Felix Maocho

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Robotica – Refrigeradores de Peltier

Por Félix Maocho
13/6/2017
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Lo que ven a la izquierda es una placa de Peltier, Un refrigerador que traspasa el calor de una a otra cara de la placa, refrigerando un lado y calentando el otro, El proceso es reversible si la corriente pasa en el otro sentido  cambia la cara que se calienta y la que se enfría.

El modelo que muestro tiene unos 4 cm. de lado  un grosor de 3 mm. u y un precio de unos 4 euros, suelen funcionar a 12 voltios con una intensidad máxima de 5 amperios.

Estos refrigeradores utilizan un efecto termodinámico descubierto en 1834 por Jean Peltier, que utiliza como bomba de calor una corriente eléctrica para transferir el calor de un extremo de un semiconductor, (tipo-n), a otro (tipo-p) y viceversa, y por tanto, poder enfriar en un extremo a base de calentar en el otro.

Cuando se hace pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes, semiconductores alternados tipo-p y tipo-n, cuyas unión, (soldadura) está a la misma temperatura, se absorbe calor en un lado de la unión y se desprende en el otro. La parte que se enfría suele estar cerca de los 25º C, mientras que la parte que absorbe calor puede alcanzar rápidamente los 80º C.

El calor. (Q), transferido es proporcional a una coeficiente, (Kab), característico de la pareja de semiconductores, y de la intensidad,(I),de la corriente eléctrica y el tiempo (t) de funcionamiento

Q = Kab I t

La razón de este efectos termodinámico, está en que los semiconductores intentan volver al equilibrio electrónico que existía antes del paso de la corriente, por lo que en un punto los electrones tratan de ganar energía tomándola del material de la soldadura, mientras que en el otro expulsan el exceso.

En el efecto Peltier al paso de la corriente se absorbe la energía de un conector y se desprende en el otro. Si invertimos la polaridad, también cambia la dirección de la transferencia y donde se desprendía calor lo absorberá y donde se absorbía el calor lo desprenderá.

Supone ello una gran ventaja cuando intentamos estabilizar la temperatura, pues el mismo aparato nos vale, con solo invertir la polaridad, por ejemplo con un puente H de motores eléctricos, para calentar y para enfriar.

Es un efecto inverso al efecto Seebeck, donde se genera una corriente eléctrica a partir de un diferencial de temperaturas. Por ello aun no estando especialmente diseñado para ello si calentamos una cara obtenemos una pequeña corriente eléctrica.

Este efecto es el que se utiliza en los termómetros electrónicos,  un  termopar, (la union de dos semiconductores tipo-p y tipo-n), trasforma en una diferencia de temperatura en un cierto voltaje proporcional.

También  está relacionado con el efecto Thompson  similar a la Seebeck que permite , (teóricamente) trasformar una diferencia de temperatura, directamente en electricidad por lo que sería otro camino paralelo al fenómeno fotoelectrico para producir energía directamente del sol.

Normalmente, en neveras y refrigeradores, el traslado de calor  se basa en el Ciclo de Carnot, mediante el que la energía calorífica de una cámara de refrigeración  se traslada al exterior utilizando un circuito cerrado con un gas, que eleve su temperatura a base de comprimirlo en el exterior de la cámara, lo que hace posible disipar calor al ambiente, mientras que una vez enfriado, el gas comprimido se le retorna a una cámara de expansión, situada en el interior de la zona de refrigeración, y al bajar su temperatura, roba energía calorífica de la cámara, enfriándola-

Ambos sistemas, el basado en el efecto Peltier y en el Ciclo de Carnot, consiguen el mismo resultado por caminos diferentes, enfriar en un volumen y disipar el calor en otro lado. El módulo Peltier tiene la ventaja de ser una bomba de calor estática, sin gas ni partes móviles, entre la zona fría y la caliente solo están los semiconductor, no existe el complejo circuito cerrado refrigerador, con un sistema de compresión del fluido refrigerante.

Físicamente un módulo Peltier son bloques de 1 mm cúbico conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. Por tanto los aparatos refrigeradores basados en el efecto Peltier son más sencillos y silenciosos que los segundos, que son mucho más complejos.

Sin embargo, los aparatos basados en el Ciclo de Carnot han demostrado dar más rendimiento por a la misma cantidad de energía consumida. Por ello, la inmensa mayoría de neveras y equipos de aire acondicionadores del mercado, llevan un compresor, fuente inevitable de ruidos y vibraciones. Es por lo que la calidad (y precio) de estos equipos, está muy en relación a lo silenciosos que sean.

Sin embargo en la industria militar se utilizan con frecuencia la refrigeración de Peltier, porque en este área se valora mucho la robustez, incluso por encima de su eficacia, y el refrigerador de Peltier, soporta mucho mejor que los compresores,  los portes y el mal trato.

Resumiendo sus características podemos decir que:

  • Son poco eficientes enfriando; consumen mucho por frigoría.
  • Capaces de generar electricidad si un lado se mantiene frio y el otro caliente.
  • No vibra ni produce ruidos al funcionar (excepto los ventiladores que necesite).
  • Son fiables en duras condiciones, sus semiconductores, trabajando en un rango seguro, duran muchos años.
  • Ocupan poco espacio; ideal para enfriar pequeños aparatos.
  • Suelen trabajar entre 5V y 15V DC; a mayor voltaje más potencia y consumo, pero menos eficiente y menor duración; resistencia entre 1,3 y 5Ω, dependiendo de la célula.

No obstante, exsten neveras comerciales basadas en el principio de Peltier.

Generalmente se trata de neveras portátiles de bajo coste para llevar en el coche y conectar al mechero. Suelen enchufarse a 12 voltios pero internamente funcionan mas o menos a 6 V con un consumo que raras veces suele superar los 60 Watios.

El tamaño habitual ronda los 15 litros, pero las podemos encontrar muy pequeñas, de 5 o 6 litros, las hay incluso para enfriar una única lata de refrescos. También en el otro extremo las podemos encontrar de hasta 40 litros.

A partir de esa capacidad no resultan rentables y los modelos mas grandes como las neveras de las habitaciones de hoteles se diseñan generalmente con compresor mas aun si no se piensan utilizar como portátiles, donde el peso y la resistencia son importantes.

Para mejorar su rendimiento a las placas de peltier se le suelen asociar otros aparatos como disipadores y ventiladores, lo que les transforma en aparatos de mayor rendimiento a costa de añadir complejidad, peso y precio.

Otros aparatos que frecuentemente comienzan también a utilizar el efecto Peltier, son los refrigeradores de los procesadores de PC, pues al añadir añaden el efecto Peltier a los disipadores estáticos, aumentan mucho su rendimiento, sin el engorro y los riesgos que suponen que suponen los sistemas de refrigeracion por agua.

Con ello se penaliza el consumo eléctrico, algo de poca importancia en servidores y ordenadores de sobremesa, pero qye resulta muy crítico en los ordenadores portátiles que dependen de una batería.

Félix Maocho

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14 junio 2017 - Posted by | Robotica | , ,

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