UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

DISSIPADOR DE CALOR UTILIZANDO PASTILHAS TERMOELÉTRICAS

por

Gustavo Uhmann Hoss Matheus Lopes da Silva

Maurício da Silva Viegas

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, Dezembro de 2009

ii

AGRADECIMENTOS Agradecemos ao Laboratório de Energia Solar e ao Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos pela concessão de uso de alguns de seus equipamentos, também a João Batista pela atenção e ajuda disponibilizada para que o trabalho pudesse ser concluído.

Obrigado.

iii

RESUMO

O problema aqui apresentado é o de dissipar o calor gerado por uma resistência, que simula um processador de computador, de forma mais eficiente possível, o presente trabalho não leva em conta a energia gasta para efetuar tal tarefa. O problema a ser resolvido tem algumas diretri-zes quanto à montagem do experimento, colocar a resistência em cima de um tijolo refratário e na interface formada por esses dois elementos deve ser aplicada uma camada de pasta térmica.

A resolução sugerida neste trabalho utiliza o fenômeno da convecção forçada para efetuar a troca desejada, este princípio troca diretamente o calor entre um sólido e um fluido. O sólido é um dissipador, que é confeccionado em alumínio e fabricado pela Akasa, este dissipador é acom-panhado de um ventilador axial e esse conjunto é o modelo AK-971T deste fabricante.

Para aumentar a troca térmica entre a resistência e o ar a solução aqui apresentada vale-se do efeito Peltier, que através de uma diferença de potencial impõe uma diferença de temperatura, este princípio é fisicamente executado por pastilhas termoelétricas que tem o seu “lado frio” montado de forma a ficar em contato com a resistência e por conseqüência o seu “lado quente” ficar sob a base do dissipador.

Para chegar à conclusão de que a montagem produziria a maior troca térmica é comparada a configuração supracitada com algumas outras possibilidades de executar a mesma tarefa. As configurações testadas se mostram menos capazes que a escolhida neste trabalho com uma exce-ção que é o modelamento onde se utiliza água em paralelo com convecção natural, mas esta con-figuração não foi utilizada, pois os testes foram feitos em condições que não conseguiriam ser reproduzidas em regime permanente. Com o sistema escolhido e testado neste trabalho, chega-mos a conclusão que a resistência atinge regime permanente em aproximadamente 85°C. PALAVRAS-CHAVES: Dissipação de calor, pastilhas Peltier, termopar, sensor NTC, resfria-mento de processador

iv

ABSTRACT

The problem presented here is to dissipate the heat generated by a resistor, which simulates a computer processor, the most efficient way possible, this study does not take into account the energy expended to perform this task. The problem to be solved has some guidelines about the assembly of the experiment, put the resistance on top of a firebrick and the interface formed by these two elements should be applied a layer of thermal grease.

The resolution proposed in this paper uses the phenomenon of forced convection to effect the desired change, this principle directly exchange heat between a solid and a fluid. The solid is the sink made of aluminum and manufactured by the Akasa, this sink is accompanied by an axial fan and this set is the model AK-971T from this manufacturer.

To increase the heat exchange between the resistor and the air, the solution presented here takes advantage of the Peltier effect, which through a potential difference imposes a temperature difference, this principle is physically performed by thermoelectric tablet that has its “cold side” is mounted so keep in touch with the resistance and consequently its "side hot" get under the base of the sink.

To reach the conclusion that the assembly would produce the greatest heat transfer is com-pared to the above configuration with some other possibilities of performing the same task. The tested configurations are less capable than the one chosen in this work an exception is the model-ing which uses water along with natural convection, but this configuration was not used because the tests were conducted under conditions that could not be reproduced on permanent state. With the system chosen and tested in this study, we have realized that the resistance reaches the per-manent state at approximately 85 ° C. KEY WORDS: heat dissipation, tablet Peltier, thermocouple, NTC sensor, cooling of processor

v

SUMÁRIO AGRADECIMENTOS .................................................................................................................... ii RESUMO ....................................................................................................................................... iii ABSTRACT ................................................................................................................................... iv LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .................................................................................... vi 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................................... 2 3. FUNDAMENTAÇÃO................................................................................................................. 2

3.1 – Carga Térmica do sistema ................................................................................................... 2 3.1.1 – Cálculo das condições do sistema e correlações. .......................................................... 2 3.1.2 – Cálculo da resistência das aletas. .................................................................................. 3

3.1.2.1 – Cálculo da resistência das aletas superiores. .......................................................... 4 3.1.2.2 – Cálculo da resistência das aletas laterais. ............................................................... 5

3.2 – Cálculo da temperatura na base do dissipador. ................................................................... 6 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS ................................................................................................. 6

4.1 Escolha dos Sensores ............................................................................................................. 6 4.2 Calibração dos Sensores......................................................................................................... 6 4.4 Seleção do dissipador ............................................................................................................. 7 4.5 Seleção das Pastilhas Peltier .................................................................................................. 8 4.6 Sistema de Refrigeração da Resistência ................................................................................. 8

4.6.1 Configuração Pastilha Peltier + Dissipador + Ventilador Axial ...................................... 9 4.6.2 Configuração Dissipador + Ventilador Axial .................................................................. 9 4.6.3 Configuração Dissipador em Convecção Natural ............................................................ 9 4.6.4 Configuração Dissipador + Refrigeração a Água .......................................................... 10 4.6.5 Sem Sistema de Refrigeração ........................................................................................ 11

4.7 Aquisição de Temperaturas Diretamente na Resistência ..................................................... 11 5. VALIDAÇÃO ........................................................................................................................... 11

5.1 Sistema de Aquisição de Dados ........................................................................................... 11 6. RESULTADOS ......................................................................................................................... 12

6.1 Configuração Pastilha Peltier + Dissipador + Ventilador Axial .......................................... 12 6.2 Configuração Dissipador + Ventilador Axial ...................................................................... 13 6.3 Configuração Dissipador em Convecção Natural ................................................................ 14 6.4 Configuração Dissipador + Refrigeração a Água ................................................................ 15 6.5 Sem Sistema de Refrigeração .............................................................................................. 16 6.6 Comparação das Configurações do Sistema de Refrigeração .............................................. 17 6.7 Aquisição de Temperaturas Diretamente na Resistência ..................................................... 18

6.7.1 Calibração da Resistência .............................................................................................. 18 7. CONCLUSÕES ......................................................................................................................... 19 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 20 ANEXO A ..................................................................................................................................... 22 ANEXO B ..................................................................................................................................... 26

vi

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS Aa Área referente à secção transversal das aletas [m²] Aal Área da aleta [m²] Aas Área da aleta superior [m²] Al Área transversal sem aleta [m²] Ao Área da secção transversal do ventilador axial [m²] Asa Área da superfície da aleta [m²] At Área total [m²] Ata Área transversal da aleta [m²] Atr Área da secção transversal da aleta [m²] b Largura do dissipador [m] Cp Calor específico [kJ/kg*K] h Coeficiente convectivo [W/m²*K] K Condutividade térmica [W/m*°C] Kal Condutividade térmica do alumínio [W/m*°C] L Altura da aleta [m] Lc Comprimento da aleta corrigido [m] m [√((h*P)/(Kal/Atr))] n Número de aletas [un] P Perímetro da secção transversal da aleta [m] Pr Número de Prandtl [Cp*µ/K] Qd Calor dissipado pelo dissipador [W] Qp Calor gerado pelas pastilhas Peltier [W] Qr Calor gerado pela resistência [W] Rat Resistência térmica total imposta pelas aletas [W/m*°C] Ral Resistência equivalente das aletas laterais [W/m*°C] Ras Resistência equivalente das aletas superiores [W/m*°C] Re Número de Reynolds [VL/ υ] Rta Resistência térmica equivalente do dissipador [W/°C] t Espessura da aleta [m] Td Temperatura na interface dissipador – Peltier [°C] Tin Temperatura do ar ambiente [°C] Tp Temperatura na interface resistência – Peltier [°C] Tr Temperatura na interface tijolo – resistência [°C] V Velocidade do ar [m/s] v Taxa volumétrica de ar deslocado [m³/s] w Largura da aleta [m] Xm Comprimento até o centro do dissipador [m] ηa Rendimento da aleta [%] ηt Rendimento do dissipador [%] υ Força viscosa [m²/s] µ Viscosidade [N*s/m²]

1

1. INTRODUÇÃO O desenvolvimento de computadores cada vez mais potentes traz a necessidade de sistemas de refrigeração de processadores mais eficientes para que seja possível aumentar a freqüência de processamento. Para realizarmos a simulação do aquecimento de um processador, foi construída uma resis-tência elétrica na forma de placa, tal resistência possui uma potência de 50W e foi projetada para utilizar uma tensão de 127 V. Com o intuito de dissipar o calor gerado pela resistência, utilizaram-se pastilhas termoelé-tricas que se valem do princípio de Peltier, para retirar calor da resistência e transferi-lo para o dissipador, esse se encontra sobre um fluxo de ar forçado por um ventilador axial, para que se consiga um maior coeficiente convectivo de transferência de calor. O objetivo principal é retirar a maior quantidade de calor possível e só então, obtermos o valor da temperatura da resistência em regime permanente. Para determinarmos tal temperatura nos valemos de técnicas de medições térmicas que serão descritas no decorrer deste trabalho.

2

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Sabendo que “...os processadores modernos são constituídos de centenas de milhões de

transistores distribuídos em uma pequena área. Essa elevada concentração de transistores ope-

rando com velocidade elevada produz calor que precisa ser removido do dispositivo.” [Brito Filho, 2007]. E que “...atualmente o desenvolvimento dos microcomputadores não encontra

como principal barreira a miniaturização dos seus componentes, e sim a dissipação de calor

gerado, que afetaria o desempenho dos seus componentes.” [Maidana et al., 2007]. Esse cenário gera a necessidade da utilização de novos métodos de dissipação de calor ge-

rado, atualmente, em processadores comerciais utiliza-se basicamente aletas com convecção na-tural ou forçada. Aletas, ou superfícies estendidas, são mecanismos muito usados na engenharia para aumentar a eficiência de trocas de calor, quer na absorção ou dissipação. “Exemplos de a-

plicação de aletas são fáceis de encontrar. São exemplos os dispositivos para resfriar o cabeçote

de motores de motocicletas e de cortadores de grama, ou para resfriar transformadores de po-

tência elétrica.” [Incropera et al., 2008]. Nesse trabalho houve como diferencial a utilização de pastilhas termoelétricas que “...são

pequenos dispositivos que operam através do efeito Peltier. Quando uma corrente elétrica é im-

posta em dois fios elétricos de materiais diferentes, unidas em duas pontas, uma diferença de

temperatura aparece entre as suas junções.” [Maidana et al., 2007] para a dissipação de calor gerado. 3. FUNDAMENTAÇÃO

O modelo matemático apresentado é válido para regime permanente apesar das simplifica-ções impostas para possibilitar a solução do problema. 3.1 – Carga térmica do sistema O sistema é formado por uma resistência elétrica, quatro pastilhas Peltier, um dissipador aletado de alumínio com um ventilador axial e um tijolo refratário. Considerações para realização dos cálculos: • A resistência só troca calor com as pastilhas Peltier • As pastilhas Peltier só trocam calor com o dissipador e com a resistência • Foram efetuadas algumas simplificações para a execução dos cálculos das trocas térmicas Qd=Qp+Qr (1) Onde, Qd é o calor dissipado pelo dissipador, Qp é o calor gerado pela Peltier e Qr é o ca-lor gerado pela resistência elétrica. 3.1.1 – Cálculo das condições do sistema e correlações. Pode-se modelar o calor dissipado pelo dissipador através de: Qd=(Td-Tinf)/Rta (2)

Onde, Td é a temperatura na interface Peltier – dissipador, dada em (°C), Tinf é a tempera-tura do meio ambiente no instante do experimento, em (°C) e Rta é a resistência térmica equiva-lente do dissipador, dada em (W/m.°C).

3

A temperatura do meio ambiente foi medida através de um sensor NTC 2k7, o qual foi devidamente calibrado e sua curva de calibração encontra-se no Gráfico 4.1. Tendo em mãos a temperatura ambiente, foi possível obter as propriedades do ar através da Tabela A.4 do Incropera et al. (2008).

61089,15 −×=ν 707,0Pr =

3103,26 −×=k Sendo que ν é a força viscosa dada em (m²/s), Pr é o número de Prandtl (adimensional) e k é condutividade térmica dada em (W/m.°C). Para encontrarmos o Reynolds, foi feito uma média do comprimento das aletas pelas qual o fluído (ar) se desloca.

2

XXm =

2

09,0=Xm 045,0=Xm

Esta distância Xm é dada em (m).

ν

VXm=Re

61089,15

045,0844,11Re

−×

×= 33543.719Re = (3)

Onde Re é o número de Reynolds (adimensional), V é a velocidade do escoamento gerado pelo ventilador axial, ordem de grandeza em (m/s) este dado foi fornecido pelo fabricante do conjunto. Tendo calculado o valor de Re podemos calcular o valor de Nu, pela correlação 7.36 do Incropera et al. (2008).

31

54

PrRe0296,0=Nu 31

54

707,0719,335430296,0 ××=Nu (4)

049,110=Nu

K

hXNu =

X

NuKh =

09,0

103,26049,110 3−××=h 158,32=h (5)

Sendo que h é o coeficiente convectivo (W/m².K), X é o comprimento total da base do dissipador (m) e Nu é o número de Nusselt (adimensional). 3.1.2 – Cálculo da resistência das aletas. Devido à geometria das aletas em análise serem complexas, foi necessário realizar algumas simplificações na geometria da mesma, tal simplificação está representada na Figura 3.1 abaixo.

4

Figura 3.1 - Esboço do dissipador simplificado

3.1.2.1 – Cálculo da resistência das aletas superiores. Devido à geometria das aletas, utilizou-se o equacionamento descrito na tabela 3.5 de In-cropera et al. (2008).

wLcAas 2= 024,009,02 ××=Aas 00432,0=Aas (6)

)2( tLLc += )2001,0(0235,0 +=Lc 024,0=Lc (7)

)2()2( twP += )001,02()09,02( ×+×=P 182,0=P (8)

Sendo, Aas a área das aletas superiores dada em (m²), w é a largura das aletas dada em (m), Lc o comprimento corrigido da aleta em (m), L a altura equivalente das aletas (m), t a es-pessura de cada aleta (m), P é o perímetro da secção transversal da aleta (m).

Para o dissipador de alumínio as propriedades foram retiradas da Tabela A.1 do Incropera et al. (2008).

273=Kal

twAtr = 09,0001,0 ×=Atr 00009,0=Atr (9)

KalAtr

hPm =

00009,0273

182,0158,32

×

×=m 565,16=m (10)

27=n

)((2 twnwAsa −= )09,0001,0(27(09,0 2 ××−=Asa 00567,0=Asa (11)

AasnAsaAt += ( )2700432,000567,0 ×+=At 1223,0=At (12)

5

Onde, Kal é a condutividade térmica das aletas de alumínio em (W/m.°C), Atr é a área da secção transversal da aleta (m²), n é o número de aletas (unidades), Asa é a área da superfície da aleta em (m²) e At é a área total pela qual ocorre convecção, expressa em (m²).

( )mLc

mLca

tanh=η

( )024,0565,16

024,0565,16tanh

×

×=aη 9504,0=aη 04,95=aη (13)

)1(1 aAt

nAast ηη −

−= )9504,01(

1223,0

00432,0271 −×

×−=tη 9527,0=tη (14)

thAtRals

η

1=

1234,0158,329527,0

1

××=Rals 2668,0=Rals (15)

Sendo, aη o rendimento da aleta (%), tη o rendimento total do dissipador e Rals a resis-tência equivalente das aletas superiores em (W/m.°C). 3.1.2.2 – Cálculo da resistência das aletas laterais. Utilizando as fórmulas (6), (7), (11) e (12) pode-se calcular a resistência lateral das aletas.

wLcAas 2= 0305,009,02 ××=Aas 00549,0=Aas

)2( tLLc += )2001,0(03,0 +=Lc 0305,0=Lc

18=n

)((2 twnwAsa −= )09,0001,0(18(09,0 2 ××−=Asa 00648,0=Asa

AasnAsaAt += ( )1800549,000648,0 ×+=At 1053,0=At

Como o valor encontrado nas equações (8), (9) e (10) não se alteram, eles foram utilizados sem ser recalculado nas equações abaixo.

( )

mLc

mLca

tanh=η

( )0305,0565,16

0305,0565,16tanh

×

×=aη 9227,0=aη 27,92=aη

)1(1 aAt

nAast ηη −

−= )9227,01(

1053,0

00549,0181 −×

×−=tη 9275,0=tη

thAtRall

η

1=

1053,0158,329275,0

1

××=Rall 3183,0=Rall

Onde, Rall é a resistência equivalente das aletas laterais expressa em (W/m.°C).

6

RalsRallRta

111+=

RalsRall

RallRalsRta

+=

2668,03183,0

2668,03183,0

+

×=Rta 1451,0=Rta

Sabemos que a resistência possui uma potência 50=Qr e de que cada pastilha Peltier gera

uma potência W60 e como possuímos um sistema com quatro pastilhas Peltier, logo

604 ×=Qp 240=Qp .

Temos:

QpQrQd += 24050 +=Qd 290=Qd

Sendo, Qd o calor dissipado pelo dissipador, Qr o calor gerado pelas resistências e Qp o calor gerado pelas pastilhas Peltier, dados em (W ). 3.2 – Cálculo da temperatura na base do dissipador.

Rta

TTdQd

inf)( −= ( ) infTQdRtaTd += ( ) 53,221451,0290 +×=Td

60,64=Td

Onde, Td é a temperatura na interface entre lado quente das pastilhas Peltier e a base do dissipador, expresso em (°C).

4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

Para o sucesso do experimento, esse foi dividido em etapas para uma melhor eficiência do processo de execução. Estas etapas estão descritas detalhadamente a seguir. 4.1 Escolha dos Sensores

Primeiramente foram escolhidos os sensores a serem usados no experimento em questão. Esta escolha levou em consideração o custo/beneficio dos sensores. Após avaliação de diversos modelos disponibilizados no mercado foram selecionados os seguintes sensores:

• Termopar tipo K para medir as temperaturas e • NTC 2k7 para medição da temperatura da junta fria dos termopares.

4.2 Calibração dos Sensores

Para o uso do NTC 2k7 como sensor de temperatura se faz necessário sua calibração. Esta calibração foi executada através de um banho térmico da marca Lauda. Os dados adquiridos nes-sa calibração são mostrados na Tabela B.1. Com a Tabela B.1 originou-se a curva de calibração do sensor NTC 2k7 mostrada no Grá-fico 4.1 abaixo.

7

y = 8791e-0,0399x

R2 = 0,9978

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 20 40 60 80

Temperatura (°C)

Re

sist

ên

cia

(Ω

)NTC 2K7 (Ω)

Expon. (NTC 2K7 (Ω))

Gráfico 4.1 - Curva de calibração sensor NTC 2k7.

Nesse gráfico foi definida a linha de tendência dos pontos adquiridos, para a definição da temperatura para qualquer valor de resistência. 4.4 Seleção do dissipador

O desenvolvimento de um dissipador especial para o experimento se tornou dispensável, pois é oferecido no mercado uma infinidade de opções de dissipadores. Desses foi selecionado o dissipador da marca Akasa modelo AK-971T pelo desenho otimizado de suas aletas e por suas dimensões que são oportunas pela dimensão da resistência. O dissipador esta mostrado na Figura 4.1 abaixo.

Figura 4.1 - Dissipador Akasa modelo AK-971T (fonte: Akasa)

Como única adaptação, foi necessária a remoção da base para o socket Intel BTX. Esta o-

peração foi feita utilizando uma serra manual e após se fez um processo de lixamento e o resulta-do esta mostrado na Figura 4.2 abaixo.

8

Figura 4.2 - Foto retirada após a retirada da base original.

Suas especificações estão mostradas abaixo na Tabela 4.1.

Tabela 4.1 - Especificação do dissipador (fonte: Akasa)

Socket INTEL BTX (Type 1) Mainstream Dimensão dissipador 85 x 74 x 117mm Material dissipador AL-6063-T5

Dimensão 92 x 92 x 38mm Velocidade 650 - 3500 R.P.M. Fluxo de ar 13.31 - 77.63 CFM

Pressão 0.24 - 8.05mm H20 Vida útil 50000/hrs Mancal Two Ball Bearing

Voltagem 12V Ruído 17 - 44.8 dB(A)

Código AK-971T 4.5 Seleção das Pastilhas Peltier

Foi visto que a aquisição de uma pastilha Peltier de dimensões 8x8 cm no mercado se tor-nará extremamente complexa por dois motivos. O primeiro é a dificuldade de encontrar um fa-bricante de pastilhas para a fabricação específica deste tamanho de pastilha; o segundo problema encontrado é a dificuldade de se adquirir uma fonte que forneça a potência requerida por uma pastilha desta dimensão. Como melhor custo/beneficio foi adquirido quatro pastilhas de dimen-são 4x4 cm. Para cada uma dessas pastilhas foi adquirida uma fonte de 300 Watts de potência em 12 Volts. 4.6 Sistema de Refrigeração da Resistência O conceito inicial do protótipo de refrigeração da resistência está demonstrado abaixo na Figura 4.3.

9

Figura 4.3 - À esquerda visão isométrica do conceito inicial de protótipo, a direita vista frontal.

Onde, 1 é o ventilador axial, 2 é o dissipador de alumínio, 3 são as pastilhas Peltier, 4 é a

resistência e 5 o tijolo refratário (base isolante). A montagem do protótipo está demonstrada no Anexo A.

Para analisarmos o desempenho do protótipo foram adquiridos dados através de várias con-figurações do conceito inicial. Estas configurações são descritas a seguir. 4.6.1 Configuração Pastilha Peltier + Dissipador + Ventilador Axial Esta é a configuração do protótipo representado na Figura 4.2. Neste experimento os ter-mopares foram localizados no centro da resistência nas interfaces tijolo-resistência, resistência-pastilha Peltier e pastilha Peltier-dissipador. Para sabermos a temperatura ambiente foi utilizado um sensor do tipo NTC 2k7 localizado na junta fria dos termopares. 4.6.2 Configuração Dissipador + Ventilador Axial Esta configuração será de aletas em convecção forçada, onde apenas são removidas do sis-tema da Figura 4.2 as pastilhas Peltier. Os termopares foram localizados no centro da resistência nas interfaces tijolo-resistência e resistência-dissipador. Para sabermos a temperatura ambiente foi utilizado um sensor do tipo NTC 2k7 localizado na junta fria dos termopares. 4.6.3 Configuração Dissipador em Convecção Natural Esta configuração esta demonstrada na Figura 4.4 abaixo.

10

Figura 4.4 – Configuração dissipador em convecção natural.

Onde, 1 é o dissipador de alumínio, 2 é a resistência e 3 o tijolo refratário (base isolante).

O termopar foi localizado no centro da resistência na interface tijolo-resistência. Para sa-bermos a temperatura ambiente foi utilizado um sensor do tipo NTC 2k7 localizado na junta fria do termopar. 4.6.4 Configuração Dissipador + Refrigeração a Água Foi utilizada a configuração demonstrada na Figura 4.3. O termopar foi localizado no cen-tro da resistência na interface tijolo-resistência. Para sabermos a temperatura ambiente foi utili-zado um sensor do tipo NTC 2k7 localizado na junta fria do termopar. O fluxo de água passa através do orifício localizado no centro do dissipador de alumínio, isto é feito através de uma mangueira ligada ao sistema de água pública. A montagem desse sistema pode ser observada na Figura 4.5 abaixo.

Figura 4.5 - Imagem do sistema montado.

11

4.6.5 Sem Sistema de Refrigeração Foi executado um teste sem sistema de refrigeração para observarmos a evolução da tem-peratura do elemento dissipativo. Os termopares foram localizados no centro da resistência nas interfaces tijolo-resistência e resistência-ar ambiente. Para sabermos a temperatura ambiente foi utilizado um sensor do tipo NTC 2k7 localizado na junta fria dos termopares. Também foi utilizado o princípio da troca radioativa para obter a distribuição de tempera-turas na resistência, isso foi feito utilizando um termógrafo da marca Thermocom. 4.7 Aquisição de Temperaturas Diretamente na Resistência Foi detectado que qualquer sensor por fora da resistência nuca teria a temperatura interna real da resistência, isso só seria possível com a colocação de um sensor dentro da própria resis-tência. Este procedimento apenas é possível usando o próprio elemento dissipativo como sensor, já que a própria resistência nada mais é que uma resistência elétrica. Para isso se fez necessário a calibração da resistência. Após é deixada a resistência aquecer e através de um sistema de aquisição HP-34970A foram retirados os dados da variação da resistência. Com a finalidade de aquisição dos dados a resistência deve ser desconectada da rede elétrica pelo menor tempo possível. 5. VALIDAÇÃO

Os componentes do sistema foram testados previamente antes da montagem, este teste nos garantiu que todos os equipamentos estavam em perfeito funcionamento. As pastilhas Peltier foram testadas com o auxílio de termopares e uma fonte de tensão, o restante do sistema foi tes-tado com o uso de um multímetro da seguinte marca e modelo, MINIPA ET-1002.

Observando que os equipamentos estão em perfeito funcionamento individualmente pode-mos concluir que o sistema funcionará da forma prevista em projeto, mesmo quando um equipa-mento interagir com outro.

As medições efetuadas a fim de caracterizar o experimento em questão têm as seguintes in-certezas:

• incerteza total devida ao uso do termopar tipo k igual a ± 2,25°C, • incerteza total devida ao uso do NTC 2k7 igual a ± 0,7% e • incerteza devido ao uso do próprio elemento dissipativo como sensor de temperatura é de

± 1,72°C. As medidas de vazão da rede hidráulica foram feitas na saída de água do experimento com

a utilização de um balde (graduado) com o volume definido e também de um cronômetro. Esta medida tem uma grande incerteza associada, mas como essa tem o objetivo de apenas padronizar os experimentos não nos deteremos a executá-la com maior precisão.

5.1 Sistema de Aquisição de Dados

Um datalogger HP 34970A representado na Figura 5.1 foi utilizado para aquisição de

dados e conectado a um computador via RS 232.

12

Figura 5.1 - Equipamento de aquisição de dados junto com a placa multiplexadora 6. RESULTADOS

Demonstraram-se os resultados adquiridos em cada um dos experimentos executados. 6.1 Configuração Pastilha Peltier + Dissipador + Ventilador Axial Com esta configuração do sistema de refrigeração foram adquiridos dados de temperatura nas interfaces tijolo-resistência, resistência-pastilha Peltier e pastilha Peltier-dissipador. Estes dados combinados com a temperatura adquirida através do sensor NTC 2k7, foram necessários para a definição das temperaturas percebidas pelos termopares. Estes resultados estão demons-trados na Tabela B.2 que gerou os Gráficos 6.1, 6.2 e 6.3 abaixo. O sensor NTC 2k7 determinou a temperatura ambiente no dia do experimento igual 23,3°C.

y = 15,96Ln(x) - 14,944

R2 = 0,9833

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600 800 1000 1200

Tempo (s)

Te

mp

era

tura

(°C

)

Série1

Log. (Série1)

Gráfico 6.1 - Temperatura na interface tijolo e resistência (°C).

13

y = 5,8201Ln(x) + 10,371

R2 = 0,8566

0

10

20

30

40

50

60

0 200 400 600 800 1000 1200

Tempo (s)

Te

mp

era

tura

(°C

)

Série1

Log. (Série1)

Gráfico 6.2 - Temperatura na interface resistência e lado frio pastilhas Peltier.

y = 2,4726Ln(x) + 45,772

R2 = 0,6141

0

10

20

30

40

50

60

70

0 200 400 600 800 1000 1200

Tempo (s)

Te

mp

era

tura

(°C

)

Série1

Log. (Série1)

Gráfico 6.3 - Temperatura na interface resistência e dissipador.

Em cada um deles foi definida a linha de tendência dos pontos adquiridos, para extrapola-ção da temperatura. 6.2 Configuração Dissipador + Ventilador Axial

Com esta configuração do sistema de refrigeração foram adquiridos dados de temperatura nas interfaces tijolo-resistência e resistência-dissipador. Estes dados combinados com a tempera-tura adquirida através do sensor NTC 2k7, foram necessários para a definição das temperaturas percebidas pelos termopares. Estas temperaturas podem ser conferidas na Tabela B.3. Esta tabela originou os Gráficos 6.4 e 6.5 abaixo, em cada um deles foi defina a linha de tendência dos pon-tos adquiridos. A temperatura ambiente medida no dia do ensaio pelo sensor NTC 2k7 foi de 29,5°C.

14

y = 20,616Ln(x) - 30,006

R2 = 0,9913

0

20

40

60

80

100

120

0 500 1000 1500

Tempo (s)

Te

mp

era

tura

(°C

)Log. (Série1)

Gráfico 6.4 - Temperatura na interface resistência-tijolo com convecção forçada.

y = 3,1551Ln(x) + 23,04

R2 = 0,8898

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 500 1000 1500

Tempo (s)

Te

mp

era

tura

(°C

)

Log. (Série1)

Gráfico 6.5 - Temperatura na interface resistência-dissipador com convecção forçada.

A linha de tendência obtida em cada um dos gráficos tem a finalidade de extrapolar as temperaturas. 6.3 Configuração Dissipador em Convecção Natural Com esta configuração do sistema de refrigeração foram adquiridos dados de temperatura na interface tijolo-resistência. Estes dados combinados com a temperatura adquirida através do sen-sor NTC 2k7, foram necessários para a definição das temperaturas percebidas pelo termopar. Estas temperaturas podem ser conferidas na Tabela B.4, que foi utilizada para originar o Gráfico 6.6 abaixo. A temperatura ambiente medida no dia do ensaio pelo sensor NTC 2k7 foi de 27,3°C.

15

y = 21,429Ln(x) - 43,174

R2 = 0,9977

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600 800 1000 1200

Tempo (s)

Te

mp

era

tura

(°C

)

Log. (Série1)

Gráfico 6.6 - Temperaturas na interface tijolo - resistência.

Neste gráfico foi definida a linha de tendência dos pontos adquiridos, que serve para extra-polar as temperaturas. 6.4 Configuração Dissipador + Refrigeração a Água

Com esta configuração do sistema de refrigeração foram adquiridos dados de tempe-ratura na interface tijolo-resistência. Estes dados combinados com a temperatura adquirida atra-vés do sensor NTC 2k7, foram necessários para a definição das temperaturas percebidas pelo termopar. Estas temperaturas podem conferidas na Tabela B.5, que originou o Gráfico 6.7 a se-guir. O sensor NTC 2k7 determinou a temperatura ambiente no dia do experimento igual 27,3°C. A vazão de água que passa pelo dissipador é de 0,085 l/s.

y = 15,042Ln(x) - 8,7349

R2 = 0,9636

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 200 400 600 800 1000 1200

Tempo (s)

Te

mp

era

tura

(°C

)

Série1

Log. (Série1)

Gráfico 6.7 - Temperatura na interface resistência - tijolo.

Foi definida a linha de tendência dos pontos adquiridos no gráfico, para extrapolação da

temperatura.

16

6.5 Sem Sistema de Refrigeração Com esta configuração do sistema de refrigeração foram adquiridos dados de temperatura nas interfaces tijolo-resistência e na face superior da resistência. Esses dados combinados com a temperatura adquirida através do sensor NTC 2k7, foram necessários para a definição das tempe-raturas percebidas pelos termopares. Estas temperaturas podem ser conferidas na Tabela B.6, com esta foram obtidos os Gráficos 6.8 e 6.9. O sensor NTC 2k7 determinou a temperatura am-biente no dia do experimento igual 27,9°C.

y = 42,58Ln(x) - 115,48

R2 = 0,9824

0

20

40

60

80

100

120

140

0 100 200 300

Tempo (s)

Te

mp

era

tura

(°C

)

Log. (Série1)

Gráfico 6.8 - Temperatura na interface tijolo – resistência.

y = 40,29Ln(x) - 101,43

R2 = 0,9956

0

20

40

60

80

100

120

140

0 100 200 300

Tempo (s)

Te

mp

era

tura

(°C

)

Log. (Série1)

Gráfico 6.9 - Temperatura na interface resistência - ar ambiente.

Em cada um dos gráficos anteriores foi definida a linha de tendência dos pontos adquiridos.

Com esta linha de tendência foi extrapolada a temperatura para 930 segundos, a qual seria de aproximadamente 173,9°C.

Através da termografia pode-se observar que a resistência não tem a temperatura perfeita-mente uniforme. Um das imagens da termografia pode ser observada na Figura 6.1

17

Figura 6.1 - Termografia do elemento dissipativo.

Pode-se observar acima o gradiente de temperatura, este gradiente já era esperado pela de-

suniformidade da resistência no interior do acabamento metálico.

6.6 Comparação das Configurações do Sistema de Refrigeração Para comparar as configurações estudadas foi construída a Tabela B.7, onde as temperatu-ras são referentes ao tempo de 930 segundos na localização do termopar da interface tijolo-resistência. Com essa tabela gerou-se o Gráfico 6.10 que é mostrado abaixo.

89,3103,38 108,2

92,3

173,9

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Te

mp

era

tura

(°C

)

Dissipação com

água

Dissipação por

convecção livre

Dissipação

convecção

forçada

Dissipação

peltier e

convecção

forçada

Somente a

resistência sem

dissipadores

Figura 6.2 - Comparação entre os modelos.

Na Figura 6.2 se confere a melhor eficiência da configuração dissipador com refrigeração à água e após a da configuração pastilha Peltier + dissipador + ventilador axial.

Como a diferença é pequena e a água usada no teste foi diretamente retirada da rede de á-gua pública, ou seja, temperatura inferior a temperatura ambiente. Foi então planejada a monta-gem de um radiador e assim criar um sistema de refrigeração, mas isso faria com que a água do sistema ficasse acima da temperatura ambiente. O que reduziria sua eficiência de dissipação de calor comparado protótipo inicialmente idealizado (configuração pastilha Peltier + dissipador + ventilador axial).

18

6.7 Aquisição de Temperaturas Diretamente na Resistência Para executarmos os testes de resistência no elemento dissipativo, temos que primeiramen-te calibra-lo. 6.7.1 Calibração da Resistência

Esta calibração foi executada através de um banho térmico da marca Lauda. Os dados ad-quiridos estão demonstrados na Tabela B.8. Essa tabela originou o Gráfico 6.11, onde foi defini-da a linha de tendência dos pontos adquiridos. Esse gráfico está demonstrado abaixo.

y = -0,0131x + 324,48

R2 = 0,9922

323

323,2

323,4

323,6

323,8

324

324,2

324,4

324,6

0 50 100 150

Temperatura (°C)

Re

sist

ên

cia

(k

Ω)

Resistência (kΩ)

Linear (Resistência

(kΩ))

Gráfico 6.11 - Calibração da resistência (elemento dissipativo).

Com a calibração efetuada na resistência podemos aferir a temperatura de operação do e-lemento dissipativo. Os dados adquiridos com o sistema de aquisição HP-34970A estão apresen-tados no Gráfico 6.12 abaixo.

y = 4,2345Ln(x) + 45,906

R2 = 0,8271

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30

Tempo (m)

Te

mp

era

tura

(°C

)

temperatura (°C)

Gráfico 6.12 - Temperatura da resistência em relação ao tempo de ensaio.

Extrapolando a linha de tendência obtida com os pontos acima demonstrados para o tempo

de 10 dias, onde pode ser considerado regime permanente, temos a temperatura de aproximada-mente 85°C.

19

7. CONCLUSÕES O objetivo principal deste trabalho foi encontrar uma das melhores maneiras para se retirar calor do elemento dissipativo em regime permanente, para isso, foram desenvolvidos cinco mo-delos de dissipação de calor e escolhido o que nos demonstrou ser o mais eficiente. Percebe-se que o problema apresentado foi solucionado com uma aceitável coerência entre os cálculos e os dados adquiridos experimentalmente, também chegamos a conclusão que as me-dições realizadas para a execução deste experimento tem a confiabilidade exigida pelo problema.

Um importante ponto a ser citado é o método pelo qual foi medida a temperatura da resis-tência, o qual utilizou a mesma como um sensor térmico.

No modelo de cálculo foi considerado que a resistência estava totalmente isolada a menos da face que está em contato com o dissipador, por este motivo foi considerado que o calor gerado pela resistência e pelas pastilhas Peltier são extraídos pelo dissipador e por isso o fluxo é de 290W.

A temperatura de regime da resistência é de aproximadamente 85°C que foi obtida através da extrapolação da curva que aproxima os pontos obtidos experimentalmente.

Deve ser feita a observação de que o objetivo acadêmico do trabalho, o qual é efetuar a ins-trumentação correta de um problema de engenharia, foi atingido com sucesso. Uma futura melhoria prevista para o sistema, seria a utilização do modelo já escolhido pelo grupo, porém acrescentado um sistema de refrigeração do elemento dissipador pela passagem de um liquido refrigerante em ciclo fechado para então obtermos dissipação de calor através da con-dução pelo liquido e da convecção forçada pelo ar.

20

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BRITO FILHO, J. P., 2007. “Análise da Dissipação de Calor em Microcomputadores”, 8º Congreso Iberoamericano de Ingenieria Mecanica, Cusco.

MAIDANA, C. F., et al. 2007. “Bancada para Medida de Eficácia Térmica de Pastilhas de Efeito Peltier”, Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas, Porto Alegre.

INCROPERA, F. P., DEWITT, D., BERGMAN, T., LAVINE, A., 2008, “Fundamentos de Transferência de Calor e Massa”, 6ª ed., Ed. LTC, Rio de Janeiro. www.akasa.com.br, 01 de dezembro de 2009. www.efeitopeltier.com.br, 01 de dezembro de 2009.

21

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Qualidade do Relatório

Fundamentação Instrumentação Resultados e conclusões

Incertezas Criatividade

22

ANEXO A

A montagem do protótipo inicial foi executada seguindo os seguintes passos:

1. Instalação do sensor termopar tipo k em cima do tijolo. Para isso, foi necessária a abertura de um pequeno vinco para seu acomodamento e após o depósito de pasta térmica da marca Implastec para assegurar o contanto térmico entre o tijolo, sensor e a resistência. Este pas-so é mostrado na Figura A.1 abaixo.

Figura A.1 - Instalação do sensor termopar tipo k no tijolo.

2. Alocação do sensor termopar tipo k em cima da resistência. Para isso, foi necessária a di-

minuição da espessura dos fios e da junta do termopar e após o deposito de pasta para as-segurar o contanto entre a resistência, o sensor e as pastilhas Peltier. Este passo é mostrado nas Figuras A.2 e A.3 abaixo.

Figura A.2 - Termopar com espessura diminuída.

23

Figura A.3 - Termopar e pastilhas Peltier instaladas.

3. Colocação do sensor termopar tipo k em cima das pastilhas Peltier. Para isso, foi necessá-

ria a abertura de um pequeno vinco no dissipador de alumínio para seu acomodamento e após o deposito de pasta térmica, para assegurar o contanto entre as pastilhas Peltier, o sensor e o dissipador. Este passo é mostrado na Figura A.4 e A.5 abaixo.

Figura A.4 - Dissipador e pastilhas Peltier com pasta térmica.

24

Figura A.5 - Instalação do sensor no vinco criado.

4. Finalizou-se a montagem do sistema de refrigeração instalando o ventilador axial sobre o

conjunto montado e também se fazendo as conecções elétrica com as fontes de 12 Volts. O protótipo finalizado esta mostrado na Figura A.6 e A.7 abaixo.

Figura A.6 - Visão frontal do protótipo.

25

Figura A.7 - Visão posterior do protótipo.

26

ANEXO B Este anexo contém tabelas com dados usados para gerar gráficos ao longo do trabalho.

Tabela B.1 - Calibragem do sensor NTC 2k7. NTC 2K7 (KΩ) Resistência (Ω) NTC 2K7 (Ω)

5,42 320 5420 5,13 320 5130 4,87 319 4870 4,5 320 4500

3,91 319 3910 3,49 319 3490 3,16 318 3160 2,9 318 2900

2,58 318 2580 2,27 318 2270 1,86 319 1860 1,2 321 1200

0,86 319 860 0,662 317 662 0,524 318 524

Tabela B.2 - Dissipação utilizando pastilhas Peltier e ventilador axial.

Temperatura na interface Temperatura na interface Temperatura na interface Tempo

(s) Tijolo - Resistência (°C)

Resistência – P. Peltier (°C)

P. Peltier - Dissipador (°C)

0 23,3 23,3 23,3 30 38,3 23,3 23,3 60 46,3 23,3 48,3 90 56,3 31,3 53,3

120 61,3 36,3 58,3 150 63,3 41,3 58,3 180 68,3 41,3 61,3 210 70,3 43,3 61,3 240 74,3 43,3 61,3 270 75,3 43,3 61,3 300 78,3 46,3 61,3 330 80,3 46,3 61,3 360 80,3 46,3 61,3 390 82,3 46,3 61,3 420 82,3 46,3 61,3 450 85,3 46,3 61,3 480 85,3 46,3 61,3 510 87,3 46,3 61,3 540 87,3 46,3 61,3 570 87,3 48,3 61,3 600 87,3 48,3 61,3 630 89,3 48,3 61,3

27

660 89,3 48,3 61,3 690 89,3 48,3 61,3 720 89,3 48,3 61,3 750 89,3 48,3 61,3 780 89,3 48,3 61,3 810 92,3 48,3 61,3 840 92,3 48,3 61,3 870 92,3 48,3 61,3 900 92,3 48,3 63,3 930 92,3 48,3 63,3 960 92,3 48,3 61,3 990 92,3 48,3 61,3

1020 92,3 48,3 61,3

Tabela B.3- Dissipação com ventilador axial Temperatura na interface Temperatura na interface

Tempo (s) Tijolo - Resistência (°C) Resistência - Dissipador (°C) 0 29,5 29,5

30 37,5 32,5 60 52,5 34,5 90 62 37,5

120 69,5 39,5 150 74,5 39,5 180 79,5 39,5 210 79,5 39,5 240 84 39,5 270 86,5 42,5 300 88,5 42,5 330 91,5 42,5 360 93,5 42,5 390 93,5 42,5 420 96,5 42,5 450 96,5 42,5 480 98,5 42,5 510 98,5 42,5 540 98,5 42,5 570 100,5 42,5 600 100,5 42,5 675 103,5 42,5 800 105,5 42,5 980 108,2 44,5

Tabela B.4- Dissipação com convecção livre.

Temperatura na interface Tempo (s) Tijolo - Resistência (°C)

0 27,38 60 44,884 90 52,384

28

120 59,984 150 64,784 180 66,884 210 72,384 240 74,884 270 77,384 300 79,384 330 81,884 360 81,884 390 84,384 420 86,384 450 86,384 480 89,384 510 89,384 540 91,384 570 91,384 600 93,884 660 96,384 737 98,384 825 101,384 930 103,384

1020 106,384

Tabela B.5 - Dissipação através de uma vazão de água de 0,0857 l/s. Temperatura na interface

Tempo (s) Tijolo - Resistência (°C) 0 27,384

30 37,384 60 50,384

120 64,784 150 66,884 180 72,384 210 74,884 240 77,384 270 77,384 300 79,384 330 79,384 360 81,384 420 81,384 450 84,384 480 84,384 510 84,384 540 84,384 570 86,384 600 86,384 810 89,384 970 89,384

29

Tabela B.6 - Temperatura da Resistência. Temperatura na interface Temperatura na interface

Tempo (s) Tijolo - Resistência (°C) Resistência - Ar ambiente (°C) 0 27,9 27,9

30 35,91 37,91 60 55,91 60,91 90 69,91 76,91

120 84,91 91,91 150 96,91 101,91 180 103,91 108,91 210 113,91 115,91 240 121,91 118,91 270 125,91 122,91

Tabela B.7 - Comparação entre todas as configurações.

Tipos de dissipação Temperatura (°C) Dissipação com água 89,3 Dissipação por convecção livre 103,38 Dissipação convecção forçada 108,2 Dissipação Peltier e convecção forçada 92,3 Somente a resistência sem dissipadores 173,9

Tabela B.8 - Calibração da resistência (elemento dissipativo).

Temperatura (°C) Resistência (kΩ) 4 324,38

5,2 324,37 8,2 324,36

10,9 324,34 12,8 324,32 15,4 324,3 20,9 324,26 24,9 324,2 28,7 324,14 32,1 324,05 35,9 323,99 43,1 323,9 50,2 323,8 53,9 323,78 57,4 323,72 60,1 323,67 65,1 323,63 70,7 323,6 75,1 323,56 80,4 323,47 85,3 323,35 90,3 323,23 96,7 323,19

30