Implementaci�n de un Sistema de Generaci�n El�ctrica mediante la aplicaci�n del Efecto Seebeck con Celdas Peltier para aprovechar el Calor Residual de Gases de Procesos Industriales

Implementation of an Electricity Generation System through the application of the Seebeck Effect with Peltier Cells to take advantage of the Residual Heat of Gases from Industrial Processes

Implementa��o de um Sistema de Gera��o de Energia El�trica atrav�s da aplica��o do Efeito Seebeck com C�lulas Peltier para aproveitamento do Calor Residual de Gases de Processos Industriais

Ciencias T�cnicas y Aplicadas Art�culo de Investigaci�n

* Recibido: 25 de abril de 2022 *Aceptado: 20 de mayo de 2022 * Publicado: 20 de Junio de 2022

I.          Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, ESPOCH. Riobamba, Ecuador

II.           Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, ESPOCH. Riobamba, Ecuador.

III.           Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, ESPOCH. Riobamba, Ecuador.

IV.           Investigador Independiente, Ecuador.

V.           Investigador Independiente, Ecuador.

VI.           Investigador Independiente, Ecuador.

VII.           Investigador Independiente, Ecuador.

http://polodelconocimiento.com/ojs/index.php/es

Resumen

En este art�culo cient�fico se presenta el desarrollo de un prototipo de un sistema de aprovechamiento energ�tico, partiendo de una investigaci�n detallada que tiene por objetivo el desarrollo del efecto Seebeck y como producir electricidad a partir de calor residual producido por la industria. El prototipo desarrollado demostr� como cuatro celdas Peltier pueden producir alrededor de seis voltios a partir de la diferencia de temperatura de las celdas Peltier. Los datos obtenidos experimentalmente al hacer fluir por nuestro prototipo el calor residual emitido por una chimenea de la industria que usamos como referencia. Dentro de la investigaci�n se observa como la contaminaci�n emitida por la industria contamina el aire y es solo regulada por �l estado con leyes, el prototipo no reduce directamente el grado de contaminaci�n, pero aprovecha el calor emitido por estos gases para generar electricidad reduciendo el consumo energ�tico y as� reducir la huella de carbono dejada por la industria.

Palabras Claves: Calor Residual; Aprovechamiento Energ�tico; Prototipo; Celda Peltier; Efecto Seebeck.

Abstract

This scientific article presents the development of a prototype of an energy harvesting system, based on a detailed investigation that aims to develop the Seebeck effect and how to produce electricity from waste heat in industry. The developed prototype demonstrated how four Peltier cells can produce around six volts from the difference in temperature of the Peltier cells. The data obtained experimentally by making the residual heat emitted by an industrial chimney that we use as a reference flow through our prototype. Within the investigation, it is observed how the pollution emitted by the industry pollutes the air and is only regulated by the state with laws, the prototype does not directly reduce the degree of pollution, but takes advantage of the heat emitted by these gases to generate electricity, reducing consumption. and thus reduce the carbon footprint left by the industry.

Keywords: Waste Heat; Energy Use; Prototype; Peltier Cell; Seebeck Effect.

Resumo

Este artigo cient�fico apresenta o desenvolvimento de um prot�tipo de um sistema de aproveitamento de energia, baseado em uma investiga��o detalhada que visa desenvolver o efeito Seebeck e como produzir eletricidade a partir do calor residual produzido pela ind�stria. O prot�tipo desenvolvido demonstrou como quatro c�lulas Peltier podem produzir cerca de seis volts

a partir da diferen�a de temperatura das c�lulas Peltier. Os dados obtidos experimentalmente fazendo o calor residual emitido por uma chamin� industrial que usamos como refer�ncia fluem atrav�s do nosso prot�tipo. Dentro da investiga��o, observa-se como a polui��o emitida pela ind�stria polui o ar e s� � regulamentada pelo estado com leis, o prot�tipo n�o reduz diretamente o grau de polui��o, mas aproveita o calor emitido por esses gases para gerar eletricidade, reduzindo o consumo e, assim, reduzindo a pegada de carbono deixada pela ind�stria.

Palavras-chave: Calor Residual; Uso de energia; Prot�tipo; C�lula de Peltier; Efeito Seebeck.

Introducci�n

La termoelectricidad se considera como la rama de la termodin�mica paralela a la electricidad donde se estudian fen�menos en los que intervienen el calor y la electricidad.

El fen�meno m�s conocido es el de la generaci�n de electricidad mediante la aplicaci�n de calor en la uni�n de dos materiales diferentes. Este fen�meno fue observado por primera vez en 1821 por el f�sico alem�n Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Seebeck.

Ante el evidente problema que nuestro planeta enfrenta a consecuencia del cambio clim�tico, nuestra obligaci�n es desarrollar y aplicar nuevas tecnolog�as para aprovechar los recursos del planeta, como es el caso de la implementaci�n de un prototipo generador de energ�a el�ctrica utilizando Celdas Peltier, basadas en el principio termoel�ctrico Peltier para el aprovechamiento del calor residual de las industrias.

Las grandes industrias han centrado su inter�s en el aprovechamiento de esta energ�a como es el caso de Sika S. A. Ecuador, la cual utiliza el calor residual del compresor de aire y lo utiliza para ahorrar energ�a de calefacci�n en la planta.

La reducci�n del consumo de gas natural para calentar la planta se reduce en 390'000 kWh / a�o (5% del consumo total de la f�brica). Las emisiones de CO2 se reducen en 79 toneladas / a�o.

En lo que concierne al presente proyecto, se iniciar� con el an�lisis te�rico que permitir� la investigaci�n gradual sobre la fuente de energ�a t�rmica a usar y el proceso que se requerir� para su transformaci�n a electricidad, para ello usaremos la metodolog�a experimental, para plantear nuevos m�todos o estrategias para la generaci�n de conocimiento.

Marco Te�rico

Procesos en una cer�mica

Un proceso industrial es un conjunto de actividades que se realizan para convertir la materia prima en un producto final.

El proceso cer�mico consta de cinco etapas fig. 1: la selecci�n y preparaci�n de las materias primas, la preparaci�n del cuerpo cer�mico, que consiste en la preparaci�n de la mezcla, homogenizaci�n y amasado, el moldeado, que puede hacerse por varios procedimientos, el secado, y a cocci�n. [1]

Un proceso industrial debe reunir las siguientes caracter�sticas:

�        Se tiene que dar una manipulaci�n de las materias primas.

�        Aplica operaciones, actividades y m�todos para alterar las materias primas.

�        El moldeado, que puede hacerse por varios procedimientos.

�        El secado.

�        La cocci�n.

Fig 1: Fases del proceso cer�mico. (Adams, 1961). [Gr�fico]. Adams P.J. (1961). Geology and Ceramics. The Geological Museum. London, 28pp.

Calor residual

El calor residual es el calor contenido en los productos y subproductos de un proceso, que eleva su temperatura a niveles mayores de los adecuados para su emisi�n o almacenaje. Este calor puede ser aprovechado de modo que se cumplan dos objetivos simult�neamente [2]:

�    Recoger y distribuir el calor para reutilizarlo en el mismo equipo o en otros.

�    Disminuir la temperatura de emisi�n de fluidos de manera que se reduzca la contaminaci�n t�rmica.

El calor residual en los efluentes de los procesos industriales supone una importante p�rdida de energ�a t�rmica en la industria. El aprovechamiento de este calor aumenta significativamente la eficiencia energ�tica de los equipos y la eficiencia global de la planta [2].

Termoelectricidad

La termoelectricidad es la generaci�n de corriente el�ctrica, por efecto de aplicaci�n de calor en uno (o varios) materiales relacionados entre s�, los m�dulos termoel�ctricos se encuentran regidos por tres principales efectos [3]:

Efecto Seebeck, Efecto Peltier, Efecto Thomson.

El generador termoel�ctrico

Fig 2. Representaci�n esquem�tica (a) de la conformaci�n de un m�dulo termoel�ctrico y (b) de un generador termoel�ctrico fundamental. [Ilustraci�n] (Z. Dughaish, Physica, (2002)).

Un generador termoel�ctrico es la �nica m�quina t�rmica en la cual los portadores de carga sirven como fluido de trabajo. Estos dispositivos est�n conformados por muchas junturas elementales, donde una sola produce bajos niveles de potencia, de tal manera que, para obtener potencias de utilidad pr�ctica, es necesario conectar un n�mero de estas junturas el�ctricamente en serie y t�rmicamente en paralelo, para as� formar un m�dulo. [4]

Fundamentos te�ricos de la termoelectricidad

La termoelectricidad es la fuerza electromotriz causada en uno (o varios) materiales debido a la presencia de una pendiente de temperatura, se mantienen tres efectos termoel�ctricos reversibles en un m�dulo termoel�ctrico, pero solo el efecto Seebeck es el responsable de generar corriente en el m�dulo termoel�ctrico, el efecto Peltier est� unido al efecto Seebeck por las relaciones de Thomson, por lo tanto, en modelizaci�n matem�tica la generaci�n el�ctrica de los m�dulos termoel�ctricos se encontrara los tres efectos reflejados, sin embargo, cuando se sueldan dos materiales met�licos o semiconductores diferentes, mantenidos a distintas temperaturas en sus uniones, no solo existen los tres efectos antes mencionados, tambi�n est�n presentes el efecto Joule y el efecto Fourier. [5]

Fen�menos termoel�ctricos

Los principales efectos que se presentan en la termoelectricidad:

�                Efecto Seebeck.

�                Efecto Joule.

�                Efecto Fourier.

�                Efecto Peltier.

�                Efecto Thomson.

Efecto Seebeck

Este efecto se produce por el hecho de que la densidad de los portadores de carga (electrones) difiere de un conductor al otro y esto depende de la temperatura. Cuando se sueldan dos conductores diferentes y cada uno se mantiene a temperaturas diferentes, la difusi�n de los portadores de carga se origina en las uniones a distintas velocidades. Existe un movimiento neto de portadores de carga para cada conductor como si fuesen conducidos por un campo no- electrost�tico. [6]

Este efecto se muestra como la aparici�n de una diferencia de potencial el�ctrico en un circuito formado por la uni�n de dos (o m�s) materiales distintos donde sus uniones se encuentran a diferente temperatura, figura 3.

Fig. 3. Efecto Seebeck. (2018, 7 agosto). [Ilustraci�n]. Linseis. https://www.linseis.com/wp- content/uploads/2018/08/TE-1.jpg

Celdas Peltier

Celdas Peltier, una c�lula o celda Peltier mueve energ�a calor�fica desde la placa fr�a a la placa caliente a trav�s del control de la energ�a el�ctrica proporcionada por una fuente de alimentaci�n. Por lo general, una celda Peltier est� conformada por dos materiales semiconductores, uno tipo P y otro tipo N, como lo muestra la figura 2.

Fig.4. Estructura de una celda Peltier. (2016, 2 agosto). [Ilustraci�n].CeldaPeltier: https://www.luisllamas.es/wp- content/uploads/2016/08/arduinoplacapeltierfuncionamiento.png

Las c�lulas que se comercializan en el mercado esencialmente est�n compuestas por dos tipos de elementos semiconductores: teluro de bismuto y seleniuro de antimonio. Las celdas est�ndar son las m�s usadas para la generaci�n energ�a el�ctrica, ya que, son de f�cil montaje, manejo y trabajan en amplios rangos de temperatura. Adem�s, son altamente accesibles en el mercado y por esta raz�n se las puede encontrar a precios muy econ�micos que van desde los tres d�lares hasta los treinta d�lares dependiendo de la empresa fabricante. [7]

Una celda Peltier est�ndar es usualmente empleada cuando se quiere enfriar peque�as c�maras, dispositivos electr�nicos, enfriamiento o calentamiento de fluidos como el agua y aire, etc.

Cabe recalcar que para obtener valores �ptimos de rendimiento de la celda Peltier se deber� garantizar que la temperatura del lado fr�o y la del lado caliente sean las m�s cercanas entre s�. Es por esto que se debe acoplar a las celdas dispositivos de disipaci�n y de absorci�n de calor. [7] Usando una o m�s celdas est�ndar se puede dise�ar un sistema el�ctrico con un amplio rango de potencia. Normalmente estas celdas trabajan dentro de rangos como se muestra en la tabla 1:

TABLA 1 CARACTER�STICAS GENERALES DE UNA CELDA PELTIER EST�NDAR

Una celda Peltier mantiene una cara fr�a y una cara caliente. La diferencia de temperatura que una Peltier normalmente genera entre sus dos caras es de unos 70 �C, es decir si queremos que la cara fr�a este a unos -10 �C, la parte caliente no deber�a superar los 60 �C.

La m�xima temperatura que admiten estas celdas es de 200 �C (en realidad admiten m�s temperatura, sin embargo, este es un margen de seguridad), cuando se sobrepasa este l�mite se corre el riesgo de romperse de forma irreversible (est� hecha a base de semiconductores). [7]

Efecto Joule

Este efecto se produce cuando circula por un conductor de corriente el�ctrica, la materia ofrece cierta resistencia al movimiento de los electrones, los cuales ceden energ�a cin�tica al entorno de sucesivos choques.� Esta energ�a se disipa al medio exterior en forma de calor. [8]

Donde Q representa la energ�a calor�fica (Joule) producida por la corriente I (Amperios) que circula por el conductor, el cual presenta una resistencia R (ohmios) y t es el tiempo en segundos.

Efecto Seebeck

En un circuito formado por dos metales distintos homog�neos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura,𝑇 𝑦 𝑇 + 𝛥𝑇. Se establece un flujo de corriente el�ctrica, o bien, si se abre el circuito una diferencial de potencial 𝐸_AB, la cual depende de los metales utilizados en la uni�n y de la diferencia de temperatura entre las uniones. [8]

Fig. 5.��� El efecto Seebeck. (s. f.). [Ilustraci�n]. Introducci�n a la Termoelectricidad. http://www.unavarra.es/ets02/Seebeck.gif

La relaci�n entre 𝐸_AB y la diferencia de temperaturas entre las uniones 𝛥𝑇, define el coeficiente de Seebeck, y se lo determina por medio de la ecuaci�n:

Donde 𝛼_𝐴 𝑦 𝛼_𝐵 son respectivamente las potencias termoel�ctricas absolutas de A y B, y son caracter�sticas de cada metal dependiendo de su material. El coeficiente a AB no es constante, depende fundamentalmente de la temperatura. [8]

Efecto Peltier

Al hacer circular corriente el�ctrica a trav�s de la uni�n de dos conductores de diferente material en una determinada direcci�n producir enfriamiento y al hacerla pasar en direcci�n contraria producir calentamiento en la uni�n. La potencia calor�fica generada o absorbida es proporcional a la corriente el�ctrica y tambi�n est� en funci�n de la temperatura de la uni�n, que se expresa como [8]:

D�nde:

𝑄_𝑝: Potencia calor�fica generada o absorbida debido al efecto Peltier

𝜋: Coeficiente de Peltier

𝐼: Intensidad de corriente que pasa a trav�s de la uni�n.

Para obtener el coeficiente de Peltier, nos regimos por la primera ley de Kelvin

D�nde:

𝛼: Coeficiente de Seebeck de dos conductores distintos

𝑇: Temperatura absoluta de la uni�n.

Lo que se propone en el proyecto es trabajar con la celda Peltier para lo que se requiere una diferencia de temperatura y as� generar voltaje.

El gradiente se encuentra por un lado con el calor generado de los gases o calderas industriales, y distribuidos o aplicados en las caras de las placas termoel�ctricas, para as� poder generar energ�a el�ctrica. [8]

Ley de ohm y potencia el�ctrica

Las placas estudiadas suministran una fuente de corriente continua cuando est�n sometidas a una diferencia de temperaturas, y viceversa. Por lo que para estudiar la potencia que se puede extraer es necesario recorrer a ecuaciones de electrotecnia b�sica, y as� poder comprender como se deducen ciertas ecuaciones involucradas en el proceso de obtenci�n de energ�a. [9]

Donde:

𝐼 =Intensidad de Corriente (A)

𝑉 =Voltaje (V)

𝑅 =Resistencia (Ω)

La potencia suministrada por una fuente el�ctrica depende de la cantidad de electrones que circulan en un tiempo determinada y del voltaje al cu�l estos est�n sometidos, por lo que la ecuaci�n ser� la siguiente.

Donde:

𝐼 =Intensidad de Corriente (A)

𝑉 =Voltaje (V)

𝑃 =Potencia (W)

Efecto Seebek

Donde:

𝑉= Voltaje termodin�mico [𝑉]

𝛼=Coeficiente de Seebek [𝜇(𝑉/𝐾)]

𝛥𝑇=Temperatura del gradiente [𝐾]

El principio es usado para la generaci�n energ�tica mediante la variaci�n de temperatura entre las celdas Peltier y los disipadores de calor al igual que los ventiladores. [9]

Raz�n de trasferencia

D�nde:

𝑄 =Razon de trasferencia de calor [𝑊] ℎ = Coeficiente convectivo [𝑊/𝑚²𝐾]

𝐴 =�rea [𝑚²]

𝑇_𝑠 =Temperatura de la superficie [𝐾]

𝑇_𝑏= Temperatura ambiente

𝜂= Eficiencia de la aleta

Temperatura de pel�cula

Esto se da a partir de la temperatura superficial y la del ambiente, expres�ndose de la siguiente manera:

Reynolds

D�nde:

𝑉 =Velocidad del fluido m/s

𝐿 =Longitud del disipador

𝑣 =Viscosidad cinem�tica en m²/s

Nusselt

Donde

ℎ =Coeficiente convectivo [𝑊/𝑚²ꞏ𝐾]

𝐿 =Longitud de la celda [𝑚]

𝑘 =Conductividad t�rmica en [𝑊/𝑚ꞏ𝐾]

Efecto Thomson

A diferencia de los dos efectos anteriores, el efecto Thomson no se aplica directamente a termopares, sino a un solo material. Este fen�meno estudia el enfriamiento o calentamiento de un material expuesto a un gradiente de temperaturas entre sus 2 conexiones al pasar por �l una corriente el�ctrica. Seg�n la direcci�n de la corriente el�ctrica pasante, este generar� o absorber� calor. [9][10]

D�nde:

𝑄𝑡 =Potencia por unidad de volumen absorbida por el efecto Thomson (𝑤/𝑚³)

𝜇 =Coeficiente de Thomson (𝑊/𝐴. 𝐾)

𝐽 =Densidad de corriente (𝐴/𝑚²)

^𝑑𝑇 = Gradiente de corriente (𝐾/𝑚)

𝑑𝑥

Relaciones de Thomson

A partir de la ecuaci�n de Seebeck anteriormente enunciada (2) y la ecuaci�n de la potencia el�ctrica (6), puede deducirse dos ecuaciones fundamentales en este proceso, las que nos define la entrada y la salida de calor debido al efecto Seebeck. [9][10]

Remplazando (𝛼 ∙ ∆𝑇) por V en la ecuaci�n de potencia el�ctrica (6).

Esta ecuaci�n 14 recientemente obtenida, es la que nos mostrar� tanto el calor absorbido por la placa en la cara caliente (14a), como el perdido por la cara fr�a de la celda (14b).

Desarrollando:

Siendo:

∆𝑻 = 𝑻_𝑯 − 𝑻_𝑳

𝑇_𝐻 =Temperatura en la cara caliente (𝑘)

𝑇_𝐿 =Temperatura en la cara fr�a (𝑘)

𝑄_𝑘̇ =Calor Absorbido en la cara caliente(𝑊)

𝑄̇𝑙 =Calor cedido por la cara fria (𝑊)

Dando como resultado:

Reemplazando as�:

(𝛼 ∗ ∆𝑇) por V en la ecuaci�n de potencia el�ctrica

lujo de Calor

𝑄̇ = Flujo de calor 𝑤/𝑚²

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖�𝑛= Calor de convecci�n 𝑤

𝐴 =�rea de transferencia 𝑚²

Convecci�n

ℎ =coeficiente convectivo [ 𝑤� �]

𝑚2𝐾

𝐴 =�rea de transferencia 𝑚²

𝑇_𝑠 =Temperatura de la superficie K

𝑇_∞ =Temperatura del ambiente K

Resistencia t�rmica

𝑸 =

𝐑az�n de transferencia de calor 𝒘

𝑹𝒓𝒆𝒂𝒍

=Resistencia t�rmica real ^𝑲

𝒘

𝑻_𝒔 =Temperatura de la superficie K

𝑻_∞ =Temperatura del ambiente K

TABLA 2 RESUMEN DE ECUACIONES EMPLEADAS PARA EL C�LCULO DE PAR�METROS TERMODIN�MICOS

Trayectoria descrita por un elemento de fluido en movimiento

El flujo laminar es el tipo de movimiento de un fluido cuando �ste es perfectamente ordenado, estratificado, suave, de manera que el fluido se mueve en l�minas paralelas sin entremezclarse. Las capas adyacentes del fluido se deslizan suavemente entre s�. El mecanismo de transporte es

exclusivamente molecular. Se dice que este flujo es aerodin�mico. Ocurre a velocidades relativamente bajas o viscosidades altas como veremo.

Fig.6.��� Trayectoria descrita por un elemento de fluido en movimiento. (s. f.). [Ilustraci�n]. Din�mica de Fluidos. https://www.ugr.es/~jtorres/t7.pdf

Se llama flujo turbulento cuando se hace m�s irregular, ca�tico e impredecible, las part�culas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las part�culas se encuentran formando peque�os remolinos aperi�dicos. Aparece a velocidades altas o cuando aparecen obst�culos abruptos en el movimiento del fluido [15].

Desarrollo del trabajo experimental

El prototipo de aprovechamiento energ�tico, partiendo del efecto Seebeck para producir electricidad a partir de calor residual producido por la industria consta de los siguientes elementos:

Elementos de medida:

�               Mult�metro.

�               Pic�metro

�               Termoanem�metro

�               Termohigr�metro

Elementos:

�               Celdas Peltier TEC1-12706

�               Disipador de calor rectangular

�               Disipador de calor circular

�               Pasta T�rmica

�               Fuente de calor controlada

�               Placa circular de aluminio

�               L�mina de aluminio

�               Diodos Led 1N4007S

�               Cables de conexi�n

Procedimiento

�       

Fig.7.��� Prototipo generador de energ�a a partir de las celdas Peltier dise�ado en SolidWorks [Ilustraci�n], Investigadores, 2022.

�        Se debe colocar el prototipo sobre la fuente de calor y los ventiladores en direcci�n que el aire pegue directo a los disipadores de calor.

�        Al convertir la energ�a calor�fica en energ�a el�ctrica, para verificar dicha transformaci�n, se usar�n un par de diodos led en conexi�n en serie, que servir�n como comprobaci�n de dicha transformaci�n energ�tica.

�        Con la ayuda de un pir�metro y un mult�metro, facilitara el trabajo de la obtenci�n de datos de temperatura y esto nos ayudara a visualizar en distintos puntos la temperatura a alcanzar por cada componente del prototipo y en el caso del mult�metro nos mostrara la intensidad de corriente y resistencia que alcanza las celdas usadas al absorber la energ�a calor�fica.

Fig.8.��� Comprobaci�n de funcionamiento del Prototipo generador de energ�a con una fuente de calor casera [Fotograf�a], Investigadores, 2022.

Los disipadores de calor cumplen una funci�n importante en el prototipo, pues ayudan a extraer el calor celdas Peltier hacia el exterior, se utilizaron dos disipadores un rectangular y un circular.

Fig.9.��� Dimensiones de disipador rectangular obtenido en el mercado, de aluminio [Ilustraci�n], Investigadores, 2022.

Fig.10. Dimensiones de disipador circular obtenido en el mercado, de aluminio [Ilustraci�n], Investigadores, 2022.

Toma de datos

TABLA 3. TABLA DE DATOS OBTENIDA DEL PROTOTIPO

Las celdas Peltier estar�n revestidas con pasta t�rmica que permitir� regular su temperatura al igual que el uso de 2 disipadores cada uno con un ventilador, permitiendo as� que alcance su m�ximo rendimiento en las celdas.

EL uso de instrumentos de medida como un termohigr�metro digital, que es un instrumento electr�nico que mide la temperatura y humedad relativa, al igual que un termoanem�metro que mide la velocidad del fluido, para determinar el caudal o flujo de aire caliente el ducto de la chimenea, fig. 8.

Fig.11. Instrumentos de medici�n, un Termo anem�metro y termohigr�metro [Fotograf�a], Investigadores, 2022.

El t�rmino secci�n transversal es solo una forma de describir el �rea a trav�s de lo que algo fluye, por ejemplo, en la tabla 4 se observa los datos de la secci�n trasversal del fluido utilizado.

Como se ver� posteriormente, el n�mero de Reynolds es el par�metro que expresa la relaci�n entre las fuerzas de inercia y las viscosas en el interior de una corriente, por lo que el r�gimen hidr�ulico va a depender de su valor.

TABLA 4. SECCI�N TRASVERSAL DEL FLUIDO, (OBTENIDO DE ZUKAUSKAS, REF. 14, Y JAKOB, 1949)

Cuando un fluido circula por una tuber�a lo puede hacer en r�gimen laminar o en r�gimen turbulento.

Los conductos o tuber�as (en otros sistemas, var�a el Reynolds): Si el n�mero de Reynolds es menor a 2300, el flujo ser� laminar y, si es mayor de 4000, el flujo ser� turbulento

La diferencia entre estos dos reg�menes se encuentra en el comportamiento de las part�culas fluidas, que a su vez depende del balance entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas o de rozamiento.

Fig.12. Simulaci�n del flujo de vapor en SolidWorks en el ducto de la chimenea [Ilustraci�n], Investigadores, 2022.

Como se muestra en la figura 12 se aprecia la simulaci�n del ducto de la chimenea donde pasa un caudal o flujo, y este tendr� que ser medido con ayuda de un termoanem�metro que mide la velocidad del fluido para la con ello realizar los c�lculos termodin�micos correspondientes.

Fig.13� �Ducto de la chimenea real donde se obtendr� el calor residual del mismo [Fotograf�a], Investigadores, 2022.

C�LCULOS ANAL�TICOS

1)     Temperatura de pel�cula

𝑇_𝑝 =

𝑇_𝑠 + 𝑇_∞

=

2

93,33 + 16,56

= 54,94

2

TABLA 5 PROPIEDADES DEL AIRE A PRESI�N DE UNA ATMOSFERA, TOMADO DE CENGEL, TABLA B-6

2)     Interpolaci�n

Con estos datos se procede a realizar la interpolaci�n para encontrar los valores requeridos para la realizaci�n de los c�lculos correspondientes. Estos resultados se muestran en la tabla 6.

Se realiza la interpolaci�n de la tabla con el dato de 54,94.

𝒚 = 𝒚_𝟎

+ 𝒚𝟏 − 𝒚𝟎�(𝒙 − 𝒙 )

𝒙_𝟏 − 𝒙_𝟎�������������� ^𝟎

3)     Conductividad T�rmica

𝑦 = 0,02735 +

0,02808 − 0,02735

60 − 50

(54,94 − 50) = 0,02771

4)     Viscosidad

𝑦 = 1,963E10 − 5 +

1,896E10 − 5 − 1,963E10 − 5

60 − 50

(54,94 − 50) = 1,9299𝐸10 − 5

5)     N�mero de Prandtl

𝑦 = 0,7202 +

0,7228 − 0,7202

60 − 50

(54,94 − 50) = 0,7215

TABLA 6 TABLA CON LOS DATOS INTERPOLADOS, TOMADO DE CENGEL, TABLA B-6

6)     C�lculo de Reynolds

𝑅_𝑒 =

𝑉𝐿

𝑣

3,6 ⋅ 0,04

𝑅𝑒 = 1,9299𝐸10 − 5

𝑅_𝑒 = 7461,52

7)     C�lculo de Nusselt

Nu = 0.102Re^0.675 Pr^1/3

Nu = 0.102(7461,52)^0.675 (0,7215)^1/3 Nu = 37,63

Despejando

𝑁𝑢 =

𝑁𝑢 =

𝑘𝑁𝑢

ℎ𝐿

𝑘

ℎ𝐿

𝑘

= ℎ

𝐿

8)     Coeficiente convectivo

𝑤

ℎ = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 [𝑚2𝐾]

0,02771 ⋅ 37,63������������������������ 𝑤

ℎ =������������ 0,04������������� = 26,07 [𝑚2𝐾]

9)     Resistencia t�rmica

𝑄 =

𝑇_𝑠 − 𝑇_∞

𝑅𝑟𝑒𝑎𝑙

𝑇_𝑠 − 𝑇_∞

𝑅𝑟𝑒𝑎𝑙 �=������� 𝑄

𝑅𝑟𝑒𝑎𝑙 =

366,48 − 289,71

72,05

𝐾

10)      Convecci�n

𝑅_{𝑟𝑒𝑎𝑙} = 1,065 𝑤

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖�𝑛 = ℎ ⋅ 𝐴 ⋅ (𝑇𝑠 − 𝑇∞)

𝑄_{𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖�𝑛} = (26,07)(0,036𝑚²) ⋅ (366,48 − 289,71)𝐾

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖�𝑛 = 72,05 𝑤

𝑄̇ = 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖�𝑛

𝐴

11)      Coeficiente de Seebeck

𝑄̇ = 72,05 𝑤

0,036𝑚²

𝑄̇ = 2001,38 𝑤

𝑚2

𝛼 = 6,4

𝑣 Δ𝑇

𝑉

𝛼 =

42

= 0,1524

�𝐶

Resultados

En la tabla 7 se muestran los resultados obtenidos de los c�lculos anteriores, con el estudio termodin�mico aplicado a la obtenci�n de energ�a el�ctrica con celdas Peltier a partir del calor residual generado por el ducto de la chimenea de la industria.

TABLA 7. TABLA CON LOS RESULTADOS OBTENIDOS

En la tabla 8 se presenta una muestra de los valores m�s relevante obtenidos en el proceso de la experimentaci�n, por medio del cual se realizaron las medidas del voltaje y la corriente obtenida a las diferentes ΔT en una celda Peltier.

TABLA 8. TABLA CON LOS RESULTADOS OBTENIDOS

Gracias a estos resultados se puede determinar el comportamiento de la celda a diferentes cambios de temperatura y de esta manera buscar la forma de estabilizarlo en una tensi�n de 6.4 V

Fig.14 Gr�fica de Voltaje (V) vs Diferencia de temperatura(�C) [Gr�fica], Investigadores, 2022.

La simulaci�n en ANSYS es importante para comparar los resultados experimentales, para tener una mayor confiabilidad en los resultados obtenidos.

Las figuras 12 y 13 se muestran los resultados obtenidos en la simulaci�n en ANSYS.

Fig. 15. Simulaci�n termodin�mica del prototipo propuesto en ANSYS [Ilustraci�n], Investigadores, 2022.

Con la ayuda del Software ANSYS se determin� la temperatura, en diferentes puntos a lo largo del eje y, obteniendo los siguientes valores expuestos en la tabla 9, de igual manera en la figura 13 se muestra la ubicaci�n de los puntos tomados para la realizaci�n.

Fig. 16. Simulaci�n termodin�mica del prototipo propuesto en ANSYS [Ilustraci�n], Investigadores, 2022.

TABLA 9. TABLA DE DATOS TEMPERATURA (�C) LONGITUD (MM)

Se puede observar en la figura 17, la temperatura en �C que se genera a lo largo del eje Y del prototipo.

Fig.17 Gr�fica de Temperatura (�C) vs Longitud a lo largo del eje Y (mm) [Gr�fica], Investigadores, 2022.

Como se puede observar en la figura 18 el cambio de la temperatura tiene una direcci�n desde la cara m�s fr�a a la m�s caliente de la celta Peltier, lo que indica que si se genera una diferencia de temperatura acorde con los datos experimentales obtenidos en el an�lisis experimental, este an�lisis se los desarrollo en SolidWorks.

Fig.18. Simulaci�n termodin�mica del ensamble del prototipo en SolidWorks [Ilustraci�n], Investigadores, 2022.

En la tabla 10 se muestran los resultados que se obtiene con la extrapolaci�n del n�mero de celdas y obtener el dato de la potencia que podr�a generar si se aumenta m�s celdas Peltier , como indica la tabla m�s n�mero de celdas Peltier hace que se eleve el voltaje y la corriente por ende m�s potencia suministrar� el prototipo generador de energ�a , adem�s tambi�n depender� de la longitud del ducto por donde sale el calor residual que permita cumplir con los requerimientos necesario que ayuden a obtener un voltaje aceptable en el prototipo. El voltaje m�ximo que se obtuvo del proyecto utilizando cuatro celdas Peltier fue de 5,8 voltios, generando aproximadamente una potencia de 19.8 watts.

TABLA 10. TABLA DE DATOS DEL VOLTAJE, CORRIENTE Y POTENCIA

En la figura 18 se observa la gr�fica de voltaje vs potencia que generan cuatro celdas Peltier e ir extrapolando hasta las cuarenta y cuatro celdas Peltier para obtener datos para una adecuada aplicaci�n.

Fig.18 Gr�fica de Potencia (P) vs Voltaje(V) [Gr�fica], Investigadores, 2022.

Los resultados se obtuvieron de tres pruebas, la m�s importante en el ducto de una chimenea de la industria, tambi�n se realiz� pruebas en el ducto horizontal conectado a una caldera y tambi�n de una chimenea de una casa.

Por ende, se presenta los resultados de los dem�s estudios, que ayudaron a comprobar el buen funcionamiento del prototipo

TABLA 11. RESULTADOS DEL DUCTO HORIZONTAL SALIENTE DE UNA CALDERA