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Bomba de calor termoeléctrica

Las bombas de calor termoeléctricas utilizan el efecto termoeléctrico , específicamente el efecto Peltier , para calentar o enfriar materiales aplicando una corriente eléctrica ...

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Las bombas de calor termoeléctricas utilizan el efecto termoeléctrico , específicamente el efecto Peltier , para calentar o enfriar materiales aplicando una corriente eléctrica a través de ellos. Un enfriador, calentador o bomba de calor termoeléctrica Peltier es una bomba de calor activa de estado sólido que transfiere calor de un lado del dispositivo al otro, con un consumo de energía eléctrica que depende de la dirección de la corriente. Este instrumento también se denomina dispositivo Peltier , bomba de calor Peltier , refrigerador de estado sólido o enfriador termoeléctrico ( TEC ) y, ocasionalmente, batería termoeléctrica . Puede utilizarse tanto para calentar como para enfriar, [ 1 ] aunque en la práctica su principal aplicación es la refrigeración, ya que el calentamiento puede lograrse con dispositivos más sencillos (con calentamiento Joule ).

El control de temperatura termoeléctrico calienta o enfría materiales aplicando una corriente eléctrica a través de ellos. [ 2 ] Una celda Peltier típica absorbe calor por un lado y produce calor por el otro. [ 2 ] Por ello, las celdas Peltier pueden utilizarse para el control de temperatura . [ 2 ] Sin embargo, el uso de este efecto para el aire acondicionado a gran escala (para viviendas o edificios comerciales) es poco frecuente debido a su baja eficiencia y alto coste en comparación con otras opciones. [ 2 ]

Refrigeración termoeléctrica

Esta tecnología se aplica con mucha menos frecuencia a la refrigeración que la refrigeración por compresión de vapor . Las principales ventajas de un enfriador Peltier frente a un refrigerador por compresión de vapor son la ausencia de piezas móviles o de líquido circulante, su larga vida útil, su resistencia a las fugas, su tamaño compacto y su forma flexible. Sus principales desventajas son su elevado coste para una capacidad de refrigeración determinada y su baja eficiencia energética (un coeficiente de rendimiento o COP bajo). Numerosos investigadores y empresas están trabajando en el desarrollo de enfriadores Peltier económicos y eficientes.

Principio de funcionamiento

Esquema del elemento Peltier. Las ramas termoeléctricas están conectadas térmicamente en paralelo y eléctricamente en serie.
Vídeo de la cámara térmica del elemento Peltier

Los enfriadores termoeléctricos funcionan mediante el efecto Peltier (uno de los tres fenómenos que componen el efecto termoeléctrico). [ 3 ] Un módulo termoeléctrico está formado por tres componentes: los conductores, las patas y el sustrato. Muchos de estos módulos están conectados eléctricamente en serie, pero térmicamente en paralelo. [ 3 ] Cuando una corriente eléctrica continua fluye a través del dispositivo, transfiere calor de un lado al otro, de modo que un lado se enfría mientras que el otro se calienta.

El lado caliente está conectado a un disipador de calor para limitar su aumento de temperatura, mientras que el lado frío se mantiene por debajo de la temperatura ambiente. En aplicaciones especiales, se pueden conectar en cascada o en serie varios enfriadores para lograr una temperatura más baja, pero la eficiencia general (COP) disminuye significativamente. El COP máximo de cualquier ciclo de refrigeración está limitado, en última instancia, por la diferencia de temperatura entre el lado caliente y el frío. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, menor será el COP teórico máximo. Ambas temperaturas dependen de la tasa de transferencia de calor hacia o desde el dispositivo, así como del movimiento de calor interno.

Una bomba de calor típica basada en celdas Peltier puede utilizarse acoplando los generadores termoeléctricos con paneles fotovoltaicos refrigerados por aire . [ 4 ] Considerando el sistema con una planta de aire que garantiza la posibilidad de calefacción en un lado y refrigeración en el otro. [ 5 ] Al cambiar la configuración, permite la aclimatación tanto en invierno como en verano. [ 6 ] Se espera que estos elementos sean un elemento eficaz para edificios de energía cero , si se acoplan con energía solar térmica y fotovoltaica [ 7 ] con especial referencia a la creación de bombas de calor radiantes en las paredes de un edificio. [ 8 ]

Este método de aclimatación garantiza una eficiencia óptima durante la refrigeración estival si se combina con un generador fotovoltaico (FV). La circulación de aire también podría utilizarse para refrigerar los módulos fotovoltaicos.

El requisito de ingeniería más importante es el diseño preciso de los disipadores de calor [ 9 ] para optimizar el intercambio de calor y minimizar las pérdidas fluidodinámicas.

Construcción

Diseño

Se utilizan dos semiconductores distintos, uno de tipo n y otro de tipo p , debido a que requieren densidades electrónicas diferentes. Los pilares semiconductores de tipo p y n, dispuestos alternativamente, se colocan térmicamente en paralelo y eléctricamente en serie, y luego se unen mediante una placa conductora térmica en cada extremo, generalmente de cerámica, eliminando así la necesidad de un aislante independiente. Al aplicar un voltaje a los extremos libres de los dos semiconductores, se genera una corriente continua a través de la unión, lo que provoca una diferencia de temperatura. El lado con la placa de enfriamiento absorbe el calor, que luego es transportado por el semiconductor al otro lado del dispositivo.

La capacidad de refrigeración de la unidad completa es proporcional a la sección transversal total de todos los pilares, que suelen conectarse en serie para reducir la corriente necesaria a niveles prácticos. La longitud de los pilares representa un equilibrio entre pilares más largos, que presentan una mayor resistencia térmica entre sus lados y permiten alcanzar temperaturas más bajas, pero generan mayor calentamiento por resistencia, y pilares más cortos, que ofrecen una mayor eficiencia eléctrica, pero permiten una mayor pérdida de calor por conducción térmica desde el lado caliente al frío. Para grandes diferencias de temperatura, los pilares más largos son mucho menos eficientes que apilar módulos separados de tamaño progresivamente mayor; estos módulos aumentan de tamaño a medida que cada capa debe disipar tanto el calor transferido por la capa superior como el calor residual de la misma.

Materiales

Valores ZT para diversos materiales y aleaciones de bismuto [ 10 ]

Requisitos para materiales termoeléctricos: [ 11 ]

  • Semiconductores de banda prohibida estrecha debido a su funcionamiento a temperatura ambiente;
  • Alta conductividad eléctrica (para reducir la resistencia eléctrica , una fuente de calor residual);
  • Baja conductividad térmica (para que el calor no regrese del lado caliente al lado frío); esto generalmente se traduce en elementos pesados.
  • Celda unitaria grande, estructura compleja;
  • Altamente anisotrópico o altamente simétrico;
  • Composiciones complejas.

Los materiales adecuados para sistemas TEC de alta eficiencia deben tener una combinación de baja conductividad térmica y alta conductividad eléctrica. El efecto combinado de diferentes combinaciones de materiales se compara comúnmente utilizando un factor de mérito conocido como ZT , una medida de la eficiencia del sistema. La ecuación para ZT se muestra a continuación, dondeα{\displaystyle \alpha }es el coeficiente de Seebeck ,σ{\displaystyle \sigma }es la conductividad eléctrica yκ{\displaystyle \kappa }es la conductividad térmica. [ 12 ]

ZT=(α2σT)/κ{\displaystyle \mathbb {Z} \mathrm {T} =(\alpha ^{2}\sigma \mathrm {T} )/\kappa }

Existen pocos materiales adecuados para aplicaciones TEC, ya que la relación entre la conductividad térmica y eléctrica suele ser positiva. La mejora en la reducción del transporte térmico con el aumento de la conductividad eléctrica es un área activa de investigación en ciencia de materiales. Entre los materiales termoeléctricos comunes utilizados como semiconductores se incluyen el telururo de bismuto , el telururo de plomo , las aleaciones de silicio-germanio y antimoniuro de bismuto . De estos, el telururo de bismuto es el más utilizado. Se están investigando activamente nuevos materiales de alto rendimiento para la refrigeración termoeléctrica. [ 13 ]

Durante décadas, los semiconductores de banda prohibida estrecha, como el bismuto , el telurio y sus compuestos , se han utilizado como materiales para termopares.

Identificación y características

Todos los elementos Peltier cumplen con una especificación de identificación universal.

La gran mayoría de los enfriadores termoeléctricos tienen una identificación impresa en el lado enfriado. [ 14 ] Estas identificaciones universales indican el tamaño, el número de etapas, el número de pares y la corriente nominal en amperios, como se muestra en el diagrama adjunto. [ 15 ]

Por ejemplo, el elemento termoeléctrico común TEC1-12706 tiene forma cuadrada,  mide 40 mm de lado y  tiene una altura de 3 a 4 mm. Se puede encontrar por unos pocos dólares. Es capaz de generar una potencia de aproximadamente 60 W o una  diferencia de temperatura de 60 °C con una corriente de 6 A. Su resistencia eléctrica es de aproximadamente 1 a 2 ohmios.

Fortalezas y debilidades

Existen muchos factores que impulsan la investigación sobre la tecnología de conversión de energía térmica (TEC), entre ellos la reducción de las emisiones de carbono y la facilidad de fabricación. Sin embargo, han surgido varios desafíos.

Beneficios

Una ventaja significativa de los sistemas TEC es que no tienen partes móviles. Esta falta de desgaste mecánico y la reducción de fallos por fatiga y fractura debidos a vibraciones y tensiones mecánicas aumentan la vida útil del sistema y disminuyen los requisitos de mantenimiento. Las tecnologías actuales muestran que el tiempo medio entre fallos (MTBF) supera las 100 000 horas a temperatura ambiente. [ 16 ] El estado de un sistema termoeléctrico se puede medir mediante el cambio de su resistencia de CA (ACR); a medida que se desgasta, la ACR aumenta. [ 17 ]

El hecho de que los sistemas TEC estén controlados por corriente conlleva otra serie de beneficios. Dado que el flujo de calor es directamente proporcional a la corriente continua aplicada, se puede añadir o eliminar calor con un control preciso de la dirección y la cantidad de corriente eléctrica. A diferencia de los métodos que utilizan calentamiento resistivo o los métodos de enfriamiento que involucran gases, TEC permite un grado de control equivalente sobre el flujo de calor (tanto de entrada como de salida del sistema controlado). Gracias a este control preciso del flujo de calor bidireccional, las temperaturas de los sistemas controlados pueden alcanzar una precisión de fracciones de grado, llegando a menudo a una precisión de milikelvin (mK) en entornos de laboratorio. [ 18 ]

Los dispositivos TEC también ofrecen mayor flexibilidad de forma que sus homólogos tradicionales. Pueden utilizarse en entornos con menos espacio o en condiciones más extremas que un refrigerador convencional. La posibilidad de adaptar su geometría permite una refrigeración precisa en áreas muy pequeñas. Estas características los convierten en una opción habitual en aplicaciones científicas y de ingeniería con requisitos exigentes, donde el coste y la eficiencia energética absoluta no son prioritarios.

Otra ventaja de la TEC es que no utiliza refrigerantes en su funcionamiento. Antes de su eliminación gradual, algunos refrigerantes antiguos, como los clorofluorocarbonos (CFC), contribuyeron significativamente al agotamiento de la capa de ozono . Muchos refrigerantes que se utilizan hoy en día también tienen un impacto ambiental significativo con potencial de calentamiento global [ 19 ] o conllevan otros riesgos para la seguridad. [ 20 ]

Desventajas

Los sistemas TEC presentan varias desventajas notables. La principal es su eficiencia energética limitada en comparación con los sistemas convencionales de compresión de vapor y las limitaciones tanto en la diferencia de temperatura como en el flujo de calor total que pueden generar por unidad de área. [ 18 ] Este tema se analiza con más detalle en la sección de rendimiento que aparece a continuación. En la práctica, la vida útil promedio de un módulo termoeléctrico de bajo costo suele ser inferior a 10 años debido a la difusión de gases a través del sello perimetral elastomérico del módulo o a la falla de la unión del sello en la placa.

Actuación

El rendimiento del Peltier (termoeléctrico) es función de la temperatura ambiente, el rendimiento del intercambiador de calor del lado caliente y frío ( disipador de calor ), la carga térmica, la geometría del módulo Peltier (termopila) y los parámetros eléctricos del Peltier. [ 14 ]

La cantidad de calor que se puede transferir es proporcional a la corriente y al tiempo.

Q=PAGIt{\displaystyle Q=PIt}donde P es el coeficiente Peltier, I es la corriente y t es el tiempo. El coeficiente Peltier depende de la temperatura y de los materiales con los que está hecho el enfriador. Un valor de 10 vatios por amperio es común, pero esto se ve contrarrestado por dos fenómenos:
  • Según la ley de Ohm , un módulo Peltier producirá calor residual por sí mismo,
Qwastmi=RI2t{\displaystyle Q_{residuo}=RI^{2}t}, donde R es la resistencia .
  • El calor también se transmitirá del lado caliente al lado frío por conducción térmica dentro del propio módulo, un efecto que se intensifica a medida que aumenta la diferencia de temperatura.

El resultado es que el calor efectivamente transferido disminuye a medida que aumenta la diferencia de temperatura, y el módulo se vuelve menos eficiente. Se produce una diferencia de temperatura en la que el calor residual y el calor que regresa superan el calor transferido, y el módulo comienza a calentar el lado frío en lugar de enfriarlo aún más. Un enfriador termoeléctrico de una sola etapa generalmente produce una diferencia de temperatura máxima de 70  °C entre sus lados caliente y frío. [ 21 ]

Otro problema con el rendimiento es consecuencia directa de una de sus ventajas: su pequeño tamaño. Esto significa que:

  • El lado caliente y el lado frío estarán muy cerca uno del otro (a pocos milímetros de distancia), lo que facilitará que el calor regrese al lado frío y dificultará el aislamiento entre el lado caliente y el lado frío.
  • Un radiador común de 40  mm × 40  mm puede generar 60 W o más, es decir, 4 W/cm² o más, lo que requiere un radiador potente para disipar el calor.

En aplicaciones de refrigeración, las uniones termoeléctricas tienen aproximadamente 1/4 de la eficiencia en comparación con los medios convencionales (refrigeración por compresión de vapor): ofrecen alrededor del 10-15% de eficiencia (COP de 1,0-1,5) del refrigerador ideal de ciclo Carnot , en comparación con el 40-60% que logran los sistemas convencionales de ciclo de compresión ( sistemas Rankine inverso que utilizan compresión/expansión). [ 22 ] Debido a esta menor eficiencia, la refrigeración termoeléctrica generalmente solo se utiliza en entornos donde la naturaleza de estado sólido (sin partes móviles ), el bajo mantenimiento, el tamaño compacto y la insensibilidad a la orientación superan la eficiencia pura.

Si bien es inferior a los medios convencionales, la eficiencia puede ser suficientemente buena, siempre que:

  • La diferencia de temperatura se mantiene lo más pequeña posible y
  • La corriente se mantiene baja, porque la relación entre el calor transferido y el calor residual (para la misma temperatura en el lado caliente y frío) seráQQwastmi=PAGRI{\displaystyle {\frac {Q}{Q_{desperdicio}}}={\frac {P}{RI}}}.

Sin embargo, dado que una corriente baja también implica una cantidad baja de calor transferido, el calor bombeado será bajo en comparación con el máximo para que cada dispositivo tenga un COP alto.

Usos

Los enfriadores termoeléctricos se utilizan en aplicaciones que requieren la eliminación de calor con potencias que van desde milivatios hasta varios miles de vatios. Se pueden fabricar para aplicaciones tan pequeñas como un enfriador de bebidas o tan grandes como un submarino o un vagón de ferrocarril.

Productos de consumo

Un enfriador de bebidas con alimentación USB

Los elementos Peltier se utilizan comúnmente en productos de consumo. Por ejemplo, se emplean en equipos de camping , neveras portátiles, refrigeración de componentes electrónicos, colchones y pequeños instrumentos. También pueden utilizarse para extraer la humedad del aire en deshumidificadores . Una nevera eléctrica de camping o para coche (12 V  ) puede reducir la temperatura hasta 20 °C (36 °F) por debajo de la temperatura ambiente, que es de 25 °C si el coche alcanza los 45 °C bajo el sol. Las chaquetas con climatización están empezando a utilizar elementos Peltier. [ 23 ] [ 24 ]    

Los enfriadores termoeléctricos se pueden usar para enfriar componentes de computadora y mantener las temperaturas dentro de los límites de diseño o para mantener un funcionamiento estable al realizar overclocking . Un enfriador Peltier con un disipador de calor o un bloque de agua puede enfriar un chip muy por debajo de la temperatura ambiente. [ 25 ] Algunas CPU Intel Core de la décima generación en adelante son capaces de usar la tecnología Intel Cryo, que utiliza una combinación de enfriamiento termoeléctrico y un intercambiador de calor líquido para brindar un rendimiento de enfriamiento mucho mayor que el que normalmente se puede lograr con el enfriamiento líquido estándar . Las condiciones ambientales locales se monitorean electrónicamente para evitar cortocircuitos por condensación. [ 26 ]

Aclimatación

Las bombas de calor termoeléctricas pueden utilizarse fácilmente tanto para la aclimatación local como para eliminar situaciones de incomodidad local . [ 27 ] Por ejemplo, los techos termoeléctricos se encuentran actualmente en una fase avanzada de investigación [ 28 ] con el objetivo de aumentar las condiciones de confort interior según Fanger, [ 29 ] como las que pueden aparecer en presencia de grandes superficies acristaladas, y para la aclimatación de edificios pequeños si se combinan con sistemas solares. [ 30 ] [ 31 ]

Estos sistemas tienen una importancia clave en la dirección de los nuevos edificios pasivos de cero emisiones debido a un valor COP muy alto [ 32 ] y el consiguiente alto rendimiento mediante una optimización exergética precisa del sistema. [ 33 ]

A nivel industrial, actualmente se están desarrollando aparatos de aclimatación termoeléctrica. [ 34 ]

Industrial

Los enfriadores termoeléctricos se utilizan en muchos campos de la fabricación industrial y requieren un análisis exhaustivo de su rendimiento, ya que se someten a miles de ciclos de funcionamiento antes de su lanzamiento al mercado. Algunas de sus aplicaciones incluyen equipos láser, aires acondicionados o enfriadores termoeléctricos, electrónica industrial y telecomunicaciones, [ 35 ] automoción, minirefrigeradores o incubadoras, gabinetes militares, gabinetes de TI y más.

En las aplicaciones de fibra óptica , donde la longitud de onda de un láser o un componente depende en gran medida de la temperatura, se utilizan enfriadores Peltier junto con un termistor en un circuito de retroalimentación para mantener una temperatura constante y, de este modo, estabilizar la longitud de onda del dispositivo.

Algunos equipos electrónicos destinados al uso militar en el campo de batalla se enfrían termoeléctricamente.

Ciencia e imagen

Los elementos Peltier se utilizan en dispositivos científicos. Son un componente común en los termocicladores , empleados para la síntesis de ADN mediante la reacción en cadena de la polimerasa ( PCR ), una técnica común de biología molecular que requiere el calentamiento y enfriamiento rápidos de la mezcla de reacción para los ciclos de desnaturalización, hibridación de cebadores y síntesis enzimática.

Mediante circuitos de retroalimentación, los elementos Peltier pueden utilizarse para implementar controladores de temperatura de alta estabilidad que mantienen la temperatura deseada dentro de ±0,01  °C. Esta estabilidad puede emplearse en aplicaciones láser de precisión para evitar la deriva de la longitud de onda del láser ante cambios en la temperatura ambiente.

El efecto se utiliza en satélites y naves espaciales para reducir las diferencias de temperatura causadas por la luz solar directa en un lado de la nave, disipando el calor sobre el lado frío y sombreado, donde se disipa como radiación térmica al espacio. [ 36 ] Desde 1961, algunas naves espaciales no tripuladas (incluido el rover Curiosity de Marte) utilizan generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) que convierten la energía térmica en energía eléctrica mediante el efecto Seebeck. Estos dispositivos pueden durar varias décadas, ya que se alimentan de la desintegración de materiales radiactivos de alta energía.

Los elementos Peltier también se utilizan para fabricar cámaras de niebla que permiten visualizar la radiación ionizante . Con solo hacer pasar una corriente eléctrica, pueden enfriar vapores por debajo de -26  °C sin necesidad de hielo seco ni piezas móviles, lo que facilita la fabricación y el uso de las cámaras de niebla.

Los detectores de fotones, como los CCD en telescopios astronómicos , espectrómetros o cámaras digitales de gama alta, suelen enfriarse mediante elementos Peltier que pueden estar dispuestos en una configuración de refrigeración en cascada de varias etapas [ 37 ] . Esto reduce los recuentos oscuros debidos al ruido térmico . Un recuento oscuro se produce cuando un píxel registra un electrón causado por fluctuaciones térmicas en lugar de un fotón. En las fotos digitales tomadas con poca luz, estos aparecen como motas (o "ruido de píxeles").

También se utilizan en espectrómetros de dispersión de energía para enfriar los cristales del sensor, eliminando la necesidad de grandes recipientes de nitrógeno líquido .

Parámetros termodinámicos

La eficiencia se puede determinar mediante la siguiente relación:

η=Tdo−THTdo{\displaystyle \eta ={\frac {T_{C}-T_{H}}{T_{C}}}}

dóndeTdo{\displaystyle T_{C}}es la temperatura de la superficie de enfriamiento yTH{\displaystyle T_{H}}es la temperatura de la superficie de calentamiento.

The key energy phenomena and the reason of defining a specific use of thermoelectric elements (Figure 1) as heat pump resides in the energy fluxes that those elements allow realizing:[38][39]

  • Conductive power Q˙L{\displaystyle {\dot {Q}}_{L}}: Q˙L=LdS(TH−TC){\displaystyle {\dot {Q}}_{L}={\frac {L}{d}}S(T_{H}-T_{C})}
  • Heat flux on the cold side Q˙C{\displaystyle {\dot {Q}}_{C}}: Q˙C=αITC−I2R2−kdAΔT{\displaystyle {\dot {Q}}_{C}=\alpha IT_{C}-{\frac {I^{2}R}{2}}-{\frac {k}{d}}A\Delta T}
  • Heat flux on the hot side Q˙H{\displaystyle {\dot {Q}}_{H}}: Q˙H=αITC+I2R2−kdAΔT{\displaystyle {\dot {Q}}_{H}=\alpha IT_{C}+{\frac {I^{2}R}{2}}-{\frac {k}{d}}A\Delta T}
  • Electric power E˙EL{\displaystyle {\dot {E}}_{EL}}: E˙EL=αITC+I2R{\displaystyle {\dot {E}}_{EL}=\alpha IT_{C}+I^{2}R}

Where the following terms are used: ΔT=TH−TC{\displaystyle \Delta T=T_{H}-T_{C}}, I{\displaystyle I}electric current; αSeebeck coefficient; Relectric resistance, A surface area, d cell thickness, and kthermal conductivity.

The efficiencies of the system are:

  1. Cooling efficiency: ηC=QC˙E˙EL{\displaystyle \eta _{C}={\frac {\dot {Q_{C}}}{{\dot {E}}_{EL}}}}
  2. Heating efficiency: ηH=QH˙E˙EL{\displaystyle \eta _{H}={\frac {\dot {Q_{H}}}{{\dot {E}}_{EL}}}}

COP can be calculated according to Cannistraro.[40]

Experimental

Around 1955, RCA Laboratories built a refrigerator and a small room that was air conditioned using the Peltier effect.[41][42] These were research demonstrations and did not result in products. The air conditioner was one of the "birthday presents" asked for by CEO David Sarnoff to challenge the researchers. One of the lead researchers was Nils E. Lindenblad.

See also

References

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