Resfriamento termoelétrico - Thermoelectric cooling

O resfriamento termoelétrico usa o efeito Peltier para criar um fluxo de calor na junção de dois tipos diferentes de materiais. Um resfriador, aquecedor ou bomba de calor termoelétrica Peltier é uma bomba de calor ativa de estado sólido que transfere calor de um lado para o outro do dispositivo, com consumo de energia elétrica , dependendo da direção da corrente. Esse instrumento também é chamado de dispositivo Peltier , bomba de calor Peltier , refrigerador de estado sólido ou resfriador termoelétrico ( TEC ) e, ocasionalmente, bateria termoelétrica . Pode ser usado para aquecimento ou resfriamento, embora na prática a principal aplicação seja o resfriamento. Ele também pode ser usado como um controlador de temperatura que aquece ou esfria.

Essa tecnologia é muito menos comumente aplicada à refrigeração do que a refrigeração por compressão de vapor . As principais vantagens de um resfriador Peltier em comparação com um refrigerador de compressão de vapor são a falta de partes móveis ou líquido circulante, vida útil muito longa, invulnerabilidade a vazamentos, tamanho pequeno e formato flexível. Suas principais desvantagens são o alto custo para uma determinada capacidade de resfriamento e a baixa eficiência energética (um baixo COP ). Muitos pesquisadores e empresas estão tentando desenvolver refrigeradores Peltier que sejam baratos e eficientes. (Consulte materiais termoelétricos .)

Um resfriador Peltier também pode ser usado como gerador termoelétrico . Quando operado como um resfriador, uma voltagem é aplicada ao dispositivo e, como resultado, uma diferença de temperatura se acumula entre os dois lados. Quando operado como gerador, um lado do dispositivo é aquecido a uma temperatura maior do que o outro lado e, como resultado, uma diferença de voltagem se acumula entre os dois lados (o efeito Seebeck ). No entanto, um resfriador Peltier bem projetado será um gerador termoelétrico medíocre e vice-versa, devido aos diferentes requisitos de design e embalagem.

Princípio de operação

Esquemático do elemento Peltier. As pernas termoelétricas são termicamente paralelas e eletricamente em série.

Os resfriadores termoelétricos operam pelo efeito Peltier (um dos três fenômenos que compõem o efeito termoelétrico). O dispositivo tem dois lados e, quando uma corrente elétrica CC flui pelo dispositivo, ela leva calor de um lado para o outro, de modo que um lado fica mais frio enquanto o outro fica mais quente. O lado "quente" é conectado a um dissipador de calor para que permaneça em temperatura ambiente, enquanto o lado frio fica abaixo da temperatura ambiente. Em aplicações especiais, vários resfriadores podem ser colocados em cascata para diminuir a temperatura, mas a eficiência geral (COP) cai significativamente. O COP máximo de qualquer ciclo de refrigeração é, em última análise, limitado pela diferença entre a temperatura desejada (lado frio) e a temperatura ambiente (lado quente) (a temperatura do dissipador de calor). Quanto maior for a diferença de temperatura (delta), menor será o COP teórico máximo.

Construção

Projeto

Dois semicondutores exclusivos, um do tipo n e outro do tipo p, são usados porque precisam ter diferentes densidades de elétrons. Os pilares semicondutores alternados do tipo p & n são colocados termicamente em paralelo um ao outro e eletricamente em série e, em seguida, unidos com uma placa termicamente condutora de cada lado, geralmente de cerâmica, eliminando a necessidade de um isolador separado. Quando uma tensão é aplicada às extremidades livres dos dois semicondutores, há um fluxo de corrente CC através da junção dos semicondutores, causando uma diferença de temperatura. O lado com a placa de resfriamento absorve o calor que é então transportado pelo semicondutor para o outro lado do dispositivo. A capacidade de resfriamento da unidade total é então proporcional à seção transversal total de todos os pilares, que geralmente são conectados em série eletricamente para reduzir a corrente necessária a níveis práticos. O comprimento dos pilares é um equilíbrio entre pilares mais longos, que terão uma maior resistência térmica entre as laterais e permitirão atingir uma temperatura mais baixa, porém produzirão aquecimento mais resistivo, e pilares mais curtos, que terão maior eficiência elétrica, mas deixarão mais vazamento de calor do lado quente para o frio por condução térmica. Para grandes diferenças de temperatura, pilares mais longos são muito menos eficientes do que empilhar módulos separados progressivamente maiores; os módulos ficam maiores, pois cada camada deve remover o calor movido pela camada acima e o calor residual da camada.

Materiais

Valores ZT para vários materiais e ligas de bismuto.

Requisitos para materiais termoelétricos:

Semicondutores com gap estreito devido à operação em temperatura ambiente;
Alta condutividade elétrica (para reduzir a resistência elétrica , uma fonte de calor residual);
Baixa condutividade térmica (para que o calor não volte do lado quente para o lado frio); isso geralmente se traduz em elementos pesados
Célula unitária grande, estrutura complexa;
Altamente anisotrópico ou altamente simétrico;
Composições complexas.

Materiais adequados para sistemas TEC de alta eficiência devem ter uma combinação de baixa condutividade térmica e alta condutividade elétrica. O efeito combinado de diferentes combinações de materiais é comumente comparado usando uma figura de mérito conhecida como ZT , uma medida da eficiência do sistema. A equação para ZT é dada abaixo, onde alfa é o coeficiente de Seebeck , sigma é a condutividade elétrica e kappa é a condutividade térmica.

{\ displaystyle \ mathbb {Z} \ mathrm {T} = (\ alpha ^ {2} \ sigma \ mathrm {T}) / \ kappa}

Existem poucos materiais adequados para aplicações de TEC, pois a relação entre a condutividade térmica e elétrica é geralmente uma correlação positiva. Melhorias na redução do transporte térmico com aumento da condutividade elétrica são uma área ativa da pesquisa da ciência dos materiais. Os materiais termoelétricos comuns usados como semicondutores incluem telureto de bismuto , telureto de chumbo , silício-germânio e ligas de bismuto-antimônio. Destes, o telureto de bismuto é o mais comumente usado. Novos materiais de alto desempenho para resfriamento termoelétrico estão sendo pesquisados ativamente.

Os elementos de trabalho devem estar em uma caixa isolada, e a melhor geometria é um plano. Normalmente, serão eles sendo imprensados entre um par de placas de cerâmica, seladas (ou não).

Identificação e características

Todos os elementos Peltier estão em conformidade com uma especificação de identificação universal

A grande maioria dos resfriadores termoelétricos tem um ID impresso no lado do resfriamento.

Esses IDs universais indicam claramente o tamanho, o número de estágios, o número de pares e a classificação de corrente em amperes, conforme visto no diagrama ao lado.

Muito comuns Tec1-12706, quadrados de 40 mm de tamanho e 3–4 mm de altura, são encontrados por alguns dólares e vendidos como capazes de se mover em torno de 60 W ou gerar uma diferença de temperatura de 60 ° C com uma corrente de 6 A. Sua resistência elétrica será de magnitude 1-2 ohm.

Forças e fraquezas

Existem muitos fatores que motivam pesquisas futuras sobre TEC, incluindo emissões mais baixas de carbono e facilidade de fabricação. No entanto, vários desafios surgiram.

Benefícios

Um benefício significativo dos sistemas TEC é que eles não possuem partes móveis. Esta falta de desgaste mecânico e redução dos casos de falha devido à fadiga e fratura por vibração mecânica e estresse aumenta a vida útil do sistema e reduz os requisitos de manutenção. As tecnologias atuais mostram que o tempo médio entre falhas (MTBF) excede 100.000 horas à temperatura ambiente.

O fato de os sistemas TEC serem controlados por corrente leva a outra série de benefícios. Como o fluxo de calor é diretamente proporcional à corrente DC aplicada, o calor pode ser adicionado ou removido com controle preciso da direção e quantidade de corrente elétrica. Em contraste com os métodos que usam aquecimento resistivo ou métodos de resfriamento que envolvem gases, o TEC permite um grau igual de controle sobre o fluxo de calor (tanto dentro quanto fora de um sistema sob controle). Devido a esse controle preciso do fluxo de calor bidirecional, as temperaturas dos sistemas controlados podem ser precisas em frações de um grau, muitas vezes atingindo a precisão de mili Kelvin (mK) em configurações de laboratório. Os dispositivos TEC também são mais flexíveis em forma do que seus equivalentes mais tradicionais. Eles podem ser usados em ambientes com menos espaço ou condições mais severas do que um refrigerador convencional. A capacidade de adaptar sua geometria permite o fornecimento de resfriamento preciso para áreas muito pequenas. Esses fatores os tornam uma escolha comum em aplicações científicas e de engenharia com requisitos exigentes, onde o custo e a eficiência energética absoluta não são as principais preocupações.

Outro benefício do TEC é que ele não utiliza refrigerantes em sua operação. Antes de sua eliminação, alguns refrigerantes iniciais, como os clorofluorcarbonos (CFCs), contribuíram significativamente para a redução da camada de ozônio . Muitos refrigerantes usados hoje também têm impacto ambiental significativo com potencial de aquecimento global ou carregam outros riscos de segurança com eles.

Desvantagens

Os sistemas TEC têm várias desvantagens notáveis. O mais importante é sua eficiência energética limitada em comparação com os sistemas convencionais de compressão de vapor e as restrições no fluxo total de calor (fluxo de calor) que eles são capazes de gerar por unidade de área. Este tópico é discutido com mais detalhes na seção de desempenho abaixo.

atuação

O desempenho de Peltier (termoelétrico) é uma função da temperatura ambiente, desempenho do trocador de calor do lado quente e frio ( dissipador de calor ), carga térmica, geometria do módulo Peltier (termopilha) e parâmetros elétricos de Peltier.

A quantidade de calor que pode ser movida é proporcional à corrente e ao tempo.

{\ displaystyle Q = PIt}

, onde P é o coeficiente de Peltier, I é a corrente e t é o tempo. O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos materiais de que o refrigerador é feito. Magnitudes de 10 watts por ampere são comuns, mas isso é compensado por dois fenômenos:

De acordo com a lei de Ohm , um módulo Peltier irá produzir calor residual,

{\ displaystyle Q_ {waste} = RI ^ {2} t}

, onde R é a resistência .

O calor também se moverá do lado quente para o lado frio por condução térmica dentro do próprio módulo, um efeito que fica mais forte conforme a diferença de temperatura aumenta.

O resultado é que o calor efetivamente movido cai conforme a diferença de temperatura aumenta, e o módulo se torna menos eficiente. Ocorre uma diferença de temperatura quando o calor residual e o calor que retorna superam o calor movido e o módulo começa a aquecer o lado frio em vez de resfriá-lo ainda mais. Um resfriador termoelétrico de estágio único normalmente produzirá uma diferença de temperatura máxima de 70 ° C entre seus lados quente e frio.

Outro problema com o desempenho é uma consequência direta de uma de suas vantagens: ser pequeno. Isso significa que

o lado quente e o lado frio ficarão muito próximos um do outro (alguns milímetros de distância), tornando mais fácil para o calor voltar para o lado frio e mais difícil isolar o lado quente e frio um do outro
um 40 mm x 40 mm comum pode gerar 60 W ou mais, ou seja, 4 W / cm ² ou mais, exigindo um radiador potente para mover o calor

Em aplicações de refrigeração, as junções termoelétricas têm cerca de 1/4 da eficiência (COP) em comparação com os meios convencionais (refrigeração por compressão de vapor): eles oferecem cerca de 10-15% de eficiência do refrigerador de ciclo Carnot ideal , em comparação com 40-60% alcançados pelo convencional sistemas de ciclo de compressão (sistemas Rankine reversos usando compressão / expansão). Devido a essa eficiência mais baixa, o resfriamento termoelétrico geralmente é usado apenas em ambientes onde a natureza de estado sólido (sem partes móveis ), baixa manutenção, tamanho compacto e insensibilidade à orientação superam a eficiência pura.

Embora inferior aos meios convencionais, a eficiência pode ser boa o suficiente desde

a diferença de temperatura é mantida tão pequena quanto possível, e,
a corrente é mantida baixa, porque a proporção do calor movido sobre o calor residual (para a mesma temperatura no lado quente e frio) será . ${\ displaystyle {\ frac {Q} {Q_ {desperdício}}} = {\ frac {P} {RI}}}$

No entanto, como a corrente baixa também significa uma quantidade baixa de calor movido, para todos os efeitos práticos, o coeficiente de desempenho será baixo.

Usos

Um refrigerador de bebidas alimentado por USB

Os resfriadores termoelétricos são usados para aplicações que requerem remoção de calor variando de miliwatts a vários milhares de watts. Eles podem ser feitos para aplicações tão pequenas como um refrigerador de bebidas ou tão grandes como um submarino ou vagão de trem. Os elementos TEC têm vida útil limitada. Sua força de saúde pode ser medida pela mudança de sua resistência AC (ACR). À medida que um elemento mais frio se desgasta, a ACR aumentará.

Produtos de consumo

Os elementos Peltier são comumente usados em produtos de consumo. Por exemplo, eles são usados em acampamentos , refrigeradores portáteis, componentes eletrônicos de refrigeração e pequenos instrumentos. Eles também podem ser usados para extrair água do ar em desumidificadores . Um refrigerador elétrico do tipo camping / carro pode normalmente reduzir a temperatura em até 20 ° C (36 ° F) abaixo da temperatura ambiente, que é 25 ° C se o carro atingir 45 ° C sob o sol. Jaquetas com controle de temperatura estão começando a usar elementos Peltier. Resfriadores termoelétricos são usados para aumentar dissipadores de calor para microprocessadores.

Industrial

Os resfriadores termoelétricos são usados em muitos campos da manufatura industrial e requerem uma análise de desempenho completa, pois enfrentam o teste de rodar milhares de ciclos antes que esses produtos industriais sejam lançados no mercado. Algumas das aplicações incluem equipamentos a laser, condicionadores de ar termoelétricos ou resfriadores, eletrônica industrial e telecomunicações, automotiva, minigeladeiras ou incubadoras, gabinetes militares, gabinetes de TI e muito mais.

Ciência e imagem

Elementos Peltier são usados em dispositivos científicos. Eles são um componente comum em termocicladores , usados para a síntese de DNA por reação em cadeia da polimerase ( PCR ), uma técnica biológica molecular comum, que requer o rápido aquecimento e resfriamento da mistura de reação para recozimento de primer de desnaturação e ciclos de síntese enzimática.

Com circuitos de feedback, os elementos Peltier podem ser usados para implementar controladores de temperatura altamente estáveis que mantêm a temperatura desejada dentro de ± 0,01 ° C. Tal estabilidade pode ser usada em aplicações de laser precisas para evitar o desvio do comprimento de onda do laser conforme a temperatura ambiente muda.

O efeito é usado em satélites e espaçonaves para reduzir as diferenças de temperatura causadas pela luz solar direta em um lado da nave, dissipando o calor no lado frio e sombreado, onde é dissipado como radiação térmica para o espaço. Desde 1961, algumas espaçonaves não tripuladas (incluindo a Curiosity Mars rover) utilizam geradores termoelétricos de radioisótopos (RTGs) que convertem energia térmica em energia elétrica usando o efeito Seebeck. Os dispositivos podem durar várias décadas, pois são alimentados pela decomposição de materiais radioativos de alta energia.

Elementos Peltier também são usados para fazer câmaras de nuvem para visualizar a radiação ionizante . Apenas com a passagem de uma corrente elétrica, eles podem resfriar vapores abaixo de -26 ° C sem gelo seco ou partes móveis, tornando as câmaras de nuvens fáceis de fazer e usar.

Detectores de fótons, como CCDs em telescópios astronômicos , espectrômetros ou câmeras digitais de última geração, geralmente são resfriados por elementos Peltier. Isso reduz a contagem de escuridão devido ao ruído térmico . Uma contagem escura ocorre quando um pixel registra um elétron causado pela flutuação térmica em vez de um fóton. Em fotos digitais tiradas com pouca luz, ocorrem como manchas (ou "ruído de pixel").

Os resfriadores termoelétricos podem ser usados para resfriar os componentes do computador para manter as temperaturas dentro dos limites do projeto ou para manter o funcionamento estável durante o overclock . Um resfriador Peltier com dissipador de calor ou filtro d'água pode resfriar um chip bem abaixo da temperatura ambiente.

Em aplicações de fibra óptica , onde o comprimento de onda de um laser ou componente é altamente dependente da temperatura, os resfriadores Peltier são usados junto com um termistor em um circuito de feedback para manter uma temperatura constante e, assim, estabilizar o comprimento de onda do dispositivo.

Alguns equipamentos eletrônicos destinados ao uso militar no campo são resfriados termeletricamente.

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