SISTEMA TERMOELÉCTRICOS DE GENERACIÓN DE

POTENCIA Y DE REFRIGERACIÓN

By: Iván P. G.

RESUMEN El presente trabajo titulado sistemas

termoeléctricos de generación de potencia y de refrigeración, se realiza buscando responder a la pregunta ¿Es necesario que un sistema de refrigeración sea tan complicado? ¿Será factible lograr el mismo efecto de una manera más directa? ; Estas preguntas se orientan a lograr el objetivo de recopilar y comparar información de sistemas termoeléctricos de refrigeración y generación de potencia de los efectos de Peltier, el efecto de Seebaeck y el efecto Thomson.

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DESARROLLO TEÓRICO EFECTO

JOULE Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor, el físico británico James Prescott Joule.

Q = Donde Q es la energía calorífica

producida por la corriente, I es la

intensidad de la corriente que circula,

R es la resistencia eléctrica del

conductor y t es el tiempo.

Considere dos alambres de diferentes metales unidos en ambos extremos (uniones), formando un circuito cerrado. Ordinariamente no ocurrirá nada. Sin embargo, cuando se calienta uno de los extremos sucede algo interesante: una corriente fluye continuamente en el circuito, como se observa en la figura. Esto se conoce como el efecto Seebeck, en honor a Thomas Seebeck, quien realizó este descubrimiento en 1821.

Cuando una de las uniones de dos metalesdiferentes se calienta, fluye una corriente I por el circuito cerrado.

El circuito que incorpora efectos térmicos además de eléctricos se denomina circuito termoeléctrico, y un dispositivo que opera en este circuito se denomina dispositivo termoeléctrico.

Cuando el circuito termoeléctrico se rompe, como se muestra en la figura, la corriente deja de fluir y es posible medir la fuerza impulsora (la fuerza electromotriz) o el voltaje generado en el circuito mediante un voltímetro.

Cuando se rompe un circuito termoeléctrico, se genera una diferencia de potencial.

EFECTO SEEBACK

Thomas J. Seebeck descubrió que en un circuito formado por dos metales distintos homogéneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, T y T+ΔT, se establece un flujo de corriente eléctrica J, o bien, si se abre el circuito una fuerza termo electromotriz (f.t.e.m.) EAB que depende de los metales utilizados en la unión y de la diferencia de temperatura entre las dos uniones.

La relación entre la f.t.e.m., EAB, y la diferencia de temperaturas entre las uniones ΔT, define el coeficiente Seebeck.

donde αA y αB son respectivamente las potencias termoeléctricas absolutas de A y B y son características de cada metal. En general, αAB no es constante, sino que depende de la temperatura T.

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EFECTO SEEBACK

Jean Charles Athanase Peltier, quien descubrió dicho fenómeno en 1834. Él observó durante sus experimentos que cuando una pequeña corriente pasaba por la unión de dos alambres distintos, la unión se enfriaba, como se muestra en la figura. Esto se denomina efecto Peltier, y constituye la base de la refrigeración termoeléctrica.

EFECTO PELTIER

EFECTO PELTIER El efecto Peltier consiste en el enfriamiento o calentamiento de una unión entre dos conductores distintos al pasar una corriente eléctrica por ella y que depende exclusivamente de la composición y temperatura de la unión.

Esquema del efecto Peltier

La potencia calorífica intercambiada en la unión entre A y B es

donde πAB es el coeficiente Peltier, que se define como el calor intercambiado en la unión por unidad de tiempo y de corriente que circula a través de la misma, J es el flujo de corriente eléctrica, ΔT la diferencia de temperatura absoluta entre A-B y αAB el coeficiente Seebeck.

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Por lo tanto, al conectar la celda fabricada a una fuente de alimentación de corriente contínua, la potencia que se absorbe corresponde a un término debido al efecto Joule y otro debido al efecto Peltier[4]. De (1) y (3) se determina la potencia absorbida.

donde Pent es la potencia suministrada por la fuente.

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EFECTO THOMSON El efecto Thomson consiste en la

absorción o liberación de calor por parte de un conductor eléctrico homogéneo, con una distribución de temperaturas no homogénea, por el que circula una corriente.

El flujo neto de potencia calorífica por unidad de volumen, en un conductor de resistividad r, con un gradiente longitudinal de temperatura, por el que circula una densidad de corriente J será:

donde s es el coeficiente Thomson. El primer término corresponde al efecto Joule, irreversible, mientras que el segundo expresa el efecto Thomson, reversible.

Desarrollando esta expresión para obtener la relación entre el coeficiente Thomson y Seebeck y teniendo en cuenta las ecuaciones que rigen los efectos Peltier y Seebeck, se llega a:

Quedando para la unión:

REFRIGERADOR TERMOELÉCTRICO

La refrigeración termoeléctrica utiliza el efecto Peltier para crear un flujo térmico a través de la unión de dos materiales diferentes, como metales o semiconductores tipo P y N. Un refrigerador o calentador Peltier o una bomba de calor termoeléctrica es una bomba de calor activa en estado sólido que transfiere calor de un lado del dispositivo a otro oponiéndose al gradiente de temperatura, consumiendo para ello energía eléctrica. Un instrumento de este tipo también es conocido como dispositivo Peltier, diodo Peltier, bomba de calor Peltier, refrigerador de estado sólido o refrigerador termoeléctrico.

CONCLUSIÓN

Concluimos que gracias a los inmensos avances en el campo de semiconductores, hoy en día, se construyen sólidamente y en tamaño de una moneda. Los semiconductores están fabricados con Teluro y Bismuto para ser tipo P o N (buenos conductores de electricidad y malos del calor) y así facilitar el trasvase de calor del lado frío al caliente por el efecto de una corriente continua. Como todo en esta vida, las unidades peltier también tienen algunos inconvenientes ha tener en cuenta. Como pueden ser el alto consumo eléctrico, o que dependiendo de la temperatura y la humedad puede producirse condensación y en determinadas condiciones incluso puede formarse hielo.

BIBLIOGRAFÍA