WO2016108156A1 - Sistema de precalentamiento solar de líquidos que tiene una abertura termosifónica y nanolentes concentradores y aceleradores convectivos - Google Patents

Sistema de precalentamiento solar de líquidos que tiene una abertura termosifónica y nanolentes concentradores y aceleradores convectivos Download PDF

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WO2016108156A1
WO2016108156A1 PCT/IB2015/059956 IB2015059956W WO2016108156A1 WO 2016108156 A1 WO2016108156 A1 WO 2016108156A1 IB 2015059956 W IB2015059956 W IB 2015059956W WO 2016108156 A1 WO2016108156 A1 WO 2016108156A1
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Andrés MUÑOZ RUIZ
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Fricaeco América, Sapi De Cv
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    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the present invention relates to a solar liquid preheating system for heating a liquid.
  • Solar heaters are a good solution to heat a liquid in an ecological and cost-effective way.
  • solar heaters are generally ineffective when it comes to the absorption of solar radiation used to heat the liquid and keep the heat stored in the liquid when the ambient temperature is lower, such as, for example, during the hours without daylight. Sun.
  • thermosiphon is a process used for the heat exchange of liquids without an external source (such as, for example, a mechanical pump), thus eliminating the costs associated with the use of the external source and simplifying the heat transfer process.
  • the thermosiphon process generally involves the use of water and natural convection, where a movement of liquid is not generated by any external source, but only by the differences in density in the liquid that occur due to temperature gradients. Specifically, because cold water has a higher specific density and is heavier than hot water, cold water will sink when stored in a water storage tank, causing hot water to rise to the top. of the water storage tank.
  • 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 in where the liquid returns through six connections located in the upper part of the coil inside the insulated container and exits through six connections located in the lower part of the container to the coil.
  • the solar heater described in this invention 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, it is even considered to lack an optimal surface of solar radiation absorption.
  • this invention lacks technical elements that allow it to concentrate solar energy towards the absorption surface.
  • this invention lacks technical elements that allow to facilitate or induce the movement of liquid through the thermosiphon effect, without entailing the energy costs associated with a pump.
  • this invention suggests adequate insulation, said insulation does not reach the optimum level achieved by vacuum insulation.
  • This invention also lacks wireless control elements that facilitate user decision making.
  • the solar heater described has a plurality of components that make its manufacturing, preparation and operation complex.
  • PCT / MX2011 / 000054 describes a solar liquid heater comprising a transparent outer shell 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 invention lacks technical elements that allow it to concentrate solar energy towards the absorption surface. Likewise, this invention lacks technical elements that allow to facilitate or induce the movement of liquid through the thermosiphon effect, without entailing the energy costs associated with a pump. Moreover, the solar heater has a central tube of vent and overflow, which generates thermal losses caused by the thermal bridge of said central tube with the outside. Additionally, this invention contemplates an insulation based on an inert gas atmosphere between the outer shell and the container, which entails a series of special components for loading and sealing the inert atmosphere, however said insulation can be overcome by complexity and thermal efficiency by vacuum insulation. This invention also lacks wireless control elements that facilitate user decision making. Even more, this invention suggests the use of electric solar cells with the intention of storing electric energy, whose components raise the cost and complexity of the solar heater. Finally, the solar heater described has a plurality of components that make its manufacturing, preparation and operation complex.
  • thermo-tank has in its upper part one or more upper channels and one or more lower channels that allow fluid communication between the chamber and the interior of the thermo-tank.
  • electrical resistor (s) are in thermal contact with the outside of the lower portion of the absorption surface.
  • the liquid lodged in the chamber circulates by thermosiphon effect and through the channels.
  • the solar heater described has a plurality of components, particularly various valves described therein, which makes its manufacturing, preparation and operation complex.
  • Mexican patent application MX / a / 2014/003091 describes a solar preheater comprising a cover, a base that receives at least one cold liquid inlet tube and at least one hot liquid outlet tube, a solar absorber supported on the base and hermetically housed inside the cover and a thermo-tank inside the solar absorber supported on the base and receives inside the inlet tube in its lower zone and the outlet tube in its upper zone.
  • the solar absorber has an area of solar absorption on which are fixed sections of fins formed to accommodate at least one sensor tube that has an internal deflector that generates a turbulent helical movement.
  • Inside the thermo-tank a central tube is coupled on which a double seat valve is mounted, which has a thermal collection surface connected to a thermal actuator.
  • the solar preheater described in this invention lacks an optimal surface area for absorbing solar radiation, particularly due to the aforementioned collector tubes and fins. Also, this invention lacks technical elements that allow it to concentrate solar energy towards the absorption surface.
  • the solar heater described has a plurality of components, particularly the double seat valve and baffles in the collector tubes described therein, which makes its manufacturing, preparation and operation complex.
  • thermal solar heaters that use spherical or almost spherical collection surfaces that optimize the collection of solar radiation.
  • the international patent application WO1985001790 describes a solar water heater consisting of a spherical container that transfers heat to the water stored inside it, a spherical transparent outer cover and water inlet and outlet ducts. Additionally, said solar water heater suggests a vacuum insulation in order to provide optimal insulation of the container.
  • the solar heater described in this invention has the disadvantage that it lacks technical elements that allow it to concentrate solar energy towards the absorption surface, so that the container and the cover of this invention are not concentric with each other.
  • this invention lacks technical elements that facilitate or induce the movement of water through the thermosiphon effect that occurs inside the container. Additionally, although this invention suggests a vacuum insulation, the document is obscure as to the application of said vacuum insulation. Due to its age in the state of the art, this invention lacks wireless control elements that make it easier for the user to make decisions. Finally, the document does not suggest the use of external reflectors that allow increasing the solar radiation incident in the heater.
  • the utility model application in China CN2249389 describes an omnidirectional solar water heater that uses a body of water to capture sunlight.
  • the invention consists of two concentric spherical tanks, both of translucent material. As isolation the document suggests leaving that space as an evacuated cavity.
  • the internal water storage tank uses water as a means of capturing light.
  • An arc-shaped surface is placed under the heater to bounce the incident rays that pass down the heater back towards the solar heater.
  • a support base allows the heater and the arc-shaped surface to be held. Both the base and the arc-shaped surface are mechanically connected to the internal tank, so they also pass through the external tank.
  • the solar heater described in this invention has the disadvantage that the internal tank is made of translucent material, so that its collection surface does not absorb as much radiation as a black or dark surface. Additionally, another disadvantage is that the lower arc-shaped surface only allows the incident rays that fall under the collector to be concentrated, and therefore lacks technical elements that allow it to concentrate solar energy towards the absorption surface from any position, both superior as inferior. Likewise, this invention lacks technical elements that facilitate or induce the movement of water through the thermosiphon effect that occurs inside the internal tank. Moreover, another disadvantage is the existence of metal connections to the internal and external tank, which generate thermal losses caused by the thermal bridge with the outside, despite the suggested insulation elements. Additionally, although this invention suggests a vacuum isolation, the document is obscure as to the application of said vacuum isolation. Finally, this invention lacks electrical resistors for the alternative heating of water, as well as wireless control elements that facilitate the user's decision-making, with respect to the use of said resistors.
  • the international patent application WO2008095876 describes a spherical-shaped solar collector comprising a balloon-shaped outer body, an inner lining that acts as a sunlight-absorbing jacket containing highly conductive medium, a storage tank for heat housed inside the outer body and containing a working fluid, a heat exchanger system housed inside the tank and base, fluid conduits that provide a loop flow path between the tank and the exchanger, a pump arranged in said fluid conduits, a mass of insulating material that covers the outer surface of the storage tank.
  • Said solar collector works through the use of the heat exchanger driven by the pump and which is housed inside the outer body and storage tank. This solar collector lacks technical elements that allow it to concentrate solar energy towards the absorption surface.
  • this invention does not use the thermosiphon effect, so it requires a pump in the heat exchanger system, which entails the energy costs associated with said pump.
  • another disadvantage is the existence of ducts and deposits, which generate thermal losses caused by thermal bridge with the outside.
  • this invention suggests an insulation, it does not reach the optimum level achieved by vacuum insulation.
  • This invention also lacks wireless control elements that facilitate user decision making.
  • the document does not suggest the use of external reflectors that allow increasing the solar radiation incident in the heater.
  • the solar heater described has a plurality of components, particularly the ducts, working fluid and pump related to the heat exchanger system, which makes its manufacturing, preparation and operation complex.
  • the utility models in China CN202018141 and CN202470473 correspond to two inventions related to a spherical solar heater lacking the known vacuum tubes used by other state-of-the-art solar heaters.
  • Both inventions consist of a solar heater comprising two concentric spherical tanks, the outer one in translucent material and the inner one in opaque material.
  • the solar heater is connected to a flat base, an optional vertical reflector and also has a ventilation tube located at the top of both spherical tanks, which connects the inside of the inner tank to the outside.
  • utility model CN202470473 has a water inlet tube, slightly raised to the lower part of the internal tank and a water outlet tube, slightly higher than the inlet tube.
  • This utility model also has a sensor element that is located near the upper area of the internal tank and crosses to an area near the bottom of the external tank.
  • the main disadvantage of this heater is that the water outlet tube is located in the lower part of the internal tank, which will not allow to extract the hottest water inside the heater, but instead the water from the Lower zone consists of the one at a lower temperature.
  • the solar heater described in this invention has the disadvantage that it lacks technical elements that allow you to concentrate solar energy towards the absorption surface.
  • this invention lacks technical elements that facilitate or induce the movement of water through the thermosiphon effect that occurs inside the container.
  • another disadvantage is the existence of the ventilation tube, inlet tube and outlet tube that pass through both tanks at the described points, so that they generate thermal losses caused by the thermal bridge of both tubes with the outside.
  • this invention suggests an insulation that does not reach the optimum level that is achieved by vacuum insulation.
  • the sensor element of this invention lacks wireless control elements that allow optimizing the use of the water in the heater.
  • this invention lacks electrical resistance for alternative water heating.
  • the optional vertical baffle proposed in this invention does not optimally reflect indirect incident rays towards the solar heater.
  • the utility model CN202018141 has a water inlet tube, in the lower part of the internal tank and that exits through the flat base, and a water outlet tube, in an area near the upper area of the internal tank and crosses to the lower part of the internal tank and leaving by the flat base.
  • this invention also has an electric heating element with a temperature control function, located at the lowest point of the internal tank, between the inlet tube and the outlet tube, and which exits through the flat base.
  • the main disadvantage of this heater is that the water outlet tube is located in an area close to the upper zone of the internal tank, but not in the uppermost zone, so water cannot be extracted Hotter inside the heater.
  • the solar heater described in this invention has the disadvantage that it lacks technical elements that allow it to concentrate solar energy towards the absorption surface. Likewise, this invention lacks technical elements that facilitate or induce the movement of water through the thermosiphon effect that occurs inside the container. Moreover, another disadvantage is the existence of the ventilation tube that crosses both tanks at its upper point generates thermal losses caused by the thermal bridge of said ventilation tube with the outside. Additionally, this invention suggests an insulation that does not reach the optimum level that is achieved by vacuum insulation. This invention also lacks wireless control elements that allow the element to be controlled. heater while using water heater. Finally, the optional vertical baffle proposed in this invention does not optimally reflect indirect incident rays towards the solar heater.
  • a solar heater which, in addition to having a spherical surface for absorption of optimal solar radiation, allows concentrating solar energy towards the absorption surface.
  • a solar heater with optimum vacuum insulation is required, with an auxiliary vacuum maintenance system, and that eliminates thermal bridges with the outside.
  • a solar heater with technical elements is needed that allows to induce the movement of water through the thermosiphon effect that occurs inside the heater.
  • a solar heater with an alternate or combined use of another self-regulating backup heat source with wireless control elements that make it easier for the user to make decisions about the use of said heat source of back.
  • a solar heater with optimized external reflectors is required to increase the solar radiation incident in the heater.
  • the solar heater has few components that simplify its manufacture, preparation and operation.
  • An object of the present invention is to provide a high thermal efficiency solar heater with an omnidirectional optimum solar radiation absorption spherical surface.
  • the solar heater has technical elements that allow inducing the movement of water through the thermosiphon effect that occurs inside the heater to improve thermal transfer.
  • the solar heater allows the energy to be concentrated towards the absorption surface by means of nanolens concentrators.
  • Another objective of the present invention is that the solar heater has an optimum vacuum insulation and that it eliminates thermal bridges with the outside.
  • Another objective of the present invention is that vacuum insulation provides for the possibility of an auxiliary maintenance system.
  • Another objective of the present invention relates to the solar heater must maintain a flow suitable of the hot liquid determined by the user through the alternate or combined use of a backup heat source integrated in the heater.
  • another objective of the present invention is that the solar heater the backup heat source is self-regulating and with wireless control elements that facilitate the user's decision making on the use of said heat source of back.
  • Another objective of the present invention is that solar heater has optimized external reflectors that allow to increase the solar radiation incident in the heater.
  • another objective of the present invention is that the solar heater allows easy manufacturing, assembly, transportation, installation and use.
  • Some modalities of the disclosure refer to a solar preheating system that has a thermo-tank and a cover configured to process and store the liquid to be heated. Some embodiments of the solar preheating system include an opening formed between the thermo-tank and the cover, since the thermo-tank is covered by the cover. Some embodiments of the solar preheating system include a layer of lithographic nanoprinting layer that includes a plurality of nanolenses removably coupled to the cover. Some modalities of the solar preheating system include a liquid vacuum system in fluid communication with the opening, wherein the liquid vacuum system is configured to control the passage of liquids in the solar preheating system.
  • FIG. 1 is a front perspective view of a solar liquid preheating system according to one embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a rear view of the solar liquid preheating system.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the solar liquid preheating system, taken along lines A-A 'of Figure 2.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the solar liquid preheating system, taken along lines B-B 'of Figure 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the solar liquid preheating system, taken along lines C-C 'of Figure 3.
  • FIG. 6 is a rear view of the solar liquid preheating system.
  • FIG. 7A is a perspective view of the solar liquid preheating system according to one embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7B illustrates a cross-sectional view of the solar liquid preheating system of Figure 7A.
  • FIG. 8 is a perspective view of the solar liquid preheating system according to one embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a perspective view of the solar liquid preheating system according to one embodiment of the present disclosure.
  • the illustrative modalities of the present disclosure are directed to a solar liquid preheating system configured to provide thermal efficiency through a thermo-tank and a cover, where both the thermo-tank and the cover are in the form of a sphere.
  • the solar liquid preheating system is also configured to improve the heating of the liquid housed within the system by accelerating the occurrence of a thermosiphonic physical effect.
  • the thermosiphonic effect is a method of passive heat exchange based on the natural convection that circulates a liquid without a mechanical pump.
  • Convection is a type of heat transfer that occurs due to a movement of liquid when the hot liquid is caused to move away from a heat source. In particular, convection on a surface Hot is produced because the hot liquid expands, becomes less dense and rises, thus causing the circulation of liquid and convection currents that carry energy associated with the liquid.
  • FIG. 1 illustrates a solar liquid preheating system (100).
  • the solar heating system (100) comprises a thermo-tank (102) configured to process and store the liquid to be heated by the system (100).
  • the thermo-tank (102) has the shape of a geometric figure generated by the revolution of a semicircle around the diameter of the figure, where each point on a surface of the thermo-tank (102) is equidistant from a center of the thermo- tank (102).
  • the geometric figure of the thermo-tank (102) may resemble the shape of a round object, such as, but not limited to, a sphere.
  • the thermo-tank (102) is configured to receive a cover (104).
  • the cover (104) has a shape that resembles the shape of the thermo-tank (102) (for example, a sphere), such that the thermo-tank (102) is coated by the cover (104), thus creating a opening (106) extending throughout and in the middle of the thermo-tank (102) and the cover (104).
  • the cover covers (102) ie, surrounds) the thermo-tank (102).
  • the thermo-tank (102) and the cover (104) are concentric: the two components They share a common center. This modality is illustrated in FIG. 1 wherein the thermo-tank (102) is denoted by dashed dashed lines to illustrate that the thermo-tank (102) can be seen through the cover (104).
  • the cover (104) can be self-cleaned with rainwater, thus serving to prevent the accumulation of dirt or unwanted materials or particles in the solar system (100).
  • the shape of the cover (104) is aerodynamic, which improves the stability of the solar liquid preheating system (100), in case the system (100) was subjected to unique living environmental conditions, such as , for example, strong high-speed winds and / or excessive snow.
  • the thermo-tank (102) and the cover (104) can be made of the same material. In another embodiment, the thermo-tank (102) and the cover (104) can be made of different materials.
  • the thermo-tank (102) may be made of a thermoplastic polymer, such as, but not limited to, polypropylene, and the cover (104) may be made of a different type of thermoplastic polymer, such as, but not limited to, polycarbonate.
  • the cover is made of a transparent material, which optimizes the absorption of solar radiation rays.
  • the system properties (100) described in this disclosure they allow the system (100) to be placed in different physical locations subject to a variety of environmental conditions.
  • the thermo-tank (102) comprises an upper part of the tank (108) and a lower part of the tank (110).
  • thermo-tank (104) comprises an upper part of the cover (114) and a lower part of the cover (116).
  • the upper part of the cover (114) is removably fixed to the lower part of the cover (116) using any suitable fastening or coupling mechanism (118).
  • the clamping mechanism (112), which is used to fix the upper part of the tank (108) to the lower part of the tank (110), can be the same or different than the clamping mechanism (118), which is used for fix the upper part of the cover (114) to the lower part of the cover (116). In the mode illustrated in FIG.
  • a clamping joint (120) is used to connect the clamping mechanisms (112) and (118), where the clamping joint allows the opening (106) to be maintained between the thermo-tank (102) and the cover ( 104).
  • the mechanisms of clamping (112), (118) and / or clamping joint (120) can be formed by processes and materials of casting or adhesive bonding.
  • the material used for the clamping mechanisms (112), (118) or the clamping joint (120) may include thermoplastics.
  • the opening (106) forms a hollow circular ring that separates the thermo-tank (102) from the cover (104).
  • the opening (106) has a width that is uniform throughout the circular ring, said space separating the thermo-tank (102) from the cover (104) remains constant.
  • the opening (106) has a variable width, such that a space formed between the upper part of the tank (108) and the upper part of the cover (114) is different from a space formed between the lower part of the tank (110) and the bottom of the cover (116).
  • thermo-tank (102) and the cover (104) allow the optimal absorption of solar radiation from the sun at any time of the day and to any solar declination, which varies with each season due to the inclination of the earth around the axis of rotation of the earth and the rotation of the earth around the sun.
  • shape of the solar liquid preheating system (100) optimizes the efficiency of the total area for collection of the heated liquid inside the thermo-tank (102) by approximately 30 percent.
  • the opening (106) is configured to suppress the thermal losses of the thermo-tank (102) by convection and transmission.
  • thermo-tank (102) Any other loss of energy from the radiation rays is reduced when the infrared radiation rays emitted by the thermo-tank (102) are contained within the cover (104).
  • the configurations of the thermo-tank (102) with respect to the cover (104) described in this document, cause the formation of mechanical loads that balance the two elements in such a way that vacuum insulation is formed inside the opening (106) .
  • the solar liquid preheating system (100) includes a base (122).
  • the base (122) is configured to support the thermo-tank (102), the cover (104), the opening (106) and any element used in connection with them on the ground (164) by means of a support mechanism and a union neck (124).
  • the base (122) includes an upper surface (122A) interconnected to a base element (122B) having a hole (122C).
  • the base element (122B) has a substantially circular shape.
  • the base (122) is substantially hollow except that the base (122) can be used to support the system elements (100) as described in this document.
  • the support mechanism and the connecting neck (124) may include any type of adjacent joint sealed by a connecting neck. As shown in FIG.
  • the support mechanism and the connecting neck (124) are adapted to provide a container for the hole (122C) in the base element (122B).
  • the support mechanism and the connecting neck (124) may include a tape or a band used to support and maintain the thermo-tank (102), the cover (104), the opening (106) and any support elements of the themselves in their place.
  • the support mechanism and the connecting neck (124) can be made of a thermoplastic polymer having a low transmission coefficient.
  • the polymer may include, but is not limited to, polypropylene.
  • the upper surface (122A) of the base (122) includes a reflective surface finish (148), which accelerates the occurrence of the physical thermosophonic effect upon receiving a plurality of direct solar radiation rays (shown in FIG 2) and when producing a plurality of reflection rays directed to the cover (104) and the thermo-tank (102) (also shown in FIG. 2).
  • Direct radiation rays also called beam radiation rays
  • Radiation rays diffuse describe rays of the sun that have been dispersed by molecules and particles in the atmosphere but have still reached the surface of the earth.
  • the reflected radiation rays are the sun's rays that have been reflected from non-atmospheric elements, such as the ground.
  • the upper surface (122A) of the base (122) is inclined at an angle ⁇ with respect to a horizontal plane extending its tancially parallel to the ground (164).
  • the spherical shape of the cover (102) and the thermo-tank (102) provide optimum absorption of the solar radiation rays that are reflected by the base (122) and are received at any point of the cover (102).
  • the soil (164) may include any solid surface of the earth, and / or any type of naturally occurring soil, such as, for example, field, meadow, meadow, hay crops and grasslands, and / or man-made soil such as, for example, asphalt and concrete.
  • the base (122) includes an inlet tube (126) and an outlet tube (128).
  • the inlet tube (126) and the outlet tube (128) are used to control the flow of liquid in the solar liquid preheating system (100).
  • the inlet tube (126) is housed in the base (122).
  • the inlet tube (126) has a first end (126A) having a hole (126C) and a second end (126B) having a hole (126D).
  • the first end (126A) of the inlet tube (126) extends in a plane parallel to the base (122).
  • the inlet tube (126) is then curved in an upward direction from the base (122) at an angle of approximately 90 degrees.
  • the curve is approximately half of the inlet tube (126).
  • the inlet tube (126) bends upwards from the base (112), the inlet tube (126) extends vertically until the tube (126) is coupled to a liquid diffuser (130).
  • the second end (126B) of the inlet tube (126) is adapted to fluidly engage the liquid diffuser (130).
  • the orifice at the second end (126B) of the inlet tube (126) distributes, through the liquid diffuser (130), the cold liquid inside the thermo-tank (102).
  • the liquid diffuser (130) is configured to distribute the cold liquid in an area of the thermo-tank (102) that is located at the lowest points within the thermo-tank (102) (i.e., by For example, the area of the thermo-tank (102) that is closest to the support mechanism and the connecting neck (124)).
  • the inlet tube (126) is housed in the base (122).
  • Outlet pipe (128) has a first end (128A) that has a hole and a second end (128B) that has a hole.
  • the first end (128A) of the outlet tube (128) extends in a plane parallel to the base (122) and through a hole in the base (122) that is exposed to the environment.
  • the outlet tube (128) bends in an upward direction from the base (122) at an angle of approximately 90 degrees.
  • the outlet tube (128) extends vertically within the support mechanism and the connecting neck (124) until the outlet tube (128) reaches an ascending tube (132).
  • the riser tube (132) is a tube that extends vertically inside the thermo-tank (102), in a direction away from the base (122) and directly towards the highest zone of the thermo-tank (102), so that The hot liquid is subjected to extraction by the ascending tube (132).
  • the riser tube (132) has a first end (132A) coupled to the second end (128B) of the outlet tube (128).
  • the riser tube (132) has a second end (132B) that extends into the thermo-tank (102) and is configured to receive the liquids therefrom.
  • the first end (132A) of the riser (132) is contained in a plane that is at a lower height than the planes containing the second end (132B) and the beveled hole (132C).
  • the first end (128A) of outlet tube (128) is removably coupled to the first end (132A) of the riser tube (132).
  • the second end (132B) of the riser (132) is configured to provide the liquid at a desired pressure.
  • the second end (132B) of the riser (132) has a beveled hole (132C), where the inclination of the tube (132) follows the general curve of the geometric figure generated by the shape of the thermo-tank ( 102).
  • the solar liquid preheating system (100) includes an electrical junction box (134) adapted to store the electrical components used for the control and measurement of the variables associated with the system (100).
  • the electrical connection box (134) is covered by a cover (136) in order to hide the electrical components from external environmental conditions.
  • the electrical connection box (134) receives an electrical cable (138).
  • the electric cable (138) is inside the base (122) and the support mechanism and connecting neck (124).
  • the electric cable (138) is adapted to be coupled to a resistor (140), which adapts to any liquid that is inside the thermo-tank (102).
  • the resistor (140) is supported by the support mechanism and the union neck (124).
  • the resistance (140) extends longitudinally inside the thermo-tank (102).
  • the resistance (140) can be self-regulating: operating at a predetermined working temperature without the need for a thermostat.
  • the use of self-regulation resistance would probably simplify the operation steps that the user would have to undergo when operating the system (100).
  • the predetermined resistance temperature (140) can be between 39 degrees Celsius and 45 degrees Celsius.
  • the predetermined temperature of the resistance (140) is 45 degrees Celsuis. It should be noted that the surface temperature of a PCT type resistor typically does not exceed 70 degrees Celsius. This could limit and reduce the precipitation of solids on the surface of the resistor (140) and avoid any unwanted effects that could compromise the integrity of the material used to make the thermo-tank (102).
  • the solar liquid preheating system (100) includes an insulating material (142).
  • the insulating material (142) extends into the base (122) and serves to prevent the formation of a thermal bridge with the ground (164) that could lead to heat loss.
  • thermal bridge refers to a localized area of the system (100) where a penetration of the insulating material (142) by a conductive material could occur in the separation between the interior and exterior environment of the system (100).
  • the solar liquid preheating system (100) includes a vacuum valve (144).
  • the vacuum valve (144) is housed inside the base (122).
  • the vacuum valve (144) is connected to a vacuum pipe (146) and extends through the hole (122C) in the base (122) and a hole (150) in the support mechanism and connecting neck (124 ) until the vacuum line (146) forms a fluid connection with the opening (106).
  • the connections between any of the components of the solar liquid preheating system (100) must show layers of insulation and airtightness intended to prevent the loss of liquid heating.
  • the solar liquid preheating system (100) includes a lithographic nanoprinting layer (152) removably coupled to the cover (104).
  • the lithographic layer (152) can be flexible and transparent to the human eye.
  • the lithographic layer (152) may include a plurality of nanolenses (154).
  • the nanolenses (154) can be convergent to concentrate heat.
  • the nanolenses (154) are configured to accelerate the occurrence of the solar radiation.
  • the nanolenses (154) can be printed using any suitable nanoprinting technique.
  • each of the plurality of nanolenses (154) can have a size of 100 nanometers, where one nanometer is a unit of length that equals 1/1, 000, 000, 000 to (one billionth) of one meter.
  • Each of the plurality of nanolenses (154) is designed to concentrate direct, reflected and diffuse solar radiation rays that strike at any point in the thermo-tank (102) (in the form of a sphere) at a focal length equivalent to the opening (106). This allows the thermo-tank (102) to receive a concentrated (intense) amount of solar radiation at a higher temperature compared to the amount of solar radiation that the tank would receive if it did not have the plurality of nanolenses. The higher temperature of the absorption surface accelerates the heating of the liquid and increases the efficiency of heat exchange.
  • the opening (106) creates a vacuum that helps prevent refraction of radiation concentrated in the air and eliminate heat losses due to convection and transmission of the thermo-tank (102).
  • the thermo-tank (102) includes an outer side (102B) facing the cover (104), where the outer side (102B) is covered by a selective optimization surface (102A) that optimizes the absorption of infrared radiation rays.
  • a selective optimization surface (102A) that optimizes the absorption of infrared radiation rays.
  • thermo-tank (102) when the selective optimization surface is used, unlike when transparent, smooth or uncoated materials are used on the surface of the thermo-tank (102 ).
  • the focal length between the nanolenses (154), the light source and the focus point may depend on the point of origin of the received radiation, which is achieved through the aperture (106), which in turn is formed by the arrangement of the two concentric spheres of solar radiation absorption. In an embodiment illustrated in FIGS.
  • the solar liquid preheating system (100) includes a plurality of channels (156) coupled to an inner side (102B) of the thermo-tank (102) oriented towards the liquid.
  • the plurality of channels (156) are configured to accelerate the thermosiphon effect and improve convection heating of the liquid stored inside the thermo-tank (102).
  • Solar radiation that is reflected and concentrated through the plurality of channels (156) causes an increase in the temperature of the outer surface of the thermo-tank (102). This, in turn, heats the liquid that is in direct contact with the inner side of the thermo-tank (102).
  • the liquid moves up through the channels (156).
  • the ascended liquid is replaced by cold liquid located inside the thermo-tank (102).
  • the plurality of channels (156) allow the heating of the liquid to occur in a top-to-bottom direction instead of convection heating from the outside to the inside of the thermo-tank (102), which would be expected to occur normally in a thermo-tank with smooth interior walls and no channels.
  • the plurality of channels (156) are uniform and equidistant from each other.
  • the width of the plurality of channels (156) varies.
  • the plurality of channels (156) coupled to the top of the tank (108) can be of a different width than the plurality of channels (156) coupled to the bottom of the tank (110).
  • the solar liquid preheating system (100) includes a sensor (158) removably attached to an inner side (102B) of the upper part of the tank (108).
  • the sensor is removably attached to an inner side (102B) of the upper part of the tank (108).
  • the (158) includes a probe (160) configured to receive information related to the temperature of the liquid stored in the thermo-tank (102).
  • the probe (160) is installed in the upper part of the sensor (158) oriented towards the liquid.
  • the sensor (158) is configured to wirelessly transmit the temperature information to a control system (162) (shown in FIG. 1).
  • the control system (162) includes an input / output interface comprising a wireless or infrared input / output circuit that provides a communication link configured to communicate with the electrical cable (138) and the resistor ( 140).
  • control system (162) can be located away from the solar liquid preheating system (100) In one embodiment, the distance between the control system (162) and the solar liquid preheating system (100) can be up to 30 meters. This mode would allow a user to measure the temperature of the stored liquid and, depending on the measured temperature, selectively turn on or off the resistor (140) in order to optimize the use and energy consumption of the resistor.
  • FIG. 8 illustrates another embodiment of the solar liquid preheating system (200) having a liquid vacuum system (202).
  • the liquid vacuum system (202) includes a vacuum tank (208) having liquid, wherein the vacuum tank (208) is in fluidic communication with the opening (106).
  • the liquid vacuum system (202) is adapted to control the passage of liquid from the opening (106) through the vacuum valve (144) to the vacuum line (146).
  • the vacuum pipe (146) is coupled to a first tube (206) having a first valve (210) by the vacuum valve (144).
  • An opposite end of the first tube (206) is connected to the empty tank (208).
  • a second tube (212) is coupled to an upper surface of the vacuum tank (208) and extends upward until the second tube (212) reaches a plane that is at substantially the same latitude as the thermo-tank (102). ).
  • a third valve (216) is coupled to a lower surface of the vacuum tank (208).
  • tubes (206), (212) and valves (210), (214), (216) can be controlled manually or automatically.
  • thermo-tank (208) is arranged at a latitude lower than the thermo-tank (102), creating a suitable height difference between the vacuum tank (208) and the thermo-tank (102).
  • said difference in height between the vacuum tank (208) and the thermo-tank (102) can be between 5 and 10 meters.
  • the thermo-tank (102) is placed on the roof of a house, where the vacuum tank (208) is placed on the floor next to the foundation of the house. When the vacuum tank (208) is in an "open" position, the liquid in the vacuum tank (208) is flowing and can be removed from the tank (208), thus creating a suction effect that removes any liquid from the opening (106).
  • the vacuum tank (208) When the vacuum tank (208) is changed to a "closed” position, the liquid in the vacuum tank (208) stops flowing out of the tank (208), thus creating a vacuum effect where the liquid remaining in the Tank (208) functions as a type of hydraulic seal to prevent liquid from being drawn out of the opening (106).
  • the vacuum tank (208) is in the "open” position, which allows flow and extraction of liquid when the first valve (210) and the second valve (214) of the first tube (210) and the second tube (212), respectively, are open, and the third valve (216) at the bottom of the vacuum tank (208) is closed. This configuration allows the liquid to be introduced into the vacuum tank (208) through the first valve (210) until the vacuum tank (208) becomes full and any overflowing liquid is received by the second valve (214).
  • the vacuum tank (208) is in the "closed” position, preventing the flow and removal of liquid, when the first valve (210) and the second valve (214) are closed and the third valve (216) is open. This configuration removes the liquid out of the vacuum tank (208) and creates the aspiration that extracts the liquid from the opening (106).
  • the thickness of the material used for the thermo-tank (102) and the cover (104) can be reduced, thus further optimizing the total area available to collect the liquid that is being processed. be warmed.
  • the modalities of the present disclosure cause convection movement patterns that improve heat transmission efficiency by up to 25 percent, compared to the heat transmission efficiency created in systems with different geometric shapes, such as, for example, cylindrical or rectangular shapes.
  • the spherical shape of the thermo-tank (102) improves the thermal conduction of the solar liquid preheating system, because the spherical shape creates a larger transmission surface that allows substantially all points of the thermo-tank (102) to be in direct contact with the liquid.
  • Thermal conduction causes the liquid that has a higher temperature to rise and the liquid in the central portion of the thermo-tank (102) that has colder temperatures to go down, thus occupying the space that used to be occupied by the liquid high.
  • the solar liquid preheating system includes a logo, emblem or pictorial image (218) representing the company used to create or manufacture the system.

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Abstract

En un aspecto, la presente divulgación incluye un sistema de precalentamiento solar de líquidos que tiene un termo-tanque configurado para almacenar el líquido que está en proceso de ser calentado. El termo-tanque está revestido por una cubierta, creando así una abertura que se extiende entre los mismos. En otro aspecto, el sistema de precalentamiento solar de líquidos incluye una capa de nanoimpresión litográfica que tiene una pluralidad de nanolentes configurados para concentrar y acelerar los rayos de radiación solar. En otro aspecto, el sistema de precalentamiento solar de líquidos incluye un sistema de vacío de líquidos en comunicación fluídica con el termotanque.

Description

SISTEMA DE PRECALENTAMIENTO SOLAR DE LIQUIDOS QUE TIENE UNA ABERTURA TERMOSIFÓNICA Y NANOLENTES CONCENTRADORES Y ACELERADORES CONVECTIVOS CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema de precalentamiento solar de líquidos para calentar un líquido . ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La siguiente discusión se proporciona sólo para información general y no está pensada para ser utilizada como ayuda para determinar el alcance de la materia reclamada .
Los calentadores solares son una buena solución para calentar un líquido de manera ecológica y rentable. Sin embargo, los calentadores solares son generalmente ineficaces cuando se trata de la absorción de radiación solar utilizada para calentar el líquido y mantener el calor almacenado en el líquido cuando la temperatura ambiente es inferior, tal como, por ejemplo, durante las horas sin luz del sol.
Los calentadores solares funcionan típicamente según el principio de termosifón. El termosifón es un proceso utilizado para el intercambio de calor de los líquidos sin una fuente externa (tal como, por ejemplo, una bomba mecánica) , eliminando asi los costes asociados con el uso de la fuente externa y simplificando el proceso de transferencia de calor. El proceso de termosifón implica generalmente el uso de agua y convección natural, en donde un movimiento de liquido no es generado por ninguna fuente externa, sino solamente por las diferencias de densidad en el liquido que ocurren debido a los gradientes de temperatura. En concreto, debido a que el agua fría tiene una mayor densidad especifica y es más pesada que el agua caliente, el agua fría se hundirá cuando se almacena en un tanque de almacenamiento de agua, causando que el agua caliente a suba hacia la parte superior del tanque de almacenamiento de agua.
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 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. A pesar de que este desarrollo es funcional, el calentador solar descrito en esta invención 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, inclusive se considera que carece de una superficie óptima de absorción de radiación solar. Asimismo, esta invención carece de elementos técnicos que le permitan concentrar la energía solar hacia la superficie de absorción. De igual forma, esta invención carece de elementos técnicos que permitan facilitar o inducir el movimiento de líquido a través del efecto de termosifón, sin que conlleven los gastos energéticos asociados a una bomba. Adicionalmente, a pesar de que esta invención sugiere un aislamiento adecuado, dicho aislamiento no alcanza el nivel óptimo que se consigue mediante un aislamiento por vacío. También esta invención carece de elementos de control inalámbricos que permitan facilitar la toma de decisiones del usuario. Finalmente, el calentador solar descrito posee una pluralidad de componentes que hace compleja su manufactura, preparación y funcionamiento. De igual forma, la solicitud de patente internacional No. PCT/MX2011/000054 describe un calentador solar de liquido 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 liquido alojado entre la membrana y la superficie exterior del contenedor. El liquido se mueve por efecto de termosifón en donde el liquido 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. A pesar de que este desarrollo es funcional, el calentador solar descrito en esta invención 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, inclusive se considera que carece de una superficie óptima de absorción de radiación solar. Asimismo, esta invención carece de elementos técnicos que le permitan concentrar la energía solar hacia la superficie de absorción. De igual forma, esta invención carece de elementos técnicos que permitan facilitar o inducir el movimiento de líquido a través del efecto de termosifón, sin que conlleven los gastos energéticos asociados a una bomba. Más aún, el calentador solar posee un tubo central de respiradero y rebosadero, el cual genera pérdidas térmicas ocasionadas por el puente térmico de dicho tubo central con el exterior. Adicionalmente, esta invención contempla un aislamiento a base de una atmósfera de gas inerte entre la cubierta exterior y el contenedor, lo cual conlleva una serie de componentes especiales para la carga y sellado de la atmósfera inerte, sin embargo dicho aislamiento puede ser superado por complejidad y eficiencia térmica por un aislamiento por vacio. También esta invención carece de elementos de control inalámbricos que permitan facilitar la toma de decisiones del usuario. Todavía más aún, esta invención sugiere el uso de celdas solares eléctricas con la intención de almacenar energía eléctrica, cuyos componentes elevan el costo y complejidad del calentador solar. Finalmente, el calentador solar descrito posee una pluralidad de componentes que hace compleja su manufactura, preparación y funcionamiento.
Por su parte, la solicitud de patente internacional No. PCT/IB2012/051851 describe un calentador solar constituido por una base y una cubierta exterior, en donde la base aloja al menos una resistencia eléctrica, un tubo de entrada de líquido frío y un tubo de salida de líquido caliente; mientras que la cubierta aloja en su interior a un absorbedor solar cilindrico formado por una superficie de absorción que tiene en su interior uno o más distanciadores que permiten que exista una cámara de liquido entre el interior de la superficie de absorción y el exterior de un termo-tanque. Finalmente, un tubo central atraviesa la cámara, el termo-tanque y la base; en donde el tubo central permite la comunicación fluida de la cámara y el interior del termo-tanque con el tubo de salida. El calentador permite que el liquido esté en contacto térmico con todas las porciones de la superficie de absorción. Asimismo, el termo-tanque presenta en su parte superior uno o más canales superiores y uno o más canales inferiores que permiten la comunicación fluida entre la cámara y el interior del termo- tanque . Más aún, la o las resistencias eléctricas están en contacto térmico con el exterior de la porción inferior de la superficie de absorción. Finalmente, el liquido alojado en la cámara circula por efecto termosifón y a través de los canales. La principal desventaja de esta invención es que el termo-tanque se mantiene sumergido en el liquido de la cámara de liquido y su interior, por lo que con el paso del tiempo puede presentar severos daños por corrosión. A pesar de que este desarrollo es funcional, el calentador solar descrito en esta invención carece de una superficie óptima de absorción de radiación solar. Asimismo, esta invención carece de elementos técnicos que le permitan concentrar la energía solar hacia la superficie de absorción. Más aún, otra desventaja es la existencia del tubo central que atraviesa la cámara, el termo-tanque y la base, el cual genera pérdidas térmicas ocasionadas por el puente térmico de dicho tubo central con el exterior, a pesar de los elementos de aislamiento que se sugieren. Adicionalmente, los materiales adicionados para brindarle aislamiento van adquiriendo humedad con lo que pierden sus propiedades térmicas, por lo que dicho aislamiento no alcanza el nivel óptimo que se consigue mediante un aislamiento por vacio. También esta invención carece de elementos de control inalámbricos que permitan facilitar la toma de decisiones del usuario. Finalmente, el calentador solar descrito posee una pluralidad de componentes, particularmente diversas válvulas ahí descritas, que hace compleja su manufactura, preparación y funcionamiento.
Asimismo, la solicitud de patente mexicana MX/a/2014/003091 describe un precalentador solar que comprende una cubierta, una base que recibe al menos un tubo de entrada de liquido frió y al menos un tubo de salida de liquido caliente, un absorbedor solar apoyado sobre la base y alojado herméticamente al interior de la cubierta y un termo-tanque al interior del absorbedor solar apoyado sobre la base y recibe en su interior al tubo de entrada en su zona inferior y al tubo de salida en su zona superior. El absorbedor solar posee una superficie de absorción solar sobre la que se fijan unos tramos de aletas conformados para alojar al menos un tubo captador que posee un deflector interno que genera un movimiento helicoidal turbulento. Al interior del termo-tanque está acoplado un tubo central sobre el cual está montada una válvula de doble asiento que posee una superficie de captación térmica conectada a un actuador térmico. Cuando el absorbedor solar recibe radiación solar cada tramo de aleta transmite el calor a cada tubo captador, la superficie de captación solar se expande y la superficie de captación térmica mueve al actuador térmico para abrir la válvula de doble asiento y permitir la comunicación fluida entre cada tubo captador y el termo-tanque por efecto de termosifón. Y cuando el absorbedor solar deja de recibir radiación solar la superficie de absorción solar se contrae y el actuador térmico cierra la válvula de doble asiento para evitar el efecto de termosifón inverso. A pesar de que este desarrollo es funcional, el precalentador solar descrito en esta invención carece de una superficie óptima de absorción de radiación solar, particularmente debido a los tubos captadores y aletas mencionados. Asimismo, esta invención carece de elementos técnicos que le permitan concentrar la energía solar hacia la superficie de absorción. Más aún, otra desventaja es la existencia del tubo central que atraviesa el termo-tanque, el cual genera pérdidas térmicas ocasionadas por el puente térmico de dicho tubo central con el exterior, a pesar de los elementos de aislamiento que se sugieren. Adicionalmente, a pesar de que esta invención sugiere un aislamiento adecuado, dicho aislamiento no alcanza el nivel óptimo que se consigue mediante un aislamiento por vacio. También esta invención carece de elementos de control inalámbricos que permitan facilitar la toma de decisiones del usuario. Igualmente, el documento no sugiere el uso de reflectores externos que permitan incrementar la radiación solar incidente en el calentador.
Finalmente, el calentador solar descrito posee una pluralidad de componentes, particularmente la válvula de doble asiento y deflectores en los tubos captadores ahí descritos, que hace compleja su manufactura, preparación y funcionamiento.
Por otra parte, existen en el estado de la técnica algunos calentadores solares térmicos que utilizan superficies de captación esférica o casi esférica que optimizan la captación de radiación solar. Por ejemplo, la solicitud de patente internacional WO1985001790 describe un calentador solar de agua que consta de un contenedor esférico que transfiere calor al agua almacenada al interior del mismo, una cubierta exterior transparente esférica y unos conductos de entrada y salida del agua. Adicionalmente, dicho calentador solar de agua sugiere un aislamiento por vacio con el fin de proporcionar un aislamiento óptimo del contenedor. El calentador solar descrito en esta invención presenta la desventaja de que carece de elementos técnicos que le permitan concentrar la energía solar hacia la superficie de absorción, tan es así que el contenedor y la cubierta de esta invención no son concéntricos entre sí. De igual forma, esta invención carece de elementos técnicos que permitan facilitar o inducir el movimiento de agua a través del efecto de termosifón que ocurre al interior del contenedor. Adicionalmente, a pesar de que esta invención sugiere un aislamiento por vacío, el documento es obscuro en cuanto a la aplicación de dicho aislamiento por vacío. Debido a su antigüedad en el estado de la técnica, esta invención carece de elementos de control inalámbricos que permitan facilitar la toma de decisiones del usuario. Finalmente, el documento no sugiere el uso de reflectores externos que permitan incrementar la radiación solar incidente en el calentador .
De igual forma, la solicitud de modelo de utilidad en China CN2249389 describe un calentador solar de agua omnidireccional que utiliza un cuerpo de agua para la captación de luz solar. La invención consiste en dos tanques esféricos concéntricos, ambos de material translúcido. Como aislamiento el documento sugiere dejar ese espacio como una cavidad evacuada. El tanque interno de almacenamiento de agua utiliza al agua como medio de captación de luz. Una superficie en forma de arco se coloca debajo del calentador a fin de que rebote los rayos incidentes que pasan hacia abajo del calentador de vuelta hacia el calentador solar. Una base de soporte permite sostener al calentador y a la superficie en forma de arco. Tanto la base como la superficie en forma de arco están conectados mecánicamente al tanque interno, por lo que atraviesan también al tanque externo. El calentador solar descrito en esta invención presenta la desventaja de que el tanque interno está fabricado en material translúcido, por lo que su superficie de captación no absorbe tanta radiación como una superficie negra u obscura. Adicionalmente , otra desventaja es que la superficie en forma de arco inferior solamente permite concentrar los rayos incidentes que caen debajo del colector, y por lo tanto carece de elementos técnicos que le permitan concentrar la energía solar hacia la superficie de absorción desde cualquier posición, tanto superior como inferior. De igual forma, esta invención carece de elementos técnicos que permitan facilitar o inducir el movimiento de agua a través del efecto de termosifón que ocurre al interior del tanque interno. Más aún, otra desventaja es la existencia de las conexiones metálicas al tanque interno y externo, las cuales generan pérdidas térmicas ocasionadas por el puente térmico con el exterior, a pesar de los elementos de aislamiento que se sugieren. Adicionalmente , a pesar de que esta invención sugiere un aislamiento por vacio, el documento es obscuro en cuanto a la aplicación de dicho aislamiento por vacio. Finalmente, esta invención carece de resistencias eléctricas para el calentamiento alternativo del agua, asi como de elementos de control inalámbricos que permitan facilitar la toma de decisiones del usuario, con respecto al uso de dichas resistencias .
De manera semejante, la solicitud de patente internacional WO2008095876 describe un colector solar de forma esférica que comprende un cuerpo exterior en forma de globo, un revestimiento interior que actúa como una camisa absorbente de luz solar que contiene medio altamente conductor, un depósito de almacenamiento de calor alojado al interior del cuerpo exterior y que contiene un fluido de trabajo, un sistema intercambiador de calor alojado al interior del depósito y base, unos conductos de fluido que proporcionan un trayecto de flujo en bucle entre el depósito y el intercambiador, una bomba dispuesta en dichos conductos de fluidos, una masa de material aislante que cubre la superficie exterior del depósito de almacenamiento. Dicho colector solar funciona mediante el uso del intercambiador de calor impulsado por la bomba y que está alojado al interior del cuerpo exterior y depósito de almacenamiento. Este colector solar carece de elementos técnicos que le permitan concentrar la energía solar hacia la superficie de absorción. De igual forma, esta invención no utiliza el efecto de termosifón, por lo que requiere de una bomba en el sistema intercambiador de calor, que conlleva los gastos energéticos asociados a dicha bomba. Más aún, otra desventaja es la existencia de los conductos y depósitos, los cuales generan pérdidas térmicas ocasionadas por puente térmico con el exterior. Adicionalmente, a pesar de que esta invención sugiere un aislamiento, éste no alcanza el nivel óptimo que se consigue mediante un aislamiento por vacío. También esta invención carece de elementos de control inalámbricos que permitan facilitar la toma de decisiones del usuario. Igualmente, el documento no sugiere el uso de reflectores externos que permitan incrementar la radiación solar incidente en el calentador. Finalmente, el calentador solar descrito posee una pluralidad de componentes, particularmente los conductos, fluido de trabajo y bomba relacionados al sistema intercambiador de calor, que hace compleja su manufactura, preparación y funcionamiento.
Finalmente, los modelos de utilidad en China CN202018141 y CN202470473 corresponden a dos invenciones relacionadas con un calentador solar esférico que carecen de los conocidos tubos de vacio que utilizan otros calentadores solares del estado de la técnica. Ambas invenciones consisten un calentador solar que comprende dos tanques esféricos concéntricos, el exterior en material translúcido y el interno en material opaco. El calentador solar está unido a una base plana, un reflector vertical opcional y además posee un tubo de ventilación localizado en el punto superior de ambos tanques esféricos, el cual conecta el interior del tanque interno con el exterior.
A este respecto, el modelo de utilidad CN202470473 posee un tubo de entrada de agua, ligeramente elevado a la zona inferior del tanque interno y un tubo de salida de agua, ligeramente más elevado a la altura del tubo de entrada. Este modelo de utilidad además posee un elemento sensor que se localiza cercano a la zona superior del tanque interno y atraviesa hasta una zona cercana a la parte inferior del tanque exterior. Como se puede observar, la principal desventaja de este calentador es que el tubo de salida de agua está localizado en la zona inferior del tanque interno, lo que no permitirá extraer el agua más caliente dentro del calentador, sino por el contrario el agua de la zona inferior consiste en la que se encuentra a menor temperatura. Además, el calentador solar descrito en esta invención presenta la desventaja de que carece de elementos técnicos que le permitan concentrar la energía solar hacia la superficie de absorción. De igual forma, esta invención carece de elementos técnicos que permitan facilitar o inducir el movimiento de agua a través del efecto de termosifón que ocurre al interior del contenedor. Más aún, otra desventaja es la existencia del tubo de ventilación, tubo de entrada y tubo de salida que atraviesan ambos tanques en los puntos descritos, por lo que generan pérdidas térmicas ocasionadas por el puente térmico de sendos tubos con el exterior. Adicionalmente esta invención sugiere un aislamiento que no alcanza el nivel óptimo que se consigue mediante un aislamiento por vacío. También el elemento sensor de esta invención carece de elementos de control inalámbricos que permitan optimizar el uso del agua del calentador. Más aún, esta invención carece de resistencias eléctricas para el calentamiento alternativo del agua. Finalmente, el deflector vertical opcional que se propone en esta invención no permite reflejar de manera óptima los rayos incidentes indirectos hacia el calentador solar.
Por su parte, el modelo de utilidad CN202018141 posee un tubo de entrada de agua, en la parte más inferior del tanque interno y que sale por la base plana, y un tubo de salida de agua, en una zona cercana a la zona superior del tanque interno y atraviesa hasta la parte más inferior del tanque interno y que sale por la base plana. Finalmente, esta invención además posee un elemento calentador eléctrico con una función de control de temperatura, localizado en el punto más bajo del tanque interno, entre el tubo de entrada y el tubo de salida, y que sale por la base plana. Como se puede observar, la principal desventaja de este calentador es que el tubo de salida de agua está localizado en una zona cercana a la zona superior del tanque interno, pero no en la zona más superior, por lo que no se podrá extraer el agua más caliente dentro del calentador. Además, el calentador solar descrito en esta invención presenta la desventaja de que carece de elementos técnicos que le permitan concentrar la energía solar hacia la superficie de absorción. De igual forma, esta invención carece de elementos técnicos que permitan facilitar o inducir el movimiento de agua a través del efecto de termosifón que ocurre al interior del contenedor. Más aún, otra desventaja es la existencia del tubo de ventilación que atraviesa ambos tanques en su punto superior genera pérdidas térmicas ocasionadas por el puente térmico de dicho tubo de ventilación con el exterior. Adicionalmente , esta invención sugiere un aislamiento que no alcanza el nivel óptimo que se consigue mediante un aislamiento por vacío. También esta invención carece de elementos de control inalámbricos que permitan controlar el elemento calentador durante el uso del agua del calentador. Finalmente, el deflector vertical opcional que se propone en esta invención no permite reflejar de manera óptima los rayos incidentes indirectos hacia el calentador solar.
Con base en lo anterior, existe en el estado de la técnica la necesidad de un calentador solar que además de poseer una superficie esférica de absorción de radiación solar óptima, permita concentrar la energía solar hacia la superficie de absorción. Más aún, se requiere un calentador solar con un aislamiento óptimo por vacío, con un sistema auxiliar de mantenimiento de vacío, y que elimine los puentes térmicos con el exterior. De igual forma, en el estado de la técnica se necesita de un calentador solar con elementos técnicos que permitan inducir el movimiento de agua a través del efecto de termosifón que ocurre al interior del calentador. También se necesita en el estado de la técnica un calentador solar con un uso alterno o combinado de otra fuente calorífica de respaldo auto- regulable, con elementos de control inalámbricos que permitan facilitar la toma de decisiones del usuario sobre el uso de dicha fuente calorífica de respaldo. Adicionalmente , se requiere un calentador solar con reflectores externos optimizados que permitan incrementar la radiación solar incidente en el calentador. Finalmente, se necesita que el calentador solar posea pocos componentes que simplifiquen su manufactura, preparación y funcionamiento .
OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN
Un objeto de la presente invención consiste en proporcionar un calentador solar de alta eficiencia térmica con una superficie esférica de absorción de radiación solar óptima omnidireccional .
Otro objetivo de la presente invención consiste en que el calentador solar posea elementos técnicos que permitan inducir el movimiento de agua a través del efecto de termosifón que ocurre al interior del calentador para mejorar la transferencia térmica.
Más aún, otro objetivo de la presente invención es que el calentador solar permita concentrar la energía hacia la superficie de absorción mediante nanolentes concentradores.
Otro objetivo de la presente invención consiste en que el calentador solar tenga un aislamiento óptimo por vacío y que elimine los puentes térmicos con el exterior.
En relación al objetivo anterior, otro objetivo de la presente invención consiste en que el aislamiento por vacío prevea la posibilidad de un sistema auxiliar de mantenimiento .
Asimismo, otro objetivo de la presente invención se refiere a que el calentador solar deberá mantener un flujo adecuado del líquido caliente determinado por el usuario mediante el uso alterno o combinado de una fuente calorífica de respaldo integrada en el calentador.
En relación al objetivo anterior, otro objetivo de la presente invención consiste en que el calentador solar la fuente calorífica de respaldo sea auto-regulable y con elementos de control inalámbricos que permitan facilitar la toma de decisiones del usuario sobre el uso de dicha fuente calorífica de respaldo.
Todavía más aún, otro objetivo de la presente invención es que calentador solar tenga reflectores externos optimizados que permitan incrementar la radiación solar incidente en el calentador. Finalmente, otro objetivo más de la presente invención trata de que el calentador solar permita una fácil manufactura, ensamblado, transportación, instalación y uso.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Esta Breve Descripción y el Resumen de este documento se proporcionan para presentar una selección de conceptos en una forma simplificada que se describen a continuación en la Descripción Detallada. Esta Breve Descripción y el Resumen no pretenden identificar las características clave o las características esenciales de la materia de referencia reclamada, ni se han concebido como una ayuda para determinar el alcance de la materia de referencia reclamada. La materia de referencia reclamada no se limita a las implementaciones que resuelven alguna o todas las desventajas hechas notar en los Antecedentes.
Algunas modalidades de la divulgación se refieren a un sistema de precalentamiento solar que tiene un termo- tanque y una cubierta configurada para procesar y almacenar el liquido a calentar. Algunas modalidades del sistema de precalentamiento solar incluyen una abertura formada entre el termo-tanque y la cubierta, ya que el termo-tanque está revestido por la cubierta. Algunos modalidades del sistema de precalentamiento solar incluyen una capa de nanoimpresión litográfica capa que incluye una pluralidad de nanolentes acoplados de manera extraible a la cubierta. Algunas modalidades del sistema de precalentamiento solar incluyen un sistema de vacio de líquidos en comunicación fluida con la abertura, en donde el sistema de vacío de líquidos está configurado para controlar el paso de líquidos en el sistema de precalentamiento solar.
Estas y varias otras características será evidentes al leer la siguiente descripción detallada y al revisar los dibujos asociados. DEFINICIONES
A menos que se especifique lo contrario, los siguientes términos en este documento tienen el significado proporcionado a continuación:
Los términos "aproximadamente" y " sustancialmente " se utilizan en el presente documento con respecto a los valores y rangos medibles debido a las variaciones esperadas conocidas por los expertos en la técnica (por ejemplo, limitaciones y variabilidades en las mediciones) .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La presente invención será explicada a mayor detalle con referencia a las figuras adjuntas, en donde las estructuras o características similares son referidas por números de referencia iguales a lo largo de las diferentes vistas. Con el fin de proporcionar una mejor comprensión de los aspectos de la invención, los siguientes dibujos se adjuntan a este documento:
La FIG. 1 es una vista en perspectiva frontal de un sistema de precalentamiento solar de líquidos según una modalidad de la presente divulgación.
La FIG. 2 es una vista posterior del sistema de precalentamiento solar de líquidos. La FIG. 3 es una vista transversal del sistema de precalentamiento solar de líquidos, tomado a lo largo de las líneas A--A' de la Figura 2.
La FIG. 4 es una vista transversal del sistema de precalentamiento solar de líquidos, tomado a lo largo de las líneas B--B' de la Figura 3.
La FIG. 5 es una vista transversal del sistema de precalentamiento solar de líquidos, tomado a lo largo de las líneas C--C' de la Figura 3.
La FIG. 6 es una vista posterior del sistema de precalentamiento solar de líquidos.
La FIG. 7A es una vista en perspectiva del sistema de precalentamiento solar de líquidos según una modalidad de la presente divulgación.
La FIG. 7B ilustra una vista de un corte ransversal del sistema de precalentamiento solar de líquidos de la figura 7A.
La FIG. 8 es una vista en perspectiva del sistema de precalentamiento solar de líquidos según una modalidad de la presente divulgación.
La FIG. 9 es una vista en perspectiva del sistema de precalentamiento solar de líquidos según una modalidad de la presente divulgación.
Mientras que las figuras identificadas anteriormente establecen varias modalidades de la presente invención, también se contemplan otras modalidades, tal como se señaló en la divulgación. En todos los casos, esta divulgación presenta la invención a manera de representación y no de limitación. Debe entenderse que muchas otras modificaciones y modalidades pueden ser ideadas por los expertos en la técnica que entran dentro del alcance y espíritu de los principios de esta invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE MODALIDADES ILUSTRATIVAS
Las modalidades ilustrativas de la presente divulgación están dirigidas a un sistema de precalentamiento solar de líquidos configurado para proporcionar eficiencia térmica a través de un termo-tanque y una cubierta, donde tanto el termo-tanque como la cubierta tienen forma de esfera. El sistema de precalentamiento solar de líquidos también está configurado para mejorar el calentamiento del líquido alojado dentro del sistema mediante la aceleración de la ocurrencia de un efecto físico termosifónico . El efecto termosifónico es un método de intercambio pasivo de calor basado en la convección natural que circula un líquido sin una bomba mecánica. La convección es un tipo de transferencia de calor que ocurre debido a un movimiento de líquido cuando se provoca que el líquido caliente se aleje de una fuente de calor. En particular, la convección sobre una superficie caliente se produce porque el líquido caliente se expande, se vuelve menos denso y se eleva, provocando así la circulación de las corrientes de líquido y de convección que transportan energía asociada con el líquido.
La FIG. 1 ilustra un sistema de precalentamiento solar de líquidos (100) . El sistema de calentamiento solar (100) comprende un termo-tanque (102) configurado para procesar y almacenar el líquido que va a ser calentado por el sistema (100) . El termo-tanque (102) tiene la forma de una figura geométrica generada por la revolución de un semicírculo alrededor del diámetro de la figura, en donde cada punto en una superficie del termo-tanque (102) es equidistante de un centro del termo-tanque (102) . Por ejemplo, la figura geométrica del termo-tanque (102) puede asemejarse a la forma de un objeto redondo, tal como, pero no limitado a, una esfera. El termo-tanque (102) está configurado para recibir una cubierta (104) . La cubierta (104) tiene una forma que se asemeja a la forma del termo- tanque (102) (por ejemplo, una esfera), tal que el termo- tanque (102) está revestido por la cubierta (104), creando así una abertura (106) que se extiende a través de todo y en medio del termo-tanque (102) y la cubierta (104) . En una modalidad, la cubierta reviste (102) (es decir, rodea) el termo-tanque (102) . En una modalidad, el termo-tanque (102) y la cubierta (104) son concéntricos: los dos componentes comparten un centro común. Esta modalidad se ilustra en la FIG. 1 en donde el termo-tanque (102) se denota por las lineas discontinúas-punteadas para ilustrar que el termo- tanque (102) puede verse a través de la cubierta (104) . En algunas modalidades, la cubierta (104) puede auto-limpiarse con agua de lluvia, sirviendo asi para evitar la acumulación de suciedad o materiales o partículas indeseados en el sistema solar (100) . En algunas modalidades, la forma de la cubierta (104) es aerodinámica, lo que mejora la estabilidad del sistema de precalentamiento solar de líquidos (100), en caso de que el sistema (100) fuera sometido a condiciones ambientales vivas únicas, tales como, por ejemplo, fuertes vientos de alta velocidad y/o nieve excesiva. En una modalidad, el termo-tanque (102) y la cubierta (104) pueden realizarse del mismo material. En otra modalidad, el termo-tanque (102) y la cubierta (104) pueden realizarse de diferentes materiales. Por ejemplo, en una modalidad, el termo-tanque (102) puede estar hecho de un polímero termoplástico, tal como, pero no limitado a, polipropileno, y la cubierta (104) puede estar hecha de un tipo diferente de polímero termoplástico, tal como, pero no limitado a, policarbonato . En una modalidad, la cubierta está hecha de un material transparente, que optimiza la absorción de rayos de radiación solar. Las propiedades del sistema (100) descrito en esta divulgación permiten colocar el sistema (100) en diferentes ubicaciones físicas sujetas a una variedad de condiciones ambientales. En algunas modalidades, el termo-tanque (102) comprende una parte superior del tanque (108) y una parte inferior del tanque (110) . La parte superior del tanque (108) es fijada de manera extraíble a la parte inferior del tanque (110) usando cualquier mecanismo de sujeción o acoplamiento adecuado (112) . De manera similar, el termo- tanque (104) comprende una parte superior de la cubierta (114) y una parte inferior de la cubierta (116) . La parte superior de la cubierta (114) está fijada de manera extraíble a la parte inferior de la cubierta (116) usando cualquier mecanismo de sujeción o acoplamiento adecuado (118) . El mecanismo de sujeción (112), que se usa para fijar la parte superior del tanque (108) a la parte inferior del tanque (110), puede ser el mismo o diferente que el mecanismo de sujeción (118), que se usa para fijar la parte superior de la cubierta (114) a la parte inferior de la cubierta (116) . En la modalidad ilustrada en la FIG. 2, una unión de sujeción (120) se utiliza para conectar los mecanismos de sujeción (112) y (118), en donde la unión de sujeción permite mantener la abertura (106) entre el termo- tanque (102) y la cubierta (104) . Los mecanismos de sujeción (112), (118) y/o la unión de sujeción (120) pueden ser formados mediante procesos y materiales de fundición o unión adhesiva. Por ejemplo, el material usado para los mecanismos de sujeción (112), (118) o la unión de sujeción (120) puede incluir termoplás ticos .
Como se muestra en las FIGS. 1-5, la abertura (106) forma un anillo circular hueco que separa el termo-tanque (102) de la cubierta (104) . En algunas modalidades, la abertura (106) tiene un ancho que es uniforme a través de todo el anillo circular, dicho espacio que separa el termo- tanque (102) de la cubierta (104) permanece constante. En otras modalidades, la abertura (106) tiene un ancho variable, tal que un espacio formado entre la parte superior del tanque (108) y la parte superior de la cubierta (114) es diferente a un espacio formado entre la parte inferior del tanque (110) y la parte inferior de la cubierta (116) . La abertura (106) y las formas esféricas del termo-tanque (102) y la cubierta (104) permiten la absorción óptima de radiación solar del sol en cualquier momento del día y a cualquier declinación solar, la cual varia con cada estación debido a la inclinación de la tierra alrededor del eje de rotación de la tierra y la rotación de la tierra alrededor del sol. Además, la forma del sistema de precalentamiento solar de líquidos (100) optimiza la eficiencia del área total para la recolección del líquido calentado dentro del termo-tanque (102) en aproximadamente un 30 por ciento. La abertura (106) está configurada para suprimir las pérdidas térmicas del termo- tanque (102) por convección y por transmisión. Cualquier otra pérdida de energía de los rayos de radiación se reduce cuando los rayos de radiación infrarroja emitidos por el termo-tanque (102) son contenidos dentro de la cubierta (104) . Las configuraciones del termo-tanque (102) con respecto a la cubierta (104) descritas en este documento, provocan la formación de cargas mecánicas que equilibran los dos elementos de tal manera que se forma el aislamiento por vacío dentro de la abertura (106) .
En la modalidad ilustrada en la FIG. 1, el sistema de precalentamiento solar de líquidos (100) incluye una base (122) . La base (122) está configurada para soportar el termo-tanque (102), la cubierta (104), la abertura (106) y cualquier elemento utilizado en conexión con los mismos sobre el suelo (164) mediante un mecanismo de soporte y un cuello de unión (124) . Los (122) base incluye una superficie superior (122A) interconectada a un elemento de base (122B) que tiene un orificio (122C) . En una modalidad, el elemento de base (122B) tiene una forma sustancialmente circular. En otra modalidad, la base (122) es sustancialmente hueca excepto que la base (122) puede utilizarse para soportar los elementos del sistema (100) como se describe en este documento. El mecanismo de soporte y el cuello de unión (124) pueden incluir cualquier tipo de unión contigua sellada por un cuello de unión. Como se muestra en la FIG. 3, el mecanismo de soporte y el cuello de unión (124) están adaptados para proporcionar un contenedor para el orificio (122C) en el elemento de base (122B) . El mecanismo de soporte y el cuello de unión (124) pueden incluir una cinta o una banda utilizada para soportar y mantener el termo-tanque (102), la cubierta (104), la abertura (106) y cualquier elemento de apoyo de los mismos en su lugar. El mecanismo de soporte y el cuello de unión (124) pueden estar hechos de un polímero termoplástico que tenga un coeficiente de transmisión bajo. El polímero puede incluir, pero no se limita a, polipropileno. En una modalidad ejemplar, la superficie superior (122A) de la base (122) incluye un acabado superficial reflejante (148), que acelera la ocurrencia del efecto termosi fónico físico al recibir una pluralidad de rayos de radiación solar directa (mostrado en la FIG. 2) y al producir una pluralidad de rayos de reflexión dirigidos a la cubierta (104) y al termo-tanque (102) (también mostrado en la FIG. 2) . Los rayos de radiación directa (también llamados rayos de radiación de haz) son los rayos de radiación solar que viajan en línea recta desde el sol hasta la superficie de la tierra. Los rayos de radiación difusa describen rayos del sol que han sido dispersados por las moléculas y las partículas en la atmósfera pero que aún así han llegado hasta la superficie de la tierra. Los rayos de radiación reflejada son los rayos del sol que han sido reflejados de elementos no-atmosféricos, tales como el suelo. En una modalidad, la superficie superior (122A) de la base (122) está inclinada en un ángulo α con respecto a un plano horizontal que se extiende sus tancialmente paralelo al suelo (164) . La forma esférica de la cubierta (102) y el termo-tanque (102) proporcionan una absorción óptima de los rayos de radiación solar que son reflejados por la base (122) y son recibidos en cualquier punto de la cubierta (102) . Los expertos en la técnica reconocerán que el suelo (164) puede incluir cualquier superficie sólida de la tierra, y/o cualquier tipo de suelo de ocurrencia natural, tal como, por ejemplo, campo, pradera, prado, cultivos de heno y pastizales, y/o suelo hecho por el hombre tal como, por ejemplo, asfalto y concreto.
En la modalidad ilustrativa, la base (122) incluye un tubo de entrada (126) y un tubo de salida (128) . El tubo de entrada (126) y el tubo de salida (128) se utilizan para controlar el flujo de líquido en el sistema de precalentamiento solar de líquidos (100) . Como se muestra en las FIGS. 2-5, el tubo de entrada (126) está alojado en la base (122) . El tubo de entrada (126) tiene un primer extremo (126A) que tiene un orificio (126C) y un segundo extremo (126B) que tiene un orificio (126D) . Como se muestra en la FIG. 3, el primer extremo (126A) del tubo de entrada (126) se extiende en un plano paralelo a la base (122) . El tubo de entrada (126) después se curva en una dirección hacia arriba desde la base (122) a un ángulo de aproximadamente 90 grados. En la modalidad ilustrativa, la curva es aproximadamente la mitad del tubo de entrada (126) . Después de que el tubo de entrada (126) se curva hacia arriba desde la base (112), el tubo de entrada (126) se extiende verticalmente hasta que el tubo (126) se acopla a un difusor de liquido (130) . El segundo extremo (126B) del tubo de entrada (126) se adapta para acoplarse fluidamente al difusor de liquido (130) . El orificio en el segundo extremo (126B) del tubo de entrada (126) distribuye, a través del difusor de liquido (130), el liquido frió dentro del termo-tanque (102) . En la modalidad ilustrativa, el difusor de liquido (130) está configurado para distribuir el liquido frió en una zona del termo- tanque (102) que se encuentra en los puntos más bajos dentro del termo-tanque (102) (es decir, por ejemplo, la zona del termo-tanque (102) que se encuentra más cercana al mecanismo de soporte y al cuello de unión (124) ) .
Como se muestra en la FIG. 3, el tubo de entrada (126) está alojado en la base (122) . El tubo de salida (128) tiene un primer extremo (128A) que tiene un orificio y un segundo extremo (128B) que tiene un orificio. El primer extremo (128A) del tubo de salida (128) se extiende en un plano paralelo a la base (122) y a través de un orificio en la base (122) que está expuesto al medio ambiente. El tubo de salida (128) se curva en una dirección hacia arriba desde la base (122) a un ángulo de aproximadamente 90 grados. El tubo de salida (128) se extiende verticalmente dentro del mecanismo de soporte y el cuello de unión (124) hasta que el tubo de salida (128) alcanza un tubo ascendente (132) . El tubo ascendente (132) es un tubo que se extiende verticalmente dentro del termo- tanque (102), en dirección una dirección lejos de la base (122) y directo hacia la zona más alta del termo-tanque (102), para que el liquido caliente sea sometido a extracción por el tubo ascendente (132) . El tubo ascendente (132) tiene un primer extremo (132A) acoplado al segundo extremo (128B) del tubo de salida (128) . El tubo ascendente (132) tiene un segundo extremo (132B) que se extiende dentro del termo-tanque (102) y está configurado para recibir los líquidos del mismo. El primer extremo (132A) del tubo ascendente (132) está contenido en un plano que se encuentra a una altura menor que los planos que contienen el segundo extremo (132B) y el orificio biselado (132C) . Como se muestra en la FIG. 3, el primer extremo (128A) del tubo de salida (128) se acopla de manera extraíble al primer extremo (132A) del tubo ascendente (132) . A medida que el liquido es recibido por el tubo ascendente (132), el segundo extremo (132B) del tubo ascendente (132) está configurado para proporcionar el liquido a una presión deseada. En una modalidad, el segundo extremo (132B) del tubo ascendente (132) tiene un orificio biselado (132C), en donde la inclinación del tubo (132) sigue la curva general de la figura geométrica generada por la forma del termo- tanque (102) .
El sistema de precalentamiento solar de líquidos (100) incluye una caja de conexiones eléctricas (134) adaptada para almacenar los componentes eléctricos utilizados para el control y la medición de las variables asociadas con el sistema (100) . En una modalidad, la ca a de conexiones eléctricas (134) está revestida por una tapa (136) con el fin de ocultar los componentes eléctricos de las condiciones ambientales externas. La caja de conexiones eléctricas (134) recibe un cable eléctrico (138) . El cable eléctrico (138) se encuentra dentro de la base (122) y el mecanismo de soporte y cuello de unión (124) . El cable eléctrico (138) está adaptado para acoplarse a una resistencia (140), que se adapta a cualquier líquido que se encuentra dentro del termo-tanque (102) . La resistencia (140) está soportada por el mecanismo de soporte y el cuello de unión (124) . La resistencia (140) se extiende longitudinalmente dentro del termo-tanque (102) . En una modalidad ejemplar, la resistencia (140) puede ser de auto- regulación: operar a una temperatura de trabajo predeterminada sin la necesidad de un termostato. El uso la resistencia de auto-regulación probablemente simplificaría los pasos de operación a los que el usuario tendría que someterse al operar el sistema (100) . En una modalidad, la temperatura predeterminada de la resistencia (140) puede estar entre 39 grados Celsius y 45 grados Celsius. En una modalidad ejemplar, la temperatura predeterminada de la resistencia (140) es de 45 grados Celsuis. Cabe señalar que la temperatura de la superficie de una resistencia tipo PCT típicamente no excede los 70 grados Celsius. Esto podría limitar y reducir la precipitación de los sólidos en la superficie de la resistencia (140) y evitar cualquier efecto no deseado que pudiera comprometer la integridad del material utilizado para hacer el termo-tanque (102) .
En una modalidad, el sistema de precalentamiento solar de líquidos (100) incluye un material aislante (142) .
El material aislante (142) se extiende en la base (122) y sirve para evitar la formación de un puente térmico con el suelo (164) que podría conducir a la pérdida de calor. Como se utiliza en este documento, el término "puente térmico" se refiere a una zona localizada del sistema (100) en donde podría ocurrir una penetración del material aislante (142) por un material conductor en la separación entre el entorno interior y exterior del sistema (100) .
En una modalidad, el sistema de precalentamiento solar de líquidos (100) incluye una válvula de vacío (144) . La válvula de vacío (144) está alojada dentro de la base (122) . La válvula de vacío (144) está conectada a una tubería de vacío (146) y se extiende a través del orificio (122C) en la base (122) y un orificio (150) en el mecanismo de soporte y cuello de unión (124) hasta que la tubería de vacío (146) forma una conexión fluida con la abertura (106) . Cabe señalar que las conexiones entre cualquiera de los componentes del sistema de precalentamiento solar de líquidos (100) deben mostrar capas de aislamiento y hermeticidad destinadas a prevenir la pérdida de calentamiento de líquido.
En una modalidad, el sistema de precalentamiento solar de líquidos (100) incluye una capa de nanoimpresión litográfica (152) acoplada de manera extraíble a la cubierta (104) . La capa litográfica (152) puede ser flexible y transparente para el ojo humano. La capa litográfica (152) puede incluir una pluralidad de nanolentes (154) . Los nanolentes (154) pueden ser convergentes para concentrar el calor. Los nanolentes (154) están configurados para acelerar la ocurrencia de la radiación solar. Los nanolentes (154) pueden imprimirse utilizando cualquier técnica de nanoimpresión adecuada. En una modalidad ejemplar, cada uno de la pluralidad de nanolentes (154) puede tener un tamaño de 100 nanómetros, en donde un nanómetro es una unidad de longitud que equivale a 1/1, 000, 000, 000a (milmillonésima parte) de un metro. Cada uno de la pluralidad de nanolentes (154) está diseñado para concentrar los rayos de radiación solar directos, reflejados y difusos que inciden en cualquier punto en el termo-tanque (102) (en forma de esfera) a una distancia focal equivalente a la abertura (106) . Esto permite que el termo-tanque (102) reciba una cantidad concentrada (intensa) de radiación solar a una temperatura más alta en comparación con la cantidad de radiación solar que el tanque recibiría si no tuviera la pluralidad de nanolentes. La temperatura más alta de la superficie de absorción acelera el calentamiento del líquido y aumenta la eficiencia del intercambio térmico. La abertura (106) crea un vacío que ayuda a impedir la refracción de la radiación concentrada en el aire y a eliminar las pérdidas de calor debido a la convección y la transmisión del termo-tanque (102) .
En una modalidad, el termo-tanque (102) incluye un lado exterior (102B) orientado hacia la cubierta (104), en donde el lado exterior (102B) está cubierto por una superficie de optimización selectiva (102A) que optimiza la absorción de los rayos de radiación infrarroja. Cuando los rayos de radiación infrarroja, que se reflejan por el termo-tanque (102), chocan contra la pluralidad de nanolentes (154) ubicados en el lado interior de la cubierta (104), que divergen cuando los rayos de radiación alcanzan los nanolentes (154) en la dirección opuesta, se generan rayos de difusión. Los rayos de difusión rebotan los rayos de radiación infrarroja de vuelta hacia el termo- tanque (102) . La energía de radiación infrarroja es atrapada más efectiva y eficientemente dentro del termo- tanque (102) cuando se utiliza la superficie de optimización selectiva, a diferencia de cuando se usan materiales transparentes, lisos o sin recubrimiento en la superficie del termo-tanque (102) . Esto conduce a la aparición de un efecto de invernadero, que es un proceso mediante el cual la radiación térmica de una superficie planetaria es absorbida por los gases de invernadero atmosféricos y es re-irradiada en todas las direcciones. La distancia focal entre los nanolentes (154), la fuente de luz y el punto de enfoque puede depender del punto de origen de la radiación recibida, que se logra a través de la abertura (106), que a su vez está formada por la disposición de las dos esferas concéntricas de absorción de radiación solar. En una modalidad ilustrada en las FIGS. 7A y 7B, el sistema de precalentamiento solar de líquidos (100) incluye una pluralidad de canales (156) acoplados a un lado interior (102B) del termo-tanque (102) orientado hacia el líquido. La pluralidad de canales (156) están configurados para acelerar el efecto termosifónico y mejorar el calentamiento por convección del líquido almacenado dentro del termo-tanque (102) . La radiación solar que es reflejada y concentrada a través de la pluralidad de canales (156) provoca un aumento en la temperatura de la superficie exterior del termo-tanque (102) . Esto, a su vez, calienta el líquido que está en contacto directo con el lado interior del termo-tanque (102) . Cuando el líquido se calienta, el líquido avanza hacia arriba a través de los canales (156) . El líquido ascendido es sustituido por líquido frío localizado dentro del termo-tanque (102) . Este movimiento genera un proceso termosi fónico, acelerando el calentamiento convectivo del líquido almacenado dentro del termo-tanque (102) . Cabe señalar que la pluralidad de canales (156) permiten que el calentamiento del líquido ocurra en una dirección de arriba a abajo en vez del calentamiento por convección del exterior al interior del termo-tanque (102), lo que se esperaría que se produjera normalmente en un termo-tanque con paredes interiores lisas y sin canales. En una modalidad, la pluralidad de canales (156) son uniforme y equidistantes entre si. En otra modalidad, el ancho de la pluralidad de canales (156) varia. Por ejemplo, la pluralidad de canales (156) acoplados a la parte superior del tanque (108) pueden ser de un ancho diferente a la pluralidad de canales (156) acoplados a la parte inferior del tanque (110) .
En una modalidad ilustrada en la FIG. 9, el sistema de precalentamiento solar de líquidos (100) incluye un sensor (158) fijado de manera extraíble a un lado interior (102B) de la parte superior del tanque (108) . El sensor
(158) incluye una sonda (160) configurada para recibir la información relacionada con la temperatura del líquido almacenado en el termo-tanque (102) . En una modalidad, la sonda (160) se instala en la parte superior del sensor (158) orientada hacia el líquido. En otra modalidad, el sensor (158) está configurado para transmitir inalámbricamente la información de la temperatura a un sistema de control (162) (mostrado en la FIG. 1) . En una modalidad ejemplar, el sistema de control (162) incluye una interfaz de entrada/salida que comprende un circuito inalámbrico o infrarrojo de entrada/salida que proporciona un vínculo de comunicación configurado para comunicarse con el cable eléctrico (138) y la resistencia (140) . Cabe señalar que el sistema de control (162) puede ser situado lejos del sistema de precalentamiento solar de líquidos (100) . En una modalidad, la distancia entre el sistema de control (162) y el sistema de precalentamiento solar de líquidos (100) puede ser de hasta 30 metros. Esta modalidad permitiría a un usuario medir la temperatura del líquido almacenado y, dependiendo de la temperatura medida, prender o apagar selectivamente la resistencia (140) con el fin de optimizar el uso y consumo de energía de la resistencia.
La FIG. 8 ilustra otra modalidad del sistema de precalentamiento solar de líquidos (200) que tiene un sistema de vacío de líquidos (202) . El sistema de vacío de líquidos (202) incluye un tanque de vacío (208) que tiene líquido, en donde el tanque de vacío (208) está en comunicación fluídica con la abertura (106) . El sistema de vacío de líquidos (202) está adaptado para controlar el paso de líquido desde la abertura (106) a través de la válvula de vacío (144) hacia la tubería de vacío (146) . La tubería de vacío (146) está acoplada a un primer tubo (206) que tiene una primera válvula (210) mediante la válvula de vacío (144) . Un extremo opuesto del primer tubo (206) está conectado con el tanque vacío (208) . Un segundo tubo (212) está acoplado a una superficie superior del tanque de vacío (208) y se extiende hacia arriba hasta que el segundo tubo (212) alcanza un plano que se encuentra a sustancialmente la misma latitud que el termo-tanque (102) . Una tercera válvula (216) está acoplada a una superficie inferior del tanque de vacío (208) . Los expertos en la técnica reconocerán que los tubos (206), (212) y las válvulas (210), (214), (216) se pueden controlar manualmente o automáticamente .
En la modalidad ilustrativa, el tanque de vacío
(208) está dispuesto en una latitud más ba a que el termo- tanque (102), creando una diferencia de altura adecuada entre el tanque de vacío (208) y el termo-tanque (102) . Por ejemplo, dicha diferencia de altura entre el tanque de vacío (208) y el termo-tanque (102) puede ser de entre 5 y 10 metros. En una modalidad ejemplar, el termo-tanque (102) se coloca en el techo de una casa, en donde el tanque de vacío (208) se coloca en el suelo junto a los cimientos de la casa. Cuando el tanque de vacío (208) está en una posición "abierta", el líquido en el tanque de vacío (208) está fluyendo y puede ser extraído del tanque (208), creando así un efecto de aspiración que extrae cualquier líquido de la abertura (106) . Cuando el tanque de vacío (208) se cambia a una posición "cerrada", el líquido en el tanque de vacío (208) deja de fluir fuera del tanque (208), creando así un efecto de vacío en donde el líquido restante en el tanque (208) funciona como un tipo de sello hidráulico para evitar que el líquido sea extraído fuera de la abertura (106) . El tanque de vacío (208) está en la posición "abierta", lo que permite el flujo y la extracción de líquido cuando la primera válvula (210) y la segunda válvula (214) del primer tubo (210) y el segundo tubo (212), respectivamente, están abiertas, y la tercera válvula (216) en la parte inferior del tanque de vacío (208) está cerrada. Esta configuración permite que el líquido se introduzca en el tanque de vacío (208) a través de la primera válvula (210) hasta que el tanque de vacío (208) se llena y cualquier líquido rebosante es recibido por la segunda válvula (214) . El tanque de vacío (208) está en la posición "cerrada", impidiendo el flujo y la extracción de líquido, cuando la primera válvula (210) y la segunda válvula (214) están cerradas y la tercera válvula (216) está abierta. Esta configuración extrae el líquido fuera del tanque de vacío (208) y crea la aspiración que extrae el líquido de la abertura (106) .
Mediante el uso de las configuraciones descritas en este documento, puede reducirse el espesor del material utilizado para el termo-tanque (102) y la cubierta (104), optimizando así aún más el área total disponible para recolectar el líquido que está en proceso de ser calentado.
Además, las modalidades de la presente divulgación provocan patrones de movimiento por convección que mejoran la eficacia de transmisión de calor hasta en un 25 por ciento, en comparación con la eficacia de transmisión de calor creada en los sistemas con diferentes formas geométricas, tales como, por ejemplo, formas cilindricas o rectangulares. La forma esférica del termo-tanque (102) mejora la conducción térmica del sistema de precalentamiento solar de líquidos, debido a que la forma esférica crea una mayor superficie de transmisión que permite que sustancialmente todos los puntos del termo- tanque (102) estén en contacto directo con el líquido. La conducción térmica provoca que el líquido que tiene una temperatura más alta se eleve y el líquido en la porción central del termo-tanque (102) que tiene temperaturas más frías se vaya hacia abajo, ocupando así el espacio que solía ser ocupado por el líquido elevado.
En una modalidad, el sistema de precalentamiento solar de líquidos incluye un logotipo, emblema o imagen pictórica (218) que representa a la compañía utilizada para crear o fabricar el sistema.
Las figuras utilizadas en la presente solicitud son dibujos esquemáticos, en donde la ubicación de los distintos componentes puede variar según sea necesario para acomodar los objetos deseados a ser almacenados en los mismos .
Cabe señalar que los elementos y/o ensamblajes de los aparatos de dispensación pueden ser conectados con sujetadores adecuados según sea necesario para permitir que el dispositivo de almacenamiento sea enviado en un estado desarmado. Aunque la materia de referencia se ha descrito en un lenguaje especifico para las características de estructura y/o acciones metodológicas, debe entenderse que la materia de referencia definida en las reivindicaciones anexadas no está limitada necesariamente a las características o acciones específicas descritas anteriormente tal como ha sido determinado por los tribunales. Por el contrario, las características y acciones específicas descritas anteriormente se divulgan como formas ejemplares para la implementación de las reivindicaciones .
Mientras que las figuras identificadas anteriormente establecen varias modalidades de la presente invención, también se contemplan otras modalidades, tal como se señaló en la divulgación. En todos los casos, esta divulgación presenta la invención a manera de representación y no de limitación. Debe entenderse que muchas otras modificaciones y modalidades pueden ser ideadas por los expertos en la técnica que entran dentro del alcance y espíritu de los principios de esta divulgación.
A pesar de que la presente invención ha sido descrita con referencia a modalidades preferidas, los trabajadores cualificados en la técnica se darán cuenta de que se pueden realizar cambios en forma y detalle sin apartarse del espíritu y el alcance de la divulgación.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de precalentamiento solar, que comprende :
un termo-tanque configurado para procesar y almacenar el liquido a ser calentado;
una cubierta adaptada para ser recibida por el termo-tanque , en donde el termo-tanque está revestido por la cubierta; y
una abertura que se extiende entre el termo- tanque y la cubierta.
2. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde el termo- tanque está geométricamente formado como una esfera.
3. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde la cubierta está geométricamente formada como una esfera.
4. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde el termo- tanque y la cubierta son concéntricos.
5. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde la cubierta comprende material transparente.
6. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende una base configurada para soportar el termo-tanque, la cubierta y la abertura sobre el suelo.
7. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde la superficie superior de la base está inclinada a un ángulo α con respecto a un plano horizontal que se extiende sustancialmente paralelo al suelo.
8. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la rei indicación 1, en donde la base comprende un acabado superficial reflejante configurado para recibir una pluralidad de rayos de radiación solar directos y producir una pluralidad de rayos de reflexión dirigidos a la cubierta y al termo-tanque.
9. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde la base comprende un elemento de base que tiene una forma sustancialmente circular.
10. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde el termo- tanque comprende un polímero termoplástico .
11. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 10, en donde el polímero termoplástico es polipropileno.
12. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 1, en donde la cubierta comprende un polímero termoplástico .
13. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 12, en donde el polímero termoplástico es policarbonato .
14. Un sistema de precalentamiento solar, que comprende :
un termo-tanque configurado para procesar y almacenar el líquido a ser calentado;
una cubierta adaptada para ser recibida por el termo-tanque , en donde el termo-tanque está revestido por la cubierta;
una abertura formada por la cubierta que reviste el termo-tanque , en donde la abertura se extiende entre el termo-tanque y la cubierta;
una base configurada para soportar el termo- tanque, la cubierta y la abertura;
un tubo de entrada alojado en la base y configurado para distribuir, a través de un difusor de líquido, el líquido frío dentro del termo-tanque , en donde el difusor de líquido está acoplado al tubo de entrada; y un tubo de salida alojado en la base y configurado para controlar el flujo del líquido.
15. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 14, que además comprende una resistencia.
16. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 14, que además comprende un sensor acoplado de manera extraible al termo-tanque.
17. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 14, en donde el termo- tanque comprende una parte superior del tanque fijada de manera extraible a una parte inferior del tanque mediante cualquier mecanismo de sujeción o acoplamiento adecuado.
18. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 14, en donde la cubierta comprende una parte superior de la cubierta fijada de manera extraible a una parte inferior de la cubierta mediante cualquier mecanismo de sujeción o acoplamiento adecuado .
19. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 14, en donde el termo- tanque y la cubierta son concéntricos.
20. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 14, que además comprende un mecanismo de soporte y cuello de unión configurados para soportar y mantener el termo-tanque , la cubierta y la abertura en su lugar.
21. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 14, que además comprende una pluralidad de canales acoplados a un lado interior del termo-tanque , en donde el lado interior del termo-tanque está orientado hacia el liquido.
22. Un sistema de precalentamiento solar, que comprende :
un termo-tanque configurado para procesar y almacenar el liquido a ser calentado;
una cubierta adaptada para ser recibida por el termo-tanque , en donde el termo-tanque está revestido por la cubierta;
una abertura que se extiende entre el termo- tanque y la cubierta; y
una capa de nanoimpresion litográfica acoplada de manera extraible a la cubierta, en donde la capa de nanoimpresion litográfica comprende una pluralidad de nanolentes configurados para concentrar los rayos de radiación solar incidentes.
23. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 22, que además comprende una superficie de optimización selectiva adaptada para optimizar la absorción de los rayos de radiación, en donde la superficie de optimización selectiva está situada en un lado exterior del termo-tanque orientado hacia la cubierta.
24. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 22, en donde la capa de nanoimpresion litográfica es transparente.
25. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la rei indicación 22, en donde la pluralidad de nanolentes son convergentes.
26. Un sistema de precalentamiento solar, que comprende :
un termo-tanque configurado para procesar y almacenar el liquido a ser calentado;
una cubierta adaptada para ser recibida por el termo-tanque , en donde el termo-tanque está revestido por la cubierta; y
un sistema de vacio de líquidos en comunicación fluídica con el termo-tanque y configurado para controlar el paso del líquido.
27. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 21, en donde el sistema de vacío de líquidos comprende un tanque de vacío ubicado a una latitud menor al termo-tanque.
28. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 22, en donde el tanque de vacío está ubicado a una latitud menor al termo-tanque.
29. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación 21, que además comprende una abertura que se extiende entre el termo-tanque y la cubierta .
30. El sistema de precalentamiento solar de conformidad con la reivindicación '. 6 , en donde el tanque vacio está adaptado para crear un efecto de aspiración extrae el liquido de la abertura.
PCT/IB2015/059956 2014-12-31 2015-12-23 Sistema de precalentamiento solar de líquidos que tiene una abertura termosifónica y nanolentes concentradores y aceleradores convectivos WO2016108156A1 (es)

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