1 Resumen

DISEÑO DE UNA UNIDAD DE REFRIGERACIÓN LOCAL MEDIANTE TECNOLOGÍA PELTIER Autor: García Blázquez, Carlos Directores:

Arenas Alonso, Antonio Vázquez Arias, Jorge

RESUMEN DEL PROYECTO: El presente proyecto consiste en el diseño de una unidad de refrigeración local mediante una bomba de calor basada en la tecnología Peltier. En él se presenta el problema de la refrigeración local en ambiente no climatizado. Su objetivo es conseguir condiciones de confort térmico estacionario para una persona localizada en un ambiente con temperatura superior a la confortable. Por imposibilidad de climatizar al ambiente en el que se encuentra la persona se requiere de un chorro de aire frío dirigido a ella. Esto hace que la potencia calorífica a absorber por la unidad sea baja en comparación con las potencias manejadas en los sistemas de climatización tradicionales. La tecnología termoeléctrica en el campo de la climatización y/o refrigeración está basada en el principio del efecto Peltier que permite el bombeo de calor de un foco frío a un foco caliente cuando circula una corriente eléctrica. Esto es posible gracias a un circuito formado por parejas de materiales semiconductores que, debido a sus propiedades, al estar recorridos por una intensidad eléctrica absorben calor en una de sus uniones mientras que lo ceden en la otra. El efecto Peltier es un fenómeno reversible, es decir, permite también la transformación de energía en forma de calor en energía eléctrica. Esta tecnología se presenta pues como solución alternativa a los problemas de enfriamiento que, por las dimensiones de potencia, convierten en poco rentable el uso de la bomba de calor tradicional por ciclo de compresión entre otras. La unidad descrita consta de células Peltier, disipadores, ventiladores y tobera, estando tanto las células como el ventilador alimentados por corriente continua. La motivación de este proyecto es en gran medida desarrollar una aplicación mediante una tecnología, la termoeléctrica, poco extendida a nivel industrial en un campo donde podría ser competitiva frente a otras.

2 Resumen Entre las ventajas de este tipo de bombas de calor están el hecho de que el coste del equipo por kW no aumenta de manera considerable en el rango de baja potencia frigorífica. Esto es debido a que el calor a absorber está en función del número de células o de su tamaño, y éste, en función del número de parejas de elementos. También es destacable la buena regulación que permite, disminuyendo enormemente el margen de temperatura del aire que proporciona en comparación con la bomba de calor tradicional. Esto es debido a que su funcionamiento no es de marcha-paro sino que puede trabajar en régimen continuo regulando la intensidad. Por consumir únicamente corriente continua y por sus pequeñas dimensiones, la unidad puede ser transportada y reduce enormemente las tareas y el coste de instalación de otras bombas de calor. Además, el funcionamiento de las células Peltier no generan ruido. Las únicas fuentes de ruido son las debidas al paso del aire por el disipador y el ventilador. De esta manera se puede considerar a la unidad como silenciosa. Los pasos a seguir en la realización del proyecto comienzan con la determinación de las condiciones de confort tanto de temperatura como de velocidad del aire. Una vez establecida la relación entre temperatura y velocidad del aire que llega a la persona comienza el análisis de la dispersión del fluido con objeto de determinar el diámetro de la tobera que dirige el chorro de aire así como su temperatura y velocidad. Este análisis será realizado mediante un programa comercial de CFD (Computer Fluid Dynamics). Este programa se basa en el cálculo iterativo de las variables físicas que intervienen en el proceso como la temperatura, la velocidad, la presión, etc. mediante las ecuaciones por las que está regido. Para ello establece modelos que simulan el comportamiento del fluido en cuanto a su viscosidad, transmisión de energía, turbulencia, etc, discretizando el dominio en celdas (volúmenes finitos). Para construir y mallar el volumen se usa el Gambit y para el cálculo y el análisis de resultados el Fluent. El proceso de diseño de la unidad es el siguiente: 1. Con las condiciones de flujo y temperatura del aire en la salida de la tobera y la temperatura ambiente (temperatura a la que entra el aire en la unidad) se dimensiona el disipador encargado de facilitar la transmisión de calor entre el aire y la célula.

3 Resumen 2. El disipador, junto con la tobera, permite calcular la pérdida de carga que debe afrontar el ventilador para proporcionar el caudal de aire apropiado. 3. La resistencia térmica del disipador permite calcular la temperatura del lado frío de la célula. Si además se tiene en cuanta la potencia frigorífica necesaria para disminuir la temperatura del aire hasta el nivel de confort, se puede calcular el tamaño y número de células termoeléctricas necesarias. 4. Seleccionada una célula y unas condiciones de trabajo en el lado frío se calcula mediante un proceso iterativo la potencia disipada y la temperatura en el lado caliente. 5. Por último se determina el disipador del lado caliente y su ventilador.

4 Resumen

DISIGN OF A LOCAL REFRIGERATION UNIT BY PELTIER TECHNOLOGY Author: García Blázquez, Carlos Managers:

Arenas Alonso, Antonio Vázquez Arias, Jorge

ABSTRACT: This project consists of the design of a local cooler by means of a heat bomb based on Peltier technology. It presents the problem of a non-refrigerated environment. Its objective is to create thermal stationary comfort conditions for a person located in an environment with a temperature higher than the comfortable one. It is impossible to refrigerate the environment so the person is needed of a jet of cold air directed to him. In consequence, the calorific power of the unit is low in comparison with the usual in traditional systems of air conditioning. The thermoelectric technology in the field of the air conditioning and/or refrigeration is based on the principle of the Peltier effect that allows the heat pumping from a cold area to a warm one when it is circulated by an electrical current. This is possible thanks to a circuit formed by couples of semiconductor material that, due to their properties, when they are fed by an electrical intensity they absorb heat in one of their unions whereas they yield it in other one. The Peltier effect is a reversible phenomenon, it also allows the energy transformation from heat to electric power. This technology is an alternative solution to the problems of cooling that, because of power dimensions, turn in slightly profitably the use of the traditional heat pump of compression cycle. The described unit consists of Peltier cells, heat sinks, ventilators and nozzle, being both the cells and the ventilator fed by direct current. The motivation of this project is to develop an application by means of a technology, the thermoelectric one, few extended at industrial level in a field where it might be competitive opposite to others. Between the advantages of this type of heat pumps it is the fact that the cost of the equipment for kW does not increase in a considerable way in the range of low

5 Resumen refrigerating power. This is due to the fact that the absorbed heat depends on the number of cells or of its size, and this one depends on the number of couples of elements. It is also prominent the good regulation that it allows, diminishing enormously the margin of temperature of the air that it provides in comparison with the traditional heat pump. This is due to the fact that it doesn´t work in a march – strike function but it can be employed at constant regime by regulating the intensity. Because of consuming only direct current and for its small dimensions, the unit can be transported and reduces enormously the tasks and the cost of installation of other bombs of heat. In addition, the Peltier cells do not generate noise. The only noise sources are due to the heat sink and the ventilator. So it is possible to consider the unit as silent. The steps to compete the project begin with the determination of the conditions of comfort both of temperature and of speed of the air. Once established the relationship between temperature and speed of the air that arrives to the person it begins the analysis of the dispersion of the fluid in order to determine the diameter of the nozzle that guide the air as well as its temperature and speed. This analysis will be made by CFD's commercial programs (Computer Fluid Dynamics). This program is based on the iterative calculation of the physical variables that manage the process as the temperature, the speed, the pressure, etc. By means of the equations for those that it is governed. To achieve that, it establishes models that simulate the behaviour of the fluid in viscosity, transmission of energy, turbulence, etc, dividing the local in cells (finite volumes). To build and mesh the volume it uses Gambit and for the calculation and the analysis of results Fluent. The process of design of the unit is the following one: 1. With the conditions of flow and temperature of the air at the exit of the nozzle and the environmental temperature (temperature that has the air that enters in the unit) the heat sink is selected. It helps the heat transmission between the air and the cell. 2. The heat sink and the nozzle allow to calculate the load losses that must make up the ventilator to provide the appropriate air flow. 3. With the thermal resistance of the heat sink it is possible to calculate the temperature of the cold side of the cell. And with refrigerating power to diminish the temperature of

6 Resumen the air up to the level of comfort it is possible to calculate the size and number of thermoelectric cells needed. 4. Once a cell is selected and the working conditions on its cold side known, the removed power and the temperature on the hot side is calculated by means of an iterative process. 5. Finally the hot side heat sink and ventilator are determined.