Refrigeración Sectores de la industria

El Refrigerador Termoeléctrico

Un análisis teórico-experimental del funcionamiento del refrigerador de 49,1 dm3, demostró que su consumo promedio de energía eléctrica fue de 800 kWh/año. El límite de consumo para un aparato con compresor electromecánico de volumen similar es de 317,66 kWh/año. El consumo de energía es alto, sin embargo, hay refrigeradores termoeléctricos de alta eficiencia que pueden tener consumos anuales de alrededor de 255 kWh/año. Por lo que es necesario normalizar el límite de consumo de energía eléctrica de estos aparatos sobre todo porque tienen características técnicas que pueden ser aprovechadas en un futuro como el poder funcionar con fuentes renovables de energía.

M. C. Higinio Acoltzi Acoltzi

La mayoría de los sistemas de refrigeración incluyen muchas partes móviles y componentes voluminosos y complejos pero es posible emplear la energía eléctrica de manera directa para producir enfriamiento sin involucrar ningún refrigerante ni partes móviles [1].

Un módulo termoeléctrico (en adelante, TE) es un componente electrónico basado en semiconductores que funciona como una pequeña bomba de calor (efecto Peltier). Aplicándole una tensión eléctrica baja, de corriente directa (c.d.), una cara del módulo será enfriada mientras que la otra será calentada simultáneamente.

Desde la perspectiva ambiental, los refrigeradores TE proporcionan una alternativa a los consumidores que son ambientalmente conscientes, además que ofrecen un control de temperatura más exacto y más estable.

Actualmente podemos encontrar en México una línea de refrigeradores compactos TE. Tales aparatos son comercializados sin ninguna normativa con respecto al consumo de energía eléctrica.

En este escrito se realiza un análisis teórico-experimental de un refrigerador TE en el Laboratorio Acreditado de Pruebas a Refrigeradores del Instituto de Investigaciones Eléctricas con el fin de dar recomendaciones de uso y de normalización.

Figura 1. Efecto de Peltier, con semiconductores

Efecto Peltier
En 1834 Jean Charles Athanase Peltier, descubrió que al aplicar una diferencia de potencial al circuito se crea un efecto de refrigeración. En la Figura 1 se presenta un circuito de refrigeración termoeléctrica práctico, que emplea materiales semiconductores. Se absorbe calor del espacio refrigerado (QL) y se rechaza hacia el ambiente (QH). El trabajo eléctrico neto que necesita suministrarse, es P = QH – QL.

Figura 2. Efecto de Peltier, con semiconductores

Módulos termoeléctricos
Un módulo TE consiste en dos o más elementos de material semiconductor (n-p) que están conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. Esos elementos y sus conectores están montados entre dos sustratos de cerámica. El sustrato sirve para mantener mecánicamente la estructura y para aislar eléctricamente los elementos individuales y del montaje externo, Figura 2.

Los electrones que se dirigen hacia el material tipo p, pierden energía en forma de calor, mientras que para ir hacia el material tipo n, los electrones deben absorber calor.

Teoría de la refrigeración termoeléctrica
Los refrigeradores TE y los electro-mecánicos están gobernados por la misma ley termodinámica. En un refrigerador TE, un semiconductor dopado, esencialmente toma el lugar del líquido refrigerante, el ­condensador es remplazado por disipador de calor, y el compresor por una fuente de corriente directa.

Análisis teórico para un refrigerador TE
Las características del refrigerador se describen en la Tabla 1, mientras que en la Figura 3, se muestra una foto del mismo.

Tabla 1: Características técnicas del refrigerador TE Figura 3. Refrigerador termoeléctrico en estudio
Característica Valor

Volumen 50 dm3
Posiciones del termostato 5 =frío, 3 = medio y 1 = caliente
Dimensiones 500 x 470 x 400 mm.
Voltaje de trabajo 110/220 Vc.a
Consumo de energía 0.6 kWh en 24h
Potencia de entrada 70 W
Frecuencia 50/60 Hz.
Figura 4. Modelo de un refrigerador TE

Partiendo del esquema de un refrigerador TE mostrado en la Figura 4, el flujo de calor Q en el refrigerador, se calcula por la ley de Fourier de acuerdo con

Q = D­Tab / Rt (1)

En donde D­Tab es la diferencia de temperatura del interior del aparato (Tb) con respecto a la temperatura ambiente (Ta) y (Rt) es la resistencia térmica total de las paredes del refrigerador.

La temperatura del lado frío, Tc, del modulo TE, se obtiene mediante (2). Donde Rc es la resistencia térmica entre Tb y Tc [°C/W].

Tc = Tb -­ RcQ (2)

El cálculo de la temperatura del lado caliente, Th, del modulo TE se hace utilizando (3). Donde Rh es la resistencia térmica entre Th y Ta y P es la potencia eléctrica suministrada al módulo Peltier

Figura 5. Distribución de temperaturas en el módulo TE

Tabla 2: Distribución de temperaturas en el módulo TE
Temperatura Valor, en °C
Ta 32,20
Th 38,40
Tc 1,96
Tsp 3,20
Tb 5,00

Th = Rh (Q + P) + Ta (3)

Ahora es posible conocer la temperatura en el bloque espaciador (Tsp) mediante (4), donde lsp es el espesor, Asp es el área y ksp es el coeficiente de conductividad térmica del bloque espaciador.

Tsp = Tc + (lsp/ksp Asp) Q (4)

La Figura 5 y la Tabla 2, muestran las temperaturas en las distintas zonas del módulo TE.

La resistencia térmica (Rif) del intercambiador de calor (radiador) del lado frío del sistema se calcula mediante (5). Asimismo para la resistencia térmica del lado caliente (Ric) aplicamos (6).

Rif = (Tb – Tsp)/Q                    (5)

Ric = (Th – Ta)/(Q + P)             (6)

Determinando los valores de las ecuaciones descritas, siguiendo la guía de cálculo propuesta por Marlow Industries [2] y modelando el refrigerador TE en el software Aztec V-2.2 de la compañía Melcor [3] disponible en Internet, se obtienen los resultados concentrados en la Tabla 3.

Tabla 3:  Valores de funcionamiento del refrigerador TE
Parámetro

Ecuaciones y Guía

Aztec  V-2.2

Dif. %

Tensión [V]

10,04

10,00

0,3

Corriente [A]

8,70

9,17

5,4

Potencia entrada [W]

90,40

91,70

1,4

Flujo de calor [W]

30,22

30,23

0,03

Temp. lado caliente, Th [°C]

38,38

35,50

7,5

Calor total a disipar [W]

131,50

142,68 8,5
Consumo de energía [kWh/año]

791,90

803,30

1,4

El consumo de energía calculado para condiciones de prueba de la NOM-015-ENER-2002 [4] (Ta = 32,2 °C y Tb = 5 °C) y considerando que el control del refrigerador TE es muy sencillo (no tiene la opción de ciclar), es alto, pero las pruebas de laboratorio confirman los resultados. Las discrepancias entre los dos métodos son aceptables.

Tabla 4. Combinaciones para las pruebas del refrigerador TE
Id. Prueba Temperatura [°C] Tensión [V] Posición Termostato
32,2-115-1 32,2 115 1
32,2-115-3 3
32,2-115-5 5
32,2-120-1 120 1
32,2-120-3 3
32,2-120-5 5
32,2-127-1 127 1
32,2-127-3 3
32,2-127-5 5
29-115-1 29 115 1
29-115-3 3
29-115-5 5
29-120-1 120 1
29-120-3 3
29-120-5 5
29-127-1 127 1
29-127-3 3
29-127-5 5
Posición: 1 = caliente, 3 = medio y 5 = frío

Análisis experimental para un refrigerador TE
Para la medición del consumo de energía eléctrica, se sigue el procedimiento de prueba de la NOM-015-ENER-2002 en las instalaciones del laboratorio acreditado cumple con los requisitos de la ISO/IEC 17025:2005 [5]. La mezcla de pruebas se concentra en la Tabla 4.

No se obtuvo la temperatura de referencia, por lo que se concluyó que el aparato no cumple con los criterios de la Norma. Sin embargo, se considera de utilidad obtener información de este tipo de equipos.

Resultados para temperatura ambiente de 32,2 °C
A 32,2 °C los mejores resultados en cuanto a la temperatura en el interior del refrigerador son: en la posición 5 se obtiene, 8,5 °C para 115 V, en la posición 3 se logran 10,4 °C también para 115 V y para la posición 1 se tiene 17,8 °C para 127 V.

El tiempo para lograr temperatura estable para la posición 5 fue de 2,75 h, para la posición 3 de 2,5 h y para 1 de 1h.

El consumo de energía eléctrica durante 5 horas de funcionamiento, las posiciones que menos consumieron fueron: 1 a 115V con 0,184 kWh, 3 a 120 V con 0,396 kWh y 5 a 120 V y 127 V con 0,518 kWh.

Resultados para temperatura ambiente de 29 °C
Las menores temperaturas logradas fueron: 5,5 °C, 9,2 °C y 16,3 °C para las posiciones 5, 3 y 1 respectivamente a 115 V. Los tiempos de abatimiento también resultaron ser largos.

El consumo menor fue de 0,164 kWh para la posición 1 y 120 V, de 0,338 kWh para la posición 3 y 120 V y de 0,474 kWh para la posición 5 y 127 V.

Tabla 5. Resumen de consumos de energía y temperaturas interiores alcanzadas.
Id. Prueba kWh/día kWh/año Temp. Int. [°C]
29-115-1 0,595 217,2 16,4
29-120-1 0,554 202,1 17,6
29-127-1 0,581 212,0 17,8
32,2-115-1 0,621 226,6 18,1
32,2-120-1 0,691 252,3 17,7
32,2-127-1 0,772 281,8 17,8
29-115-3 1, 162 424,3 9,5
29-120-3 1,174 428,7 9,5
29-127-3 1,175 428,9 10,4
32,2-115-3 1,694 618,5 10,5
32,2-120-3 1,466 534,9 11,1
32,2-127-3 1,522 555,4 11,0
29-115-5 2,723 994,0 5,5
29-120-5 2,514 917,5 6,2
29-127-5 2,103 767,7 6,7
32,2-115-5 2,712 989,9 8,4
32,2-120-5 2,523 921,0 8,7
32,2-127-5 2,506 914,5 8,6

Resumen de resultados experimentales

En la Tabla 5 y en la Figura 6, se presenta un resumen del comportamiento energético del refrigerador TE y de las temperaturas que tendremos en nuestro equipos. Para cubrir necesidades de refrigeración se debe operar el equipo en la posición 5 para alcanzar 6,7 °C y la temperatura ambiente debe ser menor a 29 °C. Con ello el consumo anual esperado estará entre 768 y 994 kWh/año.

El consumo es alto pero las características tecnológicas del refrigerador probado no son las mejores, actualmente un refrigerador TE de alta eficiencia puede llegar a tener un consumo anual de 255 kWh/año con una temperatura interior menor a 5°C.

Consumo máximo para un refrigerador de motocompresor
Teniendo en cuenta que el volumen ajustado medido del refrigerador TE es de 49,1 dm3, el límite de consumo anual sería de 317,66 kWh/año.

Beneficios adicionales de los refrigeradores TE
•  Totalmente silenciosos sin producir vibraciones,
•  Fácil variación de la potencia refrigerante, actuando sobre la tensión de alimentación,
•  No necesitan mantenimiento,
•  No poseen elementos móviles,
•  Pueden funcionar en cualquier posición,
•  Peso y tamaño pequeños,
•  Control de la temperatura preciso (± 0,1 ºC),
•  Alta confiabilidad,
•  Pueden, en un futuro, ser empleados con fuentes no convencionales de energía.

Figura 6. Resumen de consumo de energía eléctrica y temperaturas alcanzadas.

Conclusiones y Recomendaciones
• Actualmente en México podemos comprar una línea de refrigeradores compactos TE, los cuales son comercializados sin ninguna normativa con respecto al consumo de energía eléctrica.

• El análisis teórico indica un consumo promedio de energía eléctrica anual de 800 kWh/año. Los resultados de laboratorio muestran que el consumo anual promedio esperado será de 880 kWh/año. Estos consumos son altos con respecto a sus similares de motocompresor que consumen alrededor de 317,66 kWh/año. Pero un refrigerador TE de alta eficiencia puede tener un consumo anual de 255 kWh/año.

• En un refrigerador TE, el control electrónico es una de las partes que determinan un funcionamiento óptimo; sin embargo en el aparato probado no se tiene un buen control.

• Asimismo el costo de adquisición fue de 1000 pesos y un equipo de alta eficiencia puede estar entre 3000 y 5000 pesos. A favor de estos aparatos están sus características especiales, ya que pueden llegar a ser usados con fuentes alternas de energía.

• Por ello se recomienda; primero, al consumidor tener en mente que los equipos en el mercado mexicano aún no tienen funcionamientos óptimos, y segundo a la dependencia competente, normalizar el consumo de energía de estos aparatos para protección al consumidor y así evitar los efectos adversos por alto consumo de energía.
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Referencias
[1] Yunus A. Cengel, Michael A. Boles, “Termodinámica”, 2da. ed., McGraw Hill, México, 1997.
[2] Marlow Industries, Inc. Thermoelectric Design Guide, disponible en www.marlow.com.
[3] Melcor, Inc., Aztec Version 2.2, disponible en  http://www.melcor.com/software.html
[4] Secretaría de Energía, “NOM-015-ENER-2002. Eficiencia energética de refrigeradores y congeladores electrodomésticos. Límites, método de prueba y etiquetado”, México, 2003.
[5] International Organization for Standardization, “ISO/I EC 17025:2005, General requirements for the competence of testing and calibration laboratories”, 2005.

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