CAPÍTULO 6

APLICAÇÕES TECNOLÓGICAS DO

EFEITO PELTIER

6.1 INTRODUÇÃO

Os avanços nas ciências dos materiais, trazidos pela revolução dos semicondutores, permitiu

que efeitos térmico conhecidos desde Século XIX se tornassem viáveis tecnologicamente. Uma

dessas revoluções foi a transformação do Efeito Peltier em dispositivos para uso cotidiano.

A refrigeração, baseada apenas em expansão/compressão de fluidos refrigerantes tomou um

novo rumo. Com técnicas modernas a indústria hoje produz módulos termoelétricos capazes

de bombear calor de modo eficiente para produzir um resfriamento ou aquecimento com um

dispositivo 100 % estado sólido. Há ainda nestes dispositivos a possibilidade operação reversa,

isto é, funcionarem com geradores de eletricidade a partir da energia térmica.

O fato de não utilizarem partes mecânicas móveis têm atraido o interesse da microeletrônica

no resfriamento localizado em dispositivos, uma vez que a tecnologia pode ser diretamente

incorporada (integrada) aos circuitos microeletrônicos [104]

Os cientistas Thomas Seebeck e Jean Peltier, ainda no Século XIX, descobriram os efeitos

que levam seus nomes e são a base da termoeletricidade. O efeito Seebeck mostra que a junção

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de dois metais diferentes submetidos a um gradiente de temperatura faz aperecer uma corrente

através dos condutores e o inverso também ocorre, fazendo-se passar uma corrente através de

uma junção de dois metais distintos aparece um fluxo de calor de um metal para o outro.

A pesquisa na produção de materiais para aplicação termoelétrica avança rapidamente, prin-

cipalmente na busca de materiais com maiores eficiências térmicas (figuras de mérito). Nesta

seara tem dominado nas aplicações como geradores termoelétricos ou refrigeradores as ligas de

Telúrio (Bi2Te3 e Sb2Te3).

Nesta tese será detalhada as características elétricas e térmicas assim como o dimensiona-

mento dos módulos Peltier para a aplicação em refrigeração de pequenos volumes, neste caso

uma Adega. Neste ponto vale ressaltar que no atual estado da arte a viabilidade econômica

para utilização dos módulos peltier ainda estão limitados a pequenos volumes e/ou refrigeração

localizada.

6.2 Efeitos termoelétricos

Os efeitos termoelétricos são aqueles em que energia térmica e elétrica possam ser conver-

tidas de uma forma para outra. Entre estes, de grande utilizade prática temos os efeitos Seebeck

e o efeito Peltier.

Thomas Seebeck decobriu este efeito que leva seu nome em 1821, nele uma tensão é criada

quando dois metais são unidos formando uma junção e esta é aquecida, fig 6.1. Este é o fenô-

meno de muito usado pelo engenheiros para medição precisa de temperatura com o que chama-

mos de termopares.

98

Figura 6.1: Efeito Seebeck

A diferença de potencial V gerada pelo efeito Seebeck é dada por,

V = αab∆T, (6.1)

Sendo αab positivo se a corrente fluir da junção quente para a fria e negativo caso contrário.

Para geração termoelétrica o efeito Seebeck é otimizado com o uso de materiais semicondutores.

O efeito Peltier, descoberto em 1834, ao contrário do que ocorre no efeito Seebeck, faz-se

passar uma corrente pela junção esta ficará aquecida (TQ) ou refrigerada(TF ), fig. 6.2, depen-

dendo do sentido da corrente. Para este efeito definimos o coeficiente peltier πab,

Figura 6.2: Efeito Peltier

q = πabI, (6.2)

Na na eq. 6.4, q é a quantidade de calor bombeada através da junção quando é percorrida

pela corrente i, neste situação πab é positivo se a junção 1 aquece e a junção 2 resfria quando a

corrente passa de 1 para 2.

99

Este efeito em junções metálicas em geral é mascarado pelo efeito do aquecimento Joule.

Como dissemos anteriormente o uso de materiais semicondutores nos permite ter este efeito

pronuciado de modo a permitir seu uso em dispositvos para refrigeração, fig. 6.3.

Figura 6.3: Efeito Peltier: a corrente passando pelas junções carrega o calor da parte fria para a

parte quente.

Lord Kelvin em 1855 estabeleceu as relações termodinâmicas entre os dois efeitos e previu

um terceiro efeito o efeito Thompson. Desta teoria pôde-se mostrar que os coeficiente Seebeck

e Peltier estão relacionados pela equação 6.3.

πab = αabT, (6.3)

Usando os resultados do Lord Kelvin, Altenkirch in 1911 determinou em que condições

podemos ter uma conversão termoelétrica eficiente e introduziu o conceito de figura de mérito.

Para sua determinação cosideremos apenas o caso da refrigeração usando o efeito Peltier, fig.

6.3, nela a corrente a corrente circula de modo que a junção 2 aquece e a junção 1 resfria a uma

taxa q dado por,

q = αabTI − [i2R

2+K(TQ − TF )], (6.4)

Na eq. 6.4 o primeiro termo do lado direito representa o bombeamento Peltier e o segundo

entre colchetes representa as perdas por efeito Joule e por condução térmica respectivamente.

100

A tensão da fonte está dividida entre a tensão Seebeck e a ôhmica (IR), desta forma a potência

fornecida pela fonte é,

w = αab(TQ − TF )I + i2R, (6.5)

Assim, com as eqs. 6.4 e 6.5, podemos tirar o coeficiente de desempenho φ,

φ =q

w, (6.6)

Nesta relação existe um valor de corrente i em que este desempenho é máximo, Nolas et al

[106], e dado por

φ =TC [(1 + ZT )1/2

−TQ

TF]

(TQ − TF )[(1 + ZT )1/2 + 1], (6.7)

sendo,

T = TQ−TF

2,

Z = figura de mérito

O parâmetro Z é função das propriedades do material (condutividade elétrica (σ), conduti-

vidade térmica (λ) e coef. Seebeck (α) ) e do arranjo geométrico na formação da junção. Para

efeitos práticos, costuma-se definir a figura de mérito para um material z, eq. 6.8, e fazemos Z

para a junção como a média dos valores z dos dois materiais, mas nem sempre é o caso [106].

z =α2σ

λ, (6.8)

É importante ressaltar que para qualquer refrigerador termoelétrico existe um máximo para

a diferença de temperaturas entre a junção quente e a junção fria. Este caondição é alcançada

quando a condução de calor e o efeito Joule igualam o resfriamento Peltier. Este ∆T é obtido

da equação 6.7 fazendo φ = 0 e é uma função de ZT .

∆T =TQ[(1 + ZT )1/2

− 1]

(1 + ZT )1/2(6.9)

Nas eqs. 6.7 e 6.9 vê-se que a figura de mérito tem um papel fundamental no desempenho

dos dispositivos de refrigeração usando o efeito Peltier. As figuras de mérito têm dimensão de

101

inverso de temperatura entretatnto é mais comum encontrarmos a figura de mérito adimensional

ZT ou zT como aparecem nas equações.

• Os metais apresentam figuras de mérito zT menores que a unidade e isto se deve ao fato

deles possuirem coeficientes Seebeck da ordem de dezenas de µV/K e a razão σ/λ em

boa concordância com a Lei de Wiedemann - Franz.

• Os semicondutores apresentam altos coeficientes Seebeck da ordem de mV/K e peque-

nos valores para a razão σ/λ mas ainda ainda suficiente para serem utilizados como ter-

moelementos em módulos termoelétricos. Outra facilidade permitida pelos semicondu-

tores é a produção de termoelementos com diferentes portadores de carga: elétrons (α < 0

- tipo N) e lacunas (α > 0 - tipo P),fig. 6.3.

O Bismuto foi o primeiro material termoelétrico estudado, tendo coeficiente Seebeck nega-

tivo quando puro, no entanto é mais comum utilizá-lo combinado cm outros elementos como

Antimônio, Telúrio, Chumbo etc. O telureto de bismuto tem a mesma simetria cristalina do

bismuto e é o material semicondutor mais utilizado atualmente tendo energia de gap muito pe-

quena (0, 15 eV ) e coefciente Seebeck no valor de ±260 µV/K a temperatura ambiente. A sua

condutividade térmica é da ordem de 2W.m−1.K−1

6.3 Os módulos Peltier

O módulo é a maneira mais prática de se utilizar o efeito peltier como refrigerador em larga

escala, e consiste num arrajo de pequenos blocos de telureto de bismuto - Bi2Te3 dopados tipo N

e tipo P montados alternadamente e eletricamente em série entre duas placas cerâmicas de boa

condutividade térmica. Este arranjo faz com que todos os termoelementos bombeiem o calor na

mesma direção - termicamente em paralelo, fig. 6.4.

102

Figura 6.4: Módulo Peltier

Os módulos estão disponíveis no mercado em tamanhos que variam de 0, 6 × 0, 6 cm a

aproximadamente 5 × 5 cm fig. 6.5, e estes podem ser utilizados de diferentes maneiras: indi-

vidualmente ou agupados eletricamente em série, paralelo ou série-paralelo. Em algmas apli-

cações usa-se o módulo de multiestágios, isto é, vários módulos termicamente em série para

obtenção de um maior ∆T .

Figura 6.5: Módulos Peltier comerciais;(a)1 estágio;(b)múltiplos estágios

O uso da tecnologia peltier disponível nos módulos tem um grande número de vantagens

como as descritas abaixo:

• Não utiliza partes mecânicas móveis para refrigeração, ideal para uso com câmeras CCD.

103

• Aquece ou resfria dependendo apenas da polaridade da alimentação, ideal para aplicações

que exigem o controle eletrônico preciso da temperatura como lasers de diodo utilizados

em telecomunicações.

• Dispensa o uso de gases refrigerantes, tecnologia 100 % estado sólido no que implica alta

confiabilidade e baixos níveis de ruido.

• Permite a refrigeração pontual (localizada).

• Funcionam em qualquer orientação com/sem gravidade diferentemente dos refrigeradores

baseados em compressores.

6.3.1 Características elétricas e térmicas

As grandezas que controlam o desempenho dos módulos usados para refrigeração têm uma

relação bastante complexa entre si de modo que para um projeto o fabricante disponibiliza um

conjunto de curvas que irão permitir ao projetista estabelecer os limites de operação do seu

sistema de refrigeração. Algumas combinações de grandezas levam o sistema de um compor-

tamento ótimo para um desempenho inaceitável. Na fig. 6.3.1 está mostrado estas curvas para

algumas grandezas e a folha de dados do Módulo TE-127-1.0-0.8 (TE Technology, Inc) que é

utilzado neste tese no projeto da ADEGA.

Especificações TQ = 27oC TQ = 50

oC

VMAX (V) 15, 7 17, 4

IMAX (A) 5, 8 5, 8

QMAX (W) 56, 0 61, 4

DTMAX (oC) 69 78

T Oper./armazen. (oC) −40o a 80o

Tabela 6.1: Especificações

104

Figura 6.6: Relação entre as grandezas Potência x ∆T

x Corrente para o módulo peltier TE 127-1.0-0.8 (TETech Inc.)

6.3.2 Dimensionamento do sistema de refrigeração Peltier

Desenvolveremos um modo sistemático para o dimensionamento de sistemas de refrige-

ração baseado na tecnologia Peltier a partir de uma carga térmica e diferença de temperatura

quente/frio (DT), não podendo esquecer que serão determinados pontos ótimos de operação e

uma estimativa de desempenho para o sistema uma vez que o sistema tem um comportamento

não-linear. Os passos seguem as recomendações definidas pela ref. [107].

PASSO 1: Determine as temperaturas de trabalho

Aqui será definido as temperaturas de trabalho para que se possa,

• fazer a escolha do módulo peltier

105

• escolher o dissipador de calor para o módulo

• calcular as cargas térmicas no PASSO 2.

Para a patende deste trabalho estão assim estabelecidas:

Temperatura oC Observação

Tamb 35 Temperatura ambiente em que o dispositivo vai trabalhar

TQ 40 Temperatura de trabalho da face quente - dissipador

TF 5 Temperatura de trabalho da face fria

∆T 35 Os limites do módulo estão ligados as esta variável

Tabela 6.2: Temperaturas de trabalho do módulo Peltier

PASSO 2: Determinando a carga térmica

A carga térmica que o sistema de refrigeração vai estar submetido pode ser de 02 tipos:

ativa - energia térmica dissipada pelo dispositivo que está sendo refrigerado

passiva - carga térmica proveniente de radiação, convecção ou condução ainda combinação dos

dois

Para saber como calcular cada uma das contribuições veja o Apêndice B. Para a ADEGA a

carga térmica total é:

Carga Valor (W) Observação

ativa 2 Cooler interno face fria do peltier

radiação 0, 2 gabinete exposto a luz indireta

convecção - desprezível na adega

condução 21, 6 troca através da porta acrílica

efeito combinado -

Carga Térmica Total (Q) 23, 8

Tabela 6.3: Carga térmica estimada

106

PASSO 3: Determinando número de estágios para o módulo

A partir da definições de temperatura do PASSO 1, podemos determinar o número de está-

gios do módulo necessários para que o ∆T seja atingido.

Na tabela 6.4 mostra as temperaturas atingidas para cada número de estágios no módulo,

fig. 6.5.

Num. de Estágios ∆TmaxoC 1 atm de N2

1 64

2 84

3 95

Tabela 6.4: Diferença máxima de temperatura para módulos simples e de 2 e 3 estágios

Para este trabalho vê-se que um único estágio é suficiente.

PASSO 4: Escolhendo o módulo

A metodologia para escolha de um módulo peltier específico está descrito na ref. [107] e

só se aplica para módulos de até 02 estágios. Está parte será omitida aqui porque já foi feita a

escolha previamente com um simulador disponibilizado pelo fabricante.

PASSO 5: Estimando o desempenho

• Com os dados das tabelas 6.1 e 6.2 compute a relação ∆T/∆Tmax

∆T

∆Tmax

= 0, 52, (6.10)

No gráfico de desempenho dado pelo fabricante trace uma linha horizontal para o valor

encontrado na fig. 6.7.

107

Figura 6.7: Módulo Peltier

• A intersecção da linha do item a com a curva normalizada do peltier, fig. 6.7, determina

a relação I/Imax

A linha potilhada vertical da 6.7 nos dá,

I

Imax

= 0, 76, (6.11)

Desta forma podemos encontrar a corrente de operação do módulo pela equação,

I = 0, 76× 5, 8 = 4, 4 A, (6.12)

• Os limites de tensão para as especificações de carga térmica, TQ, TF e Tamb é obtido

a partir da curva I x V do dispositivo mostrado na fig. 6.8 para o valor de corrente

encontrado no item anterior

108

Figura 6.8: Faixa de tensão de operação para que o módulo tenha desempenho dentro dos limites

especificados de carga térmica e ∆T

Assim na fig. 6.8 encontramos:

V opermax = 13, 6 V, (6.13a)

V opermin = 11, 8 V, (6.13b)

• Conhecendo-se a corrente, eq. 6.12 e os limites de tensão de operação, eqs. 6.3.2, pode-

mos calcular a potência dissipada pelo módulo multiplicando-se a corrente de operação

pela tensão máxima de operação e determinar a potência que o dissipador ligado a face

quente do peltier dever drenar.

Assim na fig. 6.8 encontramos:

Ppeltier = 13, 6× 4, 4 = 59, 84W, (6.14a)

Qdissip = 23, 8 + 59, 84 = 83, 64W, (6.14b)

109

PASSO 6: Escolhendo o dissipador de calor

Para que o módulo tenha um desempenho dentro do que foi determinado no projeto, o

dissipador de calor tem um papael fundamental, ele vai manter a face quente dentro dos limites

de projeto TQ, e consequentemente manter o ∆T . Para uma bom desempenho do sistema a

temperatura do dissipador deve estar nos limites de 10 a 20 oC acima de Tamb.

A medida da qualidade de um dissipador é dado por sua resistência térmica - HSR, eq. 6.15

isto é, uma medida da capacidade do dissipador drenar o calor. Quando a conveccção natural

do ar ambiente não é suficiente para manter os níveis exigidos de temperatura deve-se utilizar

a convecção forçada com o uso de ventiladores apropriados. Vale ressaltar aqui que o módulo

nunca deve ser ligado sem que tenha um sistema mínimo de dissipação.

HSR =(TH − Tamb)

Q, (6.15)

sendo,

HSR = resistência térmica (oC/W ),

TH = temperatura do dissipador,

Tamb = temperatura ambiente ou do líquido refrigerante

Q = potência dissipada pelo sistema

A montagem do módulo ao dissipador garantirá o bom desempenho do mesmo. Para um

bom desempenho térmico nas interfaces peltier/dissipador e peltier/carga deve-se fazer uso

quando possível de pasta térmica apropriada. A montagem está mostrada na fig. 6.9.

110

Figura 6.9: Montagem do módulo peltier ao dissipador de calor da face quente

Para o projeto da adega foram utilizados 02 ventiladores de microprocessadores (“coolers”)

para através da convecção forçada garantir o desempenho do dissipador. O módulo de refrige-

ração da ADEGA está mostrado na fig. 6.10. Observe que o vazio criado pelo dissipador e a

placa fria é preenchido com folha de cortiça um material com boa isolação térmica.

Figura 6.10: Módulo de refrigeração da Adega: módulo peltier, dissipador,ventiladores e iso-

lantes térmicos de sutentação mecânica

111

A adega montada com o uso deste módulo está mostrada na fig. 6.11.

Figura 6.11: Adega climatizada com capacidade de 07 garrafas

6.4 PATENTE

112

Figura 6.12

113

Figura 6.13

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