WO2013153422A1 - Válvula reguladora de la temperatura de salida - Google Patents

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WO2013153422A1
WO2013153422A1 PCT/IB2012/051853 IB2012051853W WO2013153422A1 WO 2013153422 A1 WO2013153422 A1 WO 2013153422A1 IB 2012051853 W IB2012051853 W IB 2012051853W WO 2013153422 A1 WO2013153422 A1 WO 2013153422A1
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coupled
regulating valve
connector
coil
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Andrés MUÑOZ RUIZ
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Fricaeco America Sapi De Cv
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Definitions

  • the present invention relates to the field of water heaters through solar thermal energy.
  • this invention consists of a solar heater, which provides novel advantages over the state-of-the-art solar heaters.
  • 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 regulates the outlet temperature of the inner liquid to avoid burns to 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 seeks to minimize night losses by reverse thermosiphon, has the disadvantage that it lacks a safety mechanism that prevents breakage or damage if the inner liquid freezes or a safety mechanism that regulates the outlet temperature of the inner liquid.
  • 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.
  • inert gas is accompanied by a series of components special for the loading and sealing of 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.
  • French patent application FR2739677 describes a device that includes a conventional water valve having a piston regulator.
  • the cold water moves along a channel towards the regulator.
  • a part of the cold water is channeled to a thermostatic mixer along a channel.
  • An additional channel allows cold water to meet with the exchanger.
  • the mixer consists of a box with an internal chamber that receives cold water and hot water.
  • a slide valve is pressed by a spring against a stop and is connected to a rod made of heat-expanding wax.
  • the slide valve has perforations for the passage of cold water and has a flat valve to close the exchanger channel.
  • the rod is made of thermosetting wax which can cause losses of said material by being in direct contact within the flow of the internal chamber.
  • another disadvantage is that it has a flat valve for closing the exchange channel.
  • 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 flow of hot water desired or expected by the user, through 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.
  • 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 regulating mechanism of the outlet temperature of the solar heater of the present invention, in a fully open position.
  • Figure 2B refers to a longitudinal sectional view of the regulating mechanism of the outlet temperature of the solar heater of the present invention, in intermediate position.
  • Figure 2C refers to a longitudinal sectional view of the temperature regulating mechanism of outlet of the solar heater of the present invention, in a fully closed position.
  • Figure 3 corresponds to the hydraulic connection diagram of the regulating mechanism and the anti-freezing mechanism of the solar heater.
  • the invention relates to a regulating valve for the outlet temperature.
  • 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 LOSSES AND INSTALLATION METHODS OF THE SAME" , filed on April 13, 2012.
  • the regulating valve 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, a mechanism against freezing (26), an outlet temperature regulating valve (27) and the placement of an electrical junction box outside.
  • the mechanism against freezing (26) may be the one disclosed in International Patent Application No. PCT / IB2012 / 051852, entitled “MECHANISM AGAINST FREEZING THE SOLAR HEATER", filed on April 13, 2012
  • 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 chamber allows 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 International Patent Application No., 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 junction 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.
  • the 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 It 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 solar heater container evacuation systems of the prior art, since the outlet hole (22) is fixed at a point that is always flooded with the 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 mechanism to regulate the liquid outlet temperature seeks to avoid burns that occur during the use of water heaters of any type used for domestic use. These burns occur when the water temperature is above 60 ° C. To limit the temperature below 60 ° C, the properties of a thermal storage medium are used. In the mode preferred, the thermal storage medium is the paraffin that expands considerably up to 10% when it changes state from solid to liquid. In this preferred embodiment, the paraffin used effects the phase change between 50 ° C and 55 ° C. Said mechanism consists of an outlet temperature regulating valve (27).
  • the outlet temperature regulating valve (27) consists of a 3-way valve where a hot water inlet (27.8), a cold water inlet (27.11) and an outlet are connected mixed water (27.1).
  • the valve (27) consists of a mixed water housing (27.2) and a valve body (27.13).
  • the coupling between the housing (27.2) and the body (27.13) is carried out by means of a threaded connection.
  • the valve (27) has at the first end the mixed water outlet (27.1) and at its second end a regulating rod (27.15) that can be regulated by the user.
  • a mobile piston support (27.22) is coupled to the body (27.13) by one of its ends, and at the opposite end a connector (27.3) is attached.
  • the coupling between the body (27.13) and the mobile piston support (27.22), and between the mobile piston support (27.22) and the connector (27.3), is carried out by means of a threaded connection.
  • a tube coil (27.4) is coupled to the connector (27.3).
  • the coil tube (27.4) is manufactured in copper or other material with high thermal conductivity.
  • the coil (27.4) houses the thermal storage medium inside.
  • the connector (27.3) has a chamber that can accommodate the thermal storage medium.
  • the connector (27.3) houses an actionable spring (27.5) that is connected to a mobile piston (27.6) that runs inside the support (27.22).
  • the mobile piston (27.6) has at its other end a transmitter spring (27.7).
  • a gasket (27.20) allows the longitudinal displacement of the mobile piston (27.6) without leakage of the thermal storage medium.
  • a gasket (27.21) allows the longitudinal displacement of the mobile piston (27.6) without leakage through the support (27.22).
  • the transmitting spring (27.7) is coupled at its other end to a valve stem (27.10), which has a form adapted to regulate the opening of hot water inlet (27.8) and of the cold water inlet (27.11 ).
  • the hot and cold water flows are mixed in a mixing chamber (27.9) that is formed in the body (27.13).
  • the flow of mixed water can flow through one or more channels (27.16) also formed in the body (27.13) to the inner compartment of the housing (27.2).
  • the mixed water flows in thermal contact with the outer surface of the coil (27.4) filled with the thermal storage medium (which in the paraffin is a phase change temperature is 50 ° C / 55 ° C) towards the mixed water outlet (27.1) to the hydraulic hot water use circuit.
  • the paraffin inside the coil (27.4) begins the phase change and therefore increases its volume, entering a chamber (27.19) that is defined at the top of the mobile piston housing (27.6).
  • This increase in volume presses the piston (27.6) on the transmitting spring (27.7) which causes the valve stem (27.10) to move against the regulating spring (27.12), starting to close the hot water inlet (27.8) and opening the cold water inlet (27.11), as seen in Figure 2B.
  • the temperature of the mixed water is still above 50 ° C, the change of state of the thermal storage medium contained inside the coil (27.4) is maintained. Therefore, the pressure of the mobile piston (27.6) on the transmitter spring (27.7) is also maintained.
  • the paraffin phase change when the paraffin phase change has been completely carried out, its volume will have undergone a 10% expansion and will have occupied its volume equivalence in the space of the upper part of the mobile piston (27.6) causing the displacement maximum thereof, whose lower end makes contact with the valve stem (27.10) causing a smaller opening of the hot water inlet (27.8) and greater opening of the cold water inlet (27.11).
  • the piston (27.6) is returned, which in turn moves the rod (27.10) which allows the proportion of hot water and decrease the cold water, repeating the cycle described here.
  • the diameter of the upper part of the movable piston (27.6) is sized such that the displacement caused by the 10% increase in the volume of the paraffin is sufficient to completely close the hot water inlet (27.8) as You can see in Figure 2C.
  • the response to the temperature change of the thermal storage medium is very fast, given the large thermal transmission surface of the coil (27.4).
  • the excellent thermal conductivity of the coil (27.4) made of copper and the small amount of paraffin used allows to achieve a response of the valve (27) with little temperature variation.

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Abstract

La invención se refiere a una válvula reguladora de la temperatura de salida de un calentador solar que posee una entrada de agua caliente, una entrada de agua fría y una salida de agua mezclada. Dicha válvula comprende una carcasa acoplada a un cuerpo y está caracterizada porque: un soporte de pistón está acoplado al cuerpo por uno de sus extremos y se localiza al interior de la carcasa, un conector está acoplado al soporte; un serpentín de tubo está acoplado al conector de manera externa y está en comunicación térmica con el interior de la carcasa, además el serpentín aloja en su interior un medio de almacenamiento térmico en comunicación fluida con una cámara al interior del conector; al interior del conector, un resorte está acoplado a un pistón móvil que corre por el interior del soporte; el pistón móvil posee en su otro extremo un resorte transmisor; y el resorte transmisor está acoplado en su otro extremo a un vástago de válvula, el cual tiene una forma adaptada para regular la apertura de entrada de agua caliente y de la entrada de agua fría. En esta válvula reguladora los flujos de las entradas de agua fría y caliente se mezclan en una cámara de mezclado que está en comunicación fluida con el interior de la carcasa por uno o más canales. Asimismo, el agua mezclada fluye en contacto térmico con la superficie exterior del serpentín hacia la salida de agua mezclada.

Description

VÁLVULA REGULADORA DE LA TEMPERATURA DE SALIDA
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 13 de abril de 2012; la Solicitud de Patente Internacional No. PCT/IB2012/051852 , titulada "MECANISMO CONTRA EL
CONGELAMIENTO DEL CALENTADOR SOLAR", presentada el 13 de abril de 2012; y la Solicitud de Patente Internacional No.
, titulada "ACUMULADOR TÉRMICO DE MORTERO ULTRALIGERO
PARA CALENTADORES SOLARES AUTOCONTENIDOS", presentada el 13 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 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.
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 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 francesa FR2739677 describe un dispositivo que incluye una válvula de agua convencional que tiene un regulador de pistón. El agua fría se desplaza a lo largo de un canal hacia el regulador. Una parte del agua fría se canaliza hacia una mezclador termostática a lo largo de un canal. Un canal adicional permite que el agua fría pueda reunirse con el intercambiador. El mezclador se compone de una caja con una cámara interna que recibe agua fría y agua caliente. Una válvula de corredera está presionada mediante un resorte contra un tope y está conectada a una varilla hecha de cera termo-dilatable. La válvula de corredera tiene perforaciones para el paso de agua fría y lleva una válvula plana para cerrar el canal de intercambiador. En esta solicitud se tiene la desventaja de requerir de dos porciones, una válvula de agua convencional y el mezclador termostático . Adicionalmente , la varilla está hecha de cera termo- dilatable lo que puede producir pérdidas de dicho material al estar en contacto directo dentro del flujo de la cámara interna. Más aún, otra desventaja es que presenta una válvula plana para el cierre del canal de intercambio.
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 permita regular la temperatura de salida del líquido contenido en su interior evitando el riesgo de quemaduras en el usuario. 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 regulador de la temperatura de salida del calentador solar de la presente invención, en posición totalmente abierta.
La figura 2B se refiere a una vista en corte longitudinal del mecanismo regulador de la temperatura de salida del calentador solar de la presente invención, en posición intermedia.
La figura 2C se refiere a una vista en corte longitudinal del mecanismo regulador de la temperatura de salida del calentador solar de la presente invención, en posición totalmente cerrada.
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 una válvula reguladora para la temperatura de salida. 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, la válvula reguladora 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), una válvula reguladora de la temperatura de salida (27) y la colocación al exterior de una caja de conexiones eléctricas. Cabe señalar que el mecanismo contra el congelamiento (26) puede ser el divulgado en la Solicitud de Patente Internacional No. PCT/IB2012/051852 , titulada " MECANISMO CONTRA EL CONGELAMIENTO DEL CALENTADOR SOLAR", 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 No. , titulada "ACUMULADOR
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.
Ahora bien, atendiendo a las figuras 1A y IB, éstas señalan la localización de un novedoso mecanismo para regular la temperatura de salida del liquido contenido en el calentador solar, el cual se incluye en la presente invención. Este mecanismo 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.
El mecanismo para regular la temperatura de salida del líquido busca evitar las quemaduras que se producen durante el uso de calentadores de agua de cualquier tipo empleados para uso doméstico. Estas quemaduras se producen cuando la temperatura del agua es superior a 60°C. Para limitar la temperatura por debajo de 60°C se aprovechan las propiedades de un medio de almacenamiento térmico. En la modalidad preferida, el medio de almacenamiento térmico es la parafina que se dilata considerablemente hasta un 10% cuando efectúa un cambio de estado de sólido a liquido. En esta modalidad preferente, la parafina empleada efectúa el cambio de fase entre 50°C y 55°C. Dicho mecanismo consiste en una válvula reguladora de la temperatura de salida (27) .
Con referencia a la figura 2A, la válvula reguladora de la temperatura de salida (27) consiste en una válvula de 3 vías en donde se conectan una entrada de agua caliente (27.8), una entrada de agua fría (27.11) y una salida de agua mezclada (27.1) . La válvula (27) consiste en una carcasa de agua mezclada (27.2) y un cuerpo de válvula (27.13) . En la modalidad preferida, el acoplamiento entre la carcasa (27.2) y el cuerpo (27.13) se realiza mediante conexión roscada. La válvula (27) posee en un primer extremo la salida de agua mezclada (27.1) y en su segundo extremo un vástago de regulación (27.15) que puede ser regulado por el usuario .
Al interior de la carcasa (27.2) está acoplado un soporte de pistón móvil (27.22) al cuerpo (27.13) por uno de sus extremos, y en el extremo opuesto está acoplado un conector (27.3) . En la modalidad preferida, el acoplamiento entre el cuerpo (27.13) y el soporte de pistón móvil (27.22), y entre el soporte de pistón móvil (27.22) y el conector (27.3), se realiza mediante conexión roscada. Un serpentín de tubo (27.4) está acoplado al conector (27.3) . De preferencia, el tubo del serpentín (27.4) está fabricado en cobre u otro material de alta conductividad térmica. El serpentín (27.4) aloja en su interior al medio de almacenamiento térmico. El conector (27.3) posee una cámara que puede alojar al medio de almacenamiento térmico. El conector (27.3) a su vez aloja en su interior un resorte accionable (27.5) que está conectado a un pistón móvil (27.6) que corre por el interior del soporte (27.22) . El pistón móvil (27.6) posee en su otro extremo un resorte transmisor (27.7) . Además, una junta (27.20) permite el desplazamiento longitudinal del pistón móvil (27.6) sin que se produzcan fugas del medio de almacenamiento térmico. Asimismo, una junta (27.21) permite el desplazamiento longitudinal del pistón móvil (27.6) sin que se produzcan fugas a través del soporte (27.22) .
Asimismo, el resorte transmisor (27.7) está acoplado en su otro extremo a un vástago de válvula (27.10), el cual tiene una forma adaptada para regular la apertura de entrada de agua caliente (27.8) y de la entrada de agua fría (27.11) . Los flujos de agua fría y caliente se mezclan en una cámara de mezclado (27.9) que está conformada en el cuerpo (27.13) . El flujo de agua mezclada puede salir por uno o más canales (27.16) formados igualmente en el cuerpo (27.13) hasta el compartimiento interior de la carcasa (27.2) . El agua mezclada fluye en contacto térmico con la superficie exterior del serpentín (27.4) relleno del medio de almacenamiento térmico (que en la parafina es una temperatura de cambio de fase es de 50°C/55°C) hacia la salida de agua mezclada (27.1) con destino al circuito hidráulico de utilización de agua caliente.
En la modalidad preferida, si la temperatura del agua mezclada supera los 50°C, la parafina en el interior del serpentín (27.4) comienza el cambio de fase y por lo tanto a aumentar su volumen, entrando hacia una cámara (27.19) que está definida en la parte superior del alojamiento del pistón móvil (27.6) . Este aumento en volumen presiona al pistón (27.6) sobre el resorte transmisor (27.7) lo que provoca el movimiento del vástago de válvula (27.10) contra el resorte de regulación (27.12) comenzando a cerrar la entrada de agua caliente (27.8) y abriendo la entrada de agua fría (27.11), como se observa en la figura 2B. Si la temperatura del agua mezclada sigue estando por encima de 50 °C, el cambio de estado del medio de almacenamiento térmico contenido en el interior del serpentín (27.4) se mantiene. Por lo tanto, la presión del pistón móvil (27.6) sobre el resorte transmisor (27.7) igualmente se mantiene.
En la modalidad preferida, cuando se ha efectuado completamente el cambio de fase de la parafina, su volumen habrá experimentado una dilatación del 10% y habrá ocupado su equivalencia en volumen en el espacio de la parte superior del pistón móvil (27.6) provocando el desplazamiento máximo del mismo, cuyo extremo inferior hace contacto con el vástago de válvula (27.10) provocando una menor apertura de la entrada de agua caliente (27.8) y mayor abertura de la entrada de agua fría (27.11) . Al llegar el agua mezclada al serpentín (27.4) a temperatura inferior a 50°C, se contrae la parafina, se regresa el pistón (27.6), lo que a su vez mueve al vástago (27.10) el cual permite que aumente la proporción de agua caliente y disminuya la de agua fría, repitiéndose el ciclo aquí descrito. Cabe señalar que el diámetro de la parte superior del pistón móvil (27.6) está dimensionado de tal forma que el desplazamiento provocado por el aumento del 10% del volumen de la parafina es suficiente para cerrar completamente la entrada de agua caliente (27.8) como se puede observar en la figura 2C.
En la práctica, la respuesta al cambio de temperatura del medio de almacenamiento térmico es muy rápida, dada la amplia superficie de transmisión térmica del serpentín (27.4) . En la modalidad preferida, la excelente conductividad térmica del serpentín (27.4) fabricado en cobre y la pequeña cantidad de parafina empleada permite conseguir una respuesta de la válvula (27) con poca variación de temperatura.
La interacción entre el calentador solar y estos novedosos mecanismos de regulación de la temperatura de salida, y contra el congelamiento de la Solicitud de Patente Internacional No. PCT/IB2012/051852 , titulada " MECANISMO CONTRA EL CONGELAMIENTO DEL CALENTADOR SOLAR", 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 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

REIVINDICACIONES
1. Una válvula reguladora de la temperatura de salida de un calentador solar que posee una entrada de agua caliente, una entrada de agua fría y una salida de agua mezclada; la válvula comprende una carcasa acoplada a un cuerpo y está caracterizada porque:
un soporte de pistón está acoplado al cuerpo por uno de sus extremos y se localiza al interior de la carcasa,
un conector está acoplado al soporte;
un serpentín de tubo está acoplado al conector de manera externa y está en comunicación térmica con el interior de la carcasa, además el serpentín aloja en su interior un medio de almacenamiento térmico en comunicación fluida con una cámara al interior del conector;
al interior del conector, un resorte está acoplado a un pistón móvil que corre por el interior del soporte; el pistón móvil posee en su otro extremo un resorte transmisor; y
el resorte transmisor está acoplado en su otro extremo a un vástago de válvula, el cual tiene una forma adaptada para regular la apertura de entrada de agua caliente y de la entrada de agua fría;
en donde :
los flujos de las entradas de agua fría y caliente se mezclan en una cámara de mezclado que está en comunicación fluida con el interior de la carcasa por uno o más canales; y
el agua mezclada fluye en contacto térmico con la superficie exterior del serpentín hacia la salida de agua mezclada.
2. La válvula reguladora de conformidad con la reivindicación 1, en donde los acoplamientos entre la carcasa y el cuerpo, entre el cuerpo y el soporte de pistón, y entre el soporte de pistón y el conector, se realizan mediante conexión roscada.
3. La válvula reguladora de conformidad con la reivindicación 1, en donde el tubo del serpentín está fabricado en cobre u otro material de alta conductividad térmica .
4. La válvula reguladora de conformidad con la reivindicación 1, en donde una junta permite el desplazamiento longitudinal del pistón móvil sin que se produzcan fugas del medio de almacenamiento térmico y sin que se produzcan fugas a través del soporte.
5. La válvula reguladora de conformidad con la reivindicación 1, en donde la válvula reguladora además posee un vástago de regulación en el extremo opuesto a la salida de agua mezclada.
6. La válvula reguladora de conformidad con la reivindicación 1, en donde la cámara de mezclado, así como uno o más canales, están conformados en el cuerpo.
7. La válvula reguladora de conformidad con la reivindicación 1, en donde el medio de almacenamiento térmico es parafina.
8. La válvula reguladora de conformidad con la reivindicación 7, en donde si la temperatura del agua mezclada supera los 50°C, la parafina en el interior del serpentín comienza a aumentar su volumen, entrando hacia la cámara al interior del conector, lo que presiona al pistón sobre el resorte transmisor lo que provoca el movimiento del vástago de válvula contra el resorte de regulación comenzando a cerrar la entrada de agua caliente y abriendo la entrada de agua fría.
9. La válvula reguladora de conformidad con la reivindicación 7, en donde si se ha efectuado completamente el cambio de fase de la parafina, su volumen habrá experimentado una dilatación del 10% y habrá ocupado su equivalencia en volumen en el espacio de la parte superior del pistón móvil provocando el desplazamiento máximo del mismo, cuyo extremo inferior hace contacto con el vástago de válvula provocando una menor apertura de la entrada de agua caliente y mayor abertura de la entrada de agua fría.
10. La válvula reguladora de conformidad con la reivindicación 1, en donde el diámetro de la parte superior del pistón móvil está dimensionado de tal forma que el desplazamiento provocado por el aumento del 10% del volumen del medio de almacenamiento térmico permite cerrar completamente la entrada de agua caliente.
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