UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE TERMOGENERADORES
ELÉCTRICOS EN EL SISTEMA DE ESCAPE DE UN VEHÍCULO
PARA RECUPERAR Y REUTILIZAR LA ENERGÍA
CALORÍFICA
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
HENRY SANTIAGO CÓNDOR CÓNDOR
DIRECTOR: ING. ALEXANDER PERALVO, MSc.
CÉDULA DE IDENTIDAD: 172098967-0
APELLIDO Y NOMBRES: HENRY SANTIAGO CÓNDOR CÓNDOR
dirección: Argelia Alta, calles Bilovan y Macuchi
EMAIL: livehen14@hotmail.com
TELÉFONO FIJO: 3080-789
TELÉFONO MOVIL: 099-5064-985
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE
TERMOGENERADORES ELÉCTRICOS EN EL SISTEMA DE ESCAPE DE UN VEHÍCULO PARA RECUPERAR Y REUTILIZAR LA ENERGÍA CALORÍFICA
AUTOR O AUTORES: HENRY SANTIAGO CÓNDOR CÓNDOR
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 08/07/2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
ING. ALEXANDER PERALVO, MSc.
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El tema de investigación analizó uno de los principales problemas entorno al vehículo y
en muchos ámbitos de las actividades
cotidianas como es la perdida de energía en
Tomando en cuenta estos aspectos se
presentó la idea de recuperar la energía
calorífica existente en un vehículo, ya que
solo una parte de la energía calorífica
contenida en los combustibles se convierte en
energía útil; esto debido a pérdidas por
rozamiento, accionamiento de dispositivos
auxiliares y demás, pero de entre toda ellas la
investigación se centró en la perdida de calor
por intermedio de los gases de escape, esto
con base a los datos bibliográficos acerca de
la alta temperatura presente en los gases de
escape, la cual bordea los 600 y 700 grados
centígrados en los lugares más cercanos al
motor. De toda esta energía en forma de
calor, que contiene los gases de escape, se
recuperó un porcentaje de ella con la ayuda
de elementos termoeléctricos los cuales
aprovechan el calor y lo transforman en
energía eléctrica de forma directa. En este
trabajo se realizó de forma experimental la
incorporación de celdas termoeléctricas en el
sistema de escape por que actualmente no se
tiene amplia información en torno al tema y
aún más tratándose de termoelectricidad
aplicada al vehículo.
PALABRAS CLAVES: Termoelectricidad, Efecto Seebeck, Efecto
Peltier, Celdas Termoeléctricas, Módulos
Termoeléctricos.
ABSTRACT: This research focused on the principal
problems about the vehicle and lots of
Dedico esta tesis y todo mi trabajo a Dios quien me hablo en
momento oportuno mediante los versículos de Isaías 40: 8 al 10
donde dice: Pero tú, Israel, siervo mío, Jacob, a quien he
escogido, descendiente de Abraham, mi amigo; tú, a quien tomé
de los confines de la tierra, y desde sus lugares más remotos te
llamé, y te dije: “Mi siervo eres tú; yo te he escogido y no te he
rechazado ”: No temas porque yo estoy contigo; no te
desalientes, porque yo soy tu Dios. Te fortaleceré, ciertamente te
ayudaré, sí, te sostendré con la diestra de mi justicia. A ti señor
mi Dios Gracias por ser mi sustento y fortaleza.
Finalmente, quiero dedicar el presente trabajo, con profundo amor
y agradecimiento, a mi madre, Mariana de Jesús Cóndor Alquinga
quien con gran esmero y sacrificio ha sabido guiarme y ser mi
En esta vida de momentos muy corta y pasajera, si hay algo que se debe aprender, es, a dar las gracias, por un día más de vida por nuestra familia, por nuestros amigos, y por supuesto por las metas alcanzadas que no son nuestras, si no, son: el producto del trabajo conjunto, por lo cual doy gracias inicialmente a Dios por la salud, paciencia y fuerzas para cumplir esta meta tan importante.
Empiezo dando un agradecimiento especial al Ing. Alexander Peralvo, por su constante apoyo y paciencia en el desarrollo del presente trabajo.
Agradezco la colaboración y la confianza brindada por mi padre, en el presente trabajo.
Un agradecimiento a las personas y amigos que estuvieron durante el desarrollo del presente trabajo de forma activa.
ÍNDICE DE CONTENIDOS.
PÁGINA
RESUMEN xiii
ABSTRACT xiv
1. INTRODUCCIÓN 1
2. MARCO TEÓRICO xiii
2.1. TERMOELECTRICIDAD 3
2.1.1. HISTORIA 4
2.1.1.1. Primeros termogeneradores 5
2.1.1.2. Semiconductores 6
2.1.1.3. Zinc antimoniuro (ZnSb) 6
2.1.1.4. Termopar o termocupla 7
2.1.2. BASES TEÓRICA QUE IMPERA EN LA
TERMOELECTRICIDAD 7
2.1.2.1. Efecto Seebeck 8
2.1.2.3. Efecto Peltier 10
2.1.2.4. Efecto Joule 12
2.2. GENERADORES TERMOELÉCTRICOS 12
2.2.1. ELEMENTOS DE LOS TERMOGENERADORES ELÉCTRICO 13
2.2.2. MÓDULOS O PLACAS TERMOELÉCTRICAS 14
2.2.2.1. Placas termoeléctricas tipo Seebeck 15 2.2.2.3. Placas termoeléctricas tipo Peltier 18
2.3. GENERADOR TERMOELÉCTRICO DE BMW 19
2.4. EL CALOR COMO ENERGÍA 20
2.4.1. TRANSFERENCIA DE CALOR 20
2.4.1.2. Transferencia de calor por conducción 21 2.4.1.3. Transferencia de calor por radiación 23
2.4.1.4. Energía interna de los cuerpos 24
2.4.2. DILATACIÓN DE TÉRMICA 25
2.5. CIRCUITOS EN SERIE PARALELO Y MIXTO 26
2.5.1. CIRCUITO EN SERIE 26
2.5.2. CIRCUITO EN PARALELO 26
2.5.3. POTENCIA ELÉCTRICA 27
2.5.4. BATERÍAS 27
2.6. SISTEMA DE ESCAPE DEL AUTOMÓVIL 28
2.6.1. ELEMENTOS INTERNOS 29
2.6.1.1. Válvulas de escape 29
2.6.1.2. Conductos internos del motor 29
2.6.2. ELEMENTOS EXTERNOS 30
2.6.2.1. Múltiple de escape 30
2.6.2.2. Sensor de oxígeno 30
2.6.2.3. Convertidor catalítico 31
2.6.2.4. El silenciador 31
2.6.2.5. Tramos del tubo 31
2.6.3. TEMPERATURAS DEL SISTEMA DE ESCAPE 32
2.7. EQUIPO DE MEDICIÓN 33
2.7.1. PIRÓMETRO 33
2.7.2 MULTÍMETRO 33
3. METODOLOGÍA 34
4. ANALISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN 36
4.1. OBJETIVOS DEL DISEÑO 37
4.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN 38
4.2.1. PLACAS TERMOELÉCTRICAS 39
4.2.1.2. Factores de disponibilidad 39
4.2.1.3. Factores técnicos 40
4.2.1.4. Selección placa termoeléctrica 40
4.2.1.4.1. Placas de alta gama 40
4.2.1.4.2. Placas de gama media 41
4.2.1.4.3. Placas de gama baja 41
4.2.1.5. Placa termoeléctrica TEC 12706 41
4.2.1.5.1. Descripción 42
4.2.1.5.2. Características 42
4.2.1.5.3. Aplicación general 42
4.2.1.5.4. Dimensiones y principales características 43 4.2.1.6. Prototipo de pruebas placas termoeléctricas 43
4.2.1.6.1. Materiales 43
4.2.1.6.2. Desarrollo 44
4.2.1.6.3. Pruebas del prototipo 46
4.2.1.6.5. Proceso de pruebas 48
4.2.1.6.6. Registro de resultados 51
4.2.1.6.7. Calculo de transferencia de calor del prototipo
de pruebas 52
4.2.2. TEMPERATURAS Y ESTRUCTURA DEL SISTEMA DEL ESCAPE DEL VEHÍCULO CHEVROLET MODELO AVEO
EMOTION 2015 56
4.2.2.1. DIMENSIONES Y ESTRUCTURA DEL SISTEMA DE
ESCAPE 58
4.2.3. ANÁLISIS PREVIOS PARA EL DISEÑO DEL DISPOSITIVO 60
4.2.3.1. Modelo de pruebas 60
4.2.3.2. Placas termoeléctricas 61
4.2.3.3. Ubicación del dispositivo en el vehículo 62 4.2.4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO TERMOELÉCTRICO PARA EL
SISTEMA DE ESCAPE 62
4.2.4.1.1.1. Capacidad calórica 67
4.2.4.1.1.2. Conductividad térmica 68
4.2.4.1.1.3. Dilatación térmica 69
4.2.4.1.1.4. Análisis de materiales 69
4.2.4.1.1.5. Principales características físicas del duraluminio 73
4.2.4.1.1.6 Análisis térmico 73
4.2.4.1.1.7. Dilatación volumétrica 75
4.2.4.2. Acople lado frío 76
4.2.4.3. Armado del prototipo Preliminar 79
4.2.5. PROCESO DE PRUEBAS PROTOTIPO PRELIMINAR 83
4.2.5.1. Ruta de prueba uno 83
4.2.5.1.1. Características de la ruta número uno 84 4.2.5.1.2. Resultados ruta de prueba uno con el prototipo
preliminar 85
4.2.5.1.3. Análisis de resultados ruta uno con el prototipo
preliminar 86
4.2.5.2. Ruta de prueba dos 86
4.2.5.2.1. Características de la ruta número dos 87 4.2.5.2.2. Resultados ruta de prueba dos con el prototipo
preliminar 88
4.2.5.2.3. Análisis de resultados ruta dos con el prototipo
preliminar 90
4.2.5.3. Análisis global de pruebas con el prototipo preliminar 91
4.2.5.3.1. Circuito en serie 91
4.2.5.3.2. Circuito en paralelo 92
4.2.5.3.3. Circuito Mixto 92
4.2.6. ANÁLISIS Y CONSTRUCCIÓN DE PROTOTIPO FINAL 93 4.2.6.1. Circuito electrónico para el sistema termoeléctrico 94 4.2.6.1.1. Montaje del circuito electrónico 98 4.2.7. PROCESO DE PRUEBAS DEL PROTOTIPO FINAL 100
4.2.7.1. Trayecto de prueba final 100
4.2.7.2.1. Análisis de resultados tramo uno de la prueba final 101 4.2.7.2.2. Resultados trayecto dos y tres en la prueba final 102 4.2.7.2.3. Análisis de resultados tramo dos y tres de la
prueba final 103
4.2.7.3. Recorrido de pruebas con baja carga vehicular 104 4.2.7.3.1. Características del recorrido con baja carga vehicular 105 4.2.7.3.2. Resultados trayecto con baja carga vehicular
prueba final 106
4.2.7.3.3. Análisis de resultados trayecto con baja carga
vehicular en la prueba final 107
4.2.7.4. Aplicación del voltaje para la carga de la batería
acumuladora 109
4.2.7.4.1. Voltaje para carga de batería acumuladora en
trayecto uno 110
4.2.7.4.2. Voltaje para carga de batería acumuladora
trayecto dos y tres 111
4.2.7.4.3. Voltaje para carga de batería trayecto con baja carga
vehicular 111
4.2.7.4.4. Resumen voltajes de carga de batería acumuladora 111 4.2.7.4.2. Análisis del amperaje para carga de batería
acumuladora 112
4.2.7.5. Calculo para el análisis del prototipo termoeléctrico final 116
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 119
5.1. CONCLUCIONES 119
5.2. RECOMENDACIONES 121
BIBLIOGRAFÍA 122
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Constantes coeficiente Seebeck 9
Tabla 2. Conductividad térmica de los materiales 23
Tabla 3. Porcentajes perdidas de energía en un motor 36
Tabla 4. Puntuación placas termoeléctricas 40
Tabla 5. Especificaciones de rendimiento TEC 12706 42
Tabla 6. Valores de voltaje y amperaje del prototipo de pruebas
de la placa TEC-12706 51
Tabla 7.Valores para el cálculo de calor y potencia eléctrica 52
Tabla 8.Resumen de resultados potencias y calor prototipo de
pruebas externo 54
Tabla 9.Valores de eficiencia y diferencias de temperatura del
prototipo de pruebas externo 55
Tabla 10. Valores de eficiencia y diferencias de temperatura del
prototipo de pruebas externo 55
Tabla 11. Valores mínimos de temperatura a régimen de ralentí 57
Tabla 12. Identificación de valores esperado de temperatura de
trabajo celda termoeléctrica 61
Tabla 13. Valores típicos de calor específico 67
Tabla 14. Valores típicos de conductividad térmica 68
Tabla 15. Materiales con características para el análisis 72
Tabla 16. Características principales del duraluminio 73
Tabla 17. Voltajes en ruta de prueba uno con el prototipo preliminar 85
Tabla 18. Voltajes registrados en la ruta de prueba dos con el prototipo
preliminar 89
Tabla 19. Valores esperados en las distintas asociaciones 93
Tabla 20. Voltajes registrados en el trayecto uno de prueba final 101
Tabla 21. Voltajes registrados en el trayecto dos y tres de la prueba final 102
Tabla 22. Voltajes registrados en el trayecto con baja carga de vehicular 106
Tabla 23. Valores de voltaje registrados en el proceso de pruebas final 110
Tabla 25. Amperaje generado en ruta alterna 114
Tabla 26. Valores para el cálculo de calor y potencia eléctrica en el
recorrido de alta exigencia para el vehículo 116
Tabla 27. Valores para el cálculo de calor y potencia eléctrica en el
recorrido característico de ciudad 116
Tabla 28. Valores para el cálculo de calor y potencia eléctrica en
recorrido con baja carga vehicular 117
Tabla 29.Resumen de resultados potencias y calor prototipo final
recorrido con alta exigencia para el vehículo 117
Tabla 30. Resumen de resultados potencias y calor prototipo final
recorrido típico de ciudad 117
Tabla 31. Resumen de resultados potencias y calor prototipo final
recorrido con baja carga vehicular 117
Tabla 32. Valores de eficiencia y diferencias de temperatura del
prototipo final recorrido con altas exigencias para el vehículo 118
Tabla 33. Valores de eficiencia y diferencias de temperatura del
prototipo final recorrido típico de ciudad 118
Tabla 34. Valores de eficiencia y diferencias de temperatura del
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Termogeneradores eléctrico 3
Figura 2. Termocupla o termo par eléctrico (Alem, 2004) 3
Figura 3. Efecto Seebeck 8
Figura 4. Aplicación efecto Seebeck material tipo N 10
Figura 5. Termopar en efecto Peltier 11
Figura 6. Generador termoeléctrico a queroseno 13
Figura 7. Gráfica termopar individual 14
Figura 8. Módulo Termoeléctrico 15
Figura 9. Placa Seebeck 16
Figura 10. Módulo TEP1-1263-3.4Gráfica real 17
Figura 11. Módulo TEG1-1263-3.4 17
Figura 12. Módulo TEC1-12706 18
Figura 13. Generador termoeléctrico de BMW 19
Figura 14. Transferencia de calor mediante convección 21
Figura 15. Transferencia de calor mediante conducción 22
Figura 16. Transferencia por radiación 24
Figura 17. Sistema de escape del Automóvil 28
Figura 18. Válvulas de escape del motor 29
Figura 19. Temperaturas del sistema de escape 32
Figura 20. Perdidas de calor en el motor de un vehículo 37
Figura 21. Características placa TEC-12706 43
Figura 22. Disipador de calor para el prototipo de pruebas de la placa
termoeléctrica 12706 44
Figura 23. Soporte del prototipo de pruebas para la placa
termoeléctrica 12706 45
Figura 24. Placa TEC-12706, identificación lado frio y caliente 45
Figura 25. Prototipo de pruebas de la placa TEC-12706 46
Figura 26. Prototipo para pruebas de la placa TEC-12706 y su fuente
de calor 46
Figura 28. Multímetro Automotriz TRISCO DA-830 47
Figura 29. Multímetro digital DT832 47
Figura 30. Temperaturas inicial lado frio del prototipo de pruebas
de la placa TEC-12706 48
Figura 31. Voltaje inicial del prototipo de pruebas de la placa
TEC-12706, sin fuente de calor 48
Figura 32. Circuito para el proceso de pruebas prototipo externo 49
Figura 33. Temperaturas lado caliente prototipo de pruebas de la placa
TEC-12706 49
Figura 34. Temperatura y amperaje del prototipo de pruebas de la placa
TEC-12706. 50
Figura 35. Voltaje y temperatura del prototipo de pruebas de la placa
TEC-12706. 50
Figura 36. Placas termoeléctricas averiadas exceso temperatura
y presión 51
Figura 37. Resistencia en función de la temperatura de la placa
termoeléctrica TEC 127-06 56
Figura 38. Temperatura sistema de escape Chevrolet evolución 2016 58
Figura 39. Partes del sistema de escape 59
Figura 40. Acople del lado caliente 63
Figura 41. Dimensiones acople del lado caliente 64
Figura 42. Vista lateral acople del lado caliente 65
Figura 43. Vista superior acople lado caliente 65
Figura 44. Proyección en 3D acople del lado caliente 66
Figura 45. Vista superior acople lado caliente en 3D 66
Figura 46. Densidad de las aleaciones metálicas 69
Figura 47. Valores de calor específico 70
Figura 48. Conductividad térmica 71
Figura 49. Distribución de temperatura en el acople del lado caliente 75
Figura 50. Disipador de calor por conducción forzada 76
Figura 51. Disipador de calor por agua 77
Figura 53. Disipador de calor procesador AMD 78
Figura 54. Elementos para armado del prototipo 79
Figura 55. Contacto entres superficies visto con microscopio 80
Figura 56. Superficies de acople placa termoeléctrica pulidas 81
Figura 57. Elementos del sistema termoeléctrico 81
Figura 58. Elementos del generador termoeléctrico 82
Figura 59. Forma de acople de la placa termoeléctrica 82
Figura 60. Prototipo termoeléctrico para el sistema de escape del
vehículo 83
Figura 61. Ruta de prueba número uno 84
Figura 62. Registro del voltaje con respecto al tiempo de la ruta de
prueba número uno 86
Figura 63. Ruta de pruebas número dos trayecto A 87
Figura 64. Ruta de pruebas número dos trayecto B 88
Figura 65. Resultados obtenidos en la ruta de prueba dos con el
prototipo preliminar 90
Figura 66. Esquema de asociación en serie 91
Figura 67. Esquema de asociación en paralelo 92
Figura 68. Esquema de asociación en circuito mixto 92
Figura 69. Acople del lado caliente y disipador de calor para el
prototipo final 94
Figura 70. Esquema del circuito base para el integrado TP4351B 95
Figura 71. Esquema del circuito realizado en el programa Proteus del
integrado TP4351B 96
Figura 72. Circuito real para el prototipo generador termoeléctrico final 97
Figura 73. Conexiones del circuito electrónico 97
Figura 74. Panel frontal de monitoreo del sistema termoeléctrico 98
Figura 75. Área de monitoreo carga de batería acumuladora del
sistema termoeléctrico 99
Figura 76. Área de control del sistema monitoreo 99
Figura 77. Voltímetro digital del sistema de monitoreo termoeléctrico 100
Figura 79. Resultados trayecto dos y tres prueba final 104
Figura 80. Recorrido de prueba con baja carga de tráfico 105
Figura 81. Resultado del recorrido con baja carga vehicular en el
tramo final 108
INDICE DE ANEXOS
PÁGINA Anexo 1. Especificaciones placas termoeléctricas 12706 125
Anexo 2. Instalacion de las placas termoelctricas 128
Anexo 3. Generador temoelctrico TEG 132
Anexo 4. Especificaciones técnicas del duraluminio 134
Anexo 5. Prototipo final luego del proceso de pruebas finales 135
Anexo 6. Factor de forma modelo preliminar 136
RESUMEN
El tema de investigación analizó uno de los principales problemas entorno al vehículo y en muchos ámbitos de las actividades cotidianas como es la perdida de energía en forma de calor, presente en muchos lugares, por ejemplo el calor radiante del sol acumulado en los tejados durante el día; el calor perdido en las estufas de cocina; la temperatura interna de la tierra, y finalmente las pérdidas de calor del cuerpo humano. Tomando en cuenta estos aspectos se presentó el proyecto de recuperar la energía calorífica existente en un vehículo, debido a que solo un 30% de la energía calorífica contenida en los combustibles se convierte en energía útil; esto debido a pérdidas por rozamiento, accionamiento de dispositivos auxiliares y demás, pero de entre todas ellas la investigación se centró en la perdida de calor por intermedio de los gases de escape, esto con base a los datos bibliográficos acerca de la alta temperatura presente en los mismos, la cual bordea los 600 y 700 grados centígrados en los lugares más cercanos al motor. Previo al diseño final del generador termoeléctrico se ensayó con prototipos para determinar características y el número de placas termoeléctricas necesarias para obtener un funcionamiento óptimo. La eficiencia máxima alcanzada fue en recorridos con características de carretera y vías perimetrales, comparando dicha eficiencia obtenida de 3.5% con la marca BMW que alcanzó un 5% de eficiencia, el trabajo fue significativo y relevante. Finalmente se implementó un sistema electrónico que permite recargar una batería de polímero de litio con la energía recuperada que alcanzó un voltaje máximo de 10V y un promedio de 342 miliamperios, dicha energía fué almacenada y posteriormente usada para cargar un celular con un voltaje de consumo de 5 voltios y 1amperio, esto gracias al sistema electrónico que regula y mantiene estable estos valores para suministrarlos mediante una conexión USB.
ABSTRACT
This research focused on the principal problems about the vehicle and lots of aspects from our daily activities such as loss of energy as heat, present in many places, for example the radiant heat from the sun accumulated in roof during the day, the heat lost in cooking stoves, the internal temperature of the earth, and finally the heat losses of the human body. Bear in mind these aspects was presented the idea of recovering heat energy in a vehicle, because only 30% portion of the heat energy contained in fuel is turned into useful energy; this due to frictional losses, powering auxiliary devices and others, but these research focused on the loss of heat through the exhaust, it based on bibliographic data about the high temperature presents in exhaust gases which borders 600 and 700 degrees Celsius nearest the engine places. Previous to the final design of the thermoelectric generator prototype was tested to determine characteristics and the number of thermoelectric plates necessary for optimum performance. The maximum efficiency was achieved in road tours with features and perimeter roads, comparing this efficiency gained 3.5% with the BMW brand achieved a 5% efficiency, the work was meaningful and relevant. Finally was implemented an electronic system that allows recharging a lithium polymer battery whit energy recover which get at 10 volts an 342 milliamps and then use it for appliances with consumption up to 5 volts and 1 ampere through a USB connection.
1. INTRODUCCIÓN
La termoelectricidad es considerada una rama de la termodinámica paralela a la electricidad donde se estudian fenómenos relacionados con el calor y la electricidad. Teniendo en cuenta el objetivo del presente trabajo, que fue aprovechar el calor del sistema de escape, para generar energía eléctrica se toma como base fundamental esta rama de la termodinámica ya que está alineada con el objetivo del trabajo. Uno de los efectos más afines a la transformación de calor en energía eléctrica es el efecto Seebeck, mediante este efecto se diseñó lo que hoy se conoce como termocupla o termopar eléctrico, el cual es utilizado ampliamente como por ejemplo en las sondas para medición de temperatura.
Como un punto a favor para el desarrollo del proyecto se toma en cuenta la evolución vertiginosa que se tiene en el área de la electrónica y específicamente en lo referente a la eficiencia de las termocuplas, ya que en sus inicios eran de gran tamaño y capaces de generar solo un rango mínimo de mili voltios. Hoy en día estos elementos se construyen de menor tamaño y se los agrupa para así mejorar su eficiencia, a esta agrupación de termocuplas se las denomina celda termoeléctrica.
En el caso del vehículo hay una gran cantidad de energía en forma de calor que se disipa al medio ambiente, principalmente por intermedio de los gases de escape, la energía que se recupera de los gases de escape actualmente se limita al uso de turbocompresores, y también se podría mencionar que el calor de los gases se emplea de alguna manera para calentar el catalizador, pero en general el calor en si no es utilizado y es más bien un tipo de desecho, producto de la combustión.
Teniendo en cuenta que en el sistema de escape es uno de los puntos que se mantiene caliente durante todo el tiempo de funcionamiento del motor, y que los valores de temperatura del sistema de escape oscilan entre los 100 grados centígrados hasta los 750 grados centígrados en los puntos más cercanos al motor, se considera que es el punto donde se debe trabajar para recuperar una parte de la energía calorífica. Actualmente la mayor parte de esta energía se está simplemente disipando al medio ambiente, es así que, todo porcentaje de esta energía que se pueda transformar en energía eléctrica, al punto de ser útil o aprovechable de alguna manera es ya una ganancia y una forma de reutilizar la energía calorífica producto de la combustión. Por dicha razón el objetivo principal fue diseñar e implementar termogeneradores eléctricos en el sistema de escape de un vehículo para recuperar y reutilizar esta energía térmica.
2. MARCO TEÓRICO
2.1. TERMOELECTRICIDAD
La termoelectricidad es considerada una rama o una subdivisión de la termodinámica, la cual es la encargada de estudiar los fenómenos relacionados directamente con dos tipos de energía como es la energía calorífica y la energía eléctrica, en otras palabras la termoelectricidad trata la trasformación de energía calorífica en energía eléctrica, mediante elementos termoeléctricos con la ayuda de elementos auxiliares como se lo puede ver en la figura 1 (Bollati, 2007).
Los efectos térmicos que relacionan estos dos tipos de energía son específicamente, el efecto Seebeck y el efecto Peltier, los mismos que se basan en una termocupla o termopar como el de la figura 2 (Rose, Shepard, & Wulff, 1985).
Figura 2. Termocupla o termo par eléctrico (Alem, 2004)
Figura 1. Termogeneradores eléctrico
2.1.1. HISTORIA
La termo electricidad fue observada inicialmente en el año 1821 por el científico alemán Thomas Seebeck, el cual realizó varias investigaciones para establecer la relación entre el calor y la energía eléctrica, así experimento con la unión de dos láminas de cobre y bismuto unidas por un extremo en el cual se aplicaba calor y así se generaba una corriente eléctrica en sus extremos separados, esto mientras se mantenga la diferencia de temperatura entre sus extremos denominados frío y caliente respectivamente. Actualmente este fundamento es ampliamente utilizado en medidores de temperatura y en muchos casos para la generación de energía eléctrica (Bollati, 2007).
Unos años más tarde en 1834, Jean Peltier descubrió el “efecto Peltier”. El describe el efecto del paso de la electricidad por conductores eléctricos de distintos materiales. Cabe destacar que Peltier se encontraba investigando las teorías de Joule, por lo cual paso por alto este efecto. Pero cuatro años más tarde se realizó un experimento en el que se hacía pasar corriente por la unión de zinc y antimonio, la unión estaba en contacto con una gota de agua al pasar la corriente en un sentido la gota de agua se congelaba y al cambiar de sentido el flujo de corriente la gota de agua se derrite, con esto se identificó el efecto Peltier (Rose, Shepard, & Wulff, 1985).
2.1.1.1. Primeros termogeneradores
El principal obstáculo a superar en los inicios de la generación termo eléctrica era la eficiencia ya que se podía decir que rondaba apenas el 1% de eficiencia según lo emitido por físicos de la época. Por lo cual los efectos termoeléctricos eran empleados simplemente par medición de temperaturas, y en casos muy aislados en los primeros generadores de corriente continua que pocos años después fueron sustituidos por otros generadores más eficientes (Bollati, 2007).
El primer gran paso en torno a la eficiencia de transformación de calor en energía eléctrica vendría con la incorporación de los semiconductores por parte del físico ruso Abram Fedorovich, el cual en sus investigaciones alcanzaba una eficiencia de entre un 2.5 al 4.0 %. Unos años más tarde en 1932 creó un grupo de investigación dedicado a buscar materiales semiconductores termoeléctricos en el instituto Físico Técnico de San Petersburgo.
Dentro del desarrollo de materiales semiconductores termoeléctricos entra en participación también Yuri Petrovich el cual fabricó un dispositivo termoeléctrico compuesto de alrededor de 74 termopares teniendo el plomo y el hierro como materiales tipo N y P respectivamente. Este dispositivo ya funcional fue utilizado a finales de la segunda guerra mundial para alimentar las baterías de la central de radio “Sever” que era usada como fuente de comunicaciones. Esta primera central termoeléctrica trabajaba en base al calor generado por una estufa de leña y era capaz de generar hasta 12watts. Así a finales de los años cuarenta se empezaron a construir ya de forma comercial termogeneradores eléctricos, los cuales habían llegado a tener una eficiencia del 5%, estos termogeneradores tenían como material tipo N el constantan y como material tipo P un material intermedio conocido como ZnSb, estos fueron utilizados para alimentar receptores de radio en zonas alejadas de URSS (Gonzalez, 2011).
acerca de termoelectricidad fue apenas desclasificado en los años cincuenta y presentado a la comunidad internacional con el título de “Semiconductor thermoelements and termoelectric Cooling” en el que describía la ecuación 1 que se utiliza hasta el día de hoy como índice de calidad termoeléctrico ZT de un material.
𝑍𝑇 =𝛼2𝑘.𝜕. 𝑇 [1] Dónde:
α: Coeficiente Seebeck (µV/k). ∂: Conductividad eléctrica (S·m−1) K: Conductividad térmica (W/k·m). T: Temperatura absoluta (k).
2.1.1.2. Semiconductores
Los semiconductores son materiales especiales que tienen propiedades intermedias entre conductores y aislantes, se lo puede encontrarlos de tipo metálicos, metaloides y no metales.
Los semiconductores permiten controlar el flujo de corriente dependiendo de ciertas condiciones, los semiconductores más utilizados en el campo de la termo electricidad son los denominados zinc antimoniuros, sobre los cuales se han realizados varios estudios (Rose, Shepard, & Wulff, 1985).
2.1.1.3. Zinc antimoniuro (ZnSb)
El zinc antimoniuro es un semiconductor de tipo intermetálico y en la actualidad tiene múltiples aplicaciones como detectores infrarrojos, y uno de sus principales usos es en generadores termoeléctricos.
Los materiales termoeléctricos han sido ampliamente estudiados especialmente durante los últimos años, uno de los estudios más recientes fue realizado el año 2004 en donde se analizó la estructura interna del zinc y cómo influye en la conductividad termoeléctrica para formular nuevas estructuras que incremente su eficiencia llegando a un máximo del 14% y teniendo como objetivo llegar a un 20 % en futuras investigaciones.
2.1.1.4. Termopar o termocupla
La termocupla o termopar es parte de los denominados transductores eléctricos, es decir transforman una magnitud física en una señal eléctrica que posteriormente es transformada en una medida de temperatura de alta precisión, notablemente mejor y de mayor rango que la de un termómetro convencional.
Está formada por dos alambres de metales diferentes unidos por un extremo, dicha unión es capaz de generar una diferencia de potencial en sus extremos libres de pendiendo de la temperatura de la unión y los extremos. Se los puede construir de metales puros o aleaciones que son los más comunes (Bollati, 2007).
2.1.2. BASES TEÓRICA QUE IMPERA EN LA TERMOELECTRICIDAD
Para el desarrollo práctico y explicativo de la generación de electricidad a partir de una fuente de calor se debe considerar las teorías plateadas con las cuales se inició la termoelectricidad.
2.1.2.1. Efecto Seebeck
El efecto Seebeck es la aparición de una diferencia de potencial cuando se unen dos cables de metales diferentes y se los expone a diferentes temperaturas, como en la figura 3, teniendo así un lado caliente y uno frío siendo este último el lado en el que se manifiesta la diferencia de potencial. El descubrimiento de este fenómeno se lo atribuye al médico e investigador físico alemán Thomas Seebeck en el año de 1820 que fue cuando realizó varios experimentos cabe destacar que Seebeck no publicó sus resultados como tal sino lo denomino como termomagnetismo, sin tomar en cuenta el efecto que se tenía haciendo referencia al calor en el flujo eléctrico.
Matemáticamente la relación entre el voltaje generado depende de los materiales y de la diferencia de temperatura existente en sus extremos frío y caliente y se expresa mediante la ecuación 2 (Rose, Shepard, & Wulff, 1985).
𝑣 = (αAB)(T2 − T1)
[2]
Dónde:
𝛼ab: coeficiente Seebeck (µV℃−1).
𝑣: Voltaje resultante ( 𝜇𝑉).
T2: temperatura lado caliente (℃ ). T1: temperatura lado frio (℃ ).
Mediante esta ecuación se relaciona de forma proporcional al voltaje generado con respecto a la variación de temperatura entre sus lados frío y caliente.
El coeficiente Seebeck varía dependiendo del tipo de materiales que se emplee en la construcción de las uniones o termopares, así se presenta la tabla 1 de constantes en cuanto a ciertos materiales ya probados y utilizados en la termoelectricidad, donde se tiene un rango de micro voltios por grado centígrado de incremento de temperatura cabe recalcar que esto se aplica a termopares empleados clásicamente para la medición de temperatura en este caso, sirve únicamente de apoyo para un inicio en el estudio de los módulos termoeléctricos (Almeria, 2015).
Tabla 1. Constantes coeficiente Seebeck
Termopar Unión Coeficiente de seebeck
α1(µV℃−𝟏 )
T Cu+ Constantan 40
E Ni(10%)-Cr + Constantatan 62
J Fe + Constantan 51
K Ni(10%)-Cr + Ni(5%) 40
R Pt(13%)-Ro + Pt 7
S Pt(10%)-Ro + Pt 7
(Almeria, 2015)
moverse más rápido y a chocar entre sí por lo cual se incrementa la presión en los gases (Rose, Shepard, & Wulff, 1985).
En el caso de la termoelectricidad y en concreto del efecto Seebeck el lado caliente tendrá mayor energía cinética que los portadores de energía en el lado frío, por lo cual se presenta un flujo de portadores positivos desde el lado caliente al lado frío, lo cual se puede ver en la figura 4.
En la mayoría de metales y semiconductores tipo n, el flujo de electrones provoca una acumulación de carga negativa y un flujo del mismo desde el lado caliente al frío. En el caso de materiales tipo p en semiconductores y en metales como el aluminio, se presenta un flujo de potencial positivo pero de igual forma del lado caliente al lado frio.
Figura 4. Aplicación efecto Seebeck material tipo N
(Bollati, 2007)
2.1.2.3. Efecto Peltier
El efecto Peltier se manifiesta, al hacer pasar una corriente eléctrica por la unión de dos materiales diferentes lo cual genera una diferencia de temperatura.
enfriará o se calentara dependiendo del sentido de circulación de la corriente eléctrica (Rose, Shepard, & Wulff, 1985).
En la figura 5 se puede observar dos terminales A y B en los cuales se aplica una corriente eléctrica positiva y negativa respectivamente, en este caso el flujo de corriente eléctrica provoca que la unión A disipe calor es decir se enfríe , y en el caso de la unión B, esta generara calor por consiguiente esta unión se calienta.
En el caso de que se cambie el sentido de circulación de la corriente eléctrica la unión B se enfriara y la unión A se calentará (Almeria, 2015).
Figura 5. Termopar en efecto Peltier (Angelica Zurita, 2005)
Este efecto se lo puede representar de forma matemática en la ecuación 3 (Rose, Shepard, & Wulff, 1985).
𝑄𝑃 = 𝜋𝑋𝑌. 𝐼
[3] Dónde:
Q p: potencia generada o absorbida (W).
𝜋𝑋𝑌: Coeficiente Peltier (adimensional).
2.1.2.4. Efecto Joule
El efecto Joule es un parámetro muy importante entorno a la termoelectricidad fue descubierto por James Prescott Joule, quien realizó varios experimentos en cuanto a la equivalencia de la energía mecánica y el calor y en el año de 1841 dio a conocer la hoy conocida como efecto Joule. El efecto Joule consiste en el estudio de la generación de temperatura a lo largo de un conductor por el cual circula corriente eléctrica. En su estudio Joule descubrió que se genera calor debido al choque que se produce entre los átomos del conductor y los electrones que circulan dentro de él (Angelica Zurita, 2005).
Joule determino que el calor que se genera es proporcional a la oposición que el material ofrece al paso de la corriente a la resistencia de cada tipo de material y a la intensidad de corriente que fluye en el conductor, como se puede observar en la ecuación 4 (Rose, Shepard, & Wulff, 1985).
𝑄𝐽 = 𝑝. 𝐼2 [4]
Dónde:
𝑄𝐽: Potencia calorífica en función de unidad de volumen. p: Resistencia del material.
I: Intensidad de corriente.
El efecto Joule actúa en contra del efecto Peltier ya que hoy en día este último es empleado en la refrigeración reduciendo así el total de enfriamiento disponible en el sistema.
Cabe destacar que tanto el efecto Seebeck como el efecto Peltier son reversibles a diferencia del efecto de Joule (Bollati, 2007).
2.2. GENERADORES TERMOELÉCTRICOS
continua de baja potencia sin el uso de partes móviles, como el de la figura 6 que era uno de los más comunes.
Estos generadores trabajan con el principio del efecto Seebeck y son utilizados en lugares remotos donde no se tiene acceso al servicio básico de electricidad, se lo usa ampliamente en el campo petrolero donde se tiene como fuente de alimentación la quema del gas de boca de pozo .También se los construye de tipo portátil para la generación de energía para campistas en los cuales se puede generar energía eléctrica a partir de la quema de leños o fogatas como fuente de calor (Bollati, 2007).
Figura 6. Generador termoeléctrico a queroseno (Gonzalez, 2011)
2.2.1. ELEMENTOS DE LOS TERMOGENERADORES ELÉCTRICO
Los generadores termoeléctricos son de construcción sencilla y presenta en esencia tres elementos principales (WordPress.org, 2014).
1) Fuente de calor : Quemador por lo general a gas o combustibles. 2) Dispositivo termoeléctrico :Placas Peltier o Seebeck .
La eficiencia alcanzada por un determinado tipo de generador termoeléctrico, se la puede calcular relacionando la energía eléctrica producida con la cantidad de calor suministrada al lado caliente del sistema termoeléctrico como se muestra en la ecuación 5 teniendo un resultado en porcentaje.
η = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 ∗ 100 [5]
2.2.2. MÓDULOS O PLACAS TERMOELÉCTRICAS
Un módulo o placa termoeléctrica consiste en varios termopares, muchas veces cientos de ellos conectados en serie eléctricamente y térmicamente en paralelo, para así alcanzar mayor tensión.
El termopar está compuesto por materiales semiconductores tipo p con huecos libre, y tipo n, como en la figura 7 con cargas libres. La cantidad de voltaje depende del tipo de materiales utilizados por lo cual se han probado entre otras las siguientes combinaciones de acuerdo al uso que se requiera (Bollati, 2007).
Antimonio – zinc
Silicio – germanio
Bismuto – telurio
Los módulos termoeléctricos son ampliamente utilizados en la generación de energía teniendo por lo general la configuración de la figura 8.
Figura 8. Módulo Termoeléctrico
(Gonzalez, 2011)
2.2.2.1. Placas termoeléctricas tipo Seebeck
En cuanto a la generación termoeléctrica las placas tipo seebeck son las más utilizadas hoy en día, la gran mayoría se encuentran fabricadas en bismuto y teluro de distintas proporciones ya que esta combinación es la más eficiente para el trabajo de transformar la energía calorífica en energía eléctrica llegando a tener alto grado de eficiencia.
Este tipo de placas termoeléctricas son similares a la figura 9, estas pueden trabajar a altas temperaturas sin degradarse teniendo en cuenta así una placa Seebeck sería capaz de soportar temperaturas desde los 330 grados centígrados a temperatura constante, y hasta 400 grados centígrados de forma intermitente (WordPress.org, 2014).
grafito que ayuda a la conductividad térmica tanto interna como externa (WordPress.org, 2014).
En la presente investigación se encontró dos grandes fabricantes de módulos Seebeck como es Termonamic empresa china y TEC S.A empresa norte americana ambas prestigiosas y de gran recorrido en el campo de la termoelectricidad cada empresa define mediante siglas y números un determinado modelo como por ejemplo:
TEP (Termo Electric Power) Termonmic.
TEG (Termo Electric Generator) TEC S.A.
Ambas empresas construyen varios tipos de placas Seebeck siendo la principal diferencia entre si la capacidad para resistir a las altas temperaturas, voltaje, amperaje y potencia generada por cada uno de ellos. Cabe destacar que mientras más eficiente es el módulo se realizan combinaciones de semiconductores más complejas entre las que se encuentran las siguientes (Termonamic, 2015).
Básica 360 ° C compuesto Pb Te (Teluro de Plomo).
Media 600 °C compuesto (PbSn)Te(Teluro y aleación de plomo estaño)
Alta 800 ° C compuesto OCM (Magnesio, Calcio).
A continuación se cita un ejemplo por empresa en cuanto a los módulos disponibles.
En la figura 10 se observa la Placa termoeléctrica modelo TEP1-1263-3.4 empresa china “Termonamic” dimensiones 30mm x 30mm cables de salida positivo (rojo) y negativo (negro) con recubrimiento de teflón AF250.
Figura 10. Módulo TEP1-1263-3.4Gráfica real (Termonamic, 2015)
La placa termoeléctrica de la figura 11 corresponde al modelo TEG1-1263-4.3 empresa Norte Americana “TEC” 30mm x 30mm cables de salida positivo (rojo) y negativo (negro) con recubrimiento de teflón AF250 (WordPress.org, 2014).
2.2.2.3. Placas termoeléctricas tipo Peltier
Las placas Peltier son utilizadas ampliamente en el campo de la refrigeración mediante la aplicación de una corriente eléctrica se genera frío en una de sus caras, este tipo de celdas son mucho más comerciales y económicas ya que para su uso y construcción no se hace necesario grandes requerimientos en cuanto a tecnología y requerimientos específicos de tamaño y resistencia a condiciones adversa (Bollati, 2007).
Por dichas razones cabe destacar que muchos de los experimentos y proyectos realizados en España, México, y otros países acerca de la implementación, para generar electricidad a partir del calor residual se han realizado con este tipo de placas.
En este caso hay varias empresas dedicadas a la construcción de estos implementos a las cuales se los conoce con las siglas “TEC” provenientes de Termoelectric Coolíng (Termonamic, 2015).
Como referencia se citara un ejemplo en cuanto a placas Peltier como en la figura 12, utilizadas en experimentos anteriores y poder verificar las especificaciones que incorpora dichas placas para así realizar un análisis global de las posibles alternativas y resultados que podrían ser alcanzados en el diseño e implementación del sistema de termogeneradores eléctricos en el auto.
2.3. GENERADOR TERMOELÉCTRICO DE BMW
BMW EFICIENTDYNAMICS es un grupo de investigación y tecnología de dicha marca, la cual se encuentra en proceso de estudio en cuanto a generadores termoeléctricos que aprovechan el calor residual de los gases de escape. Es así que desde el año 2005 se han realizado estudios termoeléctricos hasta llegar a prototipos con un peso de 10 kg y hasta un 5% de eficiencia, a partir de esto el reto inicial es llegar a un 15%. Si bien no se tiene datos específicos y oficiales del generador termoeléctrico de BMW en la figura 13 se puede ver un modelo tomado que hace referencia al generador termoeléctrico de la marca alemana.
Figura 13. Generador termoeléctrico de BMW (Whicho, 2009)
En cuanto a datos específicos de potencia eléctrica alcanzada mediante la
implementación de generadores termoeléctricos en el sistema de escape se
tiene que inicialmente se alcanzó una producción máxima de 200 vatios en
el año 2008, sin embargo con la incorporación de nuevos materiales se llegó
a obtener hasta 600 vatios de energía eléctrica, y proyectando una meta de
1000 vatios a medida que la investigación avance.
Se puede decir que el generador termoeléctrico es un complemento perfecto
para el sistema de frenos regenerativo, ya que este sistema trabaja durante
la desaceleración y frenado el vehículo y en contraste el sistema
termoeléctrico trabaja durante el proceso de aceleración.
Se estipula que en cuanto a consumo de combustible el uso del sistema
termoeléctrico proporcionara hasta un 5% de ahorro en condiciones de
2.4. EL CALOR COMO ENERGÍA
El calor se puede considerar como la cantidad de energía que un cuerpo es capaz de transferir a otro producto de una diferencia de temperatura entre ambos a lo que se le denomina energía térmica.
Muchos prestigiosos físicos como Joule y Mayer consideraban al calor como un tipo más de energía, esto se puede explicar claramente ya que las moléculas o átomos de un cuerpo al cual es sometido al calor empiezan a moverse de forma más rápida (Bueche & Eugene, 2007).
2.4.1. TRANSFERENCIA DE CALOR
Una vez revisado y analizado los principios en los cuales se basa el desarrollo del presente proyecto, se estudia también la transferencia de calor ya que es un punto medular que influirá en la eficiencia que se pueda alcanzar (Romanelli & Fendrik, 2001).
La transferencia de calor se puede presentar entre dos cuerpos sin importar sus estados ya sea líquido solido o gaseoso, cabe destacar que la transferencia de calor se puede dar también entre distintas partes de un mismo cuerpo que se encuentren a distinta temperatura.
Una vez los dos cuerpos a distinta temperatura se han puesto en contacto buscaran el equilibrio térmico de esta manera el calor fluirá del lado de mayor temperatura al lado de menor temperatura, la rapidez con la que el calor fluye por el cuerpo dependerá directamente de la conductividad térmica ya que variara dependiendo del material (Cengel & J, 2011).
Principalmente esta transferencia de calor se puede realizar básicamente de tres formas por convección, por conducción y por radiación.
2.4.1.1. Transferencia de calor por convección
lo ejemplificado en la figura 14, al poner al fuego una olla con agua, en el cual la olla se calienta y el calor se trasmite al agua , en este ejemplo el agua que se encuentra en la parte inferior del recipiente se calentara más rápido misma que disminuirá su densidad y subirá hacia la parte superior de recipiente y el agua que se encuentre fría bajara hasta calentarse y realizar nuevamente el mismo proceso como se observar en la siguiente gráfica (Sarway, 2013).
Figura 14. Transferencia de calor mediante convección (Muñoz, 2013)
Esta relación de transferencia de calor haciendo referencia al tiempo la puede expresar mediante la ecuación 6.
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣= ℎ𝐴𝑠(𝑇𝑆− 𝑇∞) [6]
Dónde:
ℎ: Coeficiente de convección (W/𝑚2 ·k).
𝐴𝑠: Área en contacto con el fluido (𝑚2).
𝑇𝑆 : Temperatura en la superficie del cuerpo (k).
𝑇∞ : Temperatura del fluido lejos del cuerpo (k).
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣 : Calor transferido respecto al tiempo (W).
2.4.1.2. Transferencia de calor por conducción
dispersas como en los líquidos y gases. De esta manera el calor se trasmite directamente de una partícula a otra sin que estas tengan movimiento.
Un ejemplo de este tipo de transferencia se observa en la figura 15 donde una persona toma una cuchara y la pone al fuego uno de sus extremos, al pasar de unos minutos el calor se transferirá entre los átomos hasta llegar al lado opuesto o más frio (Zebrowski, 1984).
Figura 15. Transferencia de calor mediante conducción (Tebar, 2015)
La ecuación matemática 7 permite encontrar la transferencia de calor por conducción en distintos elementos es la que se muestra a continuación.
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑘𝐴∆𝑇𝐿 [7] Dónde:
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑: Cantidad de calor transferida en función del tiempo (W).
𝐴 : Área (𝑚2).
𝑘 : Conductividad térmica ( 𝑊𝑚. 𝑘 ).
∆𝑇 : Incremento de temperatura. L: Espesor del material (m).
En la tabla 2 se muestra los valores ya específicos de conductividad térmica de distintos materiales a una temperatura de 300 grados kelvin ya que dependiendo de las temperaturas la conductividad variara.
Tabla 2. Conductividad térmica de los materiales
Material 𝒌[ 𝑾
𝒎 𝒌]
Plata 420
Cobre 400
Aluminio 240
Acero 79
Hielo 1.7
Vidrio, Hormigón 0.8
Agua 0.59
Musculo animal, Grasa 0.2
Madera, Asbesto 0.08
Fieltro, Lana mineral 0.04
Aire 0.024
Vello 0.019
(Tebar, 2015)
En el caso del proyecto desarrollado se debería emplear materiales con un coeficiente de conductividad térmico alto para aprovechar al máximo los cambios de temperatura que se presenten el sistema de escape del vehículo.
2.4.1.3. Transferencia de calor por radiación
La trasferencia de calor por radiación se presenta en distintos cuerpos solidos o líquidos en la cual el calor se trasmite por medio de ondas electromagnéticas cualquiera que sea el cuerpo emitirá mayor o menor radiación al medio ambiente hasta nivelarse y llegar a una temperatura de equilibrio (Tippens, Fisica:Conceptos y Aplicaciones, 2007).
Figura 16. Transferencia por radiación (Rivera, 2014)
2.4.1.4. Energía interna de los cuerpos
Finalmente se analiza la transferencia de calor con respecto a la masa específica de un determinado material en el que se produce un proceso de transferencia de energía calorífica desde una fuente de calor que eleva la temperatura inicial hasta un temperatura final requerida, esto se lo puede calcular mediante la ecuación 8 de variación de energía interna de un materia la que tenemos a continuación.
𝑄 = 𝑚. 𝑐. (𝑇2 − 𝑇1) [8]
Dónde:
𝑄 : Cantidad de calor trasmitida (𝑘𝑗).
𝑚 : Masa (𝑘𝑔).
𝑐 : Calor especifico ( 𝑘𝑔𝑘𝐽. ℃ ).
𝑇1 : Temperatura inicial (℃).
Una formula complementaria es la razón de transferencia de calor en la que se determina la cantidad de calor en función del tiempo, cabe recalcar que la razón de transferencia de calor puede variar con el tiempo pero se puede obtener una razón promedio sin sacrificar en sobre manera la precisión del cálculo, la razón de transferencia de calor se representa mediante Q punto y se la obtiene mediante la ecuación 9 como se puede ver a continuación.
𝑄̇ =∆𝑡𝑄 [9] Dónde:
𝑄̇ : Razón de transferencia de calor (J/s).
𝑄 : Calor transferido (J).
∆𝑡 : Variación de tiempo (s).
2.4.2. DILATACIÓN DE TÉRMICA
Es un proceso por el cual un cuerpo incrementa o disminuye su volumen como consecuencia de aumento disminución de temperatura, esto se debe a que con el aumento de temperatura se incrementa el movimiento interno de las partículas se incrementa por lo cual necesita de más espacio para moverse, se debe recordar los estados de la materia que son sólido, líquido y gaseoso en este caso se estudiara la dilatación volumétrica por las características del proyecto.
La dilatación volumétrica se da en especial cuando las tres dimensiones del cuerpo se incrementan, dicho incremento se lo puede encontrar mediante la ecuación 10.
𝑉𝑓 = 𝑉𝑜(1 + 𝛾. ∆𝑇) [10] Dónde:
𝑉𝑓: Volumen final (𝑚3).
𝑉𝑂: Volumen inicial (𝑚3).
𝛾: Coeficiente de dilatación volumétrica (℃−1).
2.5. CIRCUITOS EN SERIE PARALELO Y MIXTO
Dentro de la rama eléctrica se presentan muchas veces la necesidad de realizar la conexión de varios consumidores o suministradores de corriente y voltaje lo que lleva a asociarlos de distintas maneras.
2.5.1. CIRCUITO EN SERIE
Son aquellos en los que se dispone de dos o más consumidores conectados uno a continuación de otro por medio de un mismo conductor o cable, en este caso la cantidad de voltaje es igual a la suma de las diferentes tenciones en serie como lo menciona la segunda ley de Kirchhoff lo que se representa en la ecuación 11 haciendo referencia a la resistencia y al voltaje de igual forma se tiene las ecuaciones 12 y 13.
𝑉𝑇 = 𝑉1+ 𝑉2+ 𝑉3 [11]
𝐼𝑇 = 𝐼1 = 𝐼2 = 𝐼3 [12] 𝑅𝑇 = 𝑅1+ 𝑅2+ 𝑅3 [13] Dónde:
𝑉𝑇: Voltaje total (𝑣). IT: Intensidad total (𝐴).
𝑅𝑇: Resistencia total (𝛺).
2.5.2. CIRCUITO EN PARALELO
En un circuito en paralelo se conecta dos o más consumidores en los que cada uno de ellos dispone de una conexión directa con la fuente por lo que la corriente tiene varios caminos para que fluya la corriente, los valores de resistencia, voltaje y amperaje de un circuito en paralelo se lo realiza mediante las ecuaciones 14, 15 y 16.
𝑉𝑇 = 𝑉1 = 𝑉2 = 𝑉3 [14]
𝐼𝑇 = 𝐼1+ 𝐼2+ 𝐼4 [15]
Dónde:
𝑉𝑇: Voltaje total (𝑣). IT: Intensidad total (𝐴).
𝑅𝑒: Resistencia equivalente (𝛺).
2.5.3. POTENCIA ELÉCTRICA
Otro punto importante entorno a la energía eléctrica es la potencia, en el caso de la corriente continua la potencia se la puede obtener multiplicando el voltaje por la intensidad esto lo muestra la ecuación 17.
𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼 [17]
Dónde:
𝑉: Voltaje (𝑣). I: Intensidad (𝐴).
𝑃: Potencia (𝑊).
2.5.4. BATERÍAS
Se considera un dispositivo electroquímico capaz de almacenar energía en forma química y posteriormente entregarla en forma de energía eléctrica, en cuanto a baterías se tiene dos tipos las primarias y secundarias en el caso de las baterías primarias se las llama también irreversibles ya que no se las puede cargar y lógicamente las secundarias son las baterías que son capaces de acumular energía en forma química y entregar energía eléctrica y si se le suministra energía la convierte en energía química, en otras palabras se las puede recargar.
Las baterías secundarias se las recarga al suministrarles un determinado voltaje y amperaje el tiempo de carga dependerá directamente del amperaje que se le suministre y de la capacidad de la batería esto se lo puede calcular mediante la ecuación 18.
2.6. SISTEMA DE ESCAPE DEL AUTOMÓVIL
El sistema de escape del automóvil es el encargado de conducir los gases producto de la combustión desde el motor hacia el medio ambiente, cumpliendo en la medida de lo posible dos condiciones reducción de niveles sonoros y contaminación (Agueda , 2002).
Este sistema lo indica la figura 17, el cual es uno de los más importantes en cuanto al funcionamiento integral del motor de combustión interna y uno de los cuales se encuentra expuesto a condiciones extremas de funcionamiento como son las altas temperaturas y las inclemencias ambientales (Ceac, 2006).
El sistema de escape de un vehículo esta compuestos principalmente por dos grupos de elementos que se los detalla a continuación.
Elementos internos (dentro del motor).
Elementos externos (fuera del motor).
2.6.1. ELEMENTOS INTERNOS
Son todos los elementos que se encuentran internamente en el motor, y son los primeros en entrar en contacto con los gases de escape e incluso están expuestos a la misma combustión.
2.6.1.1. Válvulas de escape
Las válvulas de escape cumplen principalmente dos funciones, realizar un sello hermético de la cámara de combustión, y permitir la salida de los gases de escape (RUEDA SANTANDER, 2010).
Hoy en día se las construye de aceros especiales y en muchos casos sodio, como en la figura 18, mismo que al subir la temperatura cambia de estado sólido a líquido para ayudar a su refrigeración (Martinez, 2000).
Figura 18. Válvulas de escape del motor (Guargiamotores, 2015)
2.6.1.2. Conductos internos del motor
encargan de extraer los gases de escape desde cada uno de los cilindros de forma individual (Martinez, 2000).
2.6.2. ELEMENTOS EXTERNOS
Se considera como elementos externos a todos aquellos que se encuentran fuera del motor y están expuestos a la intemperie de forma directa, los cuales se presenta a continuación de forma más detallada.
2.6.2.1. Múltiple de escape
El múltiple de escape es el encargado de recolectar los gases producto de la combustión de cada uno de los cilindros y guiarlos hacia la toma principal de salida.
El múltiple de escape debe poseer características que le permitan resistir altas temperaturas, a la corrosión y propiedades térmicas específicas y geometría adecuada para un óptimo funcionamiento (Ceac, 2006).
2.6.2.2. Sensor de oxígeno
Cabe destacar que este tipo de sensores solo lo incorporan vehículos a inyección de reciente fabricación, estos son sensores de tipo químico los cuales se encargan de medir la cantidad de oxigeno presente en los gases de escape del motor.
Si el sensor detecta alto contenido de oxigeno envía una señal a la ECU la cual procesa esta señal y realiza correcciones en la mezcla y modifica la cantidad de combustible para evitar el alto contenido de oxígeno de igual forma lo realizará si se detecta un bajo contenido de combustible se enviara una señal y para proceder con la corrección dependiendo de la cantidad de oxígeno (Martinez, 2000).
señal la ECU para mantener un funcionamiento continuo del motor empezara a trabajar con mezcla rica, lo que conlleva alto consumo y daños específicos especialmente en el catalizador.
2.6.2.3. Convertidor catalítico
El catalizador es el encargado de reducir la cantidad de gases tóxicos de los gases del motor, este es uno de los elementos más costosos del sistema ya que para realizar el proceso químico denominado catálisis incorpora metales preciosos como plata, rodio (Rivera, 2014).
El convertidor es capaz de reducir los gases tóxicos como los hidrocarburos, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno que son los principales contaminantes del medio ambiente y altamente tóxicos para el ser humano.
2.6.2.4. El silenciador
Para cumplir uno de los objetivos de sistema de escape se incorpora el silenciador el mismo que reduce la velocidad con la que los gases de escape salen hacia el medio ambiente.
La contaminación auditiva que produciría un vehículo sin el uso del silenciador sería altamente nocivo por lo cual en la gran mayoría de países es un dispositivo obligatorio.
Cabe destacar que este dispositivo posee internamente pasajes en los cuales las ondas de choque se reflejan reduciendo así su efecto sonoro, otra de las formas en las que se puede realizar esto es llenar el espacio interior con material fibroso que absorbe y atenúa las ondas sonoras.
2.6.2.5. Tramos del tubo
otra de las cualidades de los tramos del sistema de escape es su bajo peso ya que son tubos relativamente delgados.
Al igual que el silenciador y la gran mayoría de los elementos del sistema este se encuentra expuesto por su parte interior a los gases a alta temperatura y por su parte exterior a los efectos del medioambiente y al estar bajo el vehículo a posibles golpes y abolladuras.
2.6.3. TEMPERATURAS DEL SISTEMA DE ESCAPE
Adicionalmente otro de los puntos medulares de la presente investigación es identificar tanto las características constructivas del sistema como las temperaturas a las cuales trabajan cada uno de ellos, dichas temperaturas se observan en la figura 19 donde se muestra esquemáticamente el sistema de escape de un vehículo y las distintas temperaturas existentes en cada uno de sus elementos desde el inicio del recorrido de los gases de escape en las válvulas hasta llegar a su salida en el tubo de cola, esto lo muestra la figura con distintos colores dependiendo de la temperatura en color rojo la temperatura más alta y un color rosado indica la menor temperatura, esto servirá únicamente como una guía ya que las temperaturas del sistema de escape varían dependiendo del vehículo .
2.7. EQUIPO DE MEDICIÓN
Se parte de la premisa que medir es comparar una cantidad desconocida con una unidad de medida conocida de la misma magnitud, esta comparación se la realiza en base patrones preestablecidos a los que se les llama unidades de medida. Mediante un instrumento de medición se puede realizar esta comparación
Así las principales magnitudes del sistema internacional son longitud, tiempo, masa, intensidad de corriente, temperatura, cantidad de sustancia e intensidad luminosa teniendo cada uno sus respectivas unidades. En el caso puntual para el desarrollo adecuado del presente trabajo se citan dos instrumentos de medida empleados en el área automotriz como son el pirómetro y el multímetro.
2.7.1. PIRÓMETRO
Un pirómetro permite medir la temperatura de un cuerpo o substancia sin necesidad de que este se encuentre en contacto directo con él. Para esto se emplea una mira laser circular compuesta por varios puntos que forman un circulo que ayudan a fijar el área de medición.
2.7.2 MULTÍMETRO
Por todos los aspectos que intervienen en la investigación se utilizó varios métodos de investigación como es el método inductivo y de campo ya que se analizó un conocimiento general y se lo aplico específicamente al área automotriz adicionalmente, se recopiló y analizó la información ya existente acerca proyectos afines y fundamentos físicos referentes al tema en fuentes bibliográficas, lo que le dio a la investigación un carácter de bibliográfico documentado. Con estos datos y su posterior aplicación en el desarrollo del prototipo generador termoeléctrico final, se llegó a la parte experimental del proyecto, en el que se recabo datos entorno al funcionamiento del sistema y finalmente se documentó y analizó los resultados alcanzado en el proceso de pruebas.
En base a la poca información se inició completamente desde la teoría en cuanto a efectos Seebeck y Peltier hasta llegar a la experimentación en el vehículo. Donde se realizó un prototipo de pruebas externo para las placas termoeléctricas TEC-102706, y se verificó las prestaciones de las celdas termoeléctricas, posteriormente se construyó un modelo de pruebas preliminar con un enfoque directo en el vehículo y finalmente se llegó a un prototipo final en el que se reflejaron todos los resultados positivos de los prototipos previos. Los principales elementos empleados en el desarrollo de este prototipo final se los cita a continuación:
Placas termoeléctricas TEC-12706: Se las utilizó para transformar la energía calorífica en eléctrica debido a sus cualidades de funcionamiento.
Disipador de calor: Se lo empleo como elemento de tipo adjunto, para permitir la extracción de calor del lado frio de la placa termoeléctrica