UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Modelagem matemática e simulação do desempenho de um módulo termoelétrico aplicado a um gabinete térmico
Artur Berg Garcia Ribeiro Pedro Paulo Nunes Costa
Diamantina - MG Março de 2016
UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
Modelagem matemática e simulação do desempenho de um módulo termoelétrico aplicado a um gabinete térmico
Artur Berg Garcia Ribeiro Pedro Paulo Nunes Costa
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica, como parte dos requisitos requisitos exigidos para a conclusão do do curso.
Diamantina – MG MG Março de 2016
Artur Berg Garcia Ribeiro Pedro Paulo Nunes Costa
TCC:
Modelagem matemática e simulação do desempenho de um módulo termoelétrico aplicado a um gabinete térmico
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica, como parte dos requisitos requisitos exigidos para a conclusão do curso.
Aprovado em: Professor (a): Thiago Parente Lima Integrante da Banca examinadora Professor (a): Tiago Mendes Integrante da Banca examinadora Professor (a): Matheus dos Santos Guzella Orientador
Diamantina – MG MG Março de 2016
Resumo
Neste trabalho é discutida a viabilidade do uso de módulos termoelétricos para refrigeração domestica. O uso desses sistemas tem ganhado grande espaço nos últimos anos devido a sua maleabilidade. No entanto, para atingir uma maior competitividade com os sistemas de refrigeração a compressão de vapor, grandes avanços na produção dos materiais semicondutores são necessários. O trabalho propõe a substituição de um sistema á compressão por módulos termoelétricos em um gabinete com propriedades já conhecidas, e então comparar o desempenho dos sistemas.
5
Resume
This paper discussed the feasibility of using thermoelectric modules for domestic refrigeration. The use of these systems has gained great scope in recent years due to its malleability. However, to achieve greater competition with the refrigerant vapor compression systems, great advances in the production of semiconductor materials are required. This paper proposes the replacement of a system of compression by thermoelectric modules in a cabinet with properties already known, and then compares the performance of the systems.
6 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 Transporte do elétron no par termoelétrico. Fonte: HOGAN, 2012 11 Figura 2 (ZHAO, TAN)
16
Figura 3 Diagrama esquemático do refrigerador termoelétrico com convecção forçada de ar no lado quente e no lado frio. Erro! Indicador não definido. Figura 4 Representação esquemática dos componentes internos do refrigerador Stirling pistão-livre. 26 Figura 5 Os componentes do ciclo de refrigeração por compressão de vapor
28
Figura 6 Coeficiente de de performance: performance: Ar ambiente em (a) 21 °C e (b) 32 °C. Fonte: Fonte: HERMES E BARBOSA
Erro! Indicador não definido.
Figura 7 Diferenças de temperatura em em (a) 21°C e (b) 32°C. 32°C. Fonte: HERMES HERMES E BARBOSA
30
Figura 8 Refrigeradores Termoelétricos reportados na literatura. Fonte: ZHAO, TAN
19
7
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO
8
1.2. Objetivos específicos 9 2 REVISÃO DE LITERATURA
10
2.1. Princípio de funcionamento de arrefecimento e aquecimento termelétrico 10 2.3 Desenvolvimentos Desenvolvimentos de materiais termoelétricos
14
2.3 Aplicações de refrigeração termoelétrica 16 2.4. Comparação termodinâmica de refrigeradores portáteis: Peltier, Stirling, e de Compressão de Vapor.
24
3. Carga Térmica
30
4. Modelagem matemática 33 4.1 Modelo de difusão de calor no TEC 33 Mathematical model Erro! Indicador não definido. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
36
8
1 INTRODUÇÃO
Cerca de 15% da eletricidade global é consumida por vários processos de refrigeração e ar-condicionado e aquecimento de interiores. Em edifício comercias domésticos, 46% da energia utilizada é atribuída ao aquecimento, ventilação e sistemas de ar-condicionado dados de 2011 (2011 Building Energy Data Book). Como essas atividades representam um percentual considerável do consumo energético faz se necessários novos meios de refrigeração e aquecimento que possibilite a diminuição deste consumo. Sistemas de ar condicionado convencionais fornecem ar quente ou frio a f im de remover ou adicionar carga térmica, melhorando assim a sensação térmica do ambiente condicionado. Sistemas termoelétricos de ar-condicionado removem as cargas térmicas sensíveis através de radiação e convecção sem a necessidade de fornecer ar. Corina (ANO) descobriu que empregar um sistema termoelétrico em vez de um sistema convencional de ar condicionado poderia economizar em média 30% do consumo de energia em um edifício comercial na Califórnia. O princípio de funcionamento do TEM é o efeito Peltier que ocorre em materiais termelétricos. Ao tomar corrente elétrica, os módulos termoelétricos podem transferir o calor contra uma gradiente de temperatura através de transporte de elétrons. Portanto, os sistemas TEMs podem absorver o calor do ambiente no lado da baixa temperatura, transferir o calor por transporte de elétrons para o lado de alta temperatura utilizando corrente elétrico (Riffat & Ma). As principais vantagens de se utilizar TEMs é que eles não utilizam CFCs como fluidos de trabalho, alta confiabilidade e flexibilidade, tamanho compacto, baixo peso, processo livre de poluição, devido a essas características os módulos termoelétricos tem sido
9 amplamente utilizados para o resfriamento ou aquecimento de ambientes e também para fins militares, aeroespaciais, e industriais (Rowe).
1.1. Objetivos
O objetivo deste é propor a modelagem matemática e simulação do desempenho de um módulo termoelétrico aplicado a um gabinete térmico. Este trabalho propõe um sistema que adota módulos termelétricos TEM (Themoeletric Modules) como substituição do sistema convencional de refrigeração por compressão.
1.2. Objetivos específicos
1.
Escolher um gabinete térmico que usa compressão a vapor como método de refrigeração, e substituir por um sistema termoelétrico.
2.
Propor um modelo matemático capaz de calcular a temperatura media do substrato frio das células termoelétricas e do ar dentro do gabinete.
3.
Selecionar módulos termoelétricos capazes de refrigerar o gabinete.
10 2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1. Princípio de funcionamento de arrefecimento e aquecimento termelétrico
Módulos termoelétricos (TEM) utilizam material termoelétrico no estado sólido que converte energia elétrica em gradiente de temperatura (efeito Peltier). Durante a operação, corrente elétrica passa pelo TEM para criar uma diferença de temperatura, transferindo calor entre suas extremidades. Ao contrário de outros sistemas de refrigeração, refrigeração, os sistemas termoelétricos termoelétricos não possuem peças móveis. Seu estado sólido garante alta confiabilidade e durabilidade. Tais sistemas podem atingir temperaturas de resfriamento de até -100°C, utilizando módulos termoelétricos em cascata. Permitem também o controle de temperatura com precisão de até duas casas decimais em regime permanente. Outra característica dos sistemas termoelétricos é a possibilidade de aquecer ou resfriar mudando apenas o sentido da corrente (Laird Technologies, 2010). Considere inicialmente que o semicondutor é do tipo n. Ao ser aplicada uma tensão elétrica, a corrente irá escoar de uma placa cerâmica para a outra através do semicondutor. O elétron, para passar da placa metálica da extremidade fria, como mostrado na Figura 1-c, precisa superar a barreira de energia, criada pela diferença entre a energia (Eg) do elétron na banda de valência do metal e a energia necessária para o elétron alcançar o nível doador na banda de condução do semicondutor. Os elétrons com mais energia vencem esta barreira absorvendo calor nesta região e fluem para a outra interface metal-semicondutoras através da banda de condução. Na outra interface, mostrada na Figura 1-d, que representa a extremidade quente, não existe barreira de energia para o elétron, que passa para o metal dissipando calor (OLIVEIRA, 2014).
11
Figura 1 Transporte do elétron no par termoelétrico. Fonte: HOGAN, 2012
Quando as duas extremidades de um fio mantem uma diferença de temperatura (∆T), uma tensão (U) é gerada entre as extremidades do fio. Este
fenômeno é conhecido como efeito Seebeck e é definida por:
Onde ˛
Eq. (1) é o coeficiente de Seebeck (VK -1), que é determinada pelas
propriedades do material do fio e ∆T é a diferença de temperatura em K. O efeito Seebeck é o princípio de funcionamento dos amplamente usados termopares para a medição de uma diferença de temperatura. Quando uma corrente eléctrica (I) passa através do mesmo fio, a corrente vai converter a energia eléctrica em certa gradiente de temperatura de modo que a temperatura de uma extremidade diminui e a outra extremidade aumenta que é conhecido como o efeito de Peltier, e pode ser definido por:
Eq. (2)
12 Onde π é o coeficiente de Peltier (V) e Q é o calor de Peltier (W). O efeito Peltier é o oposto do efeito Seebeck. O coeficiente de Peltier (π) representa o
produto do coeficiente de Seebeck ( ) do material do fio e a temperatura absoluta T em Kelvin, como mostrado abaixo:
Eq.(3)
Desde que o calor pode ser transferido contra o gradiente de temperatura de acordo com o efeito de Peltier, a extremidade fria do fio é capaz de absorver o calor para arrefecimento, a extremidade quente é capaz de libertar calor para o aquecimento. No entanto, o uso do efeito de Peltier para refrigeração e aquecimento era raro antes dos materiais semicondutores aparecerem, porque os coeficientes de Peltier de condutores anteriores eram tão baixos que o calor de Peltier é dominado pelo calor do efeito Joule. O calor do efeito Joule é o calor gerado devido à resistência de um condutor, quando uma corrente passa. A unidade de funcionamento básico de aquecimento e de arrefecimento é conhecida como elemento termelétrico, o qual consiste de um par de semicondutores tipo n e do tipo p, como mostrado na Fig. 2 (a) (POR A FIGURA). A FIGURA). A Gradiente de temperatura ocorre para os dois lados de um elemento termelétrico, quando uma corrente passa direto do semicondutor do tipo n para o condutor (cobre) , em seguida, a partir do condutor para o semicondutor do tipo p. A temperatura na junção (lado frio) diminui e o calor é absorvido a partir do ambiente. Enquanto isso, a temperatura na outra junção (face quente) aumenta e o calor é rejeitado para o ambiente. A inversão dos lados quente e frio pode ser facilmente obtida invertendo o sentido da corrente. As capacidades de refrigeração e aquecimento de um elemento termelétrico são geralmente muito baixas, por conseguinte, uma série de elementos termoeléctricos é montada para formar um módulo termoeléctrico (MET). TEMs são também conhecidos como bombas de calor ativas de estado sólido porque seus lados frios e quentes podem ser alternados, invertendo a direção atual da corrente. Uma única fase MET é montada, ligando um número de elementos termoeléctricos eletricamente em série, mas termicamente em paralelos entre duas placas de cerâmica, como se mostra na Fig. 2 (b) (POR A FIGURA).
13 O desempenho de um MET é largamente determinado por uma propriedade do seu material, ou seja, o valor da ordem de mérito, Z . Quanto maior a “figure-of merit”, melhor o desempenho do material termelétrico. Um grande Z beneficia a obtenção de uma grande diferença de temperatura entre as faces frias e quentes. Assim Z varia com a temperatura, Loffe (POR O ANO DA CITAÇÃO) desenvolveu o dimensional ZT como um índice para avaliar o desempenho de materiais. O valor de ZT é dado pela Eq. 2.4, onde α é o coeficiente de Seebeck, σ é a condutividade
eléctrica (
), K é a condutividade térmica (W ) e T é a temperatura
absoluta do material termelétrico (K). Apenas quando ZT > 0,5, então o material pode ser utilizado como material termelétrico (Rowe ANO DA CITAÇÃO).
Eq. (4)
Muitos pesquisadores fizeram esforços para desenvolver materiais com um elevado coeficiente de Seebeck, alta condutividade elétrica e baixa condutividade térmica. Para a maioria dos materiais termoelétricos existentes, o dimensional de Loffe varia entre 0,8 e 1,1 nas aplicações em temperatura ambiente. O ZT de materiais avançados hoje em dia pode chegar à faixa de 1,5 até 2,4 (Snyder & Toberer). Goldsmid & Douglas (1958), mostraram que o telureto de bismuto (
) e
suas ligas, seriam bons materiais termoelétricos, já que verificaram que o telureto de bismuto exibia uma redução significativa da condutividade térmica da estrutura. Até agora, eles são os melhores materiais termoelétricos a granel, e são amplamente utilizados em geradores termelétricos comerciais e refrigeradores. O
comercial tem um valor máximo de 1,1 ZT, mas o ZT efetivo é próximo de 0.7 considerando o desempenho geral (G.J. Snyder). Uma forma de reforçar o ZT pode ser obtida controlando em nano escala o efeito de transporte de fônons e elétrons [14]. Ela pode ser aumentada de duas até três vezes em superlattices de
ou
14
, e nano fios feitos de . Resultados animadores foram obtidos por Venkatasubramian do Research Triangle Institute, nos EUA. Venkatasubramian mostrou que superredes de
/ do tipo-p à temperatura ambiente, podem
alcançar um ZT de até 2,4 e ZT de 1,2 para tipo-n de superredes. O superrede foi produzido alternadamente por deposição de filmes finos de 1 a 4 nanômetros de profundidade de
e . Harmon dos laboratórios Lincoln do MIT, relatou
ter encontrado um ZT ≥ 2 em temperatura ambiente para superlattices que possuem pontos quânticos (Sales POR O ANO). De acordo com o relatório, materiais mais recentes, que possuem poços quânticos, podem aumentar o ZT para cerca de 4 a 250 ◦C (Rowe POR O ANO).
2.3 Desenvolvimentos de materiais termoelétricos
Pesquisas atuais geraram progressos em materiais termoelétricos, como materiais a granel e materiais termoelétricos de baixa dimensionalidade (Dresselhaus et al. POR O ANO). Como mostra a Eq.(4), o bom material termoelétrico deve ter alto coeficiente Seebeck, alta condutividade elétrica e baixa condutividade térmica. No entanto, uma vez que estes três parâmetros estão interrelacionados, seguindo a lei de Wiedemannefranz, tem-se encontrado dificuldades para aperfeiçoar esses parâmetros conflitantes, para obter o ZT máximo. Até certo ponto, a capacidade de se reduzir a condutividade térmica do material, especialmente a condutividade térmica da estrutura, é crítica para aperfeiçoar o desempenho do material termoeléctrico (Dresselhaus et al. POR O ANO). Materiais termoelétricos convencionais são materiais de liga granel, como
, , e , entre os quais é o mais comumente
usado. De 1960 para 1990, os avanços no aumento do dimensional de Loffe foram modestos. Depois de meados dos anos noventa, predicações teóricas sugeriram que a eficiência termoelétrica do material poderia ser bastante reforçada através da engenharia nano estrutural (Snyder & Toberer). Enquanto isso, devido às modernas técnicas de síntese e caracterização, os materiais a granel convencionais contendo nanoestrutura
constituída,
foram
exploradas
de
modo
que
eficiências
15 termodinâmicas elevadas poderiam ser adquiridas. Logo, atualmente os avanços no fator ZT vieram de duas abordagens principais: 1) amostras a granel contendo nano escala constituída, e 2) os próprios materiais em nano escala. A abordagem de amostras a granel que contenham nano escala constituída, os pesquisadores descobriram que os bons materiais termoelétricos são os chamados material "fônons-vidro e elétron-cristal (PGEC)" (Snyder & Toberer), onde os elétrons de alta mobilidade são livres para o transporte de carga e calor, mas os fônons são interrompidos em escala atômica no transporte de calor. Alguns materiais termoelétricos a granel primários são skutterudites, clatratos e ligas Heusler, que são principalmente produzidas através do método de doping. Materiais de baixa dimensionalidade, incluindo cavidades quânticas 2D, fios quânticos 1D e pontos quânticos 0D, processam o efeito de confinamento quântico dos portadores de carga do elétron que poderia melhorar o coeficiente Seebeck e, portanto, o fator de potência. Além disso, as inúmeras interfaces introduzidas dispersam fônons de forma mais eficaz que os elétrons, de modo que a condutividade térmica poderia ser reduzida mais do que a condutividade eléctrica (Dresselhaus et al. POR O ANO). Os melhores materiais termoelétricos comerciados atualmente possuem valores de ZT em torno de 1,0. O valor mais alto do dimensional de Loffe ZT, produzidos em laboratórios é de cerca de 3, relatado por Harman et al. (2005). Outros materiais termoelétricos e suas respectivas características são apresentados na tabela a seguir:
Figura de mérito dos materiais termoelétricos reportados nessa década. Material
Tipo
Valor ZT
Temperatura
Bi-doped PbSeTe
n-tipo
3
550k
16 (QDSL) In0.2Ce0.15Co4Sb12
n-tipo
1.43
800k
Pb0.25Sn0.25Ge0.5Te
p-tipo
~0.95
670k
(Bi0.25Sb0.75)2Te3
p-tipo
1.27
298k
Bi2(Te0.94Se0.06)3
n-tipo
1.25
298k
K0.95Pb20Sb1.2Te22
n-tipo
~1.6
750k
PbTe-SrTe
p-tipo
1.7
~800k
Binary
n-tipo
1.48
~705k
n-tipo
~2.2
800k
Skutterudite
crystalline In4Se3 AgPbmSbTe2+m
Figura 2 ZHAO, TAN.
2.3 Aplicações de refrigeração termoelétrica
Devido ao baixo COP, a refrigeração termoelétrica tem sido restrita a aplicações de nicho, como as missões espaciais, equipamento médico e científico, onde COP não é tão importante quanto à disponibilidade de energia, confiabilidade e ausência de ruídos. No entanto, com o avanço da tecnologia, novas aplicações estão surgindo. Aplicações de refrigeração termoelétrica atuais podem ser categorizadas em cinco áreas de aplicação. Em primeiro lugar, no mercado público, os dispositivos de refrigeração termoelétrica são usados para refrigeração de pequenos recintos, como geladeiras portáteis, cestas de piquenique e etc. Em segundo lugar, eles também são utilizados para aplicações médicas (Putra & al.), de laboratório e equipamentos científicos de refrigeração para diodo laser ou chip de circuito integrado (Yang & al.). Refrigeradores termoelétricos são amplamente
17 utilizados para o armazenamento de alimentos trabalhando sob a diferença de temperatura de 25- 30 ◦C. Eles podem alcançar o maior coeficiente de desempenho de 0,9-1,2 em teoria (Riffat & Ma, Improving the coefficient of performance of thermoelectric cooling systems: a review, International Journal of Energy Research 28 (2004) 753 –768.). Em terceiro lugar, os dispositivos de refrigeração termoelétrica têm atraído grande atenção para a dissipação de calor em dispositivos de refrigeração r efrigeração eletrônica e controle de temperatura industrial (Chein & Huang). Além disso, existem aplicações na indústria automobilística, tais como mini frigoríficos, aquecedor em assentos de carro e dispositivos para condicionamento de ar (Qinghai, Yanjin, & Pengfei). Por fim, alguns pesquisadores estão em andamento tornar os sistemas domésticos termelétricas de ar condicionado na esperança de que eles podem ser competitivos com os seus homólogos de compressão de vapor. A Tabela 2 resume os módulos termoeléctricos comercialmente disponíveis a partir da literatura publicada (ver Tabela 3).
Sumario de refrigeradores termoelétricos reportados em literatura. Dimensão (m) ou
∆T(°C)*
COP
Volume
(m³)
Capacidade
Técnicas
de
de
dissipar calor
refrigeração (W)
0.23 x 0.18 x
22
0.16
15.3
0.32
Aletas dissipadoras de
calor
e
ventilador no lado quente 0.115
~20
0.3-0.5
50-100
Aletas dissipadoras de
calor
e
18 ventilador no lado
frio
e
trocador
de
calor no lado quente -
~20
0.23
12
Aletas dissipadoras no
lado
quente 0.225
~10
0.393
19.4
Aplicado
um
sistema
de
termos
sifão
em ambos os lados quente e frio 0.055
23.9
0.56-0.64
~30
Aletas dissipadoras de
calor
e
ventilador nos lados quente e frio 0.25x0.25x0.35
-
0.22
9
Aletas dissipadoras de calor no lado
frio
e
aletas dissipadoras de
calor
e
ventilador no lado quente
19
0.056
19.8
~0.2
12.5
Aletas dissipadoras de
calor
e
ventilador nos lados quente e frio ∆T(°C)* é a diferença de temperatura dentro/fora do refrigerador. Figura 2 Refrigeradores Termoelétricos reportados na literatura. Fonte: ZHAO, TAN.
Basicamente, existem dois tipos de dispositivos de refrigeradores termelétricos: domésticos e portáteis. A principal diferença entre eles é a disponibilidade de energia elétrica. Tanto refrigeradores domésticos e frigoríficos portáteis, têm sido extensivamente estudados. Embora a eficiência termodinâmica do cooler termoelétrico é de apenas 1% em comparação comparação com 14% do Stirling Stirling e sistemas alternativos a compressão compressão de vapor vapor
(Hermes & Jr). Geladeiras termelétricas
oferecem vantagens, tais como ser um sistema mais ecológico, possuir menos ruídos, compacto e obter maior precisão no controle da temperatura (Astrain, Vian, & Albizua, Computational model for refrigerators based on Peltier effect application, Appl. Therm. Eng. 25 (2005) 3149e3162.). Refrigeradores termoelétricos ocupam pouco espaço, e coolers termoelétricos portáteis têm uso promissor ao ar livre, seja usando bateria ou painéis solares fotovoltaicos. Em geral, o COP para ambos os refrigeradores termoeléctricos domésticos e portáteis é geralmente inferior a 0,5, quando operando entre as temperaturas de 20 e 25 Cº. Min e Rowe (POR O ANO) realizaram uma avaliação experimental para protótipos de refrigeradores termelétricos domésticos. O COP encontrado foi entre 0,3 e 0,5 para uma temperatura interna de operação típica em 5 Cº e a uma temperatura ambiente de 25 Cº. Os resultados também mostram que, esse COP pode ser implementado através da melhoria das resistências de contato do módulo, interfaces termais e da eficácia dos trocadores de calor. Dai et al. (POR O ANO) investigaram uma geladeira termoelétrica portátil impulsionado por células solares.
20 Os resultados da experiência mostram que o resfriamento termoelét rico pode manter a temperatura do frigorífico entre 5 e 10Cº com um COP de 0,23. Segundo Reid (POR O ANO) normalmente, a temperatura interna de um refrigerador de compressão de vapor, tende a ter um padrão oscilatório devido ao constante desligamento do compressor, logo a variação de temperatura pode ser de vários graus. Este efeito é prejudicial para a conservação de alimentos e outros bens. Astrain et al. (POR O ANO) desenvolveu um refrigerador híbrido termoelétrico de compressão de vapor que poderia manter a oscilação da temperatura em menos de 0,4 Cº.
2.3.1 Refrigeração de equipamentos eletrônicos
Dispositivos eletrônicos, como processadores de computador podem gerar uma enorme quantidade de calor durante seu funcionamento, que representa um grande desafio para o gerenciamento térmico porque a temperatura de operação de confiança para dispositivos eletrônicos tem de ser mantida. Zhang et al. (POR O ANO) mostrou que na maioria dos casos, a temperatura máxima da junção do dispositivo electrónico tem de ser mantida em menos de 85 Cº para operação confiável . O fluxo de calor máximo de um dispositivo eletrônico de alto desempenho pode ser cerca de 200 W e ainda aumentar constantemente. Tecnologias de arrefecimento convencionais, utilizando ar ou a água como fluido de trabalho, tais como a pia micro canal, não podem satisfazer plenamente a exigência de dissipação de calor e métodos de arrefecimento alternativos devem ser aplicados. Devido ao espaço limitado para instalação em pacotes eletrônicos, sistemas de refrigeração convencionais são muito grandes. Logo coolers termoelétricos combinados com refrigeração de ar ou de arrefecimento a líquido geram grande potencial por causa de seu pequeno tamanho, alta confiabilidade e nenhum ruído. Phelan et al. (POR O ANO) revisaram tecnologias de refrigeração miniatura atuais e futuras para a microeletrônica de alta potência e então concluíram que apenas coolers termoelétricos estão disponíveis comercialmente em tamanhos adequados.
21 O desempenho do refrigerador termoeléctrico é muito mais sensível à resistência térmica entre o cooler e o ar ambiente do que a resistência térmica entre o chip e o cooler. Naphon e Wiriyasart (POR O ANO) comparam um líquido de arrefecimento no mini dissipador de calor retangular com e sem cooler termoelétrico para CPU, e descobriu que o refrigerador termoelétrico aumenta a eficiência de arrefecimento. Quando combinado com o dispositivo de arrefecimento de ar para o lado quente, o desempenho do cooler termoelétrico é melhor para cargas térmicas mais baixas, como 20 W. Logo, para cargas térmicas mais elevadas, o dispositivo de resfriamento de ar termoelétrico pode não ser tão eficaz como o dissipador de calor de refrigeração de ar. No entanto, se combinado com dispositivo de refrigeração à água em equipamentos eletrônicos, coolers termoelétricos geralmente apresentam melhor desempenho para cargas térmicas relativamente mais elevadas, por exemplo, 57 W. Chein e Huang (POR O ANO) conduziu um estudo teórico sobre a aplicação do do cooler termoelétrico em em resfriamento eletrônico de de ar e líquidos. A capacidade de refrigeração mais elevada obtida em seu estudo foi de 207 W. Nandy et al. (POR O ANO) Nano fluidos têm apresentado grande potencial para a abordagem de refrigeração líquida, pois demonstram ser uma escolha melhor que a água, já que podem aumentar a capacidade de refrigeração.
2.3.2 Refrigeração em Automóveis
Yang e Stabler (POR O ANO) dissertaram que grande parte dos sistemas de ar condicionado utilizado em automóveis, atualmente usam R-134a como fluido refrigerante. Este fluido não causa empobrecimento da camada de ozônio, mas ainda ajuda no efeito do aquecimento global. O uso de coolers termoelétricos traz algumas vantagens, pois possui tamanho compacto, ausência de partes móveis e de fluido de trabalho, é compatível com a tensão do sistema elétrico do automóvel e tem fácil manuseio para mudar de aquecimento a resfriamento. Portanto, o cooler termoelétrico parece ser favorável na aplicação automotiva. Luo et al. (POR O ANO) apresentou uma nova aplicação de ar-condicionado termoelétrico para uma cabine de caminhão. O COP do sistema de arrefecimento foi testado para estar entre 0.4 e
22 0.8 a uma temperatura ambiente 30-46 Cº. Eles também descobriram que a capacidade de refrigeração pode ser maior com a melhora do design do sistema.
2.3.3 Ar condicionado termoelétrico
Existem linhas de pesquisa em andamento para tornar os sistemas de ar condicionado doméstico em sistemas termoelétricos, esperando que eles possam ser competitivos com os seus homólogos de compressão de vapor. Riffat e Qiu (POR O ANO) compararam o desempenho de sistemas à compressão de vapor e ar condicionado convencionais com o de sistemas termoelétricos. Os resultados mostram que os COPs reais do condicionador de ar a compressão de vapor e os condicionadores termoelétricos estão na faixa de 2.6 a 3.0 e 0.38 a 0.45, respectivamente. No entanto, condicionadores de ar termoelétricos têm várias características vantajosas em comparação com os seus homólogos de compressão de vapor. Por exemplo, podem ser construídos em uma estrutura plana, que tem fácil manuseio em paredes e oferecem um ambiente de funcionamento silencioso, apropriado para uso doméstico ou hospitalar. Cosnier et al. (POR O ANO) apresentou um estudo experimental e numérico de um sistema termoelétrico de arrefecimento e aquecimento do ar. Eles atingiram uma capacidade de refrigeração de 50 W para cada módulo, com um COP entre 1,5 e 2, através do fornecimento de uma corrente eléctrica de 4 A e mantendo em 5 Cº a diferença de temperatura entre os substratos quente e frio. Cheng et al. (POR O ANO) projetou um módulo de refrigeração termoeléctrica solar com uma unidade de regeneração de calor residual para aplicações em construções sustentáveis. Os resultados mostram que o sistema é capaz de produzir uma diferença de temperatura de 16,2 Cº entre o ambiente externo e o interior da casa modelo. No entanto, o COP do dispositivo é relativamente baixo, variando de 0.2 à 1.2. Gillott et al. (POR O ANO) investigou dispositivos de refrigeração termoelétrica, para a aplicação em pequena escala, de espaços condicionados em edifícios. Uma unidade de arrefecimento foi montada, e atingiu uma capacidade de refrigeração de
23 220 W utilizando uma corrente eléctrica de 4,8 A para cada módulo, o COP de arrefecimento dos módulos atingiu um valor de 0,46. A maioria dos dispositivos de refrigeração termoelétrica retira calor diretamente do ar interior. Shen et al. (POR O ANO) ANO) investigaram um novo novo sistema termelétrico radiante para condicionamento de ar(TE-RAC). O sistema emprega módulos termoeléctricos como painéis radiantes para o arrefecimento interior, utilizando um módulo termoeléctrico comercial, TEC1-12706 com um valor de 0,765 ZT, eles obtiveram um COP de arrefecimento máximo de 1,77 quando aplicada uma corrente eléctrica de 1,2 A, mantendo a temperatura do lado frio constante, em 20 Cº.
2.3.4 Fatores positivos do uso de refrigeração termoelétrica
A partir das aplicações discutidas nos tópicos anteriores e na literatura, nota-se que existem inúmeras aplicações e vantagens no uso de módulos termoelétricos, apesar do baixo COP. Podemos agrupar então, as principais características desse sistema:
Possui aplicações na refrigeração refrigeração doméstica doméstica e portátil, dissipação de calor e controle de temperatura em sistemas eletrônicos, aplicações médicas e científicas, aquecimento e refrigeração em automóveis e também demonstra potencial em outras áreas, como aparelho doméstico de ar condicionado e a integração com painéis solares.
O COP COP de refrigeradores termoeléctricos são geralmente na gama 0.16 a 0.64, com uma diferença de temperatura de cerca de 20 Cº, dependendo do desempenho dos dissipadores de calor do lado quente e frio.
As principais vantagens dos dos dispositivos termoeléctricos aplicadas ao resfriamento eletrônico são o tamanho compacto e a grande densidade de arrefecimento que atende aos requisitos de um pacote de chip único com taxa de dissipação de calor de 250 W ou maior.
A energia necessária do dispositivo termoeléctrico combina combina bem com o sistema elétrico automotivo. A integração com os automóveis tem sido a aplicação de maior comercio. Grande quantidade de aquecedores para
24 assentos de automóveis e frigobares já estão disponíveis no mercado, já o sistema termoeléctricos para para condicionamento de ar no carro ainda está em andamento.
As aplicações de ar condicionado termoeléctricos podem ganhar espaço quando um grande avanço dos materiais termoelétricos for alcançado, ou seja, maiores valores do dimensional de Loffe (ZT).
Há duas maneiras de combinar módulos módulos termoeléctricos termoeléctricos e painéis painéis solares fotovoltaicos: painéis fotovoltaicos fornecem corrente contínua para o resfriamento termoeléctrico e módulos termoeléctricos podem ser ligados à parte de trás de painéis fotovoltaicos para diminuir a temperatura, aumentando a eficiência do painel, além do ganho de energia elétrica extra a partir dos módulos termelétricos.
Arrefecimento em cascata cascata (geralmente 2-6 estágios) pode alcançar a diferença de temperatura lateral (entre substrato quente e frio), de 130 a 150K, ocupando pouco espaço e sendo de fácil manuseio.
A baixa baixa temperatura no lado frio dos módulos termoelétricos é apropriada para aplicações criogênicas.
2.4. Comparação termodinâmica de refrigeradores portáteis: Peltier, Stirling, e de Compressão de Vapor. 2.4.1 Refrigeração Peltier
O Arrefecimento termoeléctrico é uma tecnologia de estado sólido, através de uma tensão eléctrica cria-se uma diferença de temperatura em um par de materiais diferentes.
25 Um módulo termoeléctrico típico é fabricado com duas chapas finas de cerâmica e um conjunto de blocos de P- e N-tipo de material semicondutor dopado (por exemplo, telureto de bismuto), a disposição dos semicondutores no modulo é apresentada a seguir:
Figura 5: Disposição dos semicondutores semicondutores no modulo termoelétrico.
Os blocos do tipo n têm um excesso de elétrons, enquanto os blocos do tipo-p tem uma escassez de elétrons. Um par de blocos do tipo P e N conectados eletricamente em série e termicamente em paralelo formam um par termoelétrico. Um módulo termoelétrico pode conter várias centenas de pares termelétricos. Como os elétrons se movem do semicondutor p para o n através de um conector elétrico, eles “saltam” para um estado de energia mais elevado e absorvem energia do entorno (lado frio). O oposto acontece quando eles se movem de n para p, onde a queda de um estado de energia mais baixa causa uma liberação de energia para o ambiente (lado quente). Ao inverter a polaridade da corrente, o sentido da transferência de calor muda, e o lado frio torna-se o lado quente e vice-versa. A eficiência térmica de um dispositivo termoeléctrico pode ser relacionada com o chamado dimensional de Loffe, ou figura de mérito, ZT, que é diretamente proporcional à condutividade eléctrica. O coeficiente de Seebeck dos materiais no par termoeléctrico e inversamente proporcional à condutividade térmica. A fim de ser competitivo, em relação a eficiência, com sistemas a compressão de vapor, o valor numérico de ZT deve atingir uma faixa de 3 a 4, valor que não esta presente nos materiais dos módulos termoelétricos comerciados atualmente. No entanto, a ampla
26 faixa de aplicação, a ausência de ruídos e o fácil manuseio tornam o sistema termoelétrico um forte concorrente em arrefecimento.
2.4.2 Refrigeração Stirling:
Refrigeradores Stirling são baseados em um ciclo de gás idealizado por dois compostos isocóricos e dois processos isotérmicos. Em qualquer das suas várias configurações disponíveis, um sistema de pistões e deslocadores é utilizado para mover o fluido de trabalho (normalmente ar,
ou ) entre os espaços de volume
com um regenerador para o armazenamento de energia térmica entre os passos do ciclo. Em máquinas com êmbolos livres, os pistões e deslocadores não estão ligados mecanicamente a um veio de manivelas, mas apoiadas por molas ou planares. A capacidade de arrefecimento é determinada pela amplitude do êmbolo, que é proporcional à tensão aplicada ao motor linear. Perdas internas são minimizados utilizando a alta pressão do fluido de trabalho, como um rolamento de gás entre o êmbolo e a parede do cilindro. No arrefecedor, um circuito secundário passivo (termo sifão) está ligado à extremidade fria do refrigerador para permitir que o calor seja transferido a partir do displacer . A rejeição de calor para o ambiente externo é feita por arrefecimento, a partir da ventilação da extremidade quente (convecção forçada).
Figura 3 Representação esquemática dos componentes internos do refrigerador Stirling pistão-livre.
27
Os processos termodinâmicos que ocorrem no ciclo ideal associado com o refrigerador Stirling de êmbolo livre são: 1-2, o êmbolo e o fluido de trabalho expandem na extremidade quente e o calor é transferido para o sistema a uma temperatura constante. Em seguida, de 2-3, o movimento conjunto da boia e do pistão, de modo a manter um volume constante e o calor é transferido para o regenerador. Para este processo de transferência de calor ser reversível, a diferença de temperatura entre o gás e o regenerador não deve ser maior do que um valor infinitesimal em qualquer ponto. Deste modo, uma gradiente de temperatura é criada ao longo do comprimento do regenerador. No processo 3-4, o pistão comprime a rejeição de gás e de calor para o ambiente externo a temperatura constante. Finalmente, em 4-1, o movimento do êmbolo e corpo imerso (volume constante), e a energia são transferidos a partir do regenerador.
Figura 5 Ciclo ideal P-V e T-S do processo de refrigeração Stirling
2.4.3 Refrigeração de compressão à Vapor:
28
Figura 6 Os componentes do ciclo de refrigeração ref rigeração por compressão de vapor
No ciclo de compressão de vapor, um líquido volátil (refrigerante) se evapora a pressão aproximadamente constante à medida que extrai energia do ar do gabinete. Depois de deixar o evaporador, que entra no compressor onde este é comprimido até à pressão de condensação. No condensador, o gás de alta temperatura rejeita energia para o ambiente a uma pressão aproximadamente constante. Após a condensação, o refrigerante é estrangulado em um tubo capilar (ou outro tipo de dispositivo de expansão), reduzindo assim a sua temperatura e pressão para a pressão de evaporação. Em alguns sistemas, um trocador de calor é utilizado, onde o refrigerante que sai do evaporador trocas calor com o que flui através do tubo capilar. Isto assegura que o refrigerante está superaquecido antes de entrar no compressor, ao mesmo tempo em que reduz a qualidade do refrigerante de duas fases que entra no evaporador, contribuindo assim para melhorar o seu efeito refrigerante.
2.4.4 Comparação entre os sistemas de refrigeração: ref rigeração:
29 Hermes e Barbosa (POR O ANO) desenvolveram uma metodologia para a comparação termodinâmica dos sistemas de refrigeração, baseados em diferentes tecnologias. A termelétrica, a Stirling e dois sistemas de refrigeração de compressão de vapor foram testados em duas temperaturas ambientes diferentes (21 e 32 C°), utilizando uma câmara climatizada. Os parâmetros de funcionamento dos sistemas (consumo de energia, capacidade de arrefecimento, temperatura do ar interno e a temperatura da extremidade quente e fria) foram utilizados para obter os parâmetros de desempenho (coeficiente de desempenho e eficiência termodinâmica), que foram utilizadas para quantificar as irreversibilidades internas dos dispositivos de arrefecimento (por exemplo, o atrito no fluido de trabalho, no caso de Stirling e de compressão de vapor, o aquecimento por efeito Joule e de condução de calor nos dispositivos termoeléctricos do refrigerador Peltier) e também as irreversibilidades externas associadas à transferência de calor através de trocadores de calor para o ambiente. As principais conclusões do estudo são:
Os sistemas Stirling e de refrigeração a compressão compressão de vapor alternativo apresentaram eficiências termodinâmicas globais semelhantes (14%), seguido pelo sistema de compressão de vapor linear (8%) e, em seguida, pelo refrigerador termoeléctrico (1%).
Apesar do fato de que o resfriador Stirling é mais internamente eficiente do que o ciclo de compressão de vapor alternativo, o posterior promove uma transferência de calor mais eficiente entre o ciclo e os reservatórios devido aos seus permutadores de calor de expansão direta. Como resultado, as eficiências termodinâmicas globais dos ciclos foram consideradas similares.
A partir da observação do desempenho desempenho termodinâmico, termodinâmico, o dispositivo termoeléctrico não está no mesmo nível que os outros refrigeradores. Logo, são necessárias melhorias para reduzir tanto a irreversibilidade interna e externa.
30
Figura 4 Diferenças de temperatura em (a) 21°C e (b) 32°C. Fonte: HERMES E BARBOSA
3. Carga Térmica A carga térmica utilizada neste trabalho é baseada no gabinete proposto por Klein (1998). Klein de forma experimental obteve a carga térmica total do gabinete, que possui propriedades físicas e geométricas apresentadas a seguir:
31 Figura 8 Gabinete proposto por Klein (1998), dimensões em metros. Fonte: Hermes (2000).
Dimensões do gabinete: -Espessura do revestimento externo: 0,6 mm -Espessura média do isolamento: Região superior: 37,4 mm Região lateral: 36,4 mm Região posterior: 47,0 mm Região inferior: 39,0 mm Região da porta: 47,0 mm -Espessura do revestimento interno: 4,0 mm -Comprimento da gaxeta: 3,44 m -Distância do evaporador a superfície lateral esquerda: 50,0 mm -Distancia do evaporador a superfície superior: 40,0 mm Propriedades termo físicas: -Revestimento externo (aço carbono): Massa especifica: 7850 kg/m³ Calor específico: 477 J/kg.K Condutividade térmica: 50 W/m.k Emissividade: 0,90 -Isolamento (poliuretano expandido): Massa específica: 29,4 kg/m³
32 Calor específico: 1200 J/kg.K Condutividade térmica: Região superior: 0,020 W/m.K Região lateral: 0,020 W/m.K Região posterior: 0,020 W/m.K Região inferior: 0,020 W/m.K Região da porta: 0,021 W/m.K -Revestimento interno (Poliestireno alto impacto): Massa especifica: 1050 kg/m³ Calor específico: 1350 J/kg.K Condutividade térmica: 0,16 W/m.k Emissividade: 0,90 A partir de ensaios experimentais (teste de UA), realizados com o sistema desligado, Klein (1998) aqueceu o ambiente interno utilizando resistências elétricas, de acordo com a norma NTB00119 (1992). Em regime permanente, é adequado aproximar a quantidade de calor transmitida ao ar externo igual a potencia dissipada pelas resistências, Eq.(5). Assim, é possível estimar a condutância global do gabinete, para as temperaturas ambientes de 18, 25 e 32 C°, obtendo a seguinte expressão, Eq.(6):
̅ ̅ Eq.(5)
̅ Eq.(6) Onde:
33
̅ - Condutância global do gabinete; - Temperatura do ambiente; ̅ - Temperatura média do ar dentro do gabinete; 4. Modelagem matemática
Neste capitulo, será abordado o modelo matemático proposto para calcular a temperatura media do ar dentro do gabinete escolhido, utilizando células termoelétricas como meio de refrigeração.
4.1 Modelos de difusão de calor no TEC
O modelo matemático a ser formulado para a superfície interna do gabinete é baseado em transferência de calor por condução e convecção, e efeitos termoelétricos já discutidos no segundo capitulo. O desenvolvimento do modelo matemático é baseado em algumas hipóteses, descritas por Drabkin et. al a l (2004): (i) as propriedades termoelétricas são constantes, (ii) metade do efeito joule é transferido para cada substrato, (iii) a distribuição dos
⁄, onde é o numero de semicondutores, (iv) a temperatura do substrato quente é constante, . semicondutores por área é assumido como um valor constante
Segundo Guzella et. al (2015), quando submetido a uma dada corrente elétrica
, a taxa de transmissão de calor transferido do substrato frio para o substrato quente de cada semicondutor pode ser expressa como :
Eq.(7)
34
Onde
é
a resistência elétrica do semicondutor,
condução térmica dos semicondutores,
é
o coeficiente de
é o coeficiente de Seebeck e é a
temperatura local do substrato frio. O primeiro termo da equação anterior representa o efeito Joulle, o segundo termo representa a condução de calor entre as extremidades de cada semicondutor e o ultimo representa a parcela de calor proveniente do efeito de Peltier. Para encontrar a distribuição bidimensional de temperatura do „evaporador‟ (substrato frio das células termoelétricas), que é composto por
células
trabalhando em paralelo ao longo da superfície interna do gabinete, é proposta a seguinte equação diferencial:
d( ) - ( ) + ( ) + (̅ +
= 0
Eq. (8)
é a condutividade térmica do substrato frio, d representa a espessura do substrato e o numero de semicondutores. Como proposto por Dulnev et. al Onde
(1968), o refrigerador termoelétrico é assumido como sendo isolado nas fronteiras, logo, as equações que governam a distribuição de temperatura no contorno do „evaporador ‟ é:
| | | | Eq.(9)
35
36
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