joaquim adérito araújo antunes -...

Joaquim Adérito Araújo Antunes

Reaproveitamento de Calor paraGeração de Energia Eléctrica no Automóvel

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Março de 2011

Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores

Trabalho efectuado sob a orientação doProfessor Doutor Luís Miguel Valente Gonçalves

Co-Orientador:Professor Doutor Jorge José Gomes Martins

Joaquim Adérito Araújo Antunes

Reaproveitamento de Calor paraGeração de Energia Eléctrica no Automóvel

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel

Universidade do Minho iii

Resumo

A redução da dependência do uso de combustíveis fósseis tem vindo cada vez

mais a ser alvo de grande interesse por parte das instituições governamentais, com o

intuito de reduzir as emissões de CO2. Esta causa tem vindo a alcançar cada vez mais

aliados, nomeadamente na indústria automóvel. Actualmente, encontram-se

implementados sistemas em veículos para reduzir este problema e aumentar a

eficiência, em particular nos modelos híbridos. No entanto, existem fontes de energia

térmica desperdiçadas. A temperatura máxima dos gases de escape ocorre quando o

veículo se encontra em potência máxima, e chega a ultrapassar os 800 ºC.

Esta dissertação apresenta a simulação, caracterização e implementação de um

protótipo de um gerador termoeléctrico para reaproveitamento do calor proveniente do

escape dos automóveis para geração de energia eléctrica. O gerador foi fabricado

recorrendo a conversores termoeléctricos, cujo princípio de funcionamento é baseado no

efeito Seebeck, e admitem uma temperatura máxima de funcionamento de 230 ºC. Este

limite implica um controlo da temperatura dos gases de escape do automóvel, para que

este limite não seja excedido. Nesta sequência, implementou-se um sistema de

transferência de calor com a capacidade de redução e controlo da temperatura, com

elevado aproveitamento térmico, utilizando Heat Pipes.

Este conversor é composto por um tubo fechado nas extremidades com um

fluido de trabalho no seu interior. Numa extremidade encontra-se a fonte de calor, na

outra, o receptor de calor. O fluido no seu interior faz a transferência de energia, sendo a

temperatura limitada pela ebulição do fluido no interior. No entanto, apresenta uma

variação da pressão no seu interior, o que leva a uma variação da temperatura de

mudança de fase. Para ultrapassar este obstáculo, implementou-se um Heat Pipe de

Condutância Variável (VCHP).

O VCHP permite obter um controlo óptimo e eficiente da temperatura dos gases

de escape antes da estabilização da temperatura e do controlo da pressão. Com a

implementação desta vertente de Heat Pipe, foi possível construir um protótipo de um

gerador termoeléctrico para o aproveitamento do calor no escape, colocando

conversores termoeléctricos acoplados à região do Heat Pipe onde ocorre a

condensação.


Universidade do Minho v

Abstract

The decrease in fossil combustibles dependence is gaining interest by some

government institutions with the purpose of reducing CO2 emissions. This cause has

been winning more and more allies namely the automotive industry. Nowadays, there

are systems applied in vehicles to correct this issue and increase efficiency, particularly

in the hybrid models. However, there are polluting heat sources in the exhaust pipe of

the automobile which form a high source of wasted thermic energy. The highest

temperature of the exhaust gas takes place when the vehicle is in its maximum potency

and exceeds the 800 ºC.

This essay presents the simulation, characterization and implementation of a

thermoelectric generator prototype with the purpose of generating electric energy by

reusing the heat from the automobile exhaust pipe. The generator was made with the use

of thermoelectric devices which principle of functioning is drawn heavily on the

Seebeck effect and can sustain a maximum functioning temperature of 230 ºC. This

limit implies a control of the automobile exhaust pipe’s temperature so that it is not

exceeded. Therefore it was implemented a heat transfer system with the capacity of

reducing and controlling temperature with high thermic usage by the use of Heat Pipes.

This device consists of a sealed pipe filled with working fluid. At one end can be

found the heat source and at the other the heat receiver. The fluid inside makes the

transfer of energy, the temperature gets limited by the fluid ebullition. However, it

shows in its core a pressure variation leading to a variation of the ebullition temperature.

To overcome this obstacle it was implemented a Heat Pipe of Variable Conductance

(VCHP).

The VCHP allows a great and efficient control of the exhaust pipe’s gas before

the stabilization of the temperature and the pressure control. With the use of this kind of

Heat Pipe it was possible to build a thermoelectric generator prototype for the reuse of

the exhaust pipe’s heat placing thermoelectric devices attached to the Heat Pipe

location where the temperature limitation happens.


Universidade do Minho vii

Agradecimentos

Este espaço é dedicado a todas as pessoas que directa ou indirectamente cederam

o seu contributo e fizeram com que este projecto tivesse um princípio, meio e fim,

auxiliando em diversos pontos de vista e contribuindo com a sua opinião crítica.

Agradeço ao meu orientador Dr. Luís Miguel Valente Gonçalves, ao meu co-

orientador Dr. Jorge José Gomes Martins e ao Dr. Francisco C. Pimenta de Brito pela

ajuda, incentivo, motivação, disponibilidade e sugestões ao longo deste projecto.

Aos meus colegas de dissertação, do grupo de investigação de micro/nano

tecnologias que descuidando as suas tarefas, contribuíram duma forma imprescindível,

na realização deste trabalho.

Quero agradecer a todos os meus amigos que sempre me acompanharam e

acreditaram no meu trabalho no decorrer deste longo percurso.

Aos técnicos do Departamento de Electrónica Industrial Carlos Manuel A.

Torres e Joel Lopes F. Almeida, e também ao técnico do Departamento de Engenharia

Mecânica Júlio Caldas, pela sua disponibilidade, boa vontade e ajuda na construção de

algumas instalações.

Gostaria de agradecer a toda a minha família, em especial aos meus pais, que

sempre me apoiaram, motivaram, e sempre me compreenderam nos momentos mais

difíceis. Finalmente, gostaria de aqui deixar o meu agradecimento especial à Daniela,

que sempre me apoiou nos momentos mais difíceis deste trabalho e pela compreensão

dos diferentes tipos de humor durante todos estes anos.


Universidade do Minho ix

Índice

Resumo ............................................................................................................................ iii

Abstract ............................................................................................................................. v

Agradecimentos .............................................................................................................. vii

Índice ............................................................................................................................... ix

Índice de Figuras ............................................................................................................ xiii

Índice de Tabelas ........................................................................................................... xix

Lista de Símbolos ........................................................................................................... xxi

Glossário ...................................................................................................................... xxiii

Capítulo 1 ..................................................................................................... 1

Introdução ..................................................................................................................... 1

1.1 Recuperação de Calor nos Automóveis .............................................................. 1

1.2 Motivação ........................................................................................................... 3

1.3 Objectivos ........................................................................................................... 3

1.4 Estrutura da Tese ................................................................................................ 4

1.5 Publicações ......................................................................................................... 4

Capítulo 2 ..................................................................................................... 7

Estado da Arte ............................................................................................................... 7

2.1 Introdução ........................................................................................................... 7

2.2 Distribuição da energia num Automóvel ............................................................ 8

2.3 Conversores Termoeléctricos ............................................................................. 8

2.4 Geradores Termoeléctricos ............................................................................... 10

2.5 Heat Pipes ......................................................................................................... 13

2.6 Outras Aplicações ............................................................................................. 15

Capítulo 3 ................................................................................................... 17

Termoelectricidade ..................................................................................................... 17

3.1 Introdução ......................................................................................................... 17


x Universidade do Minho

3.2 Efeito Seebeck ................................................................................................... 18

3.3 Efeito Peltier ...................................................................................................... 19

3.4 Termopar ........................................................................................................... 21

3.5 Condutividade Térmica ..................................................................................... 23

3.6 Figura de Mérito ................................................................................................ 24

3.7 Conversores Termoeléctricos ............................................................................ 25

3.7.1 Funcionamento como Gerador Termoeléctrico .......................................... 28

3.7.2 Funcionamento como Arrefecimento Termoeléctrico ............................... 32

3.7.3 Materiais Termoeléctricos .......................................................................... 35

3.8 Potência Térmica ............................................................................................... 38

3.9 Geradores Termoeléctricos ............................................................................... 39

3.9.1 Modelo Equivalente Eléctrico de um Sistema Térmico ............................. 39

3.9.2 Modelação de um Gerador Termoeléctrico ................................................ 41

3.9.3 Gerador Termoeléctrico Implementado ..................................................... 44

3.10 Conclusões ...................................................................................................... 46

Capítulo 4 ................................................................................................... 49

Tecnologias Heat Pipe ................................................................................................ 49

4.1 Introdução.......................................................................................................... 49

4.2 Heat Pipe ........................................................................................................... 50

4.2.1 Princípio de Funcionamento ....................................................................... 51

4.2.1.1 Temperatura de Operação ................................................................... 53

4.2.1.2 Gases Não - Condensáveis num Heat Pipe ......................................... 53

4.2.2 Heat Pipe Vertical ...................................................................................... 54

4.2.3 Heat Pipe Horizontal .................................................................................. 55

4.2.4 Tipos de Heat Pipes ................................................................................... 56

4.2.4.1 Variable Conductance Heat Pipe ........................................................ 57

4.2.4.2 Pulsating Heat Pipe ............................................................................ 57

4.2.4.3 Loop Heat Pipes e Capillary Pumped Loops ...................................... 58

4.3 Heat Pipe de Condutância Variável .................................................................. 59

4.4 Heat Pipe Implementado ................................................................................... 61


Universidade do Minho xi

4.5 Heat Pipe de Condutância Variável Implementado ......................................... 64

4.6 Integração VCHP com o Gerador Termoeléctrico ........................................... 67

4.6.1 Modelo Térmico ........................................................................................ 68

4.7 Conclusões ........................................................................................................ 69

Capítulo 5 ................................................................................................... 71

Testes e Resultados ..................................................................................................... 71

5.1 Introdução ......................................................................................................... 71

5.2 Aquisição de Dados .......................................................................................... 72

5.2.1 Termopares ................................................................................................ 74

5.3 Calibração dos Termopares .............................................................................. 76

5.4 Caracterização dos Conversores Termoeléctricos ............................................ 77

5.4.1 TEC1-12707 - 160ºC ................................................................................. 77

5.4.2 TEC1-12708 - 230ºC ................................................................................. 78

5.5 Resultados dos HPs ........................................................................................... 79

5.5.1 Heat Pipe Inicial ........................................................................................ 79

5.5.1.1 Testes Realizados com Água .............................................................. 81

5.5.1.2 Testes Realizados com Dowtherm A .................................................. 86

5.5.2 Heat Pipe Optimizado ............................................................................... 87

5.5.2.1 Testes Realizados com Água .............................................................. 88

5.5.2.2 Testes Realizados com Dowtherm A .................................................. 90

5.6 Resultados dos VCHPs ..................................................................................... 93

5.6.1 Testes Realizados com Água ..................................................................... 94

5.6.2 Testes Realizados com Dowtherm A ......................................................... 98

5.7 Gerador Termoeléctrico Implementado ............................................................ 98

5.8 Gerador Termoeléctrico Final ......................................................................... 104

5.9 Conclusões ...................................................................................................... 108

Capítulo 6 ................................................................................................. 111

Conclusões e Trabalho Futuro .................................................................................. 111


xii Universidade do Minho

6.1 Conclusões ...................................................................................................... 111

6.2 Trabalho Futuro ............................................................................................... 113

Referências ............................................................................................... 115

Anexos ........................................................................................................... 1

Anexo A - Circuito para Aquisição do Sinal dos Termopares ...................................... 2

Anexo B – Software Desenvolvido em LabVIEW ........................................................ 3

Anexo C – Tabelas Termodinâmica – Água, Dowtherm A ........................................... 5

Anexo D – Fotos de Implementações............................................................................ 6


Universidade do Minho xiii

Índice de Figuras

Capítulo 1

Figura 1.1- Distribuição da energia dum automóvel. ....................................................... 2

Capítulo 2

Figura 2.1- Macro conversor termoeléctrico baseado nos efeitos Seebeck e Peltier. As

extremidades são constituídas por placas de cerâmica [24]. ............................................ 9

Figura 2.2- Local do veículo onde foi colocado o gerador (a). Imagem interna do

gerador e respectivos conversores termoeléctricos (b) [26,29]. ..................................... 11

Figura 2.3- Exemplos de veículos para futuras aplicações [25]. .................................... 12

Figura 2.4- Gerador termoeléctrico implementado num veículo de teste e a respectiva

localização [25,26]. ......................................................................................................... 12

Figura 2.5- Gerador termoeléctrico implementado num veículo de teste VW Golf e a

localização [28]. .............................................................................................................. 13

Figura 2.6- Heat Pipes em equipamentos electrónicos de baixa potência utilizados em

computadores [32]. ......................................................................................................... 14

Figura 2.7- Demonstração das cozinhas utilizadas pelo exército Americano [33]. ........ 16

Capítulo 3

Figura 3.1- Princípio do efeito Seebeck. Orientação dos electrões no sentido junção

quente–junção fria. .......................................................................................................... 18

Figura 3.2- Efeito Seebeck a operar como sensor de temperatura (a) e gerador de

energia eléctrica (b). ....................................................................................................... 19

Figura 3.3- Demonstração do efeito Peltier. Irradiação e absorção de calor, (a) e (b)

respectivamente. ............................................................................................................. 20

Figura 3.4- Aplicação do efeito Peltier com diferentes materiais. Representação do

sentido da corrente (I). .................................................................................................... 21

Figura 3.5- Termopar com diferentes metais A e B. ...................................................... 21


xiv Universidade do Minho

Figura 3.6: Termopar, onde a junção A e B constitui a junção de teste. A temperatura de

referência é obtida com gelo (0ºC). ................................................................................. 22

Figura 3.7- Conversor termoeléctrico baseado no princípio de funcionamento Seebeck –

Peltier [19]. ...................................................................................................................... 26

Figura 3.8- Circuito eléctrico de um conversor termoeléctrico convencional. ............... 27

Figura 3.9- Funcionamento de um elemento em série de um conversor termoeléctrico a

funcionar como gerador. ................................................................................................. 28

Figura 3.10- Circuito para medição da potência máxima num conversor termoeléctrico.

......................................................................................................................................... 30

Figura 3.11- Representação de uma junção p-n de um conversor termoeléctrico. S

representa a área da superfície de um elemento e l o comprimento. ............................... 31

Figura 3.12- Funcionamento de um elemento em série de um conversor termoeléctrico a

funcionar como arrefecimento. ....................................................................................... 33

Figura 3.13- Coeficiente Seebeck (S), resistência eléctrica (R) [Ω] e condutividade

térmica (K) em função de uma temperatura. ................................................................... 36

Figura 3.14- Tensão de saída, potência eléctrica e eficiência de um gerador

termoeléctrico em função da temperatura na face quente, quando a face fria é mantida a

27 ºC. ............................................................................................................................... 37

Figura 3.15- Diagrama representativo da fórmula fundamental da calorimetria. O calor é

transferido de A para B. .................................................................................................. 38

Figura 3.16- Modelo de um gerador termoeléctrico para um automóvel com o respectivo

sistema de arrefecimento dos conversores através de água. ............................................ 40

Figura 3.17- Modelo geral de um gerador termoeléctrico para um automóvel. .............. 41

Figura 3.18- Potência e eficiência termoeléctrica de um gerador com 96 conversores

termoeléctricos. ............................................................................................................... 45

Figura 3.19- Temperatura (ºC) e perfil de um gerador termoeléctrico para um motor de

60 kW e 800 ºC. .............................................................................................................. 46

Capítulo 4

Figura 4.1- Esquema representativo de um tubo de calor tradicional [45]. .................... 51

Figura 4.2- Princípio de funcionamento de um Heat Pipe vertical. ................................ 52

Figura 4.3- Propriedades de alguns possíveis fluidos de trabalho [89]. .......................... 54

Figura 4.4- Representação simplificada de um Heat Pipe a funcionar na vertical. ........ 55


Universidade do Minho xv

Figura 4.5- Representação simplificada de um Heat Pipe a funcionar na horizontal..... 55

Figura 4.6- Pulsating Heat Pipe (PHP). ......................................................................... 57

Figura 4.7- Representação do princípio de funcionamento dos CPL e LHP. ................. 58

Figura 4.8- Representação de um Heat Pipe de condutância variável (VCHP). ............ 60

Figura 4.9- HP constante vs HP de condutância variável [45]. ...................................... 61

Figura 4.10- Implementação inicial: tubo de calor entre uma placa na base e um cilindro

para água. ........................................................................................................................ 62

Figura 4.11- HP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte de

calor. ............................................................................................................................... 63

Figura 4.12- HP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte de

calor e optimizado para os conversores termoeléctricos. ............................................... 64

Figura 4.13- VCHP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte

de calor. ........................................................................................................................... 65

Figura 4.14- VCHP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte

de calor e um bloco paralelepipédico acoplado na região de condensação. ................... 67

Figura 4.15- Modelo de um gerador termoeléctrico para um automóvel com VCHP e o

respectivo sistema de arrefecimento dos conversores através de água. .......................... 68

Capítulo 5

Figura 5.1- Diagrama de blocos simplificado da aquisição do sinal. ............................. 72

Figura 5.2- Placas utilizadas para aquisição de dados. ................................................... 73

Figura 5.3- Imagem e diagrama de blocos do circuito integrado AD595/AD594

utilizados [80,81]. ........................................................................................................... 74

Figura 5.4- Circuito implementado para a aquisição do sinal dos termopares, junção de

referência e amplificação. ............................................................................................... 75

Figura 5.5- Imagens reais da implementação do circuito de aquisição de dados. .......... 75

Figura 5.6- Gráfico que relaciona a temperatura média dos termopares com um

termómetro de mercúrio. ................................................................................................. 76

Figura 5.7- Identificação dos elementos constituintes da caracterização. ...................... 77

Figura 5.8- Tensão (V) e Potência (P) de saída de um conversor termoeléctrico com

capacidade de 160 ºC. ..................................................................................................... 78

Figura 5.9- Tensão (V) e potência (P) de saída de um conversor termoeléctrico com

capacidade de 230ºC. ...................................................................................................... 79


xvi Universidade do Minho

Figura 5.10- Heat Pipe implementado para os testes iniciais. ........................................ 80

Figura 5.11- Teste referência, efectuado sem fluido de trabalho no HP com ar. ............ 81

Figura 5.12- Teste efectuado com 10 mL de água e vácuo no HP com maçarico. ......... 82



Figura 5.15- Resumo da relação Temperatura na zona de calor do HP com a respectiva

potência térmica com água, para os testes efectuados com o maçarico. ......................... 85

Figura 5.16- Teste efectuado com 20 mL de Dowtherm A e vácuo no HP com maçarico.

......................................................................................................................................... 86


potência térmica com água e Dowtherm A, para os testes efectuados com o maçarico. . 87

Figura 5.18- Heat Pipe implementado com as respectivas optimizações. ...................... 88

Figura 5.19- Teste efectuado com 10 mL de água e ar no HP com um maçarico. ......... 89

Figura 5.20- Teste efectuado com 10 mL de água e vácuo no HP com um maçarico. ... 89


potência térmica com água, para os testes efectuados com o maçarico. ......................... 90


......................................................................................................................................... 91


......................................................................................................................................... 91


potência térmica com Dowtherm A, para os testes efectuados com o maçarico. ............ 92

Figura 5.25- HP de condutância variável implementado. Recipiente cilíndrico de 20 L

conectado à zona superior do HP. ................................................................................... 93

Figura 5.26- Teste efectuado com 20 mL de água e pressão de ar a 2 bar, 2 maçaricos. 94

Figura 5.27- Teste efectuado com 20 mL de água e pressão de ar a 12,5 bar, 1 maçarico.

......................................................................................................................................... 95

Figura 5.28- Teste efectuado com 20 mL de água e pressão de ar a 1 bar, 2 maçaricos. 96

Figura 5.29- Teste efectuado com 20 mL de água e pressão de ar a 10 bar, 2 maçaricos.

......................................................................................................................................... 96

Figura 5.30- Relação: potência máxima – temperatura no VCHP, com 2 maçaricos. .... 97

Figura 5.31- Teste efectuado com 20 mL de Dowtherm A com uma pressão de 1 bar. .. 98

Figura 5.32- Heat Pipe implementado com as respectivas optimizações para a colocação

dos conversores termoeléctricos. ..................................................................................... 99


Universidade do Minho xvii

Figura 5.33- Implementação de um VCHP para a inserção de conversores

termoeléctricos e respectivo sistema de arrefecimento. ................................................ 100

Figura 5.34- Teste VCHP com um fluxo de água de arrefecimento constante com 1-2

maçaricos. ..................................................................................................................... 101

Figura 5.35- Potência térmica em função da temperatura fornecida pela fonte de calor.

...................................................................................................................................... 102

Figura 5.36- Esquema eléctrico da ligação dos 4 conversores termoeléctricos em série.

...................................................................................................................................... 102

Figura 5.37- Tensão eléctrica (V), Potência eléctrica (W), Eficiência (%) em função de

∆T dos 4 conversores. ................................................................................................... 103

Figura 5.38- Protótipo da implementação de um VCHP para a inserção de conversores

termoeléctricos e respectivo sistema de arrefecimento com 8 conversores. ................. 104

Figura 5.39- Imagens do gerador final implementado, com 8 conversores

termoeléctricos. ............................................................................................................. 105

Figura 5.40- Teste efectuado com 20 mL de água no VCHP, 13 bar e com 2 maçaricos.

...................................................................................................................................... 106


...................................................................................................................................... 106


...................................................................................................................................... 107

Figura 5.43- Tensão eléctrica (V), Potência eléctrica (W), Eficiência (%) em função de

∆T dos 8 conversores. ................................................................................................... 107


Universidade do Minho xix

Índice de Tabelas

Tabela 3.1: Materiais e respectiva condutividade térmica [41,42]. ................................ 24

Tabela 3.2- Propriedades termoeléctricas de diferentes materiais [39]. ......................... 35


Universidade do Minho xxi

Lista de Símbolos

Variáveis

Símbolo Descrição Unidades Descrição

A Área m2 metro quadrado

C Capacidade F Faraday

C.O.P. Coeficient Of Performance (Coef. de

desempenho)

Adimensional

Caudal Caudal L/h Litros/hora

cc Cilindrada cm3 Centímetro cúbico

f.e.m. Força Electromotriz V Volt

I Corrente A Ampere

L Indutância H Henry

L Espessura m metro

Rendimento % Percentagem

P Potência W Watt

P Pressão bar bar

R Resistência Ω Ohm

T Temperatura K ou ºC Kelvin ou Célsius

t Tempo s segundo

U Tensão V Volt

U Coeficiente de Transferência de Calor

V Volume L litro

Z Figura de Mérito Kelvin

ZT Figura de Mérito Adimensional

κ Condutividade Térmica

Calor W Watt

Coeficiente Seebeck

Coeficiente Peltier V Volt

Resistividade Eléctrica Ohm metro


xxii Universidade do Minho

Constantes

Símbolo Valor Unidades

4186 J

1056 J

Índices

Símbolo Descrição

Diferença de Temperatura entre as Faces Fria e Quente

Potência Máxima Gerada

Potência de Entrada

Potência de Saída

Calor Proveniente da Face Quente

Calor Transferido para a Face Fria

Calor Transferido por Efeito de Joule

Resistência dos Contactos

Resistência Interna de um Conversor Termoeléctrico

Resistência Interna do Material Condutor

Resistência da Junção n

Resistência da Junção p

Resistência Total de Um Conversor Termoeléctrico

Temperatura no Lado Quente

Temperatura no Lado Frio

Tensão na Resistência Interna de Um Conversor Termoeléctrico

Tensão de Saída de Um Conversor Termoeléctrico

Tensão Seebeck

Coeficiente Seebeck Metal A

Coeficiente Seebeck Metal B

Resistividade dos Contactos


Universidade do Minho xxiii

Glossário

Símbolo Descrição

AC Alterante Current (Corrente Alternada)

ADC Conversor Analógico-Digital

CO2 dióxido de Carbono

CPL Capillary Pumped Loops

DC Direct Current (Currente Contínua)

DEI Departamento de Electrónica Industrial

FEM Ferramentas de Elementos Finitos

GM General Motors

HP Heat Pipe (Tubo de Calor)

IC Integrated Circuit

LabVIEW Software de Simulação

LHP Loop Heat Pipe

NASA National Aeronautics and Space Administration

NI National Instruments

PC Processor Computer

PHP Pulsating Heat Pipe

TEG Thermoelectric Generator (Conversor Termoeléctrico)

UE União Europeia

UM Universidade do Minho

USB Universal Serial Bus

VCHP Variable Condutance Heat Pipe

1

Capítulo 1

Introdução

1.1 Recuperação de Calor nos Automóveis

O mundo industrial encontra-se em constante evolução científica, nomeadamente no

sector automóvel, onde grande parte da indústria está direccionada para uma constante

melhoria da eficiência energética e ambiental. Cada vez mais, este assunto é fonte de

discussão por parte dos grandes líderes mundiais e governamentais.

Actualmente, milhões de veículos híbridos invadem cada vez mais as estradas com o

objectivo de reduzir a dependência dos combustíveis fosseis. Uma das principais

vantagens é a recuperação de energia residual desperdiçada, ou seja, através da

recuperação de energia durante a travagem. Embora seja feito um grande esforço de

investigação, pouca atenção e resultados têm sido obtidos [1]. No entanto, existem

outros meios de recuperação de energia num veículo accionado com motor de

combustão interna, devido às perdas de calor através do sistema de arrefecimento

(radiador), do sistema de lubrificação (água e óleo) ou ainda do calor perdido no sistema

dos gases de escape.

Hoje em dia, a recuperação de energia térmica e mecânica, têm cada vez mais um

papel fundamental num veículo, transformando estas energias em electricidade para um


2 Universidade do Minho

posterior consumo. A Figura 1.1, ilustra o panorama da distribuição da energia de um

automóvel [2,3,4].

Figura 1.1- Distribuição da energia dum automóvel.

A Figura 1.1 permite observar que a energia libertada para o sistema de escape é

da mesma ordem de grandeza da potência mecânica fornecida pelo motor. A potência

total do sistema de exaustão de gases e arrefecimento do motor é o dobro da potência

mecânica de tracção aproveitada. Parte da energia em forma de calor pode ser

regenerada em energia eléctrica e posteriormente usada para o carregamento de baterias

de um veículo híbrido, ou simplesmente para limitar a utilização do alternador de um

veículo convencional, proporcionando assim um menor consumo de combustível.

A temperatura dos gases de escape chega a ultrapassar 800ºC [8], estes limites são

cuidadosamente trabalhados para que se obtenha limites inferiores de temperatura com

o máximo de aproveitamento de potência térmica, ou seja, obter temperaturas menores

para aproveitar este calor.

Capítulo 1- Introdução

Universidade do Minho 3

1.2 Motivação

A utilização cada vez mais frequente dos combustíveis fosseis tem vindo a ser

uma preocupação crescente por parte das entidades governamentais nomeadamente das

grandes potências mundiais, no sentido da redução drasticamente da sua dependência.

Um dos grandes factores que contribuem em muito para este problema reside na

dependência destes combustíveis nos automóveis, com a consequente emissão de

elevadas quantidades de dióxido de carbono (CO2) para a atmosfera. Está provado que o

CO2 é um gás que provoca efeito de estufa e contribui para o Aquecimento Global.

Neste sentido, conversores termoeléctricos com elevada Figura de Mérito constituem

uma oportunidade do aproveitamento do calor proveniente do escape dos automóveis

para a geração de energia eléctrica. O reaproveitamento deste calor, permite produzir

energia para alimentar baterias e outros componentes eléctricos do automóvel, através

do uso de conversores baseados no efeito Seebeck.

Com esta tecnologia pretende-se reaproveitar o calor perdido nos gases de

exaustão do motor e transformá-lo em energia eléctrica para substituição do alternador,

numa fase posterior. Esta tecnologia, permitirá ter que passem simultaneamente os

veículos a consumir menos combustível a emitir menos e CO2 para a atmosfera.

A principal contribuição desta dissertação é demonstrar este conceito para

aplicação futura em automóveis.

1.3 Objectivos

Esta tese apresenta metodologias para solucionar o problema do desperdício de

calor num automóvel e respectivos métodos. A solução escolhida passa pela utilização

de conversores termoeléctricos funcionando como geradores de energia eléctrica. Os

objectivos fundamentais a atingir são os seguintes:

Utilizar conversores termoeléctricos para converter o calor desperdiçado no

escape dos automóveis em energia eléctrica.

Utilizar Heat Pipes de condutância variável para limitar a temperatura de

funcionamento, protegendo o gerador de sobreaquecimento.



Projectar, simular, construir e caracterizar um protótipo para geração de energia

eléctrica, utilizando a energia térmica desperdiçada na exaustão dos motores de

combustão dos automóveis, para isso, recorreu-se a conversores termoeléctricos para

transformar a energia térmica associada ao calor desperdiçado em energia eléctrica.

1.4 Estrutura da Tese

No capítulo introdutório é feita uma descrição do panorama geral da utilização

da energia dum automóvel, com ênfase à necessidade de recuperar o calor desperdiçado.

No segundo capítulo apresentam-se os conceitos relacionados com a

termoelectricidade, assim como implementações de geradores termoeléctricos existentes

em diversas aplicações. Além destas, apresentam-se também aplicações com Heat

Pipes.

Seguidamente, no terceiro capítulo aborda-se duma forma sucinta, os conceitos

relacionados com a termoelectricidade. São também clarificados, o modelo térmico e

eléctrico de um conversor termoeléctrico baseado nos efeitos Seebeck e Peltier.

O capítulo quatro aprofunda o conceito de Heat Pipe ao mesmo tempo que

apresenta utilizações desta tecnologia. Mostrar-se-ão também, as diferentes tipologias

implementadas, bem como o seu modelo e a intersecção destes com a

termoelectricidade. São também feitas, algumas considerações de ordem prática.

O capítulo cinco apresenta todas as implementações, testes e resultados, que

demonstram o funcionamento, desempenho e eficiência dos geradores termoeléctricos

implementados, bem como, as implementações preliminares para o gerador final.

Finalmente, no capítulo seis, apresentam-se as conclusões e as propostas de

trabalho futuro.

1.5 Publicações

No decorrer da presente dissertação, no âmbito do departamento de Electrónica

Industrial e Departamento de Engenharia Mecânica, realizou-se a publicação de dois

artigos em conferências internacionais.

Capítulo 1- Introdução


Publicações em Conferência:

1. L. M. Gonçalves, Jorge Martins, Joaquim Antunes, Romeu Rocha e Francisco Brito,

―Modelling of Thermoelectric Generators for Automobile Exhaust Gas Applications

with Heat-Pipe Temperature Control‖, em ASME 2010 International Mechanical

Engineering Congress, Vancouver, British Columbia, Canada, 2010

2. Jorge MARTINS, Francisco P. BRITO, L.M. GONCALVES, Joaquim ANTUNES,

―Thermoelectric Exhaust Energy Recovery with Temperature Control through Heat

Pipes‖, submetida para ser apresentada ao SAE 2011 World Cogress, Cobo Hall,

Detroit, Michigan, USA, em 12-14 de Abril, 2011

7

Capítulo 2

Estado da Arte

2.1 Introdução

Actualmente, o mundo é movido maioritariamente através da energia eléctrica que

juntamente com outras formas de energia dão espaço à movimentação de todos os seres

físicos. Olhando para este problema, torna-se inevitável e inconsciente o dramático

desgaste a nível ambiental. Reflectindo um pouco sobre esta questão, verifica-se que ao

longo do tempo, este tem sido um problema de bastante interesse das instituições e dos

órgãos políticos mundiais, de alguns anos para cá. As indústrias são alvo de grande

preocupação por parte dos ambientalistas. No entanto, existem outras fontes de

consumo de energia que suscitam também esta preocupação. Um exemplo é o caso dos

automóveis, onde grande parte das emissões de CO2 são de origem dos gases de escape.

Os automóveis e outros mecanismos industriais são cada vez mais construídos

tendo em conta o impacto ambiental. No entanto, avista-se ainda um enorme trajecto a

percorrer. Neste sentido, e na tentativa de reduzir o uso de combustíveis fosseis nos

automóveis, surge a oportunidade de reaproveitamento do calor do escape para geração

de energia eléctrica.



Neste capítulo apresentam-se algumas aplicações existentes quer a nível de

implementações em automóveis como noutras situações.

2.2 Distribuição da energia num Automóvel

Ao longo dos tempos, os investigadores têm trabalhado para recuperar o calor do

escape dos automóveis, utilizando conversores termoeléctricos [5]. No entanto, a

potência eléctrica gerada é reduzida e serve apenas para alimentar alguns conversores

eléctricos constituintes de um automóvel. Um sistema de aproveitamento de calor num

automóvel pode ser mais eficiente e gerar uma potência superior, quando se aproveitam

todas as perdas de calor, nomeadamente o calor perdido nos sistemas de arrefecimento,

de lubrificação e no respectivo escape [6].

Recentemente, os geradores termoeléctricos desenvolvidos para o automóvel,

utilizando avançados conversores termoeléctricos têm uma eficiência na ordem dos 5%,

ao qual poderia subir para os 6% com o aproveitamento do circuito de arrefecimento

[7,2]. Neste seguimento, um motor com um aproveitamento mecânico de 33% poderia

aumentar para um rendimento de 38%.

Em média, um automóvel aproveita cerca de 33% da energia de entrada

proveniente de combustíveis fosseis, onde 70% desta energia é desperdiçada para o

exterior na forma de calor. Pode-se assim afirmar que um veículo é uma verdadeira

fonte de calor [10]. Este desperdício de energia quando aproveitado através de materiais

termoeléctricos pode aumentar a actual eficiência na ordem dos 14% [10].

2.3 Conversores Termoeléctricos

Em 1822, o físico Thomas Seebeck [11,12] descobriu a existência de corrente

eléctrica enquanto observava efeitos electromagnéticos associados a diferentes

materiais. Esta teoria mostra que uma junção de dois materiais distintos e a diferentes

temperaturas criam uma diferença de potencial eléctrico entre ambos. Este fenómeno dá

origem ao aparecimento de uma corrente eléctrica quando esse circuito é fechado. Isto

significa que, uma diferença de temperatura entre dois materiais provoca uma diferença

Capítulo 2- Estado da Arte


de potencial eléctrico. Esta diferença de potencial é quantificada pelo coeficiente

Seebeck (α), dado pela seguinte equação [12,18]:

(2.1)

Onde (V) é a diferença de potencial eléctrico e (K) é a diferença de

temperatura.

Em complemento a este fenómeno, Jean Peltier descobrem em 1934 [12,15], o

oposto deste efeito, ou seja, uma corrente eléctrica ao atravessar na junção de dois

materiais diferentes, provoca o arrefecimento dessa junção. Isto resulta na absorção ou

libertação de energia térmica. Esta energia observa-se pelo aumento ou diminuição da

temperatura. Este fenómeno designa-se por efeito Peltier e é dependente do coeficiente

Peltier (π) que é proporcional ao coeficiente de Seebeck ( ) e à temperatura (T):

(2.2)

A corrente pode fluir em dois sentidos. Num sentido absorve calor do meio onde

se encontra, e quando se inverte o sentido da corrente, a junção onde absorvia calor,

passa a irradiar calor para o exterior.

Tendo por base estes dois efeitos, os conversores termoeléctricos, são úteis para

reaproveitar energia em diversos equipamentos (Figura 2.1).

Figura 2.1- Macro conversor termoeléctrico baseado nos efeitos Seebeck e Peltier. As extremidades são

constituídas por placas de cerâmica [24].



Os conversores termoeléctricos são constituídos por junções semicondutoras do

tipo p e n, e destinam-se a funcionar como geradores eléctricos, onde produzem tensão

eléctrica através da diferença de temperatura entre as faces, ou para o arrefecimento,

quando é aplicada uma tensão eléctrica aos seus terminais, e calor é transferido de uma

face para a outra. O desempenho varia consoante as dimensões, o tipo de materiais e as

condições de funcionamento. Actualmente existem conversores para funcionar com

diferentes temperaturas, ou seja, existem vários limites de temperatura máxima para

diferentes tipos de conversores sem que estes se danifiquem. No presente, encontra-se

desenvolvido pela Kryotherm, Ferrotec, Pacific Supercool, entre outras [19,20,21],

conversores com capacidade para temperaturas na ordem dos 230 ºC, com dimensões de

40 mm x 40 mm x 3,9 mm. A empresa Kryotherm, desenvolveu também recentemente,

conversores com capacidade para suportar temperaturas na ordem dos 300 ºC, contudo,

apresentam baixa eficiência e uma reduzida Figura de Mérito (próxima da unidade) [10]

(medida que quantifica o desempenho de um conversor). No entanto, os materiais que

actualmente compõem estes conversores (telureto de bismuto e antimónio) [57],

apresentam baixa eficiência e reduzida Figura de Mérito [18] (próxima da unidade),

independentemente da temperatura máxima admissível [18]. Com estes materiais, à

medida que a temperatura máxima aumenta, diminui a Figura de Mérito [10]. Para a

resolução deste problema, a solução passaria então, pela utilização de conversores

constituídos por silício-germânio (SiGe), estes aguentam uma temperatura máxima na

ordem dos 1000 ºC [22,10].

2.4 Geradores Termoeléctricos

A utilização de conversores termoeléctricos nos gases de escape para o

reaproveitamento de calor, tem vindo a aumentar. Este método tem sido também

utilizado pela NASA desde os anos 60, para produção de energia eléctrica no espaço

para pequenos reactores [23].

As primeiras implementações de geradores termoeléctricos em veículos

ocorreram em camiões com motor a gasóleo. Há alguns anos atrás (cerca de 12 anos)

[29], os investigadores começaram a dar mais ênfase ao uso de geradores

termoeléctricos em veículos. Foi desenvolvido em 1994 um gerador para um camião,



sendo este testado por cerca de 900 000 quilómetros, obtendo um elevado número de

distância de autonomia e elevada taxa de sucesso [29]. Na Figura 2.2 representa-se o

gerador implementado pela Hi-Z Technology.

(a) Local de instalação do gerador (b) Gerador termoeléctrico

Figura 2.2- Local do veículo onde foi colocado o gerador (a). Imagem interna do gerador e respectivos

conversores termoeléctricos (b) [26,29].

Recorrendo a conversores termoeléctricos de efeito Seebeck, ligados

electricamente em série, produziu-se então o gerador termoeléctrico. Ficou demonstrado

que tem capacidade de produzir uma potência eléctrica na ordem de 1kW a partir dos

gases de escape, gases estes que chegam a ultrapassar os 700ºC. Obtendo-se um ganho

no respectivo consumo de combustível [29].

Em paralelo com o sistema anterior, foi desenvolvido na mesma época (1998),

um gerador para um automóvel com motor a gasolina de 3000cc [23]. Este foi estudado

e desenvolvido recorrendo ao uso de conversores termoeléctricos constituídos por

silicio–germanio (SiGe) colocados na zona de escape do automóvel, ligados

electricamente em série. Este gerador recorreu a 72 conversores termoeléctricos

colocados entre o tubo de escape e uma secção de arrefecimento onde circula água. A

potência eléctrica gerada foi de 950W, para um ∆T máximo de 290ºC, entre o lado frio

e quente. Este gerador obteve uma eficiência de 11% [23].

No âmbito da DOE/EPRI workshop 2004 [25], a General Motors apresentou

sistemas de reaproveitamento de energia recorrendo a estes geradores e foram

apresentados para alguns modelos de automóveis em estudo (Figura 2.3).



Figura 2.3- Exemplos de veículos para futuras aplicações [25].

Em 2008 a California Institute of Technology, apresentou algumas soluções e

aplicações de geradores termoeléctricos em veículos, no âmbito da DEER conference

[26]. Estes autores começaram por avaliar a energia consumida e desperdiçada no

sistema de exaustão de um automóvel. Foi feita a caracterização do sistema e a análise

do local de implementação do gerador termoeléctrico, para um BMW série 5 com motor

a gasolina. Na Figura 2.4 mostra-se o local de implementação do gerador

termoeléctrico.

Figura 2.4- Gerador termoeléctrico implementado num veículo de teste e a respectiva localização [25,26].

A BMW está a trabalhar juntamente com a BSST, DEUSA, VISTEON, NETL e a

CIT, para adaptar os geradores termoeléctricos aos sistemas de escape dos seus

veículos. A energia fornecida por este gerador ronda os 500W de potência eléctrica em

condução de cidade e 1kW de máxima potência, ou seja, em auto-estrada. Esta potência

pode ser utilizada para alimentar sistemas como o ar condicionado, o rádio, ou até o

GPS. Esta empresa afirma que esta tecnologia poderá melhorar o uso do combustível

até 10% sem produzir quaisquer emissões de CO2. Esta equipa de investigação pretende

também obter uma Figura de Mérito superior à unidade, assim como, uma eficiência

termoeléctrica na ordem dos 12% [26]. Mais recentemente, a VolksWagen (VW) e a IAV

[27] desenvolveram um protótipo de um gerador termoeléctrico onde foi implementado

num VW Golf Plus, representado na Figura 2.5.



Figura 2.5- Gerador termoeléctrico implementado num veículo de teste VW Golf e a localização [28].

Este gerador foi projectado para produzir cerca de 30% da energia eléctrica que o

veículo necessita [28] e apresenta uma potência eléctrica na ordem dos 600 W.

Com esta redução do consumo de gasolina (investigadores apontam para 10%),

cerca de 378 milhões de litros de gasolina deixarão de ser queimados por ano

[26,29,30]. Estes valores foram estudados apenas para os veículos que circulam nos

Estados Unidos.

Com base em resultados obtidos pela General Motors, o futuro dos geradores

termoeléctricos permitirá substituir o alternador dos automóveis, e nos próximos 3 anos

aparecerão os primeiros automóveis sem alternador, pois esta é uma tecnologia viável a

curto prazo para economizar combustível [29,30].

2.5 Heat Pipes

Em determinados sistemas existe a necessidade de transferir calor com elevada

potência, nem sempre este é um processo simples de implementar, quando tal acontece,

surge a necessidade de usar mecanismos de transferência de calor. A principal função

dos Heat Pipes é a transferência de calor de uma região para outra. Consistem

fundamentalmente em conversores com a capacidade de transferir a uma determinada

temperatura uma dada potência térmica sem que haja perdas para o exterior. Um Heat

Pipe é constituído por um tubo em metal com as extremidades fechadas. No seu interior

existe um líquido (um reduzido volume), habitualmente designado por fluido de

trabalho, ar e vapor.

Os Heat Pipes possuem três zonas distintas, zona de vaporização, condensação e

transporte. A zona de vaporização consiste no aquecimento da extremidade do tubo,



havendo lugar à vaporização ou ebulição do líquido. Na zona de condensação, o vapor

(formado na zona anterior) condensa fornecendo calor por esta parte do Heat Pipe.

Estas duas zonas são ligadas pela zona de transporte em que o vapor e o líquido são

transferidos de uma extremidade para a outra.

A CRS Engineering apresenta HPs com diâmetros de 2 mm a 12 mm e

comprimento de 50 mm a 350 mm, com um máximo de 220 W de potência térmica

transferida [34] de uma extremidade para a outra. No caso da Thermacore, os valores

são mais reduzidos, esta apresenta uma máxima transferência de potência de 180 W

[35], com diâmetros de 6 mm a 16 mm e comprimento de 76 mm a 457 mm.

A aplicação destes conversores estende-se tanto ao nível doméstico como a nível

industrial, embora durante anos estiveram apenas limitados a aplicações aeroespaciais

[32]. Estes popularizaram-se com o aumento da utilização da electrónica devido às

enormes perdas de calor. Seguidamente, apresentam-se algumas aplicações.

Actualmente os HPs são amplamente utilizados em computadores e em

componentes que o constituem, como exemplo, placas de vídeo, representados na

Figura 2.6.

Figura 2.6- Heat Pipes em equipamentos electrónicos de baixa potência utilizados em computadores [32].

Estes conversores têm como objectivo transferir o calor proveniente dos

conversores electrónicos ao dissipador situado na periferia do equipamento.

A tecnologia Heat Pipe, é também utilizada em colectores solares para absorver a

energia térmica absorvida no painel e transferir ao depósito de água aquecida. De

acordo com a sua operação em elevadas temperaturas e as suas reduzidas perdas de

calor, estes são indicados e muito usados em aplicações com painéis solares [32,65].

Paineis solares com HPs em habitações conseguem atingir potências na ordem dos kW,

sendo estes resultados apenas alcançáveis com o uso de HPs [65].



2.6 Outras Aplicações

Com o aparecimento dos conversores termoeléctricos, surgiu também o interesse

de adaptar estes a outras aplicações onde tenham elevadas perdas de calor. Torna-se

rentável aplicar estes geradores em equipamentos electrónicos de baixa potência, tais

como, pulseiras para geração de energia eléctrica, relógios de pulso ou até mesmo no

vestuário [26]. Um exemplo de bastante interesse é o calor existente no corpo humano,

que pode ser aproveitado para a geração de energia eléctrica com intuito de alimentar

por exemplo, um relógio.

Actualmente, existem implementações com elevado sucesso em relógios, como a

Citizen e Seiko [26,36,37], onde expõem como principal vantagem o facto de dispensar

do carregamento ou troca da bateria. São capazes de produzir tensões de 640 mV e

200 mV, respectivamente.

Esta tecnologia é também muito explorada e posteriormente implementada pelo

exército em vários equipamentos, nos tanques blindados, na roupa dos soldados e até

mesmo nas cozinhas ambulantes montadas em campo. O projecto das cozinhas

ambulantes designa-se por: Total Army Field Feeding-2010 (TAFF-2010) [26,33] e está

a ser desenvolvido pelo exército Americano. Estas cozinhas utilizam a tecnologia

termoeléctrica para reduzir e optimizar a logística da zona de alimentação nos

acampamentos, facultando assim fogões mais eficientes [33]. Este sistema, visa

aproveitar o calor perdido na confecção dos alimentos para a geração de energia

eléctrica, a fim de accionar o sistema e recarregar a bateria, além disso, reduz o uso e o

custo do combustível. O gerador termoeléctrico produz 20 W de potência eléctrica,

aproveitando para o lado frio um recipiente onde é colocado água. A zona quente é

aquecida com a chama do fogão. O gerador produz também energia para ser usada em

iluminação, rádios e conversores de comunicação, entre outros. Na Figura 2.7 encontra-

se representado imagens alusivas a esta implementação.



Figura 2.7- Demonstração das cozinhas utilizadas pelo exército Americano [33].

Uma das primazias mais importantes é a independência de uma fonte exterior de

energia, podendo ser abandonado em campo.

17

Capítulo 3

Termoelectricidade

3.1 Introdução

A termoelectricidade encontra-se presente em inúmeros processos industriais e em

diversos fenómenos onde o factor temperatura se destaca. Neste capítulo são

apresentados alguns fenómenos e efeitos presentes nos conversores termoeléctricos,

assim como, a análise teórica desses conversores. Os conversores termoeléctricos

consistem fundamentalmente na aplicação dos efeitos Seebeck e Peltier. São explicados

os modos de funcionamento de um conversor, assim como o seu desempenho e

rendimento, apresentando algumas curvas características.

São mencionados também, aspectos importantes como a Figura de Mérito (Z e

ZT) [adimensional] que quantifica o desempenho de um conversor termoeléctrico, a

Condutividade Térmica (κ) [Wm-1

K-1

], assim como os modelos térmicos baseados nos

efeitos mencionados neste capítulo.

Uma questão de bastante relevo que não poderia deixar de ser abordada neste

capítulo, é a aplicação dos conversores termoeléctricos em automóveis, ou seja, é



abordada a implementação e o princípio de funcionamento de um gerador

termoeléctrico.

No final é feito um resumo onde são mencionadas as conclusões exemplificando

do ponto de vista do autor, e realçando alguns exemplos de aplicação, baseados em

alguns artigos científicos devidamente referenciados.

3.2 Efeito Seebeck

O efeito Seebeck consiste fundamentalmente na transferência de electrões de uma

região quente para uma outra de menor temperatura. Dito por outras palavras, a

existência de uma diferença de temperatura num determinado condutor eléctrico, produz

uma diferença de potencial eléctrico (∆V) [V] e um fluxo de corrente eléctrica (quando

o circuito é fechado), este fenómeno encontra-se ilustrado na Figura 3.1. Os electrões da

região com a temperatura mais elevada (região quente) deslocam-se para a região com

menos temperatura (região fria), onde o nível de energia cinética é menor [38,39].

Figura 3.1- Princípio do efeito Seebeck. Orientação dos electrões no sentido junção quente–junção fria.

Com base na Figura 3.1, observa-se que quando um metal é aquecido numa

extremidade e arrefecido na outra, os electrões deslocam-se da região quente para a

região fria tornando-se energeticamente mais fortes, fazendo com que haja excesso de

iões positivos na região quente e excesso de electrões na região fria. Aos terminais das

extremidades do semicondutor é gerada uma diferença de potencial (∆V) [V] na ordem

de alguns millivolts (mV), também conhecida por tensão termoeléctrica. Essa diferença

Capítulo 3- Termoelectricidade


de potencial por unidade de diferença de temperatura é designada por efeito Seebeck,

onde matematicamente é obtido na seguinte forma:

(3.1)

Contudo, este fenómeno nem sempre é válido da mesma forma. Quando os

electrões se difundem da junção quente para a junção fria, o coeficiente de Seebeck é

negativo. Por outro lado, quando a propagação de electrões é feita no sentido contrário,

o coeficiente de Seebeck é positivo [16].

Este efeito é utilizado em diversas aplicações como sensor de temperatura

(termopares) e como gerador de energia eléctrica quando o circuito é fechado, (Figura

3.2).

(a) Tensão gerada (b) Energia eléctrica gerada

Figura 3.2- Efeito Seebeck a operar como sensor de temperatura (a) e gerador de energia eléctrica (b).

Um exemplo de aplicação deste efeito pode ser obtido rapidamente quando se

coloca uma das extremidades no gelo por exemplo, e a outra a elevada temperatura.

Para se perceber que existe efeito Seebeck, basta colocar um voltímetro nas suas

extremidades como ilustra na Figura 3.2.

3.3 Efeito Peltier

Ao contrário do efeito Seebeck, o efeito Peltier consiste na produção de uma

diferença de temperatura quando a junção de dois materiais diferentes é percorrida por

uma corrente eléctrica. Na junção de dois condutores diferentes é absorvida ou libertada



energia térmica, dependendo do sentido da corrente que o percorre, sendo esta energia

térmica proporcional a esta corrente. Quando uma corrente eléctrica atravessa a junção

de dois diferentes condutores, a junção arrefece absorvendo energia térmica do meio

onde se encontra [40]. Invertendo o sentido da corrente, a junção aquece provocando

um aquecimento do meio onde se encontra através da libertação de energia térmica. Este

fenómeno é quantificado pelo coeficiente Peltier, π, e é relacionado com o coeficiente

Seebeck α da seguinte forma [15]:

(3.2)

O parâmetro T representa a temperatura da junção. O significado físico da

variável π, corresponde à energia térmica libertada ou absorvida por unidade de tempo e

corrente eléctrica, sendo expresso em Volt. A polaridade desta tensão depende da

temperatura da junção e dos materiais usados na sua construção. A demonstração deste

efeito encontra-se exemplificada na Figura 3.3.

(a) Efeito Peltier – Aquecimento (b) Efeito Peltier - Arrefecimento

Figura 3.3- Demonstração do efeito Peltier. Irradiação e absorção de calor, (a) e (b) respectivamente.

O efeito Peltier é conseguido através de uma corrente gerada por uma fonte exterior

ou pelo seu próprio par termoeléctrico. Este efeito termoeléctrico é utilizado em

diversos sectores da electrónica, nomeadamente para o controlo de temperatura de

componentes e circuitos. No sector industrial, é utilizado em pequenos frigoríficos sem

compressor. Na Figura 3.4 apresenta-se a exemplificação de dois diferentes materiais

com a respectiva passagem da corrente eléctrica. Tipo n corresponde a Bismuto, telurio,

Selenio (BiTeSe) e Tipo p corresponde a Bismuto, Telurio, Antimônio (BiTeBb) [13,14].



Figura 3.4- Aplicação do efeito Peltier com diferentes materiais. Representação do sentido da corrente (I).

3.4 Termopar

Um termopar é constituído por dois condutores metálicos distintos, de metal puro

ou ligas homogéneas. Os dois metais são soldados (fusão por aquecimento) numa

extremidade, que se designa por junção quente ou junção de medição. A outra

extremidade dos condutores é utilizada para a respectiva medição, designado por junção

de referência, fechando assim o circuito eléctrico por onde flui a corrente eléctrica.

O funcionamento dos termopares é um bom exemplo de aplicação do efeito

Seebeck, onde a tensão gerada é proporcional à diferença de temperatura entre as

extremidades do sensor. A tensão medida nas extremidades de um termopar é obtida

através da seguinte expressão:

(3.3)

Onde e são as constantes Seebeck dos metais e dependem da constituição

dos materiais.Duas junções de diferentes metais a diferentes temperaturas geram uma

força electromotriz (f.e.m.) que é proporcional à diferença de temperatura. Na Figura 3.5

representa-se a estrutura de um termopar.

Figura 3.5- Termopar com diferentes metais A e B.



Estes sensores medem a diferença de temperatura entre dois pontos, por este

motivo é indispensável determinar a temperatura de uma das junções, para saber a

temperatura da outra. Em muitas aplicações, a junção de referência (constituída por

gelo, ver Figura 3.6) é substituída por circuitos electrónicos. É também importante que a

linearidade destes sensores seja a maior possível de forma a obter um menor erro e

maior exactidão [48].

Figura 3.6: Termopar, onde a junção A e B constitui a junção de teste. A temperatura de referência é obtida

com gelo (0ºC).

Estes sensores são muito usados em várias aplicações, nomeadamente no sector

industrial, principalmente nas indústrias: metalúrgica e metalomecânica e siderurgias

onde a medida de temperaturas elevadas é importante. A linearidade, precisão e

estabilidade são melhores que um termistor ou uma termoresistência [38], e uma grande

vantagem é a sua área de medida ser muito reduzida. Um termopar é um sensor de

temperatura diferente de todos outros, visto que a sua resposta está directamente

relacionada com a diferença de temperatura das junções de referência e medição, Th e Tc

respectivamente.



3.5 Condutividade Térmica

A condutividade térmica ( ) é uma propriedade física dos materiais que mede a

capacidade de transferir calor através da sua secção. É definida como a potência térmica

transferida por unidade de área ao longo de uma espessura unitária sujeitas a uma

diferença de temperatura unitária (Wm-1

K-1

). Esta propriedade é usada na expressão de

cálculo da potência térmica:

(3.4)

Onde [W] corresponde à potência térmica transmitida através de uma espessura

[m] de área [m2], com uma diferença de temperatura [ºC], e uma condutividade

térmica .

Outro factor importante é o coeficiente global de transferência de calor (U), é

utilizado quando existem várias camadas de materiais diferentes e de diferentes

espessuras, este corresponde à potência térmica que atravessa a unidade de área quando

sujeita a uma diferença de temperatura unitária [38] e é expresso em ( ).

Assim a potência térmica em função de U é dada por:

(3.5)

Num só material, este coeficiente relaciona-se directamente com a condutividade

térmica por:

(3.6)

Na Tabela 3.1 apresenta-se a condutividade térmica para diferentes materiais

[41,42,43], apresentando em primeiro lugar um dos metais com melhor condutividade

térmica.



Tabela 3.1: Materiais e respectiva condutividade térmica [41,42].

Material Condutividade Térmica (W )

Prata 426

Cobre 398

Alumínio 237

Tungstênio 178

Ferro 80,3

Vidro 0,72 – 0,86

Água 0,61

Tijolo 0,4 – 0,8

Madeira (pinho) 0,11 – 0,14

Fibra de Vidro 0,046

Espuma de Poliestireno 0,033

Ar 0,026

Usando a Tabela 3.1, é possível calcular a transferência de calor de uma superfície

para o seu extremo.

3.6 Figura de Mérito

Este conceito visa caracterizar o desempenho de um conversor, sistema ou método

em relação a outras alternativas existentes, ou seja, consiste numa medida de

desempenho dos materiais termoeléctricos. A figura de mérito é representada por

Z ou ZT (adimensional), relaciona os efeitos Seebeck (α) [ ], a

resistividade eléctrica ( ) e a condutividade térmica ( ) de um conversor

termoeléctrico, matematicamente é obtida da seguinte forma [16,43]:

(3.7)

http://pt.wikipedia.org/wiki/Tungst%C3%AAnio

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ferro

http://pt.wikipedia.org/wiki/Vidro

http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%81gua

http://pt.wikipedia.org/wiki/Tijolo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Madeira



Este parâmetro mostra que quanto maior a resistividade do seu material, maior é o

aquecimento por efeito de joule e pior a figura de mérito. As variáveis e

representam o cálculo equivalente de todas as condutâncias térmicas e resistências do

conversor. O parâmetro Z é frequentemente substituído por ZT, onde o material é

caracterizado para uma determinada temperatura [18,44,45].

(3.8)

Esta relação ( ) depende acima de tudo das propriedades termoeléctricas dos

materiais utilizados, no entanto, a Figura de Mérito não tem um comportamento

constante com a temperatura, pois as três variáveis {α, ,κ} além de dependerem da

temperatura também se verifica que a variação de uma delas afecta a variação de pelo

menos uma das outras. Um bom material termoeléctrico possui uma elevada figura de

mérito ( ) [47].

3.7 Conversores Termoeléctricos

Um conversor termoeléctrico de efeito Seebeck – Peltier, é como o próprio nome

indica, baseado nestes efeitos. É amplamente utilizado em aplicações de arrefecimento

ou aquecimento onde o seu reduzido tamanho, o facto de consistir numa única peça, a

sua simples implementação, a vantagem de não necessitar de manutenção e o seu

elevado tempo de vida, prevalecem sobre outros conversores como por exemplo,

evaporadores, condensadores ou compressores. Estes conversores são muito utilizados

em pequenos frigoríficos portáteis, em equipamentos de laboratório, no arrefecimento

de processadores para aumentar o seu desempenho, entre várias aplicações. Na Figura

3.7 representa-se a estrutura de um conversor termoeléctrico convencional.



Figura 3.7- Conversor termoeléctrico baseado no princípio de funcionamento Seebeck – Peltier [19].

A sua composição é feita por junções de materiais do tipo p e do tipo n, ligadas

electricamente em série por junções metálicas e termicamente em paralelo (Figura 3.7).

Quando está a ser percorrida por uma corrente eléctrica, esta entra pelo terminal (+),

percorre todos os elementos em série e sai pelo outro terminal (-). Os pares térmicos

encontram-se colocados entre duas placas de cerâmica planas na base do óxido ou

nitrato de alumínio que são utilizados para o contacto térmico do conversor ao restante

sistema [19].

O princípio de funcionamento destes conversores baseia-se nos efeitos Seebeck e

efeito Peltier. No efeito Peltier, quando uma corrente percorre num sentido, uma das

faces vai irradiar e a outra absorver calor. Quando essa corrente percorre no sentido

contrário, essa mesma face absorve calor e a outra emite calor. Para uma boa eficácia,

ambas as faces devem estar bem isoladas entre si. No funcionamento como geradores

termoeléctricos é utilizado o efeito Seebeck, onde a energia eléctrica é gerada através de

diferença de temperatura entre as faces. Na Figura 3.8 representa-se o circuito eléctrico

equivalente de um conversor, onde [V] é a tensão gerada, [Ω] a resistência

eléctrica interna e [V] a tensão eléctrica aos terminais do conversor.



Figura 3.8- Circuito eléctrico de um conversor termoeléctrico convencional.

Analisando o circuito da Figura 3.8 verifica-se que a expressão obtida para o cálculo

de é obtida da seguinte forma:

(3.9)

Substituindo por , ou seja, pela queda de tensão na resistência eléctrica

interna quando o circuito é fechado e por ele é percorrida uma corrente eléctrica:

(3.10)

Por outro lado, resolvendo a expressão em ordem a , para se obter a tensão

gerada no módulo termoeléctrico obtém-se:

(3.11)

Em que corresponde à tensão Seebeck, ou seja, a tensão de alimentação de um

conversor corresponde à soma de dois valores: queda de tensão na resistência interna e a

tensão Seebeck. Idealmente a resistência interna destes módulos deveria ser nula, como

isso não acontece, pretende-se que essa resistência seja a menor possível, para que a

potência transmitida para o gerador seja máxima. A diferença de temperatura entre a

face fria e a quente, geram uma diferença de potencial por efeito Seebeck.

(3.12)



Onde, corresponde à diferença de temperatura entre as duas faces e representa

o coeficiente de Seebeck dos materiais p e n. Desta forma, é então, possível determinar

a diferença de temperatura entre as faces em função do circuito eléctrico [46].

(3.13)

3.7.1 Funcionamento como Gerador Termoeléctrico

Quando estes conversores termoeléctricos estão a operar como geradores de energia

eléctrica, encontram-se sob a aplicação do efeito Seebeck, produzindo assim, energia

através de diferenças de temperatura. A diferença de temperatura entre a face quente e a

de menor temperatura, é correspondente à tensão eléctrica gerada, no entanto para cada

tipo e fabricante de conversores a sua curva característica pode variar. Existe sempre um

ponto óptimo de potência (tensão, corrente) gerada relativamente à diferença de

temperatura ( ). Na Figura 3.9 pode ser visto a representação de um conversor

termoeléctrico de um elemento, a funcionar como gerador de energia. Quando estes

módulos funcionam como geradores, não existe qualquer tipo de fonte de alimentação

DC externa, apenas uma carga (resistência, motor, entre outros). Como mostra a Figura

3.9, a corrente eléctrica é produzida pelo movimento das cargas da junção quente para a

junção fria, no tipo p existe excesso de cargas positivas na região fria, e no tipo n os

electrões originam um excesso de cargas negativas junto da mesma região [42].

Figura 3.9- Funcionamento de um elemento em série de um conversor termoeléctrico a funcionar como

gerador.



Cada junção pn produz uma tensão na ordem das centenas dos millivolts, sendo a

tensão total multiplicada pelo número de junções (n) e é expressa da seguinte forma:

(3.14)

Onde e correspondem ao coeficiente Seebeck dos materiais condutores e

à diferença de temperatura. Para um bom desempenho destes conversores é necessário

que a condutividade térmica ( ) dos próprios seja a mais baixa possível para que se

obtenha o máximo grau de isolamento entre as placas de cerâmica, para que também

haja uma menor energia térmica transferida de uma face para a outra. A resistência

corresponde à resistência total do interior de um conversor, o ( ) consiste na

condutância térmica do mesmo (WK-1

), e é obtida por:

(3.15)

Este parâmetro depende das dimensões do material termoeléctrico, principalmente

da condutividade térmica ( ) da sua secção ( ) e do comprimento ( ) [18]. O parâmetro

( ) representa a resistência térmica total do conversor termoeléctrico.

(3.16)

É importante destacar que para além das resistências das junções pn e das

resistências dos contactos metálicos, existe a resistência térmica de contacto entre as

junções termoeléctricas e os contactos metálicos, mas que pode ser habitualmente

desprezada, relativamente às restantes.

O funcionamento como gerador de energia conduz a carga eléctrica que se encontra

na face quente para a face fria, fluindo através dos elementos condutores até à conexão

com a face de menor temperatura.

Com a tensão de saída do conversor termoeléctrico, sabendo também a

resistência eléctrica interna , é possível calcular a potência eléctrica ( ) gerada.



A potência de saída ( ) é obtida à plena carga, ou seja, quando a resistência interna

do conversor é igual à resistência da carga.

(3.17)

A resistência eléctrica interna é um parâmetro com a máxima relevância, visto que a

máxima potência, ou seja, a máxima transferência de energia é obtida quando a

resistência eléctrica interna do conversor é igual à resistência eléctrica da carga

( ), como pode ser visto na Figura 3.10. A resistência interna de um conversor

é obtida pela soma algébrica das resistências térmicas internas do material metálico da

junção ( ), a soma das junções pn e a resistência térmica dos contactos físicos ( ).

Figura 3.10- Circuito para medição da potência máxima num conversor termoeléctrico.

Um conversor termoeléctrico convencional é composto por n junções do tipo n e do

tipo p como mostra a Figura 3.11 (apenas para uma junção). Nos cálculos da

transferência de calor num conversor, desprezam-se as perdas entre os contactos, as

perdas para o ar e as perdas na cerâmica (o mesmo acontece para o arrefecimento).



Figura 3.11- Representação de uma junção p-n de um conversor termoeléctrico. S representa a área da

superfície de um elemento e l o comprimento.

A potência térmica transferida de uma face para a outra é dada em função da

diferença de temperatura (∆T) [ºC] e a condutância térmica (K) do conversor.

(3.18)

A condutância térmica do conversor é dada em função da condutância térmica de

cada junção pn. Cada junção contém uma determinada área (S) [m2], uma condutividade

térmica ( ) e um comprimento ( ). Como os elementos pn têm iguais volumes a

condutância térmica é igual para ambos, ou seja:

(3.19)

Substituindo a equação 3.19 na equação 3.18 obtém-se a potência térmica produzida

num conversor termoeléctrico funcionando como gerador de energia.

(3.20)

O calor transmitido ao conversor termoeléctrico proporciona uma tensão aos

terminais do gerador. Esta tensão é dada em função da expressão representada em 3.14.



Por outro lado, a resistência interna ( ) destas junções (n e p) depende da resistividade

eléctrica destes materiais ( ), da área e do comprimento.

(3.21)

A eficiência térmica de cada junção pn é obtida através da relação da potência de

saída, potência eléctrica (PMAX) [W] com a potência de entrada, potência térmica (Q).

(3.22)

A potência eléctrica máxima é obtida através da expressão 3.17. Substituindo na

expressão 3.22 o PMAX [W] por a expressão 3.17 e Q [W] pela expressão 3.20, obtém-se

a expressão final do rendimento numa junção pn.

(3.23)

Pode-se então concluir que o rendimento termoeléctrico de um conversor aumenta

com o aumento da diferença de temperatura e com o aumento da área da secção. Por

outro lado, quanto maior é o comprimento e a condutibilidade térmica menor é a

eficiência [15,16,18,58].

3.7.2 Funcionamento como Arrefecimento Termoeléctrico

Nesta aplicação é forçada uma corrente contínua aos terminais do conversor,

provocando assim o aparecimento de uma potência térmica nas faces do conversor

termoeléctrico, fazendo com que surja o aparecimento de uma diferença de temperatura

entre ambas as faces ( ). Esta aplicação pode ser vista na Figura 3.12. Uma vez mais,

recorre ao uso do efeito Seebeck e Peltier [42,16].



Figura 3.12- Funcionamento de um elemento em série de um conversor termoeléctrico a funcionar como

arrefecimento.

Na região de absorção de calor, os electrões fluem do material tipo p para o

material tipo n, onde o calor é absorvido, ou seja, convertido em energia térmica, uma

vez que os electrões transitam de um nível inferior para um nível de superior energia.

Na região de rejeição de calor, os electrões fluem do material tipo n para o material tipo

p, havendo libertação de calor, esta energia térmica é convertida em calor, devido à

transição para um nível inferior de energia. Os portadores de carga (positivos ou

negativos) deslocam-se sempre da junção fria para a junção quente. A capacidade total

calorífica de um conversor é proporcional à intensidade da corrente e depende sempre

da geometria do número de pares de junções e do material utilizado na sua constituição.

Nesta sequência, a expressão que descreve a absorção de energia no lado frio é obtida

através da seguinte equação de equilíbrio de energia [15,58]:

(3.24)

Onde corresponde à quantidade de energia que um conversor absorve do

exterior, no seu lado frio. As variáveis e representam o coeficiente Seebeck de

cada material p e n respectivamente. O valor da temperatura na face fria é representado

por . A corrente eléctrica é representada por I. A resistência interna eléctrica do

conversor representa-se por R, a condutância térmica é representada por K e

representa a temperatura na face quente. Numa comum aplicação de absorção de



energia, ou seja, arrefecimento, a face quente encontra-se sempre acoplada a um sistema

de arrefecimento, este normalmente é implementado com dissipadores metálicos:

dissipadores através de ventilação forçada ou arrefecimento a água ou óleo, de forma a

não provocar o sobreaquecimento do conversor, para que este não exceda o limite

máximo da temperatura no seu interior. Por outro lado, na face quente obtém-se a

seguinte expressão, baseada também nos princípios da equação anterior.

(3.25)

Uma vez mais, através da Figura 3.12 verifica-se que corresponde ao fluxo de

calor que o conversor absorve do exterior na face fria, corresponde ao fluxo de calor

libertado no lado quente e representa a temperatura na face quente. Através das

equações acima descritas, observa-se que o calor libertado na face quente é sempre

maior que o calor absorvido na face com menor temperatura. Esta diferença é

compensada pela energia eléctrica que o conversor gera por efeito Seebeck.

Destacam-se ainda algumas vantagens deste modo de operação dos conversores

termoeléctricos relativamente a outros sistemas de arrefecimento. Este é um método de

produção de calor/frio silencioso e sem quaisquer tipos de vibrações, a potência do

arrefecimento é facilmente controlada, bastando regular a tensão de alimentação,

destacam-se também pelo elevado tempo de vida útil não necessitando de manutenção,

e do facto das dimensões serem compactas. Por outro lado, apresentam desvantagens,

têm um baixo rendimento e o custo de produção é elevado.

Para além do coeficiente da Figura de Mérito, os conversores termoeléctricos são

também destacados pelo seu coeficiente de desempenho (C.O.P.), este é um dos

parâmetros a ter em conta aquando o uso destes conversores. Com este coeficiente é

possível determinar a quantidade de calor que é absorvido pela face fria em função da

quantidade de energia eléctrica consumida pelo conversor [49]. Este é definido como o

calor absorvido na extremidade fria dividido pela potência eléctrica aplicada.

(3.26)



O parâmetro corresponde à quantidade de calor absorvido na junção fria,

enquanto indica a potência fornecida. Um conversor termoeléctrico com um

elevado C.O.P. consome menos potência eléctrica e absorve mais calor na face fria,

produzindo também mais calor na face quente. A selecção desejada para obtenção de

um conversor termoeléctrico, tem por norma, obedecer a um compromisso entre a

diferença de temperatura pretendida e a quantidade de calor que deve ser retirado. O

coeficiente de desempenho de um conversor é máximo (quando este opera em modo de

arrefecimento), para pequenas diferenças de temperatura. No funcionamento como

gerador, é necessário estar presente, diante de elevadas diferenças de temperaturas para

se obter o máximo desempenho [52].

3.7.3 Materiais Termoeléctricos

Ao longo dos anos grandes esforços são feitos com a intuição de se adoptar

materiais adequados para o fabrico dos conversores termoeléctricos. Há poucos anos

para cá, o valor da Figura de Mérito (ZT) tem vindo a aumentar. Este ainda tem um

valor muito reduzido (ZT=1 à temperatura ambiente). Um material com boas

propriedades termoeléctricas possui um elevado coeficiente de Seebeck e reduzidas

resistividade eléctrica e condutividade térmica. Na Tabela 3.2 apresentam-se alguns

materiais que compõem alguns conversores termoeléctricos existentes [39].

Tabela 3.2- Propriedades termoeléctricas de diferentes materiais [39].

Material Símbolo Coef. Seebeck

α (μVK-1)

Resistividade

(μΩm)

Cond. Térmica

κ (Wm-1K-1)

Figura de Mérito

ZT (300K)

Níquel Ni -18 0,070 91 0,015

Crómio Cr 18 0,13 94 0,008

Bismuto Bi -60 1,15 8,4 0,110

Antimónio Bb 40 0,42 18,5 0,062

Telureto de Bismuto Bi2Te3 -240 10 2,02 0,86

Telureto de Antimónio Sb2Te3 92 3,23 1,63 0,48



Habitualmente um material com baixa resistividade eléctrica apresenta uma

elevada condutividade térmica.

Na utilização dos materiais à temperatura ambiente os compostos de Telúrio

(Te), Bismuto (Bi) e Antimónio (Sb) apresentam a maior Figura de Mérito. Por este

motivo são utilizados na maioria dos conversores termoeléctricos comerciais.

Recentemente surgiram investigações científicas que narram o fabrico de

materiais com Figura de Mérito muito superior às da Tabela 3.2, recorrendo a uma

estrutura em nanofios e superredes [39].

No gráfico da Figura 3.13 apresenta-se o comportamento de um conversor

termoeléctrico constituído por: Tipo n - Bi2Te3, Tipo p - Sb2Te3 para diferentes

temperaturas. Apresenta-se a variação dos parâmetros: resistência eléctrica interna (R),

condutividade térmica (κ), Figura de mérito (ZT) e o coeficiente Seebeck gerado em

função da temperatura.

Figura 3.13- Coeficiente Seebeck (S), resistência eléctrica (R) [Ω] e condutividade térmica (K) em função de

uma temperatura.

Na Figura 3.13 apresenta-se o coeficiente Seebeck (S), a resistência eléctrica (R),

a condutividade térmica (κ) e a figura de mérito (ZT) em função da temperatura. Com o

aumento da diferença de temperatura, a figura de mérito decresce (ZT). Isto deve-se à

diminuição do coeficiente de Seebeck, ao aumento da resistência e ao aumento da

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

S (V

/K)

R (

Oh

m),

K(W

/K),

ZT

T (ºC)

R K ZT S



condutividade térmica. Um grande problema na constituição destes conversores é a

questão da eficiência para altas temperaturas, actualmente os materiais utilizados na sua

constituição ainda apresentam uma reduzida figura de mérito e baixa eficiência, na

Figura 3.14 apresenta-se o comportamento típico de um gerador termoeléctrico (Tensão,

Potência máxima e Eficiência) quando uma das faces é mantida a 27 ºC e na outra face

é aplicada uma temperatura entre 50 ºC e 250 ºC.

Figura 3.14- Tensão de saída, potência eléctrica e eficiência de um gerador termoeléctrico em função da

temperatura na face quente, quando a face fria é mantida a 27 ºC.

A tensão de saída, potência eléctrica, eficiência e a temperatura na face quente são

obtidas com uma constante temperatura na face fria (27 ºC). Como pode ser observado

na Figura 3.14, acima de 230 ºC a eficiência começa a reduzir, o que significa que os

actuais conversores termoeléctricos não são os mais adequados para elevadas

temperaturas. Para contrariar este facto e para futuramente se obter uma melhor

eficiência e melhor figura de mérito, prosseguem exaustivas pesquisas por parte dos

investigadores [4].

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250

Efic

iên

cia

(%)

Ten

são

(V)

, P

otê

nci

a (W

)

Temperatura (ºC)

Tensão Potência Eficiência



3.8 Potência Térmica

Considerando dois corpos A e B de massa m, com temperaturas distintas, TA > TB,

existe uma transferência de energia do corpo A para o corpo B, esta transferência é tal,

que ocorre até ao momento em que ambos fiquem à mesma temperatura, ou seja, até ao

momento em que ocorra o equilíbrio térmico. A quantidade de calor (Q) transferido é

proporcional à massa m e á diferença de temperatura (TB - TA). Na Figura 3.15

exemplifica-se este fenómeno [17].

Figura 3.15- Diagrama representativo da fórmula fundamental da calorimetria. O calor é transferido de A

para B.

A quantidade de calor transferido de um corpo ( ) é dada pelo produto do calor

específico ( ) com a sua massa ( ) e variação de temperatura ( ). A expressão é

obtida através da fórmula fundamental da calorimetria.

(3.29)

Dividindo ambos os membros da equação (3.30) por obtém-se a potência

térmica, que corresponde à quantidade de calor transferido de um corpo por unidade de

tempo.

(3.30)

A potência térmica expressa em (W) é dada em função da massa do corpo pelo

produto do calor com a temperatura a dividir pelo tempo.



(3.31)

Esta potência pode ainda ser relacionada com a potência eléctrica dependendo

do tipo de aplicação.

3.9 Geradores Termoeléctricos

Actualmente o uso de materiais termoeléctricos tem sido amplamente procurado

devido a inúmeras razões, destacando-se sobretudo pela sua fiabilidade e pela sua

contínua produção de energia. O uso deste tipo de geradores pode ser implementado em

vários equipamentos, desde que haja dependência de calor, libertação ou absorção.

Analisando um pouco esta questão num panorama prático direccionado para os

automóveis, verifica-se que actualmente, apenas 30% da energia fornecida pelo

combustível a um veículo é aproveitada, os restantes 70% destinam-se às perdas de

calor pelas emissões de gases de escape [4,25]. Reflectindo um pouco sobre esta

questão, destaca-se que existe uma grande quantidade de potência térmica não

aproveitada, e uma vez aproveitada, torna o veículo menos dependente do uso de

combustível e mais ―amigo‖ do ambiente.

Com o uso de conversores termoeléctricos é possível aproveitar a energia perdida

pelos gases de escape na forma de potência térmica, para a produção de energia

eléctrica, para um posterior consumo pelo próprio, utilizando-a em vários periféricos do

automóvel, como, o sistema de iluminação, rádio, ar-condicionado, entre outros,

facultando assim um maior desempenho do próprio veículo de acordo com um menor

consumo de combustível.

3.9.1 Modelo Equivalente Eléctrico de um Sistema Térmico

Num sistema de reaproveitamento de calor num automóvel é importante abordar

todos os factores que influenciam o desempenho, nomeadamente a transferência de



calor e todos os seus opositores, ou seja, todas as resistências que se opõem ao fluxo de

calor. Na Figura 3.16 representa-se um modelo eléctrico geral de um gerador

termoeléctrico desde a saída dos gases de escape, passando pelos conversores

termoeléctricos até ao sistema de arrefecimento dos conversores através de água. Neste

circuito encontra-se representado, a saída dos gases de escape, onde o calor libertado

pelo escape à temperatura de 800 ºC visualiza-se também, o arrefecimento dos

conversores termoeléctricos através de água a 50 ºC.

Figura 3.16- Modelo de um gerador termoeléctrico para um automóvel com o respectivo sistema de

arrefecimento dos conversores através de água.

Ainda no mesmo circuito, representa a resistência térmica da saída dos gases

quentes, representa os gases que saem do escape e vão para o ambiente antes de

passar pelo gerador, corresponde à resistência térmica do sistema que capta o calor

dos gases e transmite à face quente dos conversores, indica a resistência térmica dos

conversores termoeléctricos, esta resistência significa a resistência térmica entre as

faces quente e fria dos conversores termoeléctricos. O parâmetro equivale à

resistência térmica da transferência de calor ao líquido de arrefecimento, cita a

resistência térmica da saída da água fria e corresponde ao fluxo de calor transmitido

pelos gases de escape para todo o circuito. A temperatura dos gases de escape é máxima

quando atinge 800 ºC. Esta temperatura é enviada para a face quente dos conversores



termoeléctricos, no entanto, pelo meio existe uma oposição térmica entre o motor e a

face quente dos conversores ( ) e as perdas de calor pelo próprio escape ( ).

Pretende-se que os conversores termoeléctricos tenham a máxima eficiência, para tal,

pretende-se que estes tenham uma reduzida condutividade térmica entre ambas as faces,

portanto, pretende-se que a resistência térmica associada a estes conversores seja

elevada. Junto à face fria dos conversores encontram-se as condutas de arrefecimento

através de água. Estes têm contacto directo para o ambiente (representado na Figura

3.16), o que significa que entre a face fria e o bloco de arrefecimento existem fugas de

calor (representadas por: ). A saída da água do arrefecimento é representada por ,

esta representa o calor perdido no encaminhamento da água. Por fim representa-se o

parâmetro , este corresponde à passagem do calor por todo o sistema, ou seja, o calor

circula pelo tubo de escape, onde é encaminhado para os conversores termoeléctricos, e

posteriormente é introduzido nas condutas de arrefecimento de água e o restante é

libertado para o ambiente.

3.9.2 Modelação de um Gerador Termoeléctrico

Um gerador termoeléctrico é composto por vários componentes, um dos mais

importantes, é o bloco de recuperação de calor, capaz de captar o calor dos gases. Este

módulo é constituído por um bloco com um orifício no centro percorrendo de um lado

ao outro de toda a extremidade. Ti é a temperatura dos gases quentes que entram no

bloco e TH corresponde à temperatura do bloco, T0 a temperatura da saída dos gases e Tc

a temperatura da água, ver a Figura 3.17.

Figura 3.17- Modelo geral de um gerador termoeléctrico para um automóvel.

Ti, ,

T0, ,

TC, ,



Este bloco é composto por um metal de elevada condutividade térmica, para que

haja uma elevada transferência de calor. É possível encontrar também neste sistema, o

arrefecimento dos conversores através de água a uma temperatura aproximadamente

constante. Como anteriormente foi referido (secção 3.9), quanto maior for a diferença

de temperatura entre ambas as faces dos conversores, maior é a energia produzida

através do efeito Seebeck. Por este motivo, forçou-se a passagem de água na face fria

dos conversores. A potência eléctrica produzida por este gerador destina-se a alimentar

um banco de baterias existente no veículo.

Considerando, m’ como o caudal mássico que entra no bloco, o calor específico

dos gases cp, a área interna do tubo A, a temperatura dos gases à saída T0 e a

temperatura dos gases de entrada Ti, o coeficiente de transferência de calor dos gases no

tubo h ( ), a temperatura do bloco ( ) é obtida em função da seguinte

equação [44,45,90,91].

(3.32)

A potência térmica transferida entre os gases que circulam no tubo à

temperatura (Ti) e a temperatura do ar (TAIR) podem ser relacionados com o caudal

mássico m’.

(3.33)

Considerando que

, a equação (3.32) pode ser simplificada da

seguinte forma:

(3.34)

A potência térmica transferida para o bloco ( ) pode ser calculada através da

seguinte equação:

(3.35)



Onde corresponde à diferença de temperatura média logaritmica dos

gases do tubo, e é obtida em função da seguinte equação [90,91]:

(3.36)

Os conversores termoeléctricos transferem o calor dos gases do bloco para a

região onde circula a água fria. A temperatura no lado frio da água (Tc) é considerada

constante e igual à temperatura da face fria dos conversores termoeléctricos, isto na

prática pode ser conseguido através de um grande caudal de água. Por outro lado, a

temperatura na face quente dos conversores encontra-se à mesma temperatura do bloco

(TH). A taxa de transferência de calor da face quente para a face fria (TH e TC

respectivamente) é dada em função do número de conversores termoeléctricos (n) e da

condutividade térmica média de cada conversor ( ), este é um valor médio porque a

condutividade térmica não é constante ao longo de toda a gama de temperaturas.

(3.37)

A variável da equação (3.36) é igual ao

da equação (3.38), substituindo

na equação (3.36) pelo da equação (3.37), e resolvendo em ordem a TH

obtém-se:

(3.38)

Pelo que a temperatura na zona quente do bloco (TH) tem uma relação linear com

a temperatura dos gases que entram no mesmo (Ti).

Os conversores termoeléctricos produzem uma tensão de saída (V0) que é

proporcional à diferença de temperatura entre a face quente e a fria: equação (3.40),

onde α corresponde ao coeficiente Seebeck e não é constante com o aumento da

temperatura. Como os conversores estão todos electricamente ligados em série, a tensão

total (V0) e a resistência total (Ri) do gerador são a soma das tensões produzidas em cada

conversor e a soma das suas resistências internas.



(3.39)

A máxima transferência de potência (P0) dos conversores quando estes se

encontram em carga ocorre quando a resistência eléctrica da carga (R0) é igual à

resistência eléctrica interna média dos conversores (Ri).

(3.40)

A eficiência da conversão de energia (ɳ) é obtida tendo em conta a taxa de

transferência de calor e a potência eléctrica disponível à saída do conversor.

(3.41)

Os valores de , e α dependem da temperatura, como foi inicialmente indicado,

por esta razão, na equação (3.41) são usados valores médios.

3.9.3 Gerador Termoeléctrico Implementado

Um gerador termoeléctrico foi projectado para uma potência térmica de entrada de

= 60 kW com uma temperatura máxima dos gases de escape de 1000 K e um caudal

mássico de . A temperatura máxima admissível nos conversores

termoeléctricos é de 500 K. Com estes valores seriam necessários pelo menos 72

conversores termoeléctricos para garantir que esse limite não seja ultrapassado. Para tal,

consideraram-se 96 conversores, permitindo uma temperatura máxima no bloco de

480 K (207 ºC). Através dos cálculos verifica-se que a potência térmica transmitida aos

blocos da água é de 36 kW. A temperatura média na zona fria dos conversores é

mantida aos 50 ºC. Considerando um aumento máximo da temperatura da água de 40 K

e um fluxo de um caudal mássico da água de , seria necessário obter no



circuito de arrefecimento 300 K à entrada e na saída uma temperatura máxima de

350 K.

Nestas circunstâncias, e para a potência máxima de entrada ( ), a

temperatura de saída dos gases é ainda de 540 K, o que significa que os gases de saída

têm uma potência de saída de 21 kW, enquanto o bloco atinge os 480 K, onde também

foram considerados os seguintes valores, e .

A máxima potência eléctrica gerada é de 1530 W com uma tensão em aberto de 820 V,

quando os conversores estão ligados em série. Considerando a potência total gerada

(potência de saída) de 1530 W, o rendimento de conversão da potência térmica nos

gases de escape é de 2,6 %, (Figura 3.18), embora o rendimento dos conversores seja de

3,9 %, contabilizando a potência térmica que passa através deles para a água de

arrefecimento.

Figura 3.18- Potência e eficiência termoeléctrica de um gerador com 96 conversores termoeléctricos.

O comportamento térmico deste gerador foi simulado através de modelagem de

elementos finitos (FEM), este encontra-se representado na Figura 3.19 [44].



Figura 3.19- Temperatura (ºC) e perfil de um gerador termoeléctrico para um motor de 60 kW e 800 ºC.

Este, representa a temperatura calculada num bloco de cobre, onde a temperatura

não é uniforme em todos os conversores termoeléctricos.

3.10 Conclusões

O efeito Seebeck aplica-se na geração de uma diferença de potencial eléctrico (e

uma corrente) quando existe uma diferença de temperatura submetida em dois

condutores metálicos. Por outro lado, o efeito Peltier é o contrário, quando se aplica

uma corrente em dois condutores metálicos diferentes, vai existir uma diferença de

temperatura entre ambas as extremidades desses metais. Um exemplo bastante

interessante do efeito Seebeck é o princípio de funcionamento dos termopares, estes

produzem uma tensão eléctrica de acordo com um valor de diferença da temperatura.

É importante salientar que a condutividade térmica de um material consiste na

capacidade de transferência de calor entre as extremidades, ou seja, quanto maior for a

condutividade térmica, mais calor esse material é capaz de transferir. Um bom isolante é

um material que possui uma reduzida condutividade térmica. Destacam-se por exemplo,

dois extremos distintos, os metais como bons condutores térmicos e o ar como um bom

isolante térmico.

Essencialmente, um conversor termoeléctrico é constituído por junções

semicondutores do tipo p e n ligadas em série entre si e termicamente em paralelo. Têm

como principais funções, gerar energia eléctrica e funcionar em modo de arrefecimento.



Quando estes se encontram a funcionar como geradores de energia, transferem calor e

proporcionam uma tensão eléctrica. Quando o circuito é fechado geram uma corrente

eléctrica. Por outro lado, quando se encontram a funcionar em modo de arrefecimento, é

produzido um gradiente de temperatura entre ambas as faces, quando é fornecida uma

potência eléctrica aos seus terminais. Para trocar a face quente pela fria basta inverter o

sentido da corrente.

A partir do estudo efectuado em (3.9.3) é possível verificar que a eficiência dos

conversores termoeléctricos para recuperação de calor no escape é ainda muito

reduzida, esta situa-se nos 3,9% num total 72 conversores.

Nos actuais conversores termoeléctricos comerciais, com o aumento da

diferença de temperatura, a figura de mérito diminui. Verifica-se também que a

eficiência decresce com o aumento das temperaturas, a partir de 230 ºC, devido ao

grande decréscimo da figura de mérito.

49

Capítulo 4

Tecnologias Heat Pipe

4.1 Introdução

De um ponto de vista geral, o calor e as suas propriedades são variáveis

constantemente presentes no mundo da electrónica de baixa e de alta potência, por

vezes este parâmetro influencia directamente as medidas e comportamentos obtidos

através de instrumentação, isto, provoca diversas alterações dos métodos de

funcionamento dos componentes electrónicos.

A transferência de calor é um processo adoptado para variadas aplicações,

nomeadamente em equipamentos de arrefecimento e aquecimento. Por vezes torna-se

dificultoso adquirir mecanismos para a transferência de calor. No uso de conversores

termoeléctricos, um factor de bastante relevo é a questão da temperatura. A temperatura

emitida às faces dos conversores não pode ser superior que a temperatura de operação

dos mesmos.

Neste capítulo pretende-se maximizar a transferência de calor de modo a

optimizar o sistema de recuperação de calor do efeito Seebeck. Apresenta-se o estudo e



a respectiva implementação de algumas tecnologias para obedecer ao fim pretendido.

São também abordados, alguns conceitos teóricos adicionais, relativos a este problema.

Na finalização do capítulo, é feito um resumo com umas breves considerações de

ordem teórica e prática sobre o funcionamento dos Heat Pipes.

4.2 Heat Pipe

Uma das formas de proteger os conversores termoeléctricos de elevadas

temperaturas nos sistemas de exaustão, passaria por isola-los parcialmente, no entanto,

esta solução seria altamente ineficaz, visto que apenas uma pequena parte do calor

disponível para recuperação seria aproveitado, o que levaria a uma pequena produção de

energia eléctrica, e consequentemente a um baixo rendimento. A solução ideal para este

problema, passa por controlar eficazmente a temperatura máxima submetida nos

conversores, tentando aproveitar o máximo calor possível para a recuperação de

energia, ou seja, limitar a temperatura atingida nos conversores. Esta forma de

transferência de calor é feita de maneira a fornecer uma temperatura suficientemente

baixa para junto dos conversores, tentando manter uma alta transferência de calor, para

tal, esta solução é conseguida recorrendo ao uso de tubos de calor (HP).

Um tubo de calor ou Heat Pipe (HP) consiste num mecanismo de transferência de

calor altamente eficiente, e é capaz de vencer desníveis consideráveis, possuem uma

elevada condutividade térmica. Estes são constituídos por tubos de metal fechados em

ambas as extremidades, onde no seu interior circula um fluido ou composto químico de

trabalho. São muito eficientes devido à sua capacidade de transferir grandes quantidades

de calor, de um ponto para o outro, com pequenas diferenças de temperatura [62].

A sua constituição consiste num tubo metálico oco, normalmente em cobre ou

alumínio devido à condutividade térmica e de acordo com a mesma, onde se encontra

preenchido por uma pequena quantidade de fluido no seu interior. Um Heat Pipe pode

ser considerado como um óptimo condutor de calor. Actualmente estes são muito

utilizados para evacuar o calor da fonte de alimentação de computadores portáteis.

A resistência térmica global de um tubo de calor deve ser a mais baixa possível, para

que o HP funcione correctamente, esta é definida da seguinte forma [62]:

Capítulo 4- Tecnologias Heat Pipe


(4.1)

4.2.1 Princípio de Funcionamento

O interior do tubo é preenchido com um fluido, que se denomina de fluido de

trabalho com um dado ponte de ebulição. Uma das extremidades recebe calor, ou seja,

altas temperaturas, a outra encontra-se a uma temperatura correspondente ao meio onde

se insere. O tubo tem portanto, três fases de operação. Junto à zona de aquecimento,

onde é denominada de junção entre a fonte de calor e região de vaporização do fluido. A

zona de condensação encontra-se na parte superior do tubo onde o fluido de trabalho é

condensado. E por fim zona intermédia do tubo, esta é designada por região de

transporte, onde se encontra o fluido de trabalho e faz a ligação das zonas de

vaporização e condensação. Esta teoria encontra-se caracterizada na Figura 4.1 [44,45].

Figura 4.1- Esquema representativo de um tubo de calor tradicional [45].

Este tubo é normalmente constituído por uma pequena quantidade de fluido de

trabalho, vapor térmico e gás. Durante o seu funcionamento, o tubo é aquecido numa

extremidade e retira-se o calor pela outra. Desta forma, o calor é fornecido ao tubo na

região de vaporização fazendo com que o fluido se vaporize após à chegada da

temperatura de ebulição. Neste seguimento, o fluido é transportado para a região mais

fria do tubo, a região de condensação, através da diferença de pressão, onde nesta região

o calor é rejeitado. Neste processo de rejeição de calor, o fluido de trabalho é



condensado e regressa para a vaporização por efeito de gravidade, através das paredes

do tubo, completando assim, o ciclo de operação e estar preparado para vaporizar e

condensar novamente. O princípio de funcionamento pode ser observado na Figura 4.2.

Figura 4.2- Princípio de funcionamento de um Heat Pipe vertical.

Fundamentalmente, o ponto de operação desta tecnologia baseia-se na

vaporização e condensação do fluido de trabalho, devido a estes efeitos, a sua

construção deve ser bastante criteriosa e pormenorizada, para que a temperatura de

funcionamento se adeqúe à temperatura de ebulição do fluido. A taxa de transferência

de calor obtida por meio de um Heat Pipe é extremamente elevada porque é baseada

num fenómeno de mudança de fase, conhecido pelas suas intensas taxas de transferência

de calor. Esta taxa de transferência de calor, acontece enquanto houver calor suficiente

para atingir as condições necessárias de ebulição, de forma a não dar inicio ao

fenómeno Leidenfrost1 [59], este consiste na formação de uma película de vapor de

interposição entre as paredes do Heat Pipe e a região do fluido de trabalho, que

dramaticamente reduz o processo de transferência de calor.

1Efeito Leidenfrost: Um exemplo curioso, é quando se derrama água sobre um metal extremamente quente, verifica-

se que o vapor de água que se forma abaixo da água e sobre a panela, mantém a água em suspensão e fica a boiar

sobre o vapor, não havendo contacto directo entre a água e o metal.



4.2.1.1 Temperatura de Operação

Relativamente à temperatura de operação de um Heat Pipe, este apenas

inicializa a sua transferência de calor da região quente para região fria, quando é

alcançada a temperatura de ebulição do fluido. Esta temperatura de ebulição não é um

valor estático, depende da pressão real do vapor no interior do Heat Pipe (que também

muda durante a operação). Existe um equilíbrio térmico entre o calor exterior fornecido

para a região de vaporização, o calor retirado da região de condensação e o equilíbrio da

pressão e temperatura no interior do mesmo. A temperatura do fluido de trabalho do

interior do Heat Pipe (temperatura de ebulição) fica estável. No entanto, existe uma

desvantagem neste sistema, quando uma carga excessiva de calor aumenta a pressão (e

temperatura) para níveis perigosos, nomeadamente em sistemas onde ocorra picos

elevados de temperatura [63].

4.2.1.2 Gases Não - Condensáveis num Heat Pipe

Um factor bastante importante no que diz respeito a esta tecnologia é a questão do

gás no seu interior, no momento em que se fecha um Heat Pipe à temperatura ambiente,

ou seja, quando não existem fugas para o exterior do tubo, o interior do mesmo vai ficar

com o volume preenchido com o fluido e o restante volume vazio fica totalmente

preenchido com ar. Este ar é a pressão atmosférica, ou seja, o ar encontra-se à pressão

atmosférica, esta pressão impede que a temperatura ambiente no interior do Heat Pipe

exceda os 100 ºC (temperatura de ebulição à pressão atmosférica) não permitindo

também, que a água ferva antes desta temperatura.

Uma forma de controlar esta questão, é por exemplo, retirar o ar com uma bomba de

vácuo antes de fechar o Heat Pipe, tentando colocar o interior do tubo de calor no ponto

mais próximo do vácuo. Nesta situação, a temperatura inicial de ebulição será muito

menor, e portanto, a transferência de calor no interior do Heat Pipe iniciar-se-á muito

mais cedo. Por outro lado, é também possível colocar diferentes pressões acima da

pressão atmosférica no interior do tubo, e assim consegue-se de uma forma controlável

atingir níveis de diferentes pressões e temperaturas de ebulição. Este aspecto é muito

importante nesta tecnologia, focando o ponto de grande interesse para o autor, transferir



a temperatura de 800 ºC para 220 ºC sem que haja perdas intermédias de calor. A Figura

4.3 exibe propriedades da água e Dowtherm A como possíveis fluidos de trabalho [70].

Figura 4.3- Propriedades de alguns possíveis fluidos de trabalho [89].

Este método de controlar a temperatura através do uso de Heat Pipes depende

fundamentalmente da selecção do seu fluido de trabalho, assim como, o volume

correcto de liquido. No entanto, existem outras estratégias para chegar a este objectivo.

É importante que a obtenção do fluido de trabalho satisfaça alguns requisitos, um factor

importante é a compatibilidade entre o fluido e o metal da parede do tubo, fazendo com

que exista uma boa estabilidade térmica. A pressão do vapor e a temperatura de

funcionamento devem estar entre limites aceitáveis. É também importante, salientar que

deve existir uma elevada tensão superficial [61,63,64,67].

4.2.2 Heat Pipe Vertical

O método de funcionamento dos Heat Pipes difere da sua posição e orientação, estes

encontram-se com diferentes características dependendo do ângulo que fazem com a sua

componente horizontal. O calor é fornecido na extremidade mais baixa e o fluido

começa a vaporizar, e chega à região de condensação onde se transforma novamente em

líquido e cai por acção da gravidade até à região de vaporização. Por acção da força da

gravidade (g) o fluido retorna para a região de vaporização, como ilustra a Figura 4.4.

0

1,5

3

4,5

6

7,5

9

10,5

12

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 100 200 300 400

Pre

ssão

Do

wth

erm

A (

bar

)

Pre

ssão

Águ

a (b

ar)

Temperatura (ºC)

Água

Dowtherm A



Figura 4.4- Representação simplificada de um Heat Pipe a funcionar na vertical.

Devido à vantagem do auxílio da força da gravidade, estes Heat Pipes não

necessitam de serem constituídos por paredes porosas ou com qualquer tipo de válvulas,

como acontece com Heat Pipes a funcionar noutra posição.

4.2.3 Heat Pipe Horizontal

Ao contrário dos tubos de calor verticais, a composição destes é bem mais

complexa, estes exigem uma diferente constituição das suas paredes que o compõem.

Como se encontram na posição horizontal, estes necessitam de outros mecanismos para

encaminhar o fluido da zona de condensação para a zona de vaporização. Na Figura 4.5

apresenta-se este princípio.

Figura 4.5- Representação simplificada de um Heat Pipe a funcionar na horizontal.



O calor aplicado na zona de vaporização ao fluido de trabalho que se encontra

numa extremidade do tubo, faz com que o liquido se vaporize. Este vapor passa no

centro do tubo, onde é levado para a região de condensação. O líquido retorna para a

zona inicial através da estrutura porosa e por efeito capilaridade2. A região porosa do

tubo, produz um gradiente de pressão ao longo do mesmo, isto faz com que o fluido

elimine eventuais perdas de escoamento no retorno. No entanto, a presença desta zona

porosa em toda a superfície interna aumenta as perdas de fluxo do líquido. Estas perdas

crescem consideravelmente com o aumento do comprimento do Heat Pipe, restringindo

a sua eficiência. A presença desta zona capilar, permite ao HP funcionar em qualquer

orientação [64].

Um dos principais limitadores da eficiência de um HP é a capacidade capilar da

zona porosa. Quando as perdas criadas ao longo do circuito forem superiores à

capacidade capilar da zona porosa, o líquido não consegue retornar à região de

vaporização, provocando assim um aumento excessivo de temperatura no HP.

4.2.4 Tipos de Heat Pipes

Actualmente existem inúmeras diversidades de controlo de temperatura através de

Heat Pipes, relativamente à sua geometria e função e à forma como transportam o

líquido da zona de vaporização para o condensador. Seguidamente apresentam-se

alguns tipos de diferentes HPs e uma breve introdução [66].

Variable Conductance Heat Pipe (VCHP)

Pulsating Heat Pipe (PHP)

Loop Heat Pipes (LHP) e Capillary Pumped Loops (CPL)

Na secção a seguir, apresenta-se de um modo conciso o método de funcionamento

de cada um destes HP, salienta-se ainda que existem mais vertentes para além dos acima

citados. Do ponto de vista do autor, estes surgem com mais interesse [62].

2Efeito capilaridade: propriedade de um fluido circular livremente em diferentes direcções de um tubo de reduzido

diâmetro.



4.2.4.1 Variable Conductance Heat Pipe

Os tubos de calor de condutância variável (VCHP) têm uma característica que os

distingue de todos os outros, este é capaz de controlar a mudança de fase da temperatura

de um líquido através da sua pressão. Este é usado com um tubo de calor normal,

acoplado a um recipiente de grande volume na extremidade fria do tubo. Com o uso

deste tipo de HP, a pressão no interior do tubo não aumenta, o que acontece com um

simples HP. Na secção à frente (4.3), é apresentado e exemplificado mais

detalhadamente.

4.2.4.2 Pulsating Heat Pipe

Um Pulsating Heat Pipe (PHP) consiste essencialmente num tubo dobrado com

diversas curvas, dando origem a um conjunto de HPs em paralelo, onde o tubo pode ser

aberto ou fechado (os tubos fechados apresentam melhor desempenho), parcialmente

preenchido com o fluido de trabalho. Na Figura 4.6 encontra-se a representação desta

variante de controladores de temperatura.

Figura 4.6- Pulsating Heat Pipe (PHP).

As fases liquida e de vaporização são distribuídas aleatoriamente ao longo do

tubo, ou seja, dentro do tubo o fluido é intercalado com bolhas de vapor. Com uma

fonte de calor, aplicada a uma das extremidades, provoca a vaporização do fluido e por



consequência a pressão aumenta, este vapor é levado para a região de condensação. O

arrefecimento do vapor resulta na redução da pressão. O crescimento das bolhas de

vapor da região de vaporização para a zona de condensação implica um movimento

oscilatório do fluido e do vapor, dentro do tubo. Este HP opera essencialmente através

de variações bruscas de pressão geradas durante o processo de mudança de fase,

fazendo com que o calor seja transferido de forma intermitente [65,74].

4.2.4.3 Loop Heat Pipes e Capillary Pumped Loops

Veja-se o caso dos Loop Heat Pipes (LHP) e Capillary Pumped Loops (CPL),

estes têm um princípio de funcionamento muito semelhante, ambos usufruem de um

reservatório e configurações mais sofisticadas. São capazes de proporcionar elevadas

taxas de transferência de calor (em relação a um HP) com pequenas diferenças de

temperatura, podendo as suas extremidades serem afastadas e estar sob a presença de

desníveis adversos. Estes sistemas são constituídos por um circuito fechado onde

contém a região de vaporização, o reservatório, responsável pela temperatura de

operação do circuito e a zona de condensação [72,73,76]. No LHP, o reservatório está

acoplado à zona de vaporização, no CPL, este está conectado através de um tubo em

qualquer ponto de passagem do fluido, como pode ser visto na Figura 4.7 [66].

(a) Capillary Pumped Loops (CPL) (b) Loop Heat Pipes (LHP)

Figura 4.7- Representação do princípio de funcionamento dos CPL e LHP.

A região de vaporização inserida no tubo contém ela própria a superfície com

relevo (porosa), onde possui também um canal central para encaminhar o fluido para a

seguinte fase. No inicio do processo, o liquido é transferido para a região quente,



formando assim uma barreira entre o liquido e o vapor, onde produz uma pressão

necessária para deslocar o fluido pelo circuito encaminhando assim, o vapor para a zona

das linhas de vapor, onde este é encaminhado para o condensador, voltando assim à sua

fase liquida através do efeito de capilaridade. O vapor e o líquido são transportados por

diferentes canalizações, assim não existe qualquer interacção térmica entre o líquido e o

vapor, onde poderiam causar distúrbios no seu funcionamento. Uma das grandes

diferenças entre ambos, é que um CPL tem dificuldades na inicialização, mas uma vez

superado este problema, um circuito CPL funciona com grande nível de confiança e de

forma previsível. Estes circuitos podem ter a capacidade de controlar a temperatura de

funcionamento [73,76].

4.3 Heat Pipe de Condutância Variável

Uma forma de controlar a mudança de fase de um líquido passa pelo controlo da

sua pressão. Esta variante de HPs destina-se a um controlo óptimo da temperatura no

seu interior, utilizando a pressão como um método de controlo. Diferencia-se de todos

os outros pela sua característica única, tem a capacidade de manter a temperatura

constante na zona de vaporização e condensação. No momento em que atinge uma

pressão constante no seu interior, atinge-se também uma constante temperatura aquando

a transferência de calor. As aplicações com VCHPs são utilizadas em aplicações como

no controlo térmico de componentes em satélites para precisão e calibração de

temperaturas, como também para controlar a temperatura em componentes electrónicos

[62]. Após a construção de um Heat Pipe, é adicionado a jusante da região de

condensação, um reservatório de grande volume, este pode ser convenientemente

vedado com uma válvula. Esta adição, permite uma maior eficácia no fluxo de calor

quando se encontra em potência máxima, assim como, proporciona um controlo mais

preciso da temperatura de vaporização. Com a optimização de um HP forma-se então

um Tubo de Calor de condutância Variável, nesta variante, a pressão não aumenta, o

que implica que a temperatura de ebulição não se altere, o que acontece com os HPs.

Na Figura 4.8 encontra-se a representação de um HP acoplado com um

reservatório para a vaporização dos gases.



Figura 4.8- Representação de um Heat Pipe de condutância variável (VCHP).

Com esta implementação, o sistema HP encontra-se com uma pressão constante,

pelo que funciona dentro duma gama de temperaturas desejáveis, estas temperaturas

têm obrigatoriamente de ser cumpridas, visto tratar-se das temperaturas máximas

admissíveis pelos conversores termoeléctricos. O ar do recipiente é menos denso que o

vapor, assim, o vapor é imediatamente transferido para o recipiente, impedindo que o

vapor fique condensado na região de condensação. Um aumento de temperatura na

região de vaporização provoca um aumento da pressão do fluido de trabalho, o que faz

com que o gás se comprima numa menor área libertando do condensador uma maior

quantidade de calor. Por outro lado, uma inferiorização da temperatura na região de

vaporização provoca níveis de vapor inferiores nessa região, o que faz com que desça a

potência térmica instantânea. Com a vantagem de ajustar a pressão do ar, é possível

também controlar a temperatura de ebulição e optimizar a taxa de transferência de calor,

esta corresponde à temperatura de funcionamento do VCHP. Na Figura 4.9 relaciona-se

um HP constante com um HP de condutância variável.



A função do líquido neste tubo, passa por proporcionar uma área controlável da

região de condensação que aumenta ou diminui com base na transferência de calor de

acordo com a temperatura de vaporização.

Como foi visto anteriormente, a principal limitação de um gerador termoeléctrico

inserido no sistema de escape de um automóvel incide no excesso de temperatura nos

gases de escape. Uma técnica acessível para reaproveitar o calor do escape dos

automóveis com elevadas taxas de transferência de calor passa então, pelo uso de

VCHPs, com a região de vaporização acoplada ao tubo do escape, e posteriormente

conversores termoeléctricos com um circuito de arrefecimento através de água a circular

do lado oposto à face quente.

4.4 Heat Pipe Implementado

Em cada implementação foram efectuados diferentes testes. Em cada teste

forneceu-se calor à placa situada na base, e as temperaturas foram registadas de segundo

a segundo até que atingissem o ponto de ebulição da água 100 ºC (para testes com HP

com recipiente cilíndrico preenchido com água), sendo esta introduzida dentro do

recipiente cilíndrico.

P T

Reservatório

+ Fonte de temperatura (quente) + Fonte de temperatura (quente)

Standard Heat Pipe

Fonte de

calor

Zona fria

Variable Conductance Heat Pipe

Gás não

condensável

P;T P;T P;T

Figura 4.9- HP constante vs HP de condutância variável [45].



Com base na teoria dos HPs, a primeira implementação foi efectuada toda ela com

cobre, e pode ser visto na Figura 4.10, onde foram feitos os primeiros testes. Utilizou-se

um tubo de cobre com 22 mm de diâmetro e 220 mm de comprimento. Nas

extremidades deste tubo, foi soldado na base superior um recipiente cilíndrico onde é

colocado água, na base inferior, foi soldado uma placa de cobre, esta fica em contacto

directo com o calor a ela fornecido.

Figura 4.10- Implementação inicial: tubo de calor entre uma placa na base e um cilindro para água.

O registo da temperatura neste HP foi retirado através de três termopares, como

ilustra a Figura 4.10. Inicialmente o volume de líquido dentro do tubo foi parcialmente

preenchido com uma quantidade fixa de 5 a 20 mL de água e ar. O aumento da

temperatura da água no recipiente cilíndrico foi usado para calcular a energia térmica

transmitida pelo HP, ou seja, desde a sua base até à outra extremidade, considerando a

massa da água igual a 400 g, e a sua capacidade térmica igual a 4,186 Jkg-1

K-1

.

Seguidamente optimizou-se o HP da Figura 4.10 para o da Figura 4.11. Este HP

introduziu-se uma elevada área (60 mm de diâmetro e 65 mm de comprimento) de

contacto com a fonte de calor de forma a obter uma elevada taxa de transferência de

potência térmica para o recipiente cilíndrico.



Figura 4.11- HP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte de calor.

Houve ainda outra alteração, esta focou-se na região de condensação, ou seja,

como mostra a Figura 4.11, o HP inicia-se a meio da superfície da base, e prolonga-se

até ao recipiente cilíndrico, onde ocupa uma profundidade de metade do comprimento

deste cilindro.

Nesta configuração, as áreas de vaporização e condensação do HP (a área de

contacto entre a base, o interior do tubo e a fonte de calor, e a área de contacto entre o

vapor e o liquido do recipiente cilíndrico, respectivamente) foram substancialmente

aumentados. Na configuração anterior apenas existia contacto nas extremidades do HP

onde se encontravam em contacto com a fonte de calor e a fonte fria.

A próxima implementação baseia-se num esquema propício para a implementação

dos conversores termoeléctricos. Este tem o mesmo formato que o HP anterior devido à

sua elevada taxa de transferência de calor, ou seja, optimizou-se apenas, para uma

posterior colocação de conversores termoeléctricos. A Figura 4.12 mostra este HP.

Neste HP, a região de condensação do tubo de calor foi estendida para o centro do bloco

paralelepipédico. A região de vaporização foi também alargada para o centro de massa

da base, colocando um tubo de cobre onde se introduziu no HP. O objectivo desta

implementação é demonstrar e impedir que a temperatura máxima no bloco

paralelepipédico não exceda a temperatura máxima admissível pelos conversores

termoeléctricos (230 ºC).



Figura 4.12- HP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte de calor e optimizado

para os conversores termoeléctricos.

Acoplado à região de condensação encontra-se o bloco paralelepipédico, esta é a

zona para a posterior colocação dos conversores termoeléctricos, dado ser a região com

mais desempenho, ou seja, o ponto óptimo de funcionamento de um HP. Cada face do

bloco paralelepipédico tem as dimensões dos conversores, ou seja, cada conversor

termoeléctrico tem 40 mm x 40 mm, cada uma destas faces tem 80 mm x 40 mm, onde

tem uma capacidade total para oito conversores. Todas estas implementações foram

posteriormente efectuadas com a vertente VCHP, e são expostas na seguinte secção,

com a excepção da primeira configuração tendo esta um pobre desempenho. Todos os

testes e resultados práticos relativos a estes HPs encontram-se devidamente

mencionados no capítulo 5.

4.5 Heat Pipe de Condutância Variável Implementado

Nas configurações com HP de condutância variável, foi acoplado um recipiente

cilíndrico totalmente fechado com uma capacidade volúmica para 20 L, este destina-se a

controlar a mudança de fase do fluido de trabalho, fazer com que se obtenha

temperaturas constantes no interior do HP e controlar a pressão no interior do mesmo.

Como nas anteriores configurações, utilizaram-se três termopares, no interior da base da



região do vaporização/fonte de calor, no centro do HP e outro a medir o valor da

temperatura da água do recipiente cilíndrico, como mostra a Figura 4.13.

Figura 4.13- VCHP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte de calor.

Existem ainda quatro termopares adicionais, estes destinam-se à monitorização

da temperatura dos gases que se movimentam para o recipiente fechado, onde avaliam

em que medidas o vapor é expandido para o exterior do HP, estes facultam também, um

óptimo entendimento de todo o ambiente envolvente no interior do VCHP.

Quando existe um pico de temperatura e este é registado pelos termopares,

significa que há um aumento da temperatura ao longo to tubo, o que significa que o

vapor no interior do HP expandiu o suficiente para chegar a esta zona, ou até mesmo ao

recipiente fechado, pelo que deve ser evitado.

Para estas configurações, excepto a implementação da Figura 4.12, a

temperatura máxima atingida no recipiente cilíndrico superior foi de 100 ºC, esta é

devida ao preenchimento do mesmo encontrar-se com água, portanto, os testes foram

somente realizados até este ponto, e portanto, a potência térmica transmitida para o



recipiente com água, dá-se até este momento, daí para a frente seria impossível de a

calcular devido ao seu significado físico.

A configuração da Figura 4.14 consiste num HP com um bloco de cobre

adicionado na região de condensação, ocupando este, o lugar do recipiente cilíndrico

onde contém água. Como na anterior implementação, este VCHP contém quatro

termopares desde a região de condensação até ao recipiente cilíndrico fechado.

Com este VCHP é possível fazer com que a temperatura e a pressão se

mantenham constantes no interior do HP, fazendo com que a temperatura na face quente

dos conversores termoeléctricos se mantenha dentro do limite máximo.

Para tal acontecer, pode ser usado água ou Dowtherm A como fluidos de

trabalho. No caso da água, a temperatura do bloco paralelepipédico apenas atinge

230 ºC quando o interior do HP está com uma pressão de aproximadamente 28 bar, o

que se torna um pouco perigoso.

A utilização de Dowtherm A é uma implementação curiosa, este, entra em

ebulição aos 250 ºC, ou seja, a temperatura de ebulição à pressão atmosférica (1 bar) é

de aproximadamente 250 ºC, contudo, esta temperatura é ainda superior à temperatura

máxima admissível pelos conversores, este composto químico atinge uma temperatura

de 230 ºC quando a pressão é cerca de 0,3 a 0,4 bar.



Figura 4.14- VCHP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte de calor e um bloco

paralelepipédico acoplado na região de condensação.

A Figura 4.14 mostra como o HP atravessa todo o volume do bloco

paralelepipédico, o que corresponde à passagem de vapor em toda a zona de colocação

dos conversores termoeléctricos e a respectiva região de condensação. Com a

implementação de todas estas tecnologias, o passo seguinte consiste na aplicação destes

em conjunto com os conversores termoeléctricos para a produção do gerador

termoeléctrico.

4.6 Integração VCHP com o Gerador Termoeléctrico

A aplicação do Heat Pipe de condutância variável (VCHP) destina-se à limitação

da temperatura do escape, para o gerador termoeléctrico de modo a que este não



danifique os conversores termoeléctricos. No entanto, a transmissão da potência térmica

do escape para o gerador termoeléctrico possui algumas resistências térmicas devido aos

materiais e às diferentes junções que os unem.

4.6.1 Modelo Térmico

O funcionamento de um VCHP baseia-se essencialmente na sua pressão e

temperatura de operação. Um VCHP começa a transmitir potência térmica para a região

de condensação, quando a temperatura do interior do tubo atinge a temperatura de

ebulição do fluido, para a respectiva pressão. No entanto, quando a potência é superior à

capacidade de remoção no condensador, o calor é transferido para o reservatório de

25 L. Esta questão pode ser analisada na Figura 4.15.

Figura 4.15- Modelo de um gerador termoeléctrico para um automóvel com VCHP e o respectivo sistema de

arrefecimento dos conversores através de água.

Analisando o circuito, verifica-se que a temperatura os gases de escape

(Ti=800 ºC) é distribuída pela resistência térmica interna da fonte de calor (Ri), ou seja,

este sub - circuito é correspondente ao motor. Os gases de escape transmitem calor para

o HP e para o exterior (R0 corresponde ao calor que o escape transmite para o

ambiente). RA corresponde à resistência térmica entre os gases quentes e a parede da

base de vaporização do HP. A resistência RE representa o contacto térmico entre a

região de vaporização e o fluído. Este circuito apenas é válido quando o fluído no

interior do HP se encontra em ebulição. Uma vez este em ebulição, o calor é

encaminhado para a região de condensação (RC) e para o ambiente libertado através do

reservatório do VCHP (TAMB). A condução do calor para os conversores termoeléctricos



é feita por meio do contacto térmico entre a parede da região de condensação e os

conversores (RCP). RP representa a resistência térmica dos conversores. O circuito de

arrefecimento encontra-se acoplado à outra face destes conversores, portanto, existe o

contacto térmico entre a face fria dos conversores termoeléctricos e a parede dos blocos

de arrefecimento através de água (RPW). A água é o elemento que se encontra em

contacto com o ambiente (desprezando o contacto da parede do bloco e o ar), portanto,

RW representa a resistência da água.

4.7 Conclusões

Existem técnicas específicas para controlar a temperatura através de tubos de

calor, consoante a ciência, o ambiente envolvente e a relevância da ordem de grandezas,

dependendo do tipo de sinal a adquirir, analógico ou digital, existindo formas de

controlo analógicas e digitais. O modo on/off ou díodo térmico consiste numa forma

electrónica de controlo através do uso de HPs [61,62]. No entanto, os modos HP de

condutância fixa e variável são claramente os mais usados e eficazes, devido à sua

simplicidade e eficiência. Estes são caracterizados pelo facto de não possuírem partes

móveis, não necessitam de nenhuma fonte externa de energia para o seu funcionamento

e apresentam aceitáveis dimensões.

Os HPs estudados podem funcionar tanto na vertical como na horizontal, havendo

diferenças entre ambos na constituição do metal nas paredes do interior do tubo. Na

posição vertical, o líquido é transferido do condensador para a região de vaporização,

através do efeito da gravidade e por acção da força da gravidade. Nos HPs não verticais,

é necessário que o tubo tenha uma parede com poros ou válvulas na zona interior, para

que o processo de retrocesso do líquido seja novamente efectuado.

Verifica-se que o desempenho de um HP é melhorado com a aplicação de um

recipiente fechado preenchido parcialmente por ar, constituindo assim um VCHP. Este

apresenta um simples controlo da pressão no interior do HP e por consequência uma

limitação da temperatura no mesmo, o que se torna útil no desenvolvimento do gerador

em estudo. Contudo, existem outras formas de controlar a temperatura através de HPs,

Pulsating Heat Pipe (PHP), Loop Heat Pipe (LHP) Capillary pumped Loops (CPL), no

entanto, estes não se adequam a esta aplicação.



Com o uso de HPs consegue-se obter razoáveis valores de temperatura e

aproveitamento de calor a partir do escape dos automóveis. A temperatura destes chega

a atingir os 800 ºC quando o motor se encontra em potência máxima, o que é uma

elevada fonte de energia, esta, que com o uso de HPs e conversores termoeléctricos é

facilmente recuperável para uma reintegração no automóvel.

71

Capítulo 5

Testes e Resultados

5.1 Introdução

Este capítulo incide particularmente nas implementações dos geradores

termoeléctricos, assim como, toda a tecnologia envolvente à chegada a estes.

Encontram-se também, todos os resultados das implementações dos diferentes Heat

Pipes, assim como, todas as análises e conclusões obtidas.

Os sinais foram adquiridos através de um circuito de instrumentação, a

monitorização dos dados de todo este sistema foi feita recorrendo ao uso de hardware

da NI (National Instruments). Todo o software implementado foi através do LabVIEW

2009. Este é ponto de lançamento deste capítulo.

Neste capítulo encontra-se um sumário do desempenho obtido em cada um dos

tipos de Heat Pipes implementados sobre o sistema de emissão de gases de escape de

um veículo, onde este foi efectuado com uma simulação a partir do uso de dois

maçaricos. É feita também, a comparação entre os HPs, de um ponto de vista de

eficiência de todas estas tecnologias implementadas. A análise dos resultados é

representada a partir de gráficos e um estudo teórico, onde consta uma comparação com

conversores existentes no mercado.



No final do capítulo encontram-se as conclusões onde são expressas as últimas

observações relativas às implementações, testes e resultados. São também feitas

algumas considerações de ordem prática.

5.2 Aquisição de Dados

A temperatura, é claramente uma das grandezas físicas mais utilizadas, quer para

medir como para controlar diversos sistemas. Todas as grandezas, fenómenos físicos e

científicos dependem da evolução da temperatura.

A aquisição de dados é um processo de medição de fenómenos físicos ou

eléctricos, tais como, tensão corrente, temperatura, pressão, som, entre outros. A

aquisição de dados através de um computador (PC), usa uma combinação modular

flexível de hardware e software para transformar o PC num autêntico sistema de

controlo. Cada um dos sistemas de aquisição de dados tem uma funcionalidade única

para servir necessidades específicas da aplicação, todos os sistemas compartilham

componentes em comum, que incluem sensores, hardware de aquisição de dados, e um

computador. Na Figura 5.1 representa-se o esquema simplificado da aquisição do sinal.

Figura 5.1- Diagrama de blocos simplificado da aquisição do sinal.

Na presente dissertação, a medição, visualização e manipulação da temperatura,

têm grande ênfase no recorrer das implementações e posteriormente nos resultados

obtidos. No entanto, é necessária a disponibilização em formato digital de dados como,

Capítulo 5- Testes e Resultados


a tensão (U), temperatura (T) e o tempo (t), para se obter todos os resultados em

ficheiros para que seja possível a sua análise gráfica. Para tal, foram utilizados

termopares, circuitos integrados e a respectiva instrumentação e electrónica, placas de

aquisição de dados NI, e o software para a implementação.

Ao longo de todo o percurso, foram utilizadas duas placas de aquisição de dados,

ambas da NI. Estas permitiram a leitura dos sinais físicos e posterior manipulação. Nos

testes com o primeiro HP, utilizou-se a NI USB 6008, esta apresenta uma resolução de

12 bits e contém 8 entradas em modo single-ended. Estas podem ser vistas na Figura

5.2.

(a) NI USB 6008 (b) NI USB 4350

Figura 5.2- Placas utilizadas para aquisição de dados.

Com o avançar das implementações, adquiriu-se um outro hardware para ler os

valores de entrada. Utilizou-se uma placa de alta precisão para leitura de valores de

tensão e temperatura. Esta apresenta características mais sofisticadas que a anterior,

nomeadamente na sua resolução de 24 bits e apresenta um maior número de canais de

entrada, 16 entradas analógicas para termopares. O uso desta última oferece um maior

equilíbrio entre os valores reais de temperatura e os valores medidos. Ambas as placas

têm compatibilidade com o software de ambiente de simulação LabVIEW.



5.2.1 Termopares

Para o transdutor, utilizaram-se termopares em todas as temperaturas ao longo

dos HPs e dos geradores termoeléctricos. Os termopares são excelentes sensores de

medida, devido à sua elevada faixa de temperaturas de funcionamento (compreendida

entre -270 ºC a 1200 ºC), apresentam também uma elevada estabilidade e a sua área de

medida pode ser muito reduzida.

Os termopares utilizados foram do tipo K, estes apresentam uma gama de

temperaturas na ordem dos -270 ºC a 1200 ºC (óptimo para esta aplicação), têm um

baixo custo devido à sua popularidade e encontram-se disponíveis em vários formatos,

apresentam ainda uma sensibilidade de 40 μVºC-1

. A sua constituição é composta por

Chromel e Alumel nos termoelementos positivo e negativo, respectivamente. Estes

sensores de temperatura apresentam vantagens, nomeadamente quando se pretende

medir temperaturas elevadas em espaços reduzidos.

Para a obtenção dos valores reais de temperatura, é necessário um circuito

electrónico de interface, com a respectiva junção de referência (normalmente 0 ºC)

acoplada ao termopar. Com isto, obtém-se um valor de tensão à saída do termopar

muito pequeno, na ordem dos mV, ou seja, torna-se necessária uma considerável

amplificação DC.

Para ultrapassar este obstáculo, utilizou-se circuitos integrados (ICs) para a

leitura do valor da tensão do termopar, onde inclui também, a junção de referência e a

própria amplificação DC. O AD595 é um dos integrados mais usados quer a nível

industrial, como para pequenas aplicações onde o uso destes seja evidente. Na Figura

5.3 apresenta-se este integrado.

(a) Imagem real de um AD595/594 (b) Representação eléctrica de um AD595/594

Figura 5.3- Imagem e diagrama de blocos do circuito integrado AD595/AD594 utilizados [80,81].



Estes circuitos integrados possuem um amplificador de instrumentação e a

compensação da junção fria de referência, obtendo-se uma tensão de 10 mVºC-1

.

Nos primeiros testes, desenvolveu-se um circuito eléctrico para a aquisição de

dados. Este consiste em quatro termopares acoplados a este IC, de forma a ser possível

interagir directamente com o computador (PC). Na Figura 5.4 representa-se apenas para

um termopar, no Anexo A encontra-se o circuito total.

Figura 5.4- Circuito implementado para a aquisição do sinal dos termopares, junção de referência e

amplificação.

Com a implementação deste circuito é então possível, recolher os dados dos

sensores (valores obtidos em tensão) e encaminha-los para o PC, onde, aqui são

manipulados e convertidos nas respectivas grandezas.

Inicialmente monitorizou-se a temperatura apenas em quatro pontos, utilizando

assim quatro termopares, acoplados ao circuito da Figura 5.4. Contudo, os termopares

nem sempre apresentam a medida exacta, devido à tolerância dos componentes. Na

Figura 5.5 apresenta-se a implementação ilustrada na Figura 5.4.

Figura 5.5- Imagens reais da implementação do circuito de aquisição de dados.



5.3 Calibração dos Termopares

Esta calibração destina-se a minimizar os erros de medição, de acordo com uma

medição referência. A referência baseou-se num termómetro de mercúrio de precisão.

O procedimento da calibração foi efectuado numa gama de temperaturas entre 0 e

140 ºC (no caso de Dowtherm A), obtendo valores intermédios. Colocou-se um

recipiente com gelo para ser possível efectuar a medição a 0 ºC e aqueceu-se até 100 ºC.

Observando o gráfico da Figura 5.6, verifica-se que o erro de medição é cerca de

0,5 ºC, o que é um aceitável e considerável erro para estas aplicações. Este erro foi

devidamente compensado através do software. Salienta-se ainda, que esta calibração

contou com 7 termopares do tipo K (na Figura 5.6 representa-se a média de todos) e o

termómetro de mercúrio.

Figura 5.6- Gráfico que relaciona a temperatura média dos termopares com um termómetro de mercúrio.

Com estes resultados, verifica-se que o erro máximo não chega aos 0,2 ºC, o que é

um limite perfeitamente razoável e aceitável para este tipo de aplicações. No entanto,

este foi devidamente compensado e ajustado.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100 120 140

Tem

p. T

erm

op

ar (ºC

)

Termómetro de Mercúrio (ºC)

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7



5.4 Caracterização dos Conversores Termoeléctricos

Antes de iniciar quaisquer implementações, é necessário averiguar as condições

de funcionamento dos elementos constituintes para cada implementação. Nesta

dissertação, caracterizaram-se dois diferentes tipos de conversores termoeléctricos, no

entanto, apenas foram utilizados os que admitem uma temperatura máxima de 230 ºC.

Seguidamente apresentam-se as curvas características de dois diferentes conversores

apresentados pelo mesmo fabricante.

5.4.1 TEC1-12707 - 160ºC

Para se obter as curvas características dos conversores, efectuou-se a sua

caracterização através de diferenças de temperatura entre ambas as faces, estes

conversores são fabricados pela Pacific Supercool [21]. Junto à face quente colocou-se

uma Hot Plate, esta tem capacidade para atingir uma temperatura máxima de 190-

200 ºC. Na face fria colocou-se um dissipador acoplado a uma ventoinha, de forma a

retirar o calor absorvido pela face quente. A Figura 5.7 legenda os intervenientes da

caracterização.

Figura 5.7- Identificação dos elementos constituintes da caracterização.

Os resultados correspondem aos valores estudados teoricamente, ou seja, quanto

maior a diferença de temperatura, maior é a potência gerada. Nota-se também, que

existe um ponto óptimo de funcionamento para as diferentes diferenças de temperaturas,



ou seja, a tensão e corrente são parâmetros que estão directamente relacionados com o

seu desempenho. Nos gráficos da Figura 5.8 encontram-se as curvas características que

relacionam a corrente em curto-circuito com a tensão em aberto, e a corrente em curto-

circuito com a potência de saída máxima.

Figura 5.8- Tensão (V) e Potência (P) de saída de um conversor termoeléctrico com capacidade de 160 ºC.

A curva Corrente (I) / Tensão (V) mostra o comportamento linear do conversor e

a sua relação com a temperatura. Quanto maior a diferença de temperatura, maior a

corrente, tensão e potência. Através do gráfico que relaciona a corrente (I) com a

potência (P), observa-se que a potência é máxima quando a resistência da carga ronda

os 4 Ω. Isto corresponde à máxima transferência de energia do conversor para a carga,

ou seja, quando a resistência da carga e a resistência interna têm o mesmo valor.

5.4.2 TEC1-12708 - 230ºC

Os conversores anteriores permitem uma temperatura máxima na ordem dos

160 ºC, estes encontram-se distantes dos valores pretendidos para a constituição do

gerador termoeléctrico. Nesta perspectiva, utilizaram-se conversores termoeléctricos

com capacidade para 230 ºC produzidos pela Pacific Supercool [21] ver Figura 5.9.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 200 400 600 800

V (

mV

)

I (mA)

ΔT = 75 ºCΔT = 47 ºCΔT = 30 ºCΔT = 13 ºCΔT = 8 ºC

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800P

(m

W)

I (mA)

ΔT = 75 ºCΔT = 47 ºCΔT = 30 ºCΔT = 13 ºCΔT = 8 ºC



Figura 5.9- Tensão (V) e potência (P) de saída de um conversor termoeléctrico com capacidade de 230ºC.

O procedimento desta caracterização efectuou-se nas mesmas condições que o

anterior. Observando os gráficos da Figura 5.9, verifica-se que, tal como nos anteriores

conversores, a tensão gerada aumenta com a elevação da temperatura, observa-se ainda

que a potência é máxima quando a resistência da carga ronda os 3 Ω. Isto corresponde à

máxima transferência de energia do conversor para a carga, isto é, quando a carga e a

resistência interna do conversor têm o mesmo valor. Nota-se também, que a potência

máxima ocorre maioritariamente para uma resistência interna em torno dos 3 Ω, e ainda

uma ligeira descida da resistência para temperaturas perto dos 200 ºC. A partir do

gráfico da Figura 5.9 observa-se o comportamento linear do conversor e a sua relação

com a temperatura. Quanto maior a temperatura, maior a corrente, a tensão e a potência.

5.5 Resultados dos HPs

Anteriormente (capítulo 4), abordou-se a teoria dos HPs, ou seja, especificou-se a

sua geometria, o princípio de funcionamento e a temperatura de operação. Também se

apresentou o modo de teste dos diferentes HPs, assim como, o objectivo pretendido e as

limitações em cada um. Seguidamente, apresentar-se-ão todas as implementações e

optimizações dos HPs, bem como, as implementações dos geradores termoeléctricos.

5.5.1 Heat Pipe Inicial

Como anteriormente referido, os testes iniciais foram efectuados com o HP

simplesmente colocado sobre uma superfície plana (placa térmica), designada por Hot

Plate, de forma a obter 200 ºC na superfície de contacto entre o HP e a placa térmica.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

V(m

V)

I (mA)

∆T=124ºC∆T=104ºC∆T=74ºC

∆T=54ºC∆T=34ºC∆T=14ºC

0

500

1000

1500

2000

2500

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

P (m

W)

I (mA)

∆T=124ºC∆T=104ºC∆T=74ºC

∆T=54ºC∆T=34ºC∆T=14ºC



Na Figura 5.10 e Figura 4.10 encontra-se a representação deste Heat Pipe. Nestes testes,

colocou-se massa térmica entre a placa térmica e a superfície do HP em contacto com

esta, de modo a obter o máximo da transferência de calor, ou seja, aumentar a

condutividade térmica. Como pode ser visto na Figura 5.10, todo o HP encontra-se

devidamente isolado com lã de rocha, esta, destina-se a fazer com que as perdas

térmicas sejam mínimas.

Figura 5.10- Heat Pipe implementado para os testes iniciais.

Inicialmente começou-se por testar este tubo, ou seja, mediu-se apenas as

características do HP sem qualquer fluido de trabalho no seu interior, para que fosse

possível observar a condutividade térmica do material constituinte (cobre). Neste teste,

verifica-se que à medida que se aumenta a temperatura na Hot Plate, a temperatura da

zona vaporização do HP vai também aumentando, mantendo-se praticamente constante

a temperatura do recipiente cilíndrico preenchido com água. Este teste serve apenas para

referência deste HP. Os resultados são expostos na Figura 5.11.



Figura 5.11- Teste referência, efectuado sem fluido de trabalho no HP com ar.

Como pode ser observado no gráfico da Figura 5.11, a temperatura junto à região

de vaporização está longe de chegar aos 200 ºC (temperatura máxima fornecida pela

placa térmica), o que significa que existe mau contacto térmico entre ambos. Este,

posteriormente foi melhorado, aumentando o isolamento da placa térmica. Por outro

lado, efectuou-se também um teste sem qualquer tipo de fluido de trabalho no HP, este

apenas contém ar e baixa pressão, o tubo foi fechado com uma pressão inferior a 1m bar

(designado por vácuo). Através dos resultados obtidos, foi possível verificar que

acontece precisamente o mesmo que no teste anterior, ou seja, a temperatura da região

junto à fonte de calor aumenta até ao limite máximo, enquanto a temperatura no

recipiente de água vai aumentando ligeiramente.

Para iniciar os testes, procedeu-se então, a um método de optimização de volume

do fluido de trabalho no HP, e a pressão no interior do mesmo. Inicialmente testou-se

com água como fluido de trabalho, variando o seu volume entre 5 e 20mL, para se

averiguar o seu funcionamento, interpretar os resultados e efectuar as correspondentes

optimizações e mudanças de fluido.

5.5.1.1 Testes Realizados com Água

Realizaram-se testes até aos 20 mL de água no interior do HP, em todos estes

realizados com água e ar (pressão atmosférica, 1 bar), verificou-se que a pressão

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Tem

pe

ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

Base

Topo

Água



aumenta consideravelmente com o aumento do fornecimento de calor, o que significa

que aumenta também a temperatura de ebulição do fluido de trabalho.

Os mesmos testes foram realizados, nas mesmas condições, mas agora,

preenchendo o HP com água e vácuo (aproximadamente), apenas para volumes de água

até 10 mL. Os testes de ambas as condições não ultrapassaram os 60 ºC no recipiente

com água, ou seja, a potência térmica transmitida da Hot Plate para a região de

condensação (água) é muito reduzida, esta não excedeu os 30 W, apresentou uma

potência média na ordem dos 4 W. Isto é devido à pequena quantidade de água no HP, à

pouca potência térmica transmitida pela Hot Plate, e também pela superfície de contacto

entre a fonte de calor e o HP.

Nesta sequência, aumentou-se ainda mais o volume de água no HP para níveis

compreendidos entre 10 e 20 mL, e manteve-se o HP fechado em vácuo, visto ser a

solução mais fiável, de acordo com o aumento da pressão. Na Figura 5.12

apresentam-se os resultados de 10 mL de água e vácuo no HP com uma fonte de calor

oriunda de um maçarico de propano. De acordo com este problema, aumentou-se a

quantidade de transferência da potência térmica da fonte de calor para a base do Heat

Pipe. Como a Hot Plate apenas transmite uma temperatura máxima de 200 ºC, colocou-

se como fonte de calor, um maçarico na base do HP.

Figura 5.12- Teste efectuado com 10 mL de água e vácuo no HP com maçarico.

Neste teste, aplicou-se uma potência de dois níveis, no primeiro nível,

estabilizou-se o maçarico de forma a obter uma temperatura na base do HP próxima dos

0

40

80

120

160

200

0

80

160

240

320

400

0 200 400 600 800 1000

Po

tên

cia

(W)

Tem

pe

ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

Potência térmica

Base do HP

Recipiente cilindrico

Água



160 ºC. No outro nível de controlo, pretendeu-se que a temperatura na base não

excedesse os 240 ºC, para poder observar a potência térmica transferida para o

recipiente cilíndrico, com diferentes fontes de calor. A pressão no interior do HP

aumentou drasticamente para os 10 bar.

No primeiro caso, a potência térmica chegou aos 100 W, e quando se aumentou

a temperatura da fonte de calor, esta ultrapassou os 150 W. Em ambos os casos, a

diferença de temperatura entre a base e o recipiente com água, rondou os 50 ºC.

De seguida, efectuaram-se testes com um volume superior de fluido de trabalho,

neste caso 15 mL de água no interior do HP. A diferença de volume não é muito

considerável, pelo que a potência transmitida não estará distante da anterior. Na Figura

5.13, apresentam-se os resultados destes testes. Estes, efectuados também, para dois

níveis de calor através do maçarico. No primeiro nível, estabilizou-se a temperatura da

base próxima dos 100 ºC, no seguinte, por volta dos 150 ºC. Nota-se que houve um

aumento da transferência de potência, e a diferença de temperatura também reduziu, o

que significa que, com este volume de fluido, aumentou a eficiência.


Neste teste, a pressão no interior do HP, aumentou para 10 bar, desde o início do

teste até à temperatura de ebulição do fluido. Uma vez mais, verificou-se que a pressão

no seu interior está longe de ser constante, o que altera a temperatura de ebulição do

fluido de trabalho.

0

40

80

120

160

200

0

40

80

120

160

200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Po

tên

cia

(W)

Tem

pe

ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

Potência térmica

Base do HP


Água



Seguidamente efectuaram-se testes com 20 mL de água no HP. No teste da Figura

5.14, a pressão incidiu nos 5 bar. Foram efectuados dois níveis de calor na base.


O procedimento deste teste efectuou-se da mesma forma que os anteriores,

aplicou-se dois níveis de calor à base do HP. A potência térmica subiu ligeiramente.

Verifica-se que a pressão não ultrapassou os 5 bar, quando o líquido atinge a

temperatura de ebulição (as mesmas condições que os anteriores). O gráfico da Figura

5.15 ilustra a potência transferida da base para o recipiente cilíndrico do HP que contém

água, para os diferentes testes realizados. Destaca-se que os testes efectuados com 20

mL de água encontram-se com potências superiores em relação aos restantes.

0

40

80

120

160

200

0

40

80

120

160

200

0 200 400 600 800 1000 1200

Po

tên

cia

(W)

Tem

pe

ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

Potência térmica Base do HP


Água



Figura 5.15- Resumo da relação Temperatura na zona de calor do HP com a respectiva potência térmica com

água, para os testes efectuados com o maçarico.

Nestes resultados observa-se que a potência máxima excedeu os 180 W, contudo a

sua potência média é cerca de 160 W. O que significa que 20 mL de fluido consiste na

melhor optimização e corresponde à potência máxima transferida da base do HP para a

região de condensação.

Com estes resultados é possível observar que a transferência da potência térmica é

muito superior aos testes anteriores, chegando a 160 W. É importante salientar que

quando o recipiente de água atinge a temperatura de ebulição (100 ºC), pararam-se os

testes.

Com este gráfico é possível analisar, como a potência transmitida do maçarico

para o HP é aproveitada. Assim como a quantidade de fluido no seu interior. É possível

também verificar que este HP encontra-se numa gama de funcionamento próxima de

alguns HPs comerciais [34,35].

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250

Po

tên

cia

(W)

Temperatura na base inferior do HP (ºC)

P_20mL

P_10mL

P_20ml_5b

P_15mL



5.5.1.2 Testes Realizados com Dowtherm A

A par dos testes realizados com água como fluido de trabalho, efectuaram-se

testes com Dowtherm A. Este é um composto químico que possui uma temperatura de

ebulição de 257,1 ºC à pressão atmosférica, ou seja, este composto é ideal para esta

aplicação devido a esta característica. Como o sistema vai operar próximo dos limites

de temperatura dos conversores termoeléctricos (230 ºC), a água teria que se encontrar a

uma pressão de 23 bar. Como este é um valor de elevada pressão, daqui provém

também o uso de Dowtherm A. O facto de não ser corrosivo nem tóxico [87], são

especificações que o tornam útil para este HP. Assim, efectuaram-se testes, com 20 mL

deste composto, como fluido de trabalho, onde se colocou o HP com uma pressão

inferior a 1 bar, de forma a conseguir obter uma temperatura de ebulição inferior a

257,1 ºC. Estes resultados podem ser vistos na Figura 5.16.


Através deste gráfico, verifica-se que a potência térmica máxima, não excedeu os

80 W, este é um dado que mostra que as propriedades térmicas do Dowtherm A

(capacidade calorífica e calor latente de vaporização) são muito inferiores às da água.

Em todos os testes efectuados com Dowtherm A, a potência é sempre distante dos testes

efectuados nas mesmas condições para a água. O que significa que a água seria o ideal

0

25

50

75

100

125

150

175

200

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 500 1000 1500 2000

Po

tên

cia

(W)

Tem

pe

ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

Potência térmica

Água

Interior do HP

Base do HP



fluido de trabalho deste HP. A Figura 5.17 representa um resumo deste HP, com os

resultados da potência térmica obtida nos testes com água e Dowtherm A, onde uma vez

mais se verifica que utilizando este composto químico como fluido de trabalho, a

potência fica aquém da utilização da água.


água e Dowtherm A, para os testes efectuados com o maçarico.

A transferência de calor deste HP é ainda um pouco medíocre, este pode ser

melhorado através do aumento da área de vaporização do fluido, visto neste ultimo ser

muito reduzida. Para tal desenvolveu-se um novo HP com uma área de vaporização

superior, assim como o tamanho do próprio tubo por onde circula o fluido.

5.5.2 Heat Pipe Optimizado

Este HP destina-se a um aumento da transferência de potência térmica da zona de

contacto com a fonte de calor para a região de absorção de potência (recipiente

cilíndrico com água). Na Figura 5.18 representa-se o HP implementado.

0

50

100

150

200

250

0 100 200 300 400 500

Po

tên

cia

(W)

Temperatura na base inferior do HP (ºC)

P_20mL

P_10mL

P_20ml_5b

P_15mL

P_20mL_Dowtherm A

Dowtherm A + Vácuo

Água + Vácuo



Figura 5.18- Heat Pipe implementado com as respectivas optimizações.

Para este HP aumentou-se as áreas de vaporização e condensação (Figura 4.11 e

Figura 5.18). A área de transferência de calor na região de vaporização é semelhante à

área de transferência na região de condensação. A fonte de calor (maçarico) foi

colocada directamente sobre a região de vaporização. Esta zona foi constituída por uma

parede volumosa para proteger o tubo e produzir algum amortecimento de calor

transferido para o HP. A região de transferência de calor para o recipiente cilíndrico foi

projectada de forma a ter uma área de transferência semelhante à área de vaporização. A

transferência de potência foi significativamente melhorada para a duplicação dos

valores obtidos no anterior HP.

5.5.2.1 Testes Realizados com Água

Para estes testes, foram utilizadas várias quantidades de fluido de trabalho,

compreendidas entre 10 e 20 mL, onde se usou água e Dowtherm A, quer na presença de

ar ou na sua ausência. Como inicialmente previsto, a transferência de calor ocorreu

somente para temperaturas superiores a 100 ºC, onde o interior do HP se encontra em

plena temperatura de ebulição, para o caso da água, à pressão de 2 bar (Figura 5.19). No

HP em vácuo, a potência começou a ser transferida a partir dos 40 ºC, como mostra a

Figura 5.20.



Figura 5.19- Teste efectuado com 10 mL de água e ar no HP com um maçarico.

A diferença entre os resultados do gráfico da Figura 5.19 e Figura 5.20, reside no

tempo da resposta inicial da transferência de potência térmica. Mantendo o HP em

vácuo, a transferência ocorre mais rapidamente.

Figura 5.20- Teste efectuado com 10 mL de água e vácuo no HP com um maçarico.

Com base nestes resultados, verifica-se que nos testes efectuados com o HP

preenchido com água e vácuo, o tempo de resposta é melhor que nos testes com água e

0

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100

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0 100 200 300 400 500 600 700

Po

tên

cia

(W)

Tem

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ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

Cilindro da base

Água

Potência térmica

HP

0

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250

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350

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100

120

140

160

180

0 100 200 300 400 500 600 700

Po

tên

cia

(W)

Tem

pe

ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

HPCilindro da base

Água

Potência térmica



ar. O que significa que confirma que pressão tem a máxima influência neste sistema,

como foi abordado anteriormente. Nota-se também, que a potência transmitida de uma

extremidade para a outra aumentou consideravelmente, esta chegou aos 300 W, o que se

torna uma boa optimização em relação ao anterior HP. No HP com ar, a pressão chegou

aos 5 bar e o HP em vácuo, chegou aos 2 bar.

Os testes foram realizados com 5 mL, 10 mL e 20 mL no interior do HP, no

entanto, estes parâmetros não interferem nos resultados (Figura 5.21). A principal

diferença tem mesmo a ver com o início da transferência de calor.


água, para os testes efectuados com o maçarico.

Em todos estes testes, a potência térmica é cerca de 300 W, o que significa que o

volume de água é aceitável para um intervalo compreendido entre 10 mL e 20 mL. A

elevação de transferência de calor dá-se para uma temperatura de 40 ºC no caso de o HP

ser composto por água e vácuo. E cerca de 100 ºC para o caso de água e ar.

5.5.2.2 Testes Realizados com Dowtherm A

No caso do Dowtherm A, a temperatura de ebulição foi bem superior, cerca de

180 ºC para pressões inferiores a 1 bar. No entanto, este começa a transferir potência a

0

100

200

300

400

500

50 70 90 110 130 150 170

Po

tên

cia

(W)

Temperatura da base inferior do HP (ºC)

Água (vácuo)Água + Ar

20mL

10mL

10mL

20mL



partir dos 50 ºC. Em relação ao tempo de início de transferência de calor, este inicia-se

por volta dos 300 s. Em relação ao volume de fluido, este não interfere directamente na

sua eficiência, como exemplifica a Figura 5.22 e Figura 5.23.


Na Figura 5.22, o gráfico representa os resultados de um teste efectuado com

10 mL de Dowtherm A no HP. Verifica-se que a sua potência máxima é cerca de 250 W,

no entanto, este é ainda um valor longínquo dos testes efectuados com água.


0

50

100

150

200

250

300

0

50

100

150

200

250

300

0 200 400 600 800 1000

Po

tên

cia

(W)

Tem

pe

ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

Cilindro da base

Potência térmica

HP

Água

0

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100

150

200

250

300

0

50

100

150

200

250

300

0 200 400 600 800 1000

Po

tên

cia

(W)

Tem

pe

ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

HPCilindro da base

Água

Potência térmica



Na Figura 5.23, apresentam-se os resultados do HP com 20 mL de Dowtherm A

no seu interior, aqui verifica-se a mesma situação que no gráfico da Figura 5.22, o que

significa que o volume de fluido de trabalho não tem interferência. Seguidamente

(Figura 5.24), apresentam-se os resultados de testes efectuados com 10 mL e 20 ml de

Dowtherm A no HP.


Dowtherm A, para os testes efectuados com o maçarico.

Nota-se uma vez mais, que a potência térmica transferida é bem menor em relação

ao uso da água. À medida que a quantidade de calor vai sendo aumentada em relação à

quantidade retirada pela região de condensação, a pressão e temperatura no HP.

Com a exposição de todos estes resultados de ambos os HPs, é possível concluir

que, o primeiro HP implementado tem resultados inferiores ao segundo, no sentido em

que, a transferência de potência é muito menor, corresponde a metade do novo HP.

Destaca-se também, que a utilização de Dowtherm A como fluído de trabalho está

longe de ser a ideal, devido à sua transferência de potência da base para a zona superior

do HP, esta é sempre muito reduzida para ambos os HPs.

Outro factor de bastante relevo embate na pressão no interior do HP. Esta aumenta

drasticamente para valores elevados (quando é utilizado água), aumentando também a

temperatura no interior do HP, o que pode provocar situações anómalas. Para amputar

esta questão, implementou-se os HPs de condutância variável (VCHP).

0

50

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150

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250

300

0 50 100 150 200 250

Po

tên

cia

(W)

Temperatura da base inferior do HP (ºC)

10mL

20mL

Dowtherm A + Vácuo



5.6 Resultados dos VCHPs

Os HPs de condutância variável destinam-se a controlar a temperatura de

mudança de fase no interior do HP. Esta implementação baseou-se numa optimização

do anterior HP. Foi adicionado um reservatório cilíndrico com capacidade para 20 L,

que foi conectado à região de condensação do HP, como mostra a Figura 5.25, para que

desta forma, a pressão no interior do HP tenha um valor constante e não mude durante o

período de operação.

Figura 5.25- HP de condutância variável implementado. Recipiente cilíndrico de 20 L conectado à zona

superior do HP.

Os testes efectuados com o VCHP, foram efectuados com diversos parâmetros

que foram variando à medida que se verificavam os resultados, ou seja, analisavam-se

os resultados e procedia-se à respectiva optimização. Para a verificação e observação do

método de funcionamento desta vertente de HPs, colocaram-se termopares na zona de

ligação da região de condensação até ao reservatório de 20 L, estes, auxiliam na

percepção e leitura dos resultados e nos fenómenos que eventualmente surgem durante

os testes. Nestes testes, a temperatura no interior do tubo foi controlada com ar

comprimido.



5.6.1 Testes Realizados com Água

Os resultados dos primeiros testes foram bastante motivantes, estes apresentam

resultados muito superiores em relação aos testes anteriores. Foi possível melhorar

ainda mais a transferência de calor duma extremidade para a outra do HP. A potência

térmica chegou a ultrapassar os 500 W, como se representa na Figura 5.26.


A Figura 5.26 representa um teste efectuado com 20 mL de água no interior do

tubo, com uma pressão igual a 2 bar. Nota-se também, que a temperatura de ebulição do

fluido de trabalho (água) dá-se quando esta se encontra a 120 ºC, este valor modifica

para diferentes pressões [88]. À medida que se aumenta a pressão no seu interior, a

temperatura de ebulição, aumenta também. Segundo estes dados, verifica-se que, para

um ponto ideal de funcionamento do HP com a integração dos conversores

termoeléctricos, esta pressão seria aproximadamente igual a 25 bar para uma

temperatura máxima de 220 ºC, assim, estes conversores não correm riscos.

Seguidamente apresentam-se os resultados dos testes efectuados com 20 mL de água e

uma pressão 12,5 bar, na Figura 5.27.

0

200

400

600

800

1000

0

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0 100 200 300 400 500

Po

tên

cia

(W)

Tem

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ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

Potência térmica

Água

HP

Cilindro da base



Figura 5.27- Teste efectuado com 20 mL de água e pressão de ar a 12,5 bar, 1 maçarico.

Foram efectuados testes com diferentes pressões, 1 bar, 2 bar, 6 bar, 10 bar e

12,5 bar. Para todos estes testes, verifica-se que o calor transferido para a região de

vaporização é ainda insuficiente, visto que em todos estes testes, a potência ronda os

mesmos valores, o que não deveria acontecer, a quantidade de calor transmitida deveria

ser máxima para a máxima pressão.

Através do gráfico da Figura 5.26 e Figura 5.27, observa-se que a fonte de calor

junto da região de vaporização está a limitar a transferência de calor, ou seja, a

diferença de temperatura entre a base do cilindro e a temperatura no interior do HP é

inferior a 5 ºC, o que significa que mais calor pode ser atribuído à base do HP. Nota-se

portanto, que a limitação de transferência de calor encontra-se na região da fonte de

calor para a zona de vaporização. Para reduzir esta limitação, adicionou-se outro

maçarico idêntico ao anterior, maçarico de propano. A Figura 5.28 representa os

resultados obtidos nos testes efectuados com 20 mL de água com uma pressão de 1 bar

utilizando dois maçaricos como fonte de calor.

0

100

200

300

400

500

600

0

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100

150

200

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0 100 200 300 400 500 600 700 800

Po

tên

cia

(W)

Tem

pe

ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

HP

Cilindro da base

Água

Potência térmica




Para uma pressão absoluta de 1 bar, auferiu-se uma potência de pico na ordem dos

1000 W com uma diferença de temperatura entre a base e o HP de 20 ºC. Na Figura

5.29 apresenta-se o mesmo teste, mas agora para uma pressão de 10 bar.


Aumentando a pressão para 10 bar, a temperatura do fluido aumenta para 180 ºC e

a potência térmica aumenta para valores superiores a 1400 W (Figura 5.29). Assim,

0

200

400

600

800

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0

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0 30 60 90 120 150 180

Po

tên

cia

(W)

Tem

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ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

Potência térmica

Água

HP

Cilindro da base

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250

300

350

400

0 50 100 150 200 250

Po

tên

cia

(W)

Tem

pe

ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

Potência térmica

Água

HPCilindro da base



afirma-se que estes HPs implementados têm a capacidade de lidar com elevadas

entradas de energia.

Estes resultados provocaram um grande entusiasmo por parte do autor, provando

assim, que estes mecanismos seriam adequados para o objectivo final do presente

trabalho: encontrar uma maneira segura e eficiente de transferência de calor do sistema

de escape de um veículo para a colocação de conversores termoeléctricos. A Figura 5.30

exibe a relação entre a taxa de transferência de calor e a temperatura do HP.

Figura 5.30- Relação: potência máxima – temperatura no VCHP, com 2 maçaricos.

Fazendo a interpretação do gráfico da Figura 5.30, verifica-se que a potência

térmica situa-se acima de 1 kW. Embora a temperatura máxima admissível dos

conversores termoeléctricos (230 ºC) não tenha sido alcançada, verifica-se que a taxa

disponível de transporte de calor é mais que suficiente para esta aplicação. No entanto,

antes de proceder à implementação do gerador termoeléctrico, foram realizados novos

testes, estes incidem na avaliação do potencial da zona superior do HP, ou seja, na

utilização de Dowtherm A.

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

80 100 120 140 160 180 200

Po

tên

cia

(W)

Temperatura no HP (ºC)



5.6.2 Testes Realizados com Dowtherm A

Dowtherm A é um fluido com uma temperatura de ebulição de 257,1 ºC à

pressão atmosférica caindo para 220 ºC à pressão de 0,3 bar. Em todos os testes com

este composto, o potencial de transferência de calor diminui em relação à água, caindo

este para metade do valor. O uso de Dowtherm A no VCHP confirma novamente estas

conclusões, quando a potência cai de 1400 W para menos de 800 W, Figura 5.31.

Figura 5.31- Teste efectuado com 20 mL de Dowtherm A com uma pressão de 1 bar.

O uso deste composto químico é apenas adequado para pressões inferiores à

pressão atmosférica, no entanto, a taxa de transferência de calor é menor, contudo, esta

é ainda adequável.

5.7 Gerador Termoeléctrico Implementado

Conforme discutido anteriormente, a principal limitação para a aplicação de um

gerador termoeléctrico para um sistema de escape de um veículo, é o excesso de

temperatura na sua fonte de calor. Um método de acessível implementação de utilizar o

calor a um nível de reduzidas temperaturas com elevadas taxas de transmissão de calor

0

200

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600

800

1000

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0

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300

350

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0 50 100 150 200 250 300 350 400

Po

tên

cia

(W)

Tem

pe

ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

Cilindro da base

HPÁgua

Potência térmica



consiste no uso de um VCHP com a região de vaporização incorporada nos gases de

escape (calor dos maçaricos), e os conversores termoeléctricos acoplados à região de

condensação. O último conjunto de testes (gerador termoeléctrico), com VCHP similar

ao fabricado anteriormente, consiste na constituição de um bloco paralelepipédico para

a remoção lateral do calor para os conversores, como mostra a Figura 5.32.

Figura 5.32- Heat Pipe implementado com as respectivas optimizações para a colocação dos conversores

termoeléctricos.

Além disto, existe um circuito de arrefecimento através de água, onde este

recupera a diferença de temperatura para a geração de energia eléctrica dos conversores.

Este é representado na Figura 5.33. Foram introduzidos quatro conversores

termoeléctricos em duas zonas laterais, situados entre duas condutas de arrefecimento

onde circula água e o bloco da região quente.



(a) Protótipo da implementação (b) Implementação real

Figura 5.33- Implementação de um VCHP para a inserção de conversores termoeléctricos e respectivo sistema

de arrefecimento.

Foram utilizados quatro conversores termoeléctricos da Pacific Supercool, a

referência é TEC1-12708, com as dimensões de 40 mm x 40 mm x 3,9 mm. Estes são

constituídos por 127 pares de junções e suportam uma temperatura máxima de 238 ºC.

O calor é transmitido a partir da região de vaporização para o bloco de cobre

onde se encontram os conversores, e destes para as condutas de arrefecimento. Para

garantir que existisse ∆T nos conversores termoeléctricos, manteve-se um caudal fixo

nas condutas de arrefecimento, impondo-se um fluxo de água de 40 a 120 Lh-1

.

Com este gerador termoeléctrico foram realizados testes com um volume fixo no

interior do HP de 20 mL de água, variando-se a pressão de ar de 1 bar a 13 bar, no

interior do mesmo.

Inicialmente efectuaram-se testes variando a calor fornecido à base, ou seja, com

um e dois maçaricos. Estes mostraram que existe uma recuperação de potência térmica

superior a 900 W, quando dois maçaricos fornecem calor à base, e uma potência

superior a 600 W quando apenas um se encontra em funcionamento. Ver Figura 5.34.



Figura 5.34- Teste VCHP com um fluxo de água de arrefecimento constante com 1-2 maçaricos.

Este gráfico representa um teste efectuado com uma pressão de 6bar no interior

do tubo e 20 mL de água. O caudal do arrefecimento dos conversores foi mantido

constante a 118 Lh-1

. Para verificar a diferença entre 1 e 2 maçaricos, iniciou-se o teste

com uma superior fonte de calor, e aos 1000 s desligou-se um maçarico. Os resultados

foram os esperados, ou seja, quando é aplicada uma fonte de calor superior, este

aproveita uma elevada potência térmica.

Este primeiro gerador é constituído por 4 conversores termoeléctricos, o que

significa que inicialmente apenas foi aplicado um maçarico, devido à sua elevada fonte

de calor para não danificar os próprios. O gráfico da Figura 5.35 mostra os resultados da

potência térmica obtida com os conversores termoeléctricos, com um caudal de

arrefecimento de 42 Lh-1

.

0

200

400

600

800

1000

0

50

100

150

200

250

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Po

tên

cia

(W)

Tem

pe

ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

Cilindro da base

HP

Bloco

2 Maçaricos 1 Maçarico

Potência térmica




A temperatura obtida no bloco paralelepipédico onde se situam os conversores

termoeléctricos, apenas foi ligeiramente inferior à temperatura do interior do HP. A

temperatura média nas condutas de arrefecimento foi de 25 ºC.

Com os quatro conversores termoeléctricos incorporados no HP, efectuou-se a

ligação destes em série de forma a obter máxima, a sua tensão de saída. Este circuito é

representado na Figura 5.36.


A designação representa o circuito de cada conversor termoeléctrico,

representa a respectiva tensão aos terminais de cada conversor.

A Figura 5.37 apresenta todos os resultados dos testes efectuados com este

gerador termoeléctrico.

100

150

200

250

300

80 100 120 140 160 180

Po

tên

cia

térm

ica

(W)

Temperatura na base inferior (ºC)



Figura 5.37- Tensão eléctrica (V), Potência eléctrica (W), Eficiência (%) em função de ∆T dos 4 conversores.

A Figura 5.37 representa a curva da potência eléctrica gerada nos 4 conversores

termoeléctricos, juntamente com a eficiência e a tensão dos próprios. Como mostra o

gráfico, é esperado obter uma função quadrática de segunda ordem na curva da energia

eléctrica, e uma recta para a tensão e eficiência.

A máxima eficiência deste gerador foi obtida em cerca de 3% para um

∆T=128 ºC, correspondendo a uma temperatura no bloco paralelepipédico de 153 ºC.

Para temperaturas superiores, a eficiência permanece neste patamar, inicialmente era

esperado uma eficiência superior. Desta forma, a máxima potência eléctrica gerada

situa-se nos 8,2 W.

Com este gerador, não foram testadas temperaturas na face quente dos

conversores superiores a 180 ºC, no entanto, é esperado que a eficiência continue a

aumentar ao mesmo ritmo, sendo de esperar uma eficiência em torno dos 4% para a

temperatura limite destes conversores.

Nesta sequência, implementou-se um novo gerador termoeléctrico. Este

construiu-se para aproveitar ainda mais o rendimento térmico deste VCHP.

0

2

4

6

8

10

70 90 110 130 150

Ten

são

(V

), P

otê

nci

a (W

), E

fici

ên

cia

(%)

Diferença de temperatura (ºC)

Tensão

Potência eléctrica

Eficiência



5.8 Gerador Termoeléctrico Final

Para que exista um óptimo aproveitamento deste VCHP, instalou-se quatro

conversores termoeléctricos nas outras duas faces do bloco superior do HP com um

formato paralelepipédico. A potência eléctrica produzida por este gerador foi de 8,2 W,

no entanto, torna-se possível aproveitar e optimizar este VCHP. Uma das soluções para

aumentar a eficiência e a potência deste VCHP passa por aproveitar ao máximo o bloco

acoplado à região de condensação. Nesta sequência, procedeu-se então, a uma

optimização do número de conversores termoeléctricos, assim como, o calor fornecido à

base do HP. A Figura 5.38 representa este gerador.

Figura 5.38- Protótipo da implementação de um VCHP para a inserção de conversores termoeléctricos e

respectivo sistema de arrefecimento com 8 conversores.



Neste novo gerador termoeléctrico, utilizaram-se oito conversores, colocando dois

em cada uma das quatro faces do bloco paralelepipédico, com o respectivo sistema de

arrefecimento através de quatro condutas rectangulares de alumínio devido à sua

elevada condutividade térmica.

Como no gerador anterior, este encontra-se acoplado ao mesmo reservatório de

20 L, formando assim um VCHP. Para a execução de todos os testes, o procedimento

decorreu da mesma forma que os anteriores, ou seja, efectuaram-se vários testes com

20 mL de água no interior do HP, variando-se a pressão do ar no interior do mesmo.

Foram efectuados testes para a pressão atmosférica, 2 bar, 6 bar, 10 bar e 13 bar. Na

Figura 5.39 apresentam-se fotos da região do VCHP onde foram colocados os

conversores termoeléctricos.

Figura 5.39- Imagens do gerador final implementado, com 8 conversores termoeléctricos.

Com a implementação deste gerador termoeléctrico, foi possível absorver a

energia térmica para os conversores em regime estacionário, anteriormente (HPs com

um recipiente cilíndrico com água), o que acontecia era que, a partir do momento em

que a temperatura da água chegava aos 100 ºC, parava a transferência de calor. A partir

do instante em que o fluido de trabalho atinge a temperatura de ebulição para a actual

pressão do ar, calor transferido para os conversores é absorvido com um valor

constante, produzindo assim, uma constante energia eléctrica. O importante é impedir

que a temperatura do bloco paralelepipédico não ultrapasse a temperatura máxima

admissível dos conversores, e esta já é conseguida através do VCHP. Na Figura 5.40

apresenta-se um teste efectuado com este gerador termoeléctrico.



Figura 5.40- Teste efectuado com 20 mL de água no VCHP, 13 bar e com 2 maçaricos.

A partir da Figura 5.40 visualiza-se a transferência de calor da extremidade

inferior para a região onde se encontram os conversores termoeléctricos do VCHP. Com

este gráfico, traduz-se a transferência de calor em regime permanente para todos os

testes efectuados com este gerador.

A temperatura da água nos blocos de arrefecimento andou compreendida entre

35 ºC e 40 ºC, e com um caudal médio de 42 Lh-1

. Na Figura 5.41 visualiza-se a energia

térmica produzida por este VCHP ao longo de vários testes.


0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

50

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300

350

400

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Po

tên

cia

(W)

Tem

pe

ratu

ra (ºC

)

Tempo (s)

Cilindro da base

HP

Bloco

Potência térmica

200

300

400

500

600

700

800

80 100 120 140 160 180

Po

tên

cia

term

ica

(W)

Temperatura na base inferior (ºC)



Através da Figura 5.41 é possível analisar a potência térmica transmitida aos

conversores termoeléctricos para testes efectuados com 20 mL de água no interior do

VCHP, para 1 bar, 2 bar, 6 bar, 10 bar e 13 bar. Verifica-se que a máxima potência

térmica ultrapassou os 700 W quando os conversores se encontram com um ∆T=136 ºC.

A ligação dos oito conversores em série é representada na Figura 5.42.


Por outro lado, é também possível comparar a potência eléctrica produzida com a

tensão e eficiência deste sistema, na Figura 5.43.

Figura 5.43- Tensão eléctrica (V), Potência eléctrica (W), Eficiência (%) em função de ∆T dos 8 conversores.

1

2

3

4

5

6

7

5

10

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20

25

30

35

50 70 90 110 130 150

Ten

são

(V

), E

fici

ên

cia

(%)

Po

tên

cia

(W)

Diferença de temperatura (ºC)

Potência eléctrica

Tensão

Eficiência



Com este gráfico, nota-se que a potência eléctrica assim como, a tensão eléctrica e

eficiência, são máximos quando a diferença de temperatura nos conversores é máxima,

como estudado anteriormente. Assim, obteve-se uma potência eléctrica máxima de

31 W para uma eficiência de 4,5%, com uma tensão gerada em cada conversor de 6,5 V.

Salienta-se ainda, que este gerador não se encontra no máximo funcionamento, ou

seja, ainda não se encontra a aproveitar o máximo da potência térmica transmitida a

este, devido à sua pressão no interior do VCHP, para tal acontecer, esta pressão deveria

ser cerca de 25 bar. Provavelmente acima do limite aceitável para o conversor

termoeléctrico.

5.9 Conclusões

Neste capítulo expõe-se o estudo realizado para avaliar e implementar a

combinação entre tubos de calor e conversores termoeléctricos existentes no mercado,

com o objectivo de recuperar a energia proveniente dos gases de escape dos

automóveis. Os HPs foram usados como um meio de transmitir o calor dos gases de

escape para os respectivos conversores termoeléctricos, tendo em conta, o limite

máximo admissível destes conversores, para que estes não se danifiquem. Foram

implementados vários HPs, notando-se uma melhoria à medida que se foram

optimizando em relação aos testes iniciais, tanto a nível do controlo da pressão e da

respectiva temperatura de ebulição, como a taxa de transmissão de calor. Por outra

perspectiva, foi possível obter um controlo da pressão e temperatura de operação no HP,

melhorando também a taxa de transmissão de calor, que chegou a ultrapassar os 1,4 kW.

Um dos grandes obstáculos dos geradores termoeléctricos, reside na temperatura

máxima admissível dos conversores comerciais, que apresentam uma temperatura

máxima muito menor que o nível de temperatura típico dos gases de escape. Para tal,

desenvolveu-se um novo tipo de HP para controlar a sua temperatura de funcionamento.

Este controlo foi alcançado, recorrendo ao chamado tubo de calor de condutância

variável (VCHP).

Para testar estes mecanismos foram utilizados dois líquidos como fluido de

trabalho, água e Dowtherm A. Este último, mostrou um reduzido potencial, com níveis



de redução de potência para menos de metade em relação ao uso de água. Contudo este

fluido funciona com pressões muito mais baixas quando comparado com a água. O

VCHP implementado tem como função, controlar a temperatura de trabalho nos

conversores e mantê-la abaixo do limite máximo. Os valores de temperatura variam

entre 100 ºC para 1bar e 200 ºC para pressões de 13,5 bar.

O último projecto desenvolvido consiste na avaliação, caracterização e

implementação da combinação entre HPs e conversores termoeléctricos para produzir

electricidade. Obteve-se valores de 4,5% de eficiência para uma diferença de

temperatura próxima de 140 ºC. Esta solução apresenta um razoável potencial de

energia, abrindo assim barreiras, para um viável gerador termoeléctrico para sistemas de

recuperação de energia através do escape dos automóveis.

111

Capítulo 6

Conclusões e Trabalho Futuro

6.1 Conclusões

O objectivo primordial desta dissertação residiu na proposta de uma solução

alternativa para o aproveitamento do calor obtido nos gases de escape de um automóvel,

para a geração de energia eléctrica. Dentro deste item, o objectivo principal sublinhou-

se numa alternativa de controlar a temperatura destes gases para não danificar os

conversores termoeléctricos utilizados.

Esta solução foi proposta por apresentar diversas vantagens: elevada energia

desperdiçada no escape; o custo de fabrico relativamente baixo; o uso de elementos

termoeléctricos é relativamente simples, prático, e facilmente adaptável; com a

implementação do sistema, o veículo torna-se mais eficiente e menos poluente,

apresentando consumos de combustível mais reduzidos.

Com o desenvolvimento deste trabalho, pode concluir-se que a implementação de

sistemas baseados em elementos termoeléctricos para a recuperação de calor no escape

dos automóveis é possível, no entanto, os conversores termoeléctricos apresentam ainda

um reduzido rendimento (3% a 6%) e uma baixa figura de mérito (ZT=1), fazendo com



que a estratégia de recuperação de calor residual do escape seja uma técnica ainda

pouco utilizada.

Um grande problema no decorrer deste trabalho surgiu com a necessidade de

controlar a temperatura dos gases do próprio escape. O escape atinge temperaturas

acima de 800 ºC, e os conversores termoeléctricos apresentam um limite máximo de

temperaturas na ordem dos 230 ºC. No entanto, este obstáculo foi alcançável devido à

utilização de Heat Pipes de condutância variável (VCHP).

Para a realização desta dissertação, recorreu-se ao uso e implementação de

hardware, nomeadamente em relação à monitorização de temperaturas e de sinais

eléctricos para o PC. Inicialmente, utilizou-se uma placa de aquisição de dados NI USB

6008, no entanto, devido à sua baixa resolução do ADC interno, utilizou-se também da

NI, a USB 4350 que apresenta o dobro da resolução da anterior. Assim, foi possível

obter resultados com uma margem de erro muito reduzida, na ordem de 1% (como na

temperatura, quando comparado com um termómetro de mercúrio).

Para se obter o controlo da temperatura dos gases de escape, implementou-se a

tecnologia Heat Pipe. Este por si só, apresentou resultados aquém dos esperados, no

entanto, verificou-se que é um óptimo mecanismo para a transferência de calor,

apresentando reduzida diferença de temperatura entre a zona inicial de transferência e o

local que se pretende limitar. Com o uso da variante de um Heat Pipe de condutância

variável, foi então possível limitar a temperatura máxima de operação para valores que

não excedem a temperatura máxima dos conversores termoeléctricos.

A potência térmica transmitida por este VCHP chegou a exceder os 1,4 kW (numa

secção de 22 mm), o que significa que se obteve óptimos resultados quando comparados

com mecanismos comerciais, com as mesmas dimensões e condições de funcionamento.

A utilização de água no interior do HP e o controlo da pressão a 15bar permitiu a

estabilização da temperatura em 190 ºC. Para temperaturas superiores, recorreu-se a

Dowtherm A, que permite o controlo de temperatura até 400 ºC, sem recorrer a pressões

demasiado elevadas e impraticáveis.

A implementação do gerador termoeléctrico foi construída tendo em consideração

os actuais conversores termoeléctricos. Estes apresentam um ZT=1, e uma baixa

eficiência. Na implementação do gerador final, obteve-se uma tensão eléctrica máxima

de 6,5 V em cada conversor, uma potência eléctrica máxima na ordem dos 4 W por

conversor, uma eficiência termoeléctrica de 4,5%, para um ∆T máximo de 170 ºC entre

Capítulo 6- Conclusões e Trabalho Futuro


as faces destes conversores. O gerador implementado proporcionou 32 W dado recorrer

a oito conversores termoeléctricos.

Salienta-se que o protótipo foi construído atendendo a todos estes parâmetros que

o condicionam, podendo ainda ser melhorado e optimizado nomeadamente em relação à

eficiência termoeléctrica e potência eléctrica.

6.2 Trabalho Futuro

As ideias fundamentais desta tese foram apresentadas, discutidas, implementadas,

testadas e analisadas. Contudo, é possível explorar e desenvolver ainda mais a solução

encontrada, sendo para isso necessário, desenvolver e executar ainda algumas tarefas

mais específicas, nomeadamente, a implementação do gerador termoeléctrico final no

próprio veículo. Um outro objectivo a atingir é a implementação combinada entre o

VCHP e outros conversores termoeléctricos com um limite superior de temperatura,

permitindo aumentar a eficiência.

No decorrer de todas as implementações, verificou-se que existem parâmetros a

ser optimizados, como é o caso da eficiência termoeléctrica dos conversores e a sua

potência eléctrica produzida, aumentado assim, a total eficiência do gerador

termoeléctrico. Isto pode ser conseguido através do ajuste da temperatura de

funcionamento dos conversores para o valor máximo permitido.

Outra estratégia para uma maior produção de energia passa por aumentar a

diferença de temperatura entre a face quente e fria dos conversores, através da melhoria

do arrefecimento da água exterior de arrefecimento, reduzindo a resistência térmica do

conjunto conversores termoeléctricos – circuito de arrefecimento. Uma diminuição de

custo e dimensões pode ser conseguida com conversores com uma menor espessura, que

absorvem mais calor mas também produzem mais potência eléctrica.

A tecnologia que constitui os conversores termoeléctricos encontra-se em

constante renovação e aperfeiçoamento, espera-se futuramente obter conversores mais

eficientes, temperaturas de funcionamento superiores com uma maior resistência

térmica, o que faz com que tenham uma elevada figura de mérito (ZT). Actualmente

encontram-se em desenvolvimento conversores com várias camadas de materiais

semicondutores e uma figura de mérito próxima de dois, (ZT=2) [25].



Comercialmente, o sucesso deste protótipo depende em grande parte, não só da

sua eficiência energética, como também do seu reduzido tamanho. Futuramente,

trabalhar-se-á em prol de uma optimização da geometria do HP, optimização do número

de conversores termoeléctricos, assim como, a estrutura final do gerador termoeléctrico.

Para além de todas estas implementações, pretende-se futuramente, conectar todo este

sistema num escape de um automóvel.

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[92] D. Souza, R. A. Stiz e P. Bertemes Filho, ―Sistema de Aclimatização Autónomo

para o Transporte de Insumos Biológicos‖, em 21º Congresso Brasileiro de Engenharia

Biomédica, pp. 880-88

http://pt.rs-online.com/web/search/searchBrowseAction.html?method=searchProducts&searchTerm=AD595



http://www.ijesp.com/Vol1No1/IJESP1-3Rowe.pdf

http://www.ijesp.com/Vol1No1/IJESP1-3Rowe.pdf

1

Anexos

Anexo A - Circuito para Aquisição do Sinal dos Termopares ......................................... 2

Anexo B – Software Desenvolvido em LabVIEW ............................................................ 3

Anexo C – Tabela Termodinâmica – Água, Dowtherm A ................................................ 5

Anexo D – Fotos de Implementações ............................................................................... 6



Anexo A - Circuito para Aquisição do Sinal dos Termopares

Para a aquisição do sinal dos termopares para o PC, procedeu-se à

implementação do circuito da Figura 1. Neste circuito, utilizaram-se integrados para a

aquisição da tensão aos terminais dos termopares, onde fazem a respectiva junção de

referência e a devida amplificação do sinal, este é designado por AD595.

Figura 1 - Circuito de instrumentação para aquisição dos termopares.

Através deste circuito, verifica-se que os termopares entram nas entradas +IN e

– IN, e posteriormente o sinal é obtido através das saídas COM e V0, onde no esquema

se representam por: Saída X. Os condensadores destinam-se a eliminar o ruído do

circuito.

Anexos


Anexo B – Software Desenvolvido em LabVIEW

De forma a possibilitar o armazenamento dos dados provenientes da interacção

dos termopares com a placa de aquisição de dados, desenvolveu-se o software

representado na Figura 2 e Figura 3. Na Figura 2 apresenta-se a aquisição do valor das

tensões em aberto em cada conversor termoeléctrico.

Figura 2 – Software para aquisição dos valores das tensões nos oito conversores termoeléctricos.

Os valores foram mostrados e registados em tempo real, e armazenados

directamente em folha de cálculo, onde se procedeu à sua análise discussão e ponto de

partida para novas implementações.

Na Figura 3 apresenta-se o software desenvolvido para aquisição do sinal dos

termopares, este é obtido através da placa de instrumentação com uma tensão de

10 mV/ºC.



Figura 3 – Software para aquisição dos valores das tensões nos diferentes termopares.

A Figura 3 representa a distribuição dos termopares ao longo dos diferentes HPs

implementados. Este software armazena também os valores em folha de cálculo.

Quando se efectuou a medição em série de todos os conversores termoeléctricos

do gerador (8 conversores), verificou-se que para a máxima transferência de calor da

base do HP para a região dos conversores termoeléctricos, a tensão em aberto

ultrapassava amplamente 30 V. A placa de aquisição de dados utilizada neste hardware,

apenas suporta uma tensão máxima de entrada de 10 V. Para ultrapassar este obstáculo,

desenvolveu-se um divisor de tensão. Colocando uma entrada com o valor de tensão

correspondente à saída da série dos conversores termoeléctricos acoplada a cinco

resistências de 1 kΩ, e desenvolveu-se o seguinte software (Figura 4).

Figura 4 – Software para aquisição do valor da tensão no gerador termoeléctrico.

Anexos


Anexo C – Tabelas Termodinâmica – Água, Dowtherm A

Água

Temperatura (ºC) Pressão absoluta (bar) Temperatura (ºC) Pressão absoluta (bar)

75 0,38579 150 4,76

80 0,4736 155 5,4333

85 0,57803 160 6,1806

90 0,70109 165 7,0077

95 0,84526 170 7,9202

100 1,01325 175 8,9244

105 1,208 180 10,027

110 1,4327 185 11,233

115 1,6906 190 12,551

120 1,9854 195 13,987

125 2,321 200 15,549

130 2,7013 205 17,243

135 3,1308 210 19,077

140 3,6138 215 21,06

145 4,1552 220 23,198

Dowtherm A

Temperatura (ºC) Pressão absoluta (bar)

15 0,00

65 0,00

105 0,01

155 0,6

205 0,28

255 0,97

305 2,60

355 5,80

405 11,32



Anexo D – Fotos de Implementações

Para efectuar a caracterização dos conversores termoeléctricos, utilizou-se, uma

Hot Plate, um dissipador, uma ventoinha, instrumentação e software, Figura 4.

Figura 4- Método de caracterização dos conversores termoeléctricos.

Seguidamente apresenta-se, uma imagem do procedimento dos testes com o HP

inicial, com uma fonte de calor através da Hot Plate. Figura 5.

Figura 5- Implementação do HP inicial com uma Hot Plate como fonte de calor.

Seguem-se as imagens das implementações com os diferentes VCHP. Figura 6.

Anexos


Figura 6- Representação do VCHP inicialmente implementado.

As fotografias da Figura 7 ilustram, a implementação do gerador termoeléctrico

inicialmente implementado.

Figura 8- Representação do inicial gerador termoeléctrico.

As próximas figuras (Figura 9) representam a implementação do gerador

termoeléctrico final.



Figura 9- Representação do gerador termoeléctrico final.

Por fim, apresenta-se a imagem da bancada de trabalho. Figura 10.

Figura 10- Representação da bancada de trabalho.

joaquim adérito araújo antunes -...

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