ES1321762U - HIGH-EFFICIENCY SOLAR COLLECTION SYSTEM WITH AUTOMATIC DRAINAGE - Google Patents
HIGH-EFFICIENCY SOLAR COLLECTION SYSTEM WITH AUTOMATIC DRAINAGEInfo
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Description
DESCRIPCI NDESCRIPTION
SISTEMA DE CAPTACIÓN SOLAR DE ALTA EFICIENCIA CON DRENAJE AUTOMÁTICOHIGH-EFFICIENCY SOLAR COLLECTION SYSTEM WITH AUTOMATIC DRAINAGE
OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION
La presente invención revela un sistema de captación de energía solar en los que un líquido que transfiere calor, como el agua, circula a través de un circuito formado por un intercambiador de calor (donde cede el calor) y un colector solar (donde capta el calor). La interfase fluida - aire se realiza sin la necesidad de incorporar un depósito adicional de almacenamiento, mientras el sistema está activo, drenándose desde el colector solar al intercambiador después de que el sistema se vuelve inactivo. Los componentes del sistema suponen una forma innovadora de concebir los sistemas solares térmicos como elementos sencillos sin apenas mantenimiento y logrando obtener altísimos rendimientos con unos consumos energéticos muy bajos. The present invention discloses a solar energy collection system in which a heat-transferring liquid, such as water, circulates through a circuit formed by a heat exchanger (where it releases heat) and a solar collector (where it captures heat). The fluid-air interface is achieved without the need for an additional storage tank while the system is active, draining from the solar collector to the exchanger after the system becomes inactive. The system components represent an innovative way of conceiving solar thermal systems as simple elements with virtually no maintenance, achieving extremely high performance with very low energy consumption.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Los sistemas de drenaje de la técnica, como DBS/DDS (sistema Drain-Back/ sistema de drenaje) permiten utilizar agua como fluido caloportador circulante y "drenarlo" de los colectores solares para eliminar los problemas de congelación o sobre temperatura. La función de "drenaje" elimina el riesgo de daño al colector solar que puede ocurrir cuando el colector solar se expone a temperaturas bajo cero. Además, el drenaje de retorno evita la circulación por convección del líquido que puede ocurrir cuando el colector está ubicado sobre el tanque de almacenamiento y el colector exhibe una temperatura más baja que la del tanque de almacenamiento. Drainage systems such as DBS/DDS (Drain-Back Systems) allow water to be used as a circulating heat transfer medium and drained from the solar collectors to eliminate freezing or overheating problems. The drain function eliminates the risk of damage to the solar collector, which can occur when the solar collector is exposed to sub-zero temperatures. Furthermore, the back drain prevents convective circulation of the liquid, which can occur when the collector is located above the storage tank and the collector's temperature is lower than that of the storage tank.
Un sistema Drain-Back (DBS) corresponde a un sistema solar térmico en el que, como parte del ciclo normal de trabajo, el fluido caloportador es drenado del colector solar a un dispositivo de almacenamiento cuando la bomba se apaga, y rellena el colector cuando la bomba se vuelve a encender. Hay que destacar que no solo los sistemas de DBS son capaces de vaciar los colectores solares. Además de este, existe otros dos tipos de sistemas solares térmicos con características de vaciado: los sistemas draindown (de drenaje) y los sistemas steamback. Los DBS se refieren a los sistemas solares térmicos en los que el fluido caloportador drenado se recoge en un dispositivo de almacenamiento, que forma parte del sistema hidráulico del colector solar. A Drain-Back System (DBS) is a solar thermal system in which, as part of the normal operating cycle, the heat transfer fluid is drained from the solar collector to a storage device when the pump is turned off, and refills the collector when the pump is turned back on. It should be noted that DBS systems are not the only ones capable of emptying solar collectors. In addition to this, there are two other types of solar thermal systems with draining features: draindown systems and steamback systems. DBS refers to solar thermal systems in which the drained heat transfer fluid is collected in a storage device, which is part of the solar collector's hydraulic system.
Por otra parte, el Sistema Draindown (DDS) se describe como un sistema de calefacción solar directa en el que el agua puede ser drenada del colector y desechada, normalmente para evitar el congelamiento. Estos sistemas aíslan hidráulicamente el tanque de almacenamiento mediante válvulas automáticas para drenar el resto del colector solar. On the other hand, the Draindown System (DDS) is described as a direct solar heating system in which water can be drained from the collector and disposed of, usually to prevent freezing. These systems hydraulically isolate the storage tank using automatic valves to drain the remainder of the solar collector.
En el estado de la técnica, la patente americana US4336792 describe un sistema de calentamiento de energía solar cerrado que comprende un circuito primario que se comunica con un intercambiador de calor y que contiene un tanque de almacenamiento para drenar el agua en las partes expuestas del circuito (en particular los sensores) y reemplazarlo con aire cuando no hay circulación de agua. Cuando el agua circula, un tubo de derivación del tanque de almacenamiento permite la libre circulación del volumen total de agua, con extracción de aire y arrastre del mismo en la parte superior del tanque de almacenamiento. Cuando cesa la circulación, el diferencial de presión entre la columna de agua fría y la columna de agua caliente provoca, por sifonaje, el drenaje del agua en sentido contrario, ascendiendo el agua en el depósito y el aire en la parte superior de la instalación, y en particular en los sensores. In the prior art, US patent US4336792 describes a closed solar energy heating system comprising a primary circuit communicating with a heat exchanger and containing a storage tank for draining water from exposed parts of the circuit (particularly the sensors) and replacing it with air when there is no water circulation. When water circulates, a bypass pipe from the storage tank allows free circulation of the entire volume of water, with air being extracted and carried over to the top of the storage tank. When circulation ceases, the pressure differential between the cold water column and the hot water column causes, by siphoning, the water to drain in the opposite direction, with the water rising in the tank and the air in the upper part of the system, and particularly at the sensors.
La patente americana US4691692 revela un sistema de energía solar en el que un líquido de transferencia de calor captura calor en colectores solares y lo almacena en un tanque de almacenamiento. Una bomba mueve el líquido de transferencia de calor desde el tanque de almacenamiento hasta los colectores y hacia un módulo de retorno de drenaje solo cuando se alcanza una temperatura de activación predeterminada. La bomba luego se desactiva permitiendo que el líquido de transferencia de calor dentro de los colectores se caliente. Cuando la bomba se desactiva inicialmente, se forma un sifón o ciclo de drenaje que mueve el líquido que transfiere calor desde el módulo de drenaje hacia el tanque de almacenamiento. El gas dentro del tanque de almacenamiento reemplaza el líquido de transferencia de calor en los colectores a través del módulo de drenaje para lograr el drenaje. Sin embargo, la operación de drenaje o sifón primero debe hacer que el líquido de transferencia de calor dentro del módulo de retorno de drenaje caiga por debajo de un punto de alim entación de retorno de drenaje. US Patent US4,691,692 discloses a solar energy system in which a heat transfer liquid captures heat in solar collectors and stores it in a storage tank. A pump moves the heat transfer liquid from the storage tank to the collectors and toward a drain return module only when a predetermined activation temperature is reached. The pump is then deactivated, allowing the heat transfer liquid within the collectors to heat up. When the pump is initially deactivated, a siphon or drain cycle is formed, moving the heat transfer liquid from the drain module to the storage tank. Gas within the storage tank replaces the heat transfer liquid in the collectors through the drain module to achieve drainage. However, the drain or siphon operation must first cause the heat transfer liquid within the drain return module to drop below a drain return feed point.
El documento de patente US4.237.862 describe un sistema de calefacción solar cerrado y presurizado que tiene un circuito primario que se comunica con un intercambiador de calor y que contiene un tanque de compensación lleno de agua a un nivel predeterminado, antes de la operación. Cuando se alcanza un cierto diferencial de temperatura entre los colectores solares y el tanque del intercambiador de calor, un controlador hace que la bomba se active. El aire del circuito se acumula entonces en el depósito de inercia, lo que hace descender el nivel del agua en el mismo. Este último está en comunicación con el circuito de retorno del sensor a través de una línea de drenaje vertical que conduce a un punto bajo del tanque y una línea de derivación que conduce a un punto alto del tanque. Este último está montado como un dispositivo de sifón (o sección de ruptura de vacío), diseñado para que no se produzca ningún sifón durante la circulación forzada del refrigerante. Cuando la bomba se detiene, se produce el sifón y el aire sube hacia los sensores por la citada línea de derivación. Esto da como resultado el drenaje de los sensores y la línea de retorno al tanque, así como el drenaje de la tubería de salida, a través de la voluta de la bomba, en flujo inverso. US Patent 4,237,862 describes a closed, pressurized solar heating system having a primary circuit communicating with a heat exchanger and containing a buffer tank filled with water to a predetermined level prior to operation. When a certain temperature differential is reached between the solar collectors and the heat exchanger tank, a controller activates the pump. Air in the circuit then accumulates in the buffer tank, which lowers the water level therein. The latter is in communication with the sensor return circuit through a vertical drain line leading to a low point in the tank and a bypass line leading to a high point in the tank. The latter is mounted as a siphoning device (or vacuum breaker section), designed to prevent siphoning during forced circulation of the coolant. When the pump stops, siphoning occurs and air rises toward the sensors through the bypass line. This results in the drainage of the sensors and the return line to the tank, as well as the drainage of the outlet pipe, through the pump volute, in reverse flow.
Los sistemas de energía solar anteriores han incorporado características de drenaje. Sin embargo, las técnicas convencionales para drenar colectores tienden a dar como resultado sistemas de energía solar que son menos fiables, menos eficientes y menos económicos de lo deseado. Por ejemplo, algunos sistemas de energía solar permiten que ocurra un drenaje en el instante en que un líquido que transfiere calor deja de moverse a través del colector. Cada vez que el sistema inicia la circulación del líquido debe rellenar los colectores con líquido. Los colectores generalmente se ubican sobre un tanque de almacenamiento. Por lo tanto, una bomba consume una gran cantidad de tiempo elevando el líquido desde un tanque de almacenamiento hasta el colector para volver a llenar el colector. Un costo de energía más alto y una vida útil reducida de la bomba están asociados con el funcionamiento de la bomba durante períodos de tiempo más largos. Previous solar energy systems have incorporated drainage features. However, conventional techniques for draining collectors tend to result in solar energy systems that are less reliable, less efficient, and less economical than desired. For example, some solar energy systems allow drainage to occur the instant a heat-transferring liquid stops moving through the collector. Each time the system begins circulating the liquid, it must refill the collectors with liquid. Collectors are usually located above a storage tank. Therefore, a pump consumes a significant amount of time lifting the liquid from a storage tank to the collector to refill the collector. Higher energy costs and reduced pump life are associated with operating the pump for longer periods of time.
Además, los sistemas de energía solar que permiten el drenaje en el instante en que el líquido de transferencia de calor deja de moverse a través del colector demuestran una eficiencia reducida. Dichos sistemas normalmente reanudan la circulación del líquido cuando el colector se calienta a una temperatura mayor que la temperatura del tanque de almacenamiento. Dado que no hay líquido en el colector mientras se calienta, ningún líquido se calienta junto con el colector. Así, tales sistemas pierden la oportunidad de transferir líquido calentado al tanque de almacenamiento cuando inician la circulación del líquido. Furthermore, solar energy systems that allow drainage as soon as the heat transfer fluid stops moving through the collector demonstrate reduced efficiency. Such systems typically resume fluid circulation when the collector warms to a temperature higher than the storage tank temperature. Since there is no fluid in the collector while it is heating, no fluid is heated along with the collector. Thus, such systems miss the opportunity to transfer heated fluid to the storage tank when they initiate fluid circulation.
En muchos sistemas de energía solar anteriores, la bomba funciona continuamente siempre que la temperatura del colector sea mayor que la temperatura del tanque de almacenamiento. Otros sistemas hacen funcionar continuamente la bomba siempre que se pueda presentar un pequeño aumento de temperatura, como 3 grados, entre el líquido que sale del tanque de almacenamiento y el líquido que ingresa al tanque de almacenamiento. Cualquiera de los enfoques obliga a la bomba a operar muchas horas todos los días y consume una mayor cantidad de energía. Como resultado, se asocia un alto costo de energía con la operación de dichos sistemas, y un motor de bomba experimenta una vida útil más corta. In many older solar energy systems, the pump runs continuously as long as the collector temperature is higher than the storage tank temperature. Other systems run the pump continuously as long as there is a small temperature increase, such as 3 degrees, between the liquid leaving the storage tank and the liquid entering it. Either approach requires the pump to operate for many hours each day and consumes a greater amount of energy. As a result, high energy costs are associated with operating such systems, and a pump motor experiences a shorter lifespan.
El sistema revelado en la presente invención permite la solución definitiva a todos los problemas existentes en los sistemas solares térmicos convencionales y los sistemas Drain-Back (drenaje). Se utiliza tecnología hidráulica y digital para conseguir un sistema de muy bajo mantenimiento y muy alta eficiencia debido principalmente a los sistemas hidráulicos utilizados y a que mediante software y sistemas modulantes se mantienen permanentemente en el punto óptimo de funcionamiento (segundo a segundo). El objetivo del sistema es favorecer el uso de sistemas solares térmicos para el calentamiento de fluidos, de forma económica y eficiente. Para ello, hace uso de un sistema a prueba de fallos, que maximiza la eficiencia de su funcionamiento, la durabilidad de sus componentes, con un mantenimiento sencillo y que además incluye una gestión remota de los datos. Otro objetivo de la invención es eliminar toda la problemática de uso y mantenimiento que conlleva los sistemas solares térmicos tradicionales; así pues, integrando ingeniería y tecnología de bajo coste, consigue maximizar el rendimiento al mismo tiempo que minimiza los gastos económicos. Es un sistema que elimina todos los problemas de sobre-temperatura y congelaciones mediante una programación que auto protege al sistema antes de que se produzca el evento. El sistema recibe datos de las sondas y gestiona los sistemas internos modulantes, consiguiendo adaptarse a la radiación en cada momento y por tanto un rendimiento óptimo en cada situación Este sistema se adapta constantemente a la radiación solar y a la cantidad de calor necesaria en cada momento, optimizando el rendimiento en intervalos de un segundo. The system disclosed in the present invention provides a definitive solution to all the problems encountered in conventional solar thermal systems and drain-back systems. Hydraulic and digital technology are used to achieve a system with very low maintenance and very high efficiency, mainly due to the hydraulic systems used and the fact that software and modulating systems permanently maintain the system at its optimal operating point (second by second). The objective of the system is to promote the use of solar thermal systems for heating fluids economically and efficiently. To this end, it uses a fail-safe system that maximizes operating efficiency and component durability, with simple maintenance and remote data management. Another objective of the invention is to eliminate all the usage and maintenance problems associated with traditional solar thermal systems; thus, by integrating low-cost engineering and technology, it maximizes performance while minimizing costs. It is a system that eliminates all over-temperature and freezing problems through programming that self-protects the system before the event occurs. The system receives data from the probes and manages the modulating internal systems, managing to adapt to the radiation at all times and therefore optimal performance in every situation. This system constantly adapts to solar radiation and the amount of heat needed at all times, optimizing performance in one-second intervals.
Este sistema no genera sobrepresiones y supone menos fatiga en los materiales, garantizando una mayor longevidad, eficiencia y seguridad en el sistema, con muy bajo coste de mantenimiento. This system does not generate overpressure and results in less material fatigue, ensuring greater longevity, efficiency, and safety in the system, with very low maintenance costs.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Para complementar la descripción que se está realizando y con el objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de la realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complement the description being made and in order to help better understand the characteristics of the invention, according to a preferred example of its practical implementation, a set of drawings is attached as an integral part of said description, in which the following has been represented for illustrative and non-limiting purposes:
FIG 1.-La figura muestra el sistema de captación solar de alta eficiencia con drenaje automático de la invención, donde se observa el captador solar (1) en contacto con la sonda (10) para la medida de la temperatura dentro de los colectores del captador solar (1), el intercambiador de calor (2) conectado a los colectores de dicho captador solar (1) que dispone de un depósito (2’) de agua, un serpentín (3) con doble conexión de primario, al menos una sonda de temperatura (7) para el agua fría en contacto con la parte inferior del depósito (2’) y al menos una sonda de temperatura (6) para el agua caliente en contacto con la parte superior del depósito (2’). La válvula de seguridad (4) dispuesta a la entrada del intercambiador (2). La bomba (8) que permite la circulación del agua a través de todo el sistema. La válvula (5) entre el intercambiador (2) y la bomba (8). El circuito (en línea punteada) donde se muestra la centralita (9) conectada a la bomba (8) de circulación de agua, a la sonda de agua fría (7), a la sonda de agua caliente (6) y a la sonda (10) de los colectores de fluido. FIG 1.- The figure shows the high efficiency solar collection system with automatic drainage of the invention, where the solar collector (1) is observed in contact with the probe (10) for measuring the temperature inside the collectors of the solar collector (1), the heat exchanger (2) connected to the collectors of said solar collector (1) that has a water tank (2 '), a coil (3) with double primary connection, at least one temperature probe (7) for cold water in contact with the lower part of the tank (2') and at least one temperature probe (6) for hot water in contact with the upper part of the tank (2'). The safety valve (4) arranged at the inlet of the exchanger (2). The pump (8) that allows the circulation of water through the entire system. The valve (5) between the exchanger (2) and the pump (8). The circuit (in dotted line) where the control unit (9) is shown connected to the water circulation pump (8), the cold water probe (7), the hot water probe (6) and the fluid collector probe (10).
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
El sistema de captación solar de alta eficiencia con drenaje automático de la presente invención incorpora un colector solar (1) compuesto por placas solares y por colectores de fluido que convierte la radiación solar en energía térmica utilizando como medio el fluido caloportador, en este caso agua de suministro. Las principales características del captador son: resistencia a las condiciones exteriores, resistencia a temperaturas altas y bajas, estable y duradero, montaje fácil, conversión de energía eficiente. The high-efficiency solar collection system with automatic drainage of the present invention incorporates a solar collector (1) composed of solar panels and fluid collectors that convert solar radiation into thermal energy using the heat transfer fluid, in this case supply water, as a medium. The main characteristics of the collector are: resistance to outdoor conditions, resistance to high and low temperatures, stability and durability, easy assembly, and efficient energy conversion.
El sistema incorpora un intercambiador de calor (2) que dispone de un depósito (2’) donde se almacena el agua calentada útil para el consumo. Tiene una entrada para el agua fría y una salida para la caliente. Los acumuladores de calor convencionales se utilizan a menudo con DBS. Sin embargo, la configuración con un intercambiador de calor (2) ofrece la posibilidad de hacer circular directamente el fluido caloportador del acumulador en los colectores. Por otra parte, no se presenta casi restricciones en cuanto a los acumuladores de calor para este sistema, por lo que se suelen utilizar materiales como el acero inoxidable o los plásticos PP en el caso de los sistemas que funcionen en condiciones no presurizadas. The system incorporates a heat exchanger (2) with a tank (2') that stores the heated water useful for consumption. It has an inlet for cold water and an outlet for hot water. Conventional heat accumulators are often used with DBS. However, the configuration with a heat exchanger (2) offers the possibility of directly circulating the heat transfer fluid from the accumulator to the collectors. Furthermore, there are almost no restrictions regarding the heat accumulators for this system, so materials such as stainless steel or PP plastics are usually used in the case of systems that operate under non-pressurized conditions.
El sistema dispone de al menos una bomba (8) para permitir el llenado y asegurar la circulación del fluido. Los procesos de funcionamiento transitorio como el llenado, ejecución y el vaciado, crean tareas adicionales para las bombas. En particular, para la superación de no solo las pérdidas de fricción en las tuberías u otros componentes hidráulicos durante el llenado, sino también la altura de elevación. Si el proceso de vaciado se produce en sentido contrario al de la circulación, las bombas deben permitir un reflujo o tener un bypass. Por ello, para cumplir estas tareas (requisitos) y además reducir el consumo de electricidad, el sistema puede usar una sola bomba de velocidad variable, al menos dos bombas conectadas en serie o bien diferentes tipos de bombas (centrifugas o de desplazamiento positivo). The system has at least one pump (8) to enable filling and ensure fluid circulation. Transient operating processes such as filling, running, and emptying create additional tasks for the pumps. In particular, to overcome not only friction losses in pipes or other hydraulic components during filling, but also the lifting height. If the emptying process occurs in the opposite direction to the circulation, the pumps must allow for backflow or have a bypass. Therefore, to fulfill these tasks (requirements) and also reduce electricity consumption, the system can use a single variable-speed pump, at least two pumps connected in series, or different types of pumps (centrifugal or positive displacement).
El sistema dispone de tuberías por donde circula el fluido caloportador hacia cada componente de la in s ta la c ión . Se puede o ca s io n a r fun c ion a m ien to s inadecuados o daños inadecuado montaje de las tuberías hacia los colectores de fluido; pudiendo permanecer el agua en los colectores de fluido o en la parte superior del sistema hidráulico después de que la bomba (8) se haya detenido. Por ello, es recomendable que las tuberías se monten con una pendiente sufic iente hacia el depósito (2 ’) DB para fac ilita r el vaciado porgravedad El fluido de transferencia de calor (caloportador o fluido circulante) es un fluido que transporta el calor desde los colectores de fluido hasta el depósito (2’) del intercambiador (2). The system has pipes through which the heat transfer fluid circulates to each component of the installation. Improper assembly of the pipes to the fluid collectors can cause improper operation or damage; water may remain in the fluid collectors or in the upper part of the hydraulic system after the pump (8) has stopped. Therefore, it is recommended that the pipes be installed with a sufficient slope towards the tank (2 ') DB to facilitate gravity emptying. The heat transfer fluid (heat transfer fluid or circulating fluid) is a fluid that transports heat from the fluid collectors to the tank (2') of the exchanger (2).
El sistema dispone de sondas de temperatura (7), (6), y (10), para el agua fría, agua caliente y para los colectores de fluido, además de unidades de control, como una centralita (9). Para el funcionamiento del sistema y que la bomba se active se deben cumplir tres requisitos: The system has temperature probes (7), (6), and (10) for cold water, hot water and for the fluid collectors, as well as control units, such as a control unit (9). For the system to work and for the pump to be activated, three requirements must be met:
El diferencial temperaturas entre los colectores de fluido y el intercambiador (2) debe ser superior a la asignada en la centralita (9). La temperatura del agua del intercambiador (2) debe ser inferior a la temperatura máxima asignada en la centralita (9). La temperatura de los colectores de fluido debe ser inferior a la temperatura máxima asignada en la centralita (9). Cuando estos tres parámetros se cumplen, la bomba (8) estará en funcionamiento e impulsará el fluido caloportador desde el depósito (2’) del intercambiador (2) hacia los colectores de fluido del colector solar (1). Al mismo tiempo, el aire contenido en los colectores de fluido se desplazará hacia el depósito (2’) del intercambiador (2). Una vez que el fluido caloportador se encuentre en los colectores de fluido del colector solar (1), captará el calor en las placas producido por la radiación solar y la llevará al depósito (2’) del intercambiador (2). Entonces, el proceso de llenado se inicia y continua durante varios minutos. Tras el llenado del depósito (2’) del intercambiador (2), se produce el vaciado del mismo debido a la impulsión del fluido hacia los colectores de fluido del colector solar (1) provocado por la bomba (8). De esta manera, se repite el mismo procedimiento hasta la parada de la bomba (8). La parada de la bomba (8) puede ser debido a sobre temperatura o por baja radiación solar. La bomba (8) se detiene por sobre temperatura cuando la temperatura en el depósito (2’) es superior a las temperaturas de diseño. Llegados a este punto, el sistema se detiene para protegerse de los efectos que pueden producir estas altas temperaturas, por lo que todo el fluido de la instalación retorna al depósito (2’) del intercambiador (2). Al mismo tiempo, el aire se movilizará hacia los colectores de fluido y a las tuberías hasta el nivel del depósito (2’). The temperature differential between the fluid collectors and the exchanger (2) must be higher than that assigned in the control unit (9). The water temperature of the exchanger (2) must be lower than the maximum temperature assigned in the control unit (9). The temperature of the fluid collectors must be lower than the maximum temperature assigned in the control unit (9). When these three parameters are met, the pump (8) will be in operation and will propel the heat transfer fluid from the tank (2') of the exchanger (2) to the fluid collectors of the solar collector (1). At the same time, the air contained in the fluid collectors will move towards the tank (2') of the exchanger (2). Once the heat transfer fluid is in the fluid collectors of the solar collector (1), it will capture the heat on the plates produced by solar radiation and carry it to the tank (2') of the exchanger (2). Then, the filling process starts and continues for several minutes. After filling the tank (2’) of the exchanger (2), it is emptied due to the fluid being forced towards the fluid collectors of the solar collector (1) by the pump (8). In this way, the same procedure is repeated until the pump (8) stops. The stoppage of the pump (8) may be due to overtemperature or low solar radiation. The pump (8) stops due to overtemperature when the temperature in the tank (2’) is higher than the design temperatures. At this point, the system stops to protect itself from the effects that these high temperatures can produce, so all the fluid in the installation returns to the tank (2’) of the exchanger (2). At the same time, the air will move towards the fluid collectors and the pipes up to the level of the tank (2’).
La bomba (8) se detiene por baja radiación en el caso que haya poca radiación solar. Las temperaturas del captador (1) bajará por debajo del diferencial mínimo asignado. Llegados a este punto se considera que el sistema no es capaz de extraer calor suficiente del sol como para aumentar la temperatura en el depósito (2’) del intercambiador (2). El sistema se detiene hasta que vuelva a aumentar la radiación solar. Del mismo modo que cuando se produce sobre temperatura, el fluido de la instalación se desplazara hacia el depósito (2’) d e l intercambiador (2), mientras que el aire ocupara el espacio dejado por el fluido tras el vaciado. The pump (8) stops due to low radiation in the event of low solar radiation. The temperatures in the collector (1) will drop below the assigned minimum differential. At this point, it is considered that the system is not capable of extracting sufficient heat from the sun to increase the temperature in the tank (2') of the exchanger (2). The system stops until solar radiation increases again. In the same way as when overtemperature occurs, the fluid in the installation will move towards the tank (2') of the exchanger (2), while the air will occupy the space left by the fluid after emptying.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
El sistema descrito en la presente invención muestra su aplicación en sistemas solares térmicos para el calentamiento de fluidos, de forma económica y eficiente. Para ello, hace uso de un sistema a prueba de fallos, que maximiza la eficiencia de su funcionamiento, la durabilidad de sus componentes, con un mantenimiento sencillo y que además incluye una gestión remota de los datos. The system described in the present invention demonstrates its application in solar thermal systems for heating fluids economically and efficiently. To this end, it utilizes a fail-safe system that maximizes operating efficiency and component durability, with simple maintenance and remote data management.
El sistema dispone de un circuito primario en el que el fluido recorre toda la instalación del depósito al colector y viceversa. Está compuesto por el agua de suministro o fluido caloportador, que se distribuirá a lo largo de la instalación para el calentamiento del agua de consumo. No requiere de aditivos ni glicoles (Salvo instalaciones con requerimientos especiales) y un circuito secundario, en el que el agua se distribuye hacia los puntos de consumo o demanda. Está compuesto por la entrada de agua fría, más el retorno (Agua no utilizada en la demanda). Esta agua nunca estará en contacto con la de primario y se calentará a lo largo del interior del serpentín. The system has a primary circuit in which the fluid flows throughout the entire installation, from the tank to the collector and vice versa. It consists of the supply water or heat transfer fluid, which is distributed throughout the installation to heat the drinking water. It does not require additives or glycols (except for installations with special requirements). It also has a secondary circuit, in which the water is distributed to the consumption or demand points. It consists of the cold water inlet and the return (water not used in the demand). This water will never come into contact with the primary water and will be heated throughout the interior of the coil.
El sistema de la invención comprende al menos un captador solar (1) compuesto por placas solares y por colectores de fluido donde transcurre el fluido caloportador y que se encuentra en contacto con una sonda (10) para la medida de la temperatura dentro de los colectores; un intercambiador de calor (2) conectado a los colectores de dicho captador solar (1) que dispone de un depósito (2’) de agua, un serpentín (3) con doble conexión de primario, al menos una sonda de temperatura (7) para el agua fría en contacto con la parte inferior del depósito (2’) y al menos una sonda de temperatura (6) para el agua caliente en contacto con la parte superior del depósito (2’); una válvula de seguridad (4) dispuesta a la entrada del intercambiador (2); al menos una bomba (8) que permite la circulación del agua a través de todo el sistema; y una centralita (9) conectada a la bomba (8) de circulación de agua, a la sonda de agua fría (7), a la sonda de agua caliente (6) y a la sonda (10) de los colectores de fluido, permitiendo detectar la variación de las temperaturas de dichas sondas (6), (7) con la sonda(10) y donde dicha centralita (9) permite regular la velocidad de la bomba (8) en función a las señales recibidas de dichas sondas. El sistema permite incorporar una válvula (5) entre el intercambiador (2) y la bomba (8) para controlar el flujo hacia esta última. The system of the invention comprises at least one solar collector (1) composed of solar panels and fluid collectors through which the heat transfer fluid flows and which is in contact with a probe (10) for measuring the temperature inside the collectors; a heat exchanger (2) connected to the collectors of said solar collector (1) which has a water tank (2'), a coil (3) with double primary connection, at least one temperature probe (7) for cold water in contact with the lower part of the tank (2') and at least one temperature probe (6) for hot water in contact with the upper part of the tank (2'); a safety valve (4) arranged at the inlet of the exchanger (2); at least one pump (8) that allows the circulation of water through the entire system; and a control unit (9) connected to the water circulation pump (8), to the cold water probe (7), to the hot water probe (6) and to the probe (10) of the fluid collectors, allowing the variation in the temperatures of said probes (6), (7) to be detected with the probe (10) and where said control unit (9) allows the speed of the pump (8) to be regulated according to the signals received from said probes. The system allows a valve (5) to be incorporated between the exchanger (2) and the pump (8) to control the flow towards the latter.
El Intercambiador (2) es un intercambiador de producción semi instantánea inercial de ACS (agua caliente sanitaria) de acero al carbono con doble conexión de primario, y con intercambiador en serpentín sobredimensionado que mantiene la temperatura de acumulación del ACS (agua caliente sanitaria) durante largos periodos de tiempo sin necesidad de aporte energético suplementario. The Exchanger (2) is a semi-instant inertial production exchanger of ACS (domestic hot water) made of carbon steel with double primary connection, and with an oversized coil exchanger that maintains the accumulation temperature of the ACS (domestic hot water) for long periods of time without the need for additional energy input.
La bomba (8) se pone en marcha por medio de la centralita (9) en el momento que existe un diferencial de temperatura detectada entre la sonda de agua fría (7) y la sonda (10) de los colectores de fluidos. El diferencial de temperatura entre la sonda de agua fría (7) y la sonda (10) de los colectores de fluidos se ajusta previamente hasta aproximadamente 10°C. Al ponerse en marcha el sistema, la bomba (8) impulsa el agua fría de suministro del depósito (2’) del intercambiador (2) hacia los colectores solares para calentarse. El aire que antes se encontraba en el interior de los colectores de fluidos, será empujado por el agua hacia el depósito (2’) del intercambiador (2) ocupando la parte superior de este. El mismo volumen de aire que recibe el depósito (2’) es el agua enviada por la bomba (8) hacia de los colectores de fluidos. Al mismo tiempo que el depósito (2’) recibe aire, se irá disminuyendo el volumen del agua. The pump (8) is started by means of the control unit (9) when there is a temperature differential detected between the cold water probe (7) and the probe (10) of the fluid collectors. The temperature differential between the cold water probe (7) and the probe (10) of the fluid collectors is previously adjusted to approximately 10°C. When the system is started up, the pump (8) drives the cold supply water from the tank (2') of the exchanger (2) towards the solar collectors to be heated. The air that was previously inside the fluid collectors will be pushed by the water towards the tank (2') of the exchanger (2), occupying the upper part of it. The same volume of air that the tank (2') receives is the water sent by the pump (8) towards the fluid collectors. At the same time that the tank (2') receives air, the volume of water will decrease.
El depósito (2’) del intercambiador de calor (2) aumenta su temperatura al recibir el calor obtenido por el fluido de los colectores de fluidos, donde dicho calor se estratifica a través del fluido en el depósito (2’) debido a la variación de densidades por temperaturas entre el fluido ya existente (agua fría de suministro) y el que está entrando, este calor se envía al agua fría que se introduce en la parte inferior del depósito (2’) del intercambiador (2) entregando agua calentada en la parte superior del depósito (2’) del intercambiador (2). En la parte interna del serpentín (3) entra el agua fría de consumo aumentando su temperatura a medida que recorre dicho serpentín (3) absorbiendo el calor del fluido caloportador a través de las paredes del serpentín (3). Esta agua nunca estará en contacto con la de suministro (primario) ya que entra directamente por la parte inferior del serpentín (3). The tank (2') of the heat exchanger (2) increases its temperature by receiving the heat obtained by the fluid from the fluid collectors, where said heat is stratified through the fluid in the tank (2') due to the variation in densities due to temperatures between the existing fluid (cold supply water) and the one that is entering, this heat is sent to the cold water that is introduced into the lower part of the tank (2') of the exchanger (2) delivering heated water to the upper part of the tank (2') of the exchanger (2). In the internal part of the coil (3) the cold water for consumption enters, increasing its temperature as it travels through said coil (3) absorbing the heat from the heat transfer fluid through the walls of the coil (3). This water will never be in contact with the supply (primary) water since it enters directly through the lower part of the coil (3).
A medida que aumenta la temperatura del depósito (2’), la velocidad de la bomba (8) se va autorregulando en función a la variación de temperatura (AT), disminuye su velocidad modificando el tiempo que está en los colectores de fluidos y optimizando la captación de radiación a los parámetros que en cada momento necesita el sistema. Del mismo modo, en el caso que haya baja radiación o el depósito (2’) no alcance la temperatura necesaria, la velocidad de la bomba (8) disminuye para adaptarse a las necesidades en ese momento. As the temperature of the tank (2') increases, the speed of the pump (8) self-regulates according to the temperature variation (AT), decreasing its speed by modifying the time it is in the fluid collectors and optimizing the radiation capture to the parameters that the system needs at any given time. Similarly, if there is low radiation or the tank (2') does not reach the necessary temperature, the speed of the pump (8) decreases to adapt to the needs at that time.
Según aumenta la temperatura del depósito (2’), el diferencial térmico entre la sonda (10) y la sonda de agua fría (7) se reduce hasta llegar a un punto en el que el diferencial desaparece, esto es AT= 0, en este caso el sistema no es capaz de obtener más calor del sol y para para evitar gastar energía eléctrica, la bomba (8) se detiene y el agua comienza a volver desde los colectores de fluidos hacia el depósito (2’), siendo reemplazada por aire para evitar daños en la instalación. El aire dispuesto en el depósito (2’) se desplaza hacia de los colectores de fluidos para proteger el sistema ante posibles sobre temperaturas. A la vez que vuelve (por gravedad) el fluido del circuito hacia el depósito (2’). As the temperature of the tank (2') increases, the thermal differential between the probe (10) and the cold water probe (7) decreases until it reaches a point where the differential disappears, that is, AT = 0. In this case, the system is unable to obtain more heat from the sun and stops to avoid wasting electrical energy. The pump (8) stops and the water begins to return from the fluid collectors to the tank (2'), being replaced by air to avoid damage to the installation. The air in the tank (2') moves towards the fluid collectors to protect the system from possible over temperatures. At the same time, the fluid in the circuit returns (by gravity) to the tank (2').
Cuando la radiación solar sea muy alta y baja la demanda de calor del sistema secundario, podemos llegar al punto de tener demasiado calor. En este caso el sistema se auto protege. Del mismo modo el sistema se encuentra en marcha y el calor de los colectores de fluidos se transfiere hacia el depósito (2’). El sistema trata de mantener el diferencial térmico y van aumentando sus temperaturas tanto en los colectores de fluidos como el depósito (2’). When solar radiation is very high and the secondary system's heat demand is low, we can reach the point of having too much heat. In this case, the system protects itself. The system is operating in the same way, and the heat from the fluid collectors is transferred to the tank (2'). The system tries to maintain the thermal differential, and temperatures in both the fluid collectors and the tank (2') increase.
Dependiendo de la radiación, el sistema aumenta o reduce la velocidad de la bomba (8) intentando mantener el diferencial de temperaturas programado y seguir cediendo calor al depósito (2’). Finalmente, la temperatura de los colectores de fluidos puede llegar al límite superior establecido (90°C). Llegados a este punto, se detiene el sistema para autoprotegerse de los problemas que genera demasiada temperatura en el fluido caloportador. De tal manera que el sistema evita la generación de vapor en el fluido caloportador que anula el equilibrio de presiones y volúmenes aire/agua, así como generar stress en los materiales que componen el sistema, alargando su vida útil. Depending on the radiation, the system increases or decreases the speed of the pump (8) trying to maintain the programmed temperature differential and continue transferring heat to the tank (2'). Finally, the temperature of the fluid collectors can reach the established upper limit (90°C). At this point, the system stops to protect itself from the problems generated by too much temperature in the heat transfer fluid. In this way, the system prevents the generation of steam in the heat transfer fluid that cancels the balance of air/water pressures and volumes, as well as generating stress in the materials that make up the system, extending its useful life.
En el caso que exista una disminución de la radiación por horario o por condiciones meteorológicas las temperaturas de los colectores disminuirán por debajo de la del depósito (2’), en este caso la centralita (9) da orden de detener la bomba (8) para evitar disipar calor del depósito (2’) en los colectores de fluidos. El aire del depósito (2’) se transfiere a los colectores de fluidos, y del mismo modo el fluido caloportador al depósito (2’). El depósito (2’) estará completamente lleno para ceder el calor al serpentín (3) y de esa manera continuar cediendo calor al circuito secundario aún sin radiación solar. La temperatura del agua de consumo se mantiene caliente gracias al calor aportado por el fluido caloportador. In the event that there is a decrease in radiation due to time or weather conditions, the temperatures of the collectors will drop below that of the tank (2'), in this case the control unit (9) gives the order to stop the pump (8) to avoid dissipating heat from the tank (2') in the fluid collectors. The air in the tank (2') is transferred to the fluid collectors, and in the same way the heat transfer fluid to the tank (2'). The tank (2') will be completely full to transfer heat to the coil (3) and in this way continue transferring heat to the secondary circuit even without solar radiation. The temperature of the drinking water is kept hot thanks to the heat supplied by the heat transfer fluid.
En caso de bajada de radiación por condiciones meteorológicas, el sistema se volverá a poner en marcha cuando se detecte el incremento de temperatura en los colectores de fluidos. En caso de bajada de radiación por la noche, el sistema quedará protegido contra heladas hasta que a la mañana siguiente se cumplan las condiciones de arranque del sistema. El calor almacenado en el depósito (2’) se irá cediendo al fluido según sea necesario hasta que se haya consumido. In the event of a drop in radiation due to weather conditions, the system will restart when a temperature increase is detected in the fluid collectors. If radiation drops at night, the system will remain protected against frost until the system's start-up conditions are met the following morning. The heat stored in the tank (2') will be transferred to the fluid as needed until it is consumed.
El sistema de la presente invención permite mejorar la complejidad y costes observados en los sistemas conocidos en la técnica, ya que elimina elementos de estos sistemas convencionales, integrando en un solo sistema más simple un conjunto de elementos que permiten entre otras cosas que: The system of the present invention allows to improve the complexity and costs observed in the systems known in the art, since it eliminates elements of these conventional systems, integrating in a single simpler system a set of elements that allow among other things:
- Se eliminan los vasos de expansión del circuito primario, ya que se genera una cámara de aire que en el interior del depósito (2’). - The expansion vessels are eliminated from the primary circuit, since an air chamber is generated inside the tank (2').
- Se eliminan intercambiadores de calor externos evitando así sus averías y mejorando el rendimiento de todo el sistema. - External heat exchangers are eliminated, thus preventing breakdowns and improving the performance of the entire system.
- Se elimina la bomba de secundario evitando así sus averías y reduciendo la energía necesaria para que el sistema funcione (mejora el rendimiento) - The secondary pump is eliminated, thus avoiding breakdowns and reducing the energy required for the system to operate (improves performance)
- Se elimina el depósito de drenaje de los sistemas conocidos, estando integrado el depósito de drenaje dentro del propio depósito (2’) de inercia primario. - The drainage tank of the known systems is eliminated, the drainage tank being integrated into the primary inertia tank (2') itself.
- Se elim inan los purgadores en los captadores, reduciendo las averías y facilita el mantenimiento. - The drains in the collectors are eliminated, reducing breakdowns and facilitating maintenance.
- No requiere de aditivos para el flu ido primario reduciendo costes, mantenim iento y complejidad a la hora de rellenar o realizar modificaciones. - It does not require additives for the primary fluid, reducing costs, maintenance and complexity when refilling or making modifications.
- Se evitan las sobre temperaturas por lo que no se producen averías y se alarga la vida útil de los materiales (Elimina stress por temperaturas) - Overheating is avoided, preventing breakdowns and extending the life of the materials (Eliminates temperature stress)
- No permite congelaciones evitando este tipo de averías en los sistemas conocidos. - It does not allow freezing, avoiding this type of failure in known systems.
El intercambiador (2) de la presente invención permite mejorar las prestaciones del conjunto depósito de acumulación, intercambiador de placas y depósito Drais-Back (drenaje) que se encuentra descrito en los sistemas conocidos en la técnica. Este sistema basado en la tecnología del drenaje automático corrige la totalidad de los problemas más frecuentes tanto de los sistemas tradicionales presionados como de los sistemas Drais-Back. Es un sistema que se adapta a cualquier tipo de instalación y situación con s is tem as de au top ro tecc ión propios que no requieren de intervención externa para funcionar. The exchanger (2) of the present invention allows to improve the performance of the accumulation tank, plate exchanger and Drais-Back (drainage) tank assembly described in the systems known in the art. This system based on automatic drainage technology corrects all the most frequent problems of both traditional pressured systems and Drais-Back systems. It is a system that adapts to any type of installation and situation with its own self-protection systems that do not require external intervention to operate.
Puede utilizarse en diferentes sectores y es capaz de adaptarse tanto a instalaciones que se requieran grandes cantidades de calor como a pequeñas instalaciones de uso esporádico sin tener que preocuparse de su mantenimiento. It can be used in different sectors and is capable of adapting to both installations that require large amounts of heat and small installations for sporadic use without having to worry about maintenance.
Además, resuelve la problemática que pueden generar las instalaciones solares térmicas, como por ejemplo la fatiga de materiales, estancamientos, dilataciones o excesos de calor. En conclusión, el sistema de la presente invención es una alternativa mejorada con respecto al sistema Drais-Back convencional, a los sistemas tradicionales presionados, así como otros sistemas de producción de agua caliente sanitaria (ACS). Furthermore, it solves the problems that solar thermal installations can cause, such as material fatigue, stagnation, expansion, or excessive heat. In conclusion, the system of the present invention is an improved alternative to the conventional Drais-Back system, traditional pressure systems, and other domestic hot water (DHW) production systems.
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