Análisis de parámetros que determinan el desempeño energético y la selección de componentes de un sistema de refrigeración termoeléctrico

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 aprovechado en sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Sin embargo, su uso es limitado debido a su desempeño energético, el cual no es comparable con las tecnologías convencionales. A pesar de ello, es una opción viable; además, su principal ventaja es que estos sistemas no requieren gases refrigerantes. El objetivo del presente trabajo de investigación es analizar los parámetros que determinan el desempeño energético de un sistema de refrigeración termoeléctrico y con base en los resultados, evaluar la selección de sus componentes. Para realizar el análisis se ha establecido, como unidad de estudio, a un refrigerador de 50 litros de capacidad y una carga térmica de refrigeración de 50 W (valores nominales); comparable con equipos domésticos portátiles. Para establecer los modelos matemáticos, aplicables a la unidad de análisis, se ha determinado los procesos físicos; que incluyen: flujo de calor y trabajo en un módulo o celda Peltier; transferencia de calor por las paredes del refrigerador y las superficies extendidas; además se incluye el análisis de cargas térmicas a compensar para mantener la temperatura interior del área refrigerada. Se han planteado restricciones de diseño, para resolver las ecuaciones planteadas. Incluye restricciones geométricas; restricciones de temperatura (interior y exterior) y el régimen del flujo aire (laminar). Adicionalmente, se ha considerado constante a los valores de conductividad térmica, resistividad eléctrica, coeficiente de Seebeck. Los componentes analizados en el presente trabajo corresponden a: El módulo Peltier; las superficies extendidas, los ventiladores y la caja térmica de refrigeración. Se analizaron tres módulos Peltier capaces de proporcionar la carga térmica de diseño. Se seleccionó el módulo Peltier TEC1-12724, del fabricante Thermonamic. Se determinaron sus parámetros efectivos para el coeficiente de Seebeck, conductancia térmica y resistencia eléctrica. Con estos parámetros se determinó su despeño energético. Se estableció la temperatura del área refrigerada en 6°𝐶 (279 𝐾) y la temperatura el foco frío de módulo en 2°𝐶 (275 𝐾). Bajo estas condiciones, el módulo Peltier tiene un coeficiente de desempeño máximo de 0,403 y es capaz de extraer una carga térmica de 51,4 𝑊. Para extraer la potencia de refrigeración se dimensionaron las superficies extendidas. Las resistencias térmicas (resistencia térmica total), para el foco frío y caliente, respectivamente, son: 0,0795 𝐾⁄𝑊 y 0,1288 𝐾⁄𝑊. Se realizó el análisis del material aislante de la caja térmica, para determinar el espesor que minimice la ganancia de calor por transmisión del exterior. Al utilizar poliuretano expandido, se obtiene una ganancia térmica de calor de 5,16 𝑊, para un espesor de 6 𝑐𝑚. Finalmente, las ecuaciones que describen cada fenómeno físico han sido resueltas utilizando el software: “Engineering Equation Solver (EES)”, que cuenta una librería de propiedades termofísicas de diversos materiales y sustancias.

Peltier effect corresponds to the heat extraction or absorption occurring at the contact between two different materials, it is a phenomenon that be used either for heating or for cooling, although the main application is cooling. Thermometric applications are limited due to its efficiency energy, that is not comparable with common technologies. Despite this, it is a viable alternative; without using chlorofluorocarbons or other chemicals that may be harmful to the environment The objective of this research is to analyze the parameters that determine the energy performance of a thermoelectric cooling, including the selection of components, based on numerical results. To carry out the analysis, a 50 L cooler of capacity and a 50 W of refrigeration thermal load, comparable to portable household equipment have been established as a study unit. To determine the mathematical models, applicable to the analysis unit, the physical processes have been determined; they include: heat flow and electrical work in a Peltier module; heat transfer through the walls of the refrigerator and the extended surfaces; also, include the analysis of thermal loads to be compensated in order to maintain the temperature inside the refrigerated area. Design restrictions have been imposed in order to solve the proposed equations. It Includes geometric restrictions; temperature restrictions (indoor and outdoor) and air flow regime (laminar). In addition, the values of thermal conductivity, electrical resistivity, Seebeck coefficient have been considered constant. The components analyzed in this research are the Peltier module; extended surfaces, fans and thermal cooling box. Three Peltier modules capable of providing the design thermal load were analyzed. The Peltier module TEC1-12724 was selected from the manufacturer Thermonamic. Seebeck coefficient, thermal conductance and electrical resistance effectives values were determined. Using these parameters, the performance of Peltier module was determined. The temperature of the refrigerated area was set at 6°𝐶 (279 𝐾) and the temperature the module’s cold site was set at 2°𝐶 (275 𝐾). Under these conditions, the Peltier module has a maximum performance coefficient of 0,403 and is capable of extracting a cooling power of 51,4 𝑊. To extract the cooling power the extended surfaces were dimensioned. The thermal resistances (total thermal resistance), for hot and cold focus respectively are: 0,0795𝐾𝑊⁄ and 0,1288 𝐾𝑊⁄. Insulating material of the thermal box was analyzed to determine the thickness to minimize the heat gain by transmission from the environment. When using expanded polyurethane, a heat gain of 5,16 𝑊 and a thickness of 6 𝑐𝑚 is obtained. Finally, the equations that describe each physical phenomenon have been solved using the software: "Engineering Equation Solver (EES)", which has a library of thermophysical properties of various materials and substances.