Menu

Instalação solar térmica

Termossifão solar: tipos, funcionamento e características

Termossifão solar: tipos, funcionamento e características

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

O termossifão é o fenômeno físico pelo qual uma circulação convectiva é estabelecida em um circuito hidráulico devido à única diferença de densidade entre volumes de fluido em diferentes temperaturas. O princípio do termossifão é utilizado em alguns sistemas de energia solar térmica, quando a estrutura das tubagens o permite, ou seja, quando o percurso do refrigerante é em vários níveis e não é muito longo (como na instalação apresentada). O movimento do fluido de transferência de calor entre o coletor solar e o tanque de água quente é realizado exclusivamente por convecção.

Se aquecermos um tanque de água do fundo, quando a água do fundo é aquecida, ela perde densidade e sobe para a superfície onde esfria. Em seguida, ele retorna ao fundo do recipiente e, assim, é gerada uma corrente de circulação natural.

Este é o princípio de funcionamento de uma unidade 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.

Como funciona um termossifão solar?

Sistema de energia solar térmica por radiadorO ciclo de um sistema termossifão inicia-se no momento em que a radiação solar atinge o coletor solar, com valores superiores a 200 watts/m 2 . O fluido encontrado nos coletores solares aumenta de temperatura. Devido a este aumento de temperatura, a densidade de fluxo varia ligeiramente. Essa variação é suficiente para que o fluido circule pelo circuito primário até o acumulador. O fluido frio é mais denso e tende a descer, assim como o fluido quente tende a subir. Uma vez que o fluido está no acumulador, uma troca de calor é realizada por meio de um processo de convecção termodinâmica.

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

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

A água acumulada no acumulador aumenta a sua energia térmica e está agora disponível para ser utilizada principalmente como aquecimento ou água quente sanitária.

Tipos de termossifão: horizontal e vertical

Como o funcionamento do sistema 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 motivos:

  • Melhora as camadas.
  • As perdas de calor do tanque aumentam linearmente com a temperatura de armazenamento.
  • O coletor solar opera de forma mais eficiente a uma temperatura de entrada do coletor mais baixa.

No entanto, para reduzir a altura total da unidade, geralmente são usados ​​tanques horizontais. 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 injeção de vazão.

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

Componentes básicos de um radiador solar

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. Por não se tratar de uma circulação forçada, é conveniente que a perda de carga seja mínima, ou seja, que os tubos que formam a grade do coletor tenham o maior diâmetro possível.

Em relação ao número de coletores solares a conectar, não é recomendável conectar mais de 10 m 2 de coletores. A razão para não conectar muitos coletores solares é evitar a perda de carga no circuito de coleta e evitar uma redução considerável no desempenho da instalação.

O acumulador utilizado em equipamentos com funcionamento por termossifão de circuito indireto é geralmente do tipo envelope duplo. Os acumuladores de dupla concha possuem uma superfície de troca termodinâmica maior com a mínima queda de pressão no circuito.

A disposição do tanque de armazenamento facilitará a circulação natural. Nesse caso, a melhor configuração seria poder utilizar acumuladores verticais para aproveitar a estratificação de temperatura. No entanto, as condições de integração estética fazem com que a maioria das unidades incorpore acumuladores horizontais.

Outra qualidade a ter em conta é que as tomadas de água dos componentes do circuito primário têm um diâmetro semelhante ao da tubagem de ligação para evitar perdas de pressão que as reduções de caudal representam.

Também é importante que a entrada de água fria esteja localizada na parte inferior do tanque para evitar que resfrie a área de água quente quando entrar água nova.

Elementos de segurança de um sistema solar termossifão

Para proteger o circuito primário de sobrepressão, é obrigatória a instalação de uma válvula de segurança (VS) que não possua nenhum elemento de seccionamento ou corte que isole hidraulicamente a instalação.

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

Devido às características específicas destas instalações, não é viável a instalação de elementos de proteção ativa contra baixas temperaturas (geada) ou contra altas temperaturas (superaquecimento).

Autor:

Data de publicação: 22 de setembro de 2015
Última revisão: 16 de setembro de 2019