Aula 6 2015 Sistemas de aquecimento de aguaprofessor.unisinos.br/mhmac/Energia Solar Termica/Aula_6_2015... · a temperatura do fluido de trabalho ... quando Tp–Ti≥ ∆Ton e desligada

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Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOSPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

Sistemas de aquecimento de água

2º. semestre, 2015

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• O princípio de funcionamento dos SAS depende principalmente da configuração da instalação. Apesar do processo térmico de captação da energia solar no coletor ser o mesmo para qualquer configuração, a distribuição de seus componentes produz alterações de como essa energia é transferida para a água de consumo.

• Um SAS requer, geralmente, o acoplamento de quatro sistemas básicos: sistema de captação, sistema de troca térmica e acumulação, sistema de apoio e sistema de consumo.

• Antes de definir cada um desses sistemas, um SAS pode ser dividido em diversos circuitos:

• Circuito primário: circuito de transferência de calor entre os coletores e o trocador de calor;

• Circuito secundário: localizado entre o trocador de calor e o acumulador;

• Circuito de consumo: localizado entre o acumulador e os pontos de consumo de água quente;

• Circuito de distribuição;

• Circuito de recirculação.

Classificação dos sistemas de aquecimento solar (SAS)

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� Sistema de captação: formado pelo conjunto de coletores solares térmicos. É encarregado de transformar a radiação solar em energia térmica, aumentando a temperatura do fluido de trabalho (ou fluido de transferência de calor);

� Sistema de troca térmica e acumulação: realiza a transferência de calor entre o fluido de trabalho que circula pelo circuito primário e a água de consumo armazenando, simultaneamente, a energia térmica para seu consumo posterior. Nesse sistema poderá haver dois acumuladores: o de inércia e o de consumo;

� Sistema de apoio: responsável pela complementação da energia solar, fornecendo energia adicional necessária para cobrir o consumo previsto;

� Sistema de consumo: constituído pelo conjunto de equipamentos e componentes através dos quais se materializa a demanda de água quente sanitária. Constituído pelo conjunto de torneiras e dispositivos sanitários que utilizam a AQS;

� Sistema de interconexão: constituído por todos os circuitos hidráulicos (tubulações, isolamento térmico, acessórios, bombas, válvulas, etc. ) que interconectam os diferentes sistemas;

� Sistema de controle: responsável pela aplicação das estratégias de funcionamento e proteção do SAS.


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Classificação por tipo de circulação:

Essa classificação se relaciona com o princípio que produz a movimentação do fluido térmico (ou fluido de trabalho) no circuito primário.

� Sistema de circulação natural (ou termosifão ou passivo):

São aqueles onde o fluido de trabalho circula pelo circuito primário devido à variação da sua massa específica, produzida pela variação da sua temperatura no circuito.


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Sistema de circulação natural (ou termosifão ou passivo)

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Características:

�Não necessita de bomba;

�O reservatório térmico deverá, obrigatoriamente, estar situado acima do coletor solar;

�Diferença de altura mínima de 300 mm entre o ponto alto do coletor e a base do reservatório térmico para evitar a recirculação (fluxo reverso) do fluido de trabalho;

�Deve ser evitado ao máximo o número de acessórios e válvulas no circuito primário, sendo especialmente negativo a presença de válvula de retenção (elevadas perdas de carga);

�Difícil controle de temperaturas extremas;

�Escassa flexibilidade;

�A vazão do fluido de trabalho é cerca de 1/5 da vazão dos sistemas forçados;

�Desta forma, o fator de remoção de calor, FR, é menor;

�A estratificação no tanque é elevada, fazendo com que a temperatura de entrada seja mais baixa → incremento o desempenho do coletor;

�O tanque pode ser acoplado ao coletor.


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� Sistema com circulação forçada:

São aqueles que utilizam uma bomba para circular o fluido de trabalho no circuito primário. O acionamento da bomba é realizado por um controlador do tipo diferencial, atuando em função do gradiente de temperatura entre a saída do coletor e o fundo do tanque de armazenamento.


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� Fácil controle de temperaturas extremas;

� Permite colocar o reservatório térmico em qualquer posição;

� Elevada flexibilidade;

� A circulação reversa é evitada através da colocação de uma válvula de retenção.

� Controle da bomba:

� Um sensor deverá estar localizado na saída dos coletores, na parte interna e superior, em contato com o absorvedor ou na saída da bateria de coletores, a uma distância máxima de 300 mm;

� Um sensor deverá estar localizado na parte inferior do reservatório, entre 10 a 30% de sua altura total e afastado da conexão de entrada de água fria.


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� Controle da bomba:

� O controle liga-desliga da bomba visa acioná-la quando há produção de energia útil pelos coletores solares;

� Chamando de Tp o sensor localizado na saída dos coletores e de Ti

o sensor localizado no fundo do reservatório, a bomba é ligada quando Tp – Ti ≥ ∆Ton e desligada quando Tp – Ti ≤ ∆Toff;

� Em geral, utiliza-se como padrão as seguintes condições:

� Para ligar a bomba: ∆Ton entre 5 a 8 K;

� Para desligar a bomba: ∆Toff entre 2 a 3 K (evitar a ciclagem da bomba).


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Classificação por tipo de troca térmica:

Essa classificação está baseada na forma de transferência de calor entre o fluido de trabalho e a água de consumo.

� Direto:

Em um SAS direto o fluido de transferência de calor que circula no circuito primário, no caso da água, é o mesmo que vai ser utilizado para o consumo. Podem ser de circulação natural ou forçada.


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� Indireto:

Em um SAS indireto, o fluido de transferência de calor que circula no circuito primário transfere calor para a água de consumo através de um trocador de calor que pode estar situado no interior do reservatório térmico ou externo a ele. Podem ser de circulação natural ou forçada.

O trocador de calor poderá ser interno (dentro do tanque de armazenamento) ou externo.


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TC interno

TC externo

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� Não há contato entre o fluido de trabalho e a água de consumo;

� O fluido de transferência de calor pode ser água, pura ou tratada, ou um fluido térmico (glicol) para proteção contra congelamento quando operando em condições de baixa temperatura ambiente.


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� No caso de uso de um fluido térmico, deve ser colocado no sistema um vaso de expansão para compensar sua dilatação térmica.

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� Os coletores solares são instalados, na maioria das vezes, de forma agrupada, formando um banco de coletores, com uma área de captação que é a soma da área individual de cada coletor. O rendimento equivalente é calculado pela composição dos rendimentos de cada coletor em função do tipo de conexão e da vazão de projeto.

� A conexão pode ser em série, em paralelo ou através de uma combinação entre esses dois tipos.

� Independente na forma de conexão, deverá ser garantido o equilíbrio hidráulico do circuito.

Conexão entre os coletores

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� Conexão em série:

� Menor rendimento global do campo de coletores;

� Maior perda de carga;

� O número máximo de coletores na associação deve ser definida pelo fabricante;

� Maior temperatura de saída.


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� Conexão em paralelo:

� Maior rendimento global do campo de coletores;

� Menor perda de carga;

� O número máximo de coletores na associação deve ser definida pelo fabricante.


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� Conexão série-paralelo:

� Os coletores de uma mesma bateria podem ser conectados por uma das configurações já citadas;

� A estrutura de suporte deverá ser comum a todos, garantindo que os circuitos hidráulicos sejam idênticos e que os campos operem da mesma forma;

� Todos os bancos de um campo de coletores deveriam ter o mesmo número de coletores, conectados da mesma maneira. Caso contrário, deverá ser garantido que as diferenças entre as vazões entre os bancos e de temperatura de saída sejam inferiores a 10%. Para isso podem ser utilizadas válvulas de balanço.

� O número máximo de coletores na associação deve ser definida pelo fabricante.


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� Conexão com alimentação invertida:

� Para assegurar o equilíbrio hidráulico no circuito primário, de tal forma que todos operem com a mesma vazão e a mesma pressão, pode ser utilizada a alimentação invertida, que garante um percurso igual para os diferentes bancos de coletores;

� Essa conexão consiste em alimentar os coletores mais próximos e coletar o fluido no coletor mais afastado de tal forma que cada coletor opere com uma queda de pressão aproximadamente igual.


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� Os coletores devem ser montados de forma a aproveitar o máximo de radiação solar disponível. Se considera como orientação ótima o norte geográfico (para instalações localizadas no hemisfério sul) e a inclinação ótima em relação ao plano horizontal, dependente do período de utilização do sistema, um dos seguintes valores:

� Demanda anual constante: a latitude geográfica;

� Demanda preferencial no inverno: latitude geográfica + 10° (em módulo);

� Demanda preferencial no verão: latitude geográfica -10° (em módulo).

Orientação dos coletores

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� Desvios da orientação ideal são toleráveis uma vez que as perdas de captação da radiação solar, em média anual, podem ser pequenas (dependendo dos ângulos considerados).

Orientação dos coletores

Fonte: Macagnan, M.H., 1993. Caracterización de la radiaçión solar para aplicaciones fotovoltaicas em el caso de Madrid. Tese de doutorado,Universidad Politécnica de Madrid, ETSI Telecomunicación.

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� A estrutura deverá resistir, com os coletores instalados, as sobrecargas de vento e neve (quando for aplicável). Deverá ser observado:

� Cada coletor deverá ter pelo menos três pontos de apoio e deverá permitir dilatações térmicas sem que se produzam flexões no coletor, comprometendo sua integridade;

� Para bancos de coletores, deverá ser realizado o cálculo e o projeto da estrutura de suporte;

� Os materiais utilizados deverão ter proteção contra a ação de agentes climáticos (efeito da radiação solar e ação combinada de ar e água);

� Estruturas de aço devem ser protegidas por processos de zincagem ou galvanização ou outro tratamento anticorrosivo equivalente;

� Idem para os sistemas de fixação (estruturas de apoio, parafusos, etc.) ou usando aço inoxidável.

Estrutura de suporte dos coletores

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Exemplos de estrutura de suporte dos coletores

Em telhados inclinados:

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Em telhados inclinados, sobre as telhas:

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Em telhados inclinados, montagem integrada:

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Em telhados planos ou lajes:

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Sombreamento de coletores:

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Montagem em fachada:

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� A energia solar é uma fonte de energia dependente do tempo e, para sistemas de aquecimento de água quente sanitária, há uma defasagem entre a produção de energia e seu consumo. Dessa forma, armazena-se energia para seu posterior uso.

Sistema de acumulação térmica

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0

5

10

15

20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Freq

uen

cia

, %

Hora


� Perfis de consumo de água quente em consumidores utilizado o chuveiro elétrico.

Figura 1. Perfil do uso do chuveiro elétrico segundo estudo do Procel (2007).

Figura 2. Perfil do uso do chuveiro elétrico nas habitações analisadas.

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� Algumas características dos sistemas de armazenamento:

� Capacidade por unidade de volume;

� Faixa de temperaturas de operação;

� Mecanismos de adição de calor ou remoção de calor (fonte auxiliar, trocadores de calor, etc.);

� Estratificação da temperatura na unidade de armazenamento;

� A parte estrutural do reservatório e seus materiais;

� Suas diferentes topologias;

� Formas de controle das perdas térmicas;

� Custo.


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� Segundo Duffie e Beckman (2006), o desempenho térmico anual do SAS é relativamente insensível à capacidade do reservatório de água quente, desde que sua capacidade seja maior que 50 L de água por área unitária de coletores solares.

� Quando se considera os custos de armazenamento, a faixa ótima de capacidade desses reservatórios situa-se entre 50 a 200 L por área unitária de coletores solares, sendo usual utilizar-se como referência o valor de 75 L/m2.

� Faixas de capacidade de armazenamento também são definidas por Hirsch e Fries (2004) que recomendam que o reservatório térmico deva ter capacidade de 1,5 a 2 vezes a quantidade de água quente diária utilizada.

� Reservatórios térmicos de elevada capacidade de armazenamento poderão aumentar a frequência de utilização do sistema de energia auxiliar, aumentando consideravelmente os custos de operação do sistema.


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� Para um reservatório não estratificado (ou completamente misturado) a capacidade de armazenamento de energia pela água (ou outro líquido), operando sobre uma diferença finita de temperatura é calculado por:

onde Qs é a capacidade térmica do reservatório para um ciclo de operação, através de uma faixa de temperatura ∆Ts e m é a massa de água na unidade.


( ) ssps TmCQ ∆=

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� A faixa de temperaturas de operação está limitada pelo processo, pela pressão de vapor do líquido (reservatórios de baixa ou alta pressão) e pelas perdas térmicas do coletor.

� Para aplicações de aquecimento de água quente sanitária para uso doméstico, a temperatura máxima, em geral, está na ordem de 80 °C.

� O balanço de energia para um reservatório não estratificado é:

onde Qu e Ls são as taxas de adição e remoção de calor pelo coletor e para o consumo e T’a é a temperatura ambiente para o reservatório e (UA)s é o produto do coeficiente de perdas térmicas pela área do reservatório. O termo da direita são as perdas térmicas do reservatório.


( ) ( ) ( )4434421

LQ

asssus

sp TTUALQdt

dTmC ′−−−=

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� Rearranjando a eq. anterior:

A integração analítica da eq. acima é difícil uma vez que os três termos da direita são dependentes da temperatura do reservatório. Fazendo algumas hipóteses e utilizando o método de integração de Euler a eq. pode ser resolvida.

Assumindo que Qu, Ls e QL são unicamente função da temperatura do reservatório no início de um período horário e que (mCp)s é fixa, pode-se integrar utilizando um período de 3600 s, estimando então o valor médio desses termos:

onde T+s indica a temperatura do reservatório no final do período e Ts a

temperatura do reservatório no início do período. A solução dessa equação é:


( ) ( )dtQLQdTmC Lsussp −−=

( ) ( )∫∫ −−=+ 3600

0dtQLQdTmC Lsu

T

T ssps

s

( ) ( ) 3600

otLsuT

TTssp dtQLQdTmC s

s == ∫∫ −−=+

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ou

Rearranjando a eq.

Conforme o ex. 8.3.1 (Duffie e Beckman, 2006):


( )( )

sp

Lsuss

mC

QLQTT

3600 −−+=+

( ) ( ) ( )3600 Lsusssp QLQTTmC −−=−+

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Reservatórios térmicos com trocadores de calor

TC tubular TC tipo serpentina TC encamisado

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� A estratificação da água armazenada no reservatório consiste na formação de camadas ou estratos de água com diferentes temperaturas e acontece, particularmente, em sistemas operando com circulação natural ou em baixas vazões. A água mais quente tende a ocupar a parte superior do reservatório enquanto a água fria, mais densa, ocupa a parte inferior.

� A estratificação melhora o desempenho do SAS, ao contrário do que acontece em sistemas com circulação forçada, onde há uma tendência de uniformização da temperatura da água no reservatório. A água que vai para o coletor sai da base do reservatório a uma menor temperatura.

� O reservatório térmico pode operar com diferentes níveis de estratificação (vertical ou horizontal, circulação forçada ou natural) devido às diferenças de massa específica em função da temperatura do fluido.

� O posicionamento do reservatório na posição vertical beneficia a estratificação, porém, nem sempre é possível devido a limitações do projeto da edificação, devendo-se adotar então a posição horizontal.

Estratificação no tanque

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Reservatórios horizontais.

Reservatórios verticais.

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Fonte: Duffie e Beckman, 2006. Solar engineering of thermal process.

� Assim, água quente fica na parte superior no reservatório enquanto a água fria na parte inferior. Isso permite que a água quente seja fornecida para o consumo enquanto a água fria retorna para os coletores.

Exemplo de um hipotético reservatório com 5 nós.

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Fonte: Lafay, J. S., 2005. Análise energética de sistemas de aquecimento de água com energia solar e gás. Tese de doutorado, PROMEC-UFRGS.

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Modelos para reservatórios estratificados

� No modelo de múltiplos nós, a abordagem é feita dividindo o reservatório em N seções ou nós e é feito um balanço de energia entre cada seção consecutiva. Assim, o resultado é um conjunto de N equações diferenciais que podem ser resolvidas para as temperaturas de cada nó, em função do tempo. Esse modelo é utilizado onde o grau de estratificação é menor, ocasionado pela menor diferença de temperatura.

� O modelo de múltiplos nós considera que as vazões de entrada se distribuem em apenas um segmento e que neste ocorre uma mistura total. Não considera a tendência de desestratificação com o tempo devido à difusão e condução do calor pelas paredes do reservatório (Duffie e Beckman, 2006).

Exemplo

45 °°°°C35 °°°°C25 °°°°C

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Modelo de múltiplos nós

O número da seção que recebe a água quente do coletor é Sh enquanto que o número da seção que recebe água fria da rede ou de retorno da carga é SL e, desta forma, são definidas duas funções de controle para saber qual nó recebe água quente (Fi

C) ou água fria (FiL).

se0

se1

≠=

=h

hci Si

SiF

Função de controle do coletor

Função de controle da carga

se0

se1

≠=

=L

LLi Si

SiF

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Função de controle da taxa de massa líquida

Como o fluxo líquido entre os nós pode ser para cima ou para baixo, dependendo da magnitude das taxas de massa do coletor e da água fria, define-se uma taxa de massa líquida, através de uma terceira função de controle, γi.

- 1

1

1∑∑

+=

−

==

N

ij

LjL

i

j

cjci F mFmγ &&

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Aplicando um balanço de energia no i-ésimo segmento:

( ) ( ) ( )

( )( )

N,iQ

TT

TT

TTCp

UATTmFTTmF

dt

dTm

i

iiii

iiii

iai

iLLL

iihcc

ii

i

1 para

0 se

0 se

1

1

=+<−+>−+

+−′

+−+−=

−

−

γγγγ

&&&

onde Qi é a taxa de adição de energia pela fonte auxiliar no reservatório.

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Modelo plug flow

Nesse modelo, segmentos (ou volumes) de líquidos à várias temperaturas podem mover-se através do reservatório. Quando uma seção na entrada ou na saída se move, ocorre igual deslocamento, em volume, nas demais seções.

Topo FundoCálculo da distribuição de temperatura entre os segmentos através das perdas térmicas para o ambiente e condução e difusão entre os segmentos

Cálculo do ganho de energia do reservatório pela adição de calor do coletor solar e verificação de inversão térmica

Com a vazão de água enviada para consumo, entra no reservatório água fria da rede. Avalia também o uso da energia auxilar

Determina-se o novo perfil de temperatura no reservatório

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Modelo plug flow

A principal vantagem desse modelo é que pequenos segmentos de fluido são acrescidos quando a estratificação está se formando, enquanto que regiões com temperatura uniforme como acima do aquecedor auxiliar é representada por grandes segmentos de fluido.

A variação do volume dos segmentos que representam a estratificação da temperatura no reservatório varia com a taxa de fluxo do coletor. Se a taxa de fluxo do coletor é alta, haverá pouca estratificação no volume do pré-aquecimento do tanque e o modelo algébrico irá produzir poucos (mas grandes) segmentos. Mas, se a taxa de fluxo é baixa e o tanque está estratificado, pequenos segmentos serão gerados.

O volume dos segmentos diminuirá com a redução do tempo de passo da simulação. Para evitar a geração de muitos segmentos, são misturados segmentos adjacentes se possuírem diferença de temperatura inferior a 0,5 ºC.

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Sistema auxiliar de aquecimento

O grau de confiabilidade desejada de um processo solar para atender determinada demanda pode ser obtido através de uma combinação entre coletores e reservatórios adequadamente dimensionados e uma fonte auxiliar de energia.

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a) Energia fornecida diretamente no tanque, controlada por um termostato localizado na parte superior+, mantendo nesse setor uma temperatura acima do nível mínimo desejado. Método mais simples e barato.

Desvantagem: pode aumentar a temperatura da água no fundo do tanque aumentando, consequentemente, a temperatura do fluido na entrada do coletor reduzindo o ganho solar.

Geralmente o elemento está localizado a 1/3 da altura do tanque (de baixo para cima).

+ Experimentos demonstram que a localização do termostado deve estar abaixo do ponto de consumo.

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Exemplo+ de sistema de aquecimento auxiliar utilizando aquecedor a gás. Na figura, encontram-se as posições otimizadas dos dispositivos.


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b) Energia é fornecida à água na saída do tanque através de um aquecedor de passagem. A energia é controlada para manter a temperatura na saída no valor desejado.

Possui a vantagem de aproveitar o máximo possível a energia solar disponível.

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c) Energia auxiliar é fornecida à água de alimentação do sistema, by-passando o tanque quando ela é necessária.

Apresenta como desvantagem o fato de que, tanto a água no tanque quanto a do aquecimento auxiliar necessitam estar com uma temperatura acima do set-point para permitir que as duas correntes possam ser misturadas para produzir a temperatura desejada.

Em termos de desempenho, o sistema B apresenta vantagens sobre o A, que por sua vez é melhor que o C.

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Dispositivos auxiliares

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Válvula eliminadora de ar

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Válvula misturadora

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Válvula de retenção

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Tubulações

Velocidades recomendadas entre 0,4 a 0,7 m/s (compromisso entre vazão e perda de carga).

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Tubulações

Perdas de carga admissíveis:

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Contaminação por Legionella

Legionella pneumophila é uma bactéria, em forma de bastão, naturalmente encontrada na água. A concentração de Legionella é muita baixa em água natural fria, o que não representa nenhum risco a saúde. No entanto, multiplica-se rapidamente entre 30 e 45 °C e é destruída em temperaturas superiores a 50 °C.

Em muitos países, os sistemas de aquecimento devem ser projetados para que a temperatura nunca baixe de 60 °C.

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