Você pode me explicar um pouco mais sobre a teoria das pastilhas termoelétricas?
Pastilhas termoelétricas operam utilizando o efeito Peltier, a teoria de que há um efeito aquecedor ou resfriador quando uma corrente elétrica passa por dois condutores. A voltagem aplicada aos pólos de dois materiais distintos cria uma diferença de temperatura.
Graças a essa diferença, o resfriamento Peltier fará o calor mover de um lido ao outro. Uma típica pastilha de Peltier conterá uma série de elementos semicondutores do tipo-p e tipo-n, agrupados como pares (ver Figura 1), que agirão como condutores dissimilares.
Essa série de elementos é soldada entre duas placas cerâmicas, eletricamente em série e termicamente em paralelo. Quando uma corrente DC passa por um ou mais pares de elementos de tipo-n a tipo-p, há uma redução na temperatura da junta ("lado frio") resultando em uma absorção do calor do ambiente. Este calor é transferido pela pastilha por transporte de eléctrons e emitido no outro lado ("quente") via eléctrons que movem de um estado alto para um estado baixo (ver Figura 2). A capacidade de bombeamento de calor de um resfriador é proporcional à corrente e o número de pares de elementos tipo-n e tipo-p
O que são Imax, Vmax, dTmax e Qmax?
Há calor gerado cada vez que uma corrente elétrica passa por um elemento. Material termoelétrico reage da mesma maneira. Há um ponto onde o calor gerado internamente cancela a capacidade do módulo transferir calor. Cada pastilha tem seu próprio limite de quanto calor pode transferir, conhecido como Qmax. A corrente elétrica associada ao Qmax é conhecida como Imax. E a voltagem correspondente como Vmax. Se um módulo for completamente isolado de seu ambiente e estiver rodando a Imax, ele produzirá a diferença máxima de temperatura entre os lados quente e frio, conhecida como dTmax.
Quando se deve utilizar uma pastilha termoelétrica?
Módulos Peltier são perfeitos para algumas aplicações e não recomendados para outras. Dependendo da aplicação, uma pastilha pode ser infinitamente superior a um compressor (p.ex. para resfriar um microprocessador) ou até inferior como no caso de um ar condicionado. Pastilhas termoelétricas são muito pequenas, leves e não produzem nenhum barulho, podendo ser extremamente precisas no controle de temperatura uma vez que não possuem peças móveis. Podem ser operadas também em um vácuo ou ambiente sem peso, e em qualquer orientação física. Contudo, o efeito Peltier tende a perder sua vantagem competitiva para transferências de calor acima de 200W. Não obstante, em certas aplicações militares ou científicas, o efeito pode ser utilizado para transferir dezenas de kilowatts.
Quais são as vantagens de uma pastilha termoelétrica sobre um compressor?
Devido à ausência de peças móveis, pastilhas termoelétricas são mais confiáveis que um compressor além de necessitar praticamente nenhuma manutenção. São ideais para aplicações de resfriamento que são sensíveis a vibrações mecânicas ou têm um tamanho ou espaço limitado. O uso de módulos para resfriar tanto quanto esquentar os faz ideais também para aplicações onde uma estabilização de temperatura é necessária em um ambiente com altas variações de calor, como diôdos de laser.
Quanto calor posso transferir com um módulo Peltier?
Atualmente, o máximo de calor que pode-se transferir com um único módulo é aproximadamente 250W. Contudo, há módulos empilhados (ou múlti-estágios) que permitem uma transferência maior de calor ao utilisarem várias pastilhas ao mesmo tempo.
Posso utilizar mais de um módulo?
Sim. Eles podem ser utilizados lado a lado para aumentar a transferência de calor ou empilhados uns sobre os outros para aumentar a diferença entre o lado frio e o lado quente. Contudo, quando a temperatura entre o lado frio e o lado quente não precisa ser mais de 60°C, pastilhas simples são mais recomendadas. Quando esta diferença tem que ser maior de 60°C, módulos múlti-estágios devem ser utilizados.
Que tipo de alimentação devo utilizar, DC ou AC? Ela tem que estar no níveis exatos de Imax e Vmax?
Pastilhas termoelétricas operam com corrente direta, DC. Uma fonte chaveada pode ser utilizada, mas suas variações devem estar limitadas a +-10%. A frequência ideal é 50-60 Hz. A fonte não precisa estar ajustada exatamente aos níveis de Vmax e Imax, embora não seja recomendável que eles sejam ultrapassados. Por exemplo, é muito comum se operar uma pastilha cujo Vmax seja 15.4V com uma fonte de 12V. Caso uma corrente e/ou tensão menores sejam utilizados, a pastilha transferirá menos calor em watts. Estes dados podem ser conferidos na data sheet de cada pastilha, que estão disponíveis na página de Produtos.
Quero resfriar uma Geladeira/CPU/Água a temperatura de 3C. Qual pastilha devo utilizar?
Pastilhas operam de maneira similar a um compressor, que transfere calor de dentro para fora de uma geladeira. Um compressor potente operando em uma geladeira pequena irá resfriá-la a temperaturas muito baixas, enquanto um pouco potente em uma geladeira grande causará pouco efeito. Por isso, é impossível dimensionar um compressor para uma geladeira com base somente na informação acima - é necessário saber um pouco mais sobre o volume interno e isolamento térmico da mesma para que se chegue a uma resposta preliminar.
O mesmo ocorre com pastilhas termoelétricas - elas foram projetadas para transferir uma determinada quantidade de calor em uma aplicação, não para atingir temperaturas específicas independentemente da aplicação. Quanto maior for a carga térmica transferida, menor será a diferença de temperatura entre o lado frio e lado quente, e vice versa (com carga zero a maioria das pastilhas tem uma diferença máxima um pouco acima dos 60C). Assim sendo, para saber qual a pastilha mais indicada para sua aplicação, é necessário estimar qual seria a carga térmica em Watts que precisa ser transferida para que se atinja a temperatura desejada.
Um dissipador de calor é um opcional no meu sistema?
Não, ele é um item obrigatório uma vez que pastilhas não "comem" calor, mas o transferem igual a um compressor de geladeira, por exemplo. Tanto para aquecimento como resfriamento, é necessário utilizar algum tipo de dissipador para coletar calor (em modo de aquecimento) ou dissipar calor (em modo de resfriamento) para outro meio (p.ex: ar, água, etc.). Sem isso o módulo estará sujeito a superaquecimento - com o lado quente superaquecido o lado frio também esquentará, consequentemente calor não será mais transferido. Quando o módulo chegar à temperatura de refluxo da solda utilizada, a unidade será destruída. Frequentemente utiliza-se uma ventoinha quando dissipador estiver trocando calor com o ar, mas isto não é obrigatório.
Gostaria de construir um Ar Condicionado/Geladeira Industrial utilizando o Efeito Peltier. Isto é viável?
Eventualmente, este tipo de aparelho será construído em escala industrial, mas por enquanto seus custos são proibitivos. Módulos Peltier tem grandes vantagens como tamanho reduzido e ausência de peças móveis e ruído, mas seu custo por por watt transferido é muito superior a um compressor, seu principal concorrente tecnológico. Como aparelhos de ar condicionados requerem uma transferência de calor muito maior para resfriar ambientes do que uma mini-geladeira portátil, por exemplo, não são economicamente viáveis. O mesmo ocorre com geladeiras e congeladores (freezers) residenciais.
É importante também salientar que, no caso de aparelhos de ar condicionado, mesmo quando eles forem produzidos em escala industrial, um dissipador de calor terá de ser acoplado ao sistema e ao exterior do ambiente para que ele realmente seja resfriado. Ou seja, estes aparelhos não poderão substituir resfriadores portáteis que reduzem temperatura somente com gotículas de água e sem nenhuma dissipação para o exterior.
Quais são os limites de tamanho de uma pastilha?
O limite prático de comprimento e largura de um módulo é de aproximadamente 60 milímetros. Devido às diferenças de calor, o lado frio da pastilha contrairá enquanto o lado quente expandirá, causando estresse nos elementos e nos pontos de solda. Como expansão térmica ocorre em uma base centímetro por centímetro, quanto maior for a pastilha, maior será a tensão nos elementos de seu perímetro. Em casos onde a transferência de calor excede o que pode ser suprido por um só pastilha, módulos adicionais podem ser utilizados lado a lado ou empilhados.
Qual a melhor maneira de se operar e controlar uma pastilha Peltier?
Pastilhas termoelétricas requerem uma corrente DC estável para uma operação ótima. Uma margem (“ripple factor”) de menos de 10% ou 15% resultará em menos de 1% de degradação no Delta T. Idealmente, limitação de voltagem ou corrente devem ser usadas para assegurar que o Imax especificado da pastilha não seja ultrapassado. Um suprimento bipolar deve ser utilizado em aplicações necessitando resfriamento e aquecimento.
Como posso controlar a temperatura do módulo e da aplicação?
A maneira mais fácil de fazê-lo é controlar a voltagem do suprimento. É possível também ligar e desligar o módulo, embora certos fabricantes (p.ex. Marlow) não recomendem este método por achar que isto reduz a vida útil da pastilha, enquanto outros não apóiam esta restrição. Pastilhas podem mudar de temperatura muito rapidamente, por isso para evitar problemas devido à expansão térmica dentro do módulo é recomendável que não se altere a temperatura freqüentemente a taxas muito maiores do que um grau centigrado por segundo.
Quão eficiente é um módulo Peltier?
Tecnicamente, eficiência se refere ao ratio de entrada e saída de energia em uma máquina. Em aplicações de transferência de calor, este termo é raramente utilizado por que a energia que entra é muito diferente do serviço providenciado, istoé suprimos energia elétrica a uma pastilha, mas recebemos bombeamento de calor. Assim sendo, para pastilhas é comum utilizar "coeficiente de desempenho" (COD) e não eficiência. O COD é a maginitude da transferência de calor dividida pela quantidade de potência suprida ao sistema. Em outras palavras, COD lhe dirá quantas unidades de bombeamento de calor receberá para cada unidade de potência elétrica suprida. É possível, em certas situações muito especiais, transferir mais watts de calor do que os watts de potência que entram no sistema. O COD depende da aplicação, calor transferidoe da diferença de temperatura necessitada. Típicamente, este fator é entre 0.4 e 0.7 para aplicações single stage. Contudo, CODs mais altos podem ser conseguidos via a utilização de módulos feitos sob medida.
O que fazer quando há humidade presente no sistema?
Humidade pode ser um problema se o módulo for utilizado para resfriar perto de zero grau, uma vez que vapor presente no ar pode condensar, molhando a pastilha e sua aplicação. Humidade dentro do módulo pode causar corrosão e resultar em um curto-circuito. Técnicamente, a melhor solução seria operá-lo em um vácuo, mas como isso é inviável, nestes casos costuma-se utlizar isolantes de silicone ou epoxy nas bordas do módulo.
A EfeitoPeltier fornece dissipadores? Pode me dar conselhos de qual dissipador utilizar?
Como já existem vários fabricantes de dissipadores no Brasil, sendo ele relativamente fácil de ser encontrado em todo país, a Danvic não distribui este tipo de suprimento.
Como regra geral, recomenda-se que para a aplicação de pastilhas com até 10W de Qmax, um dissipador de alumínio normal pode ser utilizado. Para módulos entre 10W-70W, uma ventoinha passa a ser recomendável para aumentar a dissipação de calor. Pastilhas com transferência de calor acima deste limite podem requerer dissipadores mais complexos, seja com a utilização de cobre, seja com um sistema de resfriamento líquido.
O que devo utilizar para montar a pastilha?
A pastilha pode ser colada ao dissipador com pasta térmica (disponível na maioria das lojas de suprimentos eletro-eletrônicos), ou apertada pelo método de compressão (neste caso, também é indicado utilizar um pouco de pasta térmica para melhorar a condução). Antes da montagem, verifique que a superfície está limpa e lisa.
Qual a configuração de um típico sistema termoelétrico?
Analisemos conceitualmente um típico sistema termoelétrico projetado para resfriar ar dentro de uma caixa (p.ex. um refrigerador portátil de latinhas de cerveja), provavelmente, esta é a aplicação de módulos Peltier (ver Figura 3). O objetivo neste caso é coletar calor do interior, transferí-lo para um trocador de calor no exterior do objeto para que ele seja emitido na atmosfera externa. Normalmente, isto é feito utilizando duas combinações de ventilador e dissipador de calor em conjunto com uma ou mais pastilhas termoelétricas. O dissipador menor é utilizado dentro da caixa, sendo resfriado a uma temperatura menor do que a do interior, assim podendo com a assistência do ventilador capturar o calor que passa entre suas aletas. No caso mais simples, a pastilha é instalada entre o dissipador do lado quente e o do lado frio. Quando uma corrente DC passa pelo módulo, ele transfere calor do lado frio para o lado quente. Concomitantemente, o ventilador do lado quente estará circulando no ar ambiente o calor transferido para as aletas do dissipador do lado quente. É importante salientar que o calor dissipado no lado quente não inclui somente o que foi transferido pela aplicação, mas também o calor produzido dentro da própria pastilha (V x I).
Vamos agora pensar em termos de números reais. Supomos que temos que transferir 25W da caixa para levar sua temperatura interna 3C comparado a 20C no ambiente externo. Para atingir este objetivo, poderíamos abaixar a temperatura do dissipador frio a 0C. Utilizando um módulo Peltier que puxa 4.1A a 10.4V, o lado quente do sistema terá que dissipar 25W mais os 42.6W necessários para suprir a pastilha (ou seja, um total 67.6W). Utilizando um dissipador “quente” com resistência térmica efetiva de 0.148 C/W, a temperatura do dissipador quente aumentará aproximadamente 10C acima do ambiente externo. Nota-se que para atingir uma diferença de 17C entre o interior e exterior, tivemos que criar uma diferença de 30C entre o lado frio e o lado quente da pastilha.
Montei meu protótipo mas a pastilha não resfria, ou só resfria por alguns segundos? O que está acontecendo?
Muito possivelmente o sistema de dissipação de calor de sua aplicação está subdimensionado. Como parte do calor que está sendo transferido para o lado quente da pastilha não está sendo dissipado para o ambiente externo, há um refluxo de calor em direção ao lado frio. Isto acaba esquentando o lado frio da pastilha, o que nulifica seu efeito de refrigeração.
Recomendamos suspender imediatamente a operação da pastilha nesse caso, uma vez que ela pode ser danificada permanentemente se for submetida continuamente a este efeito.
Para verificar se isto está realmente acontecendo, sugerimos reduzir a corrente para que menos calor seja transferido, diminuindo assim o refluxo gerado e por consequência a temperatura do lado frio da pastilha.
Veja Também Como Funciona o Efeito Peltier
