Como refrigerar a cerveja na semana de fermentação

Como refrigerar a cerveja com pastilhas de Peltier (mecânica - ou, Parte I)

O problema inicial (refrigerar a cerveja na semana de fermentação)  é real e vou descrevê-lo. Há pouco tempo fiz o curso de produção de cerveja artesanal no Ye Vesta (o curso foi muito bom, por sinal). Comprei o equipamento (lá mesmo vendem os equipamentos e insumos alemães), iniciei a produção e encontrei adversidades com os equipamentos e iniciei a introdução de eletrônica para me auxiliar na produção da cerveja.

Após a produção do mosto (que é o resultado de todo o processo de brassagem) ele é colocado em um balde de plástico alimentício para fermentar durante uma semana, e aí que está o problema; ele deve ser preservado entre 14 e 20 graus, dependendo do estilo da cerveja. Agora, você pode me dizer como manter o mosto fermentando a essas temperaturas com nosso verão de 40 graus? Não dá! Claro que você pode por um termostato na geladeira e ele ficará ligando e desligando  dias e noites durante essa semana, mas tem alguns fatores importantes a considerar, como por exemplo, consumo de energia, o que fazer com os demais alimentos que estão na geladeira, espaço para o fermentador dentro da geladeira etc. Por fim, você pode ter uma geladeira exclusiva para fermentação, mas se você mora em um apartamento pequeno de 2 quartos como eu, talvez você não tenha espaço para uma segunda geladeira. A partir dessa condição decidi fazer um refrigerador com pastilhas de Peltier.

Aplicações e características da pastilha de Peltier

Uma pastilha  de Peltier é esse composto da foto utilizado para refrigerar ou aquecer, dependendo de sua aplicação. De fato, a pastilha esquenta de um lado e esfria do outro, portanto, se você quiser refrigerar um cooler de isopor, deverá dissipar calor do lado quente da pastilha para ter maior eficiência. Funciona bastante bem para brincadeiras como refrigerar um copo de bebida, mas também é utilizado em aplicações maiores.

Além da pastilha e um controlador, um módulo de ao menos 4 relés é necessário; fontes e o cooler de isopor.

Sobre a peltier, acho que cabe um pouco mais de detalhes.

O que é a pastilha de Peltier

O "módulo de Peltier" ou "Pastilha de Peltier" ou "pastilha termoelétrica" é  um pequeno composto envolto em cerâmica que tem em seu interior uma matriz de componentes condutores que causam o tal efeito Pelltier descoberto em 1834 - ou seja, não é nenhuma novidade, mas suas aplicações na atualidade vão de refrigeração de componentes à geladeiras portáteis. Alguns filtros de água domésticos também fazem a refrigeração com esse componente. Também tem frigobar com pastilhas de peltier, a relação custo/benefício depende da quantidade de pastilhas necessárias para atingir o objetivo da refrigeração. Não pelo custo da pastilha, mas pelo consumo do conjunto.

Se quiser detalhes ricos, recomendo a leitura desse artigo muito completo e interessante.

Como identificar uma pastilha de Peltier

A pastilha de Peltier normalmente vem com uma numeração sobre ela em um dos lados, mas algumas vezes ela não tem tal anotação, o que é péssimo pois você perde a referência sobre o que ela é. Um exemplo seria "TEC1-12706", que significa "TEC" de "TermoEletriC", "127" informa que internamente ela é uma matriz de 127 pares e "06" significa que o máximo de corrente consumida é de 6A (amperes).

Características

Ela é composta por placas de cerâmica e internamente possui uma matriz de um material semicondutor (junções PN). Ela opera numa range de -30 a 70 graus (!), mas só serve para pequenas áreas de dissipação. Claro, você pode utilizar mais células, mas com uma boa fonte comprada no Mercado Livre você deve conseguir utilizar no máximo 3 pastilhas com corrente máxima de 6A cada, se conseguir chegar aos 15V. Mas eu fiz testes que podem lhe surpreender, siga a leitura.

Ela automaticamente esfria de um lado e esquenta do outro, mas é necessário fazer a dissipação do lado que esquenta para obter uma baixa temperatura do lado que esfria. Nesse ponto já deve estar óbvio que o lado que esquenta deverá estar isolado do alvo a ser resfriado, isto é, se você quer refrigerar um cooler de isopor, não o conseguirá colocando a pastilha diretamente dentro do isopor; o lado que esquenta deverá estar disposto externamente e com dissipação.

A tensão de operação deve estar entre 0V e 15V com corrente até 6A (o consumo de corrente é definido pela pastilha, não se preocupe se sua fonte oferece 10A ou 100A), mas utilizarei uma fonte de menor tensão para esse tutorial. Não importa que a fonte tenha 20A ou 30A, a pastilha de Peltier só tem a capacidade de drenar até 6A de corrente (a pastilha TEC1-12706, bem dito).

Um problema que você poderá notar é ao desligar a pastilha, que a temperatura rapidamente sobe nela e chega a ficar muito quente. Considerando isso, utilizaremos o controlador para ajudar a resolver o problema, como você verá mais adiante. Como tenho um projeto real (a refrigeração da cerveja na semana de fermentação) e pretendo utilizá-la, adicionarei também um sensor de temperatura para medir a temperatura do interior de um cooler de isopor. A dissipação está sendo feita com uma boa fan e um dissipador, esses de computadores desktop. Quando a temperatura pretendida for atingida, as pastilhas de Peltier serão desligadas, mas não a fan, que deverá manter-se firme e forte dissipando o calor remanescente. Com algumas medições será possível perceber a influência do desligamento da pastilha de Peltier em relação ao calor acumulado, então deve-se derrubar ainda mais a temperatura interna afim de compensar a perda pós-desligamento.

Você pode empilhar 2 ou 3 pastilhas de peltier se desejar, reduzir a tensão e corrente e formar gelo fácil! Eu vou fazer algo um pouco mais complexo para experimento, mas as instruções ficarão claras. A ideia inicial foi justamente sobrepor duas pastilhas de peltier sobre um bom dissipador de calor, como você pode ver mais adiante.

Também utilizaria um módulo relé com 8 relés, mas substituí pela AFSmart Home Automation e farei o controle independente da fan  e de cada uma das pastilhas. Quando atingir a temperatura esperada, desligarei a pastilha exposta e continuarei com a pastilha do meio ligada para dissipar o calor remanescente da pastilha desligada, de modo que ela não volte a influenciar no ambiente resfriado. Após um periodo, desligo a segunda pastilha, o dissipador e a fan se encarregarão de resfriar a pastilha mais próxima. Após mais um período, desligo então a fan. Quando a temperatura atingir novamente a margem limítrofe, torno a ligar todo o sistema de refrigeração. Internamente haverá uma fan também para fazer a circulação do ar, de modo que não se crie um "degrade" de temperaturas; é importante que o ar seja circulado internamente para que essas temperaturas não forme camadas como de um bolo.

Isso é mais que o suficiente para seguirmos adiante, certo?

Relembrando, esse artigo é resultado de um projeto real causado por uma situação real devido ao verão; caso você não seja cervejeiro, cito que a primeira semana da cerveja no fermentador deve passar com a cerveja a uma temperatura de ~20 graus. O problema é que você não consegue isso na geladeira, portanto a cerveja é normalmente deixada fora da geladeira nessa primeira semana. Só que no verão a temperatura ambiente é bastante alta. Então, ou você faz sua cerveja e leva para o ar condicionado do escritório ou faz um sistema de refrigeração desses que estou disponibilizando o projeto. Eu gostaria muito de chegar a 2 graus com a cerveja nesse sistema, mas duvido muito que seja possível porque dissipar esse volume de ar demanda uma certa energia que não creio ser possível alcançar com apenas 2 pastilhas em uma área tão grande. Após meus testes mais adiante (em algumas semanas), modifico esse post caso seja possível chegar aos 2 graus e assim eliminar a necessidade de geladeira durante o processo de maturação.

Materiais

Esse projeto não vai pouco material como os tutoriais de apresentação de componentes. Como se trata de um projeto, a lista fica um pouco maior do que o comum. Vejamos:

• 1 cooler (caixa de isopor) de 100 litros.
• 1 dissipador bom (comprei esse passivo para até 95W).
• 2 pastilhas de peltier com isolamento térmico.
• pasta térmica para as junções das pastilhas e dissipador.
• 1 fan para colocar sobre o dissipador (ainda que passivo devesse ser, utilizei uma com dissipador de aluminio).
• 1 fan para fazer a circulação interna do ar (comprei na loja o cooler de 9x9).
• 2 fans para fazer tunel de ar no dissipador maior.
• 1 módulo AFSmart Home Automation.
• fios para a interconexão (comprei um metro de cabo de rede, descasquei e fiz as soldas).
• 1 metro de canudo termoretrátil para o isolamento dos pontos de solda dos fios (comprei em loja de eletrônica, mas pode usar fita isolante se quiser).
• 1 display LCD 16x2 (não vai dar pra usar agora. Tentarei um I²C OLED).
• 1 buzzer (para gerar alarme de anomalia).
• 1 sensor de temperatura DS18B20.
• 1 fonte chaveada 5V@30A ("tem" que ser desse tipo).
• 1 fonte chaveada 12V@5A (no mínimo 5A, pois a fonte de 12V é para alimentar as fans).
• 1 rolo de silver tape de 50 metros (caso queira dar resistência ao isopor e repelir mais calor).

Utilizando a AFSmart Home Automation eu não preciso da MCU, nem dos módulos relé, pois tudo já está integrado nela, inclusive um espaço para o sensor de temperatura, que nesse caso será um DS18B20.

Agora vamos considerar o controlador. Se for um Arduino, sem maiores problemas, tem GPIO de sobra sendo um UNO, Leonardo, Pro Mini, Nano etc. Se você optar por um ESP8266, recomendo que o utilize com MicroPython. É o que estou usando na AFSmart, que você pode solicitar na compra e já vem com o firwmare MicroPython e a lib de controle periférico.

O código e esquema para esse sensor de temperatura One Wire DS18B20 pode ser visto nesse outro artigo. Mas não será necessário implementá-lo, pois a AFLib contempla o controle para esse sensor, de modo que é altamente recomendado a aquisição desse módulo AFSmart para facilitar as coisas. Mais uma vantagem em utilizar o ESP8266 é a conectivadade com rede, de modo que você pode obter feedback no seu smartphone utilizando MQTT por exemplo. O único problema em usar Digispark está na alimentação, mas expandindo o GPIO você poderá controlar tanto o display quanto um módulo de até 8 relés. Estou escrevendo o tutorial enquanto faço o projeto, portanto não havia definido ainda o que  utilizar para controlar, mas após a chegada da AFSmart, não tenho mais dúvidas. Poderia ser um Raspberry também, mas não estou nem um pouco empolgado em gastar uma fábula pra controlar algo tão simples.

Testes iniciais

Teste Num. I

Primeiramente, sem medição, fiz um teste inicial já com 2 pastilhas de Peltier em 12V. Refriou bem, mas em dado momento houve estabilização por conta da má dissipação. Bem, uma pastilha dessa pode chegar a consumir 6A. Se for 12V@5A, considero uma dissipação de 60W por pastilhas. O dissipador utilizado é para 95W pseudo-passivo (a refrigeração deve ser feita pela lateral das aletas de aluminio). Ajustes precisaram ser feitos.

Teste Num. II

Como o aquecimento foi demasiado, fiz o teste com apenas uma pastilha de Peltier. Liguei a que estava junto ao dissipador, claro. A que está sobre ela deixei lá e aguardei que a temperatura da pastilha desligada baixasse, mas o resultado foi espantoso!  Senti que estava tão gelado que ousei jogar 2 gotas de água sobre a peltier desligada e adivinha? A água con-ge-lou ! Isso mesmo; a temperatura baixou tanto que congelou a água sobre a pastilha peltier que estava desligada! Esse teste foi animador o suficiente para mim, mas não me dei por satisfeito e inclui novos testes à minha pesquisa maker, ainda mais porque a temperatura do dissipador me parecia um pouco elevada até então.

Teste Num III

Tenho algumas fontes de 12V@20A e uma fonte 5V@30A em casa, então pensei em baixar a tensão para essa fonte de 5V afim de reduzir o consumo. Pensei que se proporcionalmente a corrente consumida cair para 3A a 5V, então o consumo ficaria em 15W de potência. Ligando as duas pastilhas geraria um consumo de 30W aproximadamente e então eu possivelmente teria maior eficiência porque o dissipador daria conta fácil dessa potência. Resultado? Deu certo! Gerou todo esse gelo da foto. chegou um momento que comecei a pingar água de longe porque o dedo grudava forte na pastilha, foi realmente impressionante! Na foto você vê  um dos meus testes. Ao centro do isolante você vê o gelo sobre uma das pastilhas sobrepostas.

Prós:

• Baixo consumo, levando um tempo realmente longo para aquecer o dissipador
• Formou gelo rapidamente, em questão de segundos (a temperatura da pastilha será tomada ainda)
• Duas pastilhas empilhadas dividindo a tarefa, reduzindo assim a carga que tinha em 12V

Contras:

• Não fica nada bonito, não dá pra deixar de enfeite em sua cozinha. Provavelmente você preferirá escondê-la.
• O custo do conjunto ficou alto.

Montei o sistema mecânico e iniciei os testes com software. Passei alguns dias escrevendo esse artigo, fazendo testes conforme os materiais foram chegando, pensando a melhor maneira de fazer essa implementação e realmente, fiquei bastante satisfeito com os resultados.

Nota importante

Eu percebi que por alguns minutos o dissipador mal ficou morno, mas gradativamente a temperatura estava subindo. Utilizei uma fan bem sem-vergonha pra auxiliar o dissipador, mas é necessário sim uma fan melhor, preferencialmente dessas de processador e conjuntamente, um túnel para fazer um túnel de vento. Por isso, confie na implementação do sistema, fiz o máximo para economizar e procurei manter o máximo de eficiência. O resultado atual é melhor do que o esperado.

Montagem dos componentes no cooler

Essa parte é bastante artesanal, não tem jeito. Primeiro, eu tenho um rolo de EVA fino e utilizei alguns pedaços para fazer isolamentos de forma a não permitir que as fontes e o dissipador transmitam calor para o isopor. O ponto amarelo da imagem é uma gota de cola quente sobre o isopor, não repare (vai sumir no acabamento).

Como citei anteriormente, estou escrevendo esse artigo "in flow", e essa imagem acima era a montagem que eu estava fazendo baseado no Arduino. Tão logo tive em mãos a AFSmart Home Automation,  decidi implementá-la no projeto por já ter tudo o que eu precisava e um pouquinho mais.

Wiring

É, meu amigo. O wiring é um pouquinho mais complicado do que gostariamos, mas não tem circuito especial pelo menos. Nesse ponto é inevitável que já se tenha escolhido o controlador desejado.

Como iniciei o projeto há algumas semanas já (faço conforme o tempo me sobra), eu ainda não tinha a AFSmart, então utilizei o módulo de 8 relés, mas agora o estou substituindo para um projeto mais afinado. Não vou colocar um wiring bonito, estou apenas disponibilizando o rascunho que fiz em minha lousa, que também não é um esquemático, é mais um "mapa" da ligação.

Para finalizar a parte I, gostaria de dizer que o projeto está funcional, já estou com uma Oatmeal Stout para refrigerar nela e o farei essa noite, estou apenas finalizando a instalação do sensor de temperatura. Nesse momento não utilizarei PID, vou fazer baseado em uma range de temperatura e depois implemento PI, e esse código funcional será disponibilizado no próximo artigo onde falarei exclusivamente na parte lógica, além de mostrar em um video um pouco do funcionamento desse refrigerador doméstico artesanal.

Acabamento

Estou acabado. Cansei bastante nos últimos dias escrevendo longos artigos e a complexidade dos posts tem aumentado. Comprei a Silver Tape para fazer o acabamento da caixa, mas desisti porque minhas habilidades para acabamento são proporcionais às habilidades de um chipanzé dançando tango. O importante para mim é que está funcional, o acabamento você pode fazer do seu jeito. No próximo post relacionado (e último já) disponibilizo os códigos e procedimentos utilizados, além de um breve vídeo só pra mostrar o funcionamento do conjunto e seus recursos.

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