Tesis magister

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

MODELACIÓN Y SIMULACIÓN DE LA
TERMOGENERACIÓN DE ELECTRICIDAD
MEDIANTE TERMODINÁMICA DEL NO EQUILIBRIO
APLICADA A LA COMBUSTIÓN EN MEDIOS
POROSOS

JOSÉ IGNACIO LOYOLA FUENTES

Profesor Guía: Dr. Luis Henríquez-Vargas
Trabajo de tesis presentado en conformidad a
los requisitos para laobtención del titulo de Ingeniero Civil Químico y el grado académico de
Magister en Ciencias de la Ingeniería, mención
Ingeniería Química.

Santiago, Chile
2013

c José Ignacio Loyola Fuentes
Se autoriza la reproducción parcial o total de esta obra, con fines académicos, por
cualquier forma, medio o procedimiento, siempre y cuando se incluya la cita bibliográfica del documento.

Índice generalÍndice de tablas

V

Índice de figuras

VI

Nomenclatura

IX

Resumen

1

1. Introducción

2

1.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.1.1. Combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.1.2. Medio poroso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.2. Termogeneración deelectricidad en módulos termoeléctricos . . . . .

7

1.2.1. Caracterización de los módulos termoeléctricos . . . . . . . . .

8

1.2.2. Semiconductores tipo p y n . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.2.3. Figura de Mérito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

1.3. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.3.1. Sistemas debaja potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.3.2. Recuperación de calor residual . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.3.3. Sistemas de regeneración simbiótica . . . . . . . . . . . . . . .

16

1.3.4. Termogeneración a partir de radio-isótopos . . . . . . . . . . .

17

1.4. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

181.5. Discusión bibliografía del fenómeno de termogeneración . . . . . . . .

19

1.5.1. Tubo de combustión termoeléctrica . . . . . . . . . . . . . . .

19

i

ÍNDICE GENERAL
1.5.2. Modelación, estudio experimental y optimización de un sistema de generación termoeléctrica en calor residual de baja
temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

1.5.3.Eficiencia de conversión para sistemas de combustión termoeléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

1.5.4. Sistema híbrido solar con generadores termoeléctricos . . . . .

23

1.6. Hipótesis y originalidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

1.7. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

1.7.1.Objetivos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

1.7.2. Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

2. Termoelectricidad desde el punto de vista de la termodinámica
2.1. Definiciones preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27
27

2.2. Discusión elemental sobre la interacción entre el flujo de calor y corrienteeléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

2.3. Fenómeno de irreversibilidad y la entropía de los sistemas; ecuación
de Gibbs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

2.4. Flux de partículas y su relación con la ecuación de continuidad . . . .

35

2.5. El radio de cambio de la densidad de flujo energía . . . . . . . . . ..

39

2.5.1. Interacción entre partículas móviles y el campo eléctrico externo 40
2.5.2. Acumulación o liberación de partículas en la región local mantenidos a un potencial ϕs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

2.5.3. Acumulación o liberación de partículas en la región local mantenidos a una energía potencial fija . . . . . . . . . . . . . . .

41

2.5.4. Interacción...