Thermosiphon/pt
A termossifão , também conhecida como termossifão , é considerada uma tecnologia apropriada . Este processo utiliza recursos naturais renováveis e as leis básicas da termodinâmica para criar movimento de um suprimento aquecido de ar ou água. A fonte de energia para este processo é a radiação solar (ou qualquer outra fonte de calor). A energia do sol é capturada em um dispositivo de coleta solar e transferida para o ar ou a água por condução. Todo o processo pode ser explicado pelo efeito de termossifão : quando o ar ou a água são aquecidos, eles ganham energia cinética da fonte de aquecimento e ficam excitados. Como resultado, a água se torna menos densa, expande-se e, portanto, sobe. Em contraste, quando a água ou o ar são resfriados, a energia é extraída das moléculas e a água se torna menos ativa, mais densa e tende a "afundar". A termossifão aproveita as diferenças naturais de densidade entre fluidos frios e quentes e as controla em um sistema que produz movimento natural do fluido. Vários sistemas baseados nesta tecnologia estão atualmente disponíveis e podem ser lidos com mais detalhes no texto a seguir.
O princípio do sistema de termossifão é que a água fria tem uma gravidade específica (densidade) maior do que a água quente e, portanto, sendo mais pesada, afunda. Portanto, o coletor é sempre montado abaixo do tanque de armazenamento de água, de modo que a água fria do tanque chegue ao coletor por meio de um tubo de água descendente. Se o coletor aquecer a água, ela sobe novamente e chega ao tanque por meio de um tubo de água ascendente na extremidade superior do coletor. O ciclo tanque → tubo de água → coletor garante que a água seja aquecida até atingir uma temperatura de equilíbrio. O consumidor pode então utilizar a água quente da parte superior do tanque, com a água utilizada sendo substituída por água fria na parte inferior. O coletor então aquece a água fria novamente. Devido às maiores diferenças de temperatura em irradiâncias solares mais altas, a água quente sobe mais rápido do que em irradiâncias mais baixas. Portanto, a circulação da água se adapta quase perfeitamente ao nível de irradiância solar. O reservatório de um sistema de termossifão deve ser posicionado bem acima do coletor, caso contrário, o ciclo pode funcionar ao contrário durante a noite e toda a água esfriará. Além disso, o ciclo não funciona corretamente com diferenças de altura muito pequenas. Em regiões com alta irradiação solar e arquitetura de telhado plano, os reservatórios de armazenamento geralmente são instalados no telhado.
Os sistemas de termossifão funcionam de forma muito econômica como sistemas de aquecimento de água residencial. O princípio é simples, não necessitando de bomba nem de controle. No entanto, os sistemas de termossifão geralmente não são adequados para sistemas grandes, ou seja, aqueles com mais de 10 m² de superfície coletora. Além disso, é difícil posicionar o reservatório acima do coletor em edifícios com telhados inclinados, e os sistemas de termossifão de circuito único são adequados apenas para regiões sem geadas.
Física subjacente
Termodinâmica é o estudo da energia .
- Primeira lei da termodinâmica - Afirma que a energia pode ser transformada de uma forma para outra, mas não pode ser criada ou destruída. A energia é sempre conservada.
Esta lei pode ser aplicada ao movimento da água em um sistema de termossifão: a energia solar é direcionada e transferida (por condução e convecção) para a água, o ar ou outro meio à escolha. Esse processo natural de aquecimento elimina a necessidade de fontes externas de energia, como combustíveis fósseis ou eletricidade.
- Segunda lei da termodinâmica - Afirma que, em todas as trocas de energia, se nenhuma energia entra ou sai do sistema, a energia potencial do estado será sempre menor que a do estado inicial. O retorno líquido de um sistema é sempre menor do que aquele que foi inicialmente aplicado.
A energia é sempre conservada, porém, energia (ou calor, neste caso) pode frequentemente ser perdida em um determinado sistema (termossifonagem) na forma de calor. Adicionar isolamento com valores R adequados ao sistema e à sua tubulação pode reduzir significativamente a perda de calor e, assim, aumentar a eficiência.
- Lei de Planck - O comprimento de onda da radiação emitida por uma superfície é proporcional à temperatura da superfície. Energia transferida como resultado de diferenças de temperatura entre dois objetos. Objetos escuros absorvem calor, enquanto objetos claros refletem.
Placas coletoras de cores escuras dentro do coletor solar ajudarão a aumentar a absorção solar, aumentando assim a quantidade de calor disponível para aquecer água ou ar na termossifonagem. Em contrapartida, tubulações e tanques de armazenamento refletivos ou de cores claras devem ser utilizados, pois as cores claras ajudarão a reduzir a radiação de calor para fora do sistema.
Aquecimento passivo de água
A termossifonagem passiva de água é o processo de aquecimento e movimentação de água dentro de um sistema sem a necessidade ou uso de eletricidade. Este processo funciona utilizando fenômenos naturais como energia solar, gravidade e uma fonte de água disponível. Um coletor solar, tubulação e um tanque de água são materiais necessários para o processo de aquecimento. O fluxo de água é distribuído para dentro, para dentro e para fora do coletor solar. A água fria entra na parte inferior do coletor solar, onde é então aquecida por convecção pela radiação solar. Quando a água é aquecida, ela se torna menos densa do que a água mais fria, expande-se e então sobe ( flui ) através da tubulação. A água aquecida sai pela parte superior do coletor solar naturalmente. A água mais fria e densa afunda e permanece dentro do coletor solar até ser aquecida. À medida que a água fria é aquecida, ela se expande, sobe e é empurrada para fora da parte superior do coletor solar, permitindo que a água fria flua para o coletor solar. Este processo continua naturalmente até que a temperatura da água atinja um equilíbrio com a entrada de radiação solar.
Atualmente, há dois tipos de sistemas de troca de água por termossifão disponíveis: o sistema de acoplamento fechado e o sistema de alimentação por gravidade.
Sistema acoplado próximo
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Os sistemas monobloco funcionam com base nos mesmos princípios da termossifão passiva mencionados acima. O tanque de armazenamento desses sistemas deve ser colocado acima do coletor solar para utilizar a circulação de água gerada pelo processo de termossifão passiva.
Materiais
- Energia solar
- Coletor solar
- Tubulação
- Isolamento
- Água
- Tanque de armazenamento
- Telhado forte ou outro sistema de suporte
Custo
- Pesquisas de 2007 sugerem que aquecedores de água passivos por termossifão podem custar de US$ 500 a US$ 6.500. O preço pode variar dependendo do tamanho do tanque, da exposição solar e da localização geográfica.
- Muitos países, estados e serviços públicos oferecem incentivos para participação em energia renovável
Prós
- Não poluente
- Economia de energia - Não há necessidade de eletricidade para termosifão passivo
- Custo-benefício
- Economia de espaço - (ou seja, em ambientes internos)
Contras
- A exposição do tanque às condições ambientais externas pode reduzir a eficiência, dependendo da localização geográfica
- Estética - Pode ser considerada visualmente desagradável
- Estrutura de suporte forte necessária (por exemplo, telhado)
- Não é adequado para climas extremamente frios
- Localização - deve ser posicionado em uma área com exposição solar adequada (ou seja, lado sul da área desejada)
Sistema de alimentação por gravidade
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Os sistemas de alimentação por gravidade utilizam os mesmos princípios de termossifão passivo que os sistemas monobloco, porém o posicionamento do reservatório é diferente. Os reservatórios são instalados horizontalmente em um telhado, que geralmente fica localizado diretamente acima do coletor solar. Quando necessário, a água aquecida dentro do reservatório segue o caminho de menor resistência e se move por gravidade até o local desejado. Os sistemas de alimentação por gravidade exigem mais tubulação/encanamento para distribuir a água aquecida, e esse fator deve ser levado em consideração ao instalar ou adquirir um sistema de termossifão.
Materiais
- Energia solar
- Coletor solar
- Tubulação
- Isolamento
- Água
- Tanque de armazenamento
- Telhado forte ou outro sistema de suporte
Custo
- Os sistemas de alimentação por gravidade são normalmente os aquecedores de água por termossifão passivos mais baratos
- Pesquisas de 2007 sugerem que o custo pode variar de US$ 400 a US$ 5.500 (sem incluir o custo de instalação, se aplicável). O preço pode variar dependendo do tamanho do tanque, da exposição solar e da localização geográfica.
- Muitos países, estados e serviços públicos oferecem incentivos para participação em energia renovável
Prós
- Não poluente
- Economia de energia - Não há necessidade de eletricidade para termosifão passivo
- Custo-benefício
- Economia de espaço - (ou seja, em ambientes internos)
- Estética - (Colocação horizontal do tanque)
Contras
- Encanamento e tubulação adicionam custos adicionais ao sistema
- Estética - Pode ser considerada visualmente desagradável
- Estrutura de suporte forte necessária (por exemplo, telhado)
- Não é adequado para climas extremamente frios
- Localização - deve ser posicionado em uma área com exposição solar adequada (ou seja, lado sul da área desejada)
Aquecimento ativo de água
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Os sistemas de aquecimento solar ativo, também conhecidos como sistemas de bombeamento ou sistemas divididos , funcionam com base no mesmo princípio do efeito de termossifonagem ; no entanto, os sistemas ativos utilizam uma fonte de energia diferente da solar para auxiliar no processo. Este sistema instala apenas o coletor solar no telhado, enquanto o reservatório de armazenamento é instalado no solo ou em qualquer outro local abaixo. Essas unidades ativas de aquecimento de água requerem alguma forma externa de energia para bombear a água por todo o sistema. Ao utilizar energia adicional, esses sistemas ativos são menos econômicos do que os sistemas passivos.
Materiais
- Energia solar
- Coletor solar
- Energia elétrica
- Bomba elétrica
- Tubulação adicional
- Isolamento
- Água
- Tanque de armazenamento
Custo
- Pesquisas de 2007 sugerem que aquecedores de água por termossifão ativos podem custar de US$ 1.200 a US$ 10.500. O preço pode variar devido ao tamanho do tanque, requisitos de tubulação interna, exposição solar e localização geográfica.
- Muitos países, estados e serviços públicos oferecem incentivos para participação em energia renovável
Prós
- Economia de dinheiro
- Custo-benefício
- Estética - Tanque de armazenamento não colocado no telhado
- Redução de gases de efeito estufa - Se isolado adequadamente, tem o potencial de poluir tão pouco quanto os sistemas passivos.
Contras
- Usa mais energia do que um sistema passivo
- Requer mais manutenção do que um sistema passivo
- Perda de calor - durante a transferência do coletor solar para o tanque de armazenamento abaixo
- Polui um pouco - devido ao uso de eletricidade
- Localização - deve ser posicionado em uma área com exposição solar adequada (ou seja, lado sul da área desejada)
Troca de ar passiva
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Um exemplo de um método de sistema de aquecimento solar térmico passivo é a Troca de Calor por Termossifão . Ela se baseia no princípio da convecção natural, em que o ar ou a água circulam em um circuito fechado vertical sem o uso de uma bomba. O ar frio em ambientes internos passa por uma abertura e é direcionado para uma abertura na parte inferior de um coletor solar. O ar contido no coletor solar é então aquecido pelo sol por meio da radiação solar. O ar frio é denso e desce, enquanto o ar quente é menos denso e sobe. À medida que o ar aquece dentro do coletor solar, ele se torna menos denso que o ar mais frio e sobe. O ar quente sobe por uma abertura na abertura superior do coletor solar, move-se para a área desejada (ou seja, dentro de casa) e é substituído por ar mais frio. Esse processo de troca de ar continuará até que a temperatura do ar interno atinja um equilíbrio com a temperatura externa.
Materiais
- Coletor solar - Quanto maior o coletor solar, melhor.
- Quadro
- 6 tábuas verticais de 2 por 6 polegadas - Aparadores
- Tábuas de 2 por 6 e 2 por 8 - Peitoril superior
- Parafusos de fixação - Recomendados, mas não necessários para fixação
- Esmalte
- Painéis de policarbonato corrugado
- 10 painéis - 26 pol. de largura por 8 pés de altura
- Pares de painéis sobrepostos em uma tira de madeira vertical de 1 por 1 pol. - Faz painéis de 4 pés de largura para cada compartimento
- Revestimento resistente a raios ultravioleta - Aplique no lado voltado para o sol para aumentar a durabilidade
- Placa de absorção solar
- Tela de janela de metal preto de 2 camadas - fixada na parte superior e inferior dos compartimentos
- Ventilações
- Buracos feitos no revestimento do edifício - Abas de plástico impedem o refluxo de ar pelas aberturas superiores à noite.
Custo
- Pesquisas de 2007 sugerem que trocadores de calor passivos podem custar de US$ 55,00 a US$ 400. O preço pode variar dependendo do tamanho do(s) coletor(es), do isolamento da área a ser aquecida, da exposição solar e da localização geográfica.
- Muitos países, estados e serviços públicos oferecem incentivos para participação em energia renovável
Prós
- Baixo custo
- Economizador de energia
- Redução da poluição
- Pode ser usado para resfriar eletrônicos
Contras
- Maior manutenção - (ou seja, cobertura durante períodos de baixa radiação solar)
- A localização geográfica pode alterar a eficácia
- Requer fechamento manual dos amortecedores de refluxo à noite
- Preferencialmente parcelas voltadas para o sul
Projetos relacionados
Referências
- Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) Mapas dinâmicos, dados GIS e ferramentas de análise - Mapas solares (2007) Disponível em: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- Citarella, Joe. "Termossifões - Uma Abordagem Melhor para o Resfriamento de CPU?" Overclockers. 5 de agosto de 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- Reysa, Gary. "Construa um aquecedor solar simples", Mother Earth News. Janeiro de 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- "Parte 2: Um tour pelas aplicações de energia renovável." http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Mirmov, NI, Belyakova, IG "Liberação de calor durante a condensação de vapor em um termossifão." Journal of Engineering Physics 43(3), pp.970-974, 1982.
- Projeto e Desempenho de um Termossifão Compacto. Aniruddha, P., Yogendra, J., Beitelmal, M., Patel, C., Wenger, T., Escola de Engenharia Mecânica Woodruff. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf
