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Joaquim Adérito Araújo Antunes
Reaproveitamento de Calor paraGeração de Energia Eléctrica no Automóvel
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Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Março de 2011
Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores
Trabalho efectuado sob a orientação doProfessor Doutor Luís Miguel Valente Gonçalves
Co-Orientador:Professor Doutor Jorge José Gomes Martins
Joaquim Adérito Araújo Antunes
Reaproveitamento de Calor paraGeração de Energia Eléctrica no Automóvel
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
Universidade do Minho iii
Resumo
A redução da dependência do uso de combustíveis fósseis tem vindo cada vez
mais a ser alvo de grande interesse por parte das instituições governamentais, com o
intuito de reduzir as emissões de CO2. Esta causa tem vindo a alcançar cada vez mais
aliados, nomeadamente na indústria automóvel. Actualmente, encontram-se
implementados sistemas em veículos para reduzir este problema e aumentar a
eficiência, em particular nos modelos híbridos. No entanto, existem fontes de energia
térmica desperdiçadas. A temperatura máxima dos gases de escape ocorre quando o
veículo se encontra em potência máxima, e chega a ultrapassar os 800 ºC.
Esta dissertação apresenta a simulação, caracterização e implementação de um
protótipo de um gerador termoeléctrico para reaproveitamento do calor proveniente do
escape dos automóveis para geração de energia eléctrica. O gerador foi fabricado
recorrendo a conversores termoeléctricos, cujo princípio de funcionamento é baseado no
efeito Seebeck, e admitem uma temperatura máxima de funcionamento de 230 ºC. Este
limite implica um controlo da temperatura dos gases de escape do automóvel, para que
este limite não seja excedido. Nesta sequência, implementou-se um sistema de
transferência de calor com a capacidade de redução e controlo da temperatura, com
elevado aproveitamento térmico, utilizando Heat Pipes.
Este conversor é composto por um tubo fechado nas extremidades com um
fluido de trabalho no seu interior. Numa extremidade encontra-se a fonte de calor, na
outra, o receptor de calor. O fluido no seu interior faz a transferência de energia, sendo a
temperatura limitada pela ebulição do fluido no interior. No entanto, apresenta uma
variação da pressão no seu interior, o que leva a uma variação da temperatura de
mudança de fase. Para ultrapassar este obstáculo, implementou-se um Heat Pipe de
Condutância Variável (VCHP).
O VCHP permite obter um controlo óptimo e eficiente da temperatura dos gases
de escape antes da estabilização da temperatura e do controlo da pressão. Com a
implementação desta vertente de Heat Pipe, foi possível construir um protótipo de um
gerador termoeléctrico para o aproveitamento do calor no escape, colocando
conversores termoeléctricos acoplados à região do Heat Pipe onde ocorre a
condensação.
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Abstract
The decrease in fossil combustibles dependence is gaining interest by some
government institutions with the purpose of reducing CO2 emissions. This cause has
been winning more and more allies namely the automotive industry. Nowadays, there
are systems applied in vehicles to correct this issue and increase efficiency, particularly
in the hybrid models. However, there are polluting heat sources in the exhaust pipe of
the automobile which form a high source of wasted thermic energy. The highest
temperature of the exhaust gas takes place when the vehicle is in its maximum potency
and exceeds the 800 ºC.
This essay presents the simulation, characterization and implementation of a
thermoelectric generator prototype with the purpose of generating electric energy by
reusing the heat from the automobile exhaust pipe. The generator was made with the use
of thermoelectric devices which principle of functioning is drawn heavily on the
Seebeck effect and can sustain a maximum functioning temperature of 230 ºC. This
limit implies a control of the automobile exhaust pipe’s temperature so that it is not
exceeded. Therefore it was implemented a heat transfer system with the capacity of
reducing and controlling temperature with high thermic usage by the use of Heat Pipes.
This device consists of a sealed pipe filled with working fluid. At one end can be
found the heat source and at the other the heat receiver. The fluid inside makes the
transfer of energy, the temperature gets limited by the fluid ebullition. However, it
shows in its core a pressure variation leading to a variation of the ebullition temperature.
To overcome this obstacle it was implemented a Heat Pipe of Variable Conductance
(VCHP).
The VCHP allows a great and efficient control of the exhaust pipe’s gas before
the stabilization of the temperature and the pressure control. With the use of this kind of
Heat Pipe it was possible to build a thermoelectric generator prototype for the reuse of
the exhaust pipe’s heat placing thermoelectric devices attached to the Heat Pipe
location where the temperature limitation happens.
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Agradecimentos
Este espaço é dedicado a todas as pessoas que directa ou indirectamente cederam
o seu contributo e fizeram com que este projecto tivesse um princípio, meio e fim,
auxiliando em diversos pontos de vista e contribuindo com a sua opinião crítica.
Agradeço ao meu orientador Dr. Luís Miguel Valente Gonçalves, ao meu co-
orientador Dr. Jorge José Gomes Martins e ao Dr. Francisco C. Pimenta de Brito pela
ajuda, incentivo, motivação, disponibilidade e sugestões ao longo deste projecto.
Aos meus colegas de dissertação, do grupo de investigação de micro/nano
tecnologias que descuidando as suas tarefas, contribuíram duma forma imprescindível,
na realização deste trabalho.
Quero agradecer a todos os meus amigos que sempre me acompanharam e
acreditaram no meu trabalho no decorrer deste longo percurso.
Aos técnicos do Departamento de Electrónica Industrial Carlos Manuel A.
Torres e Joel Lopes F. Almeida, e também ao técnico do Departamento de Engenharia
Mecânica Júlio Caldas, pela sua disponibilidade, boa vontade e ajuda na construção de
algumas instalações.
Gostaria de agradecer a toda a minha família, em especial aos meus pais, que
sempre me apoiaram, motivaram, e sempre me compreenderam nos momentos mais
difíceis. Finalmente, gostaria de aqui deixar o meu agradecimento especial à Daniela,
que sempre me apoiou nos momentos mais difíceis deste trabalho e pela compreensão
dos diferentes tipos de humor durante todos estes anos.
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Índice
Resumo ............................................................................................................................ iii
Abstract ............................................................................................................................. v
Agradecimentos .............................................................................................................. vii
Índice ............................................................................................................................... ix
Índice de Figuras ............................................................................................................ xiii
Índice de Tabelas ........................................................................................................... xix
Lista de Símbolos ........................................................................................................... xxi
Glossário ...................................................................................................................... xxiii
Capítulo 1 ..................................................................................................... 1
Introdução ..................................................................................................................... 1
1.1 Recuperação de Calor nos Automóveis .............................................................. 1
1.2 Motivação ........................................................................................................... 3
1.3 Objectivos ........................................................................................................... 3
1.4 Estrutura da Tese ................................................................................................ 4
1.5 Publicações ......................................................................................................... 4
Capítulo 2 ..................................................................................................... 7
Estado da Arte ............................................................................................................... 7
2.1 Introdução ........................................................................................................... 7
2.2 Distribuição da energia num Automóvel ............................................................ 8
2.3 Conversores Termoeléctricos ............................................................................. 8
2.4 Geradores Termoeléctricos ............................................................................... 10
2.5 Heat Pipes ......................................................................................................... 13
2.6 Outras Aplicações ............................................................................................. 15
Capítulo 3 ................................................................................................... 17
Termoelectricidade ..................................................................................................... 17
3.1 Introdução ......................................................................................................... 17
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3.2 Efeito Seebeck ................................................................................................... 18
3.3 Efeito Peltier ...................................................................................................... 19
3.4 Termopar ........................................................................................................... 21
3.5 Condutividade Térmica ..................................................................................... 23
3.6 Figura de Mérito ................................................................................................ 24
3.7 Conversores Termoeléctricos ............................................................................ 25
3.7.1 Funcionamento como Gerador Termoeléctrico .......................................... 28
3.7.2 Funcionamento como Arrefecimento Termoeléctrico ............................... 32
3.7.3 Materiais Termoeléctricos .......................................................................... 35
3.8 Potência Térmica ............................................................................................... 38
3.9 Geradores Termoeléctricos ............................................................................... 39
3.9.1 Modelo Equivalente Eléctrico de um Sistema Térmico ............................. 39
3.9.2 Modelação de um Gerador Termoeléctrico ................................................ 41
3.9.3 Gerador Termoeléctrico Implementado ..................................................... 44
3.10 Conclusões ...................................................................................................... 46
Capítulo 4 ................................................................................................... 49
Tecnologias Heat Pipe ................................................................................................ 49
4.1 Introdução.......................................................................................................... 49
4.2 Heat Pipe ........................................................................................................... 50
4.2.1 Princípio de Funcionamento ....................................................................... 51
4.2.1.1 Temperatura de Operação ................................................................... 53
4.2.1.2 Gases Não - Condensáveis num Heat Pipe ......................................... 53
4.2.2 Heat Pipe Vertical ...................................................................................... 54
4.2.3 Heat Pipe Horizontal .................................................................................. 55
4.2.4 Tipos de Heat Pipes ................................................................................... 56
4.2.4.1 Variable Conductance Heat Pipe ........................................................ 57
4.2.4.2 Pulsating Heat Pipe ............................................................................ 57
4.2.4.3 Loop Heat Pipes e Capillary Pumped Loops ...................................... 58
4.3 Heat Pipe de Condutância Variável .................................................................. 59
4.4 Heat Pipe Implementado ................................................................................... 61
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4.5 Heat Pipe de Condutância Variável Implementado ......................................... 64
4.6 Integração VCHP com o Gerador Termoeléctrico ........................................... 67
4.6.1 Modelo Térmico ........................................................................................ 68
4.7 Conclusões ........................................................................................................ 69
Capítulo 5 ................................................................................................... 71
Testes e Resultados ..................................................................................................... 71
5.1 Introdução ......................................................................................................... 71
5.2 Aquisição de Dados .......................................................................................... 72
5.2.1 Termopares ................................................................................................ 74
5.3 Calibração dos Termopares .............................................................................. 76
5.4 Caracterização dos Conversores Termoeléctricos ............................................ 77
5.4.1 TEC1-12707 - 160ºC ................................................................................. 77
5.4.2 TEC1-12708 - 230ºC ................................................................................. 78
5.5 Resultados dos HPs ........................................................................................... 79
5.5.1 Heat Pipe Inicial ........................................................................................ 79
5.5.1.1 Testes Realizados com Água .............................................................. 81
5.5.1.2 Testes Realizados com Dowtherm A .................................................. 86
5.5.2 Heat Pipe Optimizado ............................................................................... 87
5.5.2.1 Testes Realizados com Água .............................................................. 88
5.5.2.2 Testes Realizados com Dowtherm A .................................................. 90
5.6 Resultados dos VCHPs ..................................................................................... 93
5.6.1 Testes Realizados com Água ..................................................................... 94
5.6.2 Testes Realizados com Dowtherm A ......................................................... 98
5.7 Gerador Termoeléctrico Implementado ............................................................ 98
5.8 Gerador Termoeléctrico Final ......................................................................... 104
5.9 Conclusões ...................................................................................................... 108
Capítulo 6 ................................................................................................. 111
Conclusões e Trabalho Futuro .................................................................................. 111
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6.1 Conclusões ...................................................................................................... 111
6.2 Trabalho Futuro ............................................................................................... 113
Referências ............................................................................................... 115
Anexos ........................................................................................................... 1
Anexo A - Circuito para Aquisição do Sinal dos Termopares ...................................... 2
Anexo B – Software Desenvolvido em LabVIEW ........................................................ 3
Anexo C – Tabelas Termodinâmica – Água, Dowtherm A ........................................... 5
Anexo D – Fotos de Implementações............................................................................ 6
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Índice de Figuras
Capítulo 1
Figura 1.1- Distribuição da energia dum automóvel. ....................................................... 2
Capítulo 2
Figura 2.1- Macro conversor termoeléctrico baseado nos efeitos Seebeck e Peltier. As
extremidades são constituídas por placas de cerâmica [24]. ............................................ 9
Figura 2.2- Local do veículo onde foi colocado o gerador (a). Imagem interna do
gerador e respectivos conversores termoeléctricos (b) [26,29]. ..................................... 11
Figura 2.3- Exemplos de veículos para futuras aplicações [25]. .................................... 12
Figura 2.4- Gerador termoeléctrico implementado num veículo de teste e a respectiva
localização [25,26]. ......................................................................................................... 12
Figura 2.5- Gerador termoeléctrico implementado num veículo de teste VW Golf e a
localização [28]. .............................................................................................................. 13
Figura 2.6- Heat Pipes em equipamentos electrónicos de baixa potência utilizados em
computadores [32]. ......................................................................................................... 14
Figura 2.7- Demonstração das cozinhas utilizadas pelo exército Americano [33]. ........ 16
Capítulo 3
Figura 3.1- Princípio do efeito Seebeck. Orientação dos electrões no sentido junção
quente–junção fria. .......................................................................................................... 18
Figura 3.2- Efeito Seebeck a operar como sensor de temperatura (a) e gerador de
energia eléctrica (b). ....................................................................................................... 19
Figura 3.3- Demonstração do efeito Peltier. Irradiação e absorção de calor, (a) e (b)
respectivamente. ............................................................................................................. 20
Figura 3.4- Aplicação do efeito Peltier com diferentes materiais. Representação do
sentido da corrente (I). .................................................................................................... 21
Figura 3.5- Termopar com diferentes metais A e B. ...................................................... 21
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Figura 3.6: Termopar, onde a junção A e B constitui a junção de teste. A temperatura de
referência é obtida com gelo (0ºC). ................................................................................. 22
Figura 3.7- Conversor termoeléctrico baseado no princípio de funcionamento Seebeck –
Peltier [19]. ...................................................................................................................... 26
Figura 3.8- Circuito eléctrico de um conversor termoeléctrico convencional. ............... 27
Figura 3.9- Funcionamento de um elemento em série de um conversor termoeléctrico a
funcionar como gerador. ................................................................................................. 28
Figura 3.10- Circuito para medição da potência máxima num conversor termoeléctrico.
......................................................................................................................................... 30
Figura 3.11- Representação de uma junção p-n de um conversor termoeléctrico. S
representa a área da superfície de um elemento e l o comprimento. ............................... 31
Figura 3.12- Funcionamento de um elemento em série de um conversor termoeléctrico a
funcionar como arrefecimento. ....................................................................................... 33
Figura 3.13- Coeficiente Seebeck (S), resistência eléctrica (R) [Ω] e condutividade
térmica (K) em função de uma temperatura. ................................................................... 36
Figura 3.14- Tensão de saída, potência eléctrica e eficiência de um gerador
termoeléctrico em função da temperatura na face quente, quando a face fria é mantida a
27 ºC. ............................................................................................................................... 37
Figura 3.15- Diagrama representativo da fórmula fundamental da calorimetria. O calor é
transferido de A para B. .................................................................................................. 38
Figura 3.16- Modelo de um gerador termoeléctrico para um automóvel com o respectivo
sistema de arrefecimento dos conversores através de água. ............................................ 40
Figura 3.17- Modelo geral de um gerador termoeléctrico para um automóvel. .............. 41
Figura 3.18- Potência e eficiência termoeléctrica de um gerador com 96 conversores
termoeléctricos. ............................................................................................................... 45
Figura 3.19- Temperatura (ºC) e perfil de um gerador termoeléctrico para um motor de
60 kW e 800 ºC. .............................................................................................................. 46
Capítulo 4
Figura 4.1- Esquema representativo de um tubo de calor tradicional [45]. .................... 51
Figura 4.2- Princípio de funcionamento de um Heat Pipe vertical. ................................ 52
Figura 4.3- Propriedades de alguns possíveis fluidos de trabalho [89]. .......................... 54
Figura 4.4- Representação simplificada de um Heat Pipe a funcionar na vertical. ........ 55
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Figura 4.5- Representação simplificada de um Heat Pipe a funcionar na horizontal..... 55
Figura 4.6- Pulsating Heat Pipe (PHP). ......................................................................... 57
Figura 4.7- Representação do princípio de funcionamento dos CPL e LHP. ................. 58
Figura 4.8- Representação de um Heat Pipe de condutância variável (VCHP). ............ 60
Figura 4.9- HP constante vs HP de condutância variável [45]. ...................................... 61
Figura 4.10- Implementação inicial: tubo de calor entre uma placa na base e um cilindro
para água. ........................................................................................................................ 62
Figura 4.11- HP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte de
calor. ............................................................................................................................... 63
Figura 4.12- HP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte de
calor e optimizado para os conversores termoeléctricos. ............................................... 64
Figura 4.13- VCHP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte
de calor. ........................................................................................................................... 65
Figura 4.14- VCHP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte
de calor e um bloco paralelepipédico acoplado na região de condensação. ................... 67
Figura 4.15- Modelo de um gerador termoeléctrico para um automóvel com VCHP e o
respectivo sistema de arrefecimento dos conversores através de água. .......................... 68
Capítulo 5
Figura 5.1- Diagrama de blocos simplificado da aquisição do sinal. ............................. 72
Figura 5.2- Placas utilizadas para aquisição de dados. ................................................... 73
Figura 5.3- Imagem e diagrama de blocos do circuito integrado AD595/AD594
utilizados [80,81]. ........................................................................................................... 74
Figura 5.4- Circuito implementado para a aquisição do sinal dos termopares, junção de
referência e amplificação. ............................................................................................... 75
Figura 5.5- Imagens reais da implementação do circuito de aquisição de dados. .......... 75
Figura 5.6- Gráfico que relaciona a temperatura média dos termopares com um
termómetro de mercúrio. ................................................................................................. 76
Figura 5.7- Identificação dos elementos constituintes da caracterização. ...................... 77
Figura 5.8- Tensão (V) e Potência (P) de saída de um conversor termoeléctrico com
capacidade de 160 ºC. ..................................................................................................... 78
Figura 5.9- Tensão (V) e potência (P) de saída de um conversor termoeléctrico com
capacidade de 230ºC. ...................................................................................................... 79
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Figura 5.10- Heat Pipe implementado para os testes iniciais. ........................................ 80
Figura 5.11- Teste referência, efectuado sem fluido de trabalho no HP com ar. ............ 81
Figura 5.12- Teste efectuado com 10 mL de água e vácuo no HP com maçarico. ......... 82
Figura 5.13- Teste efectuado com 15 mL de água e vácuo no HP com maçarico. ......... 83
Figura 5.14- Teste efectuado com 20 mL de água e vácuo no HP com maçarico. ......... 84
Figura 5.15- Resumo da relação Temperatura na zona de calor do HP com a respectiva
potência térmica com água, para os testes efectuados com o maçarico. ......................... 85
Figura 5.16- Teste efectuado com 20 mL de Dowtherm A e vácuo no HP com maçarico.
......................................................................................................................................... 86
Figura 5.17- Resumo da relação Temperatura na zona de calor do HP com a respectiva
potência térmica com água e Dowtherm A, para os testes efectuados com o maçarico. . 87
Figura 5.18- Heat Pipe implementado com as respectivas optimizações. ...................... 88
Figura 5.19- Teste efectuado com 10 mL de água e ar no HP com um maçarico. ......... 89
Figura 5.20- Teste efectuado com 10 mL de água e vácuo no HP com um maçarico. ... 89
Figura 5.21- Resumo da relação Temperatura na zona de calor do HP com a respectiva
potência térmica com água, para os testes efectuados com o maçarico. ......................... 90
Figura 5.22- Teste efectuado com 10 mL de Dowtherm A e vácuo no HP com maçarico.
......................................................................................................................................... 91
Figura 5.23- Teste efectuado com 20 mL de Dowtherm A e vácuo no HP com maçarico.
......................................................................................................................................... 91
Figura 5.24- Resumo da relação Temperatura na zona de calor do HP com a respectiva
potência térmica com Dowtherm A, para os testes efectuados com o maçarico. ............ 92
Figura 5.25- HP de condutância variável implementado. Recipiente cilíndrico de 20 L
conectado à zona superior do HP. ................................................................................... 93
Figura 5.26- Teste efectuado com 20 mL de água e pressão de ar a 2 bar, 2 maçaricos. 94
Figura 5.27- Teste efectuado com 20 mL de água e pressão de ar a 12,5 bar, 1 maçarico.
......................................................................................................................................... 95
Figura 5.28- Teste efectuado com 20 mL de água e pressão de ar a 1 bar, 2 maçaricos. 96
Figura 5.29- Teste efectuado com 20 mL de água e pressão de ar a 10 bar, 2 maçaricos.
......................................................................................................................................... 96
Figura 5.30- Relação: potência máxima – temperatura no VCHP, com 2 maçaricos. .... 97
Figura 5.31- Teste efectuado com 20 mL de Dowtherm A com uma pressão de 1 bar. .. 98
Figura 5.32- Heat Pipe implementado com as respectivas optimizações para a colocação
dos conversores termoeléctricos. ..................................................................................... 99
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Figura 5.33- Implementação de um VCHP para a inserção de conversores
termoeléctricos e respectivo sistema de arrefecimento. ................................................ 100
Figura 5.34- Teste VCHP com um fluxo de água de arrefecimento constante com 1-2
maçaricos. ..................................................................................................................... 101
Figura 5.35- Potência térmica em função da temperatura fornecida pela fonte de calor.
...................................................................................................................................... 102
Figura 5.36- Esquema eléctrico da ligação dos 4 conversores termoeléctricos em série.
...................................................................................................................................... 102
Figura 5.37- Tensão eléctrica (V), Potência eléctrica (W), Eficiência (%) em função de
∆T dos 4 conversores. ................................................................................................... 103
Figura 5.38- Protótipo da implementação de um VCHP para a inserção de conversores
termoeléctricos e respectivo sistema de arrefecimento com 8 conversores. ................. 104
Figura 5.39- Imagens do gerador final implementado, com 8 conversores
termoeléctricos. ............................................................................................................. 105
Figura 5.40- Teste efectuado com 20 mL de água no VCHP, 13 bar e com 2 maçaricos.
...................................................................................................................................... 106
Figura 5.41- Potência térmica em função da temperatura fornecida pela fonte de calor.
...................................................................................................................................... 106
Figura 5.42- Esquema eléctrico da ligação dos 8 conversores termoeléctricos em série.
...................................................................................................................................... 107
Figura 5.43- Tensão eléctrica (V), Potência eléctrica (W), Eficiência (%) em função de
∆T dos 8 conversores. ................................................................................................... 107
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
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Índice de Tabelas
Tabela 3.1: Materiais e respectiva condutividade térmica [41,42]. ................................ 24
Tabela 3.2- Propriedades termoeléctricas de diferentes materiais [39]. ......................... 35
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
Universidade do Minho xxi
Lista de Símbolos
Variáveis
Símbolo Descrição Unidades Descrição
A Área m2 metro quadrado
C Capacidade F Faraday
C.O.P. Coeficient Of Performance (Coef. de
desempenho)
Adimensional
Caudal Caudal L/h Litros/hora
cc Cilindrada cm3 Centímetro cúbico
f.e.m. Força Electromotriz V Volt
I Corrente A Ampere
L Indutância H Henry
L Espessura m metro
Rendimento % Percentagem
P Potência W Watt
P Pressão bar bar
R Resistência Ω Ohm
T Temperatura K ou ºC Kelvin ou Célsius
t Tempo s segundo
U Tensão V Volt
U Coeficiente de Transferência de Calor
V Volume L litro
Z Figura de Mérito Kelvin
ZT Figura de Mérito Adimensional
κ Condutividade Térmica
Calor W Watt
Coeficiente Seebeck
Coeficiente Peltier V Volt
Resistividade Eléctrica Ohm metro
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
xxii Universidade do Minho
Constantes
Símbolo Valor Unidades
4186 J
1056 J
Índices
Símbolo Descrição
Diferença de Temperatura entre as Faces Fria e Quente
Potência Máxima Gerada
Potência de Entrada
Potência de Saída
Calor Proveniente da Face Quente
Calor Transferido para a Face Fria
Calor Transferido por Efeito de Joule
Resistência dos Contactos
Resistência Interna de um Conversor Termoeléctrico
Resistência Interna do Material Condutor
Resistência da Junção n
Resistência da Junção p
Resistência Total de Um Conversor Termoeléctrico
Temperatura no Lado Quente
Temperatura no Lado Frio
Tensão na Resistência Interna de Um Conversor Termoeléctrico
Tensão de Saída de Um Conversor Termoeléctrico
Tensão Seebeck
Coeficiente Seebeck Metal A
Coeficiente Seebeck Metal B
Resistividade dos Contactos
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
Universidade do Minho xxiii
Glossário
Símbolo Descrição
AC Alterante Current (Corrente Alternada)
ADC Conversor Analógico-Digital
CO2 dióxido de Carbono
CPL Capillary Pumped Loops
DC Direct Current (Currente Contínua)
DEI Departamento de Electrónica Industrial
FEM Ferramentas de Elementos Finitos
GM General Motors
HP Heat Pipe (Tubo de Calor)
IC Integrated Circuit
LabVIEW Software de Simulação
LHP Loop Heat Pipe
NASA National Aeronautics and Space Administration
NI National Instruments
PC Processor Computer
PHP Pulsating Heat Pipe
TEG Thermoelectric Generator (Conversor Termoeléctrico)
UE União Europeia
UM Universidade do Minho
USB Universal Serial Bus
VCHP Variable Condutance Heat Pipe
1
Capítulo 1
Introdução
1.1 Recuperação de Calor nos Automóveis
O mundo industrial encontra-se em constante evolução científica, nomeadamente no
sector automóvel, onde grande parte da indústria está direccionada para uma constante
melhoria da eficiência energética e ambiental. Cada vez mais, este assunto é fonte de
discussão por parte dos grandes líderes mundiais e governamentais.
Actualmente, milhões de veículos híbridos invadem cada vez mais as estradas com o
objectivo de reduzir a dependência dos combustíveis fosseis. Uma das principais
vantagens é a recuperação de energia residual desperdiçada, ou seja, através da
recuperação de energia durante a travagem. Embora seja feito um grande esforço de
investigação, pouca atenção e resultados têm sido obtidos [1]. No entanto, existem
outros meios de recuperação de energia num veículo accionado com motor de
combustão interna, devido às perdas de calor através do sistema de arrefecimento
(radiador), do sistema de lubrificação (água e óleo) ou ainda do calor perdido no sistema
dos gases de escape.
Hoje em dia, a recuperação de energia térmica e mecânica, têm cada vez mais um
papel fundamental num veículo, transformando estas energias em electricidade para um
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
2 Universidade do Minho
posterior consumo. A Figura 1.1, ilustra o panorama da distribuição da energia de um
automóvel [2,3,4].
Figura 1.1- Distribuição da energia dum automóvel.
A Figura 1.1 permite observar que a energia libertada para o sistema de escape é
da mesma ordem de grandeza da potência mecânica fornecida pelo motor. A potência
total do sistema de exaustão de gases e arrefecimento do motor é o dobro da potência
mecânica de tracção aproveitada. Parte da energia em forma de calor pode ser
regenerada em energia eléctrica e posteriormente usada para o carregamento de baterias
de um veículo híbrido, ou simplesmente para limitar a utilização do alternador de um
veículo convencional, proporcionando assim um menor consumo de combustível.
A temperatura dos gases de escape chega a ultrapassar 800ºC [8], estes limites são
cuidadosamente trabalhados para que se obtenha limites inferiores de temperatura com
o máximo de aproveitamento de potência térmica, ou seja, obter temperaturas menores
para aproveitar este calor.
Capítulo 1- Introdução
Universidade do Minho 3
1.2 Motivação
A utilização cada vez mais frequente dos combustíveis fosseis tem vindo a ser
uma preocupação crescente por parte das entidades governamentais nomeadamente das
grandes potências mundiais, no sentido da redução drasticamente da sua dependência.
Um dos grandes factores que contribuem em muito para este problema reside na
dependência destes combustíveis nos automóveis, com a consequente emissão de
elevadas quantidades de dióxido de carbono (CO2) para a atmosfera. Está provado que o
CO2 é um gás que provoca efeito de estufa e contribui para o Aquecimento Global.
Neste sentido, conversores termoeléctricos com elevada Figura de Mérito constituem
uma oportunidade do aproveitamento do calor proveniente do escape dos automóveis
para a geração de energia eléctrica. O reaproveitamento deste calor, permite produzir
energia para alimentar baterias e outros componentes eléctricos do automóvel, através
do uso de conversores baseados no efeito Seebeck.
Com esta tecnologia pretende-se reaproveitar o calor perdido nos gases de
exaustão do motor e transformá-lo em energia eléctrica para substituição do alternador,
numa fase posterior. Esta tecnologia, permitirá ter que passem simultaneamente os
veículos a consumir menos combustível a emitir menos e CO2 para a atmosfera.
A principal contribuição desta dissertação é demonstrar este conceito para
aplicação futura em automóveis.
1.3 Objectivos
Esta tese apresenta metodologias para solucionar o problema do desperdício de
calor num automóvel e respectivos métodos. A solução escolhida passa pela utilização
de conversores termoeléctricos funcionando como geradores de energia eléctrica. Os
objectivos fundamentais a atingir são os seguintes:
Utilizar conversores termoeléctricos para converter o calor desperdiçado no
escape dos automóveis em energia eléctrica.
Utilizar Heat Pipes de condutância variável para limitar a temperatura de
funcionamento, protegendo o gerador de sobreaquecimento.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
4 Universidade do Minho
Projectar, simular, construir e caracterizar um protótipo para geração de energia
eléctrica, utilizando a energia térmica desperdiçada na exaustão dos motores de
combustão dos automóveis, para isso, recorreu-se a conversores termoeléctricos para
transformar a energia térmica associada ao calor desperdiçado em energia eléctrica.
1.4 Estrutura da Tese
No capítulo introdutório é feita uma descrição do panorama geral da utilização
da energia dum automóvel, com ênfase à necessidade de recuperar o calor desperdiçado.
No segundo capítulo apresentam-se os conceitos relacionados com a
termoelectricidade, assim como implementações de geradores termoeléctricos existentes
em diversas aplicações. Além destas, apresentam-se também aplicações com Heat
Pipes.
Seguidamente, no terceiro capítulo aborda-se duma forma sucinta, os conceitos
relacionados com a termoelectricidade. São também clarificados, o modelo térmico e
eléctrico de um conversor termoeléctrico baseado nos efeitos Seebeck e Peltier.
O capítulo quatro aprofunda o conceito de Heat Pipe ao mesmo tempo que
apresenta utilizações desta tecnologia. Mostrar-se-ão também, as diferentes tipologias
implementadas, bem como o seu modelo e a intersecção destes com a
termoelectricidade. São também feitas, algumas considerações de ordem prática.
O capítulo cinco apresenta todas as implementações, testes e resultados, que
demonstram o funcionamento, desempenho e eficiência dos geradores termoeléctricos
implementados, bem como, as implementações preliminares para o gerador final.
Finalmente, no capítulo seis, apresentam-se as conclusões e as propostas de
trabalho futuro.
1.5 Publicações
No decorrer da presente dissertação, no âmbito do departamento de Electrónica
Industrial e Departamento de Engenharia Mecânica, realizou-se a publicação de dois
artigos em conferências internacionais.
Capítulo 1- Introdução
Universidade do Minho 5
Publicações em Conferência:
1. L. M. Gonçalves, Jorge Martins, Joaquim Antunes, Romeu Rocha e Francisco Brito,
―Modelling of Thermoelectric Generators for Automobile Exhaust Gas Applications
with Heat-Pipe Temperature Control‖, em ASME 2010 International Mechanical
Engineering Congress, Vancouver, British Columbia, Canada, 2010
2. Jorge MARTINS, Francisco P. BRITO, L.M. GONCALVES, Joaquim ANTUNES,
―Thermoelectric Exhaust Energy Recovery with Temperature Control through Heat
Pipes‖, submetida para ser apresentada ao SAE 2011 World Cogress, Cobo Hall,
Detroit, Michigan, USA, em 12-14 de Abril, 2011
7
Capítulo 2
Estado da Arte
2.1 Introdução
Actualmente, o mundo é movido maioritariamente através da energia eléctrica que
juntamente com outras formas de energia dão espaço à movimentação de todos os seres
físicos. Olhando para este problema, torna-se inevitável e inconsciente o dramático
desgaste a nível ambiental. Reflectindo um pouco sobre esta questão, verifica-se que ao
longo do tempo, este tem sido um problema de bastante interesse das instituições e dos
órgãos políticos mundiais, de alguns anos para cá. As indústrias são alvo de grande
preocupação por parte dos ambientalistas. No entanto, existem outras fontes de
consumo de energia que suscitam também esta preocupação. Um exemplo é o caso dos
automóveis, onde grande parte das emissões de CO2 são de origem dos gases de escape.
Os automóveis e outros mecanismos industriais são cada vez mais construídos
tendo em conta o impacto ambiental. No entanto, avista-se ainda um enorme trajecto a
percorrer. Neste sentido, e na tentativa de reduzir o uso de combustíveis fosseis nos
automóveis, surge a oportunidade de reaproveitamento do calor do escape para geração
de energia eléctrica.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
8 Universidade do Minho
Neste capítulo apresentam-se algumas aplicações existentes quer a nível de
implementações em automóveis como noutras situações.
2.2 Distribuição da energia num Automóvel
Ao longo dos tempos, os investigadores têm trabalhado para recuperar o calor do
escape dos automóveis, utilizando conversores termoeléctricos [5]. No entanto, a
potência eléctrica gerada é reduzida e serve apenas para alimentar alguns conversores
eléctricos constituintes de um automóvel. Um sistema de aproveitamento de calor num
automóvel pode ser mais eficiente e gerar uma potência superior, quando se aproveitam
todas as perdas de calor, nomeadamente o calor perdido nos sistemas de arrefecimento,
de lubrificação e no respectivo escape [6].
Recentemente, os geradores termoeléctricos desenvolvidos para o automóvel,
utilizando avançados conversores termoeléctricos têm uma eficiência na ordem dos 5%,
ao qual poderia subir para os 6% com o aproveitamento do circuito de arrefecimento
[7,2]. Neste seguimento, um motor com um aproveitamento mecânico de 33% poderia
aumentar para um rendimento de 38%.
Em média, um automóvel aproveita cerca de 33% da energia de entrada
proveniente de combustíveis fosseis, onde 70% desta energia é desperdiçada para o
exterior na forma de calor. Pode-se assim afirmar que um veículo é uma verdadeira
fonte de calor [10]. Este desperdício de energia quando aproveitado através de materiais
termoeléctricos pode aumentar a actual eficiência na ordem dos 14% [10].
2.3 Conversores Termoeléctricos
Em 1822, o físico Thomas Seebeck [11,12] descobriu a existência de corrente
eléctrica enquanto observava efeitos electromagnéticos associados a diferentes
materiais. Esta teoria mostra que uma junção de dois materiais distintos e a diferentes
temperaturas criam uma diferença de potencial eléctrico entre ambos. Este fenómeno dá
origem ao aparecimento de uma corrente eléctrica quando esse circuito é fechado. Isto
significa que, uma diferença de temperatura entre dois materiais provoca uma diferença
Capítulo 2- Estado da Arte
Universidade do Minho 9
de potencial eléctrico. Esta diferença de potencial é quantificada pelo coeficiente
Seebeck (α), dado pela seguinte equação [12,18]:
(2.1)
Onde (V) é a diferença de potencial eléctrico e (K) é a diferença de
temperatura.
Em complemento a este fenómeno, Jean Peltier descobrem em 1934 [12,15], o
oposto deste efeito, ou seja, uma corrente eléctrica ao atravessar na junção de dois
materiais diferentes, provoca o arrefecimento dessa junção. Isto resulta na absorção ou
libertação de energia térmica. Esta energia observa-se pelo aumento ou diminuição da
temperatura. Este fenómeno designa-se por efeito Peltier e é dependente do coeficiente
Peltier (π) que é proporcional ao coeficiente de Seebeck ( ) e à temperatura (T):
(2.2)
A corrente pode fluir em dois sentidos. Num sentido absorve calor do meio onde
se encontra, e quando se inverte o sentido da corrente, a junção onde absorvia calor,
passa a irradiar calor para o exterior.
Tendo por base estes dois efeitos, os conversores termoeléctricos, são úteis para
reaproveitar energia em diversos equipamentos (Figura 2.1).
Figura 2.1- Macro conversor termoeléctrico baseado nos efeitos Seebeck e Peltier. As extremidades são
constituídas por placas de cerâmica [24].
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
10 Universidade do Minho
Os conversores termoeléctricos são constituídos por junções semicondutoras do
tipo p e n, e destinam-se a funcionar como geradores eléctricos, onde produzem tensão
eléctrica através da diferença de temperatura entre as faces, ou para o arrefecimento,
quando é aplicada uma tensão eléctrica aos seus terminais, e calor é transferido de uma
face para a outra. O desempenho varia consoante as dimensões, o tipo de materiais e as
condições de funcionamento. Actualmente existem conversores para funcionar com
diferentes temperaturas, ou seja, existem vários limites de temperatura máxima para
diferentes tipos de conversores sem que estes se danifiquem. No presente, encontra-se
desenvolvido pela Kryotherm, Ferrotec, Pacific Supercool, entre outras [19,20,21],
conversores com capacidade para temperaturas na ordem dos 230 ºC, com dimensões de
40 mm x 40 mm x 3,9 mm. A empresa Kryotherm, desenvolveu também recentemente,
conversores com capacidade para suportar temperaturas na ordem dos 300 ºC, contudo,
apresentam baixa eficiência e uma reduzida Figura de Mérito (próxima da unidade) [10]
(medida que quantifica o desempenho de um conversor). No entanto, os materiais que
actualmente compõem estes conversores (telureto de bismuto e antimónio) [57],
apresentam baixa eficiência e reduzida Figura de Mérito [18] (próxima da unidade),
independentemente da temperatura máxima admissível [18]. Com estes materiais, à
medida que a temperatura máxima aumenta, diminui a Figura de Mérito [10]. Para a
resolução deste problema, a solução passaria então, pela utilização de conversores
constituídos por silício-germânio (SiGe), estes aguentam uma temperatura máxima na
ordem dos 1000 ºC [22,10].
2.4 Geradores Termoeléctricos
A utilização de conversores termoeléctricos nos gases de escape para o
reaproveitamento de calor, tem vindo a aumentar. Este método tem sido também
utilizado pela NASA desde os anos 60, para produção de energia eléctrica no espaço
para pequenos reactores [23].
As primeiras implementações de geradores termoeléctricos em veículos
ocorreram em camiões com motor a gasóleo. Há alguns anos atrás (cerca de 12 anos)
[29], os investigadores começaram a dar mais ênfase ao uso de geradores
termoeléctricos em veículos. Foi desenvolvido em 1994 um gerador para um camião,
Capítulo 2- Estado da Arte
Universidade do Minho 11
sendo este testado por cerca de 900 000 quilómetros, obtendo um elevado número de
distância de autonomia e elevada taxa de sucesso [29]. Na Figura 2.2 representa-se o
gerador implementado pela Hi-Z Technology.
(a) Local de instalação do gerador (b) Gerador termoeléctrico
Figura 2.2- Local do veículo onde foi colocado o gerador (a). Imagem interna do gerador e respectivos
conversores termoeléctricos (b) [26,29].
Recorrendo a conversores termoeléctricos de efeito Seebeck, ligados
electricamente em série, produziu-se então o gerador termoeléctrico. Ficou demonstrado
que tem capacidade de produzir uma potência eléctrica na ordem de 1kW a partir dos
gases de escape, gases estes que chegam a ultrapassar os 700ºC. Obtendo-se um ganho
no respectivo consumo de combustível [29].
Em paralelo com o sistema anterior, foi desenvolvido na mesma época (1998),
um gerador para um automóvel com motor a gasolina de 3000cc [23]. Este foi estudado
e desenvolvido recorrendo ao uso de conversores termoeléctricos constituídos por
silicio–germanio (SiGe) colocados na zona de escape do automóvel, ligados
electricamente em série. Este gerador recorreu a 72 conversores termoeléctricos
colocados entre o tubo de escape e uma secção de arrefecimento onde circula água. A
potência eléctrica gerada foi de 950W, para um ∆T máximo de 290ºC, entre o lado frio
e quente. Este gerador obteve uma eficiência de 11% [23].
No âmbito da DOE/EPRI workshop 2004 [25], a General Motors apresentou
sistemas de reaproveitamento de energia recorrendo a estes geradores e foram
apresentados para alguns modelos de automóveis em estudo (Figura 2.3).
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
12 Universidade do Minho
Figura 2.3- Exemplos de veículos para futuras aplicações [25].
Em 2008 a California Institute of Technology, apresentou algumas soluções e
aplicações de geradores termoeléctricos em veículos, no âmbito da DEER conference
[26]. Estes autores começaram por avaliar a energia consumida e desperdiçada no
sistema de exaustão de um automóvel. Foi feita a caracterização do sistema e a análise
do local de implementação do gerador termoeléctrico, para um BMW série 5 com motor
a gasolina. Na Figura 2.4 mostra-se o local de implementação do gerador
termoeléctrico.
Figura 2.4- Gerador termoeléctrico implementado num veículo de teste e a respectiva localização [25,26].
A BMW está a trabalhar juntamente com a BSST, DEUSA, VISTEON, NETL e a
CIT, para adaptar os geradores termoeléctricos aos sistemas de escape dos seus
veículos. A energia fornecida por este gerador ronda os 500W de potência eléctrica em
condução de cidade e 1kW de máxima potência, ou seja, em auto-estrada. Esta potência
pode ser utilizada para alimentar sistemas como o ar condicionado, o rádio, ou até o
GPS. Esta empresa afirma que esta tecnologia poderá melhorar o uso do combustível
até 10% sem produzir quaisquer emissões de CO2. Esta equipa de investigação pretende
também obter uma Figura de Mérito superior à unidade, assim como, uma eficiência
termoeléctrica na ordem dos 12% [26]. Mais recentemente, a VolksWagen (VW) e a IAV
[27] desenvolveram um protótipo de um gerador termoeléctrico onde foi implementado
num VW Golf Plus, representado na Figura 2.5.
Capítulo 2- Estado da Arte
Universidade do Minho 13
Figura 2.5- Gerador termoeléctrico implementado num veículo de teste VW Golf e a localização [28].
Este gerador foi projectado para produzir cerca de 30% da energia eléctrica que o
veículo necessita [28] e apresenta uma potência eléctrica na ordem dos 600 W.
Com esta redução do consumo de gasolina (investigadores apontam para 10%),
cerca de 378 milhões de litros de gasolina deixarão de ser queimados por ano
[26,29,30]. Estes valores foram estudados apenas para os veículos que circulam nos
Estados Unidos.
Com base em resultados obtidos pela General Motors, o futuro dos geradores
termoeléctricos permitirá substituir o alternador dos automóveis, e nos próximos 3 anos
aparecerão os primeiros automóveis sem alternador, pois esta é uma tecnologia viável a
curto prazo para economizar combustível [29,30].
2.5 Heat Pipes
Em determinados sistemas existe a necessidade de transferir calor com elevada
potência, nem sempre este é um processo simples de implementar, quando tal acontece,
surge a necessidade de usar mecanismos de transferência de calor. A principal função
dos Heat Pipes é a transferência de calor de uma região para outra. Consistem
fundamentalmente em conversores com a capacidade de transferir a uma determinada
temperatura uma dada potência térmica sem que haja perdas para o exterior. Um Heat
Pipe é constituído por um tubo em metal com as extremidades fechadas. No seu interior
existe um líquido (um reduzido volume), habitualmente designado por fluido de
trabalho, ar e vapor.
Os Heat Pipes possuem três zonas distintas, zona de vaporização, condensação e
transporte. A zona de vaporização consiste no aquecimento da extremidade do tubo,
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
14 Universidade do Minho
havendo lugar à vaporização ou ebulição do líquido. Na zona de condensação, o vapor
(formado na zona anterior) condensa fornecendo calor por esta parte do Heat Pipe.
Estas duas zonas são ligadas pela zona de transporte em que o vapor e o líquido são
transferidos de uma extremidade para a outra.
A CRS Engineering apresenta HPs com diâmetros de 2 mm a 12 mm e
comprimento de 50 mm a 350 mm, com um máximo de 220 W de potência térmica
transferida [34] de uma extremidade para a outra. No caso da Thermacore, os valores
são mais reduzidos, esta apresenta uma máxima transferência de potência de 180 W
[35], com diâmetros de 6 mm a 16 mm e comprimento de 76 mm a 457 mm.
A aplicação destes conversores estende-se tanto ao nível doméstico como a nível
industrial, embora durante anos estiveram apenas limitados a aplicações aeroespaciais
[32]. Estes popularizaram-se com o aumento da utilização da electrónica devido às
enormes perdas de calor. Seguidamente, apresentam-se algumas aplicações.
Actualmente os HPs são amplamente utilizados em computadores e em
componentes que o constituem, como exemplo, placas de vídeo, representados na
Figura 2.6.
Figura 2.6- Heat Pipes em equipamentos electrónicos de baixa potência utilizados em computadores [32].
Estes conversores têm como objectivo transferir o calor proveniente dos
conversores electrónicos ao dissipador situado na periferia do equipamento.
A tecnologia Heat Pipe, é também utilizada em colectores solares para absorver a
energia térmica absorvida no painel e transferir ao depósito de água aquecida. De
acordo com a sua operação em elevadas temperaturas e as suas reduzidas perdas de
calor, estes são indicados e muito usados em aplicações com painéis solares [32,65].
Paineis solares com HPs em habitações conseguem atingir potências na ordem dos kW,
sendo estes resultados apenas alcançáveis com o uso de HPs [65].
Capítulo 2- Estado da Arte
Universidade do Minho 15
2.6 Outras Aplicações
Com o aparecimento dos conversores termoeléctricos, surgiu também o interesse
de adaptar estes a outras aplicações onde tenham elevadas perdas de calor. Torna-se
rentável aplicar estes geradores em equipamentos electrónicos de baixa potência, tais
como, pulseiras para geração de energia eléctrica, relógios de pulso ou até mesmo no
vestuário [26]. Um exemplo de bastante interesse é o calor existente no corpo humano,
que pode ser aproveitado para a geração de energia eléctrica com intuito de alimentar
por exemplo, um relógio.
Actualmente, existem implementações com elevado sucesso em relógios, como a
Citizen e Seiko [26,36,37], onde expõem como principal vantagem o facto de dispensar
do carregamento ou troca da bateria. São capazes de produzir tensões de 640 mV e
200 mV, respectivamente.
Esta tecnologia é também muito explorada e posteriormente implementada pelo
exército em vários equipamentos, nos tanques blindados, na roupa dos soldados e até
mesmo nas cozinhas ambulantes montadas em campo. O projecto das cozinhas
ambulantes designa-se por: Total Army Field Feeding-2010 (TAFF-2010) [26,33] e está
a ser desenvolvido pelo exército Americano. Estas cozinhas utilizam a tecnologia
termoeléctrica para reduzir e optimizar a logística da zona de alimentação nos
acampamentos, facultando assim fogões mais eficientes [33]. Este sistema, visa
aproveitar o calor perdido na confecção dos alimentos para a geração de energia
eléctrica, a fim de accionar o sistema e recarregar a bateria, além disso, reduz o uso e o
custo do combustível. O gerador termoeléctrico produz 20 W de potência eléctrica,
aproveitando para o lado frio um recipiente onde é colocado água. A zona quente é
aquecida com a chama do fogão. O gerador produz também energia para ser usada em
iluminação, rádios e conversores de comunicação, entre outros. Na Figura 2.7 encontra-
se representado imagens alusivas a esta implementação.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
16 Universidade do Minho
Figura 2.7- Demonstração das cozinhas utilizadas pelo exército Americano [33].
Uma das primazias mais importantes é a independência de uma fonte exterior de
energia, podendo ser abandonado em campo.
17
Capítulo 3
Termoelectricidade
3.1 Introdução
A termoelectricidade encontra-se presente em inúmeros processos industriais e em
diversos fenómenos onde o factor temperatura se destaca. Neste capítulo são
apresentados alguns fenómenos e efeitos presentes nos conversores termoeléctricos,
assim como, a análise teórica desses conversores. Os conversores termoeléctricos
consistem fundamentalmente na aplicação dos efeitos Seebeck e Peltier. São explicados
os modos de funcionamento de um conversor, assim como o seu desempenho e
rendimento, apresentando algumas curvas características.
São mencionados também, aspectos importantes como a Figura de Mérito (Z e
ZT) [adimensional] que quantifica o desempenho de um conversor termoeléctrico, a
Condutividade Térmica (κ) [Wm-1
K-1
], assim como os modelos térmicos baseados nos
efeitos mencionados neste capítulo.
Uma questão de bastante relevo que não poderia deixar de ser abordada neste
capítulo, é a aplicação dos conversores termoeléctricos em automóveis, ou seja, é
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
18 Universidade do Minho
abordada a implementação e o princípio de funcionamento de um gerador
termoeléctrico.
No final é feito um resumo onde são mencionadas as conclusões exemplificando
do ponto de vista do autor, e realçando alguns exemplos de aplicação, baseados em
alguns artigos científicos devidamente referenciados.
3.2 Efeito Seebeck
O efeito Seebeck consiste fundamentalmente na transferência de electrões de uma
região quente para uma outra de menor temperatura. Dito por outras palavras, a
existência de uma diferença de temperatura num determinado condutor eléctrico, produz
uma diferença de potencial eléctrico (∆V) [V] e um fluxo de corrente eléctrica (quando
o circuito é fechado), este fenómeno encontra-se ilustrado na Figura 3.1. Os electrões da
região com a temperatura mais elevada (região quente) deslocam-se para a região com
menos temperatura (região fria), onde o nível de energia cinética é menor [38,39].
Figura 3.1- Princípio do efeito Seebeck. Orientação dos electrões no sentido junção quente–junção fria.
Com base na Figura 3.1, observa-se que quando um metal é aquecido numa
extremidade e arrefecido na outra, os electrões deslocam-se da região quente para a
região fria tornando-se energeticamente mais fortes, fazendo com que haja excesso de
iões positivos na região quente e excesso de electrões na região fria. Aos terminais das
extremidades do semicondutor é gerada uma diferença de potencial (∆V) [V] na ordem
de alguns millivolts (mV), também conhecida por tensão termoeléctrica. Essa diferença
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 19
de potencial por unidade de diferença de temperatura é designada por efeito Seebeck,
onde matematicamente é obtido na seguinte forma:
(3.1)
Contudo, este fenómeno nem sempre é válido da mesma forma. Quando os
electrões se difundem da junção quente para a junção fria, o coeficiente de Seebeck é
negativo. Por outro lado, quando a propagação de electrões é feita no sentido contrário,
o coeficiente de Seebeck é positivo [16].
Este efeito é utilizado em diversas aplicações como sensor de temperatura
(termopares) e como gerador de energia eléctrica quando o circuito é fechado, (Figura
3.2).
(a) Tensão gerada (b) Energia eléctrica gerada
Figura 3.2- Efeito Seebeck a operar como sensor de temperatura (a) e gerador de energia eléctrica (b).
Um exemplo de aplicação deste efeito pode ser obtido rapidamente quando se
coloca uma das extremidades no gelo por exemplo, e a outra a elevada temperatura.
Para se perceber que existe efeito Seebeck, basta colocar um voltímetro nas suas
extremidades como ilustra na Figura 3.2.
3.3 Efeito Peltier
Ao contrário do efeito Seebeck, o efeito Peltier consiste na produção de uma
diferença de temperatura quando a junção de dois materiais diferentes é percorrida por
uma corrente eléctrica. Na junção de dois condutores diferentes é absorvida ou libertada
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
20 Universidade do Minho
energia térmica, dependendo do sentido da corrente que o percorre, sendo esta energia
térmica proporcional a esta corrente. Quando uma corrente eléctrica atravessa a junção
de dois diferentes condutores, a junção arrefece absorvendo energia térmica do meio
onde se encontra [40]. Invertendo o sentido da corrente, a junção aquece provocando
um aquecimento do meio onde se encontra através da libertação de energia térmica. Este
fenómeno é quantificado pelo coeficiente Peltier, π, e é relacionado com o coeficiente
Seebeck α da seguinte forma [15]:
(3.2)
O parâmetro T representa a temperatura da junção. O significado físico da
variável π, corresponde à energia térmica libertada ou absorvida por unidade de tempo e
corrente eléctrica, sendo expresso em Volt. A polaridade desta tensão depende da
temperatura da junção e dos materiais usados na sua construção. A demonstração deste
efeito encontra-se exemplificada na Figura 3.3.
(a) Efeito Peltier – Aquecimento (b) Efeito Peltier - Arrefecimento
Figura 3.3- Demonstração do efeito Peltier. Irradiação e absorção de calor, (a) e (b) respectivamente.
O efeito Peltier é conseguido através de uma corrente gerada por uma fonte exterior
ou pelo seu próprio par termoeléctrico. Este efeito termoeléctrico é utilizado em
diversos sectores da electrónica, nomeadamente para o controlo de temperatura de
componentes e circuitos. No sector industrial, é utilizado em pequenos frigoríficos sem
compressor. Na Figura 3.4 apresenta-se a exemplificação de dois diferentes materiais
com a respectiva passagem da corrente eléctrica. Tipo n corresponde a Bismuto, telurio,
Selenio (BiTeSe) e Tipo p corresponde a Bismuto, Telurio, Antimônio (BiTeBb) [13,14].
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 21
Figura 3.4- Aplicação do efeito Peltier com diferentes materiais. Representação do sentido da corrente (I).
3.4 Termopar
Um termopar é constituído por dois condutores metálicos distintos, de metal puro
ou ligas homogéneas. Os dois metais são soldados (fusão por aquecimento) numa
extremidade, que se designa por junção quente ou junção de medição. A outra
extremidade dos condutores é utilizada para a respectiva medição, designado por junção
de referência, fechando assim o circuito eléctrico por onde flui a corrente eléctrica.
O funcionamento dos termopares é um bom exemplo de aplicação do efeito
Seebeck, onde a tensão gerada é proporcional à diferença de temperatura entre as
extremidades do sensor. A tensão medida nas extremidades de um termopar é obtida
através da seguinte expressão:
(3.3)
Onde e são as constantes Seebeck dos metais e dependem da constituição
dos materiais.Duas junções de diferentes metais a diferentes temperaturas geram uma
força electromotriz (f.e.m.) que é proporcional à diferença de temperatura. Na Figura 3.5
representa-se a estrutura de um termopar.
Figura 3.5- Termopar com diferentes metais A e B.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
22 Universidade do Minho
Estes sensores medem a diferença de temperatura entre dois pontos, por este
motivo é indispensável determinar a temperatura de uma das junções, para saber a
temperatura da outra. Em muitas aplicações, a junção de referência (constituída por
gelo, ver Figura 3.6) é substituída por circuitos electrónicos. É também importante que a
linearidade destes sensores seja a maior possível de forma a obter um menor erro e
maior exactidão [48].
Figura 3.6: Termopar, onde a junção A e B constitui a junção de teste. A temperatura de referência é obtida
com gelo (0ºC).
Estes sensores são muito usados em várias aplicações, nomeadamente no sector
industrial, principalmente nas indústrias: metalúrgica e metalomecânica e siderurgias
onde a medida de temperaturas elevadas é importante. A linearidade, precisão e
estabilidade são melhores que um termistor ou uma termoresistência [38], e uma grande
vantagem é a sua área de medida ser muito reduzida. Um termopar é um sensor de
temperatura diferente de todos outros, visto que a sua resposta está directamente
relacionada com a diferença de temperatura das junções de referência e medição, Th e Tc
respectivamente.
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 23
3.5 Condutividade Térmica
A condutividade térmica ( ) é uma propriedade física dos materiais que mede a
capacidade de transferir calor através da sua secção. É definida como a potência térmica
transferida por unidade de área ao longo de uma espessura unitária sujeitas a uma
diferença de temperatura unitária (Wm-1
K-1
). Esta propriedade é usada na expressão de
cálculo da potência térmica:
(3.4)
Onde [W] corresponde à potência térmica transmitida através de uma espessura
[m] de área [m2], com uma diferença de temperatura [ºC], e uma condutividade
térmica .
Outro factor importante é o coeficiente global de transferência de calor (U), é
utilizado quando existem várias camadas de materiais diferentes e de diferentes
espessuras, este corresponde à potência térmica que atravessa a unidade de área quando
sujeita a uma diferença de temperatura unitária [38] e é expresso em ( ).
Assim a potência térmica em função de U é dada por:
(3.5)
Num só material, este coeficiente relaciona-se directamente com a condutividade
térmica por:
(3.6)
Na Tabela 3.1 apresenta-se a condutividade térmica para diferentes materiais
[41,42,43], apresentando em primeiro lugar um dos metais com melhor condutividade
térmica.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
24 Universidade do Minho
Tabela 3.1: Materiais e respectiva condutividade térmica [41,42].
Material Condutividade Térmica (W )
Prata 426
Cobre 398
Alumínio 237
Tungstênio 178
Ferro 80,3
Vidro 0,72 – 0,86
Água 0,61
Tijolo 0,4 – 0,8
Madeira (pinho) 0,11 – 0,14
Fibra de Vidro 0,046
Espuma de Poliestireno 0,033
Ar 0,026
Usando a Tabela 3.1, é possível calcular a transferência de calor de uma superfície
para o seu extremo.
3.6 Figura de Mérito
Este conceito visa caracterizar o desempenho de um conversor, sistema ou método
em relação a outras alternativas existentes, ou seja, consiste numa medida de
desempenho dos materiais termoeléctricos. A figura de mérito é representada por
Z ou ZT (adimensional), relaciona os efeitos Seebeck (α) [ ], a
resistividade eléctrica ( ) e a condutividade térmica ( ) de um conversor
termoeléctrico, matematicamente é obtida da seguinte forma [16,43]:
(3.7)
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 25
Este parâmetro mostra que quanto maior a resistividade do seu material, maior é o
aquecimento por efeito de joule e pior a figura de mérito. As variáveis e
representam o cálculo equivalente de todas as condutâncias térmicas e resistências do
conversor. O parâmetro Z é frequentemente substituído por ZT, onde o material é
caracterizado para uma determinada temperatura [18,44,45].
(3.8)
Esta relação ( ) depende acima de tudo das propriedades termoeléctricas dos
materiais utilizados, no entanto, a Figura de Mérito não tem um comportamento
constante com a temperatura, pois as três variáveis {α, ,κ} além de dependerem da
temperatura também se verifica que a variação de uma delas afecta a variação de pelo
menos uma das outras. Um bom material termoeléctrico possui uma elevada figura de
mérito ( ) [47].
3.7 Conversores Termoeléctricos
Um conversor termoeléctrico de efeito Seebeck – Peltier, é como o próprio nome
indica, baseado nestes efeitos. É amplamente utilizado em aplicações de arrefecimento
ou aquecimento onde o seu reduzido tamanho, o facto de consistir numa única peça, a
sua simples implementação, a vantagem de não necessitar de manutenção e o seu
elevado tempo de vida, prevalecem sobre outros conversores como por exemplo,
evaporadores, condensadores ou compressores. Estes conversores são muito utilizados
em pequenos frigoríficos portáteis, em equipamentos de laboratório, no arrefecimento
de processadores para aumentar o seu desempenho, entre várias aplicações. Na Figura
3.7 representa-se a estrutura de um conversor termoeléctrico convencional.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
26 Universidade do Minho
Figura 3.7- Conversor termoeléctrico baseado no princípio de funcionamento Seebeck – Peltier [19].
A sua composição é feita por junções de materiais do tipo p e do tipo n, ligadas
electricamente em série por junções metálicas e termicamente em paralelo (Figura 3.7).
Quando está a ser percorrida por uma corrente eléctrica, esta entra pelo terminal (+),
percorre todos os elementos em série e sai pelo outro terminal (-). Os pares térmicos
encontram-se colocados entre duas placas de cerâmica planas na base do óxido ou
nitrato de alumínio que são utilizados para o contacto térmico do conversor ao restante
sistema [19].
O princípio de funcionamento destes conversores baseia-se nos efeitos Seebeck e
efeito Peltier. No efeito Peltier, quando uma corrente percorre num sentido, uma das
faces vai irradiar e a outra absorver calor. Quando essa corrente percorre no sentido
contrário, essa mesma face absorve calor e a outra emite calor. Para uma boa eficácia,
ambas as faces devem estar bem isoladas entre si. No funcionamento como geradores
termoeléctricos é utilizado o efeito Seebeck, onde a energia eléctrica é gerada através de
diferença de temperatura entre as faces. Na Figura 3.8 representa-se o circuito eléctrico
equivalente de um conversor, onde [V] é a tensão gerada, [Ω] a resistência
eléctrica interna e [V] a tensão eléctrica aos terminais do conversor.
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 27
Figura 3.8- Circuito eléctrico de um conversor termoeléctrico convencional.
Analisando o circuito da Figura 3.8 verifica-se que a expressão obtida para o cálculo
de é obtida da seguinte forma:
(3.9)
Substituindo por , ou seja, pela queda de tensão na resistência eléctrica
interna quando o circuito é fechado e por ele é percorrida uma corrente eléctrica:
(3.10)
Por outro lado, resolvendo a expressão em ordem a , para se obter a tensão
gerada no módulo termoeléctrico obtém-se:
(3.11)
Em que corresponde à tensão Seebeck, ou seja, a tensão de alimentação de um
conversor corresponde à soma de dois valores: queda de tensão na resistência interna e a
tensão Seebeck. Idealmente a resistência interna destes módulos deveria ser nula, como
isso não acontece, pretende-se que essa resistência seja a menor possível, para que a
potência transmitida para o gerador seja máxima. A diferença de temperatura entre a
face fria e a quente, geram uma diferença de potencial por efeito Seebeck.
(3.12)
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
28 Universidade do Minho
Onde, corresponde à diferença de temperatura entre as duas faces e representa
o coeficiente de Seebeck dos materiais p e n. Desta forma, é então, possível determinar
a diferença de temperatura entre as faces em função do circuito eléctrico [46].
(3.13)
3.7.1 Funcionamento como Gerador Termoeléctrico
Quando estes conversores termoeléctricos estão a operar como geradores de energia
eléctrica, encontram-se sob a aplicação do efeito Seebeck, produzindo assim, energia
através de diferenças de temperatura. A diferença de temperatura entre a face quente e a
de menor temperatura, é correspondente à tensão eléctrica gerada, no entanto para cada
tipo e fabricante de conversores a sua curva característica pode variar. Existe sempre um
ponto óptimo de potência (tensão, corrente) gerada relativamente à diferença de
temperatura ( ). Na Figura 3.9 pode ser visto a representação de um conversor
termoeléctrico de um elemento, a funcionar como gerador de energia. Quando estes
módulos funcionam como geradores, não existe qualquer tipo de fonte de alimentação
DC externa, apenas uma carga (resistência, motor, entre outros). Como mostra a Figura
3.9, a corrente eléctrica é produzida pelo movimento das cargas da junção quente para a
junção fria, no tipo p existe excesso de cargas positivas na região fria, e no tipo n os
electrões originam um excesso de cargas negativas junto da mesma região [42].
Figura 3.9- Funcionamento de um elemento em série de um conversor termoeléctrico a funcionar como
gerador.
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 29
Cada junção pn produz uma tensão na ordem das centenas dos millivolts, sendo a
tensão total multiplicada pelo número de junções (n) e é expressa da seguinte forma:
(3.14)
Onde e correspondem ao coeficiente Seebeck dos materiais condutores e
à diferença de temperatura. Para um bom desempenho destes conversores é necessário
que a condutividade térmica ( ) dos próprios seja a mais baixa possível para que se
obtenha o máximo grau de isolamento entre as placas de cerâmica, para que também
haja uma menor energia térmica transferida de uma face para a outra. A resistência
corresponde à resistência total do interior de um conversor, o ( ) consiste na
condutância térmica do mesmo (WK-1
), e é obtida por:
(3.15)
Este parâmetro depende das dimensões do material termoeléctrico, principalmente
da condutividade térmica ( ) da sua secção ( ) e do comprimento ( ) [18]. O parâmetro
( ) representa a resistência térmica total do conversor termoeléctrico.
(3.16)
É importante destacar que para além das resistências das junções pn e das
resistências dos contactos metálicos, existe a resistência térmica de contacto entre as
junções termoeléctricas e os contactos metálicos, mas que pode ser habitualmente
desprezada, relativamente às restantes.
O funcionamento como gerador de energia conduz a carga eléctrica que se encontra
na face quente para a face fria, fluindo através dos elementos condutores até à conexão
com a face de menor temperatura.
Com a tensão de saída do conversor termoeléctrico, sabendo também a
resistência eléctrica interna , é possível calcular a potência eléctrica ( ) gerada.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
30 Universidade do Minho
A potência de saída ( ) é obtida à plena carga, ou seja, quando a resistência interna
do conversor é igual à resistência da carga.
(3.17)
A resistência eléctrica interna é um parâmetro com a máxima relevância, visto que a
máxima potência, ou seja, a máxima transferência de energia é obtida quando a
resistência eléctrica interna do conversor é igual à resistência eléctrica da carga
( ), como pode ser visto na Figura 3.10. A resistência interna de um conversor
é obtida pela soma algébrica das resistências térmicas internas do material metálico da
junção ( ), a soma das junções pn e a resistência térmica dos contactos físicos ( ).
Figura 3.10- Circuito para medição da potência máxima num conversor termoeléctrico.
Um conversor termoeléctrico convencional é composto por n junções do tipo n e do
tipo p como mostra a Figura 3.11 (apenas para uma junção). Nos cálculos da
transferência de calor num conversor, desprezam-se as perdas entre os contactos, as
perdas para o ar e as perdas na cerâmica (o mesmo acontece para o arrefecimento).
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 31
Figura 3.11- Representação de uma junção p-n de um conversor termoeléctrico. S representa a área da
superfície de um elemento e l o comprimento.
A potência térmica transferida de uma face para a outra é dada em função da
diferença de temperatura (∆T) [ºC] e a condutância térmica (K) do conversor.
(3.18)
A condutância térmica do conversor é dada em função da condutância térmica de
cada junção pn. Cada junção contém uma determinada área (S) [m2], uma condutividade
térmica ( ) e um comprimento ( ). Como os elementos pn têm iguais volumes a
condutância térmica é igual para ambos, ou seja:
(3.19)
Substituindo a equação 3.19 na equação 3.18 obtém-se a potência térmica produzida
num conversor termoeléctrico funcionando como gerador de energia.
(3.20)
O calor transmitido ao conversor termoeléctrico proporciona uma tensão aos
terminais do gerador. Esta tensão é dada em função da expressão representada em 3.14.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
32 Universidade do Minho
Por outro lado, a resistência interna ( ) destas junções (n e p) depende da resistividade
eléctrica destes materiais ( ), da área e do comprimento.
(3.21)
A eficiência térmica de cada junção pn é obtida através da relação da potência de
saída, potência eléctrica (PMAX) [W] com a potência de entrada, potência térmica (Q).
(3.22)
A potência eléctrica máxima é obtida através da expressão 3.17. Substituindo na
expressão 3.22 o PMAX [W] por a expressão 3.17 e Q [W] pela expressão 3.20, obtém-se
a expressão final do rendimento numa junção pn.
(3.23)
Pode-se então concluir que o rendimento termoeléctrico de um conversor aumenta
com o aumento da diferença de temperatura e com o aumento da área da secção. Por
outro lado, quanto maior é o comprimento e a condutibilidade térmica menor é a
eficiência [15,16,18,58].
3.7.2 Funcionamento como Arrefecimento Termoeléctrico
Nesta aplicação é forçada uma corrente contínua aos terminais do conversor,
provocando assim o aparecimento de uma potência térmica nas faces do conversor
termoeléctrico, fazendo com que surja o aparecimento de uma diferença de temperatura
entre ambas as faces ( ). Esta aplicação pode ser vista na Figura 3.12. Uma vez mais,
recorre ao uso do efeito Seebeck e Peltier [42,16].
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 33
Figura 3.12- Funcionamento de um elemento em série de um conversor termoeléctrico a funcionar como
arrefecimento.
Na região de absorção de calor, os electrões fluem do material tipo p para o
material tipo n, onde o calor é absorvido, ou seja, convertido em energia térmica, uma
vez que os electrões transitam de um nível inferior para um nível de superior energia.
Na região de rejeição de calor, os electrões fluem do material tipo n para o material tipo
p, havendo libertação de calor, esta energia térmica é convertida em calor, devido à
transição para um nível inferior de energia. Os portadores de carga (positivos ou
negativos) deslocam-se sempre da junção fria para a junção quente. A capacidade total
calorífica de um conversor é proporcional à intensidade da corrente e depende sempre
da geometria do número de pares de junções e do material utilizado na sua constituição.
Nesta sequência, a expressão que descreve a absorção de energia no lado frio é obtida
através da seguinte equação de equilíbrio de energia [15,58]:
(3.24)
Onde corresponde à quantidade de energia que um conversor absorve do
exterior, no seu lado frio. As variáveis e representam o coeficiente Seebeck de
cada material p e n respectivamente. O valor da temperatura na face fria é representado
por . A corrente eléctrica é representada por I. A resistência interna eléctrica do
conversor representa-se por R, a condutância térmica é representada por K e
representa a temperatura na face quente. Numa comum aplicação de absorção de
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
34 Universidade do Minho
energia, ou seja, arrefecimento, a face quente encontra-se sempre acoplada a um sistema
de arrefecimento, este normalmente é implementado com dissipadores metálicos:
dissipadores através de ventilação forçada ou arrefecimento a água ou óleo, de forma a
não provocar o sobreaquecimento do conversor, para que este não exceda o limite
máximo da temperatura no seu interior. Por outro lado, na face quente obtém-se a
seguinte expressão, baseada também nos princípios da equação anterior.
(3.25)
Uma vez mais, através da Figura 3.12 verifica-se que corresponde ao fluxo de
calor que o conversor absorve do exterior na face fria, corresponde ao fluxo de calor
libertado no lado quente e representa a temperatura na face quente. Através das
equações acima descritas, observa-se que o calor libertado na face quente é sempre
maior que o calor absorvido na face com menor temperatura. Esta diferença é
compensada pela energia eléctrica que o conversor gera por efeito Seebeck.
Destacam-se ainda algumas vantagens deste modo de operação dos conversores
termoeléctricos relativamente a outros sistemas de arrefecimento. Este é um método de
produção de calor/frio silencioso e sem quaisquer tipos de vibrações, a potência do
arrefecimento é facilmente controlada, bastando regular a tensão de alimentação,
destacam-se também pelo elevado tempo de vida útil não necessitando de manutenção,
e do facto das dimensões serem compactas. Por outro lado, apresentam desvantagens,
têm um baixo rendimento e o custo de produção é elevado.
Para além do coeficiente da Figura de Mérito, os conversores termoeléctricos são
também destacados pelo seu coeficiente de desempenho (C.O.P.), este é um dos
parâmetros a ter em conta aquando o uso destes conversores. Com este coeficiente é
possível determinar a quantidade de calor que é absorvido pela face fria em função da
quantidade de energia eléctrica consumida pelo conversor [49]. Este é definido como o
calor absorvido na extremidade fria dividido pela potência eléctrica aplicada.
(3.26)
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 35
O parâmetro corresponde à quantidade de calor absorvido na junção fria,
enquanto indica a potência fornecida. Um conversor termoeléctrico com um
elevado C.O.P. consome menos potência eléctrica e absorve mais calor na face fria,
produzindo também mais calor na face quente. A selecção desejada para obtenção de
um conversor termoeléctrico, tem por norma, obedecer a um compromisso entre a
diferença de temperatura pretendida e a quantidade de calor que deve ser retirado. O
coeficiente de desempenho de um conversor é máximo (quando este opera em modo de
arrefecimento), para pequenas diferenças de temperatura. No funcionamento como
gerador, é necessário estar presente, diante de elevadas diferenças de temperaturas para
se obter o máximo desempenho [52].
3.7.3 Materiais Termoeléctricos
Ao longo dos anos grandes esforços são feitos com a intuição de se adoptar
materiais adequados para o fabrico dos conversores termoeléctricos. Há poucos anos
para cá, o valor da Figura de Mérito (ZT) tem vindo a aumentar. Este ainda tem um
valor muito reduzido (ZT=1 à temperatura ambiente). Um material com boas
propriedades termoeléctricas possui um elevado coeficiente de Seebeck e reduzidas
resistividade eléctrica e condutividade térmica. Na Tabela 3.2 apresentam-se alguns
materiais que compõem alguns conversores termoeléctricos existentes [39].
Tabela 3.2- Propriedades termoeléctricas de diferentes materiais [39].
Material Símbolo Coef. Seebeck
α (μVK-1)
Resistividade
(μΩm)
Cond. Térmica
κ (Wm-1K-1)
Figura de Mérito
ZT (300K)
Níquel Ni -18 0,070 91 0,015
Crómio Cr 18 0,13 94 0,008
Bismuto Bi -60 1,15 8,4 0,110
Antimónio Bb 40 0,42 18,5 0,062
Telureto de Bismuto Bi2Te3 -240 10 2,02 0,86
Telureto de Antimónio Sb2Te3 92 3,23 1,63 0,48
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
36 Universidade do Minho
Habitualmente um material com baixa resistividade eléctrica apresenta uma
elevada condutividade térmica.
Na utilização dos materiais à temperatura ambiente os compostos de Telúrio
(Te), Bismuto (Bi) e Antimónio (Sb) apresentam a maior Figura de Mérito. Por este
motivo são utilizados na maioria dos conversores termoeléctricos comerciais.
Recentemente surgiram investigações científicas que narram o fabrico de
materiais com Figura de Mérito muito superior às da Tabela 3.2, recorrendo a uma
estrutura em nanofios e superredes [39].
No gráfico da Figura 3.13 apresenta-se o comportamento de um conversor
termoeléctrico constituído por: Tipo n - Bi2Te3, Tipo p - Sb2Te3 para diferentes
temperaturas. Apresenta-se a variação dos parâmetros: resistência eléctrica interna (R),
condutividade térmica (κ), Figura de mérito (ZT) e o coeficiente Seebeck gerado em
função da temperatura.
Figura 3.13- Coeficiente Seebeck (S), resistência eléctrica (R) [Ω] e condutividade térmica (K) em função de
uma temperatura.
Na Figura 3.13 apresenta-se o coeficiente Seebeck (S), a resistência eléctrica (R),
a condutividade térmica (κ) e a figura de mérito (ZT) em função da temperatura. Com o
aumento da diferença de temperatura, a figura de mérito decresce (ZT). Isto deve-se à
diminuição do coeficiente de Seebeck, ao aumento da resistência e ao aumento da
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
S (V
/K)
R (
Oh
m),
K(W
/K),
ZT
T (ºC)
R K ZT S
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 37
condutividade térmica. Um grande problema na constituição destes conversores é a
questão da eficiência para altas temperaturas, actualmente os materiais utilizados na sua
constituição ainda apresentam uma reduzida figura de mérito e baixa eficiência, na
Figura 3.14 apresenta-se o comportamento típico de um gerador termoeléctrico (Tensão,
Potência máxima e Eficiência) quando uma das faces é mantida a 27 ºC e na outra face
é aplicada uma temperatura entre 50 ºC e 250 ºC.
Figura 3.14- Tensão de saída, potência eléctrica e eficiência de um gerador termoeléctrico em função da
temperatura na face quente, quando a face fria é mantida a 27 ºC.
A tensão de saída, potência eléctrica, eficiência e a temperatura na face quente são
obtidas com uma constante temperatura na face fria (27 ºC). Como pode ser observado
na Figura 3.14, acima de 230 ºC a eficiência começa a reduzir, o que significa que os
actuais conversores termoeléctricos não são os mais adequados para elevadas
temperaturas. Para contrariar este facto e para futuramente se obter uma melhor
eficiência e melhor figura de mérito, prosseguem exaustivas pesquisas por parte dos
investigadores [4].
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
0
2
4
6
8
10
12
0 50 100 150 200 250
Efic
iên
cia
(%)
Ten
são
(V)
, P
otê
nci
a (W
)
Temperatura (ºC)
Tensão Potência Eficiência
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
38 Universidade do Minho
3.8 Potência Térmica
Considerando dois corpos A e B de massa m, com temperaturas distintas, TA > TB,
existe uma transferência de energia do corpo A para o corpo B, esta transferência é tal,
que ocorre até ao momento em que ambos fiquem à mesma temperatura, ou seja, até ao
momento em que ocorra o equilíbrio térmico. A quantidade de calor (Q) transferido é
proporcional à massa m e á diferença de temperatura (TB - TA). Na Figura 3.15
exemplifica-se este fenómeno [17].
Figura 3.15- Diagrama representativo da fórmula fundamental da calorimetria. O calor é transferido de A
para B.
A quantidade de calor transferido de um corpo ( ) é dada pelo produto do calor
específico ( ) com a sua massa ( ) e variação de temperatura ( ). A expressão é
obtida através da fórmula fundamental da calorimetria.
(3.29)
Dividindo ambos os membros da equação (3.30) por obtém-se a potência
térmica, que corresponde à quantidade de calor transferido de um corpo por unidade de
tempo.
(3.30)
A potência térmica expressa em (W) é dada em função da massa do corpo pelo
produto do calor com a temperatura a dividir pelo tempo.
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 39
(3.31)
Esta potência pode ainda ser relacionada com a potência eléctrica dependendo
do tipo de aplicação.
3.9 Geradores Termoeléctricos
Actualmente o uso de materiais termoeléctricos tem sido amplamente procurado
devido a inúmeras razões, destacando-se sobretudo pela sua fiabilidade e pela sua
contínua produção de energia. O uso deste tipo de geradores pode ser implementado em
vários equipamentos, desde que haja dependência de calor, libertação ou absorção.
Analisando um pouco esta questão num panorama prático direccionado para os
automóveis, verifica-se que actualmente, apenas 30% da energia fornecida pelo
combustível a um veículo é aproveitada, os restantes 70% destinam-se às perdas de
calor pelas emissões de gases de escape [4,25]. Reflectindo um pouco sobre esta
questão, destaca-se que existe uma grande quantidade de potência térmica não
aproveitada, e uma vez aproveitada, torna o veículo menos dependente do uso de
combustível e mais ―amigo‖ do ambiente.
Com o uso de conversores termoeléctricos é possível aproveitar a energia perdida
pelos gases de escape na forma de potência térmica, para a produção de energia
eléctrica, para um posterior consumo pelo próprio, utilizando-a em vários periféricos do
automóvel, como, o sistema de iluminação, rádio, ar-condicionado, entre outros,
facultando assim um maior desempenho do próprio veículo de acordo com um menor
consumo de combustível.
3.9.1 Modelo Equivalente Eléctrico de um Sistema Térmico
Num sistema de reaproveitamento de calor num automóvel é importante abordar
todos os factores que influenciam o desempenho, nomeadamente a transferência de
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
40 Universidade do Minho
calor e todos os seus opositores, ou seja, todas as resistências que se opõem ao fluxo de
calor. Na Figura 3.16 representa-se um modelo eléctrico geral de um gerador
termoeléctrico desde a saída dos gases de escape, passando pelos conversores
termoeléctricos até ao sistema de arrefecimento dos conversores através de água. Neste
circuito encontra-se representado, a saída dos gases de escape, onde o calor libertado
pelo escape à temperatura de 800 ºC visualiza-se também, o arrefecimento dos
conversores termoeléctricos através de água a 50 ºC.
Figura 3.16- Modelo de um gerador termoeléctrico para um automóvel com o respectivo sistema de
arrefecimento dos conversores através de água.
Ainda no mesmo circuito, representa a resistência térmica da saída dos gases
quentes, representa os gases que saem do escape e vão para o ambiente antes de
passar pelo gerador, corresponde à resistência térmica do sistema que capta o calor
dos gases e transmite à face quente dos conversores, indica a resistência térmica dos
conversores termoeléctricos, esta resistência significa a resistência térmica entre as
faces quente e fria dos conversores termoeléctricos. O parâmetro equivale à
resistência térmica da transferência de calor ao líquido de arrefecimento, cita a
resistência térmica da saída da água fria e corresponde ao fluxo de calor transmitido
pelos gases de escape para todo o circuito. A temperatura dos gases de escape é máxima
quando atinge 800 ºC. Esta temperatura é enviada para a face quente dos conversores
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 41
termoeléctricos, no entanto, pelo meio existe uma oposição térmica entre o motor e a
face quente dos conversores ( ) e as perdas de calor pelo próprio escape ( ).
Pretende-se que os conversores termoeléctricos tenham a máxima eficiência, para tal,
pretende-se que estes tenham uma reduzida condutividade térmica entre ambas as faces,
portanto, pretende-se que a resistência térmica associada a estes conversores seja
elevada. Junto à face fria dos conversores encontram-se as condutas de arrefecimento
através de água. Estes têm contacto directo para o ambiente (representado na Figura
3.16), o que significa que entre a face fria e o bloco de arrefecimento existem fugas de
calor (representadas por: ). A saída da água do arrefecimento é representada por ,
esta representa o calor perdido no encaminhamento da água. Por fim representa-se o
parâmetro , este corresponde à passagem do calor por todo o sistema, ou seja, o calor
circula pelo tubo de escape, onde é encaminhado para os conversores termoeléctricos, e
posteriormente é introduzido nas condutas de arrefecimento de água e o restante é
libertado para o ambiente.
3.9.2 Modelação de um Gerador Termoeléctrico
Um gerador termoeléctrico é composto por vários componentes, um dos mais
importantes, é o bloco de recuperação de calor, capaz de captar o calor dos gases. Este
módulo é constituído por um bloco com um orifício no centro percorrendo de um lado
ao outro de toda a extremidade. Ti é a temperatura dos gases quentes que entram no
bloco e TH corresponde à temperatura do bloco, T0 a temperatura da saída dos gases e Tc
a temperatura da água, ver a Figura 3.17.
Figura 3.17- Modelo geral de um gerador termoeléctrico para um automóvel.
Ti, ,
T0, ,
TC, ,
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
42 Universidade do Minho
Este bloco é composto por um metal de elevada condutividade térmica, para que
haja uma elevada transferência de calor. É possível encontrar também neste sistema, o
arrefecimento dos conversores através de água a uma temperatura aproximadamente
constante. Como anteriormente foi referido (secção 3.9), quanto maior for a diferença
de temperatura entre ambas as faces dos conversores, maior é a energia produzida
através do efeito Seebeck. Por este motivo, forçou-se a passagem de água na face fria
dos conversores. A potência eléctrica produzida por este gerador destina-se a alimentar
um banco de baterias existente no veículo.
Considerando, m’ como o caudal mássico que entra no bloco, o calor específico
dos gases cp, a área interna do tubo A, a temperatura dos gases à saída T0 e a
temperatura dos gases de entrada Ti, o coeficiente de transferência de calor dos gases no
tubo h ( ), a temperatura do bloco ( ) é obtida em função da seguinte
equação [44,45,90,91].
(3.32)
A potência térmica transferida entre os gases que circulam no tubo à
temperatura (Ti) e a temperatura do ar (TAIR) podem ser relacionados com o caudal
mássico m’.
(3.33)
Considerando que
, a equação (3.32) pode ser simplificada da
seguinte forma:
(3.34)
A potência térmica transferida para o bloco ( ) pode ser calculada através da
seguinte equação:
(3.35)
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 43
Onde corresponde à diferença de temperatura média logaritmica dos
gases do tubo, e é obtida em função da seguinte equação [90,91]:
(3.36)
Os conversores termoeléctricos transferem o calor dos gases do bloco para a
região onde circula a água fria. A temperatura no lado frio da água (Tc) é considerada
constante e igual à temperatura da face fria dos conversores termoeléctricos, isto na
prática pode ser conseguido através de um grande caudal de água. Por outro lado, a
temperatura na face quente dos conversores encontra-se à mesma temperatura do bloco
(TH). A taxa de transferência de calor da face quente para a face fria (TH e TC
respectivamente) é dada em função do número de conversores termoeléctricos (n) e da
condutividade térmica média de cada conversor ( ), este é um valor médio porque a
condutividade térmica não é constante ao longo de toda a gama de temperaturas.
(3.37)
A variável da equação (3.36) é igual ao
da equação (3.38), substituindo
na equação (3.36) pelo da equação (3.37), e resolvendo em ordem a TH
obtém-se:
(3.38)
Pelo que a temperatura na zona quente do bloco (TH) tem uma relação linear com
a temperatura dos gases que entram no mesmo (Ti).
Os conversores termoeléctricos produzem uma tensão de saída (V0) que é
proporcional à diferença de temperatura entre a face quente e a fria: equação (3.40),
onde α corresponde ao coeficiente Seebeck e não é constante com o aumento da
temperatura. Como os conversores estão todos electricamente ligados em série, a tensão
total (V0) e a resistência total (Ri) do gerador são a soma das tensões produzidas em cada
conversor e a soma das suas resistências internas.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
44 Universidade do Minho
(3.39)
A máxima transferência de potência (P0) dos conversores quando estes se
encontram em carga ocorre quando a resistência eléctrica da carga (R0) é igual à
resistência eléctrica interna média dos conversores (Ri).
(3.40)
A eficiência da conversão de energia (ɳ) é obtida tendo em conta a taxa de
transferência de calor e a potência eléctrica disponível à saída do conversor.
(3.41)
Os valores de , e α dependem da temperatura, como foi inicialmente indicado,
por esta razão, na equação (3.41) são usados valores médios.
3.9.3 Gerador Termoeléctrico Implementado
Um gerador termoeléctrico foi projectado para uma potência térmica de entrada de
= 60 kW com uma temperatura máxima dos gases de escape de 1000 K e um caudal
mássico de . A temperatura máxima admissível nos conversores
termoeléctricos é de 500 K. Com estes valores seriam necessários pelo menos 72
conversores termoeléctricos para garantir que esse limite não seja ultrapassado. Para tal,
consideraram-se 96 conversores, permitindo uma temperatura máxima no bloco de
480 K (207 ºC). Através dos cálculos verifica-se que a potência térmica transmitida aos
blocos da água é de 36 kW. A temperatura média na zona fria dos conversores é
mantida aos 50 ºC. Considerando um aumento máximo da temperatura da água de 40 K
e um fluxo de um caudal mássico da água de , seria necessário obter no
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 45
circuito de arrefecimento 300 K à entrada e na saída uma temperatura máxima de
350 K.
Nestas circunstâncias, e para a potência máxima de entrada ( ), a
temperatura de saída dos gases é ainda de 540 K, o que significa que os gases de saída
têm uma potência de saída de 21 kW, enquanto o bloco atinge os 480 K, onde também
foram considerados os seguintes valores, e .
A máxima potência eléctrica gerada é de 1530 W com uma tensão em aberto de 820 V,
quando os conversores estão ligados em série. Considerando a potência total gerada
(potência de saída) de 1530 W, o rendimento de conversão da potência térmica nos
gases de escape é de 2,6 %, (Figura 3.18), embora o rendimento dos conversores seja de
3,9 %, contabilizando a potência térmica que passa através deles para a água de
arrefecimento.
Figura 3.18- Potência e eficiência termoeléctrica de um gerador com 96 conversores termoeléctricos.
O comportamento térmico deste gerador foi simulado através de modelagem de
elementos finitos (FEM), este encontra-se representado na Figura 3.19 [44].
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
46 Universidade do Minho
Figura 3.19- Temperatura (ºC) e perfil de um gerador termoeléctrico para um motor de 60 kW e 800 ºC.
Este, representa a temperatura calculada num bloco de cobre, onde a temperatura
não é uniforme em todos os conversores termoeléctricos.
3.10 Conclusões
O efeito Seebeck aplica-se na geração de uma diferença de potencial eléctrico (e
uma corrente) quando existe uma diferença de temperatura submetida em dois
condutores metálicos. Por outro lado, o efeito Peltier é o contrário, quando se aplica
uma corrente em dois condutores metálicos diferentes, vai existir uma diferença de
temperatura entre ambas as extremidades desses metais. Um exemplo bastante
interessante do efeito Seebeck é o princípio de funcionamento dos termopares, estes
produzem uma tensão eléctrica de acordo com um valor de diferença da temperatura.
É importante salientar que a condutividade térmica de um material consiste na
capacidade de transferência de calor entre as extremidades, ou seja, quanto maior for a
condutividade térmica, mais calor esse material é capaz de transferir. Um bom isolante é
um material que possui uma reduzida condutividade térmica. Destacam-se por exemplo,
dois extremos distintos, os metais como bons condutores térmicos e o ar como um bom
isolante térmico.
Essencialmente, um conversor termoeléctrico é constituído por junções
semicondutores do tipo p e n ligadas em série entre si e termicamente em paralelo. Têm
como principais funções, gerar energia eléctrica e funcionar em modo de arrefecimento.
Capítulo 3- Termoelectricidade
Universidade do Minho 47
Quando estes se encontram a funcionar como geradores de energia, transferem calor e
proporcionam uma tensão eléctrica. Quando o circuito é fechado geram uma corrente
eléctrica. Por outro lado, quando se encontram a funcionar em modo de arrefecimento, é
produzido um gradiente de temperatura entre ambas as faces, quando é fornecida uma
potência eléctrica aos seus terminais. Para trocar a face quente pela fria basta inverter o
sentido da corrente.
A partir do estudo efectuado em (3.9.3) é possível verificar que a eficiência dos
conversores termoeléctricos para recuperação de calor no escape é ainda muito
reduzida, esta situa-se nos 3,9% num total 72 conversores.
Nos actuais conversores termoeléctricos comerciais, com o aumento da
diferença de temperatura, a figura de mérito diminui. Verifica-se também que a
eficiência decresce com o aumento das temperaturas, a partir de 230 ºC, devido ao
grande decréscimo da figura de mérito.
49
Capítulo 4
Tecnologias Heat Pipe
4.1 Introdução
De um ponto de vista geral, o calor e as suas propriedades são variáveis
constantemente presentes no mundo da electrónica de baixa e de alta potência, por
vezes este parâmetro influencia directamente as medidas e comportamentos obtidos
através de instrumentação, isto, provoca diversas alterações dos métodos de
funcionamento dos componentes electrónicos.
A transferência de calor é um processo adoptado para variadas aplicações,
nomeadamente em equipamentos de arrefecimento e aquecimento. Por vezes torna-se
dificultoso adquirir mecanismos para a transferência de calor. No uso de conversores
termoeléctricos, um factor de bastante relevo é a questão da temperatura. A temperatura
emitida às faces dos conversores não pode ser superior que a temperatura de operação
dos mesmos.
Neste capítulo pretende-se maximizar a transferência de calor de modo a
optimizar o sistema de recuperação de calor do efeito Seebeck. Apresenta-se o estudo e
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
50 Universidade do Minho
a respectiva implementação de algumas tecnologias para obedecer ao fim pretendido.
São também abordados, alguns conceitos teóricos adicionais, relativos a este problema.
Na finalização do capítulo, é feito um resumo com umas breves considerações de
ordem teórica e prática sobre o funcionamento dos Heat Pipes.
4.2 Heat Pipe
Uma das formas de proteger os conversores termoeléctricos de elevadas
temperaturas nos sistemas de exaustão, passaria por isola-los parcialmente, no entanto,
esta solução seria altamente ineficaz, visto que apenas uma pequena parte do calor
disponível para recuperação seria aproveitado, o que levaria a uma pequena produção de
energia eléctrica, e consequentemente a um baixo rendimento. A solução ideal para este
problema, passa por controlar eficazmente a temperatura máxima submetida nos
conversores, tentando aproveitar o máximo calor possível para a recuperação de
energia, ou seja, limitar a temperatura atingida nos conversores. Esta forma de
transferência de calor é feita de maneira a fornecer uma temperatura suficientemente
baixa para junto dos conversores, tentando manter uma alta transferência de calor, para
tal, esta solução é conseguida recorrendo ao uso de tubos de calor (HP).
Um tubo de calor ou Heat Pipe (HP) consiste num mecanismo de transferência de
calor altamente eficiente, e é capaz de vencer desníveis consideráveis, possuem uma
elevada condutividade térmica. Estes são constituídos por tubos de metal fechados em
ambas as extremidades, onde no seu interior circula um fluido ou composto químico de
trabalho. São muito eficientes devido à sua capacidade de transferir grandes quantidades
de calor, de um ponto para o outro, com pequenas diferenças de temperatura [62].
A sua constituição consiste num tubo metálico oco, normalmente em cobre ou
alumínio devido à condutividade térmica e de acordo com a mesma, onde se encontra
preenchido por uma pequena quantidade de fluido no seu interior. Um Heat Pipe pode
ser considerado como um óptimo condutor de calor. Actualmente estes são muito
utilizados para evacuar o calor da fonte de alimentação de computadores portáteis.
A resistência térmica global de um tubo de calor deve ser a mais baixa possível, para
que o HP funcione correctamente, esta é definida da seguinte forma [62]:
Capítulo 4- Tecnologias Heat Pipe
Universidade do Minho 51
(4.1)
4.2.1 Princípio de Funcionamento
O interior do tubo é preenchido com um fluido, que se denomina de fluido de
trabalho com um dado ponte de ebulição. Uma das extremidades recebe calor, ou seja,
altas temperaturas, a outra encontra-se a uma temperatura correspondente ao meio onde
se insere. O tubo tem portanto, três fases de operação. Junto à zona de aquecimento,
onde é denominada de junção entre a fonte de calor e região de vaporização do fluido. A
zona de condensação encontra-se na parte superior do tubo onde o fluido de trabalho é
condensado. E por fim zona intermédia do tubo, esta é designada por região de
transporte, onde se encontra o fluido de trabalho e faz a ligação das zonas de
vaporização e condensação. Esta teoria encontra-se caracterizada na Figura 4.1 [44,45].
Figura 4.1- Esquema representativo de um tubo de calor tradicional [45].
Este tubo é normalmente constituído por uma pequena quantidade de fluido de
trabalho, vapor térmico e gás. Durante o seu funcionamento, o tubo é aquecido numa
extremidade e retira-se o calor pela outra. Desta forma, o calor é fornecido ao tubo na
região de vaporização fazendo com que o fluido se vaporize após à chegada da
temperatura de ebulição. Neste seguimento, o fluido é transportado para a região mais
fria do tubo, a região de condensação, através da diferença de pressão, onde nesta região
o calor é rejeitado. Neste processo de rejeição de calor, o fluido de trabalho é
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
52 Universidade do Minho
condensado e regressa para a vaporização por efeito de gravidade, através das paredes
do tubo, completando assim, o ciclo de operação e estar preparado para vaporizar e
condensar novamente. O princípio de funcionamento pode ser observado na Figura 4.2.
Figura 4.2- Princípio de funcionamento de um Heat Pipe vertical.
Fundamentalmente, o ponto de operação desta tecnologia baseia-se na
vaporização e condensação do fluido de trabalho, devido a estes efeitos, a sua
construção deve ser bastante criteriosa e pormenorizada, para que a temperatura de
funcionamento se adeqúe à temperatura de ebulição do fluido. A taxa de transferência
de calor obtida por meio de um Heat Pipe é extremamente elevada porque é baseada
num fenómeno de mudança de fase, conhecido pelas suas intensas taxas de transferência
de calor. Esta taxa de transferência de calor, acontece enquanto houver calor suficiente
para atingir as condições necessárias de ebulição, de forma a não dar inicio ao
fenómeno Leidenfrost1 [59], este consiste na formação de uma película de vapor de
interposição entre as paredes do Heat Pipe e a região do fluido de trabalho, que
dramaticamente reduz o processo de transferência de calor.
1Efeito Leidenfrost: Um exemplo curioso, é quando se derrama água sobre um metal extremamente quente, verifica-
se que o vapor de água que se forma abaixo da água e sobre a panela, mantém a água em suspensão e fica a boiar
sobre o vapor, não havendo contacto directo entre a água e o metal.
Capítulo 4- Tecnologias Heat Pipe
Universidade do Minho 53
4.2.1.1 Temperatura de Operação
Relativamente à temperatura de operação de um Heat Pipe, este apenas
inicializa a sua transferência de calor da região quente para região fria, quando é
alcançada a temperatura de ebulição do fluido. Esta temperatura de ebulição não é um
valor estático, depende da pressão real do vapor no interior do Heat Pipe (que também
muda durante a operação). Existe um equilíbrio térmico entre o calor exterior fornecido
para a região de vaporização, o calor retirado da região de condensação e o equilíbrio da
pressão e temperatura no interior do mesmo. A temperatura do fluido de trabalho do
interior do Heat Pipe (temperatura de ebulição) fica estável. No entanto, existe uma
desvantagem neste sistema, quando uma carga excessiva de calor aumenta a pressão (e
temperatura) para níveis perigosos, nomeadamente em sistemas onde ocorra picos
elevados de temperatura [63].
4.2.1.2 Gases Não - Condensáveis num Heat Pipe
Um factor bastante importante no que diz respeito a esta tecnologia é a questão do
gás no seu interior, no momento em que se fecha um Heat Pipe à temperatura ambiente,
ou seja, quando não existem fugas para o exterior do tubo, o interior do mesmo vai ficar
com o volume preenchido com o fluido e o restante volume vazio fica totalmente
preenchido com ar. Este ar é a pressão atmosférica, ou seja, o ar encontra-se à pressão
atmosférica, esta pressão impede que a temperatura ambiente no interior do Heat Pipe
exceda os 100 ºC (temperatura de ebulição à pressão atmosférica) não permitindo
também, que a água ferva antes desta temperatura.
Uma forma de controlar esta questão, é por exemplo, retirar o ar com uma bomba de
vácuo antes de fechar o Heat Pipe, tentando colocar o interior do tubo de calor no ponto
mais próximo do vácuo. Nesta situação, a temperatura inicial de ebulição será muito
menor, e portanto, a transferência de calor no interior do Heat Pipe iniciar-se-á muito
mais cedo. Por outro lado, é também possível colocar diferentes pressões acima da
pressão atmosférica no interior do tubo, e assim consegue-se de uma forma controlável
atingir níveis de diferentes pressões e temperaturas de ebulição. Este aspecto é muito
importante nesta tecnologia, focando o ponto de grande interesse para o autor, transferir
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
54 Universidade do Minho
a temperatura de 800 ºC para 220 ºC sem que haja perdas intermédias de calor. A Figura
4.3 exibe propriedades da água e Dowtherm A como possíveis fluidos de trabalho [70].
Figura 4.3- Propriedades de alguns possíveis fluidos de trabalho [89].
Este método de controlar a temperatura através do uso de Heat Pipes depende
fundamentalmente da selecção do seu fluido de trabalho, assim como, o volume
correcto de liquido. No entanto, existem outras estratégias para chegar a este objectivo.
É importante que a obtenção do fluido de trabalho satisfaça alguns requisitos, um factor
importante é a compatibilidade entre o fluido e o metal da parede do tubo, fazendo com
que exista uma boa estabilidade térmica. A pressão do vapor e a temperatura de
funcionamento devem estar entre limites aceitáveis. É também importante, salientar que
deve existir uma elevada tensão superficial [61,63,64,67].
4.2.2 Heat Pipe Vertical
O método de funcionamento dos Heat Pipes difere da sua posição e orientação, estes
encontram-se com diferentes características dependendo do ângulo que fazem com a sua
componente horizontal. O calor é fornecido na extremidade mais baixa e o fluido
começa a vaporizar, e chega à região de condensação onde se transforma novamente em
líquido e cai por acção da gravidade até à região de vaporização. Por acção da força da
gravidade (g) o fluido retorna para a região de vaporização, como ilustra a Figura 4.4.
0
1,5
3
4,5
6
7,5
9
10,5
12
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 100 200 300 400
Pre
ssão
Do
wth
erm
A (
bar
)
Pre
ssão
Águ
a (b
ar)
Temperatura (ºC)
Água
Dowtherm A
Capítulo 4- Tecnologias Heat Pipe
Universidade do Minho 55
Figura 4.4- Representação simplificada de um Heat Pipe a funcionar na vertical.
Devido à vantagem do auxílio da força da gravidade, estes Heat Pipes não
necessitam de serem constituídos por paredes porosas ou com qualquer tipo de válvulas,
como acontece com Heat Pipes a funcionar noutra posição.
4.2.3 Heat Pipe Horizontal
Ao contrário dos tubos de calor verticais, a composição destes é bem mais
complexa, estes exigem uma diferente constituição das suas paredes que o compõem.
Como se encontram na posição horizontal, estes necessitam de outros mecanismos para
encaminhar o fluido da zona de condensação para a zona de vaporização. Na Figura 4.5
apresenta-se este princípio.
Figura 4.5- Representação simplificada de um Heat Pipe a funcionar na horizontal.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
56 Universidade do Minho
O calor aplicado na zona de vaporização ao fluido de trabalho que se encontra
numa extremidade do tubo, faz com que o liquido se vaporize. Este vapor passa no
centro do tubo, onde é levado para a região de condensação. O líquido retorna para a
zona inicial através da estrutura porosa e por efeito capilaridade2. A região porosa do
tubo, produz um gradiente de pressão ao longo do mesmo, isto faz com que o fluido
elimine eventuais perdas de escoamento no retorno. No entanto, a presença desta zona
porosa em toda a superfície interna aumenta as perdas de fluxo do líquido. Estas perdas
crescem consideravelmente com o aumento do comprimento do Heat Pipe, restringindo
a sua eficiência. A presença desta zona capilar, permite ao HP funcionar em qualquer
orientação [64].
Um dos principais limitadores da eficiência de um HP é a capacidade capilar da
zona porosa. Quando as perdas criadas ao longo do circuito forem superiores à
capacidade capilar da zona porosa, o líquido não consegue retornar à região de
vaporização, provocando assim um aumento excessivo de temperatura no HP.
4.2.4 Tipos de Heat Pipes
Actualmente existem inúmeras diversidades de controlo de temperatura através de
Heat Pipes, relativamente à sua geometria e função e à forma como transportam o
líquido da zona de vaporização para o condensador. Seguidamente apresentam-se
alguns tipos de diferentes HPs e uma breve introdução [66].
Variable Conductance Heat Pipe (VCHP)
Pulsating Heat Pipe (PHP)
Loop Heat Pipes (LHP) e Capillary Pumped Loops (CPL)
Na secção a seguir, apresenta-se de um modo conciso o método de funcionamento
de cada um destes HP, salienta-se ainda que existem mais vertentes para além dos acima
citados. Do ponto de vista do autor, estes surgem com mais interesse [62].
2Efeito capilaridade: propriedade de um fluido circular livremente em diferentes direcções de um tubo de reduzido
diâmetro.
Capítulo 4- Tecnologias Heat Pipe
Universidade do Minho 57
4.2.4.1 Variable Conductance Heat Pipe
Os tubos de calor de condutância variável (VCHP) têm uma característica que os
distingue de todos os outros, este é capaz de controlar a mudança de fase da temperatura
de um líquido através da sua pressão. Este é usado com um tubo de calor normal,
acoplado a um recipiente de grande volume na extremidade fria do tubo. Com o uso
deste tipo de HP, a pressão no interior do tubo não aumenta, o que acontece com um
simples HP. Na secção à frente (4.3), é apresentado e exemplificado mais
detalhadamente.
4.2.4.2 Pulsating Heat Pipe
Um Pulsating Heat Pipe (PHP) consiste essencialmente num tubo dobrado com
diversas curvas, dando origem a um conjunto de HPs em paralelo, onde o tubo pode ser
aberto ou fechado (os tubos fechados apresentam melhor desempenho), parcialmente
preenchido com o fluido de trabalho. Na Figura 4.6 encontra-se a representação desta
variante de controladores de temperatura.
Figura 4.6- Pulsating Heat Pipe (PHP).
As fases liquida e de vaporização são distribuídas aleatoriamente ao longo do
tubo, ou seja, dentro do tubo o fluido é intercalado com bolhas de vapor. Com uma
fonte de calor, aplicada a uma das extremidades, provoca a vaporização do fluido e por
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
58 Universidade do Minho
consequência a pressão aumenta, este vapor é levado para a região de condensação. O
arrefecimento do vapor resulta na redução da pressão. O crescimento das bolhas de
vapor da região de vaporização para a zona de condensação implica um movimento
oscilatório do fluido e do vapor, dentro do tubo. Este HP opera essencialmente através
de variações bruscas de pressão geradas durante o processo de mudança de fase,
fazendo com que o calor seja transferido de forma intermitente [65,74].
4.2.4.3 Loop Heat Pipes e Capillary Pumped Loops
Veja-se o caso dos Loop Heat Pipes (LHP) e Capillary Pumped Loops (CPL),
estes têm um princípio de funcionamento muito semelhante, ambos usufruem de um
reservatório e configurações mais sofisticadas. São capazes de proporcionar elevadas
taxas de transferência de calor (em relação a um HP) com pequenas diferenças de
temperatura, podendo as suas extremidades serem afastadas e estar sob a presença de
desníveis adversos. Estes sistemas são constituídos por um circuito fechado onde
contém a região de vaporização, o reservatório, responsável pela temperatura de
operação do circuito e a zona de condensação [72,73,76]. No LHP, o reservatório está
acoplado à zona de vaporização, no CPL, este está conectado através de um tubo em
qualquer ponto de passagem do fluido, como pode ser visto na Figura 4.7 [66].
(a) Capillary Pumped Loops (CPL) (b) Loop Heat Pipes (LHP)
Figura 4.7- Representação do princípio de funcionamento dos CPL e LHP.
A região de vaporização inserida no tubo contém ela própria a superfície com
relevo (porosa), onde possui também um canal central para encaminhar o fluido para a
seguinte fase. No inicio do processo, o liquido é transferido para a região quente,
Capítulo 4- Tecnologias Heat Pipe
Universidade do Minho 59
formando assim uma barreira entre o liquido e o vapor, onde produz uma pressão
necessária para deslocar o fluido pelo circuito encaminhando assim, o vapor para a zona
das linhas de vapor, onde este é encaminhado para o condensador, voltando assim à sua
fase liquida através do efeito de capilaridade. O vapor e o líquido são transportados por
diferentes canalizações, assim não existe qualquer interacção térmica entre o líquido e o
vapor, onde poderiam causar distúrbios no seu funcionamento. Uma das grandes
diferenças entre ambos, é que um CPL tem dificuldades na inicialização, mas uma vez
superado este problema, um circuito CPL funciona com grande nível de confiança e de
forma previsível. Estes circuitos podem ter a capacidade de controlar a temperatura de
funcionamento [73,76].
4.3 Heat Pipe de Condutância Variável
Uma forma de controlar a mudança de fase de um líquido passa pelo controlo da
sua pressão. Esta variante de HPs destina-se a um controlo óptimo da temperatura no
seu interior, utilizando a pressão como um método de controlo. Diferencia-se de todos
os outros pela sua característica única, tem a capacidade de manter a temperatura
constante na zona de vaporização e condensação. No momento em que atinge uma
pressão constante no seu interior, atinge-se também uma constante temperatura aquando
a transferência de calor. As aplicações com VCHPs são utilizadas em aplicações como
no controlo térmico de componentes em satélites para precisão e calibração de
temperaturas, como também para controlar a temperatura em componentes electrónicos
[62]. Após a construção de um Heat Pipe, é adicionado a jusante da região de
condensação, um reservatório de grande volume, este pode ser convenientemente
vedado com uma válvula. Esta adição, permite uma maior eficácia no fluxo de calor
quando se encontra em potência máxima, assim como, proporciona um controlo mais
preciso da temperatura de vaporização. Com a optimização de um HP forma-se então
um Tubo de Calor de condutância Variável, nesta variante, a pressão não aumenta, o
que implica que a temperatura de ebulição não se altere, o que acontece com os HPs.
Na Figura 4.8 encontra-se a representação de um HP acoplado com um
reservatório para a vaporização dos gases.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
60 Universidade do Minho
Figura 4.8- Representação de um Heat Pipe de condutância variável (VCHP).
Com esta implementação, o sistema HP encontra-se com uma pressão constante,
pelo que funciona dentro duma gama de temperaturas desejáveis, estas temperaturas
têm obrigatoriamente de ser cumpridas, visto tratar-se das temperaturas máximas
admissíveis pelos conversores termoeléctricos. O ar do recipiente é menos denso que o
vapor, assim, o vapor é imediatamente transferido para o recipiente, impedindo que o
vapor fique condensado na região de condensação. Um aumento de temperatura na
região de vaporização provoca um aumento da pressão do fluido de trabalho, o que faz
com que o gás se comprima numa menor área libertando do condensador uma maior
quantidade de calor. Por outro lado, uma inferiorização da temperatura na região de
vaporização provoca níveis de vapor inferiores nessa região, o que faz com que desça a
potência térmica instantânea. Com a vantagem de ajustar a pressão do ar, é possível
também controlar a temperatura de ebulição e optimizar a taxa de transferência de calor,
esta corresponde à temperatura de funcionamento do VCHP. Na Figura 4.9 relaciona-se
um HP constante com um HP de condutância variável.
Capítulo 4- Tecnologias Heat Pipe
Universidade do Minho 61
A função do líquido neste tubo, passa por proporcionar uma área controlável da
região de condensação que aumenta ou diminui com base na transferência de calor de
acordo com a temperatura de vaporização.
Como foi visto anteriormente, a principal limitação de um gerador termoeléctrico
inserido no sistema de escape de um automóvel incide no excesso de temperatura nos
gases de escape. Uma técnica acessível para reaproveitar o calor do escape dos
automóveis com elevadas taxas de transferência de calor passa então, pelo uso de
VCHPs, com a região de vaporização acoplada ao tubo do escape, e posteriormente
conversores termoeléctricos com um circuito de arrefecimento através de água a circular
do lado oposto à face quente.
4.4 Heat Pipe Implementado
Em cada implementação foram efectuados diferentes testes. Em cada teste
forneceu-se calor à placa situada na base, e as temperaturas foram registadas de segundo
a segundo até que atingissem o ponto de ebulição da água 100 ºC (para testes com HP
com recipiente cilíndrico preenchido com água), sendo esta introduzida dentro do
recipiente cilíndrico.
P T
Reservatório
+ Fonte de temperatura (quente) + Fonte de temperatura (quente)
Standard Heat Pipe
Fonte de
calor
Zona fria
Variable Conductance Heat Pipe
Gás não
condensável
P;T P;T P;T
Figura 4.9- HP constante vs HP de condutância variável [45].
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
62 Universidade do Minho
Com base na teoria dos HPs, a primeira implementação foi efectuada toda ela com
cobre, e pode ser visto na Figura 4.10, onde foram feitos os primeiros testes. Utilizou-se
um tubo de cobre com 22 mm de diâmetro e 220 mm de comprimento. Nas
extremidades deste tubo, foi soldado na base superior um recipiente cilíndrico onde é
colocado água, na base inferior, foi soldado uma placa de cobre, esta fica em contacto
directo com o calor a ela fornecido.
Figura 4.10- Implementação inicial: tubo de calor entre uma placa na base e um cilindro para água.
O registo da temperatura neste HP foi retirado através de três termopares, como
ilustra a Figura 4.10. Inicialmente o volume de líquido dentro do tubo foi parcialmente
preenchido com uma quantidade fixa de 5 a 20 mL de água e ar. O aumento da
temperatura da água no recipiente cilíndrico foi usado para calcular a energia térmica
transmitida pelo HP, ou seja, desde a sua base até à outra extremidade, considerando a
massa da água igual a 400 g, e a sua capacidade térmica igual a 4,186 Jkg-1
K-1
.
Seguidamente optimizou-se o HP da Figura 4.10 para o da Figura 4.11. Este HP
introduziu-se uma elevada área (60 mm de diâmetro e 65 mm de comprimento) de
contacto com a fonte de calor de forma a obter uma elevada taxa de transferência de
potência térmica para o recipiente cilíndrico.
Capítulo 4- Tecnologias Heat Pipe
Universidade do Minho 63
Figura 4.11- HP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte de calor.
Houve ainda outra alteração, esta focou-se na região de condensação, ou seja,
como mostra a Figura 4.11, o HP inicia-se a meio da superfície da base, e prolonga-se
até ao recipiente cilíndrico, onde ocupa uma profundidade de metade do comprimento
deste cilindro.
Nesta configuração, as áreas de vaporização e condensação do HP (a área de
contacto entre a base, o interior do tubo e a fonte de calor, e a área de contacto entre o
vapor e o liquido do recipiente cilíndrico, respectivamente) foram substancialmente
aumentados. Na configuração anterior apenas existia contacto nas extremidades do HP
onde se encontravam em contacto com a fonte de calor e a fonte fria.
A próxima implementação baseia-se num esquema propício para a implementação
dos conversores termoeléctricos. Este tem o mesmo formato que o HP anterior devido à
sua elevada taxa de transferência de calor, ou seja, optimizou-se apenas, para uma
posterior colocação de conversores termoeléctricos. A Figura 4.12 mostra este HP.
Neste HP, a região de condensação do tubo de calor foi estendida para o centro do bloco
paralelepipédico. A região de vaporização foi também alargada para o centro de massa
da base, colocando um tubo de cobre onde se introduziu no HP. O objectivo desta
implementação é demonstrar e impedir que a temperatura máxima no bloco
paralelepipédico não exceda a temperatura máxima admissível pelos conversores
termoeléctricos (230 ºC).
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
64 Universidade do Minho
Figura 4.12- HP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte de calor e optimizado
para os conversores termoeléctricos.
Acoplado à região de condensação encontra-se o bloco paralelepipédico, esta é a
zona para a posterior colocação dos conversores termoeléctricos, dado ser a região com
mais desempenho, ou seja, o ponto óptimo de funcionamento de um HP. Cada face do
bloco paralelepipédico tem as dimensões dos conversores, ou seja, cada conversor
termoeléctrico tem 40 mm x 40 mm, cada uma destas faces tem 80 mm x 40 mm, onde
tem uma capacidade total para oito conversores. Todas estas implementações foram
posteriormente efectuadas com a vertente VCHP, e são expostas na seguinte secção,
com a excepção da primeira configuração tendo esta um pobre desempenho. Todos os
testes e resultados práticos relativos a estes HPs encontram-se devidamente
mencionados no capítulo 5.
4.5 Heat Pipe de Condutância Variável Implementado
Nas configurações com HP de condutância variável, foi acoplado um recipiente
cilíndrico totalmente fechado com uma capacidade volúmica para 20 L, este destina-se a
controlar a mudança de fase do fluido de trabalho, fazer com que se obtenha
temperaturas constantes no interior do HP e controlar a pressão no interior do mesmo.
Como nas anteriores configurações, utilizaram-se três termopares, no interior da base da
Capítulo 4- Tecnologias Heat Pipe
Universidade do Minho 65
região do vaporização/fonte de calor, no centro do HP e outro a medir o valor da
temperatura da água do recipiente cilíndrico, como mostra a Figura 4.13.
Figura 4.13- VCHP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte de calor.
Existem ainda quatro termopares adicionais, estes destinam-se à monitorização
da temperatura dos gases que se movimentam para o recipiente fechado, onde avaliam
em que medidas o vapor é expandido para o exterior do HP, estes facultam também, um
óptimo entendimento de todo o ambiente envolvente no interior do VCHP.
Quando existe um pico de temperatura e este é registado pelos termopares,
significa que há um aumento da temperatura ao longo to tubo, o que significa que o
vapor no interior do HP expandiu o suficiente para chegar a esta zona, ou até mesmo ao
recipiente fechado, pelo que deve ser evitado.
Para estas configurações, excepto a implementação da Figura 4.12, a
temperatura máxima atingida no recipiente cilíndrico superior foi de 100 ºC, esta é
devida ao preenchimento do mesmo encontrar-se com água, portanto, os testes foram
somente realizados até este ponto, e portanto, a potência térmica transmitida para o
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
66 Universidade do Minho
recipiente com água, dá-se até este momento, daí para a frente seria impossível de a
calcular devido ao seu significado físico.
A configuração da Figura 4.14 consiste num HP com um bloco de cobre
adicionado na região de condensação, ocupando este, o lugar do recipiente cilíndrico
onde contém água. Como na anterior implementação, este VCHP contém quatro
termopares desde a região de condensação até ao recipiente cilíndrico fechado.
Com este VCHP é possível fazer com que a temperatura e a pressão se
mantenham constantes no interior do HP, fazendo com que a temperatura na face quente
dos conversores termoeléctricos se mantenha dentro do limite máximo.
Para tal acontecer, pode ser usado água ou Dowtherm A como fluidos de
trabalho. No caso da água, a temperatura do bloco paralelepipédico apenas atinge
230 ºC quando o interior do HP está com uma pressão de aproximadamente 28 bar, o
que se torna um pouco perigoso.
A utilização de Dowtherm A é uma implementação curiosa, este, entra em
ebulição aos 250 ºC, ou seja, a temperatura de ebulição à pressão atmosférica (1 bar) é
de aproximadamente 250 ºC, contudo, esta temperatura é ainda superior à temperatura
máxima admissível pelos conversores, este composto químico atinge uma temperatura
de 230 ºC quando a pressão é cerca de 0,3 a 0,4 bar.
Capítulo 4- Tecnologias Heat Pipe
Universidade do Minho 67
Figura 4.14- VCHP implementado, com uma elevada superfície de contacto com a fonte de calor e um bloco
paralelepipédico acoplado na região de condensação.
A Figura 4.14 mostra como o HP atravessa todo o volume do bloco
paralelepipédico, o que corresponde à passagem de vapor em toda a zona de colocação
dos conversores termoeléctricos e a respectiva região de condensação. Com a
implementação de todas estas tecnologias, o passo seguinte consiste na aplicação destes
em conjunto com os conversores termoeléctricos para a produção do gerador
termoeléctrico.
4.6 Integração VCHP com o Gerador Termoeléctrico
A aplicação do Heat Pipe de condutância variável (VCHP) destina-se à limitação
da temperatura do escape, para o gerador termoeléctrico de modo a que este não
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
68 Universidade do Minho
danifique os conversores termoeléctricos. No entanto, a transmissão da potência térmica
do escape para o gerador termoeléctrico possui algumas resistências térmicas devido aos
materiais e às diferentes junções que os unem.
4.6.1 Modelo Térmico
O funcionamento de um VCHP baseia-se essencialmente na sua pressão e
temperatura de operação. Um VCHP começa a transmitir potência térmica para a região
de condensação, quando a temperatura do interior do tubo atinge a temperatura de
ebulição do fluido, para a respectiva pressão. No entanto, quando a potência é superior à
capacidade de remoção no condensador, o calor é transferido para o reservatório de
25 L. Esta questão pode ser analisada na Figura 4.15.
Figura 4.15- Modelo de um gerador termoeléctrico para um automóvel com VCHP e o respectivo sistema de
arrefecimento dos conversores através de água.
Analisando o circuito, verifica-se que a temperatura os gases de escape
(Ti=800 ºC) é distribuída pela resistência térmica interna da fonte de calor (Ri), ou seja,
este sub - circuito é correspondente ao motor. Os gases de escape transmitem calor para
o HP e para o exterior (R0 corresponde ao calor que o escape transmite para o
ambiente). RA corresponde à resistência térmica entre os gases quentes e a parede da
base de vaporização do HP. A resistência RE representa o contacto térmico entre a
região de vaporização e o fluído. Este circuito apenas é válido quando o fluído no
interior do HP se encontra em ebulição. Uma vez este em ebulição, o calor é
encaminhado para a região de condensação (RC) e para o ambiente libertado através do
reservatório do VCHP (TAMB). A condução do calor para os conversores termoeléctricos
Capítulo 4- Tecnologias Heat Pipe
Universidade do Minho 69
é feita por meio do contacto térmico entre a parede da região de condensação e os
conversores (RCP). RP representa a resistência térmica dos conversores. O circuito de
arrefecimento encontra-se acoplado à outra face destes conversores, portanto, existe o
contacto térmico entre a face fria dos conversores termoeléctricos e a parede dos blocos
de arrefecimento através de água (RPW). A água é o elemento que se encontra em
contacto com o ambiente (desprezando o contacto da parede do bloco e o ar), portanto,
RW representa a resistência da água.
4.7 Conclusões
Existem técnicas específicas para controlar a temperatura através de tubos de
calor, consoante a ciência, o ambiente envolvente e a relevância da ordem de grandezas,
dependendo do tipo de sinal a adquirir, analógico ou digital, existindo formas de
controlo analógicas e digitais. O modo on/off ou díodo térmico consiste numa forma
electrónica de controlo através do uso de HPs [61,62]. No entanto, os modos HP de
condutância fixa e variável são claramente os mais usados e eficazes, devido à sua
simplicidade e eficiência. Estes são caracterizados pelo facto de não possuírem partes
móveis, não necessitam de nenhuma fonte externa de energia para o seu funcionamento
e apresentam aceitáveis dimensões.
Os HPs estudados podem funcionar tanto na vertical como na horizontal, havendo
diferenças entre ambos na constituição do metal nas paredes do interior do tubo. Na
posição vertical, o líquido é transferido do condensador para a região de vaporização,
através do efeito da gravidade e por acção da força da gravidade. Nos HPs não verticais,
é necessário que o tubo tenha uma parede com poros ou válvulas na zona interior, para
que o processo de retrocesso do líquido seja novamente efectuado.
Verifica-se que o desempenho de um HP é melhorado com a aplicação de um
recipiente fechado preenchido parcialmente por ar, constituindo assim um VCHP. Este
apresenta um simples controlo da pressão no interior do HP e por consequência uma
limitação da temperatura no mesmo, o que se torna útil no desenvolvimento do gerador
em estudo. Contudo, existem outras formas de controlar a temperatura através de HPs,
Pulsating Heat Pipe (PHP), Loop Heat Pipe (LHP) Capillary pumped Loops (CPL), no
entanto, estes não se adequam a esta aplicação.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
70 Universidade do Minho
Com o uso de HPs consegue-se obter razoáveis valores de temperatura e
aproveitamento de calor a partir do escape dos automóveis. A temperatura destes chega
a atingir os 800 ºC quando o motor se encontra em potência máxima, o que é uma
elevada fonte de energia, esta, que com o uso de HPs e conversores termoeléctricos é
facilmente recuperável para uma reintegração no automóvel.
71
Capítulo 5
Testes e Resultados
5.1 Introdução
Este capítulo incide particularmente nas implementações dos geradores
termoeléctricos, assim como, toda a tecnologia envolvente à chegada a estes.
Encontram-se também, todos os resultados das implementações dos diferentes Heat
Pipes, assim como, todas as análises e conclusões obtidas.
Os sinais foram adquiridos através de um circuito de instrumentação, a
monitorização dos dados de todo este sistema foi feita recorrendo ao uso de hardware
da NI (National Instruments). Todo o software implementado foi através do LabVIEW
2009. Este é ponto de lançamento deste capítulo.
Neste capítulo encontra-se um sumário do desempenho obtido em cada um dos
tipos de Heat Pipes implementados sobre o sistema de emissão de gases de escape de
um veículo, onde este foi efectuado com uma simulação a partir do uso de dois
maçaricos. É feita também, a comparação entre os HPs, de um ponto de vista de
eficiência de todas estas tecnologias implementadas. A análise dos resultados é
representada a partir de gráficos e um estudo teórico, onde consta uma comparação com
conversores existentes no mercado.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
72 Universidade do Minho
No final do capítulo encontram-se as conclusões onde são expressas as últimas
observações relativas às implementações, testes e resultados. São também feitas
algumas considerações de ordem prática.
5.2 Aquisição de Dados
A temperatura, é claramente uma das grandezas físicas mais utilizadas, quer para
medir como para controlar diversos sistemas. Todas as grandezas, fenómenos físicos e
científicos dependem da evolução da temperatura.
A aquisição de dados é um processo de medição de fenómenos físicos ou
eléctricos, tais como, tensão corrente, temperatura, pressão, som, entre outros. A
aquisição de dados através de um computador (PC), usa uma combinação modular
flexível de hardware e software para transformar o PC num autêntico sistema de
controlo. Cada um dos sistemas de aquisição de dados tem uma funcionalidade única
para servir necessidades específicas da aplicação, todos os sistemas compartilham
componentes em comum, que incluem sensores, hardware de aquisição de dados, e um
computador. Na Figura 5.1 representa-se o esquema simplificado da aquisição do sinal.
Figura 5.1- Diagrama de blocos simplificado da aquisição do sinal.
Na presente dissertação, a medição, visualização e manipulação da temperatura,
têm grande ênfase no recorrer das implementações e posteriormente nos resultados
obtidos. No entanto, é necessária a disponibilização em formato digital de dados como,
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 73
a tensão (U), temperatura (T) e o tempo (t), para se obter todos os resultados em
ficheiros para que seja possível a sua análise gráfica. Para tal, foram utilizados
termopares, circuitos integrados e a respectiva instrumentação e electrónica, placas de
aquisição de dados NI, e o software para a implementação.
Ao longo de todo o percurso, foram utilizadas duas placas de aquisição de dados,
ambas da NI. Estas permitiram a leitura dos sinais físicos e posterior manipulação. Nos
testes com o primeiro HP, utilizou-se a NI USB 6008, esta apresenta uma resolução de
12 bits e contém 8 entradas em modo single-ended. Estas podem ser vistas na Figura
5.2.
(a) NI USB 6008 (b) NI USB 4350
Figura 5.2- Placas utilizadas para aquisição de dados.
Com o avançar das implementações, adquiriu-se um outro hardware para ler os
valores de entrada. Utilizou-se uma placa de alta precisão para leitura de valores de
tensão e temperatura. Esta apresenta características mais sofisticadas que a anterior,
nomeadamente na sua resolução de 24 bits e apresenta um maior número de canais de
entrada, 16 entradas analógicas para termopares. O uso desta última oferece um maior
equilíbrio entre os valores reais de temperatura e os valores medidos. Ambas as placas
têm compatibilidade com o software de ambiente de simulação LabVIEW.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
74 Universidade do Minho
5.2.1 Termopares
Para o transdutor, utilizaram-se termopares em todas as temperaturas ao longo
dos HPs e dos geradores termoeléctricos. Os termopares são excelentes sensores de
medida, devido à sua elevada faixa de temperaturas de funcionamento (compreendida
entre -270 ºC a 1200 ºC), apresentam também uma elevada estabilidade e a sua área de
medida pode ser muito reduzida.
Os termopares utilizados foram do tipo K, estes apresentam uma gama de
temperaturas na ordem dos -270 ºC a 1200 ºC (óptimo para esta aplicação), têm um
baixo custo devido à sua popularidade e encontram-se disponíveis em vários formatos,
apresentam ainda uma sensibilidade de 40 μVºC-1
. A sua constituição é composta por
Chromel e Alumel nos termoelementos positivo e negativo, respectivamente. Estes
sensores de temperatura apresentam vantagens, nomeadamente quando se pretende
medir temperaturas elevadas em espaços reduzidos.
Para a obtenção dos valores reais de temperatura, é necessário um circuito
electrónico de interface, com a respectiva junção de referência (normalmente 0 ºC)
acoplada ao termopar. Com isto, obtém-se um valor de tensão à saída do termopar
muito pequeno, na ordem dos mV, ou seja, torna-se necessária uma considerável
amplificação DC.
Para ultrapassar este obstáculo, utilizou-se circuitos integrados (ICs) para a
leitura do valor da tensão do termopar, onde inclui também, a junção de referência e a
própria amplificação DC. O AD595 é um dos integrados mais usados quer a nível
industrial, como para pequenas aplicações onde o uso destes seja evidente. Na Figura
5.3 apresenta-se este integrado.
(a) Imagem real de um AD595/594 (b) Representação eléctrica de um AD595/594
Figura 5.3- Imagem e diagrama de blocos do circuito integrado AD595/AD594 utilizados [80,81].
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 75
Estes circuitos integrados possuem um amplificador de instrumentação e a
compensação da junção fria de referência, obtendo-se uma tensão de 10 mVºC-1
.
Nos primeiros testes, desenvolveu-se um circuito eléctrico para a aquisição de
dados. Este consiste em quatro termopares acoplados a este IC, de forma a ser possível
interagir directamente com o computador (PC). Na Figura 5.4 representa-se apenas para
um termopar, no Anexo A encontra-se o circuito total.
Figura 5.4- Circuito implementado para a aquisição do sinal dos termopares, junção de referência e
amplificação.
Com a implementação deste circuito é então possível, recolher os dados dos
sensores (valores obtidos em tensão) e encaminha-los para o PC, onde, aqui são
manipulados e convertidos nas respectivas grandezas.
Inicialmente monitorizou-se a temperatura apenas em quatro pontos, utilizando
assim quatro termopares, acoplados ao circuito da Figura 5.4. Contudo, os termopares
nem sempre apresentam a medida exacta, devido à tolerância dos componentes. Na
Figura 5.5 apresenta-se a implementação ilustrada na Figura 5.4.
Figura 5.5- Imagens reais da implementação do circuito de aquisição de dados.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
76 Universidade do Minho
5.3 Calibração dos Termopares
Esta calibração destina-se a minimizar os erros de medição, de acordo com uma
medição referência. A referência baseou-se num termómetro de mercúrio de precisão.
O procedimento da calibração foi efectuado numa gama de temperaturas entre 0 e
140 ºC (no caso de Dowtherm A), obtendo valores intermédios. Colocou-se um
recipiente com gelo para ser possível efectuar a medição a 0 ºC e aqueceu-se até 100 ºC.
Observando o gráfico da Figura 5.6, verifica-se que o erro de medição é cerca de
0,5 ºC, o que é um aceitável e considerável erro para estas aplicações. Este erro foi
devidamente compensado através do software. Salienta-se ainda, que esta calibração
contou com 7 termopares do tipo K (na Figura 5.6 representa-se a média de todos) e o
termómetro de mercúrio.
Figura 5.6- Gráfico que relaciona a temperatura média dos termopares com um termómetro de mercúrio.
Com estes resultados, verifica-se que o erro máximo não chega aos 0,2 ºC, o que é
um limite perfeitamente razoável e aceitável para este tipo de aplicações. No entanto,
este foi devidamente compensado e ajustado.
0
20
40
60
80
100
120
140
0 20 40 60 80 100 120 140
Tem
p. T
erm
op
ar (ºC
)
Termómetro de Mercúrio (ºC)
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 77
5.4 Caracterização dos Conversores Termoeléctricos
Antes de iniciar quaisquer implementações, é necessário averiguar as condições
de funcionamento dos elementos constituintes para cada implementação. Nesta
dissertação, caracterizaram-se dois diferentes tipos de conversores termoeléctricos, no
entanto, apenas foram utilizados os que admitem uma temperatura máxima de 230 ºC.
Seguidamente apresentam-se as curvas características de dois diferentes conversores
apresentados pelo mesmo fabricante.
5.4.1 TEC1-12707 - 160ºC
Para se obter as curvas características dos conversores, efectuou-se a sua
caracterização através de diferenças de temperatura entre ambas as faces, estes
conversores são fabricados pela Pacific Supercool [21]. Junto à face quente colocou-se
uma Hot Plate, esta tem capacidade para atingir uma temperatura máxima de 190-
200 ºC. Na face fria colocou-se um dissipador acoplado a uma ventoinha, de forma a
retirar o calor absorvido pela face quente. A Figura 5.7 legenda os intervenientes da
caracterização.
Figura 5.7- Identificação dos elementos constituintes da caracterização.
Os resultados correspondem aos valores estudados teoricamente, ou seja, quanto
maior a diferença de temperatura, maior é a potência gerada. Nota-se também, que
existe um ponto óptimo de funcionamento para as diferentes diferenças de temperaturas,
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
78 Universidade do Minho
ou seja, a tensão e corrente são parâmetros que estão directamente relacionados com o
seu desempenho. Nos gráficos da Figura 5.8 encontram-se as curvas características que
relacionam a corrente em curto-circuito com a tensão em aberto, e a corrente em curto-
circuito com a potência de saída máxima.
Figura 5.8- Tensão (V) e Potência (P) de saída de um conversor termoeléctrico com capacidade de 160 ºC.
A curva Corrente (I) / Tensão (V) mostra o comportamento linear do conversor e
a sua relação com a temperatura. Quanto maior a diferença de temperatura, maior a
corrente, tensão e potência. Através do gráfico que relaciona a corrente (I) com a
potência (P), observa-se que a potência é máxima quando a resistência da carga ronda
os 4 Ω. Isto corresponde à máxima transferência de energia do conversor para a carga,
ou seja, quando a resistência da carga e a resistência interna têm o mesmo valor.
5.4.2 TEC1-12708 - 230ºC
Os conversores anteriores permitem uma temperatura máxima na ordem dos
160 ºC, estes encontram-se distantes dos valores pretendidos para a constituição do
gerador termoeléctrico. Nesta perspectiva, utilizaram-se conversores termoeléctricos
com capacidade para 230 ºC produzidos pela Pacific Supercool [21] ver Figura 5.9.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 200 400 600 800
V (
mV
)
I (mA)
ΔT = 75 ºCΔT = 47 ºCΔT = 30 ºCΔT = 13 ºCΔT = 8 ºC
0
100
200
300
400
500
600
0 200 400 600 800P
(m
W)
I (mA)
ΔT = 75 ºCΔT = 47 ºCΔT = 30 ºCΔT = 13 ºCΔT = 8 ºC
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 79
Figura 5.9- Tensão (V) e potência (P) de saída de um conversor termoeléctrico com capacidade de 230ºC.
O procedimento desta caracterização efectuou-se nas mesmas condições que o
anterior. Observando os gráficos da Figura 5.9, verifica-se que, tal como nos anteriores
conversores, a tensão gerada aumenta com a elevação da temperatura, observa-se ainda
que a potência é máxima quando a resistência da carga ronda os 3 Ω. Isto corresponde à
máxima transferência de energia do conversor para a carga, isto é, quando a carga e a
resistência interna do conversor têm o mesmo valor. Nota-se também, que a potência
máxima ocorre maioritariamente para uma resistência interna em torno dos 3 Ω, e ainda
uma ligeira descida da resistência para temperaturas perto dos 200 ºC. A partir do
gráfico da Figura 5.9 observa-se o comportamento linear do conversor e a sua relação
com a temperatura. Quanto maior a temperatura, maior a corrente, a tensão e a potência.
5.5 Resultados dos HPs
Anteriormente (capítulo 4), abordou-se a teoria dos HPs, ou seja, especificou-se a
sua geometria, o princípio de funcionamento e a temperatura de operação. Também se
apresentou o modo de teste dos diferentes HPs, assim como, o objectivo pretendido e as
limitações em cada um. Seguidamente, apresentar-se-ão todas as implementações e
optimizações dos HPs, bem como, as implementações dos geradores termoeléctricos.
5.5.1 Heat Pipe Inicial
Como anteriormente referido, os testes iniciais foram efectuados com o HP
simplesmente colocado sobre uma superfície plana (placa térmica), designada por Hot
Plate, de forma a obter 200 ºC na superfície de contacto entre o HP e a placa térmica.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
V(m
V)
I (mA)
∆T=124ºC∆T=104ºC∆T=74ºC
∆T=54ºC∆T=34ºC∆T=14ºC
0
500
1000
1500
2000
2500
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
P (m
W)
I (mA)
∆T=124ºC∆T=104ºC∆T=74ºC
∆T=54ºC∆T=34ºC∆T=14ºC
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
80 Universidade do Minho
Na Figura 5.10 e Figura 4.10 encontra-se a representação deste Heat Pipe. Nestes testes,
colocou-se massa térmica entre a placa térmica e a superfície do HP em contacto com
esta, de modo a obter o máximo da transferência de calor, ou seja, aumentar a
condutividade térmica. Como pode ser visto na Figura 5.10, todo o HP encontra-se
devidamente isolado com lã de rocha, esta, destina-se a fazer com que as perdas
térmicas sejam mínimas.
Figura 5.10- Heat Pipe implementado para os testes iniciais.
Inicialmente começou-se por testar este tubo, ou seja, mediu-se apenas as
características do HP sem qualquer fluido de trabalho no seu interior, para que fosse
possível observar a condutividade térmica do material constituinte (cobre). Neste teste,
verifica-se que à medida que se aumenta a temperatura na Hot Plate, a temperatura da
zona vaporização do HP vai também aumentando, mantendo-se praticamente constante
a temperatura do recipiente cilíndrico preenchido com água. Este teste serve apenas para
referência deste HP. Os resultados são expostos na Figura 5.11.
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 81
Figura 5.11- Teste referência, efectuado sem fluido de trabalho no HP com ar.
Como pode ser observado no gráfico da Figura 5.11, a temperatura junto à região
de vaporização está longe de chegar aos 200 ºC (temperatura máxima fornecida pela
placa térmica), o que significa que existe mau contacto térmico entre ambos. Este,
posteriormente foi melhorado, aumentando o isolamento da placa térmica. Por outro
lado, efectuou-se também um teste sem qualquer tipo de fluido de trabalho no HP, este
apenas contém ar e baixa pressão, o tubo foi fechado com uma pressão inferior a 1m bar
(designado por vácuo). Através dos resultados obtidos, foi possível verificar que
acontece precisamente o mesmo que no teste anterior, ou seja, a temperatura da região
junto à fonte de calor aumenta até ao limite máximo, enquanto a temperatura no
recipiente de água vai aumentando ligeiramente.
Para iniciar os testes, procedeu-se então, a um método de optimização de volume
do fluido de trabalho no HP, e a pressão no interior do mesmo. Inicialmente testou-se
com água como fluido de trabalho, variando o seu volume entre 5 e 20mL, para se
averiguar o seu funcionamento, interpretar os resultados e efectuar as correspondentes
optimizações e mudanças de fluido.
5.5.1.1 Testes Realizados com Água
Realizaram-se testes até aos 20 mL de água no interior do HP, em todos estes
realizados com água e ar (pressão atmosférica, 1 bar), verificou-se que a pressão
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Tem
pe
ratu
ra (ºC
)
Tempo (s)
Base
Topo
Água
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
82 Universidade do Minho
aumenta consideravelmente com o aumento do fornecimento de calor, o que significa
que aumenta também a temperatura de ebulição do fluido de trabalho.
Os mesmos testes foram realizados, nas mesmas condições, mas agora,
preenchendo o HP com água e vácuo (aproximadamente), apenas para volumes de água
até 10 mL. Os testes de ambas as condições não ultrapassaram os 60 ºC no recipiente
com água, ou seja, a potência térmica transmitida da Hot Plate para a região de
condensação (água) é muito reduzida, esta não excedeu os 30 W, apresentou uma
potência média na ordem dos 4 W. Isto é devido à pequena quantidade de água no HP, à
pouca potência térmica transmitida pela Hot Plate, e também pela superfície de contacto
entre a fonte de calor e o HP.
Nesta sequência, aumentou-se ainda mais o volume de água no HP para níveis
compreendidos entre 10 e 20 mL, e manteve-se o HP fechado em vácuo, visto ser a
solução mais fiável, de acordo com o aumento da pressão. Na Figura 5.12
apresentam-se os resultados de 10 mL de água e vácuo no HP com uma fonte de calor
oriunda de um maçarico de propano. De acordo com este problema, aumentou-se a
quantidade de transferência da potência térmica da fonte de calor para a base do Heat
Pipe. Como a Hot Plate apenas transmite uma temperatura máxima de 200 ºC, colocou-
se como fonte de calor, um maçarico na base do HP.
Figura 5.12- Teste efectuado com 10 mL de água e vácuo no HP com maçarico.
Neste teste, aplicou-se uma potência de dois níveis, no primeiro nível,
estabilizou-se o maçarico de forma a obter uma temperatura na base do HP próxima dos
0
40
80
120
160
200
0
80
160
240
320
400
0 200 400 600 800 1000
Po
tên
cia
(W)
Tem
pe
ratu
ra (ºC
)
Tempo (s)
Potência térmica
Base do HP
Recipiente cilindrico
Água
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 83
160 ºC. No outro nível de controlo, pretendeu-se que a temperatura na base não
excedesse os 240 ºC, para poder observar a potência térmica transferida para o
recipiente cilíndrico, com diferentes fontes de calor. A pressão no interior do HP
aumentou drasticamente para os 10 bar.
No primeiro caso, a potência térmica chegou aos 100 W, e quando se aumentou
a temperatura da fonte de calor, esta ultrapassou os 150 W. Em ambos os casos, a
diferença de temperatura entre a base e o recipiente com água, rondou os 50 ºC.
De seguida, efectuaram-se testes com um volume superior de fluido de trabalho,
neste caso 15 mL de água no interior do HP. A diferença de volume não é muito
considerável, pelo que a potência transmitida não estará distante da anterior. Na Figura
5.13, apresentam-se os resultados destes testes. Estes, efectuados também, para dois
níveis de calor através do maçarico. No primeiro nível, estabilizou-se a temperatura da
base próxima dos 100 ºC, no seguinte, por volta dos 150 ºC. Nota-se que houve um
aumento da transferência de potência, e a diferença de temperatura também reduziu, o
que significa que, com este volume de fluido, aumentou a eficiência.
Figura 5.13- Teste efectuado com 15 mL de água e vácuo no HP com maçarico.
Neste teste, a pressão no interior do HP, aumentou para 10 bar, desde o início do
teste até à temperatura de ebulição do fluido. Uma vez mais, verificou-se que a pressão
no seu interior está longe de ser constante, o que altera a temperatura de ebulição do
fluido de trabalho.
0
40
80
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160
200
0
40
80
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160
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0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Po
tên
cia
(W)
Tem
pe
ratu
ra (ºC
)
Tempo (s)
Potência térmica
Base do HP
Recipiente cilindrico
Água
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
84 Universidade do Minho
Seguidamente efectuaram-se testes com 20 mL de água no HP. No teste da Figura
5.14, a pressão incidiu nos 5 bar. Foram efectuados dois níveis de calor na base.
Figura 5.14- Teste efectuado com 20 mL de água e vácuo no HP com maçarico.
O procedimento deste teste efectuou-se da mesma forma que os anteriores,
aplicou-se dois níveis de calor à base do HP. A potência térmica subiu ligeiramente.
Verifica-se que a pressão não ultrapassou os 5 bar, quando o líquido atinge a
temperatura de ebulição (as mesmas condições que os anteriores). O gráfico da Figura
5.15 ilustra a potência transferida da base para o recipiente cilíndrico do HP que contém
água, para os diferentes testes realizados. Destaca-se que os testes efectuados com 20
mL de água encontram-se com potências superiores em relação aos restantes.
0
40
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160
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0
40
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0 200 400 600 800 1000 1200
Po
tên
cia
(W)
Tem
pe
ratu
ra (ºC
)
Tempo (s)
Potência térmica Base do HP
Recipiente cilindrico
Água
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 85
Figura 5.15- Resumo da relação Temperatura na zona de calor do HP com a respectiva potência térmica com
água, para os testes efectuados com o maçarico.
Nestes resultados observa-se que a potência máxima excedeu os 180 W, contudo a
sua potência média é cerca de 160 W. O que significa que 20 mL de fluido consiste na
melhor optimização e corresponde à potência máxima transferida da base do HP para a
região de condensação.
Com estes resultados é possível observar que a transferência da potência térmica é
muito superior aos testes anteriores, chegando a 160 W. É importante salientar que
quando o recipiente de água atinge a temperatura de ebulição (100 ºC), pararam-se os
testes.
Com este gráfico é possível analisar, como a potência transmitida do maçarico
para o HP é aproveitada. Assim como a quantidade de fluido no seu interior. É possível
também verificar que este HP encontra-se numa gama de funcionamento próxima de
alguns HPs comerciais [34,35].
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250
Po
tên
cia
(W)
Temperatura na base inferior do HP (ºC)
P_20mL
P_10mL
P_20ml_5b
P_15mL
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
86 Universidade do Minho
5.5.1.2 Testes Realizados com Dowtherm A
A par dos testes realizados com água como fluido de trabalho, efectuaram-se
testes com Dowtherm A. Este é um composto químico que possui uma temperatura de
ebulição de 257,1 ºC à pressão atmosférica, ou seja, este composto é ideal para esta
aplicação devido a esta característica. Como o sistema vai operar próximo dos limites
de temperatura dos conversores termoeléctricos (230 ºC), a água teria que se encontrar a
uma pressão de 23 bar. Como este é um valor de elevada pressão, daqui provém
também o uso de Dowtherm A. O facto de não ser corrosivo nem tóxico [87], são
especificações que o tornam útil para este HP. Assim, efectuaram-se testes, com 20 mL
deste composto, como fluido de trabalho, onde se colocou o HP com uma pressão
inferior a 1 bar, de forma a conseguir obter uma temperatura de ebulição inferior a
257,1 ºC. Estes resultados podem ser vistos na Figura 5.16.
Figura 5.16- Teste efectuado com 20 mL de Dowtherm A e vácuo no HP com maçarico.
Através deste gráfico, verifica-se que a potência térmica máxima, não excedeu os
80 W, este é um dado que mostra que as propriedades térmicas do Dowtherm A
(capacidade calorífica e calor latente de vaporização) são muito inferiores às da água.
Em todos os testes efectuados com Dowtherm A, a potência é sempre distante dos testes
efectuados nas mesmas condições para a água. O que significa que a água seria o ideal
0
25
50
75
100
125
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0
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0 500 1000 1500 2000
Po
tên
cia
(W)
Tem
pe
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ra (ºC
)
Tempo (s)
Potência térmica
Água
Interior do HP
Base do HP
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 87
fluido de trabalho deste HP. A Figura 5.17 representa um resumo deste HP, com os
resultados da potência térmica obtida nos testes com água e Dowtherm A, onde uma vez
mais se verifica que utilizando este composto químico como fluido de trabalho, a
potência fica aquém da utilização da água.
Figura 5.17- Resumo da relação Temperatura na zona de calor do HP com a respectiva potência térmica com
água e Dowtherm A, para os testes efectuados com o maçarico.
A transferência de calor deste HP é ainda um pouco medíocre, este pode ser
melhorado através do aumento da área de vaporização do fluido, visto neste ultimo ser
muito reduzida. Para tal desenvolveu-se um novo HP com uma área de vaporização
superior, assim como o tamanho do próprio tubo por onde circula o fluido.
5.5.2 Heat Pipe Optimizado
Este HP destina-se a um aumento da transferência de potência térmica da zona de
contacto com a fonte de calor para a região de absorção de potência (recipiente
cilíndrico com água). Na Figura 5.18 representa-se o HP implementado.
0
50
100
150
200
250
0 100 200 300 400 500
Po
tên
cia
(W)
Temperatura na base inferior do HP (ºC)
P_20mL
P_10mL
P_20ml_5b
P_15mL
P_20mL_Dowtherm A
Dowtherm A + Vácuo
Água + Vácuo
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
88 Universidade do Minho
Figura 5.18- Heat Pipe implementado com as respectivas optimizações.
Para este HP aumentou-se as áreas de vaporização e condensação (Figura 4.11 e
Figura 5.18). A área de transferência de calor na região de vaporização é semelhante à
área de transferência na região de condensação. A fonte de calor (maçarico) foi
colocada directamente sobre a região de vaporização. Esta zona foi constituída por uma
parede volumosa para proteger o tubo e produzir algum amortecimento de calor
transferido para o HP. A região de transferência de calor para o recipiente cilíndrico foi
projectada de forma a ter uma área de transferência semelhante à área de vaporização. A
transferência de potência foi significativamente melhorada para a duplicação dos
valores obtidos no anterior HP.
5.5.2.1 Testes Realizados com Água
Para estes testes, foram utilizadas várias quantidades de fluido de trabalho,
compreendidas entre 10 e 20 mL, onde se usou água e Dowtherm A, quer na presença de
ar ou na sua ausência. Como inicialmente previsto, a transferência de calor ocorreu
somente para temperaturas superiores a 100 ºC, onde o interior do HP se encontra em
plena temperatura de ebulição, para o caso da água, à pressão de 2 bar (Figura 5.19). No
HP em vácuo, a potência começou a ser transferida a partir dos 40 ºC, como mostra a
Figura 5.20.
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 89
Figura 5.19- Teste efectuado com 10 mL de água e ar no HP com um maçarico.
A diferença entre os resultados do gráfico da Figura 5.19 e Figura 5.20, reside no
tempo da resposta inicial da transferência de potência térmica. Mantendo o HP em
vácuo, a transferência ocorre mais rapidamente.
Figura 5.20- Teste efectuado com 10 mL de água e vácuo no HP com um maçarico.
Com base nestes resultados, verifica-se que nos testes efectuados com o HP
preenchido com água e vácuo, o tempo de resposta é melhor que nos testes com água e
0
50
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Po
tên
cia
(W)
Tem
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)
Tempo (s)
Cilindro da base
Água
Potência térmica
HP
0
50
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0 100 200 300 400 500 600 700
Po
tên
cia
(W)
Tem
pe
ratu
ra (ºC
)
Tempo (s)
HPCilindro da base
Água
Potência térmica
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
90 Universidade do Minho
ar. O que significa que confirma que pressão tem a máxima influência neste sistema,
como foi abordado anteriormente. Nota-se também, que a potência transmitida de uma
extremidade para a outra aumentou consideravelmente, esta chegou aos 300 W, o que se
torna uma boa optimização em relação ao anterior HP. No HP com ar, a pressão chegou
aos 5 bar e o HP em vácuo, chegou aos 2 bar.
Os testes foram realizados com 5 mL, 10 mL e 20 mL no interior do HP, no
entanto, estes parâmetros não interferem nos resultados (Figura 5.21). A principal
diferença tem mesmo a ver com o início da transferência de calor.
Figura 5.21- Resumo da relação Temperatura na zona de calor do HP com a respectiva potência térmica com
água, para os testes efectuados com o maçarico.
Em todos estes testes, a potência térmica é cerca de 300 W, o que significa que o
volume de água é aceitável para um intervalo compreendido entre 10 mL e 20 mL. A
elevação de transferência de calor dá-se para uma temperatura de 40 ºC no caso de o HP
ser composto por água e vácuo. E cerca de 100 ºC para o caso de água e ar.
5.5.2.2 Testes Realizados com Dowtherm A
No caso do Dowtherm A, a temperatura de ebulição foi bem superior, cerca de
180 ºC para pressões inferiores a 1 bar. No entanto, este começa a transferir potência a
0
100
200
300
400
500
50 70 90 110 130 150 170
Po
tên
cia
(W)
Temperatura da base inferior do HP (ºC)
Água (vácuo)Água + Ar
20mL
10mL
10mL
20mL
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 91
partir dos 50 ºC. Em relação ao tempo de início de transferência de calor, este inicia-se
por volta dos 300 s. Em relação ao volume de fluido, este não interfere directamente na
sua eficiência, como exemplifica a Figura 5.22 e Figura 5.23.
Figura 5.22- Teste efectuado com 10 mL de Dowtherm A e vácuo no HP com maçarico.
Na Figura 5.22, o gráfico representa os resultados de um teste efectuado com
10 mL de Dowtherm A no HP. Verifica-se que a sua potência máxima é cerca de 250 W,
no entanto, este é ainda um valor longínquo dos testes efectuados com água.
Figura 5.23- Teste efectuado com 20 mL de Dowtherm A e vácuo no HP com maçarico.
0
50
100
150
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300
0
50
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0 200 400 600 800 1000
Po
tên
cia
(W)
Tem
pe
ratu
ra (ºC
)
Tempo (s)
Cilindro da base
Potência térmica
HP
Água
0
50
100
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300
0
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200
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0 200 400 600 800 1000
Po
tên
cia
(W)
Tem
pe
ratu
ra (ºC
)
Tempo (s)
HPCilindro da base
Água
Potência térmica
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
92 Universidade do Minho
Na Figura 5.23, apresentam-se os resultados do HP com 20 mL de Dowtherm A
no seu interior, aqui verifica-se a mesma situação que no gráfico da Figura 5.22, o que
significa que o volume de fluido de trabalho não tem interferência. Seguidamente
(Figura 5.24), apresentam-se os resultados de testes efectuados com 10 mL e 20 ml de
Dowtherm A no HP.
Figura 5.24- Resumo da relação Temperatura na zona de calor do HP com a respectiva potência térmica com
Dowtherm A, para os testes efectuados com o maçarico.
Nota-se uma vez mais, que a potência térmica transferida é bem menor em relação
ao uso da água. À medida que a quantidade de calor vai sendo aumentada em relação à
quantidade retirada pela região de condensação, a pressão e temperatura no HP.
Com a exposição de todos estes resultados de ambos os HPs, é possível concluir
que, o primeiro HP implementado tem resultados inferiores ao segundo, no sentido em
que, a transferência de potência é muito menor, corresponde a metade do novo HP.
Destaca-se também, que a utilização de Dowtherm A como fluído de trabalho está
longe de ser a ideal, devido à sua transferência de potência da base para a zona superior
do HP, esta é sempre muito reduzida para ambos os HPs.
Outro factor de bastante relevo embate na pressão no interior do HP. Esta aumenta
drasticamente para valores elevados (quando é utilizado água), aumentando também a
temperatura no interior do HP, o que pode provocar situações anómalas. Para amputar
esta questão, implementou-se os HPs de condutância variável (VCHP).
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250
Po
tên
cia
(W)
Temperatura da base inferior do HP (ºC)
10mL
20mL
Dowtherm A + Vácuo
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 93
5.6 Resultados dos VCHPs
Os HPs de condutância variável destinam-se a controlar a temperatura de
mudança de fase no interior do HP. Esta implementação baseou-se numa optimização
do anterior HP. Foi adicionado um reservatório cilíndrico com capacidade para 20 L,
que foi conectado à região de condensação do HP, como mostra a Figura 5.25, para que
desta forma, a pressão no interior do HP tenha um valor constante e não mude durante o
período de operação.
Figura 5.25- HP de condutância variável implementado. Recipiente cilíndrico de 20 L conectado à zona
superior do HP.
Os testes efectuados com o VCHP, foram efectuados com diversos parâmetros
que foram variando à medida que se verificavam os resultados, ou seja, analisavam-se
os resultados e procedia-se à respectiva optimização. Para a verificação e observação do
método de funcionamento desta vertente de HPs, colocaram-se termopares na zona de
ligação da região de condensação até ao reservatório de 20 L, estes, auxiliam na
percepção e leitura dos resultados e nos fenómenos que eventualmente surgem durante
os testes. Nestes testes, a temperatura no interior do tubo foi controlada com ar
comprimido.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
94 Universidade do Minho
5.6.1 Testes Realizados com Água
Os resultados dos primeiros testes foram bastante motivantes, estes apresentam
resultados muito superiores em relação aos testes anteriores. Foi possível melhorar
ainda mais a transferência de calor duma extremidade para a outra do HP. A potência
térmica chegou a ultrapassar os 500 W, como se representa na Figura 5.26.
Figura 5.26- Teste efectuado com 20 mL de água e pressão de ar a 2 bar, 2 maçaricos.
A Figura 5.26 representa um teste efectuado com 20 mL de água no interior do
tubo, com uma pressão igual a 2 bar. Nota-se também, que a temperatura de ebulição do
fluido de trabalho (água) dá-se quando esta se encontra a 120 ºC, este valor modifica
para diferentes pressões [88]. À medida que se aumenta a pressão no seu interior, a
temperatura de ebulição, aumenta também. Segundo estes dados, verifica-se que, para
um ponto ideal de funcionamento do HP com a integração dos conversores
termoeléctricos, esta pressão seria aproximadamente igual a 25 bar para uma
temperatura máxima de 220 ºC, assim, estes conversores não correm riscos.
Seguidamente apresentam-se os resultados dos testes efectuados com 20 mL de água e
uma pressão 12,5 bar, na Figura 5.27.
0
200
400
600
800
1000
0
30
60
90
120
150
0 100 200 300 400 500
Po
tên
cia
(W)
Tem
pe
ratu
ra (ºC
)
Tempo (s)
Potência térmica
Água
HP
Cilindro da base
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 95
Figura 5.27- Teste efectuado com 20 mL de água e pressão de ar a 12,5 bar, 1 maçarico.
Foram efectuados testes com diferentes pressões, 1 bar, 2 bar, 6 bar, 10 bar e
12,5 bar. Para todos estes testes, verifica-se que o calor transferido para a região de
vaporização é ainda insuficiente, visto que em todos estes testes, a potência ronda os
mesmos valores, o que não deveria acontecer, a quantidade de calor transmitida deveria
ser máxima para a máxima pressão.
Através do gráfico da Figura 5.26 e Figura 5.27, observa-se que a fonte de calor
junto da região de vaporização está a limitar a transferência de calor, ou seja, a
diferença de temperatura entre a base do cilindro e a temperatura no interior do HP é
inferior a 5 ºC, o que significa que mais calor pode ser atribuído à base do HP. Nota-se
portanto, que a limitação de transferência de calor encontra-se na região da fonte de
calor para a zona de vaporização. Para reduzir esta limitação, adicionou-se outro
maçarico idêntico ao anterior, maçarico de propano. A Figura 5.28 representa os
resultados obtidos nos testes efectuados com 20 mL de água com uma pressão de 1 bar
utilizando dois maçaricos como fonte de calor.
0
100
200
300
400
500
600
0
50
100
150
200
250
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0 100 200 300 400 500 600 700 800
Po
tên
cia
(W)
Tem
pe
ratu
ra (ºC
)
Tempo (s)
HP
Cilindro da base
Água
Potência térmica
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
96 Universidade do Minho
Figura 5.28- Teste efectuado com 20 mL de água e pressão de ar a 1 bar, 2 maçaricos.
Para uma pressão absoluta de 1 bar, auferiu-se uma potência de pico na ordem dos
1000 W com uma diferença de temperatura entre a base e o HP de 20 ºC. Na Figura
5.29 apresenta-se o mesmo teste, mas agora para uma pressão de 10 bar.
Figura 5.29- Teste efectuado com 20 mL de água e pressão de ar a 10 bar, 2 maçaricos.
Aumentando a pressão para 10 bar, a temperatura do fluido aumenta para 180 ºC e
a potência térmica aumenta para valores superiores a 1400 W (Figura 5.29). Assim,
0
200
400
600
800
1000
0
30
60
90
120
150
0 30 60 90 120 150 180
Po
tên
cia
(W)
Tem
pe
ratu
ra (ºC
)
Tempo (s)
Potência térmica
Água
HP
Cilindro da base
0
200
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600
800
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0
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0 50 100 150 200 250
Po
tên
cia
(W)
Tem
pe
ratu
ra (ºC
)
Tempo (s)
Potência térmica
Água
HPCilindro da base
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 97
afirma-se que estes HPs implementados têm a capacidade de lidar com elevadas
entradas de energia.
Estes resultados provocaram um grande entusiasmo por parte do autor, provando
assim, que estes mecanismos seriam adequados para o objectivo final do presente
trabalho: encontrar uma maneira segura e eficiente de transferência de calor do sistema
de escape de um veículo para a colocação de conversores termoeléctricos. A Figura 5.30
exibe a relação entre a taxa de transferência de calor e a temperatura do HP.
Figura 5.30- Relação: potência máxima – temperatura no VCHP, com 2 maçaricos.
Fazendo a interpretação do gráfico da Figura 5.30, verifica-se que a potência
térmica situa-se acima de 1 kW. Embora a temperatura máxima admissível dos
conversores termoeléctricos (230 ºC) não tenha sido alcançada, verifica-se que a taxa
disponível de transporte de calor é mais que suficiente para esta aplicação. No entanto,
antes de proceder à implementação do gerador termoeléctrico, foram realizados novos
testes, estes incidem na avaliação do potencial da zona superior do HP, ou seja, na
utilização de Dowtherm A.
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
80 100 120 140 160 180 200
Po
tên
cia
(W)
Temperatura no HP (ºC)
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
98 Universidade do Minho
5.6.2 Testes Realizados com Dowtherm A
Dowtherm A é um fluido com uma temperatura de ebulição de 257,1 ºC à
pressão atmosférica caindo para 220 ºC à pressão de 0,3 bar. Em todos os testes com
este composto, o potencial de transferência de calor diminui em relação à água, caindo
este para metade do valor. O uso de Dowtherm A no VCHP confirma novamente estas
conclusões, quando a potência cai de 1400 W para menos de 800 W, Figura 5.31.
Figura 5.31- Teste efectuado com 20 mL de Dowtherm A com uma pressão de 1 bar.
O uso deste composto químico é apenas adequado para pressões inferiores à
pressão atmosférica, no entanto, a taxa de transferência de calor é menor, contudo, esta
é ainda adequável.
5.7 Gerador Termoeléctrico Implementado
Conforme discutido anteriormente, a principal limitação para a aplicação de um
gerador termoeléctrico para um sistema de escape de um veículo, é o excesso de
temperatura na sua fonte de calor. Um método de acessível implementação de utilizar o
calor a um nível de reduzidas temperaturas com elevadas taxas de transmissão de calor
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
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0
50
100
150
200
250
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350
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0 50 100 150 200 250 300 350 400
Po
tên
cia
(W)
Tem
pe
ratu
ra (ºC
)
Tempo (s)
Cilindro da base
HPÁgua
Potência térmica
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 99
consiste no uso de um VCHP com a região de vaporização incorporada nos gases de
escape (calor dos maçaricos), e os conversores termoeléctricos acoplados à região de
condensação. O último conjunto de testes (gerador termoeléctrico), com VCHP similar
ao fabricado anteriormente, consiste na constituição de um bloco paralelepipédico para
a remoção lateral do calor para os conversores, como mostra a Figura 5.32.
Figura 5.32- Heat Pipe implementado com as respectivas optimizações para a colocação dos conversores
termoeléctricos.
Além disto, existe um circuito de arrefecimento através de água, onde este
recupera a diferença de temperatura para a geração de energia eléctrica dos conversores.
Este é representado na Figura 5.33. Foram introduzidos quatro conversores
termoeléctricos em duas zonas laterais, situados entre duas condutas de arrefecimento
onde circula água e o bloco da região quente.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
100 Universidade do Minho
(a) Protótipo da implementação (b) Implementação real
Figura 5.33- Implementação de um VCHP para a inserção de conversores termoeléctricos e respectivo sistema
de arrefecimento.
Foram utilizados quatro conversores termoeléctricos da Pacific Supercool, a
referência é TEC1-12708, com as dimensões de 40 mm x 40 mm x 3,9 mm. Estes são
constituídos por 127 pares de junções e suportam uma temperatura máxima de 238 ºC.
O calor é transmitido a partir da região de vaporização para o bloco de cobre
onde se encontram os conversores, e destes para as condutas de arrefecimento. Para
garantir que existisse ∆T nos conversores termoeléctricos, manteve-se um caudal fixo
nas condutas de arrefecimento, impondo-se um fluxo de água de 40 a 120 Lh-1
.
Com este gerador termoeléctrico foram realizados testes com um volume fixo no
interior do HP de 20 mL de água, variando-se a pressão de ar de 1 bar a 13 bar, no
interior do mesmo.
Inicialmente efectuaram-se testes variando a calor fornecido à base, ou seja, com
um e dois maçaricos. Estes mostraram que existe uma recuperação de potência térmica
superior a 900 W, quando dois maçaricos fornecem calor à base, e uma potência
superior a 600 W quando apenas um se encontra em funcionamento. Ver Figura 5.34.
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 101
Figura 5.34- Teste VCHP com um fluxo de água de arrefecimento constante com 1-2 maçaricos.
Este gráfico representa um teste efectuado com uma pressão de 6bar no interior
do tubo e 20 mL de água. O caudal do arrefecimento dos conversores foi mantido
constante a 118 Lh-1
. Para verificar a diferença entre 1 e 2 maçaricos, iniciou-se o teste
com uma superior fonte de calor, e aos 1000 s desligou-se um maçarico. Os resultados
foram os esperados, ou seja, quando é aplicada uma fonte de calor superior, este
aproveita uma elevada potência térmica.
Este primeiro gerador é constituído por 4 conversores termoeléctricos, o que
significa que inicialmente apenas foi aplicado um maçarico, devido à sua elevada fonte
de calor para não danificar os próprios. O gráfico da Figura 5.35 mostra os resultados da
potência térmica obtida com os conversores termoeléctricos, com um caudal de
arrefecimento de 42 Lh-1
.
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200
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Po
tên
cia
(W)
Tem
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)
Tempo (s)
Cilindro da base
HP
Bloco
2 Maçaricos 1 Maçarico
Potência térmica
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
102 Universidade do Minho
Figura 5.35- Potência térmica em função da temperatura fornecida pela fonte de calor.
A temperatura obtida no bloco paralelepipédico onde se situam os conversores
termoeléctricos, apenas foi ligeiramente inferior à temperatura do interior do HP. A
temperatura média nas condutas de arrefecimento foi de 25 ºC.
Com os quatro conversores termoeléctricos incorporados no HP, efectuou-se a
ligação destes em série de forma a obter máxima, a sua tensão de saída. Este circuito é
representado na Figura 5.36.
Figura 5.36- Esquema eléctrico da ligação dos 4 conversores termoeléctricos em série.
A designação representa o circuito de cada conversor termoeléctrico,
representa a respectiva tensão aos terminais de cada conversor.
A Figura 5.37 apresenta todos os resultados dos testes efectuados com este
gerador termoeléctrico.
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80 100 120 140 160 180
Po
tên
cia
térm
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(W)
Temperatura na base inferior (ºC)
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 103
Figura 5.37- Tensão eléctrica (V), Potência eléctrica (W), Eficiência (%) em função de ∆T dos 4 conversores.
A Figura 5.37 representa a curva da potência eléctrica gerada nos 4 conversores
termoeléctricos, juntamente com a eficiência e a tensão dos próprios. Como mostra o
gráfico, é esperado obter uma função quadrática de segunda ordem na curva da energia
eléctrica, e uma recta para a tensão e eficiência.
A máxima eficiência deste gerador foi obtida em cerca de 3% para um
∆T=128 ºC, correspondendo a uma temperatura no bloco paralelepipédico de 153 ºC.
Para temperaturas superiores, a eficiência permanece neste patamar, inicialmente era
esperado uma eficiência superior. Desta forma, a máxima potência eléctrica gerada
situa-se nos 8,2 W.
Com este gerador, não foram testadas temperaturas na face quente dos
conversores superiores a 180 ºC, no entanto, é esperado que a eficiência continue a
aumentar ao mesmo ritmo, sendo de esperar uma eficiência em torno dos 4% para a
temperatura limite destes conversores.
Nesta sequência, implementou-se um novo gerador termoeléctrico. Este
construiu-se para aproveitar ainda mais o rendimento térmico deste VCHP.
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(%)
Diferença de temperatura (ºC)
Tensão
Potência eléctrica
Eficiência
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
104 Universidade do Minho
5.8 Gerador Termoeléctrico Final
Para que exista um óptimo aproveitamento deste VCHP, instalou-se quatro
conversores termoeléctricos nas outras duas faces do bloco superior do HP com um
formato paralelepipédico. A potência eléctrica produzida por este gerador foi de 8,2 W,
no entanto, torna-se possível aproveitar e optimizar este VCHP. Uma das soluções para
aumentar a eficiência e a potência deste VCHP passa por aproveitar ao máximo o bloco
acoplado à região de condensação. Nesta sequência, procedeu-se então, a uma
optimização do número de conversores termoeléctricos, assim como, o calor fornecido à
base do HP. A Figura 5.38 representa este gerador.
Figura 5.38- Protótipo da implementação de um VCHP para a inserção de conversores termoeléctricos e
respectivo sistema de arrefecimento com 8 conversores.
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 105
Neste novo gerador termoeléctrico, utilizaram-se oito conversores, colocando dois
em cada uma das quatro faces do bloco paralelepipédico, com o respectivo sistema de
arrefecimento através de quatro condutas rectangulares de alumínio devido à sua
elevada condutividade térmica.
Como no gerador anterior, este encontra-se acoplado ao mesmo reservatório de
20 L, formando assim um VCHP. Para a execução de todos os testes, o procedimento
decorreu da mesma forma que os anteriores, ou seja, efectuaram-se vários testes com
20 mL de água no interior do HP, variando-se a pressão do ar no interior do mesmo.
Foram efectuados testes para a pressão atmosférica, 2 bar, 6 bar, 10 bar e 13 bar. Na
Figura 5.39 apresentam-se fotos da região do VCHP onde foram colocados os
conversores termoeléctricos.
Figura 5.39- Imagens do gerador final implementado, com 8 conversores termoeléctricos.
Com a implementação deste gerador termoeléctrico, foi possível absorver a
energia térmica para os conversores em regime estacionário, anteriormente (HPs com
um recipiente cilíndrico com água), o que acontecia era que, a partir do momento em
que a temperatura da água chegava aos 100 ºC, parava a transferência de calor. A partir
do instante em que o fluido de trabalho atinge a temperatura de ebulição para a actual
pressão do ar, calor transferido para os conversores é absorvido com um valor
constante, produzindo assim, uma constante energia eléctrica. O importante é impedir
que a temperatura do bloco paralelepipédico não ultrapasse a temperatura máxima
admissível dos conversores, e esta já é conseguida através do VCHP. Na Figura 5.40
apresenta-se um teste efectuado com este gerador termoeléctrico.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
106 Universidade do Minho
Figura 5.40- Teste efectuado com 20 mL de água no VCHP, 13 bar e com 2 maçaricos.
A partir da Figura 5.40 visualiza-se a transferência de calor da extremidade
inferior para a região onde se encontram os conversores termoeléctricos do VCHP. Com
este gráfico, traduz-se a transferência de calor em regime permanente para todos os
testes efectuados com este gerador.
A temperatura da água nos blocos de arrefecimento andou compreendida entre
35 ºC e 40 ºC, e com um caudal médio de 42 Lh-1
. Na Figura 5.41 visualiza-se a energia
térmica produzida por este VCHP ao longo de vários testes.
Figura 5.41- Potência térmica em função da temperatura fornecida pela fonte de calor.
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Tempo (s)
Cilindro da base
HP
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term
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Temperatura na base inferior (ºC)
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 107
Através da Figura 5.41 é possível analisar a potência térmica transmitida aos
conversores termoeléctricos para testes efectuados com 20 mL de água no interior do
VCHP, para 1 bar, 2 bar, 6 bar, 10 bar e 13 bar. Verifica-se que a máxima potência
térmica ultrapassou os 700 W quando os conversores se encontram com um ∆T=136 ºC.
A ligação dos oito conversores em série é representada na Figura 5.42.
Figura 5.42- Esquema eléctrico da ligação dos 8 conversores termoeléctricos em série.
Por outro lado, é também possível comparar a potência eléctrica produzida com a
tensão e eficiência deste sistema, na Figura 5.43.
Figura 5.43- Tensão eléctrica (V), Potência eléctrica (W), Eficiência (%) em função de ∆T dos 8 conversores.
1
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3
4
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(%)
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cia
(W)
Diferença de temperatura (ºC)
Potência eléctrica
Tensão
Eficiência
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
108 Universidade do Minho
Com este gráfico, nota-se que a potência eléctrica assim como, a tensão eléctrica e
eficiência, são máximos quando a diferença de temperatura nos conversores é máxima,
como estudado anteriormente. Assim, obteve-se uma potência eléctrica máxima de
31 W para uma eficiência de 4,5%, com uma tensão gerada em cada conversor de 6,5 V.
Salienta-se ainda, que este gerador não se encontra no máximo funcionamento, ou
seja, ainda não se encontra a aproveitar o máximo da potência térmica transmitida a
este, devido à sua pressão no interior do VCHP, para tal acontecer, esta pressão deveria
ser cerca de 25 bar. Provavelmente acima do limite aceitável para o conversor
termoeléctrico.
5.9 Conclusões
Neste capítulo expõe-se o estudo realizado para avaliar e implementar a
combinação entre tubos de calor e conversores termoeléctricos existentes no mercado,
com o objectivo de recuperar a energia proveniente dos gases de escape dos
automóveis. Os HPs foram usados como um meio de transmitir o calor dos gases de
escape para os respectivos conversores termoeléctricos, tendo em conta, o limite
máximo admissível destes conversores, para que estes não se danifiquem. Foram
implementados vários HPs, notando-se uma melhoria à medida que se foram
optimizando em relação aos testes iniciais, tanto a nível do controlo da pressão e da
respectiva temperatura de ebulição, como a taxa de transmissão de calor. Por outra
perspectiva, foi possível obter um controlo da pressão e temperatura de operação no HP,
melhorando também a taxa de transmissão de calor, que chegou a ultrapassar os 1,4 kW.
Um dos grandes obstáculos dos geradores termoeléctricos, reside na temperatura
máxima admissível dos conversores comerciais, que apresentam uma temperatura
máxima muito menor que o nível de temperatura típico dos gases de escape. Para tal,
desenvolveu-se um novo tipo de HP para controlar a sua temperatura de funcionamento.
Este controlo foi alcançado, recorrendo ao chamado tubo de calor de condutância
variável (VCHP).
Para testar estes mecanismos foram utilizados dois líquidos como fluido de
trabalho, água e Dowtherm A. Este último, mostrou um reduzido potencial, com níveis
Capítulo 5- Testes e Resultados
Universidade do Minho 109
de redução de potência para menos de metade em relação ao uso de água. Contudo este
fluido funciona com pressões muito mais baixas quando comparado com a água. O
VCHP implementado tem como função, controlar a temperatura de trabalho nos
conversores e mantê-la abaixo do limite máximo. Os valores de temperatura variam
entre 100 ºC para 1bar e 200 ºC para pressões de 13,5 bar.
O último projecto desenvolvido consiste na avaliação, caracterização e
implementação da combinação entre HPs e conversores termoeléctricos para produzir
electricidade. Obteve-se valores de 4,5% de eficiência para uma diferença de
temperatura próxima de 140 ºC. Esta solução apresenta um razoável potencial de
energia, abrindo assim barreiras, para um viável gerador termoeléctrico para sistemas de
recuperação de energia através do escape dos automóveis.
111
Capítulo 6
Conclusões e Trabalho Futuro
6.1 Conclusões
O objectivo primordial desta dissertação residiu na proposta de uma solução
alternativa para o aproveitamento do calor obtido nos gases de escape de um automóvel,
para a geração de energia eléctrica. Dentro deste item, o objectivo principal sublinhou-
se numa alternativa de controlar a temperatura destes gases para não danificar os
conversores termoeléctricos utilizados.
Esta solução foi proposta por apresentar diversas vantagens: elevada energia
desperdiçada no escape; o custo de fabrico relativamente baixo; o uso de elementos
termoeléctricos é relativamente simples, prático, e facilmente adaptável; com a
implementação do sistema, o veículo torna-se mais eficiente e menos poluente,
apresentando consumos de combustível mais reduzidos.
Com o desenvolvimento deste trabalho, pode concluir-se que a implementação de
sistemas baseados em elementos termoeléctricos para a recuperação de calor no escape
dos automóveis é possível, no entanto, os conversores termoeléctricos apresentam ainda
um reduzido rendimento (3% a 6%) e uma baixa figura de mérito (ZT=1), fazendo com
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
112 Universidade do Minho
que a estratégia de recuperação de calor residual do escape seja uma técnica ainda
pouco utilizada.
Um grande problema no decorrer deste trabalho surgiu com a necessidade de
controlar a temperatura dos gases do próprio escape. O escape atinge temperaturas
acima de 800 ºC, e os conversores termoeléctricos apresentam um limite máximo de
temperaturas na ordem dos 230 ºC. No entanto, este obstáculo foi alcançável devido à
utilização de Heat Pipes de condutância variável (VCHP).
Para a realização desta dissertação, recorreu-se ao uso e implementação de
hardware, nomeadamente em relação à monitorização de temperaturas e de sinais
eléctricos para o PC. Inicialmente, utilizou-se uma placa de aquisição de dados NI USB
6008, no entanto, devido à sua baixa resolução do ADC interno, utilizou-se também da
NI, a USB 4350 que apresenta o dobro da resolução da anterior. Assim, foi possível
obter resultados com uma margem de erro muito reduzida, na ordem de 1% (como na
temperatura, quando comparado com um termómetro de mercúrio).
Para se obter o controlo da temperatura dos gases de escape, implementou-se a
tecnologia Heat Pipe. Este por si só, apresentou resultados aquém dos esperados, no
entanto, verificou-se que é um óptimo mecanismo para a transferência de calor,
apresentando reduzida diferença de temperatura entre a zona inicial de transferência e o
local que se pretende limitar. Com o uso da variante de um Heat Pipe de condutância
variável, foi então possível limitar a temperatura máxima de operação para valores que
não excedem a temperatura máxima dos conversores termoeléctricos.
A potência térmica transmitida por este VCHP chegou a exceder os 1,4 kW (numa
secção de 22 mm), o que significa que se obteve óptimos resultados quando comparados
com mecanismos comerciais, com as mesmas dimensões e condições de funcionamento.
A utilização de água no interior do HP e o controlo da pressão a 15bar permitiu a
estabilização da temperatura em 190 ºC. Para temperaturas superiores, recorreu-se a
Dowtherm A, que permite o controlo de temperatura até 400 ºC, sem recorrer a pressões
demasiado elevadas e impraticáveis.
A implementação do gerador termoeléctrico foi construída tendo em consideração
os actuais conversores termoeléctricos. Estes apresentam um ZT=1, e uma baixa
eficiência. Na implementação do gerador final, obteve-se uma tensão eléctrica máxima
de 6,5 V em cada conversor, uma potência eléctrica máxima na ordem dos 4 W por
conversor, uma eficiência termoeléctrica de 4,5%, para um ∆T máximo de 170 ºC entre
Capítulo 6- Conclusões e Trabalho Futuro
Universidade do Minho 113
as faces destes conversores. O gerador implementado proporcionou 32 W dado recorrer
a oito conversores termoeléctricos.
Salienta-se que o protótipo foi construído atendendo a todos estes parâmetros que
o condicionam, podendo ainda ser melhorado e optimizado nomeadamente em relação à
eficiência termoeléctrica e potência eléctrica.
6.2 Trabalho Futuro
As ideias fundamentais desta tese foram apresentadas, discutidas, implementadas,
testadas e analisadas. Contudo, é possível explorar e desenvolver ainda mais a solução
encontrada, sendo para isso necessário, desenvolver e executar ainda algumas tarefas
mais específicas, nomeadamente, a implementação do gerador termoeléctrico final no
próprio veículo. Um outro objectivo a atingir é a implementação combinada entre o
VCHP e outros conversores termoeléctricos com um limite superior de temperatura,
permitindo aumentar a eficiência.
No decorrer de todas as implementações, verificou-se que existem parâmetros a
ser optimizados, como é o caso da eficiência termoeléctrica dos conversores e a sua
potência eléctrica produzida, aumentado assim, a total eficiência do gerador
termoeléctrico. Isto pode ser conseguido através do ajuste da temperatura de
funcionamento dos conversores para o valor máximo permitido.
Outra estratégia para uma maior produção de energia passa por aumentar a
diferença de temperatura entre a face quente e fria dos conversores, através da melhoria
do arrefecimento da água exterior de arrefecimento, reduzindo a resistência térmica do
conjunto conversores termoeléctricos – circuito de arrefecimento. Uma diminuição de
custo e dimensões pode ser conseguida com conversores com uma menor espessura, que
absorvem mais calor mas também produzem mais potência eléctrica.
A tecnologia que constitui os conversores termoeléctricos encontra-se em
constante renovação e aperfeiçoamento, espera-se futuramente obter conversores mais
eficientes, temperaturas de funcionamento superiores com uma maior resistência
térmica, o que faz com que tenham uma elevada figura de mérito (ZT). Actualmente
encontram-se em desenvolvimento conversores com várias camadas de materiais
semicondutores e uma figura de mérito próxima de dois, (ZT=2) [25].
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
114 Universidade do Minho
Comercialmente, o sucesso deste protótipo depende em grande parte, não só da
sua eficiência energética, como também do seu reduzido tamanho. Futuramente,
trabalhar-se-á em prol de uma optimização da geometria do HP, optimização do número
de conversores termoeléctricos, assim como, a estrutura final do gerador termoeléctrico.
Para além de todas estas implementações, pretende-se futuramente, conectar todo este
sistema num escape de um automóvel.
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Universidade do Minho 115
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1
Anexos
Anexo A - Circuito para Aquisição do Sinal dos Termopares ......................................... 2
Anexo B – Software Desenvolvido em LabVIEW ............................................................ 3
Anexo C – Tabela Termodinâmica – Água, Dowtherm A ................................................ 5
Anexo D – Fotos de Implementações ............................................................................... 6
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
2 Universidade do Minho
Anexo A - Circuito para Aquisição do Sinal dos Termopares
Para a aquisição do sinal dos termopares para o PC, procedeu-se à
implementação do circuito da Figura 1. Neste circuito, utilizaram-se integrados para a
aquisição da tensão aos terminais dos termopares, onde fazem a respectiva junção de
referência e a devida amplificação do sinal, este é designado por AD595.
Figura 1 - Circuito de instrumentação para aquisição dos termopares.
Através deste circuito, verifica-se que os termopares entram nas entradas +IN e
– IN, e posteriormente o sinal é obtido através das saídas COM e V0, onde no esquema
se representam por: Saída X. Os condensadores destinam-se a eliminar o ruído do
circuito.
Anexos
Universidade do Minho 3
Anexo B – Software Desenvolvido em LabVIEW
De forma a possibilitar o armazenamento dos dados provenientes da interacção
dos termopares com a placa de aquisição de dados, desenvolveu-se o software
representado na Figura 2 e Figura 3. Na Figura 2 apresenta-se a aquisição do valor das
tensões em aberto em cada conversor termoeléctrico.
Figura 2 – Software para aquisição dos valores das tensões nos oito conversores termoeléctricos.
Os valores foram mostrados e registados em tempo real, e armazenados
directamente em folha de cálculo, onde se procedeu à sua análise discussão e ponto de
partida para novas implementações.
Na Figura 3 apresenta-se o software desenvolvido para aquisição do sinal dos
termopares, este é obtido através da placa de instrumentação com uma tensão de
10 mV/ºC.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
4 Universidade do Minho
Figura 3 – Software para aquisição dos valores das tensões nos diferentes termopares.
A Figura 3 representa a distribuição dos termopares ao longo dos diferentes HPs
implementados. Este software armazena também os valores em folha de cálculo.
Quando se efectuou a medição em série de todos os conversores termoeléctricos
do gerador (8 conversores), verificou-se que para a máxima transferência de calor da
base do HP para a região dos conversores termoeléctricos, a tensão em aberto
ultrapassava amplamente 30 V. A placa de aquisição de dados utilizada neste hardware,
apenas suporta uma tensão máxima de entrada de 10 V. Para ultrapassar este obstáculo,
desenvolveu-se um divisor de tensão. Colocando uma entrada com o valor de tensão
correspondente à saída da série dos conversores termoeléctricos acoplada a cinco
resistências de 1 kΩ, e desenvolveu-se o seguinte software (Figura 4).
Figura 4 – Software para aquisição do valor da tensão no gerador termoeléctrico.
Anexos
Universidade do Minho 5
Anexo C – Tabelas Termodinâmica – Água, Dowtherm A
Água
Temperatura (ºC) Pressão absoluta (bar) Temperatura (ºC) Pressão absoluta (bar)
75 0,38579 150 4,76
80 0,4736 155 5,4333
85 0,57803 160 6,1806
90 0,70109 165 7,0077
95 0,84526 170 7,9202
100 1,01325 175 8,9244
105 1,208 180 10,027
110 1,4327 185 11,233
115 1,6906 190 12,551
120 1,9854 195 13,987
125 2,321 200 15,549
130 2,7013 205 17,243
135 3,1308 210 19,077
140 3,6138 215 21,06
145 4,1552 220 23,198
Dowtherm A
Temperatura (ºC) Pressão absoluta (bar)
15 0,00
65 0,00
105 0,01
155 0,6
205 0,28
255 0,97
305 2,60
355 5,80
405 11,32
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Anexo D – Fotos de Implementações
Para efectuar a caracterização dos conversores termoeléctricos, utilizou-se, uma
Hot Plate, um dissipador, uma ventoinha, instrumentação e software, Figura 4.
Figura 4- Método de caracterização dos conversores termoeléctricos.
Seguidamente apresenta-se, uma imagem do procedimento dos testes com o HP
inicial, com uma fonte de calor através da Hot Plate. Figura 5.
Figura 5- Implementação do HP inicial com uma Hot Plate como fonte de calor.
Seguem-se as imagens das implementações com os diferentes VCHP. Figura 6.
Anexos
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Figura 6- Representação do VCHP inicialmente implementado.
As fotografias da Figura 7 ilustram, a implementação do gerador termoeléctrico
inicialmente implementado.
Figura 8- Representação do inicial gerador termoeléctrico.
As próximas figuras (Figura 9) representam a implementação do gerador
termoeléctrico final.
Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel
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Figura 9- Representação do gerador termoeléctrico final.
Por fim, apresenta-se a imagem da bancada de trabalho. Figura 10.
Figura 10- Representação da bancada de trabalho.