COLETORES TUBULARES À VÁCUO

Podem ser encontrados em versões de fluxo direto, como à direita, ou com reservatório acoplado, como no modelo abaixo.

A alta temperatura de operação dos tubos à vácuo e sua baixíssima perda de calor por radiação conferem a este sistema a condição ideal para fazer o aquecimento de água pela radiação solar. O dispositivo tubular, isento de componentes ferrosos mostra-se ainda muito adequado à exposição às intempéries, utilizando materiais de baixíssima corrosão mesmo sob condições meteorológicas adversas. O envelopamento de sua estrutura dentro de um tubo de vácuo minimiza a perda de calor e garante ao coletor grande durabilidade, estabilidade e alto desempenho, o que se traduz em baixa manutenção, requerendo inspeções sistemáticas a cada 2 ou 3 anos e tendo vida útil superior a 10 anos.
 


 
Princípios do sistema tubular à vácuo:
 
No interior do tubos encontramos 3 camadas de deposição seletiva de componentes, promovendo absorção plena da luz visível e do infravermelho.
 
1 -  Uma camada de cobre metálico, que proporciona baixos níveis de emissões e altos níveis de transmissão térmica para o líquido refrigerante.
 
2 - Uma camada de aço inoxidável para evitar a migração cruzada. Isto permite estabilidade da camada de cobre em temperaturas superiores a 400º C.
 
3_- Uma terceira camada de nitreto de alumínio é aplicado simultaneamente na mistura de gás argônio e nitrogênio para produzir a absorção da radiação solar com baixíssima emissividade resultante, a = 95%; e = 5%.

 



Princípios de funcionamento da dupla parede de vidro do tubo de vácuo:

O principal componente do coletor solar é o tubo de vidro de parede dupla. Sua estrutura consiste em dois tubos concêntricos e transparentes de um tipo especial de vidro, o borossilicato, que na sua cozinha é conhecido como "pyrex", como se sabe, capaz de resistir a altas temperaturas bem como ao impacto de pedras de granizo de até 25 milímetros. O tubo de vidro é revestido com um as mencionadas camadas de, que absorvem e convertem o valor máximo de radiação solar e luz infravermelha em calor, com reduzidas emissões para o meio externo (5%).
 


 
 

Uma camada de bário é usada no fundo do tubo interno. Este elemento absorve ativamente todos CO, CO2, N2, O2 e H20 presentes.


Tubo de vácuo com o tubo de calor de cobre:

O sistema completo consiste em um tubo de vidro de parede dupla com vácuo entre elas, de um tubo de cobre e um duto de calor que está instalado dentro do tubo de vidro. O cobre conduz calor que absorveu dentro do tubo de vácuo até sua ponta (câmara de irradiação), que é ligada ao cabeçote, onde percorre a água a ser aquecida. O calor é transferido para a água  resfriando o vapor, ocorre a condensação interna, fazendo com que este vapor retorne para a base na forma líquida, reiniciando o ciclo.

Este tipo de coletor obtém eficiência de conversão de 72% da radiação que recebe em plena luz solar brilhante, independentemente do vento ou temperaturas externas congelantes. O desenho ao lado mostra a fase de mudança de estado físico da substância contida no interior do tubo de calor, confeccionado em cobre e contendo uma pequena quantidade de um líquido volátil, formando um sistema fechado, livre da presença de ar ou de outros gases, exceto o líquido volatilizado.

Como a transferência de calor dentro do tubo provém da fervura de líquidos e condensação de vapores, os quais intrinsecamente possuem elevado coeficiente de transferência de calor e porque a quantidade de material que tem para se deslocar de uma extremidade a outra do tubo é muito reduzida, a condutividade térmica efetiva do tubo de calor é muito grande.

Para ilustrar a magnitude destas quantidades, imagine que o tubo de calor está transmitindo um quilowatt utilizando o fluido refrigerante como fluxo de trabalho. O fluxo de massa no interior do tubo de calor seria um pouco menos de 0,5 g / s. Assim, a uma temperatura de 100 ° C, em um tubo 20 mm de diâmetro, isto corresponderia a uma velocidade de vapor de cerca de 2,5 m / s, ou seja, este sistema funciona a uma velocidade próxima de 90 ciclos por minuto.


As principais características que justificam a utilização deste termosifão de duas fases (liquido/gasoso) são:

(1), a condutividade térmica é extremamente elevada: cerca de 1000 vezes maior do que o cobre,

(2), a condutividade térmica praticamente independe do metal a partir do qual o tubo de calor é feito.

(3), o dispositivo funciona como um "diodo térmico". Isto é, a condução é muito elevada em uma única direção (para cima) e muito reduzida na outra direção (para baixo).


Repare a impressionante diferença entre as fotografias infravermelhas do coletor plano ao lado do coletor de tubos à vácuo. Especialmente sob condições meteorológicas muito frias,  o coletor plano irá irradiar a energia absorvida do sol para a atmosfera, perdendo grande parte da sua eficiência
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Perceba a faixa do espectro que é aproveitada pelo coletor e na imagem ao lado, que não há cores na fotografia infravermelha do sistema de tubos de vácuo, o que significa dizer que não há praticamente nenhuma emissão da energia absorvida, que pode então ser quase que integralmente aproveitada no seu objetivo precípuo, qual seja, aquecer a água do seu banho!