SIN TUBOS

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad los colectores solares para calentamiento de agua convencionales (figuras IA sin cubierta y IB con cubierta) utilizan para convertir la energía del espectro solar a radiaciones de onda larga (infrarrojas) de calor, mediante el uso de placas (1) metálicas selectivas tratadas químicamente que incrementan la capacidad de absorción de la radiación solar y que disminuyen su emisividad de calor o, la otra opción, se le recubre con pintura negra. Después de lo anterior, la radiación infrarroja trata de escapar al medio ambiente (el cual generalmente es más frío) por dos caminos; el primero es por la cara anterior (por donde ingresó la radiación) y, para evitarlo, se utiliza una cubierta (2) de vidrio (o de polímero) transparente al espectro solar pero opaca al infrarrojo lejano, para crear el efecto invernadero en el volumen de aire (3) y también, para que aumente la resistencia al escape del calor al medio ambiente. El segundo camino del calor es en dirección a los tubos (4) que van soldados a la placa absorbente y los cuales contienen el líquido que finalmente aprovecha al calor. La cara posterior de esta placa se forra con aislante (6) de alta resistencia térmica para evitar la pérdida de calor al medio ambiente y asegurar la mayor concentración del calor en los tubos.

La transferencia de calor entre las paredes de los tubos al líquido se lleva a cabo por medio del fenómeno de conducción (7) y en menor escala por la convección natural. Este último, se debe al calentamiento de un recipiente

desde abajo y el líquido calentado (menos denso) asciende para ser sustituido por un líquido frío más denso, procurando una mejor transferencia de calor que por el fenómeno de la conducción térmica, que es por medio del choque elástico entre moléculas y electrones.

Elevada la temperatura del fluido, contenido en la reja de tubos, asciende por el fenómeno de termosifón por el tubo cabezal (8) transversal a la reja hasta un tanque acumulador, renovando así el agua caliente en el colector por la tría. Otra opción es recircular el fluido frío por medio de una bomba extema.

En los primeros sistemas convencionales por placas absorbentes pintadas de negro, la pérdida de calor por convección del viento se redujo al colocar, una cubierta (2) transparente, sin embargo, con lo anterior, se produjo otra pérdida extra de calor hacia el medio ambiente debido al fenómeno de radiación entre la placa oscura y la cubierta pero, como su valor es inferior al de la pérdida por convección al viento entonces, fue útil agregar cubiertas.

La problemática anterior, por la pérdida de calor por radiación infrarroja entre la placa pintada de negro y la cubierta transparente, fue mejorada por los sistemas convencionales revistiendo químicamente superficies de placas absorbentes metálicas para convertirlas en placas selectivas, las cuales mantienen un alto valor del coeficiente de absorción solar y un bajo valor de coeficiente de emisividad de calor. Esta última característica redujo el fenómeno extra de radiación entre placas; pero esto implicó el encarecimiento de los sistemas colectores solares convencionales.

Existen diversas geometrías de placas planas con tubos: placa absorbente

con tubos en su cara inferior (como en la figura -IA); placas con tubos en su cara superior; tubos seccionando la placa en forma de aletas; también tubos que serpentean sobre la placa absorbente; tubos seccionando placas en forma de aletas planas angostas pero montados dentro de un tubo de vidrio evacuado a baja presión. Sin embargo, en todos estas geometrías la conducción térmica es maximizada utilizando materiales metálicos tanto en la placa absorbente como en los tubos adheridos a esta.

Por otro lado, existen en otros países normas específicas de sanidad para la eliminación de bacterias del agua en colectores solares, como es la exigencia de elevar las temperaturas a su salida hasta valores superiores a

50 ⁰ C. Esto se debe a que las bacterias latentes circulan en los colectores convencionales sobre vías oscuras de tubería de cobre y de baja temperatura, que al momento de ser activadas por la elevación de temperatura del agua ( como es de esperarse en un colector solar) las convierte en un problema de salud pública, como es la bacteria Legionella pneumophila. Sin embargo, elevar a estas temperaturas cuando el agua a utilizarse deba estar entre 36 a

42 ⁰ C, los hace ineficientes.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La nueva geometría de colector solar sin tubos (figuras 2A y 2B) ₅ consiste de dos placas que contienen al fluido (8) entre una cubierta (9) transparente superior, que permite el ingreso de la radiación solar visible, y otra placa (10) inferior y opaca a la radiación solar que la absorbe y la convierte en radiaciones infrarrojas de calor. Sin embargo, al no haber tubos conductores de fluidos en la placa y solo un forro de aislamiento en su parte posterior (13) y en sus laterales (no mostrados en la figura 2A), habrá un

solo camino donde el calor tratará de escapar al medio ambiente, que es el mismo por donde ingresan las radiaciones (el volumen del líquido). Entonces, el calor fluirá de abajo hacia arriba por el fenómeno de convección natural (11), anulando el fenómeno de conducción térmica que es el primordial en los sistemas convencionales. Luego de transferir su calor al líquido entonces pasa a las cubiertas transparentes (9) y (12) donde hacen su papel de efecto invernadero para después dejar escapar el calor residual al medio ambiente.

Es del dominio científico, que el coeficiente de transferencia de calor por convección en un líquido, es mayor que el coeficiente de transferencia conductivo térmico (que usan los colectores convencionales); de esta manera, teniendo un solo camino para la evacuación del calor (a través del líquido) y habiendo un mayor coeficiente de transferencia de calor por convección se garantiza una mayor rapidez de distribución del calor en el líquido que en los sistemas convencionales.

Del problema anteriormente mencionado en antecedentes, por el encarecimiento de los colectores solares convencionales para contar con placas selectivas; con el nuevo colector sin tubos el problema de emisividad de la placa absorbente deja de tener importancia, porque el fenómeno de la transferencia por radiación entre placas se nulifica habiendo líquido de por medio, quedando por lo tanto, solo el fenómeno de transferencia de calor por convección natural sobre el líquido; luego pueden ser utilizadas cualquier otro tipo de placas opacas absorbentes más económicas como pueden ser los materiales polímeros entre otros materiales. La función de baja emisividad de calor para el colector sigue siendo necesaria, pero en esta nueva geometría ahora la realiza la cubierta transparente (9) de baja

emisividad como se señalará más adelante.

Con la eliminación de la reja de tubos elevadores de temperatura y el par de tubos cabezales en el nuevo colector, se disminuye la pérdida por fricción del flujo del líquido que atraviesa y, se incrementa su velocidad del flujo ocasionando dos beneficios: Se mantiene menos "caliente" al colector y también, se puede alarga su conexión hasta el tanque acumulador de calor sin detrimento del efecto termosifón (o para efectos de la pérdida de potencia en los sistemas con bombeo). Por lo anterior, el nuevo colector sin tubos: aumenta la eficiencia; abate los costos de producción contra los colectores solares convencionales, por el ahorro tanto de tubos como en mano de obra por soldadura, así como de costosas placas selectivas metálicas. Ahora la fabricación de estos nuevos colectores se puede llevar a cabo con materiales polímeros que faciliten el moldeo a escala industrial.

Aún con lo anterior, mejores rendimientos se presentan al sellar el recinto de aire que se forma entre las cubiertas transparentes (9) y (12), para luego utilizar diversas técnicas, elementos y compuestos que reduzcan las pérdidas de calor hacia el medio ambiente, como son : a) La aplicación de bajo, medio o alto vacío sobre el recinto de aire para eliminar su convección y disminuir o eliminar su conductancia térmica pero utilizado pilares de soporte entre las cubiertas (9) y (12) contra la presión atmosférica generada "Vacuum Glazing". b) La aplicación de gases estancos para eliminar el fenómeno de convección y disminuir la conductancia térmica. Estos son: Argón, Criptón. Xenón, CO ₂ , entre otros más. c) Utilizar aerogeles de estructuras de sílice poroso y ultraligeros que eliminan la emisividad térmica entre placas, así como el de la convección, logrando bajas conductancias térmicas.

d) Utilizar película delgada sobre las caras de las cubiertas transparentes (9) y (12), para disminuir la reflexión solar "AR" y por lo tanto, aumentar su transmisión solar. e) Utilizar película delgada sobre la cara interna del reciento en la cubierta transparente (9), para disminuir la emisividad de calor "low- e", por medio de óxidos conductores transparentes "TCO" con Estaño, Zinc, Cadmio, Plata, Titanio, entre otros.

EI objetivo del nuevo colector son aplicaciones que utilizan diferentes líquidos, como son: El agua natural; fluidos utilizados por sistemas intercambiadores de calor (anticongelante, silicona, derivado del petróleo, líquidos opacos a la radiación solar, etcétera). Este nuevo colector es útil y adaptable en viviendas unifamiliares, multifamiliares, en oficinas y para el precalentamiento de líquidos en procesos industriales de transferencia de calor, así como en el calentamiento de albercas o piletas. Este nuevo colector abarca los modos para transferir el calor, sean estos el sistema termosifón o utilizando equipo de bombeo. Este nuevo colector es adecuado para su utilización como receptor de aditamentos reflectores concentradores de radiación solar.

La geometría del nuevo colector permite a través de sus dos cubiertas transparentes (9) y (12) (o más) exponer a las bacterias, contenidas en el agua, a la acción bactericida de la radiación ultravioleta proveniente del espectro solar transmitido. La bacteria Legionella pneumophila y otras especies de Legionella se eliminan con bajos niveles de radiación UV solar y por su tiempo de exposición que depende de la velocidad de flujo del agua. De esta manera el nuevo colector no requiere de temperaturas superiores a los 50 ⁰ C para eliminar a las bacterias como en los colectores

convencionales, y por lo tanto, se logra mejor rendimiento por las temperaturas inferiores.