Quais Fluidos de Transferência de Calor São Utilizados nos Sistemas Térmicos Solares Demax?

Opções Principais de Fluidos de Transferência de Calor para Sistemas Térmicos Solares Demax

Água: Ideal para Instalações Demax de Baixa Temperatura e Sob Pressão

Para aplicações solares térmicas operando abaixo de 100 graus Celsius, a água continua sendo uma das opções mais econômicas e eficientes disponíveis como fluido de transferência de calor. As propriedades vantajosas da água resultam de sua relativamente alta capacidade térmica específica (aproximadamente 4,18 kJ por kg·K), exigindo pouca potência de bombeamento. Ao resfriar com um sistema Demax pressurizado, a água é ideal porque não entra em ebulição, além de ser segura e ambientalmente amigável. No entanto, a água congela a 0 grau Celsius, e, consequentemente, esses sistemas só funcionam em regiões livres de geada. Quando há risco de congelamento devido às condições invernais, os técnicos devem drenar completamente a água para evitar danos. Dados de desempenho provenientes de residências mediterrâneas continentais mostram que, em 2023, a ESTIF (Federação Europeia da Indústria Solar Térmica) comprovou que instalações baseadas em água alcançaram cerca de 60% de eficiência sazonal.

Soluções Focadas na Segurança e na Proteção contra o Congelamento

Quando se trata de proteção contra congelamento, misturas de propilenoglicol e água mostram grande potencial. Elas continuam funcionando até temperaturas de menos 30 graus Celsius e são menos perigosas do que as outras opções disponíveis, que utilizam etilenoglicol e podem ser perigosas em caso de vazamento. Essas misturas também impedem a corrosão quando os sistemas são construídos conforme as orientações adequadas, utilizando aço inoxidável e determinados outros plásticos. Por outro lado, as misturas de propilenoglicol/água podem ser 30 a 50 por cento mais viscosas do que a água a 20 graus Celsius, o que exige um esforço muito maior das bombas. Contudo, como lidam tão bem com baixas temperaturas, são o fluido de transferência de calor preferido na maioria das regiões da América do Norte e da Europa Setentrional. Recentemente, os fabricantes também conseguiram melhorias ao adicionar substâncias químicas específicas e proprietárias aos fluidos, reduzindo a taxa de degradação destes. Quando testados em sistemas fechados Demax, de acordo com as normas industriais prescritas, estima-se que esses fluidos tenham uma vida útil de 5 a 7 anos.

Fluidos de Silicone Termicamente Estáveis e Ar: Usos Especializados em Aplicações Solares Térmicas Sem Pressão e a Temperaturas Elevadas

Os fluidos de silicone para transferência de calor são os únicos fluidos que permanecem operacionais por longos períodos em sistemas solares térmicos concentrados de circuito aberto sem pressurização, que operam a temperaturas elevadas entre 200 e 400 °C. Os fluidos de silicone também possuem a capacidade de transferência de calor necessária para uso na faixa de altas temperaturas em sistemas solares térmicos concentrados. Contudo, os fluidos de transferência de calor não são utilizados em sistemas nos quais o ar é o fluido de trabalho. O ar, em combinação com sistemas de circuito aberto, proporciona confiabilidade operacional e facilidade de manutenção em sistemas solares térmicos sem pressurização. A combinação desses fluidos especializados, mesmo quando otimizada, representa menos de 15 por cento do total global de instalações solares térmicas.

Esse número provém da mais recente análise de mercado da iniciativa SolarPACES 2024 da Agência Internacional de Energia.

Critérios Principais de Seleção de Fluidos de Transferência de Calor Térmica Solar

Estabilidade térmica e resistência à degradação

Com fluidos de transferência de calor (FTCs) em aplicações solares térmicas, espera-se que sejam quimicamente estáveis a longo prazo, devendo permanecer nas proximidades de 200 graus Celsius por períodos prolongados (até mesmo anos) em alguns casos. Quando os fluidos são quimicamente instáveis, isso acarreta implicações negativas para o sistema como um todo, incluindo uma redução do desempenho térmico. Em alguns casos documentados, observou-se uma redução de 22% no desempenho térmico dos fluidos ao longo de um período de cinco anos. Isso ocorre frequentemente devido ao aumento da viscosidade causado pela oxidação do fluido e à subsequente formação de lodo. Tais condições também resultam em maior necessidade de manutenção e em desempenho reduzido dos trocadores de calor. Embora inibidores de oxidação possam atenuar parte dos problemas mencionados anteriormente, é necessário um foco maior na compatibilidade do fluido com os materiais do sistema ao longo do tempo. Materiais do sistema, como cobre e alumínio, e até mesmo borracha em algumas juntas de vedação de válvulas, podem sofrer diversos tipos de reações químicas com o fluido ao longo do tempo. Em particular, nos sistemas pressurizados Demax, estima-se que a taxa de corrosão seja aproximadamente 30% maior com fluidos estáveis comparados a fluidos instáveis.

Esse tipo de desgaste não simplesmente reduz a vida útil dos equipamentos. Ele também aumenta substancialmente os orçamentos de manutenção a longo prazo.

Seleção de Fluidos por Zonas Climáticas no Mercado Solar Térmico na América do Norte e na Europa

A seleção do fluido deve ser rigidamente observada, levando em conta as condições extremas do clima na região de instalação.

1. Escandinávia e Europa Central: É necessário garantir proteção até –30 °C. Para esse fim, uma mistura de propilenoglicol e água na proporção de 50:50 é o padrão de fato para implantações Demax em climas frios, pois mantém mais de 85% da eficiência de transferência de calor da água.

2. O Mediterrâneo e o Sudoeste dos Estados Unidos: as temperaturas de estagnação ultrapassam regularmente 300 °C. As temperaturas de estagnação exigem, portanto, estabilidade em altas temperaturas combinada com baixa pressão de vapor. Nesse aspecto, os silicones superam os glicóis, pois sua pressão de vapor é 40% menor do que a dos glicóis nas temperaturas máximas de operação, reduzindo assim a frequência de ativações da válvula de alívio de pressão e, consequentemente, a perda de fluido.

3. O Nordeste dos Estados Unidos como exemplo de um clima híbrido: é necessário adotar um projeto de proteção dupla. A mais recente geração de espumas à base de hidrocarbonetos possui a capacidade de permanecer bombeável abaixo de –25 °C e de resistir à degradação térmica em temperaturas tão elevadas quanto 290 °C. Isso permite segurança operacional anual sem comprometer a eficiência.

Embora seu uso aumente a viscosidade em 12–15%, o que resulta em maior esforço de bombeamento e diâmetros maiores para os cilindros das bombas, observa-se uma tendência crescente para a utilização de líquidos com maior estabilidade térmica, apesar das restrições adicionais de segurança que impõem.

Comparação de Desempenho em Eficiência, Segurança e Compatibilidade do Sistema em Aplicações Solares Térmicas

Compromissos Termofísicos Relacionados à Capacidade Calorífica Específica, Viscosidade e Energia de Bombeamento Considerados no Escoamento, em Relação ao Rendimento Térmico Solar

O desempenho térmico geral de cada fluido foi analisado em relação a três das características físico-químicas do fluido: a capacidade de armazenamento de energia térmica do fluido (calor específico), a espessura do fluido (viscosidade) e a degradação térmica do fluido (estabilidade térmica). A água é um excelente absorvedor de energia térmica (seu calor específico é aproximadamente 4,18 kJ por kg por grau K). No entanto, surgem problemas com o uso da água nesses sistemas, pois as temperaturas podem cair abaixo do ponto de congelamento. Nesses casos, torna-se necessário utilizar misturas de glicol, embora esses fluidos sejam 30 a 50 % mais viscosos que a água. Essa resistência adicional devida à maior viscosidade exige que as bombas realizem mais trabalho, resultando normalmente em um aumento no consumo de energia de 15 a 30 % em grandes sistemas industriais, reduzindo assim a energia solar líquida coletada. Embora os fluidos de silicone não se tornem tão viscosos ao serem aquecidos, seu calor específico limita-se à faixa de 1,5 a 1,8 kJ. Portanto, um operador que utilize fluidos de silicone precisaria promover um fluxo de fluido duas vezes maior do que o necessário com água. Esse gerenciamento de fluido aumenta a necessidade de bombas maiores, eleva os custos associados à eletricidade e intensifica a carga de manutenção.

Foi confirmado por meio de testes no mundo real em usinas solares com coletor parabólico que fluidos e bombas incompatíveis podem reduzir a produção térmica em 12 a 18 por cento ao longo do tempo. De forma significativa, fluidos de qualidade inferior se degradam mais rapidamente e podem tornar-se 50 a 80 por cento mais viscosos após apenas cinco anos, o que afeta o escoamento. Consequentemente, os engenheiros devem essencialmente avaliar qualquer novo fluido em conjunto com todos os componentes do sistema com os quais entrará em contato, incluindo reservatórios de expansão, válvulas e, especialmente, trocadores de calor de placas brasadas.

Perguntas Frequentes

Qual é o benefício principal do uso da água como fluido de transferência de calor nos sistemas Demax?

A água é mais eficiente na transferência de calor porque possui uma capacidade térmica específica maior do que outros fluidos. Suas aplicações em baixas temperaturas em regiões livres de geada e suas baixas perdas de energia de bombeamento tornam-na um fluido altamente preferido.

Quais são as vantagens do uso de misturas de propilenoglicol/água em climas frios?

Essas misturas são mais viscosas que a água e são mais seguras do que as opções à base de etilenoglicol. São a opção preferida em regiões frias devido à sua resistência a baixas temperaturas e à viscosidade aumentada, especialmente na América do Norte e na Europa Setentrional.

Quais são as características dos fluidos de silicone que permitem sua utilização em aplicações de alta temperatura?

Os fluidos de silicone possuem uma notável estabilidade térmica, o que permite sua utilização em aplicações de alta temperatura, como nos sistemas solares térmicos concentrados. Além disso, os fluidos de silicone apresentam baixas pressões de vapor, o que minimiza as chances de ativação da válvula de alívio de pressão nas temperaturas máximas.

Quais são as implicações dos critérios de seleção sobre o clima da região ao escolher um fluido de transferência de calor?

Para maximizar a confiabilidade e a eficiência do sistema, devem-se utilizar fluidos de transferência de calor com proteção contra congelamento em regiões frias, enquanto fluidos com elevada estabilidade térmica devem ser empregados em regiões quentes.