Informe Placa PeltierAlumnos: Agustin Avila Damian Colella Fecha: 8/09/14Laboratorio Ing. Mecnica

Placa peltier

El funcionamiento bsico de una celda peltier es: aplicando una diferencia de potencial V hacia la celda, esta enfriara de un lado y calentara del otro.Esto es a grandes rasgos lo que hace una placa termoelctrica, pero se basa en los siguientes principios que son 3Efecto Seebeck:Conversin de diferencias de temperaturas directamente a electricidad.El efecto Seebeck, descubierto por el fsico alemn Thomas Johann Seebeck (1770 1831), se refiere a la emisin de electricidad en un circuito elctrico compuesto por conductores diferentes, mientras estos tienen diferentes temperaturas. Los conductores se conectan en serie. La diferencia de temperatura causa un flujo de electrones en los conductores, se dice que el flujo inicia directamente desde el rea de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. En el punto de contacto de los conductores se presenta una diferencia de potencial. La magnitud de la termoelectricidad depende del tipo de material de los conductores, la temperatura de contacto y no depende de la temperatura que se distribuye a lo largo del conductor. La termoelectricidad permite evaluar los termopares por el coeficiente de Seebeck para diferentes materiales con un rango desde +43 hasta 38 mV/grado. El producto que ms utiliza este fenmeno son los denominados termopares que sirven como sensores de temperatura, tambin las llamadas termopilas que son un arreglo de varios termopares en seria para medir temperatura bsicamente. Termopar:Un termopar funciona por efecto seebeck, muy rpidamente, se tiene una unin de dos metales diferentes que luego son conectados por separados a un voltmetro, cuando a la unin se le da temperatura se genera una diferencia de potencial elctrico entre los conectores del voltmetro reducindonos a la siguiente ecuacin:

Donde Sa es la constante de seebeck para la termocupla y T es la temperatura desconocida, generalmente este valor de temperatura se puede medir directamente sin necesidad de utilizar esta frmula por distintos tipos de medidores.

Termopares:

Tipo K (cromel/alumel): con una amplia variedad aplicaciones, est disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. El cromel es una aleacin de Ni-Cr, y el alumel es una aleacin de Ni-Al. Tienen un rango de temperatura de 200 C a +1372 C y una sensibilidad 41 V/C aproximadamente. Posee buena resistencia a la oxidacin.

Tipo E (cromel/constantn [aleacin de Cu-Ni]: no son magnticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el mbito criognico. Tienen una sensibilidad de 68 V/C.

Tipo J (hierro/constantn): su rango de utilizacin es de 270/+1200 C. Debido a sus caractersticas se recomienda su uso en atmsferas inertes, reductoras o en vaco, su uso continuado a 800 C no presenta problemas, su principal inconveniente es la rpida oxidacin que sufre el hierro por encima de 550 C; y por debajo de 0 C es necesario tomar precauciones a causa de la condensacin de vapor de agua sobre el hierro.

Tipo T (cobre/constantn): ideales para mediciones entre -200 y 260 C. Resisten atmsferas hmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopares de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 V/C.

Tipo N (nicrosil [Ni-Cr-Si]/nisil [Ni-Si]): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidacin de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S, que son ms caros.

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los ms estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 V/C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 C).

Tipo B (Pt-Rh): son adecuados para la medicin de altas temperaturas superiores a 1800 C. Los tipos B presentan el mismo resultado a 0 C y 42 C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando as su uso a temperaturas por encima de 50 C.

Tipo R (Pt-Rh): adecuados para la medicin de temperaturas de hasta 1300 C. Su baja sensibilidad (10 V/C) y su elevado precio quitan su atractivo.

Tipo S (Pt/Rh): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1300 C, pero su baja sensibilidad (10 V/C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibracin universal del punto de fusin del oro (1064,43 C).

Los mismos materiales estn tabulados cada uno con su coeficiente de seebeck, (conductor y semiconductor):

Efecto Peltier:El efecto Peltier es una propiedad termoelctrica descubierta en 1834 por Jean Peltier, trece aos despus del descubrimiento del mismo fenmeno, de forma independiente, por Thomas Johann Seebeck. El efecto Peltier hace referencia a la creacin de una diferencia de temperatura debida a un voltaje elctrico. Sucede cuando una corriente se hace pasar por dos metales o semiconductores conectados por dos junturas de Peltier. La corriente propicia una transferencia de calor de una juntura a la otra: una se enfra en tanto que otra se calienta.Coeficiente Peltier. Una corriente elctrica I recorre un circuito formado por los dos materiales, lo que conlleva una liberacin de calor Q en uno de los materiales y una absorcin en el otro, segn la ecuacin:

Este efecto realiza la accin inversa al efecto Seebeck. Consiste en la creacin de una diferencia trmica a partir de una diferencia de potencial elctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a travs de dos metales diferentes o semiconductores (Tipo n y Tipo-p) que estn conectados entre s en dos soldaduras (uniones peltier). La corriente produce una transferencia de calor desde una unin, que se enfra, hasta la otra, que se caliente.El calor Peltier absorbido por la unin inferior por unidad de tiempo, es igual a:

Donde: : coeficiente de Peltier, ab de todo el termopar, a y b son de cada material.Los coeficientes Peltier representan cuanta corriente de calor se lleva por unidad de carga a travs de un material dado. Como la corriente de carga debe ser continua por una unin, el flujo de calor asociado producir discontinuidad si a y b son diferentes. Esto provoca una divergencia no cero en la unin y as el calor debe acumularse o agotarse all, segn el signo de la corriente. Otra forma de entender como este efecto puede enfriar una unin es notar que cuando electrones fluyen de una regin de alta densidad a una regin de baja densidad, ellos se expanden (como con un gas ideal) y enfran.Los conductores estn tratando de retornar al equilibrio de electrones que haba antes de aplicarse la corriente absorbiendo energa a un conector y liberndole al otro. Los pares individuales pueden conectarse en serie para mejorar el efecto.Una consecuencia interesante de este efecto es que la direccin de transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente; invertir la polaridad cambiar la direccin de transferencia y as el signo del calor absorbido/producido.Efecto ThompsonDescribe el calentamiento o enfriamiento de un conductor portador de corriente con un gradiente de temperatura.Algn conductor portador de corriente con una diferencia de temperatura en dos puntos, o bien absorber o emitir calor, segn el material. Si una densidad de corriente J pasa por un conductor homogneo, la produccin de calor por volumen es:

Donde: : resistividad del material dT/dx: gradiente de temperatura a lo largo del alambre. : Coeficiente ThompsonEl primer trmino J2 representa el Efecto Joule, que no es reversible. El segundo trmino es el calor de Thomson, que cambia de signo cuando J Thomson negativo.El coeficiente Thomson es nico entre los tres coeficientes principales termoelctricos pues es el nico coeficiente termoelctrico directamente medible para materiales individuales. Los coeficientes Peltier y Seebeck solo pueden hallarse por pares de materiales. As, no hay mtodo directo experimental para hallar un coeficiente Seebeck absoluto (ejemplo termo potencia) o coeficiente Peltier absoluto para un material individual. Sin embargo, como se dijo en otra parte de este artculo hay dos ecuaciones, las relaciones de Thomson, conocidas como las relaciones de Kelvin (ver abajo), relacionando los tres coeficientes termoelctricos. Por lo tanto, solo uno puede considerarse nico.Si el coeficiente Thomson de un material se mide sobre un amplio rango de temperatura, incluyendo temperaturas cercanas a cero, entonces puede integrarse el coeficiente Thomson en el rango de temperatura usando las relaciones de Kelvin para hallar los valores absolutos (ejemplo simple material) de los coeficientes Peltier y de Seebeck. En principio, esto solo necesita hacerse para un material, ya que los otros valores pueden hallarse midiendo pares de coeficientes Seebeck en termopares conteniendo el material de referencia y agregar luego la potencia termoelctrica absoluta (termo potencia) del material de referencia cambia de direccin.Relacin de los tres efectos:El efecto Seebeck realmente es una mezcla de los efectos Peltier y Thomson. De hecho, en 1854 Thomson hall las dos relaciones, ahora llamadas relaciones de Thomson o Kelvin, entre los coeficientes correspondientes. La temperatura absoluta T, el coeficiente de Peltier y el coeficiente Seebeck S se relacionan por la primera relacin de Thomson

Que predijo el efecto Thomson antes de que fuera realmente formalizado. Estos se relacionan al coeficiente Thomson por la segunda relacin de Thomson

Qu es un semiconductor?Semiconductor:Es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo elctrico o magntico, la presin, la radiacin que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentreSemiconductor intrnsecoLos semiconductores son aquellos materiales cuyas conductividades elctricas se encuentran entre las de los metales altamente conductores y la de los aislantes, pobremente conductores. Los semiconductores intrnsecos son semiconductores puros cuya conductividad elctrica est determinada por sus propiedades conductoras innatas. Los elementos silicio y germanio puro son materiales semiconductores intrnsecos. Estos elementos, que estn en el grupo 4 de la tabla peridica, poseen la estructura cubica del diamante con enlaces covalentes altamente direccionales

Semiconductores ExtrnsecosLos semiconductores extrnsecos son soluciones solidas substitucionales muy diluidas en las que los tomos de las impurezas soluto poseen caractersticas de valencia diferentes de pared atmica que acta como disolvente. Las concentraciones de tomos de impurezas aadidos a esto semiconductor se encuentra normalmente entre 100 y 100 ppmSemiconductores extrnsecos tipo n (tipo negativo)Considerando el enlace covalente del cristal de silicio mostrado en la figura a. Si un tomo impureza del grupo VA, por ejemplo, el fosforo, sustituya a un tomo de silicio que es un tomo del grupo IVA, habr un electrn de as que no es necesario para formar el enlace covalente tetradrico del cristal de silicio. Este electro extra est unido ligeramente por el ncleo de fosforo cargado positivamente.Cuando bajo la accin de un campo elctrico, el electrn extra se convierte en un electrn libre valido para la conduccin, el tomo de fosforo remanente se ioniza y adquiere una carga positiva (figura b)

a) La adicin de un tomo de impureza de fsforo pentavalente a la red de silicio tetravalente proporciona un quinto electrn que est unido dbilmente al tomo de fsforo base. Slo una pequea cantidad de energa (0.044 eV) hace que este electrn sea mvil y conductor. b) Bajo un campo elctrico aplicado el electrn de exceso se vuelve conductivo y es atrado a la terminal positiva del circuito elctrico. Con la prdida del electrn adicional, el tomo de fsforo se ioniza y adquiere una carga +1

Cuando se adicionan tomos de impresas del grupo VA como P. As, y Sb, al silicio o germanio, Puesto que estos tomos de impurezas del grupo VA ronda electrones de conduccin en presencia de silicio o germanio, d conoce con la denominacin de tomos de impurezas donadoras. Los semiconductores de silicio o germanio que contienen tomos del grupo V como impurezas reciben el nombre de semiconductores extrnsecos tipo n (negativos)Semiconductores extrnsecos tipo P (tipo positivo)Cuando un elemento trivalente del grupo IIIA tal como boro es introducido en la estructura tetradrica del silicio, se pierde uno de los orbitales de enlace y aparece un hueco (figura a). Si se aplica un campo elctrico externo al cristal de silicio, uno de los electrones vecinos del otro enlace y moverse al enlace perdido (hueco) del tomo de boro (figura b). Cuando el hueco asociado con el tomo de Boro se ioniza y adquiere una carga negativa (-1).

La energa de enlace asociada con la eliminacin de un electrn del tomo de silicio, por el cual se crea un hueco, y la subsiguiente transferencia de un electrn al tomo de boro es solamente de 0.045eV. Esta cantidad de energa es pequea comparada con los 1.1eV requeridos para transferir u electrn desde la banda de valencia a la banda de conduccin. En presencia de un tomo de boro se comporta como portador de carga positiva y migra hacia el terminal negativo de la red de silicio.

En trminos del diagrama de bandas de energa, el tomo de boro aporta un nivel de energa denominado nivel aceptor el cual es ligeramente ms alto (0.045eV) que el nivel superior de la banda de valencia completa del silicio.Cuando un electrn de valencia de un tomo de silicio prximo a un tomo de boro llena el hueco electrnico que falta en la banda de valencia boro-silicio, ese electrn es elevado al nivel aceptor crea un ion boro negativo. En este proceso se crea un hueco electrnico en la red del silicio, el cual acta como portador de carga positiva.En vista de que la mayora de los portadores en estos semiconductores extrnsecos son huecos en la estructura de enlace de valencia, se denominan semiconductores extrnsecos tipo p (tipo portadores positivos).Una vez ya definidos los tres efectos que rigen el funcionamiento de la placa peltier y habiendo explicado lo que es un semiconductor, nos podemos meter de lleno en la placaUna clula Peltier mueve energa calorfica desde la placa fra a la placa caliente mediante el control de la energa elctrica proporcionada por una fuente de alimentacin. El sentido d movimiento de la energa calorfica es marcado por la polaridad de la corriente elctrica aplicadaSon comnmente construidas de una gran cantidad de elementos semiconductores, que estn conectados en serie desde el punto de vista elctrico y en paralelo desde el punto de vista del calor transferencia.Algo muy importante a tener en cuenta a la hora de evaluar una celda peltier es, saber que parmetros son medibles y de qu manera, y cuales otros se pueden encontrar en tablas.Parmetros que se involucran en las ecuaciones de energa y rendimiento de una celda peltier:A Superficie (superior o inferior) de la clula PeltierL Grueso de la clula PeltierK Conductividad trmicak Conductancia trmicaS Coeficiente de Seebeck Coeficiente de PeltierRP Resistencia interna de la clula Peltier IP Corriente a travs de la clula PeltierVP Voltaje a travs de la clula Peltier Coeficiente de rendimiento

Parmetros medibles y formas de medirlos:A: superficie de la placa son generalmente cuadradas o rectangulares L: grueso de la placa peltier viene dado en su fichas tcnicas no superan los 4mmK y k: para medir la conductividad trmica de la placa es necesario primero medir lo que se conoce como calor de peltier: , que es el calor que va desde la parte de arriba de la placa hasta el fondo (este es medido directamente y depende de que material sea el conductor dentro de la placa), y dividirla por el rea que conforma la placa peltier una vez teniendo este parmetro que se conoce como conductancia trmica:

Q tambin pude ser medido por la siguiente ecuacin: Q = IxVLuego con este valor voy a la siguiente formula y obtengo el valor de la conductividad trmica de la placa S: coeficiente de seebeck que se mide usando la ecuacin: .: la forma de medir el coeficiente d peltier es de la siguiente manera:Dada la corriente que pasa por la celda, la temperatura arriba de la celda va a ser menor que la de abajo, si se empatan las temperaturas utilizando una fuente de calor en la parte fra de modo que la corriente por el voltaje que utilice la fuente para producir calor sea igual al calor removido, en la siguiente ecuacin que marca el calor removido de la parte fra: El trmino kT desaparece y queda solamente de la siguiente manera:

Pudiendo as de esta expresin despejar el coeficiente de peltier

Rendimiento de la placa peltierCon todos los datos obtenidos hasta ahora se puede calcular el rendimiento de la placa peltier con la siguiente ecuacin:Primero calculando la potencia disipada por la placa debida al efecto joule y al Seebeck

Y por ultimo

Y de esta manera se termina lo que es el estudio detallado de sus parmetros, funcionamiento y eficiencia de un mdulo peltier.