Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de ...intranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/48007.pdf · Diogo Amaral de Sousa Reaproveitamento de Calor em Automóveis

Diogo Amaral de Sousa

Reaproveitamento de Calor em

Automóveis para Geração de Energia

Elétrica Utilizando Módulos

Termoelétricos

Dissertação submetida na Universidade do Minho

para a obtenção do grau de

Mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores

Trabalho realizado sob orientação do

Doutor Luís Miguel Valente Gonçalves

e coorientação do

Doutor Francisco C. Pimenta de Brito

Dezembro de 2012

DECLARAÇÃO

Diogo Amaral de Sousa

Endereço eletrónico: [email protected] Telefone:964505481

Número do Bilhete de Identidade: 12984647

Título da Dissertação:

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia

Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos

Orientador:

Doutor Luís Miguel Valente Gonçalves

Coorientador:

Doutor Francisco C. Pimenta de Brito

Ano de conclusão: 2012

Dissertação submetida na Universidade do Minho para a obtenção do grau de

Mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores

É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO INTEGRAL DESTA DISSERTAÇÃO/TRABALHO

APENAS PARA EFEITOS DE INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA

DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE;

Universidade do Minho, ___/___/______

Assinatura: ________________________________________________

Dedicatória.

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos v Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho

Agradecimentos

Ao longo do todo o meu percurso académico pude sempre contar com o apoio de

várias pessoas cruciais nesta fase da minha vida e às quais não posso deixar de

expressar os meus sinceros agradecimentos.

Como derradeira fase da minha formatura e aquela em que a exigência foi maior,

deixo o meu agradecimento sincero aos meus orientadores neste projeto, Doutor Luís

Gonçalves e Doutor Francisco Brito por todo o apoio prestado durante a elaboração da

minha dissertação, em que o conhecimento transmitido e os conselhos dados muito

contribuíram para o meu enriquecimento a nível técnico e pessoal. Também ao Doutor

Jorge Martins, um muito obrigado pelos conselhos práticos na elaboração do projeto e

pelo acompanhamento empenhado do mesmo.

Ao Rui Sousa, que de forma aberta e franca me passou os seus conhecimentos,

acompanhando com entusiasmo todo o meu trabalho e cuja contribuição foi crucial no

meu desempenho. Obrigado!

Ao meu amigo Álvaro Santos, pelo auxílio na realização dos desenhos técnicos e

pela sua amizade, deixo também um agradecimento especial.

Aos técnicos das oficinas do Departamento de Eletrónica, Ângela Macedo,

Carlos Torres e Joel Almeida, por todo o auxílio nas partes mais práticas do projeto e

pela dedicação ao longo de todo o curso, muito obrigado!

A todos os meus amigos e colegas de curso pela camaradagem e paciência com

que me apoiaram, muito obrigado!

Aos que me acompanharam desde o ensino secundário e que com orgulho

agradeço a sua sincera amizade: Augusto Sousa, Bruno Pereira, Nuno Antunes, Paulo

Vale e Rui Ribeiro.

À Natalina, por saber compreender os meus diferentes estados de espírito e pela

motivação que sempre me tentou transmitir, muito obrigado!

Um agradecimento ao meu irmão, por todo o companheirismo e apoio em todos

os momentos deste trabalho.

Por último, mas não menos importante, agradeço a todos os elementos da minha

família que sempre me apoiaram ao longo deste percurso e em especial àqueles que tudo

fizeram para que eu chegasse até aqui e a quem dedico esta minha dissertação: Aos

meus pais!

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos vii Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho

Resumo

Com a crescente preocupação em reduzir a emissão de gases com efeito de estufa,

que provocam problemas bem conhecidos como alteração climática e poluição

atmosférica incomportáveis a curto/médio prazo, surgiu a necessidade de diminuir a

dependência do uso de combustíveis fósseis e consequente emissão de CO2 resultante

da sua queima. Sabendo que os automóveis são das maiores fontes não naturais de CO2

do planeta, surgiram normas internacionais que obrigam os fabricantes de automóveis a

desenvolver os seus motores tendo em conta que não podem exceder a emissão de uma

determinada quantidade desse gás por quilómetro (g/km), limite esse que vai

diminuindo gradualmente ao longo dos anos até ser alcançado um objetivo considerado

razoável. Observando todos estes fatores e restrições que a natureza indiretamente nos

impõe, somos “obrigados” a evoluir tecnologicamente de forma a mantermos e até

acrescentarmos funcionalidades nos nossos produtos sem exceder estes limites.

Tendo em conta todos os aspetos referidos, que são o contexto fundamental desta

dissertação, apresenta-se o desenho e fabrico de um gerador termoelétrico capaz de

reaproveitar o calor proveniente dos gases de escape dos automóveis para geração de

energia elétrica. Para construir o gerador termoelétrico, utilizam-se módulos

termoelétricos que funcionam segundo o efeito Seebeck, ou seja, expondo as faces do

módulo a uma diferença de temperatura obtém-se uma diferença de potencial elétrico

aos seus terminais. Tendo em conta que os módulos termoelétricos não suportam a

temperatura que os gases de escape dos automóveis atingem, é necessário recorrer a

sistemas de transferência de calor com a capacidade de controlo da temperatura, os Heat

Pipes. Estes sistemas de transferência de calor consistem num tubo vertical fechado,

onde circula um fluido (fluido de trabalho). Na extremidade inferior, o tubo recebe calor

até o fluido atingir o ponto de ebulição, evaporando. Assim, o fluido no estado gasoso

sobe pelo tubo até condensar e descer novamente. Isto, repete-se ciclicamente, sendo o

tubo, caminho de transferência de calor para os módulos (face quente). Na face oposta

do conversor instala-se um sistema de arrefecimento que ajuda a criar a diferença de

temperatura desejável ao funcionamento do sistema. Os principais parâmetros a alterar

de forma a otimizar este sistema são: a pressão dentro do tubo, o fluido que nele circula,

e tipo de módulos termoelétricos utilizados.

Palavras-Chave: Módulos Termoelétricos, Seebeck, Heat Pipes

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos ix Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho

Abstract

Each day, the concern about reducing the emission of greenhouse gases is

growing. This problem can cause such as climatic change and atmospheric pollution

therefore it will be unaffordable in short/medium term, so it is necessary to decrease the

dependence on the use of fossil fuels and its consequent emission of CO2 which results

from burning. By knowing that cars are one of the biggest unnatural sources of CO2 on

the planet, it emerged international standards that lead the automobiles manufacturers

develop their machines in order to not exceed a certain amount of that gas per kilometer

(g/km). That limit is gradually reduced through years until a reasonable goal is

achieved. When we watch all of these facts and constraints that nature imposes us

indirectly, we are “obliged “to develop the technology in a way to maintain and to add

features to our products without exceeding these limits.

If we think about all the aspects mentioned above, which are the main issue of

this essay, we present the design and the manufacture of a thermoelectric generator able

to reuse the heat from the exhaust of the cars into electric energy. To build the

thermoelectric generator are used thermoelectric modules using the Seebeck effect, by

exposing the faces of the module to a temperature difference and generating an electric

potential difference on its terminals. Being aware that the thermoelectric modules

cannot stand the temperature of exhaust pipes of automobiles, it is necessary to use heat

transfers systems with the ability to control the temperature level, the Heat Pipes. These

heat transfers systems consist in a vertical closed pipe where runs a fluid (Work fluid).

The inferior end the pipe (tube) captures the heat until the fluid reaches the boiling point

and then it evaporates. The fluid, in the gaseous state, goes up through the tube until

condensate. Afterwards comes down again as liquid out the walls of the pipe. This

operation is repeated cyclically, being the tube the heat transfer path between the hot

gases and the thermoelectric modules (hot face). On the opposite face of the modules a

refrigerate system helps to create the desirable temperature difference which allows this

system to work. The main parameters to be optimized in this system are: the pressure

inside the pipe (tube) as well as the kind of fluid that circulates through it.

Key Words: Thermoelectric Module, Seebeck, Heat Pipes.

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xi Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho

Índice Agradecimentos .......................................................................................................................................... v

Resumo ..................................................................................................................................................... vii

Abstract ..................................................................................................................................................... ix

Lista de Figuras ....................................................................................................................................... xiii

Lista de Gráficos .................................................................................................................................... xvii

Lista de Tabelas ...................................................................................................................................... xxi

Lista de Acrónimos ............................................................................................................................... xxiii

Lista de Constantes ................................................................................................................................ xxv

Lista de Variáveis ................................................................................................................................ xxvii

CAPÍTULO 1 Introdução ......................................................................................................................... 1

1.1. Enquadramento Geral e Motivações ............................................................................................ 1 1.2. Objetivos e Contribuições ............................................................................................................ 2 1.3. Organização e Estrutura da Dissertação ....................................................................................... 3

CAPÍTULO 2 Estado da Arte ................................................................................................................... 5

2.1. Introdução .................................................................................................................................... 5 2.2. Módulos Termoelétricos .............................................................................................................. 5 2.3. Geradores Termoelétricos ............................................................................................................ 6 2.4. Outras formas de reaproveitamento do calor dos gases de escape ............................................. 10

CAPÍTULO 3 Termoeletricidade ........................................................................................................... 13

3.1. Introdução .................................................................................................................................. 13 3.2. Efeito Seebeck ............................................................................................................................ 13 3.3. Efeito Peltier .............................................................................................................................. 19 3.4. Efeito Thomson .......................................................................................................................... 20 3.5. Arrefecimento/Aquecimento usando módulos termoelétricos ................................................... 21 3.6. Classificação dos materiais ........................................................................................................ 24 3.7. Modelo elétrico de um módulo termoelétrico ............................................................................ 26 3.8. Análise do modelo elétrico ........................................................................................................ 33

CAPÍTULO 4 Termodinâmica ............................................................................................................... 43

4.1. Introdução .................................................................................................................................. 43 4.2. Heat Pipes .................................................................................................................................. 43

4.2.1. Heat Pipes de Condutância Variável (VCHP) ................................................................................... 45 4.3. Transferência de calor ................................................................................................................ 45

4.3.1. Quantidade de Calor/Potência Térmica ............................................................................................. 48 4.4. Modelo Térmico......................................................................................................................... 49

CAPÍTULO 5 Gerador Termoelétrico com Blocos em Paralelo ......................................................... 63

5.1. Introdução .................................................................................................................................. 63 5.2. Caraterização do Gerador........................................................................................................... 63 5.3. Caraterização Módulos Termoelétricos ..................................................................................... 75 5.4. Aquisição de Dados ................................................................................................................... 81 5.5. Tratamento de Dados ................................................................................................................. 89 5.6. Testes e Resultados .................................................................................................................... 93

5.6.1. Ensaios Experimentais Utilizando Água Como Líquido de Trabalho ............................................... 94 5.6.2. Ensaios Experimentais Utilizando Dowtherm A Como Líquido de Trabalho ................................. 108 5.6.3. Comparação de Resultados Utilizando Diferentes Líquidos de Trabalho ........................................ 116

5.7. Conclusões ............................................................................................................................... 119

CAPÍTULO 6 Gerador Termoelétrico com Blocos em Série ............................................................. 121

6.1. Introdução ................................................................................................................................ 121 6.2. Caraterização do Gerador......................................................................................................... 121 6.3. Aquisição e Tratamento de Dados ........................................................................................... 127 6.4. Testes e Resultados .................................................................................................................. 128

6.4.1. Ensaios Experimentais Utilizando Água Como Líquido de Trabalho ............................................. 128

Índice

xii Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos

Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho

6.4.2. Ensaios Experimentais Utilizando Dowtherm A Como Liquido de Trabalho .................................. 138 6.4.3. Ensaios Experimentais Utilizando Gases de Um Motor de Combustão ........................................... 139

6.5. Conclusões ............................................................................................................................... 144

CAPÍTULO 7 Conclusões e Trabalho Futuro ..................................................................................... 147

Referências .............................................................................................................................................. 153

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xiii Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho

Lista de Figuras

Figura 1.1 - Distribuição de energia num automóvel com motor de combustão interna [5][6][7]. .............. 2

Figura 2.1 - Local da implementação do gerador termoelétrico no camião com motor

diesel [7][13]. ....................................................................................................................................... 7

Figura 2.2 - Gerador termoeléctrico implementado num camião com motor diesel [7][14]. ....................... 7

Figura 2.3 - Conversor termoeléctrico da Hi-Z Technology [13]. ................................................................ 7

Figura 2.4 - Esquemático do gerador termoelétrico desenvolvido pela Nissan [15]. ................................... 8

Figura 2.5 - BMW série 5 com gerador termoelétrico [17]. ......................................................................... 8

Figura 2.6 - Volkswagen com sistema de recuperação de calor para produção de energia

elétrica [18]. ......................................................................................................................................... 9

Figura 2.7 - Recuperação do calor dos gases de escape num Chevrolet Suburban [20]. ............................. 9

Figura 2.8 - Pormenor da implementação de um gerador termoelétrico num Chevrolet

Suburban [20]. ................................................................................................................................... 10

Figura 2.9 - Ford Fusion com sistema de recuperação do calor dos gases de escape [21]. ....................... 10

Figura 2.10 - Sistema de aproveitamento de calor Organic Rankine Cycle [22]. ...................................... 11

Figura 2.11 - Sistema Turbosteamer da BMW [22]. .................................................................................. 11

Figura 2.12 - Sistema de reaproveitamento energético dos gases de escape TIGRES [22]. ....................... 12

Figura 3.1 - Movimento dos eletrões numa junção de diferentes materiais submetida a uma

diferença de temperatura [24]. ........................................................................................................... 14

Figura 3.2 - Efeito Seebeck aplicado a sensores de temperatura e geradores de energia elétrica............... 15

Figura 3.3 - Princípio de funcionamento de um termopar [7][24]. ............................................................ 15

Figura 3.4 - Junção PN de um módulo termoelétrico [29]. ........................................................................ 18

Figura 3.5 - Esquema geral de um módulo termoelétrico [30]. ................................................................. 18

Figura 3.6 - Diferentes modos de operação do efeito Peltier. .................................................................... 19

Figura 3.7 - Ilustração do Efeito Thomson [33]. ........................................................................................ 21

Figura 3.8 - Ilustração Efeito de Joule numa Junção PN. .......................................................................... 22

Figura 3.9 - Fluxo de calor por condução entre a Face Quente e a Face Fria de uma junção PN. ............. 22

Figura 3.10 - Arrefecimento por Peltier. ................................................................................................... 23

Figura 3.11 - Aquecimento por Peltier. ..................................................................................................... 24

Figura 3.12 - Resistências elétricas numa junção PN de um módulo termoelétrico[7]. ............................. 26

Figura 3.13 - Dimensões do elemento termoelétrico do tipo N. ................................................................ 27

Figura 3.14 - Dimensões do elemento termoelétrico do tipo P. ................................................................. 27

Figura 3.15 - Representação das dimensões do metal da junção e caminho percorrido pela corrente

elétrica. .............................................................................................................................................. 28

Figura 3.16 - Representação do contacto entre os elementos termoelétricos e o metal da junção. ............ 28

Figura 3.17 - Circuito elétrico representativo de um módulo termoelétrico. ............................................. 29

Figura 3.18 - Circuito elétrico representativo de um módulo termoelétrico com uma carga

acoplada. ............................................................................................................................................ 29

Figura 4.1 - Princípio de funcionamento de um Heat Pipe [39] . .............................................................. 44

Figura 4.2 - Princípio de funcionamento de um Heat Pipe de Condutância Variável [39]. ...................... 45

Figura 4.3 - Transferência de calor através de um sólido de espessura constante [43]. ............................. 47

Lista de Figuras

xiv Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos


Figura 4.4 - Resistências Consideradas no modelo Térmico. .................................................................... 50

Figura 4.5 - Resistências térmicas de um módulo termoelétrico. ............................................................... 51

Figura 4.6 - Modelo do condensador implementado. ................................................................................. 52

Figura 4.7 – Ilustração da necessidade de utilizar um fator de forma devido à espessura e secção de

transferência de calor não constantes no condensador. ...................................................................... 53

Figura 4.8 - Fluxo de calor por unidade de área relativa ao modelo de condensador implementado,

incluído o bloco fictício de alta condutividade para uniformização do fluxo de calor. ...................... 54

Figura 4.9 - Circuito elétrico equivalente ao modelo térmico. ................................................................... 56

Figura 4.10 - Resistências Térmicas que Compõem a Resistência Térmica Equivalente do Lado

Quente. ............................................................................................................................................... 57

Figura 4.11 - Resistência Térmica dos Elementos Termoelétricos, Calor por Efeito de Joule e

Calor por Efeito Peltier. ..................................................................................................................... 58

Figura 4.12 - Resistências Térmicas que Compõem à Resistência Térmica do Lado Frio. ....................... 58

Figura 5.1 - Esquema geral do gerador Termoelétrico. .............................................................................. 64

Figura 5.2 - Modelo do Evaporador do Heat Pipe. .................................................................................... 65

Figura 5.3 - Fotografia do Evaporador com Alhetas. ................................................................................. 65

Figura 5.4 - Modelo da conduta de gases. .................................................................................................. 66

Figura 5.5 - Vista em corte da conduta de gases. ....................................................................................... 66

Figura 5.6 - Implementação da conduta de gases. ...................................................................................... 67

Figura 5.7 - Ventilador para extração de gases. ......................................................................................... 67

Figura 5.8 - Gerador termoelétrico com os blocos e módulos termoelétricos colocados. .......................... 68

Figura 5.9 - Bloco para colocação dos módulos termoelétricos. ................................................................ 68

Figura 5.10 - Vista em corte de um bloco do condensador. ....................................................................... 69

Figura 5.11 - Vista do topo inferior do bloco. ............................................................................................ 69

Figura 5.12 - Vista do topo superior do bloco. ........................................................................................... 70

Figura 5.13 - Nomenclatura dos módulos termoelétricos. ......................................................................... 70

Figura 5.14 - Bloco condensador com módulos e condutas de arrefecimento acopladas. ......................... 71

Figura 5.15 - Vista em corte de uma conduta de arrefecimento. ................................................................ 71

Figura 5.16 - Implementação dos blocos com os módulos e as condutas de arrefecimento. ...................... 72

Figura 5.17 - Parte superior do gerador. ..................................................................................................... 73

Figura 5.18 - Válvulas de entrada e saída de ar e manómetro de pressão. ................................................. 73

Figura 5.19 - Manómetros utilizados para as leituras da pressão. .............................................................. 74

Figura 5.20 - Vista em corte do copo de arrefecimento. ............................................................................ 74

Figura 5.21 - Fotografia do copo de arrefecimento. ................................................................................... 74

Figura 5.22 - Tanque de expansão. ............................................................................................................ 75

Figura 5.23 - Módulo termoelétrico RS 6937116 [46]. .............................................................................. 76

Figura 5.24 - Esquema de dimensões dos módulos RS 6937116 [47]. ....................................................... 76

Figura 5.25 - Placa de aquisição de temperaturas NI 4350. ....................................................................... 82

Figura 5.26 - Termopares com bainha metálica utilizados para leitura das temperaturas. ......................... 82

Figura 5.27 - Interface gráfico do programa de aquisição de temperaturas VirtualBench. ........................ 83

Figura 5.28 - Parte da folha de cálculo com os dados exportados do VirtualBench. ................................. 83

Figura 5.29 - Furações nos blocos para colocação dos termopares. ........................................................... 85

Figura 5.30 - Furações nas condutas de arrefecimento para colocação dos termopares. ........................... 86

Lista de Figuras

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xv Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho

Figura 5.31 - Placa para aquisição de tensões NI 6008. ............................................................................. 86

Figura 5.32 - Parte da folha de cálculo com dados exportados do LabView .............................................. 87

Figura 5.33 - Gerador preparado para entrar em funcionamento. .............................................................. 88

Figura 5.34 - Entrada de gases na conduta. ................................................................................................ 89

Figura 5.35 - Queimador utilizado para simulação dos gases de escape.................................................... 94

Figura 5.36 - Análise individual do funcionamento do bloco 3. ................................................................ 99

Figura 5.37 - Bombas de vácuo utilizadas para obter baixas pressões de trabalho no HP [7]. ................ 108

Figura 6.1 - Esquema geral do gerador Termoelétrico e implementação real. ......................................... 122

Figura 6.2 - Modelo em SolidWorks do evaporador do Heat Pipe. ......................................................... 123

Figura 6.3 - Desenho em SolidWorks do modelo da conduta de gases. .................................................. 123

Figura 6.4 - Imagem da conduta de gases e respetivo suporte implementados. ....................................... 124

Figura 6.5 - Esquema geral e dimensões do gerador termoelétrico com blocos em série. ....................... 125

Figura 6.6 - Bloco com módulos e condutas de arrefecimento acopladas, em SolidWorks. .................... 126

Figura 6.7 - Colocação dos módulos termoelétricos, das condutas de arrefecimento e do isolamento

em lã de rocha. ................................................................................................................................. 127

Figura 6.8 - Aquisição de dados com sistema em funcionamento. .......................................................... 128

Figura 6.9 - Motor utilizado para a simulação dos gases de escape ......................................................... 140

Figura 6.10 - Entrada de gases, provenientes do motor de combustão, no gerador termoelétrico. .......... 140

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xvii Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho

Lista de Gráficos

Gráfico 3.1 - Figura de Mérito dos principais semicondutores dopados do tipo P e do tipo N,

utilizados nos módulos termoelétricos [37]. ...................................................................................... 25

Gráfico 3.2 - Potência elétrica e a sua derivada em função da resistência de carga. .................................. 32

Gráfico 3.3 - Potência elétrica, tensões, corrente elétrica e resistência elétrica interna num módulo

termoelétrico em função da diferença de temperatura entre as suas faces. ........................................ 36


termoelétrico em função do número de junções na mesma área. ....................................................... 37


termoelétrico em função do comprimento dos elementos termoelétricos. ......................................... 38


termoelétrico em função da espessura do metal da junção. ............................................................... 39


termoelétrico em do valor da resistência de carga. ............................................................................ 40

Gráfico 4.1 - Diferenças de temperatura entre as faces dos módulos, entre os elementos

termoelétricos e quantidade de calor, em função da temperatura fixa do lado quente. ...................... 59

Gráfico 5.1 - Tensão em vazio em função da diferença de temperatura entre as faces dos módulos

RS 6937116 [47]. ............................................................................................................................... 77

Gráfico 5.2 - Potência em função da diferença de temperatura entre as faces dos módulos RS

6937116 [47]. ..................................................................................................................................... 77

Gráfico 5.3 - Tensão em função da diferença de temperatura entre faces dos módulos RS 6937116,

com a face fria a 37 ºC. ...................................................................................................................... 77


com a face fria a 37 ºC. ...................................................................................................................... 78

Gráfico 5.5 - Resistência elétrica interna dos módulos RS 6937116 em função da diferença de

temperatura entre as faces, com a face fria a 37 ºC. ........................................................................... 79

Gráfico 5.6 - Potência elétrica máxima obtida para os módulos RS 6937116, com a face fria a

37 ºC. ................................................................................................................................................. 79

Gráfico 5.7 - Potência térmica dos módulos RS 6937116 em função da diferença de temperatura

entre as faces, com a face fria a 37 ºC................................................................................................ 80



Gráfico 5.9 - Condutância Térmica dos módulos RS 6937116 em função da diferença de


Gráfico 5.10 - Condutividade Térmica dos módulos RS 6937116 em função da diferença de


Gráfico 5.11 - Pressão absoluta em função da temperatura de ebulição da água [51]. .............................. 95

Gráfico 5.12 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 1 bar,

174,5 ml de água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 83,5 L/h. ..................................... 96

Gráfico 5.13 - Tensões em vazio e em carga de cada bloco, com gerador funcionando a 1 bar,

174,5 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 83,5 L/h. .......................................... 97

Gráfico 5.14 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando

a 1 bar, 174,5 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 83,5 L/h. ............................. 98


174,5 ml de água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,2 L/h. ..................................... 99

Gráfico 5.16 - Diferenças de temperatura entre o interior do HP e as faces quentes dos módulos e

entre as faces frias e a água do circuito de arrefecimento, relativas ao bloco 3 do gerador. ............ 100

Lista de Figuras

xviii Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos


Gráfico 5.17 - Potência elétrica e tensões do bloco 3, com gerador funcionando a 1 bar, 174,5 ml

de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 85,2 L/h. ....................................................... 101


174,5 ml de água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,3 L/h. .................................... 102

Gráfico 5.19 - ΔT_TEG_Média_bloco3 para gerador funcionando a 12 bar 174,5 ml de água no

interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,3 L/h. ..................................................................... 103

Gráfico 5.20 - Potência elétrica e Tensões no bloco 3, com gerador funcionando a 12 bar 174,5 ml

de água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,3 L/h. ................................................... 104

Gráfico 5.21 - Rendimento do bloco 3, com gerador funcionando a 12 bar 174,5 ml de água no

interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,33 L/h. ................................................................... 104


174,5 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,8 L/h. ................................... 105

Gráfico 5.23 - Temperaturas internas do HP para as várias pressões testadas. ........................................ 106

Gráfico 5.24 - Potências elétricas obtidas para as várias pressões testadas .............................................. 107

Gráfico 5.25 - Resultados relativos ao funcionamento do bloco 3 a diferentes pressões ......................... 107

Gráfico 5.26 - Pressão em função da temperatura de ebulição (Água vs Dowtherm) [51]. ..................... 109

Gráfico 5.27 - Temperaturas medidas e potências térmica e elétrica calculadas para teste a 0,244

bar, 174,5 ml de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,3 L/h. ................... 110

Gráfico 5.28 - Potência elétrica e tensões no bloco 3, com gerador funcionando a 0,244 bar,

174,5 ml de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,3 L/h. .......................... 111


entre as faces frias e a água do circuito de arrefecimento, relativas ao bloco 3 do gerador ............. 112

Gráfico 5.30 - Temperaturas medidas e potências térmica e elétrica calculadas para teste a 2,3 bar,

174,5 ml de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,7L/h ............................ 113

Gráfico 5.31 - Potência elétrica e tensões no bloco 3, com gerador funcionando a 2,3 bar, 174,5 ml

de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,7 L/h .......................................... 114

Gráfico 5.32 - Temperaturas internas do HP para as várias pressões testadas ......................................... 114

Gráfico 5.33 - Potências elétricas obtidas para as várias pressões testadas .............................................. 115

Gráfico 5.34 - Tensão, Potência Elétrica e Rendimento dos relativos à sequência de testes com

Dowtherm A. .................................................................................................................................... 116

Gráfico 5.35 - Potência Elétrica (Água vs Dowtherm A). ........................................................................ 117

Gráfico 5.36 - Potência térmica (Água vs Dowtherm A). ........................................................................ 118

Gráfico 5.37 - Rendimento (Água vs Dowtherm A). ............................................................................... 119


78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 72 L/h. ........................................ 129


a 1 bar, 78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 72 L/h. ................................ 130




a 1 bar, 78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h. ........................... 132

Gráfico 6.5 - Tensões em vazio e em carga de cada bloco, com gerador funcionando a 1 bar, 78,4

ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h. ................................................ 133




a 12 bar, 78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h. ......................... 135

Lista de Figuras

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xix Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho


ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h. ................................................ 136

Gráfico 6.9 - Temperaturas internas do HP para as várias pressões testadas com água. ......................... 136

Gráfico 6.10 - Rendimentos para as várias pressões testadas com água. ................................................. 137


Água. ................................................................................................................................................ 137

Gráfico 6.12 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 0,035

bar, 78,4 ml de Dowtherm A no interior do HP e caudal de arrefecimento de 109,1 L/h. ............... 138


a 0,035 bar, 78,4 ml de Dowtherm A no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h. ....... 139


78,4 ml de Água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 109,1 L/h. .................................. 141


a 1 bar, 78,4 ml de Água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h. .......................... 142

Gráfico 6.16 - Potência elétrica calculada para diferentes valores da temperatura do HP, utilizando

gases de escape do motor de combustão. ......................................................................................... 144

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xxi Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho

Lista de Tabelas

Tabela 3-1 - Materiais utilizados em termopares e respetivos coeficientes de Sebeeck a 0ºC [27]. .......... 16

Tabela 3-2 - Tipos de termopares e suas principais características [28]. ................................................... 17

Tabela 3-3 - Materiais termoelétricos usados em módulos e o respetivo Coeficiente de Seebeck

(temperatura ambiente) [24]. ............................................................................................................. 19

Tabela 3-4 - Características e dimensões do elemento termoelétrico do tipo n. ........................................ 34

Tabela 3-5 - Caraterísticas e dimensões do elemento termoelétrico do tipo n. .......................................... 34

Tabela 3-6 - Caraterísticas e dimensões do metal da junção. ..................................................................... 34

Tabela 3-7 - Caraterísticas do contacto entre o metal da junção e os elementos termoelétricos. ............... 35

Tabela 3-8 - Caraterísticas e output de um módulo termoelétrico. ............................................................ 35

Tabela 3-9 - Output de um módulo termoelétrico para uma resistência de carga atribuída. ...................... 35

Tabela 3-10 - Influência dos diversos parâmetros no desempenho dos módulos termoelétricos ............... 41

Tabela 4-1 - Condutividade Térmica dos Materiais [25][40]. ................................................................... 47

Tabela 4-2 - Calor especifico dos materiais [25][40]. ................................................................................ 48

Tabela 4-3 - Variáveis para o cálculo da resistência de condensação do bloco [25] [38]. ......................... 52

Tabela 4-4 - Resistências Térmicas para o modelo com 4 módulos [25][38][40]. .................................... 55

Tabela 4-5 - Significado dos símbolos utilizados no modelo elétrico [7][25]. .......................................... 56

Tabela 5-1 - Nomenclatura dos módulos termoelétricos ........................................................................... 70

Tabela 5-2 - Caraterísticas elétricas e térmicas dos módulos RS 6937116 [47]. ........................................ 76

Tabela 5-3 - Nomenclatura e local de medição das temperaturas no gerador ............................................ 84

Tabela 5-4 - Nomenclatura relativa à leitura de tensões. ........................................................................... 87

Tabela 5-5 - Temperaturas calculadas. ...................................................................................................... 90

Tabela 5-6 - Pressões testadas e respetivos pontos de ebulição da água. ................................................... 95

Tabela 5-7 - Pressões testadas e respetivos pontos de ebulição do Dowtherm A. ................................... 109

Tabela 6-1 - Nomenclatura e local de medição das temperaturas no gerador. ......................................... 127

Tabela 6-2 - Pressões testadas e respetivos pontos de ebulição. .............................................................. 129

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xxiii Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho

Lista de Acrónimos

COP Coeficiente de performance (no modo arrefecimento)

COPH Coeficiente de performance (no modo aquecimento)

FEM Força eletromotriz

HP Heat Pipe

TEG Módulo Termoelétrico

VCHP Variable Condutance Heat Pipe

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xxv Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho

Lista de Constantes

Símbolo Significado Valor Unidade

Capacidade Calorífica

Especifica da Água 4186 J/(kg.K)

Capacidade Calorífica

Especifica do Dowtherm A 1055 J/(kg.K)

Pi 3,1415 -

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xxvii Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho

Lista de Variáveis

Símbolo Significado Unidade

A Área

Capacidade Calorífica Especifica J/(kg.K)

d Diâmetro m

I Corrente elétrica A

k Condutividade térmica W/(m.K)

m Massa kg

P Potência W

Q Calor W

Calor por condução W

Calor resultante do fluxo W

Calor absorvido por efeito Peltier na face quente W

Calor libertado por efeito Peltier na face fria W

R Resistência elétrica Ω

Resistência elétrica de contacto entre o cobre e os elementos

termoelétricos Ω

Resistência elétrica de carga Ω

Resistência elétrica interna dos módulos termoelétricos Ω

Resistência elétrica de uma junção PN Ω

Resistência elétrica do elemento termoelétrico do tipo N Ω

Resistência elétrica do elemento termoelétrico do tipo P Ω

S Secção

T Temperatura ºC;K

Temperatura da junção fria ºC

Temperatura da junção quente ºC

V Tensão V

Nomenclatura

xxviii Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos


Z Figura de mérito 1/K

ZT Figura de mérito -

ΔT Diferença de Temperatura V

ΔV Diferença de potencial V

Coeficiente de Seebeck V/ ºC

Coeficiente de Seebeck do elemento termoelétrico do tipo N V/ ºC

Coeficiente de Seebeck do elemento termoelétrico do tipo P V/ ºC

Coeficiente de Peltier V

Resistividade elétrica Ω.m

Rendimento %

Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 1 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho

CAPÍTULO 1

Introdução

1.1. Enquadramento Geral e Motivações

Observando os automóveis que são comercializados atualmente, verifica-se que

cada vez apresentam mais funcionalidades ou recursos exigentes do ponto de vista

energético, nomeadamente a nível de energia elétrica. São responsáveis por este tipo de

exigência energética, por exemplo, painéis informativos cada vez mais complexos,

sistemas de navegação, sistemas de iluminação mais elaborados, sistemas eletrónicos

para controlo da velocidade, sistemas de vídeo e áudio, ar condicionado, um sem

número de sensores e atuadores com as mais diversas funções, entre outros. Este tipo de

aplicações, quando instaladas num automóvel com motor de combustão interna,

representam um aumento da carga mecânica do motor, causado pelo aumento da carga

elétrica com origem nas mesmas. Desta forma os automóveis apresentam maior

consumo de combustível e consequentemente libertam mais gases poluentes,

nomeadamente CO2. Este tipo de consequência agrava os já existentes problemas

ambientais para os quais os automóveis sempre contribuíram, relacionados com a

poluição, o aquecimento global, as alterações climáticas e a dependência de

combustíveis fósseis, que levaram as instituições governamentais a impor limites

máximos de emissões relativas aos gases poluentes dos automóveis [1].

Como resposta a este problema, e também com o objetivo de encontrar soluções

mais económicas, os fabricantes de automóveis têm explorado soluções que lhes

permitam obter resultados neste sentido, apostando no desenvolvimento de carros

ecológicos, sendo que muitas dessas soluções passam por veículos que nem sequer

funcionam com combustíveis fósseis [2]. São um exemplo os carros movidos a motor

elétrico, no entanto o seu preço tem constituído um entrave à sua aquisição, sendo

estimado por algumas fontes que existam apenas 250 carros elétricos em Portugal

(março de 2012), o que faz com que o impacto positivo, no meio ambiente, da sua

utilização não se faça sentir [3]. Outras soluções passam por utilizar diferentes tipos de

operação, isto é, automóveis que têm motor de combustão interna e motor elétrico em

simultâneo, combinando o seu funcionamento, os híbridos. Este tipo de veículos tem

CAPÍTULO 1 - Introdução

2 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos


associado, na maioria dos casos, o sistema de travagem regenerativa, aproveitando a

energia das travagens para carregar as baterias, tornando-os automóveis com baixa taxa

de emissão de gases poluentes [4]. Existem outras soluções, como por exemplo os

veículos movidos a energia solar, não tão conhecidos como os anteriores, como é o

exemplo do Fiat Phylla.

Ainda que o mercado já apresente outras soluções, a maioria dos veículos é

movida com recurso a motor de combustão interna, cuja distribuição de energia é

possível verificar na figura 1.1.

Figura 1.1 - Distribuição de energia num automóvel com motor de combustão interna [5][6][7].

Observando a figura acima, constata-se que aproximadamente 1/3 da energia

com origem no combustível químico fornecido ao veículo é desperdiçada sob a forma

de calor através do tubo de escape, e que somente menos de 1/3 dessa mesma energia do

combustível é responsável pela mobilidade do veículo. É a energia desperdiçada pelo

tubo de escape sob a forma de calor que se pretende utilizar para gerar energia elétrica,

construído um gerador com módulos termoelétricos, que tiram partido do calor libertado

e possam gerar energia. Desta forma é reduzido o uso do alternador, pois parte da

energia que teria de gerar pode ser produzida através módulos termoelétricos.

1.2. Objetivos e Contribuições

Este projeto tem como principais objetivos, em termos práticos, a caraterização

de um gerador termoelétrico que utiliza módulos termoelétricos e recorre a Heat Pipes

como forma de controlar e transferir o calor até aos mesmos, para além do projeto,

simulação, construção e teste de um novo modelo de gerador capaz de aproveitar o calor



residual dos gases de escape dos automóveis para geração de energia elétrica. Em

termos teóricos prevê o desenvolvimento do modelo elétrico que traduza o

funcionamento dos módulos termoelétricos, assim como o desenvolvimento de um

modelo térmico que reflita o tipo de sistema implementado. A relevância técnico-

científica deste projeto, prende-se no facto de utilizar heat pipes como forma de

controlar a temperatura transmitida até à face quente dos módulos, em alternativa aos

bypass, utilizados pela maioria das soluções encontradas para este tipo de

reaproveitamento de energia [7]. Os sistemas de bypass apenas utilizam uma parte do

calor dos gases de escape, reduzindo assim a temperatura dos gases e evitando que a

temperatura ultrapasse o limite de operação dos módulos. No que diz respeito aos heat

pipes, estes aproveitam na totalidade a energia térmica transmitida pelos gases de

escape, sendo o seu papel controlar a temperatura transmitida à face quente dos

módulos.

1.3. Organização e Estrutura da Dissertação

Esta dissertação está organizada em sete capítulos, sendo os dois iniciais

capítulos introdutórios, que de um modo geral enquadram e situam este trabalho. No

capítulo “Introdução” é destacada a relevância técnico-científica deste projeto,

realçando o que acrescenta àquilo que o mercado já tem para oferecer relativamente ao

aproveitamento do calor de gases de escape em automóveis para produção de energia

elétrica. É também referida a importância em termos económicos e ambientais da

realização deste tipo de aproveitamento, bem como as motivações para o fazer. Neste

capítulo são ainda referidos os objetivos a nível teórico e prático, bem como a

abordagem ao desenvolvimento dos geradores termoelétricos. O segundo capítulo

introdutório é intitulado “Estado da Arte” e contém uma pesquisa de geradores

termoelétricos construídos com o propósito de aproveitar os gases de escape dos

automóveis para produção de energia elétrica. Alguns geradores apresentados neste

capítulo são apenas protótipos enquanto outros são comercializados por marcas

conhecidas de automóveis ou camiões. É descrita a tecnologia utilizada no

desenvolvimento desses dispositivos apresentados, bem como analisados os resultados

obtidos por eles.

Os dois capítulos seguintes têm como objetivo explicar todos os conceitos e

teoria que suportam o desenvolvimento do trabalho prático e que de um modo geral se

dividem em duas áreas principais: a termoeletricidade e a termodinâmica. Assim, no

capítulo três, intitulado “Termoeletricidade”, é explicado o princípio de funcionamento




dos módulos termoelétricos bem como os fenómenos elétricos nos quais se baseiam.

São também apresentados alguns materiais usados na sua construção e as respetivas

características físicas dos mesmos. O capítulo termina com a apresentação de um

modelo matemático do funcionamento de um módulo termoelétrico, seguido de um

modelo Excel construído com base no anterior. O primeiro permite conhecer as

equações que traduzem o funcionamento dos módulos e o segundo permite variar os

diversos parâmetros e conhecer os efeitos produzidos no desempenho dos mesmos.

No capítulo quatro, Termodinâmica, são abordados conceitos teóricos

associados à transferência de calor, bem como alguns mecanismos desenvolvidos com

esse objetivo, nomeadamente os heat pipes de condutância variável. Este quarto

capítulo apresenta também o modelo térmico do sistema implementado. Este modelo

permite conhecer a diferença de temperatura entre as faces dos módulos termoelétricos,

quando conhecidas as resistências térmicas do sistema.

Os capítulos cinco e seis são capítulos que abordam o trabalho prático realizado,

sendo cada um deles referente a um gerador termoelétrico diferente. No capítulo cinco é

efetuada a caraterização e análise de um gerador termoelétrico já existente. São

explicados os sistemas de aquisição de dados utilizados nos ensaios experimentais

realizados e apresenta a análise aos resultados obtidos. Os gases de escape são

simulados recorrendo a queimadores de gás butano.

O capítulo seis apresenta um gerador termoelétrico construído com vista a

melhorar alguns aspetos de funcionamento do gerador apresentado no capítulo anterior,

mas com uma configuração diferente. Neste caso, os ensaios realizados contemplam

gases de escape simulados com queimadores e gases de escape reais de um motor

diesel. É também feita a análise aos resultados obtidos e a respetiva comparação com o

desempenho do modelo anterior.

O último capítulo, intitulado “Conclusões e Trabalho Futuro”, contém uma

conclusão técnica de todo o trabalho bem como algumas sugestões do trabalho que pode

vir a ser desenvolvido para melhorar os resultados obtidos.


CAPÍTULO 2

Estado da Arte

2.1. Introdução

As máquinas térmicas são conhecidas pela sua baixa eficiência de conversão do

calor em energia mecânica. De facto o calor é uma forma de energia mais desorganizada

(com maior grau de entropia) que a energia mecânica pelo que possui intrinsecamente

menor potencial de eficiência que a energia elétrica.

Os motores de combustão interna tipicamente desperdiçam cerca de 2/3 do

combustível sob a forma de calor. Tendo em conta que atravessamos uma era em que as

questões ambientais assumem um papel muito importante, sendo globais e crescentes as

preocupações com questões relacionadas com eficiência energética, emissões de gases

com efeito de estufa e poupança de recursos naturais, é importante reduzir o desperdício

energético que ocorre nos automóveis. Esta perda de energia tem sido reconhecida

como tendo potencial de aproveitamento para geração de energia elétrica com recurso a

módulos termoelétricos [8][9].

2.2. Módulos Termoelétricos

As sucessivas tentativas de aproveitar a energia térmica e convertê-la em energia

elétrica tiveram início ainda na primeira metade do século XIX, quando em 1821, o

físico alemão Thomas Johann Seebeck constatou que um circuito formado pela junção

de dois metais de diferentes tipos passa a ser fonte de uma diferença de potencial

elétrico quando as junções são submetidas a diferentes temperaturas [10]. Com a

descoberta deste fenómeno iniciou-se uma longa caminhada de investigação e

desenvolvimento de módulos termoelétricos (TEG). Várias tentativas se seguiram até

surgir o primeiro TEG comercial, aparecendo este no Reino Unido no ano de 1925 para

alimentar os dispositivos de rádio. O primeiro TEG comercial, conhecido como

Thermattaix, usou um maçarico para aquecer a junção quente, e ar ambiente para a

junção fria. A investigação de materiais termoelétricos baseados em semicondutores

iniciou-se no século XX, no Physical Technical Institute (PTI), na ex-URSS, entre os

anos de 1920 e 1930, incidindo esses estudos nas propriedades mecânicas, elétricas e

CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade



térmicas dos materiais. Por volta de 1936, foi mostrado no PTI que era possível criar um

semicondutor de ambos os tipos N e P, levando a que surgisse o

primeiro TEG comercial baseado em semicondutores dopados em 1954 na URSS [9].

Atualmente várias marcas desenvolvem TEGs com capacidade para suportar

temperaturas entre os duzentos e trezentos graus celsius, podendo ser utilizados em

aplicações que variam dos mili-watts até aos quilowatts. São um exemplo disso a Hi-Z

Thecnology, que prevê ainda construir conversores para temperaturas de operação até

500 ºC [11].

Hoje em dia existem no mercado uma série de fabricantes que apresenta

módulos termoelétricos com as mais variadas características, sendo os mais conhecidos

a HI-Z Thecnology, Ferrotec, Kryotherm, Thermonamic, EverRedTronics,

Thermoelectricsupplier, Waronix, Tetech e Sctbnord. A gama de temperaturas varia

desde os 180 ºC suportados pelos módulos da Sctbnord, até aos 320 ºC suportados pelo

módulos da Thermonamic, sendo os últimos capazes de gerar 31,5 W de potência

elétrica. Os módulos da Kyrotherm são os que se apresentam com maior rendimento,

aproximadamente 5,3% [7].

2.3. Geradores Termoelétricos

A recuperação do calor desperdiçado através dos gases de escape e dos sistemas

de refrigeração dos automóveis tem ainda uma história recente. Segundo algumas fontes

o primeiro gerador termoelétrico com esse objetivo surgiu por volta de 1963, não sendo

conhecidos dados concretos com relação a pormenores de implementação e resultados

obtidos [9].

Anos mais tarde foi aplicado um gerador termoelétrico no motor de um Porsche

944, sendo a potência máxima de saída de 58 W [7][9][12].

No entanto, pode dizer-se que os projetos de grande envergadura tiveram início

mais tarde com o teste e construção de um gerador termoelétrico de 1 kW para

aplicação em motores diesel, em 1987 no U.S. Department of Energy’s (DOE) ao abrigo

do programa Energy Related Inventions. Na primeira fase do programa foi projetado e

construído um gerador termoelétrico de 200 W para motores diesel, sendo apresentado

numa conferência em Cardiff, País de Gales no ano de 1991. O propósito do

desenvolvimento do gerador de 1 kW foi de aproveitar o calor residual proveniente dos

gases de escape de um camião e transformá-lo em energia elétrica para posteriormente

ser utilizada por este veículo, reduzindo assim o uso do alternador. Isto permitiria

economizar combustível, reduzir custos de manutenção e emissões de gases poluentes.



Embora a fase de estudo e projeto de este gerador estivessem concluídas em 1990, só

em meados de 1993 este sistema estaria pronto para testes, sendo esta etapa do

desenvolvimento suportada conjuntamente pelo U.S. Department of Energy’s e pela

California Energy Commission [9][12][13]. Na figura 2.1 e na figura 2.2 podemos ver

imagens relativas à fase de testes já em ambiente real, ou seja, a fase em que o gerador

já estava implementado no camião.

Figura 2.1 - Local da implementação do gerador

termoelétrico no camião com motor

diesel [7][13].

Figura 2.2 - Gerador termoeléctrico

implementado num camião com motor

diesel [7][14].

O gerador usa 72 módulos de telureto de bismuto Hi-Z 13, para converter

diretamente o calor desperdiçado em energia elétrica como o que pode ser visualizado

na figura 2.3.

Figura 2.3 - Conversor termoeléctrico da Hi-Z Technology [13].

O conjunto de testes e alterações efetuados incluíram a utilização de dois

motores distintos. Numa fase inicial o motor de 14 litros Cummins NTC 275, sendo

gerados 400W de potência efetiva. Após a resolução de um problema detetado, que

estaria relacionado com a camada limite de transferência de calor e após efetuados

novos testes num motor NTC 325, foram obtidos 1068 W de potência de saída [13]. Foi

também instalado um gerador de 1 kW, utilizando conversores Hi-Z 14, num Kenworth

Truck com motor de 550 HP diesel, com o objetivo de efetuar testes de durabilidade,

tendo sido obtida uma vida de 874000 km [14]




Em 1998 no Nissan Research Center, foi projetado e testado um gerador

termoelétrico, construído com 72 módulos de silício germânio para aplicar num motor

de 3000cc a gasolina. Os resultados obtidos para este gerador foram de 35,5W de

potência [7][15].

Figura 2.4 - Esquemático do gerador termoelétrico desenvolvido pela Nissan [15].

Em Novembro 2004, a BSST iniciou um desenvolvimento de um sistema de alta

eficiência para recuperação de resíduos térmicos em veículos de passageiros ao abrigo o

programa Freedom Car Office do U.S. Department of Energy’s. À semelhança de outros

projetos desta natureza o objetivo era reduzir o consumo de combustível, substituindo

uma parcela significativa da energia elétrica produzida pelo alternador, pela energia

elétrica produzida a partir da conversão do calor dos gases de cape. A equipa BSST

incorporava membros da BMW, Visteon e Marlow Industries. O automóvel usado para

testes foi o BMW 530i, com motor 3000cc a gasolina. Em 2005 na DEER Conference,

foi apresentado este projeto e respetivos resultados. Segundo os autores este dispositivo

tem a capacidade máxima de gerar 1 kW de potência, permitindo economizar até 10%

em combustível [8][16]. Na figura 2.5 pode ser visto o esquemático da implementação

do gerador.

Figura 2.5 - BMW série 5 com gerador termoelétrico [17].



A Volkswagen desenvolveu um protótipo de veículo equipado com um gerador

termoelétrico para recuperação de calor desperdiçado no escape, este projeto foi

apresentado em 2008 no Thermoelektrik-Eine Chance Für Die Atomobillindustrie,

encontro que teve lugar em Berlim. A Volkswagen afirma conseguir uma potência de

saída da 600W para condução em autoestrada. Na figura 2.6, podemos ver um

Volkswagen onde este sistema se encontra implementado [19].

Figura 2.6 - Volkswagen com sistema de recuperação de calor para produção de energia

elétrica [18].

Segundo os autores, a energia produzida por este dispositivo atende a cerca de

30% das necessidades elétricas do veículo, resultando numa redução da carga mecânica

(alternador) e uma redução no consumo de combustível em mais de 5% [19].

Em 2010 equipa de investigação da General Motors desenvolveu um gerador

termoelétrico e realizou testes num Chevrolet Suburban, afirmando que resulta numa

economia de combustível na ordem dos 5%, apesar de não especificar as potências

envolvidas. A figura 2.7 mostra o esquema de implementação deste sistema de

recuperação de calor para produção de energia elétrica [20].

Figura 2.7 - Recuperação do calor dos gases de escape num Chevrolet Suburban [20].

A instalação do gerador termoelétrico pode ser vista em pormenor na figura 2.8,

sendo possível ver o tubo de escape e a válvula de bypass utilizada para limitar a

passagem do calor.




Figura 2.8 - Pormenor da implementação de um gerador termoelétrico num Chevrolet

Suburban [20].

A Ford também desenvolveu um sistema de recuperação de calor utilizando

módulos termoelétricos de Bi2Te3. O gerador termoelétrico foi implementado num Ford

Fusion, esperando atingir uma potência de 500 W. A figura 2.9 mostra um automóvel

com este sistema implementado[21].

Figura 2.9 - Ford Fusion com sistema de recuperação do calor dos gases de escape [21].

O sucesso deste tipo de recuperação de calor dos gases de escape dos

automóveis estará sempre dependente dos materiais constituintes dos módulos

termoelétricos e da temperatura suportada por estes.

2.4. Outras formas de reaproveitamento do calor dos gases de escape

Existem ainda outras formas de aproveitar a energia proveniente dos gases de

escape a serem desenvolvidas. As suas principais desvantagens relativamente à

utilização de módulos termoelétricos são a sua complexidade construtiva mais propensa

a falhas mas sobretudo a sua atual impossibilidade de “downsizing” para as baixas

potências típicas dos carros utilitários. É um exemplo o sistema Organic Rankine Cycle,

em que o calor é utilizado para aquecer um líquido, normalmente com relativamente

baixo ponto de ebulição, para gerar gases de elevada pressão, fazendo mover uma



turbina. Existem também casos em que é utilizado um êmbolo no lugar da turbina. Todo

este processo é cíclico, isto é, o líquido evapora, faz girar a turbina, condensa, e é

bombeado repetindo-se o processo. A instalação destes sistemas pode refletir-se numa

economia de combustível até 18% [22]. A figura 2.10 mostra o princípio de

funcionamento destes sistemas.

Figura 2.10 - Sistema de aproveitamento de calor Organic Rankine Cycle [22].

O sistema Turbosteamer da BMW, enquadra-se neste tipo de dipositivos de

aproveitamento de calor, visto que aproveita o calor do tubo de escape para produzir

vapor a elevada pressão que é transmitido a um eixo de manivelas. A BMW não

especifica qual o líquido utilizado, nem a pressão que o vapor atinge, mas assegura que

poderá levar a uma economia de combustível na ordem dos 17%, não especificando

também quais as condições de operação [22]. A figura 2.11 contém um esquemático

relativo à instalação do referido sistema.

Figura 2.11 - Sistema Turbosteamer da BMW [22].




Existem também os sistemas conhecidos como Turbo-Compounding (Turbo

composto), que aproveitam a energia dos gases de escape para moverem diretamente

uma turbina (sem intermédio de vapor) convertendo-a em potência de saída no eixo e

eventualmente convertendo essa potência de saída no eixo em energia elétrica [23]. Este

sistema é utilizado em veículos pesados, como é o caso da Caterpillar que garante que

reduzem o consumo de combustível entre 3 a 5% em ciclo e até 10% em picos [22].

A Visteon UK Ltd, criou um dispositivo semelhante chamado TIGRES (Turbo-

generator Integrated Gas Energy Recovery System), que consiste num pequeno

turbogerador instalado num bypass do tubo de escape, por baixo do coletor de escape do

motor. O sistema de controlo regula a quantidade de gases que circulam pelo bypass,

passando pela turbina e acionando o gerador. A figura 2.12 mostra um esquemático

deste sistema.

Figura 2.12 - Sistema de reaproveitamento energético dos gases de escape TIGRES [22].

A Visteon assegura uma redução do consumo de combustível entre 5 a 10%, e

garante que a simplicidade do sistema irá permitir a aplicação nos mais diversos tipos

de veículos. As potências geradas estarão entre os 2 e os 4 kW [22].

A pesquisa efetuada ao longo deste subcapítulo, relativa a sistemas de

recuperação do calor de gases de escape dos automóveis para geração de energia

elétrica, permitiu concluir que todos estes sistemas utilizam válvulas de bypass

controladas eletronicamente como forma de baixar a temperatura dos gases de escape,

enquadrando-as nas temperaturas máximas suportadas pelos módulos. Este será um

fator importante da abordagem ao trabalho prático, sendo procuradas alternativas a estes

sistemas de bypass.


CAPÍTULO 3

Termoeletricidade

3.1. Introdução

A termoeletricidade consiste na conversão direta de uma diferença de

temperatura numa diferença de potencial elétrico e vice-versa [24]. Um dispositivo

termoelétrico cria uma tensão elétrica quando há uma diferença de temperatura em cada

lado. Inversamente, quando é aplicada uma tensão elétrica ao mesmo, ele cria uma

diferença de temperatura. Para estudar estes dispositivos é necessário analisar os

fenómenos que estão relacionados com o comportamento que possuem. Os efeitos de

Seebeck (1823), Peltier (1835) e Thomson (1851) são a explicação para o

funcionamento destes dispositivos [7][24][25]. Neste capítulo será estudado o

comportamento de módulos termoelétricos com base nos efeitos referidos

anteriormente. É desenvolvido também um modelo teórico dos módulos termoelétricos

que permite avaliar a influência de vários parâmetros no seu desempenho.

3.2. Efeito Seebeck

Em 1823, Thomas Seebeck relatou resultados de experiências em que uma agulha

de bússola era desviada quando colocada na proximidade de um circuito fechado,

formado a partir de dois condutores diferentes, quando uma das junções foi aquecida.

Thomas Seebeck concluiu erradamente que a interação era um fenómeno magnético,

sendo posteriormente verificado que se devia a uma corrente elétrica nesse mesmo

circuito [25][26]. A sensibilidade dos materiais à diferença de temperatura, fazendo com

que seja criada uma diferença de potencial elétrico é conhecida por Coeficiente de

Seebeck e é dada pela seguinte relação:

Eq. 3.1

Observando o comportamento dos eletrões numa junção composta por dois

condutores distintos é possível uma melhor compreensão deste fenómeno, observe-se

então a figura 3.1.




Figura 3.1 - Movimento dos eletrões numa junção de diferentes materiais submetida a uma

diferença de temperatura [24].

Quando um gradiente de temperatura é introduzido ao longo do comprimento de

um condutor metálico, os eletrões passam a difundir-se de uma extremidade para a outra

desse mesmo condutor. O sentido em que se difundem os eletrões depende das

propriedades elétricas do condutor, que podem fazer com que tenha um coeficiente de

Seebeck positivo ou negativo [26]. Como pode ser observado na figura 3.1, no condutor

A, com um coeficiente de Seebeck negativo, os eletrões deslocam-se da região quente

para a fria, que possui níveis de energia mais baixos, criando-se assim uma diferença de

potencial elétrico ao longo do condutor [24]. No condutor B, com um coeficiente de

Seebeck positivo, o movimento dos eletrões ocorre no sentido oposto, obtendo-se assim

uma diferença de potencial elétrico aos terminais de ambos os condutores na região fria,

que é proporcional à diferença de temperatura entre as regiões quente e fria. A diferença

de potencial numa junção é dada pela eq. 3.2.

( ) ( ) Eq. 3.2

Este princípio permite o desenvolvimento de dispositivos com finalidades

distintas, os mais comuns são os sensores de temperatura e módulos termoelétricos. A

figura 3.2 ilustra as diferenças no princípio de funcionamento de cada um destes

dispositivos.



a) Sensor de temperatura baseado no efeito

Seebeck.

b) Gerador elétrico baseado no efeito

Seebeck.

Figura 3.2 - Efeito Seebeck aplicado a sensores de temperatura e geradores de energia elétrica.

Observam-se então na figura 3.2 os dois modos de operação distintos de um

módulo termoelétrico, tendo como princípio de funcionamento o efeito de Seebeck. Na

figura a), é medida a diferença de potencial gerada, princípio de funcionamento de um

termopar. Na figura b), é fechado o circuito com uma carga, sendo assim percorrido por

uma corrente elétrica, está então no modo de geração de energia, como acontece nos

módulos termoelétricos.

Relativamente aos sensores de temperatura a sua função é, essencialmente, fazer

aquisição de um sinal que permite posteriormente quantificar a temperatura a que se

encontra uma das junções. A figura 3.3 ilustra o funcionamento de um termopar

baseado no princípio explicado anteriormente.

Figura 3.3 - Princípio de funcionamento de um termopar [7][24].

Pode ver-se na figura acima o objeto do qual se pretende medir a temperatura,

em contacto com uma junção, bem como a outra extremidade dos condutores




mergulhada num banho de gelo, com o objetivo de servir de referência, pois este

princípio só permite medir diferenças de temperatura [24]. O banho de gelo deve

permanecer a uma temperatura constante de modo que a referência não seja alterada,

evitando assim perturbar a medição. A diferença de potencial gerada necessita

posteriormente de ser acondicionada, de forma a poderem ser utilizadas as leituras. O

circuito eletrónio deverá contemplar também um sinal que serve de referência,

conhecido como ponto de gelo eletrónico, não sendo necessário utilizar um banho de

gelo. Na tabela 3-1 é possível ver alguns materiais utilizados nas junções em

termopares, bem como os respetivos coeficientes de Seebeck.

Tabela 3-1 - Materiais utilizados em termopares e respetivos coeficientes de Sebeeck a 0ºC [27].

Material Coeficiente Sebeeck

(μV/ºC)

Alumínio 3,5

Antimónio 47

Bismuto -72

Cádio 7,5

Carbono 3,0

Chumbo 4,0

Constantan -35

Cobre 6,5

Ferro 19

Germânio 300

Mercúrio 0,60

Níquel -15

Níquel-Crómio 25

Ouro 6,5

Platina 0

Potássio -9.0

Prata 6,5

Ródio 6,0

Selénio 900

Silício 440

Sódio -2,0

Tântalo 4,5



Telúrio 500

Tungsténio 7,5

A tabela 3-2 mostra as principais combinações de materiais existentes para

termopares, que se encontram padronizadas, bem como os seus limites de operação, erro

característico e diferença de potencial gerada.

Tabela 3-2 - Tipos de termopares e suas principais características [28].

Tipo de

termopar

Elemento

Termoelétrico

Positivo

Elemento

Termoelétrico

Negativo

Limites

temperatura

F.E.M.

Produzida

Erro

Padrão

B 70,4% Platina

29,6% Ródio

93,9% Platina

6,1% Ródio 0 a 1820 ºC

0 a

13,820 mV 0,50%

E 90% Níquel

10% Crómio

55% Cobre

45 % Níquel

-270 a

1000 ºC

-9,835 a

76,373 mV 0,50%

J 99,5% Ferro 55% Cobre

45 % Níquel

-210 a

760 ºC

-8,096 a

42,919 mV 0,75%

K 90% Níquel

10% Crómio

95% Níquel

2% Manganésio

2% Alumínio

1% Silício

-270 a

1200 ºC

-6,458 a

48,838 mV 0,75%

R 87 % Platina

13% Ródio 100% Platina

-50 a

1768 ºC

-0,226 a

21,101 mV 0,25%

S 90% Platina

10% Ródio 100% Platina

-50 a

1768 ºC

-0,236 a

18,693 mV 0,25%

T 100% Cobre 55% Cobre

45% Níquel

-270 a

400 ºC

-6,258 a

20,872 mV 0,75%

Funcionam também segundo este princípio os módulos termoelétricos, que são

dispositivos concebidos para transformar energia térmica em energia elétrica. Um

módulo termoelétrico é constituído por NJunções semelhantes à apresentada na figura 3.4

onde está também ilustrado o seu modo de funcionamento.




Figura 3.4 - Junção PN de um módulo termoelétrico [29].

Como apresentado na figura acima, existe uma fonte de calor que aquece a

junção quente dos materiais, provocando o movimento dos eletrões explicado

anteriormente. Os elementos termoelétricos são de diferentes tipos, o do tipo P possui

coeficiente de Seebeck positivo, enquanto o do Tipo N possui um coeficiente de Seebeck

negativo. Na junção fria dos elementos dissipa-se o calor, podendo recorrer-se a formas

de acelerar ou melhorar esse processo, como por exemplo colocando sistemas de

refrigeração a água acoplados. O circuito é fechado com uma resistência de carga,

fazendo com que seja percorrido por uma corrente elétrica. A figura 3.5 mostra o

esquema de um módulo termoelétrico.

Figura 3.5 - Esquema geral de um módulo termoelétrico [30].

As junções encontram-se ligadas eletricamente em série, fazendo com a

diferença de potencial obtida aos seus terminais seja resultado da soma da diferença de

potencial em cada junção. Termicamente as junções são ligadas em paralelo, fazendo

com que a diferença de temperatura seja aproximadamente igual em cada junção. A

tabela 3-3 seguinte mostra alguns dos matérias utilizados como elementos

termoelétricos, bem como os respetivos coeficientes de Seebeck.



Tabela 3-3 - Materiais termoelétricos usados em módulos e o respetivo Coeficiente de Seebeck

(temperatura ambiente) [24].

Material Símbolo Químico Coeficiente de

Seebeck (μV/K)

Níquel Ni -18

Crómio Cr 18

Bismuto Bi -60

Antimónio Sb 40

Telureto de

bismuto BI2Te3 -240

Telureto de

Antimónio Sb2Te3 92

Observando a tabela verifica-se que os principais materiais usados são o Níquel,

Crómio, Bismuto, Telúrio e Antimónio, também o Silício e o Germânio são

frequentemente usados.

3.3. Efeito Peltier

Em 1834, cerca de 12 anos após a descoberta de Thomas Seebeck, Jean Peltier

descobriu um efeito complementar ao efeito Seebeck, quando observou alterações de

temperatura na proximidade de junções formadas por materiais diferentes, quando

percorridas por uma corrente elétrica, isto é, uma das junções arrefecia enquanto outra

aquecia [25]. Peltier descobriu também que dependendo do sentido que o fluxo de

corrente apresente, determinada junção pode libertar ou absorver calor, como ilustra a

figura 3.6.

a) Aquecimento por Peltier

b) Arrefecimento por Peltier

Figura 3.6 - Diferentes modos de operação do efeito Peltier.




Na figura 3.6 observam-se junções percorridas por uma corrente elétrica em

sentidos opostos, sendo na imagem a) libertado calor na parte superior da junção,

funcionando como aquecedor, enquanto na imagem b) o calor é absorvido na parte

superior da junção, funcionando como arrefecedor.

Em 1951, Thomson, também conhecido por Lord Kelvin, consegui estabelecer

uma relação entre este fenómeno e o efeito de Seebeck, relacionando ambos os

coeficientes. Previu também um terceiro fenómeno relacionado com o aquecimento e

arrefecimento de um único condutor quando submetido a um gradiente de temperatura

[25]. A relação entre estes dois fenómenos é estabelecida pela eq. 3.3 que permite

conhecer o coeficiente de Peltier a partir do coeficiente de Seebeck [31]:

Eq. 3.3

É ainda possível determinar a quantidade de calor absorvida ou libertada em

cada junção, resultante do efeito Peltier. O calor absorvido ou libertado é expresso

matematicamente pelas seguintes equações [32]:

( )

( )

Eq. 3.4

Eq. 3.5

O calor absorvido ou libertado é proporcional à corrente elétrica que percorre o

circuito, como se pode constatar na eq. 3.4 e eq. 3.5.

3.4. Efeito Thomson

O efeito Thomson refere-se à capacidade de qualquer condutor elétrico, quando

submetido simultaneamente a uma diferença de temperatura e percorrido por uma

corrente elétrica, produzir ou absorver energia sob a forma de calor. Por outras palavras,

o efeito Thomson é a manifestação do fluxo de eletrões relativamente ao gradiente de

temperatura, assim os eletrões absorvem calor que vai no sentido oposto do gradiente de

temperatura e libertam quando flui no mesmo sentido [25].



Figura 3.7 - Ilustração do Efeito Thomson [33].

A figura 3.7 ilustra o que foi dito anteriormente, com o condutor a absorver

calor quando o fluxo de eletrões tem sentido oposto ao gradiente de temperatura e a

libertar calor quando possuem o mesmo sentido. No entanto este efeito é pouco

significativo quando comparado às trocas energéticas ocorridas devido ao efeito Peltier

ou ao efeito de Joule, pelo que é frequentemente desprezado nos modelos teóricos.

3.5. Arrefecimento/Aquecimento usando módulos termoelétricos

Quando se pretende aplicar o efeito Peltier para desenvolver módulos

termoelétricos com a função de arrefecimento ou aquecimento deve ter-se em

consideração outros fenómenos que estão presentes na transferência de calor. De forma

ativa está presente a energia libertada quando uma corrente elétrica percorre qualquer

material (Efeito de Joule), enquanto de forma passiva existem ainda a condução, a

convecção, a radiação [32].

Como referido anteriormente o efeito de Joule também se manifesta. Este efeito

está relacionado com o calor libertado por um condutor quando percorrido por uma

corrente elétrica e pode ser obtido pela eq. 3.6:

Eq. 3.6

A resistência elétrica dos materiais depende, naturalmente, do material utilizado

e das dimensões do mesmo, sendo necessário conhecer a resistividade do material, a

secção e o comprimento a fim de ser determinada. Este efeito está presente em todas as

partes de uma junção PN, tanto nos elementos termoelétricos como no metal da junção,

para além do contacto entre ambos, visto que todas estas partes são percorridas pela

corrente elétrica, como está representado na figura 3.8.




Figura 3.8 - Ilustração Efeito de Joule numa Junção PN.

Tendo tudo isto em consideração, e visto que é libertada energia de igual forma

em ambas as partas de cada junção, considera-se que metade do calor é libertado na

junção quente e a outra metade é libertada na junção fria [24][34].

Para além do efeito Peltier e do efeito de Joule, os modelos apresentados pelos

fabricantes de módulos consideram também a condução de calor através dos elementos

termoelétricos, isto é, o calor libertado na face quente é conduzido pelos materiais até à

face fria, este aspeto deve ser considerado quando analisada a totalidade do calor

absorvido ou libertado em dada junção [24][35]. A figura 3.9 representa o referido

fluxo de calor.

Figura 3.9 - Fluxo de calor por condução entre a Face Quente e a Face Fria de uma junção PN.

Assim sendo, a condutividade térmica dos elementos termoelétricos deve ser o

mais pequena possível, para que não seja reduzida significativamente a diferença de

temperatura entre as faces, implicando uma diminuição da potência elétrica gerada. A

quantidade de calor transferido pode ser conhecida através da eq. 3.7:

Eq. 3.7



O fluxo de calor por condução depende da condutância térmica (K) e da

diferença de temperatura entre as faces do módulo (ΔT), sendo que a condutância

térmica é dada pela eq. 3.8:

Eq. 3.8

A condutância térmica depende da condutividade térmica do material (k), da

secção dos elementos termoelétricos (S) e do seu comprimento (l). Considerando então

estas transferências de calor referidas, o calor libertado na face quente de uma junção é

dado pela eq. 3.9:

Eq. 3.9

Relativamente ao calor absorvido na junção fria, pode ser determinado através

da eq. 3.10:

Eq. 3.10

São desta forma conhecidas as equações que permitem saber a energia absorvida

e libertada em cada lado de uma junção, sendo necessário multiplicar os seus resultados

pelo número de junções ligadas eletricamente em série.

A principal aplicação destes efeitos é o arrefecimento de dispositivos, como por

exemplo: refrigeradores portáteis, refrigeração de componentes eletrónicos e

dispositivos de pequeno porte e até em alguns desumidificadores [36]. Aplica-se então

num módulo termoelétrico uma fonte de tensão aos seus terminais, fazendo com que

seja percorrido por uma corrente, é acoplado o objeto a ser arrefecido à face fria e um

dissipador de calor à face quente, sedo esta a instalação básica de um dispositivo destes,

como pode ser visto na figura 3.10.

Figura 3.10 - Arrefecimento por Peltier.




O desempenho destes dispositivos, como função de arrefecimento, pode ser

quantificado através do coeficiente de performance (COP), que relaciona o calor

absorvido com a potência elétrica consumida [35]. O coeficiente de performance é

conhecido através da eq. 3.11:

Eq. 3.11

Pode também produzir-se o efeito inverso, conhecido como aquecimento por

Peltier, faz-se alterando o sentido da corrente. A figura 3.11 mostra o princípio de

funcionamento.

Figura 3.11 - Aquecimento por Peltier.

O desempenho destes dispositivos, com função de aquecimento, pode ser

quantificado pelo coeficiente de performance como aquecedor (COPH), que relaciona o

calor libertado com a potência elétrica consumida, e é dado pela eq. 3.12.

Eq. 3.12

3.6. Classificação dos materiais

A medida que permite avaliar o desempenho geral de um dispositivo ou material

termoelétrico é conhecida por figura de mérito e representa-se pela letra Z [35]. Esta

medida tem em conta vários aspetos, desde o coeficiente de Sebeeck dos materiais,

resistividade elétrica e a condutividade térmica, como se pode verificar na eq. 3.13.

Eq. 3.13

Quanto maior o coeficiente de Seebeck de determinada junção de material, maior

será a tensão gerada aos seus terminais, sendo também maior a figura de mérito. Quanto

menor a condutividade térmica, menor o calor que é conduzido da face quente até à face



fria de uma junção, proporcionando maiores diferenças de temperatura entre as faces e

maior figura de mérito. A resistividade elétrica também deve ser a menor possível, desta

forma menores serão as perdas por efeito de Joule e maior será a potência elétrica

gerada. Assim sendo, o coeficiente se Seebeck deve ser elevado em contraste com a

baixa condutividade térmica e a baixa resistividade elétrica [7].

O gráfico 3.1 mostra a figura de mérito dos principais materiais usados na

construção de módulos termoelétricos em função da temperatura. À esquerda podem

ver-se os semicondutores dopados do tipo P, enquanto do lado direito podem ser vistos

os semicondutores dopados do tipo N.

Gráfico 3.1 - Figura de Mérito dos principais semicondutores dopados do tipo P e do tipo N,

utilizados nos módulos termoelétricos [37].

Verifica-se que a figura de mérito dos materiais sofre uma elevada variação com

a temperatura, sendo necessário selecionar os materiais para fabrico dos módulos

termoelétricos de acordo com a aplicação pretendida. Para aplicações que necessitem de

operar numa gama de temperaturas mais elevadas, na ordem dos 1000 K, as

combinações de SiGe são as mais indicadas por terem maior figura de mérito a essa

temperatura. As combinações de BiTe3 e de PbTe são melhores para aplicações abaixo

dessa gama de temperaturas, nomeadamente a 350 K e a 700 K respetivamente.

Pode ser determinada a figura de mérito de uma junção de dois materiais

semelhantes aos apresentados no gráfico acima. A figura de mérito é obtida através da

eq. 3.14 [25].

( )

[( ) ( )

]

Eq. 3.14

Desta forma é possível avaliar qual a combinação de materiais que proporciona

uma maior figura de mérito, garantindo um melhor desempenho de um dispositivo a ser

desenvolvido.




3.7. Modelo elétrico de um módulo termoelétrico

Este subcapítulo apresenta o modelo elétrico de funcionamento dos módulos

termoelétricos. Este modelo relaciona as diversas variáveis relativas ao funcionamento

destes dispositivos e apresenta as equações que traduzem o seu princípio de

funcionamento. Iniciando pela resistência elétrica interna de um módulo termoelétrico,

esta pode ser determinada tendo em conta as dimensões dos materiais utilizados na sua

construção, bem como as suas propriedades físicas. Desta forma, baseado no estudo a

seguir apresentado, foi construído um modelo em Microsoft Excel que posteriormente

permitirá estudar a influência desses mesmos fatores no desempenho do módulo. A

figura 3.12 permite perceber quais as diferentes resistências elétricas consideradas no

modelo.

Figura 3.12 - Resistências elétricas numa junção PN de um módulo termoelétrico[7].

Observando a figura acima vê-se que, por cada junção existente num módulo

termoelétrico têm de ser consideradas quatro resistências de contacto, duas vezes a

resistência do metal da junção, uma vez a resistência do elemento termoelétrico do tipo

N e uma vez a resistência do elemento termoelétrico do tipo P. Desta forma tem-se a

resistência elétrica de uma junção dada pela eq. 3.15:

Eq. 3.15

Os passos seguintes mostram como são determinadas as resistências elétricas

referidas anteriormente, inicia-se então a análise pelo elemento termoelétrico do tipo N.



Figura 3.13 - Dimensões do elemento termoelétrico do tipo N.

Na figura 3.13 está representado um elemento do tipo N, com as etiquetas

atribuídas a cada dimensão. Assim, a resistência elétrica de um elemento do tipo N é

dada pela eq. 3.16:

Eq. 3.16

No que se refere ao cálculo da resistência elétrica do material do tipo P o

procedimento é semelhante, como pode ser visto a seguir.

Figura 3.14 - Dimensões do elemento termoelétrico do tipo P.

Observa-se então na figura 3.14, à semelhança do efetuado para o elemento do

tipo N, a representação de um elemento do tipo P e das respetivas dimensões, sendo

possível determinar a sua resistência elétrica pela eq. 3.17:

Eq. 3.17

Relativamente à resistência elétrica do metal da junção, não só é importante

conhecer as suas dimensões e propriedades físicas, mas também caminho pelo qual a

corrente circula. Desta forma será feita uma melhor aproximação da distância percorrida

pela corrente, distância essa denominada por Passo.




Figura 3.15 - Representação das dimensões do metal da junção e caminho percorrido pela corrente

elétrica.

Conhecendo as dimensões e distâncias representadas na figura 3.15, conhecendo

também a resistividade elétrica do metal utilizado ( ), é possível determinar a sua

resistência através da eq. 3.18.

Eq. 3.18

Quanto à resistência elétrica do contacto entre os elementos termoelétricos e o

metal da junção, que está representado na figura 3.16, esta é obtida através da eq. 3.19,

em que é a resistividade elétrica do contacto.

Figura 3.16 - Representação do contacto entre os elementos termoelétricos e o metal da junção.

Eq. 3.19

Após determinar a resistência elétrica de uma junção é necessário apenas

multiplicá-la pelo número total de junções existente no módulo termoelétrico. Desta

forma a resistência elétrica total é obtida através da eq. 3.20.



Eq. 3.20

Construindo um circuito elétrico representativo de um módulo a funcionar como

gerador e acoplando uma carga elétrica é possível estudar o circuito e o seu

funcionamento em função dos vários parâmetros desse modelo, como por exemplo

verificar a potência gerada em função da carga escolhida. Na figura 3.17 pode ser visto

o modelo elétrico de um módulo termoelétrico, este modelo é composto por uma fonte

de tensão e por uma resistência, que representa a resistência elétrica interna do módulo.

A tensão aos terminais deste circuito é em vazio, visto que não existe nenhuma carga a

fechar o circuito.

Figura 3.17 - Circuito elétrico representativo de um módulo termoelétrico.

Na figura 3.18 encontra-se um circuito semelhante ao da figura 3.17, tendo este

agora uma resistência de carga que fecha o circuito e faz com que seja percorrido por

uma corrente elétrica.

Figura 3.18 - Circuito elétrico representativo de um módulo termoelétrico com uma carga

acoplada.




Utilizando a lei das malhas para analisar o modelo simplificado do módulo

termoelétrico, presente na figura 3.18 tem-se:

Eq. 3.21

Desenvolvendo obtêm-se a seguinte expressão:

Eq. 3.22

Pela lei de Ohm sabe-se que a corrente que percorre o circuito é dada por:

Eq. 3.23

Substituindo na eq. 3.22 obtém-se a seguinte equação:

Eq. 3.24

Simplificando a eq. 3.24 e colocando em ordem a Rinterna fica:

( )

Eq. 3.25

A eq. 3.25 permite determinar a resistência elétrica total de um módulo quando

não são conhecidas as dimensões e características físicas dos matérias que o constituem,

sendo para isso necessário realizar ensaios em vazio e em carga. A potência elétrica na

carga é dada pela eq. 3.26:

Eq. 3.26

Assim, de forma a obter a obter a expressão da potência elétrica desenvolvida,

resolve-se a equação eq. 3.25 em ordem a Vcarga:

Eq. 3.27

Substituindo na expressão eq. 3.26, tem-se:



( ) Eq. 3.28

Derivando a expressão da potência elétrica em função de Rcarga, de forma a ser

possível determinar o máximo da função, obtém-se a eq. 3.29:

( ) (( )

)

( )

(( )

)

(( ) )

Eq. 3.29

Calculando tem-se:

( )

( ) Eq. 3.30

Determinando os zeros da derivada é possível determinar os máximos/mínimos

da função, desta forma tem-se:

( )

( ) Eq. 3.31

Tendo em conta que e que , os zeros da função

encontram-se na eq. 3.32:

Eq. 3.32

Analisado o zero da derivada observa-se:

Desta forma é possível observar que a potência máxima é obtida quando o valor

de Rcarga é igual ao valor de Rinterna. O gráfico 3.2 mostra como varia a potência elétrica

com o valor da resistência de carga. É possível observar também que, de acordo com o




demostrado analiticamente, a potência máxima corresponde ao ponto em que a derivada

da potência elétrica é zero.

Gráfico 3.2 - Potência elétrica e a sua derivada em função da resistência de carga.

Admitindo que é sempre gerada a máxima potência, utilizando, por exemplo, um

conversor DC/DC com MPPT implementado (conversor que permite extrair a máxima

potência), a eq. 3.28 pode ser simplificada, sendo a potência elétrica dada pela :

Eq. 3.33

No caso de a resistência elétrica interna ser calculada pela eq. 3.20 a potência

elétrica para um módulo é dada pela:

Eq. 3.34

Um aspeto que pode ser importante quando se pretende construir um módulo para

uma aplicação particular é conhecer a sua área em função do número de junções a

utilizar, das dimensões dos elementos termoelétricos e do metal da junção. A eq. 3.35

permite conhecer a área total ocupada por um módulo, considerando os elementos P e N

de secção quadrada (Largura), distância entre elementos (Passo), conforme figura 3.15.



(((√ ) ) )

Eq. 3.35

3.8. Análise do modelo elétrico

O desenvolvimento de um modelo elétrico, permite saber como se comportará

um determinado módulo termoelétrico a desenvolver quando conhecidas as

características dos materiais a utilizar, ou seja, permite dimensionar um módulo para

uma aplicação específica, permite estudar o seu desempenho sem ter que o implementar.

No entanto o modelo construído apresenta uma limitação, que está relacionada com o

facto de não ter em conta a variação da resistividade elétrica e coeficiente de Seebeck

dos materiais com a temperatura, utiliza apenas um valor médio.

O modelo Excel apresentado é baseado nos cálculos e deduções apresentados no

subcapítulo anterior e permite analisar a influência de cada parâmetro no funcionamento

de um módulo. Neste modelo, como pode ser visto a seguir, são introduzidos os

parâmetros conhecidos, sendo calculados automaticamente todos os restantes possíveis

de calcular. Desta forma é possível incrementar ou decrementar gradualmente um

parâmetro do sistema e verificar como variam os restantes. As tabelas seguintes

mostram quais os parâmetros a introduzir e os parâmetros que são de cálculo

automático. Este modelo encontra-se calibrado para os módulos utilizados na parte

prática deste projeto (RS 6937116), sendo alguns valores relativos a propriedades físicas

dos materiais resultado de pesquisa, por não serem facultados pelo fabricante, levando a

que seja suscetível de apresentar ligeiros desvios relativamente aos referidos módulos.

A tabela 3-4 apresenta as caraterísticas relativas ao elemento termoelétrico do

tipo n, quer em termos de dimensões quer as propriedades físicas do material.

Relativamente à coluna “VALOR” das tabelas que se seguem, os valores contidos nas

células a azul são introduzidos, enquanto os presentes nas células a verde são calculados

automaticamente.




Tabela 3-4 - Características e dimensões do elemento termoelétrico do tipo n.

MATERIAL CARATERÍSTICA UNIDADE VALOR

Material Tipo n

Resistividade Elétrica Ω.m 1,50E-05

Comprimento m 3,00E-03

Largura m 4,00E-03

Profundidade m 4,00E-03

Secção m2 0,000016000

Coeficiente Seebeck V/ºC -1,90E-04

Resistência Elétrica Ω 2,81E-03

Como output da tabela 3-4 é possível ver a resistência elétrica do elemento. A

tabela 3-5 é semelhante à anterior, referindo-se desta vez ao elemento termoelétrico do

tipo P. Nesta tabela é admitido que as dimensões dos materiais de ambos os tipos são

iguais não sendo necessário introduzir novamente dimensões.

Tabela 3-5 - Caraterísticas e dimensões do elemento termoelétrico do tipo n.

Material Tipo p


Comprimento m 3,00E-03

Largura m 4,00E-03

Profundidade m 4,00E-03

Secção m2 0,000016

Coeficiente Seebeck V/ºC 1,90E-04


A tabela 3-6 é relativa ao metal da junção entre os materiais e contém, à

semelhança das anteriores, as suas dimensões e características. O output da tabela é

novamente o valor da resistência elétrica.

Tabela 3-6 - Caraterísticas e dimensões do metal da junção.

Metal da Junção (cobre)


Profundidade m 0,004

Espessura Metal m 9,00E-05

Passo m 6,50E-03

Secção m2 0,00000036


A tabela 3-7 é relativa ao contacto entre os elementos termoelétricos e o metal,

através da tabela é possível conhecer a sua resistência elétrica. Esta tabela apenas

necessita da introdução do valor relativo à resistividade elétrica do material, visto que

todas as caraterísticas já foram introduzidas anteriormente.



Tabela 3-7 - Caraterísticas do contacto entre o metal da junção e os elementos termoelétricos.

Contacto

Resistividade Elétrica Ω.m2 6,00E-09

Largura m 0,004

Profundidade m 0,004

Secção m2 0,000016


A tabela 3-8 refere-se à totalidade de um módulo termoelétrico, sendo possível

ver o seu output em termos de potência elétrica, tensão e corrente, isto para uma

resistência de carga igual à resistência interna do módulo.

Tabela 3-8 - Caraterísticas e output de um módulo termoelétrico.

Módulo

Número de Junções do Módulo (pares n-p) 49

Passo m 6,50E-03

Área módulo m2 0,003825016

Diferença de Temperatura ºC 192

Resistência do Material Tipo P Ω 1,38E-01

Resistência Material Tipo N Ω 1,38E-01

Resistência do Metal da Junção Ω 3,19E-02

Resistência dos Contactos Ω 7,35E-02

Resistência Elétrica Interna Total Ω 0,3810

Tensão Saída (Vazio) V 3,6

Tensão Saída (Carga) V 1,79

Potencia elétrica gerada W 8,39

Corrente gerada A 4,69

Pode também ser escolhida uma resistência de carga diferente da resistência

interna do módulo, pode então o output do sistema ser visto na tabela 3-9.

Tabela 3-9 - Output de um módulo termoelétrico para uma resistência de carga atribuída.

Carga Atribuída

Resistência de Carga Atribuída Ω 0,381

Tensão Saída (Carga) V 1,79

Potencia elétrica gerada W 8,39

Corrente gerada A 4,69

A seguir é apresentado um estudo da variação de alguns parâmetros

considerados mais importantes no desempenho dos módulos termoelétricos e verificado

o efeito provocado nos restantes. Inicialmente é verificado o comportamento de um




módulo termoelétrico com a variação da diferença de temperatura entre suas faces,

mantendo os restantes parâmetros os valores contidos nas tabelas acima. O gráfico 3.3

permite analisar a potência elétrica, as tensões em vazio e em carga, a corrente elétrica e

a resistência elétrica interna total.


termoelétrico em função da diferença de temperatura entre as suas faces.

Como é possível observar as tensões em vazio e em carga são funções lineares,

sendo a tensão em vazio o dobro da tensão em carga para o sistema funcionando em

modo de geração de potência máxima, ou seja, com Rcarga = Rinterna. A corrente elétrica

na carga é também uma função linear que vai aumentando com a diferença de

temperatura. A Potência elétrica apresenta um valor de 9,1 W para uma diferença de

temperatura de 200 ºC, que é a máxima diferença de temperatura suportada pelos

módulos da RS.

O gráfico 3.4 permite analisar a influência do número de junções mantendo a

área do módulo termoelétrico, para isso é diminuída gradualmente a secção dos

elementos termoelétricos e a distância entre eles (Passo). A variação de junções

simulada varia entre as 50 e as 150.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 40 80 120 160 200 240 280

Ten

são

[V

] ;

Co

rre

nte

[A

] ;

Re

sist

ên

cia

[Ω]

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Diferença de Temperatura [ºC]

Variação da Diferença de Temperatura

Potência elétricagerada

Tensão Saída(Vazio)

Tensão Saída(Carga)

Corrente ElétricaGerada

ResistênciaElétrica InternaTotal




termoelétrico em função do número de junções na mesma área.

Observando o gráfico acima é possível ver que com o aumento do número de

junções a resistência elétrica vai aumentando, aumento para o qual também contribui a

redução gradual da secção dos elementos termoelétricos. Até cerca das 85 junções o

aumento da potência elétrica faz-se notar, no entanto, a partir desse número de junções a

resistência elétrica interna faz com que a potência elétrica decresça.

Outro parâmetro cuja influência interessa estudar é o comprimento dos

elementos termoelétricos e que o gráfico 3.5 ajuda a perceber.

0

2

4

6

8

10

12

0

2

4

6

8

10

12

14

16

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Ten

são

[V

] ;

Co

rre

nte

[A

] ;

Re

sist

Ênci

a [Ω

]

Po

tên

cia

[W]

Número de Junções

Variação do Número de Junções Mantendo a Área do Módulo Termoelétrico

Potênciaelétrica gerada



CorrenteElétrica Gerada






termoelétrico em função do comprimento dos elementos termoelétricos.

É possível verificar que ocorre um decréscimo em termos de potência elétrica

devido ao aumento provocado pela resistência elétrica. Quanto às tensões permanecem

constantes independentemente do comprimento dos elementos. No entanto é importante

referir que este modelo não tem em consideração os aspetos térmicos, desta forma

analisando o gráfico 3.5 é possível observar que quanto menor o comprimento dos

elementos, maior é a potência térmica gerada, mas na realidade há que contar com um

comprimento mínimo que impede que ambas as faces estejam à mesma temperatura.

Assim é necessário encontrar um equilíbrio, não podendo ser o comprimento tão

pequeno de forma a que o calor passe da face quente para a face fria anulando a

diferença de temperatura, nem tão grande que aumente comprometedoramente a

resistência elétrica interna.

No que se refere à variação da secção do metal da junção (Espessura x

Profundidade) o gráfico 3.6 permite perceber a sua influência.

0

1

2

3

4

5

6

0

5

10

15

20

25

30

0E+00 1E-02 2E-02 3E-02 Ten

são

[V

] ;

Co

rre

nte

[A

] ;

Re

sist

ên

cia

Elé

tric

a [Ω

]

Po

tên

cia

[W]

;

Comprimento Elementos Termoelétricos [m]

Variação do Comprimento dos Elementos Termoelétricos

Potência elétricagerada








termoelétrico em função da espessura do metal da junção.

O aumento da secção leva a uma ligeira diminuição da resistência elétrica

interna do módulo, e a um ligeiro aumento da potência elétrica gerada. Verifica-se que a

influência deste parâmetro, à semelhança do que acontece com o Passo, não é muito

acentuada, sendo necessárias grandes alterações para que seja sentido o seu efeito.

Todas as variações de parâmetros estudadas até agora são efetuadas

considerando que a resistência de carga é igual a resistência elétrica interna do módulo

termoelétrico, no entanto pode também simular-se uma variação da resistência de carga

mantendo todos os restantes parâmetros. O gráfico 3.7 permite verificar o desempenho

de um módulo em função do valor da resistência de carga.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0E+00 2E-06 4E-06 6E-06 8E-06 1E-05

Ten

são

[V

] ;

Co

rre

nte

[A

] ;

Re

sist

Ênci

a [Ω

]

Po

tên

cia

[W]

Espessura [m]

Variação da Secção do Metal da Junção

Potênciaelétrica gerada









termoelétrico em do valor da resistência de carga.

É possível verificar que a potência elétrica tem um valor máximo quando a

resistência de carga iguala a resistência elétrica interna do módulo, decrescendo

posteriormente. A resistência elétrica interna mantém-se constante, pois nada foi

alterado do ponto de vista físico no módulo. A tensão na carga é crescente, no entanto à

medida que aumenta o valor da resistência de carga a tensão cresce a uma taxa menor.

A corrente na carga decresce com o aumento da resistência de carga.

A tabela 3-10 apresenta num resumo da análise gráfica efetuada anteriormente,

desta forma é possível ver qual a resposta dos módulos termoelétricos às diversas

alterações estudadas. Na primeira linha da tabela estão os parâmetros sobre os quais se

pretende estudar a variação, enquanto na primeira coluna constam os parâmetros que

permitem a avaliação do efeito produzido por essas variações.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Ten

são

[V

] ;

Co

rre

nte

[A

] ;

Re

sist

Ênci

a [Ω

]

Po

tên

cia

[W]

Carga [Ω]

Variação da Resistência de carga

Potenciaelétrica gerada



Corrente gerada




Tabela 3-10 - Influência dos diversos parâmetros no desempenho dos módulos termoelétricos

Observando a tabela é possível conhecer mais rapidamente que variáveis

manipular para alcançar determinado efeito do desempenho/comportamento do módulo

termoelétrico.

A construção do modelo elétrico permite estudar o comportamento dos módulos

termoelétricos variando os mais diversos parâmetros, sendo aplicável a qualquer tipo de

módulos termoelétricos quando conhecidas as características físicas dos seus materiais.

A interação com um modelo térmico fiável, considerando a variação da resistividade

elétrica das materiais com a temperatura, tornariam este modelo um elemento de estudo

útil para efetuar simulações mais completas.


CAPÍTULO 4

Termodinâmica

4.1. Introdução

Este capítulo aborda os sistemas de transferência de calor utilizados neste

projeto. É estudado como se processa a transferência de calor ao nível dos Heat Pipes e

dos módulos termoelétricos. A construção do modelo térmico apresentado permitiu

estudar e prever o comportamento do sistema a implementar, através da análise do

circuito elétrico equivalente. Inicialmente é exposto o princípio de funcionamento dos

Heat Pipes, seguindo-se a explicação de conceitos teóricos sobre transferências de calor

e a construção do modelo térmico.

4.2. Heat Pipes

Quando se realizam projetos na área dos termoelétricos, nomeadamente quando

se trabalha com módulos termoelétricos para geração de energia elétrica, é importante

certificar que os limites de operação, em termos de temperatura, destes dispositivos não

são ultrapassados, sob pena de os danificar irremediavelmente. No entanto, é igualmente

importante tirar o máximo partido deles, aproveitando o máximo de calor disponível na

fonte de calor e controlando a temperatura presente na face quente destes dispositivos.

A ideia de utilizar Heat Pipes para controlar e transmitir calor foi sugerida pela

primeira vez por R.S. Gaugler em 1942. No entanto, foi em 1960, quando G.M. Grover

os inventou, que suas propriedades notáveis foram apreciadas e o desenvolvimento sério

começou. Os Heat Pipes são considerados ótimos condutores de calor, uma vez que

possuem elevada condutividade térmica [38]. Assim, estes mecanismos respondem às

necessidades do projeto que se pretende implementar, sendo a solução adotada para o

seu desenvolvimento. A figura 4.1 permite compreender como funcionam estes

sistemas.

CAPÍTULO 4 - Termodinâmica



Figura 4.1 - Princípio de funcionamento de um Heat Pipe [39] .

Pode então observar-se que consiste num tubo fechado que serve de recipiente

para um fluido, conhecido como fluido de trabalho, que será o transportador de energia

térmica até à outra extremidade do mesmo tubo. Uma fonte de calor é adicionada ao

sistema na extremidade que contém o líquido, fazendo com que vaporize, criando assim

um fluxo de vapor que transmite o calor através do seu contacto com as paredes internas

do tubo. A área onde ocorre este processo é conhecida como área de evaporação ou

evaporador. A parte superior do tudo, conhecida como área de condensação ou

condensador, é onde o vapor condensa libertando calor, criando-se assim um fluxo de

condensado que desce pela paredes do tubo pela ação da gravidade, voltando o líquido a

acumular-se na base do tubo, repetindo-se este processo ciclicamente enquanto a fonte

de calor estiver disponível [38]. A temperatura alcançada ao longo deste tubo de calor,

depende do líquido utilizado, da pressão no interior do HP e do comprimento e do tubo.

A temperatura no Heat Pipe depende do ponto de ebulição do líquido de

trabalho utilizado que, como se sabe, irá depender da pressão a que se encontra o

interior do tubo estanque. Com este princípio de funcionamento é possível escolher o

líquido que melhor se adequa a uma aplicação particular e manipular o seu ponto de

ebulição alterando a pressão. Esta alteração de pressão pode consistir até numa

diminuição de pressão, utilizando uma bomba de vácuo para retirar ar do HP, que

permite baixar a temperatura de operação. A diminuição de pressão é também aplicada

em situações em que a temperatura da fonte de calor não é suficiente para que o líquido

de trabalho atinja o ponto de ebulição, sendo necessário baixar a pressão e

consequentemente o ponto de ebulição para que o sistema possa funcionar. Um aumento

de pressão permite atingir temperaturas superiores devido ao aumento da temperatura de

ebulição do líquido de trabalho.



No entanto a utilização deste tipo de Heat Pipes para transferir calor de forma

controlada revela alguns problemas na estabilização da temperatura, isto é, torna-se

difícil manter a temperatura essencialmente devido ao aumento de pressão ocorrido na

mudança de fase do fluido. Este problema apenas pode ser ultrapassado com a utilização

de uma variante dos Heat Pipes convencionais, passando a solução pela utilização de

Heat Pipes de Condutância Variável.

4.2.1. Heat Pipes de Condutância Variável (VCHP)

Os Heat Pipes de Condutância Variável têm uma característica que os distingue

dos Heat Pipes convencionais, isto é, a capacidade de manter a temperatura

aproximadamente constante independentemente da carga térmica fornecida ao sistema.

A figura 4.2 mostra o esquemático de um VCHP.

Figura 4.2 - Princípio de funcionamento de um Heat Pipe de Condutância Variável [39].

Como se observa na figura é acoplado na extremidade superior do HP, a jusante

do condensador, um tanque de expansão que permite que a pressão se mantenha

aproximadamente constante mesmo com a evaporação de grandes quantidades de fluido

[38]. Desta forma consegue-se que a temperatura no interior do HP estabilize numa

determinada temperatura sem que ocorram oscilações.

4.3. Transferência de calor

Sendo a termodinâmica definida como a ciência da energia, e sendo o calor uma

das formas possíveis de a transferir, é importante conhecer alguns dos princípios




fundamentais da termodinâmica de forma a compreender como se processam as

transferências de calor entre sistemas [40].

Desta forma a primeira lei da termodinâmica refere o princípio da conservação

da energia, ou seja, durante uma interação a energia pode mudar de uma forma para a

outra, mas a quantidade de energia permanece constante, pois a energia não pode ser

criada nem destruída. Por exemplo, se uma rocha cair de um penhasco ganha

velocidade, resultado da conversão da sua energia potencial gravítica em energia

cinética. Desta forma a mudança no teor da energia de um sistema é dada pela diferença

entre a entrada e saída de energia [40].

Eq. 4.1

A segunda lei da termodinâmica, outro dos seus princípios fundamentais, diz que

a energia tem quantidade e qualidade e que a sua transferência ocorre sempre no sentido

decrescente de energia. Por exemplo, se colocarmos uma chávena de café quente numa

sala fria, ela arrefece até à temperatura ambiente, mas se colocarmos uma chávena de

café frio na mesma sala, ela não aquece por si só [40]. Os princípios fundamentais da

termodinâmica complementam-se, não havendo a possibilidade de um invalidar outro.

Assim dois objetos atingem equilíbrio térmico quando as suas temperaturas estiverem

iguais, resultado de uma transferência de energia do mais quente para o mais frio.

A transferência de calor pode ocorrer de diferentes formas, como a convecção

térmica, radiação térmica e condução térmica, sendo necessário que exista uma

diferença de temperatura entre sistemas físicos para que a transferência ocorra. O

sentido da transferência é do sistema com temperatura mais elevada para o sistema com

temperatura mais baixa [40]. A convecção é a transferência de calor entre uma

superfície sólida e um fluido adjacente que se encontra em movimento, transportando

consigo energia sob forma de calor. Quanto mais rápido for o movimento do fluido

maior é o calor transferido por convecção [40][41]. Relativamente à radiação, é a

energia emitida pela matéria sob a forma de ondas eletromagnéticas, resultantes das

alterações das configurações eletrónicas dos átomos ou moléculas. É uma forma de

transferência de energia rápida e não sofre atenuação no vácuo [40]. A energia emitida

desta forma por um corpo depende essencialmente da sua temperatura, mas também da

natureza da sua superfície [42]. A transferência de calor por condução consiste na

transferência de calor por meio de agitação das moléculas. As moléculas presentes na

parte mais quente de um objeto têm maior energia cinética, transferindo assim o calor



para a parte mais fria devido à sua interação, sem qualquer movimento do objeto como

um todo, isto no caso de objetos sólidos [40][41]. A transferência de calor por condução

pode também ter lugar em líquidos ou gases, onde a condução se deve às colisões das

moléculas durante seu movimento aleatório [43]. A figura 4.3 ilustra a transferência de

calor através de um sólido de espessura constante.

Figura 4.3 - Transferência de calor através de um sólido de espessura constante [43].

A taxa de condução de calor através de um objeto com espessura constante é

diretamente proporcional à diferença de temperatura e à área de transferência, e

inversamente proporcional à espessura, assim tem-se a eq. 4.2:

Eq. 4.2

Onde k é a condutividade térmica do material, que atua como constante de

proporcionalidade. Quanto maior a condutividade térmica do material, maior a taxa de

condução de calor. A tabela 4-1 mostra a condutividade térmica de alguns dos materiais

utilizados no trabalho prático.

Tabela 4-1 - Condutividade Térmica dos Materiais [25][40].

Material Condutividade Térmica

(W/mK)

Cobre 401

Óxido de Alumínio 46

Telureto de Bismuto 1,20

Água 0,61

Ar 0,026

Alumínio 247

A resistência térmica, no caso da condução térmica, é dada eq. 4.3:




Eq. 4.3

Em que t é a espessura do material, k é a condutividade térmica e A a área. Desta

forma fluxo de calor por condução pode ser conhecido através da eq. 4.4.

Eq. 4.4

4.3.1. Quantidade de Calor/Potência Térmica

É possível estabelecer uma relação entre a quantidade de calor transferida para

um determinado corpo e a alteração de temperatura provocada pela mesma. Essa relação

depende da massa do corpo (m) e do calor específico (Cp) do material que o constitui

[44].

Eq. 4.5

O calor específico é uma propriedade termodinâmica do material, que traduz a

quantidade de calor por unidade de massa necessária para elevar a temperatura do corpo

1 ºC [45]. A tabela 4-2 mostra o valor do Cp de alguns materiais/substâncias utilizados

no trabalho prático.

Tabela 4-2 - Calor especifico dos materiais [25][40].

Material Calor Especifico (J/kg.K)

Água 4186

Ar 1005

Cobre 390

Dowtherm A 1055

Desta forma, é possível conhecer a quantidade de calor transferida para um

objeto/substância a fim de lhe criar uma determinada alteração na temperatura.

Escrevendo a eq. 4.5 em ordem a Q, tem-se:

Eq. 4.6



É possível constatar que quanto maior for a massa do corpo e o seu calor

especifico, maior será a quantidade de energia necessária para criar uma determinada

diferença de temperatura.

A potência térmica é a quantidade de energia por unidade de tempo. Desta forma

a potência térmica transferida entre sistemas é dada pela eq. 4.7:

Eq. 4.7

Esta expressão pode ser usada, por exemplo, para calcular a potência térmica

transferida para um determinado caudal mássico de fluido, fazendo:

( ) Eq. 4.8

Em que m/Δt é o caudal mássico do fluído e é a diferença de

temperatura entre a entrada e a saída do fluído.

4.4. Modelo Térmico

Este subcapítulo apresenta o modelo térmico do sistema implementado,

iniciando-se pela identificação das resistências térmicas em jogo. Este sistema é

composto por um bloco onde estão encostados 4 módulos termoelétricos (face quente

dos módulos), dois em cada face, e considera também duas condutas de arrefecimento

que estão encostadas à face oposta dos módulos (face fria dos módulos). Nas furações

do bloco circulará vapor a alta temperatura, enquanto nas condutas circulará água de um

circuito de arrefecimento. Este modelo permitirá, conhecendo o valor das resistências

térmicas e a temperatura da fonte de calor, prever a diferença de temperatura entre as

faces dos elementos termoelétricos do tipo P e N, sendo que é esta diferença de

temperatura que é responsável pela geração de eletricidade por efeito de Seebeck. A

figura 4.4 mostra as resistências térmicas consideradas no modelo, que posteriormente

necessitam de ser determinadas a fim de ser possível estudar a sua influência.




Figura 4.4 - Resistências Consideradas no modelo Térmico.

Analisando a figura acima observam-se as seguintes resistências térmicas do

centro para as extremidades: a resistência térmica de condensação, a resistência térmica

de condução do bloco, a resistência térmica de contacto entre o bloco e a cerâmica, a

resistência térmica do módulo termoelétrico, a resistência térmica de contacto entre a

cerâmica e a conduta de arrefecimento, a resistência térmica de condução das condutas

de arrefecimento e por fim a resistência térmica de convecção das condutas para a água

de arrefecimento. Relativamente à resistência térmica dos módulos termoelétricos, esta

pode ainda ser decomposta nas resistências dos seus diversos constituintes, como se vê

na figura 4.5.



Figura 4.5 - Resistências térmicas de um módulo termoelétrico.

Observam-se então as seguintes resistências, da face quente para a face fria:

resistência térmica da cerâmica lado quente, resistência térmica de contacto entre a

cerâmica e o cobre lado quente, resistência térmica cobre lado quente, resistência

térmica de contacto entre o cobre lado quente e os elementos termoelétricos, resistência

térmica dos elementos termoelétricos, resistência térmica de contacto entre os elementos

termoelétricos e o cobre lado frio, resistência térmica cobre lado frio, resistência térmica

de contacto entre o cobre lado frio e a cerâmica, resistência térmica da cerâmica lado

frio. Considerando estas resistências representadas na figura 4.4 e na figura 4.5 é

necessário determinar o seu valor de modo a ser aplicado no modelo elétrico

equivalente.

É possível determinar as resistências térmicas do sistema recorrendo às

expressões a seguir apresentadas. Respeitando a ordem pela qual o sistema foi

apresentado tem-se em primeiro lugar a resistência térmica de condensação, que é dada

pela eq. 4.9 [38]:

Eq. 4.9

Sendo A a área do condensador e h o coeficiente de transferência de calor. No

modelo de condensador utilizado (figura 4.6) a área é obtida através da expressão eq.

4.10.




Figura 4.6 - Modelo do condensador implementado.

Observa-se então acima o modelo de condensador implementado, que tem três

furações com 16 mm de diâmetro de numa extremidade e seis furações com 8 mm de

diâmetro na outra, ambos com uma profundidade de 2/3 do comprimento.

( (

)) ( (

[

]))

( (

))

Eq. 4.10

Em que D é o diâmetro das furações mais largas do condensador, o d é o

diâmetro das furações mais estreitas e l é o comprimento dessas furações. No que se

refere ao coeficiente de transferência de calor, é dado pela eq. 4.11 [38]:

(

( ))

Eq. 4.11

A tabela seguinte contém o significado das variáveis utilizadas na eq. 4.11.

Tabela 4-3 - Variáveis para o cálculo da resistência de condensação do bloco [25] [38].

Variável Significado Valor Considerado

H Entalpia de Vaporização do Líquido 2,26e+06

l Densidade do Líquido 958

g Aceleração da Gravidade 9,8

Kl Condutividade do Líquido 6,8e-1

x Altura do condensador 0,128

μ Viscosidade do Líquido 2,83e-4



THP Temperatura do HP 250

TSC Temperatura da Superfície do Condensador 248

Considerando estes valores a resistência térmica de condensação toma o seguinte

valor:

K/W Eq. 4.12

Relativamente à resistência térmica de condução do bloco, para os 4 módulos,

esta pode ser obtida através da equação eq. 4.13 [38]:

(

)

Eq. 4.13

É necessário determinar o shape factor (S), devido a haver uma diferença de

áreas e espessura entre as superfícies que transmitem calor entre si, como é possível

observar na figura 4.7.

Figura 4.7 – Ilustração da necessidade de utilizar um fator de forma devido à espessura e secção de

transferência de calor não constantes no condensador.

Apesar de existirem modelos teóricos que permitem determinar o shape factor

para geometrias simples, é possível fazê-lo recorrendo a um software de elementos

finitos, que utiliza o modelo construído em SolidWorks e permite fazer o estudo do

comportamento térmico do objeto. O procedimento para determinar S passa por calcular

a potência térmica transferida entre o interior e o exterior do condensador para uma

dada diferença de temperatura. Com essa informação é possível deduzir S. Por limitação

do software disponível não é possível conhecer a potência térmica total, sendo apenas

obtido o fluxo de calor por mm2. Para contornar este problema acoplou-se um bloco

fictício de resistência térmica desprezável de forma a, sem alterar a potência térmica,

uniformizar o valor do fluxo de calor para calcular a potência total.




Figura 4.8 - Fluxo de calor por unidade de área relativa ao modelo de condensador implementado,

incluído o bloco fictício de alta condutividade para uniformização do fluxo de calor.

Conhecendo o valor médio do fluxo de calor por unidade de área e conhecendo a

área, é possível determinar a potência térmica total transferida. Assim, como se observa

na figura acima, o fluxo de calor por unidade de área é, em média, 18,3 W/mm2, que

multiplicando pela área dos 4 módulos do modelo, tem-se:

( ) W Eq. 4.14

Desta forma, S é determinado através da eq. 4.15:

Eq. 4.15

Então tem-se:

( )

Eq. 4.16

Obtém-se assim um shape factor de 4,68 (m), utilizando uma condutividade de

401 W/mK a 150 ºC, sendo calculada uma resistência térmica de 5,33e-4 K/W. As

restantes resistências térmicas que exijam a determinação do shape factor, são

determinadas utilizando o mesmo método.

A resistência térmica de contacto entre o bloco e a cerâmica é determinada

através da seguinte eq. 4.17:



Eq. 4.17

Considerando hc =19000 e A = 0,006272 (m2), obtém-se uma resistência térmica

com o valor de 8,39e-3 K/W. As restantes resistências de contacto consideradas no

modelo são determinadas da forma apresentada na eq. 4.17.

Tabela 4-4 - Resistências Térmicas para o modelo com 4 módulos [25][38][40].

Resistência

Térmica

Condutividade

Térmica

(W/mK)

Shape

Factor

(m)

Área

(m2)

Coeficiente

Transferência

Calor

(W/m2.K)

Resistência

Térmica

(K/W)

Cerâmica 46 5,63 - - 3,86e-3

Contacto Cerâmica

/Cobre - - 0,006272 19000 8,39e-3

Cobre 401 3,7 - - 6,74e-4

Contacto

Cobre/Material TE - - 0,006272 19000 8,39e-3

Material

Termoelétrico 1,20 1,05 - - 0,79

Condução

Condutas Arref. 401 9,92 - - 2,51e-4

O valor da resistência de convecção para as duas condutas de arrefecimento é

dado pela eq. 4.18:

Eq. 4.18

Sendo h determinado a partir de expressões empíricas para um escoamento não

desenvolvido em tubos [40].

Determinado o valor das resistências térmicas do sistema é possível construir o

modelo elétrico equivalente. De forma a facilitar a compreensão do modelo elétrico, a

tabela 4-5 mostra qual o significado equivalente de cada símbolo elétrico utilizado.




Tabela 4-5 - Significado dos símbolos utilizados no modelo elétrico [7][25].

Símbolo Significado Elétrico Equivalente Térmico Unidade

Fonte de Tensão Temperatura fixa K

Resistência Elétrica Resistência Térmica K/W

Fonte de Corrente Fonte de Calor W

Referencial de

Tensão

Referencial de

Temperatura -

Iniciando por um modelo que permite uma visão mais geral, podem considerar-

se três resistências térmicas fundamentais, como mostra o circuito da figura 4.9. Este

modelo considera para a resistência térmica do lado quente a soma de todas as

resistências térmicas, quer do bloco quer do módulo, que estão do lado do condensador

e antes do material termoelétrico. Relativamente à resistência térmica do lado frio,

contabilizam-se todas as resistências térmicas para lá dos elementos termoelétricos até

às condutas de arrefecimento. Este modelo tem em conta também as conversões de

energia térmica/elétrica que ocorrem devido ao efeito Peltier e ao efeito de Joule, que

têm o seu equivalente elétrico representado através de fontes de corrente.

Figura 4.9 - Circuito elétrico equivalente ao modelo térmico.

As resistências térmicas representadas no esquema elétrico da figura 4.9 podem

ser decompostas, de forma a ter-se um modelo que represente de forma mais detalhada

o modelo implementado e para o qual foram determinados os valores das resistências

anteriormente descritas. Assim a resistência do lado quente pode ter o seu equivalente

no circuito elétrico da figura 4.10.



Figura 4.10 - Resistências Térmicas que Compõem a Resistência Térmica Equivalente do Lado

Quente.

Relativamente à resistência térmica dos elementos termoelétricos, este modelo

térmico considera separadamente a resistência térmica dos elementos termoelétricos do

tipo P e do tipo N, cada um destes discretizado em elementos iguais. A resistência

térmica desses mesmos elementos é dividida em três partes iguais, para que possam ser

simuladas as trocas energéticas por efeito de Joule ao longo dos elementos, fazendo

assim uma melhor aproximação. O circuito da figura 4.11 tem representada a resistência

dos elementos termoelétricos, bem como as trocas de energia por efeito de Joule e

Peltier.




Figura 4.11 - Resistência Térmica dos Elementos Termoelétricos, Calor por Efeito de Joule e Calor

por Efeito Peltier.

Em relação às fontes de calor por efeito de Joule e por efeito Peltier, os valores

utilizados na simulação são calculados para cada temperatura em questão, utilizando os

dados do modelo elétrico apresentado no capítulo 3.8.

Relativamente à resistência do lado frio, apresentada na figura 4.9, esta pode ser

decomposta nas resistências apresentadas no circuito da figura 4.12.

Figura 4.12 - Resistências Térmicas que Compõem à Resistência Térmica do Lado Frio.

Fazendo a simulação do modelo apresentado, para diferentes valores da

Temperatura Fixa do Lado Quente (diferentes temperaturas do vapor), utilizando uma

Temperatura Fixa do Lado Frio (temperatura água do circuito de arrefecimento) de



20 ºC, é possível obter como output do modelo a temperatura entre as faces de cerâmica

dos módulos, a temperatura entre as faces dos elementos termoelétricos, bem como a

quantidade de calor conduzido através dos elementos termoelétricos dos 4 módulos

instalados no bloco. O gráfico 4.1 reúne o resultado das simulações efetuadas utilizando

o modelo.

Gráfico 4.1 - Diferenças de temperatura entre as faces dos módulos, entre os elementos

termoelétricos e quantidade de calor, em função da temperatura fixa do lado quente.

Observando o gráfico acima é possível ver as diferenças de temperatura

previstas pelo modelo para diferentes temperaturas do vapor no interior do bloco.

Verifica-se para os módulos analisados que o ΔT efetivo à face dos materiais

termoelétricos é entre 10 e 40 ºC inferior ao ΔT nas faces de cerâmica dos módulos. As

diferenças de temperatura previstas pelo modelo são apenas uma aproximação da

realidade, pois as resistências de contacto, nomeadamente as dos módulos

termoelétricos, não são facultadas pelo fabricante, podendo as consideradas não

corresponder exatamente às reais. No entanto, o modelo é funcional e pode ser utilizado

quando conhecidas as resistências térmicas dos materiais e resistências térmicas de

contacto de todo o sistema.

tili ando os dados da simulação à temperatura fixa do lado quente mais

elevada 3 C , foram simuladas no modelo as temperaturas nos diversos pontos do

sistema, permitindo assim ter uma noção de todas as quedas de temperatura desde o

bloco até às condutas de arrefecimento, como é possível observar no gráfico 4.2.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 100 200 300 400C

alo

r [W

]

Dif

eren

ça d

e T

emp

era

tura

[ºC

]

Temperatura Fixa Lado Quente [ºC]

Diferenças de Temperatura e Quantidade de Calor (Modelo Térmico)

Diferença deTemperatura Entreas Faces deCerâmica

Diferença deTemperatura Entreas Faces dosElementosTermoelétricos

Quantidade deCalor




Gráfico 4.2 – Temperaturas nos diversos pontos do sistema.

Pode ser observado que, como esperado, a maior queda de temperatura ocorre

nos elementos termoelétricos, pois estes devem possuir baixa condutividade térmica de

modo a proporcionar uma maior diferença de temperatura entre as suas faces. Queda

acentuada de temperatura ocorre também entre face externa da cerâmica do lado frio e a

água da conduta de arrefecimento, devendo-se essencialmente à elevada resistência

térmica de convecção.

Relativamente ao modelo apresentado na figura 4.4, é possível determinar a sua

potência térmica conhecendo o caudal de água que percorre as condutas de

arrefecimento e a sua diferença de temperatura à entrada e saída desse circuito. Então

tem-se:

( ) (

)

(

) ( ) Eq. 4.19

Conhecendo a potência térmica e conhecendo a potência elétrica gerada pelos

módulos termoelétricos acoplados no sistema é possível determinar o rendimento do

gerador.

( )

Eq. 4.20

0

50

100

150

200

250

300

Tem

pe

ratu

ra [

C]

Pontos Do Sistema

Temperaturas nos Diversos Pontos do Sistema

Temperatura dos gases nointerior do bloco

Temperatura da face externada cerâmica do lado quente

Temperatura da face internada cerâmica do lado quente

Temperatura da face quentedos elementos termoelétricos

Temperatura da face fria doselementos termoelétricos

Temperatura da face internada cerâmica do lado frio

Temperatura da face externada cerâmica do lado frio

Temperatura da água nascondutas de arrefecimento



Neste capítulo foi desenvolvido um modelo térmico que permite estudar o fluxo

do calor através dos módulos termoelétricos. Desta forma é possível prever a diferença

de temperatura obtida entre as faces de cerâmica dos módulos termoelétricos para cada

temperatura de operação, bem como a quantidade de calor transferida através deles. Este

modelo tem em conta todas as resistências térmicas do sistema constituído por um bloco

condensador com 4 módulos acoplados, possibilitando conhecer o comportamento geral

do sistema e eventuais pontos em que a transferência de calor necessite de otimizações.


CAPÍTULO 5

Gerador Termoelétrico com Blocos em Paralelo

5.1. Introdução

Neste capítulo encontram-se descritos todos os passos relativos ao

desenvolvimento do gerador termoelétrico estudado ao longo desta dissertação.

O gerador estudado é constituído por três blocos em paralelo onde são instalados

os módulos termoelétricos, sendo este o ponto de diferenciação em relação ao modelo

apresentado no capítulo seguinte. Inicialmente pode ver-se, em detalhe, todo o processo

de construção e dimensionamento dos Heat Pipes, seguindo-se a caraterização dos

conversores termoelétricos usados. São ainda abordados os sistemas de aquisição de

dados que permitem fazer a análise ao desempenho do gerador. Desta forma, a fim de

tornar possível essa análise, são lidas as temperaturas em diversos pontos do sistema,

bem como as tensões aos terminais dos conversores termoelétricos.

Na fase final deste capítulo são apresentados os testes realizados, o

procedimento experimental e a interpretação dos resultados obtidos.

5.2. Caraterização do Gerador

Neste subcapítulo encontra-se o dimensionamento e montagem do gerador a ser

testado. Podem ser vistas em pormenor todas as peças que o constituem, bem como a

localização dos módulos termoelétricos e a localização dos sensores para aquisição das

temperaturas. O gerador é constituído por várias partes principais, nomeadamente o

evaporador, o condensador, o copo de arrefecimento e o tanque de expansão, como

mostra a figura 5.1.

CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico



Figura 5.1 - Esquema geral do gerador Termoelétrico.

A primeira parte a ser dimensionada e montada é o evaporador, que é a zona dos

Heat Pipes que contém o líquido de trabalho no seu interior e que recebe o calor de

forma a ocorrer a evaporação do mesmo. O modelo de evaporador apresentado é

constituído por 18 tubos (Heat Pipes) com alhetas, de forma a promover a transferência

de calor. A figura 5.2 permite uma melhor compreensão do modelo de evaporador, bem

como uma análise às dimensões do mesmo.



Figura 5.2 - Modelo do Evaporador do Heat Pipe. Figura 5.3 - Fotografia do

Evaporador com Alhetas.

Ao longo de 220 mm de tubos, encontram-se 145 alhetas (aproximadamente 7

alhetas por cm), com uma espessura de 1 mm, dispostas paralelamente e igualmente

espaçadas. Os HP são unidos na base através de um coletor que garante igual nível de

líquido de trabalho nos tubos, como pode ser visto na figura 5.2. É ainda possível

observar o tubo de vidro que permite visualizar o nível de líquido contido nos HP. Este

modelo contém, até ao nível zero, 37 ml de líquido, correspondendo o nível 0 ao início

das alhetas. A partir do nível 0 pode ver-se um aumento de 6 mm no medidor de nível

por cada 5 ml de líquido introduzido. Até ao nível máximo das alhetas, os Heat Pipes

armazenam 220,3 ml de líquido. Relativamente ao diâmetro dos tubos utilizados, pode

ser visto na figura 5.2 representado pelo caracter “Φ”. A figura 5.3 mostra o evaporador

implementado para este projeto, com os Heat Pipes em cobre e as alhetas em alumínio.

Uma vez construído o evaporador, é necessário dimensionar a conduta dos

gases, de forma a dirigir esses mesmos gases até as alhetas, alcançando o evaporador. A

figura 5.4 e figura 5.5 mostram o desenho do modelo de conduta construído.




Figura 5.4 - Modelo da conduta de gases.

Pode então ser observada a conduta e a forma como se encaixa o evaporador na

mesma, bem como o local de entrada e saída de gases.

Figura 5.5 - Vista em corte da conduta de gases.

Na figura 5.6 está a vista em corte do evaporador, da conduta de gases e do

suporte do gerador. Fora da conduta vêem-se, na parte superior, a continuação dos Heat

Pipes que farão a ligação ao condensador, enquanto na parte inferior podem ser vistas as

curvas que ligam os Heat Pipes dois a dois. A implementação desta parte do gerador

pode ser vista na figura 5.6.



Figura 5.6 - Implementação da conduta de gases.

À saída da conduta é ligado um ventilador de forma a garantir um caudal de gás

aproximadamente constante, facilitando o seu fluxo. O ventilador ligado pode ser visto

na figura 5.7.

Figura 5.7 - Ventilador para extração de gases.

No que se refere à entrada de gases, esta foi realizada de diferentes formas, pelo

que será explicado para cada sequência de testes particularmente.

A zona de condensação é composta por três blocos de cobre, ligando-se a cada

um deles seis dos dezoito Heat Pipes que se prologam além das alhetas do evaporador.

Cada um destes blocos irá alojar dois módulos termoelétricos em cada face, perfazendo

um total de doze módulos neste modelo de gerador. A figura 5.8 mostra a colocação dos

blocos bem como a colocação dos módulos termoelétricos nos mesmos.




Figura 5.8 - Gerador termoelétrico com os blocos e módulos termoelétricos colocados.

Pode então ver-se a colocação dos três blocos, além dos módulos termoelétricos

colocados na face esquerda de cada um deles. A cada módulo termoelétrico são

atribuídos três caracteres, como se pode observar na figura 5.8, que permitem conhecer

a sua localização no gerador, facilitando a análise e interpretação de resultados.

A figura 5.9 mostra um bloco e as respetivas dimensões, assim como as furações

onde são soldados os Heat Pipes.

Figura 5.9 - Bloco para colocação dos módulos termoelétricos.

Estas 6 furações têm uma profundidade de 2/3 do bloco, sendo no topo oposto

efetuadas 3 furações com a mesma profundidade e o dobro do diâmetro, criando uma

zona no meio do bloco onde os furos se intercetam. A figura 5.10 mostra uma vista em

corte do bloco, de forma a ser mais percetível o esquema de furações.



Figura 5.10 - Vista em corte de um bloco do condensador.

Pode desta forma observar-se que a cada furação da parte superior correspondem

duas da parte inferior. A localização dos furos e os seus respetivos diâmetros podem ser

verificados nas figuras apresentadas a seguir.

Figura 5.11 - Vista do topo inferior do bloco.

A figura 5.11 mostra o topo inferior do bloco, sendo possível ver os furos da

extremidade oposta através dos furos desta face. A figura 5.12 mostra o outro topo da

peça.




Figura 5.12 - Vista do topo superior do bloco.

Esta vista permite observar na extremidade oposta os seis furos que são visíveis

na figura 5.11. O diâmetro dos furos é, nesta face, de 16 mm.

A figura 5.13 mostra um módulo termoelétrico devidamente identificado,

permitindo explicar a nomenclatura utilizada.

Figura 5.13 - Nomenclatura dos módulos termoelétricos.

A tabela 5-1 contém o significado de cada um dos carateres: A, B e C.

Tabela 5-1 - Nomenclatura dos módulos termoelétricos

Carater A: C (Cima) B (Baixo)

Carater B: 1 (Bloco 1) 2 (Bloco 2) 3 (Bloco 3)

Carater C: E (Esquerda) D (Direita)

Desta forma é possível identificar individualmente os doze módulos instalados.

Na figura 5.8 estão visíveis apenas os módulos do lado esquerdo (relativamente ao

sentido do fluxo dos gases) do gerador. Percebendo-se também que os gases de entrada

atingem primeiro a zona do evaporador situada por baixo do bloco 3. A face visível na



figura 5.8 é a face fria dos módulos termoelétricos, encostada às condutas de

arrefecimento, estando as faces quentes encostadas a cada um dos blocos do gerador. É

utilizada massa térmica para melhorar a condutividade térmica entre a superfície de

cada bloco e as faces quentes dos módulos acoplados. De forma a criar a maior

diferença de temperatura possível através da espessura dos módulos, são acopladas

condutas de arrefecimento às faces frias dos módulos. Nestas condutas circulará água de

forma a ser retirada a máxima quantidade de calor possível. A figura 5.14 mostra a

forma como são colocadas estas condutas no sistema.

Figura 5.14 - Bloco condensador com módulos e condutas de arrefecimento acopladas.

As condutas de arrefecimento são construídas de forma a otimizar o calor

retirado dos módulos termoelétricos, pelo que têm furações no seu interior criando um

fluxo de água semelhante ao de uma serpentina. A figura 5.15 mostra a vista em corte

de uma conduta de arrefecimento.

Figura 5.15 - Vista em corte de uma conduta de arrefecimento.




As seis condutas de arrefecimento formam um circuito em série, por onde

circula a água. Este circuito é independente dos Heat Pipes, não havendo em momento

algum troca ou contacto direto entre os fluidos. A água entra na conduta de

arrefecimento 3 do lado esquerdo, percorre todas as condutas desse mesmo lado, saindo

na conduta de arrefecimento 3 do lado direito, depois de ter percorrido todas os

restantes. A figura 5.16 mostra a implementação deste sistema.

Figura 5.16 - Implementação dos blocos com os módulos e as condutas de arrefecimento.

Na figura 5.16 são assinaladas a entrada e saída de água do circuito de

arrefecimento. Como foi observado anteriormente, da parte superior dos 3 blocos saem

nove tubos, que juntam no coletor, onde estão instalados um manómetro medidor de

pressão e as válvulas para a entrada e saída de ar dos Heat Pipes. A figura 5.17 mostra a

parte superior do gerador superior aos blocos onde estão colocados os módulos.



Figura 5.17 - Parte superior do gerador.

Pode então observar-se o coletor para o qual convergem os tubos acima dos

blocos. Num dos topos desse coletor estão instaladas as válvulas que permitem a

entrada e saída de ar e do líquido de trabalho. A figura 5.18 mostra a implementação

dessas mesmas válvulas (não visíveis na figura 5.17), bem como do manómetro de

medidor de pressão.

Figura 5.18 - Válvulas de entrada e saída de ar e manómetro de pressão.

No que se refere aos manómetros para medição de pressão, são utilizados de

dois tipos. Um dos manómetros efetua as medições situadas entre 0 e 40 bar relativos,

enquanto outro dos manómetros mede entre 0 e -1 bar relativos. A figura 5.19 mostra os

manómetros utilizados para efetuar as medições.




Figura 5.19 - Manómetros utilizados para as leituras da pressão.

Na parte superior do coletor está instalado o copo de arrefecimento, visível na

figura 5.20 e na figura 5.21. Este tem a função de absorver o calor em excesso do

sistema, isto é, se a zona de condensação saturar e não for capaz de absorver todo o

calor, essa função cabe ao copo de arrefecimento. Pode dizer-se que funciona como

segurança para garantir que a condensação ocorre na totalidade, evitando que o vapor se

desloque para as partes superiores do sistema e o evaporador seque totalmente. O copo

tem uma entrada e saída de água, sendo ligado em série com o circuito de arrefecimento

acoplado às faces frias dos módulos. Assim a água que sai no bloco de arrefecimento 3

do lado direito é ligada à entrada de água do copo de arrefecimento. As figuras

seguintes mostram a implementação deste copo de arrefecimento com as respetivas

dimensões.

Figura 5.20 - Vista em corte do copo de arrefecimento.

Figura 5.21 - Fotografia do copo de

arrefecimento.

O último componente do gerador a ser implementado é o tanque de expansão,

este componente permite a estabilização da pressão no interior de Heat Pipe, evitando

oscilações no ponto de ebulição do líquido de trabalho durante a mudança de fase. A

figura 5.22 mostra uma representação do tanque de expansão.



Figura 5.22 - Tanque de expansão.

Para finalizar a montagem, o gerador é totalmente isolado com lã de rocha de

forma a evitar perdas de calor. É também introduzida palha-de-aço na conduta de gases

de forma a fomentar a turbulência nos gases, fazendo com que haja uma melhor

transferência de calor.

5.3. Caraterização Módulos Termoelétricos

Neste subcapítulo encontra-se a descrição dos módulos termoelétricos utilizados

no gerador, bem como alguns testes realizados para a sua caraterização. Inicialmente

são analisados os dados fornecidos pelo fabricante, seguindo-se os ensaios realizados

em laboratório. Os módulos adotados para este trabalho foram os da RS Components,

referência 6937116.




Figura 5.23 - Módulo termoelétrico RS 6937116 [46].

Figura 5.24 - Esquema de dimensões dos

módulos RS 6937116 [47].

Na figura 5.23 pode ver-se um módulo semelhante aos que foram instalados no

gerador. Na figura 5.24 vê-se o esquema relativo às dimensões dos módulos. Na tabela

5-2 podem ser consultadas algumas características elétricas e térmicas relativas a este

produto.

Tabela 5-2 - Caraterísticas elétricas e térmicas dos módulos RS 6937116 [47].

Número

Junções

Vmáx

(V)

Rin

(Ω)

Imáx

(A)

Pmáx

(W)

Tmáx

(ºC)

W

(mm)

L

(mm)

H

(mm)

RS

6937116 49 3,6 0,27 6,67 12,20 250 62 62 5,3

Os valores contidos na tabela acima são obtidos em testes em que a face quente

dos módulos permanece a uma temperatura fixa de 250 ºC e a face fria a uma

temperatura de 50 ºC. Os gráficos seguintes, fornecidos pelo fabricante, permitem

avaliar o desempenho dos módulos para uma gama alargada de temperaturas e são

referentes à tensão obtida em vazio e à potência obtida com uma carga cujo valor é igual

à resistência elétrica interna do módulo, ambos em função da diferença de temperatura

entre as faces.



Gráfico 5.1 - Tensão em vazio em função da

diferença de temperatura entre as faces dos

módulos RS 6937116 [47].

Gráfico 5.2 - Potência em função da diferença de

temperatura entre as faces dos módulos RS

6937116 [47].

Pode observar-se no gráfico 5.1 e gráfico 5.2 que para uma diferença de

temperatura acima dos 200 ºC as curvas da tensão e da potência começam a divergir

para diferentes valores da temperatura da face fria. Este facto deve-se a uma alteração

do coeficiente de Seebeck dos materiais para essas temperaturas. Para o valor máximo

de diferença de temperatura aconselhado pelo fabricante, 200 ºC, obtêm-se valores de

tensão entre os 2,5 e 3 V, e valores de potência elétrica entre os 9 e 10 W. O gráfico 5.3

mostra os resultados de alguns testes realizados com estes módulos, possibilitando a

comparação com os valores teóricos facultados pelo fabricante. Estes testes foram

realizados a uma temperatura média da face fria de 37 ºC, sendo a máxima diferença

testada de aproximadamente 192 ºC, todos os pontos visíveis nos gráficos seguintes são

em regime permanente.


com a face fria a 37 ºC.




Pela observação do gráfico 5.3 podem ver-se que os valores de tensão obtidos

experimentalmente superam ligeiramente os valores fornecidos pelo fabricante, facto

que pode estar relacionado com os instrumentos de medição de temperatura ou a

colocação dos mesmos. Seguidamente foi feita a análise ao comportamento da tensão

em carga, sendo para isso ligada uma resistência de 0,27 Ω/35 W aos terminais do

módulo. Este valor da resistência de carga, idêntico ao da resistência elétrica interna dos

módulos, é o que permite extrair do módulo a máxima potência, como explicado no

capítulo 3.7.


com a face fria a 37 ºC.

O gráfico 5.4 mostra que a tensão em carga cresce de forma aproximadamente

linear com o aumento da diferença de temperatura. Outro fator que importa analisar, por

influenciar diretamente os valores de potência elétrica gerada, é a variação da

resistência interna (Ri) do módulo. Pode ver-se no gráfico 5.5 que a resistência elétrica

interna do módulo aumenta à medida que a diferença de temperatura entre as suas faces

aumenta.

0

0,5

1

1,5

2

0 50 100 150 200 250

Ten

são

em

Car

ga [

V]

Diferença de Temperatura [ºC]

Tensão em Carga




temperatura entre as faces, com a face fria a 37 ºC.

A resistência subiu de 0,32 Ω a uma diferença de temperatura de 72 ºC, para os

0,4 Ω a uma diferença de temperatura de 192 ºC, superando os valores do fabricante.

Analisando os valores de potência elétrica gerada para as mesmas diferenças de

temperatura podem comparar-se, mais uma vez, os resultados com os valores teóricos.

O gráfico 5.6 mostra a potência obtida nos diversos ensaios realizados, bem como os

dados do fabricante.

Gráfico 5.6 - Potência elétrica máxima obtida para os módulos RS 6937116, com a face fria a 37 ºC.

Analisando os dados do gráfico 5.6, pode verificar-se que os valores teóricos e

experimentais são relativamente próximos, significando que o funcionamento dos

módulos está de acordo com o especificado pelo fabricante, validando os ensaios

experimentais realizados. Obteve-se uma potência elétrica máxima de 9,4 W para uma

diferença de temperatura de 192 ºC.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 50 100 150 200 250

Re

sist

ên

cia

[Ω]

Diferença de temperatura [ºC]

Resistência Elétrica Interna




Relativamente à caraterização térmica dos módulos começa por observar-se a

potência térmica transferida através destes, no gráfico 5.7.

Gráfico 5.7 - Potência térmica dos módulos RS 6937116 em função da diferença de temperatura

entre as faces, com a face fria a 37 ºC.

Pela análise do gráfico acima, a máxima potência térmica num módulo atingiu

os 360 W, para uma diferença de temperatura de 192 ºC. No gráfico 5.8 pode ser visto

como varia a resistência térmica destes módulos nos ensaios realizados.



É possível verificar que ocorre um decréscimo da resistência térmica interna

com o aumento da diferença de temperatura entre as faces, de forma sensivelmente

linear. A variação da condutância térmica, que é o inverso da resistência térmica, é

apresentada no gráfico 5.9.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250

Po

tên

cia

[W]


Potência Térmica

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 50 100 150 200 250

Re

sist

ên

cia

[K/W

]


Resistência Térmica Interna



Gráfico 5.9 - Condutância Térmica dos módulos RS 6937116 em função da diferença de


O gráfico 5.10 mostra como varia a condutividade destes módulos, que é a

condutância multiplicada pela espessura e dividida pela área. A condutividade é uma

característica do material, não dependendo da geometria.

Gráfico 5.10 - Condutividade Térmica dos módulos RS 6937116 em função da diferença de


5.4. Aquisição de Dados

Este subcapítulo explica a aquisição de dados efetuada neste trabalho bem como

as ferramentas utilizadas para tal. Numa fase inicial serão abordadas as leituras das

temperaturas nos mais diversos pontos do gerador, seguindo-se as leituras de tensão aos

terminais dos módulos.

Para efetuar a leitura das temperaturas no gerador foi utilizada uma placa de

aquisição de dados da National Instruments NI 4350 (figura 5.25) que permite fazer até

14 leituras de termopares em simultâneo e tem uma resolução de 24 bits.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 50 100 150 200 250cCo

nd

utê

nci

a Té

rmic

a [W

/K]


Condutância Térmica

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0 50 100 150 200 250Co

nd

uti

vid

ade

Té

rmic

a [W

/(m

.K)]


Condutividade Térmica




Figura 5.25 - Placa de aquisição de temperaturas NI 4350.

É também possível observar a placa de acondicionamento de sinal, que recebe

sinal dos termopares colocados no gerador para leitura das temperaturas. Os canais

utilizados para leitura dos termopares são os situados entre 2 e 15, visto que os canais 0

e 1 são reservados, servindo para a leitura da temperatura ambiente através de um

termístor e para eliminar erros de offset, respetivamente [48]. Com este sistema de

aquisição obtém-se uma leitura a cada 1,6 segundos, em média. Os termopares

utilizados para aquisição de sinal são do tipo K, suportam uma temperatura máxima de

1100 ºC e mínima de 0 ºC e podem ser vistos na figura 5.26.

Figura 5.26 - Termopares com bainha metálica utilizados para leitura das temperaturas.

Na imagem acima vê-se também o conector utilizado para efetuar a ligação entre

o termopar e a placa de acondicionamento de sinal.

Relativamente ao software utilizado para fazer o interface com estes

instrumentos de leitura foi utilizado o VirtualBench, software da National Instruments.

O VirtualBench combina aquisição de dados, análise e apresentação num só pacote de

software fácil de utilizar com o hardware de aquisição da National Instruments. Este

programa inclui 10 instrumentos prontos a correr (osciloscópio, analisador dinâmico de

sinal, gerador de formas de onda arbitrárias, multímetro digital, gerador de função,

registo de dados, contador, analisador lógico, editor de formas de onda, e calibrador de

dispositivo) [49]. Na figura 5.27 é apresentado o interface gráfico do programa, onde se



pode ver o gráfico das temperaturas em tempo real e o valor das mesmas na coluna da

direita. É possível também exportar e armazenar dados num formato à escolha para

posterior análise e tratamento, estes dados são apresentados com uma etiqueta de tempo,

permitindo saber o instante da recolha dos dados.

Figura 5.27 - Interface gráfico do programa de aquisição de temperaturas VirtualBench.

Neste trabalho os dados são exportados para uma folha de cálculo, como pode

ser visto na figura 5.28, contendo as leituras das temperaturas relativas aos canais entre

0 e 15 e a respetiva data e hora da amostra.

Figura 5.28 - Parte da folha de cálculo com os dados exportados do VirtualBench.

Posteriormente terá de ser somado a estes valores de temperatura o valor da

temperatura ambiente, que é obtido fazendo a média de duas leituras, uma no início do

procedimento experimental outra no final do mesmo.




Tendo em conta as limitações no que respeita ao número máximo de locais onde

a temperatura pode ser lida, efetuou-se uma análise de forma a determinar os pontos

onde essas leituras são consideradas mais importantes. Desta forma os locais escolhidos

e a respetiva nomenclatura atribuída podem ser vistos na tabela 5-3.

Tabela 5-3 - Nomenclatura e local de medição das temperaturas no gerador

Nomenclatura Local de leitura da temperatura

TEG_fria_C3D Face fria do módulo C3D

TEG_quente_C3D Face quente do módulo C3D

TEG_fria_B1E Face fria do módulo B1E

TEG_quente_B1E Face quente do módulo B1E

TEG_fria_B3E Face fria do módulo B3E

TEG_quente_B3E Face quente do módulo B3E

HP_3 Temperatura interna dos Heat Pipes no

bloco 3

Entrada_Água_B3E Temperatura da água à entrada do circuito

de arrefecimento

Saída_Água_B3D Temperatura da água a saída do circuito

de arrefecimento ou entrada do copo.

Saída_Água_Copo Temperatura da água à saída do copo de

arrefecimento

Entrada_Gases Temperatura de entrada dos gases medida

na entrada da conduta de gases

Saída_Gases Temperatura de saída dos gases medida na

saída da conduta de gases

T1

Temperatura medida na parte superior do

bloco 3, num dos tubos que liga o bloco

ao coletor

T3 Temperatura medida imediatamente antes

do tanque de expansão

Decidiu-se efetuar a leitura da temperatura em ambas as faces de um módulo

colocado em baixo no bloco 3 e de outro colocado em cima, isto permite avaliar a

influência da colocação dos módulos no bloco. A leitura da temperatura nas faces do

módulo B1E permite verificar se as diferenças de temperatura entre as faces dos



módulos colocados no bloco 1 são idênticas às do bloco 3, analisando assim eventuais

diferenças de funcionamento entre blocos.

A leitura da temperatura HP_3 permite analisar o ponto de ebulição do líquido

de trabalho e saber exatamente a pressão de funcionamento no interior do HP. As

leituras de temperatura à entrada e saída do circuito de arrefecimento permitem saber a

potência térmica transferida para a água, possibilitando desta forma uma análise ao

rendimento do sistema. A análise à diferença de temperatura da água entre a entrada e

saída de água do copo de arrefecimento torna possível a análise da potência térmica que

foi excessivamente fornecida ao sistema. No que se refere à leitura da temperatura de

entrada e saída de gases, esta permite saber se o calor fornecido ao sistema está a ser

completamente absorvido ou se existe desperdício do mesmo. A leitura das

temperaturas T1 e T3 permitem saber qual a zona do gerador alcançada pelo vapor, isto

é, até onde subiu o vapor e qual o lugar onde condensa. A exigência em avaliar todos os

fatores anteriormente referidos faz com que sejam estes os pontos escolhidos para

medição da temperatura, embora o sistema esteja preparado para a leitura em muito

mais pontos, sendo possível a sua alteração se os procedimentos experimentais a isso

conduzirem. As imagens seguintes mostram os locais de colocação dos termopares nos

blocos e nas condutas de arrefecimento. A figura 5.29 mostra furações nos blocos, com

profundidade de 31 mm (metade da altura de um módulo), que permitem medir a

temperatura das faces quentes dos módulos aí colocados, bem como uma furação com

uma adaptação para a leitura da temperatura interna do HP.

Figura 5.29 - Furações nos blocos para colocação dos termopares.




Para a leitura da temperatura na face fria dos módulos, existem furações com

profundidade de 31 mm nas condutas de arrefecimento que permitem colocar os

termopares centrados em cada módulo, como se pode ver na figura 5.30.

Figura 5.30 - Furações nas condutas de arrefecimento para colocação dos termopares.

Relativamente à aquisição dos sinais de tensão aos terminais dos módulos

termoelétricos esta é feita com o recurso a duas placas de aquisição de sinal da National

Instruments com a referência NI 6008, que podem ser vistas na figura 5.31.

Figura 5.31 - Placa para aquisição de tensões NI 6008.

Utilizaram-se duas placas deste tipo devido ao número de entradas analógicas

disponíveis em cada uma, apenas oito [50]. Como existem doze módulos neste modelo

de gerador e é necessário ler a tensão aos terminais de todos eles, recorre-se à utilização

de duas placas. A resolução disponível é de 12 bits, e o interface utilizado neste trabalho

é em Labview. Utilizando este sistema de leitura de tensões obtêm-se amostras, em

média, a cada segundo.



Figura 5.32 - Parte da folha de cálculo com dados exportados do LabView

Os dados são exportados para uma folha de cálculo como pode ser visto na

figura 5.32, sendo a coluna da esquerda o tempo em segundos relativos a cada amostra,

e as colunas da direita (amarelo) são as tensões lidas em aos terminais de cada módulo.

No que diz respeito à leitura de tensões é necessário efetuar as mesmas em vazio e em

carga, de forma a calcular a resistência elétrica interna. Assim, decidiu-se ler

alternadamente as tensões em carga e em vazio para módulos colocados na mesma

posição relativamente ao bloco, por exemplo, os módulos colocados em baixo no

mesmo bloco terão: um a leitura em carga e outro a leitura em vazio, sucedendo o

mesmo para os colocados na parte superior. A tabela 5-4 mostra como foram

distribuídas as leituras das tensões ao longo dos 3 blocos.

Tabela 5-4 - Nomenclatura relativa à leitura de tensões.

Nomenclatura Módulo e forma de leitura

Tensão_carga_C3E Tensão em carga no módulo C3E

Tensão_B3E Tensão em vazio no módulo B3E

Tensão_C2E Tensão em vazio no módulo C2E

Tensão_carga_B2E Tensão em carga no módulo B2E

Tensão_carga_C1E Tensão em carga no módulo C1E

Tensão B1E Tensão em vazio no módulo B1E

Tensão_C3D Tensão em vazio no módulo C3D

Tensão_carga_B3D Tensão em carga no módulo B3D

Tensão_carga_C2D Tensão em carga no módulo C2D

Tensão_B2D Tensão em vazio no módulo B2D

Tensão_C1D Tensão em vazio no módulo C1D

Tensão_carga_B1D Tensão em carga no módulo B1D




Nas figura 5.33 e figura 5.34 é possível visualizar o sistema em funcionamento

com os sistemas de aquisição a fazerem a recolha de informação já referida. Na figura

5.33 é possível ver o sistema pronto a iniciar, já com as placas de aquisição de dados

conectadas aos computadores, com o sistema de arrefecimento já em funcionamento e o

maçarico pronto a ser ligado. Na figura 5.34 vê-se o maçarico já em funcionamento e a

conduta de gases incandescente.

Figura 5.33 - Gerador preparado para entrar em funcionamento.



Figura 5.34 - Entrada de gases na conduta.

5.5. Tratamento de Dados

Depois de efetuar a aquisição de dados é necessário proceder à sua

sincronização, isto é, os dados são provenientes de leituras efetuadas por três

dispositivos distintos, que embora sejam acionados no mesmo instante têm taxas de

amostragem diferentes, pelo que é necessário sincronizar os dados. Esta tarefa é

realizada com recurso a funções disponíveis na folha de cálculo utilizada, que agrupa os

dados relativos a instantes de tempo semelhantes. Com os dados sincronizados é

necessário efetuar cálculos que permitam uma análise mais completa ao comportamento

do sistema, nomeadamente através da análise gráfica.

A diferença temperatura relativa à água na entrada e saída do circuito de

arrefecimento pode ser obtida através da eq. 5.1.

(ºC) Eq. 5.1

De forma semelhante a eq. 5.2 permite calcular a diferença de temperatura da

água, desta vez entre a entrada e saída do copo de arrefecimento.

(ºC) Eq. 5.2

É calculada também a potência térmica transferida para a água através dos

módulos, o seu valor é obtido através da eq. 5.3.




( )

Eq. 5.3

A potência térmica transferida para a água através do copo de arrefecimento é

calculada utilizando a mesma expressão, utilizando a diferença de temperatura

correspondente ( ). De seguida são quantificadas através de cálculos

simples diversas temperaturas que interessam analisar, como são os casos das

representadas na tabela 5-5.

Tabela 5-5 - Temperaturas calculadas.

Nomenclatura Significado

Diferença de temperatura entre a entrada e

saída dos gases.

Média das temperaturas das faces quentes dos

módulos.

Média das temperaturas das faces frias dos

módulos.

Média das diferenças de temperatura entre as

faces quente e fria dos módulos.

Média das diferenças de temperatura entre as

faces quente e fria dos módulos do bloco 3

A equação eq. 5.4 permite calcular a condutância térmica do sistema, esta é dada

por:

( )

Eq. 5.4

A condutividade térmica do sistema é dada pela eq. 5.5.

( )

Eq. 5.5

A resistência térmica interna do sistema é dada pela eq. 5.6.

( )

Eq. 5.6



No que diz respeito ao tratamento das tensões lidas aos terminais dos módulos,

inicia-se com o cálculo da média das tensões em vazio relativas aos módulos colocados

na parte superior dos blocos.

( ) ( )

Eq. 5.7

A eq. 5.8 permite calcular a média das tensões em vazio relativas aos módulos

colocados na parte inferior dos blocos:

( ) ( )

Eq. 5.8

Utilizando a eq. 5.9 obtém-se a média das duas equações anteriores.

( ) ( )

Eq. 5.9

O sistema implementado é composto por 12 módulos termoelétricos. Em 6 deles

é lida a tensão em carga e nos restantes é lida a tensão em vazio. Desta forma na eq.

5.10 usa-se a o resultado da eq. 5.9, multiplicando-o pelo número total de módulos,

permitindo desta forma conhecer o valor total da tensão em vazio.

( ) Eq. 5.10

A média das leituras das tensões em carga, relativas aos módulos colocados na

parte superior dos blocos, é dada pela eq. 5.11:

( )

( )

Eq. 5.11

A eq. 5.12 permite obter a média das leituras das tensões em carga, relativas aos

módulos colocados na parte inferior dos blocos:

( )

( )

Eq. 5.12

A média das tensões em carga relativas aos módulos colocados na parte superior

e inferior dos blocos é dada pela eq. 5.13:




( )

( )

Eq. 5.13

Dada a impossibilidade, já explicada, de ler todas as tensões em carga, é

utilizada a média obtida na eq. 5.13 e multiplicada pelo número total de módulos,

obtendo-se assim a eq. 5.14:

( ) Eq. 5.14

Os cálculos que se seguem são relativos à resistência elétrica interna dos

módulos termoelétricos. É efetuado o cálculo separadamente para os módulos colocados

na parte superior e na parte inferior de cada um dos 3 blocos. A resistência elétrica

interna de cada módulo colocado na parte superior do bloco 3 é dada pela eq. 5.13,

baseada na eq. 3.25 deduzida teoricamente.

( ) (( )

) Eq. 5.15

A resistência elétrica interna de cada módulo colocado na parte inferior do bloco

3 é dada pela eq. 5.16:

( ) (( )

) Eq. 5.16

As resistências elétricas internas colocadas nas partes superiores e inferiores de

cada um dos restantes bloco são obtidas da mesma forma.

Com os valores relativos às resistências elétricas internas de cada módulo

calculados, é possível determinar a potência gerada em cada bloco, iniciando-se por

calcular as potências nas partes superiores e inferiores de cada bloco separadamente. A

eq. 5.17 permite calcular a potência gerada pelos 2 módulos colocados na parte superior

do bloco 3, calculo baseado na eq. 3.33 deduzida teoricamente.

( ) ( ( ))

Eq. 5.17

A eq. 5.18 permite calcular a potência gerada pelos 2 módulos colocados na

parte inferior do bloco 3.



( ) ( ( ))

Eq. 5.18

A potência elétrica total gerada no bloco 3 é obtida através da eq. 5.19.

( ) Eq. 5.19

É utilizado o mesmo método para determinar a potência elétrica nos blocos 1 e

2. A potência elétrica total gerada no sistema é dada pela soma das potências geradas

nos 3 blocos (eq. 5.20).

( )

Eq. 5.20

Finalmente, o rendimento do sistema é obtido através da eq. 5.21.

( )

Eq. 5.21

Estes cálculos são efetuados automaticamente na ferramenta de cálculo para

cada instante de tempo em que existem leituras disponíveis nas três placas de aquisição,

ou seja, todos estes cálculos são efetuados aproximadamente a cada 1,6 segundos.

Tendo em conta que cada procedimento experimental tem, em média, 2500 segundos,

estes cálculos são efetuados 1500 vezes, aproximadamente, durante cada teste,

permitindo assim uma análise mais completa.

5.6. Testes e Resultados

São apresentados diversos testes realizados com o objetivo de estudar o

desempenho deste sistema de transferência de calor com controlo da temperatura a

diferentes pressões. Com a variação da pressão no interior do Heat Pipe, consegue-se

manipular o ponto de ebulição do líquido de trabalho, obtendo diferentes temperaturas

de funcionamento. No entanto, paralelamente, são também analisados fatores como a

variação da potência térmica fornecida ao sistema. Relativamente às condições em que

o sistema opera, há variáveis que são mantidas constantes ao longo dos testes, como a

quantidade do líquido de trabalho no interior do Heat Pipe, a abertura da conduta de

entrada de gases e o caudal de arrefecimento. A quantidade de líquido de trabalho é de




174,5 ml (corresponde a ¾ da altura das alhetas), a conduta de entrada de gases é

mantida totalmente aberta e o caudal de água de arrefecimento é de aproximadamente

80 L/h. O caudal de arrefecimento é medido cronometrando o tempo que demora a

encher um balão volumétrico de um litro e convertendo para L/h. O valor do caudal

resulta da média de várias leituras efetuadas durante cada ensaio. Como forma de

simular os gases de escape de um automóvel são utilizados um ou dois queimadores

como o que pode ser visto na figura 5.35. Normalmente o teste é iniciado utilizando

apenas um queimador sendo eventualmente acionado o segundo quando o sistema

atinge o regime permanente com o primeiro.

Figura 5.35 - Queimador utilizado para simulação dos gases de escape.

Numa primeira fase o líquido de trabalho utilizado nos testes foi a água, tendo-se

utilizado posteriormente também o Dowtherm A.

5.6.1. Ensaios Experimentais Utilizando Água Como Líquido de Trabalho

O gráfico 5.11 mostra com varia a pressão da água em função da temperatura de

ebulição.



Gráfico 5.11 - Pressão absoluta em função da temperatura de ebulição da água [51].

A tabela 5-6 contém os valores de pressão aos quais o sistema foi submetido e

testado, estes valores têm um máximo, por questões de segurança, de aproximadamente

12 bar. Para aumentar a pressão no interior do Heat Pipe é utilizado um compressor

com capacidade de elevar a pressão até 20 bar através da injeção de ar comprimido.

Tabela 5-6 - Pressões testadas e respetivos pontos de ebulição da água.

Pressão abs. (bar) Ponto de ebulição (ºC)

1 100

2,9 133

4,1 144

6 159

7,4 167

9,5 177

12 188

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 50 100 150 200 250

Pre

ssão

Ab

s. [

bar

]

Temperatura [ºC]

Água




No gráfico 5.12 pode ver-se a evolução das temperaturas em diversos pontos do

gerador, bem como a evolução das potências térmica e elétrica ao longo do tempo para o

teste efetuado a 1 bar.


174,5 ml de água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 83,5 L/h.

Como pode ser observado no gráfico 5.12, a temperatura no interior do Heat

Pipe estabiliza sensivelmente ao fim de 100 segundos e fixa-se aproximadamente nos

100ºC, como esperado teoricamente para a pressão utilizada. As temperaturas medidas

nas faces quentes dos módulos colocados no bloco 3 estabilizam próximo dessa mesma

temperatura, enquanto as faces quentes dos módulos colocados no bloco 1 apenas

alcançam uma temperatura de aproximadamente 29ºC, verificando-se que este bloco se

encontra inativo para efeitos práticos. Relativamente ao bloco 3 existe apenas uma

diferença de 2ºC entre o interior do HP e a face quente dos módulos aí colocados, sendo

igual a diferença de temperatura entre a face fria e a água do circuito de arrefecimento,

ficando assim demonstrado o bom desempenho do sistema em termos de transferência

de calor. Ao fim de cerca de 800 segundos é atingido o regime permanente, não se

verificando uma diminuição da potência térmica transferida através dos módulos,

mesmo baixando a potência térmica fornecida ao sistema. A redução da potência de

entrada apenas tem como consequência o abaixamento da potência térmica transferida

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

100

200

300

400

500

600

0 400 800 1200 1600

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tem

pe

ratu

ra [°C

] ;

Po

tên

cia

Térm

ica

[W]

Tempo [segundos]

1 bar ; 100ºC ; 174,5 ml Água ; 4/4 abertura ; 83,5 L/h

Entrada_Gases

Potência_térmica

Saída_Gases

HP_3

TEG_quente_B3E

TEG_quente_C3D

T1

T3

ΔT_TEG_Média

TEG_quente_B1E

TEG_fria_C3D

TEG_fria_B1E

TEG_fria_B3E

Potência_térmica_Copo

Potência_elétrica

Rendimento



para o copo de arrefecimento, que absorve a potência em excesso. Este facto pode ser

verificado analisando a curva da potência térmica no copo, que decresce sensivelmente

à mesma taxa que a temperatura dos gases de entrada.

A potência elétrica gerada também não sofre alterações com a diminuição da

carga térmica fornecida ao sistema, facto esperado, visto também não ter havido

alteração na potência térmica transferida através dos módulos. O valor da potência

elétrica é então de aproximadamente 7,2 W. Analisando o gráfico 5.13 e o gráfico 5.14

pode ver-se a contribuição que cada bloco tem na tensão e potência elétrica produzida.


ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 83,5 L/h.

Apenas o bloco 3 funciona dentro das condições desejadas, gerando cada

módulo cerca de 1,5 V em vazio e 0,7 V em carga, sendo os valores dos blocos 1 e 2

próximos de zero, comprovando que não recebem calor suficiente. Estas diferenças são

ainda mais marcadas no que toca às potências elétricas geradas, como se pode ver no

gráfico 5.14, isto é natural tendo em conta que .

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 400 800 1200 1600

Ten

são

[V

]

Tempo [segundos]

Tensão

Tensão_B3E

Tensão_C3D

Tensão_carga_C3E

Tensão_carga_B3D

Tensão_B2D

Tensão_C2E

Tensão_B1E

Tensão_carga_B2E

Tensão_carga_C2D

Tensão_C1D

Tensão_Carga_B1D

Tensão_carga_C1E





a 1 bar, 174,5 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 83,5 L/h.

Comprova-se que a contribuição dos blocos 1 e 2 na potência total gerada é

praticamente residual. Funcionando nestas condições o sistema alcança um rendimento

aproximado de 1,4 %.

Comprovada a inatividade dos blocos 1 e 2 em termos práticos e verificado o

baixo rendimento do sistema a operar nestas condições, decidiu-se efetuar a análise

planeada apenas para o bloco 3, visto que é deste que provém, quase na totalidade, a

energia gerada. Nestas novas condições de teste espera-se um aumento significativo do

rendimento, pois a potência térmica transferida através dos módulos contabilizada será

inferior, apenas a do bloco 3, e a potência elétrica será aproximadamente a mesma. A

figura 5.36 mostra qual a parte do sistema que é analisada individualmente. Para esta

análise foi necessário alterar o circuito de arrefecimento para que diferença de

temperatura da água lida à entrada e à saída do circuito correspondesse apenas às

condutas colocadas no bloco 3.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 400 800 1200 1600

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tempo [segundos]

Potências Elétricas Parciais

Potência_elétrica_bloco3



Potência_elétrica_total



Figura 5.36 - Análise individual do funcionamento do bloco 3.

No gráfico 5.15 podem ver-se as temperaturas de operação do sistema e as

potências obtidas, relativas ao bloco 3 do gerador, funcionando em condições

semelhantes às aplicadas no teste anterior.



0

2

4

6

8

0

200

400

600

800

1000

1200

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tem

pe

ratu

ra [°C

] ;

Po

tên

cia

Térm

ica

[W]

Tempo [segundos]


Entrada_Gases

Potência_térmica

Saída_Gases

HP_3

TEG_quente_B3E

TEG_quente_C3D

T1

T3

TEG_fria_C3D

TEG_fria_B3E

ΔT_TEG_Média_bloco3 Potência_térmica_CopoPotência_elétrica_3Rendimento




Este teste é composto por duas partes distintas. Inicialmente foi aplicada uma

carga térmica ao sistema, que posteriormente (1700 segundos) foi elevada a fim de se

verificar o efeito produzido no sistema. Era esperado que o aumento da carga térmica

não produzisse qualquer efeito na pressão/temperatura interna do HP, no entanto isso

não se verificou. Com uma observação mais atenta (ver figura 5.15) é possível ver que a

temperatura do termopar T3, imediatamente antes do tanque de expansão, tende para a

temperatura no interior do Heat Pipe, o que significa que o vapor atingiu o tanque. Este

facto ocorre porque a taxa de condensação atingiu o limite máximo, quer no

condensador, quer inclusivamente no copo de arrefecimento, passando o vapor para o

tanque. A geração de vapor foi tanta que houve um aumento de pressão no interior do

Heat Pipe, conduzindo a um aumento do ponto de ebulição do líquido de trabalho.

Neste caso o aumento de pressão é significativo, passando esta a ser de

aproximadamente 1,5 bar, 10 ºC.

A baixa resistência térmica do sistema referida no teste anterior pode aqui ser

comprovada, o gráfico 5.16 mostra a pequena diferença de temperatura entre as faces

quentes do módulos e o interior do HP, aproximadamente 2 ºC. A diferença de

temperatura entre as faces frias e a água do circuito de arrefecimento é de

aproximadamente 5 ºC em regime permanente.


entre as faces frias e a água do circuito de arrefecimento, relativas ao bloco 3 do gerador.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

Tem

pe

ratu

ra [

ºC]

Tempo [segundos]

Temperaturas

Temperatura do HP

Temperatura Médias dasFaces Quentes do Bloco 3

Temperatura Média dasFaces Frias do Bloco 3

Temperatura Média daÁgua



A ligeira descida da temperatura média da água pode ter origem num pequeno

aumento do caudal de arrefecimento, que não é possível controlar. A média das

diferenças de temperatura entre as faces quente e fria de cada módulo instalado neste

bloco é de aproximadamente 72ºC.

Considerando a primeira parte do teste, a potência térmica transferida através

dos módulos do bloco 3 é significativamente inferior à do conjunto dos 3 blocos, sendo

de aproximadamente 350 W. A potência térmica absorvida pelo copo de arrefecimento é

de aproximadamente 600 W, quase duas vezes a potência utilizada para produção

energética.

Em termos elétricos, no que diz respeito à primeira fase deste teste, quase se

mantém a potência obtida com o conjunto dos 3 blocos, descendo apenas de 7 W para

um pouco acima dos 6 W, como mostra o gráfico 5.17.

Gráfico 5.17 - Potência elétrica e tensões do bloco 3, com gerador funcionando a 1 bar, 174,5 ml de

água no interior do HP e caudal de arrefecimento 85,2 L/h.

Relativamente às tensões obtidas neste bloco, verifica-se que o seu valor quase

coincide com as do teste anterior, o que já se esperava por funcionar em condições

idênticas. Assim, o rendimento do sistema nestas condições de teste atinge os 1,7%,

registando-se um aumento de 0,3 % relativamente ao teste em que se efetuou a análise

aos 3 blocos. Posteriormente é possível observar um aumento da potência elétrica, para

aproximadamente 8 W, quando a pressão se eleva para 1,5 bar. Conclui-se então, que

um aumento da pressão no interior do HP conduz a um aumento da potência elétrica

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Ten

são

[V

]

Tempo [segundos]

Tensão e Potência Elétrica Bloco 3

Tensão_B3E

Tensão_C3D

Tensão_carga_C3E

Tensão_carga_B3D





gerada, pois a temperatura no interior do HP sobe, criando uma maior diferença de

temperatura entre as faces dos módulos, devido aumento da temperatura da face quente.

O procedimento experimental que se segue é efetuado a 12 bar, pretende-se

então verificar os efeitos produzidos pelo aumento da pressão. A esta pressão a

temperatura no interior do HP deve estabilizar nos 188ºC aproximadamente. O gráfico

5.18 mostra o comportamento do gerador durante este teste.



À semelhança do teste realizado ao bloco 3 a 1 bar, a carga térmica fornecida ao

sistema foi aumentada sensivelmente a meio do teste, como se pode ver pelo aumento

da temperatura dos gases de entrada um pouco após os 1500 segundos. Desta vez o

aumento de pressão não é tão significativo como no teste a 1 bar. Analisando o sistema

em termos de potência térmica, pode ver-se que o aumento da carga térmica fornecida

praticamente não tem efeito no seu valor, pois o condensador já se encontra saturado,

não sendo possível transferir mais calor para os módulos termoelétricos. Ocorre então

um aumento brusco da potência térmica no copo, que escoou o calor excedente.

O gráfico 5.19 mostra a média das diferenças de temperatura entre as faces

quente e fria dos módulos em funcionamento no bloco 3.

0

5

10

15

20

25

30

35

0

200

400

600

800

1000

1200

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

Po

tên

cia

elé

tric

a [W

]

Tem

pe

ratu

ra [°C

] ;

Po

tên

cia

térm

ica

[W]

Tempo [segundos]


Entrada_Gases

Potência_térmica

Saída_Gases

HP_3

TEG_quente_B3E

TEG_quente_C3D

T1

T3

TEG_fria_C3D

TEG_fria_B3E




Gráfico 5.19 - ΔT_TEG_Média_bloco3 para gerador funcionando a 12 bar 174,5 ml de água no

interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,3 L/h.

Verifica-se então que, em média, os módulos colocados neste bloco têm uma

diferença de temperatura entra as faces de aproximadamente 146 ºC em regime

permanente, sofrendo um ligeiro aumento aos 1500 segundos por razões já

mencionadas.

A potência elétrica alcança então, antes do aumento da carga térmica fornecida,

um valor em regime permanente de aproximadamente 22 W, subindo cerca de 16 W em

relação ao funcionamento do sistema a 1 bar. O gráfico 5.20 mostra as tensões e a

potência elétrica obtidas ao logo do tempo.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

Tem

pe

ratu

ra [

ºC]

Tempo [segundos]

ΔT_TEG_Média_bloco3




Gráfico 5.20 - Potência elétrica e Tensões no bloco 3, com gerador funcionando a 12 bar 174,5 ml de

água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,3 L/h.

As tensões obtidas em vazio são de aproximadamente 2,7 V, enquanto as tensões

em carga registam valores próximos dos 1,2 V, valores muito superiores aos obtidos a

1 bar. Verificado o output do sistema, o gráfico 5.21 permite ver a evolução do

rendimento em função do valor de ΔT_TEG_Média_bloco3.

Gráfico 5.21 - Rendimento do bloco 3, com gerador funcionando a 12 bar 174,5 ml de água no

interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,33 L/h.

0

5

10

15

20

25

0

0,5

1

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2

2,5

3

3,5

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Ten

são

[V

]

Tempo [segundos]


Tensão_carga_C3E

Tensão_B3E

Tensão_C3D

Tensão_carga_B3D


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Re

nd

ime

nto

[%

]

ΔT_TEG_Média _bloco3[°C]

Rendimento Rendimento



O rendimento do sistema em regime permanente é de aproximadamente 2,9 %,

registando um aumento de 1,2 % em relação ao teste realizado a 1 bar. Pode ver-se no

gráfico 5.21 a curva do rendimento durante a entrada em funcionamento e após a

desativação do gerador. As curvas apresentam uma ligeira diferença para os mesmos

valores de ΔT_TEG_Média_bloco3, facto relacionado com a inércia do sistema.

De forma a ser verificado qual a carga térmica mínima fornecida ao sistema que

permite manter a máxima potência elétrica, realiza-se um teste em que a carga térmica

foi reduzida gradualmente, em vários patamares, conforme pode ser visto no gráfico

5.22.


174,5 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,8 L/h.

Pode ver-se então que após a primeira redução da temperatura dos gases de

entrada, o valor da potência elétrica não se altera, só se verificando o seu abaixamento

após a segunda redução, sensivelmente abaixo dos 700 ºC. Nesse momento a potência

térmica no copo baixa para valores próximo de zero, indicando que já não há excesso de

calor e o vapor já não é capaz de alcançar os locais superiores do HP. A temperatura

interna do HP apenas diminui significativamente após a terceira redução da temperatura

dos gases, verificando-se que a carga térmica nessa altura já não é suficiente para

manter o ponto de ebulição do líquido. Comparando os valores deste teste com os do




anterior à mesma pressão verifica-se igual valor da potência elétrica gerada o que

mostra também a repetibilidade do sistema.

O gráfico 5.23 mostra as temperaturas internas do HP lidas durante todos os

procedimento experimentais, podendo ver-se que depois de se atingir o regime

permanente permanecem constantes, sofrendo ligeiros aumentos apenas quando é

aumentada a carga térmica fornecida ao sistema, ocorrendo o anteriormente mencionado

aumento de pressão. Pode também constatar-se que os procedimentos experimentais

tiveram aproximadamente a mesma duração.

Gráfico 5.23 - Temperaturas internas do HP para as várias pressões testadas.

O gráfico 5.24 mostra evolução das potências elétricas obtidas durante cada um

dos testes realizados. Neste gráfico é mais percetível o aumento da potência elétrica

provocada pelo aumento de temperatura nas faces quentes dos módulos.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Tem

pe

ratu

ra [

ºC]

Tempo [segundos]

Temperatura no Interior do HP

HP_1bar

HP_2,9bar

HP_4,1bar

HP_6bar

HP_7,5bar

HP_9,5bar

HP_12bar



Gráfico 5.24 - Potências elétricas obtidas para as várias pressões testadas

Depois de efetuada a análise pormenorizada aos testes anteriores, é possível

analisar os resultados da sequência de testes a várias pressões, sendo para isso

recolhidos dois pontos, em regime permanente, de cada procedimento experimental. O

gráfico 5.25 mostra como evoluem os valores da tensão, potência elétrica e rendimento

em função da temperatura interna do HP.

Gráfico 5.25 - Resultados relativos ao funcionamento do bloco 3 a diferentes pressões

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tempo [segundos]

Potência Elétrica Bloco 3

Potência_elétrica_1bar

Potência_elétrica_2,9bar






0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0

5

10

15

20

25

80 100 120 140 160 180 200

Re

nd

ime

nto

[%]

Ten

são

[V

]; P

otê

nci

a El

étr

ica

[W]

Temperatura interna HP [ºC]

Tensão, Potência Elétrica e Eficiência

Potência_elétrica_3

Tensão_total_bloco3

Rendimento

Polinomial(Potência_elétrica_3)

Polinomial(Tensão_total_bloco3)

Polinomial (Rendimento)




Pode verificar-se a subida nos parâmetros em análise à medida que se aumenta a

temperatura. Analisando o rendimento do sistema é possível ver que subiu de 1,7 %

alcançados a 1 bar, até aos 2,9 % com uma pressão ligeiramente acima dos 12 bar.

Regista-se então um aumento de 71% no rendimento. A potência quase quadruplicou,

variando entre os 7 W iniciais e os 22 W a uma pressão um pouco acima dos 12 bar. A

tensão também registou um aumento considerável, sendo no início de aproximadamente

5 V e no final 11 V.

5.6.2. Ensaios Experimentais Utilizando Dowtherm A Como Líquido de Trabalho

Os testes que se seguem consistem numa variação da pressão no interior do Heat

Pipe, à semelhança dos anteriores, sendo desta vez o líquido de trabalho utilizado o

Dowtherm A. A utilização do Dowtherm A tem como objetivo possibilitar uma maior

diferença de temperatura entre as faces dos módulos, visto que este líquido de trabalho

tem um ponto de ebulição, à pressão atmosférica, de aproximadamente 257ºC,

temperatura que não é possível alcançar com a água dado que não é aconselhável elevar

a pressão do sistema além dos 12 bar. Como forma obter a mesma temperatura no

interior do HP que em testes anteriores, a fim de comparar o desempenho com líquidos

de trabalho diferentes, é necessário baixar a pressão para que a temperatura de ebulição

do líquido desça também, sendo gradualmente aumentada a cada ensaio até que a

temperatura da face quente chegue ao limite máximo de 250 ºC. Para baixar a pressão

no interior do HP foram utilizadas duas bombas de vácuo, uma capaz de baixar a

pressão até 0,5 bar e outra para pressões inferiores, estas podem ser vistas na figura

5.37.

Figura 5.37 - Bombas de vácuo utilizadas para obter baixas pressões de trabalho no HP [7].

O gráfico 5.26 mostra como varia a pressão do dowtherm A em função da

temperatura de ebulição, e possibilita a comparação com a curva correspondente para a

água já vista anteriormente.



Gráfico 5.26 - Pressão em função da temperatura de ebulição (Água vs Dowtherm) [51].

Através da observação do gráfico acima verifica-se que facilmente se alcançam

temperaturas elevadas a baixas pressões utilizando o Dowtherm A como líquido de

trabalho. A tabela 5-7 contém a gama de pressões testadas para este líquido de trabalho

e o correspondente ponto de ebulição.

Tabela 5-7 - Pressões testadas e respetivos pontos de ebulição do Dowtherm A.


0,029 135

0,046 148

0,051 151

0,126 178

0,151 184

0,244 200

0,49 226

1 257

2,3 300

O primeiro teste apresentado foi realizado a uma pressão de 0,244 bar, a esta

temperatura o ponto de ebulição do líquido de trabalho deverá estabilizar

aproximadamente nos 200 ºC, o gráfico 5.27 mostra a resposta do sistema durante este

teste.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 50 100 150 200 250 300

Pre

ssão

Ab

s. [

bar

]

Temperatura [ºC]

Pressão em Função da Temperatura de Ebulição

Água

Dowtherm A




Gráfico 5.27 - Temperaturas medidas e potências térmica e elétrica calculadas para teste a 0,244

bar, 174,5 ml de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,3 L/h.

É possível observar que o sistema atinge o regime permanente, com a

temperatura do HP a fixar-se nos 200 ºC um pouco após os 500 segundos, enquanto as

potências elétrica e térmica estabilizam um pouco mais tarde, por volta dos 1500

segundos. Outro fator que se destaca nesta análise é o facto de haver uma oscilação no

ponto de ebulição do Dowtherm A, ou seja, o ponto de ebulição anda em torno do valor

médio apresentado, 200 ºC, mas com constantes oscilações, este facto pensa-se estar

relacionado com o facto de este líquido ser resultado de uma mistura que pode não estar

completamente homogénea, levando a um ponto de ebulição oscilante. No entanto, este

fenómeno será mais visível noutros testes, como será visto a seguir. Se for analisada a

temperatura dos gases à saída da conduta percebe-se que é muito próxima da

temperatura do HP, indicando boa transferência de calor para o sistema. O gráfico 5.28

permitirá analisar o comportamento do sistema em termos de tensões e potências

geradas ao longo do teste.

0

5

10

15

20

25

30

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0 500 1000 1500 2000 2500

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tem

pe

ratu

ra [°C

] ;

Po

tên

cia

Térm

ica

[W]

Tempo [segundos]

0,244 bar; 200ºC; 174,5 ml Dowtherm A; 4/4 abertura; 86,3 L/h

Entrada_Gases

Potência_térmica

Saída_Gases

HP_3

TEG_quente_B3E

TEG_quente_C3D

T1

T3

TEG_fria_C3D

TEG_fria_B3E





de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,3 L/h.

Observando os valores da tensão em carga pode ver-se que estes alcançam um

valor médio de 2,8 V, sendo a tensão em vazio aproximadamente 1,2 V. No que se

refere à potência elétrica, esta regista uma valor máximo de 23 W para a totalidade dos

módulos instalados no bloco. Com a potência térmica do sistema a atingir o valor

máximo de 880 W, o rendimento do sistema é de 2,7%. O gráfico 5.29 permite analisar

as diferenças de temperatura entre as faces dos módulos e os respetivos elementos

acoplados a cada face.

0

5

10

15

20

25

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 500 1000 1500 2000 2500

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Ten

são

[V

]

Tempo [segundos]


Tensão_carga_C3E

Tensão_B3E

Tensão_C3D

Tensão_carga_B3D






entre as faces frias e a água do circuito de arrefecimento, relativas ao bloco 3 do gerador

É possível observar que existe uma diferença de temperatura significativa entre o

interior do HP e a face quente dos módulos, cerca de 20 ºC. A diferença de temperatura

entre as faces frias e a águas é também de aproximadamente 20 ºC, mostrando que este

líquido não tem a mesma capacidade de transferir calor que a água, facto que será

confirmado à frente.

O teste que se segue é realizado a máxima pressão testada com este líquido de

trabalho, 2,3 bar, que corresponde a um ponto de ebulição de 300 ºC. O gráfico 5.30

permite verificar a evolução das temperaturas e das potências ao longo do procedimento

experimental.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 500 1000 1500 2000 2500

Tem

pe

ratu

ra [

ºC]

Tempo [segundos]

Temperaturas

Temperatura HP_3

Temperatura Médias dasFaces Quentes do Bloco 3

Temperatura Médias dasFaces Frias do Bloco 3

Temperatura Média daÁgua



Gráfico 5.30 - Temperaturas medidas e potências térmica e elétrica calculadas para teste a 2,3 bar,

174,5 ml de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,7L/h

Observando o teste verifica-se que as temperaturas TEG_quente_B3E é

ligeiramente superior à temperatura TEG_quente_C3D, este facto ocorre porque o vapor

apenas alcança o meio do bloco, não transmitindo o mesmo calor que ao módulo

colocado em cima. Apesar de a face quente do módulo B3E ter atingido a temperatura

máxima, 250 ºC, no módulo C3D pouco ultrapassa os 230 ºC. A potência térmica no

copo de arrefecimento é zero, facto previsível a partir do momento que se verifica que o

vapor apenas atinge o início do bloco 3. Este fenómeno impede que seja alcançado a

potência elétrica máxima teoricamente prevista em cada módulo, e acontece porque já

não há calor disponível como se comprova ao observar igual temperatura no HP e na

Saida_Gases. Verifica-se novamente a oscilação no ponto de ebulição do Dowtherm, à

semelhança do que havia sido verificado no teste anterior. Relativamente às tensões e

potência térmica obtida neste ensaio, podem ser vistos no gráfico 5.31. Pode observar-se

então que as tensões, em vazio e em carga são superiores para os módulos colocados na

parte inferior do bloco. A tensão máxima registada em vazio é de 3,9 V, sendo a

máxima tensão registada em carga de 1,5 V. A potência elétrica atinge os 35 W, que

representa o máximo atingido nos ensaios experimentais. Com o valor da potência

térmica transferida para a água a atingir os 1450 W, o sistema atinge um rendimento de

2,4 %.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 500 1000 1500 2000

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tem

pe

ratu

ra [°C

] ;

Po

tên

cia

Térm

ica

[W]

Tempo [segundos]

2,3 bar; 300ºC; 174,5 ml Dowtherm A; 4/4 abertura; 86,7 L/h

Entrada_Gases

Potência_térmica

Saída_Gases

HP_3

TEG_quente_B3E

TEG_quente_C3D

T1

T3

TEG_fria_C3D

TEG_fria_B3E

ΔT_TEG_Média_bloco3 Potência_térmica_CopoPotência_elétrica_bloco3Rendimento





de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,7 L/h

O gráfico 5.32 mostra, à semelhança do efetuado para os testes com água, o

comportamento da temperatura no interior do HP ao longo do conjunto de testes

realizados.

Gráfico 5.32 - Temperaturas internas do HP para as várias pressões testadas

Pode então verificar-se uma que a temperatura no interior do Heat Pipe oscila

para todos os ensaios realizados com Dowtherm A, o que mostra que a utilização deste

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 500 1000 1500 2000

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Ten

são

[V

]

Tempo [segundos]


Tensão_carga_C3E

Tensão_B3E

Tensão_C3D

Tensão_carga_B3D


0

50

100

150

200

250

300

350

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Tem

pe

ratu

ra[º

C]

Tempo [segundos]

Temperatura no interior do HP

HP_0,029bar

HP_0,046bar

HP_0,051bar

HP_0,126bar

HP_0,151bar

HP_0,244bar

HP_0,49bar

HP_1bar

HP_2,3bar



líquido não contribui como o desejado para a estabilização do sistema. O gráfico 5.33,

mostra como evoluem as potências elétricas ao longo do conjunto de testes efetuados.

Gráfico 5.33 - Potências elétricas obtidas para as várias pressões testadas

No gráfico pode ver-se o aumento da potência elétrica à medida que é

aumentada a pressão. Observa-se também a tendência de crescimento da potência

elétrica ao longo de praticamente todos os procedimentos experimentais, isto deve-se ao

facto já referido de o sistema não ser completamente estanque, o que provoca a subida

gradual da pressão e consequentemente do ponto de ebulição.

O gráfico 5.34 mostra a evolução da tensão, potência elétrica e rendimento para

a totalidade dos testes efetuados com Dowtherm A.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tempo [segundos]

Potência elétrica bloco 3

Potência_elétrica_0,029





Potência_eléttrica_0,244bar








Dowtherm A.

Analisando o gráfico é possível verificar que nos testes em que a pressão é mais

elevada, a potência elétrica não acompanha a tendência de crescimento registada até

então, isto deve-se ao facto já referido de o vapor não alcançar a totalidade do bloco a

pressões mais elevadas. Este fator vai também ter reflexo no rendimento do sistema, que

não regista o crescimento esperado. A razão para isto deverá ser a insuficiente potência

térmica disponível. De facto a temperatura de saída dos gases é próxima da temperatura

do HP, o que quer dizer que a energia cedida pelos gases foi a máxima disponível, pois

não é possível transferir calor para um objeto mais quente.

5.6.3. Comparação de Resultados Utilizando Diferentes Líquidos de Trabalho

A análise aos gráficos seguintes permitirá comparar os desempenhos do sistema

funcionando com os diferentes líquidos de trabalho. Inicialmente é comparada a

potência elétrica do sistema operando com cada um dos líquidos em função da

temperatura interna do HP, como se pode observar no gráfico 5.35.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320

Re

nd

ime

nto

[%

]

Ten

são

[V

]; P

otê

nci

a El

étr

ica

[W]


Tensão, Potência Elétrica e Rendimento Potência_elétrica_bloco3_Dowtherm

Tensão_total_bloco3_Dowtherm

Rendimento_bloco3_Dowtherm

Polinomial(Potência_elétrica_bloco3_Dowtherm)

Polinomial(Tensão_total_bloco3_Dowtherm)

Polinomial(Rendimento_bloco3_Dowtherm)



Gráfico 5.35 - Potência Elétrica (Água vs Dowtherm A).

Vê-se então no gráfico acima que o sistema alcança uma potência elétrica

superior para os testes realizados com água em relação aos realizados com Dowtherm A,

isto para a mesma temperatura no interior do HP. Este facto deve-se à diferença de

capacidade que os líquidos têm em transmitir calor, sendo a água melhor nesse aspeto.

Percebe-se também que com água a temperatura interna do HP só chegou aos 192 ºC,

enquanto que com o Dowtherm A essa temperatura pôde ser elevada até aos 300 ºC. No

gráfico 5.36 é feita o mesmo tipo de análise, desta vez em relação à potência térmica

transferida para a água através dos módulos termoelétricos.

0

5

10

15

20

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50 100 150 200 250 300 350

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Temperatura HP [ºC]

Potência Elétrica

Potência_elétrica_bloco3_Dowtherm

Potência_elétrica_bloco3_Água

Polinomial(Potência_elétrica_bloco3_Dowtherm)

Polinomial(Potência_elétrica_bloco3_Água)




Gráfico 5.36 - Potência térmica (Água vs Dowtherm A).

Relativamente à potência térmica, inicialmente, como era esperado, é transferida

maior potência térmica através dos módulos quando se usa água como fluido de

trabalho, confirmando a melhor transferência de calor já verificada. No entanto, à

medida que a temperatura no HP aumenta, o valor da potência térmica tende a coincidir,

não sendo claro qual o motivo.

O gráfico 5.37 permite analisar o rendimento do sistema utilizando cada um dos

dois líquidos de trabalho.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

50 100 150 200 250 300 350

Po

tên

cia

Térm

ica

[W]

Temperatura HP [ºC]

Potência Térmica

Potência_térmica_bloco3_Dowtherm

Potência_térmica_bloco3_água

Linear(Potência_térmica_bloco3_Dowtherm)

Linear(Potência_térmica_bloco3_água)



Gráfico 5.37 - Rendimento (Água vs Dowtherm A).

O rendimento obtido nos testes com água é sempre superior, para a mesma

temperatura do HP, relativamente aos testes efetuados com Dowtherm A. Isto deve-se

aos fatores já referidos como a melhor capacidade da água para transferir calor e

também à menor potência térmica disponível quando se aumenta a temperatura do HP.

5.7. Conclusões

Relativamente a esta serie de testes realizada verificou-se que o sistema funciona

melhor utilizando água, isto é, para os mesmos valores de temperatura interna do HP,

obtém-se melhor rendimento e um valor superior de potência elétrica. No entanto não é

possível, utilizando água, atingir a máxima diferença de temperatura suportada pelos

módulos, sendo desejável a otimização do sistema de forma a que este possa suportar

pressões na ordem dos 40 bar, permitindo assim atingir esse limite utilizando a água.

Outro dos problemas da utilização do Dowtherm A é o facto de a pressões mais elevadas

não se conseguir que o seu vapor suba o suficiente no HP de forma a aquecer o bloco

uniformemente e não apenas o módulo colocado na parte inferior. Este problema poderá

dever-se à falta de potência térmica disponível. Se for aumentada a carga térmica do

sistema (nomeadamente usando os gases de um motor com potência suficiente) poder-

se-á conseguir um maior rendimento. O rendimento máximo obtido nesta série de testes

é de 2,9 %, valor que pode ser superado utilizando água a elevadas pressões.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

50 100 150 200 250 300 350

Re

nd

ime

nto

[%

]


Rendimento

Rendimento_bloco3_água

Rendimento_bloco3_Dowtherm

Polinomial(Rendimento_bloco3_água)

Polinomial(Rendimento_bloco3_Dowtherm)


CAPÍTULO 6

Gerador Termoelétrico com Blocos em Série

6.1. Introdução

Este capítulo aborda a implementação e o teste de um novo protótipo de gerador

termoelétrico. Nesta nova configuração os blocos são ligados em série, sendo o

principal objetivo que todos eles sejam alcançados pelo vapor, objetivo não alcançado

no modelo apresentado no capítulo anterior. O motivo pelo qual se ligam os blocos em

série está relacionado com a experiência obtida no estudo do modelo anterior em que os

blocos são ligados em paralelo. Nesse modelo o vapor alcançava zonas do sistema

situadas muito acima dos blocos, pelo que se tenta tirar partido desse facto com esta

nova configuração. Os componentes deste novo gerador foram aproveitados do modelo

anterior, tendo sido realizadas as alterações estritamente necessárias. À semelhança do

efetuado para o modelo anterior, este capítulo inicia-se com a caraterização do gerador,

seguindo-se a aquisição e tratamento de dados sendo na parte final do capítulo

apresentados os ensaios experimentais e os resultados relativos aos mesmos.

6.2. Caraterização do Gerador

O novo modelo apresentado regista algumas alterações relativamente ao anterior,

estando a principal relacionada com a disposição dos blocos. Enquanto no modelo

anterior eram dispostos em paralelo, desta feita estão colocados em série, ou seja,

sobrepostos na vertical. O tamanho do evaporador também foi reduzido a 1/3, sendo

alterada por isso a configuração da conduta de gases. As condutas de arrefecimento

também sofreram uma ligeira alteração como é possível verificar mais à frente. São

apresentados desenhos em SolidWorks que ajudam a perceber melhor as alterações

efetuadas.

A figura 6.1 permite uma visão geral do gerador implementado através da

representação em SolidWorks (esquerda) e da fotografia à implementação real (direita).

Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série



Figura 6.1 - Esquema geral do gerador Termoelétrico e implementação real.

A primeira alteração é relativa ao evaporador, que passou a ser composto por 6

tubos alhetados, em lugar dos 18 do modelo anterior. Continuam a ser ligados na base

por um coletor que garante igual nível de líquido de trabalho no seu interior. A figura

6.2 possibilita compreender esta nova configuração.



Figura 6.2 - Modelo em SolidWorks do evaporador do Heat Pipe.

Como pode ser observado, o que mudou relativamente ao evaporador

apresentado no anterior modelo foram essencialmente as dimensões. Neste modelo até

ao nível 0 são armazenados 14 ml de líquido, armazenando desde o nível 0 até à altura

máxima das alhetas mais 64,4 ml, perfazendo um total de 78,4 ml quando cheio até ao

nível máximo de alhetas.

A alteração no evaporador implicou que fosse também alterada a conduta dos

gases, de forma a suportar este último. O novo modelo de conduta implementado pode

ser visto na figura 6.3.

Figura 6.3 - Desenho em SolidWorks do modelo da conduta de gases.




Observando a nova conduta é possível verificar que neste modelo a chama

incide na face maior das alhetas (220 x 75 mm) em vez de incidir na face menor (220 x

35 mm), como sucedia no anterior modelo. A figura 6.4 mostra a imagem da conduta

implementada, onde é possível ver o pormenor da localização do medidor de nível.

Figura 6.4 - Imagem da conduta de gases e respetivo suporte implementados.

Relativamente aos blocos condensadores, local onde se ligam os tubos Heat

Pipes a seguir ao evaporador, são utilizados os mesmos do modelo anterior, no entanto

a sua disposição passou a ser a que é possível ver na figura 6.5. A nomenclatura

utilizada na tabela 5-1 para identificar cada módulo e a sua respetiva localização no

gerador continua válida para este modelo, sendo que, neste modelo o bloco 3 é o que se

encontra mais perto da base do gerador e o lado esquerdo é o lado da entrada de gases,

como pode ser visto na figura 6.5.

Com esta disposição dos módulos aumentou significativamente a altura do

gerador termoelétrico, as dimensões e esquemático geral podem também ser vistos na

figura 6.5.



Figura 6.5 - Esquema geral e dimensões do gerador termoelétrico com blocos em série.




O circuito de arrefecimento permanece constituído pelas mesmas condutas, no

entanto foi necessário alterar a posição dos tubos de entrada e saída de água de forma a

reduzir ao máximo a distancia entre os 3 blocos, no caso 40 mm como pode ser visto na

figura 6.5. A figura 6.6 mostra o conjunto formado por um bloco, os módulos e as

condutas de arrefecimento com a nova disposição dos tubos.

Figura 6.6 - Bloco com módulos e condutas de arrefecimento acopladas, em SolidWorks.

O circuito de água encontra-se ligado em série, sendo as primeiras condutas a ser

percorridas as que estão colocadas no bloco 3, subindo posteriormente para as que estão

colocadas nos blocos acima deste. À saída da última conduta o circuito de água é ligado

ao copo de arrefecimento.

A figura 6.7 mostra a colocação dos módulos, das condutas de arrefecimento e

dos termopares no gerador, bem como o isolamento em lã de rocha. É possível ver ainda

ver os tubos do circuito de arrefecimento, bem como a entrada de água no canto inferior

direito, junto ao bloco 3.



Figura 6.7 - Colocação dos módulos termoelétricos, das condutas de arrefecimento e do isolamento

em lã de rocha.

Todas as dimensões não apresentadas neste capítulo como as relativas, por

exemplo, às condutas de arrefecimento, blocos ou diâmetro de alguns tubos, encontram-

se no capítulo anterior, visto que são idênticas.

6.3. Aquisição e Tratamento de Dados

A aquisição de dados é efetuada de forma semelhante ao modelo anterior, sendo

utilizadas as mesmas ferramentas para aquisição de dados. No que respeita à leitura das

temperaturas, a nomenclatura da tabela 5-3 permanece válida á exceção de um ponto de

leitura que foi alterado, sendo trocado o ponto de medida T1 pelo ponto HP1 como

ilustra a tabela 6-1.

Tabela 6-1 - Nomenclatura e local de medição das temperaturas no gerador.

Nomenclatura Local de leitura da temperatura

T1

Temperatura medida na parte superior do

bloco 3, num dos tubos que liga o bloco

ao coletor.

HP1 Temperatura no interior do HP medida no

bloco 1.




No que se refere às medições da tensão aos terminais dos módulos permanece

tudo inalterado, continuando válida a tabela 5-4. O Tratamento dos dados e os cálculos

apresentados no capítulo 5.5 são válidos para este modelo. A figura 6.8 mostra este

modelo em funcionamento e as placas de aquisição de dados em funcionamento.

Figura 6.8 - Aquisição de dados com sistema em funcionamento.

6.4. Testes e Resultados

Neste subcapítulo são apresentados os resultados dos diversos procedimentos

experimentais realizados a este novo sistema. O objetivo e o procedimento destes

ensaios são em tudo semelhantes aos realizados com o modelo apresentado no capítulo

anterior, ou seja, verificar o desempenho do gerador utilizando dois líquidos de trabalho

diferentes a várias pressões. É analisada também a influência de fatores como o caudal

de arrefecimento ou potência térmica fornecida ao sistema. A quantidade de líquido de

trabalho utilizada neste modelo, é bastante inferior à utilizada no primeiro modelo de

gerador, apenas 78,4 ml, este facto deve-se à menor capacidade de armazenamento do

evaporador, sendo esta a capacidade máxima até à altura das alhetas. Os gases de escape

são simulados com recurso a um queimador de gás, sendo que nos testes a pressões

mais elevadas (9 e 12 bar), são utilizados dois queimadores, por ser necessária maior

potência disponível.

6.4.1. Ensaios Experimentais Utilizando Água Como Líquido de Trabalho

A tabela 6-2 mostra os valores de pressão para os quais o sistema foi testado com

água.



Tabela 6-2 - Pressões testadas e respetivos pontos de ebulição.


1 100

2,5 129

4,7 150

6,7 163

9 175

12 188

O primeiro ensaio experimental apresentado é realizado com água a 1 bar e utiliza

um caudal de arrefecimento de 72 L/h. O gráfico 6.1 mostra a evolução das

temperaturas nos pontos de medida, da potência elétrica gerada e da potência térmica

transferida para a água através dos módulos.


78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 72 L/h.

Através da observação gráfica é possível verificar que após 100 segundos a

temperatura no interior do HP medida no bloco 3 está nos 100 ºC, ponto de ebulição

esperado para o líquido inserido no sistema, e permanece sem oscilações até ao corte da

fonte de calor. Igual comportamento regista a temperatura do HP medida no bloco 1 do

0

2

4

6

8

10

12

14

0

200

400

600

800

1000

1200

0 400 800 1200 1600

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tem

pe

ratu

ra [°C

] ;

Po

tên

cia

Térm

ica

[W]

Tempo [segundos]

1 bar ; 100 ºC ; 78,4 ml Água ; 72 L/h

Entrada_Gases

Potência_térmica

Saída_Gases

HP_3

TEG_quente_B3E

TEG_quente_C3D

HP1

T3

ΔT_TEG_Média

TEG_quente_B1E

TEG_fria_C3D

TEG_fria_B1E

TEG_fria_B3E


Potência_elétrica

Eficiência




sistema, apenas com um atraso de 100 segundos, mostrando que o vapor vai subindo

gradualmente até os 3 blocos entrarem em funcionamento. Após 500 segundos do início

do teste o sistema já atinge o regime permanente em relação à potência elétrica gerada,

um tempo bastante curto quando comparado com testes ao modelo com os blocos em

paralelo. A potência elétrica atinge os 13 W, enquanto a potência térmica regista um

valor em regime permanente de 1050 W fazendo com que o sistema registe um

rendimento de 1,3 % aproximadamente. Observa-se também que o vapor sobe além do

bloco 1, visto que a potência térmica transferida para o copo de arrefecimento é de

aproximadamente de 350 W, ou seja, ocorre condensação nesse local do sistema. O

gráfico 6.2 mostra a evolução das potências elétricas em cada bloco.

Gráfico 6.2 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando a

1 bar, 78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 72 L/h.

Como se observa no gráfico acima a potência a elétrica gerada em cada bloco

diminui à medida que a altura a que o bloco está implementado é maior, isto é, o bloco

3 gera uma potência superior ao bloco 2 e o bloco 2 gera mais potência que o bloco 1.

Este facto não se deve à temperatura da face quente dos blocos, que é aproximadamente

igual em todos eles como se observou no gráfico 6.1, mas sim à temperatura da água

que circula nas condutas de arrefecimento. Como o circuito de arrefecimento está ligado

em série, e a entrada de água está situada junto ao bloco 3, situado mais abaixo no

sistema, a água vai recebendo calor e aquecendo à medida que sobe no sistema, fazendo

com que a diferença de temperatura entre as faces quentes e frias dos módulos

0

2

4

6

8

10

12

14

0 400 800 1200 1600

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tempo [segundos]





Potência_elétrica



colocados nos blocos acima seja inferior. É possível também observar o funcionamento

em cascata do sistema, isto é, apenas quando um bloco está em funcionamento é que o

seguinte inicia geração de energia elétrica. A curva que ocorre na potência do bloco 1

um pouco depois dos 400 segundos deve-se a um aumento da potência térmica

fornecida ao sistema que foi feito para que o vapor alcançasse o bloco 1, visto que até

então a temperatura no interior do HP não era homogénea ao longo dos blocos. Na

tentativa de diminuir as diferenças em termos de potência elétrica gerada, que separam

os 3 blocos, foi aumentado o caudal de arrefecimento para o máximo permitido pelo

circuito de água utilizado e verificado o efeito produzido, como se pode ver no gráfico

6.3.



Pode ver-se novamente que o sistema rapidamente atinge o regime permanente em

termos de potência elétrica gerada, potência essa que aumentou aproximadamente

0,5 W relativamente ao teste anterior, em consequência do aumento do caudal de

arrefecimento. O facto de as curvas relativas às temperaturas das faces quentes dos

módulos serem praticamente coincidentes com as curvas da temperatura no interior do

HP mostra as boas condições de transferência de calor do sistema. O rendimento

manteve aproximadamente os 1,3 %, apesar do aumento registado na potência elétrica,

0

2

4

6

8

10

12

14

0

200

400

600

800

1000

1200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tem

pe

ratu

ra [°C

] ;

Po

tên

cia

Térm

ica

[W]

Tempo [segundos]

1 bar ; 100 ºC ; 78,4 ml Água ; 109,1 L/h

Entrada_Gases

Potência_térmica

Saída_Gases

HP_3

TEG_quente_B3E

TEG_quente_C3D

HP 1

T3

ΔT_TEG_Média

TEG_quente_B1E

TEG_fria_C3D

TEG_fria_B1E

TEG_fria_B3E


Potência_elétrica

Rendimento




pois a potência térmica também aumentou ligeiramente. O gráfico 6.4 mostra que as

diferenças entre as potências geradas nos diferentes blocos foram atenuadas.


1 bar, 78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h.

Observa-se então que a potência gerada pelos módulos colocados no bloco 3

permanece praticamente inalterada, facto esperado, pois o local de entrada da água

mantém-se e a temperatura de entrada da água é sensivelmente igual. A alteração mais

significativa verifica-se nos restantes 2 blocos, pois com maior caudal de arrefecimento

existe maior capacidade de retirar calor da face fria dos módulos, levando a uma maior

diferença de temperatura entre as suas faces e consequente aumento da potência gerada.

Isto deve-se ao facto da temperatura média da água (entre a entrada e a saída do circuito

de arrefecimento) ser mais baixa:

Eq. 6.1

O coeficiente de transmissão de calor por convecção também subiu devido à

maior velocidade e turbulência do fluido no interior das condutas de arrefecimento

(maior número de Reynolds).

O gráfico 6.5 mostra as tensões medidas em cada módulo colocado no conjunto

dos 3 blocos. A máxima tensão gerada em aberto atinge os 1,35 V e corresponde a um

0

2

4

6

8

10

12

14

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tempo [segundos]








módulo colocado no bloco 3 onde a diferença de temperatura entre as faces é maior,

quanto à máxima tensão alcançada em carga é de aproximadamente 0,6 V.

Gráfico 6.5 - Tensões em vazio e em carga de cada bloco, com gerador funcionando a 1 bar, 78,4 ml

de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h.

O gráfico 6.6 permite verificar o desempenho do sistema funcionando a uma

pressão mais elevada, 12 bar, sendo a esta pressão o ponto de ebulição de 188 ºC,

temperatura à qual se espera que permaneça o interior do HP em regime permanente.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Ten

são

[V

]

Tempo [segundos]

Tensões

Tensão_B3E

Tensão_C3D

Tensão_carga_C3E

Tensão_carga_B3D

Tensão_B2D

Tensão_C2E

Tensão_B1E

Tensão_carga_B2E

Tensão_carga_C2D

Tensão_C1D

Tensão_Carga_B1D

Tensão_carga_C1E






Pode ver-se que mesmo a uma pressão mais elevada o sistema rapidamente atinge

o regime permanente de potência gerada que alcança os 52 W, sendo que neste ensaio

experimental foram usados os dois queimadores simulando os gases de entrada depois

de verificado que apenas um não colocava todos os blocos em funcionamento. As

temperaturas no interior do HP atingem e permanecem no valor esperado. A potência

térmica transferida para a água através dos módulos é de aproximadamente 2600 W,

enquanto a transferida no copo de arrefecimento oscila entre os 100 e os 200 W,

indicando que há pouco excesso de calor (praticamente todo o calor é aproveitado). O

rendimento do sistema a operar nestas condições é de aproximadamente 2 %. O gráfico

6.7 permite ver a evolução relativa às potências elétricas geradas em cada bloco.

0

10

20

30

40

50

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 300 600 900 1200 1500 1800

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tem

pe

ratu

ra [°C

] ;

Po

tên

cia

Térm

ica

[W]

Tempo [segundos]

12 bar ; 188 ºC ; 78,4 ml Água ; 109,1 L/h

Entrada_Gases

Potência_térmica

Saída_Gases

HP_3

TEG_quente_B3E

TEG_quente_C3D

HP 1

T3

ΔT_TEG_Média

TEG_quente_B1E

TEG_fria_C3D

TEG_fria_B1E

TEG_fria_B3E


Potência_elétrica

Rendimento




12 bar, 78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h.

Pode ver-se que a diferença entre a potência elétrica gerada em cada bloco é

superior à verificada no teste a 1 bar. Como o sistema opera com maiores temperaturas

também transfere maior potência térmica para a água, ou seja, a água aquece mais à

passagem por cada bloco, criando uma menor diferença de temperatura entre as faces de

dos módulos seguintes. Este efeito é visível também, como é esperado, no gráfico 6.8

relativo às tensões geradas.

0

10

20

30

40

50

60

0 300 600 900 1200 1500 1800

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tempo [segundos]










ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h.

Os gráficos que se seguem resumem os resultados obtidos nos testes efetuados

às diferentes pressões utilizando água como líquido de trabalho. O gráfico 6.9 refere-se

à temperatura no interior do HP nos diversos ensaios.

Gráfico 6.9 - Temperaturas internas do HP para as várias pressões testadas com água.

Observa-se que a temperatura permanece aproximadamente constante ao longo

de cada teste, indicando também não haver alterações de pressão resultantes de

00,20,40,60,8

11,21,41,61,8

22,22,42,62,8

3

0 300 600 900 1200 1500 1800

Ten

são

[V

]

Tempo [segundos]

Tensão

Tensão_B3E

Tensão_C3D

Tensão_carga_C3E

Tensão_carga_B3D

Tensão_B2D

Tensão_C2E

Tensão_B1E

Tensão_carga_B2E

Tensão_carga_C2D

Tensão_C1D

Tensão_Carga_B1D

Tensão_carga_C1E

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 500 1000 1500 2000

Tem

pe

ratu

ra [

ºC]

Tempo [segundos]

Temperatura no Interior do HP

HP_1bar

HP_2,5 bar

HP_4,76bar

HP_6,7bar

HP_9bar

HP_12bar



eventuais fugas do sistema. O gráfico 6.10 permite observar o rendimento ao longo

tempo para a totalidade dos testes realizados com água.

Gráfico 6.10 - Rendimentos para as várias pressões testadas com água.

É possível verificar que o valor do rendimento aumenta à medida que a pressão

no interior do HP é incrementada, como já havia sido verificado. O gráfico 6.11 mostra

o valor da tensão, potência elétrica e rendimento obtido em cada ensaio.


Água.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 500 1000 1500 2000

Re

nd

ime

nto

[%

]

Tempo [segundos]

Rendimentos

Rendimento_1bar

Rendimento_2,5bar

Rendimento_4,7bar

Rendimento_6,7bar

Rendimento_9bar

Rendimento_12bar

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0

10

20

30

40

50

60

80 100 120 140 160 180 200

Re

nd

ime

nto

[%

]

Ten

são

[V

]; P

otê

nci

a El

étr

ica

[W]

Temperatura Interna HP [ºC]

Tensão, Potência Elétrica e Rendimento

Potência_elétrica

Tensão_Total

Rendimento

Polinomial(Potência_elétrica)

Polinomial (Tensão_Total)

Polinomial (Rendimento)




Verifica-se então que os parâmetros mostrados no gráfico acima aumentam com

a temperatura no interior do HP, facto previsível devido à maior diferença de

temperatura que é criada entre as faces dos módulos termoelétricos. O máximo

rendimento obtido é de 2 % para uma potência elétrica gerada de 52 W.

6.4.2. Ensaios Experimentais Utilizando Dowtherm A Como Liquido de Trabalho

Relativamente aos testes realizados utilizando Dowtherm A é necessário

observar o gráfico 6.12 para perceber o comportamento do sistema com este líquido de

trabalho. O teste que se segue é realizado a uma pressão de 35 milibar, a qual

corresponde um ponto de ebulição de 140 ºC.

Gráfico 6.12 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 0,035

bar, 78,4 ml de Dowtherm A no interior do HP e caudal de arrefecimento de 109,1 L/h.

É observável através do gráfico acima, através da temperatura de entrada de

gases, que o teste está dividido em duas partes distintas, até aos 900 segundos os gases

de entrada são simulados recorrendo a um queimador apenas, sendo no período que se

segue simulados com recurso a dois queimadores. Regista-se um comportamento

bastante oscilante da potência elétrica gerada com ligeira tendência de subida, factos já

analisados nos testes com Dowtherm A no anterior modelo. A temperatura no interior do

HP também apresenta as conhecidas oscilações com a utilização deste líquido. A

temperatura HP 1 encontra-se muito abaixo da temperatura HP 3, mostrando que o



vapor não alcança o bloco1 do sistema, ao contrário do sucedido com a água. Uma

observação ao gráfico 6.13 ajuda a compreender o funcionamento de cada bloco,

percebendo o desempenho de cada um em termos de potência elétrica gerada.


a 0,035 bar, 78,4 ml de Dowtherm A no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h.

Verifica-se então que maior parte da potência elétrica gerada é da

responsabilidade do bloco 3, o mais próximo da base do gerador, não sendo possível

fazer subir o vapor até aos blocos superiores. Isto leva a concluir que o sistema não

apresenta o funcionamento desejado utilizando o Dowtherm A, e que mesmo fornecendo

ao sistema uma grande carga térmica não é possível fazer subir o vapor até níveis

superiores no sistema.

6.4.3. Ensaios Experimentais Utilizando Gases de Um Motor de Combustão

Os últimos testes realizados com este sistema tentam aproximar-se mais de uma

situação de implementação real, em que a fonte de calor foram os gases são produzidos

por um motor de combustão interna. Para isso foi utilizado um motor diesel YANMAR,

modelo L100N com potência máxima de 10 cv (7,4 kW), cujos gases de escape foram

canalizados até à conduta do gerador. A figura 6.9 mostra o motor utilizado, onde é

possível ver o tubo de escape dos gases, que é posteriormente prolongado até ao

gerador.

0

2

4

6

8

10

12

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tempo [segundos]





Potência_elétrica_ total




Figura 6.9 - Motor utilizado para a simulação dos gases de escape

A figura 6.10 permite observar a entrada de gases no gerador termoelétrico,

provenientes do motor visível na figura 6.9. De notar que a distância entre o motor e o

gerador termoelétrico é muito grande, aproximadamente 3m, pelo que os gases de

escape arrefecem significativamente entre o motor e o gerador.

Figura 6.10 - Entrada de gases, provenientes do motor de combustão, no gerador termoelétrico.

Após a realização do primeiro ensaio com este motor, verificou-se que não era

capaz de produzir calor suficiente para colocar em funcionamento os 3 blocos, no



entanto é possível ver que permite um funcionamento parcial do sistema, como mostra o

gráfico 6.14.


78,4 ml de Água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 109,1 L/h.

Pode então observar-se que a máxima temperatura atingida pelos gases, à

entrada da conduta do gerador foi de 212,7 ºC, por volta dos 2500 segundos. De facto

não só a potência do motor não é elevada mas também não foi possível atingir

temperaturas elevadas de escape durante tempo suficiente. O facto de ser um motor

diesel, em que as temperaturas de escape são em geral menos elevadas, também não

ajudou o sistema a ter um desempenho mais satisfatório. A potência elétrica gerada foi

na ordem dos 8,4 W, com um rendimento de menos de 1 %. De forma, a pouca potência

térmica fornecida ao sistema não foi suficiente para que o vapor subisse de forma a

funcionarem todos os blocos, como pode ser observado no gráfico 6.15.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

200

400

600

800

1000

1200

0 800 1600 2400 3200P

otê

nci

a El

étr

ica

[W]

Tem

pe

ratu

ra [°C

] ;

Po

tên

cia

Térm

ica

[W]

Tempo [segundos]

1 bar ; 100 ºC ; 78,4 ml Água ; 109,1 L/h

Entrada_Gases

Potência_térmica

Saída_Gases

HP_3

TEG_quente_B3E

TEG_quente_C3D

HP_1

T3

ΔT_TEG_Média

TEG_quente_B1E

TEG_fria_C3D

TEG_fria_B1E

TEG_fria_B3E


Potência_Elétrica_Total

Rendimento





a 1 bar, 78,4 ml de Água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h.

Verifica-se então que os blocos 2 e 3 funcionam ligeiramente abaixo do

esperado, cerca de 1 W abaixo dos valores obtidos no gráfico 6.2 para o caso do gás

butano. O bloco 1 praticamente não é alcançado pelo vapor, fazendo com que não

funcione como o esperado. Este fator contribui para que o rendimento do sistema seja

bastante baixo, pois o calor não chega a todos os módulos termoelétricos do sistema.

Analisando o sistema, e considerando que não existem perdas térmicas, pode

dizer-se que a potência térmica transferida através do sistema se mantém ao longo das

várias etapas. Desta forma a potência térmica extraída dos gases de escape será igual à

potência térmica transferida para a água através dos módulos:

Eq. 6.2

A potência térmica extraída dos gases de escape, ou seja, a que é realmente

aproveitada pelo gerador, é determinada através da eq. 6.3.

( ) Eq. 6.3

A potência térmica máxima que teoricamente pode ser aproveitada pelo sistema

para uma dada temperatura do HP é dada pela eq. 6.4:

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 800 1600 2400 3200

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Tempo [segundos]





Potência_Elétrica_Total



( ) Eq. 6.4

O que corresponde à situação em que a temperatura de saída dos gases ser igual

à temperatura do HP.

Analisando os resultados do ensaio experimental apresentado no gráfico 6.14 em

regime permanente (2500 segundos) e sabendo que a potência térmica transferida para a

água é de 1100,5 W, é possível determinar o valor do caudal mássico de gases

utilizando a eq. 6.2 e eq. 6.3:

( )

Eq. 6.5

Desta forma obtém-se um caudal mássico de gases de 0,0147 kg/s, com esta

dado é também possível calcular a potência térmica disponível nos gases de escape

através da eq. 6.4.

( )

= 1643,5 W Eq. 6.6

Determinando então o rendimento térmico do sistema conhece-se qual a

percentagem da potência térmica disponível nos gases de escape foi extraída pelo

gerador:

Eq. 6.7

Constata-se então que são aproveitados aproximadamente 2/3 da potência

térmica disponível nos gases de escape.

Com estes dados disponíveis, e conhecendo o rendimento elétrico deste sistema

as várias temperaturas de operação do HP, através dos testes realizados no capítulo

6.4.1, é possível prever para que temperatura do HP a potência elétrica será máxima

utilizando estes gases de escape, pois temos:

Eq. 6.8




Desta forma é possível ver no gráfico 6.16 o valor da temperatura do HP para a

qual a geração de energia elétrica será máxima para este caudal de gases.

Gráfico 6.16 - Potência elétrica calculada para diferentes valores da temperatura do HP, utilizando

gases de escape do motor de combustão.

É possível observar desta forma que a geração de energia elétrica será máxima

quando a temperatura de funcionamento do HP for aproximadamente 128 ºC. A curva

traçada para um rendimento térmico de 100 %, prevê uma geração de energia elétrica

numa situação em que o gerador aproveita toda a energia disponível dos gases de escape

(Potência_extraída_gases=Potência_disponível_gases). Relativamente à curva traçada

para um rendimento térmico de 67 % (que corresponde ao rendimento apresentado pelo

sistema implementado), prevê uma geração de energia elétrica numa situação em que

Potência_extraída_gases = 0,67*Potência_disponível_gases.

6.5. Conclusões

Analisando o comportamento do modelo implementado, pode-se dizer que

durante a realização de testes com água o desempenho foi o esperado, o vapor alcançou

a totalidade dos blocos em cada teste, levando à geração máxima de 52 W de potência

elétrica. Relativamente aos valores de rendimento obtidos, verificou-se que podiam ser

superados caso o circuito de arrefecimento permitisse maior caudal de água.

Relativamente aos testes realizados com Dowtherm A, mesmo com a temperatura de

saída dos gases muito acima da temperatura do HP, significando que havia potência

0

5

10

15

20

25

50 100 150 200

Po

tên

cia

Elé

tric

a [W

]

Temperatura do HP [ºC]

Potência Elétrica Calculada

Potência ElétricaCálculada ParaRendimentoTérmico de 100%

Potência ElétricaCálculada ParaRendimentoTérmico de 67%



térmica disponível para o sistema funcionar, este não entrou em funcionamento,

alcançando o vapor apenas o bloco 3, o mais baixo do sistema.

Finalmente, com os gases de escape do motor de combustão, verifica-se que a

potência térmica aproveitada pelo sistema não foi suficiente para fazer funcionar na

plenitude os 3 blocos e apesar de o bloco 3 e o bloco 2 ainda apresentarem um

funcionamento próximo do obtido com os gases simulados com recurso aos

queimadores, o bloco 1 praticamente não entrou em funcionamento. De qualquer modo,

isto poderá ter-se devido às baixas temperaturas de gases de escape obtidas com o motor

que estava a funcionar de modo deficiente.

Foi possível comprovar que no caso de baixas temperaturas de escape é vantajoso

ter temperaturas de funcionamento do HP menores que a temperatura máxima

admissível dos módulos.

Testes mais recentes com o motor a funcionar em melhores condições permitiram

melhores desempenhos do sistema.


CAPÍTULO 7

Conclusões e Trabalho Futuro

A realização deste projeto tinha como principal objetivo projetar, desenvolver e

caraterizar um gerador termoelétrico, utilizando módulos termoelétricos e Heat Pipes

como mecanismo para transferência de calor, capaz de aproveitar o calor proveniente

dos gases de escape dos automóveis para geração de energia elétrica. O motivo para o

seu desenvolvimento está relacionado com o elevado valor de calor residual libertado

pelos motores de combustão através do escape, possibilitando este aproveitamento gerar

energia elétrica de forma a reduzir o uso do alternador, diminuindo a carga mecânica ao

motor e consequentemente diminuição consumo de combustíveis e emissão de gases

poluentes. Inicialmente foi construído um modelo teórico que permite prever o

comportamento dos módulos termoelétricos, quando conhecidas as propriedades dos

materiais em causa, nas mais diversas condições de operação. Modelo que serviu de

referência durante a realização do trabalho prático e que pode ser aplicado a qualquer

tipo de módulos. Foi também construído um modelo térmico que reflete o

comportamento do sistema implementado, e que permite analisar do ponto de vista

térmico o comportamento do sistema, através do circuito elétrico equivalente, sendo

possível prever as temperaturas nos mais diversos pontos sistema. Depois de estudado o

problema do ponto de vista teórico iniciou-se a caraterização de um gerador

termoelétrico já construído, que utiliza uma configuração de blocos em paralelo,

permitindo analisar aspetos menos positivos no seu funcionamento de forma não serem

repetidos num novo modelo que utiliza uma configuração de blocos em série.

O protótipo com os blocos em paralelo começou por apresentar problemas de

funcionamento durante a realização dos ensaios experimentais, isto é,

independentemente da carga térmica fornecida ao sistema apenas o bloco mais próximo

da entrada de gases (bloco 3) era alcançado de forma significativa pelo vapor, fazendo

com a energia elétrica gerada nos dois restantes blocos fosse praticamente residual.

Desta forma, com apenas 4 dos 12 módulos em funcionamento, a potência elétrica

gerada foi de 7,2 W, para uma temperatura de funcionamento do HP de 100 ºC com

água como fluido de trabalho, tendo sido o caudal de arrefecimento mantido em todos

os testes deste modelo entre os 80 e 85 L/h. O valor do rendimento do gerador obtido

foi de 1,4 %, valor que não se deve desviar muito do rendimento do bloco 3, devido a

Capitulo 7 - Conclusões e Trabalho Futuro



inatividade dos restantes blocos, embora não tenha sido determinado o rendimento dos

blocos individualmente.

Confirmada a inatividade de dois dos blocos do gerador, o foco de estudo passou

a estar no bloco 3, apesar de não ter sido feita ao sistema nenhuma alteração física. Este

estudo permitiu estimar a potência elétrica gerada caso funcionassem os 3 blocos, bem

como a potência térmica transferida para a água através dos módulos. Testou-se então

este bloco para diferentes temperaturas do HP e para dois fluidos de trabalho: água e

dowtherm A. Para as mesmas condições de funcionamento em que o conjunto total dos

blocos foi avaliado, o bloco 3 gerou 6,1 W de potência elétrica e transferiu para a água

do circuito de arrefecimento 350 W de potência térmica, apresentando assim um

rendimento de 1,7 %. O aumento de 0,3 % no rendimento deveu-se a uma redução

considerável da potência térmica transferida para água, de aproximadamente 140 W

relativamente ao teste efetuado ao conjunto dos blocos. Ainda com o mesmo fluido de

trabalho, seguiram-se testes a temperaturas de operação do HP mais elevadas, sendo que

a máxima testada foram os 188 ºC, devido às limitações físicas do HP, que apenas foi

concebido para funcionar a uma pressão máxima de 12 bar, não permitindo elevar para

temperaturas superiores o ponto de ebulição da água. O ensaio experimental nestas

condições permitiu gerar no bloco 3, em regime permanente, uma potência elétrica de

22 W e transferir para a água cerca de 756 W. Desta forma o rendimento alcançado foi

de 2,9 %, significativamente superior aos 1,7 % alcançados para uma temperatura de

operação de 100 ºC. Ainda neste ensaio, a média das diferenças de temperatura entre as

faces quente e fria dos 4 módulos é aproximadamente 147 ºC, temperatura para a qual o

modelo elétrico (teórico) construído prevê uma potência de 19,7 W, não apresentando

um desvio significativo relativamente aos 22 W obtidos, e validando o modelo. Estes

testes realizados com água revelaram ainda uma baixa resistência térmica do sistema,

pois a temperatura das faces quentes dos módulos e a temperatura interna do HP apenas

diferem cerca de 2 ºC em regime permanente, mostrando a boa condução de calor do

sistema implementado.

Relativamente aos testes realizados utilizando dowtherm A como fluído de

trabalho, tiveram como principal objetivo testar o desempenho do bloco a temperaturas

de operação do HP superiores a 188 ºC, sem que a pressão de 12 bar fosse excedida.

Sendo o ponto de ebulição deste fluido de aproximadamente 257 ºC à pressão

atmosférica, utilizaram-se numa fase inicial bombas de vácuo de forma a possibilitar

baixar a temperatura de operação do HP diminuindo a sua pressão interna, procedendo-

se posteriormente à injeção de ar comprimido, com recurso a um compressor, para obter



o efeito oposto. Desta forma foi possível testar o funcionamento do bloco para uma

gama alargada de temperaturas internas do HP. No teste realizado a uma pressão de

0,244 bar, à qual corresponde uma temperatura de operação de 200 ºC, foram obtidos

23 W de potência elétrica, um valor muito próximo do 22 W obtidos com água para

uma temperatura de operação significativamente menor (188 ºC). Este facto ocorre

devido à menor capacidade do dowtherm A em transmitir calor, comparativamente à

água, fazendo com que neste ensaio a diferença de temperatura entre o interior do HP e

a face quente dós módulos seja cerca de 17 ºC. Na prática obtém-se sensivelmente a

mesma diferença de temperatura entre as faces quente e fria dos módulos para uma

temperatura de operação de 188 ºC com água e para 200 ºC com dowtherm A. O

rendimento apresentado pelo sistema alcançou os 2,7 % nesta situação. Seguiram-se os

testes aumentando gradualmente a temperatura de operação até ser atingida a máxima

diferença de temperatura recomendada pelo fabricante dos módulos (200 ºC) bem como

o limite máximo para a face quente (250 ºC), esses limites foram atingidos num ensaio

experimental com uma temperatura de operação do HP de 300 ºC, conseguida com uma

pressão interna de 2,3 bar. No entanto verificou-se que a esta temperatura a potência

térmica fornecida ao sistema não era suficiente para fazer subir o vapor de forma a

alcançar a totalidade do bloco, pois a temperatura de saída dos gases era igual à

temperatura do HP, tendo a face quente dos módulos colocados na parte inferior do

bloco atingido os 250 ºC enquanto a face quente dos módulos colocados na parte

superior do bloco atingiu os 225 ºC, facto que representou um decréscimo no

rendimento para os ensaios a pressões mais elevadas. A diferença de temperatura

máxima alcançada entre as faces foi de 192 ºC alcançada para os módulos colocados na

parte inferior do bloco. O bloco gerou, ainda que nestas condições de funcionamento,

35 W e foram transferidos para água através dos módulos 1450 W de potência térmica,

sendo desta forma obtido um rendimento de 2,4 %. Comparando a utilização dos dois

líquidos de trabalho, para a mesma temperatura de operação do HP, a água apresenta

maior potência elétrica gerada, maior potência térmica transferida e melhor rendimento,

tendo como única vantagem o dowtherm A o facto de permitir elevar a temperatura de

operação, sem ser necessário atingir valor de pressão para os quais o sistema não está

fisicamente preparado.

Com a objetivo de triplicar os resultados obtidos nos ensaios realizados ao

bloco 3 do gerador com os blocos em paralelo, foi desenvolvido um gerador em que os

blocos estão dispostos em série de forma vertical, tentando tirar partido da forma como

o vapor alcançou zonas elevadas do sistema, nos ensaios realizados ao primeiro modelo,




essencialmente com água. Inicialmente, verificou-se que, com um caudal de

arrefecimento de cerca de 72 L/h, e para um temperatura de funcionamento do HP de

100 ºC funcionando com água, as potência elétricas geradas em cada bloco

apresentavam diferenças significativas, gerando o bloco 3 cerca de 5 W enquanto o

bloco 1 apenas 3,5 W. Este facto deve-se à forma como está ligado o sistema de

arrefecimento, isto é, com o sistema de arrefecimento ligado em série e com a entrada

de água no circuito a ser efetuada numa conduta colocada no bloco 3 (bloco mais

baixo), à medida que a água sobe já tem recebido calor da passagem pelas primeiras

condutas, fazendo com que a diferença de temperatura entre as faces quente e fria dos

módulos vá diminuindo com a altura a que estão colocados no sistema. Este problema

não pode ser eliminado mantendo o circuito de arrefecimento ligado em série, mas pode

ser atenuado aumentando para o máximo possível o caudal de arrefecimento, tendo sido

esse o procedimento adotado, elevando o caudal para 109,1 L/h em todos os ensaios. A

temperatura máxima a que foi testado este modelo utilizando água como fluido de

trabalho, foi de 188 ºC, à semelhança do que sucedeu com o modelo anterior. Se o

bloco 3 do modelo anterior alcançou os 22 W a esta temperatura, era de esperar que este

modelo se aproxima-se dos 66 W, no entanto o problema já referido do circuito de

arrefecimento apenas permite que sejam alcançados 52 W na totalidade dos blocos,

tendo 20 W origem no bloco 3, 17 W no bloco 2 e 15 W no bloco 1. Relativamente à

temperatura da face quente dos módulos esta foi aproximadamente igual ao longo do

sistema, mostrando que o vapor atinge todos os blocos de igual forma. O rendimento do

sistema obtido neste ensaio é de aproximadamente 2 %, tendo a potência térmica

transferida para a água sido de 2600 W.

Pelos motivos referidos para o modelo anterior, este novo também foi testado

utilizando dowtherm A como líquido de trabalho, iniciando-se este procedimento com

um ensaio para uma temperatura de operação de 140 ºC, à qual corresponde uma

pressão interna de 0,035 bar. No entanto, com este líquido de trabalho o vapor quase

não subiu além do bloco 3, atingindo apenas parcialmente o bloco 2. Na origem deste

problema não está a potência térmica fornecida ao sistema, visto que a temperatura de

saída de gases é bastante superior à temperatura do HP, o problema estará no facto de o

dowtherm A não ser capaz de receber esse calor, acabando o sistema por gerar apenas,

nestas condições, uma potência elétrica de 10 W, valor muito longe das expetativas para

esta temperatura de operação.

Finalmente os últimos ensaios experimentais realizados utilizaram os gases de

escape de um motor diesel de 10 cv em vez de os simular com recurso a queimadores,



como havia sido feito em todos os anteriores testes, aproximando esta situação de uma

implementação real. Os testes utilizaram água como líquido de trabalho e uma

temperatura de operação de 100 ºC. Os gases do motor foram canalizados para a

conduta de gases do gerador e apesar de as temperaturas destes serem muito mais baixas

que as normalmente usadas com os queimadores, atingindo um máximo de 212 ºC, foi

possível colocar 2 blocos em funcionamento, gerando os blocos 3, 2 e 1 respetivamente

4,3 W, 3,4 W e 0,6W, tendo sido obtidos no total dos blocos 8,3 W. Foi possível ainda

determinar que apenas 67 % da energia térmica fornecida pelos gases de escape foi

aproveitada pelo sistema. O rendimento do gerador nestas condições é de

aproximadamente 1%.

No que diz respeito ao modelo com os blocos em série, este modelo teve o

desempenho esperado quando utilizada água como fluido de trabalho, permitindo o

funcionamento dos três blocos e gerando 52 W de potência elétrica. Nos testes em que o

líquido de trabalho foi o dowtherm A, o sistema revelou um mau funcionamento, não

sendo possível colocar os blocos todos a gerar energia elétrica. Relativamente aos testes

com o motor, os resultados foram os possíveis para a gama de temperaturas que os

gases de escape tinham, permitindo verificar o funcionamento do gerador, utilizando

água como fluido de trabalho e gases de escape.

Com uma potência elétrica máxima gerada de 52 W utilizando 12 módulos, e

tendo em conta que muitas soluções idênticas no mercado utilizam cerca de 70, o que

faria com que este gerador (caso suportasse esse numero de módulos) gerasse próximo

de 300 W, pode dizer-se que a aposta no desenvolvimento de geradores combinando

módulos termoelétricos e Heat Pipes deve continuar, pois os resultados não se afastam

muito de soluções que existem no mercado [18]. Uma próxima solução deve passar por

compactar o modelo desenvolvendo, por exemplo, um único bloco de forma hexagonal

ou octogonal com altura de 4 ou 5 módulos de forma a diminuir o tamanho e a suportar

um número superior de módulos. Deve também ser melhorada a robustez do sistema

permitindo suportar elevadas pressões de operação, fazendo com que os módulos

estejam sempre a funcionar no limite máximo de temperatura suportada por eles.

Desenvolvendo um gerador com base nestas ideias é possível colocar-lhe (no caso de

utilizar um bloco octogonal com altura de 5 módulos) 40 módulos a uma diferença de

temperatura de 200 ºC. Utilizando o modelo elétrico para prever a energia elétrica

gerada por estes módulos nestas conduções, obtém-se uma potência de cerca de 370 W,

valor mais próximo do que é atualmente comercializado [18].




Seria também importante, num plano mais teórico, criar um modelo que

possibilita-se a interação entre as componentes elétrica e térmica, dos módulos

termoelétricos, para serem simuladas diferentes condições de operação de forma a

prever o desempenho destes dispositivos.


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