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Termelétrica

Sistemas solares de termossifão

Sistemas solares de termossifão

Os sistemas de termossifão solar são equipamentos de energia solar que têm uma circulação natural do fluido de trabalho. Essa circulação é baseada em correntes de convecção que se formam em fluidos a diferentes temperaturas.

O termossifão é o fenômeno físico pelo qual uma circulação convectiva é estabelecida em um circuito hidráulico devido à única diferença na densidade entre volumes de fluidos a diferentes temperaturas. O princípio do termossifão é usado em alguns sistemas de energia térmica solar, quando a estrutura dos tubos permite, ou seja, quando a rota do refrigerante está em vários níveis e não é muito longa (como na instalação apresentada). O deslocamento do fluido de transferência de calor, entre o coletor solar e o tanque de água quente, é feito apenas por convecção

Se aquecermos um tanque de água no fundo, quando a água do fundo esquenta, ela perde densidade e sobe para a superfície onde esfria. Em seguida, ele volta para o fundo do recipiente e, assim, é gerada uma corrente de circulação natural.

Este é o princípio de operação de um equipamento termossifão, no qual será essencial que:

  • O coletor solar (fontes de calor) está sempre localizado em um nível mais baixo que o acumulador.
  • O circuito primário da instalação solar térmica é o mais curto possível e com uma inclinação contínua que facilita a circulação natural.

Operação do sistema de termossifão

Sistema de energia térmica solar por thermosiphonO ciclo de um sistema de termossifão começa no momento em que a radiação solar atinge o coletor solar, com valores superiores a 200 watts / m2. O fluido encontrado em coletores solares aumenta de temperatura. Devido a esse aumento de temperatura, a densidade do fluxo varia um pouco. Essa variação é suficiente para o fluido circular pelo circuito primário até o acumulador. O fluido frio é mais denso e tende a cair, da mesma forma, o fluido quente tende a subir. Uma vez que o fluido está no acumulador, uma troca de calor é realizada usando um processo de convecção termodinâmico.

A operação no circuito primário deste sistema de energia renovável é por termossifão. A diferença de temperatura usual nas bocas do coletor (T2-T1) é geralmente de 5 a 15 graus Celsius, dependendo do nível de insolação.

À medida que é aquecida, a água no acumulador é estratificada pela temperatura, ou seja, a parte superior é ocupada por água quente e a parte inferior é a água mais fria. Nos acumuladores verticais, esse diferencial de temperatura pode atingir 15ºC. Nos acumuladores horizontais, esse diferencial cai para apenas 4-5 graus Celsius.

A água acumulada no acumulador aumenta sua energia térmica e já está disponível para uso como aquecimento ou água quente sanitária.

Termossifão horizontal e termossifão vertical

Como a operação do sistema de termossifão depende da estratificação da água no tanque de armazenamento, os tanques verticais são mais eficazes. Também é preferível ter o aquecedor auxiliar o mais alto possível no tanque de armazenamento, para aquecer apenas a parte superior do tanque com energia auxiliar quando necessário. Isso é importante por três razões:

  • Melhora a estratificação
  • As perdas de calor do tanque aumentam linearmente com a temperatura de armazenamento.
  • O coletor solar opera com mais eficiência a uma temperatura mais baixa na entrada do coletor.

No entanto, para reduzir a altura geral da unidade, tanques horizontais são frequentemente usados. O desempenho dos sistemas de termossifão de tanque horizontal é influenciado pela condução entre a zona auxiliar de alta temperatura no topo do tanque e a zona solar e pela mistura dos pontos de fluxo de injeção.

O desempenho desses sistemas pode ser aprimorado usando tanques solares e auxiliares separados ou separando zonas auxiliares e de pré-aquecimento com um defletor isolado. Uma desvantagem dos dois sistemas de tanques ou tanques segmentados é que a entrada não pode aquecer a zona auxiliar até que haja uma demanda.

Elementos básicos de um sistema de termossifão

Os sistemas solares térmicos por termossifão têm uma configuração muito simples, com poucos elementos. Os elementos mais importantes são o coletor solar e o acumulador. 

Nesses sistemas, a circulação da água que circula pelos coletores solares não é forçada. Como não é uma circulação forçada, a perda de carga deve ser mínima, ou seja, que os tubos que formam a grade coletora tenham o diâmetro máximo possível.

Quanto ao número de coletores solares a serem conectados, não é recomendável conectar mais de 10 m 2 de coletores. O motivo para não conectar muitos coletores solares é evitar a perda de carga do circuito de captação e evitar uma redução considerável no desempenho da instalação.

O acumulador usado no equipamento com operação por termossifão em circuito indireto é geralmente do tipo envelope duplo. Os acumuladores de envelope duplo têm uma superfície de troca termodinâmica maior com perda mínima de carga no circuito.

A disposição do tanque acumulador facilitará a circulação natural. Nesse caso, a melhor configuração seria usar acumuladores verticais para aproveitar a estratificação de temperatura. No entanto, os fatores de integração estética fazem com que a maioria dos equipamentos incorpore acumuladores horizontais.

Outra qualidade a considerar é que as tomadas de água dos componentes do circuito primário têm um diâmetro semelhante ao do tubo de junção para evitar as perdas de pressão representadas pelas reduções de vazão.

Também é importante que a entrada de água fria esteja localizada na parte inferior do tanque, a fim de impedir que ela resfrie a zona de água quente quando a nova entrada de água ocorrer.

Elementos de segurança de um sistema solar por termossifão

Para proteger o circuito primário contra sobrepressão, é obrigatório instalar uma válvula de segurança (VS) que não possua nenhum elemento de seção ou corte que isole hidraulicamente da instalação.

Este é o único elemento de segurança necessário em instalações que funcionam à pressão ambiente. Em instalações pressurizadas, é essencial adicionar um vaso de expansão (VE) e um manômetro.

Devido às características específicas dessas instalações, não é possível instalar elementos de proteção ativos contra baixas temperaturas (geadas) ou altas temperaturas (superaquecimento).

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Última revisão: 16 de setembro de 2019