Los equipos de refrigeración y las unidades de enfriamiento son indispensables en la vida cotidiana. Sin embargo, los diseños a granel basados en el refrigerante estándar no son adecuados para su uso móvil, por ejemplo, en bolsas de la compra refrigeradas. En estos casos, se utilizan dispositivos basados en el efecto Peltier, de los que hablaremos en detalle en este material.
El elemento Peltier o refrigerador termoeléctrico se basa en un termopar formado por dos elementos con conductividad de tipo p y n, que están conectados por una placa de conmutación de cobre. En la mayoría de los casos, las piezas están hechas de bismuto, telurio, antimonio y selenio. Estos dispositivos se utilizan en sistemas de refrigeración para aplicaciones domésticas, y también tienen tendencia a generar energía.
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Qué es
El fenómeno y el término Peltier hacen referencia a un descubrimiento realizado en 1834 por el científico francés Jean-Charles Peltier. La esencia del descubrimiento es que el calor se genera o se absorbe constantemente en la zona en la que dos conductores de diferente orientación están en contacto y una corriente eléctrica fluye a través de ellos.
La teoría clásica explica el fenómeno de la siguiente manera: los electrones se transfieren entre los metales mediante la corriente eléctrica, acelerada o desacelerada en función de la diferencia de potencial de contacto en los conductores metálicos con diferentes niveles de conductividad. Los elementos Peltier contribuyen así a la conversión de la energía cinética en energía térmica.
En el segundo conductor, se produce el efecto contrario, en el que se requiere una reposición de energía basada en la ley fundamental de la física. Esto se debe al proceso de oscilación térmica, que hace que el metal del segundo conductor se enfríe.
Un módulo Peltier con el máximo efecto termoeléctrico puede fabricarse con la tecnología moderna.
Diseño y principio de funcionamiento
Los módulos Peltier modernos son una estructura en la que hay dos placas aislantes, con termopares conectados en una secuencia estricta entre ellas. Para comprender mejor la función de este elemento, en la figura se muestra un diagrama estándar.
La designación de los elementos:
- A - contactos con los que se realiza la conexión a la fuente de alimentación;
- B - lado caliente;
- C - lado frío;
- D - conductores de cobre;
- E - semiconductor de unión p;
- F - semiconductor de tipo n.
El elemento se fabrica de forma que ambas superficies estén en contacto con uniones p-n o n-p, según la polaridad. Los contactos p-n se calientan y la temperatura n-p se reduce. El resultado es una diferencia de temperatura de DT en los extremos del elemento. Este efecto significa que la energía térmica que se mueve entre los elementos del módulo regula el régimen de temperatura en función de la polaridad. También hay que tener en cuenta que si se invierte la polaridad, las superficies calientes y frías cambian.
Características técnicas
Los parámetros técnicos del elemento Peltier asumen los siguientes valores:
- Capacidad de refrigeración (Qmax): se calcula en función del límite de corriente y de la diferencia de temperatura entre los extremos del módulo. La unidad de medida es el vatio;
- Límite diferencial de temperatura (DTmax) - medido en grados, esta característica se da para condiciones óptimas;
- Imax: la fuerza límite de la corriente eléctrica necesaria para conseguir una mayor diferencia de temperatura;
- Umax es la tensión máxima Umax necesaria para que la corriente eléctrica Imax alcance la máxima diferencia de temperatura DTmax;
- Resistencia - resistencia interna del dispositivo, medida en ohmios;
- POR es el factor de eficiencia o rendimiento del módulo Peltier, que refleja la relación entre la potencia de refrigeración y el consumo de energía de refrigeración. Dependiendo de las características del aparato, la cifra oscila entre 0,3 y 0,35 para los aparatos económicos, mientras que llega hasta 0,5 para los modelos más caros.
Las ventajas del elemento Peltier móvil son su pequeño tamaño, la reversibilidad del proceso y la posibilidad de utilizarlo como generador de energía o refrigerador portátil.
Las desventajas del módulo son su elevado coste, su escasa eficacia, en torno al 3%, sus elevados costes energéticos y la necesidad de mantener constantemente el diferencial de temperatura.
Aplicación
Incluso teniendo en cuenta el bajo factor de eficiencia, las placas de los módulos Peltier se utilizan ampliamente en dispositivos de medición e informática, así como en aparatos domésticos portátiles. Esta es una lista de dispositivos en los que los modelos son una parte integral:
- unidades de refrigeración portátiles;
- pequeños generadores de energía;
- unidades de refrigeración en PCs y portátiles;
- refrigeradores para calentar y enfriar el agua potable;
- deshumidificadores.
Cómo conectarse
El módulo Peltier puede ser conectado por uno mismo y es un proceso rápido y sencillo. La tensión continua debe aplicarse a los contactos de salida tal y como se especifica en el manual de instrucciones del aparato. El cable rojo se conecta al positivo y el negro al negativo. Tenga en cuenta que al invertir la polaridad se invierten las superficies calentadas y enfriadas.
Es aconsejable comprobar el funcionamiento del elemento antes de conectarlo. Una forma sencilla y fiable de probar la unidad es el método táctil: conectar la unidad a una fuente de corriente eléctrica y tocar los diferentes contactos. En una unidad que funciona correctamente, algunos de los contactos estarán calientes y otros estarán fríos.
También es posible comprobarlo con un multímetro y un mechero. Para ello, conecte las sondas a los contactos de la unidad, mantenga el encendedor a un lado y observe la lectura del multímetro. Si el elemento Peltier funciona en modo estándar, el proceso de calentamiento producirá una corriente eléctrica en un lado y la lectura de la tensión se mostrará en la pantalla del multímetro.
Cómo hacer un elemento Peltier con tus propias manos
El elemento Peltier no es adecuado para la construcción de viviendas debido a su bajo coste y a la necesidad de conocimientos especializados para construir un elemento viable. Sin embargo, es posible construir con tus propias manos un eficiente generador termoeléctrico móvil, que te resultará muy útil en la casa de campo o en una acampada.
Para estabilizar la tensión eléctrica, tendrás que construir tu propio convertidor estándar en el CI L6920. Hay que aplicar una tensión de entrada de 0,8-5,5V y la tensión de salida será de 5V, lo que es suficiente para cargar la batería de los dispositivos móviles en modo estándar. Si se utiliza un dispositivo Peltier electrónico estándar, se requiere un límite de temperatura superficial de 150 grados. Para facilitar el control de la temperatura, es aconsejable utilizar una olla de agua hirviendo, entonces el modelo no se calentará por encima de los 100 grados.
Las placas Peltier se utilizan ampliamente para la refrigeración de los electrodomésticos modernos, en los acondicionadores de aire, la eficacia del dispositivo se ha demostrado en particular para estabilizar el régimen térmico y enfriar un procesador potente. Los elementos Peltier se utilizan a menudo para fabricar frigoríficos móviles eficientes para casas de campo o coches de verano, o para alimentar un radiador en casa. Debido a la reversibilidad del proceso, los elementos caseros se utilizan como pequeñas centrales eléctricas móviles en zonas sin fuente de electricidad.
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