Revista Polo del Conocimiento


Polo del Conocimiento

 

 

Implementacin de un Sistema de Generacin Elctrica mediante la aplicacin del Efecto Seebeck con Celdas Peltier para aprovechar el Calor Residual de Gases de Procesos Industriales

 

Implementation of an Electricity Generation System through the application of the Seebeck Effect with Peltier Cells to take advantage of the Residual Heat of Gases from Industrial Processes

 

Implementao de um Sistema de Gerao de Energia Eltrica atravs da aplicao do Efeito Seebeck com Clulas Peltier para aproveitamento do Calor Residual de Gases de Processos Industriais

Otto Fernando Balseca-Sampedro I

[email protected] https://orcid.org/0000-0001-6713-0991

 

John Germn Vera-Luzuriaga II

[email protected]

https://orcid.org/0000-0002-6621-5368

Diego Fernando Mayorga-Prez III

[email protected]

https://orcid.org/0000-0003-1731-9723

Hugo Alexander Noriega-Cordovez IV

[email protected]

https://orcid.org/0000-0003-2964-0207

Bryan Sebastin Meja-Rodrguez V Ronald Alexis Arvalo Snchez VI

[email protected] [email protected]

https://orcid.org/0000-0002-8054-2672 https://orcid.org/0000-0003-0822-495X

Henry Stiwar Centeno-Amaguaya VII

[email protected]

https://orcid.org/0000-0002-2378-3779

 

 

Correspondencia: [email protected]

 

 

 

Ciencias Tcnicas y Aplicadas

Artculo de Investigacin

 

 

* Recibido: 25 de abril de 2022 *Aceptado: 20 de mayo de 2022 * Publicado: 20 de Junio de 2022

 

 

        I.            Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, ESPOCH. Riobamba, Ecuador

     II.            Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, ESPOCH. Riobamba, Ecuador.

   III.            Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, ESPOCH. Riobamba, Ecuador.

  IV.            Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, ESPOCH. Riobamba, Ecuador.

     V.            Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, ESPOCH. Riobamba, Ecuador.

  VI.            Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, ESPOCH. Riobamba, Ecuador.

VII.            Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, ESPOCH. Riobamba, Ecuador.

 


Resumen

En este artculo cientfico se presenta el desarrollo de un prototipo de un sistema de aprovechamiento energtico, partiendo de una investigacin detallada que tiene por objetivo el desarrollo del efecto Seebeck y como producir electricidad a partir de calor residual producido por la industria. El prototipo desarrollado demostr como cuatro celdas Peltier pueden producir alrededor de seis voltios a partir de la diferencia de temperatura de las celdas Peltier. Los datos obtenidos experimentalmente al hacer fluir por nuestro prototipo el calor residual emitido por una chimenea de la industria que usamos como referencia. Dentro de la investigacin se observa como la contaminacin emitida por la industria contamina el aire y es solo regulada por l estado con leyes, el prototipo no reduce directamente el grado de contaminacin, pero aprovecha el calor emitido por estos gases para generar electricidad reduciendo el consumo energtico y as reducir la huella de carbono dejada por la industria.

Palabras Claves: Calor Residual; Aprovechamiento Energtico; Prototipo; Celda Peltier; Efecto Seebeck.

 

Abstract

This scientific article presents the development of a prototype of an energy harvesting system, based on a detailed investigation that aims to develop the Seebeck effect and how to produce electricity from waste heat in industry. The developed prototype demonstrated how four Peltier cells can produce around six volts from the difference in temperature of the Peltier cells. The data obtained experimentally by making the residual heat emitted by an industrial chimney that we use as a reference flow through our prototype. Within the investigation, it is observed how the pollution emitted by the industry pollutes the air and is only regulated by the state with laws, the prototype does not directly reduce the degree of pollution, but takes advantage of the heat emitted by these gases to generate electricity, reducing consumption. and thus reduce the carbon footprint left by the industry.

Keywords: Waste Heat; Energy Use; Prototype; Peltier Cell; Seebeck Effect.

 

Resumo

Este artigo cientfico apresenta o desenvolvimento de um prottipo de um sistema de aproveitamento de energia, baseado em uma investigao detalhada que visa desenvolver o efeito Seebeck e como produzir eletricidade a partir do calor residual produzido pela indstria. O prottipo desenvolvido demonstrou como quatro clulas Peltier podem produzir cerca de seis volts a partir da diferena de temperatura das clulas Peltier. Os dados obtidos experimentalmente fazendo o calor residual emitido por uma chamin industrial que usamos como referncia fluem atravs do nosso prottipo. Dentro da investigao, observa-se como a poluio emitida pela indstria polui o ar e s regulamentada pelo estado com leis, o prottipo no reduz diretamente o grau de poluio, mas aproveita o calor emitido por esses gases para gerar eletricidade, reduzindo o consumo e, assim, reduzindo a pegada de carbono deixada pela indstria.

Palavras-chave: Calor Residual; Uso de energia; Prottipo; Clula de Peltier; Efeito Seebeck.

 

Introduccin

La termoelectricidad se considera como la rama de la termodinmica paralela a la electricidad donde se estudian fenmenos en los que intervienen el calor y la electricidad.

El fenmeno ms conocido es el de la generacin de electricidad mediante la aplicacin de calor en la unin de dos materiales diferentes. Este fenmeno fue observado por primera vez en 1821 por el fsico alemn Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Seebeck.

Ante el evidente problema que nuestro planeta enfrenta a consecuencia del cambio climtico, nuestra obligacin es desarrollar y aplicar nuevas tecnologas para aprovechar los recursos del planeta, como es el caso de la implementacin de un prototipo generador de energa elctrica utilizando Celdas Peltier, basadas en el principio termoelctrico Peltier para el aprovechamiento del calor residual de las industrias.

Las grandes industrias han centrado su inters en el aprovechamiento de esta energa como es el caso de Sika S. A. Ecuador, la cual utiliza el calor residual del compresor de aire y lo utiliza para ahorrar energa de calefaccin en la planta.

La reduccin del consumo de gas natural para calentar la planta se reduce en 390'000 kWh / ao (5% del consumo total de la fbrica). Las emisiones de CO2 se reducen en 79 toneladas / ao.

En lo que concierne al presente proyecto, se iniciar con el anlisis terico que permitir la investigacin gradual sobre la fuente de energa trmica a usar y el proceso que se requerir para su transformacin a electricidad, para ello usaremos la metodologa experimental, para plantear nuevos mtodos o estrategias para la generacin de conocimiento.

Marco Terico

Procesos en una cermica

Un proceso industrial es un conjunto de actividades que se realizan para convertir la materia prima en un producto final.

El proceso cermico consta de cinco etapas fig. 1: la seleccin y preparacin de las materias primas, la preparacin del cuerpo cermico, que consiste en la preparacin de la mezcla, homogenizacin y amasado, el moldeado, que puede hacerse por varios procedimientos, el secado, y a coccin.[1]

Un proceso industrial debe reunir las siguientes caractersticas:

          Se tiene que dar una manipulacin de las materias primas.

          Aplica operaciones, actividades y mtodos para alterar las materias primas.

          El moldeado, que puede hacerse por varios procedimientos.

          El secado.

          La coccin.

 

Fig 1: Fases del proceso cermico. (Adams, 1961). [Grfico]. Adams P.J. (1961). Geology and Ceramics. The Geological Museum. London, 28pp.

 

 

Calor residual

El calor residual es el calor contenido en los productos y subproductos de un proceso, que eleva su temperatura a niveles mayores de los adecuados para su emisin o almacenaje. Este calor puede ser aprovechado de modo que se cumplan dos objetivos simultneamente [2]:

     Recoger y distribuir el calor para reutilizarlo en el mismo equipo o en otros.

     Disminuir la temperatura de emisin de fluidos de manera que se reduzca la contaminacin trmica.

El calor residual en los efluentes de los procesos industriales supone una importante prdida de energa trmica en la industria. El aprovechamiento de este calor aumenta significativamente la eficiencia energtica de los equipos y la eficiencia global de la planta [2].

Termoelectricidad

La termoelectricidad es la generacin de corriente elctrica, por efecto de aplicacin de calor en uno (o varios) materiales relacionados entre s, los mdulos termoelctricos se encuentran regidos por tres principales efectos[3]:

Efecto Seebeck, Efecto Peltier, Efecto Thomson.

El generador termoelctrico

 

Fig 2. Representacin esquemtica (a) de la conformacin de un mdulo termoelctrico y (b) de un generador termoelctrico fundamental. [Ilustracin] (Z. Dughaish, Physica, (2002)).

 

 

Un generador termoelctrico es la nica mquina trmica en la cual los portadores de carga sirven como fluido de trabajo. Estos dispositivos estn conformados por muchas junturas elementales, donde una sola produce bajos niveles de potencia, de tal manera que, para obtener potencias de utilidad prctica, es necesario conectar un nmero de estas junturas elctricamente en serie y trmicamente en paralelo, para as formar un mdulo. [4]

Fundamentos tericos de la termoelectricidad

La termoelectricidad es la fuerza electromotriz causada en uno (o varios) materiales debido a la presencia de una pendiente de temperatura, se mantienen tres efectos termoelctricos reversibles en un mdulo termoelctrico, pero solo el efecto Seebeck es el responsable de generar corriente en el mdulo termoelctrico, el efecto Peltier est unido al efecto Seebeck por las relaciones de Thomson, por lo tanto, en modelizacin matemtica la generacin elctrica de los mdulos termoelctricos se encontrara los tres efectos reflejados, sin embargo, cuando se sueldan dos materiales metlicos o semiconductores diferentes, mantenidos a distintas temperaturas en sus uniones, no solo existen los tres efectos antes mencionados, tambin estn presentes el efecto Joule y el efecto Fourier.[5]

Fenmenos termoelctricos

Los principales efectos que se presentan en la termoelectricidad:

            Efecto Seebeck.

            Efecto Joule.

            Efecto Fourier.

            Efecto Peltier.

            Efecto Thomson.

Efecto Seebeck

Este efecto se produce por el hecho de que la densidad de los portadores de carga (electrones) difiere de un conductor al otro y esto depende de la temperatura. Cuando se sueldan dos conductores diferentes y cada uno se mantiene a temperaturas diferentes, la difusin de los portadores de carga se origina en las uniones a distintas velocidades. Existe un movimiento neto de portadores de carga para cada conductor como si fuesen conducidos por un campo no-electrosttico.[6]

Este efecto se muestra como la aparicin de una diferencia de potencial elctrico en un circuito formado por la unin de dos (o ms) materiales distintos donde sus uniones se encuentran a diferente temperatura, figura 3.

 

LINSEIS dispositivos para centrales termoelctricas: LSR, LFA, LZT y TFA

Fig. 3. Efecto Seebeck. (2018, 7 agosto). [Ilustracin]. Linseis. https://www.linseis.com/wp-content/uploads/2018/08/TE-1.jpg

 

 

Celdas Peltier

Celdas Peltier, una clula o celda Peltier mueve energa calorfica desde la placa fra a la placa caliente a travs del control de la energa elctrica proporcionada por una fuente de alimentacin. Por lo general, una celda Peltier est conformada por dos materiales semiconductores, uno tipo P y otro tipo N, como lo muestra la figura 2.

 

Generar fro con Arduino y una placa Peltier

Fig.4. Estructura de una celda Peltier. (2016, 2 agosto). [Ilustracin].CeldaPeltier: https://www.luisllamas.es/wp-content/uploads/2016/08/arduinoplacapeltierfuncionamiento.png

 

 

Las clulas que se comercializan en el mercado esencialmente estn compuestas por dos tipos de elementos semiconductores: teluro de bismuto y seleniuro de antimonio. Las celdas estndar son las ms usadas para la generacin energa elctrica, ya que, son de fcil montaje, manejo y trabajan en amplios rangos de temperatura. Adems, son altamente accesibles en el mercado y por esta razn se las puede encontrar a precios muy econmicos que van desde los tres dlares hasta los treinta dlares dependiendo de la empresa fabricante.[7]

Una celda Peltier estndar es usualmente empleada cuando se quiere enfriar pequeas cmaras, dispositivos electrnicos, enfriamiento o calentamiento de fluidos como el agua y aire, etc.

Cabe recalcar que para obtener valores ptimos de rendimiento de la celda Peltier se deber garantizar que la temperatura del lado fro y la del lado caliente sean las ms cercanas entre s. Es por esto que se debe acoplar a las celdas dispositivos de disipacin y de absorcin de calor.[7]

Usando una o ms celdas estndar se puede disear un sistema elctrico con un amplio rango de potencia. Normalmente estas celdas trabajan dentro de rangos como se muestra en la tabla 1:

 

TABLA 1 caractersticas generales de una celda Peltier estndar

 

Magnitud

Rango

 

Unidades

Desde

Hasta

Intensidad

1

40

A

Voltaje

2,3

18,1

V

Variacin de temperatura

lado fro y lado caliente

 

70

 

83

 

C

Calor absorbido Mximo

0,6

146

W

Dimensiones

4x4x4

55x55x55

mm

 

 

 

 

 

 

 

 

Una celda Peltier mantiene una cara fra y una cara caliente. La diferencia de temperatura que una Peltier normalmente genera entre sus dos caras es de unos 70 C, es decir si queremos que la cara fra este a unos -10 C, la parte caliente no debera superar los 60 C.

La mxima temperatura que admiten estas celdas es de 200 C (en realidad admiten ms temperatura, sin embargo, este es un margen de seguridad), cuando se sobrepasa este lmite se corre el riesgo de romperse de forma irreversible (est hecha a base de semiconductores). [7]

Efecto Joule

Este efecto se produce cuando circula por un conductor de corriente elctrica, la materia ofrece cierta resistencia al movimiento de los electrones, los cuales ceden energa cintica al entorno de sucesivos choques. Esta energa se disipa al medio exterior en forma de calor.[8]

( 1 )

 

Donde Q representa la energa calorfica (Joule) producida por la corriente I (Amperios) que circula por el conductor, el cual presenta una resistencia R (ohmios) y t es el tiempo en segundos.

Efecto Seebeck

En un circuito formado por dos metales distintos homogneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura,. Se establece un flujo de corriente elctrica, o bien, si se abre el circuito una diferencial de potencial , la cual depende de los metales utilizados en la unin y de la diferencia de temperatura entre las uniones.[8]

 

Fig. 5. El efecto Seebeck. (s. f.). [Ilustracin]. Introduccin a la Termoelectricidad. http://www.unavarra.es/ets02/Seebeck.gif

 

 

La relacin entre y la diferencia de temperaturas entre las uniones , define el coeficiente de Seebeck, y se lo determina por medio de la ecuacin:

 

 

( 2 )

 

Donde son respectivamente las potencias termoelctricas absolutas de A y B, y son caractersticas de cada metal dependiendo de su material. El coeficiente a AB no es constante, depende fundamentalmente de la temperatura.[8]

Efecto Peltier

Al hacer circular corriente elctrica a travs de la unin de dos conductores de diferente material en una determinada direccin producir enfriamiento y al hacerla pasar en direccin contraria producir calentamiento en la unin. La potencia calorfica generada o absorbida es proporcional a la corriente elctrica y tambin est en funcin de la temperatura de la unin, que se expresa como[8]:

 

( 3 )

 

Dnde:

: Potencia calorfica generada o absorbida debido al efecto Peltier

: Coeficiente de Peltier

: Intensidad de corriente que pasa a travs de la unin.

Para obtener el coeficiente de Peltier, nos regimos por la primera ley de Kelvin

( 4 )

 

Dnde:

: Coeficiente de Seebeck de dos conductores distintos

: Temperatura absoluta de la unin.

Lo que se propone en el proyecto es trabajar con la celda Peltier para lo que se requiere una diferencia de temperatura y as generar voltaje.

El gradiente se encuentra por un lado con el calor generado de los gases o calderas industriales, y distribuidos o aplicados en las caras de las placas termoelctricas, para as poder generar energa elctrica. [8]

Ley de ohm y potencia elctrica

Las placas estudiadas suministran una fuente de corriente continua cuando estn sometidas a una diferencia de temperaturas, y viceversa. Por lo que para estudiar la potencia que se puede extraer es necesario recorrer a ecuaciones de electrotecnia bsica, y as poder comprender como se deducen ciertas ecuaciones involucradas en el proceso de obtencin de energa.[9]

 

 

( 5 )

 

Donde:

=Intensidad de Corriente (A)

=Voltaje (V)

=Resistencia (Ω)

 

La potencia suministrada por una fuente elctrica depende de la cantidad de electrones que circulan en un tiempo determinada y del voltaje al cul estos estn sometidos, por lo que la ecuacin ser la siguiente.

 

( 6 )

 

Donde:

=Intensidad de Corriente (A)

=Voltaje (V)

=Potencia (W)

 

Efecto Seebek

 

( 7 )

 

Donde:

 

= Voltaje termodinmico

=Coeficiente de Seebek

=Temperatura del gradiente

 

El principio es usado para la generacin energtica mediante la variacin de temperatura entre las celdas Peltier y los disipadores de calor al igual que los ventiladores.[9]

 

Razn de trasferencia

 

( 8 )

 

Dnde:

Razon de trasferencia de calor

Coeficiente convectivo

rea

Temperatura de la superficie

= Temperatura ambiente

= Eficiencia de la aleta

 

Temperatura de pelcula

Esto se da a partir de la temperatura superficial y la del ambiente, expresndose de la siguiente manera:

 

( 9 )

 

Reynolds

 

( 10 )

 

Dnde:

Velocidad del fluido m/s

Longitud del disipador

Viscosidad cinemtica en m2/s

 

Nusselt

( 11 )

 

Donde

Coeficiente convectivo []

Longitud de la celda []

Conductividad trmica en []

 

Efecto Thomson

A diferencia de los dos efectos anteriores, el efecto Thomson no se aplica directamente a termopares, sino a un solo material. Este fenmeno estudia el enfriamiento o calentamiento de un material expuesto a un gradiente de temperaturas entre sus 2 conexiones al pasar por l una corriente elctrica. Segn la direccin de la corriente elctrica pasante, este generar o absorber calor.[9][10]

 

( 12 )

 

Dnde:

Potencia por unidad de volumen absorbida por el efecto Thomson ()

Coeficiente de Thomson ()

Densidad de corriente ()

Gradiente de corriente ()

Relaciones de Thomson

A partir de la ecuacin de Seebeck anteriormente enunciada (2) y la ecuacin de la potencia elctrica (6), puede deducirse dos ecuaciones fundamentales en este proceso, las que nos define la entrada y la salida de calor debido al efecto Seebeck.[9][10]

 

 

( 13 )

 

Remplazando por V en la ecuacin de potencia elctrica (6).

Esta ecuacin 14 recientemente obtenida, es la que nos mostrar tanto el calor absorbido por la placa en la cara caliente (14a), como el perdido por la cara fra de la celda (14b).

 

( 14 )

 

Desarrollando:

Siendo:

Temperatura en la cara caliente

Temperatura en la cara fra

Calor Absorbido en la cara caliente

Calor cedido por la cara fria

 

Dando como resultado:

 

( 15 )

 

Reemplazando as:

por V en la ecuacin de potencia elctrica

 

lujo de Calor

( 16 )

 

= Calor de conveccin

rea de transferencia

 

Conveccin

 

( 17 )

 

coeficiente convectivo

rea de transferencia

Temperatura de la superficie K

Temperatura del ambiente K

 

Resistencia trmica

 

azn de transferencia de calor

Resistencia trmica real

Temperatura de la superficie K

Temperatura del ambiente K

 

( 18 )

 

TABLA 2 Resumen de Ecuaciones empleadas para el clculo DE PARMETROS termodinmicos

Nombre

Ecuacin

Unidad

N

Temperatura de la pelcula

 

[C]

(9)

Reynolds

--

(10)

 

Nusselt

 

(11)

Razn de transferencia de calor

(8)

Flujo de Calor

(16)

Resistencia trmica

(18)

Coeficiente de seebeck

(2)

 

 

Potencia

(6)

 

 

Trayectoria descrita por un elemento de fluido en movimiento

El flujo laminar es el tipo de movimiento de un fluido cuando ste es perfectamente ordenado, estratificado, suave, de manera que el fluido se mueve en lminas paralelas sin entremezclarse. Las capas adyacentes del fluido se deslizan suavemente entre s. El mecanismo de transporte es exclusivamente molecular. Se dice que este flujo es aerodinmico. Ocurre a velocidades relativamente bajas o viscosidades altas como veremo.

 

Fig.6. Trayectoria descrita por un elemento de fluido en movimiento. (s. f.). [Ilustracin]. Dinmica de Fluidos. https://www.ugr.es/~jtorres/t7.pdf

 

 

Se llama flujo turbulento cuando se hace ms irregular, catico e impredecible, las partculas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partculas se encuentran formando pequeos remolinos aperidicos. Aparece a velocidades altas o cuando aparecen obstculos abruptos en el movimiento del fluido [15].

 

Desarrollo del trabajo experimental

El prototipo de aprovechamiento energtico, partiendo del efecto Seebeck para producir electricidad a partir de calor residual producido por la industria consta de los siguientes elementos:

 

Elementos de medida:

                  Multmetro.

                  Picmetro

                  Termoanemmetro

                  Termohigrmetro

Elementos:

                  Celdas Peltier TEC1-12706

                  Disipador de calor rectangular

                  Disipador de calor circular

                  Pasta Trmica

                  Fuente de calor controlada

                  Placa circular de aluminio

                  Lmina de aluminio

                  Diodos Led 1N4007S

                  Cables de conexin

Procedimiento

          Primero se procede a armar el prototipo generador de energa elctrica con celdas Peltier aplicando el efecto Seebeck.

Fig.7. Prototipo generador de energa a partir de las celdas Peltier diseado en SolidWorks [Ilustracin], Investigadores, 2022.

 

 

          Se debe colocar el prototipo sobre la fuente de calor y los ventiladores en direccin que el aire pegue directo a los disipadores de calor.

          Al convertir la energa calorfica en energa elctrica, para verificar dicha transformacin, se usarn un par de diodos led en conexin en serie, que servirn como comprobacin de dicha transformacin energtica.

          Con la ayuda de un pirmetro y un multmetro, facilitara el trabajo de la obtencin de datos de temperatura y esto nos ayudara a visualizar en distintos puntos la temperatura a alcanzar por cada componente del prototipo y en el caso del multmetro nos mostrara la intensidad de corriente y resistencia que alcanza las celdas usadas al absorber la energa calorfica.

 

Fig.8. Comprobacin de funcionamiento del Prototipo generador de energa con una fuente de calor casera [Fotografa], Investigadores, 2022.

 

 

Los disipadores de calor cumplen una funcin importante en el prototipo, pues ayudan a extraer el calor celdas Peltier hacia el exterior, se utilizaron dos disipadores un rectangular y un circular.

Fig.9. Dimensiones de disipador rectangular obtenido en el mercado, de aluminio [Ilustracin], Investigadores, 2022.

 

Fig.10. Dimensiones de disipador circular obtenido en el mercado, de aluminio [Ilustracin], Investigadores, 2022.

 

 

Toma de datos

 

TABLA 3. TABLA DE DATOS OBTENIDA DEL PROTOTIPO

No

T

caliente C

T

fra C

Delta T C

Voltaje V

Corriente A

1

41,3

38,5

2,8

2,6

1,529

2

41,7

38,6

3,1

2,7

1,588

3

42,1

38,8

3,3

2,8

1,647

4

42,5

38,9

3,6

2,9

1,706

5

42,9

39,4

3,5

3

1,765

6

43,2

39,6

3,6

3,1

1,824

7

43,6

39,8

3,8

3,2

1,882

8

44,2

40,1

4,1

3,3

1,941

9

44,8

44,7

0,1

3,4

2,000

10

45,2

44,9

0,3

3,5

2,059

11

45,7

45,1

0,6

3,6

2,118

12

46,3

45,3

1

3,7

2,176

13

46,9

45,3

1,6

3,8

2,235

14

47,5

46,2

1,3

3,9

2,294

15

48,1

46,7

1,4

4

2,353

16

49

46,8

2,2

4,1

2,412

17

49,9

47,1

2,8

4,2

2,471

18

50,65

47,5

3,15

4,3

2,529

19

51,4

47,8

3,6

4,4

2,588

20

52

47,8

4,2

4,5

2,647

21

52,6

47,9

4,7

4,6

2,706

22

56,6

47,9

8,7

4,7

2,765

23

57,7

48

9,7

4,8

2,824

24

58,8

48,1

10,7

4,9

2,882

25

59,6

48,2

11,4

5

2,941

26

62,65

48,9

13,75

5,1

3,000

27

65,7

49,1

16,6

5,2

3,059

28

67,9

49,5

18,4

5,3

3,118

29

70,9

49,7

21,2

5,4

3,176

30

72,2

49,9

22,3

5,5

3,235

31

75,9

50,4

25,5

5,6

3,294

32

78,6

50,4

28,2

5,7

3,353

33

80,1

50,5

29,6

5,8

3,412

34

83,3

50,5

32,8

5,9

3,471

35

85,8

50,8

35

6

3,529

36

87,5

50,8

36,7

6,1

3,588

37

90,1

50,9

39,2

6,2

3,647

38

91,2

51

40,2

6,2

3,647

39

92,7

51

41,7

6,3

3,706

40

93,1

51,2

41,9

6,3

3,706

41

93,3

51,3

42

6,4

3,765

 

 

Las celdas Peltier estarn revestidas con pasta trmica que permitir regular su temperatura al igual que el uso de 2 disipadores cada uno con un ventilador, permitiendo as que alcance su mximo rendimiento en las celdas.

EL uso de instrumentos de medida como un termohigrmetro digital, que es un instrumento electrnico que mide la temperatura y humedad relativa, al igual que un termoanemmetro que mide la velocidad del fluido, para determinar el caudal o flujo de aire caliente el ducto de la chimenea, fig. 8.

 

Fig.11.  Instrumentos de medicin, un Termo anemmetro y termohigrmetro [Fotografa], Investigadores, 2022.

 

 

El trmino seccin transversal es solo una forma de describir el rea a travs de lo que algo fluye, por ejemplo, en la tabla 4 se observa los datos de la seccin trasversal del fluido utilizado.

Como se ver posteriormente, el nmero de Reynolds es el parmetro que expresa la relacin entre las fuerzas de inercia y las viscosas en el interior de una corriente, por lo que el rgimen hidrulico va a depender de su valor.

 

TABLA 4. SECCIN TRASVERSAL DEL FLUIDO, (OBTENIDO DE ZUKAUSKAS, REF. 14, Y JAKOB, 1949)

Seccin Transversal del fluido

 

Fluido

Rango de Re

Nmero de Nusselt

 

 

Gas

 

5000-100000

 

Nu = 0.102Re0.675 Pr1/3

 

 

 

Gas

 

4000-15000

 

Nu = 0.228Re0.731 Pr1/3

 

 

Cuando un fluido circula por una tubera lo puede hacer en rgimen laminar o en rgimen turbulento.

Los conductos o tuberas (en otros sistemas, vara el Reynolds): Si el nmero de Reynolds es menor a 2300, el flujo ser laminar y, si es mayor de 4000, el flujo ser turbulento

La diferencia entre estos dos regmenes se encuentra en el comportamiento de las partculas fluidas, que a su vez depende del balance entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas o de rozamiento.

 

Fig.12. Simulacin del flujo de vapor en SolidWorks en el ducto de la chimenea [Ilustracin], Investigadores, 2022.

 

 

Como se muestra en la figura 12 se aprecia la simulacin del ducto de la chimenea donde pasa un caudal o flujo, y este tendr que ser medido con ayuda de un termoanemmetro que mide la velocidad del fluido para la con ello realizar los clculos termodinmicos correspondientes.

 

Fig.13  Ducto de la chimenea real donde se obtendr el calor residual del mismo [Fotografa], Investigadores, 2022.

clculos analticos

1) Temperatura de pelcula

 

 

 

TABLA 5 PROPIEDADES DEL AIRE A PRESIN DE UNA ATMOSFERA, TOMADO DE CENGEL, TABLA B-6

Propiedades del aire a presin de una atmosfera

Temperatura, T [C]

50

60

Densidad, ρ [kg/m3]

1.092

1.059

Calor Especifico Cp., [J/kgꞏK]

1007

1007

Conductividad trmica, k

[W/mꞏK]

0.02735

0.02808

Difusividad trmica, α

[m2/s]

2.48710-5

2.63210-5

Viscosidad dinmica,

[kg/mꞏs]

1.96310-5

2.00810-5

Viscosidad cinemtica, v

[m2/s]

1.79810-5

1.89610-5

Nmero de Prandtl, Pr

0.7228

0.7202

 

 

2) Interpolacin

Con estos datos se procede a realizar la interpolacin para encontrar los valores requeridos para la realizacin de los clculos correspondientes. Estos resultados se muestran en la tabla 6.

Se realiza la interpolacin de la tabla con el dato de 54,94.

 

3) Conductividad Trmica

 

 

4) Viscosidad

 

5) Nmero de Prandtl

 

 

 

TABLA 6 TABLA CON LOS DATOS INTERPOLADOS, TOMADO DE CENGEL, TABLA B-6

Temp.

T, [C]

Conductividad trmica k [W/m K]

Viscosidad cinemtica

v [m2/s]

Nmero de Prandtl Pr

50

0,02735

1,963x10-5

0,7228

54,94

1,929x10-5

60

0,02808

2,008x10-5

0,7202

 

 

6) Clculo de Reynolds

 

 

 

7) Clculo de Nusselt

 

Nu = 0.102Re0.675 Pr1/3

Nu = 0.102()0.675 ()1/3

Nu = 37,63

 

Despejando

8) Coeficiente convectivo

 

 

9) Resistencia trmica

10) Conveccin

 

11) Coeficiente de Seebeck

 

 

Resultados

En la tabla 7 se muestran los resultados obtenidos de los clculos anteriores, con el estudio termodinmico aplicado a la obtencin de energa elctrica con celdas Peltier a partir del calor residual generado por el ducto de la chimenea de la industria.

 

TABLA 7. TABLA CON LOS RESULTADOS OBTENIDOS

Variables

 

Real

Terico

Unidades

velocidad

 

3.6

3.6

m/s

temperatura del lado caliente

 

96.3

96.3

C

temperatura del lado frio

 

38.1

38.1

C

temperatura de la pelcula

 

54.94

54.94

C

Reynolds

 

7461.52

7461.52

-

nusselt

 

138.58

138.58

-

coeficiente convectivo

 

96

96

W/(m2k)

razn de trasferencia

 

7370

7370

W

coeficiente de seebeck

 

0.1524

0.1524

V/C

resistencia trmica

 

0.893

0.893

k/W

En la tabla 8 se presenta una muestra de los valores ms relevante obtenidos en el proceso de la experimentacin, por medio del cual se realizaron las medidas del voltaje y la corriente obtenida a las diferentes ΔT en una celda Peltier.

 

TABLA 8. TABLA CON LOS RESULTADOS OBTENIDOS

Delta T C

Voltaje V

Corriente A

2,8

2,6

1,529

3,1

2,7

1,588

3,3

2,8

1,647

3,6

2,9

1,706

3,5

3

1,765

3,6

3,1

1,824

3,8

3,2

1,882

4,1

3,3

1,941

0,1

3,4

2,000

0,3

3,5

2,059

0,6

3,6

2,118

1

3,7

2,176

1,6

3,8

2,235

1,3

3,9

2,294

1,4

4

2,353

2,2

4,1

2,412

2,8

4,2

2,471

3,15

4,3

2,529

3,6

4,4

2,588

4,2

4,5

2,647

4,7

4,6

2,706

8,7

4,7

2,765

9,7

4,8

2,824

10,7

4,9

2,882

11,4

5

2,941

13,75

5,1

3,000

16,6

5,2

3,059

18,4

5,3

3,118

21,2

5,4

3,176

22,3

5,5

3,235

25,5

5,6

3,294

28,2

5,7

3,353

29,6

5,8

3,412

32,8

5,9

3,471

35

6

3,529

36,7

6,1

3,588

39,2

6,2

3,647

40,2

6,2

3,647

41,7

6,3

3,706

41,9

6,3

3,706

42

6,4

3,765

 

Gracias a estos resultados se puede determinar el comportamiento de la celda a diferentes cambios de temperatura y de esta manera buscar la forma de estabilizarlo en una tensin de 6.4 V

 

Fig.14 Grfica de Voltaje (V) vs Diferencia de temperatura(C) [Grfica], Investigadores, 2022.

 

 

La simulacin en ANSYS es importante para comparar los resultados experimentales, para tener una mayor confiabilidad en los resultados obtenidos.

Las figuras 12 y 13 se muestran los resultados obtenidos en la simulacin en ANSYS.

 

Grfico, Grfico de superficie

Descripcin generada automticamente

Fig. 15. Simulacin termodinmica del prototipo propuesto en ANSYS [Ilustracin], Investigadores, 2022.

 

 

Con la ayuda del Software ANSYS se determin la temperatura, en diferentes puntos a lo largo del eje y, obteniendo los siguientes valores expuestos en la tabla 9, de igual manera en la figura 13 se muestra la ubicacin de los puntos tomados para la realizacin.

 

Fig. 16. Simulacin termodinmica del prototipo propuesto en ANSYS [Ilustracin], Investigadores, 2022.

 

 

TABLA 9. TABLA DE DATOS TEMPERATURA (C) LONGITUD (MM)

LONGITUD (mm)

TEMPERATURA C

0

96,1

4

80,1

8

71,3

12

66,6

16

50,3

20

50,1

24

49,2

28

48

32

47,8

36

47,2

40

43,9

44

42,6

48

40,9

52

40,5

56

40,1

60

39,9

 

 

 

Se puede observar en la figura 17, la temperatura en C que se genera a lo largo del eje Y del prototipo.

Fig.17 Grfica de Temperatura (C) vs Longitud a lo largo del eje Y (mm) [Grfica], Investigadores, 2022.

 

 

Como se puede observar en la figura 18 el cambio de la temperatura tiene una direccin desde la cara ms fra a la ms caliente de la celta Peltier, lo que indica que si se genera una diferencia de temperatura acorde con los datos experimentales obtenidos en el anlisis experimental, este anlisis se los desarrollo en SolidWorks.

 

Fig.18. Simulacin termodinmica del ensamble del prototipo en SolidWorks [Ilustracin], Investigadores, 2022.

 

 

En la tabla 10 se muestran los resultados que se obtiene con la extrapolacin del nmero de celdas y obtener el dato de la potencia que podra generar si se aumenta ms celdas Peltier , como indica la tabla ms nmero de celdas Peltier hace que se eleve el voltaje y la corriente por ende ms potencia suministrar el prototipo generador de energa , adems tambin depender de la longitud del ducto por donde sale el calor residual que permita cumplir con los requerimientos necesario que ayuden a obtener un voltaje aceptable en el prototipo. El voltaje mximo que se obtuvo del proyecto utilizando cuatro celdas Peltier fue de 5,8 voltios, generando aproximadamente una potencia de 19.8 watts.

 

TABLA 10. TABLA DE DATOS DEL VOLTAJE, CORRIENTE Y POTENCIA

#CELDAS

VOLTAJE(V)

CORRIENTE(A)

POTENCIA(W)

4

5,8

3,41176471

19,8

8

11,6

6,82352941

79,2

12

17,4

10,2352941

178,1

16

23,2

13,6470588

316,6

20

29

17,0588235

494,7

24

34,8

20,4705882

712,4

28

40,6

23,8823529

969,6

32

46,4

27,2941176

1266,4

36

52,2

30,7058824

1602,8

40

58

34,1176471

1978,8

44

63,8

37,5294118

2394,4

 

 

En la figura 18 se observa la grfica de voltaje vs potencia que generan cuatro celdas Peltier e ir extrapolando hasta las cuarenta y cuatro celdas Peltier para obtener datos para una adecuada aplicacin.

 

Fig.18 Grfica de Potencia (P) vs Voltaje(V) [Grfica], Investigadores, 2022.

 

 

Los resultados se obtuvieron de tres pruebas, la ms importante en el ducto de una chimenea de la industria, tambin se realiz pruebas en el ducto horizontal conectado a una caldera y tambin de una chimenea de una casa.

Por ende, se presenta los resultados de los dems estudios, que ayudaron a comprobar el buen funcionamiento del prototipo

 

TABLA 11. resultados del ducto horizontal saliente de una caldera

Variables

Real

Terico

Unidades

velocidad

4.5

4.5

m/s

temperatura del lado caliente

80.1

80.1

C

temperatura del lado frio

38.1

38.1

C

temperatura de la pelcula

45.54

45.54

C

Reynolds

10256.41

10256.41

-

nusselt

175.06

175.06

-

coeficiente convectivo

118.25

118.25

W/(m2k)

rea de aleta

0.0108

0.0108

m2

razn de trasferencia

6778.05

6778.05

W

resistencia trmica

0.2334

0.2334

k/W

 

 

TABLA 12. resultados del ducto de una chimenea de una casa

Variables

Real

Terico

Unidades

velocidad

4

4

m/s

temperatura del lado caliente

 

 

C

temperatura del lado frio

38.1

38.1

C

temperatura de la pelcula

53.51

53.51

C

Reynolds

8249.54

8249.54

-

nusselt

149.11

149.11

-

coeficiente convectivo

102.92

102.92

W/(m2k)

razn de trasferencia

7854.72

7854.72

W

coeficiente de seebeck

0.1959

0.1959

V/C

resistencia trmica

0.2699

0.2699

k/W

 

 

Segn los datos mostrados durante la experimentacin se pudo obtener 5.8 V y una potencia de 19 W. La cual nos permite en prototipo encender dos focos led, sin embargo, con una potencia como la que obtuvimos se puede encender dos bombillas led para un hogar.

 

Fig.18. Prototipo expuesto a al flujo de calor saliente de la chimenea [Fotografa], Investigadores, 2022.

 

 

Es importante hablar de las aplicaciones donde se puede implementar el prototipo, pues el principal objetivo es el aprovechamiento energtico del calor residual de las industrias en particular.

La conversin de energa a partir de los residuos se puede obtener utilizando diferentes tecnologas, cada una con unas caractersticas especficas que pueden ser ms o menos factibles en funcin de muchos factores.

El prototipo es un avance pequeo que nos ayuda a comprender el funcionamiento de este, y que cumple su funcin de recuperar energa del calor residual, y si se desarrolla el prototipo an ms, es decir aumentar el voltaje y por ende la potencia, tendramos mayores resultados en aplicaciones.

Por ejemplo, aplicaciones como suministrar a un alumbrado de un parqueadero u cualquier iluminacin, el sistema de ventilacin o calefaccin, energa para convertir agua caliente, etc.

Este sistema tambin podra guardar esa energa en bateras, para posteriormente suministrar energa para cualquier mquina o equipo, pero recomendamos solo se use en sistemas con un consumo moderado puesto que al ser las fuentes bateras, tienen un lmite.

 

Convertidor DC-DC

Dado que el generador por celdas Peltier tiene cambios de tensin por la variacin de la temperatura, se ha decido modelar un estabilizador chopper (convertidor DC-DC), para la tensin continua de salida del grupo de celdas en serie conviertan en una tensin continua con bajo rizado y regule las cadas por las fluctuaciones. [16]

El modelo implica usar 12 celdas Peltier en serie segn la tabla 10 para tener una tensin mxima de 17.4VDC y mantener una tensin de salida de 12VDC.

La propuesta es aplicar un convertidor DC-DC Buck con realimentacin por tensin para controlar y mantener la tensin deseada. [17].

Para el ciclo de trabajo

Voltaje promedio a travs del inductor

Voltaje de salida en funcin del tiempo de suicheo

El voltaje de salida en funcin del ciclo de trabajo

Se puede pensar en este circuito de otra manera, como la red de salida LC es un filtro de paso bajo, al que se aplica una entrada de CC cortada cuyo voltaje promedio es solo . [18]

El convertidor Buck (Step-Down), va a reducir la tensin de salida con respecto a la de entrada para regularlo y aumentar la corriente a la requerida.

Por medio de un controlador modelado se controla la simulacin del convertidor Buck con implementacin controlada por MOSFET de canal N. La simulacin se la realiza en Matlab como se puede apreciar en la figura N. El controlador permite controlar el voltaje y corriente de salida por medio de la conmutacin de los MOSFETs.

El filtro capacitivo en la salida debe ser suficientemente grande para que la tensin de salida sea constante como se puede ver en la figura N. [19]

 

Diagram, schematic

Description automatically generated

Fig.19. Simulacin de un convertidor Buck en Matlab.

 

Graphical user interface, application, table

Description automatically generated

Fig.20. Grafica de voltaje de entrada, y voltaje y corriente de salida del convertidor Buck.

 

 

Conclusiones y discusin de resultados

El prototipo generador de energa elctrica con celdas Peltier creado con la finalidad de recuperar el calor residual de la industria, ha dado un resultado positivo, ofreciendo datos aceptables acorde con los valores tericos anteriormente calculados.

El desarrollo de la investigacin permiti aplicar el efecto termoelctrico la energa calorfica para posteriormente convertirla en energa elctrica, por lo tanto, el diseo del prototipo est enfocado en ello.

Tambin, durante la experimentacin se lleg a la conclusin que los disipadores utilizados tuvieron un funcionamiento ptimo cumpliendo as con las necesidades requeridas para disipar el calor y obtener una diferencia de temperatura para el correcto funcionamiento del prototipo.

Este prototipo ha permitido caracterizar cuatro celdas Peltier por medio de diferencias de temperaturas de entre 40 C y 100 C aproximadamente, producto del calor residual que sale por una chimenea de la industria. Arrojando un voltaje determinado que nos ha permitido determinar el parmetro ms caracterstico de las celdas, el coeficiente de Seebeck. Adems, se ha cuantificado la potencia mxima de las celdas, que arrojo una aproximante de 6 voltios, y mucho mejor si se aumenta el nmero de celdas, ya que durante la realizacin de los clculos se logr conocer que mientras ms celdas Peltier se dispongan conectadas, se obtendr mayor voltaje y por ende la potencia aumentar, cosa muy prctica y con verdaderas aplicaciones.

En conclusin, la investigacin ha sido muy til desde un punto de vista ingenieril pues engloba temas como electricidad y termodinmica y aprovechamiento de la energa residual con una aplicacin prctica que permita crear nuevos dispositivos que aporten energticamente en los problemas ambientales de la industria.

Para las aplicaciones se recomienda usar un convertidor Buck con mayor nmero de celdas Peltier para mantener estable la tensin DC fluctuante por la variacin de temperatura.

 

Referencias

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[2]

L. Gonzlez, Tecnologas de recuperacin y aplicaciones del calor residual de procesos industriales, 30 12 2005-. [En lnea]. Available: https://revistas.pascualbravo.edu.co/index.php/cintex/article/view/156.

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S. Tornos y A. Sotelo , Introduccin a la Termoelectricidad., [En lnea]. Available: https://www.tecnicaindustrial.es/wp-content/uploads/Numeros/22/41/a41.pdf.

[4]

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[5]

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[6]

LINSEIS, Termoelectrica, 2018. [En lnea]. Available: https://www.linseis.com/es/productos/termoelectrica/.

[7]

J. L. B. Avalos, Celdas Peltier: Una alternativa para sistemas de enfriamiento con base en semiconductor, 2008. [En lnea]. Available: https://www.researchgate.net/publication/268343902_Celdas_Peltier_Una_alternativa_para_sistemas_de_enfriamiento_con_base_en_semiconductor.

[8]

G. Patterson y M. Sobral, EFECTO PELTIER, 2007. [En lnea]. Available: http://materias.df.uba.ar/labo4aa2014c1/files/2012/07/Efecto-Peltier.pdf.

[9]

A. R. Balls, Estudio y parametrizacin de un generador termoelctrico, 09 07 2015. [En lnea]. Available: https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/79156/01_TFG.pdf.

[10]

T. Seebeck, Termoelectricidad, la energa del desequilibrio, Tcnica Industrial, p. 262, 2006.

[11]

C. R. Ramrez, G. M. Lizarazo y E. V. Duarte, Termoelectricidad: uso de las celdas peltier en el campo de la refrigeracin y sus principales aplicaciones, INVENTUM, p. 22, 2017.

[12]

R. E. Encinas y L. J. Martinez, Propiedades termoelctricas de los materiales. Efecto Seebeck y Peltier. Fundamentos tericos y propuesta experimental., UPV, 2020.

[13]

V. L. Godoy, Diseo, construccin y evaluacin energtica de una cmara con celdas Peltier, EPN, 2016.

[14]

Ferrotec, Mathematical Modeling of Thermoelectric Cooling Modules, Thermoelectric Technical Reference, 2016.

[15]

D. Zhao y G. Thao, A review of thermoelectric cooling: materiales modeling and applications applied thermal engineeting, 2014.

[16]

Arbetter, B., Erickson, R., & Maksimovic, D. (1995, June). DC-DC converter design for battery-operated systems. In Proceedings of PESC'95-Power Electronics Specialist Conference (Vol. 1, pp. 103-109). IEEE

[17]

Suntio, T., Messo, T., & Puukko, J. (2017). Power electronic converters: dynamics and control in conventional and renewable energy applications. John Wiley & Sons.

[18]

Horowitz, P., Hill, W. (2016). The art of electronics Third Edition. Cambridge University Press.

[19]

Ramos Flores, C. (2017). Anlisis de un convertidor DC/DC destinado al almacenamiento hbrido de energa. TFG UPM.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2022 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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