PROJETO DE GRADUAOOTIMIZAO DO USODE REFRIGERADORES TERMOELTRICOSEM PROCESSOS DE REFRIGERAODiego Henrique Cunha de SouzaBraslia, junho de 2007UNIVERSIDADE DE BRASLIAFACULDADE DE TECNOLOGIADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICAUNIVERSIDADE DE BRASILIAFaculdade de TecnologiaDepartamento de Engenharia MecnicaPROJETO DE GRADUAOOTIMIZAO DO USODE REFRIGERADORES TERMOELTRICOSEM PROCESSOS DE REFRIGERAODiego Henrique Cunha de SouzaRelatrio submetido como requisito parcial para obtenodo grau de Engenheiro de MecnicaBanca ExaminadoraProf. Joo M. D. Pimenta, UnB/ENM (Orientador)Prof. Tito Dias Jr., UnB/ENMProf. Francisco Ricardo da Cunha, UnB/ENMRESUMONeste estudo, introduz-se os processos de resfriamento que se baseiam no efeito termoeltrico (oefeito Peltier). Faz-se uma descrio fsica dos processos termodinmicos envolvidos na etapa deresfriamento. So apresentados os mdulos termoeltricos comerciais e suas aplicaes usuais,que conguram a utilidade dos mdulos. Apresentam-se proposies geomtricas para dissipadorde calor, visando otimizar o seu efeito. Utiliza-se uma modelagem matemtica de um sistemamdulo termoeltrico e dissipador que busca a otimizao do uso deste conjunto aplicado a umsistema a ser resfriado.Destaca-se como ocorre a dissipao de calor das placas cermicas, e osfatores que inuenciam a performance do mdulo, e como maximizar essa caracterstica.Palavras-chave: Refrigerao, otimizao, efeito Peltier, termoeltrico.ABSTRACTThe thermodynamics description analysis involving thermoelectric effects are based on Peltiereffect. ThisprojectattempttotheoptimizationanaliseofPeltiersthermoelectriccoolersbyfocusing on the heat dissipation problem and how to involve this with the modules coefcient ofperformance (COP). A geometric selection for the heat n dissipators is proposed to otimize theheat change. A mathematical description and numerical modeling of a thermoelectrical systemand spendthrift will be used, the main objective of this analysis, is to nd methods to increase theuse optimization of this set applied to a system to be cooled. Its detach how the heat waste on theceramic plates occurs, and the factors that inuence the performance of the module, and how tomaximize this characteristic. Some applications of the modules comercial system will be present.Keywords: Refrigeration, optimization, Peltier effect, thermoelectrical, COP.iSUMRIO1 INTRODUO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 IMPORTNCIA DO ESTUDO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 REVISO BIBLIOGRFICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 OBJETIVO DO TRABALHO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 METODOLOGIA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.5 ESTRUTURA DO TRABALHO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 CONCEITOS TERICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1 EFEITO PELTIER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 O MDULO TERMOELTRICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2.1 MATERIAIS TERMOELTRICOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.2 DESCRIES E ESPECIFICAES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.3 DESEMPENHO DO MDULO (COP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.4 CONTROLE DE TEMPERATURA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.5 APLICAO E CONFIABILIDADE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3 EFEITOS DE CONTATO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.4 SUPERFCIES ESTENDIDAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.4.1 MATERIAIS E GEOMETRIAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.5 SISTEMA TERMOELTRICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.5.1 DESCRIO DO SISTEMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.5.2 APLICAES USUAIS DO SISTEMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 MODELAGEM MATEMTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.1 DESCRIO GERAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.2 BALANO DE ENERGIA NO MDULO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2.1 OTIMIZAO DO COP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3 BALANO DE ENERGIA NO DISSIPADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3.1 GEOMETRIAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.3.2 SOLUO GERAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.3.3 CONDIES DE CONTORNO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.3.4 OTIMIZANDO A CONVECO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.3.5 TRANSFERNCIA TOTAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.3.6 EFICINCIA DA ALETA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 SIMULAO COMPUTACIONAL ANALTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.1 VISO GERAL DA SIMULAO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.2 PRINCIPAIS ROTINAS E FUNES EMPREGADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515 RESULTADOS TERICOS E ANLISE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.1 CASO EM ESTUDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.1.1 VALIDAO DA SIMULAO ANALTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 CONCLUSES PRELIMINARES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.1 CONCLUSES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.2 OBJETIVOS PARA PRXIMA ETAPA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59iiANEXOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60I SIMULAO COMPUTACIONAL NO MAPLE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61iiiLISTA DE FIGURAS2.1 Passagem de corrente nos termopares. (www.enertron-inc.com, 20/05/07......................... 72.2 Aquecimento de dois metais dissimilares.(www.npl.co.uk, 20/05/06) .............................. 82.3 Agua azul representa o reservatrio frio e a agua alaranjada o reservatrio quente. tech.com,22/05/07) ........................................................................................................... 82.4 Fluxo de eltrons nos termoelementos.(www.tetech.com, 20/05/06) ................................ 92.5 Modos de operao de umsistemas eletrotrmico. (a) Resfriamento; (b) Aquecimento.(S.B.Riffat, X. Ma, 2003) ............................................................................................ 92.6 Mdulo termoeltrico comercial.(www.dansdata.com, 25/05/07) .................................... 112.7 Sistema eletrotrmico do termopar. (www.nanomikado.de, 22/05/07) .............................. 122.8 Fluxo trmico.(www.conrad.fr, 20/05/07) .................................................................. 122.9 (a)congurao comas placas cermicas isolantes e separao entre termoelementos grande;(b) congurao sem a placa isolante de cermica e com separao entre termoelementosmuito pequena. (S.B. Riffat, (2003)) ........................................................................ 132.10 Grco que relaciona Qw versus dTpara um mdulo termoeltrico comercial DV-4-127-06. (www.efeitopeltier.com.br , 22/03/06) ................................................................. 142.11 Esboo de um sistema termoeltrico resfriando um chip de microcomputador(www.peltier-info.com , 20/05/07) ............................................................................................. 142.12 Estrutura cristalina simplicada.(www.feiradeciencias.com.br ,20/05/07 ) ........................ 152.13 Grco comparativo dos materiais termoeltricos.(www.micropelt.com, 25/09/06)............. 162.14 Mdulos termoeltricos de vrios tamanhos para vrias aplicaes.(www.enertron-inc.com,20/05/07) ........................................................................................................... 162.15 Esboo construtivo do mdulo. (www.eetopeltier.com.br , 20/03/06) ............................. 172.16 Balano de energia. (S.B. Riffat (2002)).................................................................... 182.17 Curvas de COP versusdT, analisandas de acordo com variaes de Z . (www.enertron-inc.com, 20/05/07) .............................................................................................. 182.18 Comparao Ecincia de Carnot termoeltrico com o do ciclo de compresso a vapor. (www.coolchips.gi, 20/05/07) .................................................................................. 192.19 Comparaodavariaodetemperaturaentreumrefrigerador-compressoreumMTE.(Gao Min, (2005)) ................................................................................................ 192.20 Distribuio de temperatura dentro de um MTE. (webabadie.ifrance.com , 22/05/07).......... 202.21 Circuito eletrnico de controle de temperatura. (www.users.ugent.be , 20/05/07) ............... 212.22 (a)Esquemadeumrefrigeradortermoeltrico; (b)Refrigeradortermoeltricoporttil.(Gao Min , (2005)) ............................................................................................... 212.23 Aplicaes de Refrigeradores Termoeltrico. (www.efeitopeltier.com.br , 20/05/07) ........... 222.24 Descontinuidadenatemperaturadevidoaosefeitosdecontato. (www.labsolar.ufsc.br,20/05/07) ........................................................................................................... 242.25 Pasta trmica comercial. (www.marlow.com , 20/05/07) ............................................... 252.26 Dissipadores de calor de vrias geometrias. (www.moreleds.com , 20/05/07) .................... 272.27 Superfcie aletada de alumnio com ncleo de cobre. (www.dansdata.com , 20/05/07) ........ 282.28 Sistema de refrigerao termo eltrica: mdulo, dissipador e ventoinha.(www.kbench.com, 20/05/07).......................................................................................................... 292.29 Sistema termoeltrico com alimentao varivel. (Hongxia Xi, (2005)) ........................... 302.30 Sistema termoeltrico com alimentao varivel. (www.enertron-inc.com, 20/05/07)......... 312.31 Dispositivo de Peltier ultrano. (www.micropelt.com, 20/05/06) .................................... 312.32 Mdulo termoeltrico usado para gerao de energia. .................................................. 332.33 Cogerao termoeltrica em cmara de combusto.(www.trigemed.com, 20/05/07) ............ 332.34 Cogerao termoeltrica em reservatrio. (S.B. Riffat, 2002)......................................... 34iv3.1 Diagrama de transferncia de calor e balano de energia. ............................................. 363.2 Circuito trmico equivalente. .................................................................................. 403.3 Superfcie aletada representativa. ............................................................................. 433.4 Balano de energia em uma aleta genrica. (www.mspc.eng.br, 20/05/07) ........................ 433.5 rea longitudinal rotacionada em x. ......................................................................... 443.6 Aleta com rea transversal constante. (www.mspc.eng.br, 20/05/07) ............................... 444.1 Diagrama esquemtico da rotina material .................................................................. 514.2 Diagrama esquemtico da rotina geometrias .............................................................. 524.3 Diagrama esquemtico da rotina Condies de contorno............................................... 534.4 Diagrama esquemtico da rotina conveco ............................................................... 534.5 Diagrama esquemtico da rotina circuito trmico ........................................................ 544.6 Diagrama esquemtico da rotina mdulo termoeltrico................................................. 54vLISTA DE TABELAS2.1 Especicaes de uma pasta trmica comercial. .......................................................... 252.2 reas e exemplos de aplicao dos refrigeradores termoeltricos. ................................... 323.1 Materiais e condutividade trmica. ( Incropera e Dewit2 (2003) ..................................... 41viLISTA DE SMBOLOSSmbolos LatinosA rea [m2]Asrea da superfcie lateral da aleta [m2]Acrea da seo transversal [m2]Abaserea da base da superfcie aletada [m2]Atotalrea total da superfcie da aleta [m2]DhDimetro hidrulico [m]e ecinciah Coeciente de transferncia de calor por conveco [W/m2 K]IaCorrente eltrica [A]IotmCorrente otimizada [A]k Condutividade trmica [W/m K]L Altura das aletas [m] q Fluxo trmico [W/m2]qaTaxa de transferncia de calor na aleta [W]qcTaxa de transferncia de calor proveniente do lado frio [W]qcondTaxa de transferncia de calor por conduo [W]qconvTaxa de transferncia de calor por conveco [W]qhTaxa de transferncia de calor proveniente do lado quente [W]qpTaxa de transferncia de calor por efeito Peltier [W]qtotTaxa de transferncia de calor total [W]qxTaxa de transferncia de calor no ponto x [W]R Resistncia eltrica [Ohm/m]RaletaResistncia trmica da aleta [Ohm/m]RcontResistncia trmica de contato [Ohm/m]RdResistncia trmica da superfcie aletada [Ohm/m]RestResistncia trmica da estrutura [Ohm/m]s Espaamento entre as aletas [m]T Temperatura absoluta [K]TcTemperatura do lado frio [C]ThTemperatura do lado quente [C]TTemperatura do uido ambiente [C]TsTemperatura da superfcie [C]V Velocidade [m/s]w Largura do mdulo [m]Z Figura de Mrito [J/kgK]viiSmbolos Gregos coeciente de seebeck [V/K] espessura da aleta [m] Variao gradiente Massa especca [kg/m3] Viscosidade cinemtica do ar [m2/s] Distribuio de temperatura [k/m]Grupos AdimensionaisNu Nmero de NusseltNuoptNmero de Nusselt otimizadoPr Nmero de PrandtlRe Nmero de ReynoldsSubscritosAr ArBase BaseConv ConvecoCond ConduoOpt OtimizadoSobrescritos Variao TemporalSiglasCFC Cloro-Fluor-CarbonoCOP Coeciente of PerformanceMTE Mdulo TermoeltricoRTE Refrigerador Termoeltricoviii1INTRODUOEste captulo apresenta informaes sobre o es-tudo proposto e sua importncia. Ele descrevea evoluo do tema na reviso bibliogrca, de-ne os objetivos gerais e especcos do projeto,assim como a metodologia a adotada e a formaem que o trabalho estruturado.1.1 IMPORTNCIA DO ESTUDOOs processos de refrigerao so usados em grande escala diariamente em algumas reas. Esses pro-cessos, alm de serem teis para o conforto humano, so essenciais para manter a evoluo da qualidade devida na sociedade moderna. Suas aplicaes teis se difundem nas reas: militar, industrial, aeroespacial,mdica, entre outras. A refrigerao tambm se encontra desde nos familiares refrigeradores e aparel-hos de ar condicionado at aplicaes tecnolgicas mais avanadas como o resfriamento de dispositivoseletrnicos.Vrias pesquisas buscam a elaborao de um aparato de refrigerao miniaturizado, porm nenhumadelasobtevesucessopleno; jquenemtodososcomponentessominiaturizveis. Littleetal.(1984)e Burger et al. (2001) foram capazes de construir, usando mtodos de fabricao baseados em microssis-temas eletromecnicos (microcomponentes de refrigeradores criognicos, com exceo dos compressores).Assim como Shannon MA (1999) e um grupo de pesquisadores da Universidade do Illinois tentou construiruma bomba de calor ou um refrigerador. Contudo, o microcompressor eletrosttico precisava ser melho-rado para que o mesmo viesse a funcionar. Isto indica que em geral no simples estimar quantitativamenteum projeto detalhado sobre a fabricao de um refrigerador. No entanto, vale a pena descrever a dicul-dade de se construir realmente um microrefrigerador, pois, devido esta complexibilidade exaltada acaracterstica sine qua non de um refrigerador baseado no efeito Peltier: o seu tamanho.Em geral, os tipos de ciclos de refrigerao usuais poluem o ambiente, contudo, os chamados ciclosalternativos de refrigerao (como os sistemas baseados na refrigerao termoeltrica, assim tambm comona termoacstica ) no produzem nenhum tipo do gs prejudicial, e alm disso possuem outras vantagens.Por causa destas conseqncias ambientais,geradas pela liberao do vapor usado nos dispositivos en-volvido em ciclos de compresso a vapor ou ans, uma antiga alternativa volta a ser revista: a refrigeraotermoeltrica, a qual no gera impactos ambientais, no produz barulho, e ainda ocupa um volume pequenoem comparao com os outros mtodos de refrigerao.Assim sendo, estas pesquisas que visam o desenvolvimento de sistemas de refrigerao miniaturizadosso de grande importncia para aplicaes futuras, no apenas em reas de alta tecnologia mas, tambm,para viabilizar sistemas que possam impactar positivamente nossa qualidade de vida.Dentre as vrias opes tecnolgicas pelas quais possvel implementar umrefrigerador miniaturizado,o efeito Peltier (foco da presente proposta) permite implementar refrigeradores termoeltricos (RTE), quese apresentam como a soluo ideal para aplicaes em que limitaes de peso e espao ocupado se im-pem. RTE so especialmente adequados para controle de preciso de temperatura, requerido numa sriede aplicaes tecnolgicas de ponta (como no resfriamento de lasers, detectores IR, equipamentos de visonoturna, higrmetros de ponto de orvalho, banhos para temperaturas de referncias, etc.).Os mdulos termoeltricos (MTE), baseados no efeito Peltier, so compostos por placas cermicas comalguns cubos do telureto de bismuto em seu interior. Ao impor uma diferena de tenso entre as placas,ocorre um aquecimento em uma das faces do mdulo e um resfriamento na outra. Eles costumam ser muitobaratos quando manufaturados para serem utilizados em projetos de pequena escala. So planejados para1ter uma ampla rea de aplicao, longo tempo de durao e serem muito leves e simples usar. Devido essas caractersticas, a rea da eletrnica faz amplo uso deste mdulo e, por causa disso, os projetos depesquisa nesta rea tm sido retomados.A princpio, o uso de mdulos baseado em placas compactas de Peltier foi restringido aos componenteseletrnicos, isto porque a aplicao do mesmo em componentes grandes acontecia com baixa ecinciadevido pequena rea de dissipao da placa, em contra partida com a quantidade de calor gerado, difcildissipar o calor gerado pelo mdulo. Existem outros fatores destoantes ao processo idealizado que devemser considerados em um modelo realstico, como a resistncia eltrica e a resistncia trmica de contato.Hoje em dia as pesquisas na rea de refrigerao alternativa direcionam-se para a refrigerao de cmarase de ambientes, visando substituir os refrigeradores atuais.A refrigerao termoeltrica progrediu, mas no tanto quanto se esperava. Uma das causas mais im-portantesdessaestagnaotecnolgicaamecinciadosdissipadoresdocalor. Devidoelevadaquantidade de calor fornecido pela placa de Peltier em sua pequena rea, torna-se difcil de dissipar o calorde maneira eciente, o que causa uma reduo importante no coeciente de performance do mdulo. Dessaforma, como citado por J.G. Stockholm (1997), os benefcios da refrigerao termoeltrica dependem: emprimeiro lugar, do desenvolvimento de materiais e, em segundo lugar, de um projeto trmico adequado.Neste contexto, D. Astrain (2003) provou que para cada grau clsius diminudo na diferena de temper-atura entre o lado quente de Peltier e o ambiente, aumenta-se o COP do refrigerador termoeltrico em maisde 2, 3%. Este exatamente o foco do estudo atual:a otimizao do uso de mdulos termoeltricos peloaumento da dissipao de calor do lado quente da placa de Peltier.Atualmente, no mercado civil, a refrigerao termoeltrica tem aplicaes na medicina e em aparelhoscientcosquenecessitamdecontroledetemperaturaexato. Noobstante, houtrasaplicaescomgrande potencial futuro que comeam interessar s companhias como os desumidicadores, sistemas dear condicionados domsticos ou para a indstria de automvel, refrigeradores domsticos e o transportede produtos perecveis. Ainda h uma srie de aplicaes tecnolgicas de ponta, como no resfriamento dedetectores IR, equipamentos de viso noturna, higrmetros de ponto de orvalho, aparelhos para teste deDNA e banhos para temperaturas de referncias. Espera-se futuramente que esta tecnologia deva competircom os sistemas de refrigerao de compresso a vapor.1.2 REVISO BIBLIOGRFICAEm 1821, o fsico alemo Thomas Johann Seebeck descobriu por acidente que juntar condutores emdiferentes temperaturas geraria uma diferena de potencial eltrico entre estes elementos. Posteriormente,um francs fabricante de relgios, Jean Charles Athanase Peltier, descobriu em 1834 que ao passar umacorrente eltrica atravs de uma juno formada por dois condutores diferentes se estabelece um gradientede temperatura entre a juno. Entretanto, Peltier no explicou a razo deste fenmeno fsico acontecer enem o motivos do mesmo no obedecer a Lei de Ohm, alm de no associar o mesmo ao efeito Seebeck.Em 1838, um cientista chamado Emil Lenz, membro da Academia de San Petersburg, congelou umpequenovolumedguaaopassarumacorrenteeltricaemumajunoconstitudaporbismutoean-timnio. Logo aps, ele derreteu a mesma parcela ao inverter o potencial. Mas to-somente em 1857,Sir William Thomson Kelvin relacionou a taxa de gerao reversvel de calor com a corrente eltrica im-posta no semicondutor, a qual gerava o diferencial de temperatura. Em relao ao efeito termoeltrico, oefeito Thomson apresenta pouca inuncia sobre o funcionamento do dispositivo termoeltrico e, somenteno caso de estudo detalhado das irreversibilidades, no deve ser considerado desprezvel. Ainda assim,existem divergncias quanto classicao deste processo em reversvel ou irreversvel.O fsico ingls J.W. Rayleigh em 1885 esboou a possibilidade de usar dispositivos termoeltrico comogeradores da eletricidade, mas seu desenvolvimento foi parado totalmente por causa da baixa ecincia2encontrada. Noentanto, somenteem1911oalemoEdmundAltenkirchdesenvolveuateoriabsicada termoeletricidade e dos termoelementos. Em seu trabalho evidenciou-se que os materiais usados norefrigerador termoeltrico necessitam ter um coeciente de Seebeck elevado e boa condutividade eltrica, am de minimizar o efeito do joule, assim como uma baixa condutividade trmica, para que seja minimizadaa transferncia do calor entre as junes.O avano principal, nessa tecnologia, ocorreu quando os semicondutores foram incorporados na ter-moeletricidade. Foi em 1920 que o desenvolvimento de semicondutores sintticos com altos coecientesde Seebeck, da ordem de 100 microvolts/K, aumentou o interesse na termoeletricidade. Esses materiaispossuem um elevado coeciente de Seebeck, boa condutividade eltrica e baixa condutividade trmica; oque implica numa elevada gura de mrito (representada por Z nmero adimensional que engloba essestrs parmetros). Porm, nessa poca no era aparente que os semicondutores eram materiais termoeltri-cos superiores aos metais, devido elevada gura de mrito. Depois da evoluo dos semicondutores, quecomeou nos anos 50 e gerou uma variada aplicabilidade do efeito termoeltrico, na sua grande maioriano campo militar, o telureto de bismuto comeou a ser usado como o material principal na refrigeraotermoeltrica.Emgeral, nasabordagensapresentadasnaliteraturaexisteaconsideraoqueomdulopodeserutilizado tanto como uma microbomba de calor, fornecendo aquecimento ou resfriamento, quanto um mi-crogerador de energia eltrica. No trabalho feito por Gktun (1994) so tratadas as irreversibilidades domdulo termoeltrico. Ele caracteriza as irreversibilidades internas e externas do mdulo por um parmetroque ele chama de "Device-Design Parameter". Neste estudo ele mostra que para se obter uma dada capaci-dade de refrigerao real necessria uma potncia de entrada maior que a referente para refrigeraoideal.J.G. Stockholm (1997), na XV Conferncia de termoeletricidade, em Desden, Alemanha, ressalvou queos benefcios da refrigerao termoeltrica dependem em primeiro lugar do surgimento e desenvolvimentode materiais e tecnologias de obteno para os mesmos e em segundo lugar de um design trmico maisadequado.Os estudos atuais visam romper a barreira do uso dos mdulos termoeltricos na refrigerao de grandeporte. UmdosaspectostratadosporMinetal(1999)oproblemarelacionadocomamanufaturaemodelamento do dissipador. Estes problemas esto diretamente relacionados com minimizao do COP(coeciente de desempenho) no caso do uso de refrigeradores termoeltricos em aparatos de grande porte.Tal trabalho cita que para melhorar o COP, os processos de modelagem e de manufatura podem ser maiselaborados, a m de diminuir as resistncias trmicas e eltricas de contato de uma ordem signicativa.Min e Rowe (2000) apresentam um modelo terico melhorado para a previso do COP de um mdulotermoeltrico que leva em conta tanto o efeito das resistncias eltricas quanto das resistncias trmicasde contato. O modelo permitiu obter resultados que indicam uma diminuio do COP com a reduodo comprimento do termoelemento enquanto que a capacidade de resfriamento aumenta at atingir ummximo. Signicantes ganhos no COP e na capacidade de refrigerao podem ser obtidos pela reduo daresistncia trmica de contato.Huang et al. (2000) apresentam um mtodo de projeto para RTE baseado em curvas de desempenho,obtidas experimentalmente para o mdulo termoeltrico. Por meio de ensaios com um dispositivo exper-imental desenvolvido para a pesquisa, foram obtidas as propriedades fsicas necessrias derivao darelao emprica para o desempenho do mdulo, que ento utilizada para a anlise do RTE por um mod-elo do circuito termoeltrico. A anlise enfoca a inuncia da fonte de dissipao (superfcie microaletada)no desempenho, mostrando existir uma opo econmica para a escolha dessa. Apresenta-se ainda um es-tudo das condies para obteno de um COP timo que, segundo os autores, pode ser obtido seja pelamaximizao da capacidade de resfriamento seja pela escolha da melhor tecnologia de dissipao.Uma outra anlise considerada foi desenvolvida por Astrain et al (2003) tendo em vista o aumentodo COP pela simulao gentica dos processos de dissipao de calor ocorridos na face quente da placa3termoeltrica. O autor considerou usar um termosinfo com mudana da fase a m de estender a rea derejeio de calor de forma mais uniforme. Um aumento do COP da ordem de 36(%) relatado. Seu modelofoi baseado em anlises matemticas e em solues computacionais no lineares, que visam resolver asequaes termoeltricas e a conduo de calor analisando o problema sob varias condies de temperatura,uxo de calor, energia eltrica e COP.Chein e Chen (2005) apresentam um estudo terico e experimental sobre o desempenho de um refrig-erador termoeltrico adotando microcanais no lado quente da placa termoeltrica. Um modelo matemticono distribudo do RTE implementado para previso do comportamento transiente da temperatura pre-vendo adequadamente essa em comparao as observaes experimentais. A relao entre a resistnciatrmica dos microcanais, a corrente eltrica fornecida e a temperatura mnima de resfriamento foram ex-aminadas teoricamente pelo modelo, demonstrando ser possvel minimizar a temperatura pelo aumento dacorrente eltrica e diminuio da resistncia trmica dos microcanais.Outro desenvolvimento terico analisado foi feito por Cheng et al (2005), o qual vislumbra a maximiza-o do COP pelo uso de um algoritmo gentico. Ele analisa os refrigeradores termoeltricos comerciais,os quais se apresentam em uma estrutura de cascata em duas etapas, com o uso ou no de ventoinhas pararesfriamento das placas por conveco forada, alm do uso agregado de superfcies estendidas para maiordissipao trmica. Em seu estudo ele apresenta uma abordagem matemtica a qual busca aperfeioar oCOP do MTE. Alm dessa proposta, Cheng fez uma srie de experincias pelas quais ele pode representarde forma grca e equacionada a relao numrica entre o COP e a gerao eltrica em watts.Min e Rowe (2005) investigaram uma srie de prottipos de refrigeradores termoeltricos, avaliandoseu desempenho em termos de seu coeciente de performance (COP), capacidade de transferncia de calore taxa de resfriamento. O COP encontrado era entre 0,3 e 0,5 para operao entre temperaturas de 5C e25C. O potencial de melhoramento no desempenho trmico investigado pelos autores por um modelomatemtico apoiado emensaios experimentais. Os resultados obtidos apontampara a obteno de possveisaumentos do COP com melhoramentos nas resistncias de contato, interfaces trmicas e efetividade dostrocadores de calor.Yang et al (2005) estudaram a resposta transiente de RTE, com e sem massas trmicas, examinandotanto a mnima temperatura possvel quanto as constantes de tempo envolvidas nos ciclos de resfriamentoe reaquecimento. Dois regimes de resfriamento distintos foram considerados: resfriamento uniforme einterfacial; sendo caracterizados como critrios de utilizao para o efeito transiente de resfriamento esta-belecido com base nas suas constantes de tempo.1.3 OBJETIVO DO TRABALHORefutando o que foi dito anteriormente, o presente trabalho tem como objetivo principal simular eotimizar o uso de sistemas termoeltricos em processos de refrigerao. O estudo foca-se em melhorar autilizao dos mdulos termoeltricos, pela aplicao da corrente eltrica que gera o melhor desempenhodomdulo, juntamentecomodissipadoraletadodegeometriademximaecincia. Procura-secomisso, o aumento do coeciente de performance (COP) do mdulo termoeltrico por meio da otimizao dadissipao de calor, pela simulao de vrias geometrias. A tal objetivo associa-se ainda s seguintes metasespeccas, a serem concretizadas ao longo do Projeto de Graduao 1 e Projeto de Graduao 2:Projeto de Graduao 1:Descrever os processos de transferncia de calor a partir do mdulo at o ambiente.Escolher as condies de contorno convenientes as aplicaes do mdulo a serem analisadas.Propor melhorias no modo de operao da alimentao do mdulo.4Criar uma simulao analtica que seja capaz de analisar a quantidade de calor transferida e a e-cincia de uma superfcie aletada generalizada.Projeto de Graduao 2:Encontrar uma correlao dos fatores geomtricos dimensionais do mdulo que otimiza a ecinciade um dissipador de calor.Implementar melhorias na simulao anterior, levando em conta outros fatores que inuenciam nadissipao de calor, como a perda de carga da conveco forada, gerada pela prpria geometria dasuperfcie aletada.Sabe-se que os mdulos termoeltricos produzem uma grande quantidade de calor por rea e este calorprecisa ser dissipado para que funcione com maior ecincia. Dessa forma, se faz indispensvel o usode dissipadores de calor. Na descrio computacional do sistema a ser apresentada,planeja-se simularno algoritmo, as condies de contorno de trabalho e do mdulo de Peltier com o uso de um dissipadoraletado.Ressalva-se ainda o objetivo de estabelecer os parmetros caractersticos de projeto para estipulaesfuturas do uso de MTE dedicados a aplicaes a serem denidas.1.4 METODOLOGIAPara o esculpimento do estudo e a concretizao dos objetivos ressaltados, sero elaboradas algumasetapas. Como a meta principal do projeto estabelecer uma simulao analtica computacional que venhaa descrever o processo de refrigerao termoeltrica desenvolvido pelo sistema, e otimizar a aplicao domdulo e a dissipao de calor do dissipador, necessita-se primeiramente de uma modelagem matemticados componentes envolvidos no sistema para que a implementao possa ser estabelecida. Sabe-se, quepor considerao, o problema analisado em seu estado de regime permanente.Pelo modelo matemtico desenvolvido, a implementao do programa computacional ser realizadadesenvolvendo-se uma rotina no Maple (Maple, Maplesoft verso 11, ano 2007), responsvel pela simu-lao analtica a ser realizada. Por meio desse cdigo fonte, relatrios de resultados sero emitidos com osresultados pertinentes aos casos estudados.Posteriormente, as condies de operao devemser determinadas, i.e, alguns casos de operao devemser estabelecidos e utilizados para que se possa obter resultados e analis-los. Com a determinao doscasos a serem estudados e com o cdigo fonte implementado, relatrios de resultados sero emitidos comos valores das variveis mais importantes para o sistema e utilizados para se comparar e validar o programacomputacional desenvolvido.Por m, espera-se comparar o resultado apresentado com outros resultados numricos e experimentaisexistentes na literatura recente com o objetivo de avaliar a elaborao da rotina matemtica desenvolvida.1.5 ESTRUTURA DO TRABALHOTendo em vista a elaborao completa e concisa do projeto em estudo, faz-se necessrio um demon-strativo da organizao da estrutura do presente trabalho.No Captulo 1, mostrado o contexto histrico relevante ao estudo proposto, bem como a sua importn-cia; alm de citar o que j foi publicado em relao ao assunto estudado e determinar uma metodologia5a ser seguida. O objetivo principal do trabalho discutido, bem como os objetivos secundrios, tambmrelevantes para a anlise do problema.No Captulo 2, sero mostrados os conceitos tericos envolvidos no sistema de refrigerao termoeltrico.Nele se descreve o efeito termoeltrico dos materiais, destaca-se o efeito Peltier e os elementos de contornomais relevantes na descrio da matemtica do estudo. Os processos envolvidos com o aumento do COPsero apresentados e analisados, ressaltando as suas denies tericas relativas ao projeto. Alm disso,sero descritas algumas possveis e usuais aplicaes do dispositivo termoeltrico.O Captulo 3 ser focado na modelagem matemtica sob a inuncia da correlao dos componentesdo sistema de refrigerao termoeltrica na performance do sistema, fazendo parte desse o mdulo ter-moeltrico em si e sistemas adjacentes de dissipao de calor (como as aletas dissipadoras e a pasta tr-mica). Os balanos gerais de energia do sistema sero mostrados e cada componente analisado.No Captulo 4, a simulao analtica computacional ser comentada, sendo mostrada uma viso geralda mesma. As principais rotinas e funes utilizadas no cdigo fonte sero analisadas. Os diagramasdas rotinas mais importantes sero esboados para que a visualizao da simulao seja feita de maneiratransparente.No Captulo 5, os resultados relativos ao caso proposto sero mostrados, bem como as anlises refer-entes a esses resultados. Nessa etapa, uma validao do programa computacional ser realizada por meiode comparaes entre os resultados obtidos e os resultados experimentais e numricos encontrados poroutros autores.No Captulo 6, as concluses preliminares relativas aos resultados obtidos sero discutidas e comen-tadas, alm dos objetivos para proxima etapa do projeto.62CONCEITOS TERICOSNo presente captulo, a refrigerao ter-moeltrica baseada no efeito Peltier apresen-tada, mostrandoosconceitostericosdosdis-positivos que a envolvem (dando nfase s var-iveisdeperformancedoprocesso). Almdaanlisetericadadescriodoprocessoter-moeltrico, so considerados os meios de pos-svel aumento do COP, como o uso de superf-cies estendidas e pasta trmica. Por m intro-duzida uma abordagem do sistema de refriger-ao, comentando seus principais aspectos, bemcomo suas possveis e usuais aplicaes pelos deesquemas que ilustram o sistema.2.1 EFEITO PELTIERO efeito Peltier, responsvel pela refrigerao termoeltrica, trata do surgimento de um gradiente detemperatura entre dois materiais diferentes quando expostos a uma tenso. A refrigerao termoeltricabaseada no efeito Peltier ativada quando uma corrente direta forada atravs de um ou mais pares demateriais semicondutores do tipo-n e do tipo-p.Para obter a operao de resfriamento, a corrente deve passar do material semicondutor tipo-n para otipo-p. Dessa forma haver uma absoro de calor do ambiente e a temperatura da placa fria Tc diminuir.Em termos de microanlise, o resfriamento ocorre quando eltrons passam do nvel baixo de energia nosemicondutor do material tipo-p atravs do condutor interconectado para um nvel de energia mais elevadono material semicondutor tipo-n. O calor absorvido transferido atravs dos materiais semicondutores portransporte eletrnico at a outra juno nal que se encontra a temperatura quenteTh, sendo liberado medida que os eltrons retornam ao baixo nvel de energia no material tipo-p. A este fenmeno d-se onome de Efeito Peltier. De acordo com a Fig. 2.1 esboa-se um conjunto de termopares, ligados eletri-camente em srie e termicamente em paralelo, formado por um semicondutor tipo-p e um semicondutortipo-n, juntamente com o circuito de alimentao.Figura 2.1: Passagem de corrente nos termopares. (www.enertron-inc.com, 20/05/07O transporte eletrnico ocorre ao impor-se uma tenso. Os eltrons, do material que os contm emexcesso, uem para o material que possui carncia eletrnica, gerando um uxo livre de eltrons (correnteeltrica). Tal comportamento observado semelhante ao dos uidos de trabalhos em ciclos de refriger-ao por compresso ou por absoro. Sendo assim, eles aquecem um lado e refrigeram o outro, sendo7necessria a interposio de um isolante trmico entre os mesmos com a nalidade de diminuir a conduode calor natural gerada pelo gradiente de temperatura.O efeito Peltier considerado o oposto do efeito Seebeck, que trata de um segundo fenmeno tambmimportante na refrigerao termoeltrica. Quando uma variao trmica estabelecida entre as interfacesmantidas a diferentes temperaturas do material semicondutor, uma fora eletromotriz gerada. A esta foraeletromotora d-se o nome de voltagem de Seebeck, a qual diretamente proporcional variao trmica.A constante de proporcionalidade referida como coeciente de Seebeck, parmetro muito signicativopara a efetividade de um material semicondutor j que avalia entraves impostos pela resistncia passagemde eltrons e fnons, assim como sua interao. Na verdade, esse efeito pode ser observado em qualquerjunta de metais dissimilares. Porm, h materiais, como os semicondutores, em que a captao maiseciente. Na Figura 2.2, o efeito Seebeck esboado de maneira simples.Figura 2.2: Aquecimento de dois metais dissimilares.(www.npl.co.uk, 20/05/06)Uma demonstrao da aplicao do Efeito Seebeck se faz na Fig. 2.3, em que dois reservatrios degua a temperatura diferentes aquecem um mdulo termoeltrico, o qual gera uma diferena de potencial(d.d.p.) que fornece energia a um miniventilador.Figura 2.3: A gua azul representa o reservatrio frio e a agua alaranjada o reservatrio quente. tech.com,22/05/07)Uma aplicao relevante do efeito Seebeck ocorre nos termopares, amplamente utilizados na engen-haria. Eles obtm uma corrente eltrica devido variao de temperatura da junta bimetlica quando emcontato com um corpo, por meio dessa corrente, pode se mensurar a temperatura deste corpo.Outra apli-cao interessante a obteno de energia eltrica em veculos espaciais pela diferena de temperaturaentre a parte exposta ao sol e a parte sombreada. Na Figura 2.4, esboa-se a passagem dos eltrons nostermoelementos semicondutores que constituem o mdulo.O efeito de Peltier controlado pelo coeciente de Peltier, denido como o produto do coeciente deSeebeck do material do semicondutor pela temperatura absoluta.O coeciente de Peltier relata um efeito8Figura 2.4: Fluxo de eltrons nos termoelementos.(www.tetech.com, 20/05/06)de refrigerao quando a passagem de corrente atravs do material acontece do semicondutor tipo-n para omaterial tipo-p, e um efeito de aquecimento quando a corrente passa do material tipo-p a um material tipo-n, de acordo com a Fig.2.5 (a). Ao inverter o sentido da corrente inverte-se a temperatura das extremidadesquentes e frias.Figura 2.5: Modos de operao de um sistemas eletrotrmico. (a) Resfriamento; (b) Aquecimento.(S.B.Riffat, X. Ma, 2003)Como mencionado anteriormente, Peltier falhou em reconhecer a importncia de sua descoberta. Lenzconsagrou-a quando refrigerou uma parcela pequena dgua. Entretanto, foi Sir Kelvin que relacionou oscoecientes de Peltier e de efeito do Seebeck na Eq. 2.1.ab = T . (2.1)Ao contrrio do efeito Joule, em que a potncia proporcional a corrente ao quadrado Qjoule = R.I2,o efeito Peltier uma funo linear da corrente. Se esta corrente eltrica percorrer o circuito vislumbradona Fig.2.5 no sentido anti-horrio, observa-se uma taxa de refrigerao na Fig.2.5(a) e no sentido horriouma taxa de aquecimento na Fig. 2.5(b). Desta forma, tem-se que:Qp = I ab = I T , (2.2)9em queQp o uxo de calor Peltier em watts, ab o coeciente de Peltier nas junes e I a correnteeltrica medida em amperes. Como estes dois efeitos so manifestaes diferentes do mesmo fenmenofsico, so comumente denominados como efeito Peltier-Seebeck ou efeito termoeltrico.Idealmente, a quantidade de calor absorvida na extremidade fria e o calor dissipado na extremidadequente so dependentes do produto do coeciente de Peltier pela corrente que ue atravs do material dosemicondutor. Praticamente a quantidade lquida de calor absorvida na extremidade fria devido ao efeitoPeltier reduzida por duas fontes: pelo calor conduzido e pelo efeito joule. Devido ao diferencial datemperatura entre as extremidades frias e quentes do material do semicondutor,o calor ser conduzidoatravs do material semicondutor da extremidade quente extremidade fria.Conforme a corrente aumentada, o diferencial da temperatura, e assim o calor conduzido, aumentaporque o efeito refrigerao de Peltier aumenta. Entretanto, h outra perda, o efeito joule proporcionalao quadrado da corrente e, conseqentemente, transforma-se eventualmente no fator dominante. A qual-quer corrente dada, o equilbrio trmico estabelecido na extremidade fria quando o efeito de Peltier naextremidade fria for igual soma do calor conduzido mais metade do calor gerado por efeito Joule. Aoutra metade do calor gerada pelo efeito Joule vai para a extremidade quente, enquanto a corrente con-tinua a aumentar e o aquecimento por efeito joule se transforma no fator dominante. Quando este ponto alcanado, qualquer corrente adicional resultar num efeito de refrigerao lquida menor. A correntemxima em que nenhum efeito refrigerativo adicional pode ser conseguido oImaxatual mximo. ATenso mxima Vmax e o mximo diferencial de temperatura dTmax ocorrer tambm para qualquer cargade calor a corrente mxima.A capacidade de refrigerao de um material semicondutor dependente de um efeito combinado entreas tenses de Seebeck dos materiais, as resistividades eltricas (R) e as condutividades trmicas (k) emtoda a escala operacional de temperatura entre as extremidades frias e quentes. O coeciente de Seebeckao quadrado dividido pelo o produto da resistividade eltrica e a condutividade trmica chamado de gurade mrito (Z), ou seja:Z =2R k. (2.3)ArelaoexplicitadanaEq. 2.3mostraquequantomaioraresistnciadomaterial, maioroseuefeito joule e pior a gura de mrito e, por conseguinte, menos recomendado o seu uso em mdulostermoeltricos. J, em relao a condutividade trmica do material, ela dene que quanto melhor essematerial conduz calor, maior ser a transferncia do mesmo da sua placa quente para a fria, o que atrapalhaoefeitotermoeltrico. Dessaforma, ummaterialtermoeltricodeveserbomcondutoreltricoemalcondutor trmico.Cada uma das propriedades materiais dos semicondutores tipo-n e do tipo-p do semicondutor variaem funo da temperatura e, conseqentemente, a gura de mrito para cada material dependente dessa.Pode-se mostrar que o mximo diferencial da temperatura que pode ser alcanado por um nico par demateriais tipo-n e tipo-p diretamente proporcional gura de mrito de cada material semicondutor natemperatura mdia. Conseqentemente, maximizar a gura de mrito o objetivo principal na seleo eotimizao de materiais termoeltricos. A gura de mrito do material semicondutor limita o diferencial datemperatura, visto que a razo comprimento-rea de cada material semicondutor tipo-p e do tipo-n denea capacidade de bombeamento de calor. O material termoeltrico mais amplamente utilizado em refrig-erao na escala de temperatura de 120C at +230C uma liga pseudo-binria, (BiSb2) (TeSe3),geralmente referida como telureto de bismuto.102.2 O MDULO TERMOELTRICOOs aparelhos termoeltricos (mdulos termoeltricos) podem converter energia eltrica em um gradi-ente de temperatura. Este fenmeno foi descoberto por Peltier em 1834. A aplicao desse fenmenopermaneceu mnima at o desenvolvimento dos materiais semicondutores nos anos 50. Com o advento dosmateriais semicondutores veio a capacidade de uma grande variedade de aplicaes praticas de refrigeraotermoeltrica. Na Figura 2.6, apresenta-se um mdulo termoeltrico comercial.Figura 2.6: Mdulo termoeltrico comercial.(www.dansdata.com, 25/05/07)Os dispositivos termoeltricos podem tambm converter a energia trmica de um gradiente de temper-atura em energia eltrica;este fenmeno foi descoberto em 1821 e foi chamado efeito Seebeck. Comomencionado anteriormente,quando um diferencial de temperatura estabelecido entre as extremidadesquentes e frias do material semicondutor, uma tenso gerada; isto , a tenso de Seebeck. Realmente, oefeito de Seebeck um efeito inverso do efeito de Peltier. Baseado neste efeito de Seebeck, os dispositivostermoeltricos podem agir tambm como geradores de energia eltrica. Como vislumbrado na Fig. 2.3,se o calor fornecido na juno zer com que uma corrente eltrica ua no circuito uma potncia eltrica gerada. Na pratica, necessrio um grande nmero de termopares conectados eletricamente em srie paraformar um mdulo.Geralmente mais de um par de semicondutores so montados juntos para dar forma a um dispositivotermoeltrico (mdulo). Dentro do mdulo, cada um dos semicondutores so chamados termoelementose um par dos termoelementos chamado um termopar. Para descrever o funcionamento dos mdulos ter-moeltricos podemos compar-los com os termopares. Os termopares so dispositivos que geram umacorrente eltrica a partir de duas junes de metais diferentes que se encontram a diferentes temperaturas.Devido esta caracterstica, eles so utilizados para indicao e controle de temperatura em muitos proces-sos industriais.Na Figura 2.7 apresenta-se o exemplo de um termopar, utilizado para captao de energiaeltrica. Tal sinal pode ser transformado para anlise comparativa de outra grandeza, como temperatura,ou at deformao.Os mdulos termoeltricos funcionam conforme o efeito Peltier e possuem comportamento inversoaos termopares. Nesses mdulos, como previamente descrito, um uxo de eltrons forado entre asjunes dos metais dissimilares, e, conseqentemente, uma aquecida e outra resfriada; ou seja, o calor transferido de um lado do mdulo ao outro, o que descreve o funcionamento do dispositivo como umrefrigerador sem partes mveis. J os termopares utilizam-se de metais nas junes e os valores de tenso ecorrente captados por eles so bastante baixos. Contudo, isso no de grande importncia pois a nalidade apenas medio.OsdispositivosprticosdoefeitoPeltier, tambmconhecidoscomopastilhastermoeltricas, usamsemicondutoresparaumamaiordensidadedecorrentee, assim, depotncia. Emgeral, elesutilizammateriais semicondutores, como o telureto de bismuto altamente dopado, para criar semicondutores tipo-11Figura 2.7: Sistema eletrotrmico do termopar. (www.nanomikado.de, 22/05/07)p e tipo-n. Esses elementos semicondutores so soldados entre duas placas cermicas, eletricamente emsrie e termicamente em paralelo. A direo do uxo trmico pode ser modicada por uma alterao nacorrente contnua gerada pela polaridade aplicada entre os plos do mdulo, conforme pode ser visualizadoconforme representado na Fig. 2.8.Figura 2.8: Fluxo trmico.(www.conrad.fr, 20/05/07)Um dispositivo termoeltrico tpico composto por duas carcaas cermicas, as quais servem comoestrutura para preservar a integridade mecnica do mdulo e como isolao eltrica para os termoelementosdeteluretodebismutotipo-netipo-p(quesoconectadoseletricamenteemsrieetermicamenteemparalelo entre as placas cermicas). Os dispositivos termoeltricos convencionais tm vrias especicaespara vrias aplicaes. As dimenses variam de 3 mm de lado por 4 mm de espessura, at 60 mm de ladopor 5 mm de espessura. A taxa de calor bombeado mxima varia de 1 a 125 W. A mxima diferena datemperatura entre o lado quente e frio pode alcanar o 70C. Os dispositivos em geral contm de 3 a 127termopares. Existem alguns dispositivos termopares que so dispostos em srie (cascata) funcionando emvrios estgios com a nalidade de obter diferenciais de temperatura maiores (at 130C ). A temperaturamais baixa alcanada na prtica de aproximadamente 100C.Como o lado frio do dispositivo contrai enquanto o lado quente expande, os aparatos que possuem reaquadrada de lado superior a 50mm geralmente sofrem estresse trmico induzido (o que pode gerar umcurto-circuito em certos pontos na conexo eltrica), assim eles no so comumente utilizados. As reas12maiores do que um nico MTE podem ser resfriadas ou terem a temperatura controlada pelo uso de vriosmdulos.Dois tipos de dispositivos termoeltricos multipares comercialmente disponveis so representados naFig. 2.9. A Figura 2.9 (a) foi originalmente projetado para aplicaes de refrigerao e possui a separaoentre os termoelementos signicativa. Neste tipo de dispositivo, o termoelementos semicondutor do tipo-ne o tipo-p so conectados eletricamente em srie por tiras de metal altamente condutoras e so prensadosentre placas, as quais agem como condutoras trmicas e isoladoras eltricas. Na Figura 2.9 (b) tem sidodesenvolvido recentemente para a gerao de energia eltrica,sendo construdo compactadamente comuma separao muito pequena entre os termoelementos com o objetivo de aumentar a potncia obtida porrea. Entretanto, as tiras condutoras do metal no dispositivo anterior no so isoladas e portanto o mdulono pode ser conectado diretamente ao condutor eltrico, tal como o dissipador de calor metlico.Existem alguns materiais de uso comum na construo da carcaa dos mdulos termoeltricos,porexemplo: o xido de alumnio (Al2O3), nitrito de alumnio (AlN) ou xido de berlio (BeO). O (Al2O3) mais utilizado devido sua relao custo benefcio e a tcnica de fabricao desenvolvida. Os outros doismateriais cermicos so melhores condutores trmicos, de cinco a sete vezes melhor que o (Al2O3), masso mais caros; alm do mais, o (BeO) venenoso.O cobre usado como material condutor eltrico entre os semicondutores postados em paralelo; estes,como previamente descritos, so do tipo-n composto por Bismuto-Telureto-Selenium (BiTeSe) e do tipo-p, Bismuto-Telureto-Antimnio (BiTeSb). O sistema conectado por solda.As aplicaes do mdulo para gerao de energia exigem uma compactao maior dos termoelementosdo que no caso da gerao ou absoro de calor.Figura 2.9: (a)congurao com as placas cermicas isolantes e separao entre termoelementos grande;(b) congurao sem a placa isolante de cermica e com separao entre termoelementos muito pequena.(S.B. Riffat, (2003))As soldas fornecem a montagem do MTE, elas incluem ligas de antimnio. O ponto de derretimentode uma solda o fator limitante da temperatura da operao do mdulo. Ele representa a temperatura emque ocorre o superaquecimento a qual pode haver dissociao entre as soldas de cobre e semicondutores,e entre as dos prprios semicondutores em si, causando falha na transferncia eltrica e/ou trmica. Paralongo da vida do mdulo, a temperatura da operao deve ser mais baixa do que o ponto de derretimentoda solda tanto quanto possvel ou procurar utilizar mdulos que possuam solda resistente temperaturaselevadas.Pastilhas termoeltricas so utilizadas em aplicaes pequenas de resfriamento como chips micropro-cessadores ou at mdias como geladeiras portteis. As pastilhas podem ser empilhadas para se chegar atemperaturas mais baixas, embora alcanar nveis criognicos requer processos muito complexos.Vale ressaltar que cada pastilha tem seu prprio limite mximo da quantidade de calor que ela podetransferir, Qmax.A corrente eltrica associada ao Qmax conhecida como Imax e a voltagem correspon-dente como Vmax. Para se evitar superaquecimento das placas, o uso de dissipadores de calor e ventiladores obrigatrio tanto do lado quente quanto do lado frio. Para a montagem, recomenda-se o uso de pasta tr-13micaentreaplacaeodissipadorparaqueseaumenteaecinciadetrocatrmica. NoFigura2.10,apresenta-se um grco de um mdulo termoeltrico convencional, que correlaciona Qw com dT.Figura 2.10: Grco que relaciona Qw versus dTpara um mdulo termoeltrico comercial DV-4-127-06.(www.efeitopeltier.com.br , 22/03/06)Os dispositivos termoeltricos no podem ser usados independentemente, eles devem ser conectadoscom os trocadores trmicos para dissipar o calor, que constituem o sistema termoeltrico. A teoria bsica ea operao dos sistemas termoeltricos foram desenvolvidas por muitos anos. Os sistemas termoeltricosso geralmente microbombas de calor ou os pequenos geradores de potncia (que seguem as leis da ter-modinmica da mesma maneira que bombas de calor mecnicas, compressores do vapor associados comos refrigeradores convencionais, ou qualquer outro instrumento utilizado para transferir energia).Figura 2.11: Esboo de um sistema termoeltrico resfriando um chip de microcomputador(www.peltier-info.com , 20/05/07)2.2.1 MATERIAIS TERMOELTRICOSPodem-se classicar os materiais em relao ao seu carter macroscpico de ser permissivo ou nodecargaseltricase, conseqentemente, calor. Dadoesseparmetro, classicam-seosmateriais, emgeral, em condutores, semi-condutores e isolantes. No mbito microscpico, a classicao se refere aocomportamento do eltron da camada de valncia do material sob ao de um campo eltrico gerado dadauma diferena de potencial.14Obviamente os materiais isolantes possuem os eltrons de valncia fortemente ligados aos seus tomos,e os eltrons dos materiais condutores se deslocam facilmente do seu tomo. Os materiais semicondutoresso slidos cristalinos que a 0 K seus eltrons preenchem todos os estados disponveis da banda de energiamais alta, ou seja, a banda de valncia. Eles apresentam uma caracterstica intermediria aos isolantes esemicondutores. Contudo, eles podem ser tratados qumicamente com a adio de impurezas incorporadasa sua estrutura cristalina (dopagem) que aumentam a sua condutibilidade eltrica gerando semicondutoreschamados extrnsecos. A dopagem pode, por exemplo, estabelecer um sentido preferencial para o uxoeltrico, ou seja, o material pode se tornar condutor em um sentido e isolante no outro. Um esboo simpli-cado da rede cristalina de um material semicondutor exemplicado de acordo com a Fig. 2.12, assimcomo os sistema de transporte de calor e cargas eltricas.Figura 2.12: Estrutura cristalina simplicada.(www.feiradeciencias.com.br ,20/05/07 )Em relao aos semicondutores comerciais, h uma classicao em relao a temperatura de trabalhodos mesmos. Tal estipulao deve-se a possvel mudana de carter condutor com o aumento da temper-atura. Estipula-se para o uso de at 450 K, a aplicao de ligas cristalinas baseadas em antimnio, selnioe telrio. Para uma faixa de operao superior de at 850 K disponibilizam-se semi-metais com ligaesde telureto, e para altas faixas de operao, acima de 1300 K, utilizam-se de ligas de Silcio-Germniodopadas com Arsnio.Os novos materiais termoeltricos com grande gura de mrito Z podem ampliar as aplicaes dosdispositivos termoeltricos em vrios campos. No h caminho fcil para obter um grande valor de Z , mash muitas aproximaes plausveis que ainda podem ser tentadas. Venkatasubramanian e pesquisadoresassociados (Triangle Institute, EUA) relataram no Journal Nature (2005) umZT=2, 4 no semicondu-tores pelcula na de Bi2Te3/Sb2Te3.3 do tipo-p. Estes materiais parecem alcanar elevados valores deZ.Tdevido sua estrutura incomum, uma super compactao formada por camadas alternadas de semi-condutores Bi2Te3 e Sb2Te3. O registro anterior para Z.Tna temperatura ambiente era em torno de 1,alcanado por uma liga semicondutora baseada emBi2Te3 e emSb2Te33. A estrutura compactada pareceaumentar o transporte de corrente eltrica enquanto inibe o transporte de calor pelos fnons (vibraesquantizadas do cristal), ambos efeitos aumentam Z.T. A Figura 2.13 contm um grco comparativo daecincia do Bi2Te3 em relao a outros materiais cermicos.Um grande nmero estudos de dispositivos e materiais termoeltricos se baseiam no (Bi, Sb) e (Te, Se)por causa de seu desempenho excelente na refrigerao e na gerao de energia termoeltrica temperaturaambiente. Os termoelementos so geralmente fabricados por blocos sintetizados desses materiais. H,entretanto, algumas diculdades determinadas e limitaes em fazer mdulos altamente miniaturizados(como a natureza frgil destes materiais). Alm disso, o nmero de pares p/n possvel de ser acopladoem um espao limitado disponvel torna impossvel obter uma tenso relativamente alta na sada para agerao de energia.15Figura 2.13: Grco comparativo dos materiais termoeltricos.(www.micropelt.com, 25/09/06)2.2.2 DESCRIES E ESPECIFICAESOs refrigeradores termoeltricos podem ser feitos de diferentes formas e tamanhos, sendo as formasmais comuns da carcaa a retangular e a quadrada. O tamanho usual de um MTE de simples estgio variaentre 3mm x 3mm e 60mm x 60mm. A limitao de tamanho em 60mm x 60mm devido aoestresse trmico que causa a expanso de deformao entre as junes frias e quentes do RTE; tal estressepode desconectar as soldas. Para obter uma diferena maior de temperatura entre as faces, pode-se construirum sistemas com RTEs de vrios estgios. A disposio dos RTEs de mltiplos estgios se faz usualmentena forma de cascata e seis estgios so o limite prtico. Na Figura 2.14 pode-se observar RTEs de vriostamanhos.Figura 2.14: Mdulos termoeltricos de vrios tamanhos para vrias aplicaes.(www.enertron-inc.com,20/05/07)A Figura 2.15 apresenta um exemplo de caractersticas de um mdulo comercial simples.Como previamente citado, ocorre gerao de calor em um material devido s resistncias trmicas de16Figura 2.15: Esboo construtivo do mdulo. (www.eetopeltier.com.br , 20/03/06)conduo quando impe-se uma corrente eltrica. Este fator ento se torna determinante para a quantidademxima de calor Qmax transferida por um MTE. A corrente eltrica associada ao Qmax denida comoImax, e a voltagem correspondente como Vmax. Numa situao em que o mdulo se apresenta trabalhandoisoladamente do sistema a Imax ele produzir a diferena mxima de temperatura entre os lados quente efrio, denida como dTmax.Os mdulos termoeltricos funcionam corrente direta, DC. Uma fonte chaveada pode ser utilizada,mas suas variaes devem estar limitadas a 10A. A freqncia ideal entre 50 e 60 Hz. A fonte noprecisa estar ajustada exatamente aos nveis de Vmax e Imax, embora no seja recomendvel que eles sejamultrapassados. muito comum, por exemplo, se operar uma pastilha cujo Vmax seja 15.4V com uma fontede 12V. Caso uma corrente e/ou tenso menores sejam utilizados, a pastilha transferir menos calor emwatts.2.2.3 DESEMPENHO DO MDULO (COP)O funcionamento do mdulo termoeltrico como agente resfriador acontece pela remoo de uma taxade calorQcde um lugar ou um aparato a ser resfriado que se encontra uma temperaturaTc. O calorlquido dissipado na extremidade quente a soma do calor lquido absorvido na extremidade fria mais apotncia eltrica aplicada. O coeciente de performance (COP) usado denir a ecincia de refrigerao denido como o calor lquido absorvido na extremidade fria dividido pela potncia eltrica aplicada, epode ser denida como:COP= QcPin, (2.4)em que Pin a potncia de entrada, e conforme pode ser observado na Fig. 2.16, o balano de energia feito da seguinte forma:Pin = QhQc, (2.5)em queQh o calor dissipado, dessa forma, a Eq. 2.4 pode ser expandida a:COP=QcQhQc. (2.6)17Figura 2.16: Balano de energia. (S.B. Riffat (2002))Sendo assim, o COP representa quantas vezes o calor removido por unidade de potncia de entrada.Usualmente, o valor encontrado para esse fator entre 0.4 e 0.7 para aplicaes com mum mdulo comumde simples estgio, ou de nico mdulo. Contudo, COP mais altos podem ser conseguidos via utilizaode mdulos feitos sob medida. Existe uma relao entre o COP, a gura de mrito Z e a diferena detemperatura imposta (dT), tal relao quanticada no grco da Fig. 2.17:Figura2.17: CurvasdeCOPversusdT, analisandasdeacordocomvariaesdeZ. (www.enertron-inc.com, 20/05/07)Pode-secompararaecinciadeummdulotermoeltricocomodeumcompressorrefrigeradordomstico, tomando como base a mxima ecincia alcanada entre as temperaturas de trabalho:Th e Tc;denida pelo ciclo de Carnot. A Figura 2.18 mostra que um RTE tem uma ecincia de 5-10%, enquantoum compressor refrigerador tem a mxima ecincia em torno de 45%.18Figura 2.18: Comparao Ecincia de Carnot termoeltrico com o do ciclo de compresso a vapor. (www.coolchips.gi, 20/05/07)2.2.4 CONTROLE DE TEMPERATURANos refrigeradores-compressores convencionais, em geral, o controle de temperatura conseguido porum simples uma operao de ligar e desligar usando um sensor/interruptor de expanso trmica. Este tipode controle de temperatura causa utuaes senoidais de temperatura, conforme vislumbra-se na Fig. 2.19.Figura 2.19: Comparao da variao de temperatura entre um refrigerador-compressor e um MTE. (GaoMin, (2005))A distribuio da temperatura dentro do mdulo representada de acordo com a Fig. 2.20.Porm, tratando-sederefrigeradorestermoeltricos, essasutuaesnoocorrempelasseguintesrazes:1. A m minimizar a conduo do calor atravs do mdulo, um controle de temperatura que usa a tc-nica de PID (derivative integral proporcional) deve ser empregado. O mtodo permite o RTE operar19Figura 2.20: Distribuio de temperatura dentro de um MTE. (webabadie.ifrance.com , 22/05/07)em modo de grande capacidade de retirada de calor quando um resfriamento rpido necessrio e,tambm, operar em um modo de baixa da capacidade de retirada, quando s se deseja manter a tem-peratura, de forma a obter um consumo mnimo de energia. Conseqentemente, a transferncia decalor atravs do mdulo de Peltier pode ser impedido, assim como o controle exato da temperaturada carcaa pode ser conseguido.2. Relata-se que a conabilidade dos MTE pode ser reduzida signicativamente ao impor vrios ciclosde operao devido uma tenso lateral induzida pela contrao no lado frio e pela expanso no ladoquente. Dessa forma, o uso do controle PID permite que os mdulos de Peltier operem num modorelativamente baixo de estresse comparada com o modo liga-desliga repetido. Assim, o problema daconabilidade pode ser minimizado.3. Como a capacidade de absoro de calor de um RTE proporcional a potncia de entrada, a taxade absoro pode ser prontamente controlada alterando a potncia de entrada de seus mdulos. Estaexibilidade permite aos MTE operarem de duas formas diferentes: um modo de grande capacidadedeabsoro, quandoumataxaderefrigeraorpidarequerida; eummododeelevadoCOP,quando se preferir o menor consumo de energia.Alm disso, o controle de PID pode ser prontamente incorporado ao computador para obter-se umaoperao de refrigerao programvel. Uma vantagem clara da operao programvel que a tem-peratura do refrigerador pode ser pr-ajustada e controlada convenientemente para obter um perlde refrigerao requerido e um grau mais elevado de estabilidade. Um RTE com caractersticas pro-gramveis fornece uma facilidade de refrigerao controlvel que pode ser til em uma variedade deaplicaes, em particular, na medicina e na bio-tecnologia.Oscontroladoresdetemperaturasoformadosporumasriedeplacasdecircuitoconectadasemparalelo que fazem o ajuste de temperatura do mdulo de forma automtica, a Fig. 2.21 representa umcircuito eletrnico de controle de temperatura com oito placas em paralelo.20Figura 2.21: Circuito eletrnico de controle de temperatura. (www.users.ugent.be , 20/05/07)2.2.5 APLICAO E CONFIABILIDADEOs conhecidos mecanismos de falha do mdulo de Peltier incluem: a difuso de materiais em contatopara os termoelementos; expanso trmica que induz cisalhamento e compresso, e a umidade que geracorroso. Tcnicasemtodostmsidodesenvolvidosparaminimizaressesproblemas. Contudo, emgeral, constatado que o mdulo pode ser usado sem deteriorao signicativa por at dez anos. Apesardisso, muitos ciclos de funcionamento no so recomendados para os refrigeradores termoeltricos.Pois,os mdulos de Peltier esto sujeitos a falha,sob circunstncias severas devido ao projeto imprprio dosistema do refrigerador. A degradao dos contatos trmicos entre os mdulos e os dissipadores de calorpodem causar o superaquecimento no lado quente dos mdulos. Um pequeno aumento na resistncia decontato pode ocorrer em uma juno devido corroso. Conseqentemente, para um projeto apropriadodo sistema importante prover conabilidade ao mdulo de Peltier.Os RTE so bem aplicveis no resfriamento de pequenos objetos que possuem baixa emisso de calor.Devido ao baixo coeciente de performance (COP), comparado com os ciclos de refrigerao por com-presso, a aplicao de RTEs torna-se desvantajosa se a carga trmica for maior que 250 watts. Porm, de-vido s caractersticas vantajosas dos mdulos (como no conter cloro-uor-carbonetos ou qualquer outromaterial que necessita de reposio peridica) vida til dos dispositivos termoeltricos excede 200,000 hde operao, baixo peso, ausncia de partes mveis (necessitando assim de menos manuteno), ausnciade rudos eltricos e podem ser operados em qualquer orientao espacial ou qualquer ambiente (mesmosendoelesevero, demasiadamentesensvel, oumuitopequenosparaarefrigeraoconvencional)elespossuem vrias aplicaes caractersticas. Na Figura 2.22, mostrada uma congurao de aplicao domdulo.Figura 2.22:(a) Esquema de um refrigerador termoeltrico; (b) Refrigerador termoeltrico porttil. (GaoMin , (2005))21Sabe-se que em alguns casos, eles so utilizados para resfriar alguns kilowatts de calor. A direo dobombeamento de calor no MTE totalmente reversvel, uma mudana na polaridade da fonte de correntecontinua faz com que o calor seja bombeado na direo oposta. Dessa forma, o resfriador se torna o aque-cedor. A aplicao do mdulos termoeltricos relevante em aparatos que necessitam de uma regulagemexcepcionalmente apropriada de temperatura, como um diodo de laser. Juntamente com a fonte de alimen-tao de corrente continua e um dispositivo controlador eletrnico integral proporcional simples, os RTEso capazes de controlar a temperatura de um objeto com preciso de variao de 0, 1C . Vale ressaltarque atualmente nenhum outro mtodo de resfriamento pode prover tal preciso no controle de temperaturade forma simples e conveniente.Portanto, a aplicao do mdulo, em situaes que um controle preciso de temperatura exigido, conveniente. Em geral, eles so utilizados nos casos em que um dado objeto necessita ser resfriado atemperatura abaixo do ambiente ou , quando a temperatura de um objeto precisa ser mantida constante emum ambiente de temperatura variante.Haja vista todas as vantagens descritas anteriormente, os dispositivos termoeltricos encontraram apli-caes muito abrangentes em diversas reas, tais como: militar, aeroespacial, instrumentao e produtosindustriais ou comerciais. De acordo com o modo de utilizao, estas aplicaes podem ser classicadasem trs categorias, que so:refrigeradores (ou aquecedores), geradores de potncia ou sensores trmicosde energia. Os detalhes so dados na Fig. 2.23.Figura 2.23: Aplicaes de Refrigeradores Termoeltrico. (www.efeitopeltier.com.br , 20/05/07)Devido s caractersticas intrnsecas da estrutura e do funcionamento do mdulo termoeltrico, a suautilizao muitas vezes se faz necessria e justicada. Porm, h circunstncias em que se recomenda,tampouco se faz jus, a utilizao do mdulo. Em seguida, so citadas algumas situaes de uso desacon-selhvel do mdulo, em que se explicitam os motivos.Em situaes que apresentem umidade considervel: O lado frio do MTE funciona a uma temperaturainferior a temperatura de ponto de orvalho. Com isso, em lugares com presena de umidade ocorre con-densao no lado frio. Desse modo, a gua condensada poder entrar em contato com os semicondutores22causando um processo chamado de corroso eletroltica nas juntas soldadas desses materiais. Este processopode vir a destruir a estrutura do mdulo termoeltrico. A condensao em excesso tambm pode causarum curto circuito. Como resposta a esse problema, pode-se connar o modulo em uma situao em queno exista umidade, ou seja, atmosfera seca.Funcionamento sob choques mecnicos e vibraes: sabido que o material constituinte dos mdulostermoeltricos cermico (assim, so duros e frgeis). Dessa forma a utilizao de MTE em situaes emque ocorrem choques mecnicos e vibraes no recomendada. Por isso eles se comportam de maneiraresistentesobforasdecompressoporm, sofracosmedianteforasdetensooucisalhamento. Amontagemimprpriapodecausarfolgase, comisso, aexistnciadechoquesmecnicos. Tambm, apresena de folgas atrapalha o contato trmico entre as faces do mdulo e dissipadores de calor ou entre osmdulos e os aparatos a serem resfriados.Outro fator que pode danicar o mdulo a utilizao desse de forma freqente porm descontnua, ouseja, em ciclos trmicos. A operao do mdulo sob ciclos trmicos causa uma alterao dimensional nomaterial cermico constituinte das placa quente e fria. Isto causado pela diferena de expanso trmicaocasionadapelaexistnciademateriaisdiferentesemcadaladodaplacaeporelesseencontrarematemperaturas diferentes. Tal efeito tambm nomeado de estresse trmico, responsvel pela diminuio davida til do MTE. Como soluo, proposta a diminuio do nmero de crculos para um valor sustentvelao mdulo. sabido tambm que h mdulos no mercado que suportam um estresse trmico maior, o queos faz possurem uma vida til maior; porm, isso no os faz imune a este efeito.O preo e o custo de funcionamento de um refrigerador determinam sua viabilidade econmica. OcustodefuncionamentodeumRTEprincipalmentedependentedeseuCOP, oqualrelativamentemaisbaixodoqueodeumrefrigeradorcompressor. Emconseqncia, oconsumoanualdeenergiade refrigeradores termoeltricos aproximadamente 30% mais alto. O custo de funcionamento de umrefrigerador convencional, com 110 litros, em torno de 70% do valor de um refrigerador termoeltricocorrespondente. O preo de um refrigerador reete seu custo de fabricao (o preo de um produto deexperimentao no mercado muito mais elevado do que aquele de um refrigerador convencional similar).Os componentes principais, que incluem os mdulos de Peltier, os trocadores de calor, a fonte de correntecontnua e circuitos eletrnicos de controle de temperatura, ainda so relativamente caros. Entretanto, ocusto pode ser signicativamente reduzido para todos os artigos acima mencionados com uma produomacia deles. Em princpio, um aumento no COP do mdulo pode ser possvel melhorando os mdulostrmicos e resistncias do contato eltrico, embora esta aproximao parea ser ilusria. Por outro lado,a capacidade do calor dissipado pode ser melhorada com somente uma ligeira reduo no COP, comoindicado dentro. Um aumento na capacidade do calor dissipado resultar numa provvel reduo no custoda fabricao. Conseqentemente, o projeto do mdulo de Peltier envolveria um acordo entre o COP e acapacidade de calor retirado.A ecincia energtica dos refrigeradores termoeltricos, baseada nos materiais e na tecnologia atual-mente disponveis, ainda mais baixa do que a do refrigerador-compressor. Entretanto, um refrigeradortermoeltrico comercivel pode ser feito com um COP aceitvel. Alm disso, uma melhoria adicional noCOP pode ser possvel melhorando as resistncias de contato do mdulo, relaes trmicas e dissipaode calor. Com seu benefcio ambiental, um RTE fornece uma alternativa aos consumidores que possuemconscincia ambiental e querem gastar um pouco mais de dinheiro para apreciar sua operao quieta; almde um controle de temperatura mais preciso e mais estvel.2.3 EFEITOS DE CONTATOO uxo de calor e eletricidade em um mdulo termoeltrico pode ser afetado por fatores de contato.Estes fatores esto presentes na forma de resistncias trmicas e eltricas nas interfaces de sistemas com-postos temperaturas diferentes. A existncia deles diminui o coeciente de Seebeck e, por conseqncia,23as trocas de calor entre as placas constituintes do mdulo.As interfaces de contato apresentam uma srie de microirregularidades geomtricas (rugosidades), porexemplo: defeitos de superfcie; tamanho e orientao dos cristais, e a tenso nos materiais que surgemdevido ao processo da fabricao. Esses defeitos afetam o transporte trmico e eltrico atravs das inter-faces, fazendo com que o contato entre elas no acontea de forma total e igual rea nominal mas sim empequenos pontos intercalados com o espaamento, e por isso se apresentam em todas as situaes sendoincludo portanto nas prprias resistncias dos condutores metlicos. Analisando a transferncia de calornesses pontos, constatada que ela ocorre por conduo (transporte de eltrons livres) nos pontos que estoem contato e na regio de descontinuidade, ela ocorre por radiao. A resistncia de contato pode ser vistacomo duas resistncias em paralelo:uma devido aos pontos de contato e outra devida aos espaamentos.A Figura 2.24 mostra um grco da discrepncia trmica na interface de contato entre dois objetos.Figura2.24: Descontinuidadenatemperaturadevidoaos efeitos decontato. (www.labsolar.ufsc.br,20/05/07)Sabe-se que ambas as resistncias causam uma reduo do desempenho dos dispositivos, o que podesercomprovadopeladescontinuidadenatemperaturainterfacialnapresenadeumuxodecalor. Apresena de uma resistncia de contato eltrica aumenta o efeito dissipativo trmico gerado pelo efeitoJoulenasjunes. Emboraalgunsestudostentemdesenvolverumatcnicadeprediodaresistnciatrmica de contato, constata-se que os valores mais conveis tem sido obtido experimentalmente, devido quantidade de variveis que podem afetar o contato entre as supercies. Alguns fabricantes utilizam-se detcnicas de tratamento trmico para reduzir as resistncias trmicas e eltricas dos materiais. Uma anliseexperimental feita por Lahmar, et al, da reduo da resistncia trmica de contato entre os revestimentosdo materias condutores (Cobre, alumnio e ouro) e as carcaas cermicas, mostra que o tratamento trmicopossui efetividade em aumentar a adeso entre as interfaces; diminuindo, portanto, as resistncias trmicasde contato entre os materiais. Seus efeitos devem ser includos no modelo para a predio do desempenhodo micro-refrigerador; isto feito pela introduo das resistncias:R

cont =TaTb qx. (2.7)24Outromeiobastantedisseminadonareduodedefeitosgeomtricosdecontatoacolocaodemetais macios como: ndio, chumbo, estanho e prata (inseridos como folhas delgadas ou revestindo osmateriais) e tambm uidos interfaciais de alta condutividade trmica (as pastas trmicas) que preenchemos vazios entre as superfcies acopladas e conduzem o calor de maneira trinta vezes mais efetiva que o are quatro vezes melhor que a graxa de silicone. Em geral, eles so bastante estveis, no endurecem e temuma efetividade operacional entre 40C a 200C. A espessura do lme de aplicao da pasta trmicadeve ser da ordem de dois dcimos de milmetro e deve fornecer nivelamento para instalao do mdulo.A Figura 2.25 apresenta uma pasta trmica comercial.Figura 2.25: Pasta trmica comercial. (www.marlow.com , 20/05/07)No caso de um sistema termoeltrico (mdulo e dissipador), a utilizao da pasta trmica se faz paraconseguir um contato trmico maior entre as superfcies do mdulo e do dissipado, mas interessanteprimeiramente se obter supercies planas. Na Tabela 2.1 so detalhadas as propriedades de uma pastatrmica comum, com os dados relevantes e restritivos a sua aplicabilidade.Tabela 2.1: Especicaes de uma pasta trmica comercial.Temperatura de trabalho: 40C a 200CMxima temperatura: 425CCondutividade trmica: 0,0189 watts/inCResistividade volumtrica: 40C a 200CSolvente: TricloroetilenoFuncionalidade 200C: 1.000 horasTaxa de Evaporao (24 h 200C): < 1 %2.4 SUPERFCIES ESTENDIDASA utilizao de supercies estendidas, ou aletadas, implica no aumento da rea supercial e, por con-seguinte, no aumento da transferncia de calor entre a estrutura e o uido adjacente. Por causa desse princ-pio que a aplicao de supercies estendidas se faz de maneira ampla na indstria de aparelhos eltricose eletrnicos que produzem calor, que necessita ser ecientemente dissipado. Na superfcie estendida,ocorre transferncia de calor por conduo no interior do slido e transferncia de calor por conveco na25superfcie das aletas. A utilizao de superfcies estendidas se consagra, baseando na lei de Resfriamentode Newton:Qconv = h A (TsT) , (2.8)em que o coeciente de conveco do uido, A representa a rea e Ts e T representam respectivamente,a temperatura da superfcie e a temperatura do uido no innito.Na Equao 2.8 pode ser observado que para o aumento da quantidade de calor transferido por con-veco de uma superfcie a temperatura Ts, existem trs opes:Aumentar o coeciente de conveco, o que pode ser conseguido aumentando a velocidade em queo uido ambiente escoa sobre a aleta pela otimizao da geometria para facilitao do descolamentoda camada limite e aumentar o coeciente de conveco numa determinada rea; pela colocao deuma ventoinha ou qualquer dispositivo que implique em uma conveco forada ou tambm pelacolocao de um uido lquido no sistema, o que tambm aumenta o coeciente de conveco.Diminuir a temperatura do uido em escoamento, o que muitas vezes impraticvel devido ao custoou as limitaes de espao.Aumentar a rea de transferncia, o que pode ser obtido com a implementao de superfcies ale-tadas. No limite da condutividade trmica innita, toda aleta estaria na mesma temperatura da base; oque constituiria a mxima taxa de transferncia de calor. Em cada aplicao, a preocupao principalest em denir que tipo de aleta dar a maior ecincia de refrigerao, mnimo custo de material,peso,tamanho,mnima resistncia para refrigerao pelo uxo ambiente,capacidade adequada efcil fabricao.A ecincia do dissipador de calor medida pelo desempenho trmico gerado por volume. Um dissi-pador de calor eciente fornecer refrigerao substancial ao ocupar um volume fsico pequeno. devido compacta estrutura da aleta em forma de pino, quando forjadas, fornecem uma refrigerao eciente. Asaletas em forma de pino possuem uma rea de superfcie grande por volume e, ao mesmo tempo, devido natureza de um pino redondo, o ar no dissipador de calor cria uma quantidade signicativa de turbulenciaentre os pinos; quebrando as camadas de limite em torno dos pinos. Este efeito reala as ecincias tr-micas elevadas do dissipador de calor. Em conseqncia, as aletas de pino fornecem resistncias trmicasbaixas por volume de controle dado. Na Figura 2.26, apresenta-se uma srie de geometrias de dissipadores.Alm da estrutura fsica, o desempenho dos dissipadores de calor depende da sua metalurgia.Quantomais elevada a condutividade trmica do material escolhido para o dissipador de calor, melhor o desem-penho trmico desse. As aletas forjadas so fabricadas de Al 1100, uma liga de alumnio pura. A condu-tividade trmica do Al 1100 de 125 BTU/hrxftxF, ou seja 20% mais condutor que o Al 6061, umaliga com condutividade trmica de 90 BTU/hrxftxF. E ainda, 56 % mais condutor do que Al380, quepossui condutividade trmica de 55 BTU/hrxftxF. Lembrando que nas aplicaes com alumnio purodeve-se considerar a temperatura de escoamento, o que pode causar uma distoro geomtrica da superfciealetada.Aoselecionardissipadoresdecalor, deve-seestarcientequedeterminadasconguraesdedissi-padores so mais ecazes com velocidades de ar elevadas;enquanto outras conguraes so mais e-cientes com velocidades baixas do ar. Com o controle da densidade do nmero de aletas, os dissipadoresde calor podem ser caracterizados para uxos de ar diferentes. Com uxos de ar elevados, um nmero dedensidade de aletas elevado prefervel desde que o uxo de ar seja poderoso o bastante para uir atravsdo dissipador de calor e, dessa forma, se torna vantajoso uma grande rea de superfcie no dissipador decalor. Com uxos de ar baixos, um pequeno nmero de densidade de aletas recomendado porque a fora26Figura 2.26: Dissipadores de calor de vrias geometrias. (www.moreleds.com , 20/05/07)do ar no forte o bastante para penetrar numa congurao mais densa de aletas. Dessa forma,pelouso de um software uido computacional de anlise da dinmica (CFD), os projetistas podem otimizar asdensidades das aletas baseadas em uxos de ar em aplicaes especcas.Como os mdulos de Peltier dissipam uma quantidade de calor elevada, as superfcies aletadas paraos mdulos devem possuir nmero elevado de densidade de aletas para maximizar a rea da superfcie dodissipador de calor. Os dissipadores com conguraes de nmero elevado de aletas, como previamentecitado, so mais ecazes na modalidade refrigerao forada (em que um ventilador colocado acima dodissipador de calor e o ar difundido diretamente para baixo sobre aos pinos). Na conveco forada,oarcriaumaturbulnciasignicativaentreasaletaserealasuashabilidadesderefrigerao. Com-parado modalidade refrigerao horizontal tradicional, a refrigerao forada melhora o desempenho emaproximadamente 20%. A refrigerao forada tambm distribui o uxo de ar uniformemente ao longo dasuperfcie do dissipador de calor.Os avanos recentes foraram os projetistas a procurar conguraes incomuns de dissipador de calor.As densidades de potncia aumentadas criaram a demanda para dissipadores de calor miniaturizados; con-tudo, poderosos. Ao mesmo tempo, a restrio de espao gera a necessidade de solues baseada em novospers. A nova tecnologia de fabricao de aletas permite ao projetistas a produo de conguraes inco-muns para dissipador de calor com intuito de permitir um elevado grau de otimizao. Os parmetros deotimizao incluem a altura total, altura da aleta, a espessura da base, dimetro do pino (caso seja circular),largura da aleta, densidade do nmero de aletas, e o material (alumnio ou cobre). As aletas tambm podemser caracterizadas para as situaes que a largura e a altura so restritas .Opesoesttransformando-seemumproblemacadavezmaisimportanteenquantoanecessidadededissipaodecalorsealarga, aumentandoonmerodosdissipadoresdecalorporaplaca. Almdaslimitaestotaisdopeso, ousodedissipadoresdecalorpesadostornaatarefamaiscomplicada,requerendo freqentemente solues mecnicas. Aexibilidade da geometria da aleta permite o projeto dosdissipadores de calor otimizados baseados em limitaes existentes de peso. Com o controle da espessura,largura ou dimetro da aleta, densidade do nmero de aletas e a sua altura, uma aleta pode especialmenteser projetada para se enquadrar com limitaes especcas.As superfcie de resfriamento e os dissipadores de calor aletados so unidos tipicamente por uma placaque usa tas adesivas trmicas condutoras (frente e verso). As tas adesivas frente e verso so relativamentebaratas, podem facilmente ser aplicadas e so customizadas para reas de bases diferentes. As tas adesivasespeccas esto disponveis para os metais, os cermicos e os plsticos. As tas adesivas especiais sodisponveis tambm para aplicaes em que a condutividade eltrica requerida.272.4.1 MATERIAIS E GEOMETRIASVrios mtodos do revestimento de alumnio so aplicveis para dissipadores de calor com aletas for-jadas. Um revestimento anodizado melhora a resistncia corroso sendo aplicvel para ambientes comer-ciais ou industriais severos (um revestimento anodizado eletricamente no condutivo). Em determinadassituaes, um revestimento anodizado aplicado tambm como realce aparncia exterior do dissipador decalor. Orevestimento cromado do dissipador apropriado quando um condutividade eltrica requerida. Ochapeamento por nquel implicar num reuxo trmico do dissipador para a parte superior do componente.Em conseqncia do aumento da densidade das placas em circuitos eletrnicos e da potncia dos sis-temas, a demanda por dissipadores de calor diminutos est crescendo. A tecnologia das aletas, por causa desua exibilidade, permite a produo de aletas miniaturizadas. Ao mesmo tempo, a tecnologia no perdedesempenho com a diminuio proporcional do tamanho pois, atualmente, se oferece bom desempenhotrmico por baixo volume da unidade.A tecnologia de forjamento permite a criao de um suporte no centro da base do dissipador de calor.Em conseqncia, o dissipador de aletas forjado com suporte fornece uma soluo excelente para a cres-cente e popular tecnologia de microaletas.Na maioria das situaes, essa base feita de um material quepossui caracterstica condutora mais acentuada que o prprio material da aleta. Dessa forma, ele cria umcentro quente na base e transmite esse calor para as aletas. Tal aplicao pode ser conferida na Fig. 2.27.Figura 2.27: Superfcie aletada de alumnio com ncleo de cobre. (www.dansdata.com , 20/05/07)Como sempre, a ecincia de custo um interesse para sistemas de hoje. A tecnologia de fabricaode aletas fornece solues efetivas do dissipador de calor para as aplicaes de mdio a elevado volume,devido s baixas necessidades de ferramentas de trabalho associadas ao mnimo desperdcio de materiais.Isto se deve a elevada taxa de rendimento do processo de forjamento e ao baixo nmero de defeitos.2.5 SISTEMA TERMOELTRICO2.5.1 DESCRIO DO SISTEMAOs sistemas de refrigerao termoeltrica so anlogos aos sistemas de refrigerao convencionais.Por exemplo, um sistema de refrigerao convencional se constitui, basicamente, de trs componentes:oevaporador, o compressor, e o condensador. No evaporador, o refrigerante pressurizado se expande, ferve,e evapora. Durante a mudana de estado lquido-gs, a energia na forma de calor absorvida. Na etapaseguinte, o compressor recomprime o gs em lquido. Em seguida, o condensador expele o calor absorvidono evaporador juntamente com o calor adicionado pelo compressor para o meio-ambiente.28Um sistema de refrigerao termoeltrica possui subconjuntos similares. Entretanto, a refrigeraotermoeltrica especicamente a retirada de calor por efeito Peltier. O uso potencial dos RTE se estende aescala de refrigerao de componentes eletrnicos a refrigeradores domsticos e pequenos ar condiciona-dos capazes de aquecer ou resfriar um cmodo. Um aparato de refrigerao termoeltrica possui circuitoeltrico o qual inclui: uma fonte de corrente contnua, um dispositivo termoeltrico que tem pelo menos umdissipador de calor e pelo menos uma fonte de calor capaz de ser refrigerada a uma escala de temperaturapredenida, alm de um conjunto de controle de temperatura. A aplicao de um dispositivo termoeltricoconvencional em um sistema a ser refrigerado segue no arranjo bsico vislumbrado na Fig. 2.28.Figura 2.28:Sistema de refrigerao termo eltrica:mdulo, dissipador e ventoinha.(www.kbench.com ,20/05/07)2.5.2 APLICAES USUAIS DO SISTEMARecentemente, os ar condicionados e os refrigeradores existentes transformaram a vida de milhes depessoas em torno do mundo. Da forma que o padro de vida vem aumentando em pases menos desen-volvidos, muitas pessoas exigiro a convenincia e o conforto que estes recursos oferecem. Ao mesmotempo, oscustosdeenergiaeosregulamentosambientaisarespeitodamanufaturaedaliberaodeCFC (Cloro-Fluor-Carbono)esto aumentando tambm. Estes fatores esto incentivando fabricantes e seusclientes a procurar alternativas tecnologia convencional de refrigerao. Um dos sistemas de refrigeraoalternativos que vem sendo usados cada vez mais como soluo a tecnologia termoeltrica.Realmente, os exemplos de utilizao dispositivos termoeltricos (como refrigeradores) podem ser en-contrados desde 1950-1960. Entretanto, o baixo COP alcanado limitava o seu desenvolvimento. Nos anosrecentes, devido s razes anteriormente mencionadas, renovaram-se os interesses no uso de dispositivostermoeltricos para refrigeradores domsticos, apesar do inconveniente COP baixo.Poucos ar condicionados termoeltricos so relatados (comparado com os refrigeradores termoeltri-cos); alguns dele advm da dcada de 60. Aps mais de 40 anos, somente uma empresa forneceu comer-cialmente sistemas de ar condicionados. Alguns estudos sobre o uso de dispositivos termoeltricos como29ar condicionado para pequena escala ou uso particular podem ser encontrados, porm somente um estudorecente pode ser encontrado em que se descreve o uso de um ar condicionado termoeltrico para refrigerarou aquecer um espao do tamanho de um cmodo, tal como salas, restaurantes, escritrio.Comparado aos sistemas convencionais de ar condicionado por compresso a vapor, os sistemas dear condicionado termoeltrico tm as seguintes caractersticas: podem ser construdos em uma unidademuito plana que possa convenientemente ser colocada entre paredes para o condicionamento de ar do ed-ifcio; podem facilmente ser comutados entre refrigerao e aquecimento e proporcionalmente ajust