Recinto Climatizado Con Tecnologia Peltier

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA

DISEO, ANLISIS, CONSTRUCCIN Y ENSAYO DE UN RECINTO

CLIMATIZADO CON TECNOLOGA PELTIER.

AUTOR: Carlos lvarez Martnez

MADRID, Junio de 2006

Resumen

1

ANLISIS, DISEO, CONSTRUCCIN Y ENSAYO DE UN RECINTO

CLIMATIZADO CON TECNOLOGA PELTIER.

Autor: lvarez Martnez, Carlos.

Directores: Arenas Alonso, Antonio; Vzquez Arias, Jorge.

Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO:

El principal objetivo del proyecto es disear, analizar, construir y ensayar un

recinto difano a climatizar para la conservacin ptima de algn objeto que, por sus

caractersticas, necesita estar a una determinada temperatura para su ptima

conservacin. El recinto se disear para la conservacin de un fondo antiguo, por lo

tanto se partirn de las medidas aproximadas que podra tener ste para el

dimensionado de la caja. El recinto pretende ser utilizado tanto para la conservacin del

fondo como para su exposicin, por lo que sus paredes deben ser transparentes. El

recinto se podr utilizar tambin para la conservacin y exposicin de otro u otros

objetos que cupieran en el interior y necesitaran de una temperatura aproximada a la del

fondo para su ptima conservacin.

El presente proyecto solo se centrar en conseguir la temperatura adecuada en

el recinto sin importarnos la humedad relativa ni la luminosidad, ya que como se van a

realizar distintos ensayos con el recinto, va a ser necesario poder montar y desmontar el

mismo, por lo que no se podr mantener en su interior una determinada humedad

relativa. Aparte, la normativa para conservacin de fondos antiguos dispone que el

recinto debera estar provisto de un sistema de ventilacin, del cual prescindiremos en

el presente proyecto. La intensidad luminosa y los filtros necesarios ya se dispondran

en la sala de exposicin.

Para el diseo se van a emplear tcnicas de simulacin CFD, por lo que tras la

construccin y ensayo del recinto, se aprovechar y se compararn los resultados

tericos obtenidos mediante FLUENT y resultados reales obtenidos en los ensayos

para verificar la viabilidad de la tecnologa y algoritmo empleado.

Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier

Resumen

2

Otro objetivo del proyecto es determinar que tipo de disipadores de calor son

ms idneos para este tipo de aplicaciones, por lo que en la construccin del recinto se

ha introducido la posibilidad de hacer una particin del mismo, y poder realizar as un

ensayo comparativo del funcionamiento de un disipador de aletas y un disipador de

agujas.

La connotacin de este proyecto es que para la refrigeracin del recinto se va a

utilizar una tecnologa emergente, que es la termoelectricidad, que todava no est muy

extendida, pero que tiene un futuro prometedor debido al gran nmero de aplicaciones

en las que puede ser empleada, y a las ventajas que presenta frente a la refrigeracin

convencional. Esta refrigeracin se har a travs de clulas Peltier. Las clulas Peltier

son unos dispositivos termoelctricos que se caracterizan por la aparicin de una

diferencia de temperatura entre las dos caras de un semiconductor cuando por l circula

una corriente elctrica. stas estarn colocadas en la base del recinto y harn de bombas

de calor termoelctricas. El principio de funcionamiento de una bomba de calor

termoelctrica es idntico al de cualquier bomba de calor, tomando calor de un foco fro

y cedindoselo a un foco caliente consumiendo un trabajo. Luego como objetivo ltimo

se verificar la capacidad tcnica de esta tecnologa para este tipo de aplicaciones y se

analizarn las ventajas e inconvenientes que presenta frente a otro tipo de tecnologas.

Se har un primer diseo del recinto, tanto en tamao como en materiales a

emplear y componentes necesarios, para as poder realizar una primera estimacin de

las cargas trmicas a las que estar sometido en las diferentes situaciones que se

consideren, y poder as elegir el nmero de clulas comerciales a emplear en funcin de

su potencia.

Una vez que se tenga el diseo inicial, se proceder a su estudio mediante

tcnicas de simulacin CFD. Para ello es necesario el uso de dos herramientas

informticas, GAMBIT y FLUENT. Con la primera se ejecutar el dibujo y mallado del

modelo y con la segunda se estudiarn todos los fenmenos fsicos que se dan en el

interior del recinto. De esta manera se podr obtener la distribucin de velocidades en

todo el recinto, y se podr tener una idea de cmo van a ser los gradientes de

temperatura ante diferentes situaciones, para intentar suavizarlos todo lo posible y tener

una temperatura lo ms homognea posible en todo el espacio interior. De esta manera,


Resumen

3

se irn introduciendo modificaciones en el diseo, para finalmente optar por una

disposicin de ventiladores adecuada.

Posteriormente se realizar un ajuste de todos los resultados obtenidos y se

decidirn cuales van a ser los parmetros finales que se usarn para la construccin del

prototipo experimental y seleccin de los elementos Peltier y sistemas auxiliares

necesarios para mantener la temperatura entre mrgenes estrechos.

Por ltimo se construir el recinto y se realizarn una serie de ensayos para

comprobar que nuestro prototipo responde a las expectativas, y analizar los resultados

desde el punto de vista tcnico.


Resumen

4

ANALYSIS, DESIGN, CONSTRUCTION AND TEST OF AN AIR-

CONDITIONED COMPOUND WITH PELTIER TECHNOLOGY.

Author: lvarez Martnez, Carlos.

Director: Arenas Alonso, Antonio; Vzquez Arias, Jorge.

Collaborator Company: ICAI Universidad Pontificia Comillas.

ABSTRACT.

The main objective of the project is to design, analyze, construct and test a diaphanous

compound to refrigerate for the ideal conservation of some object that, for its

characteristics, needs to be to a certain temperature for its ideal conservation. The

compound will be designed for the conservation of an ancient book, therefore this

dimensions will be the starting point for the appropriate dimensioning the box. The

compound will be used both for the conservation of the book and for its exhibition, for

what its walls must be transparent. The compound will also be able to be used also for

the conservation and exhibition of one or several other objects which must fit inside the

box and that they may need a temperature approximate than the one of the main object

for its ideal conservation.

The present project will be focused exclusively on obtaining the wanted temperature

inside the enclosed space without taking into account of either the relative humidity or

the luminosity, given the need of testing the compound, that will require being able

assemble and dismantle it. This implies that no relative humidity could be fixed.

Besides this, the regulation for conservation of ancient cultural funds establishes that

the enclosed space should be provided with a ventilation system. However the study

carried out in this project will not consider this in order to adjust the results to the real

behaviour of the variables. The luminous intensity and the necessary filters would be

set in the exhibition room.

Technologies of CFD simulation are going to be used for the design, because of that the

theoretical results, obtained by means of FLUENT software, will be compared with the


Resumen

5

real ones, once the built and the trials have been developed. This will verify the

technology viability and the employed algorithm.

Another objective of the project is to determine what sort of heat spendthrifts are more

suitable for this kind of applications, for what in the construction of the compound there

has got the possibility of doing a partition of the same one, and to be able to realize this

way a comparative test of the functioning of a spendthrift of fins and a spendthrift of

needles.

The key point of this project is that an emergent technology is going to be employed for

the refrigeration of the enclosed space. This new technology is the thermoelectricity,

which still is not very widespread, but which has a promising future due to the great

number of applications in those it can be used, and to the advantages that it presents

against the conventional refrigeration systems.

This refrigeration will be done by means of Peltier cells. The Peltier cells are

thermoelectric devices that are characterized by the appearance of a difference of

temperature between both faces of a semiconductor when along it an electrical current

circulates. These cells will be placed in the base of the compound and will do of

thermoelectric bombs of heat. The principle of operation of a thermoelectric bomb of

heat is identical to that of any bomb of heat, taking heat of a cold area and yielding to a

warm area by consuming a work.

Then, as a last objective of the project, the technical capacity of this technology for this

kind of applications will be verified and also the advantages and disadvantages that it

presents opposite to another kind of technologies will be analyzed.

The first design of the enclosed space will be done, both in size and materials to be

used and the necessary components, to be able to realize the first estimation of the

thermal charges to which it will be submitted in the different situations that are

considered, and to be also able to choose the number of commercial cells to use

depending on its power.

As soon as the initial design is had, its study will be carried out by means of

technologies of CFD simulation. For it there is necessary the use of two computer tools,

GAMBIT and FLUENT. With the first one the drawing will be executed and mesh of

the model and with the second one there will be studied all the physical phenomena that


Resumen

6

are given inside the compound. Hereby it will be possible obtain the speed distribution

in the whole compound, and it will be possible to have an idea of how they are going to

be the gradients of temperature in different situations, trying to smooth them and have

an as homogeneous as possible temperature in the whole interior space. Hereby,

modifications will be getting in the design, finally to choose for a suitable configuration

of the fans.

Later, an adjustment of all the obtained results will be realized, and it will be decided

which of them are going to be the final parameters that will be used for the construction

of the experimental prototype and selection of the Peltier elements and auxiliary

necessary systems to support the temperature between narrow margins.

Finally the compound will be built and some tests will be realized to verify that our

prototype responds to the expectations, and to analyze the results from the technical

point of view.


ndice

i

MEMORIA DESCRIPTIVA

1. Introduccin y planteamiento del proyecto...................................................pg.n 2

2. Descripcin de las tecnologas ..................................................................... pg.n8

3. Descripcin del modelo desarrollado.......................................................... pg.n50

4. Anlisis de los resultados.............................................................................pg.n96

5. Conclusiones...............................................................................................pg.n137

6. Bibliografa.................................................................................................pg.n142


ndice

ii

1. Introduccin y planteamiento del proyecto...................................................pg.n 2


ndice

iii

2. Descripcin de las tecnologas.......................................................................pg.n8

2.1. Efecto Seebeck........................................................................................... pg.n 9

2.2. Efecto Peltier............................................................................................ pg.n 11

2.3. Efecto Thomson....................................................................................... pg.n 13

2.4. Efecto Joule.............................................................................................. pg.n 14

2.5. Efecto Fourier.......................................................................................... pg.n 16

2.6. Anlisis del modelo elemental de clula Peltier...................................... pg.n 17

2.7. Semiconductores...................................................................................... pg.n 27

2.7.1. Bandas de energa....................................................................... pg.n 28

2.7.2. Tipos de semiconductores........................................................... pg.n 30

2.8. Refrigeracin termoelctrica.................................................................... pg.n 31

2.9. Gambit...................................................................................................... pg.n 42

2.10. Fluent 6.2........................................................................................... pg.n 44


ndice

iv

3. Descripcin del modelo desarrollado...........................................................pg.n50

3.1. Objetivos y especificacin....................................................................... pg.n 50

3.2. Datos........................................................................................................ pg.n 52

3.3. Algoritmos............................................................................................... pg.n 60

3.3.1. Eleccin de la clula................................................................... pg.n 62

3.4. Implantacin numrica............................................................................. pg.n 64

3.4.1. Calculo de la carga trmica del recinto....................................... pg.n 64

3.4.2. Implantacin en Gambit.............................................................. pg.n 65

3.4.2.1. Diseo del recinto........................................................ pg.n 65

3.4.2.2. Mallado de la geometra............................................... pg.n 68

3.4.2.3. Condiciones de contorno.............................................. pg.n 74

3.4.3. Implantacin en Fluent................................................................ pg.n 76

3.4.3.1. Importacin de la malla................................................ pg.n 76

3.4.3.2. Condiciones de operacin............................................ pg.n 77

3.4.3.3. Definicin de los materiales......................................... pg.n 78

3.4.3.4. Condiciones de contorno.............................................. pg.n 79

3.4.3.5. Proceso de iteracin..................................................... pg.n 83

3.5. Construccin del modelo......................................................................... pg.n 89


ndice

v

4. Anlisis de los resultados.............................................................................pg.n96

4.1. Anlisis del modelo conveccin-conduccin-conveccin....................... pg.n 96

4.2. Anlisis de los resultados del caso inicial.................................................pg.n 98

4.3. Anlisis de los resultados del caso definitivo.........................................pg.n 105

4.4. Anlisis con el software de kryotherm....................................................pg.n 120

4.5. Anlisis de los resultados del ensayo......................................................pg.n 125

4.6. Anlisis de sensibilidad...........................................................................pg.n 133


ndice

vi

5. Conclusiones...............................................................................................pg.n137

5.1. Conclusiones sobre la metodologa........................................................ pg.n 137

5.2. Conclusiones de los resultados.............................................................. pg.n 139

5.3. Recomendaciones para futuros estudios................................................ pg.n 141


Introduccin y planteamiento del proyecto

1

MEMORIA DESCRIPTIVA



2

1. INTRODUCCIN Y PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO.

El presente proyecto aborda el estudio, anlisis, diseo, construccin y ensayo

de un pequeo recinto difano a climatizar mediante clulas Peltier. Las clulas Peltier

son unos dispositivos termoelctricos que se caracterizan por la aparicin de una

diferencia de temperatura entre las dos caras de un semiconductor cuando por l circula

una corriente elctrica. stas estarn colocadas en la base del recinto y harn de bombas

de calor termoelctricas. El principio de funcionamiento de una bomba de calor

termoelctrica es idntico al de cualquier bomba de calor, tomando calor de un foco fro

y cedindoselo a un foco caliente consumiendo un trabajo. sta es una alternativa a la

clsica refrigeracin mediante compresin de vapores con cambio de fase, en la que se

establece un determinado ciclo para un gas que es comprimido para su posterior

expansin, con la correspondiente absorcin de calor. Como consecuencia en todo

circuito frigorfico se requiere de un condensador, evaporador, circuito de expansin y

refrigerantes, mientras que en un circuito termoelctrico solo se requieren una o varias

clulas Peltier y los disipadores de calor oportunos, segn la aplicacin. La

refrigeracin termoelctrica supone una alternativa a los sistemas utilizados

habitualmente. Los principales fenmenos fsicos que intervienen en la refrigeracin

termoelctrica son los efectos: Seebeck, Peltier, Thomson, Joule y Fourier, pero de

stos, nicamente el efecto Peltier es el que hace que el proceso de refrigeracin sea

posible.

El recinto ser diseado para la exposicin al pblico en emplazamientos

cerrados (tales como museos) de determinados objetos que por sus circunstancias



3

necesitan de unas condiciones de humedad y temperatura muy precisas para su ptima

conservacin. Con la tecnologa Peltier, este mantenimiento de la temperatura es ms

preciso que con los equipos de refrigeracin convencionales, donde el motor se conecta

y se desconecta, cosa que no ocurre con la termoelectricidad. Adems se tiene la

posibilidad de enfriar o calentar el recinto indistintamente simplemente invirtiendo la

polaridad de la tensin aplicada, y se har de una forma silenciosa, ya que el equipo no

posee elementos ruidosos, al contrario que en un circuito frigorfico, donde existen

elementos tales como el compresor que producen cierto nivel de ruido. Por otro lado se

podra asegurar la estanqueidad del recinto para que la humedad relativa se mantenga

constante en su interior.

En este proyecto se disear el recinto para la exposicin y conservacin de un

fondo antiguo, ste ser de forma rectangular y tendr aproximadamente las siguientes

dimensiones:

- Base: 50 x 75 cm

- Altura: 50 cm

La base del recinto ser de madera, reforzada si fuera necesario de una

estructura metlica, y en ella estarn alojadas el nmero de clulas Peltier necesarias

para la climatizacin del recinto. Cada clula tendr tanto en su lado fro como en su

lado caliente un disipador de calor asistido por un ventilador.

Las paredes laterales y la pared superior han de ser transparentes para la

contemplacin del fondo y adems debern presentar cierta resistencia al impacto, por

lo que sern de metacrilato o de policarbonato compacto, que presentan estas

caractersticas y algunas ms, tales como su baja densidad en comparacin con el vidrio

y su baja conductividad trmica.



4

En el estudio de aplicaciones que pueden usar la refrigeracin termoelctrica,

frente al sistema convencional de compresin de vapor, la termoelectricidad ofrece un

gran nmero de ventajas, ya que, los equipos son mucho ms compactos, ms pequeos

y adems resultan totalmente respetuosos con el ambiente porque no llevan ningn tipo

de fluidos frigorferos. Adems de esto, la refrigeracin termoelctrica posee diversas

ventajas, algunas ya mencionadas, entre las que se pueden destacar:

- Produccin de fro y calor indistintamente simplemente invirtiendo la polaridad

de la tensin aplicada.

- Fcil variacin de la potencia refrigerante, actuando sobre la tensin de

alimentacin.

- No necesitan mantenimiento.

- No posee elementos mviles (excepto los ventiladores).

- Asegura la estanqueidad del elemento a refrigerar.

- Puede funcionar en cualquier posicin.

- El mantenimiento de la temperatura es ms preciso.

En funcin de las caractersticas de la refrigeracin termoelctrica expuestas, el

campo de estudio y aplicacin de sta es muy amplio. Es posible el estudio de

aplicaciones concretas tales como: refrigeracin de cuadros elctricos, refrigeracin de

frigorficos porttiles, sistemas de refrigeracin de aire acondicionado para habitculos

reducidos, sistemas de refrigeracin para aplicaciones en medicina, etc.

El rendimiento del equipo refrigerante termoelctrico va en funcin de varios

factores: buen asentamiento de las clulas termoelctricas tanto en el disipador del lado

caliente como en el bloque de ajuste para evitar prdidas. En cuanto a los disipadores

deben poseer un coeficiente de conductividad adecuado y una superficie lo mas grande



5

posible, para que la evacuacin de calor sea efectiva, procurando al disipador de calor

una conveccin forzada suficiente, para facilitar la emisin de calor al exterior, por que

cuanto mas baja mantengamos la temperatura del lado caliente menores temperaturas

obtendremos en el lado fro, dado que el salto trmico de las clulas termoelctricas

permanece aproximadamente constante. Tambin es importante calcular la intensidad

de funcionamiento ptimo, para obtener el mximo rendimiento. Esto es de

fundamental importancia para un buen aprovechamiento del equipo, debido la gran

sensibilidad del rendimiento de los sistemas en funcin del montaje idneo. Elementos

similares, bien o mal elaborados, pueden tener grandes diferencias tanto en cuanto al

salto trmico mximo, como a la potencia frigorfica.

Una clula o placa termoelctrica est constituida por una serie de elementos

semiconductores de tipos N y P, que estn dispuestos sobre una superficie cermica,

elctricamente en serie y trmicamente en paralelo. . Las placas cermicas que estn

dispuestas en ambas caras llevan pistas de cobre que permiten unir los semiconductores

elctricamente en serie y trmicamente en paralelo.

Las clulas convencionales que se comercializan en el mercado, esencialmente

estn compuestas por dos tipos de elementos semiconductores, Telururo de Bismuto y



6

Seleniuro de Antimonio. Debido a la escasez de alguno de los componentes y a su baja

produccin, el coste de estos an no es del todo comercial.

Con el presente proyecto se pretende verificar la capacidad tcnica de la

tecnologa Peltier para este tipo de aplicaciones, adems de las ventajas que pueden

presentar las tcnicas de simulacin CFD en los procesos de climatizacin. Tambin se

analizarn las geometras ms idneas de disipadores de calor para este tipo de

aplicaciones y se intentarn obtener criterios de diseo evaluados experimentalmente

para extender a otras aplicaciones.

Para el diseo y construccin del pequeo recinto difano a climatizar se

empezar realizando un estudio terico de las ecuaciones bsicas en termoelectricidad.

Una vez familiarizado con esta teora bsica se proceder al anlisis de un modelo

elemental de clula Peltier. A partir de las ecuaciones generales de un modelo

elemental de clula se obtendrn una serie de curvas caractersticas que permitan

observar el comportamiento de la potencia trmica ante la variacin de las variables de

funcionamiento, es decir, aquellas variables que pueden ser modificadas durante el

funcionamiento, bien como perturbacin de entrada o bien como respuesta a esta

perturbacin por las acciones de control.

Tras este anlisis de la clula elemental (que en definitiva se trata de una clula

ideal), se estudiarn aquellos elementos (tales como soldaduras, elementos

estructurales) que aadidos a esta clula elemental le dan la configuracin de una clula

real, y de cmo afectan estos elementos al funcionamiento de la clula, con el fin de

calcular la potencia trmica o frigorfica que realmente la clula va a dar y de

familiarizarse con el funcionamiento real de la clula.



7

Dado este primer paso, se har un primer diseo del recinto, tanto en tamao

como en materiales a emplear y componentes necesarios, para as poder realizar una

primera estimacin de las cargas trmicas a las que estar sometido en las diferentes

situaciones que se consideren, y poder as elegir el nmero de clulas comerciales a

emplear en funcin de su potencia.

Una vez que se tenga el diseo inicial, se proceder a su estudio mediante

tcnicas de simulacin CFD. Para ello es necesario el uso de dos herramientas

informticas, GAMBIT y FLUENT. Con la primera se ejecutar el dibujo y mallado del

modelo y con la segunda se estudiarn todos los fenmenos fsicos que se dan en el

interior del recinto. De esta manera se podr obtener la distribucin de velocidades en

todo el recinto, y se podr tener una idea de cmo van a ser los gradientes de

temperatura ante diferentes situaciones, para intentar suavizarlos todo lo posible y tener

una temperatura lo ms homognea posible en todo el espacio interior. De esta manera,

se irn introduciendo modificaciones en el diseo, para finalmente optar por una

disposicin de ventiladores adecuada.

Posteriormente se realizar un ajuste de todos los resultados obtenidos y se

decidirn cuales van a ser los parmetros finales que se usarn para la construccin del

prototipo experimental y seleccin de los elementos Peltier y sistemas auxiliares

necesarios para mantener la temperatura entre mrgenes estrechos.

Por ltimo se construir el recinto y se realizarn una serie de ensayos para

comprobar que nuestro prototipo responde a las expectativas, y analizar los resultados

desde el punto de vista tcnico.



8


8 Descripcin de las tecnologas 2. DESCRIPCIN DE LAS TECNOLOGAS

En 1821 el cientfico alemn Thomas Johann Seebeck (1770 1831) encontr

que un circuito conformado por la unin de dos metales distintos deflectaba la aguja de

una brjula al colocar a distintas temperaturas las soldaduras entre los dos metales.

Slo dos aos antes Hans Christian Oersted (17771851) haba descubierto que

la circulacin de una corriente a travs de un conductor tena efectos similares sobre la

aguja de una brjula. Este hecho, sumado a los estudios posteriores por Ampere, Biot,

Savart y Laplace entre otros, sobre la interaccin entre una corriente elctrica y el

campo magntico, llev a Oersted a rebautizar el fenmeno, originalmente denominado

termomagnetismo por Seebeck, como termoelectricidad.

Oersted comprendi que era una diferencia de potencial elctrico lo que la

diferencia de temperaturas induca sobre el circuito. Ms an, la relacin entre el

voltaje generado y la diferencia de temperatura se demostr lineal, caracterizada por el

denominado coeficiente Seebeck o poder termoelctrico.

Jean Charles Athanase Peltier (1785 1845) encontr en 1834 que la circulacin de

corriente a travs de un circuito conformado por dos metales distintos puede emitir o

absorber calor en la unin de los mismos, dependiendo de la direccin de la corriente.

La cantidad de calor absorbida o emitida en la unin resulta proporcional a la corriente

elctrica mediante el coeficiente Peltier.

Al igual que Seebeck, la interpretacin original de Peltier fue errnea,

argumentando la invalidez del efecto Joule a bajas corrientes. La correcta interpretacin

del fenmeno llegara en 1838 en un trabajo por parte de Emily Lenz (1804 1865).


9 Descripcin de las tecnologas

Otros veinte aos debieron pasar para que William Thomson desarrollara

explicaciones detalladas de los efectos Seebeck y Peltier, describiendo la interrelacin

termodinmica entre ambos. En este estudio, Thomson predice adems la existencia de

un tercer efecto termoelctrico, hoy conocido como efecto Thomson en el cual se

absorbe o emite calor cuando una corriente recorre un material en el que existe un

gradiente de temperaturas. En este caso la cantidad de calor asociada es proporcional a

ambos, el gradiente trmico y la corriente circulante, a travs del coeficiente

Thompson.

2.1. EFECTO SEEBECK

Anlisis cualitativo

El efecto Seebeck puede explicarse en trminos de la teora de electrones libres

en metales. Segn esta aproximacin, los electrones en un metal se mueven al azar, sin

sufrir el efecto de fuerza neta alguna, al estar rodeados por otros iones en forma

simtrica.

Cerca de la superficie del material la situacin es diferente, debido a la ausencia

de simetra. Si ahora se colocan dos materiales formando una unin, la diferencia en

densidades electrnicas a ambos lados de la interfase se traduce en una fuerza neta

sobre los electrones, que tienden a moverse del material con mayor densidad a aquel

con menos. Este flujo de electrones induce la aparicin de un campo elctrico y

consecuentemente de una diferencia de potencial en la unin.



Consideremos ahora un circuito formado por dos de estas uniones puestas en

serie, en lo que comnmente se denomina un termopar. Si la temperatura de las dos

uniones que conforman el termopar es la misma, los campos elctricos formados en

cada unin tendrn igual mdulo, pero signos distintos, por lo que la diferencia de

potencial a lo largo de todo el circuito ser nula.

Si por otro lado, una de las uniones est a mayor temperatura, los electrones de

la unin ms caliente vibrarn ms y el campo elctrico generado en esta unin ser

distinto (mayor) al generado en la unin a menor temperatura. De esta manera, la

diferencia de temperaturas entre las uniones se evidencia como una diferencia de

potencial en el circuito.

Anlisis cuantitativo

Si consideramos dos conductores A y B de materiales distintos (Fig. 1), unidos

en sus extremos y con estas uniones a temperaturas T y T+DT, el efecto Seebeck hace

que al abrir el circuito formado por los dos conductores aparezca entre estos extremos

una diferencia de potencial que llamaremos AB (f.e.m. termoelctrica o de Seebeck) ,

tal que:

, coeficiente de Seebeck del par, cuyo valor depende de la naturaleza de los materiales

que forman los conductores A y B (en la figura B > B A), as como de las temperaturas

absolutas.



Fig. 2

representa el coeficiente Seebeck del material, y es una propiedad mucho ms

acusada en los materiales semiconductores que en los metales. Los metales tienen

coeficientes Seebeck que no exceden de unos cuantos V / C, mientras que los

materiales semiconductores tienen coeficientes Seebeck que se aproximan a cientos de

V / C.

2.2. EFECTO PELTIER

Anlisis cualitativo

Como se ha visto en la seccin correspondiente al efecto Seebeck, existe un

campo elctrico en la unin entre dos materiales distintos. Cuando una fuente externa

induce un flujo electrnico en el sentido del campo elctrico, los electrones deben

transformar su energa cintica en energa potencial. Un movimiento ms lento de los

electrones, puede visualizarse como en una disminucin de la temperatura. Si por el


12 Descripcin de las tecnologas contrario, los electrones se mueven en sentido opuesto, su velocidad aumenta por efecto

del campo elctrico extra. Este aumento de la velocidad electrnica puede verse

nuevamente como un aumento de la temperatura.


El efecto Peltier se pone de manifiesto cuando una corriente elctrica I pasa de

un conductor a otro siendo ambos de materiales distintos, absorbindose o disipndose

en la unin, de forma reversible, una potencia trmica dada por:

siendo el coeficiente Peltier, el cual, tambin, depende de la naturaleza de los

materiales que forman los conductores y de la temperatura absoluta de la unin.

Como se deduce de la frmula escrita anteriormente, el calor transferido depende

de la temperatura de la unin ya que la energa interna vara con ella.

El efecto Peltier est muy ligado al efecto Seebeck existiendo una relacin entre

ambos coeficientes de la forma:

= T

donde T es la temperatura absoluta de la unin.


13 Descripcin de las tecnologas 2.3. EFECTO THOMSON

El efecto Thomson se manifiesta cuando circula una corriente elctrica I entre

los extremos de un conductor que se encuentra a diferentes temperaturas (T1 y T2), y

consiste en la absorcin o disipacin de forma reversible de una potencia trmica

a lo largo del conductor, siendo el coeficiente Thomson, que al igual que los anteriores

depende de la naturaleza del material y de su temperatura.

Fig. 3

Se trata de un calor reversible ya que pasa de ser cedido a ser absorbido cuando

se cambia el sentido en que la corriente circula respecto al gradiente de temperaturas a

lo largo del conductor.

Lord Kelvin estudi el caso de una pequea circulacin de cargas elctricas a lo

largo de un circuito cerrado y aplic a ste el primer principio de la termodinmica

(conservacin de la energa), y la condicin de variable de estado para la entropa


14 Descripcin de las tecnologas (suma de los cambios de entropa en el ciclo cerrado igual a cero). Con las hiptesis de

no existir generacin de calor por causa de la resistencia elctrica (efecto Joule) y de no

producirse flujo de calor por conduccin trmica entre los extremos de los conductores

a distintas temperaturas (efecto Fourier), dedujo las siguientes relaciones que llevan su

nombre:

2.4. EFECTO JOULE

Si en un conductor circula electricidad, parte de la energa cintica de los

electrones se transforma en calor debido al choque que sufren los electrones con las

molculas del conductor por el que circulan elevando la temperatura del mismo; este

efecto es conocido como efecto Joule en honor a su descubridor el fsico britnico

James Prescott Joule.



Fig. 4

Los slidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los tomos

o molculas los vrtices de las celdas unitarias, y a veces tambin el centro de la celda o

de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones

son impulsados por el campo elctrico a travs del slido debiendo en su recorrido

atravesar la intrincada red de tomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan

con estos tomos perdiendo parte de su energa cintica que es cedida en forma de

calor. Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energa

calorfica producida por una corriente elctrica, depende directamente del cuadrado de

la intensidad de la corriente, del tiempo que sta circula por el conductor y de la

resistencia que opone el mismo al paso de la corriente".

Matemticamente:

Q = I2R


16 Descripcin de las tecnologas 2.5. EFECTO FOURIER

Anlisis cualitativo

En los slidos, la nica forma de transferencia de calor es la conduccin. Si se

calienta un extremo de una varilla metlica de forma que aumente su temperatura, el

calor se transmite hasta el extremo ms fro por conduccin. No se comprende en su

totalidad el mecanismo exacto de la conduccin de calor en los slidos, pero se cree

que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energa

cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teora explica por qu los buenos

conductores elctricos tambin tienden a ser buenos conductores del calor.


La velocidad de conduccin de calor a travs de un cuerpo por unidad de

seccin transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo

(con el signo cambiado). Sea J la densidad de corriente de energa (energa por unidad

de rea y por unidad de tiempo), que se establece en la barra debido a la diferencia de

temperaturas entre dos puntos de la misma. La ley de Fourier afirma que hay una

proporcionalidad entre el flujo de energa J y el gradiente de temperatura.

Siendo K una constante caracterstica del material denominada conductividad trmica.

En nuestro caso, consideraramos la conductividad del material semiconductor

(termoelemento) y el T entre uniones. Se trata tambin de un fenmeno irreversible.


17 Descripcin de las tecnologas 2.6. ANLISIS DEL MODELO ELEMENTAL DE CLULA

PELTIER

A continuacin se analizan las ecuaciones que gobiernan la manifestacin

simultnea de los efectos reversibles e irreversibles en un par termoelctrico. Ntese

que la potencia trmica generada o absorbida por el efecto Peltier se manifiesta

nicamente en la superficie de unin de los termoelementos, cuando las cargas

elctricas pasan de un material a otro, teniendo stos distintas propiedades

termoelctricas. Sin embargo, las potencias trmicas asociadas a los efectos Joule y

Thomson tienen carcter volumtrico, y se generan o absorben en el seno del material;

el primero por el simple movimiento de las cargas elctricas, mientras que el segundo

se produce al moverse las cargas elctricas entre puntos de distintas temperaturas.

El estudio del par lo iniciamos con el estudio de cualquiera de los termoelementos que

lo forman, para despus estudiar el acoplamiento de los dos.

El modelo elemental considera flujos trmicos y elctricos estacionarios y

unidimensionales, superficies laterales adiabticas y dielctricas, y los extremos con

temperaturas dadas y constantes.



Fig. 5

Estudiando dos secciones contiguas separadas una distancia x, en rgimen

estacionario se verifica que:

siendo:

considerando nicamente variacin de temperatura en la direccin del eje x (anlisis

unidimensional).

De aqu se establece la ecuacin diferencial que rige la distribucin de

temperaturas en todo el conductor, considerando simultneamente los efectos Fourier,

Joule y Thomson.

Al integrar esta ecuacin diferencial considerando que las propiedades del

material (, y ) son constantes, obtenemos la distribucin de temperaturas y la


19 Descripcin de las tecnologas potencia trmica a travs de una seccin cualquiera a cualquier distancia x a lo largo del

conductor.

Tras desarrollar los trminos exponenciales que aparecen en las soluciones en series de

Taylor entorno al punto = 0* , obtenemos que:

y restando las potencias trmicas intercambiadas en ambos extremos:

Dicha diferencia es la suma de las potencias trmicas que se generan en el seno

del termoelemento, correspondientes al efecto Thompson y Joule.

Los signos de las ecuaciones anteriores corresponden a la figura 1.2:

Positivos (+), sentido positivo del eje x; en x = 0 cuando el flujo entra en el

termoelemento y en x = L cuando el flujo sale del termoelemento.

Negativos (-), sentido negativo del eje x; en x = 0 cuando el flujo sale del

termoelemento y en x = L cuando el flujo entra en el termoelemento.

De forma general se llama par termoelctrico al conjunto de dos elementos de

materiales con valores distintos de sus coeficientes Seebeck, a travs de los cuales

circula una corriente elctrica. Para el bombeo de calor entre dos focos, suelen


20 Descripcin de las tecnologas utilizarse clulas formadas por la agrupacin de numerosos termoelementos conectados

elctricamente en serie, pero trmicamente en paralelo, adoptndose una disposicin

similar a la mostrada en la siguiente figura:

Fig. 6

Adems de las potencias trmicas de carcter volumtrico, estn presentes las

debidas al efecto Peltier (de carcter superficial en las uniones entre materiales

distintos).

Donde el material C correspondera al metal de unin de ambos

termoelementos.

Si consideramos que en los extremos de los dos termoelementos las potencias

trmicas son intercambiadas con el mismo sumidero (placa a Tc) o con la misma fuente


21 Descripcin de las tecnologas (placa a Tf), podremos establecer las potencias trmicas del par termoelctrico en los

focos caliente (x=L) y fro (x=0) respectivamente.

Al sumar las potencias trmicas debidas al efecto Peltier en cada extremo, estas

resultan independientes de las caractersticas termoelctricas del material intermedio C,

pero las correspondientes a cada termoelemento no sern necesariamente iguales entre

s, siendo dependientes de las propiedades termoelctricas del material C.

Generalmente los valores de I y T son moderados, por lo que la influencia de

los efectos Joule y Fourier no resulta excesiva en relacin al efecto Peltier. Adems los

valores de los coeficientes suelen ser muy pequeos, lo que nos permite despreciar la

aportacin del efecto Thomson, pero podremos incorporar parte de ste utilizando los

coeficientes Seebeck a la temperatura media geomtrica de las temperaturas del foco

fro y caliente, es decir:

Agrupando las potencias trmicas que cada termoelemento intercambia en el

lado caliente (x = L, T = Tc) y de igual manera para el lado fro (x = 0, T = Tf), y tras

todas las simplificaciones comentadas, obtenemos las siguientes expresiones:



Los materiales utilizados en la actualidad para las aplicaciones de bombeo de

calor (no de medida de temperaturas) suelen ser semiconductores dopados n y p de tal

manera que los coeficientes Seebeck, a iguales temperaturas, resultan aproximadamente

de igual valor pero de signo contrario, y lo mismo ocurre con los coeficientes de

Thomson. La conductividad trmica y la resistividad elctrica de ambos materiales

tambin resultan con valores muy prximos, con lo que finalmente obtenemos que:

donde quedan claramente independientes los trminos que expresan los valores de

potencia trmica correspondientes a los efectos Peltier, Joule y Fourier.

Se han formulado ecuaciones para uno de los diversos pares termoelctricos que

componen una clula considerando su disposicin en ella*, pero no se han tomado en

consideracin la influencia que pueden ejercer sobre el par termoelctrico la presencia

de los restantes elementos, tales como el metal de unin entre los termoelementos,

soldaduras, etc., lo que equivale a decir que fuera de los termoelementos se consideran

nulas las resistencias trmicas y elctricas.

El uso de representaciones grficas para caracterizar el funcionamiento de

clulas est muy extendido entre los fabricantes de stas, como una forma de ofrecer

informacin sobre sus productos, por lo que se justificaran algunas de las

representaciones habitualmente utilizadas.



Aplicando el primer principio de la termodinmica a la clula en rgimen

estacionario obtenemos las siguientes expresiones para la potencia elctrica de

alimentacin y para la tensin de alimentacin:

De manera que las expresiones de la eficiencia frigorfica y del cop sern:

A continuacin se representan las variaciones de las potencias trmicas en lado

fro y caliente en funcin de la intensidad y de la diferencia de temperaturas entre los

extremos del termoelemento.



Fig. 7

Fig. 8



Fig. 9

Fig. 10



Fig. 11

Fig. 12



En el anlisis del foco fro de una clula termoelctrica con una geometra

determinada, y para unas condiciones de funcionamiento, T y Tc, establecidas, se

observan dos puntos singulares para la intensidad elctrica, uno que corresponde a

aqul que hace mxima la potencia trmica del lado fro, y otro que hace mximo el

valor de la eficiencia frigorfica. Generalmente se cumple que:

Existe un parmetro denominado factor de calidad z, que es el parmetro ms

relevante del material empleado en los termoelementos, y es el cociente entre el

cuadrado del coeficiente seebeck y el producto de la conductividad trmica y elctrica,

es decir, es una relacin entre el efecto Peltier (que es el que extrae calor del foco fro)

y los efectos Fourier (efecto que transmite calor del foco caliente al fro) y Joule (efecto

que genera calor en el seno del termoelemento), por lo tanto, cuanto mayor sea este

parmetro, se obtendr una mejor eficiencia y por lo tanto un mejor COP. La mejora de

su valor es objeto de permanente investigacin.

2.7. SEMICONDUCTORES

Un semiconductor es un elemento que se comporta como conductor o como

aislante dependiendo del campo elctrico en el que se encuentre. El elemento

semiconductor ms usado es el silicio, aunque idntico comportamiento presentan las

combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V

respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). De un tiempo a esta parte se


28 Descripcin de las tecnologas ha comenzado a emplear tambin el azufre. La caracterstica comn a todos ellos es que

son tetravalentes, teniendo el silicio una configuracin electrnica sp.

2.7.1. BANDAS DE ENERGA

Supongamos una red cristalina formada por tomos de silicio (o cualquier

mezcla de las mencionadas). Cuando los tomos estn aislados, el orbital s (2 estados

con dos electrones) y el orbital p (6 estados con 2 electrones y cuatro vacantes) tendrn

una cierta energa Es y Ep respectivamente (punto A). A medida que disminuye la

distancia interatmica comienza a observarse la interaccin mutua entre los tomos,

hasta que ambos orbitales llegan a formar, por la distorsin creada, un sistema

electrnico nico. En este momento tenemos 8 orbitales hbridos sp con cuatro

electrones y cuatro vacantes (punto B). Si se contina disminuyendo la distancia

interatmica hasta la configuracin del cristal, comienzan a interferir los electrones de

las capas internas de los tomos, formndose bandas de energa (punto C). Las tres

bandas de valores que se pueden distinguir son:

1. Banda de Valencia. 4 estados, con 4 electrones.

2. Banda Prohibida. No puede haber electrones con esos valores de energa en el

cristal.

3. Banda de Conduccin. 4 estados, sin electrones.



Fig. 13

Para que la conduccin de la electricidad sea posible es necesario que haya

electrones en la capa de conduccin, as podemos considerar tres situaciones:

Los metales, en los que ambas bandas de energa se superponen, son

conductores.

Los aislantes, en los que la diferencia existente entre las bandas de energa, del

orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones.

Los semiconductores, en los que el salto de energa es pequeo, del orden de 1

eV, por lo que suministrando energa pueden conducir la electricidad; pero

adems, su conductividad puede regularse, puesto que bastar disminuir la

energa aportada para que sea menor el nmero de electrones que salte a la

banda de conduccin; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya

conductividad es constante, o ms propiamente, poco variable con la

temperatura.


30 Descripcin de las tecnologas 2.7.2. TIPOS DE SEMICONDUCTORES

Semiconductores intrnsecos

Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente, algunos electrones

pueden, absorbiendo la energa necesaria, saltar a la banda de conduccin, dejando el

correspondiente hueco en la banda de valencia. Obviamente el proceso inverso tambin

se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado energtico

correspondiente a la banda de conduccin, a un hueco en la banda de valencia liberando

energa. A este fenmeno, se le denomina recombinacin. Sucede que, a una

determinada temperatura, las velocidades de creacin de pares e-h, y de recombinacin

se igualan, de modo que la concentracin global de electrones y huecos permanece

invariable. Siendo n la concentracin de electrones (cargas negativas) y p la

concentracin de huecos (cargas positivas), se cumple que, ni = n = p, siendo ni la

concentracin intrnseca del semiconductor, funcin exclusiva de la temperatura. Si

se somete el cristal a una diferencia de tensin, se producen dos corrientes elctricas.

Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conduccin,

y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que

tendern a saltar a los huecos prximos, originando una corriente de huecos en la

direccin contraria al campo elctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la

de la banda de conduccin.

Semiconductores extrnsecos

Si a un semiconductor intrnseco, como el anterior, se le aade un pequeo

porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el


31 Descripcin de las tecnologas semiconductor se denomina extrnseco, y se dice que est dopado. Evidentemente, las

impurezas debern formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al

correspondiente tomo de silicio. Hay dos tipos de semiconductores extrnsecos: de tipo

n, en el cual predominan los portadores de carga negativa y de tipo p, en el cual

predominan los portadores de carga positiva.

2.8. REFRIGERACIN TERMOELCTRICA

En el estudio de aplicaciones que pueden usar la refrigeracin termoelctrica,

as como la elaboracin de diferentes equipos de refrigeracin que satisfagan las

necesidades actuales en este campo hay que tener en cuenta que la refrigeracin por

mtodos termoelctricos podra sustituir en bastantes casos a los sistemas de

refrigeracin actuales, eliminando as el uso de los CFC, gases contaminantes que

destruyen de la capa de ozono. Adems de esta, la refrigeracin termoelctrica posee

diversas ventajas, entre las que se pueden destacar:

Produccin de fro y calor indistintamente simplemente invirtiendo la polaridad

de la tensin aplicada.

Ser totalmente silenciosas, as como no producir vibraciones.

Fcil variacin de la potencia refrigerante, actuando sobre la tensin de

alimentacin.

No necesitan mantenimiento.

No posee elementos mviles.



Asegura la estanqueidad del elemento a refrigerar.

Puede funcionar en cualquier posicin.

En funcin de las caractersticas de la refrigeracin termoelctrica expuestas, el

campo de estudio y aplicacin de esta es muy amplio. Es posible el estudio de

aplicaciones concretas tales como: refrigeracin de cuadros elctricos, refrigeracin de

frigorficos porttiles. Son importantes las aplicaciones alternativas que puedan utilizar

termoelectricidad, como pueden ser aplicaciones en medicina, sistemas de refrigeracin

de aire acondicionado para habitculos reducidos, etc.

Un sistema de refrigeracin termoelctrica, en general estara compuesto por

una o varias clulas Peltier fijadas sobre un sistema de disipacin (fuente caliente),

compuesto por un disipador y un conjunto de ventiladores, cuya misin es la de evacuar

por conveccin forzada la mayor cantidad de calor posible. Por la otra cara de las

clulas termoelctricas acta un sistema de conduccin de calor desde la fuente fra,

compuesto por un disipador y un conjunto de bloques transmisores de ajuste. Este

ltimo tiene la doble misin de fijar las clulas termoelctricas y procurar una

conduccin adecuada de calor desde la fuente fra. No obstante el equipo variar en

funcin de las necesidades del propio elemento a refrigerar.

Fig. 14 Fig. 15



El rendimiento del equipo refrigerante termoelctrico ira en funcin de varios

factores:

- Buen asentamiento de las clulas termoelctricas 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 evacuacin de calor sea efectiva, procurando al disipador de

calor una conveccin forzada suficiente para facilitar la emisin de

calor al exterior, por que cuanto mas baja mantengamos la temperatura

del lado caliente menores temperaturas obtendremos en lado fro, dado

que el salto trmico de las clulas termoelctricas permanece

aproximadamente constante.

- Tambin es importante calcular la intensidad de funcionamiento

ptimo, para obtener el mximo rendimiento.

Elementos similares, bien o mal elaborados, pueden tener grandes diferencias

tanto en cuanto al salto trmico mximo, como a la potencia refrigeradora.

Dentro de la instalacin termoelctrica frigorfica conviene definir un parmetro

en funcin de las caractersticas especficas de los elementos empleados, como

conductores en dicha instalacin, y buscar la relacin de este con el rendimiento

trmico de la instalacin.

Como ya se ha dicho, una clula o placa termoelctrica, est constituida por una

serie de elementos semiconductores de tipos n y p, que estn dispuestos sobre una

superficie cermica, elctricamente en serie y trmicamente en paralelo. El nmero de

semiconductores siempre es impar, y los ms utilizados forman un conjunto de 7 31


34 Descripcin de las tecnologas 71 127 elementos. A algunas clulas termoelctricas en el montaje se les aplica

doble barrera de nquel, con la finalidad de evitar un rpido deterioro en un constante

cambio de tensiones.

Fig.16 Fig.17

Las clulas convencionales que se comercializan en el mercado, esencialmente

estn 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 produccin, el coste de estos aun es elevado en el mercado. Las placas cermicas

que estn dispuestas en ambas caras llevan pistas de cobre que permiten unir los

semiconductores en elctricamente en serie y trmicamente en paralelo.

A parte de las clulas Peltier, existen en el mercado otro tipo de clulas o placas,

denominadas clulas de efecto Seebeck, cuyo coste es elevado an, pero que su usos y

sus aplicaciones para el mercado del consumo se incrementa da a da, y que prometen

ser importantes en un futuro no muy lejano ya que permiten recuperar energa de focos

calientes.

Existen diversos fabricantes de clulas Peltier, algunos de stos son Marlow,

Melcor, y Kryotherm, quienes venden distintas series de mdulos termoelctricos para


35 Descripcin de las tecnologas distintas aplicaciones. As, en la pgina de Melcor se pueden encontrar las siguientes

series:

Fig.18

Por ejemplo la serie ThermaTEC son mdulos termoelctricos que pueden

trabajar a altas temperaturas sin deteriorarse, hasta 225 C. De esta serie se pueden

adquirir mdulos que van desde 6x6 y 1.5 W de , hasta 40x40 y 80 W

de . Adems esta serie ofrece la posibilidad de utilizarse para la recuperacin de

energa de focos calientes. La serie UltraTEC son mdulos que tienen elevados valores

de para pequeas superficies. De esta serie se pueden adquirir mdulos de 40x40

que tienen una de casi 130 W. La serie Multistage se utiliza cuando lo que

se pretende es tener un elevado salto de temperaturas, de hasta 130 C. Para ello se

colocan varias clulas en paralelo, de 2 a 6, pero el inconveniente es que las que

se obtienen son pequeas.

2mm maxQ2mm

maxQ

maxQ

2mm maxQ

maxQ


36 Descripcin de las tecnologas En el presente proyecto se trabajar con la serie CP, que corresponde a los

mdulos ms comunes. La forma en que Melcor ofrece esta serie es la siguiente:

Fig.19


37 Descripcin de las tecnologas La mxima temperatura de operacin para esta serie es de 80 C.

La que se da, es la mxima potencia que puede ser absorbida en la cara fra del

mdulo cuando la temperatura de la cara caliente es de 25 C, y se consigue cuando la

corriente y la tensin coinciden con los valores mximos y el salto de temperaturas es

nulo. Aparte, tambin se da el salto trmico mximo que se puede obtener para una

temperatura de la cara caliente de 25 C, y que se alcanza cuando el valor de la

corriente es mximo y la potencia absorbida en la cara fra es nula.

maxQ

Para cada mdulo o clula, Melcor tambin ofrece una serie de curvas de

operacin que son de gran utilidad a la hora de la eleccin de un mdulo en particular, e

informacin ms detallada sobre el mismo. En la siguientes dos pginas se muestran

estas curvas y la informacin complementaria acerca de ste.

Es posible alcanzar valores de corriente y tensin superiores a los indicados para

cada mdulo, pero si se superan, se corre el peligro de deteriorar el mismo.

Estas curvas representan el voltaje y el calor absorbido en la cara fra en funcin

del salto trmico entre la cara fra y caliente para distintos valores de la corriente. Se

puede observar como disminuye la potencia absorbida en la cara fra a medida que

aumenta el salto trmico para un valor determinado de la corriente. Se dan dichas

curvas para dos valores de la temperatura de la cara caliente, 25 C y 50 C. Como se

puede ver, cuando aumenta la temperatura de la cara caliente, para una misma

intensidad de corriente se obtienen valores algo mayores de tensin, potencia absorbida

y salto trmico.



Fig.20



Fig.21



Segn el fabricante nos podemos encontrar un tipo de curvas u otras. Marlow

representa el salto trmico en funcin de la corriente para distintos valores de potencia

en la cara caliente, y el voltaje en funcin de la corriente para cuando la potencia es

nula y para cuando el salto trmico es nulo. Tambin las representa para dos valores de

temperatura de la cara caliente, 27 C y 50 C.

Fig.22



Fig.23

Vemos como la potencia frigorfica mxima se alcanza para un valor

determinado de corriente, alrededor de los 5.5 amperios, a partir del cual el salto

trmico vuelve a disminuir debido a que el efecto Joule que es directamente

proporcional al cuadrado de la corriente crece ms rpidamente que el efecto Peltier.


42 Descripcin de las tecnologas 2.9. GAMBIT

Caractersticas generales

Gambit es el software de Fluent para generacin de geometras y mallas. La

interfaz simple para la creacin de geometra y mallado rene la mayora de las

tecnologas de preprocesamiento de Fluent en un ambiente. Herramientas avanzadas

para bitcoras (journals) permiten editar y convenientemente repetir las sesiones de

construccin para estudios paramtricos. Gambit combina la interoperabilidad CAD,

herramientas de limpieza de geometras CAD, descomposicin y herramientas de

mallado que resultan en uno de los caminos de preprocesamiento mas fciles, rpidos y

directos de CAD a mallas de gran calidad.

Fig.24

Integracin CAD/CAE

GAMBIT puede importar geometra desde cualquier software CAD/CAE en los

formatos Parasolid, ACIS, STEP o IGES. Tambin estn disponibles mdulos


43 Descripcin de las tecnologas adicionales para integrar CATIA V4 y Pro/E. Las capacidades de tolerancia y

reparacin, automticamente proveen una geometra conectada durante el proceso de

importacin.

Modelado Rapido

GAMBIT provee un conciso y poderoso set de poderosas herramientas de

geometra basado en modelado slido. Usndolo, el dominio de fluido puede ser

extrado desde la geometra importada y posteriormente puede ser descompuesto

usando operaciones booleanas en gambit.

Herramientas de limpieza para CADs

Gambit posee herramientas de limpieza semiautomticas para reparar y preparar

las geometras CAD para un mallado de alta calidad. Huecos, caras sobrepuestas, ejes y

esquinas agudas, por nombrar algunas, son identificadas rpidamente con estas

herramientas para resolver algn problema y tener un mallado de calidad.

Mallado Inteligente

Diferentes problemas de CFD requieren diferentes tipos de mallas, y Gambit

cuenta con todas estas opciones de patrones de mallado en un simple paquete. El kit de

herramientas de mallado de gambit te permite descomponer geometras para un mallado

estructurado hex, mallas de superficies triangulares y de volumen tetradricos pueden

ser creadas dentro de un sencillo ambiente. Se pueden utilizar herramientas para mallar

capas limite, hacer mallados hbridos utilizando distribucin automtica de tamaos


44 Descripcin de las tecnologas para capturar la forma de curvaturas y espacios angostos. Gambit le brinda al usuario

herramientas para tener el control de la malla.

2.10. FLUENT 6.2

Fluent es el paquete de simulacin en dinmica de fluidos computacional (CFD)

de propsito general de mayor uso en el mundo, con un respaldo de ms de 25 aos de

desarrollo llevado a cabo por Fluent Inc. quienes estn certificados bajo los estndares

internacionales ISO 9001 y TickIT. La estructura de Fluent le ha permitido incorporar

una gran cantidad de modelos para diferentes procesos fsicos y qumicos que le dan

una enorme versatilidad. De esta manera, no slo se podrn realizar simulaciones de

flujos laminares o turbulentos, newtonianos o no newtonianos, compresibles o

incompresibles, monofsicos o multifsicos, sino tambin procesos de transferencia de

calor por radiacin, conduccin y por supuesto por conveccin, as como procesos de

fundicin y con reacciones qumicas, como combustin de gases, lquidos y

combustibles slidos. Cuenta con una gran cantidad de modelos validados

ampliamente. Adems la nueva versin Fluent 6.2 tiene mejoras considerables entre las

que destacan la simulacin de reacciones qumicas en flujos multifsicos, mas

capacidades para simulaciones con mallado deformable durante la simulacin,

esquemas numricos que incrementan la velocidad de calculo y obtencin de

resultados, mas herramientas para analizar resultados o post-procesamiento. Fluent

cuenta con una interface muy amigable al usuario, visual, paneles ordenados con una


45 Descripcin de las tecnologas secuencia segn se van utilizando, adems de ayuda online en cada panel, que facilitan

el uso del programa.

Mallas, Esquemas Numricos y Procesamiento en Paralelo

Fluent usa tecnologa de mallado no estructurado, es decir la malla consiste de

elementos como cuadrilteros y tringulos en simulaciones 2D, de hexaedros,

pirmides, prismas y tetraedros en simulaciones 3D. Esquemas de solucin robustos y

de mtodos numricos avanzados, garantizan resultados precisos. El nuevo esquema de

avance de tiempo no-iterativo reduce considerablemente el tiempo de solucin en

simulaciones transitorias. Capacidades incrementadas de procesamiento paralelo,

disponibles en plataformas NT, Linux y Unix, pueden usarse en mltiples procesadores

ya sea en una computadora o en una red de computadoras.

Transferencia de calor, cambios de fase y radiacin

En muchos fenmenos de flujo de fluidos se involucra la transferencia de calor,

teniendo Fluent un conjunto amplio de modelos y opciones para modelar conveccin,

conduccin, y la radiacin. Se han agregado y mejorado varios modelos de radiacin,

tambin contando con los modelos P1 y Rosseland para espesores pticos en el caso de

participacin del medio, y el factor de vista basado en el modelo superficie-a-superficie

cuando no participa el "medio" en la radiacin. El modelo de ordenadas discretas (DO)

se puede usar en cualquier medio, incluyendo vidrio, mejorando y facilitando este tipo

de simulaciones. Un nuevo modelo de cargas solares es muy til en simulaciones de

control climtico. Se han agregado y mejorado otras capacidades asociadas con la


46 Descripcin de las tecnologas transferencia de calor, fenmeno de cavitacin, lquidos compresibles,

intercambiadores de calor, gases reales y corrientes hmedas.

Mallado Deformable

Las capacidades de mallado dinmico son tiles en simulaciones complejas

como en motores de combustin interna, siendo posible simular el fenmeno de

combustin conforme se mueve el cilindro, sincronizando el cierre y la abertura de las

vlvulas. Se pueden usar varios esquemas disponibles para que fluent reconstruya la

malla conforme avanza la simulacin, siendo necesaria solo la malla inicial y la

descripcin del movimiento que seguir. El mallado dinmico se puede utilizar

simultneamente en simulaciones multifase, de combustin, flujo compresible, y mas.

Fluent tambin proporciona modelos para simular el deslizamiento de malla (por

ejemplo en interacciones rotor-estator en una turbina), as como modelos para marcos

de referencia, tiles en tanques de mezclado, bombas y turbo-maquinaria.

Fig.25


47 Descripcin de las tecnologas Flujo reactivo

La modelacin de reacciones qumicas, especialmente en regimenes turbulentos,

ha sido la caracterstica principal que ha identificado a Fluent desde que inici. Fluent

continua mejorando en esta rea, ahora incorpora modelos con el concepto de

disipacin de remolino como otros modelos como fraccin mezcla, flamelet y de

combustin premezclada. Una amplia variedad de simulaciones pueden hacerse como

combustin de gases, lquidos y slidos. Se dispone de modelos para la prediccin de

formacin de NOx Fluent tiene capacidad para simular reacciones en superficies,

formacin de compuestos, deposicin, etc. por ejemplo en catalizadores. Los modelos

de reaccin pueden usarse junto a modelos de turbulencia DES y LES.

Fig.26

Turbulencia y acustica

Fluent cuenta con una amplia variedad de modelos de turbulencia, varias

versiones de modelos muy conocidos como el k-epsilon, el k-omega y el de esfuerzos

de Reynolds (RSM). Los avances en las capacidades de las computadoras junto al

decremento en su costo, han hecho posible simulaciones con modelos demandantes de

grandes recursos como el modelo LES y el DES, siendo opciones atractivas para

algunas simulaciones. En acustica, fluent puede predecir el ruido resultante de las


48 Descripcin de las tecnologas variaciones de presin de varias maneras. Predicciones de presion del modelo LES

pueden convertirse en espectro de frecuencia usando la transformada de Fourier (FFT).

La analoga acustica de Ffowcs-Williams & Hawkings puede usarse para modelar la

propagacin de la acustica de varios objetos, como bluff bodies y alabes de turbina.

Multifase

Fluent es el lder en tecnologa para modelacin multifase, sus amplias

capacidades permiten a los ingenieros adquirir conocimiento detallado en procesos o

equipos difciles de experimentar. Fluent hace uso del modelo Euleriano separndolo de

las ecuaciones de flujo, tambin ofrece un modelo de mezcla que permite una mayor

rapidez al obtener resultados; ambos modelos soportan flujos granulares. Tambin hay

otros modelos multifase disponibles. Para algunas aplicaciones multifase como sprays,

gotas, partculas, y combustible slido, se puede utilizar el modelo de fase discreta

(DPM). El modelo volumen de fluido (VOF) se puede utilizar para simulaciones de

superficie libre, como recipientes abiertos, el mar, etc. El modelo de cavitacin es til

para modelar bombas, inyectores de combustible, etc.

Fig.27


49 Descripcin de las tecnologas Postprocesamiento

Las herramientas de postprocesamiento de Fluent pueden ser usadas para

analizar los resultados obtenidos en las simulaciones. Tiene herramientas poderosas

para obtener vectores, contornos, lneas de flujo, animaciones, grficos, reportes, etc.

que facilitan la interpretacin y anlisis de resultados. Tambin se pueden exportar los

resultados a terceros paquetes de postprocesamiento o anlisis CAE.

Personalizacin

Las funciones definidas por el usuario son populares que desean personalizar

sus simulaciones, proporcionando al usuario acceso a todas las variables para poder

utilizar en cualquier necesidad que tenga el usuario. Se provee amplia documentacin,

tutoriales y soporte tcnico al respecto. Se les puede ayudar a los usuarios de fluent a

crear templates para preparacin de casos repetitivos. Se tienen mdulos adicionales

para aplicaciones especiales como celdas de combustible tipo PEM y SOFC, para

magnetohidrodinmica de flujo continuo de fibra.


Descripcin del modelo desarrollado

50

3. DESCRIPCIN DEL MODELO DESARROLLADO.

3.1. OBJETIVOS Y ESPECIFICACIN

El principal objetivo del proyecto es disear y construir un recinto difano a

climatizar para la conservacin ptima de algn objeto que, por sus caractersticas,

necesita estar a una determinada temperatura para su ptima conservacin. El recinto se

disear para la conservacin de un fondo antiguo, por lo tanto se partirn de las

medidas aproximadas que podra tener ste para el dimensionado de la caja. El recinto

pretende ser utilizado tanto para la conservacin del fondo como para su exposicin,

por lo que sus paredes deben ser difanas. El recinto se podr utilizar tambin para la

conservacin y exposicin de otro u otros objetos que cupieran en el interior y

necesitaran de una temperatura aproximada a la del fondo para su ptima conservacin.

El presente proyecto solo se centrar en conseguir la temperatura adecuada en

el recinto sin importarnos la humedad relativa ni la luminosidad, ya que como se van a

realizar distintos ensayos con el recinto, va a ser necesario poder montar y desmontar el

mismo, por lo que no se podr mantener en su interior una determinada humedad

relativa. Aparte, la normativa para conservacin de fondos antiguos dispone que el

recinto debera estar provisto de un sistema de ventilacin, del cual prescindiremos en

el presente proyecto. La intensidad luminosa y los filtros necesarios ya se dispondran

en la sala de exposicin.



51

Para el diseo se van a emplear tcnicas de simulacin CFD, por lo que tras la

construccin y ensayo del recinto, se aprovechar y se compararn los resultados

tericos obtenidos mediante FLUENT y resultados reales obtenidos en los ensayos,

para verificar la viabilidad de la tecnologa y algoritmo empleado.

Otro objetivo del proyecto es determinar que tipo de disipadores de calor son

ms idneos para este tipo de aplicaciones, por lo que en la construccin del recinto se

ha introducido la posibilidad de hacer una particin del mismo, y poder realizar as un

ensayo comparativo del funcionamiento de un disipador de aletas y un disipador de

agujas.

La connotacin de este proyecto es que para la refrigeracin del recinto se va a

utilizar una tecnologa emergente, que es la termoelectricidad, que todava no est muy

extendida, pero que tiene un futuro prometedor debido al gran nmero de aplicaciones

en las que puede ser empleada, y a las ventajas que presenta frente a la refrigeracin

convencional. Esta refrigeracin se har a travs de clulas Peltier, donde en segundo

captulo se han explicado detalladamente sus fundamentos tericos, su estructura, la

manera en que opera, etc.. Luego como objetivo ltimo se verificar la capacidad

tcnica de esta tecnologa para este tipo de aplicaciones y se analizarn las ventajas e

inconvenientes que presenta frente a otro tipo de tecnologas.



52

3.2. DATOS

Los datos de partida son los materiales y dimensiones del recinto. Las

dimensiones sern las siguientes:

Base: 50 x 75 2cm

Altura: 50 cm

Las paredes del recinto, puesto que tienen que ser difanas y presentar ciertas

caractersticas de rigidez estructural as como cierta facilidad de mecanizado, se

realizarn de metacrilato.

Caractersticas del metacrilato

- Mayor transparencia que la del cristal.

- Rgido como la madera.

- Pesa menos de la mitad que el vidrio.

- Superficie tan dura como la del aluminio.

- Combustible como la madera dura.

- Entre 10 y 20 veces ms resistente al impacto que el cristal.

- Es el plstico ms resistente a la intemperie que existe.

- Margen continuado de temperaturas desde -90 C hasta +85 C.

- Gran transparencia. (Transmitancia en el sector visible del 92%).



53

PROPIEDADES METACRILATO (Valores tipo a 23C y 50% de humedad relativa) PROPIEDADES MECANICAS Norma Unidad Colada Extrusin Densidad DIN53479 g/c m 3 1.19 1.19 Resistencia al impacto Charpy ISO 179 1/D kJ/ m 2 15 15 Resistencia al impacto con entalladura (Izod) ISO 180 1/A kJ/ m 2 1.6 1.6 Resistencia a la traccin (-40 0C) DIN53455 Mpa 110 100 Resistencia a la traccin (+23 0C) DIN53455 Mpa 80 72 Resistencia a la traccin (+70 0C) DIN53455 Mpa 40 35 Estiramiento a rotura DIN53455 % 5.5 4.5 Coeficiente de Poisson - - 0.45 0.45 Resistencia a la flexin Probeta standard (80x10x4mm) DIN53452 Mpa 115 105 Tensin por compresin DIN53454 Mpa 110 103 Tensin de seguridad max. (hasta 40 C) - Mpa 5...10 5...10 Mdulo de elasticidad E (Corto/largo plazo) DIN 53457 Mpa 3300/3200 3300/3200 Mdulo de torsin G en 10 Hz DIN53445 Mpa 1700 1700 Resistencia a la fatiga en test de doblado alternativo aprx. a 10 ciclos (probeta con entalladura/sin entallad) - Mpa 40 / 20 30 / 10 Dureza brinell H961/30 ISO 2039-1 Mpa 200 190

Resistencia a la abrasin con 1.600 gr. de abrasivo Similar

ASTM-D673 44

% 98 98

Coeficiente de friccin plstico sobre plstico - 0.80 0.80 Coeficiente de friccin plstico sobre acero - 0.50 0.50 Coeficiente de friccin acero sobre plstico - 0.45 0.45

PROPIEDADES TERMICAS Norma Unidad Colada Extrusin Coeficiente de dilatacin lineal 0...50C DIN 53752-A 1/K mm/mC 0.07 0.07 Conductividad trmica DIN 52612 W/ mK 0.19 0.19 Coeficiente trnsmisin term. 1 mm de espesor DIN 4701 W/ m 2K 5.8 5.8 Coeficiente trnsmisin term. 3 mm de espesor DIN 4701 W/ m 2K 5.6 5.6 Coeficiente trnsmisin term. 5 mm de espesor DIN 4701 W/ m 2K 5.3 5.3 Coeficiente trnsmisin term. 10 mm de espesor DIN 4701 W/ m 2K 4.4 4.4 Calor especfico - J/g K 1.47 1.47 Temperatura aprox. de moldeo (temp.horno) - 0C 160...175 150...160 Temperatura mxima en superficie (radiador IR) - 0C 200 180 Temperatura permanente maxima de servicio - 0C 80 70 Temperatura de recontraccin - 0C >80 >80 Temperatura de ignicin DIN 51794 0C 425 430 Comportamiento al fuego (espesr >1,5 mm) DIN 4102 - B2 B2 Indice VICAT (mtodo B) DIN ISO 306 0C 115 102 Estabilidad dimensional al calor (Mtodo Martens) DIN 53458 0C 95 85 Termoresistencia de forma ISO 75 tensin aflexin 1.8 MPa DIN 53461 0C 105 90 Termoresistencia de forma ISO 75 tensin aflexin 0.45 MPa DIN 53461 0C 113 95



54

PROPIEDADES OPTICAS (de tipos incoloros) Norma Unidad Colad

Documents

Recinto Climatizado Con Tecnologia Peltier