O efeito Peltier é muito interessante para diversas aplicações, mas, geralmente, é utilizado para resfriar líquidos ou pequenos sistemas como mini geladeiras, bebedouros e processadores de computador. Este efeito é um dos três tipos de fenômenos termoelétricos. Ele consiste na aplicação de corrente em um sistema de dois semicondutores. Ao aplicar a corrente elétrica, é gerado calor e este calor se move com as cargas elétricas. Logo, um dos lados da pastilha recebe mais calor, aquecendo e o outro lado perde mais calor, resfriando. Vamos explorar um pouco o efeito Peltier.
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Existem diferentes tipos de pastilhas no mercado. Mas é importante saber que até as pastilhas do mesmo fabricante ou mesmo lote apresentam desempenhos diferentes. Por isso, se atente as informações de uso e teste diferentes pastilhas para encontrar um bom desempenho. Em geral, as pastilhas resfriam por volta de -30 °C e aquecem por volta de 70 °C. Além disso, segundo muitos fabricantes, é importante não passar de 80 °C, para não queimar a pastilha, e usar sempre dissipadores de calor em sistemas de resfriamento.
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Grande parte da eficácia das pastilhas termoelétricas é devida ao sistema de dissipação de calor. Quando a pastilha é usada para resfriar, o lado quente deve estar em contato com um trocador de calor, pois, quanto mais resfriado estiver o lado quente, mais frio será o lado gelado. Porém, se a ideia for usar o lado quente, não é necessário o uso do dissipador de calor, desde que a pastilha não passe dos 80 °C.
Esquema de ligação de uma pastilha.
⚠ Cuidado: A pastilha Peltier pode chegar a temperaturas extremas que podem causar queimaduras. Por isso, indicamos que, depois de desligar o sistema, deixe-o chegar a temperatura ambiente antes de manipulá-lo ou use de luvas térmicas, principalmente ao manusear o Peltier quente. ⚠
A ligação é bem simples e também é possível adicionar pastilhas em série ou em paralelo. Geralmente, vemos associações em série, pois as pastilhas já consomem muita corrente e associar em paralelo aumenta, mais, o consumo de corrente. O interessante das associações em série é que, em muitos experimentos, foi possível atingir temperaturas abaixo de -30 C°.
Para observar o efeito Peltier, foi usado um cooler 12 V preso a um dissipador de calor. A ligação do cooler também é simples, apenas dois fios são ligados: o vermelho no positivo e o preto no negativo. Neste modelo de cooler, existe um terceiro fio amarelo, mas, aqui, ele não será usado.
O cooler foi desmontado e a pastilha foi adaptada e colada na parte oposta da ventoinha. O lado quente ficou para dentro do sistema e o frio para fora.
A pastilha foi ligada com uma fonte de 12 V e 3 A e o cooler em uma fonte auxiliar de 12 V. Então, foi colado, com fita, um termopar no lado frio, para medir a variação de temperatura.
Tivemos uma variação de 30 °C usando 35W de potência. Valores maiores podem ser obtidos com uma potência maior. No caso desta pastilha, podemos aplica até 60 W de potência. Outro fator importante é o isolamento entre a parte fria e quente. Quanto mais isolado o lado frio estiver do ambiente e da parte quente, melhor será sua eficácia. Por isso, existem juntas de isolamento para este tipo de sistema.
Vejamos o lado quente 🔥:
Aqui, apenas invertemos o lado da alimentação da pastilha. Preto no positivo e vermelho no negativo e não ligamos o cooler. Chegamos a uma diferença de temperatura de 28 °C. Para projetos usando o lado quente, é importante ter um limitador de tensão, para o sistema se manter dentro da temperatura operacional.
Uma curiosidade das pastilhas termoelétricas é que, ao aplicar uma fonte de calor em um lado da pastilha e uma fonte de frio do outro lado, conseguimos gerar uma pequena fração de energia. Este efeito é conhecido como efeito Seebeck. A quantidade de energia é mínima, mas é possível ligar componentes de baixo consumo.
Observe esse efeito com um recipiente congelado no lado frio da pastilha e um copo com água quente do outro lado da pastilha.
Aqui conseguimos gerar 0,3 Volts, mas, quanto maior a diferença de temperatura entre os lados, maior será a tensão de saída.
Um dos desafios mais interessantes em projetos de resfriamento é lidar com as trocas de calores indesejadas. Temos três formas de trocar calor: condução, objetos se tocando e trocando calor; convecção, troca de calor por um fluido como o ar, e irradiação, troca de calor por ondas eletromagnéticas. Estes fatores devem ser considerados para ter o melhor isolamento possível e, assim, a maior taxa de resfriamento. Dependendo da montagem do sistema, conseguimos atingir temperaturas muito baixas. Mas, e se quisermos aquecer algo acima de 80 °C? Existem algumas pastilhas que, segundo o fabricante, podem passar de 100 °C. Porém, para projetos de aquecimento, os sistemas resistivos ou indutivos apresentam um ótimo desempenho, sendo mais baratos e mais potentes. Uma prática que os makers vem tentando é desenvolver um ar-condicionado com pastilhas Peltier. Apesar de ser muito interessante, o desempenho do sistema Peltier ainda é muito baixo se comparado com o resfriamento por compressão de gases. Porém, se já conseguimos fazer uma pastilha chegar à -50 °C, por que não um ar-condicionado?
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