ESTUDO DA TERMOELÉTRICA

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Principalmente em bebedouros mas também em equipamentos sofisticados como adegas climatizadas, a refrigeração deles é feia "eletronicamente', sem o uso de compressor, gás refrigerante, etc. Essa é uma tecnologia que veio para ficar, em determinados equipamentos, e muitas pessoas que trabalham com refrigeração não a conhecem. O segredo da "refrigeração eletrônica" são os módulos Peltier ou pastilhas termoelétricas.
Módulos Peltier, também conhecidos como pastilhas termoelétricas, são pequenas unidades que contém uma série de semicondutores (transistores) agrupados em pares, para operarem como bombas de calor. Uma unidade típica tem espessura de alguns milímetros e forma quadrada ( 4x40x40 mm). Esses módulos são essencialmente um sanduíche de placas cerâmicas recheado com pequenos cubos de telureto de bismuto.
Essa série de semicondutores é soldada entre duas placas cerâmicas, eletricamente em série e termicamente em paralelo. Quando uma corrente DC passa por um ou mais pares, há uma redução na temperatura da junta ("lado frio") resultando em uma absorção do calor do ambiente. Este calor é transferido pela pastilha pela movimentação de elétrons. A capacidade de bombeamento de calor de uma pastilha termoelétrica é proporcional à corrente e o número de pares de elementos tipo-n e tipo-p
Em 1821, Seebeck observou que, em um circuito fechado constituído por dois metais diferentes, uma corrente elétrica circula, sempre que as junções sejam mantidas a temperaturas diferentes. 
 Em 1834, Peltier observou o efeito inverso. Isto é, fazendo-se circular uma corrente elétrica na mesma direção da F.E.M. gerada pelo efeito Seebeck, verifica-se o esfriamento do ponto de junção, e viceversa. 12 I
 SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO TERMOELÉTRICA Em 1857, Willian Thomson (Lord Kelvin) descobriu que um condutor simples, submetido a um gradiente de temperatura sofre uma concentração de elétrons em uma de suas extremidades, e uma carência dos mesmos na outra. A aplicação da termoeletricidade se restringiu, durante muito tempo, quase que exclusivamente à mensuração de temperaturas através dos chamados termopares. Alternkirch, que demostrou que o material termoelétrico é qualitativamente bom quando apresenta um alto coeficiente Seebeck (ou poder termoelétrico), alta condutividade elétrica e uma baixa condutividade térmica. 13 SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO TERMOELÉTRICA O refrigerador termoelétrico utiliza-se de dois materiais diferentes, como os pares termoelétricos convencionais. Há duas junções entre esses dois materiais em um refrigerador termoelétrico. Uma está localizada no espaço refrigerado e outra no meio ambiente. 14 SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO TERMOELÉTRICA Quando uma diferença de potencial é aplicada, a temperatura da junção fria decresce e a temperatura da junção quente cresce. Assim, haverá transmissão de calor do espaço refrigerado para a junção fria. Na junção quente haverá transmissão de calor para o ambiente. 15 SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO TERMOELÉTRICA É cada vez mais utilizada a refrigeração eletrônica (termoelétrica) em países de primeiro mundo. O sistema é composto por componentes eletrônicos que necessitam de ventilação. Para isto é utilizado um ventilador semelhante ao usado em computadores pessoais e como todos os computadores e outros equipamentos eletrônicos emite um baixo nível de ruído que é considerado normal. Vantagens expostas pelos fabricantes: 16 Latina Master frio Mais leve e compacta (pode ser transportado para qualquer lugar); Melhor custo/benefício; Não utiliza gás ajudando na preservação do ambiente; Mais silencioso e não causa vibração; Modernidade – Tecnologia Peltier, um novo sistema de refrigeração eletrônica; Possibilidade do produto ser ligado de 100 a 240 Volts e possuir indicadores luminosos (LED’s) que informam o status de funcionamento do produto. SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO TERMOELÉTRICA Algumas limitações do sistema Peltier segundo Marcos Ferreira de Souza, especialista de produtos da unidade de negócios Cooling Solutions da Embraco: Para começar, um bebedouro com compressor tem consumo de energia elétrica muito menor. Isso significa maior eficiência energética, resultando em menor gasto com a conta de eletricidade e menor impacto ao meio ambiente. O processo de refrigeração do compressor, baseado na compressão de vapor, proporciona uma performance superior para essa aplicação, diz Marcos. Isso significa que, com o compressor, o bebedouro deixa a água mais gelada e a resfria mais rapidamente. Quando o uso e a necessidade de água gelada são mais intensos, como ocorre em países mais quentes, o sistema Peltier não dá conta de repor logo o que é consumido. “Condições climáticas como as do Brasil são desfavoráveis aos bebedouros Eletrônicos. Em países de clima frio, seu uso é até aceitável, pois não há tanta demanda por água gelada. Mas aqui, numa escola ou num centro comercial com bastante movimento, não há como atender ao ritmo de consumo”. 17 SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO TERMOELÉTRICA Algumas limitações do sistema Peltier segundo Marcos Ferreira de Souza, especialista de produtos da unidade de negócios Cooling Solutions da Embraco: A robustez e a resistência do compressor às oscilações de tensão da rede são outras vantagens que precisam ser consideradas. Há ainda outro fator favorável à escolha dos compressores no momento de projetar um novo bebedouro: a inexistência de componentes como microventilador, fonte, transformador e placa eletrônica, que são parte obrigatória de qualquer sistema à base do processo Peltier. Nas pesquisas com bebedouros que realizou, Marcos aponta ainda um caso extremo de projeto inadequado com o uso de Peltier. “Examinei bebedouros em que as pastilhas termoelétricas ficavam dentro do reservatório de água, como medida para ganhar espaço. Há uma possibilidade séria de contaminação da água que será bebida”, adverte.
INTRODUÇÃO
Este capítulo apresenta informações sobre o estudo proposto e sua importância. Ele descreve a evolução do tema na revisão bibliográfica, define os objetivos gerais e específicos do projeto, assim como a metodologia a adotada e a forma em que o trabalho é estruturado.
1.1 IMPORTÂNCIA DO ESTUDO
Os processos de refrigeração são usados em grande escala diariamente em algumas áreas. Esses processos, além de serem úteis para o conforto humano, são essenciais para manter a evolução da qualidade de vida na sociedade moderna. Suas aplicações úteis se difundem nas áreas: militar, industrial, aeroespacial, médica, entre outras. A refrigeração também se encontra desde nos familiares refrigeradores e aparelhos de ar condicionado até aplicações tecnológicas mais avançadas como o resfriamento de dispositivos eletrônicos.
Várias pesquisas buscam a elaboração de um aparato de refrigeração miniaturizado, porém nenhuma delas obteve sucesso pleno; já que nem todos os componentes são miniaturizáveis. Little et al.(1984) e Burger et al. (2001) foram capazes de construir, usando métodos de fabricação baseados em microssistemas eletromecânicos (microcomponentes de refrigeradores criogênicos, com exceção dos compressores). Assim como Shannon MA (1999) e um grupo de pesquisadores da Universidade do Illinois tentou construir uma bomba de calor ou um refrigerador. Contudo, o microcompressor eletrostático precisava ser melhorado para que o mesmo viesse a funcionar. Isto indica que em geral não é simples estimar quantitativamente um projeto detalhado sobre a fabricação de um refrigerador. No entanto, vale a pena descrever a dificuldade de se construir realmente um microrefrigerador, pois, devido à esta complexibilidade é exaltada a característica sine qua non de um refrigerador baseado no efeito Peltier: o seu tamanho.
Em geral, os tipos de ciclos de refrigeração usuais poluem o ambiente, contudo, os chamados ciclos alternativos de refrigeração (como os sistemas baseados na refrigeração termoelétrica, assim também como na termoacústica ) não produzem nenhum tipo do gás prejudicial, e além disso possuem outras vantagens. Por causa destas conseqüências ambientais,
geradas pela liberação do vapor usado nos dispositivos envolvido em ciclos de compressão a vapor ou afins, uma antiga alternativa volta a ser revista: a refrigeração termoelétrica, a qual não gera impactos ambientais, não produz barulho, e ainda ocupa um volume pequeno em comparação com os outros métodos de refrigeração.
Assim sendo, estas pesquisas que visam o desenvolvimento de sistemas de refrigeração miniaturizados são de grande importância para aplicações futuras, não apenas em áreas de alta tecnologia mas, também, para viabilizar sistemas que possam impactar positivamente nossa qualidade de vida.
Dentre as várias opções tecnológicas pelas quais é possível implementar um refrigerador miniaturizado, o efeito Peltier (foco da presente proposta) permite implementar refrigeradores termoelétricos (RTE), que se apresentam como a solução ideal para aplicações em que limitações de peso e espaço ocupado se impõem. RTE são especialmente adequados para controle de precisão de temperatura, requerido numa série de aplicações tecnológicas de ponta (como no resfriamento de lasers, detectores IR, equipamentos de visão noturna, higrômetros de ponto de orvalho, banhos para temperaturas de referências, etc.).
Os módulos termoelétricos (MTE), baseados no efeito Peltier, são compostos por placas cerâmicas com alguns cubos do telureto de bismuto em seu interior. Ao impor uma diferença de tensão entre as placas, ocorre um aquecimento em uma das faces do módulo e um resfriamento na outra. Eles costumam ser muito baratos quando manufaturados para serem utilizados em projetos de pequena escala. São planejados para ter uma ampla área de aplicação, longo tempo de duração e serem muito leves e simples usar. Devido à essas características, a área da eletrônica faz amplo uso deste módulo e, por causa disso, os projetos de pesquisa nesta área têm sido retomados.
A princípio, o uso de módulos baseado em placas compactas de Peltier foi restringido aos componentes eletrônicos, isto porque a aplicação do mesmo em componentes grandes acontecia com baixa eficiência devido à pequena área de dissipação da placa, em contra partida com a quantidade de calor gerado, é difícil dissipar o calor gerado pelo módulo. Existem outros fatores destoantes ao processo idealizado que devem ser considerados em um modelo realístico, como a resistência elétrica e a resistência térmica de contato. Hoje em dia as pesquisas na área de refrigeração alternativa direcionam-se para a refrigeração de câmaras e de ambientes, visando substituir os refrigeradores atuais.
A refrigeração termoelétrica progrediu, mas não tanto quanto se esperava. Uma das causas mais importantes dessa estagnação tecnológica é a má eficiência dos dissipadores do calor. Devido à elevada quantidade de calor fornecido pela placa de Peltier em sua pequena área, torna-se difícil de dissipar o calor de maneira eficiente, o que causa uma redução importante no coeficiente de performance do módulo. Dessa forma, como citado por J.G. Stockholm (1997), os benefícios da refrigeração termoelétrica dependem: em primeiro lugar, do desenvolvimento de materiais e, em segundo lugar, de um projeto térmico adequado. Neste contexto, D. Astrain (2003) provou que para cada grau célsius diminuído na diferença de temperatura entre o lado quente de Peltier e o ambiente, aumenta-se o COP do refrigerador termoelétrico em mais de 2,3%. Este é exatamente o foco do estudo atual: a otimização do uso de módulos termoelétricos pelo aumento da dissipação de calor do lado quente da placa de Peltier.
Atualmente, no mercado civil, a refrigeração termoelétrica tem aplicações na medicina e em aparelhos científicos que necessitam de controle de temperatura exato. Não obstante, há outras aplicações com grande potencial futuro que começam interessar às companhias como os desumidificadores, sistemas de ar condicionados domésticos ou para a indústria de automóvel, refrigeradores domésticos e o transporte de produtos perecíveis. Ainda há uma série de aplicações tecnológicas de ponta, como no resfriamento de detectores IR, equipamentos de visão noturna, higrômetros de ponto de orvalho, aparelhos para teste de DNA e banhos para temperaturas de referências. Espera-se futuramente que esta tecnologia deva competir com os sistemas de refrigeração de compressão a vapor.
1.2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck descobriu por acidente que juntar condutores em diferentes temperaturas geraria uma diferença de potencial elétrico entre estes elementos. Posteriormente, um francês fabricante de relógios, Jean Charles Athanase Peltier, descobriu em 1834 que ao passar uma corrente elétrica através de uma junção formada por dois condutores diferentes se estabelece um gradiente de temperatura entre a junção. Entretanto, Peltier não explicou a razão deste fenômeno físico acontecer e nem o motivos do mesmo não obedecer a Lei de Ohm, além de não associar o mesmo ao efeito Seebeck.
Em 1838, um cientista chamado Emil Lenz, membro da Academia de San Petersburg, congelou um pequeno volume d’água ao passar uma corrente elétrica em uma junção constituída por bismuto e antimônio. Logo após, ele derreteu a mesma parcela ao inverter o potencial. Mas tão-somente em 1857, Sir William Thomson Kelvin relacionou a taxa de geração reversível de calor com a corrente elétrica imposta no semicondutor, a qual gerava o diferencial de temperatura. Em relação ao efeito termoelétrico, o efeito Thomson apresenta pouca influência sobre o funcionamento do dispositivo termoelétrico e, somente no caso de estudo detalhado das irreversibilidades, não deve ser considerado desprezível. Ainda assim, existem divergências quanto à classificação deste processo em reversível ou irreversível.
O físico inglês J.W. Rayleigh em 1885 esboçou a possibilidade de usar dispositivos termoelétrico como geradores da eletricidade, mas seu desenvolvimento foi parado totalmente por causa da baixa eficiência encontrada. No entanto, somente em 1911 o alemão Edmund Altenkirch desenvolveu a teoria básica da termoeletricidade e dos termoelementos. Em seu trabalho evidenciou-se que os materiais usados no refrigerador termoelétrico necessitam ter um coeficiente de Seebeck elevado e boa condutividade elétrica, a fim de minimizar o efeito do joule, assim como uma baixa condutividade térmica, para que seja minimizada a transferência do calor entre as junções.
O avanço principal, nessa tecnologia, ocorreu quando os semicondutores foram incorporados na termoeletricidade. Foi em 1920 que o desenvolvimento de semicondutores sintéticos com altos coeficientes de Seebeck, da ordem de 100 microvolts/K, aumentou o interesse na termoeletricidade. Esses materiais possuem um elevado coeficiente de Seebeck, boa condutividade elétrica e baixa condutividade térmica; o que implica numa elevada figura de mérito (representada por Z número adimensional que engloba esses três parâmetros). Porém, nessa época não era aparente que os semicondutores eram materiais termoelétricos superiores aos metais, devido à elevada figura de mérito. Depois da evolução dos semicondutores, que começou nos anos 50 e gerou uma variada aplicabilidade do efeito termoelétrico, na sua grande maioria no campo militar, o telureto de bismuto começou a ser usado como o material principal na refrigeração termoelétrica.
Em geral, nas abordagens apresentadas na literatura existe a consideração que o módulo pode ser utilizado tanto como uma microbomba de calor, fornecendo aquecimento ou resfriamento, quanto um microgerador de energia elétrica. No trabalho feito por Göktun (1994) são tratadas as irreversibilidades do módulo termoelétrico. Ele caracteriza as irreversibilidades internas e externas do módulo por um parâmetro que ele chama de "Device-Design Parameter". Neste estudo ele mostra que para se obter uma dada capacidade de refrigeração real é necessária uma potência de entrada maior que a referente para refrigeração ideal.
J.G. Stockholm (1997), na XV Conferência de termoeletricidade, em Desden, Alemanha, ressalvou
que os benefícios da refrigeração termoelétrica dependem em primeiro lugar do surgimento e desenvolvimento de materiais e tecnologias de obtenção para os mesmos e em segundo lugar de um design térmico mais adequado.
Os estudos atuais visam romper a barreira do uso dos módulos termoelétricos na refrigeração de grande porte. Um dos aspectos tratados por Min et al (1999) é o problema relacionado com a manufatura e modelamento do dissipador. Estes problemas estão diretamente relacionados com minimização do COP (coeficiente de desempenho) no caso do uso de refrigeradores termoelétricos em aparatos de grande porte. Tal trabalho cita que para melhorar o COP, os processos de modelagem e de manufatura podem ser mais elaborados, a fim de diminuir as resistências térmicas e elétricas de contato de uma ordem significativa.
Min e Rowe (2000) apresentam um modelo teórico melhorado para a previsão do COP de um módulo termoelétrico que leva em conta tanto o efeito das resistências elétricas quanto das resistências térmicas de contato. O modelo permitiu obter resultados que indicam uma diminuição do COP com a redução do comprimento do termoelemento enquanto que a capacidade de resfriamento aumenta até atingir um máximo. Significantes ganhos no COP e na capacidade de refrigeração podem ser obtidos pela redução da resistência térmica de contato.
Huang et al. (2000) apresentam um método de projeto para RTE baseado em curvas de desempenho, obtidas experimentalmente para o módulo termoelétrico. Por meio de ensaios com um dispositivo experimental desenvolvido para a pesquisa, foram obtidas as propriedades físicas necessárias à derivação da relação empírica para o desempenho do módulo, que é então utilizada para a análise do RTE por um modelo do circuito termoelétrico. A análise enfoca a influência da fonte de dissipação (superfície microaletada) no desempenho, mostrando existir uma opção econômica para a escolha dessa. Apresenta-se ainda um estudo das condições para obtenção de um COP ótimo que, segundo os autores, pode ser obtido seja pela maximização da capacidade de resfriamento seja pela escolha da melhor tecnologia de dissipação.
Uma outra análise considerada foi desenvolvida por Astrain et al (2003) tendo em vista o aumento do COP pela simulação genética dos processos de dissipação de calor ocorridos na face quente da placa termoelétrica. O autor considerou usar um termosinfão com mudança da fase a fim de estender a área de rejeição de calor de forma mais uniforme. Um aumento do COP da ordem de 36(%) é relatado. Seu modelo foi baseado em análises matemáticas e em soluções computacionais não lineares, que visam resolver as equações termoelétricas e a condução de calor analisando o problema sob varias condições de temperatura, fluxo de calor, energia elétrica e COP.
Chein e Chen (2005) apresentam um estudo teórico e experimental sobre o desempenho de um refrigerador termoelétrico adotando microcanais no lado quente da placa termoelétrica. Um modelo matemático não distribuído do RTE é implementado para previsão do comportamento transiente da temperatura prevendo adequadamente essa em comparação as observações experimentais. A relação entre a resistência térmica dos microcanais, a corrente elétrica fornecida e a temperatura mínima de resfriamento foram examinadas teoricamente pelo modelo, demonstrando ser possível minimizar a temperatura pelo aumento da corrente elétrica e diminuição da resistência térmica dos microcanais.
Outro desenvolvimento teórico analisado foi feito por Cheng et al (2005), o qual vislumbra a maximização do COP pelo uso de um algoritmo genético. Ele analisa os refrigeradores termoelétricos comerciais, os quais se apresentam em uma estrutura de cascata em duas etapas, com o uso ou não de ventoinhas para resfriamento das placas por convecção forçada, além do uso agregado de superfícies estendidas para maior dissipação térmica. Em seu estudo ele apresenta uma abordagem matemática a qual busca aperfeiçoar o COP do MTE. Além dessa proposta, Cheng fez uma série de experiências pelas quais ele pode representar de forma gráfica e equacionada a relação numérica entre o COP e a geração elétrica em watts.
Min e Rowe (2005) investigaram uma série de protótipos de refrigeradores termoelétricos, avaliando seu desempenho em termos de seu coeficiente de performance (COP), capacidade de transferência de calor e taxa de resfriamento. O COP encontrado era entre 0,3 e 0,5 para operação entre temperaturas de 5◦C e 25◦C. O potencial de melhoramento no desempenho térmico é investigado pelos autores por um modelo matemático apoiado em ensaios experimentais. Os resultados obtidos apontam para a obtenção de possíveis aumentos do COP com melhoramentos nas resistências de contato, interfaces térmicas e efetividade dos trocadores de calor.
Yang et al (2005) estudaram a resposta transiente de RTE, com e sem massas térmicas, examinando tanto a mínima temperatura possível quanto as constantes de tempo envolvidas nos ciclos de resfriamento e reaquecimento. Dois regimes de resfriamento distintos foram considerados: resfriamento uniforme e interfacial; sendo caracterizados como critérios de utilização para o efeito transiente de resfriamento estabelecido com base nas suas constantes de tempo.
1.3 OBJETIVO DO TRABALHO
Refutando o que foi dito anteriormente, o presente trabalho tem como objetivo principal simular e otimizar o uso de sistemas termoelétricos em processos de refrigeração. O estudo foca-se em melhorar a utilização dos módulos termoelétricos, pela aplicação da corrente elétrica que gera o melhor desempenho do módulo, juntamente com o dissipador aletado de geometria de máxima eficiência. Procura-se com isso, o aumento do coeficiente de performance (COP) do módulo termoelétrico por meio da otimização da dissipação de calor, pela simulação de várias geometrias. A tal objetivo associa-se ainda às seguintes metas específicas, a serem concretizadas ao longo do Projeto de Graduação 1 e Projeto de Graduação 2:
Projeto de Graduação 1:
• Descrever os processos de transferência de calor a partir do módulo até o ambiente. • Escolher as condições de contorno convenientes as aplicações do módulo a serem analisadas.
• Propor melhorias no modo de operação da alimentação do módulo.
• Criar uma simulação analítica que seja capaz de analisar a quantidade de calor transferida e a eficiência de uma superfície aletada generalizada.
Projeto de Graduação 2:
• Encontrar uma correlação dos fatores geométricos dimensionais do módulo que otimiza a eficiência de um dissipador de calor.
• Implementar melhorias na simulação anterior, levando em conta outros fatores que influenciam na dissipação de calor, como a perda de carga da convecção forçada, gerada pela própria geometria da superfície aletada.
Sabe-se que os módulos termoelétricos produzem uma grande quantidade de calor por área e este calor precisa ser dissipado para que funcione com maior eficiência. Dessa forma, se faz indispensável o uso de dissipadores de calor. Na descrição computacional do sistema a ser apresentada, planeja-se simular no algoritmo, as condições de contorno de trabalho e do módulo de Peltier com o uso de um dissipador aletado.
Ressalva-se ainda o objetivo de estabelecer os parâmetros característicos de projeto para estipulações futuras do uso de MTE dedicados a aplicações a serem definidas.
1.4 METODOLOGIA
Para o esculpimento do estudo e a concretização dos objetivos ressaltados, serão elaboradas algumas etapas. Como a meta principal do projeto é estabelecer uma simulação analítica computacional que venha a descrever o processo de refrigeração termoelétrica desenvolvido pelo sistema, e otimizar a aplicação do módulo e a dissipação de calor do dissipador, necessita-se primeiramente de uma modelagem matemática dos componentes envolvidos no sistema para que a implementação possa ser estabelecida. Sabe-se, que por consideração, o problema é analisado em seu estado de regime permanente.
Pelo modelo matemático desenvolvido, a implementação do programa computacional
será realizada desenvolvendo-se uma rotina no Maple (Maple, Maplesoft versão 1, ano 2007), responsável pela simulação analítica a ser realizada. Por meio desse código fonte, relatórios de resultados serão emitidos com os resultados pertinentes aos casos estudados.
Posteriormente, as condições de operação devem ser determinadas, i.e, alguns casos de operação devem ser estabelecidos e utilizados para que se possa obter resultados e analisá-los. Com a determinação dos casos a serem estudados e com o código fonte implementado, relatórios de resultados serão emitidos com os valores das variáveis mais importantes para o sistema e utilizados para se comparar e validar o programa computacional desenvolvido.
Por fim, espera-se comparar o resultado apresentado com outros resultados numéricos e experimentais existentes na literatura recente com o objetivo de avaliar a elaboração da rotina matemática desenvolvida.
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO
Tendo em vista a elaboração completa e concisa do projeto em estudo, faz-se necessário um demonstrativo da organização da estrutura do presente trabalho.
No Capítulo 1, é mostrado o contexto histórico relevante ao estudo proposto, bem como a sua importância; além de citar o que já foi publicado em relação ao assunto estudado e determinar uma metodologia a ser seguida. O objetivo principal do trabalho é discutido, bem como os objetivos secundários, também relevantes para a análise do problema.
No Capítulo 2, serão mostrados os conceitos teóricos envolvidos no sistema de refrigeração termoelétrico.
Nele se descreve o efeito termoelétrico dos materiais, destaca-se o efeito Peltier e os elementos de contorno mais relevantes na descrição da matemática do estudo. Os processos envolvidos com o aumento do COP serão apresentados e analisados, ressaltando as suas definições teóricas relativas ao projeto. Além disso, serão descritas algumas possíveis e usuais aplicações do dispositivo termoelétrico.
O Capítulo 3 será focado na modelagem matemática sob a influência da correlação dos componentes do sistema de refrigeração termoelétrica na performance do sistema, fazendo parte desse o módulo termoelétrico em si e sistemas adjacentes de dissipação de calor (como as aletas dissipadoras e a pasta térmica). Os balanços gerais de energia do sistema serão mostrados e cada componente analisado.
No Capítulo 4, a simulação analítica computacional será comentada, sendo mostrada uma visão geral da mesma. As principais rotinas e funções utilizadas no código fonte serão analisadas. Os diagramas das rotinas mais importantes serão esboçados para que a visualização da simulação seja feita de maneira transparente.
No Capítulo 5, os resultados relativos ao caso proposto serão mostrados, bem como as análises referentes a esses resultados. Nessa etapa, uma validação do programa computacional será realizada por meio de comparações entre os resultados obtidos e os resultados experimentais e numéricos encontrados por outros autores.
No Capítulo 6, as conclusões preliminares relativas aos resultados obtidos serão discutidas e comentadas, além dos objetivos para proxima etapa do projeto.
2 CONCEITOS TEÓRICOS
No presente capítulo, a refrigeração termoelétrica baseada no efeito Peltier é apresentada, mostrando os conceitos teóricos dos dispositivos que a envolvem (dando ênfase às variáveis de performance do processo). Além da análise teórica da descrição do processo termoelétrico, são considerados os meios de possível aumento do COP, como o uso de superfícies estendidas e pasta térmica. Por fim é introduzida uma abordagem do sistema de refrigeração, comentando seus principais aspectos, bem como suas possíveis e usuais aplicações pelos de esquemas que ilustram o sistema.
2.1 EFEITO PELTIER
O efeito Peltier, responsável pela refrigeração termoelétrica, trata do surgimento de um gradiente de temperatura entre dois materiais diferentes quando expostos a uma tensão. A refrigeração termoelétrica baseada no efeito Peltier é ativada quando uma corrente direta é forçada através de um ou mais pares de materiais semicondutores do tipo-n e do tipo-p.
Para obter a operação de resfriamento, a corrente deve passar do material semicondutor tipo-n para o tipo-p. Dessa forma haverá uma absorção de calor do ambiente e a temperatura da placa fria Tc diminuirá. Em termos de microanálise, o resfriamento ocorre quando elétrons passam do nível baixo de energia no semicondutor do material tipo-p através do condutor interconectado para um nível de energia mais elevado no material semicondutor tipo-n. O calor absorvido é transferido através dos materiais semicondutores por transporte eletrônico até a outra junção final que se encontra a temperatura quente Th, sendo liberado à medida que os elétrons retornam ao baixo nível de energia no material tipo-p. A este fenômeno dá-se o nome de Efeito Peltier. De acordo com a Fig. 2.1 esboça-se um conjunto de termopares, ligados eletricamente em série e termicamente em paralelo, formado por um semicondutor tipo-p e um semicondutor tipo-n, juntamente com o circuito de alimentação.
Figura 2.1: Passagem de corrente nos termopares. (w.enertron-inc.com, 20/05/07
O transporte eletrônico ocorre ao impor-se uma tensão. Os elétrons, do material que os contêm em excesso, fluem para o material que possui carência eletrônica, gerando um fluxo livre de elétrons (corrente elétrica). Tal comportamento observado é semelhante ao dos fluidos de trabalhos em ciclos de refrigeração por compressão ou por absorção. Sendo assim, eles aquecem um lado e refrigeram o outro, sendo necessária a interposição de um isolante térmico entre os mesmos com a finalidade de diminuir a condução de calor natural gerada pelo gradiente de temperatura.
O efeito Peltier é considerado o oposto do efeito Seebeck, que trata de um segundo fenômeno também importante na refrigeração termoelétrica. Quando uma variação térmica é estabelecida entre as interfaces mantidas a diferentes temperaturas do material semicondutor, uma força eletromotriz é gerada. A esta força eletromotora dá-se o nome de voltagem de Seebeck, a qual é diretamente proporcional à variação térmica. A constante de proporcionalidade é referida como coeficiente de Seebeck, parâmetro muito significativo para a efetividade de um material semicondutor já que avalia entraves impostos pela resistência à passagem de elétrons e fônons, assim como sua interação. Na verdade, esse efeito pode ser observado em qualquer junta de metais dissimilares. Porém, há materiais, como os semicondutores, em que a captação é mais eficiente. Na Figura 2.2, o efeito Seebeck é esboçado de maneira simples.
Figura 2.2: Aquecimento de dois metais dissimilares.(w.npl.co.uk, 20/05/06)
Uma demonstração da aplicação do Efeito Seebeck se faz na Fig. 2.3, em que dois reservatórios de água a temperatura diferentes aquecem um módulo termoelétrico, o qual gera uma diferença de potencial (d.d.p.) que fornece energia a um miniventilador.
Figura 2.3: A água azul representa o reservatório frio e a agua alaranjada o reservatório quente. tech.com, 2/05/07)
Uma aplicação relevante do efeito Seebeck ocorre nos termopares, amplamente utilizados na engenharia. Eles obtêm uma corrente elétrica devido à variação de temperatura da junta bimetálica quando em contato com um corpo, por meio dessa corrente, pode se mensurar a temperatura deste corpo. Outra aplicação interessante é a obtenção de energia elétrica em veículos espaciais pela diferença de temperatura entre a parte exposta ao sol e a parte sombreada. Na Figura 2.4, esboça-se a passagem dos elétrons nos termoelementos semicondutores que constituem o módulo.
O efeito de Peltier é controlado pelo coeficiente de Peltier, definido como o produto do coeficiente de Seebeck do material do semicondutor pela temperatura absoluta. O coeficiente de Peltier relata um efeito
Figura 2.4: Fluxo de elétrons nos termoelementos.(w.tetech.com, 20/05/06) de refrigeração quando a passagem de corrente através do material acontece do semicondutor tipo-n para o material
tipo-p, e um efeito de aquecimento quando a corrente passa do material tipo-p a um material tipon, de acordo com a Fig.2.5 (a). Ao inverter o sentido da corrente inverte-se a temperatura das extremidades quentes e frias.
Figura 2.5: Modos de operação de um sistemas eletrotérmico. (a) Resfriamento; (b) Aquecimento.(S.B. Riffat, X. Ma, 2003)
Como mencionado anteriormente, Peltier falhou em reconhecer a importância de sua descoberta. Lenz consagrou-a quando refrigerou uma parcela pequena d’água. Entretanto, foi Sir Kelvin que relacionou os coeficientes de Peltier e de efeito do Seebeck na Eq. 2.1.
Ao contrário do efeito Joule, em que a potência é proporcional a corrente ao quadrado Qjoule = R.I2 , o efeito Peltier é uma função linear da corrente. Se esta corrente elétrica percorrer o circuito vislumbrado na Fig.2.5 no sentido anti-horário, observa-se uma taxa de refrigeração na Fig.2.5(a) e no sentido horário uma taxa de aquecimento na Fig. 2.5(b). Desta forma, tem-se que:
em que Qp é o fluxo de calor Peltier em watts, piab é o coeficiente de Peltier nas junções e I é a corrente elétrica medida em amperes. Como estes dois efeitos são manifestações diferentes do mesmo fenômeno físico, são comumente denominados como efeito Peltier-Seebeck ou efeito termoelétrico.
Idealmente, a quantidade de calor absorvida na extremidade fria e o calor dissipado na extremidade quente são dependentes do produto do coeficiente de Peltier pela corrente que flue através do material do semicondutor. Praticamente a quantidade líquida de calor absorvida na extremidade fria devido ao efeito Peltier é reduzida por duas fontes: pelo calor conduzido e pelo efeito joule. Devido ao diferencial da temperatura entre as extremidades frias e quentes do material do semicondutor, o calor será conduzido através do material semicondutor da extremidade quente à extremidade fria.
Conforme a corrente é aumentada, o diferencial da temperatura, e assim o calor conduzido, aumenta porque o efeito refrigeração de Peltier aumenta. Entretanto, há outra perda, o efeito joule é proporcional ao quadrado da corrente e, conseqüentemente, transforma-se eventualmente no fator dominante. A qualquer corrente dada, o equilíbrio térmico é estabelecido na extremidade fria quando o efeito de Peltier na extremidade fria for igual à soma do calor conduzido mais metade do calor gerado por efeito Joule. A outra metade do calor gerada pelo efeito Joule vai para a extremidade quente, enquanto a corrente continua a aumentar e o aquecimento por efeito joule se transforma no fator dominante. Quando este ponto é alcançado, qualquer corrente adicional resultará num efeito de refrigeração líquida menor. A corrente máxima em que nenhum efeito refrigerativo adicional pode ser conseguido é o Imax atual máximo. A
Tensão máxima Vmax e o máximo diferencial de temperatura dTmax ocorrerá também para qualquer carga de calor a corrente máxima.
A capacidade de refrigeração de um material semicondutor dependente de um efeito combinado entre as tensões de Seebeck dos materiais, as resistividades elétricas (R) e as condutividades térmicas (k) em toda a escala operacional de temperatura entre as extremidades frias e quentes. O coeficiente de Seebeck ao quadrado dividido pelo o produto da resistividade elétrica e a condutividade térmica é chamado de figura de mérito (Z), ou seja:
A relação explicitada na Eq. 2.3 mostra que quanto maior a resistência do material, maior o seu efeito joule e pior a figura de mérito e, por conseguinte, menos recomendado é o seu uso em módulos termoelétricos. Já, em relação a condutividade térmica do material, ela define que quanto melhor esse material conduz calor, maior será a transferência do mesmo da sua placa quente para a fria, o que atrapalha o efeito termoelétrico. Dessa forma, um material termoelétrico deve ser bom condutor elétrico e mal condutor térmico.
Cada uma das propriedades materiais dos semicondutores tipo-n e do tipo-p do semicondutor varia em função da temperatura e, conseqüentemente, a figura de mérito para cada material é dependente dessa. Pode-se mostrar que o máximo diferencial da temperatura que pode ser alcançado por um único par de materiais tipo-n e tipo-p é diretamente proporcional à figura de mérito de cada material semicondutor na temperatura média. Conseqüentemente, maximizar a figura de mérito é o objetivo principal na seleção e otimização de materiais termoelétricos. A figura de mérito do material semicondutor limita o diferencial da temperatura, visto que a razão comprimento-área de cada material semicondutor tipo-p e do tipo-n define a capacidade de bombeamento de calor. O material termoelétrico mais amplamente utilizado em refrig-
2.2 O MÓDULO TERMOELÉTRICO
Os aparelhos termoelétricos (módulos termoelétricos) podem converter energia elétrica em um gradiente de temperatura. Este fenômeno foi descoberto por Peltier em 1834. A aplicação desse fenômeno permaneceu mínima até o desenvolvimento dos materiais semicondutores nos anos 50. Com o advento dos materiais semicondutores veio a capacidade de uma grande variedade de aplicações praticas de refrigeração termoelétrica. Na Figura 2.6, apresenta-se um módulo termoelétrico comercial.
Figura 2.6: Módulo termoelétrico comercial.(w.dansdata.com, 25/05/07)
Os dispositivos termoelétricos podem também converter a energia térmica de um gradiente de temperatura em energia elétrica; este fenômeno foi descoberto em 1821 e foi chamado efeito Seebeck. Como mencionado anteriormente, quando um diferencial de temperatura é estabelecido entre as extremidades quentes e frias do material semicondutor, uma tensão é gerada; isto é, a tensão de Seebeck. Realmente, o efeito de Seebeck é um efeito inverso do efeito de Peltier. Baseado neste efeito de Seebeck, os dispositivos termoelétricos podem agir também como geradores de energia elétrica. Como vislumbrado na Fig. 2.3, se o calor fornecido na junção fizer com que uma corrente elétrica flua no circuito uma potência elétrica é gerada. Na pratica, é necessário um grande número de termopares conectados eletricamente em série para formar um módulo.
Geralmente mais de um par de semicondutores são montados juntos para dar forma a um dispositivo termoelétrico (módulo). Dentro do módulo, cada um dos semicondutores são chamados termoelementos e um par dos termoelementos é chamado um termopar. Para descrever o funcionamento dos módulos termoelétricos podemos compará-los com os termopares. Os termopares são dispositivos que geram uma corrente elétrica a partir de duas junções de metais diferentes que se encontram a diferentes temperaturas. Devido à esta característica, eles são utilizados para indicação e controle de temperatura em muitos processos industriais. Na Figura 2.7 apresenta-se o exemplo de um termopar, utilizado para captação de energia elétrica. Tal sinal pode ser transformado para análise comparativa de outra grandeza, como temperatura, ou até deformação.
Os módulos termoelétricos funcionam conforme o efeito Peltier e possuem comportamento inverso aos termopares. Nesses módulos, como previamente descrito, um fluxo de elétrons é forçado entre as junções dos metais dissimilares, e, conseqüentemente, uma é aquecida e outra é resfriada; ou seja, o calor é transferido de um lado do módulo ao outro, o que descreve o funcionamento do dispositivo como um refrigerador sem partes móveis. Já os termopares utilizam-se de metais nas junções e os valores de tensão e corrente captados por eles são bastante baixos. Contudo, isso não é de grande importância pois a finalidade é apenas medição.
Os dispositivos práticos do efeito Peltier, também conhecidos como pastilhas termoelétricas, usam semicondutores para uma maior densidade de corrente e, assim, de potência. Em geral, eles utilizam materiais semicondutores, como o telureto de bismuto altamente dopado, para criar semicondutores tipo-
Figura 2.7: Sistema eletrotérmico do termopar. (w.nanomikado.de, 2/05/07) p e tipo-n. Esses elementos semicondutores são soldados entre duas placas cerâmicas,
eletricamente em série e termicamente em paralelo. A direção do fluxo térmico pode ser modificada por uma alteração na corrente contínua gerada pela polaridade aplicada entre os pólos do módulo, conforme pode ser visualizado conforme representado na Fig. 2.8.
Figura 2.8: Fluxo térmico.(w.conrad.fr, 20/05/07)
Um dispositivo termoelétrico típico é composto por duas carcaças cerâmicas, as quais servem como estrutura para preservar a integridade mecânica do módulo e como isolação elétrica para os termoelementos de telureto de bismuto tipo-n e tipo-p (que são conectados eletricamente em série e termicamente em paralelo entre as placas cerâmicas). Os dispositivos termoelétricos convencionais têm várias especificações para várias aplicações. As dimensões variam de 3 m de lado por 4 m de espessura, até 60 m de lado por 5 m de espessura. A taxa de calor bombeado máxima varia de 1 a 125 W. A máxima diferença da temperatura entre o lado quente e frio pode alcançar o 70◦C. Os dispositivos em geral contêm de 3 a 127 termopares. Existem alguns dispositivos termopares que são dispostos em série (cascata) funcionando em vários estágios com a finalidade de obter diferenciais de temperatura maiores (até 130◦C ). A temperatura mais baixa alcançada na prática é de aproximadamente −100◦C.
Como o lado frio do dispositivo contrai enquanto o lado quente expande, os aparatos que possuem área quadrada de lado superior a 50 m geralmente sofrem estresse térmico induzido (o que pode gerar um curto-circuito em certos pontos na conexão elétrica), assim eles não são comumente utilizados. As áreas maiores do que um único MTE podem ser resfriadas ou terem a temperatura controlada pelo uso de vários módulos.
Dois tipos de dispositivos termoelétricos multipares comercialmente disponíveis são representados na
Fig. 2.9. A Figura 2.9 (a) foi originalmente projetado para aplicações de refrigeração e possui a separação entre os termoelementos significativa. Neste tipo de dispositivo, o termoelementos semicondutor do tipo-n e o tipo-p são conectados eletricamente em série por tiras de metal altamente condutoras e são prensados entre placas, as quais agem como condutoras térmicas e isoladoras elétricas. Na Figura 2.9 (b) tem sido desenvolvido recentemente para a geração de energia elétrica, sendo construído compactadamente com uma separação muito pequena entre os termoelementos com o objetivo de aumentar a potência obtida por área. Entretanto, as tiras condutoras do metal no dispositivo anterior não são isoladas e portanto o módulo não pode ser conectado diretamente ao condutor elétrico, tal como o dissipador de calor metálico.
Existem alguns materiais de uso comum na construção da carcaça dos módulos termoelétricos, por exemplo: o óxido de alumínio (Al2O3), nitrito de alumínio (AlN) ou óxido de berílio (BeO). O (Al2O3) é mais utilizado devido à sua relação custo benefício e a técnica de fabricação desenvolvida. Os outros dois materiais cerâmicos são melhores condutores térmicos, de cinco a sete vezes melhor que o (Al2O3), mas são mais caros; além do mais, o (BeO) é venenoso.
O cobre é usado como material condutor elétrico entre os semicondutores postados em paralelo; estes, como previamente descritos, são do tipo-n composto por Bismuto-Telureto-Selenium (BiTeSe) e do tipop, Bismuto-Telureto-Antimônio (BiTeSb). O sistema é conectado por solda.
As aplicações do módulo para geração de energia exigem uma compactação maior dos termoelementos do que no caso da geração ou absorção de calor.
Figura 2.9: (a)configuração com as placas cerâmicas isolantes e separação entre termoelementos grande; (b) configuração sem a placa isolante de cerâmica e com separação entre termoelementos muito pequena. (S.B. Riffat, (2003))
As soldas fornecem a montagem do MTE, elas incluem ligas de antimônio. O ponto de derretimento de uma solda é o fator limitante da temperatura da operação do módulo. Ele representa a temperatura em que ocorre o superaquecimento a qual pode haver dissociação entre as soldas de cobre e semicondutores, e entre as dos próprios semicondutores em si, causando falha na transferência elétrica e/ou térmica. Para longo da vida do módulo, a temperatura da operação deve ser mais baixa do que o ponto de derretimento da solda tanto quanto possível ou procurar utilizar módulos que possuam solda resistente à temperaturas elevadas.
Pastilhas termoelétricas são utilizadas em aplicações pequenas de resfriamento como chips microprocessadores ou até médias como geladeiras portáteis. As pastilhas podem ser empilhadas para se chegar a temperaturas mais baixas, embora alcançar níveis criogênicos requer processos muito complexos.
Vale ressaltar que cada pastilha tem seu próprio limite máximo da quantidade de calor que ela pode transferir, Qmax. A corrente elétrica associada ao Qmax é conhecida como Imax e a voltagem correspon- dente como Vmax. Para se evitar superaquecimento das placas, o uso de dissipadores de calor e ventiladores é obrigatório tanto do lado quente quanto do lado frio. Para a montagem, recomenda-se o uso de pasta tér- mica entre a placa e o dissipador para que se aumente a eficiência de troca térmica. No Figura 2.10, apresenta-se um gráfico de um módulo termoelétrico convencional, que correlaciona Qw com dT.
Figura 2.10: Gráfico que relaciona Qw versus dT para um módulo termoelétrico comercial DV-4-127-06. (w.efeitopeltier.com.br , 2/03/06)
Os dispositivos termoelétricos não podem ser usados independentemente, eles devem ser conectados com os trocadores térmicos para dissipar o calor, que constituem o sistema termoelétrico. A teoria básica e a operação dos sistemas termoelétricos foram desenvolvidas por muitos anos. Os sistemas termoelétricos são geralmente microbombas de calor ou os pequenos geradores de potência (que seguem as leis da termodinâmica da mesma maneira que bombas de calor mecânicas, compressores do vapor associados com os refrigeradores convencionais, ou qualquer outro instrumento utilizado para transferir energia).
Figura 2.1: Esboço de um sistema termoelétrico resfriando um chip de microcomputador(w.peltierinfo.com , 20/05/07)
2.2.1 MATERIAIS TERMOELÉTRICOS
Podem-se classificar os materiais em relação ao seu caráter macroscópico de ser permissivo ou não de cargas elétricas e, conseqüentemente, calor. Dado esse parâmetro, classificam-se os materiais, em geral, em condutores, semi-condutores e isolantes. No âmbito microscópico, a classificação se refere ao comportamento do elétron da camada de valência do material sob ação de um campo elétrico gerado dada uma diferença de potencial.
Obviamente os materiais isolantes possuem os elétrons de valência fortemente ligados aos seus átomos, e os elétrons dos materiais condutores se deslocam facilmente do seu átomo. Os materiais semicondutores são sólidos cristalinos que a 0 K seus elétrons preenchem todos os estados disponíveis da banda de energia mais alta, ou seja, a banda de valência. Eles apresentam uma característica intermediária aos isolantes e semicondutores. Contudo, eles podem ser tratados químicamente com a adição de impurezas incorporadas a sua estrutura cristalina (dopagem) que aumentam a sua condutibilidade elétrica gerando semicondutores chamados extrínsecos. A dopagem pode, por exemplo, estabelecer um sentido preferencial para o fluxo elétrico, ou seja, o material pode se tornar condutor em um sentido e isolante no outro. Um esboço simplificado da rede cristalina de um material semicondutor é exemplificado de acordo com a Fig. 2.12, assim como os sistema de transporte de calor e cargas elétricas.
Figura 2.12: Estrutura cristalina simplificada.(w.feiradeciencias.com.br ,20/05/07 )
Em relação aos semicondutores comerciais, há uma classificação em relação a temperatura de trabalho dos mesmos. Tal estipulação deve-se a possível mudança de caráter condutor com o aumento da temperatura. Estipula-se para o uso de até 450 K, a aplicação de ligas cristalinas baseadas em antimônio, selênio e telúrio. Para uma faixa de operação superior de até 850 K
disponibilizam-se semi-metais com ligações de telureto, e para altas faixas de operação, acima de 1300 K, utilizam-se de ligas de Silício-Germânio dopadas com Arsênio.
Os novos materiais termoelétricos com grande figura de mérito Z podem ampliar as aplicações dos dispositivos termoelétricos em vários campos. Não há caminho fácil para obter um grande valor de Z , mas há muitas aproximações plausíveis que ainda podem ser tentadas. Venkatasubramanian e pesquisadores associados (Triangle Institute, EUA) relataram no Journal Nature (2005) um ZT = 2,4 no semicondu- tores película fina de Bi2Te3/Sb2Te3.3 do tipo-p. Estes materiais parecem alcançar elevados valores de Z.T devido à sua estrutura incomum, uma super compactação formada por camadas alternadas de semi- condutores Bi2Te3 e Sb2Te3. O registro anterior para Z.T na temperatura ambiente era em torno de 1, alcançado por uma liga semicondutora baseada em Bi2Te3 e em Sb2Te33. A estrutura compactada parece aumentar o transporte de corrente elétrica enquanto inibe o transporte de calor pelos fônons (vibrações quantizadas do cristal), ambos efeitos aumentam Z.T. A Figura 2.13 contém um gráfico comparativo da eficiência do Bi2Te3 em relação a outros materiais cerâmicos.
Um grande número estudos de dispositivos e materiais termoelétricos se baseiam no (Bi, Sb) e (Te, Se) por causa de seu desempenho excelente na refrigeração e na geração de energia termoelétrica à temperatura ambiente. Os termoelementos são geralmente fabricados por blocos sintetizados desses materiais. Há, entretanto, algumas dificuldades determinadas e limitações em fazer módulos altamente miniaturizados (como a natureza frágil destes materiais). Além disso, o número de pares p/n possível de ser acoplado em um espaço limitado disponível torna impossível obter uma tensão relativamente alta na saída para a geração de energia.
Figura 2.13: Gráfico comparativo dos materiais termoelétricos.(w.micropelt.com, 25/09/06)
2.2.2 DESCRIÇÕES E ESPECIFICAÇÕES
Os refrigeradores termoelétricos podem ser feitos de diferentes formas e tamanhos, sendo as formas mais comuns da carcaça a retangular e a quadrada. O tamanho usual de um MTE de simples estágio varia entre 3 m x 3 m e 60 m x 60 m. A limitação de tamanho em 60 m x 60 m é devido ao estresse térmico que causa a expansão de deformação entre as junções frias e quentes do RTE; tal estresse pode desconectar as soldas. Para obter uma diferença maior de temperatura entre as faces, pode-se construir um sistemas com RTEs de vários estágios. A disposição dos RTEs de múltiplos estágios se faz usualmente na forma de cascata e seis estágios são o limite prático. Na Figura 2.14 pode-se observar RTEs de vários tamanhos.
Figura 2.14: Módulos termoelétricos de vários tamanhos para várias aplicações.(w.enertron-inc.com, 20/05/07)
A Figura 2.15 apresenta um exemplo de características de um módulo comercial simples. Como previamente citado, ocorre geração de calor em um material devido às resistências térmicas de
Figura 2.15: Esboço construtivo do módulo. (w.efietopeltier.com.br , 20/03/06) condução quando impõe-se uma corrente elétrica. Este fator então se torna determinante para a quantidade máxima de calor Qmax transferida por um MTE. A corrente elétrica associada ao Qmax é definida como Imax, e a voltagem correspondente como Vmax. Numa situação em que o módulo se apresenta trabalhando isoladamente do sistema a Imax ele produzirá a diferença máxima de temperatura entre os lados quente e frio, definida como dTmax.
Os módulos termoelétricos funcionam à corrente direta, DC. Uma fonte chaveada pode ser utilizada, mas suas variações devem estar limitadas a ±10A. A freqüência ideal é entre 50 e 60 Hz. A fonte não precisa estar ajustada exatamente aos níveis de Vmax e Imax, embora não seja recomendável que eles sejam ultrapassados. É muito comum, por exemplo, se operar uma pastilha cujo Vmax seja 15.4V com uma fonte de 12V. Caso uma corrente e/ou tensão menores sejam utilizados, a pastilha transferirá menos calor em watts.
.2.3 DESEMPENHO DO MÓDULO (COP)
O funcionamento do módulo termoelétrico como agente resfriador acontece pela remoção de uma taxa de calor Qc de um lugar ou um aparato a ser resfriado que se encontra à uma temperatura Tc. O calor líquido dissipado na extremidade quente é a soma do calor líquido absorvido na extremidade fria mais a potência elétrica aplicada. O coeficiente de performance (COP) usado definir a eficiência de refrigeração é definido como o calor líquido absorvido na extremidade fria dividido pela potência elétrica aplicada, e pode ser definida como:
COP = ·Qc
em que Pin é a potência de entrada, e conforme pode ser observado na Fig. 2.16, o balanço de energia é feito da seguinte forma:
Pin = Qh − Qc , (2.5) em que Qh é o calor dissipado, dessa forma, a Eq. 2.4 pode ser expandida a:
COP = Qc
Figura 2.16: Balanço de energia. (S.B. Riffat (2002))
Sendo assim, o COP representa quantas vezes o calor é removido por unidade de potência de entrada.
Usualmente, o valor encontrado para esse fator é entre 0.4 e 0.7 para aplicações com mum módulo comum de simples estágio, ou de único módulo. Contudo, COP mais altos podem ser conseguidos via utilização de módulos feitos sob medida. Existe uma relação entre o COP, a figura de mérito Z e a diferença de temperatura imposta (dT), tal relação é quantificada no gráfico da Fig. 2.17:
Figura 2.17: Curvas de COP versus dT, analisandas de acordo com variações de Z . (w.enertroninc.com, 20/05/07)
Pode-se comparar a eficiência de um módulo termoelétrico com o de um compressor refrigerador doméstico, tomando como base a máxima eficiência alcançada entre as temperaturas de trabalho: Th e Tc; definida pelo ciclo de Carnot. A Figura 2.18 mostra que um RTE tem uma eficiência de 5-10%, enquanto um compressor refrigerador tem a máxima eficiência em torno de 45%.
Figura 2.18: Comparação Eficiência de Carnot termoelétrico com o do ciclo de compressão a vapor. ( w.coolchips.gi, 20/05/07)
2.2.4 CONTROLE DE TEMPERATURA
Nos refrigeradores-compressores convencionais, em geral, o controle de temperatura é conseguido por um simples uma operação de ligar e desligar usando um sensor/interruptor de expansão térmica. Este tipo de controle de temperatura causa flutuações senoidais de temperatura, conforme vislumbra-se na Fig. 2.19.
Figura 2.19: Comparação da variação de temperatura entre um refrigerador-compressor e um MTE. (Gao Min, (2005))
A distribuição da temperatura dentro do módulo é representada de acordo com a Fig. 2.20.
Porém, tratando-se de refrigeradores termoelétricos, essas flutuações não ocorrem pelas seguintes razões:
1. A fim minimizar a condução do calor através do módulo, um controle de temperatura que usa a técnica de PID (derivative integral proporcional) deve ser empregado. O método permite o RTE operar
Figura 2.20: Distribuição de temperatura dentro de um MTE. (webabadie.ifrance.com , 2/05/07) em modo de grande capacidade de retirada de calor quando um resfriamento rápido é necessário e, também, operar em um modo de baixa da capacidade de retirada, quando só se deseja manter a temperatura, de forma a obter um consumo mínimo de energia. Conseqüentemente, a transferência de calor através do módulo de Peltier pode ser impedido, assim como o controle exato da temperatura da carcaça pode ser conseguido.
2. Relata-se que a confiabilidade dos MTE pode ser reduzida significativamente ao impor vários ciclos de operação devido à uma tensão lateral induzida pela contração no lado frio e pela expansão no lado quente. Dessa forma, o uso do controle PID permite que os módulos de Peltier operem num modo relativamente baixo de estresse comparada com o modo liga-desliga repetido. Assim, o problema da confiabilidade pode ser minimizado.
3. Como a capacidade de absorção de calor de um RTE é proporcional a potência de entrada, a taxa de absorção pode ser prontamente controlada alterando a potência de entrada de seus módulos. Esta flexibilidade permite aos MTE operarem de duas formas diferentes:
um modo de grande capacidade de absorção, quando uma taxa de refrigeração rápida é requerida; e um modo de elevado COP, quando se preferir o menor consumo de energia.
Além disso, o controle de PID pode ser prontamente incorporado ao computador para obter-se uma operação de refrigeração programável. Uma vantagem clara da operação programável é que a temperatura do refrigerador pode ser pré-ajustada e controlada convenientemente para obter um perfil de refrigeração requerido e um grau mais elevado de estabilidade. Um RTE com características programáveis fornece uma facilidade de refrigeração controlável que pode ser útil em uma variedade de aplicações, em particular, na medicina e na bio-tecnologia.
Os controladores de temperatura são formados por uma série de placas de circuito conectadas em paralelo que fazem o ajuste de temperatura do módulo de forma automática, a Fig. 2.21 representa um circuito eletrônico de controle de temperatura com oito placas em paralelo.
Figura 2.21: Circuito eletrônico de controle de temperatura. (w.users.ugent.be , 20/05/07)
2.2.5 APLICAÇÃO E CONFIABILIDADE
Os conhecidos mecanismos de falha do módulo de Peltier incluem: a difusão de materiais em contato para os termoelementos; expansão térmica que induz cisalhamento e compressão, e a umidade que gera corrosão. Técnicas e métodos têm sido desenvolvidos para minimizar esses problemas. Contudo, em geral, é constatado que o módulo pode ser usado sem deterioração significativa por até dez anos. Apesar disso, muitos ciclos de funcionamento não são recomendados para os refrigeradores termoelétricos. Pois, os módulos de Peltier estão sujeitos a falha, sob circunstâncias severas devido ao projeto impróprio do sistema do refrigerador. A degradação dos contatos térmicos entre os módulos e os dissipadores de calor podem causar o superaquecimento no lado quente dos módulos. Um pequeno aumento na resistência de contato pode ocorrer em uma junção devido à corrosão. Conseqüentemente, para um projeto apropriado do sistema é importante prover confiabilidade ao módulo de Peltier.
Os RTE são bem aplicáveis no resfriamento de pequenos objetos que possuem baixa emissão de calor.
Devido ao baixo coeficiente de performance (COP), comparado com os ciclos de refrigeração por compressão, a aplicação de RTEs torna-se desvantajosa se a carga térmica for maior que 250 watts. Porém, devido às características vantajosas dos módulos (como não conter cloro-fluor-carbonetos ou qualquer outro material que necessita de reposição periódica) vida útil dos dispositivos termoelétricos excede 200,0 h de operação, baixo peso, ausência de partes móveis (necessitando assim de menos manutenção), ausência de ruídos elétricos e podem ser operados em qualquer orientação espacial ou qualquer ambiente (mesmo sendo ele severo, demasiadamente sensível, ou muito pequenos para a refrigeração convencional) eles possuem várias aplicações características. Na Figura 2.2, é mostrada uma configuração de aplicação do módulo.
Figura 2.2: (a) Esquema de um refrigerador termoelétrico; (b) Refrigerador termoelétrico portátil. (Gao Min , (2005))
Sabe-se que em alguns casos, eles são utilizados para resfriar alguns kilowatts de calor. A direção do bombeamento de calor no MTE é totalmente reversível, uma mudança na polaridade da fonte de corrente continua faz com que o calor seja bombeado na direção oposta. Dessa forma, o resfriador se torna o aquecedor. A aplicação do módulos termoelétricos é relevante em aparatos que necessitam de uma regulagem excepcionalmente apropriada de temperatura, como um diodo de laser. Juntamente com a fonte de alimentação de corrente continua e um dispositivo controlador eletrônico integral proporcional simples, os RTE são capazes de controlar a temperatura de um objeto com precisão de variação de ±0,1◦C . Vale ressaltar que atualmente nenhum outro método de resfriamento pode prover tal precisão no controle de temperatura de forma simples e conveniente.
Portanto, a aplicação do módulo, em situações que um controle preciso de temperatura é exigido, é conveniente. Em geral, eles são utilizados nos casos em que um dado objeto necessita ser resfriado a temperatura abaixo do ambiente ou , quando a temperatura de um objeto precisa ser mantida constante em um ambiente de temperatura variante.
Haja vista todas as vantagens descritas anteriormente, os dispositivos termoelétricos encontraram aplicações muito abrangentes em diversas áreas, tais como: militar, aeroespacial, instrumentação e produtos industriais ou comerciais. De acordo com o modo de utilização, estas aplicações podem ser classificadas em três categorias, que são: refrigeradores (ou aquecedores), geradores de potência ou sensores térmicos de energia. Os detalhes são dados na Fig. 2.23.
Figura 2.23: Aplicações de Refrigeradores Termoelétrico. (w.efeitopeltier.com.br , 20/05/07)
Devido às características intrínsecas da estrutura e do funcionamento do módulo termoelétrico, a sua utilização muitas vezes se faz necessária e justificada. Porém, há circunstâncias em que se recomenda, tampouco se faz jus, a utilização do módulo. Em seguida, são citadas algumas situações de uso desaconselhável do módulo, em que se explicitam os motivos.
Em situações que apresentem umidade considerável: O lado frio do MTE funciona a uma temperatura inferior a temperatura de ponto de orvalho. Com isso, em lugares com presença de umidade ocorre condensação no lado frio. Desse modo, a água condensada poderá entrar em contato com os semicondutores causando um processo chamado de corrosão eletrolítica nas juntas soldadas desses materiais. Este processo pode vir a destruir a estrutura do módulo termoelétrico. A condensação em excesso também pode causar um curto circuito. Como resposta a esse problema, pode-se confinar o modulo em uma situação em que não exista umidade, ou seja, atmosfera seca.
Funcionamento sob choques mecânicos e vibrações: É sabido que o material constituinte dos módulos termoelétricos cerâmico (assim, são duros e frágeis). Dessa forma a utilização de MTE em situações em que ocorrem choques mecânicos e vibrações não é recomendada. Por isso eles se comportam de maneira resistente sob forças de compressão porém, são fracos mediante forças de tensão ou cisalhamento. A montagem imprópria pode causar folgas e, com isso, a existência de choques mecânicos. Também, a presença de folgas atrapalha o contato térmico entre as faces do módulo e dissipadores de calor ou entre os módulos e os aparatos a serem resfriados.
Outro fator que pode danificar o módulo é a utilização desse de forma freqüente porém descontínua, ou seja, em ciclos térmicos. A operação do módulo sob ciclos térmicos causa uma alteração dimensional no material cerâmico constituinte das placa quente e fria. Isto é causado pela diferença de expansão térmica ocasionada pela existência de materiais diferentes em cada lado da placa e por eles se encontrarem a temperaturas diferentes. Tal efeito é também nomeado de estresse térmico, responsável pela diminuição da vida útil do MTE. Como solução, é proposta a diminuição do número de círculos para um valor sustentável ao módulo. É sabido também que há módulos no mercado que suportam um estresse térmico maior, o que os faz possuírem uma vida útil maior; porém, isso não os faz imune a este efeito.
O preço e o custo de funcionamento de um refrigerador determinam sua viabilidade econômica. O custo de funcionamento de um RTE é principalmente dependente de seu COP, o qual é relativamente mais baixo do que o de um refrigerador compressor. Em conseqüência, o consumo anual de energia de refrigeradores termoelétricos é aproximadamente 30% mais alto. O custo de funcionamento de um refrigerador convencional, com 110 litros, é em torno de 70% do valor de um refrigerador termoelétrico correspondente. O preço de um refrigerador reflete seu custo de fabricação (o preço de um produto de experimentação no mercado é muito mais elevado do que aquele de um refrigerador convencional similar). Os componentes principais,
que incluem os módulos de Peltier, os trocadores de calor, a fonte de corrente contínua e circuitos eletrônicos de controle de temperatura, ainda são relativamente caros. Entretanto, o custo pode ser significativamente reduzido para todos os artigos acima mencionados com uma produção maciça deles. Em princípio, um aumento no COP do módulo pode ser possível melhorando os módulos térmicos e resistências do contato elétrico, embora esta aproximação pareça ser ilusória. Por outro lado, a capacidade do calor dissipado pode ser melhorada com somente uma ligeira redução no COP, como indicado dentro. Um aumento na capacidade do calor dissipado resultará numa provável redução no custo da fabricação. Conseqüentemente, o projeto do módulo de Peltier envolveria um acordo entre o COP e a capacidade de calor retirado.
A eficiência energética dos refrigeradores termoelétricos, baseada nos materiais e na tecnologia atualmente disponíveis, é ainda mais baixa do que a do refrigerador-compressor. Entretanto, um refrigerador termoelétrico comerciável pode ser feito com um COP aceitável. Além disso, uma melhoria adicional no COP pode ser possível melhorando as resistências de contato do módulo, relações térmicas e dissipação de calor. Com seu benefício ambiental, um RTE fornece uma alternativa aos consumidores que possuem consciência ambiental e querem gastar um pouco mais de dinheiro para apreciar sua operação quieta; além de um controle de temperatura mais preciso e mais estável.
2.3 EFEITOS DE CONTATO
O fluxo de calor e eletricidade em um módulo termoelétrico pode ser afetado por fatores de contato.
Estes fatores estão presentes na forma de resistências térmicas e elétricas nas interfaces de sistemas compostos à temperaturas diferentes. A existência deles diminui o coeficiente de Seebeck e, por conseqüência, as trocas de calor entre as placas constituintes do módulo.
As interfaces de contato apresentam uma série de microirregularidades geométricas (rugosidades), por exemplo: defeitos de superfície; tamanho e orientação dos cristais, e a tensão nos materiais que surgem devido ao processo da fabricação. Esses defeitos afetam o transporte térmico e elétrico através das interfaces, fazendo com que o contato entre elas não aconteça de forma total e igual à área nominal mas sim em pequenos pontos intercalados com o espaçamento, e por isso se apresentam em todas as situações sendo incluído portanto nas próprias resistências dos condutores metálicos. Analisando a transferência de calor nesses pontos, é constatada que ela ocorre por condução (transporte de elétrons livres) nos pontos que estão em contato e na região de descontinuidade, ela ocorre por radiação. A resistência de contato pode ser vista como duas resistências em paralelo: uma devido aos pontos de contato e outra devida aos espaçamentos. A Figura 2.24 mostra um gráfico da discrepância térmica na interface de contato entre dois objetos.
Figura 2.24: Descontinuidade na temperatura devido aos efeitos de contato. (w.labsolar.ufsc.br, 20/05/07)
Sabe-se que ambas as resistências causam uma redução do desempenho dos dispositivos, o que pode ser comprovado pela descontinuidade na temperatura interfacial na presença de um fluxo de calor. A presença de uma resistência de contato elétrica aumenta o efeito dissipativo térmico gerado pelo efeito Joule nas junções. Embora alguns estudos tentem desenvolver uma técnica de predição da resistência térmica de contato, constata-se que os valores mais confiáveis tem sido obtido experimentalmente, devido à quantidade de variáveis que podem afetar o contato entre as superficies. Alguns fabricantes utilizam-se de técnicas de tratamento térmico para reduzir as resistências térmicas e elétricas dos materiais. Uma análise experimental feita por Lahmar, et al, da redução da resistência térmica de contato entre os revestimentos do materias condutores (Cobre, alumínio e ouro) e as carcaças cerâmicas, mostra que o tratamento térmico possui efetividade em aumentar a adesão entre as interfaces; diminuindo, portanto, as resistências térmicas de contato entre os materiais. Seus efeitos devem ser incluídos no modelo para a predição do desempenho do micro-refrigerador; isto é feito pela introdução das resistências:
R′′ cont = Ta − Tb
Outro meio bastante disseminado na redução de defeitos geométricos de contato é a colocação de metais macios como: índio, chumbo, estanho e prata (inseridos como folhas delgadas ou revestindo os materiais) e também fluidos interfaciais de alta condutividade térmica (as pastas térmicas) que preenchem os vazios entre as superfícies acopladas e conduzem o calor de maneira trinta vezes mais efetiva que o ar e quatro vezes melhor que a graxa de silicone. Em geral, eles são bastante estáveis, não endurecem e tem uma efetividade operacional entre −40◦C a 200◦C. A espessura do filme de aplicação da pasta térmica deve ser da ordem de dois décimos de milímetro e deve fornecer nivelamento para instalação do módulo. A Figura 2.25 apresenta uma pasta térmica comercial.
Figura 2.25: Pasta térmica comercial. (w.marlow.com , 20/05/07)
No caso de um sistema termoelétrico (módulo e dissipador), a utilização da pasta térmica se faz para conseguir um contato térmico maior entre as superfícies do módulo e do dissipado, mas é interessante primeiramente se obter superficies planas. Na Tabela 2.1 são detalhadas as propriedades de uma pasta térmica comum, com os dados relevantes e restritivos a sua aplicabilidade.
Tabela 2.1: Especificações de uma pasta térmica comercial.
2.4 SUPERFÍCIES ESTENDIDAS
A utilização de superficies estendidas, ou aletadas, implica no aumento da área superficial e, por conseguinte, no aumento da transferência de calor entre a estrutura e o fluido adjacente. Por causa desse princípio que a aplicação de superficies estendidas se faz de maneira ampla na indústria de aparelhos elétricos e eletrônicos que produzem calor, que necessita ser eficientemente dissipado. Na superfície estendida, ocorre transferência de calor por condução no interior do sólido e transferência de calor por convecção na superfície das aletas. A utilização de superfícies estendidas se consagra, baseando na lei de Resfriamento de Newton:
em que é o coeficiente de convecção do fluido, A representa a área e Ts e T∞ representam respectivamente, a temperatura da superfície e a temperatura do fluido no infinito.
Na Equação 2.8 pode ser observado que para o aumento da quantidade de calor transferido por convecção de uma superfície a temperatura Ts, existem três opções:
• Aumentar o coeficiente de convecção, o que pode ser conseguido aumentando a velocidade em que o fluido ambiente escoa sobre a aleta pela otimização da geometria para facilitação do descolamento da camada limite e aumentar o coeficiente de convecção numa determinada área; pela colocação de uma ventoinha ou qualquer dispositivo que implique em uma convecção forçada ou também pela colocação de um fluido líquido no sistema, o que também aumenta o coeficiente de convecção.
• Diminuir a temperatura do fluido em escoamento, o que muitas vezes é impraticável devido ao custo ou as limitações de espaço.
• Aumentar a área de transferência, o que pode ser obtido com a implementação de superfícies aletadas. No limite da condutividade térmica infinita, toda aleta estaria na mesma temperatura da base; o que constituiria a máxima taxa de transferência de calor. Em cada aplicação, a preocupação principal está em definir que tipo de aleta dará a maior eficiência de refrigeração, mínimo custo de material, peso, tamanho, mínima resistência para refrigeração pelo fluxo ambiente, capacidade adequada e fácil fabricação.
A eficiência do dissipador de calor é medida pelo desempenho térmico gerado por volume. Um dissipador de calor eficiente fornecerá refrigeração substancial ao ocupar um volume físico pequeno. devido à compacta estrutura da aleta em forma de pino, quando forjadas, fornecem uma refrigeração eficiente. As aletas em forma de pino possuem uma área de superfície grande por volume
e, ao mesmo tempo, devido à natureza de um pino redondo, o ar no dissipador de calor cria uma quantidade significativa de turbulencia entre os pinos; quebrando as camadas de limite em torno dos pinos. Este efeito realça as eficiências térmicas elevadas do dissipador de calor. Em conseqüência, as aletas de pino fornecem resistências térmicas baixas por volume de controle dado. Na Figura 2.26, apresenta-se uma série de geometrias de dissipadores.
Além da estrutura física, o desempenho dos dissipadores de calor depende da sua metalurgia. Quanto mais elevada a condutividade térmica do material escolhido para o dissipador de calor, melhor o desempenho térmico desse. As aletas forjadas são fabricadas de Al 10, uma liga de alumínio pura. A condutividade térmica do Al 10 é de 125 BTU/hrxftxF, ou seja 20% mais condutor que o Al 6061, uma liga com condutividade térmica de 90 BTU/hrxftxF. E ainda, é 56 % mais condutor do que Al380, que possui condutividade térmica de 5 BTU/hrxftxF. Lembrando que nas aplicações com alumínio puro deve-se considerar a temperatura de escoamento, o que pode causar uma distorção geométrica da superfície aletada.
Ao selecionar dissipadores de calor, deve-se estar ciente que determinadas configurações de dissipadores são mais eficazes com velocidades de ar elevadas; enquanto outras configurações são mais eficientes com velocidades baixas do ar. Com o controle da densidade do número de aletas, os dissipadores de calor podem ser caracterizados para fluxos de ar diferentes. Com fluxos de ar elevados, um número de densidade de aletas elevado é preferível desde que o fluxo de ar seja poderoso o bastante para fluir através do dissipador de calor e, dessa forma, se torna vantajoso uma grande área de superfície no dissipador de calor. Com fluxos de ar baixos, um pequeno número de densidade de aletas é recomendado porque a força
Figura 2.26: Dissipadores de calor de várias geometrias. (w.moreleds.com , 20/05/07) do ar não é forte o bastante para penetrar numa configuração mais densa de aletas. Dessa forma, pelo uso de um software fluido computacional de análise da dinâmica (CFD), os projetistas podem otimizar as densidades das aletas baseadas em fluxos de ar em aplicações específicas.
Como os módulos de Peltier dissipam uma quantidade de calor elevada, as superfícies aletadas para os módulos devem possuir número elevado de densidade de aletas para maximizar a área da superfície do dissipador de calor. Os dissipadores com configurações de número elevado de aletas, como previamente citado, são mais eficazes na modalidade refrigeração forçada (em que um ventilador é colocado acima do dissipador de calor e o ar é difundido diretamente para baixo sobre aos pinos). Na convecção forçada, o ar cria uma turbulência significativa entre as aletas e realça suas habilidades de refrigeração. Comparado à modalidade refrigeração horizontal tradicional, a refrigeração forçada melhora o desempenho em aproximadamente 20%. A refrigeração forçada também distribui o fluxo de ar uniformemente ao longo da superfície do dissipador de calor.
Os avanços recentes forçaram os projetistas a procurar configurações incomuns de dissipador de calor.
As densidades de potência aumentadas criaram a demanda para dissipadores de calor miniaturizados; contudo, poderosos. Ao mesmo tempo, a restrição de espaço gera a necessidade de soluções baseada em novos perfis. A nova tecnologia de fabricação de aletas permite ao projetistas a produção de configurações incomuns para dissipador de calor com intuito de permitir um elevado grau de otimização. Os parâmetros de otimização incluem a altura total, altura da aleta, a espessura da base, diâmetro do pino (caso seja circular), largura da aleta, densidade do número de aletas, e o material (alumínio ou cobre). As aletas também podem ser caracterizadas para as situações que a largura e a altura são restritas .
O peso está transformando-se em um problema cada vez mais importante enquanto a necessidade de dissipação de calor se alarga, aumentando o número dos dissipadores de calor por a placa. Além das limitações totais do peso, o uso de dissipadores de calor pesados torna a tarefa mais complicada, requerendo freqüentemente soluções mecânicas. A flexibilidade da geometria da aleta permite o projeto dos dissipadores de calor otimizados baseados em limitações existentes de peso. Com o controle da espessura, largura ou diâmetro da aleta, densidade do número de aletas e a sua altura, uma aleta pode especialmente ser projetada para se enquadrar com limitações específicas.
As superfície de resfriamento e os dissipadores de calor aletados são unidos tipicamente por uma placa que usa fitas adesivas térmicas condutoras (frente e verso). As fitas adesivas frente e verso são relativamente baratas, podem facilmente ser aplicadas e são customizadas para áreas de bases diferentes. As fitas adesivas específicas estão disponíveis para os metais, os cerâmicos e os plásticos. As fitas adesivas especiais são disponíveis também para aplicações em que a condutividade elétrica é requerida.
2.4.1 MATERIAIS E GEOMETRIAS
Vários métodos do revestimento de alumínio são aplicáveis para dissipadores de calor com aletas forjadas. Um revestimento anodizado melhora a resistência à corrosão sendo aplicável para ambientes comerciais ou industriais severos (um revestimento anodizado é eletricamente não condutivo). Em determinadas situações, um revestimento anodizado é aplicado também como realce à aparência exterior do dissipador de calor. O revestimento cromado do dissipador é apropriado quando um condutividade elétrica é requerida. O chapeamento por níquel implicará num refluxo térmico do dissipador para a parte superior do componente.
Em conseqüência do aumento da densidade das placas em circuitos eletrônicos e da potência dos sistemas, a demanda por dissipadores de calor diminutos está crescendo. A tecnologia das aletas, por causa de sua flexibilidade, permite a produção de aletas miniaturizadas. Ao mesmo tempo, a tecnologia não perde desempenho com a diminuição proporcional do tamanho pois, atualmente, se oferece bom desempenho térmico por baixo volume da unidade.
A tecnologia de forjamento permite a criação de um suporte no centro da base do dissipador de calor.
Em conseqüência, o dissipador de aletas forjado com suporte fornece uma solução excelente para a crescente e popular tecnologia de microaletas. Na maioria das situações, essa base é feita de um material que possui característica condutora mais acentuada que o próprio material da aleta. Dessa forma, ele cria um centro quente na base e transmite esse calor para as aletas. Tal aplicação pode ser conferida na Fig. 2.27.
Figura 2.27: Superfície aletada de alumínio com núcleo de cobre. (w.dansdata.com , 20/05/07)
Como sempre, a eficiência de custo é um interesse para sistemas de hoje. A tecnologia de fabricação de aletas fornece soluções efetivas do dissipador de calor para as aplicações de médio a elevado volume, devido às baixas necessidades de ferramentas de trabalho associadas ao mínimo desperdício de materiais. Isto se deve a elevada taxa de rendimento do processo de forjamento e ao baixo número de defeitos.
2.5 SISTEMA TERMOELÉTRICO
2.5.1 DESCRIÇÃO DO SISTEMA
Os sistemas de refrigeração termoelétrica são análogos aos sistemas de refrigeração convencionais.
Por exemplo, um sistema de refrigeração convencional se constitui, basicamente, de três componentes: o evaporador, o compressor, e o condensador. No evaporador, o refrigerante pressurizado se expande, ferve, e evapora. Durante a mudança de estado líquido-gás, a energia na forma de calor é absorvida. Na etapa seguinte, o compressor recomprime o gás em líquido. Em seguida, o condensador expele o calor absorvido no evaporador juntamente com o calor adicionado pelo compressor para o meio-ambiente.
Um sistema de refrigeração termoelétrica possui subconjuntos similares. Entretanto, a refrigeração termoelétrica é especificamente a retirada de calor por efeito Peltier. O uso potencial dos RTE se