Você Sabe com Funciona um Aquecedor Solar de Água?
Autor: Romulo Rostand | Publicado: 2011-10-10T19:54:00-03:00


Eng. ARNALDO MOURA BEZERRA, M.Sc.






O funcionamento de um aquecedor solar é muito simples! Basicamente o princípio de funcionamento é o mesmo que se verifica quando deixamos, sob a ação do sol, um veículo fechado e estacionado por algumas horas na via pública. A ação da radiação solar se faz cada vez mais presente a medida em que a pintura do veículo se aproxima da cor preta, ocorrendo o mesmo com o seu interior.

Você poderá perguntar o que tem a ver um carro com um aquecedor solar? A comparação não terá o mínimo sentido se visualizar-mos o carro e o aquecedor solar pelo prisma da forma geométrica e da utilidade que ambos possam ter ! Mas se levarmos em consideração o efeito térmico que ocorre entre ambos, esta estranha comparação faz sentido, realmente.

Vamos inicialmente imaginar uma caixa de forma geométrica retangular, hermeticamente fechada, tendo dentro dela uma chapa plana ou ondulada pintada de preto fosco, apoiada no fundo da caixa, tendo esta como cobertura uma lâmina de vidro plano transparente. Figura 1. 







Coloquemos agora esta caixa sob a ação da luz solar visível e da respectiva radiação infravermelho as quais podem atuar juntas ou separadamente, dependendo das condições atmosféricas locais. O que ocorrerá então? A radiação solar atravessará o vidro de cobertura e ao encontrar a chapa preta sofre uma alteração no seu comprimento de onda (um aumento), o que a torna impotente para atravessar, de volta, o vidro e a partir daí tem origem uma reemissão desta radiação no sentido vidro/chapa/vidro. Como a caixa se encontra hermeticamente fechada ocorre um fenômeno conhecido por efeito estufa, portanto responsável pelo aumento progressivo da temperatura da chapa pintada de preto fosco enquanto durar a ação da radiação solar. Você poderá perguntar, por que a chapa deverá ser pintada de preto fosco e não de outra cor qualquer? Ora, nada impede que a pintura da chapa tenha outra cor qualquer dentro da escala cromática, porém sabe-se que a cor preta é a que praticamente absorve toda a radiação nela incidente nos mais diferentes comprimentos de onda do espectro solar, a exceção das superfícies seletivas, cuja absorção é quase que total.

Você deverá estar estranhando todo este "papo" de chapa preta, efeito estufa etc, mas como isto poderá aquecer a água que é o principal objetivo do coletor solar? É muito simples!

Imagine agora que sob esta chapa e em contato direto com ela, tenhamos colocado uma grade de tubos paralelos ligados nas extremidades por dois tubos de maior diâmetro, contendo água em seu interior conforme a figura 2.







O que ocorrerá então? Como a chapa preta está sendo aquecida pela radiação solar e estando a grade de tubos em contato direto com a respectiva chapa, verifica-se uma transferência de calor (temperatura da chapa), para a grade de tubos e desta para a água que se encontra em seu interior. Simples não é? Será mesmo? Mas isto não é tudo! 

Numa aplicação residencial a necessidade de água quente é bem maior do que o volume de água existente no interior da grade de tubos já referida! Então como fazer para aquecer diariamente por exemplo, 200 litros de água que é basicamente a necessidade de água quente de uma residência de 5 pessoas? 

Para que isto possa ser possível vamos ligar, por meio de tubos, o coletor solar a um tanque termicamente, isolado o qual contém os 200 litros de água a ser aquecido. Figura 3.







Você poderá agora indagar: Se é na chapa preta do coletor solar que ocorre a conversão da energia solar em energia térmica, como pode a água contida no reservatório termicamente isolado ser aquecida ?

Para responder a esta pergunta vamos antes imaginar o que ocorre dentro de uma chaleira quando a colocamos, com água, na chama do fogão para obter a água quente para fazer o nosso café da manhã!

Ao aquecermos água em uma chaleira as moléculas da água em contato direto com o fundo da chaleira vão paulatinamente sendo aquecidas tornando-se mais leves e por consequência tendem a subir na massa líquida ao tempo em que as moléculas de água das camadas superiores ( de maior densidade), vão tomando o lugar das moléculas mais aquecidas dando origem ao que se chama de movimento convectivo, movimento este que só é interrompido quando toda a massa líquida atinge a mesma temperatura, isto é 100oC, (na pressão atmosférica). O calor transferido à água até que ela chegue aos 100oC é o que se chama de calor sensível.

Voltemos agora ao caso do aquecedor solar!. Assim como ocorre no interior da chaleira o calor coletado pela chapa preta devido a ação da radiação solar, e transferido à grade de tubos a qual por sua vez o transfere para a água existente no interior da citada grade tornando-a mais leve, ( menos densa), dando início a convecção natural, exatamente como ocorre com a chaleira, ajudada ainda pela pressão da coluna de água existente no reservatório térmico, já que este está em posição superior em relação ao coletor solar.

Este movimento convectivo ou convecção natural é também conhecido como termo-sifão e ele só será interrompido quando toda a massa de água entrar em equilíbrio térmico.

No caso da convecção natural o deslocamento das moléculas de água se faz com menor intensidade , portanto com baixa velocidade de deslocamento das respectivas moléculas.

No caso do coletor solar o calor sensível é de no máximo 80oC em um dia ensolarado e sem nuvens, condição esta normalmente observada nas regiões Norte e Nordeste brasileiros.

Vamos admitir agora que toda a água existente no sistema solar de aquecimento (coletor e reservatório termicamente isolado), esteja a uma mesma temperatura, portanto em equilíbrio térmico. Se nesta situação um certo volume de água quente é retirado para consumo, imediatamente igual volume de água, à temperatura ambiente, entra no reservatório termicamente isolado, já que este está diretamente ligado à caixa de água da residência. Nesta situação o equilíbrio térmico é desfeito restabelecendo o movimento convectivo, ou seja a convecção natural, e assim por diante.

Fácil, não é? Aquecer água com o emprego da energia solar não tem nenhum mistério e nem é "bicho de sete cabeças"com apregoam alguns. O que é preciso é que alguns cuidados sejam tomados ao se construir um sistema solar de aquecimento de água com base na conversão térmica desta radiação onde a absorção desta radiação se faz por meio de uma superfície enegrecida. Na literatura especializada este tipo de conversão térmica é obtida com o emprego de coletores conhecidos como coletores de baixa concentração, já que a conversão térmica da radiação solar em níveis mais elevados de temperatura (entre 1.000 e 3600oC), é possível porém nestes casos empregam-se sistemas que operam segundo a reflexão desta radiação.

Logo um sistema solar de aquecimento de água é composto basicamente de um coletor solar onde se verifica a conversão desta energia em energia térmica, um reservatório termicamente isolado e respectiva tubulação de alimentação do sistema e distribuição de água quente.

Um esquema de montagem de um sistema solar de aquecimento de água empregado em uma residência pode ser mostrado na figura 4 onde as linhas em negrito representam as tubulações onde circulam a água aquecida. Observe que no reservatório de água quente existe um tubo vertical cuja extremidade superior deverá ficar acima do nível de água da caixa d e água da residência. A finalidade deste tubo é a de evitar o transbordamento já que os reservatórios de água fria e de água quente funcionam como vasos comunicantes, ligados por um tubo onde existe uma válvula de retenção (11). Esta válvula tem por finalidade evitar que a água quente existente no reservatório de água quente entre em contato com a água da caixa de água da residência.