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Equipamentos com Refrigeração Termoelétrica
Caroliny Suque e Leonardo Xavier
Refrigeração e Ar Condicionado – 2020/2 EARTE
Universidade Federal do Espírito Santo
Introdução
Sistema de refrigeração por compressão: Fundamenta-se na expansão de um fluido durante a mudança de fase líquida para a fase vapor.
Sistema de refrigeração termoelétrica: O fluxo de calor é feito a partir do fluxo de
elétrons. 
Um material semicondutor dopado de carga cumpre o papel do refrigerante líquido, o condensador é representado por um dissipador de calor e o compressor é substituído por uma fonte de potência contínua. 
Efeito Termoelétrico e Materiais Termoelétricos
Termoeletricidade: temperatura ⟺ energia elétrica;
Efeitos termelétricos: converte-se parcialmente energia térmica e elétrica de uma forma para outra. Exs.: efeito Seebeck, efeito Peltier e efeito Thomson;
Materiais termelétricos: convertem energia térmica em elétrica de forma direta, na presença de um gradiente de temperatura entre as extremidades de um circuito por eles formados;
Podem ser classificados em:
Condutores;
Semicondutores;
Isolantes.
A classificação é feita na escala microscópica, com base no comportamento dos elétrons na camada de valência do material, quando sob a ação de um campo elétrico.
Materiais semicondutores mais utilizados:
telúrio;
antimônio;
germânio
Tais materiais são dopados para criação de semicondutores tipo-n e tipo-p.
Num módulo termelétrico, esses semicondutores são unidos:
eletricamente em série;
termicamente em paralelo.
Efeito Termoelétrico e Materiais Termoelétricos
Efeito Seebeck
1821: Seebeck descobre o efeito termoelétrico no qual surge uma tensão elétrica em uma junção de dois materiais distintos a diferentes temperaturas. É neste fenômeno se baseia o princípio de funcionamento dos termopares.
O valor da tensão elétrica que surge depende dos materiais utilizados e da diferença de temperaturas.
Efeito Seebeck
1821: Seebeck descobre o efeito termoelétrico no qual surge uma tensão elétrica em uma junção de dois materiais distintos a diferentes temperaturas. É neste fenômeno se baseia o princípio de funcionamento dos termopares.
O valor da tensão elétrica que surge depende dos materiais utilizados e da diferença de temperaturas.
1834: Jean Charles Peltier descobre um fenômeno no qual é produzido um gradiente de temperatura na junção metálica de dos condutores ou semicondutores de diferentes materiais, quando submetidos há uma tensão elétrica em circuito fechado.
Efeito Peltier
O calor dissipado ou absorvido é proporcional à corrente elétrica do circuito:
A dissipação ou absorção de calor depende da direção da corrente;
Peltier então descobriu a capacidade de reversibilidade dos termopares e a  capacidade para refrigerar.
Qp = π.i
Qp é o calor associado;
π é o coeficiente de Peltier;
i é a corrente no circuito.
Efeito Peltier
Pode-se considerar o Efeito Peltier oposto ao Efeito Seebeck. 
Quando há passagem de corrente elétrica em um circuito de dois materiais distintos com extremidades formando junções, numa das junções haverá liberação de calor e na outra haverá absorção de calor.
Efeito Peltier
Módulo Peltier
A cerâmica mais usada é alumina (Al2O3) com condutividade térmica de 25 W/ m-K.
O limite de comprimento e largura é de 60 mm.
Parâmetros da Pastilha:
I’ – Medida em ampéres [A] é a corrente para obter ;
 - Diferença máxima de temperatura na junção [K];
 - Potência de resfriamento correspondente a [W];
 - A tensão do circuito elétrico para corrente sem carga térmica [V];
Pastilha Termoelétrica
Figura de Merito Z [1/K]:
 = coeficiente Seebeck [V/K];
 = resistividade elétrica [.m];
k = condutividade térmica [W/(m.K)]. 
Material mais utilizado, por ter o maior coeficiente de mérito
Após o balanço térmico, o calor absorvido pelo lado frio:
- taxa de calor bombeado no lado frio [W];
 - coeficiente total Seebeck do termoelemento [V/K];
I - corrente aplicada ao módulo [A];
R- resistência do termoelemento [];
K– condutância térmica do termoelemento W/ ;
- temperatura do lado frio [K];
 - temperatura do lado quente [K];
Potência consumida:
Coeficiente de desempenho:
Funcionamento e Desempenho
 
Dimensionamento de refrigeradores termoelétricos
Deve-se conhecer:
A temperatura desejada na superfície fria;
A temperatura desejada na superfície quente;
A quantidade de calor a ser absorvida;
Conhecimento das cargas térmicas esperadas:
Carga de calor ativo: calor gerado pelo sistema a ser resfriado, pode ser considerada a potência fornecida por representar o pior caso.
Carga de calor passivo ou infiltrado: energia perdida ou recebida por condução, convecção ou radiação. Perdas por calor passivo podem ocorrer devido a algum caminho condutor de calor, incluído ar, isolamento e instalação elétrica.
Condução:
Convecção:
 - taxa de condução de calor através do material [W];
k – condutividade térmica do material [W/m.K];
T – diferença de temperatura do material [K];
A - área da seção transversal do material [m²];
L– espessura do material [m]. 
– taxa de calor transferido para ou do ambiente [W];
h– Coeficiente de transferência de calor do meio [W/m².K];
A– área da superfície exposta [m²];
T– diferença de temperatura do material [K]. 
Isolamento:
 - taxa de calor conduzido através do isolamento [W]; 
A – área da superfície exposta [m²];
T– diferença de temperatura do material [K];
L – espessura do material [m];
k – condutividade térmica do material [W/m.K];
h– Coeficiente de transferência de calor do meio [W/m².K]. 
É necessário estimar a carga térmica em Watts que precisa ser transferida para que se atinja a temperatura desejada. 
Há ainda os limites de corrente e
tensão de trabalho, bem como as dimensões características. 
Se for necessário maior diferença de temperatura os módulos podem ser empilhados, ou podem ser usados lado a lado no caso de maior carga térmica.
O dissipador de calor usado deve ser muito
mais potente que o usado para refrigerar em sistemas convencionais, podendo ser de convecção livre, corrente de ar forçado ou trocas térmicas com líquidos.
O objeto resfriado deve ser bem isolado e se avaliar a possibilidade de condensação da umidade do ar.
Evitar o superdimensionamento.
Vantagens dos Módulos Peltier
Não utiliza partes mecânicas móveis para refrigeração o que resulta num aumento da confiabilidade, uma redução de manutenção, e um aumento da vida útil do sistema;
Aquece ou resfria dependendo apenas da polaridade da alimentação, ideal para aplicações que exigem o controle eletrônico preciso de temperatura;
Dispensa o uso de gases refrigerantes; tecnologia 100% estado sólido no que implica alta confiabilidade, baixos níveis de ruído e vibrações e sem emissão de gases;
Permite a refrigeração pontual (localizada);
Funcionam em qualquer orientação com/sem gravidade diferentemente dos refrigeradores baseados em compressores.
Desvantagens dos Módulos Peltier
Alto custo;
O alto custo dos semicondutores cuja fabricação exige tecnologia altamente especializada;
A fonte de corrente contínua deve ser de baixa tensão e alta corrente;
Baixa eficiência energética;
A aplicação se restringe a casos onde o custo do sistema e eficiência energética são menos importantes que disponibilidade de energia, a confiabilidade do sistema e tranquilo ambiente de operação.
Caroliny Endlich (CE) - 
Aplicações da Refrigeração Termoelétrica
Mini geladeira
Bebedouro
Conservadores de comida
Mini ar condicionado
Dehumidificador
Assentos
Adega elétrica
Aplicações da Refrigeração Termoelétrica
1. Ar – Condicionado:
Esses equipamentos são simples, práticos e menos  danosos ao meio ambiente (livre de gases). O modo de refrigeração/aquecimento é alterado pela reversão da direção da corrente. O baixo COP (quando comparado ao COP da compressão de vapor) é um limitante para aplicação de refrigeração doméstica. Podem ser aplicados em veículos por exemplo, eliminando a necessidadede R-134a.
2. Refrigeradores:​
Refrigeradores TEC que operam a base do princípio Peltier são silenciosos, leves e tem baixo custo de produção. Uma aplicação interessante é o uso de  células solares em conjunto com o sistema termoelétrico, na qual a energia elétrica que alimenta o módulo termoelétrico vem da celula solar.
Aplicações da Refrigeração Termoelétrica
3. Dispositivo de refrigeração portátil:
Esses dispositivos podem ser por exemplo, coolers portáteis.
4. Refrigeração de componentes eletrônicos:
Módulos Peltier podem ser utilizados para refrigerar processadores de alta performance, por exemplo.
5. Geração de Energia:
Os módulos termoelétricos podem ser usados como geradores. A energia é gerada aproveitando-se da perda de calor do sistema. 
Aplicações da Refrigeração Termoelétrica - Mini freezer portátil Chefman
Aplicações da Refrigeração Termoelétrica - Mini freezer portátil Chefman
Aplicações da Refrigeração Termoelétrica - Mini freezer portátil Chefman
Características:
Aparelho portátil;
Resfria até 6 °C ( a uma temperatura ambiente de 24 °C)
Livre de gás freon;
Possibilidade de plugar tanto em tomadas de casa quanto em outlets de carros;
Switch refrigeração/aquecimento;
Aplicações da Refrigeração Termoelétrica - Intel Cryo Cooler 
Pontos interessantes:
4:33; 
5:57​; 
9:38; 
11:35;
11:42.
Aplicações da Refrigeração Termoelétrica - Intel Cryo Cooler 
Pontos interessantes:
4:33; 
5:57​; 
9:38; 
11:35;
11:42.
Aplicações da Refrigeração Termoelétrica - Intel Cryo Cooler 
Pontos interessantes:
4:33; 
5:57​; 
9:38; 
11:35;
11:42.
Aplicações da Refrigeração Termoelétrica - Intel Cryo Cooler 
Pontos interessantes:
4:33; 
5:57​; 
9:38; 
11:35;
11:42.
Aplicações da Refrigeração Termoelétrica - Intel Cryo Cooler 
Pontos interessantes:
4:33; 
5:57​; 
9:38; 
11:35;
11:42.
Aplicações da Refrigeração Termoelétrica - Intel Cryo Cooler 
Pontos interessantes:
4:33; 
5:57​; 
9:38; 
11:35;
11:42.
Referências bibliográficas
Che Sulaiman, Aqilah & Amin, Nasrul & Basha, Mohd Hafif & Abdul Majid, M.S. & Mohd Nasir, Nashrul & Zaman, Izzuddin. (2018). Cooling Performance of Thermoelectric Cooling (TEC) and Applications: A review. MATEC Web of Conferences. 225. 03021. 10.1051/matecconf/201822503021.
SILVA, K. Sistemas termoelétriucos aplicado ao estudo dos efeitos de congelamento e de propriedades térmicas. Dissertação de Doutorado (Engenharia de Alimentos), Universidade Estadual de Campinas. Campinas, 2012.
MAESTRELLI, E.Desenvolvimento de um Sistema de condicionamento em ar em escala reduzida utilizando módulos termoelétricos. Dissertação de Mestrado (Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais), Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, 2015.
Seyed Mohsen Pourkiaei, Mohammad Hossein Ahmadi, Milad Sadeghzadeh, Soroush Moosavi, Fathollah Pourfayaz, Lingen Chen, Mohammad Arab Pour Yazdi, Ravinder Kumar, Thermoelectric cooler and thermoelectric generator devices: A review of present and potential applications, modeling and materials, Energy, Volume 186, 2019, 115849, ISSN 0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.07.179.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S036054421931521X)