Refrigeração Eletrônica
Ar condicionado 12V feito em casa
Depois das conversas sobre ar condicionado 12V no outro tópico eu resolvi montar um pequeno ar condicionado feito em casa ontem a noite, só pra estudar um pouco melhor o conceito e os problemas na prática. O resultado é um ar condicionado 12V que consome em torno de 100W, ~85W em duas placas peltier, e mais uns ~25W para os ventiladores.
Claro, esse baixo consumo comparado a um ar condicionado tradicional também se traduz em uma capacidade de refrigeração bem menor, mas é provável que esse modelo consiga afetar o ambiente de forma perceptível enquanto mantendo um consumo mais aceitável para um trailer.
Aqui vai uma descrição do experimento.
Princípio de funcionamento
Placas peltier são dispositivos semicondutores que tem um modo de funcionamento muito simples: quando corrente é aplicada através dela para um lado, uma das superfícies aquece e a outra resfria. Se a corrente é aplicada para o lado oposto, as superfícies que aquecem e resfriam se invertem.
A diferença de temperatura é suficiente para congelar água que esteja em contato com a superfície fria, e suficiente para se auto-destruir no lado quente, portanto é necessário dissipar o calor eficientemente e controlar o nível de aquecimento.
Com as duas superfícies de temperaturas opostas tão próximas uma da outra, o principal desafio ao utilizar essas placas é afastar o calor e o frio das superfícies vizinhas de forma eficiente sem que nesse processo uma anule a outra.
Fazer esse processo corretamente é a chave entre o sistema funcionar ou não. Nesse projeto as placas são utilizadas para resfriamento, então é utilizada uma caixa de isopor para armazenar e direcionar o ar gerado pela superfície fria enquanto o grande calor gerado pela superfície quente é dissipado e afastado da caixa sem direcionamento específico. Isso permite o direcionamento do ar frio para o interior do veículo através de tubulação termicamente isolada enquanto o sistema com um todo fica localizado na parte externa para dissipação do calor.
Material utilizado no experimento
- Duas placas peltier de 6A
- Um dissipador de calor grande
- Um dissipador com ventilador (eficiente!)
- Um ventilador pequeno (potente!)
- Pasta termal
- Uma caixa pequena de isopor
- Uma fonte de 12V com capacidade adequada
ATENÇÃO
Como se trata de um forum público é importante alertar sobre algumas questões.
Esses componentes não são LEGOs.. eles não foram feitos para serem seguros, mas sim para fazer parte de um sistema que leva segurança em consideração.
Ao fazer um experimento simples como esse, sem qualquer isolamento físico, sensor de temperatura, controle de corrente, fusível, etc, existe um grande risco de que coisas dêem errado, potencialmente muito errado, o que pode levar a incêndios, explosões, e grandes queimaduras.
Por exemplo, no meu sistema as placas peltier se limitaram a 3.5A naturalmente nos 12V, o que com o sistema de refrigeração que usei manteve a temperatura sob controle.
É possível que placas similares cheguem mais próximas dos 6A com menos tensão, o que iria aumentar muito a temperatura do conjunto. Outro fator a ser cuidado é a própria refrigeração.
Cada ventilador e dissipador de calor tem uma capacidade diferente de refrigeração. Eu só fiquei sabendo que o meu conjunto funcionaria corretamente porque monitorei de perto a tensão, a corrente, e todas as temperaturas.
Também é muito importante cuidar a própria fiação utilizada para conectar os diversos componentes. 10A é suficiente para queimar pequenos fios, o que também pode ocasionar um incêndio. Não usem o dedo para saber se está quente! Componentes eletrônicos podem esquentar o suficiente para fazer queimaduras sérias antes mesmo que o cérebro consiga avisar o dedo para sair dalí.
Finalmente, se alguém for reproduzir o experimento, não o deixem ligado sozinho.
Ele pode parecer funcionar, mas é fácil alguma coisa dar errada depois de algum tempo.
Montagem do experimento
1.
O dissipador de calor foi colocado dentro da caixa de isopor: [attachment=6249]
2.
A tampa da caixa foi recortada e adaptada para que o segundo dissipador com o ventilador fossem encaixados: [attachment=6252][attachment=6253]
3. As laterais da caixa foram recortadas em lados opostos para encaixar o ventilador pequeno e fazer a saída de ar frio: [attachment=6259]
4. O conjunto final foi montado aplicando-se pasta termal de ambos os lados das duas placas peltier e colocando-as entre os dissipadores: [attachment=6262] ]
Resultado
Uma foto termal do experimento funcionando: [attachment=6260] E aqui, baixando em alguns graus a temperatura da minha mão: [attachment=6261]
Embora promissores os testes empíricos, por enquanto o equipamento não passa de um brinquedo.
Na noite seguinte fiz alguns testes um pouco mais científicos conectando o equipamento a uma caixa de isopor:
O melhor que eu consegui medir foi um resfriamento de 1°C em 8 segundos, o que parece muito, mas não é.
A caixa tem um tamanho de 245 x 355 x 134mm, o que dá um volume de 0,011654m³. A 1atm e 20°C o ar tem uma densidade em torno de 1,205kg/m³ e um calor específico de 1005J/(kg K).
Como a caixa tem em torno de 0,012m³ de ar ela tem uma massa de 1,205 x 0,012 = 0.01446kg ou 14.46g de ar, e o calor específico diz que para resfriar 1kg de ar em 1°C são necessários 1005J. Se o dispositivo resfriou 14.46g de ar em 1°C, então a energia utilizada foi 1005 x 0,01446 = 14,5323J em 8 segundos, ou 14,5323 x 60 / 8 = 109J/min. 1 BTU é em torno de 1055J, e a convenção utilizada pelos ar condicionados é na verdade o BTU/h.
Então o dispositivo tem uma capacidade vagamente em torno de 109J x 60 / 1055J = ~6.2BTU/h, o que é muito próximo de nada.
Valeu a brincadeira, mas tem que melhorar umas duas ordens de magnitude pra ser útil.
Como se trata de um forum público é importante alertar sobre algumas questões.
Esses componentes não são LEGOs.. eles não foram feitos para serem seguros, mas sim para fazer parte de um sistema que leva segurança em consideração.
Ao fazer um experimento simples como esse, sem qualquer isolamento físico, sensor de temperatura, controle de corrente, fusível, etc, existe um grande risco de que coisas dêem errado, potencialmente muito errado, o que pode levar a incêndios, explosões, e grandes queimaduras.
Por exemplo, no meu sistema as placas peltier se limitaram a 3.5A naturalmente nos 12V, o que com o sistema de refrigeração que usei manteve a temperatura sob controle.
É possível que placas similares cheguem mais próximas dos 6A com menos tensão, o que iria aumentar muito a temperatura do conjunto. Outro fator a ser cuidado é a própria refrigeração.
Cada ventilador e dissipador de calor tem uma capacidade diferente de refrigeração. Eu só fiquei sabendo que o meu conjunto funcionaria corretamente porque monitorei de perto a tensão, a corrente, e todas as temperaturas.
Também é muito importante cuidar a própria fiação utilizada para conectar os diversos componentes. 10A é suficiente para queimar pequenos fios, o que também pode ocasionar um incêndio. Não usem o dedo para saber se está quente! Componentes eletrônicos podem esquentar o suficiente para fazer queimaduras sérias antes mesmo que o cérebro consiga avisar o dedo para sair dalí.
Finalmente, se alguém for reproduzir o experimento, não o deixem ligado sozinho.
Ele pode parecer funcionar, mas é fácil alguma coisa dar errada depois de algum tempo.
Montagem do experimento
1.
O dissipador de calor foi colocado dentro da caixa de isopor: [attachment=6249]
2.
A tampa da caixa foi recortada e adaptada para que o segundo dissipador com o ventilador fossem encaixados: [attachment=6252][attachment=6253]
3. As laterais da caixa foram recortadas em lados opostos para encaixar o ventilador pequeno e fazer a saída de ar frio: [attachment=6259]
4. O conjunto final foi montado aplicando-se pasta termal de ambos os lados das duas placas peltier e colocando-as entre os dissipadores: [attachment=6262] ]
Resultado
Uma foto termal do experimento funcionando: [attachment=6260] E aqui, baixando em alguns graus a temperatura da minha mão: [attachment=6261]
Embora promissores os testes empíricos, por enquanto o equipamento não passa de um brinquedo.
Na noite seguinte fiz alguns testes um pouco mais científicos conectando o equipamento a uma caixa de isopor:
O melhor que eu consegui medir foi um resfriamento de 1°C em 8 segundos, o que parece muito, mas não é.
A caixa tem um tamanho de 245 x 355 x 134mm, o que dá um volume de 0,011654m³. A 1atm e 20°C o ar tem uma densidade em torno de 1,205kg/m³ e um calor específico de 1005J/(kg K).
Como a caixa tem em torno de 0,012m³ de ar ela tem uma massa de 1,205 x 0,012 = 0.01446kg ou 14.46g de ar, e o calor específico diz que para resfriar 1kg de ar em 1°C são necessários 1005J. Se o dispositivo resfriou 14.46g de ar em 1°C, então a energia utilizada foi 1005 x 0,01446 = 14,5323J em 8 segundos, ou 14,5323 x 60 / 8 = 109J/min. 1 BTU é em torno de 1055J, e a convenção utilizada pelos ar condicionados é na verdade o BTU/h.
Então o dispositivo tem uma capacidade vagamente em torno de 109J x 60 / 1055J = ~6.2BTU/h, o que é muito próximo de nada.
Valeu a brincadeira, mas tem que melhorar umas duas ordens de magnitude pra ser útil.
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