MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

BANCADA PARA MEDIDA DE EFICÁCIA TÉRMICA DE

PASTILHAS DE EFEITO PELTIER

Cristiano Frandalozo Maidana

Alex Marin

Ricardo Muraro Adamski

Roberto Augusto Trindade

Porto Alegre, dezembro de 2007

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1. ABERTURA

i. Resumo:

No presente trabalho é proposta uma técnica experimental para a medida da eficácia térmica

de pastilhas termoelétricas (de efeito Peltier). O projeto é composto de uma bancada constituída

basicamente de um banco de resistências dissipadoras de calor, sem isolamento térmico somente

em uma de suas faces, cuja potência fornecida através da rede elétrica do laboratório (alternada

110 V) é ajustável. O módulo Peltier, ligado a uma bateria através de um circuito de variação de

potência fornecida, é colocado na face sem isolamento térmico de forma que calor seja retirado

das resistências. Um dissipador aletado com ventilação forçada também é usado junto com a

pastilha Peltier, de forma que promova a retirada de calor. Através das medidas do calor retirado

das resistências pela potência elétrica fornecida ao módulo Peltier, é possível descobrir a eficácia

térmica do dispositivo testado. As variáveis medidas foram as correntes e tensões elétricas e a

temperatura da face inferior placa que contem as resistências. Os objetivos foram todos

alcançados.

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ii. Abstract:

In this paper we proposed a technique for the experimental measure of the effectiveness of

thermal chips thermoelectric (Peltier effect). The project consists of a bench consisting basically

of of resistance, without insulation in only one of its sides, whose power provided through the

network of electrical laboratory (alternating 110 V) is adjustable. The module Peltier, connected

to a battery through a circuit of change of power provided, is placed on the face without

insulation so that heat is removed from resistance. A dissipation with forced ventilation is also

used along with a Peltier chip, in order to promote the removal of heat. Through the measures

the heat taken from the resistance by electric power supplied to the module Peltier, it is possible

to discover the thermal efficiency of the device tested. The variables were the measures electrical

currents and voltages and temperature of the lower plate that contains the resistance. The goals

have all been achieved.

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iii. Sumário:

FOLHA DE ROSTO.....................................................................................................1

1. ABERTURA.................................................................................................................2

i. Resumo.....................................................................................................................2

ii. Abstract....................................................................................................................3

iii. Sumário.....................................................................................................................4

iv. Lista de Símbolos......................................................................................................5

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA..................................................................................6

i. Pastilhas termoelétricas..............................................................................................8

ii. Circuito PWM...........................................................................................................9

iii. Associação de resistores............................................................................................9

3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS...................................................................................9

i. Configuração da bancada do experimento.................................................................9

ii. Método de ensaio....................................................................................................12

4. RESULTADOS...........................................................................................................13

5. CONCLUSÕES...........................................................................................................15

6. BIBLIOGRAFIA.........................................................................................................16

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iv. Lista de símbolos:

• iP Corrente através do módulo Peltier [A]

• iR Corrente através dos resistores [A]

• PP Potência elétrica consumida pelo módulo Peltier [W]

• QP Calor através do módulo Peltier [W]

• QR Calor total dissipado pelos resistores [W]

• RP Resistência elétrica do módulo Peltier [Ω]

• RR Resistência elétrica do resistores [Ω]

• VP Queda de tensão elétrica no módulo Peltier [V]

• VR Queda de tensão elétrica nos resistores [V]

• η Eficácia térmica do módulo Peltier

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2. INTRODUÇÃO

Módulos de efeito Peltier (ou pastilhas termoelétricas, como são conhecidas

comercialmente), são dispositivos ativos para dissipação de calor. Atualmente o

desenvolvimento dos microcomputadores não encontra como principal barreira a miniaturização

dos seus componentes, e sim a dissipação de calor gerado, que afetaria o desempenho dos seus

componentes. Além disso, outros equipamentos como refrigeradores portáteis e purificadores de

água, requerem modos de resfriamento não convencionais.

Dessa forma, vários sistemas de resfriamento vem sendo desenvolvidos. Os módulos de

Efeito Peltier além de terem a vantagem de ocupar pouco espaço, exigem pouca manutenção e

para os modelos comerciais existentes, baixo custo. Tem tido bastante desenvolvimento com a

aplicação na sua construção, de circuitos semicondutores.

Tanto para análise de viabilidade, como para dimensionamento de projeto, é necessário saber

a eficácia térmica do sistema de resfriamento. Neste trabalho é proposto um método de medida

de eficácia, através da construção de uma bancada, de pastilhas termoelétricas.

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

i. Pastilhas Termoelétricas:

Pastilhas termoelétricas são pequenos dispositivos que operam através do efeito Peltier.

Quando uma corrente elétrica é imposta em dois fios elétricos de materiais diferentes, unidas em

suas pontas, uma diferença de temperatura aparece entre as suas junções. O princípio de

funcionamento é inverso do efeito Seebeck, utilizado nos termopares.

Porém ao contrário dos termopares, são utilizados na construção dos módulos materiais

semicondutores (dopados com Bi2Te3), sendo usados na pratica mais de um par de junções

ligados em série, obtendo assim um efeito maior. Essas junções são colocadas entre duas placas,

de forma que quando em funcionamento, calor é transferido de uma face a outra.

As pastilhas termoelétricas são fornecidas comercialmente em várias formas e tamanhos, no

limite de até 250 W. É comum serem encontradas pastilhas únicas (single stage) ou construídas

empilhadas (multi stage), de forma a aumentar o efeito.

Figura 1: Pastilhas comerciais do tipo single stage (esquerda) e multi stage (direita)

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A especificação de uma pastilha termoelétrica é feita tanto através da carga elétrica a ser

transferida, como da diferença de temperatura entre as faces desejada. Os dois efeitos funcionam

de forma inversa, de forma que a maior diferença de temperatura entre as faces das pastilhas são

conseguidas quando a carga térmica a ser transferida é próxima de zero.

Figura 2: Dependência da diferença da temperatura entre as faces com o calor a ser

transferido pela pastilha termoelétrica

Além disso, são importantes as informações da corrente e tensão máxima disponíveis ao

módulo, de forma que não ultrapassem aos valores máximos permitidos, como mostrado na folha

de dados abaixo:

Figura 3: Relação entre os parâmetros para especificação da pastilha termoelétrica

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O calor a ser transferido pelo módulo Peltier é calculada através da equação 1:

QP = QR + RP * iP 2

(1)

Onde QR é o calor a ser dissipado e o produto RP * iPP

2 o calor gerado no módulo devido a

passagem de corrente de alimentação.

A potência consumida necessária para o funcionamento do dispositivo é:

Pp= VP * iP (2)

Desse modo, sua eficácia térmica de extração de calor de um é dada por:

η = QP / PP (3)

A propagação de erros para uma variável genérica u r, podendo ser aplicada aos parâmetros

das equações anteriores é dada por:

1

1/ 22 2

21 2

* ... *rU Uu u ux u

⎡ ⎤∂ ∂⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + +⎢⎜ ⎟ ⎜ ⎟∂ ∂⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦⎥ (4)

ii. Circuito PWM:

Iniciais em inglês para pulse width modulation (ou seja, circuito de pulso com modulação).

Tem como função controlar a potência fornecida a uma carga elétrica, fornecida através de uma

fonte de alimentação de corrente contínua.

Tem função semelhante a outros dispositivos de controle de potência, como por exemplo

dimmers e potenciômetros. Porém, o principio de funcionamento dos circuitos PWM é diferente

destes últimos.

Os dimmers e os potenciômetros controlam a potência fornecida através do aumento da

resistência equivalente na carga elétrica, e dessa forma dissipando calor e controlando a corrente

fornecida. Já em um PWM, ligado entre uma alimentação e uma carga elétrica, ocorre uma série

de chaveamentos, como mostrada na figura 4:

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Figura 4: Chaveamento da tensão de entrada em um circuito PWM

A tensão de entrada de uma fonte de corrente contínua é dividida em pulsos, de forma que a

tensão média de saída (assim como a potência de saída), seja menor.

A principal vantagem é a alta eficiência e de resistir a correntes maiores que os dimmers e os

potenciômetros. Uma desvantagem é o espaço ocupado.

Associação de resistores:

É comum o uso de associação de resistores em circuitos elétricos. Podem ser de dois tipos,

em série e em paralelo. A resistência equivalente para n resistores em série e em paralelo é dada

respectivamente por:

Rserie = R1 + R2 + ... + Rn (5)

1 / Rparalelo = 1 / R1 + 1 / R2 + ... + 1 / Rn (6)

A potência dissipada em calor por uma associação de resistores é calculada através de

qualquer uma das seguintes formas:

QR = VR * iR = RR * iR2 = VR

2 / RR (7)

São validas tanto para resistores alimentados por fonte elétricas de corrente contínua como

por corrente alternada.

4. TÉCNICA EXPERIMENTAL

i. Configuração da bancada do experimento:

Como mostrado acima pela equação 3, uma das formas de se medir a eficácia térmica de um

dispositivo dissipador de calor é através de uma análise calorimétrica. Sabendo a potência

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necessária para o funcionamento do dispositivo (potência elétrica, mecânica, etc) pela

quantidade de calor que ele consegue retirar de um emissor.

Baseando-se nisto, foi construída de uma bancada consistindo basicamente de circuito com

um banco de resistências dissipadoras de calor associadas em série. Acima das resistências é

montado um conjunto dissipador de calor, formado pelo módulo Peltier, de forma que todo o

calor seja dissipado através dele. Um PWM é usado para controle da potência a ser fornecida ao

módulo.

O emissor de calor é formado por três resistores de 82 Ω de incerteza de +/- 5% cada,

associados em série. De forma a obter maior transmissão de calor, são alojadas em furos dentro

de uma placa de cobre. Como todo o calor gerado pelas resistências deve ser transmitida para a

pastilha termoelétrica, toda a face do bloco de cobre são isoladas, com exceção a superior, onde

é fixado através de pasta térmica o módulo. O isolante térmico é formado por tiras de teflon,

recoberto por barras de ambatéx. Como a área face da superior da placa de cobre é maior que a

do módulo Peltier, uma camada de resina epóxi é usada para recobrir a face exposta.

Para diminuir a resistência do ar, é colocado acima da pastilha Peltier, um dissipador aletado

resfriado pela corrente de ar de uma ventoinha.

O desenho esquemático do conjunto emissor-dissipador e da bancada proposta são mostrados

na figura 6 e 7 respectivamente a seguir.

Figura 6: Vista em corte dos componentes principais da bancada, constituído pelo conjunto

emissor-dissipador de calor.

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Figura 7: Esquema da bancada proposta para a realização do experimento

Os terminais da associação de resistores são conectados a uma placa de fenolite, que possui

conectores (bornes) onde é possui medir a tensão e a corrente fornecida. Assim, através da

equação (6) é calculado o calor dissipado pelos resistores.

O controle da potência fornecida é feito através de um dimmer. A alimentação é fornecida

pela rede elétrica do laboratório (tensão nominal de 110 V).

O energia elétrica necessária a pastilha termoelétrica é feita através de uma bateria de tensão

de 12 V. Entre a pastilha e a bateria, é conectado o PWM, para controle da potência fornecida.

Através dos terminais do PWM é possível medir a tensão e a corrente fornecida, de modo que é

possível calcular a potência PP pela equação 6.

Todo o conjunto é montado sobre uma bancada construída de madeira, com um orifício na

parte inferior tanto na madeira como no isolamento térmico dos resistores. No orifício é inserido

um termopar que encosta na parte inferior da placa de cobre. Assim, além do controle da

temperatura, pode-se estimar através da indicação da estabilização da temperatura, quando o

todo o sistema se encontra em regime permanente de transferência de calor. Estes dados são

registrados através de um programa computacional.

A bancada depois de montada no laboratório é mostrada nas fotos abaixo:

12

Figura 7: Fotos da bancada depois de construída no laboratório

ii. Método de ensaio:

A primeira etapa do experimento consiste em ligar o conector de alimentação dos resistores

em uma tomada elétrica do laboratório. O dimmer é regulado de forma a fornecer uma tensão

inicial de 45 V. Como o tempo de aquecimento do conjunto emissor de calor é relativamente

longo (placa de cobre mais resistores), a ventoinha como o módulo Peltier são deixados

desligados enquanto o termopar não acusa aumento de temperatura.

Quando o termopar indica uma temperatura de aproximadamente 40 ºC, a ventoinha ao lado

do dissipador aletado é ligado, diminuindo assim a taxa de aumento da temperatura. Quando a

temperatura atinge aproximadamente 50ºC é ligado na bateria os cabos elétricos do PWM,

regulado inicialmente a fornecer a potência elétrica próxima da mínima ao módulo Peltier.

Assim, o potenciômetro é posteriormente regulado até que o termopar não acuse mais diferença

de temperatura. Dessa forma, com o sistema em regime permanente, são feitas as medidas de

tensão e corrente, tanto na entrada dos resistores como na da pastilha termoelétrica.

O mesmo procedimento para a primeira medida também é repetido sem o módulo Peltier

estar em funcionamento, para demonstrar que o dispositivo influencia na temperatura final de

estabilização do sistema dissipador (sem o qual a chapa de cobre com as resistências entraria em

regime estacionário de transferência de calor em uma temperatura média mais elevada).

O método de medição é repetido várias vezes para outros valores de tensão nos terminais dos

resistores, através da regulagem com o dimmer.

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5. RESULTADOS:

Seguindo o procedimento descrito anteriormente, as medidas da tensão obtidas através do

multiteste durante o experimento, nos terminais ligados aos resistores, são mostradas na tabela 1

abaixo:

Tabela 1: Valores de tensão nos terminais dos resistores

Medida Nº Tensão Nominal (V)

1 51,5

2 46,2

3 33,5

4 38,8

A precisão do multiteste usado para as leituras é de +/- 5% do valor lido.

Os valores lidos com o mesmo instrumento para a tensão e a corrente elétrica nos terminais de

entrada do módulo Peltier são mostradas na tabela 2 abaixo:

Tabela 2: Valores de tensão e leitura nos terminais do módulo Peltier

Medida Nº Tensão (V) Corrente (A)

1 7,65 2,60

2 6,98 2,17

3 6,05 1,55

4 1,82 1,82

A variação de temperatura indicada pelo termopar no na placa de cobre, do momento do

inicio do experimento até o instante da primeira medida, quando estabilizou em

aproximadamente em 56 º.

Que mostra que quando a temperatura ficou aproximadamente constante no decorrer do

tempo, o conjunto emissor-dissipador mostrado na figura 6 apresentada anteriormente, transfere

calor em regime permanente. As aquisições dos dados foram feitas em intervalos de três em três

segundos.

Sabendo-se os valores dos resistores (supondo que não houve uma variação grande nos

valores de sua resistência com a temperatura), a potência elétrica em calor dissipada, dada pela

equação 6, foi calculada para cada medida e mostrada na tabela 3 abaixo:

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Tabela 3: Calor dissipado pela associação de resistores em cada medida

Medida Nº Calor Dissipado (W)

1 10,8

2 8,68

3 4,56

4 6,12

E levando em conta a geração de calor devido a resistência e corrente na pastilha

termoelétrica, o calor total dissipado no instante de cada medida (calculada pela equação 1), é

dado pela tabela 4 abaixo:

Tabela 4:Calor total dissipado em regime permanente

Medida Nº Calor Total Dissipado (W)

1 13,6

2 11,0

3 6,23

4 8,07

E a potência elétrica consumida pela pastilha Peltier, dada pela equação 2, é mostrada na

tabela 5 a seguir:

Tabela 5: Potência consumida pelo módulo Peltier no momento de cada medição

Medida Nº Potência Consumida (W)

1 19,9

2 15,1

3 9,38

4 12,1

15

Assim, a eficácia térmica do módulo Peltier associada a cada medida calculada usando a

equação 3 e as tabelas 5 e 6, e a respectiva incerteza associada calculada pela equação 4, é

mostrada na tabela 6 abaixo:

Tabela 6: Eficácia térmica e incerteza associada a cada medida:

Medida Nº Eficácia térmica Incerteza

1 0,68 0,025

2 0,72 0,022

3 0,66 0,021

4 0,67 0,022

Com os valores da tabela acima obtém-se uma eficiência média de 0,68 com desvio padrão de

0,026 para o experimento realizado.

6. CONCLUSÃO:

Após o término do trabalho, pode-se dizer que os principais objetivos foram alcançados. Os

dados obtidos são próximos daqueles indicados pela literatura, que mostram que a eficácia

térmica das pastilhas termoelétricas variam geralmente entra 0,4 e 0,8, apesar das considerações

feitas (principalmente a de que não houve fuga de calor pelo isolamento). Outro resultado

percebido foi que a temperatura final do sistema dissipador (já em regime permanente), devido a

influência do módulo Peltier, foi bem menor do que a que seria somente com o restante do

sistema de resfriamento. Isso implica em aplicações práticas menores dissipadores aletados e

coolers para resfriamento de por exemplo componentes eletrônicos.

As principais dificuldades encontradas foram a aquisição de alguns materiais para construção

da bancada, assim como a inexperiência em lidar com circuitos elétricos. Porém no final este

fato contribuiu como verdadeiro aprendizado.

Fica como sugestão para aperfeiçoamento da bancada, uma forma de realização as medições

necessárias, de forma que não resulte em um mau contato do circuito conectado as resistências.

Outra melhoria que poderá ser realizada no futuro é uma forma de se obter uma melhor

estimativa do estado térmico do conjunto do bloco de cobre, já que foi suposto em todas a

medições que a temperatura era uniforme e a mesma indicada pelo termopar.

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7. BIBLIOGRAFIA

Incropera, F. P.; Dewitt, D. P., 1998: “Fundamentos de Transferência de Calor e Massa”,

LTC 4º edição, Rio de Janeiro.

Fórum Neptuno: http://www.neptuno.com.br, website de informática

Danvic: http://www.efeitopeltier.com.br, website do fabricante de pastilhas termoelétricas.