TRABAJO DE FIN DE CARRERA

TTULO: Diseo termoelctrico

de

un

sistema

de

aire

acondicionado

porttil

AUTOR: Emilio Jos Prez Salgado DIRECTOR: Daniel Crespo Artiaga FECHA: 23 de Febrero de 2006

Ttulo: Diseo de un sistema de aire acondicionado porttil termoelctrico Autor: Emilio Jos Prez Salgado Director: Daniel Crespo Artiaga Fecha: 23 de Febrero de 2006 Resum Este trabajo presenta el diseo e implementacin de un aparato de aire acondicionado porttil basado en el efecto termoelctrico, que utiliza como dispositivo activo de refrigeracin clulas Peltier, con el objetivo de reducir sustancialmente el ruido y vibraciones producidos por los aparatos de refrigeracin porttiles. En la memoria se recogen las cuestiones tcnicas que plantea el diseo del prototipo, junto con los clculos, dispositivos utilizados y los resultados finales. La resolucin de dichas cuestiones tcnicas se ha planteado en todo momento desde una perspectiva de minimizacin de costes, puesto que el objetivo del proyecto no es construir el prototipo en si, sino demostrar la viabilidad de su produccin comercial. El prototipo que se ha diseado y construido valida la utilizacin de dispositivos termoelctricos para el fin propuesto. Overview This work displays the design and implementation of a conditioned air apparatus portable based on the thermoelectric effect, it uses like active device of refrigeration Peltier cells, with the substantially objective to reduce the noise and vibrations produced by the portable refrigeration apparatuses. In the memory the technical questions take shelter that the design of the prototype raises, along with the calculations, used devices and the final results. The resolution of these technical questions has considered at any moment from a perspective of minimization of costs, since the objective of the project is not to construct the prototype in if, but to demonstrate the viability of its commercial production. The prototype that has been designed and constructed been worth the use of thermoelectric devices for the proposed aim.

NDICEINTRODUCCIN ............................................................................................... 1 CAPTULO 1. DISEO ...................................................................................... 31.1. Clulas Peltier ..............................................................................................................3 1.1.1. Caractersticas generales....................................................................................3 1.1.2. Requisitos de diseo ...........................................................................................3 1.1.3. TEC1-12705 .......................................................................................................5 Disipacin del fro.........................................................................................................7 1.2.1. Caractersticas....................................................................................................7 1.2.2. Clculos..............................................................................................................8 Ventilacin ...................................................................................................................9 1.3.1. Caractersticas..................................................................................................10 Fuente de alimentacin ..............................................................................................11 1.4.1. Puente de diodos + Condensadores..................................................................11 1.4.2. Diseo ..............................................................................................................13 1.4.3. Resultado final ..................................................................................................14 Refrigeracin..............................................................................................................15 1.5.1. Caractersticas..................................................................................................15

1.2. 1.3. 1.4.

1.5.

CAPTULO 2. MONTAJE................................................................................. 182.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. Esquema y funcionamiento del sistema ......................................................................18 2.1.1. Esquema del sistema........................................................................................18 2.1.2. Funcionamiento del sistema..............................................................................18 Montaje del cuerpo central (disipador, clulas Peltier, depsito y marco de sujecin)..20 2.2.1. Unin disipadores .............................................................................................20 2.2.2. Clulas Peltiers y depsito de aluminio .............................................................21 Montaje bloque elctrico.............................................................................................22 Instalacin depsito de agua ......................................................................................23 Resultado final ...........................................................................................................25

CAPTULO 3. PRESUPUESTO ....................................................................... 29 CAPTULO 4. COMPARATIVA MERCADO .................................................... 314.1. 4.2. Prototipo vs SPLIT....................................................................................................31 Prototipo vs pingino ..................................................................................................32

CAPTULO 5. EL PROTOTIPO Y EL MEDIOAMBIENTE ............................... 335.1. 5.2. Normativa...................................................................................................................33 Reciclaje ....................................................................................................................33

CAPTULO 6. CONCLUSIONES ..................................................................... 35 CAPTULO 7. BIBLIOGRAFA ....................................................................... 377.1. 7.2. Libros .........................................................................................................................37 Web consultadas: .......................................................................................................37

Introducci

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INTRODUCCINActualmente, la mayora de los aparatos de aire acondicionado que hay en el mercado para uso domstico funcionan bajo el mismo principio, el ciclo termodinmico de Rankine. En dicho ciclo la evaporacin de un refrigerante en un evaporador absorbe calor del aire que se hace circular a travs de l. Sin embargo, para completar el ciclo es necesario instalar un compresor que devuelve el refrigerante al estado lquido y evacua el calor al exterior, lo cual comporta una instalacin compleja. Adems, el funcionamiento del compresor genera ruido y vibraciones. El objetivo de este TFC es el diseo de un nuevo aparato de aire acondicionado basado en el efecto termoelctrico, que no precisa utilizar refrigerantes y reduce sustancialmente el ruido y las vibraciones durante su funcionamiento. La Termoelectricidad incluye dos efectos inversos: la produccin de energa elctrica debida a al diferencia de temperaturas (Efecto Seebeck, descubierto en 1821) y la absorcin y emisin de calor producidas por el paso de una corriente elctrica (efecto Peltier, descubierto en 1834). La idea del proyecto es utilizar dispositivos Peltier (tambin llamados clulas Peltier) para disear un sistema de aire acondicionado. La disipacin del calor extrado por el sistema de aire acondicionado se realizar mediante un circuito hidrulico y la evaporacin del parte del agua del mismo. De esta forma, el proyecto presenta tres cuestiones tcnicas que se deben resolver, de acuerdo con el siguiente esquema:

La resolucin de dichas cuestiones tcnicas se ha planteado en todo momento desde una perspectiva de minimizacin de costes, puesto que el objetivo del proyecto no es construir el prototipo en si, sino demostrar la viabilidad de su produccin comercial. El dispositivo que se presenta es un prototipo que valida la capacidad del uso de dispositivos termoelctricos para dicho fin.

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Diseo de un sistema de aire acondicionado porttil termoelctrico

En el primer captulo se presentan los datos relacionados con el diseo, es decir, las caractersticas de las clulas Peltier, alimentacin del sistema, la refrigeracin, la ventilacin, clculos, comportamientos y todas aquellas cuestiones relacionadas con el sistema de aire acondicionado. En el segundo captulo se presenta el montaje del sistema, pruebas realizadas y resultados finales. En el captulo tres se presenta una tabla con el coste del prototipo y de una posible produccin a nivel industrial. El cuarto captulo recoge la comparativa entre el prototipo y dos modelos distintos de aires acondicionados comerciales. El captulo cinco se centra en las normas medioambientales y el reciclaje .

Y por ltimo una conclusin en donde se tratan los aspectos generales del equipo.

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CAPTULO 1. DISEO1.1. Clulas Peltier

1.1.1. Caractersticas generalesUna clula Peltier es un dispositivo termoelctrico. Esto es un dispositivo que al hacerle circular corriente induce fro por una de sus caras y por la otra calor. El efecto termoelctrico se observa en uniones de metales o de semiconductores de tipo p y n. Los de tipo comercial, como los utilizados en este proyecto son series de semiconductores p-n-p-n-p-n- p-n encapsulados entre dos placas conductoras de la calor. La Figura.1.1 muestra un esquema bsico de su estructura y de su funcionamiento.

Figura.1.1 Esquema de una clula Peltier

Las clulas Peltier se han utilizado en diversas aplicaciones comerciales e industriales, en particular: ! ! ! Si el espacio a enfriar esta concentrado en un zona muy pequea Si no se desean tener vibraciones Si no se desea tener ruido

1.1.2. Requisitos de diseoEl objetivo de este proyecto es disear y construir un equipo de refrigeracin porttil que permita refrigerar una habitacin utilizando clulas Peltier. En el mercado se dispone de un cierto abanico de clulas Peltier comerciales, y la primera tarea a realizar es determinar las necesidades de refrigeracin a satisfacer. Como requisitos a satisfacer por el sistema diseado se establecen los siguientes:

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Diseo de un sistema de aire acondicionado porttil termoelctrico

El consumo del sistema no debera superar los 1500 W. El sistema debe ser capaz de enfriar una habitacin de 9m2.

De acuerdo con estos requisitos se realizaron los siguientes clculos. RESPUESTA A UN SISTEMA DE REFRIGERACIN DE 800W EN UNA HABITACIN ( 3m x 3m x 2,5 m de alto) Para efectuar los siguientes clculos se ha utilizado el libro Termodinmica, Y.A. Cengel y M.A. Boles, McGrawHill, 4. Ed. (2002). Supongamos que las condiciones iniciales de la habitacin son: T = 30C Humedad relativa = 60% 2 personas en la habitacin De las tablas termodinmicas obtenemos la presin de saturacin del agua a 30C y su calor especfico. Psat H2O = 4.246 Kpa Cp,H2O =1.82 KJ/KgK La carga trmica de la habitacin en esas condiciones corresponde a la masa de aire y la de vapor de agua en suspensin y la aportacin trmica de las dos personas debida a la respiracin y a la conduccin de calor a travs de la piel. La masa de aire es:

maire = Vhab aire = 22.5m 3 1.16

kg = 26.1kg m3

(1.1)

Para calcular la masa de agua, utilizamos la ecuacin de los gases ideales y el principio de las presiones parcialesPV = nRTPH 2O = 0.6 4.246 KPa = 2.5476 KPa 2547 Pa 22.5m 3 = n 8.34 m = nmmol ,H 2O J 300 K n = 23mols de H 2O molK = 23mols18 g / mol = 414 gH 2 O

(1.2)

La capacidad calorfica de la habitacin esC P ,hab = maire c P ,aire + mH 2O c P ,H 2O

(1.3)

C P ,hab = 26.1kg aire .1.005

kJ kJ kJ + 0.414kg H 2O 4.18 = 28 kg K kg K K

Finalmente, considerando que la aportacin de calor de una persona es aproximadamente de 200 W, la potencia de refrigeracin disponible si el

Diseo

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sistema de refrigeracin extrae 800 W es de 400 W, y el tiempo en que se tarda en bajar un grado la temperatura de la habitacin es:t 1 C = 26000 J = 70 s 400W

(1.4)

De este modo llegamos a la conclusin que el efecto de un aparato de refrigeracin de esta potencia seria disminuir la temperatura de la habitacin algo menos de 1C por minuto. Obviamente, no hemos tenido en cuenta otros factores que influyen en la temperatura de la habitacin. En primer lugar, las paredes y los objetos en su interior representan una carga trmica adicional y, en segundo lugar, a travs de las paredes y puertas hay una aportacin de calor constante del exterior. El primer factor, con ser importante, afecta relativamente poco a la sensacin trmica de una persona en la habitacin, puesto que la persona percibe la temperatura del aire y no la de las paredes. El segundo implica la entrada de aire caliente del exterior que a su vez transporta vapor de agua, y por lo tanto tiene un efecto mayor. La suma de ambos factores conlleva que al cabo de un cierto tiempo de funcionamiento del equipo de refrigeracin la temperatura de la habitacin se estabilice; en esas circunstancias, todo el calor que extrae el equipo de refrigeracin corresponde al calor aportado desde el exterior a travs de paredes y puertas. El valor de esta temperatura depende de las condiciones de aislamiento de la habitacin.

1.1.3. TEC1-12705Para determinar el modelo de clula Peltier a utilizar se consult el catlogo de diversos suministradores. Tabla 1.1. Suministradores consultadosPACIFIC SUPERCOOL Ltd PELTIER TECHNICAL SERVICES, INC. TE TECHNOLOGY,INC THERMOELECTRIC SUPL HQ

Aunque formalmente hay una gran diversidad de modelos, consultados algunos de los suministradores fuimos informados que el stock de modelos realmente disponibles es muy limitado. De entre ellos, se eligi el modelo TEC1-17205 de la empresa PACIFIC SUPERCOOL Ltd. Las caractersticas elctricas y fsicas del dispositivo aparecen detalladas en las siguientes tablas.

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Diseo de un sistema de aire acondicionado porttil termoelctrico

Tabla 1.2. Caractersticas tcnicas TEC1-17205Max Max Max Mxima diferencia de Temperatura entre los dos lados de la clula (C) Tensin (V) Intensidad (A) Potencia (W) 68 15,4 5,5 49

Tabla 1.3. Caractersticas fsicas TEC1-17205Largo(mm) Ancho(mm) Espesor(mm) 40,0 40,0 4,0

El comportamiento del dispositivo a temperatura ambiente (25C) lo refleja la siguiente grafica.

Fig. 1.2 Grfica de diferencias de temperatura De esta grfica deducimos que cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre la que trabaja la clula Peltier menor es la potencia calorfica que puede extraer; este comportamiento es habitual en cualquier sistema de refrigeracin. .

Fig. 1.3 Grfica relacin tensin /corriente

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Desde el punto de vista elctrico, la clula Peltier se comporta como una resistencia. Como podemos observar en la anterior grafica el sistema tiene un comportamiento lineal que es muy til en cuanto al diseo de la fuente de alimentacin.

1.2.

Disipacin del fro

1.2.1. Caractersticas

Fig. 1.4 Disipadores 0.08.001.0003_large Para absorber el calor del aire de la habitacin es necesario hacerlo circular a travs de unos disipadores en contacto con el lado fro de la clula Peltier. Los disipadores utilizados son de aluminio, suministrados tambin por la empresa Pacific Supercool Ltd, cuyas caractersticas fsicas se exponen en la siguiente tabla y en el siguiente croquis. Tabla 1.4. Caractersticas fsicas del disipador 0.08.001.0003_large

Largo(mm) Ancho(mm) Espesor(mm) 160,0 130,0 28,0

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Diseo de un sistema de aire acondicionado porttil termoelctrico

Fig. 1.5 Croquis del disipador 0.08.001.0003_large Para el diseo se han utilizado 26 clulas Peltier y 20 disipadores.

1.2.2. ClculosPara verificar la capacidad de nuestros sistema de absorber la cantidad de calor necesaria se ha realizado un clculo de la conveccin en los disipadores utilizando el libro Principios de Transferencia de Calor, F. Kreith & M.S. Bohn, Editorial Thomson, 6. Edicin (2001) que se sumariza en la siguiente tabla. Las expresiones utilizadas corresponden al apartado 5.6.4, donde se analiza el comportamiento de aletas rectangulares sobre superficies verticales. La justificacin de las expresiones utilizadas est fuera del objeto de este trabajo, por lo que nos limitaremos a presentarlas en paralelo a los valores obtenidos en el caso que nos ocupa. Tabla 1.5. Clculo de la conveccin en los disipadoresMagnitud Caudal ventilador Grosor Aleta Altura Aleta Long Aleta rea Aleta Permetro Aleta rea Equivalente velocidad aire Viscosidad aire Nmero de Reynolds Nmero de Prandtl Caso laminar Nmero de Nusselt Caso Turbulento Expresin Q gA L lA A= gA lA P As=A+PL V Re=VlA/ Pr Nu=0.664Re Pr0.5 0.33

1,1384

Valores utilizados m3/s 4100 m3/h 0,09 cm 4,5 Cm 0,045 m 4,5 Cm 0,045 m 2 2 0,405 cm 0,0000405 m 9,18 cm 41,715 cm2 0,0041715 m2 28,4725 m/s 102,501 km/h 1,57E-05 m2/s 81609 0,71

169,415275

Diseo

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Nmero de Nusselt Nusselt real Cond. Trmica Aire Coef Conv Aleta Conduc. Trmica Aleta T base T aire

Nu=0.036(Re0.8-23200)Pr0.33 Laminar Re