UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

GELADEIRA PELTIER

por

Anderson Dall’Agnol

Henrique Zuardi Niencheski

Kassius Kraemer

Daniel Mocelin Tatsch

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Porto Alegre, junho de 2009.

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AGRADECIMENTOS O grupo agradece a Felipe da Silva Ribeiro que emprestou a geladeira e contribuiu com valiosas dicas a José Salvadoretti pela ajuda na construção do PWM e a João Batista pela atenção, ajuda e por fazer hora extra para que o trabalho pudesse ser concluído.

Obrigado.

iii

RESUMO A proposta para este trabalho é efetuar medições de temperatura do ar no interior de uma geladeira construída utilizando pastilhas termoelétricas (Efeito Peltier), assim como medir a temperatura de objetos (garrafa de 500 ml de água, lata de refrigerante e garrafa de cerveja) colocados no interior da mesma. Gráficos de Temperatura x tempo são traçados possibilitando descobrir a constante de tempo e a temperatura de estabilização para determinadas condições de operação da geladeira. Para efetuar as medições, utilizam-se sensores do tipo RTD Pt-100 e a placa de aquisição de dados HP 34970A Data Aquisition/Switch Unit. Observa-se que o funcionamento da geladeira é dependente das condições do ambiente onde ela se encontra, principalmente devido ao uso das pastilhas termoelétricas. Também se pode observar que a geladeira leva um tempo considerável para chegar à temperatura de estabilização e que é ineficiente para refrigerar alimentos, entretanto possui capacidade relativamente boa para mantê-los refrigerados. A geladeira utilizada nos testes foi construída pelo Engenheiro Felipe da Silva Ribeiro e foi alvo da seu trabalho de conclusão do curso de Engenharia Mecânica da UFRGS.

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ABSTRACT

This project has the purpose of measure the air temperature inside a refrigerator working with a thermoelectric heat pump (Peltier device), as well as measure the temperature of some objects (plastic bottle of water, a can and a glass bottle of beer) placed inside the content. Graphics of temperature versus time are made in order to find out the time constant and the temperature stabilization to certain refrigeration operation conditions. With the purpose of performing the measures, it is used RTD PT100 sensors and a data logger (HP 34970A Data Aquisition/Switch Unit). Due to the use of thermoelectric chips the temperature range of operation of the refrigerator is dependent of the surroundings conditions where it is, this happen because the solid state refrigerator works with the temperature difference. Results show that the refrigerator takes considerable time to reach the temperature stabilization and it is inefficient to cool groceries. Although the equipment does not have the ability to cool the products it has relatively good ability to keep them cold. The experimental tests were done in a prototype built by the engineer Felipe Ribeiro da Silva as his graduation project of the Mechanical Engineering course at UFRGS.

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LISTA DE SÍMBOLOS A área, m² cp calor específico a pressão constante, J/kgK e espessura da aleta, m g aceleração da gravidade, m/s² Gr número de Grashof h coeficiente de transferência de calor por convecção, W/m²K H altura, m I corrente, A k condutividade térmica, W/mK L comprimento, m m massa, kg N número (quantidade) Nu número de Nusselt Pr número de Prandtl Q transferência de energia, J Ra número de Rayleigh t tempo, h T temperatura, K; tempo, h v volume específico, m³/kg V volume, m³; tensão, V w largura da aleta, m x, y, z coordenadas retangulares, m

difusividade térmica, m²/s coeficiente de expansão térmica, K-1 emissividade eficiência da aleta massa específica, kg/m³ constante de Stefan-Boltzmann

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SUMÁRIO Pág.

1. INTRODUÇÃO ..........................................................................................................................1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA....................................................................................................2 3. DEFINIÇÃO FÍSICA DO PROBLEMA ....................................................................................2

3.1 Efeito Peltier e Pastilhas Termoelétricas ...............................................................................2 3.2 PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulação de Largura de Pulso..................................3

4. MODELAMENTO MATEMÁTICO .........................................................................................4 4.1 Carga térmica da caixa...........................................................................................................4

4.1.1 Carga Térmica Devido à Radiação..................................................................................4 4.1.2 Carga Térmica Devido à Convecção Livre .....................................................................5 4.1.3 Condução .........................................................................................................................6 4.1.4 Carga Térmica Devido a Aberturas Ocasionais da Geladeira .........................................6 4.1.5 Carga Térmica Devido à Presença de Equipamentos Elétricos.......................................7 4.1.6 Carga Térmica Devido a Objetos Colocados no Interior da Câmara ..............................7

4.2 Desempenho de aletas............................................................................................................7 5. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS.................................................................................................8 6. VALIDAÇÃO .............................................................................................................................9 7. RESULTADOS.........................................................................................................................10

7.1 Ensaio da geladeira vazia.....................................................................................................10 7.2 Ensaios com diferentes produtos dentro da geladeira..........................................................11 7.3 Capacidade de resfriamento.................................................................................................13

8. CONCLUSÕES.........................................................................................................................14 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................................16 ANEXO........................................................................................................................................ 17

1

1. INTRODUÇÃO Refrigerar e manter alimentos em temperaturas baixas é uma preocupação do homem há muito tempo. Com o avanço tecnológico e o surgimento de novos equipamentos capazes de gerar uma diferença de temperatura e “fazer frio”, tornou-se possível fabricar geladeiras cada vez menores e mais portáteis. As pastilhas termoelétricas, por serem pequenas, leves, funcionarem com potências baixas e serem capazes de gerar um grande diferencial de temperatura vêm substituindo os convencionais ciclos que se valem da compressão de um fluido refrigerante para a extração de calor do interior de câmaras. Com o intuito de estudar o funcionamento de uma geladeira portátil, que pudesse ser versátil o suficiente para ser utilizada em casa, em um acampamento e até mesmo em um automóvel decidiu-se utilizar o equipamento construído pelo Engenheiro Felipe da Silva Ribeiro e utilizado na sua tese de conclusão de curso.

O objetivo é tomar medidas de temperatura do ar no interior da geladeira em função do tempo. Medições de temperatura em uma garrafa plástica de água, em uma lata de refrigerante feita de alumínio e em uma garrafa de vidro de cerveja também são feitas e comparam-se as temperaturas de estabilização de cada um dos casos.

2

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Pastilhas termoelétricas podem ser utilizadas para refrigerar câmaras, segundo Ribeiro. Ainda segundo Ribeiro, elas podem ser alimentadas por uma fonte de tensão ou uma fonte de corrente, na melhor das hipóteses.

Dentre as fontes de tensão utilizadas por Ribeiro estão as baterias automotivas e as fontes ATX (também utilizadas em computadores).

Em seu trabalho de conclusão, Ribeiro mostra que, apesar de a bateria automotiva ter capacidade de fornecer correntes superiores às que a fonte é capaz, a temperatura de estabilização monitorada na câmara é superior nos casos onde a bateria de automóvel foi utilizada. Isto se deve ao fato de a fonte conseguir suprir a corrente necessária ao sistema e ainda manter a tensão constante, enquanto a tensão que a bateria entrega decai com o tempo (a bateria descarrega).

3. DEFINIÇÃO FÍSICA DO PROBLEMA A geladeira estudada pode ser vista na figura 5 e é composta por duas pastilhas termoelétricas, uma caixa de poliestireno expandido de 14,5 litros, 4 dissipadores térmicos (superfícies aletadas), 4 coolers (ventoinhas), uma fonte ATX de 250W e um PWM (modulador de largura de Pulso). As dimensões da caixa são 350x290x235 mm, e espessura da parede de 2,5 mm. A caixa é recoberta por manta asfáltica. As pastilhas são fabricadas por Danvic S.A, são do modelo DV-40-07, suas dimensões são 39,5x39,5x3,82mm e estão ligadas em paralelo ao PWM. O PWM é ligado à fonte, que fornece uma tensão constante de 11,8V. Os coolers estão ligados em paralelo à fonte, que fornece a eles uma tensão constante de 5V.

Figura 5 - Geladeira

No presente trabalho, o ponto de funcionamento das pastilhas é fixado. Para isso utiliza-

se uma fonte ATX que garante que a tensão seja constante e, como este tipo de pastilha possui resistência constante e conhecida, a corrente utilizada também é conhecida e constante. Desta forma pode-se garantir que eventuais diferenças de resultado de um teste para outro não se devem à forma de alimentação das pastilhas.

3.1 Efeito Peltier e Pastilhas Termoelétricas Efeito Peltier é um fenômeno inverso do Efeito Seebeck que ocorre nos termopares. Este efeito foi inicialmente observado por Peltier em 1834.

Aplicando uma diferença de tensão nas extremidades de dois semicondutores conectados, pode-se criar um diferencial de temperatura entre as extremidades do sistema, segundo o site da mspc.

3

As pastilhas termoelétricas valem-se desse efeito usando vários pares de semicondutores do tipo-p e do tipo-n ligados eletricamente em série (termicamente em paralelo) e colados entre duas placas cerâmicas formando uma espécie de sanduíche, segundo Danvic. A figura 1 ilustra uma pastilha deste tipo.

Figura 1 – Pastilha Termoelétrica (Fonte: www.mspc.eng.br/eletrn/peltier_110.shtml)

A capacidade de retirar calor do ambiente a ser refrigerado depende da corrente (que deve

ser contínua), tensão e número de pares de elementos. O transporte do calor é feito através de elétrons.

A potência dissipada por unidade de área é relativamente grande, mas a potência dissipada total por pastilha é pequena (em torno de 100 W, dependendo da pastilha) e pode ser comparada à potência de uma lâmpada incandescente comum. Visto isso, devem-se usar dissipadores de calor em ambas as faces da pastilha.

Comercialmente, as pastilhas podem ser encontradas em uma série de formatos, tensões e correntes máxima de operação (potência) e capacidade térmica.

São elementos pequenos, silenciosos, que não possuem partes móveis e são confiáveis, características que justificam seu uso em geladeiras para automóveis, bebedouros, laboratórios, refrigeração de processadores e gabinetes de computador para aumentar o desempenho (overclock) e ultimamente para chegar a temperaturas criogênicas próximas ao zero absoluto. A figura 2 é uma foto de uma pastilha Termoelétrica.

Figura 2 – Pastilha de Efeito Peltier

3.2 PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulação de Largura de Pulso PWM é um circuito que é capaz de transformar um sinal de entrada, nesse caso, a tensão de alimentação (12V contínuo), em uma onda quadrada e, através de um potenciômetro, controlar o número de pulsos em um determinado intervalo de tempo, ou seja, a freqüência de emissão desses pulsos, segundo Ghirardello (2006). Dessa forma pode-se controlar a potência aplicada à pastilha termoelétrica. A figura 3 representa o funcionamento de um PWM.

Figura 3 – Sinais de saída do PWM (Fonte: Apostila sobre Modulação PWM)

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A potência real aplicada pode ser obtida aplicando uma integral ao gráfico da tensão x tempo.

Como inconvenientes tem-se que, para saber a potência, tensão ou corrente deve-se acoplar adequadamente ao sistema um multímetro capaz de fazer medições de ondas quadradas ou utilizar um osciloscópio, por isso a corrente de alimentação do sistema não foi mensurada quando utilizou-se o PWM. Também, mesmo estando o potenciômetro posicionado na posição de mínimo, alguns pulsos são enviados pelo PWM. A figura 4 é uma fotografia do sistema real construído.

Figura 4 – PWM

4. MODELAMENTO MATEMÁTICO O modelamento apresentado é válido para regime permanente. 4.1 Carga térmica da caixa

A princípio, a geladeira recebe calor por convecção, radiação, ar proveniente do exterior que entra quando a geladeira é aberta e a potência dos coolers internos que é degradada em calor.

QCAIXA=QCONV + QRAD + QAE + Q EE + QOBJETOS (1)

Onde QCAIXA é a carga térmica total da caixa, QCONV é o calor ganho do ar externo através da convecção, QRAD é a carga térmica obtida por radiação devido a presença de objetos cuja temperatura é maior que a temperatura da superfície da caixa, QAE é a carga térmica obtida pela entrada de ar exterior na geladeira quando esta é aberta, Q EE é o calor que os equipamentos elétricos (coolers) adicionam ao sistema, Qobjetos é a carga térmica que objetos a serem resfriados causam ao sistema. A dimensão das cargas é W. 4.1.1 Carga Térmica Devido à Radiação A radiação é um efeito superficial, ou seja, depende da superfície. Para reduzir o ganho de calor por radiação, a caixa foi revestida com manta asfáltica que possui uma película de alumínio na camada externa. Essa folha de alumínio possui emissividade ε = 0,07. Sabe-se que o calor ganho por radiação pode ser modelado segundo: Qrad = ε σ As T viz

4@T se

4b c

(2)

Sendo que σ é a constante de Stefan-Boltzmann e vale 5,670E-08 W/(m²K4). As é a área superficial da caixa exposta à radiação, em m². Tviz é a temperatura da vizinhança, Tse é a temperatura da superfície externa da caixa, ambas em K.

5

4.1.2 Carga Térmica Devido à Convecção Livre Pode-se modelar a convecção que ocorre no exterior da caixa como sendo convecção livre já que a geladeira é projetada para estar em ambiente protegido. Qconv = he

fffffffAs T amb@T se

b c

+ ht

ffffffAt T amb@T se

b c

(3) Onde he é o coeficiente convectivo para as laterais da caixa, cuja dimensão é W/(m²K). Tamb é a temperatura do ar no entorno do dispositivo, dada em K. ht é o coeficiente convectivo para a tampa da caixa, At é a área da tampa dada em m². O coeficiente convectivo é obtido através do número de Nusselt médio. Churchill e Chu (1975) propuseram a seguinte correlação para convecção natural em placas verticais, válida para qualquer intervalo do número de Rayleigh:

NuHe

ffffffffffffffff=

0,825 +0,387 Ra

He

16fff

1 + 0,492Prffffffffffffffffff

d e

916fffffffH

J

I

K

827ffffffff

fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffX

^

^

^

^

^

^

^

^

\

^

^

^

^

^

^

^

^

Z

Y

^

^

^

^

^

^

^

^

]

^

^

^

^

^

^

^

^

[

2

(4)

Onde Pr é o número de Prantdl do ar, um adimensional. Esse número é tabelado e deve ser tomado na temperatura de filme (Tfe) em K. Ra é o número de Rayleigh, adimensional.

T fe =T se + T amb

2ffffffffffffffffffffffffffffffff (5)

RaHe =Grhe Pr =g β T se@T amb

b c

He3

α νffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (6)

Sabe-se que g é a aceleração da gravidade, dada em m/s², β é o coeficiente de expansão (1/K), ν é o volume específico (m³/kg), α é a difusividade térmica (m²/s), Tse é a temperatura da superfície externa da caixa (K), He é a altura da caixa (m) e Gr é o número de Grashof (adimensional). Por definição, ainda tem-se que:

Nufffffffff

=hffff

He

K f

ffffffffffffffff (7)

Kf é a condutividade do ar externo, tomada na temperatura de filme e possui dimensão

W/(mK). Para a tampa, pode-se utilizar a correlação e Nusselt para placa superior resfriada.

Nut

ffffffffffff= 0,27 Rat

14fffff 105 ≤ Rat ≤1010 (8)

Pode-se simplificar a convecção interna e simulá-la como sendo convecção livre, dessa

forma, as mesmas equações e correlações utilizadas para a parte externa podem ser utilizadas para modelar a parte interna da geladeira, com pequenas diferenças: agora, o comprimento característico é a altura interna da caixa Hi e não mais He, as propriedades relativas ao ar interno devem ser adotadas para a tempera de filme interna, Tfi, e não mais a temperatura de filme

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externa e a área utilizada para o cálculo da carga é a área de superfície interna do equipamento, Ai dada em m².

T fi =T si + Ti

2ffffffffffffffffffffffff (9)

Tsi é a temperatura da superfície interna dada em K, Ti é a temperatura do ar no interior

da caixa, dada em K. Ti é definida no projeto. 4.1.3 Condução O transporte da energia adquirida por convecção e por radiação é transportada através da parede por condução. A lei de Fourier é dada pela equação:

Qcond =@κ AidTdxfffffffff=

κ Ai T se@T si

b c

Lffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (10)

Neste caso, L é a espessura da parede da geladeira (note que, por segurança, está-se negligenciando a presença da manta asfáltica), k é a condutividade térmica do poliestireno expandido (W/(mK)), Ai é a área da superfície interna (m²), Tsi é a temperatura da superfície interna da geladeira (K). Pode-se aplicar a primeira lei da termodinâmica em volumes de controle localizados entre a parede e o ambiente externo; entre a parede e o ambiente interno e entre os ambientes interno e externo obter as seguintes expressões: Qcond =Qrad + Qconv (11) Qcond =Qconvinterna

(12) Qconvinterna

=Qconv + Qrad (13) Para diferenciar o fenômeno de convecção que ocorre no exterior do que ocorre no interior, este último recebe a designação convinterna. Todas as cargas térmicas são obtidas em W. Com o equacionamento dado já é possível calcular a carga térmica através de um processo iterativo visto que se têm como incógnitas (além da própria carga térmica) as temperaturas das superfícies interna e externa da caixa. A temperatura do ar ambiente, do ar no interior da geladeira e a temperatura da vizinhança são definidas no projeto. 4.1.4 Carga Térmica Devido a Aberturas Ocasionais da Geladeira Há uma correlação empírica que descreve o ganho de calor em câmaras frias em função do número de vezes em que se abrem suas portas.

QAE =ρar V in N ab N horas

3600ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffhext@ hint

b c

(14)

onde, ρar é a densidade do ar resfriado, dado em kg/m³; Nab é o número de aberturas da geladeira em determinado período; Nhoras é o tempo em que a geladeira permaneceu aberta durante cada

7

abertura (ou a média de tempo que ela permaneceu aberta), dado em s; hext é a entalpia do ar ambiente e hint é a entalpia do ar no interior do equipamento, dadas em J/kg. 4.1.5 Carga Térmica Devido à Presença de Equipamentos Elétricos Pode-se considerar que a potência dos equipamentos elétricos presentes no interior da câmara de resfriamento será totalmente degradada em calor. QEE = P =P V I (15) onde, V é a tensão aplicada aos equipamentos e I é a corrente que percorre os equipamentos elétricos. 4.1.6 Carga Térmica Devido a Objetos Colocados no Interior da Câmara Nos casos onde há objetos dentro da geladeira, há a inserção de uma carga térmica que pode ser calculada.

Qobjetos =mobj cp T in@T out

b c

3600 tfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (16)

onde mobj é a massa do objeto (kg), Cp é o poder calorífico (J/(kgK)), Tin é a temperatura inicial do objeto colocado, Tout é a temperatura em que se encontra o objeto ao ser retirado da geladeira (K) e t é o tempo necessário para o objeto ir de Tin a Tout, dado em horas. 4.2 Desempenho de aletas As aletas utilizadas para dissipar calor são planas. A efetividade de aletas planas pode ser calculada com as seguintes expressões:

ηo = 1@ N Aa

b c1@ηa

Atotal

fffffffffffffffffff (17)

ηa =tanh m Lc

b c

m Lc

fffffffffffffffffffffffffffffffffff (18)

Lc = Lal +

e2fffd e

(19)

m LC =2 heal

k Lc effffffffffffffffff g

12fffff

Lc

32fffff (20)

Aa = 2 w Lc (21)

ηo é a eficiência global da aleta (ou eficiência do dissipador), ηa é a eficiência de uma aleta (adimensional), N é o número de aletas, Aa é a área de uma aleta (m²), Atotal é a área total de troca de calor do dissipador (m²), Lal é o comprimento da aleta, Lc é o comprimento corrigido da aleta (m), e é a espessura da aleta (m), heal é o coeficiente convectivo do ar que é forçado sobre a aleta (W/(m²K)), w é a largura da aleta (m).

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Qaleta = ηo heal Atotal T base@T amb

b c

(22) Qaleta é a taxa total de tranferência de calor no conjunto de aletas (W), Tbase é a temperatura da base da aleta (K). Dependendo da espessura da base da aleta, a Tbase pode ser considerada a temperatura da face fria da pastilha termoelétrica. A equação 22 pode ser usada tanto para os dissipadores internos quanto para os externos, respeitando as respectivas áreas de cada dissipador. Com isso é possível saber a carga térmica que está sendo “bombeada” para fora pelas pastilhas. No regime permanente, esta carga térmica deve ser igual à carga que a geladeira recebe do ambiente. Como a temperatura do ar no interior da geladeira é definida no projeto, e a primeira etapa do equacionamento calcula a carga térmica da geladeira, pode-se agora projetar os dissipadores necessários. Isso somente será possível definido um ponto de funcionamento das pastilhas termoelétricas. Como citado anteriormente, utilizando um PWM e uma fonte ATX ou bateria automotiva é possível controlar a tensão razoavelmente bem para o sistema, mas a corrente que atravessa a pastilha não é controlada, por isso não se pode definir um ponto de funcionamento para as pastilhas. O ideal seria poder contar com uma fonte que pudesse controlar simultaneamente tensão e corrente, entretanto o caráter portátil da geladeira poderia ser comprometido e o custo se tornaria incompatível para este tipo de aplicação. A figura 6 representa curvas de funcionamento da pastilha de efeito Peltier para diversas correntes.

Figura 6 – DV-40-07 (fonte: Danvic)

Visto isso, pode-se utilizar engenharia reversa, escolhendo os dissipadores, fixando a pastilha e medindo a condição de operação que ocorre na prática e com isso simular a temperatura no interior da geladeira. 5. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS As medidas de temperatura foram efetuadas no laboratório LETA. A temperatura ambiental do laboratório é controlada. Escolheu-se utilizar sensores do tipo Pt-100 devido à faixa de temperaturas de trabalho da geladeira (superior a 0°C e inferior a 40°C), facilidade de manuseio, confiabilidade, sua incerteza de medição ser aceitável para este tipo de operação (±0,3°C para 0°C e ±0,5°C para 40°C, acrescida de erros de calibração). O sistema de aquisição de dados utilizado é um HP Hewlett Packard 34970A Data Aquisition/Switch Unit e o software é o Agilent Benchlink Data Logger, ambos disponibilizados pelo laboratório. As leituras de temperatura são feitas a cada 5 s.

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A primeira tomada de temperatura tem a intenção de avaliar a evolução da temperatura com o tempo e definir a temperatura de estabilização da geladeira. Também se deseja descobrir se a geladeira gera estratificação do ar no seu interior. Para isso, um suporte feito em madeira com base de alumínio foi utilizado de modo a poderem-se ter três pontos de leitura de temperatura em diferentes regiões da geladeira, onde seriam posicionados os Pt-100, como ilustra a figura 7. Utiliza-se um sensor para medir a temperatura do ambiente e descartar mudanças do ponto de funcionamento em função de uma possível modificação da temperatura do laboratório. Este último sensor é blindado contra a radiação do ambiente.

Figura 7 – Distribuição dos sensores e suporte no interior da geladeira

A segunda tomada de temperatura é realizada para determinar se há e qual a diferença entre uma e duas pastilhas funcionando. Então, uma delas é desligada. Os próximos ensaios envolvem três sensores: um para monitorar a temperatura interna de um produto, garrafa plástica de água de 500ml no primeiro caso, outro sensor monitorando a temperatura do ar da geladeira e o último medindo a temperatura do ar no ambiente (figura 8). São realizados 3 ensaios com diferentes produtos.

Figura 8 – Esquema utilizado para monitorar a temperatura da água

A quarta medição tem a intenção de avaliar a capacidade do aparelho de manter um líquido refrigerado. Para isso, uma garrafa plástica de 500 ml de água foi colocada em uma geladeira convencional e após no equipamento em teste, que já estava em funcionamento e em sua temperatura de estabilização. Os Pt-100 são posicionados do mesmo modo citado anteriormente. 6. VALIDAÇÃO Por este trabalho basear-se em um trabalho de conclusão, a geladeira já havia sido previamente testada e estava funcionando com um desvio razoável do ponto para que fora projetada. Por este motivo, um único teste de funcionamento foi efetuado ligando-se corretamente a fiação na tensão adequada (já designada) e certificando-se de que o equipamento realmente é capaz de produzir um diferencial de temperatura.

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7. RESULTADOS

Uma série de ensaios foi realizada seguindo a metodologia descrita neste projeto. O primeiro passo é determinar a performance da geladeira sem nenhum produto em seu interior. Com o interesse em determinar se a geladeira possuía alguma diferença de temperatura entre posições no interior da mesma foram instalados três Pt-100 ao longo do eixo y no centro do volume.

7.1 Ensaio da geladeira vazia A primeira medição foi realizada dia 08 de junho de 2009, os dados adquiridos foram

plotados no gráfico temperatura versus tempo (figura 9), o ensaio teve duração de 110 minutos.

Figura 9 – Gráfico da temperatura de estabilização da geladeira

Ao analisar o gráfico pode-se verificar que a temperatura do ar ambiente se manteve constante em torno de 22°C, enquanto a temperatura de estabilização do interior da geladeira foi de aproximadamente 11,5°C. Em uma observação macro do gráfico, as três curvas possuem a mesma característica possuindo apenas uma pequena diferença de temperatura, que pode ser observada melhor na tabela abaixo (tabela 1), que mostra valores da temperatura nos diferentes pontos de aquisição.

Tabela 1 – Temperatura do ar no interior da geladeira conforme posição do termo

Temperatura (°C) Tempo (min.) Inferior Intermediária Superior

0 21.64 22.32 22.06 1 20.89 21.24 21.26 5 15.31 15.46 15.82 10 13.32 13.66 13.83 20 12.14 12.38 12.52 100 11.37 11.53 11.57

A curva de maior valor ficou pertencente a porção superior da geladeira, bem como a de

menor valor ficou para a zona mais próxima a parte inferior da mesma. Isso deve-se ao fato da diferença de peso específico do ar, quanto maior sua temperatura, menor seu peso específico.

Pode-se verificar que a temperatura de estabilização da geladeira ocorre após transcorridos 50 minutos. A maior variação de temperatura acontece nos primeiros 7 minutos, onde varia aproximadamente 1°C/min. Logo após isso, a variação cai bruscamente para aproximadamente 0,06 °C/min até o tempo em que a temperatura da geladeira é estabilizada. Realizou-se um ensaio onde a geladeira funciona com apenas uma pastilha Peltier em ação. Os resultados são mostrados no gráfico abaixo (figura 10).

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Figura 10 – Comparação da geladeira funcionando com uma e duas pastilhas.

Ao analisar o gráfico, observa-se que a curva do ar no interior da geladeira comportou-se de maneira similar à curva do primeiro teste até os primeiros 10 minutos. Então, a geladeira com duas pastilhas funcionando continua a baixar sua temperatura. Já, a geladeira com apenas uma pastilha Peltier funcionando teve a sua temperatura de estabilização, por volta de 30 minutos de funcionamento do aparelho, de 16°C. Fato que demonstra que a geladeira provoca uma menor diferença de temperatura que a do teste anterior.

Também, foram medidas as temperaturas das pastilhas no lado quente e no lado frio. Como o sistema é montado com superfícies aletadas de dissipação de calor dos dois lados, por toda a extensão do Peltier, é complicado tomar a temperatura da pastilha em si. A coleta das temperaturas é realizada na base das aletas, o mais próximo possível das pastilhas termoelétricas. Na tabela abaixo (tabela 2) encontram-se os valores coletados.

Tabela 2 - Temperaturas nas pastilhas Peltier

Pastilha Peltier 1(°C) 2(°C) lado quente 50 43

lado frio 9 14 dT 41 29

O fato de a alimentação da tensão e corrente das pastilhas ser feito por uma fonte ATX

(ou em alguns casos por duas fontes), o ponto de operação das pastilhas não é o mesmo porque não se pode garantir que a tensão (no caso do uso de duas fontes) e a corrente que alimentam as pastilhas sejam iguais. Este fato reflete-se na diferença entre o diferencial de temperatura das pastilhas.

7.2 Ensaios com diferentes produtos dentro da geladeira No terceiro ensaio, adicionou-se uma garrafa d’água a temperatura ambiente. A geladeira

só foi ligada após a colocação da água. Os dados coletados estão dispostos no gráfico (figura 11).

Figura 11 – Curva de resfriamento de garrafa plástica de água de 500 ml

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Verifica-se que a temperatura do ar ambiente nesse dia encontrava-se em 24°C, levemente acima da qual foi realizada a primeira medição.

A temperatura da garrafa foi monitorada durante 150 minutos, nesse espaço de tempo sua temperatura teve um decréscimo quase linear de aproximadamente 0,05°C/min, tendo como temperatura final 15,4°C.

O ar no interior da geladeira comportou-se de maneira similar ao primeiro teste, tendo um decréscimo significativo da sua temperatura nos primeiros minutos, fato o qual não se repete nos minutos seguintes. Sua temperatura no final da medição encontrava-se em torno dos 14°C, isso equivale a uma diferença de temperatura com o ambiente de aproximadamente 10°C. Se compararmos com o ensaio número 1, verifica-se que eles possuem um diferencial de temperatura entre o ar presente no interior da geladeira e o ar do ambiente semelhante.

Notou-se que, mesmo depois de 2,5 horas, a temperatura da garrafa de água e do ar no interior da geladeira ainda estava caindo. A variação da temperatura da água foi de 7,6°C em 2,5 horas o que reflete a ineficiência do equipamento de refrigerar líquidos. A carga térmica adicionada pela massa de água é grande demais para o aparelho refrigerar rapidamente. Percebe-se, ainda, que a temperatura da água continuava a cair, por isso, as temperaturas de estabilização do ar e da água que se encontram na geladeira não foram determinados.

O quarto teste ocorreu dia 18 de junho de 2009, pode-se visualizar o comportamento das curvas de temperaturas na figura 12.

Figura 12 - Curva de resfriamento da água numa lata de alumínio

Na ocasião do teste a temperatura do ar ambiente encontrava-se em torno de 23,5°C. As

informações foram adquiridas num período de tempo de 130 minutos. Nesse intervalo, observaram-se resultados semelhantes ao segundo teste, realizado com a garrafa d’água. Para o quarto ensaio o produto no interior foi mudado. Neste ensaio foi utilizada uma garrafa de vidro (long neck) para ser resfriada. Essa garrafa tinha como conteúdo água líquida. A grande diferença deste teste para os dois anteriores é que a geladeira já encontrava-se em funcionamento quando a long neck foi adicionada. Os dados obtidos são mostrados na figura 13.

Figura 13 - Curva de resfriamento da água numa garrafa de vidro

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Fazendo uma comparação entre esses três ensaios, pode-se observar que depois de transcorridos 120 minutos do início da medição, a temperatura da água na lata encontrava-se em 16°C, na garrafa plástica em 16,2°C e na long neck em 16,8. A figura 14 faz a comparação entre a temperatura da água dentro dos três recipientes em relação ao tempo.

Figura 14 – Curvas comparativas entre os ensaios

Como as condições da vizinhança são semelhantes nos três ensaios, foi possível verificar

qual das embalagens possui maior inércia térmica. Percebe-se que o vidro possui a maior inércia térmica dos três produtos ensaiados, devido ao fato de ter um calor específico maior.

Os tempos de ensaio com produtos dentro da geladeira foram insuficientes para a estabilização das temperaturas.

7.3 Capacidade de resfriamento Nos primeiros ensaios realizou-se um estudo sobre a capacidade da geladeira em resfriar

bebidas. Os próximos ensaios foram realizados para determinar se o equipamento consegue manter resfriado, e por quanto tempo, os produtos em seu interior. No primeiro desses ensaios é colocada uma garrafa plástica que era mantida em uma geladeira comercial a temperatura de 4°C (figura 15). Posicionou-se um sensor dentro da garrafa e outro no interior da geladeira para se verificar qual o comportamento do equipamento com a adição de um corpo com temperatura mais baixa que o ar do volume.

Figura 15 – Comportamento da temperatura da garrafa plástica gelada.

Comparando as linhas de temperatura do ar no interior com a da temperatura da água se observa que acontece uma diminuição do valor do ar assim que é adicionada a garrafa (transferência de calor do ar para a água). Entretanto, ao longo do tempo as duas curvas tendem a estabilizar-se em determinada temperatura que pode ser calculada.

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A temperatura do ar na câmara encontrava-se a 13°C no início do ensaio, pois a geladeira já estava em funcionamento durante algum tempo. Esse mesmo valor foi encontrado na ultima medição, após 180 minutos. No próximo ensaio (figura 16) em vez de ser tomada a temperatura do ar no interior o sensor foi usado para medir a temperatura da água de uma lata fora da geladeira. Ou seja, nas duas latas foi adicionada água gelada, uma delas foi colocada dentro do refrigerador e a outra deixada ao ar livre.

Figura 16 – Comportamento da temperatura da lata gelada.

A lata no ambiente rapidamente começa a aumentar a sua temperatura. A temperatura da lata mantida resfriada também aumenta nos primeiros minutos (transferência de calor do ar para a água), entretanto, varia com mais suavidade. Quando atinge a marca de aproximadamente 7°C a variação de temperatura fica ainda mais suave. Até o final da medição as duas latas ainda não se encontravam com a temperatura estabilizada, mas denotavam uma vantagem apreciável em manter o líquido resfriado na geladeira. A geladeira diminuiu a variação temporal da temperatura da lata. Como a temperatura de trabalho da geladeira é em torno de 11°C, ela não conseguiu manter a lata no mesmo valor do momento inicial, mas manteve refrigerada por um período bem mais longo. Assim, bebidas podem ser mantidas por longos períodos geladas e produtos alimentícios vão ter sua validade postergada. 8. CONCLUSÕES

O objetivo principal do presente trabalho era identificar a capacidade de refrigeração de um protótipo de geladeira funcionando com duas pastilhas Peltier. Os ensaios foram realizados a partir de um equipamento construído como trabalho de conclusão de curso da UFRGS em 2007-2. Para este trabalho foi construída uma placa PWM com intuito de melhor regular a potência entregue para as pastilhas.

Ensaios foram propostos para investigar o funcionamento e qual a diferença de temperatura que a geladeira alcança. A metodologia proposta consiste na comparação de ensaios com diferentes condições de trabalho ou com diferentes produtos no seu interior, como garrafa d’água, lata de refrigerante, garrafa de cerveja.

Pode se verificar que quando é adicionado um corpo com temperatura mais baixa, este retira calor daquele volume baixando a temperatura da geladeira. Ao longo do tempo as temperaturas equalizam-se e a temperatura de estabilização de produtos colocados no interior da geladeira é a mesma temperatura do ar que o equipamento pode produzir.

Os ensaios com o protótipo mostraram que é possível uma redução considerável da temperatura em um ambiente refrigerado por pastilhas Peltier. O uso desse tipo de equipamento para conservar vinhos a uma temperatura entre 14 e 18°C é altamente recomendado. Como a temperatura do ar da geladeira não baixa de 10°C não se consegue gelar nem manter resfriado

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produtos a baixa temperatura, como cervejas. Entretanto, determinou-se que o uso da geladeira para manter resfriadas bebidas ou alguns produtos alimentícios é aceitável e recomendado.

Já a capacidade do equipamento de refrigerar líquidos ou objetos é pequena. O aparato leva muito tempo para produzir pequenas diferenças de temperaturas nos mesmos.

Resultados mostram que a geladeira é adequada para ser utilizada para manter refrigerados vinhos, água e outras bebidas ou postergar a validade de certos alimentos. Não se recomenda a utilização deste tipo de geladeira para alimentos como a cerveja ou sorvetes, que devem ser consumidos e armazenados a temperaturas inferiores ou próximas do 0°C.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS INCROPERA, F.P.; DEWITT, D.P.; BERGMAN, T.L.; LAVINE A.S., 2007.

“Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, John Wiley & Sons Inc. RIBEIRO, F.S., 2007. “Projeto de uma Transportadora de Vacinas Portátil”, Tese de

Conclusão de Curso, Engenharia Mecânica, UFRGS. STRAZZA, F.; RIBERI, R.M., 2004. “Projeto de uma Micro-adega Climatizada de

Baixo Custo”, Tese de Conclusão de Curso, Engenharia Mecânica, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.

BEYER, P.O.; anotações de aula 2009, Engenharia Mecânica, UFRGS. HANDBOOKS ASHRAE. SCHNEIDER, P.S., anotações de aula 2009. GHIRARDELLO, A., “Apostila sobre Modulação PWM”, Curso Técnico em

eletrônica industrial. www.danvic.com, 14 de abril de 2009. www.mspc.eng.br/eletrn/peltier_110.shtml, 14 de abril de 2009. www.ashrae.org, 10 de junho de 2009. www.efeitopeltier.com.br/produtos.asp, 14 de abril de 2009. www.novus.com.br/downloads/Arquivos/folheto%20pt100.pdf, 18 de junho de 2009.

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ANEXO