TERMOELECTRICIDAD

 

 

 

“EL ARTE DE REFRIGERAR

INTRODUCCION A LA

TERMOELECTRICIDAD”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J.M. Redondo, G. Noriega*, F. Villasevil y A. Lopez

 

Universidad Politécnica de Cataluña

*Centro de Investigación y Desarrollo de la Energía Termoeléctrica

 

 

 

 

 

 

INDICE

 

 

I.- Introducción

 

Historia  de la Termoelectricidad

Teoría Termoeléctrica - fundamentos Teóricos del efecto termoeléctrico

Volta, Kelvin  breve reseña histórica

Unidades eléctricas

Unidades S.I.

Resistencia, capacidad e inductancia.

 

II.- Teoría Básica

 

Efectos Seebeck, Peltier y Thompson

Effecto Joule

Relaciones de Kelvin

Descripción

Balance Térmico

Figura de Mérito  -  Definiciones

Problemas y Ejercicios

 

III.- Teoría de Onsaguer

 

Flujos y Gradientes

Relaciones de Kelvin

Teoría de los Procesos Irreversibles

Efectos Termo-Electromagnéticos

 

IV.- Teoría de Semiconductores

 

Teoría de Bandas

Ioffe

P, N  - Carga  y huecos

Propiedades de los Materiales

Elementos con Propiedades Termoeléctricas

 

V.- Descripción de una placa Termoeléctrica

 

Elementos que la constituyen

Tipos de placas (Efecto: Seebeck – Efecto Peltier)

Niveles

Cálculo de Parámetros de una Placa

Ejercicios

 

VI.- Fabricantes y Modelos de Placas

 

Fabricantes de Placas

Marlow

Melcor

Cryotherm

Tellurex

Nord

 

 

VII.- Sistemas Termoeléctricos de Generación Eléctrica

 

Hi-Z   (USA)

Teledyne Brown Engineering  (USA)

King Abdulaziz  (Arabia Saudita)

Kvant  (Rusia)

Global Thermoelectric  (Canadá)

Biapos  (Rusia)

 

VIII.- Sistemas Termoeléctricos de Refrigeración

 

Aire    - Aire

Aire    - Agua

Agua  - Aire

Agua  - Agua

 

IX.- Termodinámica y Transporte de Calor

 

Introducción a la Termodinámica

Primer Principio

Segundo Principio

Transmisión del Calor

Conducción

Convección

Radiación

 

X.- Diseño de Disipadores de Calor

 

Extrusión

Fundición

Aletas

Pletinas

Convección  Natural

Convección Forzada

 

XI.- Fuentes de Alimentación

 

Diseños

Fuentes Conmutadas y lineales

Circuitos

Regulación y control

 

XII.- Aplicaciones

 

Refrigeración en General

Industriales

Electromedicina

Equipos científicos de laboratorio

Espaciales  (NTE)

 

 

XIII.- Aplicaciones de Generación Eléctrica

 

En Vehículos

Energía Solar

Viviendas

Industria

Telecomunicaciones

 

XIV.- Ejemplos de Diseño Integrado

 

Espectrofotómetros

Expositores para chocolates

Tratamientos cutáneos

Equipos de Laboratorio

Aparatos de estética

Refrigeración de Trenes

Convertidores de Potencia

Asesoría Termoeléctrica – CIDETE

Aplicaciones Espaciales

Equipos para Hospitales

Tratamientos Clínicos con Láser           

Optoelectrónica  Láser

Radiómetros

Refrigeración en el Automóvil

Problemas  Resueltos

 

XV.- Empresas de Equipos Termoeléctricos

 

CIDETE Ingenieros

TE Technology

Monokrom SL

TE Berotza SL

 

XVI.- Asociación Internacional de Termoelectricidad

 

Conferencias

Resumen de Ponencias

Proceedings

Paginas Web

 

XVII.- Asociación Ibérica de Termoelectricidad

 

Revista de Termoelectricidad

Conferencias Europeas de Termoelectricidad

Conclusiones

Expectativas de Futuro

 

XVIII.- Preguntas más Frecuentes sobre Termoelectricidad

 

XIX.- Practicas de Laboratorio

 

BIBLIOGRAFIA

 

 

 

 

I.- Introducción

 

Introducción Histórica de la Termoelectricidad.

 

La Termoelectricidad se considera como la rama de la termodinámica superpuesta a la electricidad donde se estudian los fenómenos en los que intervienen el calor y la electricidad, el fenómeno mas conocido es el de electricidad generada por la aplicación de calor a la unión de dos materiales diferentes. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría. Este fenómeno fue observado por primera vez en 1821 por el físico alemán Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Seebeck.

Para una pareja de materiales determinada, la diferencia de tensión es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas. Esta relación puede emplearse para la medida precisa de temperaturas mediante un termopar en el que una de las uniones se mantiene a una temperatura de referencia conocida (por ejemplo, un baño de hielo) y la otra se coloca en el lugar cuya temperatura quiere medirse. A temperaturas moderadas (hasta unos 260 °C) suelen emplearse combinaciones de hierro y cobre, hierro y constatan (una aleación de cobre y níquel), y cobre y constatan. A temperaturas mayores (hasta unos 1.650 °C) se utiliza platino y una aleación de platino y rodio. Como los alambres de los termopares pueden tener dimensiones muy pequeñas, también permiten medir con precisión las temperaturas locales en un punto. La corriente generada puede aumentarse empleando semiconductores en lugar de metales, y puede alcanzarse una potencia de unos pocos vatios con eficiencias de hasta el 6%. Estos generadores termoeléctricos, calentados con quemadores de queroseno, son muy utilizados en zonas remotas de Rusia para alimentar receptores de radio.

Cuando se hace pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes cuyas uniones están a la misma temperatura, se produce el efecto inverso. En este caso, se absorbe calor en una unión y se desprende en la otra. Este fenómeno se conoce como efecto Peltier en honor al físico francés Jean Peltier, que lo descubrió en 1834. Es posible usar sistemas de semiconductores basados en el efecto Peltier como refrigeradores para aplicaciones especiales.

Aunque se considera como descubridor del efecto termoeléctrico a Seebeck, al revisar los estudios de A. Volta se ha constatado que en sus trabajos pioneros sobre electricidad midió diferencias de potencial debidas a la termoelectricidad al usar contactos entre diversos metales, sin embargo no presto demasiada atención a dicho efecto. Volta, Alessandro, (1745-1827),   fue conde  además de físico italiano, conocido por sus trabajos sobre la electricidad. Nació en Como y estudió allí, en la escuela pública. En 1774 fue profesor de física en la Escuela Regia de Como y al año siguiente inventó el electróforo, un instrumento que producía cargas eléctricas. Durante 1776 y 1777 se dedicó a la química, estudió la electricidad atmosférica e ideó experimentos como la ignición de gases mediante una chispa eléctrica en un recipiente cerrado. En 1779 fue profesor de física en la Universidad de Pavía, cátedra que ocupó durante 25 años. Hacia 1800 había desarrollado la llamada pila de Volta, precursora de la batería eléctrica, que producía un flujo estable de electricidad. Por su trabajo en el campo de la electricidad, Napoleón le nombró conde en 1801. La unidad eléctrica conocida como voltio recibió ese nombre en su honor.

La primera teoría que englobaba los efectos Seebeck y Peltier fue dada por Kelvin, Este investigador merece una reseña histórica aparte

 

 Kelvin, Lord o Thomson, William (1824-1907)  fue un matemático y físico británico, uno de los principales físicos y más importantes profesores de su época. Nació en Belfast el 26 de junio de 1824 y estudió

 

en las universidades de Glasgow y Cambridge. Desde 1846 hasta 1899 fue profesor de la Universidad de Glasgow.

En el campo de la termodinámica, Kelvin desarrolló el trabajo realizado por James Prescott Joule sobre la interrelación del calor y la energía mecánica, y en 1852 ambos colaboraron para investigar el fenómeno al que se conoció como efecto Joule-Thomson .

En 1848 Kelvin estableció la escala absoluta de temperatura que sigue llevando su nombre. Su trabajo en el campo de la electricidad tuvo aplicación en la telegrafía. Estudió la teoría matemática de la electrostática, llevó a cabo mejoras en la fabricación de cables e inventó el galvanómetro de imán móvil y el sifón registrador. Ejerció como asesor científico en el tendido de cables telegráficos del Atlántico en 1857, 1858, 1865 y 1866. Kelvin también contribuyó a la teoría de la elasticidad e investigó los circuitos oscilantes, las propiedades electrodinámicas de los metales y el tratamiento matemático del magnetismo. Junto con el fisiólogo y físico alemán Hermann Ludwig von Helmholtz, hizo una estimación de la edad del Sol y calculó la energía irradiada desde su superficie. Entre los aparatos que inventó o mejoró se encuentran un dispositivo para predecir mareas, un analizador armónico y un aparato para grabar sonidos en aguas más o menos profundas. También mejoró aspectos de la brújula marina o compás náutico.

Muchas de sus obras científicas se recopilaron en su Ponencias sobre electricidad y magnetismo (1872), Ponencias matemáticas y físicas (1882, 1883, 1890) y Cursos y conferencias (1889-1894). Kelvin fue presidente de la Sociedad Real de Londres en 1890, y en 1902 recibió la Orden del Mérito. Murió el 17 de diciembre de 1907.

Además de sus grandes contribuciones en Termodinámica, en termoelectricidad dedujo las llamada Relaciones de Kelvin, que permiten interpretar conjuntamente los coeficientes Seebek , Peltier y Thompson (Estas se verán en los siguientes temas).

 

Los efectos Termo-electro-magneticos también empezaron a ser estudiados a finales del siglo pasado

 

El enfriamiento termoelectronico empezó a ser factible a partir de los estudios de Telkes en los años 30 y de Ioffee, quien publico un excelente libro en 1956,

 

Los nuevos materiales semiconductores irrumpían en la escena produciendo rendimientos mucho mas altos.

 

Telkes utilizo pares o soldaduras de PbS y ZnSb y Joffee descubrió el uso de PbTe y PbSe. Los Telluros y Seleniuros han sido muy utilizados, y para conversión de energía calorífica en eléctrica se alcanzan rendimientos

aceptables.

 

 

Definiciones y conceptos básicos usados en el cu