MÁQUINA FRIGORÍFICAY BOMBA DE CALOR...Bomba de calor T 2 Máquina frigorífica T T i = ambiental...

Á ÍMÁQUINA FRIGORÍFICA Y BOMBA DE CALOR

• Planteamiento de base de las técnicas de producción de fío y calor.

• Coeficiente de eficiencia energética (CEE).

• Producción de frío por compresión mecánica.

• Fluidos refrigerantes.

• Otros procesos de producción de frío: absorción, adsorción, eyección y termoeléctrico.Otros procesos de producción de frío: absorción, adsorción, eyección y termoeléctrico.

Dpto. INGENIERÍA ENERGÉTICA Y FLUIDOMECÁNICA

ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID

ASIGNATURA: TERMODINÁMICA TÉCNICA TRANSMISIÓN DE CALOR

GRADO: INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL1

PLANTEAMIENTO BASE

tica

Sistema 1Sistema 1 Si 2Si 2

Adi

abát

Flujo de CalorSistema 1Sistema 1 Sistema 2Sistema 2

A

T1 T2

T > TProceso natural T1 > T2






E d dSistema 1 Si 2Estado de equilibrio

Sistema 1 Sistema 2

T´1 T´2

´ ´T´1 = T´2

T´1 < T1Proceso naturalT´2 > T2






Fenómeno natural

Sistema 1 Sistema 2Flujo de Calor

Máquina frigoríficaT1 T2Bomba de calor Máquina frigorífica

Máquina frigorífica

Energía





GRADO: INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL

FOCO

Sistema i=

FOCO

(ambiente de referencia)

Bomba de calor T2

Máquina frigorífica TTi = ambiental de referencia

Máquina frigorífica T1

La máquina frigorífica absorbe calor de un sistema frío y lo cede almedio ambiente exterior.

Refrigeración industrial Hasta -60 ºCCriogenia Inferior a 100 ºCCriogenia Inferior a -100 CClimatización Hasta 4 ºC






Q í i S t i l d di l ió tiQuímicos Sustancias con calor de disolución negativos

Fusión Hielo, soluciones eutécticas.

S bli ió CO ólidSublimación CO2 sólidoCambiode estado Ciclo abierto Aire líquido, N2

C ióCompresiónVaporización Ciclo cerrado Absorción

EyecciónFísicos

C i é i V i ió HCriogénicas Vaporización He

Compresión-expansión Joule-ThomsonExpansión fluidos

d bl Má i d f íno condensables Máquinas de gases fríos

Efecto termoeléctrico E. PeltierEfectos Efecto magnetotérmico Haas-Debye-Giauque

i l Ef t t té i lé t i Etti hespeciales Efecto magnetotérmico-eléctrico EttinghassenEfecto Vortex Ranke-hilchs






COEFICIENTE DE EFICIENCIA ENERGÉTICA CEE

Sistema 1(Coefficient of performance COP)

T1Máquina frigorífica: 22

QQQ

=WQ

=CEEQ1

W

21 Q-QW

W=QQ⇒W=Q+Q

Q

W

B b d l 11 QQCEE

W=Q-Q⇒W-=Q+Q- 2121

T2

Q2 Bomba de calor:

2111Q -Q=W=CEE

Sistema 2






PRODUCCIÓN DE FRIO POR COMPRESIÓN MECÁNICA

Es un proceso ciclo de una sustancia pura, llamada refrigerante y normalmente se llama ciclo frigorífico.

Existen esencialmente dos tipos de ciclos de frigoríficos de compresión:

• Máquinas a compresión de fluidos que cambian de fase.Máquinas a compresión de fluidos que cambian de fase.

• Máquinas a compresión de fluidos que no cambian de fase.

E b l i l h i i ió ióEn ambos casos, los ciclos hacen intervenir una compresión y una expansión.

• La compresión se realiza sobre el refrigerante en fase gaseosa.

• La expansión se realiza sobre el refrigerante en fase líquida.

Las dos ecuaciones básicas que intervienen son:

∆U = ∆Q - W

P . V = R . T






Los procesos que comprende el ciclo simple de compresión de vapor son:

Compresión adiabática y reversible, desde vapor saturado hasta la presión del condensador. (1-2)

Cesión reversible de calor a presión constante en la zona de recalentamiento y posterior condensación. (2-3)

Expansión irreversible a entalpía constante desde líquido saturado hasta la presión del evaporador. (3-4)Expansión irreversible a entalpía constante desde líquido saturado hasta la presión del evaporador. (3 4)

Adición reversible de calor a presión constante durante la evaporación del vapor saturado. (4-1)

Estado 1 Estado 2

E t d 4 Estado 3Estado 4






CICLO DE REFRIGERACIÓN DE CARNOT

• De 1 a 2; tiene lugar, mediante la adicción de trabajo, una compresión isoentrópica (adibática yreversible) en la zona de vapor húmedo del diagrama.

• De 2 a 3; se produce la condensación completa del vapor, mediante la cesión reversible de calor aiópresión y temperatura constante.

• De 3 a 4; se produce una expansión isoentrópica desde el punto de líquido saturado hasta la presióncorrespondiente a la temperatura fría, se obtiene una mezcla de vapor y líquido y el sistema cede energía.

D 4 1 d l i ió i l d l lí id l d “4” i d• De 4 a 1; se produce la vaporización parcial del líquido presente en el estado “4”, siendo un proceso apresión y temperatura constante.

EnergíaW

Q2

Calor extraído

Energíaconsumida

Calor aportado

Q2






COEFICIENTE DE EFECTO FRIGORÍFICO

neto TrabajoiónRefrigeracC.E.E.

evev

TTT

ssTTssT

)(

C.E.E. 41

evconevcon TTssTT )( 42






CICLO SIMPLE DE COMPRESIÓN DE VAPOR ESTANDARLos procesos que comprende el ciclo simple de compresión de vapor son:• Compresión adiabática y reversible, desde vapor saturado hasta la presión del condensador. (1-2)• Cesión reversible de calor a presión constante en la zona de recalentamiento y posterior

condensación (2-3)condensación. (2-3)• Expansión irreversible a entalpía constante desde líquido saturado hasta la presión del evaporador.

(3-4)• Adición reversible de calor a presión constante durante la evaporación del vapor saturado. (4-1)






MODIFICACACIONES SOBRE EL CICLO IDEAL

Subenfriamiento del líquido refrigeranteEl refrigerante una vez condensado se enfría por debajo de su temperatura de condensación cediendocalor sensible puede realizarse:calor sensible, puede realizarse:

• En el propio condensador.• Con un intercambiador específico.






Recalentamiento de los vapores aspiradosEl refrigerante una vez evaporado no llega al compresor a la temperatura de evaporación sino queabsorbe calor sensible, pudiendo hacerlo:

• En la tubería de aspiración.• En un intercambiadorEn un intercambiador.• En el propio evaporador.






Subenfriamiento y recalentamiento mediante un intercambiador de calor• Mejora la potencia frigorífica.• No puede afirmarse que mejore el coeficiente de efecto frigorífico.• Evita los golpes de líquido.






Trabajo absorbido por el compresor W12=ṁ*(h2-h1)

Calor desprendido por el condensador Q23=ṁ*(h2-h3)

Válvula de expansión

C

Expansión isoentálpica h3 = h4

Calor absorbido en el evaporador Q14=ṁ*(h1-h4)

Compresor

121423 W=Q-Q

)h(h)h-(h

=)h(h*)h-(h*m

=WQ

=C.E.E. 414114

)h-(h)h-(h*mW 121212






1-2 Compresión real.CICLO SIMPLE DE COMPRESIÓN DE VAPOR REAL p

2-3 Desrecalentamiento y pérdida de carga en la tubería dedescarga.

3-4 Evolución en el condensador con su correspondiente pérdidade cargade carga.

4’-4 Posible subenfríamiento en el condensador .

4-5 Transferencia de calor y pérdida de carga más variación depresión por diferencia de cotas en la tubería de líquido.

Tmc Temperatura de entrada al condensador del agentecondensante.

T T d d d l di f i d l

5-6 Expansión isoentálpica en la válvula.

6-8 Evolución en el evaporador con su correspondiente pérdidade carga y recalentamiento útil (evaporador seco).

7 8 Recalentamiento útil en el evaporadorTme Temperatura de entrada del medio enfriado alevaporador .

1-a Pérdida de carga en la válvula de aspiración alcompresor.

7-8 Recalentamiento útil en el evaporador.

8-9 Recalentamiento útil en la línea de aspiración (dentro delrecinto a enfriar).

9- 1 Recalentamiento no útil en la línea de aspiración (fuera dela-b Calentamiento debido a la transferencia de calordesde el cilindro del compresor .

b-c Compresión real no isoentrópica.

c-2 Pérdida de carga en la válvula de escape del

recinto a enfriar).

ΔPk Pérdida de carga en el condensador.

ΔPo Pérdida de carga en el evaporador.

ΔP Pé did d l t b í d i ióc 2 Pérdida de carga en la válvula de escape delcompresor.

1-2s Compresión isoentrópica.

ΔPa Pérdida de carga en la tubería de aspiración.

ΔPd Pérdida de carga en la tubería de descarga.

ΔPl Pérdida de carga en la tubería de líquido.






DOBLE COMPRESIÓN

• El enfriamiento del vapor entre dos etapas de la compresión reduce el trabajo de la compresión.






Ciclos de doble compresión

Ciclo con intercambiador de refrigerante

Ciclo con inyección directa de refrigerante

Ciclos con inyección parcialCiclos con inyección parcial

Ciclos con inyección total






Doble compresión con inyección total de vaporp y p• Se mejora el coeficiente de efecto frigorífico.• Disminuye la temperatura en la impulsión del compresor.• Se reduce el precio del compresor.• Permite emplear un evaporador de menor tamaño.

︵︶︵︶h-h*h-h 1735︵︶︵︶

︶h -︵h* ︶h-︵h+︶h-︵h * ︶h-︵h

hhhh=CEE

78361756

1735






COMPRESIÓN EN CASCADA

Con el mismo refrigerante






Con distinto refrigerante






FLUIDOS REFRIGERANTES

Refrigerante o fluido frigorígeno es el fluido utilizado en la transmisión de calor que, en un sistema frigorífico, absorbecalor a bajas temperaturas y presión, cediéndolo a temperaturas y presión más elevada. Este proceso tiene lugar concambios de estado del fluido.

( l d S id d d l l i i ífi )(Reglamento de Seguridad de Plantas e Instalaciones Frigoríficas)

Historia (refrigeración por compresión)

Agua (desde la antigüedad)

1717 Cloruro de etilo

1834 Perkins Éter sulfúrico CFC1834 Perkins Éter sulfúrico CFC

1864 Tellier Éter metílico 1930 Midgley, Henne y Thompson

1866 Lowe Dióxido de carbono (CO2) (Diclorodifluorometano)

1874 Pi A híd id lf (SO )1874 Pictet Anhídrido sulfuroso (SO2)

1876 Linde Amoníaco (NH3) 1974 Rowland y Molina

1878 Vicent, Douene Cloruro de metilo (CH3Cl) Universidad de California

Protocolo de Montreal 1987






EL REFRIGERANTE ES UNA SUSTANCIA PURA

Fase sólidaFluido supercrítico

Fase líquida

Fase gaseosa






Fase sólidaFluido supercrítico

Fase líquida

Fase gaseosa






DIAGRAMA ENTÁLPICO






Clasificación de los refrigerantes:• Por su presión de trabajo:• Por su presión de trabajo:

* Baja presión (Temperatura de ebullición a presión atmosférica superior a 20 ºC).* Media presión (Temperatura de ebullición a presión atmosférica entre 20 y -30 ºC).* Alta presión (Temperatura de ebullición a presión atmosférica entre -30 y -80 ºC).* Muy alta presión (Temperatura de ebullición a presión atmosférica inferior a 80 ºC) Muy alta presión (Temperatura de ebullición a presión atmosférica inferior a -80 C).

• Según reglamento:* Grupo I (No es combustible ni tóxico).* Grupo II (Tóxico o corrosiva, combustible o explosiva a un 3,5 % o más de volumen).•Grupo III (Tóxico o corrosiva combustible o explosiva a un 3 5 % o menos de volumen)•Grupo III (Tóxico o corrosiva, combustible o explosiva a un 3,5 % o menos de volumen).

• Por comportamiento medioambiental:* CFC* HCFC* HFC HFC

• Por composición química:* Inorgánicos* Orgánicos

* Puros Puros* Mezclas (Zeotrópicas y Azeotrópicas)






DENOMINACIÓN DE LOS REFRIGERANTESLos refrigerantes se denominan o expresan por su fórmula o denominación química, o si procede,por su denominación simbólica numérica.

DENOMINACIÓN NUMÉRICADENOMINACIÓN NUMÉRICALa denominación de todos los refrigerantes comienza con la letra R que significa refrigerante,seguida de un cierto número de cifras y letras que representan:

REFRIGERANTES INORGÁNICOS• Comienzan con un 7 seguido de la masa molar redondeada.REFRIGERANTES ORGÁNICOSRefrigerantes mezclas azeótropicas• Se designan por un número de la serie 500 completamente arbitrario (*)• Se designan por un número de la serie 500 completamente arbitrario (*).• Se expresan mediante las denominaciones de sus componentes, intercalando, entre paréntesis, el

porcentaje en peso correspondiente a cada uno de ellos.

Refrigerantes mezclas no azeotrópicas (Zeotrópicas)• Se designan por un número de la serie 400 completamente arbitrario.• Se expresan mediante las denominaciones de sus componentes, intercalando, entre paréntesis, el

porcentaje en peso correspondiente a cada uno de ellosporcentaje en peso correspondiente a cada uno de ellos.






Refrigerantes puros• La primera cifra de la derecha, en los compuestos que carezcan de bromo, indicará el número de

átomos de flúor de su molécula.• A la izquierda de la anterior se indicará con otra cifra el número de hidrógeno de su molécula más

uno.• A la izquierda de la anterior se indicará con otra cifra el número de átomos de carbono de su

molécula menos uno.

C H F R ( 1) (b 1) ( )CaHbFc R (a-1) (b+1) (c)

• Si resulta cero no se indicará, el resto de enlaces se complementará con átomos de cloro.• Si la molécula contiene átomos de bromo se procederá de la manera indicada hasta aquí añadiendoSi la molécula contiene átomos de bromo se procederá de la manera indicada hasta aquí, añadiendo

luego a la derecha una B mayúscula, seguida del número de dichos átomos.• En los compuestos isómeros, el más simétrico (en peso atómico) se indicará sin letra alguna a

continuación de los números. Al aumentar la asimetría, se colocan letra a,b,c,etc.L d i á l l i i d l ú 1• Los compuestos no saturados seguirán las letras anteriores, anteponiendo el número 1 como cuartacifra, contando desde la derecha.

(ASHRAE 34-1992) (DIN 8962)( ) ( )






Nº de identificación del refrigerante. Nombre químico Fórmula química Peso molecular en

gramos Punto de ebullición en

º C a 1,013 bar Grupo segundo: Refrigerantes de media seguridadGrupo segundo: Refrigerantes de media seguridad

R-30R-40R-160R 611

Cloruro de metilenoCloruro de metiloCloruro de etilo

Formiato de metilo

CH2Cl2CH2Cl

CH3CH2ClHCOOCH

84,950,564,560

40,1-2412,531 2R-611

R-717R-764R-1130

Formiato de metiloAmoníaco

Anhídrido sulfuroso1,2-Dicloroetileno

HCOOCH2NH3SO2

CHCl = CHCl

601764

96,9

31,2-33-1048,5






PROPIEDADES DE LOS REFRIGERANTESi l d fl id f i l i i f bi d f iEn términos generales puede actuar como fluido refrigerante cualquier sustancia que sufra cambio de fase, sin

embargo, para su utilización en máquinas de compresión mecánica debe poseer una serie de propiedades: Propiedades físicas.

La tensión de vapor. l l l d i ió El calor latente de vaporización. La relación de compresión. La densidad. El calor específico. L i id d La viscosidad. La tensión superficial. La conductividad térmica. La rigidez dieléctrica.¡ L l id d d l id La velocidad del sonido.

Propiedades químicas. Comportamiento con los metales. Comportamiento con los elastómeros y plásticos. C i l i l b i Comportamiento con los aceites lubricantes. Comportamiento con el agua. Estabilidad química en general.

Propiedades fisiológicas. A l t i id d di t A la toxicidad directa A la toxicidad indirecta A la contaminación industrial

Propiedades termodinámicas. (estudio del ciclo frigorífico)






OTROS PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO

(ABSORCIÓN)

• Los gases producidos en el evaporador son absorbidos por una disolución.

• Los sistemas de absorción consumen energía térmica y muy poca energía mecánica.Los sistemas de absorción consumen energía térmica y muy poca energía mecánica.

• Existen sustancias que en estado líquido o sólido, gozan de la propiedad de absorber cantidadesimportantes de vapor de otras sustancias, absorción que va acompañada por un desprendimiento de calor.(Agua a 12 ºC absorbe 1000 veces en masa de amoniaco.)

• Inversamente si se les comunica una cierta cantidad de calor a la disolución formada, se desprende unacierta cantidad del vapor absorbido.






Máquina de absorción de agua bromuro de litio

Máquina de absorción de amoniaco agua

DISOLVENTE LiBr H2O

REFRIGERANTE H2O NH3

LiBr/H2O máquinas Tevaporador > 0º C

H2O/NH3 máquinas Tevaporador < 0º C






SUSTITUCIÓN DE CFC Y HCFC Y USO DE REFRIGERANTES INOCUOS.

PROPIEDADES DE REFRIGERANTES Y ABSORBENTES

Amoniaco (R-717) Agua (R-718) LiBr (Sal diluida)

Estabilidad química Media Alta Alta

Toxicidad Alta Nula BajaToxicidad Alta Nula Baja

Disponibilidad Alta Alta Alta

Efectos Contaminantes Bajos Nulos Nulos

ODP (Potencial Destructor del Ozono) 0 0 0

GWP (Efecto Invernadero) 0 0 0

TEI (I M di bi l T l) B j N l B jTEI (Impacto Medioambiental Total) Bajo Nulo Bajo

Coste Medio Bajo Medio






COEFICIENTE DE EFICIENCIA ENERGÉTICA






Calor extraído en el evaporadorTrabajo de bombeo Máquina de Te/ QeW

Calor cedido al medio ambiente

Ta /Qa

Calor extraído en la generación

Tg /Qg

absorción

WQQQ Balance de energía WQQQ gea

Balance de entropíaWgeau SSSSS g

Coeficiente efecto frigoríficoWQ

QEECg

e

...

Suponiendo todos los intercambios de calor a temperatura constante:

0 uSaaa TQS / eee TQS / ggg TQS / 0 wS






WQ

WTWQ

STTTT

TT

EECg

ag

uag

ea

e

g

111...

Normalmente W0,01Qg

uae TSTTTEEC 11

El C.E.E. Máx coincide con Su=0

ag

geag

TWQ

TTTT

EEC 1...

g

ag

ea

e

TTT

TTTEEC

...

El Coeficiente de Eficiencia Frigorífica de una máquina de absorción, se incrementa cuando ladiferencia entre la temperatura del evaporador (Te) y del medio (Ta) sea lo menor posible y latemperatura del generador sea lo mayor posible (T )temperatura del generador sea lo mayor posible (Tg).






Variación de la temperatura del generadorp g

CEE ↑ → Tg ↑

CE

E

Variación de la temperatura del condensador

CEE ↑ → Ta ↓

Variación de la temperatura del evaporador

CEE ↑ → Te ↑






CICLO DE REFRIGERACIÓN ( DIAGRAMA DE OLD-HAM)Es un diagrama de (P, T y x), y se utiliza para el cálculo del mezclas.






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1 25p

Xg

Xr XpQ2

QA

Qc

Q0

W38 4

X=CTE

po

cA TT11

´2

1T0

1T 1́

1T 2

1T






GENERADORGENERADORCALOR SENSIBLE

GENERADOR

CALOR SENSIBLE

GENERADOR

INTERCAMBIADORINTERCAMBIADORINTERCAMBIADORANTI CRISTALIZACIÓN

INTERCAMBIADORANTI CRISTALIZACIÓN

EXPANSIÓN

ABSORBEDOR

EXPANSIÓN

ABSORBEDORABSORBEDORABSORBEDOR







(EYECCIÓN)

Nota: evaporador a 6,35 mm de Hg






Los cálculos para el diseño de un eyector son engorrosos (ocurren tres procesos distintos: expansión, compresión yl d l h d fi d i d ) l i i d i lmezclado, por lo que hay métodos específicos para cada tipo de eyector), el mismo consiste en determinar las

longitudes de la tobera, el difusor y la cámara de mezcla, así como las áreas de flujo y sus ángulos. Una vezdiseñado el equipo, el mismo debe operar a las condiciones estacionarias para las cuales se diseñó y el cálculofundamental es el del coeficiente de eyección o relación de arrastre:

Eyector VenturiEntrada Salida

Flujo motor

EntradaFlujo Arrastrado

Flujo motor

evaporadorFlujo Arrastrado






Relaciones de presión estática y velocidad a lo largo del eyector






CALCULO DE UNA INSTALACIÓN FRIGORÍFICA DE EYECCIÓNCALCULO DE UNA INSTALACIÓN FRIGORÍFICA DE EYECCIÓN

QG = Calor suministrado en el generador

QE = Calor absorbido en el evaporador .

W = Equivalente del trabajo de la bomba.

QC = Calor cedido en el condensador.

︶h-︵hm=Q 81cG

CEG QWQQ

︶h-︵hm=W 58

︶h-︵hm=Q 67fE

︶h-︵hm=W 58c

︶h-︵h* ︶m+︵m=Q 54fcC






El coeficiente de efecto frigorífico se determina:

︶h-︵hm︶h-︵hmQ 67f67fE

︶h-︵h

︶h︵h

m

m=

︶h- ︵hm+︶h- ︵hm

︶h︵hm=

+WQ

Q=ε

61

67

c

f

68c81c

67f

G

E

Realizando un balance energético en el eyector, se obtendrá:

41f h-hm4fc7f1c h ︶m+m︵=hm+hm 74

41cf

h- hhh=m

m

6741E h-hh-hQ

El coeficiente de efecto frigorífico resulta:

6167

7441

GE

h-hh-h=+WQ=ε






En la realidad se debe tener en cuenta los siguientes rendimientos:

•o rendimiento de la tobera. (0,95-0,98)

• rendimiento de la cámara de mezcla (0 90 0 95)•1 rendimiento de la cámara de mezcla. (0,90-0,95)

•2 rendimiento de la difusión de vapor. (0,8-0,85)

*** 210r






V t j D t jVentajas • Son de diseño simple con gran flexibilidad,fáciles de construir, ocupan poco espacio, sonfá il d j fi bl

Desventajas • Su costo operacional es relativamente alto debido alconsumo de fluido motor, generalmente vapor. En este

tili t d di t t d lfáciles de manejar, fiables.

• Su costo de mantenimiento (no necesitalubricación, ni se desgasta) es bajo, no tienenpartes móviles como válvulas, pistones, rotores,

caso utiliza vapor tomado directamente de losgeneradores (alta presión), el que, después deexpandirse, mezclarse y comprimirse es totalmentecondensado, descargándose al pozo barométrico con

é did d t d l l t tp , p , ,etc. y las sustituciones de piezas o partes son pocofrecuentes (los más comunes son de toberas deacero inoxidable y de cámara y difusor de hierrofundido).

pérdidas de todo su calor latente.

• Sobre base anual el costo de operación esgeneralmente mayor que el costo inicial del equipo, deaquí que su rendimiento económico sea bajo.)

• Bajo costo de servicio o operación.

• No necesita cimentación y puede ser sujetadoconectando las tuberías.

q q j

• Tienen una baja eficacia mecánica y falta deflexibilidad para las variaciones de las condiciones deoperación.







(TERMOELECTRICO)

• Es una rama de la física en la que se estudia la transformación directa de energía térmica a eléctrica o lorecíproco, de electricidad a térmica.

• Se basa en los siguientes principios:

•En 1821 Seebeck descubre que se puede generar F.E.M. debido al gradiente de temperatura en un conductorformado por dos materiales distintos. Se define el coeficiente de Seeeck:

• En 1834 Peltier descubre que haciendo circular una corriente a través de una unión de dos conductoresT

V

21

En 1834 Peltier descubre que haciendo circular una corriente a través de una unión de dos conductoresdiferentes, se cede o absorbe calor según el sentido de la corriente. Se define el coeficiente de Peltier:

Iq

21•En 1855 W. Thomson predice un tercer efecto y halla las relaciones entre estos aplicando los dos primerosprincipios de la termodinámica. Haciendo circular una corriente eléctrica por un conductor y estableciendoun gradiente de temperatura se obtiene un flujo de calor. Se define el coeficiente de Thomson:

I

dTdT 21

12 T*2121 dxdTI

dxdq/*

/






La aparición de los semiconductores en 1926 permite la evolución de la termoelectricidadLa aparición de los semiconductores en 1926 permite la evolución de la termoelectricidad.

Hasta 1930 el enfriamiento termoeléctrico no fue factible. Telkes y Ioffee utilizando materiales semiconductores obtuvieron rendimientos aceptables.

•Telkes pares o soldaduras de PbS y Zn Sb•Telkes pares o soldaduras de PbS y Zn Sb.

•Ioffee pares o soldaduras de PbTe y PbSe.






APLICACIONES DE LA REFRIGERACIÓN TERMOELÉCTRICAAPLICACIONES DE LA REFRIGERACIÓN TERMOELÉCTRICA

• Conversión directa de electricidad en frío.

• Carece de refrigerante y de partes móviles.

• La potencia del sistema va desde una décima de W a 1kW.

• El salto de temperatura de una célula es de 60ºC.

• Aplicaciones en la refrigeración de equipos electrónicos.p g q p

VENTAJAS DE LA REFRIGERACION TERMOELÉCTRICA

• Mínima inercia en el proceso de generación de frío.

• Sistema compacto, de poco volumen.

• Tamaño reducido , lugares inaccesibles.

• No dispone de líquidos ni gases que puedan fugarNo dispone de líquidos ni gases que puedan fugar.

• Ausencia de ruidos y vibraciones.

• Reversible.

• Excelente precisión en el control de la temperatura.

• Facilidad de configuración multietapa.






DETERMINACIÓN DE CEE DE UN MÓDULO TERMOLECTRICO

Qo ToMetal

Tipo nTipo p Aislante eléctrico

Conductor térmicoQQvQu Tu QT

Conductor térmicoQI

Q T IQa Ta

+_

VuITpela QQQQQQ 2/12/12/1. VuITpelo QQQQQQ 2/12/12/1.






2,102,1 * T02,1. ** TIQpel IQpel *2,1.

Efecto Peltier

Efecto Thomson

)(** oaT TTIQ Efecto Joule

l* 2** IlQ

)( oaTQ

AlR

IA

QI 2* IRQI

Efecto de la conducción y conveccióny

)(** oav TTlAQ

)(** ouu TThAQ l






Al

Q

)(**)(**2/1***2/1)(***2/1** 212 oaouoao TT

lATThAI

AlTTITIQ

IVQEEC o

*...

IV

TTlATThAI

AlTTITI

EECoaouoa

*

)(**)(**2/1***2/1)(***2/1**...

212

El efecto Thomson es despreciable.

Las pérdidas laterales también son despreciables.

TTlAI

AlTI

EECoa )(*****2/1**

...2

12

IVEEC

*...






IV

TTlAI

AlTI

EECoa

*

)(*****2/1**...

212

IV

Material del Peltier

• Coeficiente de efecto Seebeck↑ *12 TZTCoeficiente de efecto Seebeck ↑

• La resistividad eléctrica ↓ *12ZT

• La Conductividad térmica ↓






Método de producción Tecnología Coste (*)

Instalación Eficiencia (*) Comercial Comentarios

CompresiónR-717 Muy probada Mayor Mejor Si Toxico e inflamable7 7

CompresiónHidrocarburos

Igual a la de HFC Similar Algo mejor Si Problemas seguridad

Compresión Compresión Mayor Menor Solo cascada Muy alta presiónpR-744

pmodificada Mayor Menor A.A. transp. Muy alta presión

Ciclo de aire Conocida Mayor Mucho menor A.A. transp. No aplicable en instalaciones fijas

Tubo Vortex Conocida Menor Mucho menor Enfriamiento localizado Pequeñas instalaciones

Absorción Probada Mayor Inferior Si Aprovechar energía residualesresiduales

Eyección Probada Mayor Mucho menor Si Puede ser interesante

Adsorción Comienzos Mayor Mucho menor Si Energía solar

(*) Respecto a una instalación de compresión de HFC´s






Método de producción Tecnología Coste (*)

InstalaciónEficiencia

(*) Comercial Comentariosp ( )

Termoeléctrico Conocido Mayor Mucho menor Si Pequeña potencia

Limitaciones material

Termoiónico Inicios Desconocido Sin datos No En investigaciónTermoiónico Inicios Desconocido Sin datos No Baja potencia

Magnético Inicios Mayor Mayor Prototipos Coste de material elevado

Stirling y derivados Inicios Mayor Mayor Investigación Baja potencia

Termoacústico Inicios Mayor Menor No En Investigación

Vuilleumier Inicios Similar Menor No En Investigación

Malone Inicios Desconocido Menor No En Investigación

(*) Respecto a una instalación de compresión de HFC´s






MÁQUINA FRIGORÍFICAY BOMBA DE CALOR...Bomba de calor T 2 Máquina frigorífica T T i = ambiental...

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