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Para informações técnicas e teóricas mais
detalhadas sobre a seleção de pastilhas para uma aplicação, clique
nesta linha.
Abaixo se encontram respostas às perguntas mais frequentes sobre
pastilhas termoelétricas e o efeito peltier
Perguntas:
Você pode me explicar um pouco
mais sobre a teoria das pastilhas termoelétricas?
O que são Imax, Vmax, dTmax e
Qmax?
Quando se deve utilizar uma
pastilha termoelétrica?
Quais são as vantagens de uma
pastilha termoelétrica sobre um compressor?
Quanto calor posso transferir com
um módulo Peltier?
Posso utilizar mais de um módulo?
Que tipo de alimentação devo
utilizar, DC ou AC? Ela tem que estar no níveis exatos de Imax e
Vmax?
Quero resfriar uma Geladeira/CPU/Água
a temperatura de 3C. Qual pastilha devo utilizar?
Um dissipador de calor é um
opcional no meu sistema?
Gostaria de construir um Ar Condicionado/Geladeira
Industrial utilizando o Efeito Peltier. Isto é viável?
Quais são os limites de tamanho
de uma pastilha?
Qual a melhor maneira de se
operar e controlar uma pastilha Peltier?
Como posso controlar a
temperatura do módulo e da aplicação?
Quão eficiente é um módulo
Peltier?
O que fazer quando há humidade
presente no sistema?
A EfeitoPeltier fornece dissipadores? Pode me
dar conselhos de qual dissipador utilizar?
O que devo utilizar para montar
a pastilha?
Qual a configuração de um típico
sistema termoelétrico?
Montei meu protótipo mas a
pastilha não resfria, ou só resfria por alguns segundos? O que está
acontecendo?
Respostas:
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.
Para maiores informações técnicas para calcular a carga térmica de
um aplicação em watts, clique aqui.
Para um exemplo prático do desenvolvimento de
uma aplicação peltier com instruções e fotos, clique aqui.
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.
Para maiores informações teóricas sobre
dissipadores, clique aqui.
Para um exemplo prático, clique aqui.
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.
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Vendas:
Telefone: (11) 3647-9700
info@efeitopeltier.com.br
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