UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO INDUSTRIAL
PROYECTO FIN DE CARRERA
DISEO, ANLISIS, CONSTRUCCIN Y ENSAYO DE UN RECINTO
CLIMATIZADO CON TECNOLOGA PELTIER.
AUTOR: Carlos lvarez Martnez
MADRID, Junio de 2006
Resumen
1
ANLISIS, DISEO, CONSTRUCCIN Y ENSAYO DE UN RECINTO
CLIMATIZADO CON TECNOLOGA PELTIER.
Autor: lvarez Martnez, Carlos.
Directores: Arenas Alonso, Antonio; Vzquez Arias, Jorge.
Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO:
El principal objetivo del proyecto es disear, analizar, construir y ensayar un
recinto difano a climatizar para la conservacin ptima de algn objeto que, por sus
caractersticas, necesita estar a una determinada temperatura para su ptima
conservacin. El recinto se disear para la conservacin de un fondo antiguo, por lo
tanto se partirn de las medidas aproximadas que podra tener ste para el
dimensionado de la caja. El recinto pretende ser utilizado tanto para la conservacin del
fondo como para su exposicin, por lo que sus paredes deben ser transparentes. El
recinto se podr utilizar tambin para la conservacin y exposicin de otro u otros
objetos que cupieran en el interior y necesitaran de una temperatura aproximada a la del
fondo para su ptima conservacin.
El presente proyecto solo se centrar en conseguir la temperatura adecuada en
el recinto sin importarnos la humedad relativa ni la luminosidad, ya que como se van a
realizar distintos ensayos con el recinto, va a ser necesario poder montar y desmontar el
mismo, por lo que no se podr mantener en su interior una determinada humedad
relativa. Aparte, la normativa para conservacin de fondos antiguos dispone que el
recinto debera estar provisto de un sistema de ventilacin, del cual prescindiremos en
el presente proyecto. La intensidad luminosa y los filtros necesarios ya se dispondran
en la sala de exposicin.
Para el diseo se van a emplear tcnicas de simulacin CFD, por lo que tras la
construccin y ensayo del recinto, se aprovechar y se compararn los resultados
tericos obtenidos mediante FLUENT y resultados reales obtenidos en los ensayos
para verificar la viabilidad de la tecnologa y algoritmo empleado.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
Resumen
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Otro objetivo del proyecto es determinar que tipo de disipadores de calor son
ms idneos para este tipo de aplicaciones, por lo que en la construccin del recinto se
ha introducido la posibilidad de hacer una particin del mismo, y poder realizar as un
ensayo comparativo del funcionamiento de un disipador de aletas y un disipador de
agujas.
La connotacin de este proyecto es que para la refrigeracin del recinto se va a
utilizar una tecnologa emergente, que es la termoelectricidad, que todava no est muy
extendida, pero que tiene un futuro prometedor debido al gran nmero de aplicaciones
en las que puede ser empleada, y a las ventajas que presenta frente a la refrigeracin
convencional. Esta refrigeracin se har a travs de clulas Peltier. Las clulas Peltier
son unos dispositivos termoelctricos que se caracterizan por la aparicin de una
diferencia de temperatura entre las dos caras de un semiconductor cuando por l circula
una corriente elctrica. stas estarn colocadas en la base del recinto y harn de bombas
de calor termoelctricas. El principio de funcionamiento de una bomba de calor
termoelctrica es idntico al de cualquier bomba de calor, tomando calor de un foco fro
y cedindoselo a un foco caliente consumiendo un trabajo. Luego como objetivo ltimo
se verificar la capacidad tcnica de esta tecnologa para este tipo de aplicaciones y se
analizarn las ventajas e inconvenientes que presenta frente a otro tipo de tecnologas.
Se har un primer diseo del recinto, tanto en tamao como en materiales a
emplear y componentes necesarios, para as poder realizar una primera estimacin de
las cargas trmicas a las que estar sometido en las diferentes situaciones que se
consideren, y poder as elegir el nmero de clulas comerciales a emplear en funcin de
su potencia.
Una vez que se tenga el diseo inicial, se proceder a su estudio mediante
tcnicas de simulacin CFD. Para ello es necesario el uso de dos herramientas
informticas, GAMBIT y FLUENT. Con la primera se ejecutar el dibujo y mallado del
modelo y con la segunda se estudiarn todos los fenmenos fsicos que se dan en el
interior del recinto. De esta manera se podr obtener la distribucin de velocidades en
todo el recinto, y se podr tener una idea de cmo van a ser los gradientes de
temperatura ante diferentes situaciones, para intentar suavizarlos todo lo posible y tener
una temperatura lo ms homognea posible en todo el espacio interior. De esta manera,
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
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se irn introduciendo modificaciones en el diseo, para finalmente optar por una
disposicin de ventiladores adecuada.
Posteriormente se realizar un ajuste de todos los resultados obtenidos y se
decidirn cuales van a ser los parmetros finales que se usarn para la construccin del
prototipo experimental y seleccin de los elementos Peltier y sistemas auxiliares
necesarios para mantener la temperatura entre mrgenes estrechos.
Por ltimo se construir el recinto y se realizarn una serie de ensayos para
comprobar que nuestro prototipo responde a las expectativas, y analizar los resultados
desde el punto de vista tcnico.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
Resumen
4
ANALYSIS, DESIGN, CONSTRUCTION AND TEST OF AN AIR-
CONDITIONED COMPOUND WITH PELTIER TECHNOLOGY.
Author: lvarez Martnez, Carlos.
Director: Arenas Alonso, Antonio; Vzquez Arias, Jorge.
Collaborator Company: ICAI Universidad Pontificia Comillas.
ABSTRACT.
The main objective of the project is to design, analyze, construct and test a diaphanous
compound to refrigerate for the ideal conservation of some object that, for its
characteristics, needs to be to a certain temperature for its ideal conservation. The
compound will be designed for the conservation of an ancient book, therefore this
dimensions will be the starting point for the appropriate dimensioning the box. The
compound will be used both for the conservation of the book and for its exhibition, for
what its walls must be transparent. The compound will also be able to be used also for
the conservation and exhibition of one or several other objects which must fit inside the
box and that they may need a temperature approximate than the one of the main object
for its ideal conservation.
The present project will be focused exclusively on obtaining the wanted temperature
inside the enclosed space without taking into account of either the relative humidity or
the luminosity, given the need of testing the compound, that will require being able
assemble and dismantle it. This implies that no relative humidity could be fixed.
Besides this, the regulation for conservation of ancient cultural funds establishes that
the enclosed space should be provided with a ventilation system. However the study
carried out in this project will not consider this in order to adjust the results to the real
behaviour of the variables. The luminous intensity and the necessary filters would be
set in the exhibition room.
Technologies of CFD simulation are going to be used for the design, because of that the
theoretical results, obtained by means of FLUENT software, will be compared with the
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Resumen
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real ones, once the built and the trials have been developed. This will verify the
technology viability and the employed algorithm.
Another objective of the project is to determine what sort of heat spendthrifts are more
suitable for this kind of applications, for what in the construction of the compound there
has got the possibility of doing a partition of the same one, and to be able to realize this
way a comparative test of the functioning of a spendthrift of fins and a spendthrift of
needles.
The key point of this project is that an emergent technology is going to be employed for
the refrigeration of the enclosed space. This new technology is the thermoelectricity,
which still is not very widespread, but which has a promising future due to the great
number of applications in those it can be used, and to the advantages that it presents
against the conventional refrigeration systems.
This refrigeration will be done by means of Peltier cells. The Peltier cells are
thermoelectric devices that are characterized by the appearance of a difference of
temperature between both faces of a semiconductor when along it an electrical current
circulates. These cells will be placed in the base of the compound and will do of
thermoelectric bombs of heat. The principle of operation of a thermoelectric bomb of
heat is identical to that of any bomb of heat, taking heat of a cold area and yielding to a
warm area by consuming a work.
Then, as a last objective of the project, the technical capacity of this technology for this
kind of applications will be verified and also the advantages and disadvantages that it
presents opposite to another kind of technologies will be analyzed.
The first design of the enclosed space will be done, both in size and materials to be
used and the necessary components, to be able to realize the first estimation of the
thermal charges to which it will be submitted in the different situations that are
considered, and to be also able to choose the number of commercial cells to use
depending on its power.
As soon as the initial design is had, its study will be carried out by means of
technologies of CFD simulation. For it there is necessary the use of two computer tools,
GAMBIT and FLUENT. With the first one the drawing will be executed and mesh of
the model and with the second one there will be studied all the physical phenomena that
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Resumen
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are given inside the compound. Hereby it will be possible obtain the speed distribution
in the whole compound, and it will be possible to have an idea of how they are going to
be the gradients of temperature in different situations, trying to smooth them and have
an as homogeneous as possible temperature in the whole interior space. Hereby,
modifications will be getting in the design, finally to choose for a suitable configuration
of the fans.
Later, an adjustment of all the obtained results will be realized, and it will be decided
which of them are going to be the final parameters that will be used for the construction
of the experimental prototype and selection of the Peltier elements and auxiliary
necessary systems to support the temperature between narrow margins.
Finally the compound will be built and some tests will be realized to verify that our
prototype responds to the expectations, and to analyze the results from the technical
point of view.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
ndice
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MEMORIA DESCRIPTIVA
1. Introduccin y planteamiento del proyecto...................................................pg.n 2
2. Descripcin de las tecnologas ..................................................................... pg.n8
3. Descripcin del modelo desarrollado.......................................................... pg.n50
4. Anlisis de los resultados.............................................................................pg.n96
5. Conclusiones...............................................................................................pg.n137
6. Bibliografa.................................................................................................pg.n142
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1. Introduccin y planteamiento del proyecto...................................................pg.n 2
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2. Descripcin de las tecnologas.......................................................................pg.n8
2.1. Efecto Seebeck........................................................................................... pg.n 9
2.2. Efecto Peltier............................................................................................ pg.n 11
2.3. Efecto Thomson....................................................................................... pg.n 13
2.4. Efecto Joule.............................................................................................. pg.n 14
2.5. Efecto Fourier.......................................................................................... pg.n 16
2.6. Anlisis del modelo elemental de clula Peltier...................................... pg.n 17
2.7. Semiconductores...................................................................................... pg.n 27
2.7.1. Bandas de energa....................................................................... pg.n 28
2.7.2. Tipos de semiconductores........................................................... pg.n 30
2.8. Refrigeracin termoelctrica.................................................................... pg.n 31
2.9. Gambit...................................................................................................... pg.n 42
2.10. Fluent 6.2........................................................................................... pg.n 44
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3. Descripcin del modelo desarrollado...........................................................pg.n50
3.1. Objetivos y especificacin....................................................................... pg.n 50
3.2. Datos........................................................................................................ pg.n 52
3.3. Algoritmos............................................................................................... pg.n 60
3.3.1. Eleccin de la clula................................................................... pg.n 62
3.4. Implantacin numrica............................................................................. pg.n 64
3.4.1. Calculo de la carga trmica del recinto....................................... pg.n 64
3.4.2. Implantacin en Gambit.............................................................. pg.n 65
3.4.2.1. Diseo del recinto........................................................ pg.n 65
3.4.2.2. Mallado de la geometra............................................... pg.n 68
3.4.2.3. Condiciones de contorno.............................................. pg.n 74
3.4.3. Implantacin en Fluent................................................................ pg.n 76
3.4.3.1. Importacin de la malla................................................ pg.n 76
3.4.3.2. Condiciones de operacin............................................ pg.n 77
3.4.3.3. Definicin de los materiales......................................... pg.n 78
3.4.3.4. Condiciones de contorno.............................................. pg.n 79
3.4.3.5. Proceso de iteracin..................................................... pg.n 83
3.5. Construccin del modelo......................................................................... pg.n 89
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4. Anlisis de los resultados.............................................................................pg.n96
4.1. Anlisis del modelo conveccin-conduccin-conveccin....................... pg.n 96
4.2. Anlisis de los resultados del caso inicial.................................................pg.n 98
4.3. Anlisis de los resultados del caso definitivo.........................................pg.n 105
4.4. Anlisis con el software de kryotherm....................................................pg.n 120
4.5. Anlisis de los resultados del ensayo......................................................pg.n 125
4.6. Anlisis de sensibilidad...........................................................................pg.n 133
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5. Conclusiones...............................................................................................pg.n137
5.1. Conclusiones sobre la metodologa........................................................ pg.n 137
5.2. Conclusiones de los resultados.............................................................. pg.n 139
5.3. Recomendaciones para futuros estudios................................................ pg.n 141
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
Introduccin y planteamiento del proyecto
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MEMORIA DESCRIPTIVA
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
Introduccin y planteamiento del proyecto
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1. INTRODUCCIN Y PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO.
El presente proyecto aborda el estudio, anlisis, diseo, construccin y ensayo
de un pequeo recinto difano a climatizar mediante clulas Peltier. Las clulas Peltier
son unos dispositivos termoelctricos que se caracterizan por la aparicin de una
diferencia de temperatura entre las dos caras de un semiconductor cuando por l circula
una corriente elctrica. stas estarn colocadas en la base del recinto y harn de bombas
de calor termoelctricas. El principio de funcionamiento de una bomba de calor
termoelctrica es idntico al de cualquier bomba de calor, tomando calor de un foco fro
y cedindoselo a un foco caliente consumiendo un trabajo. sta es una alternativa a la
clsica refrigeracin mediante compresin de vapores con cambio de fase, en la que se
establece un determinado ciclo para un gas que es comprimido para su posterior
expansin, con la correspondiente absorcin de calor. Como consecuencia en todo
circuito frigorfico se requiere de un condensador, evaporador, circuito de expansin y
refrigerantes, mientras que en un circuito termoelctrico solo se requieren una o varias
clulas Peltier y los disipadores de calor oportunos, segn la aplicacin. La
refrigeracin termoelctrica supone una alternativa a los sistemas utilizados
habitualmente. Los principales fenmenos fsicos que intervienen en la refrigeracin
termoelctrica son los efectos: Seebeck, Peltier, Thomson, Joule y Fourier, pero de
stos, nicamente el efecto Peltier es el que hace que el proceso de refrigeracin sea
posible.
El recinto ser diseado para la exposicin al pblico en emplazamientos
cerrados (tales como museos) de determinados objetos que por sus circunstancias
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Introduccin y planteamiento del proyecto
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necesitan de unas condiciones de humedad y temperatura muy precisas para su ptima
conservacin. Con la tecnologa Peltier, este mantenimiento de la temperatura es ms
preciso que con los equipos de refrigeracin convencionales, donde el motor se conecta
y se desconecta, cosa que no ocurre con la termoelectricidad. Adems se tiene la
posibilidad de enfriar o calentar el recinto indistintamente simplemente invirtiendo la
polaridad de la tensin aplicada, y se har de una forma silenciosa, ya que el equipo no
posee elementos ruidosos, al contrario que en un circuito frigorfico, donde existen
elementos tales como el compresor que producen cierto nivel de ruido. Por otro lado se
podra asegurar la estanqueidad del recinto para que la humedad relativa se mantenga
constante en su interior.
En este proyecto se disear el recinto para la exposicin y conservacin de un
fondo antiguo, ste ser de forma rectangular y tendr aproximadamente las siguientes
dimensiones:
- Base: 50 x 75 cm
- Altura: 50 cm
La base del recinto ser de madera, reforzada si fuera necesario de una
estructura metlica, y en ella estarn alojadas el nmero de clulas Peltier necesarias
para la climatizacin del recinto. Cada clula tendr tanto en su lado fro como en su
lado caliente un disipador de calor asistido por un ventilador.
Las paredes laterales y la pared superior han de ser transparentes para la
contemplacin del fondo y adems debern presentar cierta resistencia al impacto, por
lo que sern de metacrilato o de policarbonato compacto, que presentan estas
caractersticas y algunas ms, tales como su baja densidad en comparacin con el vidrio
y su baja conductividad trmica.
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Introduccin y planteamiento del proyecto
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En el estudio de aplicaciones que pueden usar la refrigeracin termoelctrica,
frente al sistema convencional de compresin de vapor, la termoelectricidad ofrece un
gran nmero de ventajas, ya que, los equipos son mucho ms compactos, ms pequeos
y adems resultan totalmente respetuosos con el ambiente porque no llevan ningn tipo
de fluidos frigorferos. Adems de esto, la refrigeracin termoelctrica posee diversas
ventajas, algunas ya mencionadas, entre las que se pueden destacar:
- Produccin de fro y calor indistintamente simplemente invirtiendo la polaridad
de la tensin aplicada.
- Fcil variacin de la potencia refrigerante, actuando sobre la tensin de
alimentacin.
- No necesitan mantenimiento.
- No posee elementos mviles (excepto los ventiladores).
- Asegura la estanqueidad del elemento a refrigerar.
- Puede funcionar en cualquier posicin.
- El mantenimiento de la temperatura es ms preciso.
En funcin de las caractersticas de la refrigeracin termoelctrica expuestas, el
campo de estudio y aplicacin de sta es muy amplio. Es posible el estudio de
aplicaciones concretas tales como: refrigeracin de cuadros elctricos, refrigeracin de
frigorficos porttiles, sistemas de refrigeracin de aire acondicionado para habitculos
reducidos, sistemas de refrigeracin para aplicaciones en medicina, etc.
El rendimiento del equipo refrigerante termoelctrico va en funcin de varios
factores: buen asentamiento de las clulas termoelctricas tanto en el disipador del lado
caliente como en el bloque de ajuste para evitar prdidas. En cuanto a los disipadores
deben poseer un coeficiente de conductividad adecuado y una superficie lo mas grande
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Introduccin y planteamiento del proyecto
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posible, para que la evacuacin de calor sea efectiva, procurando al disipador de calor
una conveccin forzada suficiente, para facilitar la emisin de calor al exterior, por que
cuanto mas baja mantengamos la temperatura del lado caliente menores temperaturas
obtendremos en el lado fro, dado que el salto trmico de las clulas termoelctricas
permanece aproximadamente constante. Tambin es importante calcular la intensidad
de funcionamiento ptimo, para obtener el mximo rendimiento. Esto es de
fundamental importancia para un buen aprovechamiento del equipo, debido la gran
sensibilidad del rendimiento de los sistemas en funcin del montaje idneo. Elementos
similares, bien o mal elaborados, pueden tener grandes diferencias tanto en cuanto al
salto trmico mximo, como a la potencia frigorfica.
Una clula o placa termoelctrica est constituida por una serie de elementos
semiconductores de tipos N y P, que estn dispuestos sobre una superficie cermica,
elctricamente en serie y trmicamente en paralelo. . Las placas cermicas que estn
dispuestas en ambas caras llevan pistas de cobre que permiten unir los semiconductores
elctricamente en serie y trmicamente en paralelo.
Las clulas convencionales que se comercializan en el mercado, esencialmente
estn compuestas por dos tipos de elementos semiconductores, Telururo de Bismuto y
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Introduccin y planteamiento del proyecto
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Seleniuro de Antimonio. Debido a la escasez de alguno de los componentes y a su baja
produccin, el coste de estos an no es del todo comercial.
Con el presente proyecto se pretende verificar la capacidad tcnica de la
tecnologa Peltier para este tipo de aplicaciones, adems de las ventajas que pueden
presentar las tcnicas de simulacin CFD en los procesos de climatizacin. Tambin se
analizarn las geometras ms idneas de disipadores de calor para este tipo de
aplicaciones y se intentarn obtener criterios de diseo evaluados experimentalmente
para extender a otras aplicaciones.
Para el diseo y construccin del pequeo recinto difano a climatizar se
empezar realizando un estudio terico de las ecuaciones bsicas en termoelectricidad.
Una vez familiarizado con esta teora bsica se proceder al anlisis de un modelo
elemental de clula Peltier. A partir de las ecuaciones generales de un modelo
elemental de clula se obtendrn una serie de curvas caractersticas que permitan
observar el comportamiento de la potencia trmica ante la variacin de las variables de
funcionamiento, es decir, aquellas variables que pueden ser modificadas durante el
funcionamiento, bien como perturbacin de entrada o bien como respuesta a esta
perturbacin por las acciones de control.
Tras este anlisis de la clula elemental (que en definitiva se trata de una clula
ideal), se estudiarn aquellos elementos (tales como soldaduras, elementos
estructurales) que aadidos a esta clula elemental le dan la configuracin de una clula
real, y de cmo afectan estos elementos al funcionamiento de la clula, con el fin de
calcular la potencia trmica o frigorfica que realmente la clula va a dar y de
familiarizarse con el funcionamiento real de la clula.
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Introduccin y planteamiento del proyecto
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Dado este primer paso, se har un primer diseo del recinto, tanto en tamao
como en materiales a emplear y componentes necesarios, para as poder realizar una
primera estimacin de las cargas trmicas a las que estar sometido en las diferentes
situaciones que se consideren, y poder as elegir el nmero de clulas comerciales a
emplear en funcin de su potencia.
Una vez que se tenga el diseo inicial, se proceder a su estudio mediante
tcnicas de simulacin CFD. Para ello es necesario el uso de dos herramientas
informticas, GAMBIT y FLUENT. Con la primera se ejecutar el dibujo y mallado del
modelo y con la segunda se estudiarn todos los fenmenos fsicos que se dan en el
interior del recinto. De esta manera se podr obtener la distribucin de velocidades en
todo el recinto, y se podr tener una idea de cmo van a ser los gradientes de
temperatura ante diferentes situaciones, para intentar suavizarlos todo lo posible y tener
una temperatura lo ms homognea posible en todo el espacio interior. De esta manera,
se irn introduciendo modificaciones en el diseo, para finalmente optar por una
disposicin de ventiladores adecuada.
Posteriormente se realizar un ajuste de todos los resultados obtenidos y se
decidirn cuales van a ser los parmetros finales que se usarn para la construccin del
prototipo experimental y seleccin de los elementos Peltier y sistemas auxiliares
necesarios para mantener la temperatura entre mrgenes estrechos.
Por ltimo se construir el recinto y se realizarn una serie de ensayos para
comprobar que nuestro prototipo responde a las expectativas, y analizar los resultados
desde el punto de vista tcnico.
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Introduccin y planteamiento del proyecto
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Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
8 Descripcin de las tecnologas 2. DESCRIPCIN DE LAS TECNOLOGAS
En 1821 el cientfico alemn Thomas Johann Seebeck (1770 1831) encontr
que un circuito conformado por la unin de dos metales distintos deflectaba la aguja de
una brjula al colocar a distintas temperaturas las soldaduras entre los dos metales.
Slo dos aos antes Hans Christian Oersted (17771851) haba descubierto que
la circulacin de una corriente a travs de un conductor tena efectos similares sobre la
aguja de una brjula. Este hecho, sumado a los estudios posteriores por Ampere, Biot,
Savart y Laplace entre otros, sobre la interaccin entre una corriente elctrica y el
campo magntico, llev a Oersted a rebautizar el fenmeno, originalmente denominado
termomagnetismo por Seebeck, como termoelectricidad.
Oersted comprendi que era una diferencia de potencial elctrico lo que la
diferencia de temperaturas induca sobre el circuito. Ms an, la relacin entre el
voltaje generado y la diferencia de temperatura se demostr lineal, caracterizada por el
denominado coeficiente Seebeck o poder termoelctrico.
Jean Charles Athanase Peltier (1785 1845) encontr en 1834 que la circulacin de
corriente a travs de un circuito conformado por dos metales distintos puede emitir o
absorber calor en la unin de los mismos, dependiendo de la direccin de la corriente.
La cantidad de calor absorbida o emitida en la unin resulta proporcional a la corriente
elctrica mediante el coeficiente Peltier.
Al igual que Seebeck, la interpretacin original de Peltier fue errnea,
argumentando la invalidez del efecto Joule a bajas corrientes. La correcta interpretacin
del fenmeno llegara en 1838 en un trabajo por parte de Emily Lenz (1804 1865).
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
9 Descripcin de las tecnologas
Otros veinte aos debieron pasar para que William Thomson desarrollara
explicaciones detalladas de los efectos Seebeck y Peltier, describiendo la interrelacin
termodinmica entre ambos. En este estudio, Thomson predice adems la existencia de
un tercer efecto termoelctrico, hoy conocido como efecto Thomson en el cual se
absorbe o emite calor cuando una corriente recorre un material en el que existe un
gradiente de temperaturas. En este caso la cantidad de calor asociada es proporcional a
ambos, el gradiente trmico y la corriente circulante, a travs del coeficiente
Thompson.
2.1. EFECTO SEEBECK
Anlisis cualitativo
El efecto Seebeck puede explicarse en trminos de la teora de electrones libres
en metales. Segn esta aproximacin, los electrones en un metal se mueven al azar, sin
sufrir el efecto de fuerza neta alguna, al estar rodeados por otros iones en forma
simtrica.
Cerca de la superficie del material la situacin es diferente, debido a la ausencia
de simetra. Si ahora se colocan dos materiales formando una unin, la diferencia en
densidades electrnicas a ambos lados de la interfase se traduce en una fuerza neta
sobre los electrones, que tienden a moverse del material con mayor densidad a aquel
con menos. Este flujo de electrones induce la aparicin de un campo elctrico y
consecuentemente de una diferencia de potencial en la unin.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
10 Descripcin de las tecnologas
Consideremos ahora un circuito formado por dos de estas uniones puestas en
serie, en lo que comnmente se denomina un termopar. Si la temperatura de las dos
uniones que conforman el termopar es la misma, los campos elctricos formados en
cada unin tendrn igual mdulo, pero signos distintos, por lo que la diferencia de
potencial a lo largo de todo el circuito ser nula.
Si por otro lado, una de las uniones est a mayor temperatura, los electrones de
la unin ms caliente vibrarn ms y el campo elctrico generado en esta unin ser
distinto (mayor) al generado en la unin a menor temperatura. De esta manera, la
diferencia de temperaturas entre las uniones se evidencia como una diferencia de
potencial en el circuito.
Anlisis cuantitativo
Si consideramos dos conductores A y B de materiales distintos (Fig. 1), unidos
en sus extremos y con estas uniones a temperaturas T y T+DT, el efecto Seebeck hace
que al abrir el circuito formado por los dos conductores aparezca entre estos extremos
una diferencia de potencial que llamaremos AB (f.e.m. termoelctrica o de Seebeck) ,
tal que:
, coeficiente de Seebeck del par, cuyo valor depende de la naturaleza de los materiales
que forman los conductores A y B (en la figura B > B A), as como de las temperaturas
absolutas.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
11 Descripcin de las tecnologas
Fig. 2
representa el coeficiente Seebeck del material, y es una propiedad mucho ms
acusada en los materiales semiconductores que en los metales. Los metales tienen
coeficientes Seebeck que no exceden de unos cuantos V / C, mientras que los
materiales semiconductores tienen coeficientes Seebeck que se aproximan a cientos de
V / C.
2.2. EFECTO PELTIER
Anlisis cualitativo
Como se ha visto en la seccin correspondiente al efecto Seebeck, existe un
campo elctrico en la unin entre dos materiales distintos. Cuando una fuente externa
induce un flujo electrnico en el sentido del campo elctrico, los electrones deben
transformar su energa cintica en energa potencial. Un movimiento ms lento de los
electrones, puede visualizarse como en una disminucin de la temperatura. Si por el
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
12 Descripcin de las tecnologas contrario, los electrones se mueven en sentido opuesto, su velocidad aumenta por efecto
del campo elctrico extra. Este aumento de la velocidad electrnica puede verse
nuevamente como un aumento de la temperatura.
Anlisis cuantitativo
El efecto Peltier se pone de manifiesto cuando una corriente elctrica I pasa de
un conductor a otro siendo ambos de materiales distintos, absorbindose o disipndose
en la unin, de forma reversible, una potencia trmica dada por:
siendo el coeficiente Peltier, el cual, tambin, depende de la naturaleza de los
materiales que forman los conductores y de la temperatura absoluta de la unin.
Como se deduce de la frmula escrita anteriormente, el calor transferido depende
de la temperatura de la unin ya que la energa interna vara con ella.
El efecto Peltier est muy ligado al efecto Seebeck existiendo una relacin entre
ambos coeficientes de la forma:
= T
donde T es la temperatura absoluta de la unin.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
13 Descripcin de las tecnologas 2.3. EFECTO THOMSON
El efecto Thomson se manifiesta cuando circula una corriente elctrica I entre
los extremos de un conductor que se encuentra a diferentes temperaturas (T1 y T2), y
consiste en la absorcin o disipacin de forma reversible de una potencia trmica
a lo largo del conductor, siendo el coeficiente Thomson, que al igual que los anteriores
depende de la naturaleza del material y de su temperatura.
Fig. 3
Se trata de un calor reversible ya que pasa de ser cedido a ser absorbido cuando
se cambia el sentido en que la corriente circula respecto al gradiente de temperaturas a
lo largo del conductor.
Lord Kelvin estudi el caso de una pequea circulacin de cargas elctricas a lo
largo de un circuito cerrado y aplic a ste el primer principio de la termodinmica
(conservacin de la energa), y la condicin de variable de estado para la entropa
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
14 Descripcin de las tecnologas (suma de los cambios de entropa en el ciclo cerrado igual a cero). Con las hiptesis de
no existir generacin de calor por causa de la resistencia elctrica (efecto Joule) y de no
producirse flujo de calor por conduccin trmica entre los extremos de los conductores
a distintas temperaturas (efecto Fourier), dedujo las siguientes relaciones que llevan su
nombre:
2.4. EFECTO JOULE
Si en un conductor circula electricidad, parte de la energa cintica de los
electrones se transforma en calor debido al choque que sufren los electrones con las
molculas del conductor por el que circulan elevando la temperatura del mismo; este
efecto es conocido como efecto Joule en honor a su descubridor el fsico britnico
James Prescott Joule.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
15 Descripcin de las tecnologas
Fig. 4
Los slidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los tomos
o molculas los vrtices de las celdas unitarias, y a veces tambin el centro de la celda o
de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones
son impulsados por el campo elctrico a travs del slido debiendo en su recorrido
atravesar la intrincada red de tomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan
con estos tomos perdiendo parte de su energa cintica que es cedida en forma de
calor. Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energa
calorfica producida por una corriente elctrica, depende directamente del cuadrado de
la intensidad de la corriente, del tiempo que sta circula por el conductor y de la
resistencia que opone el mismo al paso de la corriente".
Matemticamente:
Q = I2R
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
16 Descripcin de las tecnologas 2.5. EFECTO FOURIER
Anlisis cualitativo
En los slidos, la nica forma de transferencia de calor es la conduccin. Si se
calienta un extremo de una varilla metlica de forma que aumente su temperatura, el
calor se transmite hasta el extremo ms fro por conduccin. No se comprende en su
totalidad el mecanismo exacto de la conduccin de calor en los slidos, pero se cree
que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energa
cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teora explica por qu los buenos
conductores elctricos tambin tienden a ser buenos conductores del calor.
Anlisis cuantitativo
La velocidad de conduccin de calor a travs de un cuerpo por unidad de
seccin transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
(con el signo cambiado). Sea J la densidad de corriente de energa (energa por unidad
de rea y por unidad de tiempo), que se establece en la barra debido a la diferencia de
temperaturas entre dos puntos de la misma. La ley de Fourier afirma que hay una
proporcionalidad entre el flujo de energa J y el gradiente de temperatura.
Siendo K una constante caracterstica del material denominada conductividad trmica.
En nuestro caso, consideraramos la conductividad del material semiconductor
(termoelemento) y el T entre uniones. Se trata tambin de un fenmeno irreversible.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
17 Descripcin de las tecnologas 2.6. ANLISIS DEL MODELO ELEMENTAL DE CLULA
PELTIER
A continuacin se analizan las ecuaciones que gobiernan la manifestacin
simultnea de los efectos reversibles e irreversibles en un par termoelctrico. Ntese
que la potencia trmica generada o absorbida por el efecto Peltier se manifiesta
nicamente en la superficie de unin de los termoelementos, cuando las cargas
elctricas pasan de un material a otro, teniendo stos distintas propiedades
termoelctricas. Sin embargo, las potencias trmicas asociadas a los efectos Joule y
Thomson tienen carcter volumtrico, y se generan o absorben en el seno del material;
el primero por el simple movimiento de las cargas elctricas, mientras que el segundo
se produce al moverse las cargas elctricas entre puntos de distintas temperaturas.
El estudio del par lo iniciamos con el estudio de cualquiera de los termoelementos que
lo forman, para despus estudiar el acoplamiento de los dos.
El modelo elemental considera flujos trmicos y elctricos estacionarios y
unidimensionales, superficies laterales adiabticas y dielctricas, y los extremos con
temperaturas dadas y constantes.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
18 Descripcin de las tecnologas
Fig. 5
Estudiando dos secciones contiguas separadas una distancia x, en rgimen
estacionario se verifica que:
siendo:
considerando nicamente variacin de temperatura en la direccin del eje x (anlisis
unidimensional).
De aqu se establece la ecuacin diferencial que rige la distribucin de
temperaturas en todo el conductor, considerando simultneamente los efectos Fourier,
Joule y Thomson.
Al integrar esta ecuacin diferencial considerando que las propiedades del
material (, y ) son constantes, obtenemos la distribucin de temperaturas y la
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
19 Descripcin de las tecnologas potencia trmica a travs de una seccin cualquiera a cualquier distancia x a lo largo del
conductor.
Tras desarrollar los trminos exponenciales que aparecen en las soluciones en series de
Taylor entorno al punto = 0* , obtenemos que:
y restando las potencias trmicas intercambiadas en ambos extremos:
Dicha diferencia es la suma de las potencias trmicas que se generan en el seno
del termoelemento, correspondientes al efecto Thompson y Joule.
Los signos de las ecuaciones anteriores corresponden a la figura 1.2:
Positivos (+), sentido positivo del eje x; en x = 0 cuando el flujo entra en el
termoelemento y en x = L cuando el flujo sale del termoelemento.
Negativos (-), sentido negativo del eje x; en x = 0 cuando el flujo sale del
termoelemento y en x = L cuando el flujo entra en el termoelemento.
De forma general se llama par termoelctrico al conjunto de dos elementos de
materiales con valores distintos de sus coeficientes Seebeck, a travs de los cuales
circula una corriente elctrica. Para el bombeo de calor entre dos focos, suelen
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
20 Descripcin de las tecnologas utilizarse clulas formadas por la agrupacin de numerosos termoelementos conectados
elctricamente en serie, pero trmicamente en paralelo, adoptndose una disposicin
similar a la mostrada en la siguiente figura:
Fig. 6
Adems de las potencias trmicas de carcter volumtrico, estn presentes las
debidas al efecto Peltier (de carcter superficial en las uniones entre materiales
distintos).
Donde el material C correspondera al metal de unin de ambos
termoelementos.
Si consideramos que en los extremos de los dos termoelementos las potencias
trmicas son intercambiadas con el mismo sumidero (placa a Tc) o con la misma fuente
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
21 Descripcin de las tecnologas (placa a Tf), podremos establecer las potencias trmicas del par termoelctrico en los
focos caliente (x=L) y fro (x=0) respectivamente.
Al sumar las potencias trmicas debidas al efecto Peltier en cada extremo, estas
resultan independientes de las caractersticas termoelctricas del material intermedio C,
pero las correspondientes a cada termoelemento no sern necesariamente iguales entre
s, siendo dependientes de las propiedades termoelctricas del material C.
Generalmente los valores de I y T son moderados, por lo que la influencia de
los efectos Joule y Fourier no resulta excesiva en relacin al efecto Peltier. Adems los
valores de los coeficientes suelen ser muy pequeos, lo que nos permite despreciar la
aportacin del efecto Thomson, pero podremos incorporar parte de ste utilizando los
coeficientes Seebeck a la temperatura media geomtrica de las temperaturas del foco
fro y caliente, es decir:
Agrupando las potencias trmicas que cada termoelemento intercambia en el
lado caliente (x = L, T = Tc) y de igual manera para el lado fro (x = 0, T = Tf), y tras
todas las simplificaciones comentadas, obtenemos las siguientes expresiones:
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
22 Descripcin de las tecnologas
Los materiales utilizados en la actualidad para las aplicaciones de bombeo de
calor (no de medida de temperaturas) suelen ser semiconductores dopados n y p de tal
manera que los coeficientes Seebeck, a iguales temperaturas, resultan aproximadamente
de igual valor pero de signo contrario, y lo mismo ocurre con los coeficientes de
Thomson. La conductividad trmica y la resistividad elctrica de ambos materiales
tambin resultan con valores muy prximos, con lo que finalmente obtenemos que:
donde quedan claramente independientes los trminos que expresan los valores de
potencia trmica correspondientes a los efectos Peltier, Joule y Fourier.
Se han formulado ecuaciones para uno de los diversos pares termoelctricos que
componen una clula considerando su disposicin en ella*, pero no se han tomado en
consideracin la influencia que pueden ejercer sobre el par termoelctrico la presencia
de los restantes elementos, tales como el metal de unin entre los termoelementos,
soldaduras, etc., lo que equivale a decir que fuera de los termoelementos se consideran
nulas las resistencias trmicas y elctricas.
El uso de representaciones grficas para caracterizar el funcionamiento de
clulas est muy extendido entre los fabricantes de stas, como una forma de ofrecer
informacin sobre sus productos, por lo que se justificaran algunas de las
representaciones habitualmente utilizadas.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
23 Descripcin de las tecnologas
Aplicando el primer principio de la termodinmica a la clula en rgimen
estacionario obtenemos las siguientes expresiones para la potencia elctrica de
alimentacin y para la tensin de alimentacin:
De manera que las expresiones de la eficiencia frigorfica y del cop sern:
A continuacin se representan las variaciones de las potencias trmicas en lado
fro y caliente en funcin de la intensidad y de la diferencia de temperaturas entre los
extremos del termoelemento.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
24 Descripcin de las tecnologas
Fig. 7
Fig. 8
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
25 Descripcin de las tecnologas
Fig. 9
Fig. 10
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
26 Descripcin de las tecnologas
Fig. 11
Fig. 12
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
27 Descripcin de las tecnologas
En el anlisis del foco fro de una clula termoelctrica con una geometra
determinada, y para unas condiciones de funcionamiento, T y Tc, establecidas, se
observan dos puntos singulares para la intensidad elctrica, uno que corresponde a
aqul que hace mxima la potencia trmica del lado fro, y otro que hace mximo el
valor de la eficiencia frigorfica. Generalmente se cumple que:
Existe un parmetro denominado factor de calidad z, que es el parmetro ms
relevante del material empleado en los termoelementos, y es el cociente entre el
cuadrado del coeficiente seebeck y el producto de la conductividad trmica y elctrica,
es decir, es una relacin entre el efecto Peltier (que es el que extrae calor del foco fro)
y los efectos Fourier (efecto que transmite calor del foco caliente al fro) y Joule (efecto
que genera calor en el seno del termoelemento), por lo tanto, cuanto mayor sea este
parmetro, se obtendr una mejor eficiencia y por lo tanto un mejor COP. La mejora de
su valor es objeto de permanente investigacin.
2.7. SEMICONDUCTORES
Un semiconductor es un elemento que se comporta como conductor o como
aislante dependiendo del campo elctrico en el que se encuentre. El elemento
semiconductor ms usado es el silicio, aunque idntico comportamiento presentan las
combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V
respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). De un tiempo a esta parte se
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
28 Descripcin de las tecnologas ha comenzado a emplear tambin el azufre. La caracterstica comn a todos ellos es que
son tetravalentes, teniendo el silicio una configuracin electrnica sp.
2.7.1. BANDAS DE ENERGA
Supongamos una red cristalina formada por tomos de silicio (o cualquier
mezcla de las mencionadas). Cuando los tomos estn aislados, el orbital s (2 estados
con dos electrones) y el orbital p (6 estados con 2 electrones y cuatro vacantes) tendrn
una cierta energa Es y Ep respectivamente (punto A). A medida que disminuye la
distancia interatmica comienza a observarse la interaccin mutua entre los tomos,
hasta que ambos orbitales llegan a formar, por la distorsin creada, un sistema
electrnico nico. En este momento tenemos 8 orbitales hbridos sp con cuatro
electrones y cuatro vacantes (punto B). Si se contina disminuyendo la distancia
interatmica hasta la configuracin del cristal, comienzan a interferir los electrones de
las capas internas de los tomos, formndose bandas de energa (punto C). Las tres
bandas de valores que se pueden distinguir son:
1. Banda de Valencia. 4 estados, con 4 electrones.
2. Banda Prohibida. No puede haber electrones con esos valores de energa en el
cristal.
3. Banda de Conduccin. 4 estados, sin electrones.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
29 Descripcin de las tecnologas
Fig. 13
Para que la conduccin de la electricidad sea posible es necesario que haya
electrones en la capa de conduccin, as podemos considerar tres situaciones:
Los metales, en los que ambas bandas de energa se superponen, son
conductores.
Los aislantes, en los que la diferencia existente entre las bandas de energa, del
orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones.
Los semiconductores, en los que el salto de energa es pequeo, del orden de 1
eV, por lo que suministrando energa pueden conducir la electricidad; pero
adems, su conductividad puede regularse, puesto que bastar disminuir la
energa aportada para que sea menor el nmero de electrones que salte a la
banda de conduccin; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya
conductividad es constante, o ms propiamente, poco variable con la
temperatura.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
30 Descripcin de las tecnologas 2.7.2. TIPOS DE SEMICONDUCTORES
Semiconductores intrnsecos
Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente, algunos electrones
pueden, absorbiendo la energa necesaria, saltar a la banda de conduccin, dejando el
correspondiente hueco en la banda de valencia. Obviamente el proceso inverso tambin
se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado energtico
correspondiente a la banda de conduccin, a un hueco en la banda de valencia liberando
energa. A este fenmeno, se le denomina recombinacin. Sucede que, a una
determinada temperatura, las velocidades de creacin de pares e-h, y de recombinacin
se igualan, de modo que la concentracin global de electrones y huecos permanece
invariable. Siendo n la concentracin de electrones (cargas negativas) y p la
concentracin de huecos (cargas positivas), se cumple que, ni = n = p, siendo ni la
concentracin intrnseca del semiconductor, funcin exclusiva de la temperatura. Si
se somete el cristal a una diferencia de tensin, se producen dos corrientes elctricas.
Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conduccin,
y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que
tendern a saltar a los huecos prximos, originando una corriente de huecos en la
direccin contraria al campo elctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la
de la banda de conduccin.
Semiconductores extrnsecos
Si a un semiconductor intrnseco, como el anterior, se le aade un pequeo
porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
31 Descripcin de las tecnologas semiconductor se denomina extrnseco, y se dice que est dopado. Evidentemente, las
impurezas debern formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al
correspondiente tomo de silicio. Hay dos tipos de semiconductores extrnsecos: de tipo
n, en el cual predominan los portadores de carga negativa y de tipo p, en el cual
predominan los portadores de carga positiva.
2.8. REFRIGERACIN TERMOELCTRICA
En el estudio de aplicaciones que pueden usar la refrigeracin termoelctrica,
as como la elaboracin de diferentes equipos de refrigeracin que satisfagan las
necesidades actuales en este campo hay que tener en cuenta que la refrigeracin por
mtodos termoelctricos podra sustituir en bastantes casos a los sistemas de
refrigeracin actuales, eliminando as el uso de los CFC, gases contaminantes que
destruyen de la capa de ozono. Adems de esta, la refrigeracin termoelctrica posee
diversas ventajas, entre las que se pueden destacar:
Produccin de fro y calor indistintamente simplemente invirtiendo la polaridad
de la tensin aplicada.
Ser totalmente silenciosas, as como no producir vibraciones.
Fcil variacin de la potencia refrigerante, actuando sobre la tensin de
alimentacin.
No necesitan mantenimiento.
No posee elementos mviles.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
32 Descripcin de las tecnologas
Asegura la estanqueidad del elemento a refrigerar.
Puede funcionar en cualquier posicin.
En funcin de las caractersticas de la refrigeracin termoelctrica expuestas, el
campo de estudio y aplicacin de esta es muy amplio. Es posible el estudio de
aplicaciones concretas tales como: refrigeracin de cuadros elctricos, refrigeracin de
frigorficos porttiles. Son importantes las aplicaciones alternativas que puedan utilizar
termoelectricidad, como pueden ser aplicaciones en medicina, sistemas de refrigeracin
de aire acondicionado para habitculos reducidos, etc.
Un sistema de refrigeracin termoelctrica, en general estara compuesto por
una o varias clulas Peltier fijadas sobre un sistema de disipacin (fuente caliente),
compuesto por un disipador y un conjunto de ventiladores, cuya misin es la de evacuar
por conveccin forzada la mayor cantidad de calor posible. Por la otra cara de las
clulas termoelctricas acta un sistema de conduccin de calor desde la fuente fra,
compuesto por un disipador y un conjunto de bloques transmisores de ajuste. Este
ltimo tiene la doble misin de fijar las clulas termoelctricas y procurar una
conduccin adecuada de calor desde la fuente fra. No obstante el equipo variar en
funcin de las necesidades del propio elemento a refrigerar.
Fig. 14 Fig. 15
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
33 Descripcin de las tecnologas
El rendimiento del equipo refrigerante termoelctrico ira en funcin de varios
factores:
- Buen asentamiento de las clulas termoelctricas tanto en el disipador
del lado caliente como en el bloque de ajuste, para evitar perdidas.
- En cuanto a los disipadores, deben poseer un coeficiente de
conductividad adecuado y una superficie lo mas grande posible, para
que la evacuacin de calor sea efectiva, procurando al disipador de
calor una conveccin forzada suficiente para facilitar la emisin de
calor al exterior, por que cuanto mas baja mantengamos la temperatura
del lado caliente menores temperaturas obtendremos en lado fro, dado
que el salto trmico de las clulas termoelctricas permanece
aproximadamente constante.
- Tambin es importante calcular la intensidad de funcionamiento
ptimo, para obtener el mximo rendimiento.
Elementos similares, bien o mal elaborados, pueden tener grandes diferencias
tanto en cuanto al salto trmico mximo, como a la potencia refrigeradora.
Dentro de la instalacin termoelctrica frigorfica conviene definir un parmetro
en funcin de las caractersticas especficas de los elementos empleados, como
conductores en dicha instalacin, y buscar la relacin de este con el rendimiento
trmico de la instalacin.
Como ya se ha dicho, una clula o placa termoelctrica, est constituida por una
serie de elementos semiconductores de tipos n y p, que estn dispuestos sobre una
superficie cermica, elctricamente en serie y trmicamente en paralelo. El nmero de
semiconductores siempre es impar, y los ms utilizados forman un conjunto de 7 31
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
34 Descripcin de las tecnologas 71 127 elementos. A algunas clulas termoelctricas en el montaje se les aplica
doble barrera de nquel, con la finalidad de evitar un rpido deterioro en un constante
cambio de tensiones.
Fig.16 Fig.17
Las clulas convencionales que se comercializan en el mercado, esencialmente
estn compuestas por dos tipos de elementos semiconductores, Telururo de Bismuto y
el Seleniuro de Antimonio. Debido a la escasez de alguno de los componentes y a su
baja produccin, el coste de estos aun es elevado en el mercado. Las placas cermicas
que estn dispuestas en ambas caras llevan pistas de cobre que permiten unir los
semiconductores en elctricamente en serie y trmicamente en paralelo.
A parte de las clulas Peltier, existen en el mercado otro tipo de clulas o placas,
denominadas clulas de efecto Seebeck, cuyo coste es elevado an, pero que su usos y
sus aplicaciones para el mercado del consumo se incrementa da a da, y que prometen
ser importantes en un futuro no muy lejano ya que permiten recuperar energa de focos
calientes.
Existen diversos fabricantes de clulas Peltier, algunos de stos son Marlow,
Melcor, y Kryotherm, quienes venden distintas series de mdulos termoelctricos para
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
35 Descripcin de las tecnologas distintas aplicaciones. As, en la pgina de Melcor se pueden encontrar las siguientes
series:
Fig.18
Por ejemplo la serie ThermaTEC son mdulos termoelctricos que pueden
trabajar a altas temperaturas sin deteriorarse, hasta 225 C. De esta serie se pueden
adquirir mdulos que van desde 6x6 y 1.5 W de , hasta 40x40 y 80 W
de . Adems esta serie ofrece la posibilidad de utilizarse para la recuperacin de
energa de focos calientes. La serie UltraTEC son mdulos que tienen elevados valores
de para pequeas superficies. De esta serie se pueden adquirir mdulos de 40x40
que tienen una de casi 130 W. La serie Multistage se utiliza cuando lo que
se pretende es tener un elevado salto de temperaturas, de hasta 130 C. Para ello se
colocan varias clulas en paralelo, de 2 a 6, pero el inconveniente es que las que
se obtienen son pequeas.
2mm maxQ2mm
maxQ
maxQ
2mm maxQ
maxQ
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
36 Descripcin de las tecnologas En el presente proyecto se trabajar con la serie CP, que corresponde a los
mdulos ms comunes. La forma en que Melcor ofrece esta serie es la siguiente:
Fig.19
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
37 Descripcin de las tecnologas La mxima temperatura de operacin para esta serie es de 80 C.
La que se da, es la mxima potencia que puede ser absorbida en la cara fra del
mdulo cuando la temperatura de la cara caliente es de 25 C, y se consigue cuando la
corriente y la tensin coinciden con los valores mximos y el salto de temperaturas es
nulo. Aparte, tambin se da el salto trmico mximo que se puede obtener para una
temperatura de la cara caliente de 25 C, y que se alcanza cuando el valor de la
corriente es mximo y la potencia absorbida en la cara fra es nula.
maxQ
Para cada mdulo o clula, Melcor tambin ofrece una serie de curvas de
operacin que son de gran utilidad a la hora de la eleccin de un mdulo en particular, e
informacin ms detallada sobre el mismo. En la siguientes dos pginas se muestran
estas curvas y la informacin complementaria acerca de ste.
Es posible alcanzar valores de corriente y tensin superiores a los indicados para
cada mdulo, pero si se superan, se corre el peligro de deteriorar el mismo.
Estas curvas representan el voltaje y el calor absorbido en la cara fra en funcin
del salto trmico entre la cara fra y caliente para distintos valores de la corriente. Se
puede observar como disminuye la potencia absorbida en la cara fra a medida que
aumenta el salto trmico para un valor determinado de la corriente. Se dan dichas
curvas para dos valores de la temperatura de la cara caliente, 25 C y 50 C. Como se
puede ver, cuando aumenta la temperatura de la cara caliente, para una misma
intensidad de corriente se obtienen valores algo mayores de tensin, potencia absorbida
y salto trmico.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
38 Descripcin de las tecnologas
Fig.20
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
39 Descripcin de las tecnologas
Fig.21
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
40 Descripcin de las tecnologas
Segn el fabricante nos podemos encontrar un tipo de curvas u otras. Marlow
representa el salto trmico en funcin de la corriente para distintos valores de potencia
en la cara caliente, y el voltaje en funcin de la corriente para cuando la potencia es
nula y para cuando el salto trmico es nulo. Tambin las representa para dos valores de
temperatura de la cara caliente, 27 C y 50 C.
Fig.22
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
41 Descripcin de las tecnologas
Fig.23
Vemos como la potencia frigorfica mxima se alcanza para un valor
determinado de corriente, alrededor de los 5.5 amperios, a partir del cual el salto
trmico vuelve a disminuir debido a que el efecto Joule que es directamente
proporcional al cuadrado de la corriente crece ms rpidamente que el efecto Peltier.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
42 Descripcin de las tecnologas 2.9. GAMBIT
Caractersticas generales
Gambit es el software de Fluent para generacin de geometras y mallas. La
interfaz simple para la creacin de geometra y mallado rene la mayora de las
tecnologas de preprocesamiento de Fluent en un ambiente. Herramientas avanzadas
para bitcoras (journals) permiten editar y convenientemente repetir las sesiones de
construccin para estudios paramtricos. Gambit combina la interoperabilidad CAD,
herramientas de limpieza de geometras CAD, descomposicin y herramientas de
mallado que resultan en uno de los caminos de preprocesamiento mas fciles, rpidos y
directos de CAD a mallas de gran calidad.
Fig.24
Integracin CAD/CAE
GAMBIT puede importar geometra desde cualquier software CAD/CAE en los
formatos Parasolid, ACIS, STEP o IGES. Tambin estn disponibles mdulos
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
43 Descripcin de las tecnologas adicionales para integrar CATIA V4 y Pro/E. Las capacidades de tolerancia y
reparacin, automticamente proveen una geometra conectada durante el proceso de
importacin.
Modelado Rapido
GAMBIT provee un conciso y poderoso set de poderosas herramientas de
geometra basado en modelado slido. Usndolo, el dominio de fluido puede ser
extrado desde la geometra importada y posteriormente puede ser descompuesto
usando operaciones booleanas en gambit.
Herramientas de limpieza para CADs
Gambit posee herramientas de limpieza semiautomticas para reparar y preparar
las geometras CAD para un mallado de alta calidad. Huecos, caras sobrepuestas, ejes y
esquinas agudas, por nombrar algunas, son identificadas rpidamente con estas
herramientas para resolver algn problema y tener un mallado de calidad.
Mallado Inteligente
Diferentes problemas de CFD requieren diferentes tipos de mallas, y Gambit
cuenta con todas estas opciones de patrones de mallado en un simple paquete. El kit de
herramientas de mallado de gambit te permite descomponer geometras para un mallado
estructurado hex, mallas de superficies triangulares y de volumen tetradricos pueden
ser creadas dentro de un sencillo ambiente. Se pueden utilizar herramientas para mallar
capas limite, hacer mallados hbridos utilizando distribucin automtica de tamaos
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
44 Descripcin de las tecnologas para capturar la forma de curvaturas y espacios angostos. Gambit le brinda al usuario
herramientas para tener el control de la malla.
2.10. FLUENT 6.2
Fluent es el paquete de simulacin en dinmica de fluidos computacional (CFD)
de propsito general de mayor uso en el mundo, con un respaldo de ms de 25 aos de
desarrollo llevado a cabo por Fluent Inc. quienes estn certificados bajo los estndares
internacionales ISO 9001 y TickIT. La estructura de Fluent le ha permitido incorporar
una gran cantidad de modelos para diferentes procesos fsicos y qumicos que le dan
una enorme versatilidad. De esta manera, no slo se podrn realizar simulaciones de
flujos laminares o turbulentos, newtonianos o no newtonianos, compresibles o
incompresibles, monofsicos o multifsicos, sino tambin procesos de transferencia de
calor por radiacin, conduccin y por supuesto por conveccin, as como procesos de
fundicin y con reacciones qumicas, como combustin de gases, lquidos y
combustibles slidos. Cuenta con una gran cantidad de modelos validados
ampliamente. Adems la nueva versin Fluent 6.2 tiene mejoras considerables entre las
que destacan la simulacin de reacciones qumicas en flujos multifsicos, mas
capacidades para simulaciones con mallado deformable durante la simulacin,
esquemas numricos que incrementan la velocidad de calculo y obtencin de
resultados, mas herramientas para analizar resultados o post-procesamiento. Fluent
cuenta con una interface muy amigable al usuario, visual, paneles ordenados con una
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
45 Descripcin de las tecnologas secuencia segn se van utilizando, adems de ayuda online en cada panel, que facilitan
el uso del programa.
Mallas, Esquemas Numricos y Procesamiento en Paralelo
Fluent usa tecnologa de mallado no estructurado, es decir la malla consiste de
elementos como cuadrilteros y tringulos en simulaciones 2D, de hexaedros,
pirmides, prismas y tetraedros en simulaciones 3D. Esquemas de solucin robustos y
de mtodos numricos avanzados, garantizan resultados precisos. El nuevo esquema de
avance de tiempo no-iterativo reduce considerablemente el tiempo de solucin en
simulaciones transitorias. Capacidades incrementadas de procesamiento paralelo,
disponibles en plataformas NT, Linux y Unix, pueden usarse en mltiples procesadores
ya sea en una computadora o en una red de computadoras.
Transferencia de calor, cambios de fase y radiacin
En muchos fenmenos de flujo de fluidos se involucra la transferencia de calor,
teniendo Fluent un conjunto amplio de modelos y opciones para modelar conveccin,
conduccin, y la radiacin. Se han agregado y mejorado varios modelos de radiacin,
tambin contando con los modelos P1 y Rosseland para espesores pticos en el caso de
participacin del medio, y el factor de vista basado en el modelo superficie-a-superficie
cuando no participa el "medio" en la radiacin. El modelo de ordenadas discretas (DO)
se puede usar en cualquier medio, incluyendo vidrio, mejorando y facilitando este tipo
de simulaciones. Un nuevo modelo de cargas solares es muy til en simulaciones de
control climtico. Se han agregado y mejorado otras capacidades asociadas con la
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
46 Descripcin de las tecnologas transferencia de calor, fenmeno de cavitacin, lquidos compresibles,
intercambiadores de calor, gases reales y corrientes hmedas.
Mallado Deformable
Las capacidades de mallado dinmico son tiles en simulaciones complejas
como en motores de combustin interna, siendo posible simular el fenmeno de
combustin conforme se mueve el cilindro, sincronizando el cierre y la abertura de las
vlvulas. Se pueden usar varios esquemas disponibles para que fluent reconstruya la
malla conforme avanza la simulacin, siendo necesaria solo la malla inicial y la
descripcin del movimiento que seguir. El mallado dinmico se puede utilizar
simultneamente en simulaciones multifase, de combustin, flujo compresible, y mas.
Fluent tambin proporciona modelos para simular el deslizamiento de malla (por
ejemplo en interacciones rotor-estator en una turbina), as como modelos para marcos
de referencia, tiles en tanques de mezclado, bombas y turbo-maquinaria.
Fig.25
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
47 Descripcin de las tecnologas Flujo reactivo
La modelacin de reacciones qumicas, especialmente en regimenes turbulentos,
ha sido la caracterstica principal que ha identificado a Fluent desde que inici. Fluent
continua mejorando en esta rea, ahora incorpora modelos con el concepto de
disipacin de remolino como otros modelos como fraccin mezcla, flamelet y de
combustin premezclada. Una amplia variedad de simulaciones pueden hacerse como
combustin de gases, lquidos y slidos. Se dispone de modelos para la prediccin de
formacin de NOx Fluent tiene capacidad para simular reacciones en superficies,
formacin de compuestos, deposicin, etc. por ejemplo en catalizadores. Los modelos
de reaccin pueden usarse junto a modelos de turbulencia DES y LES.
Fig.26
Turbulencia y acustica
Fluent cuenta con una amplia variedad de modelos de turbulencia, varias
versiones de modelos muy conocidos como el k-epsilon, el k-omega y el de esfuerzos
de Reynolds (RSM). Los avances en las capacidades de las computadoras junto al
decremento en su costo, han hecho posible simulaciones con modelos demandantes de
grandes recursos como el modelo LES y el DES, siendo opciones atractivas para
algunas simulaciones. En acustica, fluent puede predecir el ruido resultante de las
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
48 Descripcin de las tecnologas variaciones de presin de varias maneras. Predicciones de presion del modelo LES
pueden convertirse en espectro de frecuencia usando la transformada de Fourier (FFT).
La analoga acustica de Ffowcs-Williams & Hawkings puede usarse para modelar la
propagacin de la acustica de varios objetos, como bluff bodies y alabes de turbina.
Multifase
Fluent es el lder en tecnologa para modelacin multifase, sus amplias
capacidades permiten a los ingenieros adquirir conocimiento detallado en procesos o
equipos difciles de experimentar. Fluent hace uso del modelo Euleriano separndolo de
las ecuaciones de flujo, tambin ofrece un modelo de mezcla que permite una mayor
rapidez al obtener resultados; ambos modelos soportan flujos granulares. Tambin hay
otros modelos multifase disponibles. Para algunas aplicaciones multifase como sprays,
gotas, partculas, y combustible slido, se puede utilizar el modelo de fase discreta
(DPM). El modelo volumen de fluido (VOF) se puede utilizar para simulaciones de
superficie libre, como recipientes abiertos, el mar, etc. El modelo de cavitacin es til
para modelar bombas, inyectores de combustible, etc.
Fig.27
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
49 Descripcin de las tecnologas Postprocesamiento
Las herramientas de postprocesamiento de Fluent pueden ser usadas para
analizar los resultados obtenidos en las simulaciones. Tiene herramientas poderosas
para obtener vectores, contornos, lneas de flujo, animaciones, grficos, reportes, etc.
que facilitan la interpretacin y anlisis de resultados. Tambin se pueden exportar los
resultados a terceros paquetes de postprocesamiento o anlisis CAE.
Personalizacin
Las funciones definidas por el usuario son populares que desean personalizar
sus simulaciones, proporcionando al usuario acceso a todas las variables para poder
utilizar en cualquier necesidad que tenga el usuario. Se provee amplia documentacin,
tutoriales y soporte tcnico al respecto. Se les puede ayudar a los usuarios de fluent a
crear templates para preparacin de casos repetitivos. Se tienen mdulos adicionales
para aplicaciones especiales como celdas de combustible tipo PEM y SOFC, para
magnetohidrodinmica de flujo continuo de fibra.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
Descripcin del modelo desarrollado
50
3. DESCRIPCIN DEL MODELO DESARROLLADO.
3.1. OBJETIVOS Y ESPECIFICACIN
El principal objetivo del proyecto es disear y construir un recinto difano a
climatizar para la conservacin ptima de algn objeto que, por sus caractersticas,
necesita estar a una determinada temperatura para su ptima conservacin. El recinto se
disear para la conservacin de un fondo antiguo, por lo tanto se partirn de las
medidas aproximadas que podra tener ste para el dimensionado de la caja. El recinto
pretende ser utilizado tanto para la conservacin del fondo como para su exposicin,
por lo que sus paredes deben ser difanas. El recinto se podr utilizar tambin para la
conservacin y exposicin de otro u otros objetos que cupieran en el interior y
necesitaran de una temperatura aproximada a la del fondo para su ptima conservacin.
El presente proyecto solo se centrar en conseguir la temperatura adecuada en
el recinto sin importarnos la humedad relativa ni la luminosidad, ya que como se van a
realizar distintos ensayos con el recinto, va a ser necesario poder montar y desmontar el
mismo, por lo que no se podr mantener en su interior una determinada humedad
relativa. Aparte, la normativa para conservacin de fondos antiguos dispone que el
recinto debera estar provisto de un sistema de ventilacin, del cual prescindiremos en
el presente proyecto. La intensidad luminosa y los filtros necesarios ya se dispondran
en la sala de exposicin.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
Descripcin del modelo desarrollado
51
Para el diseo se van a emplear tcnicas de simulacin CFD, por lo que tras la
construccin y ensayo del recinto, se aprovechar y se compararn los resultados
tericos obtenidos mediante FLUENT y resultados reales obtenidos en los ensayos,
para verificar la viabilidad de la tecnologa y algoritmo empleado.
Otro objetivo del proyecto es determinar que tipo de disipadores de calor son
ms idneos para este tipo de aplicaciones, por lo que en la construccin del recinto se
ha introducido la posibilidad de hacer una particin del mismo, y poder realizar as un
ensayo comparativo del funcionamiento de un disipador de aletas y un disipador de
agujas.
La connotacin de este proyecto es que para la refrigeracin del recinto se va a
utilizar una tecnologa emergente, que es la termoelectricidad, que todava no est muy
extendida, pero que tiene un futuro prometedor debido al gran nmero de aplicaciones
en las que puede ser empleada, y a las ventajas que presenta frente a la refrigeracin
convencional. Esta refrigeracin se har a travs de clulas Peltier, donde en segundo
captulo se han explicado detalladamente sus fundamentos tericos, su estructura, la
manera en que opera, etc.. Luego como objetivo ltimo se verificar la capacidad
tcnica de esta tecnologa para este tipo de aplicaciones y se analizarn las ventajas e
inconvenientes que presenta frente a otro tipo de tecnologas.
Anlisis, diseo, construccin y ensayo de un recinto climatizado con tecnologa Peltier
Descripcin del modelo desarrollado
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3.2. DATOS
Los datos de partida son los materiales y dimensiones del recinto. Las
dimensiones sern las siguientes:
Base: 50 x 75 2cm
Altura: 50 cm
Las paredes del recinto, puesto que tienen que ser difanas y presentar ciertas
caractersticas de rigidez estructural as como cierta facilidad de mecanizado, se
realizarn de metacrilato.
Caractersticas del metacrilato
- Mayor transparencia que la del cristal.
- Rgido como la madera.
- Pesa menos de la mitad que el vidrio.
- Superficie tan dura como la del aluminio.
- Combustible como la madera dura.
- Entre 10 y 20 veces ms resistente al impacto que el cristal.
- Es el plstico ms resistente a la intemperie que existe.
- Margen continuado de temperaturas desde -90 C hasta +85 C.
- Gran transparencia. (Transmitancia en el sector visible del 92%).
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Descripcin del modelo desarrollado
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PROPIEDADES METACRILATO (Valores tipo a 23C y 50% de humedad relativa) PROPIEDADES MECANICAS Norma Unidad Colada Extrusin Densidad DIN53479 g/c m 3 1.19 1.19 Resistencia al impacto Charpy ISO 179 1/D kJ/ m 2 15 15 Resistencia al impacto con entalladura (Izod) ISO 180 1/A kJ/ m 2 1.6 1.6 Resistencia a la traccin (-40 0C) DIN53455 Mpa 110 100 Resistencia a la traccin (+23 0C) DIN53455 Mpa 80 72 Resistencia a la traccin (+70 0C) DIN53455 Mpa 40 35 Estiramiento a rotura DIN53455 % 5.5 4.5 Coeficiente de Poisson - - 0.45 0.45 Resistencia a la flexin Probeta standard (80x10x4mm) DIN53452 Mpa 115 105 Tensin por compresin DIN53454 Mpa 110 103 Tensin de seguridad max. (hasta 40 C) - Mpa 5...10 5...10 Mdulo de elasticidad E (Corto/largo plazo) DIN 53457 Mpa 3300/3200 3300/3200 Mdulo de torsin G en 10 Hz DIN53445 Mpa 1700 1700 Resistencia a la fatiga en test de doblado alternativo aprx. a 10 ciclos (probeta con entalladura/sin entallad) - Mpa 40 / 20 30 / 10 Dureza brinell H961/30 ISO 2039-1 Mpa 200 190
Resistencia a la abrasin con 1.600 gr. de abrasivo Similar
ASTM-D673 44
% 98 98
Coeficiente de friccin plstico sobre plstico - 0.80 0.80 Coeficiente de friccin plstico sobre acero - 0.50 0.50 Coeficiente de friccin acero sobre plstico - 0.45 0.45
PROPIEDADES TERMICAS Norma Unidad Colada Extrusin Coeficiente de dilatacin lineal 0...50C DIN 53752-A 1/K mm/mC 0.07 0.07 Conductividad trmica DIN 52612 W/ mK 0.19 0.19 Coeficiente trnsmisin term. 1 mm de espesor DIN 4701 W/ m 2K 5.8 5.8 Coeficiente trnsmisin term. 3 mm de espesor DIN 4701 W/ m 2K 5.6 5.6 Coeficiente trnsmisin term. 5 mm de espesor DIN 4701 W/ m 2K 5.3 5.3 Coeficiente trnsmisin term. 10 mm de espesor DIN 4701 W/ m 2K 4.4 4.4 Calor especfico - J/g K 1.47 1.47 Temperatura aprox. de moldeo (temp.horno) - 0C 160...175 150...160 Temperatura mxima en superficie (radiador IR) - 0C 200 180 Temperatura permanente maxima de servicio - 0C 80 70 Temperatura de recontraccin - 0C >80 >80 Temperatura de ignicin DIN 51794 0C 425 430 Comportamiento al fuego (espesr >1,5 mm) DIN 4102 - B2 B2 Indice VICAT (mtodo B) DIN ISO 306 0C 115 102 Estabilidad dimensional al calor (Mtodo Martens) DIN 53458 0C 95 85 Termoresistencia de forma ISO 75 tensin aflexin 1.8 MPa DIN 53461 0C 105 90 Termoresistencia de forma ISO 75 tensin aflexin 0.45 MPa DIN 53461 0C 113 95
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PROPIEDADES OPTICAS (de tipos incoloros) Norma Unidad Colad
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