ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA – EEL/USP
VITOR HUMEL
POTENCIAIS APLICAÇÕES DE MODULOS TERMOÉLETRICOS
Monografia apresentada como requisito parcial
para a conclusão de Graduação do curso de
Engenharia Industrial Química.
Orientador: Prof. Dr. Felix Monteiro Pereira
LORENA – SP
2014
"Eu não me preocupo que eles roubem a minha ideia... eu me preocupo que eles não tenham suas próprias.” Nikola Tesla
À Deus pela graça de poder viver o sonho que ele sonhou pra mim.
Aos meus pais, José Augusto e Ana Maria, minha família, meus amores, agradeço por acreditarem
sempre no meu potencial e por apoiarem minhas escolhas.
À todos os professores que passaram pela minha vida acadêmica e me mostraram que a ciência
é muito mais que contas e cálculos e sim um prazer e uma filosofia de vida.
À Felix Monteiro, por aceitar me orientar nesse trabalho e sempre ter sido tão paciente e solícito.
Aos todos meus amigos que contribuíram direta e indiretamente durante toda a minha
graduação, me dando injeções de ânimo e força, obrigado Marcéu, Caio, Elton, Alan, André,
Guilherme, Marcelo, Kazuyuki, Joslaine, Vinicius, Lucas, Enrico, Trajano e Jessica.
Em especial eu agradeço professor “Carlão” que nos deixou os ensinamentos de suas aulas e sua
sabedoria de sua vida.
Humel, V
.
POTENCIAIS APLICAÇÕES DE MODULOS TERMOELETRICOS 2014. X f. Projeto deMonografia (Graduação) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.
O presente trabalho apresenta uma revisão bibliográfica mostrando o potencial da utilização dos sistemas termoelétricos em sistemas de refrigeração. Partindo da revisão bibliográfica foi realizado um experimento de transferência de calor utilizando água como fluido de transferência nos lados frio e quente do sistema termoelétrico. Realizou-se um ajuste dos modelos matemáticos apresentados na literatura aos dados experimentais. Os resultados obtidos no ajuste do modelo aos dados experimentais demonstraram que o experimento realizado era consistente, possibilitando a utilização desses resultados para verificar o comportamento de um dispositivo termoelétrico em um sistema de transferência de calor. A partir dos resultados pode-se destacar, dentre as conclusões obtidas, a necessidade da otimização das condições operacionais a fim de se obter uma boa performance do sistema de transferência de calor com um consumo adequado de potência.
Palavras-chave: termoeletricidade, módulo termoelétrico, efeito Peltier, pastilha de Peltier e refrigerador termoelétrico.
This Project of course conclusion presents a literature review showing the potential use of
thermoelectric systems in refrigeration systems. Based on the literature review was performed a
heat transfer experiment using water as a transfer fluid in the cold and hot sides of the
thermoelectric system. Was made a set of mathematical models that presented in the literature
to the experimental data. The model results fit to the experimental data that way the experiment
was consistent, allowing the use of the results to verify the a thermoelectric device behavior in a
heat transfer system. The results shows among the conclusions reached, the highlighted need for
operating optimization conditions in order to obtain a good heat transfer performance of the
system with adequate power consumption.
Keywords: t
hermoelectricity, thermoelectric module, Peltier effect, Peltier cell an thermoelectric
cooler.
2. JUSTIFICATIVA ... 12 3. OBJETIVOS ... 13 3.1. OBJETIVO GERAL ... 13 4. REVISÃO DA LITERATURA ... 14 4.1. SEMICONDUTIVIDADE ... 14 4.1.1. CONCEITO DE BURACO ... 14
4.1.2. SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA DO Tipo n ... 15
4.1.3. SEMICONDUÇÃO EXTRINSECA DO Tipo p ... 16
4.2. EFEITO TERMOELÉTRICO ... 18
4.2.1. EFEITOS PELTIER E SEEBECK ... 18
4.2.2. EFEITO THOMSON ... 22
4.3. TRANSFERÊNCIA DE CALOR ... 23
4.3.1. CONDUÇÃO ... 23
4.4. INTERFACE TÉRMICA E MATERIAIS DE INTERFACE TÉRMICA ... 24
4.5. MODELOS MATEMÁTICOS ... 27
5. MATERIAIS E MÉTODOS ... 30
5.1. MATERIAIS ULTILIZADOS ... 30
5.2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ... 30
6. RESULTADOS ... 34
6.1. TRANSFERÊNCIA DE CALOR PELA SUPERFÍCIE DE BAIXA TEMPERATURA ... 35
6.2. TRANSFERÊNCIA DE CALOR PELA SUPERFÍCIE DE ALTA TEMPERATURA: ... 38
7. CONCLUSÃO ... 44
8. POSSIVEIS APLIÇÃOES ... 45
EXPLODIDA DE UM MODULO TEC. ... 10
FIGURA 2:MODELO DE LIGAÇÃO ELETRÔNICA PARA A CONDUÇÃO ELÉTRICA NO SILÍCIO INTRÍNSECO:(A) ANTES DA EXCITAÇÃO;(B) E (C) APÓS A EXCITAÇÃO (OS MOVIMENTOS SUBSEQUENTES DO ELÉTRON LIVRE E DO BURACO EM RESPOSTA A UM CAMPO EXTERNO). .... 15
FIGURA 3MODELO DE SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA DO TIPO N.(A)UM ÁTOMO DE IMPUREZA TAL COMO O FÓSFORO, QUE POSSUI CINCO ELÉTRONS DE VALÊNCIA, PODE SUBSTITUIR UM ÁTOMO DE SILÍCIO.ISSO RESULTA EM UM ELÉTRON DE LIGAÇÃO EXTRA, O QUAL ESTÁ LIGADO AO ÁTOMO DE IMPUREZA E ORBITA AO SEU REDOR.(B)EXCITAÇÃO PARA FORMAR UM ELÉTRON LIVRE.(C)O MOVIMENTO DESSE ELÉTRON LIVRE EM RESPOSTA A UM CAMPO ELÉTRICO. ... 16
FIGURA 4:MODELO SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA DO TIPO P (LIGAÇÃO ELETRÔNICA).(A)UM ÁTOMO DE IMPUREZA TAL COMO O BORO, QUE POSSUI TRÊS ELÉTRONS DE VALÊNCIA, PODE SUBSTITUIR UM ÁTOMO DE SILÍCIO.ISSO RESULTA EM UMA DEFICIÊNCIA DE UM ELÉTRON DE VALÊNCIA OU EM UM BURACO QUE ESTÁ ASSOCIADO AO ÁTOMO DE IMPUREZA.(B)MOVIMENTO DESSE BURACO EM RESPOSTA A UM CAMPO ELÉTRICO. ... 17
FIGURA 5:ESQUEMA DE OPERAÇÃO DE MODULO TERMOELÉTRICO (A) MODO DE RESFRIAMENTO;(B) MODO DE AQUECIMENTO;... 19
FIGURA 7:ESQUEMA ILUSTRATIVO DO EFEITO PELTIER: GERAÇÃO DE ΔT. ... 21
FIGURA 6:ESQUEMA ILUSTRATIVO DO EFEITO SEEBECK: GERAÇÃO DE POTENCIAL. ... 21
FIGURA 8:ESQUEMA ILUSTRATIVO DO EFEITO THOMSON: GERAÇÃO DE CORRENTE ELÉTRICA. ... 22
FIGURA 9:CONDUÇÃO DE CALOR ATRAVÉS DE UMA PAREDE PLANA DE ESPESSURA ΔX E ÁREA A. ... 24
FIGURA 10:JUNÇÃO ENTRE UMA DISSIPADOR DE CALOR E UM MÓDULO TEC AUMENTADO 1000X.MOSTRA A IMPERFEIÇÃO DOS MATERIAIS ... 25
FIGURA 11:JUNÇÃO ENTRE UMA DISSIPADOR DE CALOR E UM MÓDULO TEC AUMENTADO 1000X.MOSTRA O CONTATO ENTRE AS SUPERFÍCIES DOS MATERIAIS É BEM MENOR QUE O ESPERADO. ... 25
FIGURA 12:MATERIAL DE INTERFACE ATUANDO PREENCHENDO TODO O ESPAÇO ENTRE AS SUPERFÍCIES. ... 26
FIGURA 13:OS VAZIOS QUE ATUAM COMO ISOLAMENTO TÉRMICO. ... 26
FIGURA 14:ESQUEMA DE MONTAGEM DO EXPERIMENTO,APRESENTA TODO O SISTEMA MONTADO,MODULO TEC, BLOCOS D’AGUA, CONEXÕES EM “T”, TERMOPARES, MANGUEIRAS DE SILICONE E GRAXA DE PRATA ENTRE O MODULO TEC E OS BLOCOS D’AGUA. .... 31
FIGURA 16:MONTAGEM DO MODULO TEC ENTRE DOIS BLOCOS D’AGUA E GRAXA TÉRMICAS NAS INTERFACES. ... 32
FIGURA 15:MATERIAIS UTILIZADOS ... 32
FIGURA 17:EXPERIMENTO OPERANDO; ... 33
FIGURA 18:LEITURA E CONTROLE DA CORRENTE ELÉTRICA E LEITURA DA TEMPERATURA. ... 33
FIGURA 19:GRÁFICO MOSTRA QUE QUANTO MAIS REFRIGERADO O LADO QUENTE MAIOR É O CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA. ... 34
FIGURA 20:GRÁFICO DE AJUSTE DO MODELO AOS DADOS EXPERIMENTAIS DE CALOR ABSORVIDO PELA SUPERFÍCIE FRIA “QC”(W) EM FUNÇÃO DA CORRENTE ELÉTRICA “I”(A). ... 36
FIGURA 21:GRÁFICO DE RESÍDUOS DA SUPERFÍCIE FRIA ... 37
FIGURA 22:APRESENTA O GRÁFICO DE AJUSTE DO MODELO AOS DADOS EXPERIMENTAIS. ... 39
FIGURA 23:GRÁFICO DE AJUSTE DO MODELO AOS DADOS EXPERIMENTAIS DE CALOR DISSIPADO “QH”(W) POR CORRENTE ELÉTRICA “I” (A.)... 39
FIGURA 24:POTENCIA CONSUMIDA POR QUANTIDADE DE CALOR TRANSFERIDO... 41
FIGURA 25:QUANTIDADE DE CALOR TRANSFERIDA PELAS SUPERFÍCIES FRIA E QUENTE EM FUNÇÃO DA VAZÃO NA SUPERFÍCIE QUENTE. ... 41
FIGURA 26:RELAÇÃO ENTRE A DIFERENÇA DE TEMPERATURA PELA VAZÃO DE REFRIGERAÇÃO. ... 42
FIGURA 27:ANALISE DE EFICIÊNCIA POR VAZÃO POR CORRENTE ELÉTRICA. ... 43
FIGURA 28:APLICAÇÃO EM REATORES QUÍMICOS. ... 45
TABELA 1:DADOS COLETADOS NO EXPERIMENTO ... 35
TABELA 2:ANÁLISE DA VARIÂNCIA PARA A SUPERFÍCIE DE BAIXA TEMPERATURA ... 37
TABELA 3:ANÁLISE DA VARIÂNCIA PARA A SUPERFÍCIE DE ALTA TEMPERATURA ... 40
1. INTRODUÇÃO
Atualmente, a maioria dos sistemas de refrigeração industrial utiliza a tecnologia de compressão de vapor. Essa tecnologia faz uso de gases refrigerantes que, na maioria dos casos, são danosos ao meio ambiente. Por esse motivo, atualmente existe uma busca incansável pela obtenção de melhorias na eficiência desses sistemas, com a finalidade de reduzir do custo ambiental e energético.
Os sistemas de aquecimento industriais seguem o mesmo rumo dos sistemas de refrigeração, dotados de tecnologias antigas, como resistência elétrica e caldeiras de vapor superaquecido. Esses sistemas têm alta demanda de energia elétrica, combustíveis fosseis ou alternativos. Os dois sistemas possuem características em comum: baixa precisão no controle, pela demora de resposta, e manutenção dispendiosa e constante (Limei, et al., 2013).
Uma tecnologia promissora para cumprir essas finalidades são os dispositivos termoelétricos sólidos como as pastilhas ou células de Peltier. As pastilhas ou células de Peltier além de não utilizarem dos gases que causam danos ambientais, como nos sistemas de refrigeração comumente empregados, apresentam ainda as vantagens de: não possuírem partes móveis, serem livres de barulho ou vibrações, promoverem um controle de temperatura de alta qualidade, requererem pouca manutenção, serem compactos e de funcionamento relativamente simples (Nnanna, et al., 2009,).
Fonte: Adaptado (Russel, et al., 2013)
Figura 1: Modulo TEC: (a) Rede de resistência térmica de um sistema de resfriamento utilizando módulos TEC. (b) Vista explodida de um modulo TEC.
Os módulos termoelétricos (TEC) são manufaturados na forma modular, conforme apresentado na Figura 1 que mostra uma série de junções de semicondutores tipo n e tipo p entre duas placas de cerâmica. As placas de cerâmica são usadas para isolar a corrente elétrica do sistema sem afetar significativamente a transferência de calor. Na figura 1 Rf é a resistência térmica fria entre o ambiente Qcarga (carga térmica
quente) e a extremidade fria (adsorção) do modulo TEC e Rq a resistência térmica quente entre
extremidade quente do módulo TEC e o ambiente (dissipação) (Russel, et al., 2013).
Hoje esse tipo equipamento é utilizado em caixas térmicas, lava-louças, CPU cooler, desumificadores, aquecedores de assento de automóveis entre outros. Além disso, existe a utilização dos módulos TEC na geração de energia elétrica em sistema de geração por radiação solar (Matthieu, et al., 2008).
A utilização de dispositivos termoelétricos possui grandes prospectos para o futuro, especialmente quando há demanda de alta precisão de controle de temperatura, como nos desumificadores, equipamentos de ar condicionado, refrigeradores e aplicação nos transportes de produtos perecíveis, etc., comparado com aplicações que adotam tecnologia de compressão de vapor.
Esse trabalho de conclusão de curso visa auxiliar na compreensão do efeito termoelétrico em módulos termoelétricos.
2. JUSTIFICATIVA
A necessidade de adaptação industrial a tecnologias mais eficientes tem aumentado, visando o desenvolvimento sustentável industrial. O crescimento acelerado da demanda energética resulta em pesquisas tecnológicas para desenvolver sistemas mais eficientes e com baixo custo de manutenção e operação. Este trabalho visa estudar o efeito termelétrico em células de Peltier.
3. OBJETIVOS
3.1. OBJETIVO GERAL
O objetivo geral deste trabalho de conclusão de curso é estudar as tecnologias termoelétricas existentes no mercado, pesquisar a forma de operação e analisar o comportamento operacional de uma célula de Peltier.
Para atingir ao objetivo geral foram propostos os seguintes objetivos específicos:
Realizar uma revisão bibliográfica sobre a transferência de calor em dispositivos termoelétricos;
Realizar um experimento utilizando célula de Peltier envolvendo a absorção e dissipação de calor;
Calcular o coeficiente de performance de uma célula de Peltier; Modelar o comportamento de uma célula de Peltier;
Analisar aspectos sobre a implementação de tecnologias termoelétricas, baseando-se nos resultados obtidos experimentalmente.
4. REVISÃO DA LITERATURA
A seguir, será apresentada uma revisão da literatura abordando os aspectos técnicos e científicos relacionados aos módulos termoelétricos.
4.1. SEMICONDUTIVIDADE
Materiais semicondutores possuem algumas características elétricas únicas que os torna extremamente úteis. As propriedades elétricas desses materiais são extremamente sensíveis à presença de mínimas concentrações de dopantes (Callister, 2002).
Os semicondutores extrínsecos (tanto do tipo n como do tipo p) são produzidos a partir de materiais que, inicialmente, são de alta pureza, geralmente contendo teores totais de dopantes da ordem de 10-7% at. Concentrações controladas de doadores e receptores específicos são então adicionadas intencionalmente. Tal processo de formação de ligas em materiais semicondutores é chamado de dopagem (Berger, 2013).
Nos semicondutores extrínsecos, grande parte do transporte de carga (elétrons ou buracos, dependendo do tipo de impureza) é gerada à temperatura ambiente pela energia térmica disponível. Como consequência, são obtidas condutividades elétricas relativamente elevadas, à temperatura ambiente, para os semicondutores extrínsecos (Callister, 2002).
4.1.1. CONCEITO DE BURACO
Nos semicondutores intrínsecos, para cada elétron excitado para a banda de condução é deixado pra trás um elétron que fica faltando em uma das ligações covalentes, ou, no esquema de bandas, um estado vazio na banda valência (Callister, 2002).
Sob a influência de um campo elétrico, a posição desse elétron que está faltando dentro do reticulo cristalino pode ser considerada como se estivesse se movendo pelo movimento de outros elétrons de valência que respectivamente preenchem a ligação incompleta (Figura. 2). Esse processo torna-se mais simples de ser compreendido se o elétron que está faltando na banda de valência for tratado como se fosse uma partícula positivamente carregada chamada de buraco. Considera-se que um buraco possua uma carga com a mesma magnitude daquela apresentada por um elétron, porém com o sinal oposto. Dessa forma, na presença de um campo elétrico, os elétrons excitados e os buracos se
movem em direções opostas. Ademais, nos semicondutores, tanto os elétrons como os buracos são espalhados pelas imperfeições do retículo. (Callister, 2002)
4.1.2. SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA DO Tipo n
Para ilustrar como a semicondução intrínseca é realizada, considere novamente o semicondutor elementar silício. Um átomo de Si possui quatro elétrons, cada um dos quais ligados covalentemente com um de quatro átomos de Si adjacentes. Agora, suponha que um átomo de impureza com valência de 5 seja adicionado como uma impureza substituta; as possibilidades iriam incluir os átomos da coluna Grupo V A da tabela periódica. O elétron adicional que não forma ligações fica fracamente preso à região ao redor do átomo de impureza, através de uma atração eletrostática fraca, como está ilustrado na Figura. 3(a).
Figura 2:Modelo de ligação eletrônica para a condução elétrica no silício intrínseco: (a) antes da excitação; (b) e (c) após a excitação (os movimentos subsequentes do elétron livre e do buraco em resposta a um campo externo).
A energia de ligação desse elétron é relativamente pequena; dessa forma, ele é removido com facilidade do átomo de impureza, nesse caso ele se torna um elétron livre ou de condução (Figura. 3(a) e Figura. 3(b)).
À temperatura ambiente, a energia térmica disponível é suficiente para excitar grande número de elétrons. O número de elétrons na banda de condução excede em muito o número de buracos de banda de valência (n>>p).
Um material desse tipo é chamado de semicondutor extrínseco do tipo n. Os elétrons são os portadores majoritários em virtude de sua densidade ou concentração; os buracos, por outro lado são os portadores minoritários de carga (Callister, 2002).
4.1.3. SEMICONDUÇÃO EXTRINSECA DO Tipo p
Um efeito oposto é produzido pela adição ao silício ou ao germânio. Uma das ligações covalentes de cada um desses átomos fica deficiente de um elétron que pode ser vista como um buraco que se encontra fracamente ligado ao átomo de impureza. Esse buraco pode ser liberado do átomo de impureza pela transferência de elétron de uma ligação adjacente, como ilustrado da Figura. 4. Essencialmente, o elétron e o buraco trocam de posições. Considera-se que um buraco em movimento está em um estado
Fonte: Adaptado (Callister, 2002)
Figura 3 Modelo de semicondução extrínseca do tipo n. (a) Um átomo de impureza tal como o fósforo, que possui cinco elétrons de valência, pode substituir um átomo de silício. Isso resulta em um elétron de ligação extra, o qual está ligado ao átomo de impureza e orbita ao seu redor. (b) Excitação para formar um elétron livre. (c) O movimento desse elétron livre em resposta a um campo elétrico.
excitado e participa no processo de condição, de uma maneira análoga à de um elétron doador excitado, na forma já descrita. (Callister, 2002)
As excitações extrínsecas em que são gerados buracos também podem ser representados pelo modelo de bandas. Cada átomo de impureza desse tipo introduz um nível de energia dentro do espaçamento entre bandas, localizado acima, porém muito próximo, da parte superior da banda de valência. Imagina-se que um buraco seja criado na banda de valência para esse estado eletrônico de impureza. Com tal transição, apenas um portador é produzido, sendo este buraco na banda de valência; um elétron livre não é criado no nível de impureza ou na banda de condução. Uma impureza desse tipo é chamada receptor, pois ela é capaz de aceitar um elétron da banda de valência, deixando pra trás um buraco. Segue-se o nível de energia dentro do espaçamento entre bandas, que é introduzido por esse tipo de impurezas, é chamado de estado receptor. (Callister, 2002)
Para esse tipo de condução extrínseca, os buracos estão presentes em concentrações muito mais altas do que os elétrons, e sob essas circunstancias um material considerado do tipo p, pois partículas positivamente carregadas são as principais responsáveis pela condução elétrica. Obviamente, os buracos são portadores principais, e os elétrons estão presentes em concentrações minoritárias. (Callister, 2002)
Fonte: adaptado (Callister, 2002)
Figura 4: Modelo semicondução extrínseca do tipo p (ligação eletrônica). (a) Um átomo de impureza tal como o boro, que possui três elétrons de valência, pode substituir um átomo de silício. Isso resulta em uma deficiência de um elétron de valência ou em um buraco que está associado ao átomo de impureza. (b) Movimento desse buraco em resposta a um campo elétrico.
4.2. EFEITO TERMOELÉTRICO
O efeito termoelétrico é a conversão direta da diferença de temperatura em tensão elétrica e vice-versa. O dispositivo termoelétrico cria uma tensão elétrica quando há diferença de temperatura entre seus lados. Quando o contrário acontece, ou seja, lhe é aplicada uma tensão elétrica, também cria-se uma diferença de temperatura. Analisando este efeito na escala atômica (em especial, partículas portadoras de carga elétrica), quando é aplicado um gradiente de temperatura em elétrons ou espaços vazios em um metal para diferenciar o lado quente do frio, ocorre a passagem de corrente elétrica, que foi induzida termicamente. Este efeito de aplicar uma variação de temperatura pode ser usado para gerar eletricidade, medir temperatura, esfriar objetos, aquecê-los ou tratá-los termicamente. A direção das cargas elétricas, o que faz o aquecimento ou esfriamento, é determinada pela direção da corrente elétrica aplicada. Dispositivos termoelétricos produzem controladores de temperatura muito convenientes. (Hill, 1988)
4.2.1. EFEITOS PELTIER E SEEBECK
Dispositivos termoelétricos (módulos termoelétricos) podem converter energia elétrica em gradiente de temperatura. Este fenômeno foi descoberto por Peltier em 1834. A aplicação do efeito de dissipação ou absorção permaneceu mínima até o desenvolvimento de materiais semicondutores. Com o advento de materiais veio a capacidade para uma grande variedade de aplicações práticas de refrigeração termoelétrica.
Arrefecimento e aquecimento termoelétrico são obtidos quando uma corrente contínua é passada através de um ou mais pares de materiais semicondutores do tipo n e tipo p. Figura. 5 é um diagrama de um único par consistindo de materiais semicondutores tipo n e tipo p. No modo de arrefecimento, figura. 5(b), as passagens de corrente contínua a partir do material semicondutor tipo n o
tipo p. A temperatura Tc na junção dos condutores diminui e o calor é absorvido do ambiente. Esta
absorção de calor do ambiente (de arrefecimento) ocorre quando os elétrons passam de um baixo nível de energia no material tipo p, através da interconexão dos condutores, para um alto nível de energia material tipo n. O calor absorvido é transferido através do material semicondutor pelo transporte de
elétron para a outra junção Th e é liberado quando elétrons retornam para o nível de baixa energia no material tipo p. Este fenômeno é chamado efeito Peltier (Riffat, et al., 2003).
Um Segundo fenômeno é também importante. Quando estabelecida uma diferença de temperatura entre os lados quente e frio de um material semicondutor, uma tensão elétrica é gerada. Essa tensão é chamada como efeito Seebeck, e esta é diretamente proporcional a diferença de temperatura. Essa constante de proporcionalidade é conhecida como coeficiente de Seebeck (Riffat, et al., 2003).
O efeito Peltier é controlado pela constante de Peltier, definido pelo produto do coeficiente de Seebeck de um semicondutor com a temperatura absoluta. O coeficiente de Peltier, refere-se a um efeito de arrefecimento, como a passagem de corrente a partir do material de tipo n para o material do tipo p, um efeito de aquecimento quando a corrente passa do material do tipo p para um material do tipo n.
Fonte: Adaptado (Riffat, et al., 2003)
Figura 5:Esquema de operação de modulo termoelétrico (a) modo de resfriamento; (b) modo de aquecimento;
Revertendo a direção da corrente inverte, figura. 5(a) e (b), a temperatura das extremidades frias e quentes (Riffat, et al., 2003).
Idealmente, a quantidade de calor absorvida na extremidade fria e do calor dissipado na extremidade quente dependem do produto do coeficiente de Peltier e a corrente que flui através do material semicondutor. Praticamente o valor líquido de calor absorvido na extremidade fria devido ao efeito Peltier é reduzida por duas fontes, o calor conduzido e calor devido ao efeito Joule ou calor de Joule (Riffat, et al., 2003).
Devido a diferença de temperatura entre as extremidades frias e quente do material semicondutor, o calor será conduzido através do material de semicondutor da extremidade quente para a extremidade fria. Com o aumento da corrente, a diferença de temperatura, e, assim, o calor conduzido, aumenta por causa do efeito Peltier. No entanto, a outra perda, calor de Joule, é proporcional ao quadrado da corrente e, por conseguinte, torna-se eventualmente o fator dominante. Em qualquer dada corrente de equilíbrio, térmica é estabelecida na extremidade fria, quando o efeito de Peltier na extremidade fria é igual à soma do calor conduzido mais metade do calor de Joule. A outra metade do calor de Joule vai para a extremidade quente (Astrain, et al., 2012).
Com o aumento continuo da corrente o aquecimento Joule torna-se o fator dominante, um ponto é alcançado onde a corrente adicional resultará em menos refrigeração líquida. A corrente para o qual nenhuma refrigeração adicional pode ser alcançada é a corrente máxima Imax. Tensão máxima Vmax e
máxima diferença de temperatura Tmax, também ocorrerá para qualquer carga de calor na corrente
máxima (Matthieu, et al., 2008).
O calor líquido dissipado na extremidade quente é a soma do calor absorvido na extremidade fria mais a energia elétrica aplicada. O coeficiente de desempenho usado para definir a “eficiência” de resfriamento é definido como o calor absorvido líquido na extremidade fria dividida pela energia eléctrica aplicada (Matthieu, et al., 2008).
A capacidade de refrigeração de um material semicondutor depende da combinação do efeito Seebeck do material, resistividade elétrica, e condutividade térmica além da temperatura de operação entre as extremidades quentes e frias (Astrain, et al., 2012). O coeficiente Seebeck ao quadrado divido pelo produto da resistividade elétrica e a condutividade térmica é chamado a figura de mérito Z. Cada uma das propriedades dos materiais semicondutores tipo n e tipo p varia com função da temperatura e,
portanto, a figura de mérito para cada material é dependente da temperatura. Pode ser mostrado que a diferença máxima de temperatura que pode ser conseguida por um único par de material tipo n e tipo p é diretamente proporcional à "temperatura média" figura de mérito para cada material semicondutor. Portanto, maximizar a figura de mérito é o principal objetivo na seleção e otimização dos materiais termoelétricos. A figura de mérito do material semicondutor limita o diferencial de temperatura, enquanto que a capacidade de bombeamento de calor de cada semicondutor tipo n e tipo p calor é definida pela relação da taxa comprimento por área. O material mais utilizado para a refrigeração termoelétrica no intervalo de temperatura de -120 a 230 ° C é uma psedo-liga binária, (Bi, Sb)2(Te, Se)3, conhecida como telureto de bismuto (Riffat, et al., 2003).
Fonte: (Wikipedia, 2014)
Fonte: (Wikipedia, 2014) Figura 6:Esquema ilustrativo do Efeito Peltier: geração de ΔT.
Figura 7: Esquema ilustrativo do Efeito Seebeck: geração de potencial.
I= Gerador de corrente elétrica A= Corrente elétrica T1 = Temperatura 1 T2= Temperatura 2 V= Medido de Tensão A= Corrente elétrica T1 = Temperatura 1 T2= Temperatura 2
4.2.2. EFEITO THOMSON
O último dos efeitos termoelétricos relaciona a quantidade de calor Q gerado num condutor, no qual se faz passar uma corrente eléctrica, existindo, simultaneamente uma diferença de temperatura ∆T, ou seja, demonstra que a transferência de calor é proporcional à corrente elétrica e diferença de temperatura, num material termoelétrico. Segundo Thomson, num material condutor homogêneo, percorrido, por uma corrente elétrica, para além de uma libertação de calor por efeito de Joule, existe libertação ou absorção de calor proporcional à intensidade de corrente, desde que exista um gradiente de temperatura no material (Piedade, 1997).
Partindo do princípio que existe uma diferença de temperatura, tem-se a equação 1 em que β é o coeficiente de Thomson e medido em V/C° K. Embora o efeito de Thomson não seja de principal importância para os dispositivos termoeléctricos, não deverá ser desprezado nos cálculos detalhados.
O efeito de Thomson também relaciona os efeitos anteriores, de Seebeck e de Peltier, através da relação apresentada na equação 2 (Piedade, 1997):
𝑞 = 𝛽 × 𝑖 × ∆𝑇 (1) 𝜋 = 𝛼 × 𝑇(2) 𝜋 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑃𝑒𝑙𝑡𝑖𝑒𝑟
𝛼 = coeficiente de Seebeck
Ou seja, o coeficiente de Peltier é igual ao coeficiente de Seebeck multiplicado pela temperatura absoluta. A única exceção é quando um supercondutor apresenta resistência zero à passagem da corrente elétrica (Piedade, 1997).
Fonte: (Wikipedia, 2014)
Figura 8: Esquema ilustrativo do Efeito Thomson: geração de corrente elétrica.
4.3. TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Calor, como forma de energia, pode ser transferido de um sistema para outro, como um resultado da diferença de temperatura. A análise termodinâmica está relacionada com a quantidade de transferência de calor, transferida de um sistema em um estado de equilíbrio para o outro. A transferência de energia na forma de calor é sempre a partir do meio de maior temperatura para o meio de temperatura de menor temperatura. A transferência de calor cessa quando os dois meios atingirem a mesma temperatura (Hill, 1988).
O calor pode ser transferido em três modos diferentes: condução, convecção e radiação. Todos os modos de transferência de calor exigem a existência de uma diferença de temperatura, e em todos os modos a transferência é a partir do meio de alta temperatura a um meio de baixa temperatura (Hill, 1988).
4.3.1. CONDUÇÃO
A condução é a transferência de energia a partir das partículas mais energéticas de uma substância para as adjacentes, menos energéticas, como resultado das interações entre as partículas. Condução pode ocorrer em sólidos, líquidos ou gases. Em gases e líquidos, a condução é devido às colisões e de difusão das moléculas durante o seu movimento aleatório. Em sólidos, é devida à combinação de vibrações das moléculas, numa estrutura de rede tipo malha, e o transporte de energia em elétrons livres (Cengel, 2002).
A taxa de condução de calor através de um meio depende da geometria, sua espessura e do material do meio, bem como a diferença de temperatura entre os meios (Cengel, 2002).
Considere condução de calor constante através de uma grande parede plana de espessura L e a área A, como mostrado na Figura. 9. A diferença de temperatura entre a parede é dada por :∆𝑇 = 𝑇2−
𝑇1. Experiências mostraram que a taxa de transferência de calor Q através da parede é dobrada, quando
a diferença da temperatura T, da parede ou da área A, perpendicular à direção da transferência de
calor, é dobrado. Mas é reduzida à metade quando a espessura da parede L é dobrada. Assim, podemos concluir que a taxa de condução de calor através de uma camada plana é proporcional à diferença de temperatura através da camada e da área de transferência de calor, mas é inversamente proporcional à espessura da parede de acordo com a equações 3 e 4. (Cengel, 2002)
𝑇𝑎𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢çã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 ∝(á𝑟𝑒𝑎)×(∆𝑇)
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑= 𝑘𝐴 𝑇1−𝑇2
∆𝑋 = −𝑘𝐴 ∆𝑇
𝐷𝑋 (4)
Onde a constante de proporcionalidade k é a condutividade térmica do material, a qual quantifica a capacidade do material de transferir calor. (Cengel, 2002)
4.4. INTERFACE TÉRMICA E MATERIAIS DE INTERFACE TÉRMICA
Interface térmica é toda ou qualquer conexão ou emenda entre dois objetos que possui um fluxo de calor entre eles. Um exemplo comum pode ser o contato entre um módulo TEC e o trocador ou dissipador de calor (Thermoeletric, 2014).
O objetivo das interfaces térmicas é ter o maior fluxo de calor possível, ou seja, maximizar a transferência de calor. Ao juntar duas superfícies depara-se com alguns problemas triviais que possuem como solução a simples aplicação de pasta térmica entre elas (Thermoeletric, 2014).
Um olhar microscópico mostra que superfícies que possuem aparência plana e lisa estão na verdade bem distantes de ser plana e lisa, a figura 10 apresenta uma imagem em escala microscópica de um modulo TEC em contato com um dissipador de calor (Thermoeletric, 2014).
Fonte: (Cengel, 2002) Figura 9:Condução de calor através de uma parede plana de espessura ΔX e área A.
Como pode se observar, as duas superfícies podem parecer planas e suaves, mas na verdade, quando vista em microscópio, elas consistem em “colinas”, “picos” e “vales”. Consequentemente quando estas duas superfícies são postas em contato uma com a outra, apenas os picos fazem contato, a área média de contado, quando calculada é cerca de 5% de toda a área entre as duas superfícies enquanto os outros 95% são lacunas ou espaço vazios, como mostrado na figura 11 (Thermoeletric, 2014).
As figuras 11 e 12 mostram como o contato dos “picos” e o isolamento dos “vazios” entre as superfícies dificultam a troca térmica. Portanto essa não é uma interface térmica ideal.
Fonte: Adaptado (Thermoeletric, 2014)
Fonte: Adaptado (Thermoeletric, 2014)
Figura 10:Junção entre uma dissipador de calor e um módulo TEC aumentado 1000x. Mostra a imperfeição dos materiais
Figura 11:Junção entre uma dissipador de calor e um módulo TEC aumentado 1000x. Mostra o contato entre as superfícies dos materiais é bem menor que o esperado.
Sendo sempre impossível alcançar uma superfície plana o suficiente é necessário o uso de um material de interface térmica com a finalidade de preencher todos os “vales”, “picos”, “colinas” e “vazios” que são criados pelo contado entre as superfícies, aumentando assim a área de fluxo térmico, transformando os “vazios” em área de transferência efetiva. A figura 13 ilustra como atua a matéria de interface térmica.
Existem vários métodos e materiais de interface térmico (Thermoeletric, 2014): Soldas são muito comuns quando o fluxo de calor é entre dois metais;
Metais líquidos, são produtos novos no mercado, são indicados para transferência de calor a temperatura ambiente ou próximo dela (Thermoeletric, 2014);
Fonte: Adaptado (Thermoeletric, 2014)
Fonte: Adaptado (Thermoeletric, 2014)
Figura 13: Os vazios que atuam como isolamento térmico.
Adesivos térmicos, com base em epóxi, têm em sua composição partículas superfinas de material condutor como óxido de alumínio, nitrato de boro, alumínio, cobre e prata. Como as soldas, os adesivos térmicos são indicados para aparatos mecânicos por ser semi flexíveis e de fácil manuseio (Thermoeletric, 2014);
O mais comum dos materiais de interface térmica são as graxas térmicas. Existe uma infinidade de produtos no mercado que possuem o aspecto viscoso com a capacidade de preencher os espaços entres os materiais. Esses produtos são compostos de materiais de alta condutividade térmica como o óxido de zinco, óxido de alumínio, prata e outros (Thermoeletric, 2014).
Existem também outros tipos de materiais de interface térmica, como os materiais de mudança de fase, folhas e chapas, que assim como os citados tem como objetivo aumentar o fluxo de calor (Thermoeletric, 2014).
O material de interface térmica dever ser escolhido pelos atributos que oferece, sendo adequado para os materiais utilizados (Thermoeletric, 2014).
4.5. MODELOS MATEMÁTICOS
Nesta secção são descritas de forma resumida as equações gerais que expressam os fenômenos físicos envolvidos, e o método a ser utilizado para a resolução do problema (Silverio, 2012).
Efeito Peltier: 𝑃𝑝= 𝜋 ∗ 𝐼 = 𝛼 ∗ Τ ∗ I (5) Onde: 𝐼 = 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝜋 = Coeficiente de Peltier 𝛼 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑆𝑒𝑒𝑏𝑒𝑐𝑘
Efeito Thomson: 𝑃𝑇 = ±𝜏 ∗ 𝐼 ∗ ∆Τ 𝑑 (6) Onde: 𝑃𝑇 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑣𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑜 𝑒𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 𝑇ℎ𝑜𝑚𝑠𝑜𝑚 𝐼 = 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝜏 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑇ℎ𝑜𝑛𝑠𝑜𝑛 𝑑 = 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑎𝑠 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓í𝑐𝑖𝑒𝑠 𝑓𝑟𝑖𝑎 𝑒 𝑞𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 ∆Τ = 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛ç𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑎𝑠 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓í𝑐𝑖𝑒𝑠
A direção na qual o calor fluirá depende do sinal do coeficiente de Thomson, a direção na qual a corrente fluirá e a direção do gradiente de temperatura (Silverio, 2012).
Considerando como aproximação que a tensão total sobre o sistema (V) seja mantida
aproximadamente constante nos experimentos, a potência devido ao efeito Joule será (Silverio, 2012): 𝑃𝐽 = 𝑅 ∗ 𝐼2∗ 𝑉 ∗ 𝐼 (7)
𝑃𝐽= 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑣𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑜 𝑒𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒;
𝑅 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎;
𝑉 = tensão elétrica total sobre o dispositivo termoelétrico;
Transferência de calor por condução (Silverio, 2012): 𝑃𝐿 = 𝑘 ∗ 𝐴 ∗
ΔΤ
𝑑 (8) 𝑃𝐿= 𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢çã𝑜;
𝑘 = 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎
𝐴 = Área de transferência de calor por condução
Balanço de energia (superfície de baixa temperatura) (GUIMARÃES, 2014): 𝑄𝑓 = (𝜋 + 𝑉 2± 𝜏 ∗ 𝐼 ∗ ∆Τ 𝑑 ) ∗ 𝐼 − 𝑘 ∗ 𝐴 ∗ ΔΤ 2 (9)
Considerando os termos aproximadamente constantes na equação 9, e para o caso particular de se trabalhar com tensão total sobre o módulo termoelétrico seja mantida constante:
𝑄𝑓 = 𝐾1+ 𝐾2∗ 𝐼 (10) 𝐾1= −𝑘 ∗ 𝐴 ∗ ΔΤ 2 (11) 𝐾2 = (𝜋 − 𝑉 2± 𝜏 ∗ ΔΤ 2𝑑 ) (12)
Balanço de energia (superfície de alta temperatura) (GUIMARÃES, 2014): 𝑄ℎ= (𝜋ℎ+ 𝑉 2± 𝜏 ∗ 𝐼 ∗ 𝛥𝛵 2𝑑) ∗ 𝐼 − 𝑘 ∗ 𝐴 ∗ ∆𝛵 𝑑 (13) 𝑄ℎ= 𝐾3+ 𝐾4∗ 𝐼 (14) 𝐾3= −𝑘 ∗ 𝐴 ∗ ∆Τ 𝑑 (15) 𝐾4= (𝜋ℎ− 𝑉 2± 𝜏 ∗ ∆Τ 2𝑑 (16)
Potência elétrica total (considerando efeito joule e termoelétrico) (Silverio, 2012): 𝑃𝑟𝑒𝑠= 𝑄ℎ− 𝑄𝑐 = (𝐾3− 𝐾1)+ (𝐾4− 𝐾2) ∗ 𝐼 = 𝐶1∗ 𝐼 + 𝐶2 (17)
5. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste trabalho, para o desenvolvimento do tema proposto, optou se pela pesquisa exploratória e experimental. Realizou se uma revisão bibliográfica e foram realizados experimentos com a finalidade de verificar o funcionamento da célula de Peltier.
5.1. MATERIAIS ULTILIZADOS Foram utilizados os seguintes materiais:
Modulo TEC-12706;
Fonte de alimentação 12V 6A modelo S-72-12;
Dois blocos para a transferência de calor manufaturados (bloco d’agua); Quatro Termopares;
Quatro conexões tipo “T”;
Bomba peristáltica com vazão variável; Mangueira de silicone;
Graxa de térmica de prata de 1 W/m-K Multímetro
5.2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
A montagem do experimento buscou medir a quantidade de calor transmitida através do modulo TEC, nas superfícies quente e fria. Os dados experimentais foram obtidos em condições de regime permanente, ou seja, logo que as temperaturas da água em ambos os lados permanecessem constantes. As conexões foram colocadas entre as mangueiras e os trocadores de calor, os termopares foram acondicionados nas conexões “T” a fim de medir as temperaturas da água no momento de entrada e saída da água do trocador de calor (figura 14). Os trocadores de calor foram montados de acordo a figura 16. O módulo TEC foi fixado entre os blocos d’agua, onde um dos blocos d’agua estava em contado com a superfície fria e o outro em contato com a superfície quente.
Ambas as paredes do modulo TEC foram revestidos pela pasta térmica a fim de aumentar a transferência entre as paredes do modulo e os trocadores de calor.
O experimento foi alimentado com água na temperatura ambiente, no lado quente com uma vazão variável (fluxo de refrigeração) e no lado frio com uma vazão constante utilizando a bomba peristáltica (fluxo de aquecimento).
As vazões do fluxo de refrigeração foram controladas por uma válvula esfera, de controle macro, dessa forma não sendo possível um ajuste fino. As vazões foram ajustadas de acordo com a corrente elétrica.
A partir dos dados experimentais foi realizado uma regressão linear da equação 17, que descreve o comportamento do dispositivo termoelétrico para estimativa dos parâmetros C1 e C2.
As figuras 15, 16, 17 e 18 apresentam o arquivo fotográfico do experimento realizado, mostrando os materiais utilizados (figura 15), a montagem do Modulo TEC entre dois blocos d’agua e graxa térmicas nas interfaces (figura 16), o experimento em operação (figura 17) e a leitura da corrente elétrica e da temperatura (figura 18).
Fonte: Próprio autor
Figura 14:Esquema de montagem do experimento, Apresenta todo o sistema montado, Modulo TEC, blocos d’agua, conexões em “T”, termopares,
Fonte: Próprio autor
Figura 15: Montagem do Modulo TEC entre dois blocos d’agua e graxa térmicas nas interfaces.
Fonte: Próprio autor Figura 16: Materiais utilizados
Figura 17: Experimento operando;
Fonte: Próprio autor.
Fonte: Próprio autor.
6. RESULTADOS
O experimento foi conduzido utilizando como base a leitura, da corrente consumida pelo módulo TEC realizada no multímetro, em tempo real, sendo essa corrente adotada como variável de controle. A corrente elétrica foi controlada pelo ajuste do fluxo de refrigeração, ajustado manualmente na válvula esfera. A figura 19 apresenta a relação entre a refrigeração do lado quente e a corrente elétrica.
Os resultados apresentados na tabela 1 foram obtidos variando-se a vazão junto à superfície de alta temperatura e mantendo-se constante a vazão junto à de baixa temperatura. O procedimento inverso também foi realizado, ou seja, mantendo o fluxo na superfície de alta temperatura constante a uma vazão de 0,2974 ml/s e variando o fluxo na de baixa temperatura as vazões de 0,6530 ml/s, 1,5216 ml/s, 2,4031 ml/s, 9,70 ml/s e 57,97 ml/s. Foi obtido uma corrente constante de 3,46 A em toda a faixa de variação, o que indica que, dentro das condições experimentais realizadas, a retirada de calor do lado quente governa o processo.
Os dados obtidos são apresentados na pela tabela 1. 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 0 10 20 30 40 50 60 70 I(A )
Vazão superficie quente (g/s)
I (A)
I (A)
Fonte: próprio autor
Tabela 1: Dados coletados no experimento
I(A) Vazão lado quente (ml/s) Vazão lado frio (ml/s) Termopar T(°C)
4.41 57.9299 0.2974 Entrada Frio 22 Saída Frio 9 Entrada Quente 20 Saída Quente 21 4.23 9.7500 0.2974 Entrada Frio 23 Saída Frio 12 Entrada Quente 22 Saída Quente 24 3.95 2.4031 0.2974 Entrada Frio 23 Saída Frio 15 Entrada Quente 22 Saída Quente 31 3.75 1.5216 0.2974 Entrada Frio 24 Saída Frio 16 Entrada Quente 23 Saída Quente 34 3.46 0.6530 0.2974 Entrada Frio 24 Saída Frio 19 Entrada Quente 24 Saída Quente 46 Fonte: próprio autor
Ainda de acordo com a Tabela 1, verifica-se que, quanto maior a vazão do lado quente, menor a temperatura de saída do lado frio, ou seja, em processos nos quais se deseje retirar calor, quanto mais calor for retirado do lado quente maior será a quantidade de calor retirada pela superfície fria.
A seguir serão apresentados os resultados obtidos no ajuste do modelo representativo do processo aos dados experimentais para a transferência de calor pela superfície de baixa temperatura e de alta temperatura.
6.1. TRANSFERÊNCIA DE CALOR PELA SUPERFÍCIE DE BAIXA TEMPERATURA
A partir dos dados experimentais apresentados na tabela 1 e do equacionamento apresentado na revisão bibliográfica, foi possível proceder à regressão linear a fim de expressar os fluxos de retirada de calor pela superfície de baixa temperatura (Qc) e pela superfície de alta temperatura (Qh).
Para a superfície de baixa temperatura, considerou-se o equacionamento: 𝑄 = 𝐾1+ 𝐾2∗ 𝐼 (10) 𝐾1= −𝑘 ∗ 𝐴 ∗ ΔΤ 2 (11) 𝐾2 = (𝜋 − 𝑉 2± 𝜏 ∗ 𝐼 ∗ ΔΤ 2𝑑 ) (12)
A taxa de transferência de calor foi calculada a partir do calor absorvido pelos fluxos de água no experimento (𝑄 = 𝑚̇𝑐𝑝∆𝑇, onde 𝑚̇ é o fluxo mássico de água, 𝑐𝑝= 4180 J/kg°C é o calor expecífico da
água a pressão constante e ∆𝑇 é a diferença de temperatura entre a entrada e saída da água). Os parâmetros estimados e seus respectivos desvios-padrão obtidos a partir da regressão linear foram:
K1 = - 125 ± 24 W/A K2 = 43 ± 6 W
O desvio padrão dos parâmetros apresentados já possuem o valor de t para o nível de confiança de 95%, dessa forma, pode-se afirmar que os parâmetros são significativos no nível de confiança de 95% segundo teste t de Students.
Na figura 20, observa-se um bom ajuste do modelo aos dados experimentais.
Figura 20: Gráfico de ajuste do modelo aos dados experimentais de calor absorvido pela superfície fria “Qc” (W) em função da corrente elétrica “I” (A).
Fonte: Próprio autor
+ dados experimentais ---- modelo 20 30 40 50 60 70 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 Qc ( W) I (A)
A figura 21 apresenta a distribuição dos resíduos calculados pela diferença entre os valores experimentais e ajustados pelo modelo para o fluxo de calor na superfície fria.
Figura 21: Gráfico de resíduos da superfície fria
Fonte: próprio autor
Os resíduos obtidos após a regressão foram aleatórios, o que é indicativo de uma boa qualidade do ajuste do modelo aos dados experimentais. Para verificar a significância da regressão foi realizada uma análise da variância (ANOVA), apresentada na tabela 2.
Tabela 2: Análise da variância para a superfície de baixa temperatura Fonte de Variação Soma Quadrática Graus de Liberdade Média Quadrática F Regressão 1074,2875 1 1074,2875 537,75949 Resíduos 5,9931297 3 1,9977099 Total 1080,2806 R2 0,9944522 Significância da Regressão 99,982433 %
Fonte: Próprio autor -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 R e sí d u o s (W) I (A)
Obteve-se uma probabilidade de 99,98% da regressão ser significativa, portanto, confirma-se o bom ajuste do modelo uma vez que a regressão é significativa para o nível de confiança de 95% segundo teste F de Fischer. O coeficiente de correlação obtido foi de 0.9945, ou seja, próximo de 1 indicando também um bom ajuste.
Considerando os testes estatísticos apresentados pode-se afirmar que o experimento projetado foi capaz de gerar dados experimentais que podem ser ajustados pelo equacionamento apresentado no presente trabalho. Porém, deve-se ressaltar que, devido a limitações experimentais, apenas uma faixa de operação do dispositivo termoelétrico foi representada pelo experimento. Como o objetivo deste trabalho possui caráter exploratório, pode-se afirmar que o objetivo do trabalho foi atingido uma vez que o experimento proposto apresenta fundamento embasado na revisão bibliográfica realizada. A seguir serão apresentados os resultados obtidos para a retirada de calor da superfície de alta temperatura.
6.2. TRANSFERÊNCIA DE CALOR PELA SUPERFÍCIE DE ALTA TEMPERATURA:
Da mesma forma realizada para a superfície fria, procedeu-se ao ajuste do modelo aos dados experimentais para a transferência de calor para o lado quente onde as equações a seguir foram ajustadas aos dados experimentais.
𝑄 = 𝐾3+ 𝐾4∗ 𝐼 (14) 𝐾3= −𝑘 ∗ 𝐴 ∗ ∆Τ 𝑑 (15) 𝐾4= (𝜋ℎ+ 𝑉 2± 𝜏 ∗ 𝐼 ∗ ∆Τ 2𝑑 (16)
Os parâmetros estimados e seus respectivos desvios-padrão obtidos a partir da regressão linear foram:
K3 = - 75 ± 18 W/A K4 = 40 ± 5 W
Os parâmetros obtidos são significativos no nível de confiança de 95% segundo teste t de student.
Figura 22: Apresenta o gráfico de ajuste do modelo aos dados experimentais.
Fonte: Próprio autor
Figura 23: Gráfico de ajuste do modelo aos dados experimentais de Calor dissipado “Qh” (W) por corrente elétrica “I” (A.)
Fonte: Próprio autor 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 Q h ( W) I (A) -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 R e sí d u o s (W) I (A) + dados experimentais ---- modelo
A figura 22 mostra que foram obtidos resíduos aleatórios para a regressão, indicando uma boa qualidade de ajuste. A figura 23 apresenta a distribuição dos resíduos calculados pela diferença entre os valores experimentais e ajustados pelo modelo para o fluxo de calor na superfície quente.
A tabela 3 apresenta a ANOVA utilizada para verificar a significância da regressão. Tabela 3: Análise da variância para a superfície de alta temperatura
Fonte de Variação Soma Quadrática Graus de Liberdade Média Quadrática F Regressão 865,7088 1 865,7088 741,57235 Resíduos 3,5021888 3 1,1673963 Total 869,21098 R2 0,9959708 Significância da Regressão 99,989132 %
A tabela 3 indica que a regressão é significativa para o nível de confiança de 95% segundo teste F de Fischer, onde foi obtida uma probabilidade de 99,98% da regressão ser significativa. O coeficiente de correlação obtido foi 0,9959, indicando um bom ajuste do modelo aos dados experimentais.
Uma vez que os modelos obtidos representam bem os dados experimentais, o coeficiente de performance pode ser calculado por:
𝜂 = 𝑄𝑐 𝑃𝑟𝑒𝑠 = (𝐾1+ 𝐾2∗ 𝐼) [(𝐾3− 𝐾1) + (𝐾4− 𝐾2) ∗ 𝐼] =(−125 + 43 ∗ 𝐼) (50 − 3 ∗ 𝐼)
A tabela 4 apresenta todos os valores calculados para avaliação da eficiência do modulo TEC 12706. Tabela 4: Resultado geral do experimento.
I (A)
m
hP(w)
Qh
Qc
Qh/mh
ΔTh
ΔTc
ɳ
4.41
57.92988 52.92 98.98438 67.55876 1.708693 0.41 13 2.1497984.23
9.75 50.76 89.44312 57.1651 9.173654 2.2 11 1.7710223.95
2.403093 47.4 80.16415 46.77145 33.35874 8 9 1.4006493.75
1.521612 45 69.7762 36.37779 45.85677 11 7 1.0892073.46
0.653023 41.52 59.89105 25.98414 91.71355 22 5 0.766337Os resultados apresentados na tabela 4 mostram que a maior performance é obtida para maiores valores de fluxo de água no lado quente (mh).
A figura 24 mostra que a potência consumida aumenta com o aumento das taxas de transferência
de calor nos lados frio e quente, indicando que, para se retirar mais calor pela superfície fria, deve-se aumentar a potência fornecida ao dispositivo termoelétrico.
A figura 25 apresenta a quantidade de calor transferida pelas superfícies fria e quente em função da vazão na superfície quente.
Figura 25:quantidade de calor transferida pelas superfícies fria e quente em função da vazão na superfície quente.
Fonte: Próprio autor 0 20 40 60 80 100 120 0 10 20 30 40 50 60 70 cal o r t rasn fer id o (W)
Vazão superficie quente (g/s)
Superficie fria Superfice quente 0 20 40 60 80 100 120 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 P(W) Qdissipado Qabsorvido
Fonte: Próprio autor
A figura 25 mostra que a quantidade de calor transferida pelas superfícies fria e quente são maiores para maiores vazões no lado quente, porém a taxa de variação do fluxo de calor transferido pela taxa de variação da vazão (ΔQ/Δmh) diminui com o aumento da vazão, se aproximando de zero para valores próximos à vazão máxima utilizada no experimento. Esse resultado indica que existe um valor máximo de vazão de fluido na superfície quente a partir da qual o fluxo de calor nas superfícies quente e fria não se alteram significativamente, sugerindo a necessidade de otimizar esse fluxo para um dimensionamento mais econômico de sistemas utilizando dispositivos termoelétricos.
A figura 26 apresenta as curvas de diferença de temperatura em função da vazão de refrigeração no lado quente.
Figura 26: Relação entre a diferença de temperatura pela vazão de refrigeração.
Fonte: Próprio Autor
A figura 26 mostra que, a diferença de temperatura para o fluido que escoa pela superfície fria aumenta com o aumento da vazão de fluido refrigerante da superfície quente. A diferença de temperatura do fluido que escoa pela superfície quente diminui com o aumento de sua vazão, portanto, se o objetivo for a retirada de calor pelo lado frio (operação de resfriamento) deve-se trabalhar com elevado valor de vazão de fluido pela superfície quente.
Caso se deseje apenas uma operação de aquecimento utilizando a superfície quente, deve-se trabalhar com uma baixa vazão nessa superfície.
0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 D ifer e n ça d e t e m p e ratu ra
Vazão superficie quente (g/s)
ΔTquente ΔTfrio
Caso a proposta seja realizar ambos, ou seja resfriar um sistema pela superfície fria e aquecer outra pela superfície quente, deve-se otimizar a vazão de fluido quente a fim de se obter o aquecimento ou resfriamento desejados.
A figura 24 apresenta o gráfico da eficiência e da vazão em função da corrente elétrica que passa pelo dispositivo termoelétrico.
Figura 27:Analise de eficiência por vazão por corrente elétrica.
Fonte: Próprio Autor
A figura 27 mostra que a corrente que passa pelo sistema termoelétrico, que é proporcional à potência consumida é maior quando se trabalha com valores elevados de vazão e do coeficiente de performance na retirada do calor, o que sugere a necessidade de otimizar as condições do sistema a fim de se ter uma boa performance sem consumo excessivo de energia elétrica.
0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 Vaz ão ml/s Ef ici en cia n a re tira d a d e ca lor I (A) ɳ mh
7. CONCLUSÃO
Considerando as condições experimentais utilizadas e os resultados apresentados foram obtidas as seguintes conclusões:
A retirada de calor do lado quente governa o processo de transferência de calor;
A vazão no lado frio influi no processo de transferência de calor somente se vier com aquecimento prévio;
O bom ajuste do equacionamento proposto aos dados experimentais indica a consistência do experimento realizado;
A potência consumida aumenta com o aumento das taxas de transferência de calor nos lados frio e quente, indicando que, para se retirar mais calor pela superfície fria, deve-se aumentar a potência fornecida ao dispositivo termoelétrico;
A quantidade de calor transferida pelas superfícies fria e quente são maiores para maiores vazões de fluido sobre a superfície quente, porém a taxa de variação do fluxo de calor transferido pela taxa de variação da vazão diminui com o aumento da vazão, o que indica a existência de um valor máximo para o fluxo de fluido na superfície quente a partir da qual o fluxo de calor nas superfícies quente e fria não se alteram significativamente, sugerindo a necessidade de otimizar esse fluxo para um dimensionamento mais econômico de sistemas utilizando dispositivos termoelétricos;
A diferença de temperatura para o fluido que escoa pela superfície fria aumenta com o aumento da vazão de fluido refrigerante da superfície quente e a diferença de temperatura do fluido que escoa pela superfície quente diminui com o aumento de sua vazão;
Se o objetivo for a retirada de calor pelo lado frio (operação de resfriamento) deve-se trabalhar com elevado valor de vazão de fluido pela superfície quente;
Se o objetivo for o aquecimento utilizando a superfície quente, deve-se trabalhar com uma baixa vazão nessa superfície;
Caso a proposta seja resfriar um sistema pela superfície fria e aquecer outra pela superfície quente, deve-se otimizar a vazão de fluido quente, a fim de se obter o aquecimento e o resfriamento desejados;
O coeficiente de performance é proporcional à potência consumida pelo sistema termoelétrico, havendo a necessidade de otimizar as condições a fim de se ter uma boa performance sem um consumo excessivo de energia elétrica.
8. POSSIVEIS APLIÇÃOES
Segue algumas possíveis aplicações dos módulos termoelétricos para indústria, na qual existe um número possibilidades infinitas.
Figura 28 apresentam a possibilidade de criar um gradiente de temperatura dentro do reator, desta maneira criando zonas com diferente temperatura.
Figura 29 apresentam a possibilidade de realizar o transporte de líquidos aquecidos por tubulações com baixo custo de isolamento térmico já que o modulo TEC também ao mesmo tempo que aquece o tubo, absorver calor do ambiente.
Figura 28: Aplicação em reatores químicos.
Fonte: (Solostocks, 2014)
Figura 29: Dutos para líquidos aquecidos.
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Astrain, Martínez A. and Rodríguez A. Improvement of a thermoelectric and vapour compression hybrid
refrigerator [Article] // Applied Thermal Engineering. - January 28, 2012. - pp. 140–150.
Berger Danielle EFEITO DA PRESSÃO NA OBTENÇÃO E NAS PROPRIEDADES ÓTICAS E SENSORAS DE
FILMES FINOS À BASE DE SnO2 COM A ADIÇÃO DE ZnO [Report]. - Araraquara : UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”, 2013. - p. 21.
Callister William D. Ciência e Engenharia de Materiais Uma introdução [Book]. - Rio de janeiro : LTC -
Livros Técnicos e Cientificos Editora S.A, 2002.
Cengel Yunus A. Heat Transfer: A Practical Approach [Book]. - [s.l.] : Mcgraw-Hill, 2002.
FERREIRA LURDES Oleodutos e gasodutos para contornar o estreito que o Irão ameaça [Online] //
http://www.publico.pt/. - dezembro 04, 2014. - dezembro 04, 2014. -
http://www.publico.pt/mundo/noticia/oleodutos-e-gasodutos-para-contornar-o-estreito-que-o-irao-ameaca--1530289.
GUIMARÃES H. U. Efeito Termoelétrico [Online]. - 2014. - acessado em 16 de Dezembro, 2014. -
ttp://www.ifba.edu.br/fisica/laboratorio/roteirosPLN/0214.pdf.
Hill McGraw Handbook of Applied Thermal Design [Book]. - New York : [s.n.], 1988.
Limei Shena [et al.] Investigation of a novel thermoelectric radiant air-conditioning system [Article] //
Energy and Buildings. - April 2013. - pp. 123–132.
Matthieu Cosnier, Gilles Fraisse and Lingai Luo An experimental and numerical study of a
thermoelectric air-cooling and air-heating system [Article] // International Journal of Refrigeration. - September 2008. - pp. 1051–1062.
Min Chen and Snyder Jeffrey G. Analytical and numerical parameter extraction for compact modeling of
thermoelectric coolers [Article] // International Journal of Heat and Mass Transfer. - May 2013 May 2013, Pages 689–699. - pp. 689- 699.
Nnanna Agnwu A. G., Rutherford William and Eloma Wessam Assessment of thermoelectric module
with nanofluid heat exchanger [Article] // Applied Thermal Engineering. - February 2009,. - pp. 491–500.
Piedade P. M. Efeitos Termoeléctricos e suas aplicações. Aquisição e Processamento de [Book]. - 1997. Riffat S. B. and Xiaoli Ma Thermoelectrics: a review of present and potential applications [Article] //
Applied Thermal Engineering. - June 2003. - pp. 913–935.
Russel M. K., Ewing D. and Ching C. Y. Characterization of a thermoelectric cooler based thermal
Silverio Leticia Borges ANÁLISE DE UM CONDICIONADOR DE AR AUTOMOTIVO ULTILIZANDO O EFEITO
TERMOELÉTRICO [Report]. - Taubaté : Universidade de Taubaté, 2012.
Solostocks Reator em aço inox com misturador e aquecimento 75.000 litros [Online] // solostocks. -
Reatores para industria, dezembro 4, 2014. - dezembro 4, 2014. - http://www.solostocks.com.br/venda-produtos/outra-maquinaria/reator-em-aco-inox-com-misturador-e-aquecimento-75-000-litros-1298091.
Thermoeletric Custom TIM [Online] // Custom Thermoeletric TIM. - November 18, 2014. -
http://www.customthermoelectric.com/TIMs.html.
Wikipedia Wikipedia [Online] // Efeito Seebeck. - 12 2, 2014. -
http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_Seebeck.
