UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
DISSIPADOR DE CALOR UTILIZANDO PASTILHAS TERMOELÉTRICAS
por
Gustavo Uhmann Hoss
Matheus Lopes da Silva
Maurício da Silva Viegas
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
[email protected]
Porto Alegre, Dezembro de 2009
ii
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao Laboratório de Energia Solar e ao Laboratório de Estudos Térmicos e
Aerodinâmicos pela concessão de uso de alguns de seus equipamentos, também a João Batista
pela atenção e ajuda disponibilizada para que o trabalho pudesse ser concluído.
Obrigado.
iii
RESUMO
O problema aqui apresentado é o de dissipar o calor gerado por uma resistência, que simula
um processador de computador, de forma mais eficiente possível, o presente trabalho não leva
em conta a energia gasta para efetuar tal tarefa. O problema a ser resolvido tem algumas diretrizes quanto à montagem do experimento, colocar a resistência em cima de um tijolo refratário e
na interface formada por esses dois elementos deve ser aplicada uma camada de pasta térmica.
A resolução sugerida neste trabalho utiliza o fenômeno da convecção forçada para efetuar a
troca desejada, este princípio troca diretamente o calor entre um sólido e um fluido. O sólido é
um dissipador, que é confeccionado em alumínio e fabricado pela Akasa, este dissipador é acompanhado de um ventilador axial e esse conjunto é o modelo AK-971T deste fabricante.
Para aumentar a troca térmica entre a resistência e o ar a solução aqui apresentada vale-se
do efeito Peltier, que através de uma diferença de potencial impõe uma diferença de temperatura,
este princípio é fisicamente executado por pastilhas termoelétricas que tem o seu “lado frio”
montado de forma a ficar em contato com a resistência e por conseqüência o seu “lado quente”
ficar sob a base do dissipador.
Para chegar à conclusão de que a montagem produziria a maior troca térmica é comparada
a configuração supracitada com algumas outras possibilidades de executar a mesma tarefa. As
configurações testadas se mostram menos capazes que a escolhida neste trabalho com uma exceção que é o modelamento onde se utiliza água em paralelo com convecção natural, mas esta configuração não foi utilizada, pois os testes foram feitos em condições que não conseguiriam ser
reproduzidas em regime permanente. Com o sistema escolhido e testado neste trabalho, chegamos a conclusão que a resistência atinge regime permanente em aproximadamente 85°C.
PALAVRAS-CHAVES: Dissipação de calor, pastilhas Peltier, termopar, sensor NTC, resfriamento de processador
iv
ABSTRACT
The problem presented here is to dissipate the heat generated by a resistor, which simulates
a computer processor, the most efficient way possible, this study does not take into account the
energy expended to perform this task. The problem to be solved has some guidelines about the
assembly of the experiment, put the resistance on top of a firebrick and the interface formed by
these two elements should be applied a layer of thermal grease.
The resolution proposed in this paper uses the phenomenon of forced convection to effect
the desired change, this principle directly exchange heat between a solid and a fluid. The solid is
the sink made of aluminum and manufactured by the Akasa, this sink is accompanied by an axial
fan and this set is the model AK-971T from this manufacturer.
To increase the heat exchange between the resistor and the air, the solution presented here
takes advantage of the Peltier effect, which through a potential difference imposes a temperature
difference, this principle is physically performed by thermoelectric tablet that has its “cold side”
is mounted so keep in touch with the resistance and consequently its "side hot" get under the base
of the sink.
To reach the conclusion that the assembly would produce the greatest heat transfer is compared to the above configuration with some other possibilities of performing the same task. The
tested configurations are less capable than the one chosen in this work an exception is the modeling which uses water along with natural convection, but this configuration was not used because
the tests were conducted under conditions that could not be reproduced on permanent state. With
the system chosen and tested in this study, we have realized that the resistance reaches the permanent state at approximately 85 ° C.
KEY WORDS: heat dissipation, tablet Peltier, thermocouple, NTC sensor, cooling of processor
v
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS .................................................................................................................... ii
RESUMO .......................................................................................................................................iii
ABSTRACT ................................................................................................................................... iv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .................................................................................... vi
1. INTRODUÇÃO........................................................................................................................... 1
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................................... 2
3. FUNDAMENTAÇÃO................................................................................................................. 2
3.1 – Carga Térmica do sistema ................................................................................................... 2
3.1.1 – Cálculo das condições do sistema e correlações........................................................... 2
3.1.2 – Cálculo da resistência das aletas. .................................................................................. 3
3.1.2.1 – Cálculo da resistência das aletas superiores. .......................................................... 4
3.1.2.2 – Cálculo da resistência das aletas laterais. ............................................................... 5
3.2 – Cálculo da temperatura na base do dissipador. ................................................................... 6
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS ................................................................................................. 6
4.1 Escolha dos Sensores ............................................................................................................. 6
4.2 Calibração dos Sensores......................................................................................................... 6
4.4 Seleção do dissipador ............................................................................................................. 7
4.5 Seleção das Pastilhas Peltier .................................................................................................. 8
4.6 Sistema de Refrigeração da Resistência................................................................................. 8
4.6.1 Configuração Pastilha Peltier + Dissipador + Ventilador Axial...................................... 9
4.6.2 Configuração Dissipador + Ventilador Axial .................................................................. 9
4.6.3 Configuração Dissipador em Convecção Natural ............................................................ 9
4.6.4 Configuração Dissipador + Refrigeração a Água .......................................................... 10
4.6.5 Sem Sistema de Refrigeração ........................................................................................ 11
4.7 Aquisição de Temperaturas Diretamente na Resistência ..................................................... 11
5. VALIDAÇÃO ........................................................................................................................... 11
5.1 Sistema de Aquisição de Dados ........................................................................................... 11
6. RESULTADOS ......................................................................................................................... 12
6.1 Configuração Pastilha Peltier + Dissipador + Ventilador Axial .......................................... 12
6.2 Configuração Dissipador + Ventilador Axial ...................................................................... 13
6.3 Configuração Dissipador em Convecção Natural ................................................................ 14
6.4 Configuração Dissipador + Refrigeração a Água ................................................................ 15
6.5 Sem Sistema de Refrigeração .............................................................................................. 16
6.6 Comparação das Configurações do Sistema de Refrigeração .............................................. 17
6.7 Aquisição de Temperaturas Diretamente na Resistência ..................................................... 18
6.7.1 Calibração da Resistência .............................................................................................. 18
7. CONCLUSÕES ......................................................................................................................... 19
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 20
ANEXO A ..................................................................................................................................... 22
ANEXO B ..................................................................................................................................... 26
vi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
Aa
Aal
Aas
Al
Ao
Asa
At
Ata
Atr
b
Cp
h
K
Kal
L
Lc
m
n
P
Pr
Qd
Qp
Qr
Rat
Ral
Ras
Re
Rta
t
Td
Tin
Tp
Tr
V
v
w
Xm
ηa
ηt
υ
µ
Área referente à secção transversal das aletas
Área da aleta
Área da aleta superior
Área transversal sem aleta
Área da secção transversal do ventilador axial
Área da superfície da aleta
Área total
Área transversal da aleta
Área da secção transversal da aleta
Largura do dissipador
Calor específico
Coeficiente convectivo
Condutividade térmica
Condutividade térmica do alumínio
Altura da aleta
Comprimento da aleta corrigido
Número de aletas
Perímetro da secção transversal da aleta
Número de Prandtl
Calor dissipado pelo dissipador
Calor gerado pelas pastilhas Peltier
Calor gerado pela resistência
Resistência térmica total imposta pelas aletas
Resistência equivalente das aletas laterais
Resistência equivalente das aletas superiores
Número de Reynolds
Resistência térmica equivalente do dissipador
Espessura da aleta
Temperatura na interface dissipador – Peltier
Temperatura do ar ambiente
Temperatura na interface resistência – Peltier
Temperatura na interface tijolo – resistência
Velocidade do ar
Taxa volumétrica de ar deslocado
Largura da aleta
Comprimento até o centro do dissipador
Rendimento da aleta
Rendimento do dissipador
Força viscosa
Viscosidade
[m²]
[m²]
[m²]
[m²]
[m²]
[m²]
[m²]
[m²]
[m²]
[m]
[kJ/kg*K]
[W/m²*K]
[W/m*°C]
[W/m*°C]
[m]
[m]
[√((h*P)/(Kal/Atr))]
[un]
[m]
[Cp*µ/K]
[W]
[W]
[W]
[W/m*°C]
[W/m*°C]
[W/m*°C]
[VL/ υ]
[W/°C]
[m]
[°C]
[°C]
[°C]
[°C]
[m/s]
[m³/s]
[m]
[m]
[%]
[%]
[m²/s]
[N*s/m²]
1
1. INTRODUÇÃO
O desenvolvimento de computadores cada vez mais potentes traz a necessidade de sistemas
de refrigeração de processadores mais eficientes para que seja possível aumentar a freqüência de
processamento.
Para realizarmos a simulação do aquecimento de um processador, foi construída uma resistência elétrica na forma de placa, tal resistência possui uma potência de 50W e foi projetada para
utilizar uma tensão de 127 V.
Com o intuito de dissipar o calor gerado pela resistência, utilizaram-se pastilhas termoelétricas que se valem do princípio de Peltier, para retirar calor da resistência e transferi-lo para o
dissipador, esse se encontra sobre um fluxo de ar forçado por um ventilador axial, para que se
consiga um maior coeficiente convectivo de transferência de calor.
O objetivo principal é retirar a maior quantidade de calor possível e só então, obtermos o
valor da temperatura da resistência em regime permanente. Para determinarmos tal temperatura
nos valemos de técnicas de medições térmicas que serão descritas no decorrer deste trabalho.
2
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Sabendo que “...os processadores modernos são constituídos de centenas de milhões de
transistores distribuídos em uma pequena área. Essa elevada concentração de transistores operando com velocidade elevada produz calor que precisa ser removido do dispositivo.” [Brito
Filho, 2007]. E que “...atualmente o desenvolvimento dos microcomputadores não encontra
como principal barreira a miniaturização dos seus componentes, e sim a dissipação de calor
gerado, que afetaria o desempenho dos seus componentes.” [Maidana et al., 2007].
Esse cenário gera a necessidade da utilização de novos métodos de dissipação de calor gerado, atualmente, em processadores comerciais utiliza-se basicamente aletas com convecção natural ou forçada. Aletas, ou superfícies estendidas, são mecanismos muito usados na engenharia
para aumentar a eficiência de trocas de calor, quer na absorção ou dissipação. “Exemplos de aplicação de aletas são fáceis de encontrar. São exemplos os dispositivos para resfriar o cabeçote
de motores de motocicletas e de cortadores de grama, ou para resfriar transformadores de potência elétrica.” [Incropera et al., 2008].
Nesse trabalho houve como diferencial a utilização de pastilhas termoelétricas que “...são
pequenos dispositivos que operam através do efeito Peltier. Quando uma corrente elétrica é imposta em dois fios elétricos de materiais diferentes, unidas em duas pontas, uma diferença de
temperatura aparece entre as suas junções.” [Maidana et al., 2007] para a dissipação de calor
gerado.
3. FUNDAMENTAÇÃO
O modelo matemático apresentado é válido para regime permanente apesar das simplificações impostas para possibilitar a solução do problema.
3.1 – Carga térmica do sistema
O sistema é formado por uma resistência elétrica, quatro pastilhas Peltier, um dissipador
aletado de alumínio com um ventilador axial e um tijolo refratário.
Considerações para realização dos cálculos:
•
A resistência só troca calor com as pastilhas Peltier
•
As pastilhas Peltier só trocam calor com o dissipador e com a resistência
•
Foram efetuadas algumas simplificações para a execução dos cálculos das trocas térmicas
Qd=Qp+Qr
(1)
Onde, Qd é o calor dissipado pelo dissipador, Qp é o calor gerado pela Peltier e Qr é o calor gerado pela resistência elétrica.
3.1.1 – Cálculo das condições do sistema e correlações.
Pode-se modelar o calor dissipado pelo dissipador através de:
Qd=(Td-Tinf)/Rta
(2)
Onde, Td é a temperatura na interface Peltier – dissipador, dada em (°C), Tinf é a temperatura do meio ambiente no instante do experimento, em (°C) e Rta é a resistência térmica equivalente do dissipador, dada em (W/m.°C).
3
A temperatura do meio ambiente foi medida através de um sensor NTC 2k7, o qual foi
devidamente calibrado e sua curva de calibração encontra-se no Gráfico 4.1.
Tendo em mãos a temperatura ambiente, foi possível obter as propriedades do ar através da
Tabela A.4 do Incropera et al. (2008).
ν = 15,89 × 10 −6
Pr = 0,707
k = 26,3 × 10 −3
Sendo que ν é a força viscosa dada em (m²/s), Pr é o número de Prandtl (adimensional) e
k é condutividade térmica dada em (W/m.°C).
Para encontrarmos o Reynolds, foi feito uma média do comprimento das aletas pelas qual o
fluído (ar) se desloca.
Xm =
X
2
Xm =
0,09
2
Xm = 0,045
Esta distância Xm é dada em (m).
Re =
VXm
Re =
ν
11,844 × 0,045
15,89 × 10 −6
Re = 33543.719
(3)
Onde Re é o número de Reynolds (adimensional), V é a velocidade do escoamento gerado
pelo ventilador axial, ordem de grandeza em (m/s) este dado foi fornecido pelo fabricante do
conjunto.
Tendo calculado o valor de Re podemos calcular o valor de Nu, pela correlação 7.36 do
Incropera et al. (2008).
Nu = 0,0296 Re
4
5
Pr
1
Nu = 0,0296 × 33543,719
3
4
5
× 0,707
1
3
(4)
Nu = 110,049
Nu =
hX
K
h=
NuK
X
h=
110,049 × 26,3 × 10 −3
0,09
h = 32,158
(5)
Sendo que h é o coeficiente convectivo (W/m².K), X é o comprimento total da base do
dissipador (m) e Nu é o número de Nusselt (adimensional).
3.1.2 – Cálculo da resistência das aletas.
Devido à geometria das aletas em análise serem complexas, foi necessário realizar algumas
simplificações na geometria da mesma, tal simplificação está representada na Figura 3.1 abaixo.
4
Figura 3.1 - Esboço do dissipador simplificado
3.1.2.1 – Cálculo da resistência das aletas superiores.
Devido à geometria das aletas, utilizou-se o equacionamento descrito na tabela 3.5 de Incropera et al. (2008).
Aas = 2 wLc
Aas = 2 × 0,09 × 0,024
Lc = L + ( t )
2
Lc = 0,0235 + (0,001 )
2
P = (2 w) + (2t )
P = (2 × 0,09) + (2 × 0,001)
Aas = 0,00432
(6)
Lc = 0,024
(7)
P = 0,182
(8)
Sendo, Aas a área das aletas superiores dada em (m²), w é a largura das aletas dada em
(m), Lc o comprimento corrigido da aleta em (m), L a altura equivalente das aletas (m), t a espessura de cada aleta (m), P é o perímetro da secção transversal da aleta (m).
Para o dissipador de alumínio as propriedades foram retiradas da Tabela A.1 do Incropera
et al. (2008).
Kal = 273
Atr = tw
m=
hP
KalAtr
Atr = 0,001 × 0,09
m=
Atr = 0,00009
(9)
m = 16,565
(10)
32,158 × 0,182
273 × 0,00009
n = 27
Asa = w 2 − (n(tw)
Asa = 0,09 2 − (27 × (0,001 × 0,09)
Asa = 0,00567
(11)
At = Asa + Aasn
At = 0,00567 + (0,00432 × 27 )
At = 0,1223
(12)
5
Onde, Kal é a condutividade térmica das aletas de alumínio em (W/m.°C), Atr é a área da
secção transversal da aleta (m²), n é o número de aletas (unidades), Asa é a área da superfície
da aleta em (m²) e At é a área total pela qual ocorre convecção, expressa em (m²).
ηa =
tanh (mLc )
mLc
ηa =
 nAas 
(1 − ηa )
 At 
ηt = 1 − 
Rals =
1
ηthAt
Rals =
tanh (16,565 × 0,024 )
16,565 × 0,024
ηa = 0,9504
 27 × 0,00432 
 × (1 − 0,9504)
 0,1223 
ηt = 1 − 
1
0,9527 × 32,158 × 0,1234
ηa = 95,04
(13)
ηt = 0,9527
Rals = 0,2668
(14)
(15)
Sendo, ηa o rendimento da aleta (%), ηt o rendimento total do dissipador e Rals a resistência equivalente das aletas superiores em (W/m.°C).
3.1.2.2 – Cálculo da resistência das aletas laterais.
Utilizando as fórmulas (6), (7), (11) e (12) pode-se calcular a resistência lateral das aletas.
Aas = 2 wLc
Aas = 2 × 0,09 × 0,0305
Aas = 0,00549
Lc = 0,03 + (0,001 )
2
Lc = L + ( t )
2
Lc = 0,0305
n = 18
Asa = w 2 − (n(tw)
Asa = 0,09 2 − (18 × (0,001 × 0,09)
At = 0,00648 + (0,00549 × 18)
At = Asa + Aasn
Asa = 0,00648
At = 0,1053
Como o valor encontrado nas equações (8), (9) e (10) não se alteram, eles foram utilizados
sem ser recalculado nas equações abaixo.
ηa =
tanh (mLc )
mLc
 nAas 
(1 − ηa )
 At 
ηt = 1 − 
Rall =
1
ηthAt
ηa =
tanh (16,565 × 0,0305)
16,565 × 0,0305
ηa = 0,9227
 18 × 0,00549 
 × (1 − 0,9227)
 0,1053 
ηt = 1 − 
Rall =
1
0,9275 × 32,158 × 0,1053
ηa = 92,27
ηt = 0,9275
Rall = 0,3183
Onde, Rall é a resistência equivalente das aletas laterais expressa em (W/m.°C).
6
1
1
1
=
+
Rta Rall Rals
Rta =
RallRals
Rall + Rals
Rta =
0,3183 × 0,2668
0,3183 + 0,2668
Rta = 0,1451
Sabemos que a resistência possui uma potência Qr = 50 e de que cada pastilha Peltier gera
uma potência 60W e como possuímos um sistema com quatro pastilhas Peltier, logo
Qp = 4 × 60 Qp = 240 .
Temos:
Qd = 50 + 240
Qd = Qr + Qp
Qd = 290
Sendo, Qd o calor dissipado pelo dissipador, Qr o calor gerado pelas resistências e Qp o
calor gerado pelas pastilhas Peltier, dados em (W ).
3.2 – Cálculo da temperatura na base do dissipador.
Qd =
(Td − T inf)
Rta
Td = (QdRta ) + T inf
Td = (290 × 0,1451) + 22,53
Td = 64,60
Onde, Td é a temperatura na interface entre lado quente das pastilhas Peltier e a base do
dissipador, expresso em (°C).
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS
Para o sucesso do experimento, esse foi dividido em etapas para uma melhor eficiência do
processo de execução. Estas etapas estão descritas detalhadamente a seguir.
4.1 Escolha dos Sensores
Primeiramente foram escolhidos os sensores a serem usados no experimento em questão.
Esta escolha levou em consideração o custo/beneficio dos sensores. Após avaliação de diversos
modelos disponibilizados no mercado foram selecionados os seguintes sensores:
• Termopar tipo K para medir as temperaturas e
• NTC 2k7 para medição da temperatura da junta fria dos termopares.
4.2 Calibração dos Sensores
Para o uso do NTC 2k7 como sensor de temperatura se faz necessário sua calibração. Esta
calibração foi executada através de um banho térmico da marca Lauda. Os dados adquiridos nessa calibração são mostrados na Tabela B.1.
Com a Tabela B.1 originou-se a curva de calibração do sensor NTC 2k7 mostrada no Gráfico 4.1 abaixo.
7
Resistência (Ω)
-0,0399x
y = 8791e
6000
2
R = 0,9978
5000
4000
3000
NTC 2K7 (Ω)
2000
Expon. (NTC 2K7 (Ω))
1000
0
0
20
40
60
80
Temperatura (°C)
Gráfico 4.1 - Curva de calibração sensor NTC 2k7.
Nesse gráfico foi definida a linha de tendência dos pontos adquiridos, para a definição da
temperatura para qualquer valor de resistência.
4.4 Seleção do dissipador
O desenvolvimento de um dissipador especial para o experimento se tornou dispensável,
pois é oferecido no mercado uma infinidade de opções de dissipadores. Desses foi selecionado o
dissipador da marca Akasa modelo AK-971T pelo desenho otimizado de suas aletas e por suas
dimensões que são oportunas pela dimensão da resistência. O dissipador esta mostrado na Figura
4.1 abaixo.
Figura 4.1 - Dissipador Akasa modelo AK-971T (fonte: Akasa)
Como única adaptação, foi necessária a remoção da base para o socket Intel BTX. Esta operação foi feita utilizando uma serra manual e após se fez um processo de lixamento e o resultado esta mostrado na Figura 4.2 abaixo.
8
Figura 4.2 - Foto retirada após a retirada da base original.
Suas especificações estão mostradas abaixo na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 - Especificação do dissipador (fonte: Akasa)
Socket
INTEL BTX (Type 1) Mainstream
Dimensão dissipador
85 x 74 x 117mm
Material dissipador
AL-6063-T5
Dimensão
92 x 92 x 38mm
Velocidade
650 - 3500 R.P.M.
Fluxo de ar
13.31 - 77.63 CFM
Pressão
0.24 - 8.05mm H20
Vida útil
50000/hrs
Mancal
Two Ball Bearing
Voltagem
12V
Ruído
17 - 44.8 dB(A)
Código
AK-971T
4.5 Seleção das Pastilhas Peltier
Foi visto que a aquisição de uma pastilha Peltier de dimensões 8x8 cm no mercado se tornará extremamente complexa por dois motivos. O primeiro é a dificuldade de encontrar um fabricante de pastilhas para a fabricação específica deste tamanho de pastilha; o segundo problema
encontrado é a dificuldade de se adquirir uma fonte que forneça a potência requerida por uma
pastilha desta dimensão. Como melhor custo/beneficio foi adquirido quatro pastilhas de dimensão 4x4 cm. Para cada uma dessas pastilhas foi adquirida uma fonte de 300 Watts de potência em
12 Volts.
4.6 Sistema de Refrigeração da Resistência
O conceito inicial do protótipo de refrigeração da resistência está demonstrado abaixo na
Figura 4.3.
9
Figura 4.3 - À esquerda visão isométrica do conceito inicial de protótipo, a direita vista frontal.
Onde, 1 é o ventilador axial, 2 é o dissipador de alumínio, 3 são as pastilhas Peltier, 4 é a
resistência e 5 o tijolo refratário (base isolante).
A montagem do protótipo está demonstrada no Anexo A.
Para analisarmos o desempenho do protótipo foram adquiridos dados através de várias configurações do conceito inicial. Estas configurações são descritas a seguir.
4.6.1 Configuração Pastilha Peltier + Dissipador + Ventilador Axial
Esta é a configuração do protótipo representado na Figura 4.2. Neste experimento os termopares foram localizados no centro da resistência nas interfaces tijolo-resistência, resistênciapastilha Peltier e pastilha Peltier-dissipador. Para sabermos a temperatura ambiente foi utilizado
um sensor do tipo NTC 2k7 localizado na junta fria dos termopares.
4.6.2 Configuração Dissipador + Ventilador Axial
Esta configuração será de aletas em convecção forçada, onde apenas são removidas do sistema da Figura 4.2 as pastilhas Peltier. Os termopares foram localizados no centro da resistência
nas interfaces tijolo-resistência e resistência-dissipador. Para sabermos a temperatura ambiente
foi utilizado um sensor do tipo NTC 2k7 localizado na junta fria dos termopares.
4.6.3 Configuração Dissipador em Convecção Natural
Esta configuração esta demonstrada na Figura 4.4 abaixo.
10
Figura 4.4 – Configuração dissipador em convecção natural.
Onde, 1 é o dissipador de alumínio, 2 é a resistência e 3 o tijolo refratário (base isolante).
O termopar foi localizado no centro da resistência na interface tijolo-resistência. Para sabermos a temperatura ambiente foi utilizado um sensor do tipo NTC 2k7 localizado na junta fria
do termopar.
4.6.4 Configuração Dissipador + Refrigeração a Água
Foi utilizada a configuração demonstrada na Figura 4.3. O termopar foi localizado no centro da resistência na interface tijolo-resistência. Para sabermos a temperatura ambiente foi utilizado um sensor do tipo NTC 2k7 localizado na junta fria do termopar. O fluxo de água passa
através do orifício localizado no centro do dissipador de alumínio, isto é feito através de uma
mangueira ligada ao sistema de água pública. A montagem desse sistema pode ser observada na
Figura 4.5 abaixo.
Figura 4.5 - Imagem do sistema montado.
11
4.6.5 Sem Sistema de Refrigeração
Foi executado um teste sem sistema de refrigeração para observarmos a evolução da temperatura do elemento dissipativo. Os termopares foram localizados no centro da resistência nas
interfaces tijolo-resistência e resistência-ar ambiente. Para sabermos a temperatura ambiente foi
utilizado um sensor do tipo NTC 2k7 localizado na junta fria dos termopares.
Também foi utilizado o princípio da troca radioativa para obter a distribuição de temperaturas na resistência, isso foi feito utilizando um termógrafo da marca Thermocom.
4.7 Aquisição de Temperaturas Diretamente na Resistência
Foi detectado que qualquer sensor por fora da resistência nuca teria a temperatura interna
real da resistência, isso só seria possível com a colocação de um sensor dentro da própria resistência. Este procedimento apenas é possível usando o próprio elemento dissipativo como sensor,
já que a própria resistência nada mais é que uma resistência elétrica. Para isso se fez necessário a
calibração da resistência.
Após é deixada a resistência aquecer e através de um sistema de aquisição HP-34970A
foram retirados os dados da variação da resistência. Com a finalidade de aquisição dos dados a
resistência deve ser desconectada da rede elétrica pelo menor tempo possível.
5. VALIDAÇÃO
Os componentes do sistema foram testados previamente antes da montagem, este teste nos
garantiu que todos os equipamentos estavam em perfeito funcionamento. As pastilhas Peltier
foram testadas com o auxílio de termopares e uma fonte de tensão, o restante do sistema foi testado com o uso de um multímetro da seguinte marca e modelo, MINIPA ET-1002.
Observando que os equipamentos estão em perfeito funcionamento individualmente podemos concluir que o sistema funcionará da forma prevista em projeto, mesmo quando um equipamento interagir com outro.
As medições efetuadas a fim de caracterizar o experimento em questão têm as seguintes incertezas:
• incerteza total devida ao uso do termopar tipo k igual a ± 2,25°C,
• incerteza total devida ao uso do NTC 2k7 igual a ± 0,7% e
• incerteza devido ao uso do próprio elemento dissipativo como sensor de temperatura é de
± 1,72°C.
As medidas de vazão da rede hidráulica foram feitas na saída de água do experimento com
a utilização de um balde (graduado) com o volume definido e também de um cronômetro. Esta
medida tem uma grande incerteza associada, mas como essa tem o objetivo de apenas padronizar
os experimentos não nos deteremos a executá-la com maior precisão.
5.1 Sistema de Aquisição de Dados
Um datalogger HP 34970A representado na Figura 5.1 foi utilizado para aquisição de
dados e conectado a um computador via RS 232.
12
Figura 5.1 - Equipamento de aquisição de dados junto com a placa multiplexadora
6. RESULTADOS
Demonstraram-se os resultados adquiridos em cada um dos experimentos executados.
6.1 Configuração Pastilha Peltier + Dissipador + Ventilador Axial
Com esta configuração do sistema de refrigeração foram adquiridos dados de temperatura
nas interfaces tijolo-resistência, resistência-pastilha Peltier e pastilha Peltier-dissipador. Estes
dados combinados com a temperatura adquirida através do sensor NTC 2k7, foram necessários
para a definição das temperaturas percebidas pelos termopares. Estes resultados estão demonstrados na Tabela B.2 que gerou os Gráficos 6.1, 6.2 e 6.3 abaixo. O sensor NTC 2k7 determinou
a temperatura ambiente no dia do experimento igual 23,3°C.
120
100
y = 15,96Ln(x) - 14,944
2
Temperatura (°C)
R = 0,9833
80
60
Série1
Log. (Série1)
40
20
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Tempo (s)
Gráfico 6.1 - Temperatura na interface tijolo e resistência (°C).
13
60
y = 5,8201Ln(x) + 10,371
50
2
Temperatura (°C)
R = 0,8566
40
30
Série1
Log. (Série1)
20
10
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Tempo (s)
Gráfico 6.2 - Temperatura na interface resistência e lado frio pastilhas Peltier.
70
y = 2,4726Ln(x) + 45,772
2
60
R = 0,6141
Temperatura (°C)
50
40
Série1
30
Log. (Série1)
20
10
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Tempo (s)
Gráfico 6.3 - Temperatura na interface resistência e dissipador.
Em cada um deles foi definida a linha de tendência dos pontos adquiridos, para extrapolação da temperatura.
6.2 Configuração Dissipador + Ventilador Axial
Com esta configuração do sistema de refrigeração foram adquiridos dados de temperatura
nas interfaces tijolo-resistência e resistência-dissipador. Estes dados combinados com a temperatura adquirida através do sensor NTC 2k7, foram necessários para a definição das temperaturas
percebidas pelos termopares. Estas temperaturas podem ser conferidas na Tabela B.3. Esta tabela
originou os Gráficos 6.4 e 6.5 abaixo, em cada um deles foi defina a linha de tendência dos pontos adquiridos. A temperatura ambiente medida no dia do ensaio pelo sensor NTC 2k7 foi de
29,5°C.
14
y = 20,616Ln(x) - 30,006
120
2
R = 0,9913
Temperatura (°C)
100
80
60
Log. (Série1)
40
20
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
Temperatura (°C)
Gráfico 6.4 - Temperatura na interface resistência-tijolo com convecção forçada.
50
y = 3,1551Ln(x) + 23,04
45
40
R = 0,8898
2
35
30
25
Log. (Série1)
20
15
10
5
0
0
500
1000
1500
Tempo (s)
Gráfico 6.5 - Temperatura na interface resistência-dissipador com convecção forçada.
A linha de tendência obtida em cada um dos gráficos tem a finalidade de extrapolar as
temperaturas.
6.3 Configuração Dissipador em Convecção Natural
Com esta configuração do sistema de refrigeração foram adquiridos dados de temperatura na
interface tijolo-resistência. Estes dados combinados com a temperatura adquirida através do sensor NTC 2k7, foram necessários para a definição das temperaturas percebidas pelo termopar.
Estas temperaturas podem ser conferidas na Tabela B.4, que foi utilizada para originar o Gráfico
6.6 abaixo. A temperatura ambiente medida no dia do ensaio pelo sensor NTC 2k7 foi de 27,3°C.
15
120
y = 21,429Ln(x) - 43,174
2
R = 0,9977
Temperatura (°C)
100
80
60
Log. (Série1)
40
20
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Tempo (s)
Gráfico 6.6 - Temperaturas na interface tijolo - resistência.
Neste gráfico foi definida a linha de tendência dos pontos adquiridos, que serve para extrapolar as temperaturas.
6.4 Configuração Dissipador + Refrigeração a Água
Com esta configuração do sistema de refrigeração foram adquiridos dados de temperatura na interface tijolo-resistência. Estes dados combinados com a temperatura adquirida através do sensor NTC 2k7, foram necessários para a definição das temperaturas percebidas pelo
termopar. Estas temperaturas podem conferidas na Tabela B.5, que originou o Gráfico 6.7 a seguir. O sensor NTC 2k7 determinou a temperatura ambiente no dia do experimento igual 27,3°C.
A vazão de água que passa pelo dissipador é de 0,085 l/s.
100
y = 15,042Ln(x) - 8,7349
90
R = 0,9636
2
Temperatura (°C)
80
70
60
50
Série1
40
Log. (Série1)
30
20
10
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Tempo (s)
Gráfico 6.7 - Temperatura na interface resistência - tijolo.
Foi definida a linha de tendência dos pontos adquiridos no gráfico, para extrapolação da
temperatura.
16
6.5 Sem Sistema de Refrigeração
Com esta configuração do sistema de refrigeração foram adquiridos dados de temperatura
nas interfaces tijolo-resistência e na face superior da resistência. Esses dados combinados com a
temperatura adquirida através do sensor NTC 2k7, foram necessários para a definição das temperaturas percebidas pelos termopares. Estas temperaturas podem ser conferidas na Tabela B.6,
com esta foram obtidos os Gráficos 6.8 e 6.9. O sensor NTC 2k7 determinou a temperatura ambiente no dia do experimento igual 27,9°C.
140
y = 42,58Ln(x) - 115,48
Temperatura (°C)
120
2
R = 0,9824
100
80
60
Log. (Série1)
40
20
0
0
100
200
300
Tempo (s)
Gráfico 6.8 - Temperatura na interface tijolo – resistência.
140
y = 40,29Ln(x) - 101,43
120
2
R = 0,9956
Temperatura (°C)
100
80
60
Log. (Série1)
40
20
0
0
100
200
300
Tempo (s)
Gráfico 6.9 - Temperatura na interface resistência - ar ambiente.
Em cada um dos gráficos anteriores foi definida a linha de tendência dos pontos adquiridos.
Com esta linha de tendência foi extrapolada a temperatura para 930 segundos, a qual seria de
aproximadamente 173,9°C.
Através da termografia pode-se observar que a resistência não tem a temperatura perfeitamente uniforme. Um das imagens da termografia pode ser observada na Figura 6.1
17
Figura 6.1 - Termografia do elemento dissipativo.
Pode-se observar acima o gradiente de temperatura, este gradiente já era esperado pela desuniformidade da resistência no interior do acabamento metálico.
6.6 Comparação das Configurações do Sistema de Refrigeração
Para comparar as configurações estudadas foi construída a Tabela B.7, onde as temperaturas são referentes ao tempo de 930 segundos na localização do termopar da interface tijoloresistência. Com essa tabela gerou-se o Gráfico 6.10 que é mostrado abaixo.
Temperatura (°C)
173,9
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
103,38
108,2
92,3
89,3
Dissipação com Dissipação por
água
convecção livre
Dissipação
convecção
forçada
Dissipação
peltier e
convecção
forçada
Somente a
resistência sem
dissipadores
Figura 6.2 - Comparação entre os modelos.
Na Figura 6.2 se confere a melhor eficiência da configuração dissipador com refrigeração à
água e após a da configuração pastilha Peltier + dissipador + ventilador axial.
Como a diferença é pequena e a água usada no teste foi diretamente retirada da rede de água pública, ou seja, temperatura inferior a temperatura ambiente. Foi então planejada a montagem de um radiador e assim criar um sistema de refrigeração, mas isso faria com que a água do
sistema ficasse acima da temperatura ambiente. O que reduziria sua eficiência de dissipação de
calor comparado protótipo inicialmente idealizado (configuração pastilha Peltier + dissipador +
ventilador axial).
18
6.7 Aquisição de Temperaturas Diretamente na Resistência
Para executarmos os testes de resistência no elemento dissipativo, temos que primeiramente calibra-lo.
6.7.1 Calibração da Resistência
Resistência (kΩ)
Esta calibração foi executada através de um banho térmico da marca Lauda. Os dados adquiridos estão demonstrados na Tabela B.8. Essa tabela originou o Gráfico 6.11, onde foi definida a linha de tendência dos pontos adquiridos. Esse gráfico está demonstrado abaixo.
324,6
324,4
324,2
324
323,8
y = -0,0131x + 324,48
2
R = 0,9922
Resistência (kΩ)
323,6
323,4
323,2
323
Linear (Resistência
(kΩ))
0
50
100
150
Temperatura (°C)
Gráfico 6.11 - Calibração da resistência (elemento dissipativo).
Com a calibração efetuada na resistência podemos aferir a temperatura de operação do elemento dissipativo. Os dados adquiridos com o sistema de aquisição HP-34970A estão apresentados no Gráfico 6.12 abaixo.
70
Temperatura (°C)
60
50
y = 4,2345Ln(x) + 45,906
40
R = 0,8271
2
30
20
temperatura (°C)
10
0
0
5
10
15
20
25
30
Tempo (m)
Gráfico 6.12 - Temperatura da resistência em relação ao tempo de ensaio.
Extrapolando a linha de tendência obtida com os pontos acima demonstrados para o tempo
de 10 dias, onde pode ser considerado regime permanente, temos a temperatura de aproximadamente 85°C.
19
7. CONCLUSÕES
O objetivo principal deste trabalho foi encontrar uma das melhores maneiras para se retirar
calor do elemento dissipativo em regime permanente, para isso, foram desenvolvidos cinco modelos de dissipação de calor e escolhido o que nos demonstrou ser o mais eficiente.
Percebe-se que o problema apresentado foi solucionado com uma aceitável coerência entre
os cálculos e os dados adquiridos experimentalmente, também chegamos a conclusão que as medições realizadas para a execução deste experimento tem a confiabilidade exigida pelo problema.
Um importante ponto a ser citado é o método pelo qual foi medida a temperatura da resistência, o qual utilizou a mesma como um sensor térmico.
No modelo de cálculo foi considerado que a resistência estava totalmente isolada a menos
da face que está em contato com o dissipador, por este motivo foi considerado que o calor gerado
pela resistência e pelas pastilhas Peltier são extraídos pelo dissipador e por isso o fluxo é de
290W.
A temperatura de regime da resistência é de aproximadamente 85°C que foi obtida através
da extrapolação da curva que aproxima os pontos obtidos experimentalmente.
Deve ser feita a observação de que o objetivo acadêmico do trabalho, o qual é efetuar a instrumentação correta de um problema de engenharia, foi atingido com sucesso.
Uma futura melhoria prevista para o sistema, seria a utilização do modelo já escolhido pelo
grupo, porém acrescentado um sistema de refrigeração do elemento dissipador pela passagem de
um liquido refrigerante em ciclo fechado para então obtermos dissipação de calor através da condução pelo liquido e da convecção forçada pelo ar.
20
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BRITO FILHO, J. P., 2007. “Análise da Dissipação de Calor em Microcomputadores”,
8º Congreso Iberoamericano de Ingenieria Mecanica, Cusco.
MAIDANA, C. F., et al. 2007. “Bancada para Medida de Eficácia Térmica de Pastilhas
de Efeito Peltier”, Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas, Porto Alegre.
INCROPERA, F. P., DEWITT, D., BERGMAN, T., LAVINE, A., 2008, “Fundamentos
de Transferência de Calor e Massa”, 6ª ed., Ed. LTC, Rio de Janeiro.
www.akasa.com.br, 01 de dezembro de 2009.
www.efeitopeltier.com.br, 01 de dezembro de 2009.
21
1
Qualidade do
Relatório
Fundamentação
Instrumentação
Resultados
e
conclusões
Incertezas
Criatividade
2
3
4
5
6
7
8
9
10
22
ANEXO A
A montagem do protótipo inicial foi executada seguindo os seguintes passos:
1. Instalação do sensor termopar tipo k em cima do tijolo. Para isso, foi necessária a abertura
de um pequeno vinco para seu acomodamento e após o depósito de pasta térmica da marca
Implastec para assegurar o contanto térmico entre o tijolo, sensor e a resistência. Este passo é mostrado na Figura A.1 abaixo.
Figura A.1 - Instalação do sensor termopar tipo k no tijolo.
2. Alocação do sensor termopar tipo k em cima da resistência. Para isso, foi necessária a diminuição da espessura dos fios e da junta do termopar e após o deposito de pasta para assegurar o contanto entre a resistência, o sensor e as pastilhas Peltier. Este passo é mostrado
nas Figuras A.2 e A.3 abaixo.
Figura A.2 - Termopar com espessura diminuída.
23
Figura A.3 - Termopar e pastilhas Peltier instaladas.
3. Colocação do sensor termopar tipo k em cima das pastilhas Peltier. Para isso, foi necessária a abertura de um pequeno vinco no dissipador de alumínio para seu acomodamento e
após o deposito de pasta térmica, para assegurar o contanto entre as pastilhas Peltier, o
sensor e o dissipador. Este passo é mostrado na Figura A.4 e A.5 abaixo.
Figura A.4 - Dissipador e pastilhas Peltier com pasta térmica.
24
Figura A.5 - Instalação do sensor no vinco criado.
4. Finalizou-se a montagem do sistema de refrigeração instalando o ventilador axial sobre o
conjunto montado e também se fazendo as conecções elétrica com as fontes de 12 Volts. O
protótipo finalizado esta mostrado na Figura A.6 e A.7 abaixo.
Figura A.6 - Visão frontal do protótipo.
25
Figura A.7 - Visão posterior do protótipo.
26
ANEXO B
Este anexo contém tabelas com dados usados para gerar gráficos ao longo do trabalho.
Tabela B.1 - Calibragem do sensor NTC 2k7.
NTC 2K7 (KΩ) Resistência (Ω) NTC 2K7 (Ω)
5,42
320
5420
5,13
320
5130
4,87
319
4870
4,5
320
4500
3,91
319
3910
3,49
319
3490
3,16
318
3160
2,9
318
2900
2,58
318
2580
2,27
318
2270
1,86
319
1860
1,2
321
1200
0,86
319
860
0,662
317
662
0,524
318
524
Tempo
(s)
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
390
420
450
480
510
540
570
600
630
Tabela B.2 - Dissipação utilizando pastilhas Peltier e ventilador axial.
Temperatura na interface
Temperatura na interface
Temperatura na interface
Resistência – P. Peltier
P. Peltier - Dissipador
Tijolo - Resistência (°C)
(°C)
(°C)
23,3
23,3
23,3
38,3
23,3
23,3
46,3
23,3
48,3
56,3
31,3
53,3
61,3
36,3
58,3
63,3
41,3
58,3
68,3
41,3
61,3
70,3
43,3
61,3
74,3
43,3
61,3
75,3
43,3
61,3
78,3
46,3
61,3
80,3
46,3
61,3
80,3
46,3
61,3
82,3
46,3
61,3
82,3
46,3
61,3
85,3
46,3
61,3
85,3
46,3
61,3
87,3
46,3
61,3
87,3
46,3
61,3
87,3
48,3
61,3
87,3
48,3
61,3
89,3
48,3
61,3
27
660
690
720
750
780
810
840
870
900
930
960
990
1020
89,3
89,3
89,3
89,3
89,3
92,3
92,3
92,3
92,3
92,3
92,3
92,3
92,3
48,3
48,3
48,3
48,3
48,3
48,3
48,3
48,3
48,3
48,3
48,3
48,3
48,3
61,3
61,3
61,3
61,3
61,3
61,3
61,3
61,3
63,3
63,3
61,3
61,3
61,3
Tabela B.3- Dissipação com ventilador axial
Temperatura na interface
Temperatura na interface
Tempo (s) Tijolo - Resistência (°C) Resistência - Dissipador (°C)
0
29,5
29,5
30
37,5
32,5
60
52,5
34,5
90
62
37,5
120
69,5
39,5
150
74,5
39,5
180
79,5
39,5
210
79,5
39,5
240
84
39,5
270
86,5
42,5
300
88,5
42,5
330
91,5
42,5
360
93,5
42,5
390
93,5
42,5
420
96,5
42,5
450
96,5
42,5
480
98,5
42,5
510
98,5
42,5
540
98,5
42,5
570
100,5
42,5
600
100,5
42,5
675
103,5
42,5
800
105,5
42,5
980
108,2
44,5
Tabela B.4- Dissipação com convecção livre.
Temperatura na interface
Tempo (s) Tijolo - Resistência (°C)
0
27,38
60
44,884
90
52,384
28
120
150
180
210
240
270
300
330
360
390
420
450
480
510
540
570
600
660
737
825
930
1020
59,984
64,784
66,884
72,384
74,884
77,384
79,384
81,884
81,884
84,384
86,384
86,384
89,384
89,384
91,384
91,384
93,884
96,384
98,384
101,384
103,384
106,384
Tabela B.5 - Dissipação através de uma vazão de água de 0,0857 l/s.
Temperatura na interface
Tempo (s) Tijolo - Resistência (°C)
0
27,384
30
37,384
60
50,384
120
64,784
150
66,884
180
72,384
210
74,884
240
77,384
270
77,384
300
79,384
330
79,384
360
81,384
420
81,384
450
84,384
480
84,384
510
84,384
540
84,384
570
86,384
600
86,384
810
89,384
970
89,384
29
Tempo (s)
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
Tabela B.6 - Temperatura da Resistência.
Temperatura na interface
Temperatura na interface
Tijolo - Resistência (°C) Resistência - Ar ambiente (°C)
27,9
27,9
35,91
37,91
55,91
60,91
69,91
76,91
84,91
91,91
96,91
101,91
103,91
108,91
113,91
115,91
121,91
118,91
125,91
122,91
Tabela B.7 - Comparação entre todas as configurações.
Tipos de dissipação
Temperatura (°C)
Dissipação com água
89,3
Dissipação por convecção livre
103,38
Dissipação convecção forçada
108,2
Dissipação Peltier e convecção forçada
92,3
Somente a resistência sem dissipadores
173,9
Tabela B.8 - Calibração da resistência (elemento dissipativo).
Temperatura (°C)
Resistência (kΩ)
4
324,38
5,2
324,37
8,2
324,36
10,9
324,34
12,8
324,32
15,4
324,3
20,9
324,26
24,9
324,2
28,7
324,14
32,1
324,05
35,9
323,99
43,1
323,9
50,2
323,8
53,9
323,78
57,4
323,72
60,1
323,67
65,1
323,63
70,7
323,6
75,1
323,56
80,4
323,47
85,3
323,35
90,3
323,23
96,7
323,19
30