ITMO20070022A1

ITMO20070022A1 - Collettore solare per il riscaldamento di un fluido termovettore

Info

Publication number: ITMO20070022A1
Application number: IT000022A
Authority: IT
Inventors: Alessandro Bozzoli; Guido Cicolini; Giordano Contin; Francesco Fontana; Luca Pomari
Original assignee: Kloben S A S Di Turco Adelino E C
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2008-07-26
Also published as: WO2008090461A3; WO2008090461A2

Description

Descrizione di Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo:

“COLLETTORE SOLARE PER IL RISCALDAMENTO DI UN FLUIDO TERMOVETTORE”.

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un collettore solare per il riscaldamento di un fluido termovettore.

E’ noto come sia particolarmente avvertita l’esigenza di progettare dispositivi che utilizzino le risorse energetiche rinnovabili con sempre maggior efficienza e costi che ne rendano conveniente lo sfruttamento. Con riferimento al settore dei collettori solari, è specialmente sentita la necessità di migliorare l’efficienza degli attuali dispositivi per ridurre o eliminare la necessità di supportare i collettori solari con un impianto di riscaldamento elettrico o a combustibile.

I collettori solari tradizionali svolgono principalmente una funzione di riscaldamento di acqua o altri fluidi per scopo domestico o industriale, e per ogni altro settore in cui sia presente la necessità di utilizzare acqua o aria calda, con il meritevole vantaggio di ottenere calore in una modalità rispettosa per l’ambiente.

I collettori solari termici noti si distinguono in due categorie: collettori solari piani e collettori a tubi.

Quelli a tubi, a cui si fa riferimento, comprendono una pluralità di elementi tubolari di forma circolare, idraulicamente collegati in parallelo e paralleli tra loro, che vengono esposti alla luce solare.

La superficie esterna di questi elementi tubolari è costituita da un primo tubo in vetro borosilicato trasparente; questo tubo è chiuso ad un’estremità, mentre l’altra estremità è associata solidale ad un secondo tubo.

Questo secondo tubo è inserito longitudinalmente nel primo tubo, è chiuso alla corrispondente estremità chiusa del primo tubo, ed è costituito da vetro.

Tra il primo ed il secondo tubo viene creato il vuoto per limitare o annullare le perdite di calore per convezione e conduzione.

Sulla superficie esterna del secondo tubo può essere applicato uno strato di materiale selettivo, studiato per massimizzare l'assorbimento dell’energia solare e minimizzare la riemissione di questa energia sotto forma di raggi infrarossi.

All’interno del secondo tubo è collocata l’unità di trasferimento di calore, costituita da un elemento assorbitore di calore, solitamente un foglio di materiale conduttore, e da un circuito di assorbimento e trasferimento di calore, un tubo generalmente di rame che si estende per tutta la lunghezza dell’elemento tubolare ed è ripiegato su se stesso, in modo da presentare le estremità di ingresso e di uscita dalla stessa parte in cui il primo tubo ed il secondo tubo sono associati solidali.

Il circuito di trasferimento di calore può essere realizzato in una molteplicità di varianti, come ad esempio due tubi concentrici, di cui quello esterno chiuso ad un’estremità e quello interno aperto, o un tubo singolo percorso longitudinalmente da un elemento separatore.

All'interno del circuito di trasferimento di calore circola un fluido termovettore, come ad esempio acqua, miscele liquide o gassose, che raccoglie calore dall’elemento assorbitore; l'elemento assorbitore deve quindi avere una grande superficie di esposizione per intercettare la maggior quantità possibile di radiazione solare, e contemporaneamente avere anche una grande superficie di contatto con il circuito di trasferimento di calore per migliorare lo scambio termico.

A tale scopo è previsto utilizzare dei fogli ad esempio in rame o alluminio che seguono la forma circolare del tubo di vetro interno e avvolgono anche il circuito di trasferimento di calore nei quali circola il fluido termovettore.

Una volta riscaldato, il fluido termovettore scambia il calore appena acquisito con l’acqua contenuta in un serbatoio con funzioni di accumulatore termico.

Il calore accumulato viene quindi utilizzato per gli usi domestici (riscaldamento, impiego sanitario, ecc.), mentre il fluido termovettore inizia un altro ciclo all’interno del circuito del collettore solare.

Questi collettori solari sottovuoto presentano però alcuni inconvenienti. In particolare, si viene a formare un gradiente termico, che ostacola la conduzione ottimale dell’energia termica, tra la zona più interna del circuito di trasferimento di calore, dove scorre il fluido ad una temperatura relativamente bassa, e la zona più esterna, dove il fluido termovettore scorre ad una temperatura più elevata perchè maggiormente in prossimità dell’elemento assorbitore.

Un altro inconveniente è costituito dal fatto che si crea un gradiente termico, e quindi una perdita di efficienza, anche suii’elemento assorbitore, e precisamente in corrispondenza della parte a contatto con il circuito di trasferimento di calore che sarà notevolmente più fredda della restante superficie esposta all'irraggiamento solare diretto.

Un ulteriore inconveniente deriva dal fatto che il contatto tra fluido termovettore e superfici riscaldate è limitato al percorso lineare del fluido all’interno del circuito.

Il compito principale del presente trovato è quello di escogitare un collettore solare per il riscaldamento di un fluido termovettore che permetta di sfruttare l’energia termica derivante dall’irraggiamento solare con una maggior efficienza, consentendo di ammortare i costi relativi all’impianto ed alla sua installazione in un tempo minore rispetto a quelli necessari per un impianto tradizionale.

Altro scopo del presente trovato è quello di rendere più efficiente lo scambio termico e, quindi, il trasferimento di energia, del fluido termovettore all’interno del collettore solare.

Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di mettere a punto una soluzione tecnica che permetta di aumentare l’assorbimento di calore migliorando lo scambio termico tra il fluido termovettore e le superfici calde irraggiate, attraverso un aumento della superficie di contatto.

Altro scopo del presente trovato è quello di escogitare un collettore solare per il riscaldamento di un fluido termovettore che consenta di superare i menzionati inconvenienti della tecnica nota nell’ambito di una soluzione semplice, razionale, di facile ed efficace impiego e dal costo contenuto. Gli scopi sopra esposti sono tutti raggiunti dal presente collettore solare per il riscaldamento di un fluido termovettore che comprende una pluralità di elementi tubolari disposti sostanzialmente affiancati e provvisti di almeno un condotto percorribile da un fluido termovettore e di mezzi di scambio di calore tra almeno una fonte di irraggiamento e detto condotto, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti elementi tubolari comprende mezzi di generazione di turbolenza in detto fluido termovettore all’interno di detto condotto.

Altre caratteristiche e vantaggi del presente trovato risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un collettore solare, illustrata a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegni in cui:

la figura 1 è una vista di un collettore solare secondo il trovato;

la figura 2 è una vista in sezione di un elemento tubolare di un collettore solare in una possibile forma di attuazione secondo il trovato;

la figura 3 è una vista di un particolare di un elemento tubolare di un collettore solare in una possibile forma di attuazione;

la figura 4 è una vista di un particolare di un elemento tubolare di un collettore solare in un'ulteriore forma di attuazione.

Con particolare riferimento a tali figure, si è indicato globalmente con 1 un collettore solare per il riscaldamento di un fluido termovettore.

Il collettore solare 1 comprende una pluralità di elementi tubolari 2, disposti paralleli ed affiancati ai quali sono associati mezzi di concentrazione dei raggi solari, del tipo di elementi riflettenti 3 sostanzialmente ricurvi (CPC - Compound Parabolic Concentrator).

Gli elementi tubolari 2 comprendono ciascuno almeno un condotto 4, mezzi di scambio di calore 5 e mezzi di generazione di turbolenza 6.

Il condotto 4 è percorribile da un fluido termovettore che ha la funzione di prelevare il calore assorbito dai mezzi di scambio di calore 5 e cederlo poi all’acqua o all’aria destinate alle diverse utenze.

I mezzi di scambio di calore 5 comprendono un primo tratto tubolare 7 ed un secondo tratto tubolare 8 per ciascuno degli elementi tubolari 2.

II primo tratto tubolare 7 si estende nel senso della lunghezza degli elementi tubolari 2 ed è atto ad essere irraggiato dalla fonte di irraggiamento, solitamente il sole.

Il primo tratto tubolare 7, in pratica, permette di convertire in energia termica l’energia ricevuta sotto forma di radiazione elettromagnetica ed è ricoperto esternamente con uno speciale rivestimento 9 spettralmente selettivo, che aumenta l’assorbimento della radiazione solare e limita la dispersione di calore per reirraggiamento.

All’interno del primo tratto tubolare 7 è longitudinalmente inserito il secondo tratto tubolare 8, in particolare montato parallelo e coassiale. Tra il primo tratto tubolare 7 ed il secondo tratto tubolare 8 è definita un’intercapedine 10.

Il primo tratto tubolare 7 può essenzialmente essere costituito di vetro o metallo, ma non si esclude l’applicazione di materiali compositi, plastici o ceramici.

Il secondo tratto tubolare 8 è provvisto di un’estremità di ingresso 11 del fluido termovettore e di un’estremità aperta 12 opposta all’estremità di ingresso 11.

Il primo tratto tubolare 7 è provvisto di un’estremità chiusa 13 disposta in prossimità dell’estremità aperta 12 del secondo tratto tubolare 8, e di un’estremità di uscita 14 che comunica con un becco 15 atto al deflusso del fluido termovettore che ha già circolato all’interno del condotto 4.

Vantaggiosamente, la superficie esterna 16 del secondo tratto tubolare 8 è disposta in prossimità della superficie interna 17 del primo tratto tubolare 7; questa caratteristica consente di ottenere un flusso pellicolare del fluido termovettore, minimizzando il gradiente termico tra le diverse superici e aumentando l’efficienza termica del sistema.

In particolare, la distanza tra la superficie interna 17 e la superficie esterna 16 è inclusa in un intervallo di valori compreso tra 0,5 mm e 5 mm; questa distanza definisce quindi lo spessore dell’intercapedine 10.

Il condotto 4 si estende lungo lo spazio definito all’interno del secondo tratto tubolare 8 e lungo l’intercapedine 10.

Le superfici di delimitazione del condotto 4, quindi, consistono nella superficie interna 18 del secondo tratto tubolare 8, nella superficie esterna 16 del secondo tratto tubolare 8 e nella superficie interna 17 del primo tratto tubolare 7.

I mezzi di generazione di turbolenza 6, comprendono una serie di elementi o dispositivi atti a rompere il flusso laminare del fluido termovettore all’interno del condotto 4 e, in particolare, sono disposti all’interno dell’intercapedine 10; nella particolare forma di realizzazione del trovato illustrata nelle figure, i mezzi di generazione di turbolenza consistono in turbolatori 19 e protuberanze 20 che sono ricavati sulla superficie esterna 16 del secondo tratto tubolare 8 e, in aggiunta o in alternativa, sulla superficie interna 17 del primo tratto tubolare 7.

I turbolatori 19 sono atti a creare un moto sostanzialmente elicoidale all'interno del condotto 4 che consente di allungare il percorso medio del fluido termovettore a contatto con la superficie calda del primo tratto tubolare 7.

Le protuberanze 20 generano un moto vorticoso che crea una maggiore giacenza del fluido termovettore all'interno del condotto 4, con conseguente maggiore accumulo di energia termica.

Non si escludono, tuttavia, forme di realizzazione dei trovato in cui i mezzi di generazione di turbolenza 6 sono costituiti da, ad esempio, guide atte ad incanalare il fluido, guarnizioni, scanalature, alette o corpi di connessione delle superfici di delimitazione del condotto 4.

Vantaggiosamente, per assecondare la deformazione termica del condotto 4 causata dalle alte temperature raggiunte durante l’esposizione al sole, i mezzi di generazione di turbolenza 6 sono deformabili in modo elastico.

II fluido termovettore utilizzato all'interno del condotto 4 è solitamente liquido o gassoso; nel caso in cui sia liquido, è necessario prevedere l’utilizzo di un fluido dalla viscosità non elevata e che non passi allo stato solido all’abbassarsi delle temperature.

Il collettore solare di cui all’invenzione comprende anche dei mezzi di isolamento termico 21 dei mezzi di scambio di calore 5.

I mezzi di isolamento termico 21 comprendono un primo tubo 22, sostanzialmente trasparente, che è disposto a copertura dei mezzi di scambio di calore 5 e che è prowisto di un’estremità chiusa e di un’estremità opposta 22a.

Il primo tubo 22 è in vetro borosilicato, essendo questo un materiale che non ferma la radiazione elettromagnetica e sufficientemente robusto per rimanere esposto aH'aperto.

Nella forma di attuazione del trovato illustrata nelle figure 2 e 3, tra il primo tubo 22 ed il primo tratto tubolare 7 è definito un interstizio di separazione 23 in cui va fatto il vuoto nel modo più accurato possibile, cioè al suo interno vi è una presenza residua di gas estremamente rarefatta.

In questa forma di attuazione, il primo tratto tubolare 7 è vantaggiosamente associato inamovibile al primo tubo 22 con una saldatura S del tipo vetro-metallo, cioè una saldatura tra un primo componente in vetro (il tubo 22) ed un secondo componente in metallo (il primo tratto tubolare 7).

Utilmente la saldatura S è applicata in corrispondenza dell’estremità di uscita 14 del primo tratto tubolare 7 e dell’estremità opposta 22a del primo tubo 22, disposte tra loro sostanzialmente combacianti.

Nella forma di attuazione del trovato illustrata in figura 4, invece, oltre al primo tubo 22 i mezzi di isolamento termico 21 comprendono ulteriormente un secondo tubo 24 di copertura.

Tale secondo tubo è realizzato in vetro, è chiuso ad un’estremità, è longitudinalmente e coassialmente inserito all’interno del primo tubo 22 ed è disposto attorno al primo tratto tubolare 7, al quale è associato inamovibile tramite una saldatura vetro-metallo, non illustrata nelle figure. A differenza della precedente forma di realizzazione, in figura 4 l’interstizio di separazione 23 è definito tra il primo tubo 22 ed il secondo tubo 24. Il rivestimento 9, inoltre, è applicato sulla superficie del secondo tubo 24 affacciata sull'interstizio di separazione 23.

Si è in pratica constatato come il trovato descritto raggiunga gli scopi proposti e, in particolare, si sottolinea il fatto che il collettore solare secondo l’invenzione consente di ottenere un’efficienza energetica non raggiungibile con i collettori solari classici.

Inoltre, si evidenzia che un collettore solare più efficiente rende vantaggioso, attraverso un più rapido ammortamento dei costi di installazione, l’utilizzo di un dispositivo che sfrutta energia pulita, a beneficio dell’utente e dell’ambiente naturale.

Il trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo.

Inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica i materiali impiegati, nonché le forme e le dimensioni contingenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze senza per questo uscire dall’ambito di protezione delle seguenti rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Collettore solare per il riscaldamento di un fluido termovettore che comprende una pluralità di elementi tubolari disposti sostanzialmente affiancati e provvisti di almeno un condotto percorribile da un fluido termovettore e di mezzi di scambio di calore tra almeno una fonte di irraggiamento e detto condotto, caratterizzato dal fatto che i mezzi di scambio di calore di almeno uno di detti elementi tubolari comprendono un primo tratto tubolare che è atto ad essere irraggiato da detta fonte di irraggiamento e al cui interno è longitudinalmente inserito un secondo tratto tubolare, detto condotto comprendendo un’intercapedine definita tra detto primo e detto secondo tratto.
2) Collettore solare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto secondo tratto tubolare è provvisto di un’estremità d’ingresso di detto fluido termovettore e di un'estremità aperta opposta all’estremità d’ingresso, e detto primo tratto tubolare è provvisto di un’estremità chiusa disposta in prossimità di detta estremità aperta e di un’estremità di uscita opposta a detta estremità chiusa.
3) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo tratto e detto secondo tratto sono paralleli.
4) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo tratto e detto secondo tratto sono coassiali.
5) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la superficie esterna di detto secondo tratto tubolare è disposta in prossimità della superficie interna di detto primo tratto tubolare.
6) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la distanza tra detta superficie interna di detto primo tratto tubolare e detta superficie esterna di detto secondo tratto tubolare è compresa tra 0,5 mm e 10 mm.
7) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti elementi tubolari comprende mezzi di isolamento termico di detti mezzi di scambio di calore.
8) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di isolamento termico comprendono almeno un primo tubo sostanzialmente trasparente a copertura di detti mezzi di scambio di calore.
9) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo tubo è chiuso ad un’estremità.
10) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo tubo è in vetro borosilicato.
11 ) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di isolamento termico comprendono almeno un secondo tubo di copertura di detti mezzi di scambio termico e longitudinalmente inseribile all'interno di detto primo tubo.
12) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto secondo tubo è coassiale a detto primo tubo.
13) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto secondo tubo è chiuso ad un’estremità.
14) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di isolamento termico comprendono un interstizio di separazione definito tra detto primo tubo ed almeno uno tra detto secondo tubo e detti mezzi di scambio termico.
15) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto interstizio è sostanzialmente vuoto.
16) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno uno tra detto primo tratto tubolare e detto secondo tratto tubolare è sostanzialmente metallico.
17) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno uno tra detto primo tratto tubolare, detto primo tubo e detto secondo tubo è sostanzialmente di vetro.
18) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo tratto tubolare è associato inamovibile ad almeno uno tra detto primo tubo e detto secondo tubo.
19) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo tratto tubolare è associato inamovibile ad almeno uno tra detto primo tubo e detto secondo tubo con una saldatura del tipo vetro-metallo.
20) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti elementi tubolari comprende mezzi di generazione di turbolenza in detto fluido termovettore all’interno di detto condotto.
21) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di generazione comprendono dei corpi di connessione delle superfici di delimitazione di detto condotto.
22) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di generazione comprendono almeno un turbolatore.
23) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di generazione comprendono almeno una protuberanza ricavata sulle superfici di delimitazione di detto condotto.
24) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di generazione comprendono almeno una aletta ricavata sulle superfici di delimitazione di detto condotto.
25) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di generazione comprendono almeno una scanalatura ricavata su almeno una delle superfici di delimitazione di detto condotto.
26) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di generazione sono deformabili in modo sostanzialmente elastico.
27) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno uno tra detto primo tratto tubolare e detto secondo tubo comprende un rivestimento spettralmente selettivo.
28) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti elementi tubolari è associato a mezzi di concentrazione dei raggi solari.
29) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di concentrazione sono elementi riflettenti sostanzialmente curvi.
30) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta turbolenza comprende un moto sostanzialmente elicoidale di almeno una parte di detto fluido termovettore.
31 ) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto fluido termovettore è sostanzialmente gassoso.
32) Collettore solare secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto fluido termovettore è sostanzialmente liquido.
33) Elemento tubolare associabile ad un collettore solare per il riscaldamento di un fluido termovettore che comprende almeno un condotto percorribile da un fluido termovettore e mezzi di scambio di calore tra almeno una fonte di irraggiamento e detto condotto, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di scambio di calore comprendono un primo tratto tubolare che è atto ad essere irraggiato da detta fonte di irraggiamento e al cui interno è longitudinalmente inserito un secondo tratto tubolare, detto condotto comprendendo un’intercapedine definita tra detto primo e detto secondo tratto.