Desbloquear o desempenho máximo no arrefecimento termoelétrico

Introdução

O arrefecimento termoelétrico (TEC) representa uma fronteira fascinante na tecnologia de arrefecimento termoelétrico e na gestão térmica. Esta tecnologia de estado sólido, sem partes móveis, oferece uma mistura única de precisão, fiabilidade e compacidade. Desde a estabilização de díodos laser críticos até ao arrefecimento de uma lata de refrigerante no seu automóvel, as suas aplicações são tão diversas quanto inovadoras.

No entanto, muitos engenheiros e projectistas têm uma relação de amor e ódio com ele. Embora o seu potencial seja imenso, atingir o desempenho anunciado pode ser difícil. Porquê? Porque desbloquear o desempenho máximo de um sistema de arrefecimento termoelétrico não tem a ver apenas com o módulo TEC, envolve a aparente simplicidade de dominar todo o sistema térmico, especialmente o processo de rejeição de calor, frequentemente subestimado.

Este tutorial vai ensinar-lhe todo o processo, passo a passo. Como aquecimento, faremos uma breve revisão dos princípios, incluindo um vislumbre do aquecimento termoelétrico, o efeito oposto em que o calor é produzido em vez de ser absorvido. Depois, vamos aprofundar a regra de ouro da rejeição de calor e apresentar um quadro prático para a conceção do sistema. Podemos concluir mostrando-lhe como uma parte simplista, mas extremamente importante, que é a ventoinha de arrefecimento, é o verdadeiro motor do seu sistema e como a seleção da ventoinha de arrefecimento correta pode transformar um sistema médio num sistema superior.

Uma rápida recapitulação dos princípios do arrefecimento termoelétrico

Optimizamos, mas primeiro temos de saber. Um refrigerador termoelétrico é uma bomba de calor, mas não envolve um compressor e um refrigerante; envolve antes a magia da física dos semicondutores.

O efeito Peltier: como o calor é "bombeado"

O efeito Peltier e o módulo Peltier estão no centro de todos os módulos TEC. Acontece uma coisa muito interessante quando uma corrente contínua (DC) é aplicada através de uma junção de dois semicondutores de sabores diferentes (tipo P e tipo N); a junção torna-se quente de um lado (fria do outro).

Basta considerá-lo como uma bomba de calor eletrónica ou um aquecedor. A energia térmica é transportada de forma eficiente porque os portadores de carga num semicondutor (buracos, electrões) transportam a energia térmica para todos os lados. Pode até mudar a direção da corrente; pode tornar alternadamente um lado quente e o outro frio. Todo o arrefecimento termoelétrico se baseia neste elegante mecanismo de estado sólido.

Principais métricas de desempenho: Compreender Qmax, ΔTmax e COP

Ao consultar a ficha de dados de um módulo TEC, depara-se com algumas especificações críticas. Compreendê-las é fundamental para uma seleção adequada.Ao consultar a ficha técnica de um módulo TEC, será confrontado com uma série de especificações importantes. É importante compreendê-las para fazer uma seleção adequada.

• Qmax (Capacidade máxima de bombagem de calor): O maior valor de calor (Watts) que o módulo pode bombear quando ΔT = 0 é chamado Qmax. É a potência de arrefecimento bruta do módulo num ambiente ótimo.
• Delta Tmax (Diferencial máximo de temperatura): É o coeficiente máximo de diferença de temperatura (em graus Celsius ou Kelvin) que pode ser criado entre os lados quente e frio do módulo. Seria apenas no caso de carga térmica nula (Qc = 0).
• COP (Coeficiente de desempenho): É o valor mais importante da eficiência. É o rácio entre o calor removido no lado frio da bomba de calor (Qc) e a energia eléctrica consumida pelo módulo (P in). COP = P in / Qc. Em contraste com a refrigeração tradicional, o COP de um TEC tende a ser inferior a um e é extremamente sensível às condições de funcionamento, em particular ao Delta-T.

É crucial compreender que Qmax e as diferenças de temperatura Tmax nunca podem ser satisfeitas ao mesmo tempo. No mundo real, o compromisso entre a carga térmica que se pretende transportar e a diferença de temperatura que se pretende estabelecer existe sempre.

A regra de ouro: a rejeição de calor é o seu estrangulamento de desempenho

Este é simplesmente o ponto mais crítico no arrefecimento termoelétrico do mundo real: um módulo TEC nunca pode remover mais calor do que o dissipador de calor do lado quente pode irradiar.

O calor que absorve no lado quente (Qh) é o calor que bombeia do lado frio (Qc) mais a energia eléctrica que adiciona ao módulo (P in).

Qh = Qc + Pin

Quando este calor total não é trocado de forma eficiente, a temperatura do lado quente (Th) aumenta. À medida que Th aumenta, o módulo qualificado não consegue manter a temperatura do lado frio (Tc) num valor baixo (Tc) e o sistema morre. Assim, planear o que pretende fazer com a sua rejeição de calor não é uma reflexão tardia; é a primeira e mais importante consideração.

Cálculo exato da carga térmica (Qc)

Em primeiro lugar, determine a quantidade de calor que precisa de bombear. Isto inclui:

• Carga ativa: O calor produzido pelo elemento que está a ser arrefecido (por exemplo, uma CPU, um díodo laser).
• Carga passiva: O calor que é conduzido para o seu sistema pelo ambiente circundante através de convecção, condução e radiação. Seja minucioso. Uma causa típica de falha do sistema é a subestimação do seu Qc.

Definição do diferencial de temperatura necessário (ΔT)

Em seguida, determine a diferença de temperatura que pretende que o TEC atinja. Esta não é apenas a temperatura alvo do lado frio. A fórmula:

ΔT = Th - Tc

Onde:

• Tc: A temperatura desejada do lado frio.
• O: O temperatura do lado quente do próprio módulo CTEE, não a temperatura do ar ambiente.

Utilizar as curvas de desempenho para encontrar o ponto ideal

Agora tem o seu objetivo Qc e o ΔT necessário; pode utilizar as curvas de desempenho fornecidas pelo fabricante. Os gráficos são os gráficos de ΔT contra Qc em vários valores de corrente de entrada. Pode calcular a potência e a corrente de entrada de que necessita e, mais importante ainda, se o módulo que selecionou é capaz de o fazer, calculando a intersecção dos seus requisitos de potência e corrente de Qc e ΔT, respetivamente. A ideia é ter o módulo a funcionar no seu ponto ideal, que é algures dentro de um COP racional e não no limite.

Vantagens vs. Desvantagens: O arrefecimento termoelétrico é adequado para si?

A tecnologia CET é um dispositivo especial e não um remendo. É necessário conhecer as suas vantagens e desvantagens para tomar uma decisão informada.

Principais benefícios: Onde o arrefecimento termoelétrico brilha

• Fiabilidade e longevidade: Uma vez que não existem peças móveis, os CTE são também altamente fiáveis e são adequados quando a manutenção é impraticável ou ilegal.
• Precisão e controlo: Os bons podem funcionar com um controlo de temperatura muito estável e preciso, o que é fundamental em dispositivos científicos e díodos laser.
• Compacto e escalável: A sua relativa pequenez permite-lhes ser instalados em áreas mais pequenas e um arrefecimento pontual e específico.

Limitações críticas a considerar

• Baixa eficiência (COP): O principal ponto fraco é a baixa eficiência. Em comparação com os sistemas baseados em compressores, o método de funcionamento do TEC consome muito mais energia para atingir o mesmo grau de arrefecimento, pelo que não é adequado utilizá-lo em sistemas de grandes dimensões em que o custo da energia é um fator chave.
• Bombeamento de calor limitado: São mais aplicáveis para utilização em cargas de alguns watts a algumas centenas de watts. É impossível arrefecer toda a divisão.

Porque é que o seu ventilador é o motor do desempenho do arrefecimento termoelétrico

Uma vez que a rejeição de calor será o ponto de estrangulamento, o componente que faz essa rejeição de calor, o dissipador de calor e o conjunto da ventoinha, torna-se o verdadeiro motor que impulsiona o desempenho do seu sistema. Um módulo termoelétrico potente emparelhado com um arrefecimento inadequado é como colocar um motor V8 num carro com rodas de bicicleta.

O papel da ventoinha é empurrar o ar através das alhetas do dissipador de calor, o que leva a um arrefecimento por convecção que remove muito calor. A resistência de um dissipador de calor denso, que é elevada, é combatida por uma ventoinha de elevado caudal de ar e, mais importante ainda, por uma ventoinha de elevada pressão estática, que faz baixar drasticamente a temperatura do lado quente (Th).

A redução de Th em apenas 5°C tem um efeito de cascata:

1. O ΔT que se pode obter será maior.
2. Poderá bombear mais calor (Qc) com a mesma potência.
3. O sistema torna-se mais eficiente à medida que o seu Coeficiente de Desempenho (COP) aumenta.

Os efeitos são significativos, uma vez que nos dispositivos de arrefecimento termoelétrico, todo o desempenho do dispositivo está intimamente relacionado com a sua capacidade de rejeitar e transferir calor. O módulo termoelétrico mais eficiente não poderá ter o seu melhor desempenho sem uma transferência de calor adequada.

Estratégias avançadas: Controlo de modulação de largura de impulso (PWM)

Para obter uma precisão requintada, deve combinar o seu TEC com uma ventoinha PWM. Utilizando PWM, é possível controlar a velocidade da ventoinha na perfeição. O truque é interagir com a velocidade da ventoinha através da carga térmica (por exemplo, utilizando um termistor como sinal de feedback). Quando há uma carga elevada, a ventoinha roda à velocidade máxima para arrefecer a carga. A ventoinha abranda quando a procura é baixa, o que diminui o consumo de energia e o ruído que o acompanha. É este controlo inteligente que irá criar um sistema realmente eficiente e optimizado.

A vantagem do ACDCFAN: Mais do que apenas mover o ar

Uma coisa é compreender que o ventilador é o motor do desempenho; outra coisa é selecionar o motor certo. Na ACDCFAN, passámos mais de 20 anos a dominar a arte e a ciência do movimento do ar. Compreendemos que, quando se trata de aplicações termoeléctricas críticas, o que é necessário é maior (do que uma simples ventoinha) do que garantias de desempenho e fiabilidade.

Esta é a força da ACDCFAN. Não nos limitamos a fazer o ar mover-se; trazemos confiança à engenharia.

• Concebido para ser durável: Um TEC pode funcionar continuamente. Os nossos apoiantes são comprovadamente corredores de maratona. Têm uma vida útil projectada de 70 000 horas a uma temperatura de funcionamento elevada de 40 C, mesmo a uma temperatura de funcionamento elevada de 40 C. No caso de aplicações difíceis a grande altitude, em que o ar rarefeito e a presença de poeiras têm de ser tidos em consideração, os nossos ventiladores têm um MTBF (tempo médio entre falhas) comprovadamente fiável de mais de 3 anos, prolongando incomparavelmente o padrão da indústria.
• Materiais superiores, desempenho estável: A qualidade começa com o desempenho. A nossa ventoinha de estrutura é composta por uma liga de alumínio de alta qualidade misturada com 3-5% de cobre. Não se trata de uma questão de ninharias: conduz a uma estrutura de ventoinha que produz uma potência 30% mais estável face à sensibilidade ao stress térmico, à vibração e fornece um fluxo de ar consistente onde é necessário.
• Proteção contra os elementos: A sua aplicação nem sempre se encontra numa sala limpa. A nossa experiência na conceção de motores DC sem escovas permite-nos oferecer ventiladores com índices de proteção até IP68. Isto significa proteção total contra entrada de poeira e a capacidade de resistir a uma imersão em águatornando o seu sistema termoelétrico viável em ambientes industriais adversos, exteriores ou húmidos.
• Qualidade global certificada: Quando escolhe a ACDCFAN, está a escolher um parceiro com certificações CE, UL, RoHS e EMC reconhecidas internacionalmente. Isto garante que os nossos produtos cumprem os mais elevados padrões de segurança, qualidade e conformidade, simplificando a viagem do seu produto para o mercado global.

Escolher o ACDCFAN significa que não está apenas a comprar um componente. Está a investir numa maior eficiência do sistema, num menor risco operacional e num ciclo de vida mais longo do produto.

Aplicações práticas de arrefecimento termoelétrico

Os CTEE permitiram uma grande variedade de aplicações específicas, devido às suas propriedades únicas.

Eletrónica de consumo e aparelhos

• Refrigeradores portáteis: Mini-frigoríficos e frigoríficos para automóveis.
• Arrefecimento pontual de CPU e GPU: Construção de PCs de alto desempenho para entusiastas.
• Refrigeradores/aquecedores de bebidas: Pequenos dispositivos de secretária.

Utilizações industriais, médicas e científicas

• Equipamento de laboratório: Máquinas de amplificação de ADN (PCR), que são necessárias através de processos rápidos de aquecimento e arrefecimento.
• Arrefecimento de díodos laser: Estabilização do comprimento de onda de lasers em equipamentos industriais e de telecomunicações.
• Dispositivos médicos: Cobertores de arrefecimento de doentes e armazenamento de medicamentos sensíveis à temperatura.
• Aeroespacial e Defesa: Arrefecimento de sensores de infravermelhos controlados pela velocidade do ar e arrefecimento de aviónica crítica.
• Aeroespacial e Defesa: Arrefecimento para sensores de infravermelhos e aviónica crítica.

Conclusão

A nossa missão era clara e não muito ambiciosa: abrir o potencial do arrefecimento termoelétrico de alta eficiência para atingir uma temperatura mais baixa. Ao longo dela, como vimos, o meio para atingir este objetivo não consiste em sobrepujar o módulo TEC em si. Trata-se de um modelo abrangente, de grande alcance e de sistema intensivo, guiado por uma regra de ouro muito importante, nomeadamente, uma boa rejeição de calor é tudo.

Os seus dispositivos termoeléctricos têm o potencial de se tornarem potências de precisão e fiabilidade, mas o seu desempenho será sempre limitado pela rapidez com que conseguem dissipar o calor. Este limite não é estabelecido por um espetador inerte, uma ventoinha em si, mas existe uma máquina ativa que o provoca.

Pode transformar o seu sistema exatamente naquilo que deseja se calcular corretamente as suas cargas térmicas, utilizar curvas de desempenho para encontrar o módulo correto e, por último, gastar o dinheiro para adquirir uma ventoinha de arrefecimento de alta qualidade e elevado desempenho. Vai além da mera funcionalidade para alcançar uma maior eficiência, melhor estabilidade e fiabilidade irrepreensível. Independentemente da gama de temperaturas em que esteja a operar componentes electrónicos delicados e da exatidão com que precise de controlar os seus ciclos de aquecimento e arrefecimento, uma ventoinha de qualidade não é uma opção; é o investimento mais importante que pode fazer na eficiência e vida útil de todo o seu sistema de arrefecimento termoelétrico.