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Refrigeração eletrônica


Principalmente em bebedouros mas também em equipamentos sofisticados como adegas climatizadas, a refrigeração deles é feia "eletronicamente', sem o uso de compressor, gás refrigerante, etc. Essa é uma tecnologia que veio para ficar, em determinados equipamentos, e muitas pessoas que trabalham com refrigeração não a conhecem. O segredo da "refrigeração eletrônica" são os módulos Peltier ou pastilhas termoelétricas.

Módulos Peltier, também conhecidos como pastilhas termoelétricas, são pequenas unidades que contém uma série de semicondutores (transistores) agrupados em pares, para operarem como bombas de calor. Uma unidade típica tem espessura de alguns milímetros e forma quadrada ( 4x40x40 mm). Esses módulos são essencialmente um sanduíche de placas cerâmicas recheado com pequenos cubos de telureto de bismuto.

Essa série de semicondutores é soldada entre duas placas cerâmicas, eletricamente em série e termicamente em paralelo. Quando uma corrente DC passa por um ou mais pares, há uma redução na temperatura da junta ("lado frio") resultando em uma absorção do calor do ambiente. Este calor é transferido pela pastilha pela movimentação de elétrons. A capacidade de bombeamento de calor de uma pastilha termoelétrica é proporcional à corrente e o número de pares de elementos tipo-n e tipo-p

Um módulo peltier ou pastilha termoelétrica

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

O esquema de um módulo peltier

Tanto para aquecimento como resfriamento, é necessário utilizar algum tipo de dissipador para coletar calor (em modo de aquecimento) ou dissipar calor (em modo de resfriamento) para outro meio (: ar, água, etc.). Sem isso o módulo estará sujeito a superaquecimento - com o lado quente superaquecido o lado frio também esquentará, consequentemente calor não será mais transferido. Quando o módulo chegar à temperatura de refluxo da solda utilizada, a unidade será destruída. Frequentemente utiliza-se uma ventoinha quando dissipador estiver trocando calor com o ar, mas isto não é obrigatório,

Esquema de aplicação de uma pastilha termoelétrica

Pastilhas termoelétricas são utilizadas em aplicações pequenas de resfriamento como microprocessadores ou em médias como geladeiras portáteis, adegas para vinho e bebedouros. Atualmente, os módulos mais potentes podem transferir um máximo de 250W (conversão de W para BTUS). As pastilhas podem ser empilhadas para se chegar temperaturas mais baixas, embora alcançar temperaturas muito abaixo de zero requeirá processos complexos e caros.

Existe um limite prático do tamanho dos módulos de cerca de 60 milímetros. Isso ocorre porque devido às diferenças de calor, o lado frio da pastilha contrairá enquanto o lado quente expandirá, causando estresse nos elementos e nos pontos de solda. Quanto maior o módulo, maior o estresse.

Pode ser utilizado mais de um módulo para aumentar a transferência de calor ou empilhados uns sobre os outros para aumentar a diferença entre o lado frio e o lado quente. Contudo, quando a temperatura entre o lado frio e o lado quente não precisa ser mais de 60°C, pastilhas simples são mais recomendadas. Quando esta diferença tem que ser maior de 60°C, módulos multi-estágios devem ser utilizados.

Uma pastilha termoelétrica

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

O efeito Peltier tende a perder sua vantagem competitiva para transferências de calor acima de 200W. Existem certas aplicações militares e científicas que o utilizam para transferir centenas de quilowatts mas nesses casos o custo não é um problema ao contrário do que ocorre em produtos para o mercado consumidor.

Um ar-condicionado ou uma geladeira de grande porte poderá vir a ser produzida em escala industrial, mas por enquanto seus custos são proibitivos. Módulos Peltier tem grandes vantagens como tamanho reduzido e ausência de peças móveis e ruído, mas seu custo por watt transferido é muito superior a um compressor, seu principal concorrente tecnológico. Como aparelhos de ares-condicionados requerem uma transferência de calor muito maior para resfriar ambientes do que uma mini geladeira portátil, por exemplo, não são economicamente viáveis. O mesmo ocorre com geladeiras e congeladores (freezers) residenciais.

É importante também salientar que, no caso de aparelhos de ar-condicionado, mesmo quando eles forem produzidos em escala industrial, um dissipador de calor terá de ser acoplado ao sistema e ao exterior do ambiente para que ele realmente seja resfriado. Ou seja, estes aparelhos não poderão substituir resfriadores portáteis que reduzem temperatura somente com gotículas de água e sem nenhuma dissipação para o exterior

A grande vantagem de pastilhas do tipo Peltier são a ausência de peças móveis, tornando extremamente preciso o controle de temperatura, não uso de gás refrigerante, sem barulho e vibração; além do tamanho reduzido, alta durabilidade e precisão. Elas são utilizadas hoje em inúmeros setores, principalmente os de bens de consumo, automotivo, industrial e militar. São mais comuns em países desenvolvidos mas elas tiveram grande penetração no Brasil com os bebedouros eletrônicos, fabricados por várias empresas.

Para aplicações de transferência de calor de 200 W as pastilhas termoelétricas têm várias vantagens sobre os compressores: são mais confiáveis que um compressor além de necessitar praticamente nenhuma manutenção. São ideais para aplicações de resfriamento que são sensíveis a vibrações mecânicas ou têm um tamanho ou espaço limitado.

Para estimar qual pastilhas e quantas serão necessárias é preciso determinar a carga térmica de onde elas serão aplicadas. É o mesmo processo de dimensionamento de um compressor para uma geladeira, por exemplo.

O controle de temperatura pode ser feito variando a voltagem fornecida a pastilha termoelétrica ou desligando/ ligando ela. Certos fabricantes não recomendam o desligar/ ligar por achar que isso encurta a vida útil delas enquanto outros não tem essa restrição.

A umidade pode ser um problema se o módulo for utilizado para resfriar perto de 0o. C, uma vez que o vapor presente no ar pode condensar, molhando a pastilha. A umidade dentro do módulo pode causar corrosão e resultar em um curto-circuito. Costuma-se utilizar isolantes de silicone ou epoxy nas bordas do módulo para evitar a umidade.

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