MX2014012207A - Calentador solar con bajas perdidas termicas y metodos de instalacion del mismo. - Google Patents

Abstract

La presente invención describe un calentador solar constituido por una base y una cubierta exterior. La base aloja al menos una resistencia eléctrica, un tubo de entrada de líquido frío y un tubo de salida de líquido caliente. Por su parte, la cubierta aloja en su interior a un absorbedor solar cilíndrico formado por una superficie de absorción que tiene en su interior uno o más distanciadores que permiten que exista una cámara de líquido entre el interior de la superficie de absorción y el exterior de un termo-tanque. Finalmente, un tubo central atraviesa la cámara, el termo-tanque y la base; en donde el tubo central permite la comunicación fluida de la cámara y el interior del termo-tanque con el tubo de salida. El calentador está caracterizado porque el líquido está en contacto térmico con todas las porciones de la superficie de absorción. Asimismo, el termo-tanque presenta en su parte superior uno o más canales superiores y uno o más canales inferiores que permiten la comunicación fluida entre la cámara y el interior del termo-tanque. Más aún, la o las resistencias eléctricas están en contacto térmico con el exterior de la porción inferior de la superficie de absorción. Finalmente, el líquido alojado en la cámara circula por efecto termosifón y a través de los canales. La invención también incluye diversos métodos de instalación para optimizar el funcionamiento del calentador.

Description

CALENTADOR SOLAR CON BAJAS PÉRDIDAS TÉRMICAS Y MÉTODOS DE INSTALACIÓN DEL MISMO Esta solicitud de patente se relaciona con la Solicitud de Patente Internacional No. PCT/IB2012/051852 , titulada "MECANISMO CONTRA EL CONGELAMIENTO DEL CALENTADOR SOLAR", presentada el 14 de abril de 2012; la Solicitud de Patente Internacional No. PCT/IB2012/051853 , titulada "VÁLVULA REGULADORA DE LA TEMPERATURA DE SALIDA" , presentada el 14 de abril de 2012; y la Solicitud de Patente Internacional No. PCT/IB2012/051854, titulada "ACUMULADOR TÉRMICO DE MORTERO ULTRALIGERO PARA CALENTADORES SOLARES AUTOCONTENIDOS " , presentada el 14 de abril de 2012. La descripción completa de cada una de las anteriores se incorpora en su totalidad en el presente documento por referencia.

Campo técnico de la invención La presente invención se refiere al campo de los calentadores de agua a través de la energía térmica solar. En particular, esta invención consiste en un calentador solar, el cual proporciona novedosas ventajas sobre los calentadores solares del estado de la técnica.

Antecedentes de la invención Los calentadores solares son conocidos desde hace ya varios años. Actualmente constituyen una de las mejores soluciones para calentar un líquido de una manera ecológica y económica. No obstante lo anterior, existen una gran cantidad de calentadores solares en el estado de la técnica los cuales son ineficientes en la manera de captar la radiación solar que inciden sobre ellos, o bien también pueden ser ineficientes en la forma de conservar el calor almacenado en el liquido cuando la temperatura ambiente es baja, por ejemplo generalmente durante la noche. Por otra parte, los calentadores actuales no están correctamente adaptados para un uso híbrido con otra fuente de energía de respaldo. Finalmente, los calentadores solares que se encuentran comercialmente presentan componentes y elementos funcionales de compleja manufactura y alto costo.

Existen en el estado de la técnica algunos documentos de patente dirigidos a proporcionar un calentador solar de líquidos que permita resolver algunas de las desventajas descritas. A este respecto, la solicitud de patente internacional WO2007/112231 describe un absorbedor solar con una cubierta exterior transparente que aloja un primer contenedor que a su vez aloja un segundo contenedor aislado. El líquido se calienta por efecto termosifón que ocurre en el espacio entre ambos contenedores y se almacena ya caliente al interior del segundo contenedor. El primer contenedor posee una tapa superior roscada y el segundo contenedor está abierto en su parte superior. Una desventaja que presenta este calentador solar es que desaprovecha la conducción térmica de la tapa superior, ya que la superficie de dicha tapa nunca entra en contacto con el líquido, siendo que dicha superficie es una de las zonas mejor irradiadas durante el día. Otra desventaja es que en algunas de las modalidades descritas el absorbedor no tiene tubería de entrada y/o de salida, teniendo que llenar y vaciar el contenido manualmente desenroscando la tapa del primer contenedor y removiendo la cubierta exterior. Asimismo, el absorbedor posee una válvula de retención unidireccional para permitir el flujo del líquido desde el espacio entre contenedores hacia el interior del segundo contenedor. Sin embargo, otra desventaja que presenta esta invención es que esta válvula no reduce ni elimina substancialmente la pérdida de energía que sufriría este absorbedor cuando no haya incidencia de luz solar, por ejemplo durante la noche, en donde puede ocurrir un efecto de termosifón inverso que enfríe el líquido. Asimismo, tampoco presenta un sistema de respiradero o rebosadero. Adicionalmente, esta solicitud es obscura en cuanto al uso de resistencias eléctricas en casos en los que se requiere elevar la temperatura del líquido contenido debido a la falta de radiación solar suficiente. Finalmente, el calentador solar de esta invención carece de un mecanismo de seguridad que evite rupturas o daños si el líquido interior se congela o un mecanismo de seguridad que regule la temperatura de salida del líquido interior para evitar quemaduras a los usuarios si la temperatura del agua almacenada en el deposito del calentador es muy elevada.

Por otra parte, la solicitud de patente mexicana No.

MX/a/2010 / 005129 describe un calentador solar que comprende una cubierta exterior transparente que aloja en su interior un contenedor aislado excéntrico. La superficie exterior del contenedor está rodeada de un serpentín de 6 espiras en donde los rayos solares incidentes calientan al líquido al interior de dicho serpentín. El líquido se mueve por efecto de termosifón en donde el líquido regresa mediante seis conexiones localizadas en la parte superior del serpentín al interior del contenedor aislado y sale mediante seis conexiones localizadas en la parte inferior del contenedor al serpentín. Este calentador solar presenta la desventaja de desaprovechar la conducción térmica de la superficie superior del contenedor que es la que recibe mayor incidencia de rayos solares durante el día. De igual forma, esta invención sugiere el uso de una bomba para forzar un termosifón en caso de ser necesario lo que lo hace poco eficiente por desperdicio de energía eléctrica. Finalmente esta invención además sugiere el uso de un deflector que debe orientarse de manera adecuada para maximizar la absorción de rayos solares. Sin embargo, la orientación del deflector y de la excentricidad del contenedor interno dificultan la instalación para un usuario común. Finalmente, si bien el calentador solar de esta invención sugiere el uso de unas válvulas anti-retorno entre el depósito y el serpentín que buscan minimizar las pérdidas nocturnas por termosifón inverso, tiene la desventaja de que carece de un mecanismo de seguridad que evite rupturas o daños si el líquido interior se congela o un mecanismo de seguridad que evite que regule la temperatura de salida del líquido interior.

Finalmente, la solicitud de patente internacional No. PCT/MX2011/000054 describe un calentador solar de líquido que comprende una cubierta exterior transparente que aloja en su interior un contenedor aislado. La superficie exterior del contenedor está rodeada por una membrana elástica en donde los rayos solares incidentes calientan al líquido alojado entre la membrana y la superficie exterior del contenedor. El líquido se mueve por efecto de termosifón en donde el líquido regresa mediante una o más válvulas localizadas en la parte superior del contenedor y sale mediante una o más válvulas localizadas en la parte inferior del contenedor. Este calentador solar presenta la desventaja de desaprovechar la conducción térmica de la superficie superior del contenedor que es la que recibe mayor incidencia de rayos solares durante el día. De igual forma, esta invención sugiere el uso de una bomba para forzar un termosifón en caso de ser necesario lo que lo hace poco eficiente por desperdicio de energía eléctrica. Adicionalmente, el calentador contempla una atmósfera de gas inerte entre la cubierta exterior y el contenedor para aislar al calentador solar. Sin embargo, el uso del gas inerte se ve acompañado de una serie de componentes especiales para la carga y sellado de la atmósfera inerte, lo cual aumenta la dificultad y costos de manufactura. Más aún, el calentador colar posee un tubo central con aletas como respiradero y rebosadero. No obstante, las pérdidas térmicas que sufre el líquido interior ocasionadas por el puente térmico de dicho tubo central con el exterior es substancialmente importante durante la noche o cuando la temperatura del ambiente es menor a la del líquido. Todavía más aún, esta invención sugiere el uso de celdas solares con la intención de almacenar energía eléctrica para el funcionamiento de los componentes electrónicos del calentador, o por ejemplo la bomba sugerida. Sin embargo, las celdas solares son insuficientes para alimentar por ejemplo al sistema de resistencias eléctricas también ahí sugerido, y sus componentes elevan el costo y complejidad del calentador solar. Finalmente, esta invención además sugiere el uso de un deflector que debe orientarse de manera adecuada para maximizar la absorción de rayos solares. Sin embargo, la orientación del deflector dificulta la instalación para un usuario común. Finalmente, si bien el calentador solar de esta invención sugiere el uso de unas válvulas anti-retorno entre el depósito y el espacio entre la membrana y la superficie exterior del contenedor que buscan minimizar las pérdidas nocturnas por termosifón inverso, tiene la desventaja de que carece de un mecanismo de seguridad que evite rupturas o daños si el líquido interior se congela o un mecanismo de seguridad que evite que regule la temperatura de salida del líquido interior.

Con base en lo anterior, existe en el estado de la técnica la necesidad de un calentador solar que permita maximizar la eficiencia para calentar líquidos del absorbedor solar y al mismo tiempo minimizar las pérdidas del calor del líquido almacenado durante las horas nocturnas o cuando el clima esté frió. El calentador solar no deberá presentar unos componentes que compliquen su fabricación, ni que requiera de componentes adicionales costosos como bombas, celdas fotovoltaicas , entre otros. Al mismo tiempo, el calentador solar debe asegurar su integridad en caso de una helada que pudiera provocar daños al calentador. Asimismo, el calentador solar debe asegurar la integridad del usuario mediante un mecanismo que regule la temperatura de salida del líquido interior, evitando así algún tipo de quemadura o lesión. De igual forma, el calentador solar deberá asegurar un flujo de agua caliente constante deseado o esperado por el usuario, a través del uso alterno o combinado de otra fuente calorífica de respaldo. Asimismo, el calentador no deberá presentar complejidad de uso, montaje o instalación, ni deberá presentar incompatibilidades con los sistemas hidráulicos comunes existentes. Finalmente, el calentador solar deberá ser manufacturado con bajos costos de fabricación.

Objetivos de la invención Un objeto de la presente invención consiste en proporcionar un calentador solar de alta eficiencia térmica que permita maximizar la superficie de absorción de la radiación solar en su diseño y por tanto maximizar la eficiencia del absorbedor solar para calentar el líquido almacenado.

Otro objetivo de la presente invención consiste en que el calentador solar tenga mecanismos para minimizar las pérdidas del calor del líquido almacenado durante las horas nocturnas o en tiempo frió.

Asimismo, otro objetivo de la presente invención se refiere a que el calentador solar deberá mantener un flujo adecuado del líquido caliente determinado por el usuario mediante el uso alterno o combinado de una fuente calorífica de respaldo integrada en el propio calentador.

Todavía más aún, otro objetivo de la presente invención es que el calentador permita una fácil manufactura, ensamblado, transportación, instalación y uso, causando una reducción de los gastos de producción e instalación al no precisar para la misma de personal especializado gracias a su sencilla forma de instalación a diferencia de los actuales calentadores solares.

Breve descripción de las figuras Para proporcionar un mejor entendimiento de la invención se anexan los siguientes dibujos: La figura 1 se refiere a una vista en corte longitudinal del calentador solar en la modalidad preferida de la presente invención .

La figura 2 se refiere a una vista en corte longitudinal del calentador solar en una modalidad alternativa de la presente invención.

La figura 3A se refiere a una vista en corte longitudinal de la válvula termostática del calentador solar en una modalidad alternativa de la presente invención, en posición cerrada.

La figura 3B se refiere a una vista en corte longitudinal de la válvula termostática del calentador solar en una modalidad alternativa de la presente invención, en posición abierta .

La figura 4A se refiere a una vista en corte longitudinal del termo-tanque alojado al interior del calentador solar en una modalidad alternativa de la presente invención.

La figura 4B se refiere a una vista en corte transversal sobre la línea A-A de la figura 4A.

La figura 5A se refiere a una vista en corte transversal del termostato eléctrico del calentador solar en una modalidad alternativa de la presente invención, en posición de circuito cerrado .

La figura 5B se refiere a una vista en corte transversal del termostato eléctrico del calentador solar en una modalidad alternativa de la presente invención, en posición de circuito abierto .

La figura 6 corresponde a una vista en perspectiva de un primer sistema de instalación del calentador solar de la presente invención.

La figura 7A corresponde a una vista en perspectiva de un segundo sistema de instalación del calentador solar de la presente invención.

La figura 7B corresponde a una vista en detalle del segundo sistema de instalación del calentador solar de la presente invención.

La figura 8 corresponde a una vista en perspectiva de un tercer sistema de instalación del calentador solar de la presente invención.

La figura 9 corresponde a una vista en perspectiva de un cuarto sistema de instalación del calentador solar de la presente invención.

La figura 10A corresponde a una vista en perspectiva de un tipo de instalación que incluye un arreglo de calentadores solares de la presente invención.

La figura 10B corresponde a una vista en perspectiva de un tipo de instalación que incluye varios arreglos de calentadores solares de la presente invención.

Descripción detallada de la invención La invención se refiere a un calentador solar el cual está debidamente ilustrado en las figuras que acompañan la presente descripción. La figura 1 ilustra la modalidad preferida de un calentador solar de líquidos que está constituido por un cuerpo central substancialmente cilindrico formado por una base (11) y una cubierta exterior (3) . La cubierta (3) es transparente y tiene forma de domo debido a que su forma convexa exterior permite la absorción óptima de la radiación solar en las horas centrales del día. Adicionalmente, la forma de dicha cubierta es adecuada para evitar la acumulación de suciedad ya que es auto-limpiante con el agua de lluvia. Además, la forma de dicha cubierta es aerodinámica, lo que mejora la estabilidad ante grandes velocidades de viento que pueden tener lugar en las posiciones de colocación del calentador solar. Preferentemente, la base (11) está formada de un material aislante y constituye un fondo substancialmente circular. En la modalidad preferida, una junta (10) se localiza de manera periférica entre la cubierta (3) y la base (11) para lograr una unión hermética. En otra modalidad preferida, la cubierta transparente (3) se asegura mediante una pasta de silicona transparente o similar que permanece blanda para permitir su desmontaje cuando sea necesario .

Ahora bien, una pieza substancialmente circular con una orejeta (1) se fija mediante una tuerca de sujeción (2) a la cubierta (3) que a su vez se apoya sobre un separador (5). En la modalidad preferida, una junta (4) se localiza entre la cubierta (3) y el separador (5) para lograr una unión hermética. Preferentemente, el separador (5) está fabricado en un material no conductor para evitar que se produzca un puente térmico entre el termo-tanque y la cubierta transparente (3) que pudiera provocar fugas de calor del absorbedor solar al exterior. La pieza con orejeta (1) permite fijar la cubierta (3) a la estructura del calentador solar, sirve para roscar un tubo que hace las funciones de equilibrio atmosférico también conocido como jarro de aire y permite amarrar una cuerda que sirve para izar el calentador en su lugar de instalación, por ejemplo el techo de una vivienda. Más aún, en una modalidad alternativa, la pieza con orejeta (1) puede incluir marcas de estampación que se utilizarán como una marca de identificación.

La base (11) se apoya sobre el suelo y comprende un espacio necesario para permitir el alojamiento de al menos una resistencia eléctrica de respaldo (14) , un tubo de entrada (20) de líquido frío, un tubo de salida o de vaciado (12) de líquido caliente y la colocación al exterior de una caja de conexiones eléctricas (13 ) .

Apoyado sobre la base (11) y alojado herméticamente al interior de la cubierta (3) se encuentra un absorbedor solar que constituye el componente de absorción de radiación solar y de acumulación de un líquido caliente. Preferentemente, el absorbedor solar es substancialmente cilindrico. El absorbedor solar está formado por una superficie de absorción solar (7) que tiene en su interior uno o más distanciadores (9.5) que permiten que exista una cámara de líquido (25) entre la superficie (7) y un termo-tanque (9) . El termo-tanque (9) presenta en su parte superior uno o más canales superiores (18) que atraviesan al mismo y que permiten la comunicación fluida entre la parte superior de la cámara (25) y el interior del termo-tanque (9) . De igual forma, el termo- tanque (9) presenta en su parte de fondo uno o más canales inferiores (19) que atraviesan al mismo y que permiten la comunicación fluida entre el interior del termo-tanque (9) y la parte inferior de la cámara (25) . La cámara (25) permite la circulación por termosifón del líquido a calentar, tal y como se describirá más adelante .

Un tubo central (17) está acoplado por su extremo superior al separador (5) y por su extremo inferior a una conexión de tubo central (16) que en su parte inferior posee un tapón (15) que se apoya sobre el suelo. En el punto más alto al interior del termo-tanque (9), el tubo central (17) posee uno o más agujeros de salida (22) que permiten dirigir el líquido alojado al interior del termo-tanque (9) hacia el tubo de salida (12). Adicionalmente, el tubo central (17) posee uno o más agujeros de evacuación (23) que cumplen las funciones de tubo de equilibrio atmosférico, como se explicará más adelante. Finalmente, el tubo (17) brinda soporte a la estructura. Preferentemente, el termo-tanque (9) está fabricado en el material descrito en la Solicitud de Patente Internacional No. PCT/IB2012/ 051854, titulada "ACUMULADOR TÉRMICO DE MORTERO ULTRALIGERO PARA CALENTADORES SOLARES AUTOCONTENIDOS" , presentada el 14 de abril de 2012.

La figura 2 ilustra una modalidad alternativa del calentador solar hasta ahora descrito, en donde la modalidad incluye de manera opcional una válvula termostática (6) en lugar de los canales y un termo-tanque neumático (8) . Cabe señalar que la invención podría modificarse para incluir solamente uno de entre la válvula termostática (6) ó el termo-tanque neumático (8) . Como se observa en la figura 2, la válvula termostática (6) está montada preferentemente adyacente al separador (5) sobre la superficie (7), atravesando la cámara (25) y el termo-tanque en su parte superior, adentrándose hacia el interior del termo-tanque, nuevamente atravesando el termo-tanque en la parte de fondo, hasta llegar nuevamente a la cámara (25) en la parte inferior. Los componentes y el funcionamiento de dicha válvula termostática (6) se explicarán a continuación.

Con referencia a las figuras 3A y 3B, se ilustra la válvula termostática (6) de 2 vías (doble cierre) que está formada por una tapa y superficie de intercambio térmico (6.3) que se puede enroscar en un cuerpo superior (6.6) de la válvula (6) cerrándola herméticamente al disponer entre ellos una junta (6.4) . En el compartimiento entre la tapa (6.3) y el cuerpo (6.6) se monta un resorte (6.5) y un pistón móvil (6.8) . Una junta (6.7) asegura la hermeticidad y que el pistón (6.8) se pueda desplazar longitudinalmente en su alojamiento. La tapa (6.3) y el cuerpo (6.6) definen un compartimiento (6.1) que se rellena de un medio de acumulación térmico en estado sólido. En una modalidad, el cuerpo inferior de la válvula (6.13) es acoplado por unión roscada al cuerpo superior (6.6), y un vástago con doble disco de cierre (6.9) es acoplado por unión roscada al pistón móvil (6.8) . Finalmente, la válvula (6) es montada a través de una abertura en el termo-tanque. En una modalidad, el medio de almacenamiento térmico es parafina.

En la modalidad en donde el medio de acumulación térmico es parafina, el funcionamiento de la válvula (6) está basado en la propiedad de dilatación de volumen de la parafina cuando cambia de estado sólido a líquido. Como consecuencia de este cambio de estado, la parafina encerrada en el compartimiento (6.1) al calentarse por encima de los 502C desplaza al pistón móvil (6.8) contrayendo al resorte (6.5) desde la posición cerrada ilustrada en la figura 3A a la posición abierta de la figura 3B. El desplazamiento terminará cuando el volumen desplazado (6.2) por el pistón (6.8) sea igual al 10% del volumen de la parafina contenida en el compartimiento (6.1), definiendo así el recorrido de un espaciamiento (6.11) . El espaciamiento (6.11) se transmite al vástago (6.9) para abrir la comunicación entre la parte superior de la cámara (25) y el interior del termo-tanque mediante los orificios (6.10) y (6.12) en la dirección que muestra la flecha (6.16). De igual forma, el espaciamiento (6.11) transmitido al vástago (6.9) abre la comunicación entre la parte inferior interna del termo-tanque y la cámara (25) en su parte inferior mediante los orificios (6.14) y (6.15) en la dirección que muestra la flecha (6.17) estableciendo la circulación del líquido por termosifón.

Ahora bien, en la modalidad en donde el medio de acumulación térmico es parafina, en caso de disminución o ausencia de radiación solar, la temperatura en la superficie (7) y en la tapa (6.3) descenderá la temperatura por debajo de 552C comenzando la solidificación y disminución del volumen de la parafina. Cuando la parafina se ha solidificado completamente y la válvula (6) vuelva a la posición cerrada de la figura 3A, se incomunica el líquido almacenado en el interior del termo-tanque con el líquido contenido en la cámara (25) impidiendo así el flujo por termosifón inverso y las pérdidas de calor que se originan por el mismo.

Atendiendo ahora a las figuras 4A y 4B, el termo-tanque neumático (8) de una modalidad alternativa está formado por una pared exterior (8.2) y una pared interior (8.3) substancialmente cilindras con tapa y fondo concéntricos y equidistantes. Preferentemente, las paredes (8.2) y (8.3) están formadas de un material impermeable. Adicionalmente, las paredes (8.2) y (8.3) cuentan con la suficiente rigidez mecánica para permitir que un volumen interior (8.4) delimitado entre ellas sea rellenado con un arreglo de sacos neumáticos laterales (8.1) y unos sacos neumáticos superiores e inferiores (8.6) que constituyen unos sacos elásticos herméticos que están rellenos de aire a presión ligeramente superior a la atmosférica. Los sacos (8.1) y (8.6) ocupan el 50% del volumen interior del termo-tanque (8.4), mientras que el otro 50% del volumen interior (8.4) se rellena con un medio de almacenamiento térmico que se distribuye mayoritariamente en contacto con las paredes (8.2) y (8.3). Una tapa de relleno (8.8) permite que el volumen (8.4) sea llenado con el medio de almacenamiento térmico. En una modalidad, el medio de almacenamiento térmico es parafina con una temperatura de cambio de fase mayor a 502C capaz de almacenar calor durante su cambio de estado de sólido a líquido a razón de 50Kcal/Kg y cederlo cuando se solidifica.

La finalidad de dotar al termo-tanque neumático (8) de la modalidad alternativa con este arreglo de sacos (8.1) y (8.6) de aire y medio de acumulación térmico, es formar una capa que haga las funciones de aislamiento (dada la baja conductividad del aire y del medio de acumulación térmico) y de volante térmico (aprovechando la propiedad del medio de acumulación térmico) .

En la modalidad en donde el medio de acumulación térmico es parafina, estos cambios de estado suceden con una variación del volumen de la parafina del 10%, los sacos neumáticos (8.1) y (8.6) absorben dicha variación en lugar de las paredes (8.2) y (8.3) que por su rigidez presentan más resistencia que los sacos neumáticos (8.1) y (8.6). Las pérdidas de calor almacenado por el líquido en el interior del termo-tanque (8) se producen cuando cesa la radiación solar y desciende la temperatura de la superficie de absorción (7) y el líquido que está en contacto con ella en la cámara (25) . Al establecerse una diferencia de temperaturas entre la cámara (25) y el interior del termo-tanque (8) comienzan las pérdidas de calor del termo-tanque (8) . Estas pérdidas responden a la fórmula Q = At x ? en donde : Q: Cantidad de calor perdido en Kcal/h.

At : Diferencia de temperatura del liquido frío y caliente en 2C.

?: Coeficiente de conductividad térmica en w/m/ak/h.

Por lo que las pérdidas calculadas para el aire son de 0.01 w/m/2k/h, mientras que para la parafina son de 0.02 w/m/2k/h.

A este respecto, cuanto más se reduzca el At menores serán las pérdidas de calor. El calor acumulado en la parafina es cedido al líquido contenido en la cámara (25) que constituye aproximadamente un 8% del líquido total manteniéndolo a temperaturas próximas a las del cambio de fase (502C) con poco aporte de calor debido a su pequeño volumen. Por lo tanto, con esta configuración del termo-tanque se reduce el At, con lo que se reducen las pérdidas de calor Q.

Adicionalmente, el termo-tanque neumático (8) posee unas aberturas de alojamiento (8.7) del tubo central (17) y una abertura de alojamiento (8.9) de la válvula termostática (6), como se ilustran en la figura 4A. Así mismo, sobre la pared exterior (8.2) van fijados los distanciadores (9.5) para asegurar la separación entre dicha pared exterior (8.2) y la superficie de absorción solar (7) . En el interior del termo-tanque (8) es donde se almacena el líquido calentado por la radiación solar.

Por lo que respecta a la modalidad preferida de la figura 1 o la modalidad alternativa de la figura 2, la invención presenta un termostato eléctrico (21) que está colocado preferentemente en algún punto sobre la superficie de absorción solar (7) . Dicho termostato eléctrico (21) está conectado eléctricamente a la caja de conexiones eléctricas (13) que se aloja en la base (11) . El termostato eléctrico (21) mide la temperatura a la cual se debe activar o desactivar la resistencia eléctrica de respaldo (14) .

Las figuras 5A y 5B ilustran de manera detallada una modalidad alternativa de termostato (21), el cual se describe a continuación. El termostato (21) comprende una base (21.4) que se acopla a la superficie de absorción solar (7) y un cuerpo (21.3) acoplado por uno de sus extremos a dicha base (21.4) . En la modalidad descrita, la base metálica (21.4) está fabricada en un material metálico con buena conductividad térmica y el cuerpo (21.3) está fabricado en un material dieléctrico. Preferentemente, el cuerpo (21.3) está acoplado a la base (21.4) mediante una unión hermética. Entre la base (21.4) y el interior del cuerpo (21.3) se forma un compartimiento (21.11) que aloja un pistón móvil (21.7) acoplado por uno de sus extremos a un resorte (21.6) mediante una pieza de montaje (21.5) . Adicionalmente, el compartimiento (21.11) se llena de un medio de acumulación térmico. Además, una junta (21.2) permite el desplazamiento longitudinal del pistón móvil (21.7) sin que se produzcan fugas a través del cuerpo (21.3) . En el otro extremo del pistón móvil (21.7) está montada una parte móvil de contacto eléctrico (21.8) mediante un tornillo (21.9) que mantienen normalmente a unas terminales (21.1) en posición de contacto cerrado. Finalmente, se coloca una tapa de protección (21.10) del contacto eléctrico en el otro de sus extremos .

En la modalidad en donde el medio de acumulación térmico es parafina, la base (21.4) de intercambio térmico está completamente en contacto con la superficie de absorción (7) del calentador solar. Cuando dicha superficie es calentada por la radiación solar y su temperatura aumenta por encima de 50 eC la parafina del compartimiento (21.11) empieza a cambiar de estado y a aumentar su volumen desplazando al pistón móvil (21.7) y comprimiendo al resorte (21.6) abriendo así el contacto eléctrico (21.8) como se muestra en la figura 5B. El desplazamiento de un espaciamiento (21.12) efectuado por el pistón (21.7) finalizado el cambio de fase corresponde al 10% del volumen de la parafina.

Ahora bien, cuando cese o disminuya la radiación solar y la temperatura de la superficie de absorción solar (7) sea inferior a 502C, la parafina del compartimiento (21.11) volverá a su estado sólido y cerrará de nuevo el contacto eléctrico (21.8) como se muestra en la figura 5A, provocando que la resistencia eléctrica de respaldo (14) se ponga en funcionamiento .

Atendiendo nuevamente a las figuras 1 y 2 , la o las resistencias eléctricas de respaldo (14) están en contacto directo con la parte inferior de la superficie exterior de absorción solar (7) . La o las resistencias (14) están aisladas en su alrededor para evitar fugas del calor hacia el exterior. De esta manera las resistencias (14) no están en contacto directo con el líquido alojado al interior del termo-tanque sino que transmiten el calor a través de la superficie (7) exterior del absorbedor solar, lo que puede evitar la posibilidad de algún corto circuito. De igual forma, al no estar en contacto las resistencias con el líquido, evitan la precipitación de sedimentos sólidos alrededor de las mismas, lo que permite un mayor tiempo de vida de las resistencias y una mayor eficiencia térmica en su funcionamiento. Asimismo, en conjunto, el calentamiento forzado por las resistencias a la cámara de líquido (25) hace que esta cámara de líquido (25) calentado por las resistencias constituya una barrera térmica que permite disminuir la transferencia de calor del líquido almacenado en el interior del termo-tanque, hacia el exterior del calentador solar. Los cables de conexión de las mismas transcurren por el interior de la base (11) hasta la caja de conexiones eléctricas (13) . Cabe aclarar que la cantidad y potencia de las resistencias pueden ser seleccionadas de conformidad con las necesidades de un usuario o de una región de uso.

En otra modalidad alternativa, las resistencias de respaldo pueden controlarse de manera manual o estar controladas por un microprocesador con medios para detectar la temperatura del líquido en el interior del depósito de acumulo de líquido caliente. Este microprocesador esta preparado para regular la temperatura de conexión y desconexión de las resistencias eléctricas de respaldo. El microprocesador podrá instalarse en el lugar que decida el usuario y mediante una pantalla electrónica le proporciona una lectura constante de la temperatura de liquido caliente. Asimismo, si el usuario desea evitar el consumo eléctrico de la resistencia de respaldo en ciertas épocas del año bastará con que desconecte el interruptor del las resistencias del microprocesador de control de temperatura .

Durante su funcionamiento, el calentador solar de la modalidad preferida ilustrada en la figura 1 es llenado con el líquido, generalmente frío, a calentar a través del tubo de entrada (20) . El líquido frío entra al calentador solar por la cámara de líquido (25) en donde va obteniendo calor gracias al intercambio térmico por contacto con la superficie de absorción solar (7) . El líquido al calentarse, disminuye su densidad, por lo que asciende. La superficie de absorción solar (7) está caliente principalmente debido a la radiación solar incidente y/o a las resistencias eléctricas (14) . El efecto de termosifón promueve el movimiento del líquido más caliente hacia la parte superior de la cámara (25) en donde el líquido puede ingresar a través del o de los canales (18) al interior del termo-tanque (9) hasta que la altura del nivel de líquido se iguala al nivel en donde el líquido caliente comienza a salir por el o los agujeros de salida (22) localizados en el tubo central (17) . Finalmente, el o los canales inferiores (19) permiten que el líquido que se va enfriando localizado más abajo en el termo-tanque (9) sea desplazado nuevamente a la cámara (25) para recircular por termosifón. La forma en que los canales (18, 19) están colocados de manera substancialmente perpendicular a la superficie del termo-tanque (9) permiten provocar un efecto de "ojo de agua" en donde el líquido solamente fluye a través de estos canales cuando existe un cambio de densidad en el líquido y de esta manera se dificulta la posibilidad de un termosifón inverso cuando la temperatura del líquido en la cámara de líquido (25) es inferior a la temperatura del líquido en el interior del termo-tanque (9) evitando así la instalación de válvulas antirretorno con elementos móviles que pueden ser susceptibles de bloquearse por los sólidos disueltos en el liquido almacenado con el paso del tiempo.

Este sistema de suministro de líquido caliente es más eficiente que otros sistemas de evacuación de contenedores de calentadores solares del estado de la técnica, ya que el agujero de salida (22) está fijo en un punto que siempre está inundado del líquido. Para evitar que el agua rebose del calentador solar el tubo central (17) además funciona como un jarro de aire (tubo de equilibrio atmosférico) y en conjunto con el agujero de evacuación (23) . El agu ero de evacuación (23) permite mantener el termo-tanque (9) siempre inundado del líquido y ese líquido esté en contacto permanente con la superficie superior horizontal del absorbedor solar que es la parte más eficiente por ser la que más radiación recibe.

Toda esta masa que se calienta por medio de la radiación solar y por las resistencias eléctricas, emite calor en forma de radiación infrarroja, que en gran parte no puede salir de nuevo al exterior debido a que la radiación infrarroja rebota contra la superficie interior de la cubierta exterior (3), quedando esa radiación atrapada en la zona de aire contenido que se forma entre la cubierta exterior (3) y la superficie (7) haciendo así un efecto invernadero. Cuando la temperatura en la zona es superior a la de la superficie de absorción (7) se transmite ese diferencial de temperatura por convección al liquido incrementando la eficiencia térmica del calentador solar objeto de esta invención. Asimismo, la forma de la cubierta (3) permite recibir la radiación solar en cualquier orientación durante todo el período diurno con mayor eficacia incluso que las superficies planas orientadas al sur con la inclinación correspondiente a la latitud a la que estas se encuentran, puesto que la suma de la radiación solar recibida en toda la superficie de un absorbedor solar substancialmente cilindrico a lo largo de todas las horas diurnas es superior a la suma de la radiación solar recibida sobre una superficie plana cuya absorción solar es eficiente principalmente en las horas centrales del día.

Con lo anterior, el calentador solar puede ser instalado en un lugar soleado sin que se requiera de una orientación o inclinación determinadas, lo que simplifica su instalación. Asimismo, al estar toda la superficie del absorbedor (7) inundada de líquido, particularmente incluyendo su parte superior, el calor que se recibe en la parte superior y cuerpo se transmite directamente al liquido a calentar de manera más eficiente que en las invenciones conocidas en el estado de la técnica en que la superficie de contacto directo entre el absorbedor y el líquido a calentar es substancialmente menor.

Durante su funcionamiento, el calentador solar de la modalidad alternativa ilustrada en la figura 2, el efecto de termosifón promueve el movimiento del líquido más caliente hacia la parte superior de la cámara (25) en donde el líquido puede ingresar a través de la válvula termostática (6) al termo-tanque (8) . Cuando la temperatura del líquido alcanza la temperatura de cambio de fase del medio de acumulación térmico de funcionamiento en la válvula termostática (6), el líquido a dicha temperatura va ingresando al interior del termo-tanque (8) . A pesar de que el termo-tanque neumático (8) está dotado del medio de acumulación térmica, con todas las ventajas técnicas anteriormente descritas para mantener lo más posible el calor del líquido ahí contenido, la válvula (6) permite que el líquido que se va enfriando localizado más abajo en el termo-tanque (8) sea desplazado nuevamente a la cámara (25) para recircular por termosifón. El resto del funcionamiento de vaciado del termo-tanque es igual al de la modalidad preferida.

Para mejorar aún más las ventajas inicialmente descritas en el cuerpo de la presente descripción, el calentador solar puede incluir en conjunto un mecanismo como el descrito en la Solicitud de Patente Internacional No. PCT/IB2012/ 051852 , titulada "MECANISMO CONTRA EL CONGELAMIENTO DEL CALENTADOR SOLAR", presentada el 14 de abril de 2012, así como una válvula como la descrita en la Solicitud de Patente Internacional No. PCT/IB2012/051853, titulada "VÁLVULA REGULADORA DE LA TEMPERATURA DE SALIDA", presentada el 14 de abril de 2012.

Atendiendo ahora a la figura 6 se muestra un primer método de instalación del calentador solar de la presente invención. En este primer método de instalación el calentador solar se alimenta por gravedad desde un contenedor situado sobre una base de altura igual o superior al calentador solar. El método comprende los pasos de: colocar un contenedor atmosférico de líquido frío a una altura igual o superior a la altura del calentador solar; conectar el tubo de entrada de líquido frío desde el contenedor al calentador solar, por encima de la altura del calentador solar; colocar un tubo de equilibrio atmosférico con filtro de aire con una altura superior a la del nivel de trabajo del contenedor; y conectar la salida de agua caliente del calentador solar al suministro hidráulico. En la modalidad preferida de la invención, el contenedor puede ser un tinaco. Con este primer método de instalación se consigue que la alimentación de líquido frío desde el contenedor al calentador solar se haga por vasos comunicantes sin requerir de elementos de control hidráulico que pueden ya estar incluidos en el contenedor, como por ejemplo una válvula flotadora. Cabe señalar que el primer paso de conectar el tubo de entrada de líquido frío por encima de la altura del calentador solar permite evitar la necesidad de instalar válvula anti-retorno .

En una modalidad alternativa del primer método, el método además puede incluir conectar la salida de agua caliente del calentador solar a la entrada de un medio de calentamiento adicional del líquido. En una modalidad, el medio de calentamiento puede ser un boiler. En el caso del medio de calentamiento, el calentador solar puede carecer de las resistencias de respaldo (14) .

Atendiendo ahora a la figura 7A se muestra un segundo método de instalación del calentador solar de la presente invención. En este segundo método de instalación el calentador solar se alimenta por gravedad desde un contenedor cuya base tiene una altura inferior a la del calentador solar. El método comprende los pasos de: colocar un contenedor atmosférico cuya base tiene una altura inferior a la del calentador solar; conectar el tubo de entrada de líquido frío desde el contenedor al calentador solar; colocar una válvula anti-retorno entre el contenedor y el calentador solar (como se ilustra en la figura 7B) ; colocar un tubo de equilibrio atmosférico con filtro de aire con una altura superior a la del nivel de trabajo del contenedor; y conectar la salida de agua caliente del calentador solar al suministro hidráulico. En la modalidad preferida de la invención, el contenedor puede ser un tinaco. Con este segundo método de instalación se consigue la válvula anti-retorno evite que el agua caliente del calentador solar pueda fugarse por la tubería de alimentación de líquido frío, y se logra evitar el uso de elementos de control hidráulico que pueden ya estar incluidos en el contenedor, como por ejemplo una válvula flotadora.

En una modalidad alternativa del segundo método, el método además puede incluir conectar la salida de agua caliente del calentador solar a la entrada de un medio de calentamiento adicional del líquido. En una modalidad, el medio de calentamiento puede ser un boiler. En el caso del medio de calentamiento, el calentador solar puede carecer de las resistencias de respaldo (14) .

Atendiendo ahora a la figura 8 se muestra un tercer método de instalación del calentador solar de la presente invención. En este tercer método de instalación el calentador solar se alimenta por gravedad desde un contenedor atmosférico situado sobre el calentador solar. El método comprende los pasos de: colocar un contenedor de líquido frío situado sobre el calentador solar; conectar el tubo de entrada de líquido frío desde el contenedor al calentador solar; colocar un tubo de equilibrio atmosférico con filtro de aire con una altura superior a la del nivel de trabajo del contenedor; y conectar la salida de agua caliente del calentador solar al suministro hidráulico. En la modalidad preferida de la invención, el contenedor puede ser un tinaco. Con este tercer método de instalación, al igual que en el primer y segundo métodos anteriormente explicados, se consigue que la alimentación de líquido frío desde el contenedor al calentador solar se haga por vasos comunicantes sin requerir de elementos de control hidráulico que pueden ya estar incluidos en el contenedor, como por ejemplo una válvula flotadora. En este tipo de instalación el calentador solar sustituye en su totalidad al medio de calentamiento adicional. Preferentemente, en este caso el calentador solar incluye el uso de las resistencias de respaldo (14) .

Atendiendo ahora a la figura 9 se muestra un cuarto método de instalación del calentador solar de la presente invención. En este cuarto método de instalación el calentador solar se alimenta por un sistema presurizado. En una modalidad preferida, el sistema presurizado puede provenir de una red exterior de suministro o bien de un sistema hidroneumático . El método comprende los pasos de: conectar el suministro de líquido frío a un deposito de expansión a una altura substancialmente adecuada, el depósito comprende una válvula de suministro; conectar un tubo que se conecta a la entrada de líquido frío del calentador solar que alimenta de líquido frío a una presión equivalente a la altura a la que está instalado el deposito de expansión; y conectar la salida de agua caliente del calentador solar al suministro hidráulico. Cabe señalar que el primer paso que incluye conectar el suministro de líquido frío a un depósito de expansión evita la necesidad de instalar una bomba aceleradora en la salida de agua caliente debido a que la altura a la que se encuentra instalado el depósito de expansión permite crear una presión suficiente de columna de agua como para vencer la presión del sistema hidráulico.

Adicionalmente, la figura 10A ilustra un tipo de instalación en anillo en donde varios calentadores solares de la presente invención son conectados en serie unos con otros mediante vasos comunicantes. En el centro un vaso de expansión comunica el circuito de agua con la atmósfera así como dentro del depósito atmosférico hay instalada una válvula solenoide comandada eléctricamente para el suministro del líquido frío al anillo procedente de una instalación hidráulica a presión.

Finalmente, la figura 10B ilustra un tipo de instalación para largos grupos de vivienda, hoteles o condominios. La ventaja de este tipo de instalación sobre las instalaciones unitarias de boiler por cada unidad condominal es el coeficiente de simultaneidaq ya que al suministrar el anillo a un grupo de viviendas se puede utilizar el factor de que no todos los usuarios van a utilizar a la vez el agua caliente para dimensionar la instalación a un 75% del tamaño unitario de la misma. El mismo principio sería aplicable al consumo del respaldo eléctrico al estar prorrateado entre todos los usuarios .

Aunque las modalidades específicas de la invención se han descrito anteriormente con detalle, la descripción es simplemente para los propósitos de ilustración. Por lo tanto, se debe apreciar que muchos aspectos de la invención se describieron anteriormente a manera de ejemplo solamente y no se planearon como elementos requeridos o esenciales de la invención, salvo que se establezca explícitamente de otro modo. Varias modificaciones de, y pasos equivalentes correspondientes a los aspectos descritos de las modalidades alternativas, además de ésos descritos anteriormente, se pueden realizar por una persona con experiencia ordinaria en la técnica que tenga el beneficio de esta descripción, sin desviarse del espíritu y alcance de la invención, definidos en las siguientes reivindicaciones, cuyo alcance se va a otorgar a la más amplia interpretación para abarcar tales modificaciones y estructuras equivalentes .

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un calentador solar constituido por una base y una cubierta exterior, en donde: la base aloja al menos una resistencia eléctrica, un tubo de entrada de líquido frío y un tubo de salida de líquido caliente; la cubierta aloja en su interior a un absorbedor solar cilindrico formado por una superficie de absorción que tiene en su interior uno o más distanciadores que permiten que exista una cámara de líquido entre el interior de la superficie de absorción y el exterior de un termo-tanque; y un tubo central atraviesa la cámara, el termo-tanque y la base; en donde el tubo central posee en el punto más alto del interior del termo-tanque uno o más agujeros de salida en comunicación fluida con el tubo de salida, y además posee a la altura de la cámara uno o más agujeros de evacuación en comunicación fluida con el tubo de salida; caracterizado porque: el líquido está en contacto térmico directo con las porciones inferior, laterales y superior de la superficie de absorción; el termo-tanque presenta en su parte superior uno o más canales superiores colocados de manera perpendicular a la superficie superior del termo-tanque que permiten la comunicación fluida entre la cámara y el interior del termo-tanque, y en su parte de fondo uno o más canales inferiores colocados de manera perpendicular al superficie de fondo del termo-tanque que permiten la comunicación fluida entre el interior del termo- tanque y la cámara; la o las resistencia eléctricas están en contacto térmico con el exterior de la porción inferior de la superficie de absorción; y el líquido alojado en la cámara circula por efecto termosifón y fluye hacia el interior del termo-tanque por el o los canales superiores y desde el interior del termo-tanque el o los canales inferiores debido al cambio de densidad del líquido .

2. El calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde una pieza con orejeta que se fija de manera hermética a la cubierta que a su vez se apoya de manera hermética sobre un separador que a su vez se acopla de manera hermética al extremo superior del tubo central, en donde la pieza con orejeta permite fijar la cubierta, permite roscar un tubo de equilibrio atmosférico y permite amarrar una cuerda para izar el calentador durante su instalación.

3. El calentador solar de conformidad con la reivindicación 2, en donde la pieza con orejeta puede incluir marcas de estampación como marcas de identificación.

4. El calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde la base y el termotanque están formados de un material aislante, y la base puede alojar una caja de conexiones eléctricas y constituye un fondo substancialmente circular.

5. El calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde la cubierta es transparente, tiene forma de domo y está unida a la base en forma hermética.

6. El calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde el extremo inferior del tubo central está acoplado a una conexión que en su parte inferior posee un tapón que se apoya sobre el suelo, en donde el tubo central brinda soporte al calentador solar.

7. El calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde al menos uno de los canales superiores y al menos uno de los canales inferiores alojan una válvula termostática que atraviesa desde la parte superior de la cámara, el termo-tanque en su parte superior, el termo-tanque en la parte de fondo, hasta llegar nuevamente a la parte inferior de la cámara, en donde la válvula termostática comprende : una tapa y superficie de intercambio térmico acoplada herméticamente a un cuerpo superior de la válvula, en el compartimiento entre la tapa y el cuerpo se monta un resorte y un pistón móvil, en donde el compartimiento está relleno de un medio de acumulación térmico, y un vástago con doble disco de cierre está acoplado por al pistón móvil, en donde el primer disco de cierre bloquea la comunicación fluida entre la cámara y el interior del termo-tanque y el segundo disco de cierre bloquea la comunicación fluida entre el interior del termo-tanque y la cámara.

8. El calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde el termo-tanque está formado por una superficie exterior y una superficie interior, en donde un volumen interior delimitado entre ambas superficies está relleno con un arreglo de sacos neumáticos elásticos herméticos rellenos de aire a presión y el resto del volumen interior está relleno con un medio de almacenamiento térmico, y el termo-tanque además posee una tapa de relleno.

9. El calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde un termostato está acoplado en comunicación térmica a la superficie de absorción, en donde el termostato aloja en su interior un compartimiento que posee un pistón móvil acoplado por uno de sus extremos a un resorte y el otro extremo del pistón móvil está acoplado a un contacto eléctrico, en donde el compartimiento está relleno de un medio de acumulación térmico.

10. El calentador solar de conformidad con la reivindicación 7, 8 ó 9, en donde el medio de almacenamiento térmico es parafina.

11. Un método de instalación del calentador solar según la reivindicación 1, que incluye los pasos de: colocar un contenedor de líquido frío atmosférico a una altura igual o superior a la altura del calentador solar; conectar el tubo de entrada de líquido frío desde el contenedor al calentador solar, por encima de la altura del calentador solar; colocar un tubo de equilibrio atmosférico con una altura superior a la del nivel de trabajo del contenedor; y conectar la salida de agua caliente del calentador solar al suministro hidráulico.

12. Un método de instalación del calentador solar según la reivindicación 1, que incluye los pasos de: colocar un contenedor atmosférico cuya base tiene una altura inferior a la del calentador solar; conectar el tubo de entrada de líquido frío desde el contenedor al calentador solar; colocar una válvula anti -retorno entre el contenedor y el calentador solar; colocar un tubo de equilibrio atmosférico con una altura superior a la del nivel de trabajo del contenedor; y conectar la salida de agua caliente del calentador solar al suministro hidráulico.

13. El método de instalación de conformidad con la reivindicación 11 ó 12, que además incluye el paso de: conectar la salida de agua caliente del calentador solar a la entrada de un medio de calentamiento adicional del líquido.

14. Un método de instalación del calentador solar según la reivindicación 1, que incluye los pasos de: colocar un contenedor atmosférico de líquido frío situado sobre el calentador solar; conectar el tubo de entrada de líquido frío desde el contenedor al calentador solar; colocar un tubo de equilibrio atmosférico con una altura superior a la del nivel de trabajo del contenedor; y conectar la salida de agua caliente del calentador solar al suministro hidráulico.

15. Un método de instalación del calentador solar según la reivindicación 1, que incluye los pasos de: conectar el suministro de líquido frío a un deposito de expansión a una altura substancialmente adecuada, el depósito comprende una válvula de suministro; conectar un tubo que se conecta a la entrada de líquido frío del calentador solar que alimenta de líquido frío a una presión equivalente a la altura a la que está instalado el deposito de expansión; y conectar la salida de agua caliente del calentador suministro hidráulico.