Refrigeración termoeléctrica

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 al otro del dispositivo, con un consumo de energía eléctrica, dependiendo de la dirección de la corriente. Dicho instrumento también se denomina dispositivo Peltier, bomba de calor Peltier, refrigerador de estado sólido o refrigerador termoeléctrico (TEC) y ocasionalmente una batería termoeléctrica. Puede utilizarse tanto para calefacción como para refrigeración, aunque en la práctica la principal aplicación es la refrigeración. También se puede utilizar como controlador de temperatura que calienta o enfría.

Esta tecnología se aplica con mucha menos frecuencia a la refrigeración que la refrigeración por compresión de vapor. Las principales ventajas de un enfriador Peltier en comparación con un refrigerador de compresión de vapor son la falta de piezas móviles o líquido circulante, una vida muy larga, invulnerabilidad a las 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. (Ver materiales termoeléctricos).

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

Principio de funcionamiento

Los enfriadores termoeléctricos funcionan por el efecto Peltier (uno de los tres fenómenos que componen el efecto termoeléctrico). 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. 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 "caliente" El lado frío está conectado a un disipador de calor para que permanezca a temperatura ambiente, mientras que el lado frío está por debajo de la temperatura ambiente. En aplicaciones especiales, varios enfriadores se pueden conectar en cascada o en etapas juntos para una temperatura más baja, pero la eficiencia general (COP) se reduce 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.

Construcción

Diseño

Se utilizan dos semiconductores únicos, uno de tipo n y otro de tipo p, porque necesitan tener densidades de electrones diferentes. La alternancia p & Los pilares de semiconductores de tipo n se colocan térmicamente en paralelo entre sí y eléctricamente en serie y luego se unen con una placa termoconductora en cada lado, generalmente de cerámica, eliminando la necesidad de un aislador 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 el calor que luego es transportado por el semiconductor al otro lado del dispositivo.

La capacidad de enfriamiento de la unidad total es entonces proporcional a la sección transversal total de todos los pilares, que a menudo se conectan eléctricamente en serie para reducir la corriente necesaria a niveles prácticos. La longitud de los pilares es un equilibrio entre pilares más largos, que tendrán una mayor resistencia térmica entre los lados y permitirán alcanzar una temperatura más baja pero producirán más calentamiento resistivo, y pilares más cortos, que tendrán una mayor eficiencia eléctrica pero dejarán más fuga de 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 ya que cada capa debe eliminar tanto el calor movido por la capa superior como el calor residual de la capa.

Materiales

Requisitos para materiales termoeléctricos:

• semiconductores de banda estrecha debido a la operación de temperatura ambiente;
• Alta conductividad eléctrica (para reducir la resistencia eléctrica, 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
• Gran célula unidad, 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 es comúnmente comparado usando una figura de mérito conocida como ZT, una medida de la eficiencia del sistema. La ecuación para ZT se da a continuación, donde α α {displaystyle alpha } es el coeficiente Seebeck, σ σ {displaystyle sigma } es la conductividad eléctrica y κ κ {displaystyle kappa } es la conductividad térmica.

ZT=()α α 2σ σ T)/κ κ {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 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 aleaciones de telururo de bismuto, telururo de plomo, silicio-germanio y antimoniuro de bismuto. De estos, el telururo de bismuto es el más utilizado. Se están investigando activamente nuevos materiales de alto rendimiento para la refrigeración termoeléctrica.

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

Identificación y características

La gran mayoría de los enfriadores termoeléctricos tienen una identificación impresa en el lado enfriado.

Estas identificaciones universales indican claramente el tamaño, la cantidad de etapas, la cantidad de parejas y la corriente nominal en amperios, como se ve en el diagrama adyacente.

Los Tec1-12706 muy comunes, cuadrados de 40 mm de tamaño y 3–4 mm de alto, se encuentran por unos pocos dólares y se venden como capaces de moverse alrededor de 60 W o generar una diferencia de temperatura de 60 °C con una corriente de 6 A. Su resistencia eléctrica será de 1 a 2 ohmios de magnitud.

Fortalezas y debilidades

Hay muchos factores que motivan una mayor investigación sobre TEC, incluidas las emisiones de carbono más bajas y la facilidad de fabricación. Sin embargo, han surgido varios desafíos.

Beneficios

Un beneficio significativo de los sistemas TEC es que no tienen partes móviles. Esta falta de desgaste mecánico y la reducción de instancias de falla debido a la fatiga y la fractura por vibración mecánica y tensión aumenta la vida útil del sistema y reduce los requisitos de mantenimiento. Las tecnologías actuales muestran que el tiempo medio entre fallas (MTBF) supera las 100 000 horas a temperatura ambiente.

El hecho de que los sistemas TEC estén controlados por corriente conlleva otra serie de beneficios. Debido a que el flujo de calor es directamente proporcional a la corriente continua aplicada, se puede agregar o quitar calor con un control preciso de la dirección y la cantidad de corriente eléctrica. En contraste con los métodos que usan métodos de enfriamiento o calentamiento resistivo que involucran gases, TEC permite el mismo grado de control sobre el flujo de calor (tanto dentro como fuera de un sistema bajo control). Debido a este control bidireccional preciso del flujo de calor, 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.

Los dispositivos TEC también tienen una forma más flexible que sus contrapartes más tradicionales. Se pueden usar en ambientes con menos espacio o condiciones más severas que un refrigerador convencional. La capacidad de adaptar su geometría permite la entrega de enfriamiento preciso en 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.

Otro beneficio de TEC es que no utiliza refrigerantes en su operación. Antes de su eliminación, algunos de los primeros refrigerantes, como los clorofluorocarbonos (CFC), contribuyeron significativamente al agotamiento del ozono. Muchos refrigerantes utilizados hoy en día también tienen un impacto ambiental significativo con potencial de calentamiento global o conllevan otros riesgos de seguridad.

Desventajas

Los sistemas TEC tienen una serie de desventajas notables. Lo más importante es su eficiencia energética limitada en comparación con los sistemas convencionales de compresión de vapor y las limitaciones en el flujo de calor total (flujo de calor) que pueden generar por unidad de área. Este tema se trata más adelante en la sección de rendimiento.

Rendimiento

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

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

Q=PIt{displaystyle Q=PIt}, donde P es el coeficiente Peltier, I es la corriente, y t es el momento. El coeficiente Peltier depende de la temperatura y de los materiales del refrigerador. Magnitud de 10 vatios por amperio son comunes, pero esto se compensa con dos fenómenos:

• Según la ley de Ohm, un módulo Peltier producirá calor de desperdicios en sí mismo,

Qwaste=RI2t{displaystyle Q_{waste}=RI^{2}t}, donde R es la resistencia.

• El calor también pasará del lado caliente al lado frío por la conducción térmica dentro del módulo mismo, un efecto que crece más fuerte a medida que la diferencia de temperatura crece.

El resultado es que el calor efectivamente movido disminuye a medida que crece la diferencia de temperatura y el módulo se vuelve menos eficiente. Hay una diferencia de temperatura cuando el calor residual y el calor que retrocede supera el calor movido, 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 frío y caliente.

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

• el lado caliente y el lado frío estarán muy cerca uno del otro (a pocos milímetros de distancia), lo que facilita que el calor vuelva al lado fresco, y más difícil aislar el lado caliente y fresco uno del otro
• un 40 mm × 40 mm común puede generar 60 W o más, es decir, 4 W/cm² o más: requerir un poderoso radiador para alejar el calor

En aplicaciones de refrigeración, las uniones termoeléctricas tienen aproximadamente 1/4 de eficiencia en comparación con los medios convencionales (refrigeración por compresión de vapor): ofrecen alrededor de un 10 a 15 % de eficiencia (COP de 1,0 a 1,5) del refrigerador de ciclo de Carnot ideal, en comparación con 40–60% logrado por sistemas de ciclo de compresión convencionales (sistemas Rankine inversos que usan compresión/expansión). Debido a esta menor eficiencia, el enfriamiento termoeléctrico generalmente solo se usa 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.

Si bien es menor que los medios convencionales, la eficiencia puede ser lo suficientemente buena, siempre que:

• la diferencia de temperatura se mantiene lo más pequeña posible, y,
• la corriente se mantiene baja, porque la relación de calor movido sobre el calor de los desechos (para la misma temperatura en el lado caliente y fresco) QQwaste=PRI{displaystyle {frac {fnK} {fnK}}={frac} {fnK}} {f}} {fnK}}} {fnK}}}}} {fnK}}} {f}}}}} {fnK}}}}}}}} {f}f}}}}}}}} {} {}}}.

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

Usos

Los refrigeradores termoeléctricos se utilizan para aplicaciones que requieren una eliminación de calor que va desde milivatios hasta varios miles de vatios. Se pueden fabricar para aplicaciones tan pequeñas como un enfriador de bebidas o tan grandes como un submarino o un vagón de ferrocarril. Los elementos TEC tienen una vida útil limitada. Su fuerza de salud se puede medir por el cambio de su resistencia AC (ACR). A medida que se desgasta un elemento enfriador, el ACR aumentará.

Productos de consumo

Los elementos de Peltier se usan comúnmente en productos de consumo. Por ejemplo, se utilizan en camping, neveras portátiles, componentes electrónicos de refrigeración, sistemas de colchón para dormir e instrumentos pequeños. También se pueden utilizar para extraer agua del aire en deshumidificadores. Un enfriador eléctrico tipo autocaravana (12 V) generalmente puede reducir la temperatura hasta 20 °C (36 °F) por debajo de la temperatura ambiente, que es de 25 °C si el auto alcanza los 45 °C bajo el sol. Las chaquetas climatizadas están comenzando a usar elementos Peltier.

Los enfriadores termoeléctricos se pueden usar 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 enfriador Peltier con disipador de calor o bloque de agua puede enfriar un chip muy por debajo de la temperatura ambiente. Algunas CPU Intel Core a partir de la 10.ª generación son capaces de utilizar la tecnología Intel Cryo, que utiliza una combinación de refrigeración termoeléctrica y un intercambiador de calor líquido para ofrecer un rendimiento de refrigeración mucho mayor que el que normalmente es posible con la refrigeración líquida estándar. Las condiciones ambientales locales se controlan electrónicamente para evitar cortocircuitos por condensación.

Industrial

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, automoción, minirefrigeradores 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, los enfriadores Peltier se utilizan junto con un termistor en un circuito de retroalimentación para mantener una temperatura constante y, por lo tanto, estabilizar la longitud de onda del dispositivo.

Algunos equipos electrónicos destinados a uso militar en el campo se enfrían termoeléctricamente.

Ciencia e imágenes

Los elementos de 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 de biología molecular común, que requiere el rápido calentamiento y enfriamiento de la mezcla de reacción para la desnaturalización, el recocido de cebadores y los ciclos de síntesis enzimática..

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

El efecto se usa en satélites y naves espaciales para reducir las diferencias de temperatura causadas por la luz solar directa en un lado de la nave al disipar el calor sobre el lado frío y sombreado, donde se disipa como radiación térmica al espacio. Desde 1961, algunas naves espaciales sin tripulación (incluido el rover Curiosity Mars) 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 son alimentados por la descomposición de materiales radiactivos de alta energía.

Los elementos de Peltier también se usan para hacer cámaras de niebla para visualizar la radiación ionizante. Con solo pasar una corriente eléctrica, pueden enfriar los vapores por debajo de -26 °C sin hielo seco ni piezas móviles, lo que facilita la fabricación y el uso de las cámaras de niebla.

Los detectores de fotones, como los CCD de los telescopios astronómicos, los espectrómetros o las cámaras digitales de muy alta gama, a menudo se enfrían con elementos Peltier que se pueden organizar en una configuración de refrigeración en cascada de varias etapas. Esto reduce los recuentos oscuros debido al ruido térmico. Un conteo oscuro ocurre cuando un píxel registra un electrón causado por una fluctuación térmica en lugar de un fotón. En las fotos digitales tomadas con poca luz, se producen como motas (o "ruido de píxel").

Se utilizan en espectrómetros de dispersión de energía para enfriar los cristales del sensor, eliminando la necesidad de grandes vasos de nitrógeno líquido.