CAPTULO 6

APLICAES TECNOLGICAS DO

EFEITO PELTIER

6.1 INTRODU !O

Os avan os nas ci!ncias dos materiais, trazidos pela revolu "o dos semicondutores, permitiu

que efeitos t#rmico conhecidos desde S#culo XIX se tornassem vi$veis tecnologicamente. Uma

dessas revolu %es foi a transforma "o doEfeito Peltierem dispositivos para uso cotidiano.

A refrigera "o, baseada apenas em expans"o/compress"o de fluidos refrigerantes tomou um

novo rumo. Com t#cnicas modernas a ind&stria hoje produz mdulos termoel#tricos capazes

de bombearcalor de modo eficiente para produzir umresfriamentoou aquecimentocom um

dispositivo100 %estado slido. H$ ainda nestes dispositivos a possibilidade opera "o reversa,

isto #, funcionarem com geradores de eletricidade a partir da energia t#rmica.

O fato de n"o utilizarem partes mec(nicas mveis t!m atraido o interesse da microeletr)nica

no resfriamento localizado em dispositivos, uma vez que a tecnologia pode ser diretamente

incorporada *integrada+ aos circuitos microeletr)nicos [104]

Os cientistasThomas Seebecke Jean Peltier, ainda no S#culo XIX, descobriram os efeitos

que levam seus nomes e s"o a base datermoeletricidade. O efeito Seebeckmostra que a jun "o

97

de dois metais diferentes submetidos a um gradiente de temperatura faz aperecer uma corrente

atrav#s dos condutores e o inverso tamb#m ocorre, fazendo-se passar uma corrente atrav#s de

uma jun "o de dois metais distintos aparece um fluxo de calor de um metal para o outro.

A pesquisa na produ "o de materiais para aplica "o termoel#trica avan a rapidamente, prin-

cipalmente na busca de materiais com maiores efici!ncias t#rmicas *figuras de m rito+. Nesta

seara tem dominado nas aplica %es como geradores termoel#tricos ou refrigeradores as ligas de

Tel&rio *Bi2Te3 e Sb2Te3+.

Nesta tese ser$ detalhada as caracter5sticas el#tricas e t#rmicas assim como o dimensiona-

mento dos mdulos Peltier para a aplica "o em refrigera "o de pequenos volumes, neste caso

uma Adega. Neste ponto vale ressaltar que no atual estado da arte a viabilidade econ)mica

para utiliza "o dos mdulos peltier ainda est"o limitados a pequenos volumes e/ou refrigera "o

localizada.

6.2 Efeitos termoel"tricos

Os efeitostermoel tricoss"o aqueles em que energia t#rmica e el#trica possam ser conver-

tidas de uma forma para outra. Entre estes, de grande utilizade pr$tica temos osefeitos Seebeck

e oefeito Peltier.

Thomas Seebeck decobriu este efeito que leva seu nome em 1821, nele uma tens"o # criada

quando dois metais s"o unidos formando uma jun "o e esta # aquecida, fig 6.1. Este # o fen)-

meno de muito usado pelo engenheiros para medi "o precisa de temperatura com o que chama-

mos determopares.

98

Figura 6.1: Efeito Seebeck

A diferen a de potencialV gerada pelo efeito Seebeck # dada por,

V = ab T, *6.1+

Sendoab positivo se a corrente fluir da jun "o quente para a fria e negativo caso contr$rio.

Para gera "o termoel#trica o efeito Seebeck # otimizado com o uso de materiais semicondutores.

O efeito Peltier, descoberto em 1834, ao contr$rio do que ocorre no efeito Seebeck, faz-se

passar uma corrente pela jun "o esta ficar$ aquecida *TQ+ ou refrigerada*TF +, fig. 6.2, depen-

dendo do sentido da corrente. Para este efeito definimos ocoeficiente peltier ab,

Figura 6.2: Efeito Peltier

q = abI, *6.2+

Na na eq. 6.4,q # a quantidade de calor bombeada atrav#s da jun "o quando # percorrida

pela correntei , neste situa "o ab # positivo se a jun "o1 aquece e a jun "o2 resfria quando a

corrente passa de1 para2.

99

Este efeito em jun %es met$licas em geral # mascarado pelo efeito do aquecimento Joule.

Como dissemos anteriormente o uso de materiais semicondutores nos permite ter este efeito

pronuciado de modo a permitir seu uso em dispositvos para refrigera "o, fig. 6.3.

Figura 6.3: Efeito Peltier: a corrente passando pelas jun %es carrega o calor da parte fria para a

parte quente.

Lord Kelvin em 18;; estabeleceu as rela %es termodin(micas entre os dois efeitos e previu

um terceiro efeito oefeito Thompson. Desta teoria p)de-se mostrar que os coeficiente Seebeck

e Peltier est"o relacionados pela equa "o 6.3.

ab = abT, *6.3+

Usando os resultados do Lord Kelvin, Altenkirch in 1911 determinou em que condi %es

podemos ter uma convers"o termoel#trica eficiente e introduziu o conceito defigura de m rito.

Para sua determina "o cosideremos apenas o caso da refrigera "o usando o efeito Peltier, fig.

6.3, nela a corrente a corrente circula de modo que ajun!"o 2 aquece e ajun!"o 1 resfria a uma

taxaq dado por,

q = abT I [i 2R2

+ K (TQ TF )], *6.4+

Na eq. 6.4 o primeiro termo do lado direito representa o bombeamento Peltier e o segundo

entre colchetes representa as perdas por efeito Joule e por condu "o t#rmica respectivamente.

100

A tens"o da fonte est$ dividida entre a tens"o Seebeck e a )hmica *IR+, desta forma a pot!ncia

fornecida pela fonte #,

w = ab(TQ TF )I + i 2R, *6.;+

Assim, com as eqs. 6.4 e 6.;, podemos tirar ocoeficiente de desempenho ,

=qw

, *6.6+

Nesta rela "o existe um valor de correntei em que este desempenho # m$ximo,Nolas et al

[106], e dado por

=TC [(1 + ZT )1/ 2

TQTF

]

(TQ TF )[(1 + ZT )1/ 2 + 1], *6.7+

sendo,

T = TQ TF2 ,

Z = figura de m#rito

O par(metro Z # fun "o das propriedades do material *condutividade el trica ( ), conduti-

vidade t rmica ( ) e coef. Seebeck () + e do arranjo geom#trico na forma "o da jun "o. Para

efeitos pr$ticos, costuma-se definir a figura de m#rito para um materialz, eq. 6.8, e fazemosZ

para a jun "o como a m#dia dos valoreszdos dois materiais, mas nem sempre # o caso [106].

z =2

, *6.8+

< importante ressaltar que para qualquer refrigerador termoel#trico existe um m$ximo para

a diferen a de temperaturas entre a jun "o quente e a jun "o fria. Este caondi "o # alcan ada

quando a condu "o de calor e o efeito Joule igualam o resfriamento Peltier. Este T # obtido

da equa "o 6.7 fazendo = 0 e # uma fun "o deZT .

T =TQ[(1 + ZT )1/ 2 1]

(1 + ZT )1/ 2*6.9+

Nas eqs. 6.7 e 6.9 v!-se que afigura de m rito tem um papel fundamental no desempenho

dos dispositivos de refrigera "o usando o efeito Peltier. As figuras de m#rito t!m dimens"o de

101

inverso de temperatura entretatnto # mais comum encontrarmos a figura de m#rito adimensional

ZT ouzT como aparecem nas equa %es.

Os metais apresentam figuras de m#rito zT menores que a unidade e isto se deve ao fato

deles possuirem coeficientes Seebeck da ordem de dezenas deV /K e a raz"o/ em

boa concord(ncia com a Lei de Wiedemann - Franz.

Os semicondutores apresentam altos coeficientes Seebeck da ordem demV /K e peque-

nos valores para a raz"o/ mas ainda ainda suficiente para serem utilizados como ter-

moelementos em mdulos termoel#tricos. Outra facilidade permitida pelos semicondu-

tores # a produ "o de termoelementos com diferentes portadores de carga:el trons * 0 - tipo P+,fig. 6.3.

O Bismuto foi o primeiro material termoel#trico estudado, tendo coeficiente Seebeck nega-

tivo quando puro, no entanto # mais comum utiliz$-lo combinado cm outros elementos como

Antim)nio, Tel&rio, Chumbo etc. O telureto de bismuto tem a mesma simetria cristalina do

bismuto e # o material semicondutor mais utilizado atualmente tendo energia degapmuito pe-

quena *0, 15eV+ e coefciente Seebeck no valor de 260V /K a temperatura ambiente. A sua

condutividade t#rmica # da ordem de2 W.m 1.K 1

6.3 Os m#dulos Peltier

O mdulo # a maneira mais pr$tica de se utilizar o efeito peltier como refrigerador em larga

escala, e consiste num arrajo de pequenos blocos detelureto de bismuto - Bi2Te3 dopados tipo N

e tipo P montados alternadamente e eletricamente em s#rie entre duas placas cer(micas de boa

condutividade t#rmica. Este arranjo faz com que todos os termoelementos bombeiem o calor na

mesma dire "o -termicamente em paralelo, fig. 6.4.

102

Figura 6.4: Mdulo Peltier

Os mdulos est"o dispon5veis no mercado em tamanhos que variam de0, 6 0, 6 cm a

aproximadamente5 5 cm fig. 6.;, e estes podem ser utilizados de diferentes maneiras: indi-

vidualmente ou agupados eletricamente em s#rie, paralelo ou s#rie-paralelo. Em algmas apli-

ca %es usa-se o mdulo de multiest$gios, isto #, v$rios mdulos termicamente em s#rie para

obten "o de um maior T .

Figura 6.;: Mdulos Peltier comerciais>*a+1 est$gio>*b+m&ltiplos est$gios

O uso da tecnologia peltier dispon5vel nos mdulos tem um grande n&mero de vantagens

como as descritas abaixo:

N"o utiliza partes mec(nicas mveis para refrigera "o, ideal para uso com c(meras CCD.

103

Aquece ou resfria dependendo apenas da polaridade da alimenta "o, ideal para aplica %es

que exigem o controle eletr)nico preciso da temperatura como lasers de diodo utilizados

em telecomunica %es.

Dispensa o uso de gases refrigerantes, tecnologia100 %estado slido no que implica alta

confiabilidade e baixos n5veis de ruido.

Permite a refrigera "o pontual *localizada+.

Funcionam em qualquer orienta "o com/sem gravidade diferentemente dos refrigeradores

baseados em compressores.

6.3.1 Caracter$sticas el"tricas e t"rmicas

As grandezas que controlam o desempenho dos mdulos usados para refrigera "o t!m uma

rela "o bastante complexa entre si de modo que para um projeto o fabricante disponibiliza um

conjunto de curvas que ir"o permitir ao projetista estabelecer os limites de opera "o do seu

sistema de refrigera "o. Algumas combina %es de grandezas levam o sistema de um compor-

tamento timo para um desempenho inaceit$vel. Na fig. 6.3.1 est$ mostrado estas curvas para

algumas grandezas e a folha de dados do Mdulo TE-127-1.0-0.8 *TE Technology, Inc+ que #

utilzado neste tese no projeto da ADEGA.

Especifica %es TQ = 27oC TQ = 50oC

VMAX *V+ 15, 7 17, 4

I MAX *A+ 5, 8 5, 8

QMAX *W+ 56, 0 61, 4

DTMAX *oC) 69 78

T Oper./armazen. *oC) 40o a 80o

Tabela 6.1: Especifica %es

104

Figura 6.6: Rela "o entre as grandezas Pot!ncia x T

x Corrente para o mdulo peltier TE 127-1.0-0.8 *TETech Inc.+

6.3.2 Dimensionamento do sistema de refrigera%&o Peltier

Desenvolveremos um modo sistem$tico para o dimensionamento de sistemas de refrige-

ra "o baseado na tecnologia Peltier a partir de uma carga t#rmica e diferen a de temperatura

quente/frio *DT+, n"o podendo esquecer que ser"o determinados pontos timos de opera "o e

uma estimativa de desempenho para o sistema uma vez que o sistema tem um comportamento

n"o-linear. Os passos seguem as recomenda %es definidas pela ref. [107].

PASSO 1: Determine as temperaturas de trabalho

Aqui ser$ definido as temperaturas de trabalho para que se possa,

fazer a escolha do mdulo peltier

10;

escolher o dissipador de calor para o mdulo

calcular as cargas t#rmicas no PASSO 2.

Para a patende deste trabalho est"o assim estabelecidas:

TemperaturaoC Observa "o

Tamb 35 Temperatura ambiente em que o dispositivo vai trabalhar

TQ 40 Temperatura de trabalho da face quente - dissipador

TF 5 Temperatura de trabalho da face fria

T 35 Os limites do mdulo est"o ligados as esta vari$vel

Tabela 6.2: Temperaturas de trabalho do mdulo Peltier

PASSO 2: Determinando a carga t"rmica

A carga t#rmica que o sistema de refrigera "o vai estar submetido pode ser de 02 tipos:

ativa - energia t rmica dissipada pelo dispositivo que est# sendo refrigerado

passiva- carga t rmica proveniente de radia!"o, convec!"o ou condu!"oainda combina "o dos

dois

Para saber como calcular cada uma das contribui %es veja o Ap!ndice B. Para a ADEGA a

carga t#rmica total #:

Carga Valor *W+ Observa "o

ativa 2 Cooler interno face fria do peltier

radia "o 0, 2 gabinete exposto a luz indireta

convec "o - desprez5vel na adega

condu "o 21, 6 troca atrav#s da porta acr5lica

efeito combinado -

Carga T#rmica Total *Q+ 23, 8

Tabela 6.3: Carga t#rmica estimada

106

PASSO 3: Determinando nmero de est(gios para o m#dulo

A partir da defini %es de temperatura do PASSO 1, podemos determinar o n&mero de est$-

gios do mdulo necess$rios para que o T seja atingido.

Na tabela 6.4 mostra as temperaturas atingidas para cada n&mero de est$gios no mdulo,

fig. 6.;.

Num. de Est$gios Tmax oC 1 atm de N2

1 64

2 84

3 95

Tabela 6.4: Diferen a m$xima de temperatura para mdulos simples e de 2 e 3 est$gios

Para este trabalho v!-se que um &nico est$gio # suficiente.

PASSO 4: Escolhendo o m#dulo

A metodologia para escolha de um mdulo peltier espec5fico est$ descrito na ref. [107] e

s se aplica para mdulos de at# 02 est$gios. Est$ parte ser$ omitida aqui porque j$ foi feita a

escolha previamente com um simulador disponibilizado pelo fabricante.

PASSO 5: Estimando o desempenho

Com os dados das tabelas 6.1 e 6.2 compute a rela "o T / Tmax

T Tmax

= 0 , 52, *6.10+

No gr$fico de desempenho dado pelo fabricante trace uma linha horizontal para o valor

encontrado na fig. 6.7.

107

Figura 6.7: Mdulo Peltier

A intersec "o da linha do item a com a curva normalizada do peltier, fig. 6.7, determina

a rela "o I/I max

A linha potilhada vertical da 6.7 nos d$,

II max

= 0 , 76, *6.11+

Desta forma podemos encontrar a corrente de opera "o do mdulo pela equa "o,

I = 0 , 76 5, 8 = 4, 4 A, *6.12+

Os limites de tens"o para as especifica %es de carga t#rmica,TQ, TF e Tamb # obtido

a partir da curva I x V do dispositivo mostrado na fig. 6.8 para o valor de corrente

encontrado no item anterior

108

Figura 6.8: Faixa de tens"o de opera "o para que o mdulo tenha desempenho dentro dos limites

especificados de carga t#rmica e T

Assim na fig. 6.8 encontramos:

V opermax = 13, 6 V, *6.13a+

V opermin = 11, 8 V, *6.13b+

Conhecendo-se a corrente, eq. 6.12 e os limites de tens"o de opera "o, eqs. 6.3.2, pode-

mos calcular a pot!ncia dissipada pelo mdulo multiplicando-se a corrente de opera "o

pela tens"o m$xima de opera "o e determinar a pot!ncia que o dissipador ligado a face

quente do peltier dever drenar.

Assim na fig. 6.8 encontramos:

Ppeltier = 13, 6 4, 4 = 59, 84W, *6.14a+

Qdissip = 23, 8 + 59, 84 = 83, 64W, *6.14b+

109

PASSO 6: Escolhendo o dissipador de calor

Para que o mdulo tenha um desempenho dentro do que foi determinado no projeto, o

dissipador de calortem um papael fundamental, ele vai manter a face quente dentro dos limites

de projetoTQ, e consequentemente manter o T . Para uma bom desempenho do sistema a

temperatura do dissipador deve estar nos limites de10a 20 oC acima deTamb.

A medida da qualidade de um dissipador # dado por suaresist$ncia t rmica -HSR, eq. 6.1;

isto #, uma medida da capacidade do dissipador drenar o calor. Quando a convecc "o natural

do ar ambiente n"o # suficiente para manter os n5veis exigidos de temperatura deve-se utilizar

a convec "o for ada com o uso de ventiladores apropriados. Vale ressaltar aqui que o mdulo

nunca deve ser ligado sem que tenha um sistema m5nimo de dissipa "o.

HSR =(TH Tamb)

Q, *6.1;+

sendo,

HSR = resist!ncia t#rmica *oC/W +,

TH = temperatura do dissipador,

Tamb = temperatura ambiente ou do l5quido refrigerante

Q = pot!ncia dissipada pelo sistema

A montagem do mdulo ao dissipador garantir$ o bom desempenho do mesmo. Para um

bom desempenho t#rmico nas interfaces peltier/dissipador e peltier/carga deve-se fazer uso

quando poss5vel de pasta t#rmica apropriada. A montagem est$ mostrada na fig. 6.9.

110

Figura 6.9: Montagem do mdulo peltier ao dissipador de calor da face quente

Para o projeto da adega foram utilizados 02 ventiladores de microprocessadores *coolers +

para atrav#s da convec "o for ada garantir o desempenho do dissipador. O mdulo de refrige-

ra "o da ADEGA est$ mostrado na fig. 6.10. Observe que o vazio criado pelo dissipador e a

placa fria # preenchido com folha de corti a um material com boa isola "o t#rmica.

Figura 6.10: Mdulo de refrigera "o da Adega: mdulo peltier, dissipador,ventiladores e iso-

lantes t#rmicos de sutenta "o mec(nica

111

A adega montada com o uso deste mdulo est$ mostrada na fig. 6.11.

Figura 6.11: Adega climatizada com capacidade de 07 garrafas

6.4 PATENTE

112

Figura 6.12

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Figura 6.13

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