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  • Peltier 


 

Bomba de calor Termoeléctrica - Efecto  Peltier

Equipo diseñado y construido íntegramente en nuestro laboratorio

 

 

 Objeto: 

Material: 

Objeto: 

Análisis del funcionamiento  de una célula Peltier

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:

  1. Relación de la temperatura superficial de una de las caras con la variación de potencia del módulo. Efecto Peltier.

  2. Efecto del cambio de dirección del flujo de calor al cambiar la polaridad. Efecto Lenz o Thomson.

  3. Variación del voltaje por efecto de la variación en las temperaturas de las caras caliente y fría. Efecto Seebeck.

  4. Estimación del coeficiente de rendimiento (c.o.p.)

 

Práctica virtual:

Existe la posibilidad de trabajar sobre una simulación informática del comportamiento de éste equipo, de forma que el alumno pueda "jugar" con el equipo sin limitaciones, pudiendo modificar parámetros que no se podrían variar sobre el equipo real de laboratorio. No es necesario ceñirse a una sola unidad de prácticas.  Enlace al Laboratorio Virtual.

Este software está diseñado para obtener el máximo provecho al trabajo práctico en los estudios técnicos, y proporciona tanto ayuda en línea como información adicional para que el alumno pueda relacionar más estrechamente la teoría y la práctica.

 

                     
 

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José A. Millán