José Luis Giordano
Febrero 11, 2005 (Última revisión: Enero 8, 2008)
1-QUÉ ES
Los termo-refrigeradores/calentadores son máquinas térmicas basadas en dispositivos (¨módulos¨) sin partes móviles que utilizan el efecto termoeléctrico Peltier.
2-PARA QUÉ SIRVE
Sirve para intercambiar calor sin utilizar piezas móviles, mediante la circulación de corriente eléctrica a través de módulos Peltier. Además, sirve para aquellos sistemas en los que se desea invertir el sentido del bombeo de calor (es decir, que pueda calentar o enfriar en ambas direcciones).
Sin embargo, debido al considerable consumo de energía eléctrica de los módulos Peltier, los termo-refrigeradores/calentadores no se suelen utilizar en los hogares.
Por el contrario, se usan donde se requiera no tener partes móviles o invertir el sentido del flujo de calor (como en los pequeños portamuestras de algunos espectrofotómetros utilizados en laboratorios biomédicos).
También se utilizan dentro de automóviles, campings u oficinas, donde sea conveniente tener un refrigerador pequeño y liviano, y no sea importante un alto consumo eléctrico.
Un ejemplo
En la foto siguiente, se muestra un termo-refrigerador/calentador que costó unos $ 20k (USD 30 aprox.) en Chile, en diciembre del 2004. Este aparato funciona con 220 Vrms de la red alterna de 50 Hz, o con baterías de 12 V como las de un automóvil. En la foto se muestra con un "mug" de 250 mL en su interior, y los respectivos cables. En el costado derecho (que no se ve en la foto), tiene la llave conmutadora que invierte el sentido de la corriente eléctrica, para que el aparato bombee calor de adentro hacia fuera ("refrigerador termoeléctrico"), o de fuera hacia dentro ("calentador termoeléctrico"). Cuatro tornillos en el centro de la pared interior, sujetan el módulo Peltier.
En la foto siguiente se muestra el interior del otro lado, habiendo quitado la tapa trasera (NUNCA abran el aparato estando conectado !! ). En la parte de la derecha, hay un disipador de calor, de alumnio, y en la tapa, a la izquierda, hay un ventilador que favorece la transferencia de calor por convección forzada, entre el ambiente y el disipador. Se ven 3 pares de cables rojo y negro. Hacia la izquierda va el par que alimenta al ventilador, y los que van hacia la derecha y hacia arriba, son los que transportan la corriente eléctrica al módulo Peltier (que no se ve, por encontrarse bajo el disipador). Este radiador de calor está atornillado con las aletas colocadas verticalmente, para que la convección sea más eficiente.
El módulo Peltier se coloca en la pared de intercambio calórico del refrigerador. En la foto que sigue, se ha retirado el disipador para observar el módulo, que tiene unos 40 mm x 40 mm de área, y se encuentra dentro de una pieza plástica gris. La pasta blanca es un tipo de grasa siliconada para llenar espacios de aire y así mejorar el contacto térmico entre el módulo y el disipador.
El módulo de este aparato puede ser del tipo TM-127-1.4-3.9M de Advanced Thermoelectric (U.S.A.) de 40 mm x 40 mm x 4.7 mm, con 11 pares n-p, que cuesta unos USD 20, funciona con 12 V y 3.9 A, y produce una diferencia de 70 grados celsius (de +50°C en una placa a -20°C en la otra), con una capacidad de flujo de potencia calórica de unos 33.8 W (que es un 72% de la potencia eléctrica suministrada, 12V x 3.9A. El otro 28% se pierde debido a la disipación Joule y a pérdidas por conducción entre las placas).
En la fotografía también se observa un dispositivo en contacto con el módulo termoeléctrico, con dos cables amarillos. Al igual que en muchas máquinas, este es un sensor que interrumpe la corriente en el caso de sobrecalentamiento del sistema. Es una protección del módulo, indispensable cuando el aparato funciona como termocalentador, donde en las pruebas con este aparato observamos que el circuito interrumpe periódicamente la corriente del módulo durante aproximadamente el 50% del tiempo.
Cuando se probó con una batería de 12 V, se observó que el ventilador utiliza una corriente de unos 0.2 A y el módulo unos 2.7 A. Por lo tanto, para usar este refrigerador con la batería de un automóvil (que posea una carga típica de unos 45 Ah), hay que tener presente que ésta se podría descargar en aproximadamente medio día (pues 2.9 A x 15.5 h = 45 Ah).
Si este aparato fuese solo un termorefrigerador de 12 V, no se requeriría circuito eléctrónico. La batería se conectaría directamente al ventilador y al módulo termoeléctrico. Pero como el funcionamiento puede invertirse para ser un termocalentador, es necesario un sistema de protección que interrumpa y reestablezca la corriente. Por otro lado, para que este aparato opcionalmente pueda funcionar con la red de 220 V, también es necesario que tenga una fuente de alimentación de alta corriente de salida.
Antes de comprar un aparato como éste, hay que tener presente que debido a su bajo costo, estos modelos tienen varios defectos de fabricación. En particular, al tocar su parte exterior con la mano se percibe "frío", debido a la mala aislación térmica. En el interior, las juntas y fijaciones que rodean el módulo no están bien colocadas, ni tienen buena transferencia térmica hacia el interior. Después de días funcionando, se observa la formación de una creciente cantidad de hielo en el interior, debido al mal sellado (seguramente en la puerta). Todas estas cosas hacen que tenga considerables pérdidas y que enfríe con menos eficiencia. Por eso demora más de medio día en bajar la temperatura de 6 latas de 350 mL con bebida inicialmente a temperatura ambiente (21°C), hasta sólo unos 4.5°C.
Un gravísimo defecto de fabricación es que el disipador, como se observa en una de las fotos anteriores, se encuentra sobre el circuito. Por lo tanto, si se apaga el aparato con las latas frías en su interior, comienza a condensar humedad del aire en el radiador, y podrían deslizan gotas de agua sobre los componentes electrónicos. Asi que, cuando el aparato se encuentre apagado, es importante quitar las cosas frías del interior y dejar su puertita abierta.
Tomando esas precauciones, usándolo con la red eléctrica, no exponiéndolo a la luz solar ni al calor, este aparato puede resultar útil en un pequeño laboratorio u oficina, para conservar yoghurts y latas de bebida (pero NUNCA vuelvan a poner alimentos, cuando han usado este refrigerador para conservar productos químicos! Tiene superficies plásticas que absorben rápidamente substancias químicas, y que podrían contaminar alimentos guardados allí, tiempo después).
3-DE QUÉ ESTÁ HECHO
Desde aproximadamente 1960 los módulos Peltier se fabrican con Te3-Bi2 (telurio 3 - bismuto 2) tipo-p, y con Te3-Bi2 tipo-n. En vez de cables, son bloquecitos de 1 mm x 1 mm x 2 mm conectados alternadamente en serie, tipo-n - tipo-p - tipo-n - tipo-p - etc., y térmicamente en paralelo, de modo tal que todas las uniones donde la corriente va del p al n estén en contacto térmico con la misma cara del módulo donde se liberará calor, y todas las uniones donde la corriente va del n al p, estén en contacto térmico con la otra cara, que absorberá calor. 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.
En la foto siguiente se muestran 2 módulos Peltier comerciales de unos 30 mm x 30 mm x 2 mm de tamaño. Cada uno costó 15.31 Euro (unos 12 mil pesos chilenos) en Enero del 2005 en Conrad Electronics (Alemania). En el módulo que está de perfil, se ven los bloquecitos semiconductores de color metálico. Un módulo puede contener decenas de estos pares n-p entre las 2 placas. Los módulos se venden de diferentes tamaños y potencia de bombeo calórico, para que uno pueda armar su propia máquina térmica. Los módulos que aquí se muestran son de una sola etapa, pero también hay de dos etapas, eléctricamente en serie pero puesta una lámina sobre la otra, térmicamente también en serie.
4-CÓMO FUNCIONA
En la naturaleza, los materiales están formados por moléculas compuestas por átomos enlazados entre sí. Según el tipo de enlace atómico y molecular, los electrones exteriores de cada átomo tienen mayor o menor posibilidad de moverse alrededor de los núcleos y electrones más internos. En los conductores, metales puros y aleaciones, los electrones exteriores menos ligados, pueden moverse en todo el material como si no pertenecieran a ningún átomo. Estos "electrones libres" tienen una distribución de energía que depende principalmente de la temperatura y del tipo de átomos que compone el metal.
Lo anterior es lo que da origen a los 3 "Efectos Termoeléctricos" (Seebeck, Peltier y Thomson). El primer trabajo más directamente relacionado con ellos, fue el manuscrito que en marzo del año 1800 el físico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827) envió a la London Royal Society describiendo el desarrollo de la hoy conocida como Pila de Volta, formada por placas alternadas de metales diferentes en agua salada o ácida. Volta interpretó correctamente el trabajo de su amigo, el médico Galvani, y en su honor, lo denominó "Galvanismo".
Cuando se ponen en contacto 2 metales A y B diferentes, en la unión fluyen electrones en una dirección hasta equilibrar las fuerzas eléctricas debidas a la distribución inicial desigual. Esto hace que aparezca una diferencia de voltaje o "potencial de contacto" entre los metales ("Efecto Volta"), ya que uno quedó cargado negativamente por los electrones que recibió, y el otro cargado positivamente por la falta de los que perdió.
Volta descubrió este fenómeno en 1793 (cuando aún no se había descubierto el electrón) y estableció que de la siguiente serie de metales: (+) Rb K Na Al Zn Pb Sn Sb Bi Fe Cu Ag Au Pt (-), poniendo en contacto dos cualesquiera de ellos, el de la izquierda es el que se carga positivamente.
En 1815, el francés fabricante de relojes Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845), a los 30 años decide dedicar su tiempo a la investigación. Hay que destacar que en la Europa de esos años, había comenzado la consolidación del Electromagnetismo. En particular, en 1820 Orsted descubre la interacción entre una corriente eléctrica y el magnetismo, Ampere demuestra y formula matemáticamente la interacción entre 2 corrientes, y Biot y Savart descubren que la intensidad del campo magnético producido por una corriente es inversamente proporcional a la distancia del conductor.
Después de la explosión de descubrimientos de ese año, en 1821 el físico alemán Thomas Johann Seebeck (1770-1831) descubre que al colocar a diferente temperatura las uniones de un lazo formado por dos metales distintos (cobre y bismuto), aparece una corriente eléctrica, que dependía de la diferencia de temperatura entre las uniones. Éste es el principio físico de los termopares utilizados en termometría ("Efecto Seebeck").
Dentro de la importante serie de descubrimientos de esos años, en 1834 Peltier descubre el fenómeno inverso al Seebeck, el "Efecto Peltier", por el cual, una corriente eléctrica que atraviesa las uniones de un lazo formado por dos metales diferentes, dependiendo del sentido de la corriente, genera calor en una unión y lo absorbe en la otra.
Entonces, concretamente, el principio físico del "efecto Peltier" es que al conectar una fuente de corriente a un lazo formado por 2 conductores A y B, en una unión la corriente que va desde A hacia B es favorecida por el potencial de contacto, y en la otra, la corriente que va desde B hacia A debe vencer una barrera de energía debida al potencial de contacto opuesto. Por lo tanto, la corriente al atravesar las uniones, en una libera calor, y en la otra lo absorbe del medioambiente.
Debido a que los metales tienen distribuciones electrónicas similares, los potenciales de contacto son muy bajos (del orden de 100 mV) y el bombeo de calor mediante el efecto Peltier entre metales es muy pequeño. Esta es la razón por la que no se utilizó este fenómeno en refrigeradores hasta la segunda mitad del Siglo XX.
En efecto, con la invención del transistor en 1947 y el desarrollo de la Física del Estado Sólido, se fabricaron semiconductores donde las distribuciones electrónicas se controlan artificialmente agregando impurezas. Según el elemento de la impureza, el material se convierte en un semiconductor tipo-p donde los portadores de carga son positivos, o tipo-n con portadores negativos.
Deducción de 
V = a T + I R para un módulo Peltier
Aquí se demuestra que la caída de voltaje en un módulo Peltier no es simplemente V = I R, ya que existe además una contribución termoeléctrica: el potencial de contacto aT, o voltaje Seebeck.
La potencia eléctrica total (en watt, W) entregada por la fuente que energiza al módulo Peltier, está dada por la caída de voltaje V (en volt, V) y la corriente I (en ampere, A):
PTotal = V I
Debido a la conservación de la energía, esta cantidad será igual a la potencia calórica (tasa de flujo de calor) total disipada por el módulo, una a través de la placa caliente H, y otra a través de la placa fría C. Es decir:
V I = PH + PC
donde PH > 0 es la potencia calórica disipada desde H hacia el exterior, y donde PC < 0 es la potencia calórica disipada desde C hacia el exterior. Esta última es negativa porque la placa absorbe calor del medio ambiente, en vez de entregárselo.
La potencia disipada por cada placa se compone de 3 términos: la potencia calórica Peltier PP, la potencia calórica de conducción PCond, y la potencia calórica Joule PJ. En la placa caliente H:
PH = PP-H + PCond-H + PJ-H
y análogamente, en la placa fría C:
PC = PP-C + PCond-C + PJ-C
La potencia calórica disipada por Efecto Peltier, es proporcional a la corriente eléctrica I y a la temperatura T (en grado celsius, °C) de la unión. Entonces, en las placas H y C se tiene:
PP-H = a(TH) I TH > 0 W
PP-C = -a(TC) I TC < 0 W
El signo negativo de PP-C se debe a que es potencia calórica que pierde la placa fría C. El factor a(T) se denomina coeficiente Seebeck (en volt por grado celsius, V/°C). En el rango de temperaturas típico de las aplicaciones, este coeficiente puede considerarse constante:
a(TH) = a(TC) = a
Como TC < TH, resulta -PPC < PPH, es decir que solo teniendo en cuenta el Efecto Peltier, el calor disipado en la placa caliente es mayor que el calor absorbido en la fría.
El bombeo de calor Peltier desde C hacia H hace que C se enfríe y H se caliente (TC < TH). Esto produce una potencia calórica PCond desde H hacia C por conducción a través de los semiconductores que unen ambas placas. En primera aproximación, este flujo es proporcional a la diferencia de temperaturas entre placas T = TH - TC:
PCond = T / RTh
donde RTh es la resistencia térmica (en grado celsius por watt, °C/W) total equivalente entre las placas del módulo Peltier. Como este calor sale de la placa H y va hacia la C, se tiene que:
-PCond-H = PCond-C = PCond
Finalmente, la corriente eléctrica a través de los semiconductores genera una disipación calórica Joule PJ que se reparte hacia ambas placas:
PJ-H = PJ-C = (1/2) PJ
donde
PJ = I2 R
siendo R la resistencia eléctrica (en ohm) total equivalente del módulo Peltier. Es decir,
PH = a I TH - T / RTh + (1/2) PJ
y análogamente, en la placa fría C:
PC = -a I TC + T / RTh + (1/2) PJ
Por último, sumando estas expresiones se tiene que
V I = a I T + I2 R
Por lo tanto, la potencia eléctrica suministrada por la fuente se reparte en el bombeo de calor Peltier y las pérdidas por disipación Joule. Dividiendo esa expresión por I, se ve que el voltaje de la fuente sobre el módulo, se compone de una caída de voltaje de origen termoeléctrico y una caída de voltaje resistiva:
V = a T + I R
Esta expresión se puede utilizar en el laboratorio para determinar los parámetros a y R, mientras que el parámetro RTh, se obtiene de las especificaciones del fabricante del módulo, que suele dar la relación lineal de -PC versus T,
-PC = a I TC - T / RTh - (1/2) I2 R
manteniendo TC e I constantes, es decir,
-PC(T) = PMax - T / RTh
Entonces,
RTh = TMax / PMax
siendo
PMax = a I TC - (1/2) I2 R
REFERENCIAS
(1) TE Technology, Inc. 2005 Technical Information
http://www.tetech.com/techinfo/#
(2) Advanced Thermoelectric 2005 Home page
http://www.tecooling.com/moduleworking.htm
AGRADECIMIENTOS
A Iniciativa Profísica por el financiamiento del Refrigerador, y a Elsa Valenzuela (estudiante de Ing. C. Industrial de la Universidad de Talca) por las mediciones realizadas con este aparato.
De izq. a derecha, el autor (JLG), Carlos Freidli, Francisco Claro (el "jefe"), Nelson Mayorga (el dueño de casa) y Juan Carlos Retamal, al finalizar la Reunión Extraordinaria 2004 de Iniciativa Profísica del 8 de Enero del 2005. Sobre la mesa se ve el interior del refrigerador/calentador termoeléctrico (con 3 latas en el interior) recién comprado, y que fue desarmado al principio de la reunión.