11 May La moderna tecnología de refrigeración Peltier
Tecnología Peltier | Refrigeración Termoeléctrica | Aplicaciones
Los elementos Peltier son componentes termoeléctricos capaces de bombear calor de forma reversible en una dirección definida. Aunque el principio es de sobra conocido, los modernos materiales semiconductores de la tecnología Peltier han contribuido a su consagración en aplicaciones científicas e industriales especializadas.
Los puntos fuertes de la tecnología Peltier son la escalabilidad de los elementos de refrigeración, la posibilidad de operar en cualquier lugar, su fiabilidad y el control preciso de la dosificación térmica. Además, los elementos Peltier funcionan sin partes móviles y, por lo tanto, sin vibraciones ni ruidos. Una de sus principales ventajas frente a las máquinas frigoríficas convencionales con compresor es que no se emplean refrigerantes inflamables o nocivos para el medio ambiente.
Sin embargo, la capacidad y eficacia máximas de los sistemas de refrigeración Peltier son considerablemente más bajas que las de los sistemas con compresor. Habría que contar con costes energéticos significativamente superiores en equipos de refrigeración y congelación estándares y asumir una pérdida calorífica mayor.
Con sus particulares características, la tecnología Peltier ofrece un amplio rango de aplicaciones especiales. No obstante, no sustituirá a los compresores en frigoríficos domésticos debido a su escasa rentabilidad.
Historia de los Efectos Termoeléctricos
El Efecto Seebeck (1821)
El físico de origen alemán-Báltico, Thomas Johann Seebeck (1770–1831), descubrió en 1821 que la aguja de una brújula se desviaba en un circuito conductor cerrado compuesto por dos metales diferentes cuando los puntos de contacto del conductor estaban a diferentes temperaturas.
El físico danés Hans Christian Ørsted investigaba en la misma época el fenómeno del electromagnetismo e interpretó correctamente el efecto “termomagnético” de Seebeck como efecto “termoeléctrico”, esto es, una corriente eléctrica provocada por una diferencia de temperatura que da origen al campo magnético observado por Seebeck.
El Efecto Peltier (1834)
Solo trece años después del descubrimiento del efecto termoeléctrico, el físico francés Jean Charles Athanase Peltier (1785–1845) observó el efecto opuesto: el establecimiento de una diferencia de temperatura en los puntos de contacto de dos conductores eléctricos diferentes en el flujo de una corriente eléctrica.
Por aquel entonces Peltier no tenía la explicación correcta para este efecto, a la que llegaría finalmente el físico británico-irlandés William Thomson (también conocido como Lord Kelvin, que dio nombre a la unidad de temperatura del Sistema Internacional) en 1860 con su teoría de la termodinámica.
Propiedades Físicas de los Efectos Termoeléctricos
La Termopotencia
Los efectos termoeléctricos son fenómenos fundamentalmente diferentes vinculados por una constante de materia común. La llamada termopotencia Q se diferencia en los conductores metálicos solo por unos pocos µV/K. Sin embargo, para la aplicación técnica del efecto Peltier se requieren conductores eléctricos con una tensión termoeléctrica mucho mayor.
Hasta ahora solo se han hallado determinados semiconductores que cumplen estas condiciones a temperatura ambiente. El coeficiente Peltier (∏) es el producto de termopotencia y temperatura (relación Kelvin):
∏ = Q · T
Cálculo de Flujo Térmico:
La cantidad de calor liberada entre dos conductores en la interfase por el efecto Peltier se calcula así:
W = (∏A – ∏B) · I
El flujo térmico (W) depende de la diferencia de los coeficientes Peltier y es proporcional a la corriente eléctrica I. El signo del flujo térmico depende de la dirección de la corriente. Un signo negativo indica absorción de calor en los puntos de contacto.
Sin embargo, con el aumento de la corriente la pérdida eléctrica crece más rápidamente que la transferencia de calor por el efecto Peltier. En consecuencia, la potencia de refrigeración aumenta a partir de una intensidad de corriente determinada a pesar de que la corriente no continúe aumentando, sino que incluso baje.
Refrigeración Termoeléctrica: Diferencia de Temperatura Máxima
El efecto Peltier puede aplicarse a la refrigeración desde el punto de vista técnico. Frente al lado refrigerante con temperatura T₀ hay un depósito de calor con temperatura T₁.
La diferencia de temperatura máxima alcanzable es:
(T₀ – T₁max) = 1/8 · (∏A – ∏B) · σ/λ
Esta diferencia es proporcional a la conductividad eléctrica (σ) e inversamente proporcional a la conductividad térmica (λ), esto es, dos propiedades contrarias.
Precisamente esto plantea, junto con la tensión termoeléctrica necesaria, el segundo reto para la aplicación técnica del efecto Peltier, ya que la mayoría de los buenos conductores eléctricos son también buenos transmisores del calor.
Aplicación Técnica de la Refrigeración Termoeléctrica
Estructura de un Elemento Peltier: El Termopar Frío
El componente más pequeño de un termoelemento es el termopar. Consta de dos conductores eléctricos con coeficientes Seebeck muy diferentes para producir la mayor tensión termoeléctrica posible. El material utilizado principalmente son bloques semiconductores unidos con cobre en los extremos.
El material más apropiado hasta la fecha para aplicaciones a temperatura ambiente es una aleación de bismuto y telurio con dopaje de tipo N y P. Esta combinación proporciona la mejor relación entre tensión termoeléctrica, conductividad eléctrica y conductividad térmica.
Estructura del Termoelemento
Un elemento Peltier moderno consta de múltiples termopares conectados en serie eléctricamente a través de puentes de cobre. Los puentes de cobre de cada lado están unidos térmicamente entre sí mediante placas cerámicas (principalmente alúmina), pero están aislados eléctricamente entre sí.
Aunque se utilizan semiconductores dopados de tipo P y N, no se trata de “tecnología de semiconductores” en sentido estricto como en los diodos. En los diodos, ambos semiconductores tienen que estar en contacto directo para bloquear el flujo de corriente en una dirección. Sin embargo, esto no es útil en el elemento Peltier y los diferentes semiconductores están generalmente unidos entre sí por puentes metálicos.
Por eso se prefieren los semiconductores a otros materiales conductores, porque en este grupo de materiales se han encontrado componentes con elevada tensión termoeléctrica que conducen muy bien la electricidad, pero aíslan térmicamente. Solo así es posible separar de forma eficaz el lado frío del caliente y producir una diferencia de temperatura aprovechable.
Estructura de un Módulo Peltier Completo
Un módulo Peltier consta de uno o varios elementos Peltier y de disipadores acoplados térmicamente. La potencia eléctrica aplicada a las bombas se transforma irreversiblemente en calor en los elementos Peltier y debe dispersarse de manera efectiva. Asimismo, los elementos Peltier bombean calor de manera reversible, de un lado al otro, según la dirección de la corriente.
Por lo tanto, en un lado se consigue una captación de calor que, sin embargo, es considerablemente inferior al calor absorbido en el otro lado. Por consiguiente, el intercambio térmico debe realizarse mediante disipadores de grandes dimensiones que se ajustan a ambos lados del elemento Peltier transmitiendo calor. Por lo general, potentes ventiladores evacuan el aire calentado o enfriado.
Control de un Sistema Peltier
A menudo, los elementos Peltier se regulan con modulación por ancho de pulsos (PWM), mediante la cual la intensidad media de la corriente está controlada por la longitud de los pulsos de corriente de alta frecuencia. El control de la tensión también es un método habitual. Sin embargo, apenas se utiliza el control sí/no simple porque supone una gran carga para el elemento Peltier y un considerable acortamiento de su vida útil.
Ventajas de PWM:
- Control más suave de temperatura
- Menor estrés térmico en el elemento
- Mayor vida útil del componente
- Eficiencia mejorada en operación parcial
Estrés Térmico y Ciclos de Vida
Aunque es posible controlar los módulos Peltier invirtiendo simplemente la polaridad, es necesario comprender bien las consecuencias. Cuando se invierte la dirección de la corriente, antes de que se haya establecido una desviación de temperatura en el elemento Peltier, se ejerce un enorme estrés térmico sobre el componente.
Los fabricantes de chips Peltier prueban la resistencia cíclica de sus productos mediante la inversión directa de la polaridad, provocando una caída tras varios cientos de ciclos. Es posible aumentar la resistencia cíclica mediante determinadas modificaciones de control y diseño.
En el ámbito científico, donde resulta especialmente importante la estabilidad a largo plazo y la fiabilidad, no suele aceptarse este acortamiento de la vida útil. Se requieren sistemas de control sofisticados que minimicen estos estrés.
Comparación de Tecnologías de Refrigeración
Puntos Fuertes de los Sistemas Peltier
Los elementos Peltier son muy fiables, duraderos y apenas requieren mantenimiento porque carecen de piezas de desgaste móviles. Además, funcionan sin provocar ruidos ni vibraciones, lo cual es crítico en aplicaciones científicas sensibles.
Ventajas principales:
- Sin partes móviles: Fiabilidad superior, sin mantenimiento, sin ruido
- Tamaño compacto: Estructura pequeña y ligera, múltiples módulos pueden agruparse
- Fabricación económica: Costes de producción bajos
- Refrigerantes seguros: No contienen refrigerantes inflamables ni perjudiciales para el ozono
- Control preciso: Dosificación del efecto refrigerante superior a compresores convencionales
- Reversibilidad: Invirtiendo la polaridad se convierte en elemento calefactor eficiente
- Sin circuitos complejos: Se suprime todo el circuito de refrigeración con compresor, bobina, evaporadores y condensadores
- Mantenimiento simple: En caso de avería, pueden sustituirse fácil y rápidamente
- Portabilidad: Pueden funcionar con batería (12 V) en cualquier lugar
Puntos Débiles de los Sistemas Peltier
En los módulos Peltier es técnicamente imposible evitar que el lado caliente y el frío estén muy próximos entre sí. En la práctica, los módulos Peltier actuales tienen un grosor de solo 3 a 5 mm. Esta distancia hace necesario que el calor tenga que transmitirse de forma muy efectiva hacia dentro y hacia fuera, típicamente mediante grandes disipadores con ventiladores.
Limitaciones técnicas:
- Potencia limitada: La potencia de un módulo Peltier depende directamente de la diferencia de temperatura deseada
- Caída con ΔT mayor: Cuanto mayor es la diferencia de temperatura, menor será la potencia de la bomba
- Límite de ΔT: En el estado actual de la tecnología Peltier se interrumpe completamente aprox. a 70 K (70°C de diferencia)
- Multietapas costosas: Diferencias de temperatura mayores solo pueden efectuarse de forma costosa con elementos multietapas
- Disipadores grandes: Requiere sistemas de disipación térmica voluminosos para funcionar eficientemente
Eficiencia Energética: Peltier vs Compresores
Los elementos Peltier pueden absorber calor por un lado y desprenderlo por el otro. El medio que se utiliza para este proceso de bombeo reversible es la corriente eléctrica. La corriente funciona, en cierto sentido, como medio refrigerante en el circuito de refrigeración y la potencia de la bomba es, idealmente, proporcional al flujo de corriente.
Es inevitable que esta corriente en el elemento Peltier con su propiedad de resistencia óhmica se transforme de forma irreversible en calor Joule. Esta generación de calor no solo representa una pérdida de potencia, sino que además el calor perdido acumulado en el lado frío debe compensarse mediante la potencia de la bomba antes de que se produzca potencia frigorífica neta.
Comparativa de pérdidas:
En la práctica hay que asumir que en sistemas Peltier, multiplicar la capacidad de bombeo de calor supone una pérdida de potencia proporcional. Por el contrario, la potencia frigorífica de los sistemas de compresores prácticamente duplica el trabajo a invertir (mayor eficiencia).
Por ello, los compresores son preferibles para aplicaciones de refrigeración de alto rendimiento, mientras que Peltier destaca en aplicaciones de baja potencia y control preciso.
Ámbitos de Aplicación de la Tecnología Peltier
La moderna tecnología Peltier se aplica en todos los ámbitos en los que no es posible utilizar compresores debido a su tamaño, en los que la eficiencia energética desempeña un papel secundario o cuando solo es necesaria una pequeña potencia de refrigeración.
Hogar y Tiempo Libre
Las cajas refrigeradas operadas con sistemas Peltier son aptas para conservar alimentos y bebidas en coches o caravanas, ya que son móviles y pueden conectarse directamente a la toma de 12 V del vehículo.
Una desventaja fundamental de los módulos Peltier se aprovecha para los deshumidificadores. El aire a deshumedecer se conduce por el lado frío del módulo Peltier y el agua de condensación que surge se recoge en un recipiente, evitando problemas de humedad en espacios confinados.
Ciencia y Laboratorio
Un buen ejemplo del control de temperatura Peltier es el termociclador, un equipo de laboratorio para multiplicar secuencias de ADN. Con la PCR (reacción en cadena de la polimerasa), se necesitan tres temperaturas de reacción diferentes en sucesión rápida. Los sistemas de compresores no pueden modularse a voluntad.
Sin embargo, los módulos Peltier pueden tener un tamaño diminuto y una increíble capacidad de refrigeración. Estos minúsculos elementos Peltier pueden, por ejemplo, utilizarse en:
- Escintiladores: Donde el ruido de los fotodiodos debe reducirse mediante refrigeración
- Densímetros: Para mediciones de densidad a temperatura controlada
- Viscosímetros: Para análisis de viscosidad en rangos de temperatura específicos
- Reómetros: Para caracterización de propiedades reológicas
- Refractómetros: Para mediciones de índice de refracción a temperatura constante
Los sistemas de compresores habituales funcionan según su posición. Inclinados o colocados boca abajo dejan de funcionar; igual que en estado de ingravidez. En cambio, con los módulos Peltier pueden construirse equipos móviles que funcionan con una batería de 12 V fácilmente adquirible.
Aplicaciones Especiales y Avanzadas
Los elementos Peltier irradian más calor cuando pueden bombear. Por eso, para los procesadores informáticos actuales se han introducido disipadores y elementos de transmisión de calor de alto nivel que eliminan exclusivamente el calor generado por el procesador. Solo se aplica la tecnología Peltier cuando la temperatura del procesador debe estar necesariamente por debajo de la temperatura ambiente.
Aplicaciones especializadas:
- Módulos multietapas: Generan diferencias de temperatura de más de 100 K para sensores IR o higrómetros de espejo frío
- Cámaras de niebla: Para detección de radiación alfa, electrones y positrones requieren tanto refrigeración como calefacción
- Sistemas de prueba: Donde la reversibilidad de Peltier es ideal para cambios rápidos de temperatura
Incubadoras Refrigeradas: Aplicación Emergente de Peltier
Recientemente, la tecnología Peltier se ha introducido en las incubadoras refrigeradas de los laboratorios. Para proveer bajas temperaturas constantes (por ejemplo, por debajo de los 10°C), son menos aptos, pero para incubaciones en un rango de temperatura ambiente (15–30°C) o en aplicaciones con entrada de calor, estos equipos pueden resultar económicos.
En estos casos, la mala eficiencia energética no tiene ninguna importancia, ya que la refrigeración funciona a un nivel bajo, sin que sea necesario recurrir a la potencia máxima. De este modo, el consumo energético medio puede situarse por debajo del de una incubadora refrigerada convencional y es posible ahorrarse la complejidad técnica de un sistema de compresores, con los inconvenientes que conlleva (ruido, vibración, mantenimiento).
Conclusiones Finales
La tecnología Peltier abre un mundo de nuevas posibilidades para aplicaciones específicas, especialmente cuando no se requieren potencia de refrigeración ni eficiencia energética máximas. Su escalabilidad y capacidad para funcionar en cualquier lugar permiten desarrollar equipos pequeños o portátiles.
Con los módulos Peltier se puede controlar la temperatura de forma eficiente en gradientes mínimos de temperatura gracias a la dosificación precisa de la potencia frigorífica. La ausencia de partes móviles, refrigerantes peligrosos y sistemas complejos de compresión hacen que sean ideales para laboratorios y aplicaciones científicas delicadas.
Debido a su elevado grado de eficacia y sus grandes reservas de potencia, los sistemas convencionales de refrigeración con compresores gozan de preeminencia en los equipos actuales de refrigeración y congelación como los que se encuentran en hogares y laboratorios de alto rendimiento.
Sin embargo, para aplicaciones específicas donde el control preciso, la portabilidad, la ausencia de ruido o el funcionamiento reversible sean críticos, la tecnología Peltier seguirá siendo la solución preferente.
Sobre el Autor
Jens Thielmann es licenciado en Biología y jefe de producto del área de Crecimiento y Almacenamiento de BINDER GmbH. Es responsable de producto para las diferentes incubadoras que se emplean en la investigación médica, científica y farmacéutica para la incubación de bacterias o cultivos celulares de mamíferos, así como de los congeladores a temperaturas ultrabajas para el almacenamiento estable de muestras sensibles a largo plazo.
BINDER GmbH: Es el mayor especialista del mundo en cámaras de simulación para laboratorios científicos e industriales. Con sus soluciones tecnológicas, la empresa contribuye sustancialmente a una mejora permanente de la salud y la seguridad de la humanidad. La gama de productos es apta tanto para aplicaciones rutinarias como para tareas específicas de investigación y desarrollo, producción y control de calidad.
Referencias Bibliográficas
MacDonald, D.K.C. (1962): Thermoelectricity. An Introduction to the Principles. Wiley, Nueva York.
Dugdale, J.S. (1977): The electrical Properties of Metals and Alloys. Edward Arnold, Londres.
Jäckle, J. (1998): Über die Ursache der Thermospannung. Facultad de Física, Universidad de Constanza.
Información Técnica y Contacto
BINDER GmbH – Especialista Mundial en Cámaras de Simulación
Web: www.binder-world.com
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