Material:
Descripción de la máquina
Fundamento teórico (temas previos):
Fundamentos teóricos del efecto termoeléctrico
Introducción
El que una cadena de
soldaduras de dos metales distintos produce una corriente eléctrica
cuando existe una diferencia de temperatura entre soldaduras alternativas
es conocido desde que el físico alemán Thomas Johann Seebek descubrió
en 1821 el efecto que lleva su nombre. Poco después el francés Jean
Charles Peltier descubrió en 1834 el fenómeno que puede denominarse
inverso. Al pasar una corriente a través de un circuito de dos metales
soldados, una de las soldaduras se enfría mientras la otra se calienta,
actuando el sistema como una ``bomba de calor". El efecto Thomson,
descubierto por Lord Kelvin en 1854, completó los descubrimientos
anteriores. Este efecto se produce en un circuito de un único material
conductor, según el sentido de paso de la corriente eléctrica, el
conductor emite o absorbe calor.
Unión
de Soldaduras N-P
Fundamentos de la teoría termoeléctrica
Flujo
de Calor
Funcionamiento y diseño de un Elemento
Termoeléctrico (ETE).
Elemento
Termoeléctrico.
Un
convertidor termoelectrónico moderno se compone de dos pequeñas piezas
semiconductoras A y B, una del tipo n (cargas libres) y la
otra del tipo p (huecos libres), unidas en uno de sus extremos mediante
una unión metálica o soldadura, si esta soldadura se somete a una fuente
de calor, manteniéndose a una temperatura (caliente ( Tc )
mientras que las demás se mantienen a una temperatura mas fría ( Tf
), se produce una pequeña fuerza electromotriz que genera una corriente
eléctrica en el circuito.
Célula
de efecto peltier
De forma parecida, debido al
efecto Peltier, si se hace pasar una corriente por el circuito de uniones
semiconductoras p-n y n-p. unas se calientan y otras se enfrían, produciéndose
un gradiente de temperatura entre las placas.
El ETE consta de un número
variable de soldaduras colocadas en serie eléctricamente pero en paralelo
desde el punto de vista térmico actúa como una pequeña bomba de calor
en estado sólido.
Refrigeración Termoeléctrica
- Descripción
En el estudio de
aplicaciones que pueden usar la refrigeración termoeléctrica, así como
la elaboración de diferentes equipos de refrigeración que satisfagan las
necesidades actuales en este campo hay que tener en cuenta que la
refrigeración por métodos termoeléctricos podría sustituir en
bastantes casos a los sistemas de refrigeración actuales, eliminando así
el uso de los CFC, gases contaminantes
que destruyen de la capa de ozono. Además de esta, la refrigeración
termoeléctrica posee diversas ventajas, entre las que se pueden destacar:
- Producción
de frío y calor indistintamente simplemente invirtiendo la polaridad
de la tensión aplicada.
- Ser
totalmente silenciosas, así como no producir vibraciones.
- Fácil
variación de la potencia refrigerante, actuando sobre la tensión de
alimentación.
- No
necesitan mantenimiento.
- No
posee elementos móviles.
- Asegura
la estanqueidad del elemento a refrigerar.
- Puede
funcionar en cualquier posición.
En
función de las características de la refrigeración termoeléctrica
expuestas, el campo de estudio y aplicación de esta es muy amplio. Es
posible el estudio de aplicaciones concretas tales como: refrigeración de
cuadros eléctricos, refrigeración de frigoríficos portátiles.
Son importantes las
aplicaciones alternativas que puedan utilizar termoeléctrico, como pueden
ser aplicaciones en medicina, sistemas de refrigeración de aire
acondicionado para habitáculos reducidos,
etc.
Sistemas
de Montaje Termoeléctrico
Un ETE , ver figura ,
estaría compuesto por un conjunto de células termoeléctricas fijadas
sobre un sistema de disipación (fuente caliente), compuesto por un
disipador y un conjunto de ventiladores, cuya misión es la de evacuar por
convección forzada la mayor cantidad de calor posible.
Por la otra cara de las células
termoeléctricas actúa un sistema de conducción de calor desde la fuente
fría, compuesto por un disipador y un conjunto de bloques transmisores de
ajuste. Este ultimo tiene la doble misión de fijar las células termoeléctricas
y procurar una conducción adecuada de calor desde la fuente fría.
No obstante el equipo variará
en función de las necesidades del propio elemento a refrigerar.
El rendimiento del equipo
refrigerante termoeléctrico ira en función de varios factores: buen
asentamiento de las células termoeléctricas tanto en el disipador del
lado caliente como en el bloque de ajuste, para evitar perdidas, en cuanto
a los disipadores deben poseer un coeficiente de conductividad adecuado y
una superficie lo mas grande posible, para que la evacuación de calor sea
efectiva, procurando al disipador de calor una convección forzada
suficiente, para facilitar la emisión de calor al exterior, por que
cuanto mas baja mantengamos la temperatura del lado caliente menores
temperaturas obtendremos en lado frío, dado que el salto térmico de las
células termoeléctricas permanece aproximadamente constante, también es
importante calcular la intensidad de funcionamiento optimo, para obtener
el máximo rendimiento.
Esto es de fundamental
importancia para poder competir en mercados internacionales, ya que debido
la gran sensibilidad del rendimiento de los sistemas en función del
montaje idóneo.
Elementos similares, bien o
mal elaborados, pueden tener grandes diferencias tanto en cuanto al
salto térmico máximo,
como a la potencia refrigeradora.
Dentro de la instalación
termoeléctrica frigorífica conviene definir un parámetro, en función
de las características especificas de los elementos empleados como
conductores en dicha instalación, y buscar la relación de este con el
rendimiento térmico de la instalación. Estas son las curvas de
rendimiento de los materiales termoeléctricos.
Curvas
de Rendimiento de materiales Termoeléctricos
2.3.-Descripción de una placa termoeléctrica
Una célula o placa
termoeléctrica, está constituida por una serie de elementos
semiconductores de tipos N y P, que están dispuestos sobre una
superficie cerámica, eléctricamente en serie y térmicamente en
paralelo. El número de semiconductores siempre es impar, y los más
utilizados forman un conjunto de 7 - 31 - 71 - 127 elementos.
A algunas células
termoeléctricas en el montaje se les aplica doble barrera de níquel, con
la finalidad de evitar un rápido deterioro en un constante cambio de
tensiones.
Célula
de Efecto Peltier
Elementos que la constituyen
Las células convencionales
que se comercializan en el mercado, esencialmente estan compuestas por dos
tipos de elementos semiconductores, Telururo de Bismuto y el Seleniuro de
Antimonio. Debido a la escasez de alguno de los componentes y a su baja
producción, el coste de estos aun es elevado en el mercado. Las placas
cerámicas que están dispuestas en ambas caras llevan pistas de cobre que
permiten unir los semiconductores en eléctricamente en serie y térmicamente
en paralelo.
Esquema
de una unión N-P
Tipos de placas (Efecto Seebeck – Efecto
Peltier)
Existen en el mercado dos
tipos de placas que se utilizan para generar una corriente eléctrica, las
llamadas placas de efecto Peltier o conocidas también con el nombre de
placas termoeléctricas y las llamadas placas de efecto Seebeck.
Las placas de efecto
Pelier son las más utilizadas debido a que sus coste en el mercado cada
vez es menor y sus aplicaciones para el mercado del consumo se incrementa
día a día. Las placas de efecto Seebeck, son placas de alto coste,
que prometen ser importantes en un futuro no muy lejano y permiten
recuperar energía de focos calientes.
Para saber
mas ...
temas relacionados:
- Transmisión de calor
- Aislamiento térmico
- Refrigeración
- Generación de potencia
- Aeronáutica
- Electrónica
- Cálculo de cargas térmicas
- Instrumentación.
Método operatorio:
Difiere según la asignatura de referencia. Se remite
al alumno al guión de prácticas
correspondiente
Trabajo de gabinete:
Analizar los resultados obtenidos y realizar el informe
de la práctica según las normas
generales
de elaboración de informes de laboratorio.
Capacidad experimental:
