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Proyecto de transformación del calor residual de gases de
combustión de un automóvil en energía eléctrica, como contribución al cuida=
do
del medio ambiente
Project to transform the waste heat from the
combustion gases of a car into electricity, as a contribution to the care of
the environment.
Otto Fernando Balseca Sampedro.[1], =
Diego
Fernando Mayorga Pérez. [2],
Edwin Fernando Viteri Núńez. [3]
Recibido: 29-04-201=
9 /
Revisado: 25-05-2019 /Aceptado: 29-06-2019/ Publicado: 15-07-2019
The present investigation consists in designing a
device that allows to generate a continuous voltage (5 volts), using a devi=
ce
made up of Peltier Cells, dissipaters and a base block, the suitable union =
of
these elements will be able to charge a portable battery, which can be
implemented to charge electronic devices that work with a voltage. The
objective of this study is based on the Seebek Effect, which consists in the
production of electric current from the contact between two different metal=
s,
two semiconductors, or a metal and a semiconductor, which are in the same
circuit, due to the difference of temperature between them. Based on the ab=
ove,
a device was developed that can be adapted to the exhaust pipe of a car whi=
ch
will allow us to absorb the heat wasted by it and thus heat one side of the
Peltier cell, while the other side A dissipator will be connected to the fa=
ce,
which will dissipate the heat through the movement of the vehicle by means =
of
convection, thus generating a temperature difference between the two faces =
of
the cell.
To confirm the viability of the device, an
experimental analysis was carried out in which a fraction of the device was
elaborated by means of a Peltier Cell, a dissipator and an aluminum block,
simulating the most critical conditions that could be generated in real
conditions of use with which a voltage of 2.5 V was obtained with a tempera=
ture
difference of 70.4 ° C as a maximum value by subjecting the cell to its max=
imum
capacity, however, we consider that we would work with a temperature differ=
ence
of 54 ° C, since this gives us a 2.4 V voltage which is not a significant
variation in voltage, but it represents a safer temperature level for the
durability of the cell.
Resumen.=
La presente investigaci=
ón
consiste en diseńar un dispositivo que permite generar un voltaje continuo =
(5
voltios), utilizando un dispositivo conformado por celdas Peltier, disipado=
res
y un bloque base, la unión adecuada de estos elementos podrán cargara una
batería portátil, el cual podrá ser implementado para cargar dispositivos
electrónicos que funcionen con un voltaje. El objetivo de este estudio se b=
asa
en el efecto Seebek que consiste en la producción de corriente eléctrica a
partir del contacto entre dos metales diferentes, dos semiconductores, o un
metal y un semiconductor, que se hallan en un mismo circuito, debido a la
diferencia de temperatura entre ellos. Con base en lo expuesto anteriorment=
e,
se elaboró un dispositivo que se podrá adaptar al tubo de escape de un
automóvil el cual nos permitirá absorber el calor desperdiciado por este y =
de
esta manera calentar una de las caras de la Celda Peltier, mientras que el =
otro
lado de la cara se conectará un disipador, este a través del movimiento del
vehículo disipará el calor por medio de la convección generando así una
diferencia de temperatura entre las dos caras de la celda. Para confirmar la
viabilidad del dispositivo se realizó un análisis experimental
en el cual
se elaboró una
fracción del dispositivo por medio de una Celda Peltier, un disipado=
r y
un bloque de aluminio, simulando las condiciones más críticas que se podría
generar en condiciones reales de uso con los cuales se obtuvo un voltaje de=
2.5
V con una diferencia de temperatura de 70.4 °C como un valor máximo sometie=
ndo
a la celda a su máxima capacidad, sin embargo consideramos que se trabajaría
con una diferencia de temperatura de 54 °C ya que con ello se obtiene un vo=
ltaje
de 2.4 V lo cual no es una variación significativa en voltaje, pero si
representa un nivel de temperatura más seguro para la durabilidad de la cel=
da.
Palabras claves: Celda Peltier, Efecto Seebek, Temperatura, Voltaje, Disipador.
Introducción.
La
generación de energía para cargar un celular mediante el aprovechamiento del
calor desperdiciado por el tubo de escape de los motores de combustión inte=
rna
contribuye a la conservación del medio ambiente, dado que a nivel mundial l=
os
vehículos han aumentado radicalmente. (Cevallos E, 2015). En Ecuador, según=
la norma
técnica para emisiones a la atmósfera de fuentes fijas, un automóvil no debe
emitir más de 100 mg/Nm3 de Dióxido de Carbono lo que conlleva a buscar man=
eras
de aprovechar la energía del motor de combustión interna. (ANT, 2013). Las
grandes industrias automovilísticas han centrado su interés en el
aprovechamiento de esta energía como es el caso de BMW la cual está
desarrollando este Sistema con un aproximado de 200 voltios para un mejor
rendimiento de automóviles (Fernández C., 2016).
Además,
varios investigadores han logrado obtener energía eléctrica mediante la
variación de temperatura en el sistema de escape de los vehículos tal es el
caso del equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts
(MIT por sus siglas en inglés) ha desarrollado un generador termoeléctrico
capaz de producir electricidad limpia y respetuosa con el medio ambiente
gracias a las variaciones de temperatura. (Jiménez, 2018).
Sin
embargo, los dispositivos termoeléctricos, que pueden generar energía eléct=
rica
cuando hay una diferencia de temperatura entre uno de sus lados y el otro, =
han
sido objeto de muchas investigaciones durante los últimos ańos. Es así como=
, un
equipo de trabajo ha ideado una forma novedosa de convertir las fluctuacion=
es
de temperatura en energía eléctrica. En vez de necesitar dos temperaturas
diferentes al mismo tiempo, el nuevo sistema aprovecha las oscilaciones de =
la
temperatura ambiental que suceden durante dentro del tubo de escape de los
vehículos. (NCYT, 2018).
Uno de =
los
casos más particulares de generación de energía eléctrica mediante la varia=
ción
de temperatura es un resonador térmico. Según recoge MIT News en System dra=
ws
power from daily temperature swings "un resonador térmico es algo que
puede dejarse sobre una mesa y producir electricidad a partir de lo que par=
ece
ser nada. Estamos rodeados por oscilaciones de temperatura de todas las
frecuencias, todo el tiempo. Son una fuente de energía sin explotar."
(Digital, E, 2018).
Se ha
analizado que en el sistema de escape que consta de colector, catalizador,
silenciador tiene una perdida térmica de un 32
por ciento de energía (Plata Gerardo, Badillo Carlos, Olivares Migue=
l,
2014) es por ello que surge la necesidad de diseńar un dispositivo que nos =
permita
cargar el celular dentro del automóvil, para lo cual se utilizaran las celd=
as
TE (termoeléctrica) las que son utilizadas en los sistemas de refrigeración
.Dichas celdas funcionan con el efecto Peltier, siendo su contrario el Efec=
to
Seebek el cual funciona con una variación de temperatura entre el tubo de
escape y un sistema de refrigeración. La temperatura para nuestro propósito
esta entre los 100 a 700 °C. (Fernández C., 2016)
Las
empresas con cogeneración presentan mayor grado de resistencia a la crisis
gracias al uso eficiente de los recursos y la mejor medioambiental, claves =
para
la competitividad y la capacidad exportadora.
Los datos del ańo 2011 confirman que las industrias con cogeneración
vieron crecer su producción eléctrica un 2% lo que consta una mayor activid=
ad
en sus industrias asociadas frente a una caída del -1,4% en el índice de
producción industrial manufacturera y el 1,6% en la industria de suministr=
o de
energía eléctrica, gas y otros. Según estimaciones de ACOGEN, la producción
alcanzó los 33.700 GWh y se exportaron 24.865 GWh con una potencia instalad=
a de
6.114 MW. (Rodríguez, R., 2012)
Actualm=
ente,
la electricidad se obtiene principalmente de la quema de combustibles fósil=
es.
Están surgiendo proyectos innovadores que relacionan termodinámica con
electricidad, es decir, proyectos que plantean recuperar calor para convert=
irlo
en energía eléctrica. Así se ofrecen alternativas menos contaminantes, aunq=
ue,
por el momento, de bajo rendimiento. (Jiménez, S., 2016)
Marco T=
eórico
A. =
Dispositivo para la generación=
de
energía.
Los
dispositivos TE (Termoeléctricos), pueden transformar el calor directamente=
en
energía eléctrica y también puede actuar como enfriadores de estado sólido.=
Los
avances en la tecnología de TE puede tener un impacto significativo en la
industria del automóvil en términos de ahorro de combustible, mejoras media=
nte
la generación de electricidad a partir del calor residual y de aire
acondicionado de alta eficiencia. En primer lugar, la tecnología de TE tien=
e la
capacidad de utilizar las decenas de kilovatios de las pérdidas de calor en=
los
vehículos para generar electricidad sin carga del motor ańadido, esto ayuda=
rá a
producir energía eléctrica suficiente para energizar un dispositivo que
funcione con el voltaje de salida.
B.&n=
bsp;
Temperatura
del sistema de tubo de escape.
Un motor de combustión interna no es capaz de
transformar toda la energía en movimiento existen ciertas perdidas, las cua=
les
se disipan en forma de calor hacia la atmosfera. Se detallan las partes del
tubo de escape y sus temperaturas con el fin de determinar la energía
calorífica que poseen dichos componentes, el cual nos servirá para realizar=
una
variación de temperatura y por ende variación de Voltaje mediante el Princi=
pio
de Seebek. (Joan,2014).
C.&n=
bsp;
Partes
del sistema de escape.
Colector
de Escape Es
Catalizador
Esta parte es la responsable de transformar gases contaminantes de la
combustión a gases menos nocivos para el ambiente, esta parte del sistema de
escape se encuentra a una temperatura de 154.6
°C a 118.6 °C. Luego de pasar esta parte se tiene el tubo de escape =
posterior.
TUBO DE ESCAPE POSTERIOR Cuenta con un silenciad=
or
el cual reduce los sonidos, producidos por la combustión, cabe recalcar que
esta parte menor al rendimiento al motor, puesto que limita la salida de ga=
ses del
motor, esto se encuentra a una temperatura de 94.53 °C a 58.47 °C.
D.&n=
bsp;
Ecuaciones.
EFECTO DE SEEBEK
Se refiere a la emisión de electricidad en un circuito eléctrico
compuesto por conductores diferentes, a diferentes temperaturas. Dicho
principio se halla representado por la fórmula:
Donde:
V=3D
Voltaje termodinámico [Voltios]
α=3D
Coeficiente de Seebeck [ľ(V/K)]
∆T=3D
Temperatura del gradiente [K]
Este
el principio que se utilizará para generar energía mediante la variación de
temperatura existente en el tubo de escape y el sistema de refrigeración.
(Echeverría, M., 2015)
RAZON
DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Donde:
Q=3D Razón de transferencia de calor. [W]
h =3D Coeficiente convectivo. [W/ m2 K]=
A =3D Área. [m2]
Ts =3D Temperatura de la superficie. [K]
T∞ =3DTemperatura ambiente. [K]
η =3D Eficiencia de la aleta.
TEMPERATURA DE PELÍCULA
Es la temperatura promedio que existe en la
temperatura de la superficie y la temperatura ambiente.
REYNOLDS
Donde:
V=3Dvelocidad del fluido [m/s]
L=3Dlongitud del disipador [m]
υ=3DViscosidad cinemática en [m2/s=
]
NUSSEL
Donde:
h=3D Coeficiente convectivo. [W/ m2 K]<= o:p>
L=3D Longitud de la celda [m]
k=3Dconductividad térmica en [W/ m K]
RESISTENCIA TÉRMICA
Donde:
Q =3D Razón de transferencia de calor [W]
Ts =3DTemperatura de la superficie [K]
T∞ =3DTemperatura ambiente [K]
Rreal =3D Resistencia Térmica real [K/W]
=
E.
Datos calculados.
Tabla 1. Propiedades del
aire a presión de 1 atm [6]
|
Propiedades del aire a la presión de una atmósfera |
||||||
|
Temp. |
Calor Específico, |
Conductividad térmica k |
Difusividad térmica |
Viscosidad dinámica |
Viscosidad cinemática |
Número de Prandtl |
|
40 |
1007 |
0,02662 |
2,35E-05 |
1,92E-05 |
1,70E-05 |
7,26E-01 |
|
45 |
1007 |
0,02699 |
2,42E-05 |
1,94E-05 |
1,75E-05 |
7,24E-01 |
Con estos dato=
s se
procede a realizar la interpolación para encontrar los valores requeridos p=
ara
la realización de los cálculos correspondientes. Estos resultados se muestr=
an
en la tabla 2.
Tabla 2. Interpolación<= o:p>
|
Temp. |
Conductividad térmica k |
Viscosidad cinemática |
Número de Prandtl |
|
40 |
0,002662 |
1,702E-05 |
0,7255 |
|
41,2844 |
0,02671 |
1,714E-05 |
0,7251 |
|
45 |
0,02699 |
1,750E-05 |
0,7241 |
F. =
Figuras y tablas.
Tabla 3. Correlación empírica para el Número de Nus=
selt
promedio, para convección forz=
ada
sobre cilindros circulares y no circulares en flujo cruzado [43]
|
Sección transversal del fluido |
Fluido |
Rango de |
Número de |
|
Placa vertical |
Gas |
4000-15000 |
0,228(Re^0,731)(Pr^1/3) |
Las figuras muestran las dimensiones d=
el disipador
necesario para el cumplimiento de los objetivos propuestos en este trabajo
(Fig. 1) y las dimensiones del disipador que se utilizara para la
experimentación el cual se aproxima más a las dimensiones del disipador
obtenido en los cálculos (Fig. 2).
Fig. 1.
Disipador de calor para placas de circuito impreso. [8]
Fig. 2.
Dimensiones de disipador obtenido en el mercado de aluminio.
Para determinar la
confiabilidad del disipador encontrado en el mercado se realizó una compara=
ción
de resistencia térmica del disipador obtenido en el mercado con el del catá=
logo
obteniendo una resistividad semejante por lo cual se determinó que este si =
es
viable para el dispositivo.
Fig. 3.=
Gráfica Resistencia térmica versus longitud del d=
isipador.
[8]
En la figura 4 se muestra la gráfica para determinar la resistencia
térmica forzada ya que el tipo de convección que tenemos presente en el med=
io
de trabajo del dispositivo es
forzado debido al flujo del aire frio en la parte del disipador.
Resistencia térmica de cualquier perfil con convección forzada.
Donde:
RthKf =3D Resistencia
térmica con convección forzada
RthK =3D Resistencia
térmica con convección natural
a =3D Factor de proporción
Fig. 4. Resistencia
térmica de cualquier perfil con convección forzada. [8]
Tabla 4.
Resultados para la obtención Coeficiente Seebeck.
|
Voltaje (V) |
Delta T (°C) |
|
2,4 |
54 |
|
2,41 |
56 |
|
2,42 |
57,2 |
|
2,43 |
59,2 |
|
2,44 |
61,3 |
|
2,45 |
63,4 |
|
2,46 |
64,6 |
|
2,47 |
64,8 |
|
2,48 |
66,4 |
|
2,49 |
72,4 |
|
2,5 |
70,4 |
Utilizando la ecuación 1 para encontrar el coeficiente de Seebeck y
empleando los datos expuestos en la tabla 4, obtenidos experimentalmente se
obtiene un coeficiente de Seebeck de:
ANALISIS EXPERIMENTAL
A. =
Materiales.
ˇ &nb= sp; Elementos de medida:<= o:p>
1. Multímetro. (x2)
2. Pirómetro.
3. Anemómetro.
ˇ =
Elementos de
prueba:
1. Pila
Peltier
2. Disipador
3. Chapa
metálica
4. Cables
de conexiones
5. Bloque
de aluminio
6. Fuente
de calor controlada
7. Pasta
térmica
8. Cinta
adhesiva.
9. Diodo
1N4007S (x2)
10. Ventilador
de 5 V
11.
Fuente de 5 V
12.
Soporte para instrumentos
13.
Cables de conexión
14. Resistencia
de 325 Ω
B. =
Procedimiento.
Cuando se inse=
rta
un material del tipo físico, químico o biológico en elementos hídricos estos
afectan a la calidad del agua, a continuación, se muestran varios factores =
que
inciden en esta:
1. Se procede a armar el
dispositivo eléctrico.
2. Se coloca el dispositivo=
sobre
la fuente de calor, el ventilador en dirección que el aire impacte directo =
al
disipador.
3. Se conecta los diodos en
antiparalelo como medida de protección, el multímetro en serie, este medirá=
la intensidad
de corriente, consecutivamente la resistencia de 325 Ω y se procede a
cerrar el circuito con el negativo de la Pila Peltier.
4. El otro multímetro será
conectado en paralelo para medir la intensidad.
5. El sensor de temperatura=
será
colocado dentro del dispositivo en el disipador (Cara fría del dispositivo)=
.
6. El pirómetro apuntara a =
la
cara del bloque de aluminio (cara caliente del dispositivo)
7. Para una mejor apreciaci= ón de datos se procederá a filmar las pantallas de cada uno de los dispositivos.<= o:p>
C.
Resultados
En la tabla 5 =
se
muestran los resultados del mínimo teórico para determinar la selección del
disipador que permita cumplir con los requerimientos necesario que ayuden a
obtener un diferencial de temperatura necesario para alcanzar un voltaje
aceptable en el dispositivo.
Tabla 5. Resultados para selección del disipador=
.
|
Variables |
Real |
Teórico |
Unidades |
|
Velocidad |
4,7 |
4,7 |
m/s |
|
Velocidad de temperatura |
62,7 |
62,7 |
°C |
|
Temperatura del lado frio |
17,3 |
17,3 |
°C |
|
Temperatura de la pelicula |
41,28844 |
41,28844 |
°C |
|
Reynolds |
13710,618 |
13710,618 |
_ |
|
Nusselt |
216,566 |
216,566 |
_ |
|
Coefiente convectivo |
115,69 |
115,69 |
W/(m^2 K) |
|
Área de la aleta |
0,0108 |
0,0099 |
m2 |
|
Área libre de la aleta |
2,76x10-3 |
3,15x10-3 |
m2 |
|
Eficiencia de la aleta |
0,272 |
0,4707 |
_ |
|
Razón de la transferencia de calor |
28,183 |
38,699 |
W |
|
Resistencia térmica |
1,52 |
1,07 |
K/W |
En la tabla 6 =
se
presenta una muestra de los valores más relevantes obtenidos en el proceso =
de
la experimentación, por medio del cual se realizaron las medidas del voltaj=
e y
la corriente obtenida a las diferentes ∆T en una celda Peltier.
Gracias a estos
resultados podemos determinar el comportamiento de la celda a diferentes
cambios de temperatura y de esta manera buscar la forma de estabilizarlo en=
una
tención de 5 V que es lo recomendable para la carga de un dispositivo móvil=
.
|
No |
T caliente [°C] |
T fria [°C] |
Delta T [°C] |
Voltaje [°C] |
Amperaje [ma] |
|
1 |
46,9 |
43,4 |
3,5 |
0,55 |
1,6 |
|
2 |
48,8 |
46,7 |
2,1 |
0,6 |
1,75 |
|
3 |
53,3 |
50 |
3,3 |
0,7 |
2,04 |
|
4 |
57,4 |
53,4 |
4 |
0,8 |
2,34 |
|
5 |
62,7 |
56,7 |
6 |
0,9 |
2,65 |
|
6 |
67,5 |
56,7 |
10,8 |
1 |
2,93 |
|
7 |
72,3 |
60 |
12,3 |
1,1 |
3,23 |
|
8 |
76,9 |
63,4 |
13,5 |
1,2 |
3,52 |
|
9 |
81,4 |
63,4 |
18 |
1,3 |
3,8 |
|
10 |
86,1 |
66,7 |
19,4 |
1,4 |
4,11 |
|
11 |
92,1 |
70 |
22,1 |
1,5 |
4,41 |
|
12 |
97,7 |
73,4 |
24,3 |
1,6 |
4,7 |
|
13 |
103,2 |
73,4 |
29,8 |
1,7 |
4,98 |
|
14 |
109,4 |
80 |
29,4 |
1,8 |
5,29 |
|
15 |
115,6 |
83,4 |
32,2 |
1,9 |
5,58 |
|
16 |
125,3 |
90 |
35,3 |
2 |
5,88 |
|
17 |
131 |
93,3 |
37,7 |
2,1 |
6,17 |
|
18 |
139,2 |
96,6 |
42,6 |
2,2 |
6,47 |
|
19 |
149 |
100 |
49 |
2,3 |
6,77 |
|
20 |
160 |
106 |
54 |
2,4 |
7,06 |
|
21 |
180,4 |
110 |
70,4 |
2,5 |
7,35 |
|
22 |
207,8 |
110 |
97,8 |
2,51 |
7,37 |
D.
Simulación.
Se procedió a realizar una simulación en
ANSYS, para comparar resultados experimentales con la simulación, para una
mayor confiabilidad en los resultados obtenidos. La figura 6 muestran los
resultados obtenidos en la simulación en ANSYS.
Fig. 6. Variación de la temperatura a través del
dispositivo.
Como se puede observar en la figura 7 se p=
uede
notar el cambio de la temperatura desde la cara más fría a la más caliente =
de
la celta Peltier, lo que indica que si se genera una diferencia de temperat=
ura
de acorde con los datos experimentales obtenidos en el análisis experimenta=
l.
Con la ayuda del Software ANSYS se determi=
nó
la temperatura, en diferentes puntos a lo largo del eje Y, obteniendo los
siguientes valores expuestos en la tabla 7, de igual manera en la figura 8 =
se
muestra la ubicación de los puntos tomados para la realización.
Tabla 7.
|
Longitud |
Temperatura |
|
0 |
80 |
|
1,327 |
73,028 |
|
2,45 |
69,999 |
|
3,573 |
66,667 |
|
5,206 |
62,685 |
|
6,431 |
62,65 |
|
7,758 |
62,598 |
|
9,289 |
62,541 |
|
10,718 |
62,497 |
|
11,432 |
62,478 |
|
12,147 |
62,462 |
|
13,371 |
62,437 |
|
14,188 |
62,423 |
|
15,311 |
62,409 |
|
16,229 |
62,401 |
|
17,046 |
62,396 |
|
17,862 |
62,393 |
Fig. 10.
En base a los datos mostrados en la tabla =
7,
se procede a graficar (Fig. 11) las variaciones de temperatura en función d=
e la
distancia a lo largo del eje X, y de esta manera ver las distintas temperat=
uras
a lo largo del eje Y.
Fig.
11. Curva temperatura - Longitud que describe el cambio de temperatura=
a
lo largo del eje Y.
Conclusiones.
ˇ
Según los datos mostr=
ados
podemos observar que experimentalmente a u=
na
diferencia de temperatura de 70.4 ℃ se puede obtener tensión de 2.5 Ү=
81; y una corriente de 7.35 𝑚𝐴. la cual es semejante al
valor obtenido en los datos teóricos, esto permite verificar la viabilidad del aprovechamiento de<=
span
lang=3DES style=3D'font-size:12.0pt;mso-bidi-font-weight:bold;mso-bidi-font=
-style:
italic'> la energía residual del tubo de escape en =
un
dispositivo para cargar celulares.
ˇ
Al realizar el
experimento en un rango inferior al que estaría sometido en la realidad nos
asegura el correcto funcionamiento del dispositivo ya que las pruebas fueron
realizadas con una velocidad de viento de 2.5 m/s dentro de un ambiente
cerrado, esto significa que al estar a la intemperie la variación de temper=
atura
se producirá en un menor tiempo.
ˇ
La celta Peltier
TEC1-12706 en un rango de variación de temperatura [10 a 70] ℃=
; produce una tención máxima de 2.5 Ү=
81;, si sobrepasamos este rango la tensión tiende a permanecer constan=
te.
ˇ
Mediante la
experimentación se comprobó que el disipador empleado en este dispositivo
cumple con las necesidades requeridas para disipar el calor requerido que n=
os
permite obtener la diferencia de temperatura necesaria para el funcionamien=
to
del dispositivo.
ˇ
Por la experimentació=
n realizada
se pudo comprobar que el voltaje obtenida por una celda es de 2.5
Referencias bibliográficas.
[1] Á=
ngeles,
A., & Juan, J. (2016). Instrumentación
de un sistema de paneles solares para el diseńo de un controlador de
temperatura basado en el efecto Peltier-Seebeck (Doctoral dissertation).
[2] A=
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como contribución al cuidado del medio ambiente. Ciencia Digital, 3(3.1), 54-73. https://doi.org=
/10.33262/cienciadigital.v3i3.1.676
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