Implementaci�n de un Sistema
de Generaci�n El�ctrica mediante la aplicaci�n 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
Implementa��o de um Sistema de Gera��o de Energia El�trica atrav�s da aplica��o do Efeito Seebeck com C�lulas Peltier para aproveitamento do Calor Residual de Gases de Processos Industriais
Otto Fernando Balseca-Sampedro I otto.balseca@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0001-6713-0991 |
John Germ�n Vera-Luzuriaga II john.vera@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-6621-5368 |
Diego Fernando Mayorga-P�rez III dmayorga@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0003-1731-9723 |
Hugo Alexander Noriega-Cordovez IV alexfebrerohanc@gmail.com https://orcid.org/0000-0003-2964-0207 |
Bryan Sebasti�n Mej�a-Rodr�guez V������������������������� Ronald Alexis Ar�valo S�nchez VI sebasmejia3000@gmail.com����������������������������� ������������������������������������������������������������������������������� ronaldare69@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-8054-2672���������������������� https://orcid.org/0000-0003-0822-495X
Henry Stiwar Centeno-Amaguaya VII centenohenry10g@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-2378-3779 |
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Correspondencia: otto.balseca@espoch.edu.ec |
Ciencias T�cnicas y Aplicadas Art�culo de Investigaci�n
* Recibido: 25 de abril de 2022 *Aceptado: 20 de mayo de 2022 * Publicado: 20 de Junio de 2022
I. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, ESPOCH. Riobamba, Ecuador
II. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, ESPOCH. Riobamba, Ecuador.
III. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, ESPOCH. Riobamba, Ecuador.
IV. Investigador Independiente, Ecuador.
V. Investigador Independiente, Ecuador.
VI. Investigador Independiente, Ecuador.
VII. Investigador Independiente, Ecuador.
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Resumen
En este art�culo cient�fico se presenta el desarrollo de un prototipo de un sistema de aprovechamiento energ�tico, partiendo de una investigaci�n 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 investigaci�n se observa como la contaminaci�n emitida por la industria contamina el aire y es solo regulada por �l estado con leyes, el prototipo no reduce directamente el grado de contaminaci�n, pero aprovecha el calor emitido por estos gases para generar electricidad reduciendo el consumo energ�tico y as� reducir la huella de carbono dejada por la industria.
Palabras Claves: Calor Residual; Aprovechamiento Energ�tico; 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 cient�fico apresenta o desenvolvimento de um prot�tipo de um sistema de aproveitamento de energia, baseado em uma investiga��o detalhada que visa desenvolver o efeito Seebeck e como produzir eletricidade a partir do calor residual produzido pela ind�stria. O prot�tipo desenvolvido demonstrou como quatro c�lulas Peltier podem produzir cerca de seis volts
a partir da diferen�a de temperatura das c�lulas Peltier. Os dados obtidos experimentalmente fazendo o calor residual emitido por uma chamin� industrial que usamos como refer�ncia fluem atrav�s do nosso prot�tipo. Dentro da investiga��o, observa-se como a polui��o emitida pela ind�stria polui o ar e s� � regulamentada pelo estado com leis, o prot�tipo n�o reduz diretamente o grau de polui��o, mas aproveita o calor emitido por esses gases para gerar eletricidade, reduzindo o consumo e, assim, reduzindo a pegada de carbono deixada pela ind�stria.
Palavras-chave: Calor Residual; Uso de energia; Prot�tipo; C�lula de Peltier; Efeito Seebeck.
Introducci�n
La termoelectricidad se considera como la rama de la termodin�mica paralela a la electricidad donde se estudian fen�menos en los que intervienen el calor y la electricidad.
El fen�meno m�s conocido es el de la generaci�n de electricidad mediante la aplicaci�n de calor en la uni�n de dos materiales diferentes. Este fen�meno fue observado por primera vez en 1821 por el f�sico alem�n Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Seebeck.
Ante el evidente problema que nuestro planeta enfrenta a consecuencia del cambio clim�tico, nuestra obligaci�n es desarrollar y aplicar nuevas tecnolog�as para aprovechar los recursos del planeta, como es el caso de la implementaci�n de un prototipo generador de energ�a el�ctrica utilizando Celdas Peltier, basadas en el principio termoel�ctrico Peltier para el aprovechamiento del calor residual de las industrias.
Las grandes industrias han centrado su inter�s en el aprovechamiento de esta energ�a como es el caso de Sika S. A. Ecuador, la cual utiliza el calor residual del compresor de aire y lo utiliza para ahorrar energ�a de calefacci�n en la planta.
La reducci�n del consumo de gas natural para calentar la planta se reduce en 390'000 kWh / a�o (5% del consumo total de la f�brica). Las emisiones de CO2 se reducen en 79 toneladas / a�o.
En lo que concierne al presente proyecto, se iniciar� con el an�lisis te�rico que permitir� la investigaci�n gradual sobre la fuente de energ�a t�rmica a usar y el proceso que se requerir� para su transformaci�n a electricidad, para ello usaremos la metodolog�a experimental, para plantear nuevos m�todos o estrategias para la generaci�n de conocimiento.
Marco Te�rico
Procesos en una cer�mica
Un proceso industrial es un conjunto de actividades que se realizan para convertir la materia prima en un producto final.
El proceso cer�mico consta de cinco etapas fig. 1: la selecci�n y preparaci�n de las materias primas, la preparaci�n del cuerpo cer�mico, que consiste en la preparaci�n de la mezcla, homogenizaci�n y amasado, el moldeado, que puede hacerse por varios procedimientos, el secado, y a cocci�n. [1]
Un proceso industrial debe reunir las siguientes caracter�sticas:
� Se tiene que dar una manipulaci�n de las materias primas.
� Aplica operaciones, actividades y m�todos para alterar las materias primas.
� El moldeado, que puede hacerse por varios procedimientos.
� El secado.
� La cocci�n.
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Fig 1: Fases del proceso cer�mico. (Adams, 1961). [Gr�fico]. 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 emisi�n o almacenaje. Este calor puede ser aprovechado de modo que se cumplan dos objetivos simult�neamente [2]:
� Recoger y distribuir el calor para reutilizarlo en el mismo equipo o en otros.
� Disminuir la temperatura de emisi�n de fluidos de manera que se reduzca la contaminaci�n t�rmica.
El calor residual en los efluentes de los procesos industriales supone una importante p�rdida de energ�a t�rmica en la industria. El aprovechamiento de este calor aumenta significativamente la eficiencia energ�tica de los equipos y la eficiencia global de la planta [2].
Termoelectricidad
La termoelectricidad es la generaci�n de corriente el�ctrica, por efecto de aplicaci�n de calor en uno (o varios) materiales relacionados entre s�, los m�dulos termoel�ctricos se encuentran regidos por tres principales efectos [3]:
Efecto Seebeck, Efecto Peltier, Efecto Thomson.
El generador termoel�ctrico
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Fig 2. Representaci�n esquem�tica (a) de la conformaci�n de un m�dulo termoel�ctrico y (b) de un generador termoel�ctrico fundamental. [Ilustraci�n] (Z. Dughaish, Physica, (2002)).
Un generador termoel�ctrico es la �nica m�quina t�rmica en la cual los portadores de carga sirven como fluido de trabajo. Estos dispositivos est�n conformados por muchas junturas elementales, donde una sola produce bajos niveles de potencia, de tal manera que, para obtener potencias de utilidad pr�ctica, es necesario conectar un n�mero de estas junturas el�ctricamente en serie y t�rmicamente en paralelo, para as� formar un m�dulo. [4]
Fundamentos te�ricos 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 termoel�ctricos reversibles en un m�dulo termoel�ctrico, pero solo el efecto Seebeck es el responsable de generar corriente en el m�dulo termoel�ctrico, el efecto Peltier est� unido al efecto Seebeck por las relaciones de Thomson, por lo tanto, en modelizaci�n matem�tica la generaci�n el�ctrica de los m�dulos termoel�ctricos se encontrara los tres efectos reflejados, sin embargo, cuando se sueldan dos materiales met�licos o semiconductores diferentes, mantenidos a distintas temperaturas en sus uniones, no solo existen los tres efectos antes mencionados, tambi�n est�n presentes el efecto Joule y el efecto Fourier. [5]
Fen�menos termoel�ctricos
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 difusi�n 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- electrost�tico. [6]
Este efecto se muestra como la aparici�n de una diferencia de potencial el�ctrico en un circuito formado por la uni�n de dos (o m�s) materiales distintos donde sus uniones se encuentran a diferente temperatura, figura 3.
Fig. 3. Efecto Seebeck. (2018, 7 agosto). [Ilustraci�n]. Linseis. https://www.linseis.com/wp- content/uploads/2018/08/TE-1.jpg
Celdas Peltier
Celdas Peltier, una c�lula o celda Peltier mueve energ�a calor�fica desde la placa fr�a a la placa caliente a trav�s del control de la energ�a el�ctrica proporcionada por una fuente de alimentaci�n. 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.
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Fig.4. Estructura de una celda Peltier. (2016, 2 agosto). [Ilustraci�n].CeldaPeltier: https://www.luisllamas.es/wp- content/uploads/2016/08/arduinoplacapeltierfuncionamiento.png
Las c�lulas que se comercializan en el mercado esencialmente est�n compuestas por dos tipos de elementos semiconductores: teluro de bismuto y seleniuro de antimonio. Las celdas est�ndar son las m�s usadas para la generaci�n energ�a el�ctrica, ya que, son de f�cil montaje, manejo y trabajan en amplios rangos de temperatura. Adem�s, son altamente accesibles en el mercado y por esta raz�n se las puede encontrar a precios muy econ�micos que van desde los tres d�lares hasta los treinta d�lares dependiendo de la empresa fabricante. [7]
Una celda Peltier est�ndar es usualmente empleada cuando se quiere enfriar peque�as c�maras, dispositivos electr�nicos, 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 fr�o y la del lado caliente sean las m�s cercanas entre s�. Es por esto que se debe acoplar a las celdas dispositivos de disipaci�n y de absorci�n de calor. [7] Usando una o m�s celdas est�ndar se puede dise�ar un sistema el�ctrico con un amplio rango de potencia. Normalmente estas celdas trabajan dentro de rangos como se muestra en la tabla 1:
TABLA 1 CARACTER�STICAS GENERALES DE UNA CELDA PELTIER EST�NDAR
Magnitud |
Rango |
Unidades |
|
Desde |
Hasta |
||
Intensidad |
1 |
40 |
A |
Voltaje |
2,3 |
18,1 |
V |
Variaci�n de temperatura lado fr�o y lado caliente |
70 |
83 |
�C |
Calor absorbido M�ximo |
0,6 |
146 |
W |
Dimensiones |
4x4x4 |
55x55x55 |
mm |
Una celda Peltier mantiene una cara fr�a 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 fr�a este a unos -10 �C, la parte caliente no deber�a superar los 60 �C.
La m�xima temperatura que admiten estas celdas es de 200 �C (en realidad admiten m�s temperatura, sin embargo, este es un margen de seguridad), cuando se sobrepasa este l�mite 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 el�ctrica, la materia ofrece cierta resistencia al movimiento de los electrones, los cuales ceden energ�a cin�tica al entorno de sucesivos choques.� Esta energ�a se disipa al medio exterior en forma de calor. [8]
𝑸 = 𝑰𝟐𝑹𝑻 |
( 1 ) |
Donde Q representa la energ�a calor�fica (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 homog�neos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura,𝑇 𝑦 𝑇 + 𝛥𝑇. Se establece un flujo de corriente el�ctrica, o bien, si se abre el circuito una diferencial de potencial 𝐸AB, la cual depende de los metales utilizados en la uni�n y de la diferencia de temperatura entre las uniones. [8]
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Fig. 5.��� El efecto Seebeck. (s. f.). [Ilustraci�n]. Introducci�n a la Termoelectricidad. http://www.unavarra.es/ets02/Seebeck.gif
La relaci�n
entre 𝐸AB y la diferencia de temperaturas entre
las uniones 𝛥𝑇, define el coeficiente de Seebeck, y se lo determina por medio de la ecuaci�n:
𝝏𝑬𝑨𝑩 𝑎𝑨𝑩 = �𝝏𝑻� �= 𝑎𝑨 − 𝑎𝑩 |
( 2 ) |
Donde 𝛼𝐴 𝑦 𝛼𝐵 son respectivamente las potencias termoel�ctricas absolutas de A y B, y son caracter�sticas 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 el�ctrica a trav�s de la uni�n de dos conductores de diferente material en una determinada direcci�n producir enfriamiento y al hacerla pasar en direcci�n contraria producir calentamiento en la uni�n. La potencia calor�fica generada o absorbida es proporcional a la corriente el�ctrica y tambi�n est� en funci�n de la temperatura de la uni�n, que se expresa como [8]:
𝑸𝒑 = 𝝅𝑰 |
( 3 ) |
D�nde:
𝑄𝑝: Potencia calor�fica generada o absorbida debido al efecto Peltier
𝜋: Coeficiente de Peltier
𝐼: Intensidad de corriente que pasa a trav�s de la uni�n.
Para obtener el coeficiente de Peltier, nos regimos por la primera ley de Kelvin
𝝅 = 𝑎𝑻 |
( 4 ) |
D�nde:
𝛼: Coeficiente de Seebeck de dos conductores distintos
𝑇: Temperatura absoluta de la uni�n.
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 termoel�ctricas, para as� poder generar energ�a el�ctrica. [8]
Ley de ohm y potencia el�ctrica
Las placas
estudiadas suministran una fuente de corriente continua cuando est�n 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 b�sica,
y as� poder comprender como se deducen
ciertas ecuaciones
involucradas en el proceso de obtenci�n de energ�a.
[9]
𝑽 𝑰 = 𝑹 |
( 5 ) |
Donde:
𝐼 =Intensidad de Corriente (A)
𝑉 =Voltaje (V)
𝑅 =Resistencia (Ω)
La potencia suministrada por una fuente el�ctrica depende de la cantidad de electrones que circulan en un tiempo determinada y del voltaje al cu�l estos est�n sometidos, por lo que la ecuaci�n ser� la siguiente.
𝑷 = 𝑽𝑰 |
( 6 ) |
Donde:
𝐼 =Intensidad de Corriente (A)
𝑉 =Voltaje (V)
𝑃 =Potencia (W)
Efecto Seebek
𝑽 𝑎 = 𝜟𝑻 |
( 7 ) |
Donde:
𝑉= Voltaje termodin�mico [𝑉]
𝛼=Coeficiente de Seebek [𝜇(𝑉/𝐾)]
𝛥𝑇=Temperatura del gradiente [𝐾]
El principio es usado para la generaci�n energ�tica mediante la variaci�n de temperatura entre las celdas Peltier y los disipadores de calor al igual que los ventiladores. [9]
Raz�n de trasferencia
𝑸𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒂𝒍𝒆𝒕𝒂 = 𝑸𝒍𝒊𝒃𝒓𝒆 𝒅𝒆 𝒂𝒍𝒆𝒕𝒂 + 𝑸𝒂𝒍𝒆𝒕𝒂
𝑸 = 𝒉𝑨𝒍𝒊𝒃𝒓𝒆 𝒅𝒆 𝒂𝒍 (𝑻𝒔 − 𝑻𝒃) + 𝒉𝜼𝒂𝒍𝑨𝒂𝒍(𝑻𝒔 − 𝑻𝒃) |
( 8 ) |
D�nde:
𝑄 =Razon de trasferencia de calor [𝑊] ℎ = Coeficiente convectivo [𝑊/𝑚2𝐾]
𝐴 =�rea [𝑚2]
𝑇𝑠 =Temperatura de la superficie [𝐾]
𝑇𝑏= Temperatura ambiente
𝜂= Eficiencia de la aleta
Temperatura de pel�cula
Esto se da a partir de la temperatura superficial y la del ambiente, expres�ndose de la siguiente manera:
𝑻𝒔 + 𝑻∞ 𝑻𝒑 =�������� 𝟐 |
( 9 ) |

Reynolds
𝑽𝑳 𝑹𝒆 = 𝒗 |
( 10 ) |
D�nde:
𝑉 =Velocidad del fluido m/s
𝐿 =Longitud del disipador
𝑣 =Viscosidad cinem�tica en m2/s
Nusselt
𝒉𝑳 𝑵𝒖 = 𝒌 |
( 11 ) |
Donde
ℎ =Coeficiente convectivo [𝑊/𝑚2ꞏ𝐾]
𝐿 =Longitud de la celda [𝑚]
𝑘 =Conductividad t�rmica en [𝑊/𝑚ꞏ𝐾]
Efecto Thomson
A diferencia de los dos efectos anteriores, el efecto Thomson
no se aplica directamente a termopares,
sino a un solo material. Este fen�meno estudia el enfriamiento o calentamiento
de un material expuesto a un
gradiente de temperaturas entre sus 2 conexiones al pasar por �l una corriente el�ctrica. Seg�n la direcci�n de
la corriente el�ctrica pasante, este generar� o absorber� calor. [9][10]
𝒅𝑻 𝑸𝒕 = 𝝁. 𝑱. 𝒅𝒙 |
( 12 ) |
D�nde:
𝑄𝑡 =Potencia por unidad de volumen absorbida por el efecto Thomson (𝑤/𝑚3)
𝜇 =Coeficiente de Thomson (𝑊/𝐴. 𝐾)
𝐽 =Densidad de corriente (𝐴/𝑚2)
𝑑𝑇 = Gradiente
de corriente (𝐾/𝑚)
𝑑𝑥
Relaciones de Thomson
A partir de la ecuaci�n de Seebeck anteriormente enunciada (2) y la ecuaci�n de la potencia el�ctrica (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]
𝑸̇ = 𝑎 ∙ 𝜟𝑻 ∙ 𝑰 |
( 13 ) |
Remplazando (𝛼 ∙ ∆𝑇) por V en la ecuaci�n de potencia el�ctrica (6).
Esta ecuaci�n 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 fr�a de la celda (14b).
𝑸𝒌 ̇ = �𝑎 ∗ �𝑻𝑯 ∗ 𝑰 𝑸𝒍 ̇= 𝑎 ∗ 𝑻𝑳 ∗ 𝑰 |
( 14 ) |
Desarrollando:
Siendo:
∆𝑻 = 𝑻𝑯 − 𝑻𝑳
𝑇𝐻 =Temperatura en la cara caliente (𝑘)
𝑇𝐿 =Temperatura en la cara fr�a (𝑘)
𝑄𝑘̇ =Calor Absorbido en la cara caliente(𝑊)
𝑄̇𝑙 =Calor cedido por la cara fria (𝑊)
Dando como resultado:
𝑸 =̇���� 𝑎 ∗ ∆𝑻 ∗ 𝒍 |
( 15 ) |
Reemplazando as�:
(𝛼 ∗ ∆𝑇) por V en la ecuaci�n de potencia el�ctrica
lujo de Calor
𝑸̇ = 𝑸𝒄𝒐𝒏𝒗𝒆𝒄𝒄𝒊�𝒏 𝑨 |
( 16 ) |
𝑄̇ = Flujo de calor 𝑤/𝑚2
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖�𝑛= Calor de convecci�n 𝑤
𝐴 =�rea de transferencia 𝑚2
Convecci�n
𝑸𝒄𝒐𝒏𝒗𝒆𝒄𝒄𝒊�𝒏 = 𝒉 ⋅ 𝑨 ⋅ (𝑻𝒔 − 𝑻∞) |
( 17 ) |
ℎ =coeficiente convectivo [ 𝑤� �]
𝑚2𝐾
𝐴 =�rea de transferencia 𝑚2
𝑇𝑠 =Temperatura de la superficie K
𝑇∞ =Temperatura del ambiente K
Resistencia t�rmica
𝑻𝒔 − 𝑻∞ 𝑸 = 𝑹𝒓𝒆𝒂𝒍 |
( 18 ) |
𝑸 =
𝐑az�n de transferencia de calor 𝒘
𝑹𝒓𝒆𝒂𝒍
=Resistencia t�rmica real 𝑲
𝒘
𝑻𝒔 =Temperatura de la superficie K
𝑻∞ =Temperatura del ambiente K
TABLA 2 RESUMEN DE ECUACIONES EMPLEADAS PARA EL C�LCULO DE PAR�METROS TERMODIN�MICOS
Nombre |
Ecuaci�n |
Unida d |
N� |
TEMPERATU RA��� DE��������� LA PEL�CULA |
𝑇𝑠 + 𝑇∞ 𝑇𝑃 =������� 2 |
[�C] |
(9) |
REYNOLDS |
𝑉𝐿 𝑅𝑒 = �𝑣 |
-- |
(10 ) |
NUSSELT |
ℎ𝐿 𝑁𝑢 = 𝐾 |
𝑊 [��������� ] 𝑚2𝐾 |
(11 ) |
RAZ�N������������������� DE TRANSFERE NCIA������������������� DE CALOR |
𝑄̇𝑐 = ℎ ∗ 𝑎(𝑇𝑠 − 𝑇∞) |
[𝑊] |
(8) |
FLUJO������ DE CALOR |
𝑄̇ = 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖�𝑛 𝐴 |
𝑊 [������ ] 𝑚2 |
(16 ) |
RESISTENCI A T�RMICA |
𝑇𝑠 − 𝑇∞ 𝑅𝑟𝑒𝑎𝑙 =������� 𝑄 |
𝐾 [���� ] 𝑊 |
(18 ) |
COEFICIENT E���������������� DE SEEBECK |
𝑉 𝛼 = ∆𝑇 |
𝑉 [𝜇���� ] 𝐾 |
(2) |
POTENCIA |
𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼 |
[𝑊] |
(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 l�minas 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 aerodin�mico. Ocurre a velocidades relativamente bajas o viscosidades altas como veremo.
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Fig.6.��� Trayectoria descrita por un elemento de fluido en movimiento. (s. f.). [Ilustraci�n]. Din�mica de Fluidos. https://www.ugr.es/~jtorres/t7.pdf
Se llama flujo turbulento cuando se hace m�s irregular, ca�tico e impredecible, las part�culas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las part�culas se encuentran formando peque�os remolinos aperi�dicos. Aparece a velocidades altas o cuando aparecen obst�culos abruptos en el movimiento del fluido [15].
Desarrollo del trabajo experimental
El prototipo de aprovechamiento energ�tico, partiendo del efecto Seebeck para producir electricidad a partir de calor residual producido por la industria consta de los siguientes elementos:
Elementos de medida:
� Mult�metro.
� Pic�metro
� Termoanem�metro
� Termohigr�metro
Elementos:
� Celdas Peltier TEC1-12706
� Disipador de calor rectangular
� Disipador de calor circular
� Pasta T�rmica
� Fuente de calor controlada
� Placa circular de aluminio
� L�mina de aluminio
� Diodos Led 1N4007S
� Cables de conexi�n
Procedimiento
�
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Primero se procede a armar el prototipo generador de energ�a el�ctrica con celdas Peltier aplicando el efecto Seebeck.
Fig.7.��� Prototipo generador de energ�a a partir de las celdas Peltier dise�ado en SolidWorks [Ilustraci�n], Investigadores, 2022.
� Se debe colocar el prototipo sobre la fuente de calor y los ventiladores en direcci�n que el aire pegue directo a los disipadores de calor.
� Al convertir la energ�a calor�fica en energ�a el�ctrica, para verificar dicha transformaci�n, se usar�n un par de diodos led en conexi�n en serie, que servir�n como comprobaci�n de dicha transformaci�n energ�tica.
� Con la ayuda de un pir�metro y un mult�metro, facilitara el trabajo de la obtenci�n 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 mult�metro nos mostrara la intensidad de corriente y resistencia que alcanza las celdas usadas al absorber la energ�a calor�fica.
Fig.8.��� Comprobaci�n de funcionamiento del Prototipo generador de energ�a con una fuente de calor casera [Fotograf�a], Investigadores, 2022.
Los disipadores de calor cumplen una funci�n importante en el prototipo, pues ayudan a extraer el calor celdas Peltier hacia el exterior, se utilizaron dos disipadores un rectangular y un circular.
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Fig.9.��� Dimensiones de disipador rectangular obtenido en el mercado, de aluminio [Ilustraci�n], Investigadores, 2022.
Fig.10. Dimensiones de disipador circular obtenido en el mercado, de aluminio [Ilustraci�n], Investigadores, 2022.
Toma de datos
TABLA 3. TABLA DE DATOS OBTENIDA DEL PROTOTIPO
No |
T caliente �C |
T fr�a �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 estar�n revestidas con pasta t�rmica que permitir� regular su temperatura al igual que el uso de 2 disipadores cada uno con un ventilador, permitiendo as� que alcance su m�ximo rendimiento en las celdas.
EL uso de instrumentos de medida como un termohigr�metro digital, que es un instrumento electr�nico que mide la temperatura y humedad relativa, al igual que un termoanem�metro 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 medici�n, un Termo anem�metro y termohigr�metro [Fotograf�a], Investigadores, 2022.
El t�rmino secci�n transversal es solo una forma de describir el �rea a trav�s de lo que algo fluye, por ejemplo, en la tabla 4 se observa los datos de la secci�n trasversal del fluido utilizado.
Como se ver� posteriormente, el n�mero de Reynolds es el par�metro que expresa la relaci�n entre las fuerzas de inercia y las viscosas en el interior de una corriente, por lo que el r�gimen hidr�ulico va a depender de su valor.
TABLA 4. SECCI�N TRASVERSAL DEL FLUIDO, (OBTENIDO DE ZUKAUSKAS, REF. 14, Y JAKOB, 1949)
Secci�n Transversal del fluido |
Fluid o |
Rang o����� de Re |
N�mero de Nusselt |
|
Gas |
5000- |
Nu�������� = |
|
10000 |
0.102Re0. |
|
|
0 |
675 Pr1/3 |
|
|
Gas |
4000- |
Nu�������� = |
|
15000 |
0.228Re0. |
|
|
|
731 Pr1/3 |
Cuando un fluido circula por una tuber�a lo puede hacer en r�gimen laminar o en r�gimen turbulento.
Los conductos o tuber�as (en otros sistemas, var�a el Reynolds): Si el n�mero 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 reg�menes se encuentra en el comportamiento de las part�culas fluidas, que a su vez depende del balance entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas o de rozamiento.
![]() |
Fig.12. Simulaci�n del flujo de vapor en SolidWorks en el ducto de la chimenea [Ilustraci�n], Investigadores, 2022.
Como se muestra en la figura 12 se aprecia la simulaci�n del ducto de la chimenea donde pasa un caudal o flujo, y este tendr� que ser medido con ayuda de un termoanem�metro que mide la velocidad del fluido para la con ello realizar los c�lculos termodin�micos correspondientes.
![]() |
Fig.13� �Ducto de la chimenea real donde se obtendr� el calor residual del mismo [Fotograf�a], Investigadores, 2022.
C�LCULOS ANAL�TICOS
1) Temperatura de pel�cula
𝑇𝑝 =
𝑇𝑠 + 𝑇∞
=
2
93,33 + 16,56
= 54,94
2
TABLA 5 PROPIEDADES DEL AIRE A PRESI�N DE UNA ATMOSFERA, TOMADO DE CENGEL, TABLA B-6
Propiedades�� del�� aire atmosfera |
a��� presi�n�� de����� una |
|
Temperatura, T [�C] |
50 |
60 |
Densidad, ρ [kg/m3] |
1.092 |
1.059 |
Calor Especifico Cp., [J/kgꞏK] |
1007 |
1007 |
Conductividad t�rmica, k [W/mꞏK] |
0.02735 |
0.02808 |
Difusividad t�rmica, α |
2.487�10- |
2.632�10- |
[m2/s] |
5 |
5 |
Viscosidad din�mica, � |
1.963�10- |
2.008�10- |
[kg/mꞏs] |
5 |
5 |
Viscosidad cinem�tica, |
1.798�10- |
1.896�10- |
v |
5 |
5 |
[m2/s] |
|
|
N�mero de Prandtl, Pr |
0.7228 |
0.7202 |
2) Interpolaci�n
Con estos datos se procede a realizar la interpolaci�n para encontrar los valores requeridos para la realizaci�n de los c�lculos correspondientes. Estos resultados se muestran en la tabla 6.
Se realiza la interpolaci�n de la tabla con el dato de 54,94.
𝒚 = 𝒚𝟎
+ 𝒚𝟏 − 𝒚𝟎�(𝒙 − 𝒙 )
𝒙𝟏 − 𝒙𝟎�������������� 𝟎
3) Conductividad T�rmica
𝑦 = 0,02735 +
0,02808 − 0,02735
60 − 50
(54,94 − 50) = 0,02771
4) Viscosidad
𝑦 = 1,963E10 − 5 +
1,896E10 − 5 − 1,963E10 − 5
60 − 50
(54,94 − 50) = 1,9299𝐸10 − 5
5) N�mero de Prandtl
𝑦 = 0,7202 +
0,7228 − 0,7202
60 − 50
(54,94 − 50) = 0,7215
TABLA 6 TABLA CON LOS DATOS INTERPOLADOS, TOMADO DE CENGEL, TABLA B-6
Temp. T, [�C] |
Conductividad t�rmica k [W/m K] |
Viscosidad cinem�tica v [m2/s] |
N�mero de Prandtl Pr |
50 |
0,02735 |
1,963x10-5 |
0,7228 |
54,94 |
0,02771 |
1,929x10-5 |
0,7215 |
60 |
0,02808 |
2,008x10-5 |
0,7202 |
6) C�lculo de Reynolds
𝑅𝑒 =
𝑉𝐿
𝑣
3,6 ⋅ 0,04
𝑅𝑒 = 1,9299𝐸10 − 5
𝑅𝑒 = 7461,52
7) C�lculo de Nusselt
Nu = 0.102Re0.675 Pr1/3
Nu = 0.102(7461,52)0.675 (0,7215)1/3 Nu = 37,63
Despejando
𝑁𝑢 =
𝑁𝑢 =
𝑘𝑁𝑢
ℎ𝐿
𝑘
ℎ𝐿
𝑘
= ℎ
𝐿
8) Coeficiente convectivo
𝑤
ℎ = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 [𝑚2𝐾]
0,02771 ⋅ 37,63������������������������ 𝑤
ℎ =������������ 0,04������������� = 26,07 [𝑚2𝐾]
9) Resistencia t�rmica
𝑄 =
𝑇𝑠 − 𝑇∞
𝑅𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑇𝑠 − 𝑇∞
𝑅𝑟𝑒𝑎𝑙 �=������� 𝑄
𝑅𝑟𝑒𝑎𝑙 =
366,48 − 289,71
72,05
𝐾
10) Convecci�n
𝑅𝑟𝑒𝑎𝑙 = 1,065 𝑤
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖�𝑛 = ℎ ⋅ 𝐴 ⋅ (𝑇𝑠 − 𝑇∞)
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖�𝑛 = (26,07)(0,036𝑚2) ⋅ (366,48 − 289,71)𝐾
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖�𝑛 = 72,05 𝑤
𝑄̇ = 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖�𝑛
𝐴
11) Coeficiente de Seebeck
𝑄̇ = 72,05 𝑤
0,036𝑚2
𝑄̇ = 2001,38 𝑤
𝑚2
𝛼 = 6,4
𝑣 Δ𝑇
𝑉
𝛼 =
42
= 0,1524
�𝐶
Resultados
En la tabla 7 se muestran los resultados obtenidos de los c�lculos anteriores, con el estudio termodin�mico aplicado a la obtenci�n de energ�a el�ctrica 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 |
Te�rico |
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 PEL�CULA |
54.94 |
54.94 |
�C |
REYNOLDS |
7461.52 |
7461.52 |
- |
NUSSELT |
138.58 |
138.58 |
- |
COEFICIENTE CONVECTIVO |
96 |
96 |
W/(m2k) |
RAZ�N������������������������������������� DE TRASFERENCIA |
7370 |
7370 |
W |
COEFICIENTE������������������������������������� DE SEEBECK |
0.1524 |
0.1524 |
V/�C |
RESISTENCIA T�RMICA |
0.893 |
0.893 |
k/W |
En la tabla 8 se presenta una muestra de los valores m�s relevante obtenidos en el proceso de la experimentaci�n, 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 tensi�n de 6.4 V
![]() |
Fig.14 Gr�fica de Voltaje (V) vs Diferencia de temperatura(�C) [Gr�fica], Investigadores, 2022.
La simulaci�n 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 simulaci�n en ANSYS.
![]() |
Fig. 15. Simulaci�n termodin�mica del prototipo propuesto en ANSYS [Ilustraci�n], 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 ubicaci�n de los puntos tomados para la realizaci�n.
Fig. 16. Simulaci�n termodin�mica del prototipo propuesto en ANSYS [Ilustraci�n], 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 Gr�fica de Temperatura (�C) vs Longitud a lo largo del eje Y (mm) [Gr�fica], Investigadores, 2022.
Como se puede observar en la figura 18 el cambio de la temperatura tiene una direcci�n desde la cara m�s fr�a a la m�s caliente de la celta Peltier, lo que indica que si se genera una diferencia de temperatura acorde con los datos experimentales obtenidos en el an�lisis experimental, este an�lisis se los desarrollo en SolidWorks.
![]() |
Fig.18. Simulaci�n termodin�mica del ensamble del prototipo en SolidWorks [Ilustraci�n], Investigadores, 2022.
En la tabla 10 se muestran los resultados que se obtiene con la extrapolaci�n del n�mero de celdas y obtener el dato de la potencia que podr�a generar si se aumenta m�s celdas Peltier , como indica la tabla m�s n�mero de celdas Peltier hace que se eleve el voltaje y la corriente por ende m�s potencia suministrar� el prototipo generador de energ�a , adem�s tambi�n 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 m�ximo 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
#CEL DAS |
VOLTAJ E(V) |
CORRIEN TE(A) |
POTENCI A(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 gr�fica 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 aplicaci�n.
![]() |
Fig.18 Gr�fica de Potencia (P) vs Voltaje(V) [Gr�fica], Investigadores, 2022.
Los resultados se obtuvieron de tres pruebas, la m�s importante en el ducto de una chimenea de la industria, tambi�n se realiz� pruebas en el ducto horizontal conectado a una caldera y tambi�n de una chimenea de una casa.
Por ende, se presenta los resultados de los dem�s estudios, que ayudaron a comprobar el buen funcionamiento del prototipo
TABLA 11. RESULTADOS DEL DUCTO HORIZONTAL SALIENTE DE UNA CALDERA
Variables |
Real |
Te�rico |
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 PEL�CULA |
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 |
RAZ�N��������� DE TRASFERENCIA |
6778.05 |
6778.05 |
W |
RESISTENCIA T�RMICA |
0.2334 |
0.2334 |
k/W |
TABLA 12. RESULTADOS DEL DUCTO DE UNA CHIMENEA DE UNA CASA
Variables |
Real |
Te�rico |
Unidades |
VELOCIDAD |
4 |
4 |
m/s |
TEMPERATURA DEL���������� LADO CALIENTE |
|
|
�C |
TEMPERATURA DEL LADO FRIO |
38.1 |
38.1 |
�C |
TEMPERATURA DE������������������ LA PEL�CULA |
53.51 |
53.51 |
�C |
REYNOLDS |
8249.54 |
8249.54 |
- |
NUSSELT |
149.11 |
149.11 |
- |
COEFICIENTE CONVECTIVO |
102.92 |
102.92 |
W/(m2k) |
RAZ�N��������� DE TRASFERENCIA |
7854.72 |
7854.72 |
W |
COEFICIENTE DE SEEBECK |
0.1959 |
0.1959 |
V/�C |
RESISTENCIA T�RMICA |
0.2699 |
0.2699 |
k/W |
Seg�n los datos mostrados durante la experimentaci�n 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 [Fotograf�a], Investigadores, 2022.
Es importante hablar de las aplicaciones donde se puede implementar el prototipo, pues el principal objetivo es el aprovechamiento energ�tico del calor residual de las industrias en particular.
La conversi�n de energ�a a partir de los residuos se puede obtener utilizando diferentes tecnolog�as, cada una con unas caracter�sticas espec�ficas que pueden ser m�s o menos factibles en funci�n de muchos factores.
El prototipo es un avance peque�o que nos ayuda a comprender el funcionamiento de este, y que cumple su funci�n de recuperar energ�a del calor residual, y si se desarrolla el prototipo a�n m�s, es decir aumentar el voltaje y por ende la potencia, tendr�amos mayores resultados en aplicaciones. Por ejemplo, aplicaciones como suministrar a un alumbrado de un parqueadero u cualquier iluminaci�n, el sistema de ventilaci�n o calefacci�n, energ�a para convertir agua caliente, etc.
Este sistema tambi�n podr�a guardar esa energ�a en bater�as, para posteriormente suministrar energ�a para cualquier m�quina o equipo, pero recomendamos solo se use en sistemas con un consumo moderado puesto que al ser las fuentes bater�as, tienen un l�mite.
Convertidor DC-DC
Dado que el generador por celdas Peltier tiene cambios de tensi�n por la variaci�n de la temperatura, se ha decido modelar un estabilizador chopper (convertidor DC-DC), para la tensi�n continua de salida del grupo de celdas en serie conviertan en una tensi�n continua con bajo rizado y regule las ca�das por las fluctuaciones. [16]
El modelo implica usar 12 celdas Peltier en serie seg�n la tabla 10 para tener una tensi�n m�xima de 17.4VDC y mantener una tensi�n de salida de 12VDC.
La propuesta es aplicar un convertidor DC-DC Buck con realimentaci�n por tensi�n para controlar y mantener la tensi�n deseada. [17].
Para el ciclo de trabajo 𝛿 = 𝑇𝑂𝑁�=��� �𝑇𝑂𝑁
𝑇����������� 𝑇𝑂𝑁+𝑇𝑜𝑓𝑓
Voltaje promedio a trav�s del inductor 𝑉 = 𝐿𝑑𝐼
𝑑𝑡
Voltaje de salida en funci�n del tiempo de suicheo 𝑉𝑜𝑢𝑡𝑇𝑜𝑓𝑓 = (𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜𝑢𝑡)𝑇𝑜𝑛
El voltaje de salida en funci�n del ciclo de trabajo 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝛿𝑉𝑖𝑛
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 𝛿𝑉𝑖𝑛. [18]
El convertidor Buck (Step-Down), va a reducir la tensi�n 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 simulaci�n del convertidor Buck con implementaci�n controlada por MOSFET de canal N. La simulaci�n 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 conmutaci�n de los MOSFETs.
El filtro capacitivo en la salida debe ser suficientemente grande para que la tensi�n de salida sea constante como se puede ver en la figura N. [19]
Fig.19. Simulaci�n de un convertidor Buck en Matlab.
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Fig.20. Grafica de voltaje de entrada, y voltaje y corriente de salida del convertidor Buck.
Conclusiones y discusi�n de resultados
El prototipo generador de energ�a el�ctrica 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 te�ricos anteriormente calculados.
El desarrollo de la investigaci�n permiti� aplicar el efecto termoel�ctrico la energ�a calor�fica para posteriormente convertirla en energ�a el�ctrica, por lo tanto, el dise�o del prototipo est� enfocado en ello.
Tambi�n, durante la experimentaci�n se lleg� a la conclusi�n 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 par�metro m�s caracter�stico de las celdas, el coeficiente de Seebeck. Adem�s, se ha cuantificado la potencia m�xima de las celdas, que arrojo una aproximante de 6 voltios, y mucho mejor si se aumenta el n�mero de celdas, ya que durante la realizaci�n de los c�lculos se logr� conocer que mientras m�s celdas Peltier se dispongan conectadas, se obtendr� mayor voltaje y por ende la potencia aumentar�, cosa muy pr�ctica y con verdaderas aplicaciones.
En conclusi�n, la investigaci�n ha sido muy �til desde un punto de vista ingenieril pues engloba temas como electricidad y termodin�mica y aprovechamiento de la energ�a residual con una aplicaci�n pr�ctica que permita crear nuevos dispositivos que aporten energ�ticamente en los problemas ambientales de la industria.
Para las aplicaciones se recomienda usar un convertidor Buck con mayor n�mero de celdas Peltier para mantener estable la tensi�n DC fluctuante por la variaci�n de temperatura.
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� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)
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