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ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE CÓRDOBA
LABORATORIO DE MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS
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LABORATORIO DE MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS
Introducción:
La bomba termo-eléctrica de calor está construida alrededor de un módulo de 32
pares, un dispositivo que aprovecha el efecto Peltier mediante el uso de semiconductores.
El efecto Peltier, que es el contrario al efecto Seebeck o efecto térmico de pares,
ocurre cuando una corriente continua pasa a través de circuitos de diferentes conductores.
El paso de la corriente provoca diferencias de temperatura a desarrollar entre los enlaces de
los conductores en el circuito y la diferencia de temperatura depende, entre otros factores,
por la magnitud de la corriente. Lenz demostró que una inversión de la dirección invirtió
la situación de las uniones calientes y frías.
Para determinados materiales y corriente, la magnitud de la diferencia de
temperatura se ve afectada por el efecto Joule, la conducción de calor normal entre las
uniones calientes y frías en el circuito. Las propiedades de los materiales para producir el
efecto Peltier pueden ser establecidas de la siguiente forma:
1.- Un alto “coeficiente de conversión”, produce una alta diferencia de temperaturas por
unidad de corriente.
2.- Alta conductividad eléctrica para reducir al mínimo I2R
3.- Baja conductividad térmica para reducir al mínimo la conducción de calor entre los
enlaces.
Los puntos 2 y 3, con conflicto en gran medida, hacen difícil la elección y la selección
recae en materiales semiconductores.
Diseño de la bomba de calor:
La práctica exige materiales con el fin de dar un buen rendimiento de refrigeración.
Los materiales utilizados en el módulo son las aleaciones de bismuto, para ser más exactos,
estos semiconductores de las aleaciones son Bi2Te3/Sb2Te3 – el tipo-P o aleación deficiente
de electrones – y Bi2Te3/Bi2Se3 – el tipo-N o aleación con exceso de electrones. Estos se
preparan en pequeños bloques, un bloque de tipo-P y un bloque de tipo-N que forman una
par. Un verdadero módulo de trabajo está formado por varios pares formados entre esos
materiales apropiados para la resistencia mecánica.
La figura 2 nos muestra la organización y el trabajo principal de un par simple y la figura 3
da los detalles del módulo y anexos en la bomba termo-eléctrica de calor Hilton.
Un módulo de 32 pares Peltier, de aproximadamente 3’8x3’8x0’635 cm se
encuentra entre dos bloques de aluminio, dando ambos resistencia mecánica y la ubicación
de los agujeros del termómetro para la medición. Una aleación de cromo de níquel que
calienta la franja, convenientemente aislada, es localizada sobre la cara externa del bloque
de aluminio de lado "frío" cara de aluminio y este bloque de calefacción está aislado
térmicamente por una espuma de poliuretano sostenida en una placa de estaño delgada. El
lado "caliente" es una parte integral de una aleación de aluminio de fundición, que actúa
como una superficie de disipación de calor, con la ayuda de un ventilador de enfriamiento
de motores. Todas las superficies de apareamiento son mecanizadas.
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La fuente de energía junto al módulo y al calentador es convertida a corriente
continua y la onda llega rectificada. El poder es controlado por Resistencias Variables y
medido por el empleo de voltímetros y amperímetros. El circuito también incluye un
interruptor de inversión de modo que el Efecto de Lenz pueda ser demostrado invirtiendo
la dirección corriente.
Un diagrama de circuito para la bomba termo-eléctrica de calor se muestra en la
grafica 53/1023 y algunas medidas de seguridad se incorporan en los circuitos de equipo de
protección. Por ejemplo, la fuente de energía al módulo (transformador) está limitada
cuando el interruptor de inversión es cambiado para "invertir" y en esta posición el
elemento calentador no puede ser encendido. Un aviso de advertencia sobre el empleo del
elemento calentador es conectado al aparato. Un fusible es incorporado al circuito de
entrada para salvaguardar contra corrientes de sobrecarga.
Las temperaturas se miden por el mercurio en los termómetros de cristal situado en
los bolsillos de los bloques de aluminio (figura 4) y el uso de un poco de aceite o grasa de
silicona en estos focos se asegurará de un buen contacto térmico y lecturas repetibles.
Figura 4
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Algunos experimentos introductorios:
Solo se requiere de electricidad y de que la posición de los termómetros estén en
sus bolsillos apropiados (el de lecturas de temperaturas bajo cero son para el lado "frío")
El ventilador está encendido para dar la buena disipación del calor durante los
experimentos, pero hay que tener cuidado cuando el calentador se está utilizando. Si los
experimentos de refrigeración al aire libre se llevan a cabo es esencial para mirar los
termómetros cuidadosamente y asegurarse de que ninguna temperatura supera los 100ºC.
Los siguientes experimentos introducen al estudiante en los fundamentos de la
Termoelectricidad. Las curvas han sido trazadas de resultados obtenidos sobre la Bomba
de Calor Hilton Termoeléctrica en la temperatura ambiente de 15'5ºC. Cada experimento
ha sido realizado con y sin el ventilador en funcionamiento, con cuidado de no exceder
100ºC, en ambos lados del módulo.
Experimento 1: Usando el módulo de Corriente (Efecto Peltier)
Para evaluar este efecto es necesario cambiar el interruptor de inversión a la
posición "normal" (figura a) y suministrar el corriente con el módulo sólo (“Power
module” activo solamente, figura b). El calentador debe estar desactivado (“Power to
heater”, figura c).
Para cada una de las opciones del módulo de potencia (normal ó inversa), deben
transcurrir unos minutos antes de tomar la lectura para permitir que la temperatura se
estabilice. Los resultados de este experimento pueden ser vistos sobre el gráfico
correspondiente y se notará en la temperatura sobre el lado caliente o frío las subidas
regulares de voltaje, el lado frío si cae a un mínimo entonces se eleva como I2R y factores
de conducción de calor sobre el efecto de enfriamiento.
Figura a)
Figura b)
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Experimento 2: Usando el modulo de corriente en posición inversa
(Thomson o Efecto Lenz)
Ponga el interruptor de inversión a la posición "inversa" (interruptor de la figura a)
y suministre el poder con el módulo sólo (figura b). Como en el Experimento 1 el
calentador debe estar desactivado y la lectura debería ser tomada cuando las temperaturas
se han estabilizado. El gráfico claramente muestra que la inversión de corriente invierte las
temperaturas de unión calientes y frías.
Experimento 3: Evaluación del efecto de Seebeck
Para ver mas claramente este efecto, es aconsejable dejar bajar el mercurio de la
zona fría lo máximo posible, ya que cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, el
voltaje obtenido será superior.
Conforme las temperaturas de ambos termómetros se vayan equiparando el voltaje
irá decayendo hasta marcar 0.
Esta experiencia se hará en posición normal, desactivando el modulo de corriente
(figura b) y activando a la vez el calentador (figura c). Se observará en el voltímetro del
modulo de corriente un voltaje (figura d), este voltaje es el inducido por la diferencia de
temperaturas antes descritas.
Así, el modulo de Peltier funciona ahora como un generador de corriente continua o
termopar.
Figura d)
Figura b)
Figura c)
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Experimento 4: Coeficiente de rendimiento
Para este experimento es necesario suministrar energía tanto módulo como al
calentador. Debe activarse la corriente en el modulo (figura b) y en el calentador (figura c)
para mantener la temperatura ambiente en el lado frío del módulo para cada módulo de
potencia. Las curvas entonces pueden ser dibujadas como se muestra en el gráfico
correspondiente y como se esperaba se puede observar que el coeficiente está en el punto
máximo cuando el módulo tiene que hacer el mínimo de trabajo.
Aplicaciones:
Las ventajas de esta forma de refrigeración consisten en su fácil manejo, requiere el
mantenimiento mínimo, es compacto, sin ruido y sin vibración. Estas ventajas permiten
usarlo para refrescar componentes como válvulas térmicas y cualquier otro artículo similar.
Los módulos son ideales para el empleo en pequeños refrigeradores de volumen, para la
refrigeración de portaobjetos de microscopio y se prestan perfectamente para la limpieza
de alta pureza de los pequeños componentes electrónicos de precisión.
No obstante, pueden ser utilizados para una aplicación totalmente diferente, el de
una producción de un voltaje de corriente continua.
Como se muestra en el experimento 3, para producir esta tensión es necesario tener
un diferencial de temperatura en todo el módulo. Por esto una fuente de calor no
necesariamente tiene que ser un elemento de calefacción eléctrico. El aire y el mar pueden
ser utilizados para producir este diferencial, siendo uno de ellos la fuente de calor, y el otro
del disipador de calor.
La energía obtenida será utilizada para la luz de un faro. Radioisótopos, que
producen calor cuando la decadencia de la energía también podría utilizarse. La larga vida
de estos isótopos significaría que si se utiliza en la navegación o boyas de alerta en el mar,
podría funcionar durante años, antes de que fuese necesario cualquier tipo de
mantenimiento.
Se podría utilizar en estructuras tales como la caldera de una instalación y
conductos de escape que tienen un diferencial de temperatura entre el interior y exterior de
la conducción.
Donde la estructura implica el empleo de contacto distinto al metálico, como un
termopar, el gradiente de temperaturas puede inducir una f.e.m. que normalmente tienden a
la fuga a tierra. Estos fenómenos pueden ser demostrados e investigados con la utilización
de la bomba de calor termoeléctrica.
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Es obvio que los empleos de termoeléctricos son muy variados pero debido al coste
inicial, cada uso tendría que ser estudiado con las ventajas e inconvenientes y las
alternativas disponibles.
Nota:
Esta máquina ha sido revisada y reparada bajo tutela de la profesora de Termodinámica de
3º de Ingeniería Técnica Industrial Mecánica, Mª Pilar Dorado Pérez en el curso académico
2007/2008 por los alumnos:
Manuel Llamas Morillo
Fco. Javier Muñoz Luque
Julián García Aroca