UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
SISTEMA DE DISSIPAÇÃO DE CALOR EM UMA RESISTÊNCIA ELÉTRICA
ATRAVÉS DE MÓDULO PELTIER
por
Carlos Renê Antunes Dutra
Cláudia Bagnara
Rafaela Brittes Dill
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
[email protected]
Porto Alegre, Dezembro 2009
RESUMO
O presente trabalho tem por objetivo apresentar uma forma eficiente de reduzir o
calor dissipado em uma resistência elétrica. Para tanto, utiliza-se um módulo de efeito
peltier a fim de retirar o calor da resistência e acoplado a este, ligados em série um
cooler e um dissipador aletado. Para validar este experimento, faz-se medições de
temperaturas na região central da resistência e no centro do módulo peltier. Este
experimento tem por objetivo apresentar a capacidade de refrigeração do sistema
proposto.
Palavra-chave: peltier, resistência, dissipação.
ABSTRACT
This paper aims to present an efficient way to reduce the heat dissipated in an electrical
resistance. Therefore, use a Peltier effect module to remove the heat resistance and
coupled to it, connected in series a cooler and a sink fins. To validate this experiment, it
is measurements of temperatures in the central region of the resistance and the center of
the peltier module. This experiment is intended to provide the cooling capacity of the
proposed system.
Keyword: Peltier, resistance, dissipation
LISTA DE SÍMBOLOS
q”
q
K
Tresistência
Tinterface
∆x
A
fluxo de calor, W/m2.
calor dissipado, W
condutividade térmica, W/m.K
Temperatura da resistência elétrica, °C
Temperatura da interface entre a resistência elétrica e a célula peltier, °C
espessura da resistência elétrica, m
área da célula peltirer, m2
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 1
2. OBJETIVO ............................................................................................................... 2
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 3
4. METODOLOGIA ..................................................................................................... 4
4.1 MODELAGEM MATEMÁTICA ........................................................................ 4
5. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS ............................................................................... 6
5.1 DESCRIÇÃO DOS COMPONENTES ................................................................ 6
5.1.1 Fonte de alimentação ..................................................................................... 6
5.1.2 Ventilador...................................................................................................... 6
5.1.3 Célula Peltier ................................................................................................. 6
5.1.4 Resistência elétrica ........................................................................................ 7
5.2 DESCRIÇÃO EXPERIMENTAL ........................................................................ 7
5.3 MONTAGEM DO SISTEMA.............................................................................. 8
6. VALIDAÇÃO......................................................................................................... 10
7. RESULTADOS ...................................................................................................... 10
8. CONCLUSÃO ........................................................................................................ 12
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1. INTRODUÇÃO
Os sistemas de refrigeração de componentes eletrônicos possuem importância
fundamental na sociedade contemporânea haja vista seu uso abrangente na indústria e
no ramo doméstico. A indústria de dispositivos eletrônicos como transistores, resistores,
capacitores, diodos, indutores e outros componentes, cada um deles com tamanhos que
podem atingir menos de 1 milésimo de milímetro, deve sua existência ao
aperfeiçoamento e inovações na área relacionada aos sistemas de transferência de calor,
destinados a proporcionar o melhor desempenho de circuitos integrados e outros
componentes.
As vantagens de uso dos dispositivos de efeito Peltier, ou pastilhas Peltier,
consistem em uma maior eficiência e flexibilidade de instalação em relação aos coolers
convencionais por tratarem-se de sistemas pouco robustos. Possuem ainda relativo
baixo custo e instalação mais simples.
Este tipo de sistema possui, no entanto, algumas características que dificultam o
seu uso como, por exemplo, o alto consumo de eletricidade que, quando somado ao
consumo normal de um microcomputador pessoal pode exceder a capacidade de
fornecimento da fonte do mesmo, o fato de estes dispositivos dissiparem pela face
quente uma relativamente grande quantidade de calor durante seu funcionamento em
relação aos dispositivos tradicionais como o coolers e a condensação formada no
processo de troca de calor resultante do contato da superfície com temperatura maior
que a face fria da pastilha.
A modelagem matemática é, atualmente, uma ferramenta essencial para o
projeto de sistemas de refrigeração, seja pela possibilidade de análise do comportamento
do sistema através dos resultados de simulações, seja pelo fornecimento de informações
imprescindíveis para o projeto do sistema de troca de calor, tais como não linearidades
presentes, características de tempos de resposta, precisão de regime, sensibilidade a
variação de parâmetros, dentre outras.
A estratégia empregada neste trabalho consiste em analisar o comportamento de
um sistema de refrigeração por efeito Peltier na extração de calor de uma resistência
elétrica plana com superfície metálica, avaliando seu desempenho, tendo-se como
parâmetro principal o tempo de resposta do sistema. São realizados testes com um
modelo experimental, utilizando-se para tanto um sensor do tipo termopar montado à
estrutura física do modelo construído, de modo que seja possível a medição da variação
das temperaturas na superfície da resistência ao longo do tempo. Além disso, a
validação experimental será realizada conforme as considerações da modelagem teórica.
A motivação para este trabalho está na atualização de um estudo em andamento
sobre um sistema refrigeração por efeito Peltier, acrescentando-se uma análise do
comportamento do mesmo sob a ótica da disciplina de Medições Térmicas, ministrada
pelos Professores Paulo Smith Schneider e Marcelo Godinho, no curso de Engenharia
Mecânica da UFRGS.
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2. OBJETIVO
O principal objetivo deste trabalho consiste na extração de calor de um
dispositivo de resistência elétrica através do uso de um módulo de efeito Peltier, de
forma a obter-se resultados excelentes quanto a transferência de calor do sistema.
Os objetivos específicos estão em confirmar a validade do modelo matemático
clássico, (que descreve o comportamento físico de um sistema de transferência de
calor), relacionando-se os resultados da modelagem teórica, realizada sobre o
comportamento das transferências de energia térmica entre as superfícies do dispositivo
de efeito Peltier e da resistência elétrica, com testes de cunho experimental, por medição
direta.
Como principal contribuição tem-se a análise do comportamento do sistema de
refrigeração por efeito Peltier na extração de calor de uma resistência plana avaliando
seu desempenho através de dados adquiridos de experimentos.
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3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O efeito termoelétrico de Peltier foi descoberto em 1834, quando o físico francês
Jean Charles Athanase Peltier percebeu que, dado um par termoelétrico com ambas as
junções à mesma temperatura e, tendo-se uma fonte de tensão externa, produz-se uma
corrente no termopar e a variação das temperaturas nas junções não se dá inteiramente
devido ao efeito Joule. Esta variação adicional de temperatura foi então denominada de
efeito Peltier, sendo produzida tanto pela corrente proporcionada pela fonte externa
como pelo próprio par termoelétrico (Fig. 3.1). Pode-se dizer que o um dispositivo de
efeito Peltier comporta-se de forma inversa a um Termopar.
Figura 3.1. Efeito Peltier. (fonte: http://www.mspc.eng.br/eletrn/peltier_110.shtml)
Sistemas de refrigeração baseados no efeito Peltier encontram-se amplamente
difundidos e estudos, proporcionando uma literatura vasta e abrangente relacionada ao
assunto tratado nesta monografia.
Anceya et al, 1995, desenvolveu um sensor para a detecção preventiva de
condensação da água, através do efeito Peltier, capaz de detectar a probabilidade de
condensação medindo-se a diferença entre a temperatura de superfície e de ponto de
orvalho. A probabilidade de condensação é detectada pela mudança na freqüência de
oscilação gerada pelo dispositivo Peltier, a qual é medida por uma parte sensível
integrante do sensor. Como desvantagem principal deste sistema encontra-se a
influência da inércia térmica sobre a constante de tempo do mesmo.
Diversos autores como Astrain et al., (2005) e Ken et at., (2001) citam a criação
de algoritmos de modelagem numérica e computacional para a descrição
comportamental de dispositivos de efeito Peltier. Vián e Astrain, (2009) descrevem uma
geladeira doméstica desenvolvida com um compartimento de 0,225 m3, para
preservação de alimentos a 5°C. O sistema de refrigeração composto de dois
dispositivos de efeito Peltier iguais de 50 W cujos lados quentes permanecem contato
com um termosifão bifásico por convecção natural e outro por elevação capilar em
contato com o lado frio.
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4. METODOLOGIA
4.1 MODELAGEM MATEMÁTICA
A modelagem matemática de qualquer sistema físico consiste na representação
idealizada de um sistema real. A partir da concepção desta modelagem é possível o
entendimento do comportamento do sistema, a previsão de eventos futuros e a tomada
de decisões conforme a resposta desejada. Como princípio básico para a elaboração da
representação matemática do sistema físico em estudo, primeiramente foram
estabelecidas as simplificações para o estabelecimento do modelo matemático
[INCROPERA e DEWITT., 1996]. São elas:
a) A transferência de calor para o módulo Peltier é dada exclusivamente por
condução;
b) A condução de calor ocorre em regime permanente;
c) Os efeitos causados pelas superfícies laterais da resistência elétrica são
desprezados por tratar-se de uma chapa fina e condução é unidimensional na
direção perpendicular das superfícies testadas;
d) O meio através do qual ocorre a transferência de calor é isotrópico;
e) O fluxo térmico entre as superfícies é constante;
f) A superfície inferior da resistência elétrica isolada ou superfície adiabática;
g) A geração interna de calor é uniforme e ocorre a partir do centro do
dispositivo resistivo, propagando-se por condução até suas bordas;
h) Os materiais envolvidos na análise experimental são homogêneos com
propriedades físicas constantes;
i) A convecção gerada pelo movimento das hélices do ventilador é desprezada.
j) Ocorre a distribuição uniforme de temperatura nas superfícies envolvidas na
troca de calor.
As condições e simplificações adotadas na análise do sistema utilizado neste
trabalho permitem o uso da Lei de Fourier, visto que o problema em estudo trata-se de
um caso no qual a transferência de calor ocorre majoritariamente por condução entre
duas superfícies, podendo-se desprezar outros modos de transferência como à
convecção e a radiação.
A diferença de temperatura entre duas superfícies com temperaturas T1>T2
causa a transferência de calor por condução a uma taxa q em função da variação de
temperatura e da espessura das superfícies envolvidas no processo, na direção
perpendicular às mesmas. Por empirismo, observa-se que q é diretamente proporcional a
área de contato e é inversamente proporcional à variação de espessura dos componentes
do sistema [INCROPERA e DEWITT., 1996]. Logo, o comportamento da taxa de
condução pode ser descrito pela Eq. 4.1.
qαΑ
∆T
∆x
(4.1)
A fim de representar a influência dos materiais envolvidos no processo, introduzse na Eq. 4.1 a constante de proporcionalidade k, condutividade térmica (Wm/K).
Utilizando-se o limite no qual a espessura dos materiais tende a zero e racionando-se a
taxa de transferência de calor com a área de troca térmica entre os componentes do
sistema, obtêm-se a Lei de Fourier, conforme a Eq. 4.2.
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q ' '= − k
dT
dx
(4.2)
onde o sinal de k faz-se necessário pois a energia térmica é sempre transferida no
sentido de diminuição da temperatura. Ressalta-se ainda que, devido ao meio ser
considerado isotrópico, a condutividade térmica não depende da transferência de calor.
O fluxo de calor (W/m2), dado pela Eq. 4.2 fornece a potência dissipada por área
unitária. Considerando-se os materiais envolvidos homogêneos e a distribuição
uniforme de temperatura nas superfícies, a potência dissipada (W) no processo é obtida
pelo cálculo da taxa de transferência de calor, Eq. 4.3.
q = − kA
∆T
∆x
(4.3)
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5. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS
5.1 DESCRIÇÃO DOS COMPONENTES
5.1.1 Fonte de alimentação
Como fonte de alimentação da célula de peltier e do cooler que é acoplado nas
aletas foi utilizada uma fonte regulável de tensão que opera com um máximo de 24
volts, conforme figura 5.1.
Figura 5.1: Fonte de tensão regulável.
5.1.2 Ventilador
Para refrigerar o dissipador de calor aletado, foi utilizado um ventilador tipo
cooler com tensão de alimentação de 12 V DC conforme figura 5.2.
Figura 5.2: Ventilador do tipo Cooler acoplado ao dissipador aletado.
5.1.3 Célula Peltier
A célula peltier utilizada foi o modelo fabricado pela Danvic DV-40-10-15.4,
pertencente ao LETA. O módulo possui dimensões aproximadas de 40 x 40 x 3mm, e
tensão máxima de alimentação de 15,4V e corrente máxima aplicável de 10A, na figura
5.3 pode-se ver a célula peltier montada.
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Célula peltier
Figura 5.3: módulo peltier utilizado
5.1.4 Resistência elétrica
Para simular o aquecimento de um processador de computador utilizou-se uma
resistência elétrica plana com potência de 50W, uma tensão de 127V e dimensões de
80x80x3mm conforme figura 5.4.
Figura 5.4: resistência elétrica.
5.2 DESCRIÇÃO EXPERIMENTAL
Para dissipar calor da resistência elétrica, foco deste trabalho foi montado um
sistema utilizando uma célula peltier, conforme figura 5.5. Na face quente da célula foi
acoplado um trocador de calor aletado com o ventilador. O lado frio da pastilha é
colocado em cima da resistência elétrica, com o objetivo de dissipar calor desta quando
do funcionamento do sistema conforme figura 5.6.
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Cooler
Aletas
Resistência elétrica
Célula Peltier
Tijolo refratário
Figura 5.5: sistema de dissipação de calor utilizando de célula peltier.
Figura 5.6: Vista global do sistema
5.3 MONTAGEM DO SISTEMA
Inicialmente foi montado o ventilador com o dissipador aletado conforme figura
5.7. Após fixou-se a célula de peltier na outra face do trocador de calor aletado
utilizando pasta térmica. Como a célula peltier é menor que o dissipador aletado, a área
restante foi coberta com manta asfáltica isolante para que toda área da face do
dissipador fosse coberta, como mostra figura 5.8. Na figura 5.9 pode-se visualizar a
montagem do experimento, com a célula de peltier montada sobre a resistência elétrica.
Dois termopares tipo J foram utilizados para executar as medições de temperatura
conforme mostra a figura 5.10 onde pode-se notar os pontos de medição de temperatura,
na interface entre a resistência elétrica e a célula de peltier e outro ponto embaixo da
resistência.
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Figura 5.7: Montagem do dissipador aletado e do ventilador.
Manta asfáltica
Célula peltier
Figura 5.8: Montagem do módulo peltier e isolamento com manta asfáltica.
Dissipador aletado
montado sobre a célula
peltiter
Fonte de
alimentação
Resistência elétrica
Figura 5.9: Experimento montado
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Figura 5.10: Pontos de medição de temperatura.
6. VALIDAÇÃO
Diversos testes foram realizados para a comprovação do funcionamento do
sistema. Os componentes foram testados inicialmente de forma individual a fim de
verificar suas características funcionais. A resistência elétrica foi ligado diretamente na
rede elétrica com uma tensão de entrada de 127V. Com o auxílio de termopares tipo J e
mediu-se com o auxílio da unidade de aquisição de dados Data Aquisition/Switch Unit
da marca HP, modelo 34970 A, verificou-se que esta estava funcionando visto seu
aquecimento.
De forma separada, testou-se o sistema de refrigeração, composto pelo
ventilador, dissipador de calor aletado e a célula de peltier acoplada. Foi medido com o
mesmo termopar tipo J e mesmo sistema de aquisição e verificou-se que este resfriava.
Para a execução do ensaio foi montado o dispositivo de refrigeração sobre a
resistência e estes postos para operar. O sistema se mostrou estável visto que o sistema
de refrigeração conseguiu extrair calor da resistência elétrica, como será visto a seguir.
7. RESULTADOS
Realizou-se ensaios para verificação dos resultados quanto a dissipação do calor
na resistência operando com um módulo Peltier, um trocador aletado e um cooler de
resfriamento como descrito no capítulo anterior.
Inicialmente, verificou-se que a resistência elétrica, sem o módulo Peltier
acoplado, apresentava variações de temperatura no centro e na borda, sendo assim,
mediu-se com o auxílio da unidade de aquisição de dados Data Aquisition/Switch Unit
da marca HP, modelo 34970 A e de um termopar tipo J, os valores das temperaturas
nesses locais especificados com a finalidade de comprovar que o calor era dissipado do
centro da resistência para sua borda. Verifica-se isso nas figuras 6.1 e 6.2. Na figura 6.3
pode-se ver como foi medida a temperatura na célula peltier, também utilizando um
termopar tipo J. Nesta medida foi medida uma temperatura de aproximadamente 3°C.
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Figura 7.1. Gráfico Temperatura x Tempo no centro da resistência
Figura 7.2. Gráfico Temperatura x Tempo na borda da resistência.
Figura 7.3: medição de temperatura no módulo peltier.
Como foi acima descrito, a temperatura no centro da resistência opera com valores
próximos a 210°C e em sua borda a temperatura que se encontrou foi de
aproximadamente 145°C, comprovando assim, o que anteriormente havia sido citado.
Após, fixou-se o módulo Peltier no centro da resistência conforme metodologia descrita
neste projeto e realizou-se o ensaio novamente na unidade de aquisição de dados, onde
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colocou-se dois termopares tipo J, um entre o tijolo refratário e a resistência e o outro
termopar entre a resistência e o módulo de Peltier. Na figura 6.4, pode-se analisar como
o sistema se comporta quando em funcionamento. Assim, realizou-se a coleta de dados
dos na unidade de aquisição de dados dos termopares, dispostos como descrito
anteriormente. Através disso, observou-se que a variação de temperatura obtida foi de
aproximadamente 97°C. No termopar colocado na interface da resistência com o peltier
obteve-se uma temperatura de 54°C enquanto que a medida obtida na parte inferior da
resistência foi de 151°C.
Figura 7.4: gráfico obtido da unidade de aquisição de dados durante o ensaio.
8. CONCLUSÃO
Neste trabalho foi construído um dispositivo com a finalidade de extrair calor de
uma resistência elétrica utilizando, para isso, um módulo de efeito Peltier, acoplando-se
a esse módulo um trocador de calor aletado sendo resfriado com um cooler.
Através dos experimentos realizados no Laboratório de Estudos Térmicos e
Aerodinâmicos (LETA) com o auxílio da unidade de aquisição de dados Data
Aquisition/Switch Unit da marca HP, modelo 34970 A, verificou-se que os resultados
obtidos foram satisfatórios, com uma variação de temperatura entre o lado quente e frio
de aproximadamente 100°C. A resistência elétrica, que operando sem nenhuma
instrumentação chega a valores próximos a 210°C, com o acoplamento do módulo de
Peltier, opera a níveis de temperatura oscilando entre 50°C.
No entanto, o método de medição utilizado neste trabalho não se mostrou
satisfatório, pois considera uma medição acima e abaixo da resistência elétrica, o que
não pode ser considerado uma hipótese aceitável visto que não há confirmação de que a
potência é dissipada de forma uniforme para os dois lados da resistência elétrica, por
essa razão não é possível utilizar estas medições para quantificar de forma direta o calor
que o módulo peltier dissipa da resistência através da equação 4.3.
Uma etapa imediata para a continuação deste trabalho é o desenvolvimento de
um método para quantificar o calor dissipado neste sistema.