Refrigeración termoeléctrica

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Efecto termoeléctrico
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El enfriamiento termoeléctrico utiliza el efecto Peltier para crear un flujo de calor en la unión de dos tipos diferentes de materiales. Un enfriador, calentador o bomba de calor termoeléctrica Peltier es una bomba de calor activa de estado sólido que transfiere calor de un lado del dispositivo al otro, con consumo de energía eléctrica , dependiendo de la dirección de la corriente. Un instrumento de este tipo también se llama dispositivo Peltier , bomba de calor Peltier , refrigerador de estado sólido o enfriador termoeléctrico ( TEC ) y ocasionalmente batería termoeléctrica . Puede usarse para calentar o enfriar, ^[1] aunque en la práctica la aplicación principal es la refrigeración. ^{[ cita requerida ]} También se puede utilizar como un controlador de temperatura que calienta o enfría.

Esta tecnología se aplica mucho menos a la refrigeración que la refrigeración por compresión de vapor . Las principales ventajas de un enfriador Peltier en comparación con un refrigerador por compresión de vapor son la falta de piezas móviles o líquido circulante, una vida útil muy larga, invulnerabilidad a fugas, tamaño pequeño y forma flexible. Sus principales desventajas son el alto costo para una capacidad de enfriamiento dada y la baja eficiencia energética (un bajo coeficiente de rendimiento o COP). Muchos investigadores y empresas están tratando de desarrollar enfriadores Peltier que sean económicos y eficientes. (Véase Materiales termoeléctricos .)

Un refrigerador Peltier también se puede utilizar como generador termoeléctrico . Cuando funciona como refrigerador, se aplica un voltaje a través del dispositivo y, como resultado, se generará una diferencia de temperatura entre los dos lados. Cuando funciona como generador, un lado del dispositivo se calienta a una temperatura mayor que el otro lado y, como resultado, se generará una diferencia de voltaje entre los dos lados (el efecto Seebeck ). Sin embargo, un refrigerador Peltier bien diseñado será un generador termoeléctrico mediocre y viceversa, debido a los diferentes requisitos de diseño y empaque.

Los refrigeradores termoeléctricos funcionan mediante el efecto Peltier (uno de los tres fenómenos que conforman el efecto termoeléctrico). ^[2] Un módulo termoeléctrico está hecho de tres componentes: los conductores, las patas y el sustrato, y muchos de estos módulos están conectados eléctricamente en serie, pero térmicamente en paralelo. ^[2] Cuando una corriente eléctrica de CC fluye a través del dispositivo, lleva calor de un lado al otro, de modo que un lado se enfría mientras que el otro se calienta.

El lado "caliente" se conecta a un disipador de calor para que permanezca a temperatura ambiente, mientras que el lado frío se mantiene por debajo de la temperatura ambiente. En aplicaciones especiales, se pueden conectar en cascada o en etapas múltiples enfriadores para lograr una temperatura más baja, pero la eficiencia general (COP) disminuye significativamente. El COP máximo de cualquier ciclo de refrigeración está limitado en última instancia por la diferencia entre la temperatura deseada (lado frío) y la temperatura ambiente (lado caliente) (la temperatura del disipador de calor). Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura (delta), menor será el COP teórico máximo.

Se utilizan dos semiconductores únicos, uno de tipo n y otro de tipo p , porque necesitan tener diferentes densidades electrónicas. Los pilares semiconductores de tipo p y n alternados se colocan térmicamente en paralelo entre sí y eléctricamente en serie y luego se unen con una placa conductora térmica en cada lado, generalmente de cerámica, eliminando la necesidad de un aislante separado. Cuando se aplica un voltaje a los extremos libres de los dos semiconductores, hay un flujo de corriente continua a través de la unión de los semiconductores, lo que provoca una diferencia de temperatura. El lado con la placa de enfriamiento absorbe calor que luego es transportado por el semiconductor al otro lado del dispositivo.

La capacidad de refrigeración de la unidad total es proporcional a la sección transversal total de todos los pilares, que suelen estar conectados en serie eléctricamente para reducir la corriente necesaria a niveles prácticos. La longitud de los pilares es un equilibrio entre los pilares más largos, que tendrán una mayor resistencia térmica entre los lados y permitirán alcanzar una temperatura más baja pero producirán un calentamiento más resistivo, y los pilares más cortos, que tendrán una mayor eficiencia eléctrica pero dejarán que se escape más calor del lado caliente al frío por conducción térmica. Para grandes diferencias de temperatura, los pilares más largos son mucho menos eficientes que apilar módulos separados, progresivamente más grandes; los módulos se hacen más grandes a medida que cada capa debe eliminar tanto el calor movido por la capa superior como el calor residual de la capa.

Requisitos para materiales termoeléctricos: ^[4]

• Semiconductores de banda estrecha debido al funcionamiento a temperatura ambiente;
• Alta conductividad eléctrica (para reducir la resistencia eléctrica , una fuente de calor residual);
• Baja conductividad térmica (para que el calor no regrese del lado caliente al lado frío); esto generalmente se traduce en elementos pesados
• Celda unitaria grande, estructura compleja;
• Altamente anisotrópico o altamente simétrico;
• Composiciones complejas.

Los materiales adecuados para sistemas TEC de alta eficiencia deben tener una combinación de baja conductividad térmica y alta conductividad eléctrica. El efecto combinado de diferentes combinaciones de materiales se compara comúnmente utilizando una cifra de mérito conocida como ZT , una medida de la eficiencia del sistema. La ecuación para ZT se proporciona a continuación, donde es el coeficiente de Seebeck , es la conductividad eléctrica y es la conductividad térmica. ^[5]${\estilo de visualización \alpha}$${\estilo de visualización \sigma}$${\estilo de visualización \kappa}$

$${\displaystyle \mathbb {Z} \mathrm {T} =(\alpha ^{2}\sigma \mathrm {T} )/\kappa }$$

Hay pocos materiales que sean adecuados para aplicaciones TEC, ya que la relación entre la conductividad térmica y eléctrica suele ser una correlación positiva. Las mejoras en la reducción del transporte térmico con una mayor conductividad eléctrica son un área activa de investigación en ciencia de materiales. Los materiales termoeléctricos comunes utilizados como semiconductores incluyen telururo de bismuto , telururo de plomo , silicio-germanio y aleaciones de antimonuro de bismuto . De estos, el telururo de bismuto es el más utilizado. Se están investigando activamente nuevos materiales de alto rendimiento para refrigeración termoeléctrica. ^[6]

Durante décadas, los semiconductores de banda estrecha, como el bismuto , el telurio y sus compuestos , se han utilizado como materiales de termopares.

La gran mayoría de los refrigeradores termoeléctricos tienen una identificación impresa en el lado enfriado. ^[7] Estas identificaciones universales indican el tamaño, la cantidad de etapas, la cantidad de pares y la clasificación de corriente en amperios, como se ve en el diagrama adyacente. ^[8]

Por ejemplo, el elemento termoeléctrico común TEC1-12706 tiene una forma cuadrada de 40 mm de tamaño y 3-4 mm de altura, y se encuentra por unos pocos dólares. Es capaz de mover alrededor de 60 W o generar una diferencia de temperatura de 60 °C con una corriente de 6 A. Su resistencia eléctrica es de aproximadamente 1-2 ohmios.

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Hay muchos factores que motivan la investigación adicional sobre TEC, entre ellos, las menores emisiones de carbono y la facilidad de fabricación. Sin embargo, han surgido varios desafíos.

Una ventaja importante de los sistemas TEC es que no tienen partes móviles. Esta falta de desgaste mecánico y la reducción de casos de fallas debido a fatiga y fracturas por vibración mecánica y estrés aumentan la vida útil del sistema y reducen los requisitos de mantenimiento. Las tecnologías actuales muestran que el tiempo medio entre fallas (MTBF) supera las 100.000 horas a temperatura ambiente. ^[9] La condición de un sistema termoeléctrico se puede medir por el cambio de su resistencia de CA (ACR); a medida que se desgasta, la ACR aumentará. ^{[ cita requerida ]}

El hecho de que los sistemas TEC estén controlados por corriente conlleva otra serie de ventajas. Como el flujo de calor es directamente proporcional a la corriente continua aplicada, se puede añadir o quitar calor con un control preciso de la dirección y la cantidad de corriente eléctrica. A diferencia de los métodos que utilizan métodos de calentamiento o enfriamiento resistivos que involucran gases, los TEC permiten un grado igual de control sobre el flujo de calor (tanto dentro como fuera de un sistema bajo control). Debido a este control preciso del flujo de calor bidireccional, las temperaturas de los sistemas controlados pueden ser precisas en fracciones de grado, alcanzando a menudo una precisión de mili Kelvin (mK) en entornos de laboratorio. ^[10]

Los dispositivos TEC también tienen una forma más flexible que sus homólogos más tradicionales. Se pueden utilizar en entornos con menos espacio o en condiciones más severas que un refrigerador convencional. La capacidad de adaptar su geometría permite proporcionar un enfriamiento preciso a áreas muy pequeñas. Estos factores los convierten en una opción común en aplicaciones científicas y de ingeniería con requisitos exigentes donde el costo y la eficiencia energética absoluta no son preocupaciones principales.

Otra ventaja de la TEC es que no utiliza refrigerantes en su funcionamiento. Antes de su eliminación progresiva, algunos de los primeros refrigerantes, como los clorofluorocarbonos (CFC), contribuían significativamente a la destrucción de la capa de ozono . Muchos refrigerantes que se utilizan hoy en día también tienen un impacto ambiental significativo con potencial de calentamiento global ^[11] o conllevan otros riesgos de seguridad. ^[12]

Los sistemas TEC presentan una serie de desventajas notables. La más importante es su limitada eficiencia energética en comparación con los sistemas de compresión de vapor convencionales y las limitaciones en el flujo de calor total (flujo de calor) que pueden generar por unidad de área. ^[10] Este tema se analiza con más detalle en la sección sobre rendimiento que aparece a continuación.

El rendimiento de Peltier (termoeléctrico) es una función de la temperatura ambiente, el rendimiento del intercambiador de calor del lado caliente y frío ( disipador de calor ), la carga térmica, la geometría del módulo Peltier (termopila) y los parámetros eléctricos de Peltier. ^[7]

La cantidad de calor que se puede mover es proporcional a la corriente y al tiempo.

${\displaystyle Q=PIt}$, donde P es el coeficiente de Peltier, I es la corriente y t es el tiempo. El coeficiente de Peltier depende de la temperatura y de los materiales de los que está hecho el refrigerador. Las magnitudes de 10 vatios por amperio son comunes, pero esto se ve compensado por dos fenómenos:

• Según la ley de Ohm , un módulo Peltier producirá calor residual por sí mismo,

${\displaystyle Q_{desperdicio}=RI^{2}t}$, donde R es la resistencia .

• El calor también se moverá del lado caliente al lado frío por conducción térmica dentro del propio módulo, un efecto que se hace más fuerte a medida que aumenta la diferencia de temperatura.

El resultado es que el calor efectivamente trasladado disminuye a medida que aumenta la diferencia de temperatura y el módulo se vuelve menos eficiente. Se produce una diferencia de temperatura cuando el calor residual y el calor que regresa superan al calor trasladado y el módulo comienza a calentar el lado frío en lugar de enfriarlo más. Un enfriador termoeléctrico de una sola etapa normalmente producirá una diferencia de temperatura máxima de 70 °C entre sus lados caliente y frío. ^[13]

Otro problema con el rendimiento es consecuencia directa de una de sus ventajas: su tamaño pequeño. Esto significa que:

• El lado caliente y el lado frío estarán muy cerca uno del otro (a unos pocos milímetros de distancia), lo que hará más fácil que el calor regrese al lado frío y más difícil aislar el lado caliente y el lado frío entre sí.
• Un tubo común de 40 mm × 40 mm puede generar 60 W o más, es decir, 4 W/cm ² o más, lo que requiere un radiador potente para alejar el calor.

En aplicaciones de refrigeración, las uniones termoeléctricas tienen alrededor de 1/4 de la eficiencia en comparación con los medios convencionales (refrigeración por compresión de vapor): ofrecen alrededor del 10-15% de eficiencia (COP de 1,0-1,5) del refrigerador de ciclo de Carnot ideal , en comparación con el 40-60% logrado por los sistemas de ciclo de compresión convencionales ( sistemas de Rankine inverso que utilizan compresión/expansión). ^[14] Debido a esta menor eficiencia, la refrigeración termoeléctrica generalmente solo se utiliza en entornos donde la naturaleza de estado sólido (sin partes móviles ), el bajo mantenimiento, el tamaño compacto y la insensibilidad a la orientación superan la eficiencia pura.

Aunque es inferior a los medios convencionales, la eficiencia puede ser suficientemente buena, siempre que:

• La diferencia de temperatura se mantiene lo más pequeña posible y,
• La corriente se mantiene baja, porque la relación entre el calor movido y el calor residual (para la misma temperatura en el lado caliente y frío) será .${\displaystyle {\frac {Q}{Q_{residuo}}}={\frac {P}{RI}}}$

Sin embargo, como una corriente baja también significa una cantidad baja de calor movido, para todos los efectos prácticos el coeficiente de rendimiento será bajo.

Los refrigeradores termoeléctricos se utilizan para aplicaciones que requieren una eliminación de calor que va desde milivatios hasta varios miles de vatios. Pueden fabricarse para aplicaciones tan pequeñas como un refrigerador de bebidas o tan grandes como un submarino o un vagón de tren.

Los elementos Peltier se utilizan habitualmente en productos de consumo. Por ejemplo, se utilizan en campings , neveras portátiles, refrigeración de componentes electrónicos, sistemas de dormir con colchonetas y pequeños instrumentos. También se pueden utilizar para extraer agua del aire en deshumidificadores . Una nevera eléctrica tipo camping/coche (12 V) normalmente puede reducir la temperatura hasta 20 °C (36 °F) por debajo de la temperatura ambiente, que es de 25 °C si el coche alcanza los 45 °C bajo el sol. Las chaquetas con control de temperatura están empezando a utilizar elementos Peltier. ^{[15] [16]}

Los refrigeradores termoeléctricos se pueden utilizar para enfriar los componentes de la computadora para mantener las temperaturas dentro de los límites de diseño o para mantener un funcionamiento estable durante el overclocking . Un refrigerador Peltier con un disipador de calor o un bloque de agua puede enfriar un chip muy por debajo de la temperatura ambiente. ^[17] Algunas CPU Intel Core de la décima generación en adelante son capaces de utilizar la tecnología Intel Cryo, que utiliza una combinación de enfriamiento termoeléctrico y un intercambiador de calor líquido para ofrecer un rendimiento de enfriamiento mucho mayor que el normalmente posible con el enfriamiento líquido estándar . Las condiciones ambientales locales se monitorean electrónicamente para evitar cortocircuitos por condensación. ^[18]

Los refrigeradores termoeléctricos se utilizan en muchos campos de la fabricación industrial y requieren un análisis de rendimiento exhaustivo, ya que se enfrentan a la prueba de ejecutar miles de ciclos antes de que estos productos industriales se lancen al mercado. Algunas de las aplicaciones incluyen equipos láser, acondicionadores de aire o refrigeradores termoeléctricos, electrónica industrial y telecomunicaciones, ^[19] automoción, mini refrigeradores o incubadoras, gabinetes militares, gabinetes de TI y más.

En aplicaciones de fibra óptica , donde la longitud de onda de un láser o un componente depende en gran medida de la temperatura, se utilizan enfriadores Peltier junto con un termistor en un bucle de retroalimentación para mantener una temperatura constante y así estabilizar la longitud de onda del dispositivo.

Algunos equipos electrónicos destinados al uso militar sobre el terreno están refrigerados termoeléctricamente. ^{[ cita requerida ]}

Los elementos Peltier se utilizan en dispositivos científicos. Son un componente común en los termocicladores , utilizados para la síntesis de ADN mediante la reacción en cadena de la polimerasa ( PCR ), una técnica común de biología molecular, que requiere el calentamiento y enfriamiento rápidos de la mezcla de reacción para los ciclos de desnaturalización, hibridación de cebadores y síntesis enzimática.

Con circuitos de retroalimentación, los elementos Peltier se pueden utilizar para implementar controladores de temperatura altamente estables que mantienen la temperatura deseada dentro de ±0,01 °C. Dicha estabilidad se puede utilizar en aplicaciones láser precisas para evitar la deriva de la longitud de onda del láser a medida que cambia la temperatura del entorno.

El efecto se utiliza en satélites y naves espaciales para reducir las diferencias de temperatura causadas por la luz solar directa en un lado de una nave, disipando el calor sobre el lado frío y sombreado, donde se disipa como radiación térmica al espacio. ^[20] Desde 1961, algunas naves espaciales no tripuladas (incluido el rover Curiosity en Marte) utilizan generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) que convierten la energía térmica en energía eléctrica utilizando el efecto Seebeck. Los dispositivos pueden durar varias décadas, ya que se alimentan de la desintegración de materiales radiactivos de alta energía.

Los elementos Peltier también se utilizan para fabricar cámaras de niebla para visualizar la radiación ionizante . Con solo pasar una corriente eléctrica, pueden enfriar vapores por debajo de los -26 °C sin hielo seco ni piezas móviles, lo que hace que las cámaras de niebla sean fáciles de fabricar y usar.

Los detectores de fotones, como los CCD de los telescopios astronómicos , los espectrómetros o las cámaras digitales de gama alta, suelen enfriarse mediante elementos Peltier que pueden disponerse en una configuración de refrigeración en cascada de varias etapas ^{[21] . Esto reduce los recuentos oscuros debidos al} ruido térmico . Un recuento oscuro se produce cuando un píxel registra un electrón causado por una fluctuación térmica en lugar de un fotón. En las fotografías digitales tomadas con poca luz, estos aparecen como motas (o "ruido de píxel"). ^{[ cita requerida ]}

También se utilizan en espectrómetros de energía dispersiva para enfriar los cristales de los sensores, eliminando la necesidad de grandes recipientes Dewar de nitrógeno líquido.

Alrededor de 1955, los laboratorios RCA construyeron un refrigerador y una pequeña habitación que se acondicionaba con aire acondicionado mediante el efecto Peltier. ^{[22] [23]} Se trataba de demostraciones de investigación y no de productos. El acondicionador de aire fue uno de los "regalos de cumpleaños" que pidió el director ejecutivo David Sarnoff para desafiar a los investigadores. Uno de los investigadores principales fue Nils E. Lindenblad.

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