Sistema de refrigeración con efecto Peltier y superficies extendidas, para enfriamiento sensible de aire. Caso de estudio: dimensionamiento de una carga térmica de 100 w de refrigeración

Abstract

El efecto Peltier, el cual se origina por el paso de una corriente eléctrica a través de la unión de dos conductores distintos, es un fenómeno que puede ser aprovechado para procesos de refrigeración y aire acondicionado. Para obtener el efecto refrigerante, con un dispositivo o celda Peltier, solo es necesario realizar trabajo eléctrico. Sin embargo, su uso es limitado debido a su bajo coeficiente de desempeño (COP). Los sistemas de refrigeración termoeléctricos no están en condiciones de competir con sistemas convencionales, debido a su desempeño energético. A pesar de ello, es una opción que debe ser explotada, debido a que su principal ventaja es no utilizar gases refrigerantes. Para ello, los parámetros relacionados con el coeficiente de performance (COP) deben ser diseñados, de tal forma que el sistema opere cerca del punto de máximo desempeño. Las superficies extendidas (aletas), son componentes que permiten el intercambio de calor, forman parte esencial de un sistema de refrigeración termoeléctrica. La magnitud de las resistencias térmicas influye en el desempeño de la celda Peltier. Por lo tanto, para el presente trabajo se realiza el análisis del comportamiento del sistema, formado por una celda Peltier el cual utiliza superficies extendidas. El objetivo principal es determinar la relación entre el coeficiente de desempeño de celda Peltier seleccionada, la cual permita extraer una carga de refrigeración de 100 W con las resistencias térmicas de sus focos frío y caliente. Se considera que las superficies extendidas son de aluminio y se ha elegido una celda Peltier comercial (TEC1-24126), formado por termopares de telururo de bismuto (Bi2Te3). En el modelamiento se ha considerado los procesos de transferencia de calor en superficies extendidas; flujo interno del aire y las relaciones termodinámicas entre los flujos de calor y trabajo en la celda Peltier. Las ecuaciones planteadas se han resuelto utilizando el software: “Engenering Equation Solver (EES)”, que utiliza una variación del método de Newton, para resolver sistemas de ecuaciones no lineales. Para el prototipo propuesto se ha comprobado la magnitud de cada resistencia térmica. La resistencia total en lado frío y caliente, respectivamente son 0,0838 W/K y 0,0840 W/K. Cada resistencia térmica está conformada por la resistencia de contacto, la resistencia de constricción o propagación y la resistencia térmica de la superficie extendida, la resistencia térmica más significativa corresponde a la superficie extendida que representa el 83%, luego la de constricción o propagación que representa un 12%, finalmente la resistencia térmica de contacto con un 5%. Con dichos valores, la celda Peltier seleccionada puede extraer una carga térmica de 101,4 W, con un coeficiente de desempeño de 0,65.