Desenvolvimento de um Sistema de Refrigeração através de um Ciclo Peltier

UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO DIRETORIA DE CIÊNCIAS EXATAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA PROJETO INTEGRADO de Sistemas Térmicos DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO ATRAVÉS DE UM CICLO PELTIER Objetivo Permitir ao discente do curso de Engenharia Mecânica desenvolver os conceitos básicos e habilidades relacionadas aos projetos de sistemas térmicos aplicando o conteúdo visto nas disciplinas correlatas como Termodinâmica aplicada Geração e distribuição de Vapor Refrigeração e Arcondicionado e Transferência de calor de refrigeração e trocadores de calor Os ciclos de refrigeração utilizados para a água são de suma importância para o bemestar das pessoas que a consomem em qualquer ambiente Considerando o fato do Brasil ser um país tropical no qual na maior parte do ano as temperaturas são elevadas a refrigeração da água se torna essencial para a hidratação do corpo e a manutenção das funções vitais Existem vários tipos de ciclos de refrigeração para diferentes aplicações Sistema convencional Ciclo a gás Ciclo de absorção Ciclo Peltier Um sistema de refrigeração convencional é composto de evaporador compressor e condensador O evaporador é a parte fria na qual o refrigerante evapora a baixa pressão recebendo calor da vizinhança O compressor realiza trabalho sobre o fluido refrigerante de modo que passe do estado gasoso para líquido perdendo energia O condensador irradia a energia cedida pelo refrigerante para a vizinhança conforme ilustrado na figura 1 Figura 1 Ciclo convencional de refrigeração O sistema convencional apresenta a necessidade de fluido refrigerante e consegue atender as capacidades frigoríficas considerandose grandes quantidades de calor envolvidas Para quantidades menores o Ciclo Peltier1 se torna mais vantajoso devido à redução nas dimensões e eliminação de um fluido refrigerante do sistema atendendo atualmente outros requisitos relacionados a sustentabilidade e menor consumo de energia Um ciclo Peltier é definido quando uma corrente passa por um circuito composto de materiais diferentes à mesma temperatura Os semicondutores que fazem a ligação entre os dois materiais são fabricados com Telureto de Bismuto fortemente dopados P bom condutor ou N isolante para facilitar a transferência de calor por efeito da corrente contínua Um material se aquece e o outro se resfria Quando dois materiais diferentes estão em contato existe uma diferença de potencial devida aos elétrons livres de um metal ao outro Quando uma corrente passa pela área de contato entre eles se a direção da corrente for contrária a diferença de potencial os elétrons retiram energia esfriando a área de contato Se a direção for a mesma os elétrons perdem energia cedendo à área de contato que se aquece Observase que o sistema se compõe de materiais semicondutores do tipo N e P unidos por lâminas de metal condutor em geral cobre e placas de cerâmica Se o lado N se aplica polaridade positiva e no lado P a polaridade negativa a placa de metal condutor superior esfria enquanto a inferior esquenta Se ocorrer inversão da polaridade a placa superior aquece e a inferior esfria Os elementos do ciclo Peltier são blocos conectados eletricamente em série e termicamente em paralelo conforme Figura 2 1 O efeito de Peltier foi descoberto em 1834 pelo físico francês Jean Charles Athanase Peltier baseandose em uma diferença de potencial para transferirse calor da junção fria para quente aplicandose a polaridade elétrica adequada Fonte httpwwwtermoparescombr Figura 2 Esquema que representa o ciclo Peltier Projeto de um Sistema de Refrigeração por efeito Peltier O projeto consiste em dimensionar um sistema de refrigeração de água contida em 2 frascos de 300ml cada utilizando dispositivos que operem segundo o efeito Peltier As característicasrequisitos do projeto estão descritas a seguir Temperatura do ambiente externo 42C Temperaturas mínima e máxima a serem mantidas pelo sistema água nos frascos ar contido no reservatório 5C e 15C Dimensões externas máximas do reservatório 25cm x 35cm x 35cm Espessura das paredes do reservatório incluindo o isolante térmico 25mm Volume interno total mínimo do reservatório 15 litros arfrascos Considerar o volume de material dos frascos como sendo desprezível 2 células de Peltier idênticas posicionadas na tampa do reservatório Sugere se a utilização das seguintes pastilhas TEC12705 TEC12706 TEC 12707 Outros modelos poderão ser utilizados a critério do grupo desde que satisfaça as exigências do projeto Potência elétrica máxima que pode ser consumida pelas 2 células de Peltier 100W Potências elétricas permitidas para as células de Peltier 50W 60W e 70W Os valores de corrente tensão e T para que a máxima potência requerida não seja ultrapassada devem ser especificados para a pastilha escolhida pelo grupo Caixa do reservatório construída em material metálico A escolha do material é livre devendo ser justificada em termos de seu desempenho térmico mecânico quanto à corrosão facilidade de fabricação utilizandoo e custos bem como considerando questões relacionadas ao seu descartereciclagem A escolha do material para isolamento térmico é livre devendo ser justificada em termos de seu desempenho térmico mecânico quanto à corrosão facilidade de fabricação utilizandoo custos bem como considerando questões relacionadas ao seu descartereciclagem O sistema de controle das pastilhas bem como qualquer item relativo à instrumentaçãosensores etc não faz parte deste projeto Prever um único dissipador para as 2 pastilhas confeccionado em liga de cobre ou liga de alumínio com altura máxima de 50mm visando não comprometer a facilidade de transporte do reservatório bem como seu tamanho geral e peso A área máxima da base do dissipador não deve exceder a área da tampa do reservatório Não é permitido o uso de eletroventiladores para auxiliar na troca de calor Toda troca de calor deve ocorrer por convecção natural e deverá ocorrer nas condições do ambiente conforme parâmetros solicitados O reservatório destinase apenas para armazenagem dos frascos contendo líquido água Desprezar a resistência térmica dos frascos volume do material dos frascos Considerar no que tange aos frascos apenas a condução térmica entre o ar no interior do reservatório e a água armazenada nos frascos Desconsiderar os efeitos da radiação térmica no projeto O projeto deve contemplar apenas os aspectos térmicos Aspectos de instalações hidráulicas estruturais dentre outros não precisam ser considerados Como parte do projeto cada grupo deverá Identificar equipamentos sistemas semelhantes encontrados no mercado e ressaltar as vantagensdesvantagens do projeto proposto pelo grupo Realizar o projeto em 3 configurações distintas É permitido variarse a corrente tensão elétricas e delta T de operação das pastilhas bem como o tipo e dimensões do dissipador de calor das pastilhas Dimensionarespecificar o dissipadortrocador de calor considerando o DissipadorTrocador de calor tipo placaaleta podendo ser igual ou diferente para cada configuração Devese justificar a escolha com base em cálculos além da disponibilidade no mercado o Se o dissipador for diferente em cada configuração apresentar os resultados para cada uma o Podem ser utilizados os seguintes materiais cobre ou alumínio o Parâmetros que devem ser determinados através de cálculos Quantidade de aletas necessárias Parâmetros geométricos espaçamento entre aletas largura das aletas altura das aletas perfil geométrico das aletas Sugerese utilizar aletas de perfil retangular Parâmetros de desempenho eficácia e eficiência das aletastrocador de calor Resistência térmica de contato o Normalizar o trocador de calor para os modelospadrões existentes no mercado o Recalcular os parâmetros calor trocado fluxo de calor etc conforme necessário considerando o trocador de calor normalizado Estimar qual o tempo de ciclo para cada uma das configurações relacionando com o COP tensão corrente e delta T das pastilhas Sugerese apresentar na forma gráfica para um mínimo de 5 valores para cada configuração O COP deverá ser calculado para este item Apresentar a relação entre potência elétrica consumida e tempo de ciclo para cada configuração na forma de tabela Estimar o custo do projeto incluindo horas de engenharia materiais e processo de fabricação Não é necessário apresentar programação para o sistema de controle das células de Peltier de modo a se obter a correta operação tipo de controlador sensores etc Isto não faz parte do projeto O relatório referente ao projeto que será entregue deve estar formatado conforme as normas da ABNT bem como orientações específicas contidas no manual de formatação de trabalhos acadêmicos da Uninove disponível para download no site da biblioteca da instituição O relatório deve estar organizado conforme estes documentos Para maior clareza segue a organização geral a ser considerada na formatação Cada capítulo pode ter subseções conforme o caso eou organização do assunto pelo grupo Todo o texto deve estar adequadamente referenciado no mínimo 1 citação indireta por parágrafo Pode conter quantas mais forem necessárias Os relatórios devem seguir obrigatoriamente a nomenclatura para os capítulos conforme determinado nas normas ABNT manual de formatação de trabalhos acadêmicos da Uninove Os nomes dos principais capítulos estão relacionados abaixo para maior clareza junto aos itens pré e póstextuais exigidos para este relatório Capa o Tema do projeto o Nome completo dos integrantes com RA de cada um o Cidade dataano do projeto Resumo apenas em português o Aspectos gerais deste tipo de sistema principais aplicações o Quais as principais características das configurações O que está sendo proposto pelo grupo o Colocar alguns valores encontradoscalculados o Colocar algumas vantagens e desvantagens encontradas Sumário Capítulo 1 Introdução o Subseções 11 justificativa das configuraçõessolução dada pelo grupo ao projeto 12 Objetivos geral e específicos o Porque estas configuraçõessoluções são melhores que as equivalentes encontradas no mercado o Quais as vantagensdesvantagens técnicaseconômicasambientais deste tipo de sistema em relação a outros semelhantes comparativo com outros tipos de sistemas de refrigeração o Citar alguns resultados esperados Capítulo 2 Revisão da literatura o Descrever detalhadamente o que é o Efeito Peltier com base em livros e artigos científicos o Descrever os tipos de sistemas de refrigeração aplicações típicas vantagens e desvantagens sob o ponto de vista técnicoeconômicoambiental Capítulo 3 Metodologia o Como o projeto será realizado o Quais os modelos matemáticosequaçõeshipóteses que serão consideradas no desenvolvimento o Qual o passo a passo deste desenvolvimento colocar em forma de gráfico de fluxo de processo Capítulo 4 Dados e materiais o Quais os dados considerados listar em tabelas todos os dados constantes utilizadas o Materiais considerados e justificativa técnicaeconômicaambiental para escolha destes materiais com base na solução apresentada pelo grupo Capítulo 5 Resultados e Discussão o Apresentação dos resultados solicitados em forma de tabela e gráfica o Devem ser apresentados os resultados antes da normalização do trocador de calor e os resultados normalizados o Discussão de cada resultado se está bom por que está bom Se está ruim por que está ruim Se é equivalente ao que já existe e no que é equivalente etc Capítulo 6 Conclusão o Apresentar de forma breve as principais conclusões do grupo quanto ao projetoconfigurações destacando valores encontrados vantagens desvantagens qual configuração é melhor qual é pior por que é melhor ou pior etc Referências bibliográficas o Incluir todas as referências utilizadas no texto na forma de citações ou de figurastabelas Apêndices o Cronograma do projeto na forma de Gráfico de Gantt o Desenhos técnicos em vistas normalizadas para todos os itens não normalizados o Desenhos técnicos de conjunto em vistas normalizadas para cada configuração se necessário o Desenhos devem ser confeccionados em folha normalizada deve conter margem cabeçalho etc O padrão da folha fica livre para o grupo O tamanho da folha fica restrito até folhas tamanho A3 A folha pode ter orientação retrato ou paisagem Se necessário fazer os desenhos em escala deixar indicado a escala Maquetes 3D não são consideradas como desenhos técnicos grupo Anexos o Folhas de dados das pastilhas selecionadas o Folhas de dados dos materiais utilizados o Folhas de dados dos trocadores de calor especificados caso haja algo padronizado no mercado o Outras informações de catálogos etc que não são de autoria do grupo conforme necessário folhas de dados de equipamento similares discutidos ou usados como referência no projeto etc Orientações adicionais 1 Número mínimo e máximo de integrantes de 6 a 10 integrantes por grupo 2 Número máximo de páginas do relatório incluindo itens prétextuais e póstextuais isto é incluindo capa resumo sumário apêndices e anexos 30 páginas 3 O projeto não incluiprevê a construção de qualquer tipo de protótipo ou maquete bem como não exige a validação dos resultados pois tratase de um projeto conceitual Qualquer tipo de protótipo ou maquete física ou eletrônica não será considerado na avaliação 4 Cabe ressaltar que este escopo prevê apenas os marcos de desenvolvimento milestones Todavia verificações parciais e eventualmente a atribuição de notas para cada uma destas verificações ficam a cargo dos professores responsáveis pelo projeto e caso julguem necessário a pontuação de cada entrega fica a cargo do respectivo professor 5 Apenas entregas realizadas pela plataforma Google Classroom serão consideradas Entregas por email ou qualquer outro meio não serão avaliadas e a nota atribuída será zero 6 Entregas em atraso realizadas pela plataforma Google Classroom poderão não ser consideradas ou ter nota reduzida a critério de cada professor Entregas posteriores a data de entrega final não serão consideradas Autonomia Qualquer situação não prevista neste escopo será dirimida pelos professores responsáveis pela disciplina DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO 2022 1 sem Cronograma de ATIVIDADEENTREGAS DATA Observação Entrega parcial Cronograma de atividades do projeto Metodologia a ser utilizada Revisão da literatura Dados materiais Cálculosresultados preliminares Desenhos técnicos 06052022 Entrega final Deve conter Correções da entrega anterior Resumo capa e outros itens Introdução Todos os cálculos e dimensionamentos em sua versão final Discussão dos resultados e conclusão Apêndices Anexos Referências bibliográficas Outros itens não listados e considerados como obrigatórios conforme normas ABNT manual de formatação de trabalhos acadêmicos da Uninove 27052022 Observações O aceite de entregas em atraso é opcional podendo haver redução de notas ou outros a critério dos professores responsáveleis O método em como o feedback será feito é definido pelos professores responsáveleis Entregas da versão final em atraso não serão consideradas e a nota atribuída à entrega faltante será zero Bibliografia de referência COSTA E C Refrigeração EDGAR BLUCHER São Paulo 1982 DOSSAT R J Princípios de refrigeração teoria prática exemplos problemas soluções HEMUS São Paulo MORAN M SHAPIRO H N MUNSON B R DeWITT D P Introdução a Engenharia de Sistemas Térmicos LTC 2003 ÇENGEL YA BOLES MA Termodinâmica McGraw Hill 5ª ed 2007 IENO G NEGRO L Termodinâmica PEARSON Practice Hall São Paulo 2004 FOX R PRITCHARD PJMcDONALD AT Introdução a Mecânica dos Fluidos 8ª EdLTCGEN 2014 MUNSON BR YOUNG DFOKIISHI TH Fundamentos da Mecânica dos Fluidos Tradução da 4ª Ed americana 1ª ed Blucher 2004 ÇENGEL YA GHAJAR AJ Transferência de Calor e Massa Uma abordagem prática 4ª Ed McGraw Hill Bookman 2011 BERGMAN TL LAVINE AS INCROPERA FP DeWITT DP Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa 7ª Ed LTCGEN 2014 PeltierSeebeck Effect 2011 Disponível em httpencyclopediathefreedictionarycomPeltierSeebeck20effect Acesso em 12 ago Termorpar Efeito Peltier 2011 Disponível em httpwwwtermoparescombr Acesso em 16 ago