WO2013153421A1 - Mecanismo contra el congelamiento del calentador solar - Google Patents

Mecanismo contra el congelamiento del calentador solar Download PDF

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WO2013153421A1
WO2013153421A1 PCT/IB2012/051852 IB2012051852W WO2013153421A1 WO 2013153421 A1 WO2013153421 A1 WO 2013153421A1 IB 2012051852 W IB2012051852 W IB 2012051852W WO 2013153421 A1 WO2013153421 A1 WO 2013153421A1
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WO
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solar heater
compartment
piston
spring
closing
Prior art date
Application number
PCT/IB2012/051852
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English (en)
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Inventor
Andrés MUÑOZ RUIZ
Original Assignee
Fricaeco America Sapi De Cv
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/002—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by temperature variation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K11/00—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves
    • F16K11/02—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit
    • F16K11/04—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only lift valves
    • F16K11/048—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only lift valves with valve seats positioned between movable valve members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S40/00—Safety or protection arrangements of solar heat collectors; Preventing malfunction of solar heat collectors
    • F24S40/70—Preventing freezing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the present invention relates to the field of water heaters through solar thermal energy.
  • this invention consists of a mechanism for preventing the freezing of the liquid stored in a solar heater, which provides novel advantages over the state-of-the-art solar heaters. Background of the invention
  • Solar heaters have been known for several years. Currently they are one of the best solutions to heat a liquid in an ecological and economic way. Notwithstanding the foregoing, there are a large number of solar heaters in the state of the art which are inefficient in the way of capturing the solar radiation that affect them, or they can also be inefficient in the way of conserving the heat stored in the liquid when the ambient temperature is low, for example generally during the night. On the other hand, current heaters are not properly adapted for hybrid use with another backup power source. Finally, commercially available solar heaters feature components and functional elements of complex manufacturing and high cost.
  • the collector has no inlet and / or outlet pipe, having to fill and empty the contents manually by unscrewing the lid of the first container and removing the outer cover.
  • the collector has a unidirectional check valve to allow the flow of liquid from the space between containers into the second container.
  • this valve does not substantially reduce or eliminate the loss of energy that this collector would suffer when there is no incidence of sunlight, for example at night, where a reverse thermosiphon effect can occur that cool the liquid. It also does not have a vent or overflow system. Additionally, this request is obscure in terms of the use of electrical resistances in cases in which it is required to raise the temperature of the liquid contained due to the lack of sufficient solar radiation.
  • the solar heater of this invention lacks a safety mechanism that prevents breakage or damage if the inner liquid freezes or a safety mechanism that regulate the outlet temperature of the inner liquid to avoid burns to the users if the temperature of the water stored in the heater tank is very high.
  • Mexican patent application No. MX / a / 2010/005129 describes a solar heater comprising a transparent outer cover that houses an eccentric insulated container inside.
  • the outer surface of the container is surrounded by a 6-coil coil where the incident solar rays heat the liquid inside the coil.
  • the liquid moves by thermosiphon effect where the liquid returns through six connections located in the upper part of the coil inside the insulated container and leaves through six connections located in the lower part of the container to the coil.
  • This solar heater has the disadvantage of missing out on the thermal conduction of the upper surface of the container, which is the one that receives the highest incidence of sunlight during the day.
  • this invention suggests the use of a pump to force a thermosiphon if necessary, which makes it inefficient due to waste of electrical energy.
  • this invention also suggests the use of a baffle that must be properly oriented to maximize the capture of solar rays.
  • the orientation of the deflector and the eccentricity of the internal container make installation difficult for a common user.
  • the solar heater of this invention suggests the use of non-return valves between the tank and the coil that seek to minimize night losses by reverse thermosiphon, it has the disadvantage that it lacks a safety mechanism that prevents breakage or damage if the inner liquid freezes or a safety mechanism that regulate the outlet temperature of the inner liquid.
  • the international patent application No. PCT / MX2011 / 000054 describes a liquid solar heater comprising a transparent outer cover that houses an insulated container inside.
  • the outer surface of the container is surrounded by an elastic membrane where the incident solar rays heat the liquid lodged between the membrane and the outer surface of the container.
  • the liquid moves by thermosiphon effect where the liquid returns through one or more valves located in the upper part of the container and exits through one or more valves located in the lower part of the container.
  • This solar heater has the disadvantage of missing out on the thermal conduction of the upper surface of the container, which is the one that receives the highest incidence of sunlight during the day.
  • this invention suggests the use of a pump to force a thermosiphon if necessary, which makes it inefficient due to waste of electrical energy.
  • the heater contemplates an inert gas atmosphere between the outer cover and the container to insulate the solar heater.
  • gas Inert is accompanied by a series of special components for loading and sealing the inert atmosphere, which increases the difficulty and manufacturing costs.
  • the colar heater has a central tube with fins as a vent and overflow.
  • the thermal losses suffered by the inner liquid caused by the thermal bridge of said central tube with the outside is substantially important during the night or when the ambient temperature is lower than that of the liquid.
  • this invention suggests the use of solar cells with the intention of storing electrical energy for the operation of the electronic components of the heater, or for example the suggested pump.
  • solar cells are insufficient to feed, for example, the electrical resistance system also suggested there, and its components increase the cost and complexity of the solar heater.
  • this invention also suggests the use of a deflector that must be properly oriented to maximize the capture of solar rays.
  • the orientation of the baffle makes installation difficult for a common user.
  • the solar heater of this invention suggests the use of non-return valves between the tank and the space between the membrane and the outer surface of the container that seek to minimize night losses by reverse thermosiphon, it has the disadvantage that it lacks of a safety mechanism that prevents breakage or damage if the liquid inside is frozen or a safety mechanism that regulates the outlet temperature of the inner liquid.
  • German patent application DE19529463 describes a relief valve for solar water heater, where water from a solar collector flows into a hot water storage tank. Cold water is pumped through a pump through the three-way relief valve and two positions in the manifold.
  • the relief valve houses a cavity above a free piston with a sealing ring, which floats on an oil cushion. When water freezes in the cavity, the piston depresses the valve slider and plunger, connecting the water outlet to a drain outlet. Additionally, the valve prevents overheating, where a wax plug housed in a measuring vessel pushes the oil through a capillary towards the cushion, thereby achieving a similar effect where water is directed to the outlet of sewer system.
  • the solar heater must not present components that complicate its manufacture, nor that require additional expensive components such as pumps, photovoltaic cells, among others.
  • the solar heater must ensure its integrity in case of a frost that could cause damage to the heater.
  • the solar heater must ensure the integrity of the user by means of a mechanism that regulates the outlet temperature of the inner liquid, thus avoiding some type of burn or injury.
  • the solar heater must ensure a constant hot water flow desired or expected by the user, through the alternate or combined use of another backup heat source.
  • the heater must not present complexity of use, assembly or installation, nor should it present incompatibilities with the existing common hydraulic systems.
  • the solar heater must be manufactured with low manufacturing costs.
  • An object of the present invention is to provide a high thermal efficiency solar heater that must ensure its integrity in case of frost or freezing.
  • Another objective of the present invention is that the heater allows easy manufacturing, assembly, transportation, installation and use, causing a reduction in production and installation costs by not requiring specialized personnel for it thanks to its simple installation method. Unlike current solar heaters.
  • Figure 1A refers to a partial longitudinal sectional view of the solar heater illustrated to exemplify the present invention.
  • Figure IB refers to a cross-sectional view on line B-B of Figure 1A.
  • Figure 2A refers to a longitudinal sectional view of the anti-freeze mechanism of the solar heater of the present invention.
  • Figure 2B refers to a longitudinal sectional view of the thermo-sensor of the anti-freezing mechanism of the solar heater of the present invention, when the temperature drops below 0 ° C.
  • Figure 2C refers to a longitudinal sectional view of the thermo-sensor of the anti-freezing mechanism of the solar heater of the present invention, when the temperature continues to decrease.
  • Figure 2D refers to a longitudinal sectional view of the valve of the anti-freezing mechanism of the solar heater of the present invention, to an expansion of 1/3 of the total expansion.
  • Figure 2E refers to a longitudinal sectional view of the valve of the anti-freezing mechanism of the solar heater of the present invention, to an expansion of 2/3 of the total expansion.
  • Figure 3 corresponds to the hydraulic connection diagram of the regulating mechanism and the anti-freezing mechanism of the solar heater. Detailed description of the invention
  • the invention relates to a mechanism against the freezing of a solar heater.
  • the solar heater is illustrated in Figures 1A and IB by way of example and refers to the solar heater of International Patent Application No. PCT / IB2012 / 051851, entitled "SOLAR HEATER WITH LOW THERMAL LOSS AND INSTALLATION METHODS OF THE SAME" , filed on April 13, 2012.
  • the anti-freeze mechanism can be applied to any type of self-contained solar heater that allows interacting with the present invention.
  • Figure 1A illustrates a solar liquid heater that is constituted by a substantially cylindrical central body formed by a base (11) and an outer cover.
  • the cover is transparent and dome-shaped because its outer convex shape allows the optimal capture of solar radiation at the central hours of the day.
  • the base (11) is formed of an insulating material and constitutes a substantially circular bottom.
  • the cover and the base (11) are hermetically coupled.
  • a substantially circular piece with a lug is fixed by means of a nut for securing the cover which in turn rests on a spacer.
  • the piece with lug allows to fix the cover to the structure of the solar heater, serves to thread a tube that performs the functions of atmospheric balance also known as an air jug and allows to tie a rope that serves to hoist the heater in its installation place, for example the roof of a house.
  • the base (11) rests on the ground and comprises a space necessary to allow the accommodation of at least one backup electrical resistor, a cold liquid inlet tube (20), an outlet or drain tube (12) of hot liquid, an anti-freezing mechanism (26), an outlet temperature regulating mechanism (27) and the placement of an electrical junction box outside.
  • the regulating mechanism of the outlet temperature (27) may be the one disclosed in the International Patent Application entitled "VALVE"
  • a solar collector Supported on the base (11) and hermetically housed inside the cover is a solar collector that constitutes the component of solar radiation absorption and accumulation of a hot liquid.
  • the solar collector is substantially cylindrical.
  • the solar collector is formed by a solar collection surface (7) that has one or more spacers inside that allow a liquid chamber between the inside of the surface and a thermo-tank (9). The camera allows the thermosiphon circulation of the liquid to be heated, as will be described later.
  • thermo-tank (17) is coupled by its upper end to the separator and by its lower end to a central tube connection (16) which in its lower part has a plug that rests on the ground.
  • the central tube has one or more outlet holes (22) that allow the liquid housed inside the thermo-tank (9) to be directed towards the outlet tube.
  • the central tube has one or more evacuation holes that fulfill the functions of atmospheric balance tube.
  • the tube supports the structure.
  • the thermo-tank (9) is made of the material described in the International Patent Application entitled "ACCUMULATOR
  • the solar heater may have an electric thermostat that is preferably placed at some point on the solar collection surface (7).
  • Said electric thermostat is electrically connected to the electrical connection box that is housed in the base (11).
  • the electric thermostat measures the temperature at which the electrical backup resistance must be activated or deactivated.
  • the solar heater illustrated in Figure 1A is filled with the liquid, generally cold, to be heated through the inlet tube (20).
  • the cold liquid enters the solar heater through the liquid chamber where it is getting heat thanks to the thermal exchange by contact with the solar collection surface (7).
  • the liquid when heated decreases its density, so it rises.
  • the solar collection surface (7) is hot mainly due to incident solar radiation and / or electrical resistance.
  • thermosiphon effect promotes the movement of the hottest liquid towards the top of the chamber where the liquid can enter through one or more channels into the thermo-tank (9) until the height of the liquid level is equal to level (28) where the hot liquid begins to exit through the outlet hole (22) located in the central tube (17).
  • one or more lower channels allow the liquid to be cooled located further down in the thermo-tank (9) to be moved back to the chamber to recirculate by thermosiphon.
  • the way in which the channels are placed substantially perpendicular to the surface of the thermo-tank (9) allow to cause a "water eye” effect where the liquid only flows through these channels when there is a change in density in the liquid
  • This hot liquid supply system is more efficient than other container evacuation systems of state-of-the-art solar heaters, since the outlet hole (22) is fixed at a point that is always flooded with liquid.
  • the central tube (17) also functions as an air jug (atmospheric balance tube) and in conjunction with the evacuation hole. The evacuation hole allows to keep the thermo-tank (9) always flooded with the liquid.
  • the anti-freezing mechanism of the solar heater of the present invention will be described with the support of the preferred embodiment in which the liquid to be heated is water.
  • this explanation seeks to be descriptive and not limiting. Therefore, one skilled in the art can deduce that the mechanism described below can operate under the same physical principles for another liquid to be heated other than water, with its required variations.
  • FIG. 2A best illustrates the aforementioned mechanism against freezing of the solar heater.
  • the mechanism is based on the known fact that the change of state of liquid to solid of the water occurs at 0 ° C and as a consequence thereof a dilation in its volume of 9% occurs. This expansion in volume may cause damage to the structure or parts of the heater that this invention seeks to avoid.
  • Said mechanism consists of a valve against freezing (26) and an element called "thermo-sensor" (26.5).
  • the thermo-sensor element (26.5) has a hole in its lower part which, by means of a connection tube (26.9) and couplings (26.10), can be connected remotely with the valve (26) that constitutes a 5-way valve.
  • the thermo-sensor (26.5) comprises an electrical contact housing (26.1) inside which a first spring (26.6) and a first mobile piston (26.2) for actuating electrical contact of terminals (26.39) are housed.
  • a connecting piece (26.3) allows the coupling between the housing (26.1) and a container (26.5).
  • the connecting piece consists of a threaded part that engages its outer surface to the housing (26.1) and its inner surface to the container (26.5).
  • joints (26.4) allow the longitudinal displacement of the first mobile piston (26.2) without leakage occurring through the connecting piece (26.3) and the container (26.5).
  • the container (26.5) has in its interior an elastic separation membrane (26.38) that divides into a first compartment (26.7) occupied by an element called "thermo-sensitive" and a second compartment (26.8) occupied by a thermal actuating means .
  • the second compartment (26.8) constitutes 10% of the container (26.5).
  • the thermo-sensitive element is demineralized water and the thermal actuating means is glycerin.
  • the second compartment (26.8) is in fluid communication through the connecting tube (26.9) to the valve (26).
  • the valve (26) comprises four bodies interconnected with each other as follows.
  • a first body (26.14) is coupled by one of its ends to a first closing cover (26.11) and by the other end to a second body (25.21) of the valve (16).
  • the second body (26.21) is coupled to a third body (26.25) by the opposite end to which the first body is coupled (26.14).
  • the third body (26.25) is coupled to a fourth body (26.36) by the opposite end to which the second body (26.21) is coupled.
  • a second closure cover (26.37) is coupled to the fourth body (26.36) by the opposite end to which the third body (26.25) is coupled.
  • the couplings between the valve body (26) are made by threaded connections.
  • the assembly of these bodies houses all the valve components (26), as will be explained below.
  • the valve has a third compartment (26.12) in fluid communication with the connecting tube (26.9) which is occupied by the thermal actuating means.
  • the third compartment (26.12) is formed between the first closing cover (26.11) and the first body (26.14) of the valve (26).
  • the third compartment (26.12) also houses a spring retainer (26.13), a second spring (25.15) and a second movable piston (26.16) which is coupled to the spring retainer (26.13).
  • the second spring (25.15) keeps the second mobile piston (26.16) in the highest position.
  • a gasket (26.17) ensures that the thermal drive means contained in the third compartment (26.12) do not leak, thus allowing longitudinal displacement of the second piston (26.16).
  • a fourth compartment is formed in fluid communication with a cold water inlet connection (26.18), and where a third spring (26.20) and a driving rod (26.27) are housed which are coupled to the other end of the second mobile piston (26.16).
  • a first closing piston (26.19) can move linearly along the rod (26.27) between the opposite end of the third spring (26.20) and a projection on the rod (26.27).
  • a closing seat (26.24) is mounted between the second body (26.21) and the third body (26.25) during its coupling.
  • a gasket (26.23) ensures that water does not pass from the cold water inlet connection (26.18) into the third body (26.25), if the first closing piston (26.19) is in contact with the closing seat (26.24 ).
  • a fifth compartment is formed in fluid communication with a supply water outlet (26.26) delimited by the closing seat
  • the separation piece (26.28) is mounted between the third body
  • the fourth body (26.36) has a hot water inlet connection (26.30), a hot water outlet connection (26.32) and a hot water waste connection (26.34). Inside it has a neck that divides the inside of the fourth body (26.36) into a sixth compartment and a seventh compartment. The sixth compartment is in direct fluid communication with the hot water inlet connection (26.30) and the hot water outlet connection (26.32).
  • the second end of the rod (26.27) and a first end of a second closing piston (26.33) are located in the sixth compartment.
  • the seventh compartment it is in direct fluid communication with the hot water waste connection (26.34) and there is housed a fourth spring (26.35) that is supported by one of its ends in the second closing cover (26.37) and by the another of its ends pushes the second closing piston (26.33) against the mentioned neck that divides the sixth and seventh compartments.
  • the separation piece (26.28) seeks to separate the hydraulic water supply circuit from the network (connections 26.18 and 26.26) from the hot water outlet circuit (connections 26.30, 26.32 and 26.34).
  • Figure 2A shows the valve (26) when the temperature inside the thermo-sensor element (26.5) is between 1 ° C and 30 ° C.
  • This figure illustrates the second spring (26.15) holding the rod (26.27) in the upper maximum position.
  • the first closing piston (26.19) maintains a spacing (26.22) with respect to the closing seat (26.24), so that the cold water inlet connection (26.18) is communicated with the supply water outlet connection (26.26) to the liquid chamber (25 ) of the solar heater.
  • the rod (26.27) remains at a spacing (26.31) of the second closing piston (26.33). This spacing (26.31) is 3 times greater than the spacing (26.22) with the intention of ensuring that in case of freezing the water supply to the solar heater is closed first and then open the second closing piston (26.33) by draining the 10 % of solar heater content.
  • Figure 2B illustrates the thermo-sensor (26.5) when the temperature of the water housed in the first compartment (26.7) falls below 0 ° C, that is, when the freezing of water begins in contact with the walls of the thermo-tank ( 9) progressively increased its volume.
  • the alarm signal may be a light signal, an auditory signal or some other signal.
  • Figure 2C illustrates the thermo-sensor (26.5) when water solidification continues to increase, which increases the pressure on the elastic membrane (26.38) which pushes volumetrically to the thermal actuating means of the second compartment (26.8), which pushes the thermal actuating means occupying the interior of the connecting tube (26.9) and the thermal actuating means contained in the third compartment (26.12) in the first body (26.14).
  • Figure 2D illustrates the valve against freezing (26) when the force of the second spring (26.15) is exceeded, which displaces the second mobile piston (26.16) and in turn the valve stem (26.27).
  • first closing piston (26.19) comes into contact with the closing seat (26.24) as shown in Figure 2D as the second moving piston (26.16) and the rod (26.27) continue to move
  • compression of the third spring occurs (26.20) to ensure the seal of the seal between the cold water inlet connection (26.18) and the cold water outlet connection (26.26) that goes to the inlet tube (20) of the solar heater, or other type of hydraulic installation .
  • FIG. 2E illustrates the valve (26) when 2/3 of the volume of water contained in the thermo-sensor (26.5) has solidified and the expansion has reached 6%.
  • the rod (26.27) has traveled the spacing (26.31) and comes into contact with the second closing piston (26.33) as watch
  • the second closing piston (26.33) separates from its seat by opening the communication between the hot water inlet connection (26.30) of the solar heater and the hot water waste connection (26.34), which causes the exit of the 10% of the water contained in the solar heater, until it reaches the level (28) of the one or more hot water outlet holes (22) of Figure 5A.
  • valve (26) has first closed the supply to the inlet tube (20) and discarded the water above the level (28) inside the thermo-tank (9) through the water waste connection hot (26.34), 90% of the water it is capable of containing is inside the solar heater, creating a 10% expansion chamber.
  • This expansion chamber is superior to what would be necessary if the water inside the thermo-tank (9) was completely frozen, in which case such water would suffer an increase in volume of only 9%, thus avoiding any risk of damage or breakage that could cause freezing.

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Abstract

La invención consiste en un mecanismo contra el congelamiento del calentador solar que comprende una válvula y un termo-sensor acoplado a la válvula. El termo-sensor aloja un elemento termo-sensible y un medio de accionamiento térmico, que reaccionan al cambio de temperatura y accionan la válvula. Si la temperatura del elemento termo-sensible es menor a 0°C, y su volumen aumenta a 3%, entonces se activa una señal de alarma, luminosa, audible u otro tipo. La válvula comprende cuatro cuerpos interconectados entre si, que alojan diversos compartimentos y componentes que interactúan: si la temperatura del elemento termo-sensible es menor a 0°C, y su volumen aumenta de 3% a 6%, entonces se produce el cierre entre la conexión de entrada de agua fría y la conexión de salida de agua fría que va hacia tubo de entrada del calentador solar; si la temperatura del elemento termo-sensible es menor a 0°C, y su volumen aumenta más de 6%, entonces se abre la comunicación entre la conexión de entrada de agua caliente del calentador solar y la conexión de desecho de agua caliente y se desaloja el 10% del agua contenida en el calentador solar, hasta llegar al nivel del uno o más agujeros de salida de agua caliente.

Description

MECANISMO CONTRA EL CONGELAMIENTO DEL CALENTADOR SOLAR
Esta solicitud de patente se relaciona con la Solicitud de Patente Internacional No, PCT/IB2012/051851, titulada "CALENTADOR SOLAR CON BAJAS PERDIDAS TÉRMICAS Y MÉTODOS DE INSTALACIÓN DEL MISMO", 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 mecanismo para evitar el congelamiento del liquido almacenado 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 liquido 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 colector 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 liquido, 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 colector 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 colector 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 colector 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 captación 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 regule la temperatura de salida del líquido interior.
Asimismo, 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 liquido 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 liquido. 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 captación 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 regule la temperatura de salida del liquido interior.
Finalmente, la solicitud de patente alemana DE19529463 describe una válvula de alivio para calentador solar de agua, en donde el agua desde un colector solar fluye hacia un tanque de almacenamiento de agua caliente. El agua fría se bombea por medio de una bomba a través de la válvula de alivio de tres vías y dos posiciones en el colector. La válvula de alivio aloja una cavidad por encima de un pistón libre con un anillo de sellado, que flota sobre un cojín de aceite. Cuando el agua se congela en la cavidad, el pistón deprime el control deslizante de la válvula y émbolo, conectando la salida de agua a una salida de drenaje. Adicionalmente la válvula permite evitar el sobrecalentamiento, en donde un tapón de cera alojada en un recipiente de medición empuja el aceite a través de un capilar hacia el cojín, con lo que se logra un efecto similar en donde el agua se dirige a la salida de drenaje. Esta solicitud presenta varías desventajas en su descripción ya que una sola válvula controla tanto el mecanismo para evitar el congelamiento en el colector, así como el sobrecalentamiento, por lo que la válvula posee tres tipos de líquidos de trabajo, agua, cera y aceite. Por otra parte el calentador solar presenta en lugares separados el elemento colector de captación solar y el tanque de almacenamiento, por lo que la válvula solamente desaloja el agua del interior del colector, cercana al congelamiento o sobrecalentada, con lo que no evita el congelamiento al interior del tanque de almacenamiento, ni los daños que ahí conlleva. Asimismo, esta válvula aparentemente desaloja la totalidad del agua almacenada al interior del mencionado colector, por lo que cuando el sistema se restablezca en las temperaturas adecuadas de funcionamiento, el colector se tendrá que llenar en su totalidad nuevamente. Finalmente, es claro que esta invención no se puede aplicar para calentadores solares auto contenidos que alojan en su interior el tanque o depósito de almacenamiento y que funcionan a base del principio de termosifón.
Con base en lo anterior, existe en el estado de la técnica la necesidad de un calentador solar que permita maximizar la superficie de captación de rayos solares y al mismo tiempo minimizar las pérdidas del calor del liquido 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 liquido interior, evitando asi 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 deberá asegurar su integridad en caso de helada o congelamiento .
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 1A se refiere a una vista en corte longitudinal parcial del calentador solar ilustrado para ejemplificar la presente invención.
La figura IB se refiere a una vista en corte transversal sobre la linea B-B de la figura 1A.
La figura 2A se refiere a una vista en corte longitudinal del mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de la presente invención.
La figura 2B se refiere a una vista en corte longitudinal del termo-sensor del mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de la presente invención, cuando la temperatura desciende por debajo de 0°C.
La figura 2C se refiere a una vista en corte longitudinal del termo-sensor del mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de la presente invención, cuando la temperatura continúa descendiendo.
La figura 2D se refiere a una vista en corte longitudinal de la válvula del mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de la presente invención, a una expansión del 1/3 del total de expansión.
La figura 2E se refiere a una vista en corte longitudinal de la válvula del mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de la presente invención, a una expansión del 2/3 del total de expansión.
La figura 3 corresponde al diagrama de conexión hidráulica del mecanismo regulador y el mecanismo contra el congelamiento del calentador solar. Descripción detallada de la invención
La invención se refiere a un mecanismo contra el congelamiento de un calentador solar. El calentador solar es ilustrado en las figuras 1A y IB a manera de ejemplo y se refiere al calentador solar de la Solicitud de Patente Internacional No. PCT/IB2012/051851 , titulada "CALENTADOR SOLAR CON BAJAS PERDIDAS TÉRMICAS Y MÉTODOS DE INSTALACIÓN DEL MISMO", presentada el 13 de abril de 2012. Sin embargo, el mecanismo contra el congelamiento puede aplicarse a cualquier tipo de calentador solar auto contenido que permita interactuar con la presente invención.
La figura 1A ilustra un calentador solar de líquidos que está constituido por un cuerpo central substancialmente cilindrico formado por una base (11) y una cubierta exterior. La cubierta es transparente y tiene forma de domo debido a que su forma convexa exterior permite la captación óptima de la radiación solar en las horas centrales del día. Preferentemente, la base (11) está formada de un material aislante y constituye un fondo substancialmente circular. En la modalidad preferida, la cubierta y la base (11) están acopladas de manera hermética.
Ahora bien, una pieza substancialmente circular con una orejeta se fija mediante una tuerca de sujeción a la cubierta que a su vez se apoya sobre un separador. La pieza con orejeta permite fijar la cubierta 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.
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, un tubo de entrada (20) de liquido frió, un tubo de salida o de vaciado (12) de liquido caliente, un mecanismo contra el congelamiento (26), un mecanismo regulador de la temperatura de salida (27) y la colocación al exterior de una caja de conexiones eléctricas. Cabe señalar que el mecanismo regulador de la temperatura de salida (27) puede ser el divulgado en la Solicitud de Patente Internacional titulada "VÁLVULA
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REGULADORA DE LA TEMPERATURA DE SALIDA", presentada el 13 de abril de 2012
Apoyado sobre la base (11) y alojado herméticamente al interior de la cubierta se encuentra un colector solar que constituye el componente de absorción de radiación solar y de acumulación de un liquido caliente. Preferentemente, el colector solar es substancialmente cilindrico. El colector solar está formado por una superficie de captación solar (7) que tiene en su interior uno o más distanciadores que permiten que exista una cámara de liquido entre el interior de la superficie y un termo-tanque (9) . La cámara permite la circulación por termosifón del liquido a calentar, tal y como se describirá más adelante.
Un tubo central (17) está acoplado por su extremo superior al separador y por su extremo inferior a una conexión de tubo central (16) que en su parte inferior posee un tapón que se apoya sobre el suelo. En el punto más alto al interior del termo-tanque (9), el tubo central posee uno o más agujeros de salida (22) que permiten dirigir el liquido alojado al interior del termo-tanque (9) hacia el tubo de salida. Adicionalmente, el tubo central posee uno o más agujeros de evacuación que cumplen las funciones de tubo de equilibrio atmosférico. Finalmente, el tubo brinda soporte a la estructura. Preferentemente, el termo-tanque (9) está fabricado en el material descrito en la Solicitud de Patente Internacional titulada "ACUMULADOR
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TÉRMICO DE MORTERO ULTRALIGERO PARA CALENTADORES SOLARES AUTOCONTENIDOS", presentada el 13 de abril de 2012.
Por lo que respecta a la modalidad preferida que presenta una fuente calorífica de respaldo, el calentador solar puede poseer un termostato eléctrico que está colocado preferentemente en algún punto sobre la superficie de captación solar (7) . Dicho termostato eléctrico está conectado eléctricamente a la caja de conexiones eléctricas que se aloja en la base (11) . El termostato eléctrico mide la temperatura a la cual se debe activar o desactivar la resistencia eléctrica de respaldo. Durante su funcionamiento, el calentador solar ilustrado en la figura 1A es llenado con el liquido, generalmente frió, a calentar a través del tubo de entrada (20) . El liquido frió entra al calentador solar por la cámara de liquido en donde va obteniendo calor gracias al intercambio térmico por contacto con la superficie de captación solar (7) . El liquido al calentarse, disminuye su densidad, por lo que asciende. La superficie de captación solar (7) está caliente principalmente debido a la radiación solar incidente y/o a las resistencias eléctricas. El efecto de termosifón promueve el movimiento del liquido más caliente hacia la parte superior de la cámara en donde el liquido puede ingresar a través uno o más canales al interior del termo-tanque (9) hasta que la altura del nivel de liquido se iguala al nivel (28) en donde el liquido caliente comienza a salir por el o los agujeros de salida (22) localizados en el tubo central (17) . Finalmente, uno o más canales inferiores permiten que el liquido que se va enfriando localizado más abajo en el termo-tanque (9) sea desplazado nuevamente a la cámara para recircular por termosifón. La forma en que los canales están colocados de manera substancialmente perpendicular a la superficie del termo-tanque (9) permiten provocar un efecto de "ojo de agua" en donde el liquido solamente fluye a través de estos canales cuando existe un cambio de densidad en el liquido.
Este sistema de suministro de liquido 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 liquido. 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. El agujero de evacuación permite mantener el termo-tanque (9) siempre inundado del liquido.
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 la zona de aire contenido que se forma entre la cubierta exterior y la superficie (7) haciendo asi un efecto invernadero. Cuando la temperatura en la zona es superior a la de la superficie de captación (7) se transmite por convección al liquido incrementando la eficiencia térmica del calentador solar objeto de esta invención. Asimismo, la forma de la cubierta permite recibir la radiación solar en cualquier orientación durante todo el periodo 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. 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 (7) inundada de liquido, 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.
El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de la presente invención se describirá con apoyo de la modalidad preferida en donde el liquido que se desea calentar es agua. No obstante, esta explicación busca ser descriptiva y no limitativa. Por lo que un experto en la técnica podrá deducir que el mecanismo que a continuación se describe puede operar bajo los mismos principios físicos para otro líquido a calentar distinto al agua, con sus requeridas variaciones.
La figura 2A ilustra mejor el mencionado mecanismo contra el congelamiento del calentador solar. Para la modalidad preferida, el mecanismo está basado en el hecho conocido de que el cambio de estado de líquido a sólido del agua se produce a 0°C y como consecuencia del mismo se produce una dilatación en su volumen del 9%. Esta dilatación en su volumen puede provocar los daños a la estructura o partes del calentador que esta invención busca evitar. Dicho mecanismo consiste en una válvula contra el congelamiento (26) y un elemento denominado "termo-sensor" (26.5) . El elemento termo-sensor (26.5) posee en su parte inferior un orificio que mediante un tubo de conexión (26.9) y unos acoplamientos (26.10) se puede unir a distancia con la válvula (26) que constituye una válvula de 5 vías. El termo-sensor (26.5) comprende una carcasa del contacto eléctrico (26.1) en cuyo interior se aloja un primer resorte (26.6) y un primer pistón móvil (26.2) de accionamiento de contacto eléctrico de unas terminales (26.39) . Una pieza de unión (26.3) permite el acoplamiento entre la carcasa (26.1) y un contenedor (26.5) . Preferentemente, la pieza de unión consiste en una pieza roscada que acopla por su superficie externa a la carcasa (26.1) y por su superficie interna al contenedor (26.5) . Además, unas juntas (26.4) permiten el desplazamiento longitudinal del primer pistón móvil (26.2) sin que se produzcan fugas a través de la pieza de unión (26.3) y el contenedor (26.5) . El contenedor (26.5) posee en su interior una membrana elástica de separación (26.38) que divide en un primer compartimiento (26.7) ocupado por un elemento denominado "termo-sensible" y un segundo compartimiento (26.8) ocupado por un medio de accionamiento térmico. Preferentemente, el segundo compartimiento (26.8) constituye a un 10% del contenedor (26.5) . En la modalidad referida el elemento termo-sensible es agua desmineralizada y el medio de accionamiento térmico es glicerina. El segundo compartimiento (26.8) se encuentra en comunicación fluida a través del tubo de conexión (26.9) hacia la válvula (26) .
La válvula (26) comprende cuatro cuerpos interconectados entre si de la siguiente manera. Un primer cuerpo (26.14) está acoplado por uno de sus extremos a una primera tapa de cierre (26.11) y por el otro extremo a un segundo cuerpo (25.21) de la válvula (16) . A su vez, el segundo cuerpo (26.21) está acoplado a un tercer cuerpo (26.25) por el extremo opuesto a donde está acoplado el primer cuerpo (26.14) . De igual forma, el tercer cuerpo (26.25) está acoplado a un cuarto cuerpo (26.36) por el extremo opuesto a donde está acoplado el segundo cuerpo (26.21) . Finalmente, una segunda tapa de cierre (26.37) está acoplada al cuarto cuerpo (26.36) por el extremo opuesto a donde está acoplado el tercer cuerpo (26.25) . En la modalidad preferida, los acoplamientos entre cuerpo de la válvula (26) se realizan mediante conexiones roscadas. El ensamblado de estos cuerpos alojan todos los componentes de la válvula (26), tal y como se explicará a continuación.
La válvula posee un tercer compartimiento (26.12) en comunicación fluida con el tubo de conexión (26.9) que está ocupado por el medio de accionamiento térmico. El tercer compartimiento (26.12) está formado entre la primera tapa de cierre (26.11) y el primer cuerpo (26.14) de la válvula (26) . El tercer compartimiento (26.12) además aloja un retenedor del resorte (26.13), un segundo resorte (25.15) y un segundo pistón móvil (26.16) el cual está acoplado al retenedor del resorte (26.13) . El segundo resorte (25.15) mantiene al segundo pistón móvil (26.16) en la posición más alta. Una junta (26.17) asegura que el medio de accionamiento térmico contenido en el tercer compartimiento (26.12) no presente fugas, permitiendo asi el desplazamiento longitudinal del segundo pistón (26.16) . Al interior del segundo cuerpo (26.21) se forma un cuarto compartimiento en comunicación fluida con una conexión de entrada de agua fría (26.18), y en donde se alojan un tercer resorte (26.20) y un vástago de accionamiento (26.27) que están acoplados al otro extremo del segundo pistón móvil (26.16) . Un primer pistón de cierre (26.19) puede moverse linealmente a lo largo del vástago (26.27) entre el extremo opuesto del tercer resorte (26.20) y un resalte en el vástago (26.27) . Un asiento de cierre (26.24) queda montado entre el segundo cuerpo (26.21) y el tercer cuerpo (26.25) durante su acoplamiento. Una junta (26.23) asegura que el agua no pase de la conexión de entrada de agua fría (26.18) al interior del tercer cuerpo (26.25), si el primer pistón de cierre (26.19) está en contacto con el asiento de cierre (26.24) .
Al interior del tercer cuerpo (26.25) se forma un quinto compartimiento en comunicación fluida con una salida de agua de suministro (26.26) delimitado por el asiento de cierre
(26.24) y una pieza de separación (26.28) . La pieza de separación (26.28) queda montada entre el tercer cuerpo
(26.25) y el cuarto cuerpo (26.36) durante su acoplamiento. El resto del vástago (26.27) corre atravesando el asiento de cierre (26.24) y atravesando la pieza de separación (26.28) . Una junta (26.29) asegura que el agua que fluya por el quinto compartimiento no presente fugas, permitiendo asi el paso y desplazamiento longitudinal del vástago de accionamiento (26.27) . El cuarto cuerpo (26.36) posee una conexión de entrada de agua caliente (26.30), una conexión de salida de agua caliente (26.32) y una conexión de desecho de agua caliente (26.34) . Al interior presenta un cuello que divide el interior del cuarto cuerpo (26.36) en un sexto compartimiento y un séptimo compartimiento. El sexto compartimiento está en comunicación fluida directa con la conexión de entrada de agua caliente (26.30) y la conexión de salida de agua caliente (26.32) . En el sexto compartimiento se localizan el segundo extremo del vástago (26.27) y un primer extremo de un segundo pistón de cierre (26.33) . En el séptimo compartimiento está en comunicación fluida directa con la conexión de desecho de agua caliente (26.34) y ahí se aloja un cuarto resorte (26.35) que se apoya por uno de sus extremos en la segunda tapa de cierre (26.37) y por el otro de sus extremos empuja al segundo pistón de cierre (26.33) contra el mencionado cuello que divide los compartimientos sexto y séptimo. La pieza de separación (26.28) busca separar el circuito hidráulico de agua de suministro de la red (conexiones 26.18 y 26.26) del circuito de salida de agua caliente (conexiones 26.30, 26.32 y 26.34) .
La figura 2A muestra a la válvula (26) cuando la temperatura en el interior del elemento termo-sensor (26.5) está entre 1°C y 30°C. Esta figura ilustra al segundo resorte (26.15) sosteniendo al vástago (26.27) en la posición máxima superior. El primer pistón de cierre (26.19) mantiene un espaciamiento (26.22) con respecto al asiento de cierre (26.24), por lo que la conexión de entrada de agua fría (26.18) está comunicada con la conexión de salida de agua de suministro (26.26) hacia la cámara de liquido (25) del calentador solar. El vástago (26.27) permanece a un espaciamiento (26.31) del segundo pistón de cierre (26.33) . Este espaciamiento (26.31) es 3 veces mayor que el espaciamiento (26.22) con la intención de asegurar que en caso de congelación primero se cierre el suministro de agua hacia el calentador solar y después abra el segundo pistón de cierre (26.33) drenando el 10% del contenido del calentador solar.
La figura 2B ilustra el termo-sensor (26.5) cuando la temperatura del agua alojada en el primer compartimiento (26.7) desciende por debajo de 0°C, es decir cuando comienza la congelación del agua en contacto con las paredes del termo-tanque (9) aumentado progresivamente su volumen. Cuando se ha solidificado una tercera parte del volumen de agua, dicho volumen ha aumentado un 3% y esta expansión provoca el desplazamiento del primer pistón móvil (26.2) cuyo primer resorte (26.6) opone menos resistencia que el segundo resorte (26.15) y como consecuencia cierra el contacto de las terminales eléctricas (26.39) que activa una señal de alarma que da aviso al usuario de la situación de congelación. La señal de alarma puede ser una señal luminosa, una señal auditiva o alguna otra señal. La figura 2C ilustra el termo-sensor (26.5) cuando sigue aumentando la solidificación del agua, lo que aumenta la presión sobre la membrana elástica (26.38) la cual empuja volumétricamente al medio de accionamiento térmico del segundo compartimiento (26.8), que empuja al medio de accionamiento térmico que ocupa el interior del tubo de conexión (26.9) y al medio de accionamiento térmico contenido en el tercer compartimiento (26.12) en el primer cuerpo (26.14) .
La figura 2D ilustra a la válvula contra el congelamiento (26) cuando se supera la fuerza del segundo resorte (26.15) lo cual desplaza al segundo pistón móvil (26.16) y a su vez al vástago de válvula (26.27) . Cuando el primer pistón de cierre (26.19) entra en contacto con el asiento de cierre (26.24) como se observa en la figura 2D al seguir desplazándose el segundo pistón móvil (26.16) y el vástago (26.27) se produce la compresión del tercer resorte (26.20) para asegurar la hermeticidad del cierre entre la conexión de entrada de agua fría (26.18) y la conexión de salida de agua fría (26.26) que va hacia tubo de entrada (20) del calentador solar, u otro tipo de instalación hidráulica .
La figura 2E ilustra la válvula (26) cuando se ha solidificado 2/3 del volumen de agua contenida en el termo- sensor (26.5) y la dilatación ha llegado al 6%. El vástago (26.27) ha recorrido el espaciamiento (26.31) y entra en contacto con el segundo pistón de cierre (26.33) como se observa. Así, el segundo pistón de cierre (26.33) se separa de su asiento abriendo la comunicación entre la conexión de entrada de agua caliente (26.30) del calentador solar y la conexión de desecho de agua caliente (26.34), lo cual provoca la salida del 10% del agua contenida en el calentador solar, hasta llegar esta al nivel (28) del uno o más agujeros de salida de agua caliente (22) de la figura 5A.
Debido a que la válvula (26) ha cerrado primero el suministro al tubo de entrada (20) y ha desechado el agua por encima del nivel (28) al interior del termo-tanque (9) a través de la conexión de desecho de agua caliente (26.34), queda en el interior del calentador solar el 90% del agua que es capaz de contener, creando una cámara de expansión del 10%. Esta cámara de expansión es superior a la que sería necesaria en caso de que se congelara totalmente el agua al interior del termo-tanque (9), en cuyo caso dicha agua sufriría un aumento en volumen de solamente 9%, evitándose así cualquier riesgo de daño o ruptura que pudiera provocar la congelación.
En caso de aumento de temperatura por encima de 0°C del agua alojada en el primer compartimiento (26.7) contenida en el termo-sensor (26.5) el ciclo ocurrirá a la inversa de lo descrito hasta restablecerse las condiciones de trabajo normales sin haberse producido daños en el calentador solar. Cabe aclarar que el volumen de agua que se coloca en el primer compartimiento (26.7) y el volumen que desplazan en su recorrido los pistones móviles (26.2) y (26.16) se calculan de modo que el aumento de volumen del agua al completar el cambio de estado sea igual al volumen desplazado por dichos pistones al completar su carrera de trabajo. Por otra parte, se ha dimensionado el mecanismo para que la dilatación producida en el agua como consecuencia del aumento de temperatura (3%) no afecte al funcionamiento de la válvula.
La interacción entre el calentador solar y estos novedosos mecanismos contra el congelamiento y de regulación de la temperatura de salida de la Solicitud de Patente
Internacional titulada "VÁLVULA REGULADORA DE
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LA TEMPERATURA DE SALIDA", presentada el 13 de abril de 2012, está más claramente explicado en la figura 3, la cual ilustra un diagrama de conexión hidráulica de los elementos que las componen.
Aunque las modalidades especificas 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

REIVINDICACIONES
1. Un mecanismo contra el congelamiento de un calentador solar que comprende una válvula y un termo-sensor acoplado a la válvula;
al interior del termo-sensor se aloja un primer resorte y un primer pistón de accionamiento de contacto eléctrico de unas terminales, el primer pistón está acoplado a un contenedor que aloja en su interior una membrana elástica de separación que divide en un primer compartimiento relleno de un elemento termo-sensible y un segundo compartimiento relleno de un medio de accionamiento térmico, el segundo compartimiento se encuentra en comunicación fluida con la válvula;
la válvula comprende cuatro cuerpos interconectados entre si, en donde un primer cuerpo está acoplado por uno de sus extremos a una primera tapa de cierre y por su extremo distal a un segundo cuerpo, el segundo cuerpo está acoplado por su extremo distal a un tercer cuerpo, el tercer cuerpo está acoplado por su extremo distal a un cuarto cuerpo, y una segunda tapa de cierre está acoplada al cuarto cuerpo por su extremo distal;
un tercer compartimiento está formado entre la primera tapa y el primer cuerpo, y aloja un retenedor del resorte, un segundo resorte y un segundo pistón móvil acoplado al retenedor del resorte, en donde el segundo resorte mantiene al segundo pistón móvil en la posición más alta; al interior del segundo cuerpo se forma un cuarto compartimiento en comunicación fluida con una conexión de entrada de agua fría, y en donde se alojan un tercer resorte y un vástago de accionamiento que están acoplados al otro extremo del segundo pistón móvil, un primer pistón de cierre puede moverse linealmente a lo largo del vástago entre el extremo opuesto del tercer resorte y un resalte en el vástago, un asiento de cierre está montado entre el segundo cuerpo y el tercer cuerpo;
al interior del tercer cuerpo se forma un quinto compartimiento en comunicación fluida con una salida de agua de suministro delimitado por el asiento de cierre y una pieza de separación, la pieza de separación está montada entre el tercer cuerpo y el cuarto cuerpo durante, el resto del vástago corre atravesando el asiento de cierre y atravesando la pieza de separación; y
el cuarto cuerpo posee una conexión de entrada de agua caliente, una conexión de salida de agua caliente y una conexión de desecho de agua caliente, al interior presenta un cuello que divide el interior del cuarto cuerpo en un sexto compartimiento y un séptimo compartimiento, el sexto compartimiento está en comunicación fluida directa con la conexión de entrada de agua caliente y la conexión de salida de agua caliente, en el sexto compartimiento se localizan el segundo extremo del vástago y un primer extremo de un segundo pistón de cierre, en el séptimo compartimiento está en comunicación fluida directa con la conexión de desecho de agua caliente y aloja un cuarto resorte que se apoya por uno de sus extremos en la segunda tapa de cierre y por el otro de sus extremos empuja al segundo pistón de cierre contra el mencionado cuello que divide los compartimientos sexto y séptimo, la pieza de separación busca separar el circuito hidráulico de agua de suministro de la red del circuito de salida de agua caliente.
2. El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde el segundo compartimiento constituye a un 10% del contenedor.
3. El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde el elemento termo-sensible es agua desmineralizada y el medio de accionamiento térmico es glicerina.
4. El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde los acoplamientos entre cuerpo de la válvula se realizan mediante conexiones roscadas.
5. El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde el termo-sensor está acoplado a la válvula mediante un tubo de conexión .
6. El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde unas juntas permiten el desplazamiento longitudinal del primer pistón móvil sin que se produzcan fugas.
7. El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde una junta asegura que el medio de accionamiento térmico contenido en el tercer compartimiento no presente fugas, permitiendo asi el desplazamiento longitudinal del segundo pistón .
8. El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde una junta asegura que el agua no pase de la conexión de entrada de agua fría al interior del tercer cuerpo, si el primer pistón de cierre está en contacto con el asiento de cierre.
9. El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde una junta asegura que el agua que fluya por el quinto compartimiento no presente fugas, permitiendo asi el paso y desplazamiento longitudinal del vástago de accionamiento.
10. El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde si la temperatura del elemento termo-sensible está entre 1°C y 30°C, entonces:
el segundo resorte sostiene al vástago en la posición máxima superior;
el primer pistón de cierre mantiene un espaciamiento con respecto al asiento de cierre, por lo que la conexión de entrada de agua fría está comunicada con la conexión de salida de agua de suministro hacia la cámara de liquido del calentador solar; el vástago permanece a un espaciamiento del segundo pistón de cierre que es 3 veces mayor que el espaciamiento del primer pistón con respecto al asiento de cierre.
11. El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde si la temperatura del elemento termo-sensible es menor a 0°C, y su volumen aumenta a 3%, entonces:
la expansión del agua desplaza al primer pistón móvil cuyo primer resorte opone menos resistencia que el segundo resorte; y
el primer pistón móvil cierra el contacto de las terminales eléctricas activando una señal de alarma.
12. El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde si la temperatura del elemento termo-sensible es menor a 0°C, y su volumen aumenta de 3% a 6%, entonces:
aumenta la presión sobre la membrana elástica, la cual empuja volumétricamente al medio de accionamiento térmico del segundo compartimiento, que empuja al medio de accionamiento térmico en el tercer compartimiento en el primer cuerpo;
el segundo resorte desplaza al segundo pistón móvil y a su vez al vástago, el primer pistón de cierre entra en contacto con el asiento de cierre; y
en donde al seguir desplazándose el segundo pistón móvil y el vástago se comprime el tercer resorte para asegurar la hermeticidad del cierre entre la conexión de entrada de agua fría y la conexión de salida de agua fría que va hacia tubo de entrada del calentador solar.
13. El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde si la temperatura del elemento termo-sensible es menor a 0°C, y su volumen aumenta más de 6%, entonces:
el vástago entra en contacto con el segundo pistón de cierre ;
el segundo pistón de cierre se separa de su asiento abriendo la comunicación entre la conexión de entrada de agua caliente del calentador solar y la conexión de desecho de agua caliente; y
en donde se desaloja el 10% del agua contenida en el calentador solar, hasta llegar al nivel del uno o más agujeros de salida de agua caliente.
14. El mecanismo contra el congelamiento del calentador solar de conformidad con la reivindicación 11, en donde la señal de alarma puede ser una señal luminosa, una señal auditiva o alguna otra señal.
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