Projeto Integrado de Sistemas Térmicos

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UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO 
 DIRETORIA DE CIÊNCIAS EXATAS 
 CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
 
PROJETO INTEGRADO de Sistemas Térmicos 
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO 
ATRAVÉS DE UM CICLO PELTIER 
 
 
Objetivo: 
Permitir ao discente do curso de Engenharia Mecânica desenvolver os conceitos 
básicos e habilidades relacionadas aos projetos de sistemas térmicos, aplicando o conteúdo 
visto nas disciplinas correlatas como Termodinâmica aplicada, Geração e distribuição de 
Vapor, Refrigeração e Ar-condicionado e Transferência de calor. de refrigeração e 
trocadores de calor. 
Os ciclos de refrigeração utilizados para a água são de suma importância para o 
bem-estar das pessoas que a consomem em qualquer ambiente. Considerando o fato do 
Brasil ser um país tropical, no qual, na maior parte do ano, as temperaturas são elevadas, a 
refrigeração da água se torna essencial para a hidratação do corpo e a manutenção das 
funções vitais. 
Existem vários tipos de ciclos de refrigeração, para diferentes aplicações: 
• Sistema convencional. 
• Ciclo a gás. 
• Ciclo de absorção. 
• Ciclo Peltier. 
 
Um sistema de refrigeração convencional é composto de evaporador, compressor e 
condensador. O evaporador é a parte fria na qual o refrigerante evapora a baixa pressão 
recebendo calor da vizinhança. O compressor realiza trabalho sobre o fluido refrigerante de 
modo que passe do estado gasoso para líquido perdendo energia. O condensador irradia a 
energia cedida pelo refrigerante para a vizinhança, conforme ilustrado na figura 1. 
 
Figura 1: Ciclo convencional de refrigeração. 
 
O sistema convencional apresenta a necessidade de fluido refrigerante e consegue 
atender as capacidades frigoríficas considerando-se grandes quantidades de calor 
envolvidas. Para quantidades menores, o Ciclo Peltier1 se torna mais vantajoso devido à 
redução nas dimensões e eliminação de um fluido refrigerante do sistema, atendendo 
atualmente outros requisitos relacionados a sustentabilidade e menor consumo de energia. 
Um ciclo Peltier é definido quando uma corrente passa por um circuito composto de 
materiais diferentes à mesma temperatura. Os semicondutores que fazem a ligação entre os 
dois materiais são fabricados com Telureto de Bismuto, fortemente dopados P (bom 
condutor) ou N (isolante), para facilitar a transferência de calor por efeito da corrente 
contínua. Um material se aquece e o outro se resfria. Quando dois materiais diferentes estão 
em contato existe uma diferença de potencial devida aos elétrons livres de um metal ao 
outro. Quando uma corrente passa pela área de contato entre eles, se a direção da corrente 
for contrária a diferença de potencial, os elétrons retiram energia esfriando a área de 
contato. Se a direção for a mesma os elétrons perdem energia cedendo à área de contato que 
se aquece. 
Observa-se que o sistema se compõe de materiais semicondutores do tipo (N e P) 
unidos por lâminas de metal condutor (em geral, cobre) e placas de cerâmica. Se o lado N 
se aplica polaridade positiva, e no lado P a polaridade negativa a placa de metal condutor 
superior esfria enquanto a inferior esquenta. Se ocorrer inversão da polaridade, a placa 
superior aquece e a inferior esfria. Os elementos do ciclo Peltier são blocos conectados 
eletricamente em série e termicamente em paralelo, conforme Figura 2. 
 
 
 
 
 
________________________ 
1 O efeito de Peltier, foi descoberto em 1834 pelo físico francês Jean Charles Athanase Peltier, baseando-se 
em uma diferença de potencial para transferir-se calor da junção fria para quente aplicando-se a polaridade 
elétrica adequada. Fonte: http://www.termopares.com.br 
 
Figura 2: Esquema que representa o ciclo Peltier. 
 
Projeto de um Sistema de Refrigeração por efeito Peltier: 
O projeto consiste em dimensionar um sistema de refrigeração de água contida em 2 
frascos de 300ml cada, utilizando dispositivos que operem segundo o efeito Peltier. As 
características/requisitos do projeto estão descritas a seguir: 
 
• Temperatura do ambiente externo: 42°C; 
• Temperaturas mínima e máxima a serem mantidas pelo sistema (água nos 
frascos + ar contido no reservatório): 5°C e 15°C; 
• Dimensões externas máximas do reservatório: 25cm x 35cm x 35cm; 
• Espessura das paredes do reservatório (incluindo o isolante térmico): 25mm; 
• Volume interno total mínimo do reservatório: 15 litros (ar+frascos). 
Considerar o volume de material dos frascos como sendo desprezível; 
• 2 células de Peltier idênticas, posicionadas na tampa do reservatório. Sugere-
se a utilização das seguintes pastilhas: TEC-12705, TEC-12706, TEC-
12707. Outros modelos poderão ser utilizados a critério do grupo desde que 
satisfaça as exigências do projeto; 
• Potência elétrica máxima que pode ser consumida pelas 2 células de Peltier: 
100W; 
• Potências elétricas permitidas para as células de Peltier: 50W, 60W e 70W. 
Os valores de corrente, tensão e T para que a máxima potência requerida 
não seja ultrapassada devem ser especificados para a pastilha escolhida pelo 
grupo; 
• Caixa do reservatório construída em material metálico. A escolha do 
material é livre devendo ser justificada em termos de seu desempenho 
térmico, mecânico, quanto à corrosão, facilidade de fabricação utilizando-o e 
custos bem como considerando questões relacionadas ao seu 
descarte/reciclagem; 
• A escolha do material para isolamento térmico é livre devendo ser justificada 
em termos de seu desempenho térmico, mecânico, quanto à corrosão, 
facilidade de fabricação utilizando-o, custos bem como considerando 
questões relacionadas ao seu descarte/reciclagem; 
• O sistema de controle das pastilhas bem como qualquer item relativo à 
instrumentação/sensores, etc, não faz parte deste projeto; 
• Prever um único dissipador para as 2 pastilhas, confeccionado em liga de 
cobre ou liga de alumínio com altura máxima de 50mm visando não 
comprometer a facilidade de transporte do reservatório bem como seu 
tamanho geral e peso. A área máxima da base do dissipador não deve 
exceder a área da tampa do reservatório; 
• Não é permitido o uso de eletroventilador(es) para auxiliar na troca de calor. 
Toda troca de calor deve ocorrer por convecção natural e deverá ocorrer nas 
condições do ambiente conforme parâmetros solicitados; 
• O reservatório destina-se apenas para armazenagem dos frascos contendo 
líquido (água). Desprezar a resistência térmica dos frascos, volume do 
material dos frascos. Considerar no que tange aos frascos apenas a condução 
térmica entre o ar no interior do reservatório e a água armazenada nos 
frascos; 
• Desconsiderar os efeitos da radiação térmica no projeto; 
• O projeto deve contemplar apenas os aspectos térmicos. Aspectos de 
instalações hidráulicas, estruturais, dentre outros não precisam ser 
considerados. 
 
Como parte do projeto, cada grupo deverá: 
 
• Identificar equipamentos/ sistemas semelhantes encontrados no mercado e 
ressaltar as vantagens/desvantagens do projeto proposto pelo grupo; 
• Realizar o projeto em 3 configurações distintas. É permitido variar-se a 
corrente, tensão elétricas e delta T de operação das pastilhas bem como o 
tipo e dimensões do dissipador de calor das pastilhas; 
• Dimensionar/especificar o dissipador/trocador de calor considerando: 
o Dissipador/Trocador de calor tipo placa-aleta, podendo ser igual ou 
diferente para cada configuração. Deve-se justificar a escolha com 
base em cálculos além da disponibilidade no mercado; 
o Se o dissipador for diferente em cada configuração, apresentar os 
resultados para cada uma; 
o Podem ser utilizados os seguintes materiais: cobre ou alumínio; 
o Parâmetros que devem ser determinados através de cálculos: 
▪ Quantidade de aletas necessárias; 
▪ Parâmetros geométricos (espaçamento entre aletas, largura 
das aletas, altura das aletas, perfil geométrico das aletas. 
Sugere-se utilizar aletas de perfil retangular); 
▪ Parâmetros de desempenho:eficácia e eficiência das 
aletas/trocador de calor; 
▪ Resistência térmica de contato; 
o Normalizar o trocador de calor para os modelos/padrões existentes no 
mercado; 
o Recalcular os parâmetros (calor trocado, fluxo de calor, etc), 
conforme necessário, considerando o trocador de calor normalizado; 
• Estimar qual o tempo de ciclo para cada uma das configurações, 
relacionando com o COP, tensão, corrente e delta T das pastilhas. Sugere-se 
apresentar na forma gráfica para um mínimo de 5 valores para cada 
configuração. O COP deverá ser calculado para este item; 
• Apresentar a relação entre potência elétrica consumida e tempo de ciclo para 
cada configuração na forma de tabela; 
• Estimar o custo do projeto, incluindo horas de engenharia, materiais e 
processo de fabricação; 
• Não é necessário apresentar programação para o sistema de controle das 
células de Peltier de modo a se obter a correta operação, tipo de controlador, 
sensores, etc. Isto não faz parte do projeto. 
 
O relatório referente ao projeto que será entregue deve estar formatado conforme as 
normas da ABNT bem como orientações específicas contidas no manual de formatação de 
trabalhos acadêmicos da Uninove (disponível para download no site da biblioteca da 
instituição). O relatório deve estar organizado conforme estes documentos. Para maior 
clareza, segue a organização geral a ser considerada na formatação. Cada capítulo pode ter 
subseções, conforme o caso e/ou organização do assunto pelo grupo. Todo o texto deve 
estar adequadamente referenciado (no mínimo 1 citação indireta por parágrafo. Pode conter 
quantas mais forem necessárias). Os relatórios devem seguir obrigatoriamente a 
nomenclatura para os capítulos conforme determinado nas normas ABNT/ manual de 
formatação de trabalhos acadêmicos da Uninove. Os nomes dos principais capítulos estão 
relacionados abaixo para maior clareza junto aos itens pré e pós-textuais exigidos para este 
relatório: 
 
• Capa; 
o Tema do projeto; 
o Nome completo dos integrantes com RA de cada um; 
o Cidade, data/ano do projeto; 
 
• Resumo (apenas em português); 
o Aspectos gerais deste tipo de sistema, principais aplicações; 
o Quais as principais características das configurações? O que está 
sendo proposto pelo grupo? 
o Colocar alguns valores encontrados/calculados; 
o Colocar algumas vantagens e desvantagens encontradas; 
 
• Sumário; 
 
• Capítulo 1: Introdução, 
o Subseções: 
▪ 1.1 justificativa das configurações/solução dada pelo grupo ao 
projeto; 
▪ 1.2 Objetivos (geral e específicos); 
o Porque estas configurações/soluções são melhores que as 
equivalentes encontradas no mercado? 
o Quais as vantagens/desvantagens técnicas/econômicas/ambientais 
deste tipo de sistema em relação a outros semelhantes (comparativo 
com outros tipos de sistemas de refrigeração); 
o Citar alguns resultados esperados; 
 
• Capítulo 2: Revisão da literatura 
o Descrever detalhadamente o que é o Efeito Peltier com base em 
livros e artigos científicos; 
o Descrever os tipos de sistemas de refrigeração, aplicações típicas, 
vantagens e desvantagens sob o ponto de vista 
técnico/econômico/ambiental; 
 
• Capítulo 3: Metodologia; 
o Como o projeto será realizado? 
o Quais os modelos matemáticos/equações/hipóteses que serão 
consideradas no desenvolvimento? 
o Qual o passo a passo deste desenvolvimento? (colocar em forma de 
gráfico de fluxo de processo); 
 
• Capítulo 4: Dados e materiais 
o Quais os dados considerados (listar em tabelas todos os dados, 
constantes utilizadas); 
o Materiais considerados e justificativa técnica-econômica-ambiental 
para escolha destes materiais com base na solução apresentada pelo 
grupo; 
 
• Capítulo 5: Resultados e Discussão; 
o Apresentação dos resultados solicitados em forma de tabela e gráfica; 
o Devem ser apresentados os resultados antes da normalização do 
trocador de calor e os resultados normalizados; 
o Discussão de cada resultado (se está bom, por que está bom? Se está 
ruim, por que está ruim? Se é equivalente ao que já existe e no que é 
equivalente, etc.); 
 
• Capítulo 6: Conclusão 
o Apresentar de forma breve as principais conclusões do grupo quanto 
ao projeto/configurações, destacando valores encontrados, 
vantagens, desvantagens, qual configuração é melhor, qual é pior, 
por que é melhor ou pior, etc; 
 
• Referências bibliográficas; 
o Incluir todas as referências utilizadas no texto na forma de citações 
ou de figuras/tabelas; 
 
• Apêndices: 
o Cronograma do projeto na forma de Gráfico de Gantt; 
o Desenhos técnicos em vistas normalizadas para todos os itens não 
normalizados; 
o Desenhos técnicos de conjunto em vistas normalizadas para cada 
configuração (se necessário); 
o Desenhos devem ser confeccionados em folha normalizada (deve 
conter margem, cabeçalho, etc). O padrão da folha fica livre para o 
grupo. O tamanho da folha fica restrito até folhas tamanho A3. A 
folha pode ter orientação retrato ou paisagem. Se necessário, fazer 
os desenhos em escala (deixar indicado a escala); 
▪ Maquetes 3D não são consideradas como desenhos técnicos 
grupo); 
 
• Anexos: 
o Folhas de dados das pastilhas selecionadas; 
o Folhas de dados dos materiais utilizados; 
o Folhas de dados dos trocadores de calor especificados (caso haja algo 
padronizado no mercado; 
o Outras informações de catálogos, etc que não são de autoria do 
grupo, conforme necessário (folhas de dados de equipamento 
similares discutidos ou usados como referência no projeto, etc). 
 
Orientações adicionais: 
1) Número mínimo e máximo de integrantes: de 6 a 10 integrantes por grupo; 
 
2) Número máximo de páginas do relatório (incluindo itens pré-textuais e pós-textuais 
– isto é, incluindo capa, resumo, sumário, apêndices e anexos): 30 páginas; 
 
3) O projeto não inclui/prevê a construção de qualquer tipo de protótipo ou maquete 
bem como não exige a validação dos resultados pois trata-se de um projeto 
conceitual. Qualquer tipo de protótipo ou maquete (física ou eletrônica) não será 
considerado na avaliação; 
 
4) Cabe ressaltar que este escopo prevê apenas os marcos de desenvolvimento 
(milestones). Todavia, verificações parciais e eventualmente a atribuição de notas 
para cada uma destas verificações, ficam a cargo dos professores responsáveis pelo 
projeto e, caso julguem necessário, a pontuação de cada entrega fica a cargo do 
respectivo professor. 
 
5) Apenas entregas realizadas pela plataforma Google Classroom serão consideradas. 
Entregas por e-mail ou qualquer outro meio não serão avaliadas e a nota atribuída 
será “zero”. 
 
6) Entregas em atraso realizadas pela plataforma Google Classroom poderão não ser 
consideradas ou ter nota reduzida a critério de cada professor. Entregas posteriores a 
data de entrega final não serão consideradas. 
 
 
Autonomia: 
Qualquer situação não prevista neste escopo será dirimida pelos professores responsáveis 
pela disciplina. 
 
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO – 2022 – 1 sem. 
Cronograma de ATIVIDADE/ENTREGAS DATA Observação 
Entrega parcial: 
 
Cronograma de atividades do projeto. 
 
Metodologia a ser utilizada. 
 
Revisão da literatura. 
 
Dados, materiais. 
 
Cálculos/resultados preliminares. 
 
Desenhos técnicos. 
 
06/05/2022 - 
Entrega final. Deve conter: 
 
Correções da entrega anterior. 
 
Resumo, capa, e outros itens. 
 
Introdução. 
 
Todos os cálculos e dimensionamentos em sua versão 
final. 
 
Discussão dos resultados e conclusão. 
 
Apêndices, Anexos. 
 
Referências bibliográficas. 
 
Outros itens não listados e considerados como 
obrigatórios conforme normas ABNT/ manual de 
formatação de trabalhos acadêmicos da Uninove. 
27/05/2022 - 
 
Observações: 
 
O aceite de entregas em atraso é opcional, podendo haver redução de notas ou 
outros, a critério do(s) professor(es) responsável(eis). 
 
O método em como o feedback será feito é definido pelo(s) professor(es) 
responsável(eis).Entregas da versão final em atraso não serão consideradas e a nota atribuída à 
entrega faltante será “zero”. 
 
 
Bibliografia de referência: 
 
 
COSTA, E. C. Refrigeração. EDGAR BLUCHER São Paulo, 1982. 
 
DOSSAT, R. J. Princípios de refrigeração: teoria, prática, exemplos, problemas, soluções. 
HEMUS, São Paulo. 
 
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Engenharia de Sistemas Térmicos; LTC; 2003. 
 
ÇENGEL, Y.A.; BOLES, M.A.; Termodinâmica; McGraw Hill; 5ª ed; 2007. 
 
IENO, G; NEGRO, L. Termodinâmica. PEARSON: Practice Hall. São Paulo, 2004. 
 
FOX, R.; PRITCHARD, P.J.;McDONALD, A.T.; Introdução a Mecânica dos Fluidos, 8ª. 
Ed.;LTC-GEN; 2014; 
 
MUNSON, B.R.; YOUNG, D.F.;OKIISHI, T.H.; Fundamentos da Mecânica dos Fluidos, 
Tradução da 4ª. Ed. americana; 1ª ed.; Blucher; 2004; 
 
ÇENGEL, Y.A.; GHAJAR, A.J.; Transferência de Calor e Massa, Uma abordagem prática; 
4ª. Ed. McGraw Hill, Bookman; 2011; 
 
BERGMAN, T.L.; LAVINE, A.S.; INCROPERA, F.P.; DeWITT, D.P.; Fundamentos de 
Transferência de Calor e de Massa; 7ª Ed.; LTC-GEN; 2014; 
 
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<http://encyclopedia.thefreedictionary.com/Peltier-Seebeck%20effect.>. Acesso em 12 ago. 
 
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