er2 sta 03 sistemas solares termicos
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CET Energias Renováveis - Energias Renováveis II
Módulo Energia Solar Térmica e Aplicações
Formador: Nuno Monteiro – [email protected]
1. Descrição de um Sistema Solar Térmico
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Sistema Solar Térmico
� Representação esquemática de um Sistema Solar Térmico para
produção de água quente:
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Sistema Solar Térmico
� A ligação e transferência de calor entre a área de captação e o
depósito é efectuada por um circuito hidráulico denominado
circuito primário, sendo o fornecimento de energia para o
consumo efectuado por um circuito denominado circuito
secundário.
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Sistema Solar Térmico
� O funcionamento entre o sistema solar e o equipamento de apoio,
implicam o cumprimento de alguns princípios básicos na
instalação: equipamento de apoio na parte superior do depósito.
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Sistema Solar Térmico
� Muito importante: nunca colocar apoio na base do depósito
(perigo de mistura da energia solar com a energia convencional)
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Sistema Solar Térmico
� Se a instalação for constituída por dois depósitos ligados em série,
o apoio deve sempre ser ligado ao segundo depósito (parte
superior) por forma a estar sempre garantida a prioridade ao Sol.
2. Tipos de Sistemas Solares Térmicos
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Quanto ao tipo de circulação do fluido
� Sistemas Integrados
� Sistemas em termossifão
� Sistemas de circulação forçada
� Quanto ao tipo de fluido térmico
� Sistemas directos
� Sistemas indirectos
� Quanto à pressão de funcionamento
� Sistemas abertos
� Sistemas fechados
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas Integrados
� Depósito que serve de colector e de armazenamento
� Perdas elevadas no período nocturno
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas em termossifão
� Funcionam por convecção natural: circulação natural do fluido
térmico com base na diferença de densidades entre o fluído frio e
o fluído quente;
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas em termossifão
� Utilização: AQS – Águas Quentes Sanitárias
� Vantagens:
� Circulação auto-regulada
� Sem consumos associados
� Simplicidade e menos custos na instalação
� Desvantagens:
� Elevada sensibilidade a perdas de carga
� Caudal regulado por radiação
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas em termossifão
� Cuidados a ter na instalação:
� Risco de circulação inversa
durante a noite ou em locais
de frio predominante:
colector seria um dissipador
de energia!
� Para o evitar, convém que
haja um desnível de 15 a 30
cm entre o topo do colector e
a base do depósito.
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas em termossifão
� Ideais para países ou regiões quentesbaixo risco de congelamento, sobretudoem instalações pequenas (150l, 200l,300l);
� Sem bomba/controlador e semnecessidade de energia auxiliar;
� Na União Europeia devem cumprir aNorma EN 12796;
� As tubagens com menor cumprimentopossível;
� O reservatório deverá situar-se, pelomenos, 15cm acima do colector.
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas de circulação forçada
� Utilização: AQS – Águas Quentes Sanitárias; AQP – Água Quente
de Processo (indústria)
� Depósito não tem de estar colocado a
um nível superior ao colector
(permite a separação entre os
colectores e o depósito)
� Necessitam de uma bomba
circuladora.
� Possuem um controlador diferencial
para arranque da bomba
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas de circulação forçada – controlo diferencial
� O controlo diferencial compara as temperaturas entre o ponto
mais quente e o ponto mais frio do Sistema Solar Térmico.
� O arranque da bomba de circulação quando T1-T2 > 5-6ºC
� Paragem da bomba sempre que T1 – T2 < 2ºC
Desta forma garante-se umefectivo ganho energéticono funcionamento doscolectores.
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas de circulação forçada
� Vantagens:
� Possibilidade de regulação de caudal
� Flexibilidade na instalação do circuito primário (médias e
grandes instalações)
� Menores perdas no armazenamento
� Desvantagens:
� Necessitam de sistema de controle
� Apresentam consumos eléctricos
� Instalação mais dispendiosa
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas directos e sistemas indirectos
� Nos sistemas directos a água potável que é utilizada no edifício
percorre o painel solar (a água, dado poder ser consumida, não
pode ser tratada).
� Nos sistemas indirectos os circuitos do painel solar e das águas
sanitárias são distintos. É possível efectuar o tratamento da água
que circula no painel tendo em vista a preservação dos
equipamentos (uso de inibidores, uso de anticongelante, regulação
do pH da água).
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas directos
� Fluido que circula nos colectores é a água deconsumo!
� Vantagens:
� Fácil instalação
� Eficiência de permuta térmica=1
� Sistema económico
� Desvantagens:
� Problemas de congelamento
� Problemas de corrosão (depósitos calcários)
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas indirectos
� Utilizam um permutador entre o colector e o depósito.
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas indirectos
� Vantagens:
� Utilizam fluido anti-congelante
� Reduzido risco de corrosão
� Desvantagens:
� Eficiência térmica <1
� Instalação mais cuidada
� Mais caros
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas abertos
� Os circuitos abertos possuem um recipiente de superfície livre no
ponto mais alto do circuito solar, que permite absorver a
expansão volumétrica do líquido causada pelo aumento da
temperatura.
� A pressão em sistemas abertos corresponde no máximo à
pressão estática da coluna de líquido.
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Tipos de Sistemas Solares Térmicos
� Sistemas fechados
� Os sistemas fechados funcionam com pressão elevada (1,5 a 10
bar) o que influência as propriedades físicas (tais como a
temperatura de evaporação) do fluído de transferência térmica;
� No caso de sistemas fechados são necessários dispositivos de
segurança especiais (vaso de expansão e válvulas de segurança);
3. Componentes dos Sistemas Solares Térmicos
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Componentes: Permutadores
� Tipos de permutadores
� Externo: É um componente independente do depósito de
armazenamento.
� Pouco comum em pequenas instalações. Utilizam-se
permutadores de placas em grandes instalações
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Componentes: Permutadores
� Permutadores de placas: Utilizam-se para grandes volumes (>
3000 l). Apresentam elevada eficiência (>75%), devido ao
funcionamento em contra-corrente.
� São modulares podendo acrescentar-se placas consoante
necessidades futuras;
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Componentes: Permutadores
� Tipos de permutadores
� Interno: O permutador encontra-se no interior do depósito de
armazenamento.
� A solução mais comum em pequenas instalações. Podem ser de
serpentina ou tipo camisa.
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Componentes: Permutadores
� Permutadores de serpentina: Utilizam-se para pequenos e
médios volumes. Os mais comuns.
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Componentes: Depósito de Armazenamento
� A energia fornecida pelo sol não pode ser controlada e raramente
coincide com a variação das necessidades de energia térmica.
� Desta forma é necessário armazenar o calor solar gerado para ser
utilizado quando necessário.
� O armazenamento de energia térmica é feito sob a forma de
água quente no interior de um depósito isolado, para evitar as
perdas.
� Podem ser em aço esmaltado ou revestido interiormente a
plástico para protecção contra corrosão.
� Em alternativa, existem depósitos em aço inoxidável, de custo
mais elevado.
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Componentes: Depósito de Armazenamento
� Depósitos de serpentina simples: Têm como função apenas a
acumulação de calor.
� Depósitos de serpentina dupla: Têm como função a acumulação
de calor e também o aquecimento da água de consumo até à
temperatura pretendida.
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Componentes: Depósito de Armazenamento
� Principais características de um tanque de armazenamento solar
standard para produção de AQS:
� Dois permutadores de calor para duas fontes de calor
(bivalente);
� Ligação directa para o reservatório de água fria;
� Pressão de operação do tanque variável entre 4 - 6 bar.
� Devido à variação diária da radiação solar o tanque deve
armazenar a água quente para consumo de pelo menos dois dias;
� O volume deverá ser de 50 a 70 litros por pessoa.
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Componentes: Depósito de Armazenamento
� Tanques de armazenamento solar para produção de AQS:
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Componentes: Depósito de Armazenamento
� Tanques de grandes dimensões podem armazenar grandes
quantidades de energia, contudo no caso de superfícies dos
colectores reduzidas, aumenta a frequência de utilização do
sistema de apoio porque o nível de temperatura no tanque é
menor que para um tanque de dimensões inferiores.
� Para o sector doméstico os tanques standard têm uma
capacidade de 300 a 500 litros.
� No caso dos tanques de armazenamento servirem de depósito de
água potável a temperatura deve ser limitada até cerca de 60ºC,
dado que o calcário precipita a altas temperaturas, podendo
bloquear a superfície do permutador de calor.
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Componentes: Depósito de Armazenamento
� Estratificação Térmica
� Devido à variação diária da radiação solar o tanque deve
armazenar a água quente para consumo de pelo menos dois dias;
� O efeito de estratificação é uma condição fundamental para o
bom funcionamento do sistema solar;
� Com a extracção de água quente para
utilização, e com entrada de água fria no
tanque, têm de se criar condições para que
esta não misture com a água quente, devendo
manter-se uma boa estratificação térmica;
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Componentes: Depósito de Armazenamento
� Estratificação Térmica
� Pretende-se:
� Temperatura mais baixa na entrada dos colectores
(normalmente na base do depósito)
� Temperatura mais elevada possível para consumo
� Redução da mistura entre a água da rede introduzida no
depósito e a água quente neste contida
� Para criar essas condições, os tanques devem ter uma estrutura
vertical, sendo a razão altura-diâmetro recomendada de pelo
menos 1,75:1.
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Componentes: Depósito de Armazenamento
� Estratificação Térmica
� Placa deflectora na entrada de água fria: Este acessório impede a
mistura por turbulência da água fria que entra com a água mais
quente nas camadas superiores, impedindo portanto a destruição
parcial da estratificação térmica.
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Componentes: Depósito de Armazenamento
� O permutador do circuito solar deve-se encontrar o mais baixo
possível, por forma a que dentro do tanque se possa aquecer a
água desde a base.
� O posicionamento do permutador adicional, na área superior do
tanque, garante um aquecimento rápido do volume em espera
(requisito diário), sem retirar ao circuito solar a possibilidade de ser
capaz de armazenar energia na área fria do tanque.
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Componentes: Depósito de Armazenamento
� Isolamento dos tanques de armazenamento:
� Um bom isolamento térmico é importante para a eficiência dum
tanque. Este deve ter uma espessura de 10 cm nos lados e uma
espessura de 15 cm no topo e na base do tanque.
� Deve estar bem ajustado ao tanque (de outra maneira haveria
perdas por convecção)
� Deve ser feito em materiais com condutividades térmicas de
λ< 0,035 W/mºC.
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Componentes: Circuito solar
� O calor gerado nos colectores é transportado para os tanques dearmazenamento solar, através do circuito solar.
� Este é constituído pelos seguintes elementos:
� Tubagens: permitem a ligação dos colectores aos tanques dearmazenamento que muitas vezes são instalados na cave.
� Fluido de transferência térmica: transporta o calor do colectorpara o tanque de armazenamento;
� Bomba de circulação: faz circular o fluído de transferênciatérmica no circuito solar;
� Acessórios: vaso de expansão e válvula de segurança queprotegem o sistema de danos devido à expansão do fluídotérmico. Acessórios para enchimento e drenagem.
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Componentes: Circuito solar
� Tubagens
� Os materiais mais utilizados, em instalações solares térmicas são Ocobre, o aço inox, o aço galvanizado, o aço negro e os materiaisplásticos (PEX).
� Para o transporte de calor em condutas entre o colector e o tanqueo cobre é o material mais utilizado, por ser tecnicamente adequadoe economicamente competitivo.
� O cobre resiste à corrosão, tanto dos líquidos que circulam no seuinterior como dos agentes exteriores;
� A sua maleabilidade e ductilidade permitem uma cómodamanipulação e uma grande facilidade para realizar traçadoscomplicados.
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Componentes: Circuito solar
� Tubagens (cobre)
� Apresenta a vantagem de ter menos perdas de carga em linha,
permitindo o uso de diâmetros menores.
� Em contraposição com o cobre não é aconselhável fazer dobragens
no aço inox, o que implica a utilização de acessórios que
aumentam as perdas de carga.
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Componentes: Circuito solar
� Tubagens (aço galvanizado)
� Utilizado para A.Q.S. a temperaturas inferiores a
50ºC;
� A sua utilização tem vindo a diminuir, pois com o
aumento do custo da mão de obra deixa de ser
competitivo Gama completa de acessórios para
montagem rápida;
� Tubagens (aço negro)
� Não deve ser utilizado para transporte de água no
circuito secundário pelo facto de sofrer oxidações;
� No circuito primário mas só para grandes caudais;
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Componentes: Circuito solar
� Tubagens (materiais plásticos)
� Na escolha dos materiais a utilizar deve ser considerado:
� Corrosão e corrosão galvânica, na junção de diferentes materiais;
� Temperatura, que no primário pode exceder os 100ºC
(estagnação);
� Pressão do circuito e rugosidade (perdas de carga).
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Componentes: Circuito solar
� Isolamento das tubagens
� Em tecnologia solar a tubagem deve ter um isolamento térmico
que permita uma eficiência elevada, sendo de referir que para
tubagens de cobre até 18 mm deve haver no mínimo 30 mm de
espessura de isolamento;
� Para dimensões superiores um mínimo de 40 mm.
� O material de isolamento usado deve ter uma condutividade
térmica de K ≤ 0,035 W/mºC.
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Componentes: Circuito solar
� Bombas de circulação
� Quando a circulação por termossifão não é possível, ou porque os
colectores estão colocados a um nível superior ao do depósito, ou
porque a diferença de densidades não é suficiente para vencer a
resistência do atrito nas tubagens, recorre-se à circulação forçada
do fluído por intermédio de uma bomba.
� Apesar de mais caro, é um sistema mais eficiente que o
termossifão.
� A bomba é controlada por um controlador por ΔT;
� Caudal e velocidade de transferência controláveis;
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Componentes: Circuito solar
� Bombas de circulação
� Instalam-se em linha com a tubagem:
� Com o eixo do motor na horizontal e com acaixa de ligações eléctricas acessível (paracima ou para o lado), respeitando o sentido dofluxo indicado.
� Instalam-se na parte mais baixa do circuitohidráulico:
� No tubo de ida para os colectores (circuitoprimário);
� No tubo de ida para o permutador (circuitosecundário);
� Sempre entre válvulas de seccionamento semmanípulo.
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Componentes: Circuito solar
� Bombas de circulação
� Controlador Térmico Diferencial: tem como função principal a
activação da bomba de circulação do circuito solar/primário quando
existe um diferencial de temperatura , entre o reservatório e o fluido
térmico.
� Um sensor mede a temperatura do circuito solar à saída dos
coletores, onde é atingida a maior temperatura;
� Outro sensor mede a temperatura no interior do tanque, à altura
do permutador de calor.
� Sendo estes valores comparados pelo CTD que reage de acordo com
os parâmetros pré-estabelecidos.
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Componentes: Circuito solar
� Bombas de circulação
� Controlador Térmico Diferencial
� ΔT arranque: T1 – T2 > 5 – 6ºC
� ΔT paragem: T1 – T2 < 2ºC
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Componentes: Circuito solar
� Fluido de transferência de calor
� Normalmente, resulta da mistura de água
com um líquido que apresenta propriedades
anticongelantes.
� Não se deve degradar com a temperatura.
� Deverá ter propriedades que previnam a
corrosão das tubagens.
� A diluição do anticongelante na água de
circulação primária relaciona-se com a
temperatura mínima no local de instalação.
� É comum utilizar o propilenoglicol.
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Componentes: Circuito solar
� Vaso de expansão
� Deve ser instalado no sistema de tubagem no
circuito de alimentação do colector, para
absorver a dilatação do fluído, relacionada com o
aumento de temperatura.
� O reservatório de expansão é um recipiente de
metal fechado. No meio do tanque uma
membrana flexível separa dois meios: um gás a
uma determinada pressão e o fluído de
transferência térmica.
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Componentes: Circuito solar
� Vaso de expansão
� O tamanho do recipiente de expansão deve ser suficiente para a
quantidade de fluído no circuito solar.
� Existem recipientes de expansão disponíveis em tamanhos standard
de 10, 12, 18, 25, 35 e 50 l.
� Deve ter-se em atenção que nem todos os vasos de expansão têm
uma membrana que resiste ao glicol, o que é fundamental para
aplicações de energia solar.
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Componentes: Circuito solar
� Vaso de expansão
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Componentes: Circuito solar
� Válvula de segurança
� Servem para limitar a pressão dos circuitos;
� Têm de ser operadas periodicamente para não bloquearem;
� São obrigatórias por lei em todos os circuitos submetidos a
pressão e a variações de temperatura;
� No circuito primário colocam-se junto ao vaso de expansão;
� Deve assegurar-se que nenhuma outra válvula impede o
funcionamento de uma válvula de segurança;
� No caso de haver vários depósitos deverá garantir-se uma
válvula de segurança em cada um.
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Componentes: Circuito solar
� Válvula de segurança
� A pressão de regulação deve ser inferior à pressão máxima que
possa suportar o elemento mais delicado do circuito.
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Componentes: Circuito solar
� Válvula de retenção
� Permite a passagem do fluído num sentido, impedindo-a em sentido
contrário.
� Utilizam-se por exemplo:
� Na entrada de água fria dos depósitos;
� Nos sistemas em termossifão (mas apenas válvulas com perda de
carga associada muito baixa).
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Componentes: Circuito solar
� Válvula misturadora termostática
� Permite a mistura de água fria da rede com a água quente do
depósito para uma dada temperatura regulada, pretendida para o
consumo.
� Possibilita extracção de maiores volumes de água;
� Promove a utilização racional de energia.
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Componentes: Circuito solar
� Purgadores de ar: Servem para eliminar o ar do circuito no
enchimento e no arranque do sistema;
� Deve existir a montante uma válvula de corte para impedir as fugas
por vapor durante o normal funcionamento do sistema.
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Componentes: Circuito solar
� Separadores de microbolhas: são utilizados para eliminar de forma
contínua o ar contido nos circuitos hidráulicos das instalações de
climatização ou solares.
� A capacidade de descarga destes dispositivos é muito elevada.
Conseguem eliminar todo o ar presente nos circuitos, até ao nível de
microbolhas, de forma automática.
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Componentes: Circuito solar
� Separadores de microbolhas: são utilizados para eliminar de forma
contínua o ar contido nos circuitos hidráulicos das instalações de
climatização ou solares.
� A capacidade de descarga destes dispositivos é muito elevada.
Conseguem eliminar todo o ar presente nos circuitos, até ao nível de
microbolhas, de forma automática.
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Componentes: Circuito solar
� Estação solar: em instalações domésticas, é comum a utilização das
estações solares, que integram alguns dos componentes referidos
num conjunto compacto.
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4. Regras Básicas de Instalação de Sistemas Solares Térmicos
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Regras básicas de uma instalação
� Tipos de ligação dos colectores possíveis:
� Ligação em série
� Ligação em paralelo de canais
� Ligação em paralelo com retorno invertido
� Ligação em paralelo com alimentação invertida
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Regras básicas de uma instalação
� Ligação em série:
� Caudal de circulação é igual em todos os colectores
� Apenas o 1º colector recebe fluido térmico à temperatura mais
baixa
� Colector seguinte recebe fluido pré-aquecido por colector anterior
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Regras básicas de uma instalação
� Ligação em paralelo de canais:
� Caudal de circulação é igual em todos os colectores
� Todos os colectores recebem fluido térmico à temperatura mais
baixa
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Regras básicas de uma instalação
� Ligação em paralelo com retorno invertido:
� Todos os colectores recebem fluido térmico à temperatura mais
baixa
� É necessário garantir equilíbrio hidráulico (caudal de circulação
igual em todos os colectores)
Regras básicas de uma instalação
� Ligação em paralelo com alimentação invertida:
� Todos os colectores recebem fluido térmico à temperatura mais
baixa
� É necessário garantir equilíbrio hidráulico
� Situação mais favorável em relação à anterior (menor traçado de
circulação da água quente)
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Regras básicas de uma instalação
� Equilíbrio hidráulico:
� A última bateria de colectores a ser alimentada é a primeira bateria
a devolver o fluido (quente).
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Regras básicas de uma instalação
� A distribuição e ligação dos colectores deve assegurar o equilíbrio
hidráulico da instalação, prevenindo a penalização do rendimento:
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Regras básicas de uma instalação
� É recomendável montar as fileiras de colectores com uma ligeira
inclinação (levantar aproximadamente 2 mm por cada metro de
comprimento), para facilitar a saída das bolsas de ar, aquando do
enchimento do circuito.
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Regras básicas de uma instalação
� Ligações entre colectores - Perdas de carga
� Analogia electricidade – hidráulica: Um método simples e rápido
para entender o que se passa numa bateria de colectores é
usarmos a analogia da hidráulica com a electricidade.
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Regras básicas de uma instalação
� Ligações entre colectores - Perdas de carga
� A perda de carga total num campo de colectores depende de:
� Geometria dos colectores:
� Se a ligação for em série, a perda de carga total é a soma das perdas de
carga parciais de cada colector.
� Se a ligação for em paralelo a perda de carga total é a mesma que a
perda de carga de cada colector.
� Quantidade de anticongelante do fluido de transporte:
� Se a mistura for 70% de água-30% de anticongelante, o acréscimo de
perda de carga é de 70% a 90% superior relativamente à água.
4. Resumo de propriedades térmicas do colector
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Estudo energético do colector
� Como foi referido na apresentação anterior, o colector solar é uma
maquina térmica submetida a condições de trabalho muito
diversas, já que a radiação solar oscila ao longo do dia e de um dia
para o outro, em função da nebulosidade e da época do ano.
� Para estudar o comportamento do colector, assumem-se condições
estacionárias, isto é, valores constantes para todos os parâmetros.
� Vai considerar-se um colector imóvel, recebendo a radiação solar
uniformemente repartida e de forma constante, pelo qual circula o
fluido térmico com um caudal determinado.
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Estudo energético do colector
� O balanco energético de um colector:
� Pi � Potência incidente total;
� Pu � Potência útil recolhida pelo fluido térmico;
� Pp � Potência perdida por dissipação para o exterior.
i u pP P P= +
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Estudo energético do colector
� Estudo Energético do Colector
� Temos:
� Sendo:
� Logo:
u i pP P P= −
( )p L c aP A U t t= × × −i gP A I= × × τ×α
[ ( )]u g L c aP A I U t t= × × τ×α − × −
• A � Sup. do coletor - corresponde à área de abertura transparente (m2);
• Ig � Radiação Global incidente sobre o coletor por unidade de área;• τ � Transmitância da cobertura transparente;• α � Absortividade do absorsor;• UL � Coeficiente global de perdas;
• tc � Temperatura média da placa absorsora ( ºC );• tf � Temperatura média do fluido ( ºC );
• ta � Temperatura ambiente ( ºC ).
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Estudo energético do colector
� Estudo Energético do Colector
� A temperatura média da placa absorvente tc não pode calcular-se
de forma simples, mas pode conhecer-se com suficiente exactidão
a temperatura tf do fluido térmico no colector;
� Uma forma simples de obter esta temperatura é calcular a média
entre a temperatura do fluido à entrada te e a saída ts do colector.
( )
2
e s
f
t tt
+=
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Estudo energético do colector
� Estudo Energético do Colector
� Se substituirmos a temperatura da placa absorsora tc, em princípio
desconhecida, pela temperatura do fluido tf temos que introduzir
um factor corrector, F’, chamado factor de alheta (ou factor de
irrigação), sempre inferior à unidade e que faz diminuir a potência
disponível. Este factor depende do caudal do fluido e das
características da placa.
� A equação anterior transforma-se em:
´ [ U ( )]u g L f aP F A I t t= × × × τ×α − × −
Equação de Bliss
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Estudo energético do colector
� Os resultados obtidos nos ensaios dos colectores apresentam-se
como o rendimento do colector, η, definido pela relação entre a
energia captada e a recebida:
� Substituindo P pelo seu valor na equação de Bliss:
( )
u
g
P
A Iη =
×
( ) ( )´ ´ Uf a
L
g
t tF F
I
−η = τ×α − × ×
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Estudo energético do colector
� Para um caudal determinado e com (ta) e UL constantes, a equação
desta curva característica do colector pode assemelhar-se com
bastante exactidão a uma recta.
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Estudo energético do colector
� Por aqui se vê que o rendimento do colector diminui à medida que
a temperatura media do fluido (Tf) sobe.
� Quando T* é nulo (a temperatura média do fluido é igual à
temperatura ambiente) o rendimento designa-se por rendimento
óptico.
� Quando a temperatura de saída for igual à temperatura de
entrada, o rendimento é nulo e o colector atinge a temperatura de
estagnação .
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Estudo energético do colector
� Estas curvas características determinadas por meio de ensaios em
laboratórios acreditados, devem ser fornecidas pelo fabricante e a
partir delas podemos deduzir a qualidade térmica de um colector.
� Coeficientes para os colectores mais habituais do mercado:Características
Tipo de Coletor
Não Seletivo 0.7-0.8 8-9
Seletivo 0.7-0.8 4.5-6
CPC 0.75 4.2/3.7*
( )´F τ× α ( )( )2´ / ºLF U W m C×
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Estudo energético do colector
� Como regra geral deve escolher-se o colector de acordo com a
temperatura de utilização pretendida, de forma a que o seu
rendimento seja normalmente acima dos 40 %.
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5. Dimensionamento de Sistemas Solares Térmicos
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Condições de funcionamento: localização e consumos
� Localização
� Necessidade de identificação de dados climáticos existentes
(base de dados dos Programas de Cálculo associados ao
dimensionamento, ex: programa SolTerm)
� Espaço disponível
� Orientação
� Necessidade de estruturas de suporte
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Condições de funcionamento: localização e consumos
� Consumos
� Temperatura de consumo: determina o tipo de colector a utilizar
� Perfil de consumo: constante (pré-aquecimento industrial);
variável (produção de água quente sanitária e aquecimento
ambiente); necessidade ou não de utilização de depósito de
armazenamento
� Necessidades energéticas a satisfazer: volume de água quente
necessária ao consumo e temperatura necessária ao consumo
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Dimensionamento de sistemas de AQS
� Dimensionamento de sistemas de AQS
� Regra geral, o projecto de sistemas de energia solar para
aquecimento de água sanitária para habitações com uma ou duas
famílias tem o objectivo de fornecer a energia necessária para
aquecimento de água sanitária a 100% durante os meses de Maio a
Setembro, através do sistema de energia solar.
� Nos meses restantes, o sistema de aquecimento auxiliar fornece o
calor necessário que não é fornecido pelo Sol.
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Dimensionamento de sistemas de AQS
� Fracção solar
� A fracção solar é descrita como a taxa de calor produzida pelo
sistema solar no cômputo geral da energia total requerida para
aquecimento de água quente.
� FSOL - fração solar (%);
� QS - produção de calor solar (kWh);
� Qad - aquecimento auxiliar necessário (kWh).
1 0 0SS O L
S a d
QF
Q Q
= ×
+
88
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Fracção solar
� Uma elevada fracção solar dum sistema de energia solar
corresponde a menores necessidades de energia não renovável
necessária para aquecimento auxiliar.
� No caso extremo (Fsol=100%) apenas é consumida energia solar.
� Na figura seguinte apresenta-se a fracção solar mensal para um
sistema solar térmico.
� Verifica-se que no caso de 100% de fracção solar durante os meses
de maior disponibilidade de radiação, desde Maio até Agosto,
permite que esteja disponível uma fracção anual de
aproximadamente 60%.
45
89
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Fracção solar
� Um aumento na fracção, (através do aumento da superfície de
colectores), conduz a um excesso de energia disponível para os meses
de Verão. Nesse caso, não só haveria uma resistência térmica elevada
nos colectores (estagnação), mas também uma baixa eficiência do
sistema (custos adicionais mais elevados do que a produção adicional).
90
Dimensionamento de sistemas de AQS
� A eficiência do sistema representa a taxa da produção de calor
solar, para a irradiação solar global na superfície do absorsor,
relativamente a um dado período de tempo, (um ano).
� ES - eficiência do sistema (%);
� QS - produção anual de calor solar (kWh/a);
� Ig - irradiação solar (kWh/m2a);
� A - área da superfície absorsora (m2).
1 0 0SS
g
QE
I A
= × ×
46
91
Dimensionamento de sistemas de AQS
� A eficiência descreve o desempenho do sistema, ou seja, se a área dasuperfície do absorsor e a irradiação forem dados conhecidos e aprodução de calor solar for medida a eficiência do sistema pode serdeterminada.
� Exemplo:
� Área da superfície do absorsor = 6 m²;
� Ig = 1.000 kWh/m²a;
� Qs = 2.100 kWh/a.
� Se a fracção solar for aumentada, pelo aumento da área da superfície docolector, a eficiência do sistema é reduzida e toda a energia que forganha será mais cara.
2
2 2
2 .1 0 0 /1 0 0 = 3 5 %
1 .0 0 0 / 6 S
kW h m aE
kW h m a m
= ×
×
92
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Este comportamento das duas variáveis é visível no gráfico
seguinte:
47
93
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Determinação do consumo de água quente
� O consumo de água quente Vaq é a variável chave para o
planeamento do sistema e, se não é possível avaliar o consumo,
deve ser efectuada uma estimativa, o mais aproximada possível.
� O conhecimento, e em certas circunstâncias, a determinação,
através de medições, do consumo de água quente ou o perfil dos
utilizadores são significativos durante o planeamento de sistemas
de energia solar de grandes dimensões.
94
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Determinação da superfície dos painéis solares com base nos
dados médios predefinidos:
48
95
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Como exemplo prático assume-se um valor médio de consumo de
água quente de 50 l por pessoa por dia (45ºC) e a existência de
uma aplicação do sistema solar para alimentar a máquina de lavar
loiça e a máquina de lavar roupa (em média estas máquinas são
utilizadas duas vezes por semana consumindo 16 litros por dia).
� Desta forma, e tendo em conta as diferentes temperaturas de
água quente, o consumo de água quente diário é calculado da
seguinte forma:
( ) ( ) ( )4 5 0 4 5 º +1 6 4 5 º = 2 1 6 / 4 5 ºaqV p esso a s l C l C l d ia C= × ×
96
Dimensionamento de sistemas de AQS
� O calor necessário Qaq pode ser determinado através do consumo
de água quente de acordo com a seguinte equação:
� Vaq - volume médio de água quente em (l ou kg);
� CH2O - calor especifico da água (1,16 Wh/kg);
� ΔT - diferença de temperatura da água (ºC).
2a q a q H OQ V C T= × × ∆
49
97
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Para o exemplo anterior o calor diário necessário para aquecer
216 l de água de 10ºC para 45°C é:
2 1 6 1,1 6 / 3 5 º 8 7 7 0a q
Q K g W h K g C W h= × × ≈
8, 7 7a qQ kW h=
98
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Perdas de calor em tubagens e tanques de armazenamento
� A importância do isolamento térmico é frequentemente
subestimada.
� De seguida apresenta-se uma estimativa para as perdas térmicas:
no circuito solar, na linha de circulação e no tanque de
armazenamento.
� Perdas de calor em tubagens com isolamento
� É possível fazer uma boa estimativa das perdas se considerarmos
somente a condução de calor através do isolamento térmico.
50
99
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Perdas de calor em tubagens com isolamento
� As perdas de calor podem ser apresentadas da seguinte forma:
� λ = Condutividade térmica do material isolador (W/m ºC);
� Disol = Diâmetro exterior do tubo isolador em (mm);
� Dtubo = Diâmetro exterior do tubo em (mm);
� ln = Logaritmo natural;
� ΔT = Diferença de temperatura entre o tubo, Ttubo, e o meio ambiente, Tamb
(ºC).
( )2
/ln /
perdas
isol tubo
Q W mD D
π ×λ× ∆Τ=
100
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Perdas de calor em tubagens com isolamento
� Exemplo:
� λ= 0,04 W/m ºC (para lã mineral);
� Disol = 54 mm;
� Dtubo = 18 mm;
� T = 30 ºC.
� Assim, Qperdas apresenta o valor:
( )2 0,04 30º
6,9 /ln 54 /18
perdas
W CQ W m
mm mm
π × ×= ≈
51
101
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Perdas de calor em tubagens com isolamento
� Com um comprimento total do circuito solar de 20 m e
aproximadamente 2000 horas de operação por ano, isto
corresponde a perdas de calor de:
6,9 / 20 2000 / 276 /tubagem
Q W m m h a kWh a= × × =
102
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Perdas de calor em tubagens com isolamento
� Se a linha de circulação for instalada num edifício, perdas
adicionais de calor ou um aumento da necessidade de calor têm
que ser levados em conta. Com uma linha de circulação de 15 m e
um tempo de circulação de bomba de 2 h por dia, as seguintes
perdas de calor podem ser calculadas:
� A soma das perdas de calor:
� Estas perdas de calor correspondem a um acréscimo de 1 m2 de
superfície de colectores planos.
6,9 / 15 2 / 76 /bombaQ W m m h dia kWh a= × × =
276 / 76 / 352 /perdas tubagem bomba
Q Q Q kWh a kWh a kWh a= + = + =
52
103
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Perdas de calor em tubagens sem isolamento
� É possível também estimar as perdas de calor para tubos sem
isolamento. Apresenta-se uma equação simplificada para estimar
estas perdas, que envolvem relações complexas de perdas de calor
por radiação e convecção.
� Esta equação é válida apenas para tubos com diâmetro inferior a
100 mm e temperatura ambiente Tamb = 20°C:
� De notar que a unidade para o diâmetro da tubagem são metros.
( )329,85 0,027 ( / )perdas tubo tubo tubo
Q D T T T W m= + × × × ∆
104
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Perdas de calor em tubagens sem isolamento
� Exemplo:
� Dtubo = 0,018m
� Ttubo = 50°C
� ΔT = 30ºC
� Para o caso em que a tubagem não está termicamente isolada,
surgem perdas de calor que são três vezes maiores em
comparação com a tubagem com isolamento.
( )30,018 29,85 0,027 50º 50º 30º 19 /perdas
Q m C C C W m= + × × × ≈
53
105
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Perdas de calor em tanques de armazenamento
� As perdas de calor no tanque de armazenamento solar aumentam
proporcionalmente com a superfície, A, e a diferença de
temperatura entre o tanque e o meio que o rodeia ΔT:
� Com a ajuda do coeficiente de perdas térmicas K em W/m²ºC
deriva-se a seguinte equação:
� Para tanques de armazenamento o valor de KA é normalmente
dado em W/ºC.
tanP queQ A T≈ × ∆
tan ( )P queQ K A T W= × × ∆
106
Dimensionamento de sistemas de AQS
� Perdas de calor em tanques de armazenamento
� Exemplo:
� Valor de KA = 1,6 W/ºC;
� ΔT = 30 ºC;
� QPtanque = 1,6 W/ºC x 30 ºC = 48 W.
� Durante um ano este tanque apresenta perdas de calor de:
� No caso acima, as perdas de calor no tanque de armazenamento
correspondem ao ganho solar de cerca de 1,2 m2 da superfície do
colector.
tan48 24 / 365 420 /
P queQ W h d dias kWh a= × × ≈
54
6. Projecto e dimensionamento de componentes dos sistemas
107
108
Projecto de sistemas de AQS
� Iremos em seguida exemplificar três processos diferentes para o
projecto e dimensionamento de sistemas para produção de AQS
em alojamentos unifamiliares:
� Determinação grosseira do dimensionamento com uma
fórmula aproximada (pré-dimensionamento);
� Cálculo detalhado para cada componente;
� Projecto assistido por computador com programas de
simulação (SolTerm).
55
109
Pré-dimensionamento aproximado, recorrendo a fórmulas empíricas
� Com base na experiência acumulada em instalações de sistemas
de energia solar térmica, pode-se efectuar uma estimativa inicial
para os componentes essenciais do sistema, para obter uma
fracção solar de aproximadamente 60% assumindo o seguinte:
� Média de consumo de água quente VAq = 35 a 65 litros (45ºC)
por pessoa por dia;
� Condições de irradiação solar favoráveis (EG = 1.000 kWh/m² a
±10%);
� Alinhamento do telhado – Sudeste para sudoeste, inclinação
até 50º;
� Inexistência de sombra ou sombra muito pequena.
110
Pré-dimensionamento aproximado, recorrendo a fórmulas empíricas
� Superfície de colectores
� 1,5 m² de área de colector plano por pessoa;
� 1 m² de colector de tubos de vácuo/colector parabólico
composto por pessoa.
� Para uma família de 4 pessoas esta fórmula conduz a um valor
aproximado de superfície de colectores planos de 6 m².
56
111
Pré-dimensionamento aproximado, recorrendo a fórmulas empíricas
� Volumes de armazenamento de água sanitária e permutadoresde calor
� Por forma a ultrapassar os dias de Verão com menor irradiação,sem usar aquecimento auxiliar, o volume do tanque dearmazenamento deve ser projectado para 1,5 a 2 vezes o consumode água quente diário.
� Através da redução do consumo de água quente é possívelseleccionar o factor de 1,5 sem diminuir o conforto (p.e. atravésda instalação de sistemas de poupança de água).
� Considera-se assim que o volume do tanque de armazenamento éde:
� Consumo de água diário x 1,5 = Tanque de 300 l.
112
Pré-dimensionamento aproximado, recorrendo a fórmulas empíricas
� Volumes de armazenamento de água sanitária e permutadores
de calor
� Se o sistema for dimensionado para uma fracção solar de 100%,
para os meses de Verão entre Maio e Setembro, o volume do
tanque de armazenamento deve corresponder duas vezes ao
consumo de água quente diário:
� Para o exemplo da família de 4 pessoas com máquina de lavar
roupa/loiça recomenda-se um tanque de 400 l (≈216 l x 2).
� Consumo de água diário x 2 = Tanque de 400 l.
57
113
Pré-dimensionamento aproximado, recorrendo a fórmulas empíricas
� Pré-dimensionamento dos permutadores de calor :
� Para uma aproximação ao dimensionamento de permutadores de
calor internos pode aplicar-se a seguinte fórmula:
� Permutador de calor com alhetas = 0,35 m² superfície de
permutador por m² superfície de colectores;
� Permutador de calor liso = 0,20 m² superfície de permutador
por m² superfície de colectores.
� Para o exemplo em estudo significa que na selecção do tanque de
armazenamento com um permutador de calor liso este deve ter
uma superfície de cerca de 1,2 m2 (6 m2 x 0,2 m2).
114
Pré-dimensionamento aproximado, recorrendo a fórmulas empíricas
� Tubagem do circuito solar, bombas de circulação e vasos de
expansão
� Tendo por base a tabela seguinte, o diâmetro dos tubos para o
circuito solar pode ser estabelecido dependendo da superfície dos
colectores e do comprimento dos tubos.
� É também apresentado para a bomba de circulação a dimensão
correspondente:
58
115
Pré-dimensionamento aproximado, recorrendo a fórmulas empíricas
� Tubagem do circuito solar, bombas de circulação e vasos de
expansão:
� Desta forma para o exemplo apresentado, com uma superfície dos
colectores de 6 m2, com um comprimento total da tubagem de
alimentação e de retorno de 20 m obtém-se uma tubagem para o
circuito solar de 18 mm de diâmetro e respectiva bomba de
circulação I ≡ UPS 25-40.
� O volume do vaso de expansão depende da superfície dos colectores
e da diferença de altura do sistema, entre o ponto mais baixo e o
ponto mais alto da instalação (geralmente o recipiente de expansão
e o topo do colector). Pode ser lido na tabela seguinte.
116
Pré-dimensionamento aproximado, recorrendo a fórmulas empíricas
� Tubagem do circuito solar, bombas de circulação e vasos de
expansão
� Da tabela anterior, um vaso de expansão com um volume de 12 l
pode ser obtido para o exemplo em estudo.
59
117
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� No caso dos métodos detalhados de dimensionamento do sistema
solar, os componentes são calculados com base nas condições reais
existentes no local da instalação.
� Superfície de colectores:
� Para definir a área dos colectores tem de se começar por
estipular o calor necessário para aquecimento da água, a
radiação solar disponível, a eficiência média do sistema e a
fracção solar desejada para o tipo de colector. De seguida
apresenta-se um exemplo concreto:
118
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Exemplo:
� Calor necessário: QAq = 8,77 kWh/dia;
� Insolação na superfície do coletor: ICol = 1,000 kWh/m²/ano;
� Eficiência média do sistema: ηsis = 0,35;
� Fracção solar desejada: Fsol = 60%.
� Com base nestes dados a área absorsora é calculada do seguinte
modo:
2
2
3 6 5 8, 7 7 / 0 , 6. . 5, 5
10 0 0 / 0 , 35
d ia s kW h d iaS u p a b so r m
kW h m
× ×= ≈
×
60
119
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Caudal volumétrico do circuito solar
� Um factor que tem efeito na transferência de calor do circuito solar, é a
perda de pressão. Esta deve ser mantida o mais baixo possível. Ao manter
a perda de pressão baixa é necessário manter a velocidade de escoamento
abaixo de 0,7 m/s, uma vez que a resistência do fluxo na tubagem não
pode ser muito elevada.
� No caso de escoamento a velocidades elevadas passa a existir ruído
adicional incómodo, e para velocidades na ordem de 1 m/s pode haver
abrasão do tubo de cobre.
� Por outro lado, um dado caudal volumétrico deve estar disponível para
transportar o calor do colector para o tanque de armazenamento. Para o
caudal volumétrico no circuito solar a experiência mostra que um valor de
cerca de 40 l/m2 por hora é ideal (fluxo elevado).
120
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Diâmetro da tubagem do circuito solar
� O diâmetro da tubagem do circuito solar pode ser calculado
através das variáveis, caudal volumétrico m e velocidade do
escoamento v:
� Exemplo:
� Caudal volumétrico = (6 m² x 40 l/m²h) = 240 litros por hora;
� Velocidade do escoamento = 0,7 m/s.
4m
vD
π
× =
3
2
0, 2 4 /2 4 0 /44
2 5 4 0 /0 , 7 /0 .0 1 1 0 1 1 1, 0 1
m hl h
m hm sD m m m
π π
××
= = ≈
61
121
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Diâmetro da tubagem do circuito solar
� No exemplo anterior, o diâmetro interno necessário deve ser no
mínimo 11 mm.
� Com base na tabela seguinte, deve ser seleccionado um tubo de
cobre com um diâmetro interno de 13 mm (descrição Cu 15x1).
122
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Bombas de circulação
� Em geral bombas de circulação tradicionais, com três ou quatro
estágios de controlo, são suficientes para sistemas pequenos (área
de colectores até 20m2).
� Para um dimensionamento detalhado é necessário saber a perda
de pressão Δptot total no sistema solar.
� A perda de pressão total é originada pelas perdas de pressão no
colector, no circuito solar e no permutador de calor.
to t co l circ p ermp p p p∆ = ∆ + ∆ + ∆
62
123
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Bombas de circulação
� Para um dimensionamento detalhado é necessário saber a
perda de pressão Δptot total no sistema solar.
� A perda de pressão total é originada pelas perdas de pressão
no colector, no circuito solar e no permutador de calor.
� Δptot depende do tipo de colectores, do caudal volumétrico
seleccionado e do tipo de ligações ao colector.
� Perda de pressão dos colectores individuais é fornecida pelo
fabricante e é dependente do caudal volumétrico.
to t co l circ p ermp p p p∆ = ∆ + ∆ + ∆
124
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Bombas de circulação
� A perda de pressão nos colectores depende do tipo de colectores,
do caudal volumétrico seleccionado e do tipo de ligações ao
colector. A perda de pressão dos colectores individuais é fornecida
pelo fabricante e é dependente do caudal volumétrico.
� Se diversos colectores forem ligados em paralelo a pressão do
campo de colectores corresponde à pressão de um único
colector.
� Se estiverem ligados em série a perda de pressão é um
somatório de todos.
63
125
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Bombas de circulação
� A perda de pressão do circuito solar Δpcirc é originada pelas perdasde pressão nos tubos Δptubo e pela soma das perdas de pressão nasligações Δplig.
� A perda de pressão específica por metro de comprimento dostubos da instalação, depende da secção transversal da tubageme da velocidade de escoamento e pode ser definida através dainformação dada pelo fornecedor.
� As perdas de pressão em ligações em curva, peças em T,ligações aparafusadas, válvulas e acessórios devem serretiradas das respectivas tabelas, na forma de correcção devalores de perda de pressão ou podem ser estimadas como 1/3de todas as perdas da tubagem.
126
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Bombas de circulação
� A perda de pressão no permutador de calor do circuito solar Δpperm
pode ser encontrada na documentação existente de acordo com o
tipo de permutador de calor e velocidade de escoamento.
� As perdas de pressão total, para diferentes caudais volumétricos,
são calculadas para uma determinada perda de pressão a um dado
caudal volumétrico de acordo com a equação seguinte:
64
127
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Vaso de expansão e válvulas de segurança
� Para o cálculo do tamanho dos recipientes deve-se ter em conta
não só a mudança de volume, com um aumento da temperatura
do líquido solar, mas também o volume de vapor do colector.
� O tamanho mínimo do vaso de expansão é calculado de acordo
com a seguinte equação:
� VExp - Volume de expansão (l);
� p0max - Pressão de operação máxima permitida (bar);
� padm - Pressão inicial do sistema (bar).
0 m ax
m in
0 m ax
1va so E xp
a d m
pV V
p p
+= ×
−
128
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Vaso de expansão e válvulas de segurança
� A pressão de admissão deve ser suficientemente elevada, de modo
que em condições de paragem do sistema não seja possível haver
entrada de ar no sistema. Esta pressão deve ser no mínimo 0,5 bar
no ponto mais elevado do sistema.
� Dado que o vaso de expansão se localiza normalmente no ponto
mais baixo do sistema, deve ser adicionada a pressão estática à
pressão mínima.
65
129
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Vaso de expansão e válvulas de segurança
� A pressão nominal da válvula de segurança pode ser retirada da
tabela seguinte, dependendo da pressão de admissão do sistema.
� Assim, considerando uma distância vertical entre o topo do sistema
e a válvula de segurança = 10 m, tem-se:
� A pressão máxima de operação deve ser cerca de 0,3 bar abaixo da
pressão de resposta da válvula de segurança.
0 m ax 0 m ax0, 3 3, 7V Sp p b a r b a r= − =
130
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Vaso de expansão e válvulas de segurança
� O volume de expansão Vexp é calculado através de:
� Vcol - Volume do colector;
� VSis - Volume do sistema (Volume do colector + Volume da tubagem + Volume do permutador de calor).
0,1 0E xp co l S isV V V= + ×
66
131
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Vaso de expansão e válvulas de segurança
� Exemplo
� Colectores:
� Conteúdo = 5 litros;
� Distância vertical entre o topo do sistema e a válvula de
segurança = 10 m.
� Circuito solar:
� Tubo de cobre Cu 15 x 1;
� Comprimento = 25 m.
� Permutador de calor: Conteúdo = 1,8 litros.
132
Cálculo detalhado para os componentes individuais
� Exemplo:
� VSis = 5 l + 25 m x 0,133 l/m + 1,8 l = 10,1 l;
� VExp = 5 l + 0,1 x 10,1 l = 6,01 l;
� padm = 0,5 bar + 1 bar = 1,5 bar;
� pOmax = 3,7 bar.
� Da série dos tamanhos padrão (10, 12, 18, 25, 35, 50 litros)
selecciona-se o de 18 litros.
m in
3, 7 16, 0 1 1 2, 8 4
3, 7 1, 5va so
b a rV l l
b a r b a r
+= × =
−