Termoelectricidad

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CAPITULO III
METODOLOGIA DE DISEÑO DE LOS SISTEMAS
TERMOELECTRICOS
3.1. OPERACIÓN DE LA UNIÓN TERMOELÉCTRICA
Un circuito completo que consiste en dos materiales termoeléctricos diferentes está
formado por una conexión. Una conexión típica se muestra en Fig. 3.3. Los dos materiales
termoeléctricos son representados por “n” y “p”. El tipo “n” tiene un coeficiente de Seebeck
negativo y unexceso de electrones. El tipo “p” tiene un coeficiente de Seebeck positivo y una
deficiencia de electrones. La corriente se muestra en la dirección convencional; el flujo de
electrones es realmente en la dirección opuesta. Mientras hay un total de cuatro conexiones
entre los materiales termoeléctricos y las cadenas de cobre, hay sólo dos uniones
termoeléctricas, el superior o frío en el que elcalor es absorbidote los alrededores; y el más bajo
o caliente al que el calor es cedido a los alrededores. Si la dirección de corriente fuera invertida,
la unión superior dispersaría calor, la unión bajo lo absorbería.

[pic]

La caída de temperatura entre las uniones calientes y frías no es lineal debido a la
producción de calor de Joule dentro de cada acoplamiento. El calor dirigido quellega a la
unión fría se da por la siguiente expresión:
Fig. 3.3. Esquema Efecto Peltier
CΔT + 0.5(I 2R) (3.5)
Donde:
C = la conductancia térmica de la conexión del acoplamiento, Watts por grado Celsius.
R = la resistencia eléctrica de las conexiones del acoplamiento , Ohms.
Conductancia térmica, es la proporción de conducción de calor por la diferencia de
temperatura del dispositivoentre las caras paralelas opuestas de una sección rectangular o
cilíndrica de material.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
REFRIGERACIÓN TERMOELÉCTRICA
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El calor de la unión caliente por conducción es dada por la siguiente expresión:
CΔT − 0.5(I 2R) (3.5.1)
Esto puede ser demostrado deduciendo el flujo decalor en una barra de material en el
que el calor se produce en virtud de un paso eléctrico a través de él, mientras sus dos extremos
se mantienen simultáneamente a temperaturas diferentes.
Considerando la condición de estado firme en la unión fría y la potencia total en la entrada,
las características de la conexión semejantes pueden ser deducidas. Haciendo las siguientes
hipótesis:
1) losparámetros (resistividad), y k (conductividad térmica) de los materiales son
independientes de la temperatura.
Q , α
2) el intercambio de calor entre las conexiones y su ambiente ocurre sólo en las uniones
calientes y frías.
3) la resistencia eléctrica por contacto entre las cadenas de cobre que unen a los
semiconductores es despreciable.
Cuando un estado firme se establece en la unión fría,el efecto Peltier refrigera igual a el
calor dirigido debajo de la conexión, más el calor del ambiente absorbido (el calor útil de
bombeó):
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( )
Q T I (I R) C T
T I C T I R Q
i pn C
pn C i
= − − Δ
= Δ + +
2
2
0.5
ó
0.5
α
α
- (3.6)Donde:
Qi = la proporción de calor absorbió en la unión fría, Watts.
= = − = pn p n α α α α
la diferencia entre el coeficiente absoluto de Seebeck de los materiales p y n.
Δ =( − )= h c T T T diferencia de temperatura, grados Celsius.
= h T la temperatura de la unión caliente, Kelvins.
= c T la temperatura de la unión fría, Kelvins.
n p R = R + R
, resistencias eléctricas de conexión,Ohms.
C C n p = + C
,conductancia térmica de la conexión, Watts por grado Celsius.
Las resistencias de las conexiones son:
 

  
=
n
n
n n A
R Q L
(3.7)
 


 


=
p
p
p p A
L
R Q
(3.7.1)
Donde:
= n p Q ,Q La resistencia eléctrica de la conexión, Ohm centímetro.
= n p L , L la longitud de la conexión, centímetros.
A , A n p =
áreas particulares de las...
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