1Implementaci�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

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.

 

 

 

 


http://polodelconocimiento.com/ojs/index.php/es


 

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.

 


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

 

 

 


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.


 

LINSEIS dispositivos para centrales termoel�ctricas: LSR, LFA, LZT y TFA

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.

 

Generar fr�o con Arduino y una placa Peltier

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]

 


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] = 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

=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 )

 

 

=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

= 𝑎(𝑇𝑠

𝑇)

[𝑊]

(8)

FLUJO������ DE

CALOR

𝑄̇ = 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖𝑛

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.

 


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

       


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.


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/mK]

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


=

𝐿

8)     Coeficiente convectivo

𝑤

= 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 [𝑚2𝐾]

 

 

0,02771 ⋅ 37,63������������������������ 𝑤

=������������ 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 = 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.

 

Gr�fico, Gr�fico de superficie  Descripci�n generada autom�ticamente

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]


 

 

 

Diagram, schematic  Description automatically generated

 

Fig.19. Simulaci�n 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 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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