figuras 3 y 4 ilustran vistas de un colector solar plano de un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con una realización adicional de la presente invención que comprende el intercambiador de calor de la figura 1;
La figura 5 ilustra una ilustración esquemática de un colector solar plano de un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con una realización adicional de la presente invención en un sistema colector plano cerrado para calentamiento directo de agua;
La figura 6 ilustra una ilustración esquemática de un colector solar plano de un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con una realización adicional de la presente invención en un sistema colector plano abierto con un intercambiador de calor;
La figura 7 ilustra una ilustración esquemática de un sistema calentador de agua/calentador de aire que comprende un colector solar plano de acuerdo con una realización adicional de la presente invención.
Descripción detallada de la invención
Con referencia a las figuras 1 a 4, el intercambiador de calor 1 comprende un primer y un segundo material de revestimiento de policarbonato 2 separados para definir una cavidad entre ellos. Los materiales de revestimiento 2 tienen un grosor de aproximadamente 0,2 mm. Sin embargo, debe entenderse que cualquier material polimérico adecuado puede tener cualquier dimensión adecuada dependiendo de los requisitos para el intercambiador de calor. Los materiales de revestimiento tienen, preferentemente, un grosor de al menos 0,2 mm, por ejemplo, los materiales de revestimiento pueden tener un grosor en el intervalo de entre aproximadamente 1 y 2 mm cuando se usa un sistema presurizado.
La separación entre el par de materiales de revestimiento de policarbonato 2 separados es de aproximadamente 20 mm. Sin embargo, debe entenderse que la separación entre el par de materiales de revestimiento separados puede variar dependiendo de los requisitos del intercambiador de calor. Típicamente, la separación entre los materiales de revestimiento está en el intervalo de entre aproximadamente 10 mm y aproximadamente 40 mm. Aunque la realización ilustrada comprende revestimiento de policarbonato, debe entenderse que puede usarse cualquier material de revestimiento polimérico transparente adecuado. Los primer y segundo materiales de revestimiento poliméricos transparentes pueden estar compuestos por el mismo material o pueden estar compuestos por materiales diferentes.
El intercambiador de calor, la cavidad proporcionada dentro del intercambiador de calor y el colector solar ilustrados en las figuras son de forma sustancialmente rectangular. Sin embargo, debe entenderse que el intercambiador de calor, la cavidad y el colector solar correspondiente pueden tener cualquier forma adecuada dependiendo de los requisitos. Por ejemplo, el intercambiador de calor, la cavidad, el colector solar y/o los materiales de revestimiento pueden ser de forma circular, ovalada, rectangular o cuadrada.
Como se ilustra en las figuras 1 a 4, la cavidad comprende un primer par de lados opuestos 4, 4' y un segundo par de lados opuestos 5, 5'. El primer par de lados opuestos 4, 4' de la cavidad están en comunicación fluida con las tuberías de conexión de agua 6, 6'. El segundo par de lados opuestos 5, 5' de la cavidad están sustancialmente sellados.
Una pluralidad de conductores de calor de cobre en forma de U 3 están dispuestos para ubicarse dentro de la cavidad. El uso de cobre proporciona propiedades antibacterianas, destruyendo bacterias y esterilizando el agua. Aunque la realización ilustrada comprende conductores de calor de cobre, debe entenderse que el intercambiador de calor puede comprender cualquier conductor de calor adecuado, tal como por ejemplo aluminio (tal como por ejemplo papel de aluminio), cobre, papel de aluminio recubierto de carbono, papel de aluminio recubierto de cobre/carbono, material compuesto de carbono, fibra de carbono con o sin inclusiones metálicas o cualquier aleación adecuada. También debe entenderse que el intercambiador de calor puede comprender cualquier número adecuado de conductores de calor. El intercambiador de calor puede comprender, por ejemplo, un solo conductor de calor. Cada conductor de calor de cobre 3 tiene sustancialmente forma de U, con los brazos separados, por ejemplo las partes alargadas, de la parte de cobre en forma de U 3 extendiéndose sustancialmente en paralelo al material de revestimiento 2. Los conductores de calor pueden tener cualquier forma y/o dimensiones adecuadas. El conductor o conductores de calor pueden comprender partes tubulares que tengan cualquier forma de sección transversal adecuada, tal como por ejemplo circular, ovalada, cuadrada, rectangular, triangular, multifacetada. El intercambiador de calor puede comprender una combinación de conductores de calor que tienen diferentes formas y/o dimensiones dependiendo de los requisitos del intercambiador de calor.
Las dimensiones, por ejemplo, el grosor, de los conductores de calor del intercambiador de calor, por ejemplo medido entre brazos opuestos del conductor de calor en forma de U, se seleccionan para proporcionar suficiente resistencia mecánica de modo que los conductores de calor no resulten dañados por la presión del flujo de agua también para garantizar que los conductores de calor puedan liberar casi toda la radiación en forma de calor dentro del agua.
La superficie externa de los conductores de calor de cobre 3 del intercambiador de calor está pintada con un recubrimiento negro resistente al agua para reducir el reflejo de la luz y para proteger el metal de la oxidación. Debe entenderse que las partes metálicas de la superficie externa del intercambiador de calor pueden recubrirse con cualquier recubrimiento negro adecuado.
Los conductores de calor de cobre 3 están dispuestos dentro de la cavidad para extenderse entre el primer par de lados opuestos 4, 4' de la cavidad. Los conductores de calor de cobre 3 están dispuestos dentro de la cavidad, de manera que el eje longitudinal de cada conductor de calor de cobre 3 esté sustancialmente alineado con la dirección de flujo del agua hacia el interior de la cavidad. Cada conductor de calor 3 es adyacente a y está sustancialmente en contacto con un conductor de calor 3 adyacente.
Debe entenderse que el o los conductores de calor pueden colocarse en cualquier orientación, ubicación y/o disposición adecuadas dentro de la cavidad dependiendo de los requisitos particulares del intercambiador de calor. El o los conductores de calor pueden estar dispuestos para extenderse entre, por ejemplo, sustancialmente desde un primer lado a un segundo lado de, un par de lados de la cavidad. Sin embargo, uno o más del o de los conductores de calor pueden extenderse solo parcialmente a través de la cavidad, por ejemplo, parcialmente entre un par de lados opuestos de la cavidad. Los ejes longitudinales del o de los conductores de calor pueden estar desviados de la dirección de flujo del agua a través de la cavidad.
Los conductores de calor pueden extenderse sustancialmente paralelos entre sí dentro de la cavidad. Los conductores de calor se pueden distribuir uniformemente dentro de la cavidad. Los conductores de calor pueden estar dispuestos para extenderse dentro del mismo plano dentro de la cavidad del intercambiador de calor. Como alternativa, los conductores de calor pueden estar dispuestos dentro de una configuración tridimensional dentro de la cavidad del intercambiador de calor.
Uno o más conductores de calor pueden estar dispuestos para estar sustancialmente en contacto con un conductor de calor adyacente. Uno o más de los conductores de calor pueden estar dispuestos para estar separados de conductores de calor adyacentes.
Las tuberías de comunicación de agua de 6,6' están unidas a los materiales de revestimiento de policarbonato mediante pegamento de alta temperatura. Sin embargo, debe entenderse que las tuberías de conexión pueden estar unidas mediante cualquier medio adecuado, tal como por ejemplo unidas reversiblemente o unidas permanentemente a los extremos de los materiales de revestimiento. Las tuberías de conexión pueden estar unidas, por ejemplo, mediante postextrusión o usando pegamento de alta temperatura. Las tuberías de conexión pueden estar compuestas por cualquier material adecuado. Preferentemente, las tuberías de conexión están compuestas por policarbonato.
Un panel transparente 8 está conformado y dimensionado para estar alineado con y colocado adyacente a o en contacto con el primer material de revestimiento del intercambiador de calor 1. El panel transparente puede estar compuesto por cualquier material adecuado. Preferentemente, el panel transparente está compuesto por policarbonato, acrílico (polimetilmetacrilato), butirato (acetato butirato de celulosa), Lexan (policarbonato), PETG (tereftalato de polietileno modificado con glicol) o una combinación de los mismos. Sin embargo, debe entenderse que el colector solar 10 puede no incluir un panel transparente adicional. El panel transparente puede ser proporcionado por el primer material de revestimiento del intercambiador de calor 1. Debe apreciarse que el panel transparente (o el primer panel de revestimiento donde se omite el panel transparente) puede tener cualquier forma y dimensión adecuadas. En este caso, el panel transparente 8 está ondulado.
El panel transparente y el intercambiador de calor 1 están recibidos dentro y están parcialmente rodeados por un soporte de aislamiento 7. El soporte de aislamiento 7 es de forma sustancialmente rectangular y está dimensionado para recibir y rodear la periferia del panel transparente y el intercambiador de calor. El soporte de instalación 7 comprende una parte posterior dispuesta en uso para ubicarse adyacente a la parte trasera del intercambiador de calor. La parte posterior del soporte de instalación 7 está dispuesta en uso para ubicarse adyacente a un tejado. El soporte de aislamiento 7 está compuesto por material plástico ligero. La parte posterior del soporte de aislamiento 7 comprende una sección de espuma ubicada en la parte trasera del intercambiador de calor 1 que está dispuesta en uso para estar ubicada junto a una estructura de techo, por ejemplo, la parte trasera del colector. Debe entenderse que el soporte de instalación puede tener cualquier forma adecuada para recibir y rodear al menos parcialmente el panel transparente y/o el intercambiador de calor.
El intercambiador de calor no requiere ningún componente adicional, tal como recubrimiento posterior, para mejorar la eficiencia de intercambio de calor.
Una de las razones de la eficiencia de intercambio de calor mejorada del intercambiador de calor es porque el proceso de transferencia de calor se produce dentro del agua dentro de la cavidad.
La construcción del intercambiador de calor también es muy ligera y la mayor parte del peso lo proporciona el agua dentro de la cavidad en lugar de la construcción de soporte. Dado que el peso total del intercambiador de calor de la presente invención se reduce significativamente en comparación con los sistemas convencionales, se puede colocar un mayor número de conductores de calor dentro de la cavidad. Por lo tanto, el intercambiador de calor puede comprender un mayor número de conductores de calor, en comparación con intercambiadores convencionales, dispuestos de modo que exista una separación muy pequeña entre conductores de calor adyacentes a la cavidad. Por lo tanto, el intercambiador de calor no requiere un recubrimiento posterior adicional. Además, el grosor y la separación de los materiales de revestimiento se seleccionan para mejorar la eficiencia de intercambio de calor. El grosor y la separación de los materiales de revestimiento se seleccionan para reducir y/o minimizar cualquier pérdida de calor dentro de la cavidad.
El intercambiador de calor y el colector solar tienen costes de producción reducidos debido a que el intercambiador de calor y el colector solar tienen un número reducido de componentes en comparación con los colectores convencionales. En particular, el intercambiador de calor y el colector solar no requieren construcciones de soporte pesadas y/o placas de fijación.
En uso, el colector solar 10 se coloca en la ubicación deseada, tal como por ejemplo en el tejado, en la orientación deseada de modo que el panel transparente quede expuesto a la luz solar. Como se muestra en la figura 2, el colector solar 10 puede estar soportado sobre un marco independiente. El colector solar 10 está conectado a un suministro de agua. El agua se introduce a través de la tubería de comunicación de entrada de agua 6 del intercambiador de calor 1. El agua fluye a través de la cavidad proporcionada por el intercambiador de calor 1 y pasa a través de la tubería de comunicación de salida de agua 6'.
A medida que el agua pasa a través de la cavidad definida entre el primer y el segundo materiales de policarbonato 2,2', el panel transparente y el primer material de revestimiento de policarbonato 2 adyacente son expuestos a la radiación solar. La radiación solar calienta el panel transparente y el primer material de revestimiento 2. El panel transparente y el primer material de revestimiento 2 son delgados y, como resultado, una parte de la energía infrarroja se libera al agua dentro de la cavidad. La energía infrarroja que pasa a través del material de revestimiento 2 y el panel transparente se liberará en el agua para calentarla. La energía pasa a través del agua al conductor o conductores de calor de cobre. Dado que los conductores de calor 3 tienen forma de U, la luz entra en la parte en forma de U desde la parte superior y rebotará en las paredes de cada parte del conductor de calor en forma de U, liberando de este modo la radiación como calor directamente en el agua dentro de la cavidad. Como resultado, se ha descubierto que la pérdida de calor del intercambiador de calor 1 de la presente invención es significativamente menor que la de los intercambiadores de calor de colector solar convencionales.
Como se muestra en las figuras 5 a 7, el intercambiador de calor y el colector solar se pueden usar en sistemas domésticos de agua y/o aire caliente. El intercambiador de calor y el colector solar se pueden adaptar a un sistema de agua y/o aire caliente existente.
El calentamiento de agua caliente por energía solar se usa a menudo como un segundo sistema para calentar el agua doméstica. El sistema principal generalmente usa tecnología eléctrica o de gas. En este caso se usa un solo depósito para agua caliente. Se usa un depósito de almacenamiento de desbordamiento si el sistema puede calentar por encima de los 85 grados C como se muestra en las figuras 5 y 6. La presente invención se puede usar con un sistema abierto o cerrado.
La figura 5 ilustra un sistema abierto que no requiere un intercambiador de calor adicional. El agua fría se introduce en el sistema a través de la entrada de agua fría 22 y se bombea mediante la bomba 20 a través del colector solar plano 100 y a continuación hacia el depósito de agua caliente 25. El agua caliente se suministra a la casa desde el depósito de agua caliente 25 mediante la salida de agua caliente 23. El control del flujo de agua fría al depósito de agua caliente 25 y al colector solar plano 100 puede controlarse mediante válvulas de derivación 24 según se requiera. Este sistema puede autodrenarse usando la válvula de drenaje de espita 21 cuando la temperatura del agua alcanza temperaturas inferiores a 5 grados (por ejemplo).
La figura 6 ilustra un sistema cerrado con un intercambiador de calor adicional 26'. Como se describe para el sistema abierto, se introduce agua fría en el sistema a través de la entrada de agua fría 22' y se bombea mediante la bomba 20' a través del colector solar plano 100' y a continuación hacia el depósito de agua caliente 25'. El agua caliente se suministra a la casa desde el depósito de agua caliente 25' mediante la salida de agua caliente 23'. El control del flujo de agua fría al depósito de agua caliente 25' y al colector solar plano 100' puede controlarse mediante válvulas de derivación 24' según se requiera. Este sistema puede autodrenarse usando la válvula de drenaje de espita 21' cuando la temperatura del agua alcanza temperaturas inferiores a 5 grados (por ejemplo). El intercambiador de calor adicional 26' se puede hacer funcionar para proporcionar calor adicional al agua caliente dentro del depósito 25'. Como se muestra en la figura 7, el sistema de la presente invención se puede usar para calentar agua y calentar el aire en la casa. Para calentar el aire, primero se drena el agua del sistema mediante la válvula de espita 21". Todas las válvulas para suministrar agua se cierran. La válvula de entrada de aire 32 y la válvula de salida de aire 30 se abren y se bombea aire alrededor del sistema usando, por ejemplo, un ventilador o bomba de baja presión. Cuando se requiere que el sistema caliente agua, las válvulas 30, 32 para el aire se cierran. Las válvulas de agua se abren y el agua fluye a través del sistema y es calentada por el colector solar plano 100". El agua caliente se almacena en el depósito de almacenamiento de 25".
Aunque se han descrito aspectos de la invención con referencia a los dibujos adjuntos, debe entenderse que la invención no está limitada a la realización precisa mostrada y que se pueden efectuar diversos cambios y modificaciones sin mayor habilidad y esfuerzo inventivos. Por ejemplo, los conductores de calor se pueden colorear con fines arquitectónicos o estéticos.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema calentador de agua/calentador de aire que comprende:
un colector solar (100") que comprende un intercambiador de calor (1) que comprende:
un primer y un segundo material de revestimiento polimérico transparente (2, 2') que definen una cavidad entre ellos adecuada para recibir agua y también adecuada para recibir aire; y
al menos un conductor de calor no transparente (3) ubicado dentro de la cavidad para estar sumergido dentro del agua o el aire dentro de la cavidad en uso, en el que el al menos un conductor de calor (3) es una parte alargada compuesta de metal, aleación, o una combinación de metales y/o aleaciones, y donde, en uso, al menos el primer material de revestimiento polimérico transparente (2, 2') es expuesto a la radiación solar, de modo que la radiación infrarroja de dicha radiación solar pasa a través de al menos el primer material de revestimiento polimérico transparente (2) al conductor de calor (3) ubicado dentro de la cavidad, y el conductor de calor (3) libera la radiación como calor directamente al agua o aire dentro de la cavidad; una válvula de entrada de agua fría y una válvula de salida de agua caliente en comunicación con la cavidad del intercambiador de calor (1), en el que las válvulas son operables selectivamente para permitir que el agua fluya a través del colector solar (100");
un depósito de agua caliente (25") en comunicación con la válvula de salida de agua caliente;
una bomba (20") operable selectivamente para bombear agua a través del colector solar (100") y a continuación hacia el depósito de agua caliente (25");
una válvula de espita (21") operable selectivamente para drenar agua del colector solar (100");
una válvula de entrada de aire (32) y una válvula de salida de aire (30) en comunicación con la cavidad del intercambiador de calor (1), en el que las válvulas (30, 32) son operables selectivamente para permitir que el aire fluya a través del colector solar (100"); y
un ventilador o bomba de baja presión operable selectivamente para bombear aire alrededor del colector solar (100").
2. Un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende una pluralidad de conductores de calor (3), en el que los conductores de calor (3) son partes en forma de U.
3. Un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con la reivindicación 2, en el que los conductores de calor (3) se extienden sustancialmente paralelos entre sí dentro de la cavidad.
4. Un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 y 3, en el que cada conductor de calor (3) está sustancialmente en contacto con un conductor de calor adyacente (3).
5. Un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el conductor de calor (3) está compuesto por uno o más de: cobre, aluminio o una aleación metálica.
6. Un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el grosor del intercambiador de calor (1) medido entre las superficies externas de los primer y segundo materiales de revestimiento poliméricos (2, 2') es de al menos 10 mm.
7. Un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el colector solar comprende además un soporte de aislamiento (7) dispuesto para rodear al menos una parte del al menos un intercambiador de calor (1).
8. Un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con la reivindicación 7, en el que el colector solar comprende además un panel transparente (8) dispuesto en uso para ser expuesto a la luz solar, en el que el panel transparente (8) está compuesto por material polimérico transparente seleccionado entre policarbonato, acrílico, butirato, PETG o una combinación de los mismos.
9. Un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el soporte de aislamiento (7) está dispuesto para rodear al menos una parte del panel transparente (8) del colector solar.
10. Un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que el colector solar (100") es un colector solar de placa plana.
11. Un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en el que el soporte de aislamiento (7) está compuesto por materiales de aislamiento de plástico y/o de espuma.
12. Un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, en el que la caja de aislamiento comprende plástico y/o espuma ubicada en un área del colector (100") que está dispuesta en uso para ubicarse adyacente a una estructura de tejado.
13. Un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el sistema comprende una pluralidad de colectores solares (100") y un circuito hidráulico para hacer circular un fluido caloportador que se extiende entre ellos.
14. Un método para instalar un sistema calentador de agua/calentador de aire de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que comprende conectar el suministro de agua y/o aire al colector solar (100") de modo que el suministro de agua y/o aire esté en comunicación fluida con la cavidad del intercambiador de calor (1); y conectar la salida al colector solar (100") de modo que la salida esté en comunicación fluida con la cavidad del intercambiador de calor (1).
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