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.

Refrigeração Eletronica

Mini ar-condicionado utilizando pastilha Peltier

Projeto de um ar-condicionado portátil utilizando apenas duas ventoinhas de computador e uma pastilha Peltier. Simples de fazer e não sai caro. 
Útil para ambientes pequenos com pouca ventilação, ou onde não pode-se instalar um ar-condicionado comum.


LISTA DE MATERIAIS

• 1x Pastilha Peltier 12V
• 2x Cooler de computador 12V
• 1x Dissipador de calor (confira modelo na foto)
• 2x Dissipador de calor (confira modelo na foto)
• 1x Bateria 12V (ou fonte)
• 1x Interruptor
• 1x Par de garras de jacaré (para a bateria)
• 1x Rede de metal
• Fios diversos
• Tubulação

LISTA DE FERRAMENTAS

• Pistola de cola quente
• Ferro de solda
• Esmeril
• Tesoura
• Tubo de cola quente
• Fita
• Epoxy
• Tabuas de madeira

DEMONSTRAÇÃO

O ar neutro do ambiente entra pela parte de baixo, atravessando os dissipadores de calor quentes e saindo pelo tubo até uma janela. O ar neutro do ambiente também entra por cima passando pelos dissipadores de calor frios e saindo pela esquerda.

Caso a intenção seja apenas um vento fresco, não é necessário conectar o tubo em uma janela.

A ligação elétrica é bem simples. 
Alimente todos os itens do projeto em paralelo, respeitando a polaridade de cada um. 
Por comodidade, conecte o interruptor em série com a bateria para ligar/desligar o aparato.

MONTAGEM

Aplique Epoxy dos dois lados do Peltier e cole os dissipadores de calor como mostra a figura. 
Atente a zona fria/quente do Peltier.
Aplique Epoxy agora nas extremidades dos dissipadores, de forma a colar as ventoinhas. 
A direção do fluxo de vento das ventoinhas deverá apontar para dentro, nos dois casos.

Aplique mais Epoxy como demonstra a figura, para posicionar no lugar as madeiras que definirão o fluxo do vento.
Posicione a rede de metal no lado superior, formando um filtro de ar. 
Este filtro evitará poeira dentro do sistema.

Por fim, grude as tampas de madeira.

FINAL

Esta é a aparência final do projeto.

É recomendado que se coloque o tubo da saída de ar quente para fora da janela, resfriando o ambiente.

Gambiarra ou não, não deixa de ser um projeto interessante!

Gomes

 Entendendo o Funcionamento das Pastilhas Termoelétricas



RESUMO: 

Este artigo visa demonstrar o funcionamento de uma pastilha termoelétrica, que foi usada na montagem de um frigobar bastante simples - basicamente composto por uma caixa de isopor e uma pastilha termoelétrica. 
O frigobar contou ainda com dissipadores de calor, ventoinhas, pastas térmicas e uma fonte de 300W para a alimentação de todo o conjunto. 
O projeto conseguiu, ainda que frustrado por não alcançar as temperaturas esperadas, demonstrar de maneira compreensível o funcionamento das pastilhas e motivar futuros projetos objetivando o aperfeiçoamento, estudo e desenvolvimento do protótipo e dos módulos Peltier.

PALAVRAS CHAVES: Pastilha termoelétrica; Temperatura; Módulos Peltier

INTRODUÇÃO: 

As pastilhas termoelétricas são pequenas unidades que utilizam tecnologia de matéria condensada para operarem como bombas de calor. 
Sua operação é baseada no “Efeito Peltier” e também no seu efeito contrário, o “Seebeck”. Estes dois efeitos podem ser também considerados como um só, denominado de efeito Peltier-Seebeck ou efeito termoelétrico. 
Elas são utilizadas hoje em inúmeros setores, principalmente os de bens de consumo, automotivo, industrial e militar. Pastilhas termoelétricas são utilizadas em aplicações pequenas de resfriamento como chips microprocessadores ou até médias como geladeiras portáteis. 
Atualmente, os módulos mais potentes podem transferir um máximo de 250W, tornando a tecnologia inviável para o uso em um aparelho de ar condicionado, por exemplo 
A grande vantagem dessas pastilhas é a ausência de peças móveis, gás freon, barulho e vibração; além do tamanho reduzido, alta durabilidade e precisão.
Este trabalho têm por objetivo demonstrar o funcionamento de uma pastilha termoelétrica, através da realização de um experimento com uma pastilha e por meio da comparação da eficiência da pastilha em relação aos gases utilizados nas geladeiras no resfriamento das mesmas e do estudo da viabilidade da pastilha na climatização de ambientes. 

MATERIAL E MÉTODOS: 

Iniciando a montagem do protótipo, foi feita uma abertura na parte superior da caixa de isopor, para a colocação de um dos dissipadores de calor. A ventoinha foi encaixada no dissipador e o mesmo posicionado na abertura da caixa. 
Em seguida, o ferro de solda foi utilizado para a soldagem - com o estanho - do fio do adaptador no fio da pastilha, e então a solda foi revestida com o espaguete termorretrátil. 
Após isso é que a pasta térmica foi espalhada nas superfícies quente e fria da pastilha. 
Então a pastilha foi assentada no dissipador de modo que o seu lado frio ficasse para baixo. 
Depois, o outro dissipador – com os tubos de calor – foi colocado sobre o lado quente da pastilha, e então a outra ventoinha foi acoplada a ele. 
Por fim todo o conjunto foi conectado à fonte de alimentação que já havia sido vinculada ao botão liga/desliga, necessário para a realização do curto circuito responsável pelo funcionamento da fonte e para o controle do funcionamento da mesma.

RESULTADOS E DISCUSSÃO: 

Levando-se em conta a baixa qualidade e eficácia dos materiais utilizados para a montagem do frigobar, devido à falta dos recursos financeiros necessários para a aquisição de materiais mais aprimorados, o resultado ainda que abaixo do objetivo inicial do alcance de temperaturas inferiores a 5 C°, foi satisfatório, pois o modelo construído foi capaz de alcançar temperaturas a 10 C° abaixo da temperatura ambiente e em pouco mais de uma hora, a temperatura do protótipo já se estabilizava.

CONCLUSÕES: 

Com o estudo e pesquisa na área da termoeletricidade e com a montagem do frigobar, foi possível concluir que as pastilhas termoelétricas, com o conhecimento científico possuído hoje a seu respeito, não são mais eficientes do que as geladeiras convencionais no resfriamento de ambientes, porém em situações em que não é necessário o alcance de temperaturas tão amenas, a pastilha é indicada, levando-se em conta os problemas ambientais enfrentados atualmente e a não emissão dos gases clorofluorcarbonetos(CFC) – principais destruidores da camada de ozônio - pela pastilha.
  Gomes...

Refrigeração Eletronica

Termoeletricidade(Inversor de Peltier)

LEMBRANDOA termoeletricidade pode esquentar ou esfriar.
Um termopar é formado por dois metais diferentes que são fortemente unidos por suas extremidades. 
Um exemplar simples pode ser construído torcendo juntas as extremidades (bem limpas) de um fio de cobre e um fio de ferro.

EXPLICANDO

O inversor de Peltier usa da termoeletricidade para manter uma máquina térmica ás avessas. 
Como referência, um modelo didático do inversor apresenta um terminal vermelho e outro preto. 
Se o terminal vermelho for ligado ao pólo positivo de uma bateria de 6 V e o terminal preto ao pólo negativo, o topo do inversor esfriará e o calor produzido em sua parte inferior será transferido para o ambiente pelas aletas do dissipador. 
Na parte de cima o dispositivo torna-se frio o bastante para gelar uma gota de água.

DE QUE CUCA SAIU ISSO

 A Peltier descobriu em 1834 que, quando uma corrente elétrica flui pela junção de dois condutores de metais diferentes, calor é liberado ou absorvido pela junção. 
O sentido da corrente é quem determinará se a junção se aquece ou esfria. 
Este efeito depende dos condutores usados e da temperatura da junção; ele não está associado com o potencial de contato gerado entre dois metais distintos, não depende da forma ou dimensões dos materiais que compõem a junção.

Peltier, enviando uma corrente elétrica por um termopar feito de antimônio e bismuto, conseguiu congelar uma gota de água. 
Foi a primeira demonstração de uma refrigeração termelétrica. 
O inversor de Peltier atual (denominado pastilha Peltier) é constituído por uma série de pares termelétricos minúsculos feitos de material P e N, semicondutores de silício dopados. "Buracos" podem migrar pelo material .

NA DIDÁTICA
Para aplicações práticas, ou mesmo demonstrativas, em salas de aula e Feiras de Ciências, pode-se adquirir (por exemplo, via Mercado Livre), pastilhas Peltier. Minha aquisição recaiu sobre:

Pastilha Peltier termoelétrica de 46,5 W, com dimensões (40 x 40 x 5,4) mm, intensidade de corrente de 3 A, tensão de alimentação de 12 VCC (máx. 15,2 VCC), que atinge entre suas faces uma diferença de temperatura máxima de 67 ºC.

Há uma boa gama de aplicações práticas para tais pastilhas, tanto na informática (refrigeração de gabinetes, de processadores, de chips, etc.), como para caixas de gelo, aquários, etc.

A pastilha Peltier ao ser ligada na fonte de energia elétrica, esquenta em uma das faces e "gela" na outra. Este "gela" requer mais explicações. 
Na verdade, o que a pastilha apresenta é uma boa diferença de temperatura entre suas faces.
Para exemplificar, com a pastilha que adquiri, vamos admitir que esta diferença seja de 60 ºC. Assim, ao ser ligada em 12 VCC, teremos 60ºC entre as faces da pastilha, ou seja, se a face quente estiver a 90ºC, a face fria estará a 30ºC (90 - 60 = 30). 
Assim, a face "fria" não estará realmente fria ou gelada, apenas estará 60 ºC abaixo da temperatura da outra face.

Para uma dada intensidade de corrente no elemento Peltier, a diferença de temperatura entre suas faces permanecerá constante.

Agora, se conseguirmos fazer com que a face quente fique permanentemente em 60 ºC, a face fria ficará permanentemente a 0ºC, o que já é um belo "frio"!
Percebe-se, então, que o ´segredo´ é baixar a temperatura da face quente; uma solução é usar um ventilador especial (´cooler´); quanto mais eficiente for o cooler na troca de calor, menos quente ficará esta face e mais gelada ficará a outra.

A face ´gelada´, dependendo do que há no ambiente (interior de um computador, por exemplo), pode trazer problemas secundários, tal qual a de determinar a condensação do vapor de água arrastado pelo ar ambiente, resultando em água líquida escorrendo componente abaixo. 
Uma nova ventoinha pode ser instalada sobre a pastilha para sanar este problema, pois ela retira o ar gelado que rodeia o dissipador e o joga para dentro do gabinete (caso do computador).

Ilustremos esta montagem experimental:

O dissipador 1 impede a condensação sobre o componente e o cooler 1 arrasta o ar frio que envolve as aletas do dissipador 1, encaminhando-o para dentro do gabinete. O dissi- pador 2 troca calor com a face quente da pastilha e o cooler 2 arrasta o ar quente para o ambiente.

Quanto mais potente (W) for a pastilha mais quente será o lado quente e consequentemente mais difícil será esfriá-lo.
Um módulo didático (feito especialmente para demonstrações) poderá absorver 18 W de potência de uma fonte elétrica de 6,0 VCC sob 3,0 A, exibindo uma variação de temperatura ao redor dos 67^oC.

Nota: 

Cuidado para que a corrente no dispositivo de demonstração não supere os 3,0 A . Se uma bateria de 6V for utilizada deve-se prever um limitador de corrente através de um resistor de 8 ohms, 10 watts.

INTRODUÇÃO AO EFEITO PELTIER

Módulos Peltier, também conhecidos como pastilhas termoelétricas, são pequenas unidades de que utilizam tecnologia de matéria condensada para operarem como bombas de calor. 

Uma unidade típica tem espessura de alguns milímetros e forma quadrada (e.g. 4x40x40 mm). 

Esses módulos são essencialmente um sanduíche de placas cerâmicas recheado com pequenos cubos de Bi2Te3 (telureto de bismuto).

Sua operação é baseada no “Efeito Peltier”, que foi descoberto em 1834. 

Quando uma corrente é aplicada, o calor move de um lado ao outro – onde ele deve ser removido com um dissipador. 

Se os polos elétricos forem revertidos, a pastilha se tornará em um excelente aquecedor. 

É importante salientar que por mais tecnologicamente avançados que sejam, os módulos não “consomem” calor – por isso que se torna necessário o uso do dissipador.

Pastilhas termoelétricas são utilizadas em aplicações pequenas de resfriamento como chips microprocessadores ou até médias como geladeiras portáteis. Atualmente, os módulos mais potentes podem transferir um máximo de 250W, tornando a tecnologia inviável para o uso em um aparelho de ar condicionado, por exemplo. 

As pastilhas podem ser empilhadas para se chegar temperaturas mais baixas, embora alcançar níveis criogênicos requer processos muito complexos.

A grande vantagem de pastilhas do tipo Peltier são a ausência de peças móveis, gás freon, barulho e vibração; além do tamanho reduzido, alta durabilidade e precisão. 

Elas são utilizadas hoje em inúmeros setores, principalmente os de bens de consumo, automotivo, industrial e militar."Módulos Peltier, também conhecidos como pastilhas termoelétricas, são pequenas unidades de que utilizam tecnologia de matéria condensada para operarem como bombas de calor. 

Uma unidade típica tem espessura de alguns milímetros e forma quadrada (e.g. 4x40x40 mm). Esses módulos são essencialmente um sanduíche de placas cerâmicas recheado com pequenos cubos de Bi2Te3 (telureto de bismuto). 

Sua operação é baseada no “Efeito Peltier”, que foi descoberto em 1834. 

Quando uma corrente é aplicada, o calor move de um lado ao outro – onde ele deve ser removido com um dissipador. Se os polos elétricos forem revertidos, a pastilha se tornará em um excelente aquecedor. 

É importante salientar que por mais tecnologicamente avançados que sejam, os módulos não “consomem” calor – por isso que se torna necessário o uso do dissipador.

Pastilhas termoelétricas são utilizadas em aplicações pequenas de resfriamento como chips microprocessadores ou até médias como geladeiras portáteis. Atualmente, os módulos mais potentes podem transferir um máximo de 250W, tornando a tecnologia inviável para o uso em um aparelho de ar condicionado, por exemplo. 

As pastilhas podem ser empilhadas para se chegar temperaturas mais baixas, embora alcançar níveis criogênicos requer processos muito complexos.

A grande vantagem de pastilhas do tipo Peltier são a ausência de peças móveis, gás freon, barulho e vibração; além do tamanho reduzido, alta durabilidade e precisão. 

Elas são utilizadas hoje em inúmeros setores, principalmente os de bens de consumo, automotivo, industrial e militar.

 

Pastilhas termoelétricas operam utilizando o efeito Peltier, a teoria de que há um efeito aquecedor ou resfriador quando uma corrente elétrica passa por dois condutores. 

A voltagem aplicada aos pólos de dois materiais distintos cria uma diferença de temperatura. 

Graças a essa diferença, o resfriamento Peltier fará o calor mover de um lido ao outro. 

Uma típica pastilha de Peltier conterá uma série de elementos semicondutores do tipo-p e tipo-n, agrupados como pares  que agirão como condutores dissimilares. 

       

Essa série de elementos é soldada entre duas placas cerâmicas, eletricamente em série e termicamente em paralelo. 

Quando uma corrente DC passa por um ou mais pares de elementos de tipo-n a tipo-p, há uma redução na temperatura da junta ("lado frio") resultando em uma absorção do calor do ambiente. 

Este calor é transferido pela pastilha por transporte de eléctrons e emitido no outro lado ("quente") via eléctrons que movem de um estado alto para um estado baixo (ver Figura 2). 

A capacidade de bombeamento de calor de um resfriador é proporcional à corrente e o número de pares de elementos tipo-n e tipo-p."