quarta-feira, 28 de setembro de 2016

Refrigeração Peltier

O segredo da "refrigeração eletrônica

Refrigeração eletrônica

Principalmente em bebedouros mas também em equipamentos sofisticados como adegas climatizadas, a refrigeração deles é "eletrônica", sem o uso de compressor, gás refrigerante, etc.
Essa é uma tecnologia que veio para ficar, em determinados equipamentos, e muitas pessoas que trabalham com refrigeração não a conhecem.
O segredo da "refrigeração eletrônica" são os módulos Peltier ou pastilhas termoelétricas.
Módulos Peltier, também conhecidos como pastilhas termoelétricas, são pequenas unidades que contém uma série de semicondutores (transistores) agrupados em pares, para operarem como bombas de calor.
Uma unidade típica tem espessura de alguns milímetros e forma quadrada ( 4x40x40 mm).
Esses módulos são essencialmente um sanduíche de placas cerâmicas recheado com pequenos cubos de telureto de bismuto.
Essa série de semicondutores é soldada entre duas placas cerâmicas, eletricamente em série e termicamente em paralelo.
Quando uma corrente DC passa por um ou mais pares, há uma redução na temperatura da junta ("lado frio") resultando em uma absorção do calor do ambiente.
Este calor é transferido pela pastilha pela movimentação de elétrons.
A capacidade de bombeamento de calor de uma pastilha termoelétrica é proporcional à corrente e o número de pares de elementos tipo-n e tipo-p

Sua operação é baseada no “Efeito Peltier”, que foi descoberto em 1834.
Quando uma corrente é aplicada, o calor move de um lado ao outro – onde ele deve ser removido com um dissipador.
Esse ponto é importante porque o calor, como uma forma de energia que é, não desaparece, ele tem que ser movido.
Por isso todos os aparelhos que usam a refrigeração eletrônica contam com ventoinhas e não podem ser instalados confinados.



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 (: 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,


Pastilhas termoelétricas são utilizadas em aplicações pequenas de resfriamento como microprocessadores ou até em médias como geladeiras portáteis, adegas para vinho e bebedoruros. Atualmente, os módulos mais potentes podem transferir um máximo de 250W (conversão de W para BTUS). As pastilhas podem ser empilhadas para se chegar temperaturas mais baixas, embora alcançar temperaturas muito abaixo de zero e requer processos complexos e caros.
Existe um limite prático do tamanho dos módulos de cerca de 60 milímetros.  

Isso ocorre porque.

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.
Quanto maior o módulo, maior o estresse.
Pode ser utilizado mais de um módulo 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.

Pastilhas termoelétricas operam com corrente contínua, DC. Uma fonte chaveada pode ser utilizada, mas suas variações devem estar limitadas a +-10%. A frequência ideal é 50-60 Hz.


O efeito Peltier tende a perder sua vantagem competitiva para transferências de calor acima de 200W. Existem certas aplicaçoes militares e científicas que o utilizam para transferir centenas de kilowatts mas nesses casos o custo não é um problema ao contrá'rio do que ocorre em produtos para o mercado consumidor.
Um ar condicionado ou uma geladeira de grande porte poderá vir a ser produzida 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
A grande vantagem de pastilhas do tipo Peltier são a ausência de peças móveis, tornando extremamente preciso o controle de temperatura, não uso de gás refrigerante, sem barulho e vibração; além do tamanho reduzido, alta durabilidade e precisão.
Elas são utilizadas hoje em inúmeros setores, principalmente os de bens de consumo, automotivo, industrial e militar. São mais comuns em países desenvolvidos mas elas tiveram grande penetração no Brasil com os bebedouros eletrônicos, fabricados por várias empresas.
Para aplicações de transferência de calor de até 200 W as pastilhas termoelétricas tem várias vantagens sobre os compressores: 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.
Para estimar qual pastilhas e quantas serão necessárias é preciso determinar a carga térmica de onde elas serão aplicadas.
É o mesmo processo de dimensionamento de um compressor para uma geladeira, por exemplo.
O controle de temperatura pode ser feito variando a voltagem fornecida a pastilha termoelétrica ou desligando/ ligando ela.
Certos fabricantes não recomendam o deligar/ ligar por achar que isso encurta a vida útil delas enquantos outros não tem essa restrição.
A umidade pode ser um problema se o módulo for utilizado para resfriar perto de 0o. C, uma vez que o vapor presente no ar pode condensar, molhando a pastilha.
A umidade dentro do módulo pode causar corrosão e resultar em um curto-circuito.
Costuma-se utlizar isolantes de silicone ou epoxy nas bordas do módulo para evitar a umidade.

Refrigeração por absorção

Grande parte do conteúdo  é voltada para os equipamentos de refrigeração que utlizam o ciclo de refrigeração por compressão.
No entanto essa forma de refrigeração não é única.
Existe a refrigeração "eletrônica" e a refrigeração por absorção que mencionaremos agora.
O ciclo de refrigeração por absorção é mais antigo que o ciclo por compressão.
Seus fundamentos são datados de 1777 e seu criador principal foi William Cullen.
Esse ciclo utiliza o calor como fonte de energia, ao contrário do ciclo por compressão, que utiliza a energia elétrica.

Esse ciclo não tem compressor.

Por calor entenda-se energia a uma determinada temperatura.
Água quente a 85ºC já é suficiente para alimentar o ciclo por absorção, e dele se obter temperaturas de até 5ºC. Uma resistência elétrica também pode ser utilizada nesse ciclo (muitos refrigeradores de pequeno porte usam o sistema de absorção com resistência elé'trica).
No ciclo por absorção há necessidade de dois fluidos: o fluido refrigerante, que efetivamente remove calor do meio desejado por evaporação e o fluido absorvente, que deve absorver vapor do refrigerante em baixas temperaturas e ser menos volátil do que este, de forma a liberar vapor de refrigerante por aquecimento. Esses fluídos se misturam mas não se combinam de modo a poderem ser separados com a elevação da temperatura.
No evaporador há vapor de refrigerante de baixa pressão.
Este é absorvido por uma solução no absorvedor. Caso, a temperatura desta solução se eleve a absorção de vapor poderia cessar.
Para evitar isto, o absorvedor é resfriado por água ou ar.
A solução no absorvedor é concentrada, pois contém grande quantidade de refrigerante.
No aquecedor, ocorre a adição de calor (fonte que forneça temperaturas elevadas), fazendo com que o refrigerante volte ao estado de vapor.
Este vapor está em elevadas temperatura e pressão e se move em direção ao condensador.
A solução líquida, que agora tem baixa concentração de refrigerante, retorna ao absorvedor por válvula redutora de pressão.
O objetivo desta válvula é manter a diferença de pressão entre o absorvedor e o aquecedo.
No condensador há passagem de ar, que resfria o vapor e condensa o refrigerante.
O refrigerante vai para o evaporador através de uma válvula de expansão e recebe calor.

O sistema Electrolux

Em 1922 dois estudantes de engenharia suecos, Baltzar Von Platem e Carl Gustav Munters, patentearam uma máquina e refrigeração de funcionamento contínuo, baixo custo, a qual foi tema de um trabalho de conclusão de curso.
Tal equipamento produzido inicialmente por seus criadores teve sua patente adquirida pela Electrolux, que a usou para projetar-se definitivamente no mercado de eletrodomésticos.
O sistema é o mais popular de todos os sistemas de refrigeração por absorção, por causa de seu uso em refrigeradores domésticos.
Seu funcionamento é baseado na lei das pressões parciais ou Lei de Dalton, segundo a qual em um recipiente contendo mais de um gás a pressão total é a soma da pressão parcial de cada gás.

Refrigeração por absorção



No sistema Electrolux são empregados 3 fluidos: um refrigerante, geralmente amônia; um absorvente, geralmente água e um gás inerte, geralmente hidrogênio. Existem 3 fluxos de fluidos: Fluxo de vapor, fluxo de soluções de água e amônia e fluxo de gás inerte.
No fluxo de vapor uma solução com alta concentração de amônia, ou solução rica, é aquecida liberando vapor de amônia o qual é retificado.
A retificação é feita em um tubo ascendente e sinuoso no qual a água contida no vapor condensa-se e retorna ao gerador de vapor.
Após a retificação o vapor de amônia é tornado líquido em um condensador.
No condensador e retificador do sistema Electrolux existe somente amônia, ou seja a pressão da amônia é igual à pressão do sistema.
O vapor de amônia não passa por uma válvula de expansão, mas sim por um sifão que impede o fluxo de gás inerte, existente no evaporador, para o condensador.
Evaporando a partir desse sifão o refrigerante expande-se no evaporador, no qual existe um gás inerte, geralmente hidrogênio.
Dessa forma a pressão da amônia no evaporador será dada pela diferença entre a pressão total e a pressão parcial do gás inerte.
Saindo do evaporador a amônia é absorvida por uma solução pobre em amônia, ainda a baixa pressão parcial formando a solução rica.
O fluxo de soluções água-amônia é movimentado por um termosifão.
A solução rica em amônia vinda do absorvedor, a qual se encontra em temperatura próxima à ambiente, chega ao gerador passando por um trocador de calor em contrafluxo com uma solução com baixa concentração de amônia, ou solução pobre, aquecida, que retorna do gerador.
Nesse trocador de calor a solução rica é pré aquecida e a solução pobre é pré resfriada.
No gerador a solução rica é aquecida em um tubo capilar no qual o vapor é gerado.
A solução pobre, formada no gerador, sobe arrastada pelas bolhas de vapor de amônia até um nível mais elevado que o topo do absorvedor.
O retorno da solução pobre ao absorvedor é feito por gravidade, passando pelo trocador
acima citado, para ser pré resfriada, enquanto o vapor separado no gerador segue a trajetória descrita para o primeiro fluxo.
O fluxo de gás inerte circula apenas no absorvedor e evaporador, únicos componentes que operam com baixa pressão parcial.
No evaporador, no qual há fluxo descendente, o gás inerte desce em razão do aumento de sua densidade devido ao resfriamento.
Chegando ao absorvedor o gás inerte é aquecido pelo processo exotérmico de absorção e sobe novamente ao topo do evaporador.

Os sistemas por absorção são fabricados para uso doméstico como refrigeradores de pequeno porte ou para potências relativamente elevadas (acima de 20 TRs), não estando o mercado provido de máquinas com potências intermediárias.
Os sistemas domésticos por absorção empregam, geralmente, o sistema Electrolux.
Esses sistemas apresentam funcionamento instável em temperaturas inferiores a 0o.C, por causa da elevada percentagem de gás inerte no evaporador e absorvedor.
Além disso o coeficiente de performance desse tipo de sistema é baixo, tornando-o inviável para equipamentos maiores.

Refrigeração por absorção



Mas a maior utilização do ciclo por absorção está na produção de água gelada, como resfriadores de líquido (chillers) que utilizam o calor proveniente da queima de um combustível ou calor recuperado de outras fontes, como chaminés de moto-geradores, rejeitos de processos industriais, entre outros.
Os resfriadores de líquido (chillers) que trabalham com o ciclo por absorção, ao contrário dos chillers utilizados na maioria das instalações, não têm compressor.
Esse ciclo tem como característica principal, o fato de que um fluido absorve o vapor do líquido refrigerante, sem contudo com ele reagir, ou seja transformar-se numa outra substância.
Os líquidos:absorvedor + refrigerante, após terem realizado o trabalho individual de cada um, ou seja, um absorver (líquido absorvedor) e o outro se evaporar (refrigerante) têm, numa segunda etapa, que se separar um do outro, dando continuidade assim ao processo.
Para a separação deles basta aumentar a temperatura da mistura, ou seja, adicionar calor aos dois.
Com o aumento da temperatura, o refrigerante se "solta" do líquido absorvedor e caminha para outra fase: a de condensação; por sua vez, o líquido absorvedor, livre do refrigerante, está pronto para absorver mais refrigerante.
Assim podemos dizer que, no chiller por absorção, quanto mais calor se coloca nele mais frio ele produz", comenta Felamingo.

Combustíveis e calor de rejeito.

As fontes de calor que podem ser utilizadas estão divididas em dois grupos: combustíveis e calor de rejeito. No primeiro grupo, utiliza-se comumente, como combustível, o gás natural, GLP, álcool, diesel, etc, também utilizados na queima direta, ou ainda, resíduo de matéria vegetal como casca de arroz, aparas de madeira, etc., ou seja, qualquer coisa que queime numa caldeira para produzir vapor ou água quente poderá ser utilizada como fonte de energia para o chiller por absorção.
No segundo grupo, pode-se considerar qualquer forma de rejeito de calor de processo, porém com a ressalva de que o nível energético (temperatura) deve girar em torno de 85°C ou acima, para se ter resultados satisfatórios com o ciclo por absorção.
Como exemplo, uma chaminé que jogue para a atmosfera gases quentes à 200ºC, pode ser fonte de energia para alimentar um chiller por absorção e assim produzir frio (água gelada) sem custo de enrgia.
Sob o ponto de vista energético, em certos cenários a utilização desta tecnologia pode ser mais interessante que a utilização de sistemas de refrigeração por compressão.
Nas Regiões Norte e Nordeste do Brasil, por exemplo, onde a necessidade de refrigeração para conservação da produção agrícola, principalmente de frutas e hortaliças, é mais evidente, a utilização de sistemas de refrigeração por absorção é uma alternativa a ser considerada.
A utilização da energia solar como fonte de calor e para geração de energia elétrica é uma alternativa nestas regiões e, portanto, uma forma de se viabilizar a utilização de sistemas de refrigeração por absorção, tanto para condicionamento de ar, como para tratamento pós-colheita e industrialização de produtos agrícolas. Onde houver energia térmica disponível e de baixo custo, seja ela advinda da queima direta da biomassa, de biogás, de gases de escape de motores à combustão interna, solar ou de vapor residual de processos, a tecnologia de refrigeração por absorção pode ser empregada.
A geração de energia a partir da biomassa já é uma realidade em importantes setores onde significativo percentual da demanda de energia elétrica das plantas industriais — no sucroalcooleiro e o de papel/celulose — são supridos pelo bagaço e resíduos florestais, respectivamente.
Os resíduos agrícolas, madeira, cana-de-açúcar, o biogás (produzido pela biodegradação anaeróbica existente no lixo e dejetos orgânicos), lenha e carvão vegetal, alguns óleos vegetais (amendoim, soja, dendê) são exemplos de biomassa.

Refrigeração por absorção


São vários os processos de conversão da biomassa em energia; os mais simples consistem na combustão direta em fornos, caldeiras etc.
Porém, geralmente são ineficientes ou de aplicação restrita.
Assim, o esforço em desenvolvimento científico e tecnológico, são direcionados para processos mais eficientes ou que permitam outras aplicações em substituição aos recursos fósseis, além da viabilização do aproveitamento da biomassa considerada residual - oriunda do lixo urbano e das atividades industriais e agroflorestais.
No caso da biomassa, ela pode ser utilizada como combustível em caldeiras ou aquecedores e, dessa forma, produzir o calor necessário para alimentar um chiller por absorção, que por sua vez produzirá água gelada para processo industrial ou ar condicionado.
Existem fábricas de alimentos, por exemplo, que têm resíduos de casca de arroz, amendoim, etc, que são rejeitos vegetais, mas que podem ser queimados gerando calor na forma de vapor ou água quente e assim, utilizados como fonte de energia, na produção de frio a custo praticamente zero”.
Já a utilização do gás natural é mais vantajosa quando não se tem resíduos para serem queimados, ou não há possibilidade de recuperação de calor de outros processos. “O gás natural é bastante vantajoso, principalmente quando se tem os chiller funcionando no horário de ponta da energia elétrica”.
Implantação e custos.
Existem centenas de chillers por absorção instalados em grande parte dos estados brasileiros.
Os chillers por absorção podem ser utilizados em todos os tipos de empreendimento.
As vantagem são a economia que se faz tanto com gastos de energia como de manutenção, pois os chillers por absorção, por não terem grandes componentes móveis, têm manutenção mais barata do que os chillers por compressão”.
O custo de instalação do chiller por absorção, no caso os que utilizam brometo de lítio como líquido absorvedor, é hoje 10 a 15% mais caros do que os chillers convencionais por compressão e, em muitos casos essa diferença é amortizada de um a três anos, após a instalação, pela economia que se obtém nos custos de energia e manutenção somados.
Existem diversas instalações nas mais diversas aplicações, como queima de combustível (gás natural, GLP - gás liquefeito de petróleo - eucalipto, etc), ou ainda com recuperação de calor nas mais diversas formas e fontes.
Para o profissional da refrigeração que trabalha com chillers vale a pena se aperfeiçoar nos que utilizam o sistema de absorção pois eles devem aumentar sua participação no Brasil, na medida em que as empresas procuram mais eficiência em suas operações.
O efeito Peltier tende a perder sua vantagem competitiva para transferências de calor acima de 200W. Existem certas aplicaçoes militares e científicas que o utilizam para transferir centenas de kilowatts mas nesses casos o custo não é um problema ao contrá'rio do que ocorre em produtos para o mercado consumidor.
Um ar condicionado ou uma geladeira de grande porte poderá vir  a ser produzida 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
A grande vantagem de pastilhas do tipo Peltier são a ausência de peças móveis, tornando extremamente preciso o controle de temperatura, não uso de gás refrigerante, sem barulho e vibração; além do tamanho reduzido, alta durabilidade e precisão.
Elas são utilizadas hoje em inúmeros setores, principalmente os de bens de consumo, automotivo, industrial e militar.
São mais comuns em países desenvolvidos mas elas tiveram grande penetração no Brasil com os bebedouros eletrônicos, fabricados por várias empresas.
Para aplicações de transferência  de calor de até 200 W as pastilhas termoelétricas tem várias vantagens sobre os compressores: 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.
Para estimar qual pastilhas e quantas serão necessárias é preciso determinar a carga térmica de onde elas serão aplicadas.
É o mesmo processo de dimensionamento de um compressor para uma geladeira, por exemplo.
O controle de temperatura pode ser feito variando a voltagem fornecida a pastilha termoelétrica ou desligando/ ligando ela.
Certos fabricantes não recomendam o deligar/ ligar por achar que isso encurta a vida útil delas enquantos outros não tem essa restrição.
A umidade pode ser um problema se o módulo for utilizado para resfriar perto de 0o. C, uma vez que o vapor presente no ar pode condensar, molhando a pastilha.
A umidade dentro do módulo pode causar corrosão e resultar em um curto-circuito.
Costuma-se utlizar isolantes de silicone ou epoxy nas bordas do módulo para evitar a umidade.


fonte: http://pu7imw.blogspot.com.br/2011/10/o-segredo-da-refrigeracao-eletronica.html

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