refrigeracion alternativa
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REFRIGERACION ALTERNATIVA.
MC. TOMÁS AARÓN JUÁREZ ZERÓN
MC. ORLANIF QUESNEL RENDON.
ALUMNOS Ingeniería Mecánica y Eléctrica
ALEJANDRO MACEDONIO MORENO.
• Resumen:
La refrigeración termoeléctrica está basada en el efecto Peltier, y constituye un sistema de conversión directa de electricidad en frío, sin pasar por energía mecánica ni térmica como ocurre con los sistemas convencionales de compresión o absorción. Al tratarse de un sistema completamente estático, sin partes móviles, y alimentado únicamente por corriente continua, es muy útil en todas aquellas aplicaciones en donde la carga a refrigerar esté en movimiento. Además, a ello se une la ausencia de ruido. Su rango de aplicación se extiende desde cargas frigoríficas de unas décimas de vatio hasta valores del orden de 1 kw: A pesar de su coste, constituye en muchos casos, la única solución viable en aplicaciones tales como la refrigeración.
• Palabras clave: Refrigeración Termoeléctrica Conversión Electricidad Sistema estatico Compresión Absorción Efecto Peltier
• Abstract
The present article explains that thermoelectric cooling is based on the Peltier effect, and is a direct conversion system of electricity in cold, not through mechanical or thermal energy as occurs with conventional compression or absorption. Being a completely static system with no moving parts, and fed only by current, is very useful in all applications where the load to be cooled is in motion. Moreover, this is compounded by the absence of noise. Its application range extends from refrigeration loads of a few tenths of a watt to values of about 1 kw: Despite its cost it, is in many cases the only viable solution in applications such as refrigeration.
• Keywords: Cooling Electricity Thermoelectric Compression Absorption Peltier effect Static system conversion
INTRODUCCION:
La humanidad no puede prescindir de la refrigeración, pero deberá utilizarla mediante refrigerantes ecológicos y con tecnologías limpias y seguras, basadas en el uso de las energía renovables.
La refrigeración alternativa aparece como resultado del desarrollo tecnológico iniciado en el campo de la refrigeración en 1748. Su aplicación no se diferencia en lo absoluto de las aplicaciones ofertadas por las tecnologías de refrigeración convencionales, siendo sus usos más frecuentes en la preparación y conservación de alimentos, como el envasado de carnes, bebidas y confituras; el almacenamiento y la distribución de alimentos; el uso en procesos industriales, el secado de aire, la medicina, la fabricación de hielo, etc.; el aire acondicionado industrial en laboratorios o para lograr una temperatura agradable en viviendas y locales
públicos, almacenes, grandes edificios y transporte, así como también en la mecánica de precisión y fábricas textiles
Existe una amplia gama de tecnologías de refrigeración alternativa, que como su nombre lo indica representan una alternativa a la refrigeración convencional, basada en el uso de los nocivos CFC (productos compuestos por cloro, flúor y carbono, de dañino efecto sobre la capa de ozono.)
Podemos mencionar como tecnologías de refrigeración alternativa a los sistemas de refrigeración por efecto Peltier.
Refrigeración por efecto Peltier
En el año 1834, Jean Peltier, un relojero y científico aficionado francés, descubrió que el paso de una corriente eléctrica a través de la unión de dos metales conductores distintos, en una cierta dirección, produce un efecto de frío. Si se invierte la dirección de la corriente, se obtiene un efecto de calentamiento, diferente al efecto de calentamiento en una resistencia eléctrica. El descubrimiento realizado por Peltier tuvo que esperar más de un siglo para convertirse en la base de un nuevo método de refrigeración.
Figura 1
Esquema del efecto Peltier.
Los refrigeradores que utilizan el efecto Peltier para obtener el efecto frigorífico, llamados refrigeradores termoeléctricos, presentan un rendimiento mucho menor que los refrigeradores convencionales que utilizan compresor, específicamente cuando la capacidad de enfriamiento
es alta. Sin embargo, el rendimiento de las unidades de enfriamiento convencionales cae rápidamente cuando la capacidad de enfriamiento requerida disminuye, lo cual en el caso de las unidades termoeléctricas permanece casi constante, demostrando así su adecuación en muchos dispositivos electrónicos que requieren enfriamiento localizado en volúmenes pequeños.
Las principales ventajas de estas unidades se encuentran en tamaño pequeño, son silenciosas por la ausencia en ellas de elementos móviles, el tiempo de vida útil es relativamente largo, no contienen líquidos ni gases como medios refrigerantes y su control de la razón de enfriamiento es muy simple mediante el ajuste de la corriente de alimentación. Otra interesante aplicación de estas unidades es su uso como bombas de calor, lo cual se logra al invertir la dirección de la corriente eléctrica, transformando así la unidad de enfriamiento en un potencial calentador.
Sin embargo, debido al considerable consumo de energía eléctrica de los módulos Peltier, los termo-refrigeradores/calentadores no se suelen utilizar en los hogares.
Por el contrario, se usan donde se requiera no tener partes móviles o invertir el sentido del flujo de calor (como en los pequeños portamuestras de algunos espectrofotómetros utilizados en laboratorios biomédicos).
También se utilizan dentro de automóviles, campings u oficinas, donde sea conveniente tener un refrigerador pequeño y liviano, y no sea importante un alto consumo eléctrico. Figura 2
Figura 2
Desde aproximadamente 1960 los módulos Peltier se fabrican con Te3-Bi2 (telurio 3 - bismuto 2) tipo-p, y con Te3-Bi2 tipo-n. En vez de cables, son bloquecitos de 1 mm x 1 mm x 2 mm conectados alternadamente en serie, tipo-n - tipo-p - tipo-n - tipo-p - etc., y térmicamente en paralelo, de modo tal que todas las uniones donde la corriente va del p al n estén en contacto térmico con la misma cara del módulo donde se liberará calor, y todas las uniones donde la corriente va del n al p, estén en contacto térmico con la otra cara, que absorberá calor. Los electrones que se dirigen hacia el material tipo p, pierden energía en forma de calor, mientras que para ir hacia el material tipo n, los electrones deben absorber calor. Figura 3
Sustrato de
Cerámica
Disipador de
Calor Corriente Directa
Calor Rechazado
Conductor
de Cobre Tipo P Tipo N
Electrones
Protones
Sustrato de
Cerámica
Calor
Absorbido
Esquema de un Refrigerador Termoeléctrico
Figura 3
En la figura 4 se muestran 2 módulos Peltier comerciales de unos 30 mm x 30 mm x 2 mm de tamaño. Cada uno costó 15.31 Euro ($280.00 aprox.) en Enero del 2005 en Conrad Electronics (Alemania). En el módulo que está de perfil, se ven los bloquecitos semiconductores de color metálico. Un módulo puede contener decenas de estos pares n-p entre las 2 placas. Los módulos se venden de diferentes tamaños y potencia de bombeo calórico, para que uno pueda armar su propia máquina térmica. Los módulos que aquí se muestran son de una sola etapa, pero también hay de dos etapas, eléctricamente en serie pero puesta una lámina sobre la otra, térmicamente también en serie.
Molde Tipo N Molde Tipo P
Calor Absorbido (Lado Frio)
Calor Expulsado (Lado Caliente)
Laminilla
de Cobre
Fuente de
Alimentación
CD
Figura 4
En la naturaleza, los materiales están formados por moléculas compuestas por átomos enlazados entre sí. Según el tipo de enlace atómico y molecular, los electrones exteriores de cada átomo tienen mayor o menor posibilidad de moverse alrededor de los núcleos y electrones más internos. En los conductores, metales puros y aleaciones, los electrones exteriores menos ligados, pueden moverse en todo el material como si no pertenecieran a ningún átomo. Estos "electrones libres" tienen una distribución de energía que depende principalmente de la temperatura y del tipo de átomos que compone el metal. En 1815, el francés fabricante de relojes Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845), a los 30 años decide dedicar su tiempo a la investigación. Hay que destacar que en la Europa de esos años, había comenzado la consolidación del Electromagnetismo. En particular, en 1820 Orsted descubre la interacción entre una corriente eléctrica y el magnetismo, Ampere demuestra y formula matemáticamente la interacción entre 2 corrientes, y Biot y Savart descubren que la intensidad del campo magnético producido por una corriente es inversamente proporcional a la distancia del conductor. Después de la explosión de descubrimientos de ese año, en 1821 el físico alemán Thomas Johann Seebeck (1770-1831) descubre que al colocar a
diferente temperatura las uniones de un lazo formado por dos metales distintos (cobre y bismuto), aparece una corriente eléctrica, que dependía de la diferencia de temperatura entre las uniones. Éste es el principio físico de los termopares utilizados en termometría ("Efecto Seebeck" ). Dentro de la importante serie de descubrimientos de esos años, en 1834 Peltier descubre el fenómeno inverso al Seebeck, el "Efecto Peltier" , por el cual, una corriente eléctrica que atraviesa las uniones de un lazo formado por dos metales diferentes, dependiendo del sentido de la corriente, genera calor en una unión y lo absorbe en la otra. Entonces, concretamente, el principio físico del "efecto Peltier" es que al conectar una fuente de corriente a un lazo formado por 2 conductores A y B, en una unión la corriente que va desde A hacia B es favorecida por el potencial de contacto, y en la otra, la corriente que va desde B hacia A debe vencer una barrera de energía debida al potencial de contacto opuesto. Por lo tanto, la corriente al atravesar las uniones, en una libera calor, y en la otra lo absorbe del medioambiente. Debido a que los metales tienen distribuciones electrónicas similares, los potenciales de contacto son muy bajos (del orden de 100 mV) y el bombeo de calor mediante el efecto Peltier entre metales es muy pequeño. Esta es la razón por la que no se utilizó este fenómeno en refrigeradores hasta la segunda mitad del Siglo XX. En efecto, con la invención del transistor en 1947 y el desarrollo de la Física del Estado Sólido, se fabricaron semiconductores donde las distribuciones electrónicas se controlan artificialmente agregando impurezas. Según el elemento de la impureza, el material se convierte en un semiconductor tipo-p donde los portadores de carga son positivos, o tipo-n con portadores negativos. Deducción de V = � T + I R para un módulo Peltier Aquí se demuestra que la caída de voltaje en un módulo Peltier no es simplemente V = I R, ya que existe además una contribución termoeléctrica: el potencial de contacto � T, o voltaje Seebeck. La potencia eléctrica total (en watt, W) entregada por la fuente que energiza al módulo Peltier, está dada por la caída de voltaje V (en volt, V) y la corriente I (en ampere, A): PTotal = V I
Debido a la conservación de la energía, esta cantidad será igual a la potencia calórica (tasa de flujo de calor) total disipada por el módulo, una a través de la placa caliente H, y otra a través de la placa fría C. Es decir:
V I = PH + PC Donde PH > 0 es la potencia calórica disipada desde H hacia el exterior, y donde PC < 0 es la potencia calórica disipada desde C hacia el exterior. Esta última es negativa porque la placa absorbe calor del medio ambiente, en vez de entregárselo. La potencia disipada por cada placa se compone de 3 términos: la potencia calórica Peltier PP, la potencia calórica de conducción PCond, y la potencia calórica Joule PJ. En la placa caliente H: PH = PP-H + PCond-H + PJ-H Y análogamente, en la placa fría C: PC = PP-C + PCond-C + PJ-C La potencia calórica disipada por Efecto Peltier, es proporcional a la corriente eléctrica I y a la temperatura T (en grado celsius, °C) de la unión. Entonces, en las placas H y C se tiene: PP-H = a(TH) I TH > 0 W PP-C = -a(TC) I TC < 0 W El signo negativo de PP-C se debe a que es potencia calórica que pierde la placa fría C. El factor � (T) se denomina coeficiente Seebeck (en volt por grado celsius, V/°C). En el rango de temperaturas típico de las aplicaciones, este coeficiente puede considerarse constante: a(TH) = a(TC) = a Como TC < TH, resulta -PPC < PPH, es decir que solo teniendo en cuenta el Efecto Peltier, el calor disipado en la placa caliente es mayor que el calor absorbido en la fría. El bombeo de calor Peltier desde C hacia H hace que C se enfríe y H se caliente (TC < TH). Esto produce una potencia calórica PCond desde H hacia C por conducción a través de los semiconductores que unen ambas placas. En primera aproximación, este flujo es proporcional a la diferencia de temperaturas entre placas T = TH - TC:
PCond = T / RTh Donde RTh es la resistencia térmica (en grado Celsius por watt, °C/W) total equivalente entre las placas del módulo Peltier. Como este calor sale de la placa H y va hacia la C, se tiene que: -PCond-H = PCond-C = PCond Finalmente, la corriente eléctrica a través de los semiconductores genera una disipación calórica Joule PJ que se reparte hacia ambas placas: PJ-H = PJ-C = (1/2) PJ Donde PJ = I2 R Siendo R la resistencia eléctrica (en ohm) total equivalente del módulo Peltier. Es decir, PH = a I TH - T / RTh + (1/2) PJ Y análogamente, en la placa fría C: PC = -a I TC + T / RTh + (1/2) PJ Por último, sumando estas expresiones se tiene que
V I = a I T + I2 R Por lo tanto, la potencia eléctrica suministrada por la fuente se reparte en el bombeo de calor Peltier y las pérdidas por disipación Joule. Dividiendo esa expresión por I, se ve que el voltaje de la fuente sobre el módulo, se compone de una caída de voltaje de origen termoeléctrico y una caída de voltaje resistiva:
V = a T + I R Esta expresión se puede utilizar en el laboratorio para determinar los parámetros � y R, mientras que el parámetro RTh, se obtiene de las especificaciones del fabricante del módulo, que suele dar la relación lineal de -PC versus T, -PC = a I TC - T / RTh - (1/2) I2 R
Manteniendo TC e I constantes, es decir, -PC( T) = PMax - T / RTh Entonces, RTh = TMax / PMax Siendo: PMax = a I TC - (1/2) I2 R
En 1980, Jaques Chiral desarrolló un sistema experimental donde obtuvo alentadores resultados prácticos con sistemas de absorción y paneles de calentamiento solar. Un aspecto fundamental en la estimulación al uso de la refrigeración alternativa ha sido su bajo impacto ecológico, al no contar los mismos con los CFC como medios refrigerantes para su funcionamiento.
Esto ha sido apoyado y estimulado por políticas gubernamentales que exigen a los principales productores de dichos compuestos la eliminación, en un tiempo limitado, de la producción de CFC, así como la búsqueda de compuestos sustitutos a dichas producciones, siendo muy evidente la necesidad de trabajar para disminuir la dependencia y el consumo de los combustibles fósiles, aumentar la eficiencia en el uso y generación de la energía y buscar refrigerantes ecológicos y de tecnologías limpias, seguras, basadas en el uso de las energías renovables.
CONCLUSIÓN:
Con el artículo anterior, lo que se pretende es dar a conocer los termo-refrigeradores/calentadores que son maquinas térmicas basadas en dispositivos (módulos) sin partes móviles que utilizan el efecto termoeléctrico Peltier.
Que sirve para intercambiar calor, mediante la circulación de corriente eléctrica a través de módulos Peltier. Además, sirve para aquellos sistemas en los que se desea invertir el sentido del flujo de calor (es decir, que pueda calentar o enfriar en ambas direcciones).
Sin embargo, debido al considerable consumo de energía eléctrica de los módulos Peltier, los termo-refrigeradores/calentadores no se suelen utilizar en los hogares.
Por el contrario, se usan donde se requiera no tener partes móviles o intervenir el sentido del flujo del calor (como en los pequeños porta muestras de algunos espectrofotómetros utilizados en laboratorios biomédicos).
También se utilizan dentro de automóviles, campings u oficinas, donde sea conveniente tener un refrigerador pequeño y liviano, y no sea importante un alto consumo eléctrico.
Por lo que respecta al consumo de amperaje existe mucho que investigar para las futuras generaciones, de manera que estos equipos lleguen a ser de uso cotidiano.
Con el uso de estos se lograra proteger el medio ambiente, ya que al no usar un gas refrigerante, no existirán fugas que destruyan la capa de ozono.
Bibliografía:
Kurt C. Rolle, Termodinámica, 6a edición Pearson México 2006
Yonus A. Cengel, Termodinámica, 4a edición Mc. Graw Hill México 2003
D.M. Rowe, Thermoelectrics Manual, Macro para Nano, Editado por D. M. Rowe (CRC Press LLC, 2006) TE Technology, Inc. 2005 Technical Information
Http://www.tetech.com/techinfo/#
Advanced Thermoelectric 2005 Home Page
Http://www.tecooling.com/moduleworking.htm