Sistemas de aquecimento de água

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1 Unversdade do Vale do Ro dos Snos UNISINOS Programa de Pós-Graduação em Engenhara Mecânca Sstemas de aquecmento de água 2 º. semestre, 2015 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) O prncípo de funconamento dos SAS depende prncpalmente da confguração da nstalação. Apesar do processo térmco de captação da energa solar no coletor ser o mesmo para qualquer confguração, a dstrbução de seus componentes produz alterações de como essa energa é transferda para a água de consumo. Um SAS requer, geralmente, o acoplamento de quatro sstemas báscos: sstema de captação, sstema de troca térmca e acumulação, sstema de apoo e sstema de consumo. Antes de defnr cada um desses sstemas, um SAS pode ser dvddo em dversos crcutos: Crcuto prmáro: crcuto de transferênca de calor entre os coletores e o trocador de calor; Crcuto secundáro: localzado entre o trocador de calor e o acumulador; Crcuto de consumo: localzado entre o acumulador e os pontos de consumo de água quente; Crcuto de dstrbução; Crcuto de recrculação. 2 1

2 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) 3 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) Sstema de captação: formado pelo conjunto de coletores solares térmcos. É encarregado de transformar a radação solar em energa térmca, aumentando a temperatura do fludo de trabalho (ou fludo de transferênca de calor); Sstema de troca térmca e acumulação: realza a transferênca de calor entre o fludo de trabalho que crcula pelo crcuto prmáro e a água de consumo armazenando, smultaneamente, a energa térmca para seu consumo posteror. Nesse sstema poderá haver dos acumuladores: o de nérca e o de consumo; Sstema de apoo: responsável pela complementação da energa solar, fornecendo energa adconal necessára para cobrr o consumo prevsto; Sstema de consumo: consttuído pelo conjunto de equpamentos e componentes através dos quas se materalza a demanda de água quente santára. Consttuído pelo conjunto de torneras e dspostvos santáros que utlzam a AQS; Sstema de nterconexão: consttuído por todos os crcutos hdráulcos (tubulações, solamento térmco, acessóros, bombas, válvulas, etc. ) que nterconectam os dferentes sstemas; Sstema de controle: responsável pela aplcação das estratégas de funconamento e proteção do SAS. 4 2

3 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) Classfcação por tpo de crculação: Essa classfcação se relacona com o prncípo que produz a movmentação do fludo térmco (ou fludo de trabalho) no crcuto prmáro. Sstema de crculação natural (ou termosfão ou passvo): São aqueles onde o fludo de trabalho crcula pelo crcuto prmáro devdo à varação da sua massa específca, produzda pela varação da sua temperatura no crcuto. 5 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) Sstema de crculação natural (ou termosfão ou passvo) 6 3

4 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) Característcas: Não necessta de bomba; O reservatóro térmco deverá, obrgatoramente, estar stuado acma do coletor solar; Dferença de altura mínma de 300 mm entre o ponto alto do coletor e a base do reservatóro térmco para evtar a recrculação (fluxo reverso) do fludo de trabalho; Deve ser evtado ao máxmo o número de acessóros e válvulas no crcuto prmáro, sendo especalmente negatvo a presença de válvula de retenção (elevadas perdas de carga); Dfícl controle de temperaturas extremas; Escassa flexbldade; A vazão do fludo de trabalho é cerca de 1/5 da vazão dos sstemas forçados; Desta forma, o fator de remoção de calor, F R, é menor; A estratfcação no tanque é elevada, fazendo com que a temperatura de entrada seja mas baxa ncremento o desempenho do coletor; O tanque pode ser acoplado ao coletor. 7 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) Sstema com crculação forçada: São aqueles que utlzam uma bomba para crcular o fludo de trabalho no crcuto prmáro. O aconamento da bomba é realzado por um controlador do tpo dferencal, atuando em função do gradente de temperatura entre a saída do coletor e o fundo do tanque de armazenamento. 8 4

5 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) Fácl controle de temperaturas extremas; Permte colocar o reservatóro térmco em qualquer posção; Elevada flexbldade; A crculação reversa é evtada através da colocação de uma válvula de retenção. Controle da bomba: Um sensor deverá estar localzado na saída dos coletores, na parte nterna e superor, em contato com o absorvedor ou na saída da batera de coletores, a uma dstânca máxma de 300 mm; Um sensor deverá estar localzado na parte nferor do reservatóro, entre 10 a 30% de sua altura total e afastado da conexão de entrada de água fra. 9 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) Controle da bomba: O controle lga-deslga da bomba vsa aconá-la quando há produção de energa útl pelos coletores solares; Chamando de T p o sensor localzado na saída dos coletores e de T o sensor localzado no fundo do reservatóro, a bomba é lgada quando T p T T on e deslgada quando T p T T off ; Em geral, utlza-se como padrão as seguntes condções: Para lgar a bomba: T on entre 5 a 8 K; Para deslgar a bomba: T off entre 2 a 3 K (evtar a cclagem da bomba). 10 5

6 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) Classfcação por tpo de troca térmca: Essa classfcação está baseada na forma de transferênca de calor entre o fludo de trabalho e a água de consumo. Dreto: Em um SAS dreto o fludo de transferênca de calor que crcula no crcuto prmáro, no caso da água, é o mesmo que va ser utlzado para o consumo. Podem ser de crculação natural ou forçada. 11 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) Indreto: Em um SAS ndreto, o fludo de transferênca de calor que crcula no crcuto prmáro transfere calor para a água de consumo através de um trocador de calor que pode estar stuado no nteror do reservatóro térmco ou externo a ele. Podem ser de crculação natural ou forçada. O trocador de calor poderá ser nterno (dentro do tanque de armazenamento) ou externo. 12 6

7 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) TC nterno TC externo 13 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) Não há contato entre o fludo de trabalho e a água de consumo; O fludo de transferênca de calor pode ser água, pura ou tratada, ou um fludo térmco (glcol) para proteção contra congelamento quando operando em condções de baxa temperatura ambente. 14 7

8 Classfcação dos sstemas de aquecmento solar (SAS) No caso de uso de um fludo térmco, deve ser colocado no sstema um vaso de expansão para compensar sua dlatação térmca. 15 Conexão entre os coletores Os coletores solares são nstalados, na maora das vezes, de forma agrupada, formando um banco de coletores, com uma área de captação que é a soma da área ndvdual de cada coletor. O rendmento equvalente é calculado pela composção dos rendmentos de cada coletor em função do tpo de conexão e da vazão de projeto. A conexão pode ser em sére, em paralelo ou através de uma combnação entre esses dos tpos. Independente na forma de conexão, deverá ser garantdo o equlíbro hdráulco do crcuto. 16 8

9 Conexão entre os coletores Conexão em sére: Menor rendmento global do campo de coletores; Maor perda de carga; O número máxmo de coletores na assocação deve ser defnda pelo fabrcante; Maor temperatura de saída. 17 Conexão entre os coletores Conexão em paralelo: Maor rendmento global do campo de coletores; Menor perda de carga; O número máxmo de coletores na assocação deve ser defnda pelo fabrcante. 18 9

10 Conexão entre os coletores Conexão sére-paralelo: Os coletores de uma mesma batera podem ser conectados por uma das confgurações já ctadas; A estrutura de suporte deverá ser comum a todos, garantndo que os crcutos hdráulcos sejam dêntcos e que os campos operem da mesma forma; Todos os bancos de um campo de coletores deveram ter o mesmo número de coletores, conectados da mesma manera. Caso contráro, deverá ser garantdo que as dferenças entre as vazões entre os bancos e de temperatura de saída sejam nferores a 10%. Para sso podem ser utlzadas válvulas de balanço. O número máxmo de coletores na assocação deve ser defnda pelo fabrcante. 19 Conexão entre os coletores 20 10

11 Conexão entre os coletores Conexão com almentação nvertda: Para assegurar o equlíbro hdráulco no crcuto prmáro, de tal forma que todos operem com a mesma vazão e a mesma pressão, pode ser utlzada a almentação nvertda, que garante um percurso gual para os dferentes bancos de coletores; Essa conexão consste em almentar os coletores mas próxmos e coletar o fludo no coletor mas afastado de tal forma que cada coletor opere com uma queda de pressão aproxmadamente gual. 21 Orentação dos coletores Os coletores devem ser montados de forma a aprovetar o máxmo de radação solar dsponível. Se consdera como orentação ótma o norte geográfco (para nstalações localzadas no hemsféro sul) e a nclnação ótma em relação ao plano horzontal, dependente do período de utlzação do sstema, um dos seguntes valores: Demanda anual constante: a lattude geográfca; Demanda preferencal no nverno: lattude geográfca + 10 (em módulo); Demanda preferencal no verão: lattude geográfca -10 (em módulo)

12 Orentação dos coletores Desvos da orentação deal são toleráves uma vez que as perdas de captação da radação solar, em méda anual, podem ser pequenas (dependendo dos ângulos consderados). Fonte: Macagnan, M.H., Caracterzacón de la radaçón solar para aplcacones fotovoltacas em el caso de Madrd. Tese de doutorado, UnversdadPoltécnca demadrd,etsitelecomuncacón. 23 Estrutura de suporte dos coletores A estrutura deverá resstr, com os coletores nstalados, as sobrecargas de vento e neve (quando for aplcável). Deverá ser observado: Cada coletor deverá ter pelo menos três pontos de apoo e deverá permtr dlatações térmcas sem que se produzam flexões no coletor, comprometendo sua ntegrdade; Para bancos de coletores, deverá ser realzado o cálculo e o projeto da estrutura de suporte; Os materas utlzados deverão ter proteção contra a ação de agentes clmátcos (efeto da radação solar e ação combnada de ar e água); Estruturas de aço devem ser protegdas por processos de zncagem ou galvanzação ou outro tratamento antcorrosvo equvalente; Idem para os sstemas de fxação (estruturas de apoo, parafusos, etc.) ou usando aço noxdável

13 Exemplos de estrutura de suporte dos coletores Em telhados nclnados: 25 Exemplos de estrutura de suporte dos coletores Em telhados nclnados, sobre as telhas: 26 13

14 Exemplos de estrutura de suporte dos coletores Em telhados nclnados, montagem ntegrada: 27 Exemplos de estrutura de suporte dos coletores Em telhados planos ou lajes: 28 14

15 Exemplos de estrutura de suporte dos coletores Sombreamento de coletores: 29 Exemplos de estrutura de suporte dos coletores Montagem em fachada: 30 15

16 Sstema de acumulação térmca A energa solar é uma fonte de energa dependente do tempo e, para sstemas de aquecmento de água quente santára, há uma defasagem entre a produção de energa e seu consumo. Dessa forma, armazenase energa para seu posteror uso. 31 Sstema de acumulação térmca Perfs de consumo de água quente em consumdores utlzado o chuvero elétrco. Fgura 1. Perfl do uso do chuvero elétrco segundo estudo do Procel (2007). 20 Frequenca, % Hora Fgura 2. Perfl do uso do chuvero elétrco nas habtações analsadas

17 Sstema de acumulação térmca Algumas característcas dos sstemas de armazenamento: Capacdade por undade de volume; Faxa de temperaturas de operação; Mecansmos de adção de calor ou remoção de calor (fonte auxlar, trocadores de calor, etc.); Estratfcação da temperatura na undade de armazenamento; A parte estrutural do reservatóro e seus materas; Suas dferentes topologas; Formas de controle das perdas térmcas; Custo. 33 Sstema de acumulação térmca Segundo Duffee Beckman(2006), o desempenho térmco anual do SAS é relatvamente nsensível à capacdade do reservatóro de água quente, desde que sua capacdade seja maor que 50 L de água por área untára de coletores solares. Quando se consdera os custos de armazenamento, a faxa ótma de capacdade desses reservatóros stua-se entre 50 a 200 L por área untára de coletores solares, sendo usual utlzar-se como referênca o valor de 75 L/m 2. Faxas de capacdade de armazenamento também são defndas por Hrsche Fres(2004) que recomendam que o reservatóro térmco deva ter capacdade de 1,5 a 2 vezes a quantdade de água quente dára utlzada. Reservatóros térmcos de elevada capacdade de armazenamento poderão aumentar a frequênca de utlzação do sstema de energa auxlar, aumentando consderavelmente os custos de operação do sstema

18 Sstema de acumulação térmca Para um reservatóro não estratfcado (ou completamente msturado) a capacdade de armazenamento de energa pela água (ou outro líqudo), operando sobre uma dferença fnta de temperatura é calculado por: Q s = ( mc p ) Ts s onde Q s é a capacdade térmca do reservatóro para um cclo de operação, através de uma faxa de temperatura T s e mé a massa de água na undade. 35 Sstema de acumulação térmca A faxa de temperaturas de operação está lmtada pelo processo, pela pressão de vapor do líqudo (reservatóros de baxa ou alta pressão) e pelas perdas térmcas do coletor. Para aplcações de aquecmento de água quente santára para uso doméstco, a temperatura máxma, em geral, está na ordem de 80 C. O balanço de energa para um reservatóro não estratfcado é: dts ( mc p ) = Qu Ls ( UA) ( s a ) s s T T dt 4 onde Q u e L s são as taxas de adção e remoção de calor pelo coletor e para o consumo e T a é a temperatura ambente para o reservatóro e (UA) s é o produto do coefcente de perdas térmcas pela área do reservatóro. O termo da dreta são as perdas térmcas do reservatóro. Q L 36 18

19 Sstema de acumulação térmca Rearranjando a eq. anteror: ( mc ) dt = ( Q L Q )dt p s s A ntegração analítca da eq. acma é dfícl uma vez que os três termos da dreta são dependentes da temperatura do reservatóro. Fazendo algumas hpóteses e utlzando o método de ntegração de Euler a eq. pode ser resolvda. Assumndo que Q u, L s e Q L são uncamente função da temperatura do reservatóro no níco de um período horáro e que (mc p ) s é fxa, pode-se ntegrar utlzando um período de 3600 s, estmando então o valor médo desses termos: + Ts ( mc p ) dts = ( Qu Ls QL ) s Ts onde T + s ndca a temperatura do reservatóro no fnal do período e T s a temperatura do reservatóro no níco do período. A solução dessa equação é: u s L dt + Ts 3600 ( mc ) dt = ( Q L Q ) dt p s s T = T u s L s t= o 37 Sstema de acumulação térmca ou + ( mc ) ( T T ) = ( Q L Q )3600 p s s s u s L Rearranjando a eq. + Ts = Ts + ( Qu Ls QL ) ( mc p ) s 3600 Conforme o ex (Duffe e Beckman, 2006): 38 19

20 Sstema de acumulação térmca Reservatóros térmcos com trocadores de calor TC tubular TC tpo serpentna TC encamsado 39 Estratfcação no tanque A estratfcação da água armazenada no reservatóro consste na formação de camadas ou estratos de água com dferentes temperaturas e acontece, partcularmente, em sstemas operando com crculação natural ou em baxas vazões. A água mas quente tende a ocupar a parte superor do reservatóro enquanto a água fra, mas densa, ocupa a parte nferor. A estratfcação melhora o desempenho do SAS, ao contráro do que acontece em sstemas com crculação forçada, onde há uma tendênca de unformzação da temperatura da água no reservatóro. A água que va para o coletor sa da base do reservatóro a uma menor temperatura. O reservatóro térmco pode operar com dferentes níves de estratfcação (vertcal ou horzontal, crculação forçada ou natural) devdo às dferenças de massa específca em função da temperatura do fludo. O posconamento do reservatóro na posção vertcal benefca a estratfcação, porém, nem sempre é possível devdo a lmtações do projeto da edfcação, devendo-se adotar então a posção horzontal

21 Sstema de acumulação térmca Reservatóros vertcas. Reservatóros horzontas. 41 Estratfcação no tanque Assm, água quente fca na parte superor no reservatóro enquanto a água fra na parte nferor. Isso permte que a água quente seja fornecda para o consumo enquanto a água fra retorna para os coletores. Exemplo de um hpotétco reservatóro com 5 nós. Fonte: Duffe e Beckman, Solar engneerng of thermal process

22 Estratfcação no tanque 43 Estratfcação no tanque 44 22

23 Estratfcação no tanque 45 Estratfcação no tanque Fonte: Lafay, J. S., Análse energétca de sstemas de aquecmento de água com energa solar e gás. Tese de doutorado, PROMEC-UFRGS

24 Modelos para reservatóros estratfcados No modelo de múltplos nós, a abordagem é feta dvdndo o reservatóro em N seções ou nós e é feto um balanço de energa entre cada seção consecutva. Assm, o resultado é um conjunto de N equações dferencas que podem ser resolvdas para as temperaturas de cada nó, em função do tempo. Esse modelo é utlzado onde o grau de estratfcação é menor, ocasonado pela menor dferença de temperatura. O modelo de múltplos nós consdera que as vazões de entrada se dstrbuem em apenas um segmento e que neste ocorre uma mstura total. Não consdera a tendênca de desestratfcação com o tempo devdo à dfusão e condução do calor pelas paredes do reservatóro (Duffe e Beckman, 2006). 45 C 35 C 25 C Exemplo 47 Modelo de múltplos nós O número da seção que recebe a água quente do coletor é S h enquanto que o número da seção que recebe água fra da rede ou de retorno da carga é S L e, desta forma, são defndas duas funções de controle para saber qual nó recebe água quente (F C ) ou água fra(f L ). Função de controle do coletor c F 1 = 0 se = S h se S Função de controle da carga L 1 F = 0 h se = S se S L L 48 24

25 25 49 Modelo de múltplos nós Função de controle da taxa de massa líquda Como o fluxo líqudo entre os nós pode ser para cma ou para baxo, dependendo da magntude das taxas de massa do coletor e da água fra, defne-se uma taxa de massa líquda, através de uma tercera função de controle, γ = = = N j L j L j c j c F m F m γ & & 50 Modelo de múltplos nós Aplcando um balanço de energa no -ésmo segmento: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ),N Q T T T T T T Cp UA T T m F T T m F dt dt m a L L L h c c 1 para 0 se 0 se 1 1 = + < + > = γ γ γ γ & & & onde Q é a taxa de adção de energa pela fonte auxlar no reservatóro.

26 Modelo plug flow Nesse modelo, segmentos (ou volumes) de líqudos à váras temperaturas podem mover-se através do reservatóro. Quando uma seção na entrada ou na saída se move, ocorre gual deslocamento, em volume, nas demas seções. Cálculo da dstrbução de temperatura entre os segmentos através das perdas térmcas para o ambente e condução e dfusão entre os segmentos Topo Fundo Cálculo do ganho de energa do reservatóro pela adção de calor do coletor solar e verfcação de nversão térmca Com a vazão de água envada para consumo, entra no reservatóro água fra da rede. Avala também o uso da energa auxlar Determna-se o novo perfl de temperatura no reservatóro 51 Modelo plug flow A prncpal vantagem desse modelo é que pequenos segmentos de fludo são acrescdos quando a estratfcação está se formando, enquanto que regões com temperatura unforme como acma do aquecedor auxlar é representada por grandes segmentos de fludo. A varação do volume dos segmentos que representam a estratfcação da temperatura no reservatóro vara com a taxa de fluxo do coletor. Se a taxa de fluxo do coletor é alta, haverá pouca estratfcação no volume do pré-aquecmento do tanque e o modelo algébrco rá produzr poucos (mas grandes) segmentos. Mas, se a taxa de fluxo é baxa e o tanque está estratfcado, pequenos segmentos serão gerados. O volume dos segmentos dmnurá com a redução do tempo de passo da smulação. Para evtar a geração de mutos segmentos, são msturados segmentos adjacentes se possuírem dferença de temperatura nferor a 0,5 ºC

27 Sstema auxlar de aquecmento O grau de confabldade desejada de um processo solar para atender determnada demanda pode ser obtdo através de uma combnação entre coletores e reservatóros adequadamente dmensonados e uma fonte auxlar de energa. 53 Sstema auxlar de aquecmento a) Energa fornecda dretamente no tanque, controlada por um termostato localzado na parte superor +, mantendo nesse setor uma temperatura acma do nível mínmo desejado. Método mas smples e barato. Desvantagem: pode aumentar a temperatura da água no fundo do tanque aumentando, consequentemente, a temperatura do fludo na entrada do coletor reduzndo o ganho solar. Geralmente o elemento está localzado a 1/3 da altura do tanque (de baxo para cma). + Expermentos demonstram que a localzação do termostado deve estar abaxo do ponto de consumo

28 Sstema auxlar de aquecmento Exemplo + de sstema de aquecmento auxlar utlzando aquecedor a gás. Na fgura, encontram-se as posções otmzadas dos dspostvos. Fonte: Lafay, J. S., Análse energétca de sstemas de aquecmento de água com energa solar e gás. Tese de doutorado, PROMEC-UFRGS. 55 Sstema auxlar de aquecmento Fonte: Lafay, J. S., Análse energétca de sstemas de aquecmento de água com energa solar e gás. Tese de doutorado, PROMEC-UFRGS

29 Sstema auxlar de aquecmento 57 Sstema auxlar de aquecmento b) Energa é fornecda à água na saída do tanque através de um aquecedor de passagem. A energa é controlada para manter a temperatura na saída no valor desejado. Possu a vantagem de aprovetar o máxmo possível a energa solar dsponível

30 Sstema auxlar de aquecmento c) Energa auxlar é fornecda à água de almentação do sstema, bypassando o tanque quando ela é necessára. Apresenta como desvantagem o fato de que, tanto a água no tanque quanto a do aquecmento auxlar necesstam estar com uma temperatura acma do set-pont para permtr que as duas correntes possam ser msturadas para produzr a temperatura desejada. Em termos de desempenho, o sstema B apresenta vantagens sobre o A, que por sua vez é melhor que o C. 59 Dspostvos auxlares 60 30

31 Dspostvos auxlares Válvula elmnadora de ar 61 Dspostvos auxlares Válvula msturadora 62 31

32 Dspostvos auxlares Válvula de retenção 63 Tubulações Velocdades recomendadas entre 0,4 a 0,7 m/s (compromsso entre vazão e perda de carga)

33 Tubulações Perdas de carga admssíves: 65 Contamnação por Legonella Legonella pneumophla é uma bactéra, em forma de bastão, naturalmente encontrada na água. A concentração de Legonella é muta baxa em água natural fra, o que não representa nenhum rsco a saúde. No entanto, multplca-se rapdamente entre 30 e 45 C e é destruída em temperaturas superores a 50 C. Em mutos países, os sstemas de aquecmento devem ser projetados para que a temperatura nunca baxe de 60 C