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Roteiro elaborado com base na documentação que acompanha o conjunto por: Hermes Urébe Guimarães

Tópicos Relacionados

Efeito Peltier, tubo de calor, termoelétrico f.e.m., coeficiente Peltier, capacidade de refrigeração, capacidade de aquecimento, índice de eficiência, coeficiente Thomson, coeficiente Seebeck, equações Thomson, condução de calor, convecção, refrigeração forçada, efeito Joule.

Princípios e objetivos

A capacidade de refrigeração, a capacidade de aquecimento, e o índice de eficiência de uma bomba de calor Peltier são determinados sob diferentes condições de operação.

Equipamentos

Gerador térmico com suporte mecânico 04366.0 1 Dispositivo de troca de fluxo de calor 04366.01 1 Resfriador de ar 04366.02 1 Termômetro digital 07030.0 1 Cabo de conexão, 32A, 50 cm, vermelho 07361.01 1 Cabo de conexão, 32A, 50 cm, azul 07361.04 1 Sonda de imersão NiCr-Nr,-50/1000C 13615.03 1

Problemas

1. Determinar a capacidade de refrigeração Pc , o preenchimento como uma função da corrente e, calcular o índice de eficiência ηc na saída máxima.

2. Determinar a capacidade de aquecimento Pw da bomba e seu índice de eficiência ηw , em corrente constante e temperatura constante no lado refrigerado.

3. Determinar Pw , ηw e Pc , ηc da relação entre temperatura e tempo, no lado aquecido e no lado refrigerado.

4. Investigar o comportamento da temperatura quando a bomba for usada para refrigeração, estando o lado aquecido resfriado a ar.

Fig. Montagem do conjunto sendo efetuada na UFES – Vitória.

Fig.2 Montagem para determinação da capacidade de resfriamento

Montagem e procedimentos

1. Instale uma banheira de água no lado refrigerado, e um permutador de calor no lado aquecido, através do qual a água tampada fluirá. Um

aquecedor de rolo (resistência de aproximadamente 3 Ohms), operando em AC, será mergulhado na banheira repleta de água. Para cada valor de

corrente Ip arranje a capacidade de aquecimento Ph = UhIh com o

reostato R , assim a diferença de temperatura entre o lado aquecido e o lado refrigerado será aproximadamente zero. A energia fornecida corresponderá, então, a exatamente a capacidade de refrigeração Pc . Meça a corrente do aquecedor Ih e a voltagem Uh , a corrente operacional Ip e a voltagem Up , a temperatura do lado aquecido Th e a temperatura do lado refrigerado Tc .

2. Remova o aquecedor de rolo, pois não mais é requerido. Inverta a corrente operacional, assim a água da banheira se aquecerá. Meça o aumento de temperatura na água Tw em uma corrente constante Ip . Meça também Ip , Up , Tc . Calcule as capacidades de calor de um bloco de cobre CCu , da água Cw , e da banheira de latão CBr , a partir de suas dimensões ou pelo peso.

3. Instale uma banheira de água a cada lado da bomba de calor, encha- as completamente com água de mesma temperatura. Com a corrente Ip (constante), meça as mudanças na temperatura das duas banheiras, i.e. Th = f (t), Tc = f (t), Ip e Up.

4. Para este quarto experimento teremos a banheira instalada no lado refrigerado, e um resfriador de ar no lado aquecido. Meça a temperatura do lado refrigerado como uma função do tempo, estando o resfriador a) no ar atmosférico estatístico, e b) forçosamente refrigerado por um ventilador.

Teoria e Análise

Quando uma corrente elétrica flui através de um circuito composto de dois diferentes condutores, o calor será liberado em uma junção e absorvido na outra, dependendo da direção que a corrente estiver fluindo (efeito Peltier). A quantidade de calor Q , liberada por unidade de tempo é proporcional a corrente I:

onde π é o coeficiente Peltier, α o coeficiente Seebeck e, T a temperatura absoluta.

Se uma corrente elétrica I flui em um condutor homogêneo, na direção de um gradiente de temperatura dx dT ,

o calor será absorvido ou dissipado, dependendo do material (efeito Thomson):

dx dTIPT⋅⋅τ= onde τ é o coeficiente Thomson.

A direção na qual o calor fluirá depende do sinal do coeficiente de

Thomson, a direção na qual a corrente fluirá e a direção do gradiente de temperatura.

Fig.3 Construção de uma peça semi condutora de Peltier. Normalmente as peças são conectadas em série (eletricamente) e em paralelo (termicamente).

Fig.4: Diagrama de balanço de potência no componente Peltier (O exemplo ilustrado é para o caso de PT > 0)

Se uma corrente elétrica I flui em um condutor isotérmico de resistência R , teremos o efeito Joule:

PJ = RI2

Por causa da condução de calor, o calor também fluirá do lado aquecido (temperatura Th ) para o lado refrigerado (temperatura Tc ):

)( chL TTd ALP−= onde L é a condutividade, A a área local de tribulação e, d a grossura do componente Peltier.

Escrevendo ∆T = Th - Tc , obtemos para a capacidade de calor da bomba no lado refrigerado (a capacidade de refrigeração):

d TALRId

TIITP c e, para a capacidade de calor da bomba no lado aquecido (a capacidade de aquecimento):

d TALRId

TIITP h

A energia elétrica fornecida é

1. A capacidade de refrigeração da bomba Pc foi de 49 W, quando Ip = 5 A e Ph = Pc

O índice de eficiência .el c P P=η

Fig.5: Capacidade da bomba de resfriamento em função da corrente de operação

Logo, para os valores medidos, têm-se:

Ip = 5,0 A e Up = 14,2 V, ηc = 0,69 (υh = υc = 200 C)

2. Da inclinação da curva na Fig. 6 (onde a curva começa como um segmento de reta), podemos calcular a capacidade de aquecimento da bomba

e o índice de eficiência correspondente

.el h P P=η , onde ppelUIP⋅=. como segue:

mw = 0,194 kg,

Kkg JCw4182= mBr = 0,983 kg ,

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