ES2260965B1 - Calentador solar atmosferico. - Google Patents

Abstract

Calentador solar atmosférico compuesto por captadores solares u otros dispositivos de producción de calor que calientan el agua u otro líquido contenido en un depósito no presurizado (2) y térmicamente aislado, que tiene una cámara de vapores (13) comunicada con la atmósfera a través de un tubo condensador (14) que evita las pérdidas por evaporación. El agua (15) contenida en este acumulador no se consume sino que cede el calor al agua fría procedente de la red de distribución, que entra por el tubo (8) al intercambiador de calor (3), siendo expulsada por el tubo de salida (9) hacia la red de agua caliente. El intercambiador (3) es de doble hélice con doble circulación ascendente horaria-antihoraria para eliminar el golpe de ariete y estratificar térmicamente el agua contenida en el acumulador. El agua (15) del acumulador podrá tener sales en disolución que aumenten su capacidad térmica.

Description

Calentador solar atmosférico.

Objeto de la invención

La presente memoria descriptiva se refiere a una solicitud de una Patente de Invención relativa a un calentador solar atmosférico, cuya finalidad estriba en generar a partir del mismo la producción y acumulación de calor para cualquier aplicación, tal y como puede ser agua caliente sanitaria doméstica, industrial, calefacción u otros.

La fuente de energía para producir el calor es básicamente solar, pudiendo proceder también de resistencias eléctricas, combustión, calor residual de otro medio, bomba de calor u otras aplicaciones.

La invención está compuesta de uno o varios colectores solares que calientan el agua contenida en el interior de un depósito térmicamente aislado y no presurizado, es decir, un depósito abierto, presión atmosférica, siendo este calor transferido al agua fría contenida en el depósito, procedente de la red sanitaria pública de distribución, por medio de un nuevo intercambiador de calor situado en el interior del acumulador, que tiene la particularidad de estratificar térmicamente el agua contenida en el mismo.

La invención está capacitada para ser utilizada, tanto en pequeñas instalaciones domésticas, como en medianas o grandes instalaciones, aplicable en industrias hoteleras o cualquier otro tipo de edificación.

Campo de la invención

Esta invención tiene su aplicación dentro de la industria dedicada a la fabricación de aparatos, dispositivos o elementos auxiliares para la calefacción.

Antecedentes de la invención

En las últimas décadas, se han realizado numerosos sistemas para el calentamiento y acumulación del agua por medio de la energía solar, y todos ellos se caracterizan por la utilización de diversos modelos de captadores solares que tienen un absorbedor negro que transforma la radiación solar en calor, el cual es transferido a un fluido, preferentemente agua, que a su vez, circula por un acumulador de agua, cediendo el calor a esta agua acumulada que es la que posteriormente se va a consumir, siendo en otros casos, esta agua acumulada la que circula por los colectores solares.

En este último caso, pueden aparecer problemas de obstrucción por calcificación del interior de los paneles solares, pues esta agua es renovada permanentemente a medida que se efectúa su consumo, extrayéndose esta agua caliente por la parte superior y aportándose agua fría por la parte inferior, procedente de la red de distribución.

Estos acumuladores citados anteriormente, mantienen una estratificación térmica del agua a medida que ésta se consume, ya que el agua fría introducida por la parte inferior se mantiene por su mayor densidad en esta zona, si bien lógicamente se mezcla en una pequeña medida con el agua caliente debido a las turbulencias que provoca el caudal de entrada de agua fría.

Además, las paredes metálicas del acumulador producen un flujo de calor de arriba hacia abajo, que aminora esta estratificación térmica.

Salvo en alguna rara excepción, que se comentará posteriormente, el acumulador de agua caliente está alimentado directamente por la red de distribución, y dado que los acumuladores solares han de tener como mínimo un volumen de acumulación de varios cientos de litros y que la presión de la red de distribución es de varios bares, llegando incluso a los 7 u 8 bares, resulta una fuerza neta sobre las paredes superior e inferior del acumulador de decenas de toneladas.

Lo anteriormente aseverado obliga de forma taxativa a la construcción de acumuladores costosos y pesados, fabricados en acero u otras aleaciones metálicas, con un espesor que los dote de suficiente resistencia a estos esfuerzos.

El uso de estos acumuladores metálicos, conlleva el problema de la corrosión electrolítica sobre las paredes del acumulador, haciendo necesario el uso de un ánodo de sacrificio, usualmente fabricado en zinc o cadmio, inmerso en el depósito y que se repone periódicamente a medida que se consume, debido a la aportación diaria de agua de la red pública de distribución.

Visto lo anteriormente citado, resulta deseable, por su bajo coste y nulo mantenimiento, el uso de acumuladores a presión nula que puedan ser construidos con materiales plásticos de pequeño espesor y bajo coste, tal y como se describe en la presente me-
moria.

Debe indicarse adicionalmente, que otro problema de los constatados en los acumuladores convencionales estriba en el hecho de que al estar almacenada el agua de consumo durante días, pueden proliferar colonias bacterianas al abrigo del calor, con el consiguiente peligro o riesgo para el usuario.

Una solución a la problemática citada anteriormente, ser constata en la Patente de Invención PCT/DK96/00539 a nombre de Knudsen, en la cual se contempla la existencia de un circuito primario de fluido que circula por los colectores solares, calentando el agua contenida en un acumulador cerrado y parcialmente presurizado, provisto de una cámara de expansión en su parte superior para absorber las dilataciones térmicas de la misma.

El agua caliente acumulada no se consume, sino que circula impulsada mediante una bomba eléctrica, por el primario de un intercambiador de calor externo, por cuyo circuito secundario circula por su propia presión, el agua de consumo, la cual es calentada instantáneamente para su uso o utilización.

La Patente de Invención solicitada como PCT/DK96/00539 a nombre de Knudsen, si bien resuelve el problema de las infecciones bacterianas, no resuelve el problema de la presión en el acumulador de calor, puesto que éste es un depósito cerrado a presión superior a la presión atmosférica, con la cámara de expansión citada anteriormente.

La Patente de Invención a nombre de Knudsen, no resuelve el problema de la presión en el acumulador de calor, ya que éste está configurado como un depósito cerrado a presión, superior a la presión atmosférica, con la cámara de expansión citada, y además rompe la estratificación térmica del agua acumulada, pues al circular por el intercambiador exterior, se va uniformizando progresivamente la temperatura del agua de todo el acumulador, resultando después de un cierto consumo, una invención constitutiva de un acumulador lleno de agua templada, a diferencia de los modelos convencionales, donde se tiene agua caliente en la parte superior, y agua fría en la parte inferior.

Esta invención que se describe a continuación, determina la utilización de un acumulador abierto, es decir, comunicado con la atmósfera, a diferencia del acumulador amparado en la Patente de Invención de Knudsen.

Descripción de la invención

De forma más concreta, el calentador solar atmosférico objeto de la invención está constituido a partir de un depósito simple, abierto, que presenta tradicionalmente dos problemas, es decir, el hecho de que al estar a presión atmosférica, entra en ebullición a 100º centígrados, y con una temperatura fácilmente alcanzable en una instalación solar con bajo consumo y alta insolación, perdiendo agua en forma de vapor que es evacuado a la atmósfera, y en segundo lugar, al no tener presión, el agua acumulada, no circula hasta los lugares de consumo, debiendo ser impulsada por algún dispositivo mecánico o auxiliar.

Concretamente, los problemas citados anteriormente se resuelven a partir de un acumulador que presenta un orificio de salida que en la parte superior que comunica con la parte de la atmósfera, a través de un tubo metálico, conductor de calor, de modo que, al acercarse o realizar una etapa de proximidad, la temperatura del agua acumulada a 100º centígrados, los vapores suben por el tubo, siendo enfriados por contacto con las paredes del mismo, que a su vez ceden el calor al aire externo por conducción a través de la pared de éste.

De forma similar, el vapor de agua, inicialmente a 100º centígrados, reduce su temperatura condensando en forma de agua líquida que desliza hacia abajo y retorna al equipo por su propio peso.

Si la temperatura del acumulador fuera inferior a la temperatura de ebullición, las pérdidas de calor por este conducto son despreciables, pues al no haber presión de vapor, sólo habría una pequeña fuga de calor por conducción, a través del aire contenido en el interior de este tubo metálico.

Lógicamente, la solución estriba en no consumir el agua caliente acumulada, ya que esta agua o cualquier otro fluido sustitutorio que convenga, o con cualquier aditivo que mejoren el rendimiento y capacidad de acumulación térmica del agua, va a ser utilizada exclusivamente como medio de acumulación de calor, que va a ser cedido al agua de consumo por medio de un intercambiador de calor interior al acumulador, en forma de doble hélice con rotación a derechas e izquierdas, o de hélice sencilla con rotaciones alternas a derechas e izquierdas, con objeto de amortiguar el golpe de ariete que se produce al efectuar la apertura o cierre de los grifos en los puntos de consumo.

El agua fría de la red de distribución, va a entrar por el extremo inferior del intercambiador y después de recorrerlo en sentido ascendente, va a salir por la parte superior calentada para su consumo o para alimentar una red de calefacción o cualquier otra utilización.

El intercambiador de calor que se propone en la presente invención, resuelve también el problema de la estratificación térmica del agua acumulada y mejora la estratificación de los dispositivos convencionales, pues al comenzar la circulación del agua fría por las espiras inferiores, enfría en primera instancia el agua acumulada de la zona inferior, constatada como la de menor temperatura del acumulador, continuando por las espiras centrales de la hélice y reduciendo la temperatura de la zona media, de tal modo que llega a la zona alta del acumulador ya precalentada, alcanzando en este punto la temperatura máxima, y el agua u otro fluido contenido en el acumulador, circula por convección natural y en forma laminar, sin turbulencias ni mezcla, a medida que se enfría, hasta situarse en el nivel térmico que le corresponda en esta estratificación natural inducida por el intercambiador helicoidal citado anteriormente.

En resumen, el calentador solar atmosférico está compuesto por uno o varios colectores solares que, colocados en un lugar receptor del sol sobre el edificio y orientados convenientemente, calientan el agua u otro fluido que circula por su interior, impulsado por una bomba eléctrica, controlada por un termostato diferencial que acciona la circulación si la temperatura en los colectores es sensiblemente mayor que la temperatura en el punto más bajo del acumulador, o bien se dispone la instalación sin termostato, ni tampoco de la bomba de circulación, en cuyo caso, el acumulador debe estar ubicado a la suficiente altura y proximidad de los colectores como para que se de la circulación por convección natural del fluido al calentarse el fluido en los colectores y distribuir su densidad, ascendiendo espontáneamente hacia el acumulador, mecanismo físico denominado termosifón.

El fluido que circula por los colectores podrá ser el contenido en el acumulador, que se encuentra a presión atmosférica, o podrá ser otro líquido que, en un circuito cerrado, cede el calor, por medio de un intercambiador interno o externo, al fluido contenido en el acumulador, que normalmente será agua o una disolución acuosa de sales de alto calor latente de disolución, por ejemplo, la sal de Glauber, el Tiosulfato de Sodio Pentahidratado u otras, con objeto de aumentar la capacidad de acumulación térmica del depósito.

Para evitar la congelación del fluido, en los colectores o tuberías adyacentes durante las etapas nocturnas, se opta por activar la bomba de circulación, cuando la temperatura en los colectores se acerca a un punto próximo al de congelación, hasta que la temperatura en los mismos ascienda varios grados, y si el sistema de circulación por termosifón, se utilizará un fluido o disolución acuosa que tenga una temperatura de congelación superior a la alcanzable en los inviernos de la zona geográfica en la que está ubicada la instalación.

El acumulador que tendrá preferentemente, con carácter no limitativo, forma cilíndrica y posición vertical, está aislado térmicamente en su cara externa, disponiendo de un orificio con tapón de llenado, indicando éste el nivel óptimo de fluido contenido, estando este nivel cercano a la cara superior del acumulador.

La cámara de vapores que queda en la zona superior, comunica con la atmósfera por medio de un tubo metálico que, provisto de aletas de refrigeración, asciende con una longitud suficiente como para que cuando la temperatura del fluido se acerque a la ebullición y los vapores asciendan por el tubo de comunicación con la atmósfera, éstos cedan el calor al aire circulante a través de las paredes del tubo y sus aletas refrigeradoras, condensándose los vapores en la pared interior y formando gotas que retornan al depósito por su propio peso, quedando consecuentemente resuelto el problema de la fuga de vapores en los depósitos abiertos a la atmósfera.

La salida hacia los colectores solares, del fluido contenido en el acumulador, se realizará desde el punto más bajo del acumulador, por ser esta la zona más fría del mismo, y el retorno al acumulador del fluido ya calentado a su paso por los colectores, se realizará por la zona superior de éste, a través de un tubo que se ensancha interiormente para evitar turbulencias en el vertido del líquido entrante, evitando la mezcla de éste con el fluido contenido en esa zona del acumulador y posibilitando que ascienda, si su temperatura fuera mayor que la correspondiente a ese nivel, o que descienda, si ésta fuera menor, quedando en el mismo nivel que el orificio de entrada, si las mismas coincidieran.

De este modo, el proceso de calentamiento solar del fluido, en lugar de romper la estratificación térmica, coopera con la formación natural de la misma.

Una vez descrito el circuito primario y de captación y acumulación de calor, se describe el circuito secundario o de transferencia de calor al agua de consumo, o en su caso, al fluido de calefacción, por un nuevo intercambiador interior al acumulador.

El agua fría procedente de la red de distribución, entra a la presión de la red a través de un tubo de cobre u otro material conductor de calor, por la parte inferior del acumulador de calor sin mezclarse con el fluido contenido en el mismo, y este tubo se bifurca en dos ramales helicoidales ascendentes soldados entre sí vuelta a vuelta, circundando la mitad del caudal a derechas y la otra mitad a izquierdas, de tal modo que ante una variación de caudal o cierre brusco de un grifo, queda anulado el golpe de ariete, ya que al estar soldadas entre sí las espiras a derechas y las espiras a izquierdas, el momento angular total del agua circundante es nulo, quedando compensado el golpe de cada espira con su homólogo coaxial, cuyo golpe es inverso al anterior, y finalmente estos dos ramales se unen en la zona superior del acumulador, a un conducto que sale del acumulador con el agua calentada para ser distribuida y consumida, o en caso de uso para calefacción, para ser distribuida a los radiadores, suelo radiante u otro medio de transferencia de calor al edificio.

El intercambiador de doble hélice descrito anteriormente, puede ser sustituido por uno de hélice sencilla, pero con cambio de sentido de circulación en cada vuelta recorrida por el agua, alternándose las vueltas a derechas con vueltas a izquierdas, de modo que el golpe de ariete queda compensado por flexión de cada vuelta con respecto al anterior y posterior.

Normalmente, será el agua u otro fluido contenida en el acumulador de calor, la que circule por los colectores solares, pero como se citó anteriormente, se puede optar por utilizar un circuito independiente para la captación de calor en las placas, y transferir al acumulador por un intercambiador interior.

Éste consistirá en un tubo del mismo material del intercambiador del agua de consumo o similar, soldado al mismo con circulación descendente, y al estar ambos intercambiadores soldados, se logra aumentar su eficiencia, pero al mismo tiempo, se aumenta la superficie de contacto con el agua del acumulador, ya que la superficie de los mismos son compartidas en los dos procesos de transferencia de calor, es decir, captación y consumo.

El intercambiador de calor del circuito de consumo, es decir, circuito secundario, tanto en su versión de doble hélice, como de hélice sencilla con vueltas alternas, resulta ser un óptimo intercambiador de calor integrado en el acumulador, pues el agua fría de la red es precalentada con agua templada en la zona inferior del recipiente acumulador, y a medida que asciende, recibe calor de los estratos de agua a temperatura levemente superior, de tal modo que al llegar a las espiras superiores, sí lo recibe una pequeña cantidad de calor, manteniendo casi invariablemente la temperatura del fluido contenido en la zona alta del acumulador.

Este modo o manera de transferir calor, lleva implícito un crecimiento mínimo de la entropía de la invención, pues el agua u otro fluido contenida en el acumulador, reduce levemente su temperatura en la zona de contacto con el intercambiador, descendiendo por convección natural y en circulación laminar, hasta el nivel correspondiente a su temperatura nominal, sin mezclarse con los niveles intermedios por los que ha transitado, dada la ausencia de turbulencias.

Por último, debe indicarse que el acumulador puede estar dotado de una resistencia de inmersión en su eje central para calentar con energía eléctrica el agua contenida en el mismo cuando por las condiciones climatológicas, o por un exceso de consumo, se ha enfriado el agua acumulada, y esta resistencia se pone en funcionamiento por medio de un termostato, cuya sonda térmica se coloca en la zona media del acumulador.

El acumulador de calor descrito anteriormente y sus medios de intercambio de calor, puede ser usado en instalaciones de producción y distribución de agua caliente sanitaria o de calefacción, en las que no se capta el calor por energía solar, si no que se genera por combustión, resistencias eléctricas, bombas de calor o por cualquier otro medio, pues todas las ventajas descritas en esta invención, permanecen independientemente del origen del calor.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, una hoja de planos en la cual con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura número 1.- Corresponde a una vista del objeto de la invención, relativa un calentador solar atmosférico.

Realización preferente de la invención

A la vista de la figura número 1, puede observarse cómo el calentador solar atmosférico (1) presenta un acumulador (2), seccionado transversalmente y un intercambiador de doble hélice (3), debiendo indicarse que la circulación por termosifón se logra a partir del hecho de que el agua contenida en el acumulador (2), circula a través del orificio de salida (6), hasta introducirse en el captador solar (1) a través de su entrada inferior (4), siendo calentada en su interior por efecto de la radiación solar incidente, e impulsada por el efecto termosifónico hasta salir por el racor superior (5) y a través de un tubo aislado térmicamente, se introduce en el acumulador (2), mediante el ensanchamiento (7), cuyo objeto es el de impedir toda turbulencia para que el flujo de agua caliente se desplace hasta la zona térmica que corresponda a su temperatura nominal.

El circuito primario, o de captación de calor, también puede ser por circulación forzada, en cuyo caso, habrá que colocar una bomba entre su entrada inferior (4) y el orificio de salida (6) accionada por un termostato diferencial.

El agua, u otro liquido contenida en el acumulador abierto (2), una vez calentada, se estratificará térmicamente, quedando en la zona más caliente, una cámara de vapores (13) que comunica con la atmósfera por el orificio (18) a través del conducto disipador de calor (14), que en caso de ebullición del agua acumulada, enfría los vapores ascendentes, condensándolos y retornando en forma líquida hacia el acumulador por el orificio (19).

El nivel óptimo de agua contenida en el depósito se mantiene por medio del tapón de llenado (16) o por una boya que reponga el agua perdida por evaporación en largos periodos de tiempo, y esta agua acumulada y calentada no se consume, sino que cede su calor al circuito secundario de agua para uso sanitario de calefacción, a través del intercambiador (3) que por su geometría anula el golpe de ariete que se produciría en uno de hélice sencilla al cortar bruscamente el caudal.

El agua fría procedente de la red de distribución, entra con su presión correspondiente por el conducto (8) al interior del acumulador y sin mezclarse con el agua contenida, se bifurca por los ramales (10) y (11) de las dos hélices soldadas mutuamente, recorriendo una trayectoria helicoidal ascendente, en sentido horario al ramal (10) y en sentido antihorario el ramal (11), calentándose progresivamente a medida que asciende, siendo expulsada para su consumo por el conducto (9) y estratificando el acumulador según se ha descrito anteriormente.

Claims (2)

1. Calentador solar atmosférico caracterizado por incorporar en su interior, un intercambiador secundario (3), que transfiere el calor acumulado al agua circulante para ser consumida o para calefacción, disponiendo de un intercambiador de doble hélice soldada, con circulación ascendente en sentido horario (10) y antihorario (11) formado por dos ramales para eliminar el golpe de ariete y estratificar térmicamente el líquido contenido, disponiendo de una cámara de vapores (13) que comunica con la atmósfera, a través de un tubo metálico (14) constitutivo de un disipador de calor para condensar los vapores de la ebullición, disponiendo de un orificio (19) para retornar al acumulador de forma líquida y provista de un intercambiador.

2. Calentador solar atmosférico, según la primera reivindicación, caracterizado porque la hélice del intercambiador está provista de espiras ascendentes que cambian, en cada vuelta, su sentido de rotación alternativamente a derechas y a izquierdas.