ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE CÓRDOBA LABORATORIO DE MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS

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2 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 I 2 R 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 Bi 2 Te 3 /Sb 2 Te 3 el tipo-p o aleación deficiente de electrones y Bi 2 Te 3 /Bi 2 Se 3 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.

3 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

4 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 I 2 R y factores de conducción de calor sobre el efecto de enfriamiento. Figura a) Figura b)

5 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)

6 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.

7 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

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