domingo, 10 de junho de 2018


Termoeletricidade
(Inversor de Peltier)

LEMBRANDO

A 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

J. C. 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 P.

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.
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 67oC.
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.

EIS O EXPERIMENTO



Refrigeração eletrônica


Refrigeração eletrônica

Principalmente em bebedouros mas também em equipamentos sofisticados como adegas climatizadas, a refrigeração deles é "eletrônica", 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

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. 
Esse ponto é importante porque o calor, como uma forma de energia que é, não desaparece, ele tem que ser movido. 
Por isso todos os aparelhos que usam a refrigeração eletrônica contam com ventoinhas e não podem ser instalados confinados.
Tanto para aquecimento como resfriamento, é necessário utilizar algum tipo de dissipador para coletar calor (em modo de aquecimento) ou dissipar calor (em modo de resfriamento) para outro meio (: ar, água, etc.). 
Sem isso o módulo estará sujeito a superaquecimento - com o lado quente superaquecido o lado frio também esquentará, consequentemente calor não será mais transferido. 
Quando o módulo chegar à temperatura de refluxo da solda utilizada, a unidade será destruída. Frequentemente utiliza-se uma ventoinha quando dissipador estiver trocando calor com o ar, mas isto não é obrigatório,

Pastilhas termoelétricas são utilizadas em aplicações pequenas de resfriamento como microprocessadores ou até em médias como geladeiras portáteis, adegas para vinho e bebedoruros. Atualmente, os módulos mais potentes podem transferir um máximo de 250W (conversão de W para BTUS). As pastilhas podem ser empilhadas para se chegar temperaturas mais baixas, embora alcançar temperaturas muito abaixo de zero e requer processos complexos e caros.
Existe um limite prático do tamanho dos módulos de cerca de 60 milímetros. Isso ocorre porque 
Devido às diferenças de calor, o lado frio da pastilha contrairá enquanto o lado quente expandirá, causando estresse nos elementos e nos pontos de solda. 
Quanto maior o módulo, maior o estresse.
Pode ser utilizado mais de um módulo para aumentar a transferência de calor ou empilhados uns sobre os outros para aumentar a diferença entre o lado frio e o lado quente. 
Contudo, quando a temperatura entre o lado frio e o lado quente não precisa ser mais de 60°C, pastilhas simples são mais recomendadas. 
Quando esta diferença tem que ser maior de 60°C, módulos múlti-estágios devem ser utilizados.
Pastilhas termoelétricas operam com corrente contínua, DC. Uma fonte chaveada pode ser utilizada, mas suas variações devem estar limitadas a +-10%. A frequência ideal é 50-60 Hz.
O efeito Peltier tende a perder sua vantagem competitiva para transferências de calor acima de 200W. Existem certas aplicaçoes militares e científicas que o utilizam para transferir centenas de kilowatts mas nesses casos o custo não é um problema ao contrá'rio do que ocorre em produtos para o mercado consumidor.
Um ar condicionado ou uma geladeira de grande porte poderá vir  a ser produzida em escala industrial, mas por enquanto seus custos são proibitivos. 
Módulos Peltier tem grandes vantagens como tamanho reduzido e ausência de peças móveis e ruído, mas seu custo por por watt transferido é muito superior a um compressor, seu principal concorrente tecnológico. 
Como aparelhos de ar condicionados requerem uma transferência de calor muito maior para resfriar ambientes do que uma mini-geladeira portátil, por exemplo, não são economicamente viáveis. 
O mesmo ocorre com geladeiras e congeladores (freezers) residenciais.
É importante também salientar que, no caso de aparelhos de ar condicionado, mesmo quando eles forem produzidos em escala industrial, um dissipador de calor terá de ser acoplado ao sistema e ao exterior do ambiente para que ele realmente seja resfriado. 
Ou seja, estes aparelhos não poderão substituir resfriadores portáteis que reduzem temperatura somente com gotículas de água e sem nenhuma dissipação para o exterior
A grande vantagem de pastilhas do tipo Peltier são a ausência de peças móveis, tornando extremamente preciso o controle de temperatura, não uso de gás refrigerante, sem 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. 
São mais comuns em países desenvolvidos mas elas tiveram grande penetração no Brasil com os bebedouros eletrônicos, fabricados por várias empresas.
Para aplicações de transferência  de calor de até 200 W as pastilhas termoelétricas tem várias vantagens sobre os compressores: são mais confiáveis que um compressor além de necessitar praticamente nenhuma manutenção. 
São ideais para aplicações de resfriamento que são sensíveis a vibrações mecânicas ou têm um tamanho ou espaço limitado.
Para estimar qual pastilhas e quantas serão necessárias é preciso determinar a carga térmica de onde elas serão aplicadas. É o mesmo processo de dimensionamento de um compressor para uma geladeira, por exemplo.
O controle de temperatura pode ser feito variando a voltagem fornecida a pastilha termoelétrica ou desligando/ ligando ela. 
Certos fabricantes não recomendam o deligar/ ligar por achar que isso encurta a vida útil delas enquantos outros não tem essa restrição.
A umidade pode ser um problema se o módulo for utilizado para resfriar perto de 0o. C, uma vez que o vapor presente no ar pode condensar, molhando a pastilha. 
A umidade dentro do módulo pode causar corrosão e resultar em um curto-circuito.Costuma-se utlizar isolantes de silicone ou epoxy nas bordas do módulo para evitar a umidade.
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.


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