CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA
SOUZA
ETEC TAKASHI MORITA
Curso Técnico em Eletrônica Integrado ao Ensino Médio
BRUNO PASSARELI
CHRISTIAN EIKI
FILIPE BASTOS
FLÁVIO MIDEA
GABRIEL GARCIA
REFRIGERADOR PORTÁTIL
São Paulo
2020
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Monografia Refrigerador Portatil
Tipologia: Teses (TCC)
2020
1 / 126
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CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA
SOUZA
ETEC TAKASHI MORITA
Curso Técnico em Eletrônica Integrado ao Ensino Médio
BRUNO PASSARELI
CHRISTIAN EIKI
FILIPE BASTOS
FLÁVIO MIDEA
GABRIEL GARCIA
REFRIGERADOR PORTÁTIL
São Paulo
BRUNO PASSARELI
CHRISTIAN EIKI
FILIPE BASTOS
FLÁVIO MIDEA
GABRIEL GARCIA
REFRIGERADOR PORTÁTIL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso Técnico em Eletrônica Integrado ao Ensino Médio da Etec Takashi Morita, orientado pelo Prof. Bento Alves Cerqueira Cesar Filho, como requisito parcial para obtenção do título de técnico em Eletrônica.
São Paulo
RESUMO
O presente trabalho aborda o projeto de um dispositivo de refrigeração portátil, sendo capaz de ser carregado com a facilidade de um smartphone, e incrementado com a capacidade de receber luz solar, aumentando seu potencial de resfriamento. Trabalhando através do efeito peltier, junto das tecnologias de microcontroladores como o Arduino, e modelado nos conceitos de baús de gelo ou “coolers” como são conhecidos, nosso projeto tenta unir praticidade com refrigeração, tornando mais eficiente está técnica de refrigeração de bebidas e alimentos em momentos de lazer e descanso dos usuários. Abastecido através de um banco de baterias tendo sua carga controlada por Arduino, buscamos com este método praticidade na hora de recarregar as baterias, não saindo do comum para o usuário, tendo a possibilidade de restituir a carga por meio de carregadores comum de celulares e até mesmo nas saídas de energia em carros, facilitando seu transporte sem perder capacidade de resfriamento. Palavras-chave: Refrigeração. Portabilidade. Arduino. Efeito Peltier
ABSTRACT
The present work addresses the design of a portable cooling device, being able to be charged with the ease of a smartphone, and increased with the ability to receive sunlight, increasing its cooling potential. Working through the peltier effect, together with microcontroller technologies such as Arduino, and modeled on the concepts of coolers, our project tries to combine practicality with refrigeration, making this beverage cooling technique more efficient food in moments of leisure and rest for users. Powered by a battery bank with its charge controlled by Arduino, we seek with this method practicality when it comes to recharging the batteries, not going out of the ordinary for the user, having the possibility of returning the charge through common cell phone chargers and even at the power outlets in cars, facilitating their transport without losing cooling capacity. Keywords: Refrigerator. Portability. Arduino. Peltier Effect.
- Figura 1 - Representação Gráfica de uma placa solar.
- Figura 2 - Gráfico de Curva de Aquecimento.
- Figura 3 - Propagação de calor por condução em barra metálica.
- Figura 4 - Circulação de ar na geladeira.
- Figura 5 - Partes da Pastilha de Peltier.
- Figura 6 - Visão Interna da Pastilha de Peltier.
- Figura 7 - Gráfico: Resistência x Velocidade.............................................................
- Figura 8 - Imagem de um cooler
- Figura 9 - Cooler
- Figura 10 - Símbolo da bateria.
- Figura 11 - Parte da disponibilidade da pastilha de peltier.
- Figura 12 - Especificações de desempenho TEC1-
- Figura 13 - Gráficos de desempenho TEC1-
- Figura 14 - Especificações de desempenho TEC1-
- Figura 15 - Gráficos de desempenho TEC1-
- Figura 16 - Especificações TES1-4903SR
- Figura 17 - Índice do catálogo de dissipadores.
- Figura 18 - Correção do comprimento de dissipadores.
- Figura 19 - Dados do modelo HS6835.
- Figura 20 - Dados do modelo HS8044.
- Figura 21 - Imagem do Cooler para lado quente.
- Figura 22 - Dados do modelo HS4425.
- Figura 23 - Cooler para lado frio................................................................................
- Figura 24 - Características básicas bateria 18650.
- Figura 25 - Disposição das baterias no pacote.
- Figura 26 - Imagem do BMS escolhido
- Figura 27 - Imagem explicativa sobre o uso do BMS.
- Figura 28 - Pacote de baterias sem isolamento.
- Figura 29 - Conexões do pacote visto de cima.
- Figura 30 - Conexões do pacote visto de baixo.
- Figura 31 - Imagem do pacote isolado.
- Figura 32 - Painel solar escolhido,
- Figura 33 - Levantamento sobre Sensores de Temperatura.
- Figura 34 - Características energéticas.
- Figura 35 - Circuito standalone.
- Figura 36 - Gráfico corrente x frequência do ATMEGA328P.....................................
- Figura 37 - Fluxograma para circuito carregador.
- Figura 38 - Parte um do circuito carregador
- Figura 39 - Parte dois do circuito carregador.
- Figura 40 - Parte três do circuito carregador.
- Figura 41 - Circuito recomendado pelo datasheet.....................................................
- Figura 42 - Fluxograma para controle de temperatura.
- Figura 43 - Circuito regulador de temperatura...........................................................
- Figura 44 - Parte um do circuito final.
- Figura 45 - Parte dois do circuito final.
- Figura 46 - Parte 3 do circuito final............................................................................
- Figura 47 - PCB vista virtualmente
- Figura 48 - Modelo 3D com componentes.
- Figura 49 - Modelo 3D sem componentes.
- Figura 50 - Diagrama de blocos.
- Figura 51 - Propriedades térmicas de materiais isolantes.........................................
- Figura 52 - Condutividade térmica de diversos materiais.
- Figura 53 - Cooler modelo Coleman azul.
- Figura 54 - Cooler modelo Mor..................................................................................
- Figura 55 - Cooler modelo Coleman vermelho.
- Figura 56 - Área de uma lata de refrigerante.............................................................
- Figura 57 - Dimensões da caixa.
- Figura 58 - Caixa cheia (Visão frontal).
- Figura 59 - Caixa cheia (Visão Lateral)
- Figura 60 - Visão de longe.
- Figura 61 - Visão próxima por baixo.
- Figura 62 - Visão lateral.
- Figura 63 - Visão de cima com latinhas no interior....................................................
- Figura 64 - Diagrama de Montagem.
- Figura 65 - PCB com furos visto por cima.
- Figura 66 - PCB com furos visto por baixo.
- Figura 67 - Fluxograma de correção: Refrigeração.
- Figura 68 - PCB com numeração de relés.
- Figura 69 - Fluxograma de correção: Controlador de temperatura.
- Figura 70 - Método de Reset do microcontrolador visto por cima.
- Figura 71 - Método de Reset do microcontrolador visto por baixo.
- Figura 72 - Fluxograma de correção: Painel solar...................................................
- Figura 73 - Fluxograma de correção: Circuito verificador de carregamento.
- Figura 74 - Medição da ponte..................................................................................
- Figura 75 - Fluxograma de correção: Circuito carregador.
- Figura 76 - Medição da saída para as baterias.
- Figura 77 - Fluxograma de correção: Microcontrolador ATMEGA328P.
- Figura 78 - Medição pino VCC.
- Figura 79 - Medição potencial das baterias.
- Figura 80 - Logo da fabricante Danvic.
- Figura 81 - Logo da fabricante Strema.
- Figura 82 - Logo da fabricante CromaTek
- Figura 83 Logo da fabricante Squib.
- Figura 84 - Logo da fabricante HS Dissipadores.
- Figura 85 - Logo da revendedora Mouser Electronics.
- Tabela 1 - Condutividade Térmica. LISTA DE TABELAS
- Tabela 2 - Processos da bateria de lítio.
- Tabela 3 - Capacidade da bateria de lítio.
- Tabela 4 - Carga total da pastilha.
- Tabela 5 - Características do pacote de baterias.
- Tabela 6 - Preços de cada material.
- Tabela 7 - Tabela geral de preços.............................................................................
- Tabela 8 - Peso do projeto.
- Tabela 9 - Consumo de dispositivos.
- INTRODUÇÃO SUMÁRIO
- 1.1 TEMA
- 1.2 PROBLEMA DE PESQUISA
- 1.3 OBJETIVO DO TCC
- 1.4 METODOLOGIA
- FUNDAMENTOS TEÓRICOS
- 2.1 ENERGIA SOLAR
- 2.2 CALOR
- 2.3 EFEITO PELTIER....................................................................................
- 2.4 DISSIPADORES DE CALOR
- 2.5 BATERIAS DE LÍTIO
- PROJETO ELETRÔNICO
- 3.1 SELEÇÃO DE MATERIAIS: PASTILHA DE PELTIER
- 3.2 SELEÇÃO DE MATERIAIS: DISSIPADORES
- 3.3 SELEÇÃO DE MATERIAIS: BATERIAS
- 3.4 SELEÇÃO DE MATERIAIS: PAINEL SOLAR
- 3.5 SELEÇÃO DE MATERIAIS: SENSOR DE TEMPERATURA
- 3.6 SELEÇÃO DE MATERIAIS: MICROCONTROLADOR
- 3.7 CIRCUITO: CARREGADOR
- 3.8 CIRCUITO: REGULADOR DE TEMPERATURA.....................................
- 3.9 CIRCUITO FINAL
- PROJETO FÍSICO
- 4.1 SELEÇÃO DOS ISOLANTES TÉRMICOS
- 4.2 ESTUDO DE DESIGN
- 4.3 DESIGN ESCOLHIDO.............................................................................
- 4.4 MONTAGEM
- 4.5 ESPECIFICAÇÕES
- 4.6 PRÓS E CONTRAS DO DESIGN
- CONCLUSÃO
- 5.1 GUIA DE CORREÇÃO DE ERROS
- 5.2 AUTONOMIA
- 5.3 MANUAL DE USO
- 5.4 CUSTOS
- 5.5 OBJETIVOS ATINGIDOS
- 5.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
- REFERÊNCIAS
- APÊNDICE A – CÓDIGO CIRCUITO CARREGADOR
- APÊNDICE B – CÓDIGO CIRCUITO REGULADOR DE TEMPERATURA
- APÊNDICE C – CÓDIGO CIRCUITO FINAL
- APÊNDICE D – CIRCUITO
1.3 OBJETIVO DO TCC
a) Objetivo geral Elaborar um dispositivo capaz de resfriar alimentos e bebidas, funcionando por baterias e com a capacidade de se energizar por meio de energia solar, além de funcionar através de um carregador. b) Objetivos específicos
- Estudar sobre a geração de energia solar e seus benefícios, sistemas de refrigeração como a pastilha de peltier e sobre baterias e métodos portáteis.
- Elaborar um código de programação em C++ que realize o controle de temperatura do nosso cooler.
- Desenvolver um modelo eficiente de recipiente que retenha o calor dentro dele para a refrigeração de alimentos e bebidas.
- Utilizar os dissipadores da melhor maneira possível para que haja um bom controle do calor gerado pela pastilha de peltier.
- Desenvolver um método para que exista um controle de carga das baterias além de uma maneira simples de carregá-las, para que caiba dentro do recipiente.
1.4 METODOLOGIA
O seguinte trabalho será divido em cinco capítulos, contemplando os seguintes assuntos: Capítulo 1: Encontra-se a introdução, abrangendo os motivos, métodos e objetivos deste trabalho. Capítulo 2: Encontra-se os fundamentos teóricos responsáveis pelo entendimento das técnicas utilizadas no projeto, como melhores materiais, fórmulas e usos das práticas que serão empregues para o perfeito funcionamento do projeto. Capítulo 3: Será apresentado a parte prática que envolve os testes e simulações dos circuitos eletrônicos, códigos de programação, e resultados da parte eletrônica do projeto.
Capítulo 4: Encontra-se o processo de montagem e escolha dos materiais e tamanhos para a carcaça do dispositivo, além do método utilizado para a união da parte eletrônica com a estrutura utilizável. Capítulo 5: Será o capítulo referente as conclusões e considerações finais do trabalho.
Figura 1 - Representação Gráfica de uma placa solar. Fonte : < http://www.fotovoltec.com.br/front/tecnologia> Acesso em: 28 out. 2020 c) Porque escolhemos essa alternativa de mini painéis Mini painéis solares fornecem uma fonte de energia renovável e, assim como os modelos maiores, são uma alternativa às fontes de energia com emissão de gases de efeito estufa. Devido ao seu tamanho reduzido, contudo, a mini placa não é fabricada para alimentar uma casa ou empresa, mas sim pequenas aplicações isoladas da rede elétrica. (FONTES, 2019) d) Vantagens
- Geração de energia 100% limpa e gratuita pela luz do sol;
- Utilização em praticamente qualquer lugar;
- Produção de energia totalmente silenciosa;
- Manutenção quase nula;
- Longa vida útil, acima de 25 anos. e) Desvantagens
- Geração intermitente (somente durante o dia);
- Baixa eficiência na conversão da luz em energia.
2.2 CALOR
O calor pode ser entendido como a transferência de energia térmica de um corpo com maior temperatura para outro de temperatura menor. Quando não existe uma diferença de temperatura entre corpos, não existe calor. No cálculo do calor se utiliza a fórmula seguinte:
Q = m. L.
Ou seja: “Q” = quantidade de calor (cal ou J), m = massa (g ou Kg) e L = calor latente (cal/g ou J/Kg). Ele pode ser medido em J/Kg (Joule por quilograma), bem como em cal/g (caloria por grama). a) Calor sensível: É a quantidade de energia térmica que será adicionada ou removida, alterando a temperatura de uma substância sem que ocorra uma mudança de estado físico da matéria. b) Calor Latente: É a quantidade de calor necessária para provocar a mudança de estado físico de um corpo, à temperatura constante. Quando a mudança de estado físico é da fase sólida para a líquida, e vice- versa, é denominado calor latente de fusão. Quando é da fase líquida para a gasosa, e vice-versa, é denominado calor latente de vaporização. (EVANGELISTA, 2010) A quantidade de calor latente (Q) é igual ao produto da massa do corpo (m) e de uma constante de proporcionalidade (L).
𝑄 = 𝑚 × 𝐿
e) Condução: A condução é o processo de propagação do calor que se dá por transferência de energia entre as partículas, desse modo, ela necessita de um meio para ocorrer. Esse processo pode ser percebido quando se aquece uma das extremidades de uma barra metálica. (BARREIROS, 2018) Figura 3 - Propagação de calor por condução em barra metálica. Fonte : < https://docplayer.com.br/32497619-Transmissao-de-calor-propagacao-de-calor-prof- lucas.html> Acesso em: 2 7 set. 2020 As moléculas mais próximas da fonte de aquecimento recebem energia e agitam-se com maior intensidade. Essa agitação provoca colisões com outras moléculas próximas, resultando na transferência de energia e consequentemente na agitação dessas outras moléculas. Esse processo propaga-se por toda a barra (meio de propagação). f) Convecção: Para que ocorra a convecção também é necessária a existência de um meio de propagação, geralmente fluido (líquido ou gasoso). Esse processo de propagação de calor acontece devido ao surgimento de correntes de convecção nos fluidos. As correntes de convecção surgem pela diferença de densidade das partículas no fluido. Geralmente, partículas mais aquecidas são menos densas e tendem a subir, enquanto partículas mais frias são mais densas e tendem a fazer o movimento contrário. (BARREIROS, 2018) Isso acontece, por exemplo, ao se aquecer água no fogão. As moléculas mais no fundo, próximas ao fogo, aquecem mais rapidamente, tornando-se menos densas que as moléculas mais próximas à superfície.
Com isso, as moléculas mais quentes sobem, ficando mais próximas da superfície e as moléculas mais frias descem, aproximando-se do fogo. Figura 4 - Circulação de ar na geladeira. Fonte : < https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/transmissao-energia-termica.htm> Acesso em: 27 set. 2020 g) Radiação: A radiação não precisa de meio para ocorrer, pois a energia térmica neste processo é transferida por ondas eletromagnéticas, que são capazes de propagar-se no vácuo. Todos os corpos emitem energia por radiação a todo momento. Em temperaturas próximas à ambiente, esse fenômeno normalmente não pode ser percebido por olhos humanos, mas pode ser visualizado quando o corpo se encontra a temperaturas muito altas, como uma brasa incandescente. (BARREIROS, 2018) É devido a esse processo de propagação de calor que o ser humano pode aproveitar o fogo de uma lareira ou de uma fogueira para aquecer-se no frio, o que, nos primórdios da existência humana, foi essencial para a sobrevivência da espécie.