Equipamento de refrigeração e unidades de arrefecimento são essenciais na vida quotidiana. No entanto, as concepções padrão à base de refrigerantes a granel não são adequadas para utilização móvel, por exemplo em sacos de compras refrigerados. Nesses casos, são utilizados dispositivos baseados no efeito Peltier, que discutiremos em pormenor neste material.
O elemento Peltier ou refrigerador termoeléctrico é baseado num termopar composto por dois elementos com condutividade tipo p e n, que são ligados por uma placa de cobre de comutação. As partes são na maioria dos casos feitas de bismuto, telúrio, antimónio e selénio. Tais dispositivos são utilizados em sistemas de arrefecimento para aplicações domésticas, e têm também uma tendência para gerar energia.
Conteúdos
O que é
O fenómeno e termo Peltier refere-se a uma descoberta feita em 1834 pelo cientista francês Jean-Charles Peltier. A essência da descoberta é que o calor está constantemente a ser gerado ou absorvido na área onde dois condutores de orientação diferente estão em contacto e uma corrente eléctrica está a fluir através deles.
A teoria clássica explica o fenómeno desta forma: os electrões são transferidos entre os metais através da corrente eléctrica, acelerados ou desacelerados em função da diferença de potencial de contacto nos condutores metálicos com diferentes níveis de condutividade. Os elementos Peltier contribuem assim para a conversão da energia cinética em energia térmica.
No segundo condutor, ocorre o efeito oposto, onde é necessário o reabastecimento de energia com base na lei fundamental da física. Isto deve-se ao processo de oscilação térmica, que provoca o arrefecimento do metal do segundo condutor.
Um módulo Peltier com o máximo efeito termoeléctrico pode ser fabricado utilizando tecnologia moderna.
Concepção e princípio de funcionamento
Os módulos Peltier modernos são uma estrutura em que estão presentes duas placas isolantes, com termopares ligados numa sequência rigorosa entre eles. Para uma melhor compreensão da função deste elemento, é apresentado na figura um diagrama padrão.
A designação dos elementos:
- A - contactos com os quais é feita a ligação à fonte de alimentação;
- B - lado quente;
- C - lado frio;
- D - condutores de cobre;
- E - p-junção semicondutora;
- F - semi-condutor do tipo n.
O elemento é feito de modo a que ambas as superfícies estejam em contacto com junções p-n ou n-p, com base na polaridade. Os contactos p-n são aquecidos e a temperatura n-p é reduzida. Isto resulta numa diferença de temperatura do DT nas extremidades do elemento. Este efeito significa que a energia térmica que se move entre os elementos do módulo regula o regime de temperatura em função da polaridade. Deve-se também notar que se a polaridade for invertida, as superfícies quentes e frias mudam.
Características técnicas
Os parâmetros técnicos do elemento Peltier assumem os seguintes valores:
- Capacidade de arrefecimento (Qmax) - calculada com base no limite actual e na diferença de temperatura entre as extremidades do módulo. A unidade de medida é watts;
- limite diferencial de temperatura (DTmax) - medido em graus, esta característica é dada para condições óptimas;
- Imax - a força limitadora da corrente eléctrica necessária para alcançar uma maior diferença de temperatura;
- Umax é a tensão máxima Umax necessária para que a corrente eléctrica Imax atinja a diferença máxima de temperatura DTmax;
- Resistência - resistência interna do dispositivo, medida em Ohms;
- POR é o factor de eficiência ou eficiência do módulo Peltier, que reflecte a relação entre a potência de arrefecimento e o consumo de energia de arrefecimento. Dependendo das características do dispositivo, o número situa-se entre 0,3 e 0,35 para dispositivos baratos, enquanto que varia até 0,5 para modelos mais caros.
As vantagens de um elemento Peltier móvel são o seu pequeno tamanho, a reversibilidade do processo, e a capacidade de ser utilizado como gerador de energia portátil ou frigorífico.
As desvantagens do módulo são os custos elevados, uma baixa eficiência de cerca de 3%, custos energéticos elevados e a necessidade de manter constantemente o diferencial de temperatura.
Aplicação
Mesmo considerando o baixo factor de eficiência, as placas do módulo Peltier são amplamente utilizadas em aparelhos de medição, dispositivos informáticos, bem como em aparelhos domésticos portáteis. Aqui está uma lista de dispositivos nos quais os modelos são parte integrante:
- unidades de refrigeração portáteis;
- pequenos geradores de energia;
- unidades de refrigeração em PCs e computadores portáteis;
- refrigeradores para aquecimento e arrefecimento de água potável;
- desumidificadores.
Como ligar
O módulo Peltier pode ser ligado por si mesmo e é um processo rápido e fácil. A tensão DC deve ser aplicada aos contactos de saída conforme especificado nas instruções de funcionamento da unidade. O fio vermelho está ligado ao fio mais e o fio preto ao menos. Note-se que a inversão da polaridade inverte as superfícies aquecidas e arrefecidas.
É aconselhável verificar a função do elemento antes de o ligar. Uma forma simples e fiável de testar a unidade é o método táctil: ligar a unidade a uma fonte de corrente eléctrica e tocar nos diferentes contactos. Numa unidade a funcionar correctamente, alguns dos contactos serão quentes e outros frios.
Também é possível verificar com um multímetro e um isqueiro. Para tal, ligar as sondas aos contactos da unidade, segurar o isqueiro para um lado e observar a leitura do multímetro. Se o elemento Peltier funcionar em modo padrão, o processo de aquecimento produzirá uma corrente eléctrica num dos lados e a leitura da tensão será exibida no ecrã do multímetro.
Como fazer um elemento Peltier com as suas próprias mãos
O elemento Peltier não é viável de fazer em casa devido ao seu baixo custo e à necessidade de conhecimentos especiais para criar um elemento exequível. No entanto, é possível construir um gerador termoeléctrico móvel eficiente com as suas próprias mãos, que será útil na casa de campo ou numa viagem de campismo.
A fim de estabilizar a tensão eléctrica, terá de construir o seu próprio conversor padrão no IC L6920. A tensão de entrada de 0,8-5,5V deve ser aplicada e a tensão de saída será de 5V, o que é suficiente para carregar a bateria dos dispositivos móveis no modo padrão. Se for utilizado um dispositivo electrónico padrão Peltier, então é necessário um limite de temperatura superficial de 150 graus. Para facilitar o controlo da temperatura, é aconselhável utilizar um pote de água a ferver, então o modelo não aquecerá acima dos 100 graus.
As placas Peltier são amplamente utilizadas para o arrefecimento de aparelhos domésticos modernos, em aparelhos de ar condicionado, a eficácia do dispositivo foi provada em particular para estabilizar o regime térmico e arrefecer um poderoso processador. Os elementos Peltier são frequentemente utilizados para fazer frigoríficos móveis eficientes para casas de campo ou carros de Verão, ou para alimentar um radiador em casa. Devido à reversibilidade do processo, os elementos caseiros são utilizados como pequenas centrais eléctricas móveis em áreas sem fonte de electricidade.
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