ASHRAE STUDENT BRANCH

ASHRAE PUCP NEWS

Volumen 1, n 1 Junio 2011

CONTENIDO:

PRIMER NMERO DEL BOLETN DEL ASHRAE PUCP STUDENT BRANCH!1 2

PRESENTACIN Artculo: Enfriamiento por Estado Slido Continuacin del artculo Continuacin del artculo Noticias Contacto

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El ASHRAE PUCP Student Branch saluda, en particular, a todos los miembros y, en general, a todos los interesados en los temas de HVAC&R y sostenibilidad. Esta organizacin, desde su formacin, ha credo conveniente publicar informacin relacionada con los temas en los que est comprometido: tecnologas e investigaciones sobre los sistemas HVAC&R, y sostenibilidad y cuidado ambiental. Otro punto importante tambin es informar acerca de todas sus actividades hacia el pblico respecto a los temas mencionados anteriormente y de integracin: conferencias, visitas tcnicas, reuniones de camaradera, etc. Todas estas necesidades nos condujeron a pensar en un

medio de difusin efectivo, por lo que este boletn, ASHRAE PUCP News, fue creado. En esta primera entrega del boletn del Student Branch, se publica la primera parte del interesante artculo, originalmente en ingls, ahora presentado en espaol, titulado Enfriamiento por estado slido (Solid-state cooling), de los autores John Dieckmann, Alissa Cooperman y James Brodrick. Este artculo fue publicado en el nmero de marzo del ASHRAE Journal del 2011. Tambin se puede encontrar informacin de las dos conferencias y de la visita tcnica a EDEGEL prximas a realizarse. Tambin se publica noticias sobre las actividades ya realizadas y mucho ms.

Finalmente, agradecemos cordialmente a los miembros del Student Brach por su apoyo y confianza; a los integrantes del LABEN, que sin su ayuda jams se hubiera podido empezar esta empresa tan llena de compromisos acadmico-sociales y de muchas grandes satisfacciones.

Puntos de inters especial: Interesante artculo en el que se da a conocer un sistema de refrigeracin alternativo y en desarrollo! No te pierdas las actividades prximas a realizarse del ASHRAE Student Branch: conferencias, visitas tcnicas, etc.!

Noticias CONFERENCIATema: TENDENCIA A LA EDIFICACIN

CONFERENCIATema: RECONSTRUCCIN AMBIENTAL Lugar: AUDITORIO DE CIENCIAS SOCIALES

SOSTENIBLE: CONVICCIN PARA LAS FUTURAS GENERACIONESLugar: AUDITORIO DE CIENCIAS SOCIALES

PUCP

PUCPFecha: VIERNES 22 DE JUNIO Hora: 18:30 20:30Pgina 4

Fecha: VIERNES 24 DE JUNIO Hora: 18:30 20:30

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Enfriamiento por Estado SlidoLos dispositivos Peltier, comnmente llamados termoelctricos, han estado disponibles comercialmente cerca de 50 aos, con investigacin activa dirigida a mejoramientos. Las otras tecnologas de enfriamiento de estado slido estn todava en la fase de investigacin y no han llevado a ningn producto comercial dominante. Mientras que es verdad que el equipo de enfriamiento de ciclo de compresin de vapor opera con eficiencias menores que el ciclo ideal de Carnot debido a perdidas inherentes, dispositivos de enfriamiento de estado slido tienen sus propias prdidas. miento, y desde el ciclo de enfriamiento al depsito de calor, aire o lquido. Comenzando con el ciclo de compresin de vapor, hay cuatro principales prdidas que tienen en cuenta mucho las discrepancias entre la actual y la ideal eficiencia para un dado conjunto de valores de temperaturas bajas y altas (de evaporacin y condensacin), como se indica en el diagrama P-h del ciclo de vapor (Figura 1): - Eficiencia menor que la del compresor ideal; - Rechazo en la porcin de sobrecalentamiento de descarga del compresor del calor residual sobre la temperatura de condensacin; - Expansin de entalpa constante, disipando potencialmente trabajo recuperable; y - Prdidas de presin en los serpentines y en la tubera de interconexin.

El efecto magnetocalrico es un efecto de estado slido en el cual cierto material slido responde a un cambio en el campo magntico producido por un cambio de temperatura. Sin embargo, el cambio de temperatura es tan pequeo que ciclos regenerativos con un fluido lquido que transporta calor, como una parte integral del ciclo, son necesitados para acondicionamiento de aire normal de edificios o aplicaciones de refrigeracin de comida, entonces es realmente un ciclo hbrido slido/fluido.

El reto clave para implementar el SSC, solid-state cooling (enfriamiento por estado slido) es encontrar materiales y configuraciones que minimicen sus prdidas inherentes y que pueda exceder los niveles de eficiencia que son rutinariamente obtenidos con un equipo de ciclo de compresin de vapor, y hacerlo a un costo comparable a los equipos de ciclo convencional de compresin de vapor. Cuando se considera la discrepancia entre la eficiencia actual y la ideal de cualquier ciclo de refrigeracin, las temperaturas del fluido de trabajo, alta y baja, (o temperaturas superficiales del material slido, alta y baja) sern consideradas, porque todos los equipos de refrigeracin en ltima instancia necesitan transferir calor desde el aire o lquido, siendo enfriados, al ciclo de enfria

Las ventajas y las potenciales ventajas de los dispositivos de enfriamiento de estado slido incluyen la ausencia de fluidos de trabajo que tienen intervencin ambiental (ejemplo, alto ODP y/o GWP), pequeo volumen y peso, y la habilidad para hacer pequeos dispositivos de capacidad de enfriamiento sin ninguna prdida que ocasione la disminucin de la eficiencia.

Pues los dispositivos de enfriamiento de estado slido no estn sujetos a las prdidas termodinmicas que ocurren en un ciclo de compresin de vapor; potencialmente, ellas podran proveer eficiencias de enfriamiento por encima de las eficiencias en las cuales los ciclos de vapor se han estancado en los aos recientes. Este ltimo punto es el fundamento de gran parte de la investigacin que se aplica en enfriamiento de estado slido.

Figura 1:Diagrama en el que se compara un ciclo real de vapor con un ciclo ideal de Carnot

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A S H R A E P UC P NE W S

VOLUMEN 1, N 1

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Enfriamiento por Estado SlidoTomaremos como ejemplo un equipo de aire acondicionado de ciclo de vapor operando a las temperaturas de rango AHRI, estndares para compresores de refrigerante en acondicionamiento de aire (130 F [54 C] condensando, 45 F [7 C] evaporando, 20 F [-7 C] sobrecalentando vapor de succin, 15F [-9 C] subenfriando lquido), con un compresor con el mejor COP que es comercialmente posible (~11 Btu/W.h EER o COP de 3.22, con R-410a, con eficiencia isoentrpica del motorcompresor de 74%). Permitiendo para 1 F (0.6 C) de prdida de temperatura de saturacin debido a las cadas de presin en las zonas de alta y de baja (para temperaturas promedio de evaporacin y condensacin de 46 C [7.8 C] y 129 C [53.9 C], respectivamente), el COP de Carnot de un ciclo de Carnot (TC/(TH -TC)) con TC y TH de 46 C [7.8 C] y 129 C [53.9 C], respectivamente, es 6.10. Regulando para la succin, el sobrecalentamiento de calor y el subenfriamiento de lquido dan un COP ideal de 6.2, entonces el COP del ciclo de vapor es 52% del ideal. Reales dispositivos de enfriamiento de estado slido tambin estarn sujetos a desviaciones del ideal. Los principios de los dispositivos Peltier son ilustrados en la Figura 2. La construccin de un mdulo termoelctrico es un despliegue de bolitas de bismuto de telurio del tipo P y N en sustratos cermicos del lado fro y caliente. La corriente elctrica alternativamente fluye a travs de las bolitas P y N, siempre fluyendo en la misma direccin a travs de cada tipo de bolita. El efecto Peltier produce calor que fluye desde el lado fro al lado caliente, en la misma direccin de la corriente de flujo a travs de las bolitas del tipo P y en la direccin opuesta de la corriente del flujo a travs de las bolitas del tipo N. Porque los materiales termoelctricos tienen una resistividad elctrica finita y

(continuacin)

Figura 2 : Configuracin de un mdulo termoelctricouna conductividad trmica finita, estos dispositivos estn sujetos a dos prdidas primarias: prdida de resistencia elctrica y prdida de conduccin trmica, que incrementan la entrada de potencia y reducen el flujo de red de calor de fro a calor. La prdida de voltaje de resistencia elctrica alcanza el voltaje que debe ser aplicado para conducir a travs del mdulo termoelctrico, incrementando la entrada de potencia requerida. Al mismo tiempo, el calor disipado de la resistencia elctrica en el mdulo reduce el flujo de calor de red desde el lado fro al caliente. Debido a la conductividad trmica finita del material termoelctrico, el calor es conducido desde el lado caliente al fro, es decir, reduciendo el flujo de red de calor desde el lado fro al caliente. La figura termoelctrica de valor mrito, ZT, de un material termoelctrico es un trmino adimensional que equilibra la fuerza del efecto termoelctrico con las prdidas debido a la conductividad trmica y a la resistividad elctrica: ZT = ST/k, Donde S es el coeficiente de Seebeck para el material, T es la temperatura absoluta, es la resistividad elctrica del material y k es la conductividad trmica del material. Valores de ZT ms altos se correlacionan directamente con ms altos COPs. En lo convencional, en dispositivos comercialmente disponibles, la resistencia elctrica y las prdidas de la conduccin trmica son suficientemente significantes para limitar ZT en la temperatura de habitacin a 1C, con el COP mximo estando muy por debajo al COP de los sistemas de ciclo de vapor. A pesar del bajo COP, los dispositivos termoelctricos disponibles comercialmente ofrecen la ventaja de ser compactos y adecuados para requerimientos de enfriamiento de baja capacidad tales como coolers de picnic pequeos y aplicaciones de enfriamiento de chips electrnicos. Para COPs que son competitivos con acondicionamiento de aire de ciclo de vapor predominante y equipos de refrigeracin, considerablemente valores ms altos de ZT, de 3 a mayores, son necesitados. Una considerable cantidad de la investigacin en curso est dirigida hacia la reduccin de ambas prdidas relativas a la capacidad de bombear calor del modo Peltier. Tpicamente, los objetivos de reducir la conductividad trmica mientras se incrementa la conductividad elctrica (la inversa de la resistividad elctrica) no son compatibles. caractersticas que pueden ser explotadas. (Contina en la pgina 6).

Charla,

TENDENCIA A LA EDIFICACIN SOSTENIBLE: CONVICCIN PARA LAS FUTURAS GENERACIONES

Expositores:Hctor Miranda | Ingeniero, LEED AP O+M | CEO Per GBC

Visin, Misin y Estrategias del Consejo Peruano de Construccin Sostenible

Julio Carrillo, Elda Silva | Arquitectos, LEED AP | IBRID SAC

Diseo y Arquitectura Sostenible y LEED como referencia baseGerson Sulla | Commissioning Agent | IBRID SAC

Calidad Ambiental Interior desde el enfoque de la Certificacin LEED ====================================== QU ES LA CONSTRUCCIN SOSTENIBLE? La construccin sostenible es la prctica de planear, disear, construir, operar, mantener y habitar proyectos integrales de construccin, que generan un impacto positivo para el ambiente, los usuarios y la comunidad. Este nuevo paradigma es una forma efectiva de minimizar el impacto del entorno edificado sobre el cambio climtico, los recursos naturales y la biodiversidad. Se estima que en promedio el entorno edificado, por sus actuales caractersticas de habitabilidad, es responsable de cerca de 40% de las emisiones globales de CO2. Las prcticas constructivas tienen impactos significativos en materia ambiental, puesto que utilizan una magnitud importante de recursos, en su mayora no renovables. Adems, el entorno edificado, producto de las actividades humanas durante su fase de operacin, es responsable en promedio en el mundo de: 17% del consumo de agua potable 25% del consumo de madera cultivada 30-40% del uso de energa 40-50% del uso de materias primas InformesASHRAE PUCP Student Branch

Seccin Ing. Mecnica | Laboratorio de Energa | PUCP Av. Universitaria 1801, San Miguel, Lima 32, Per. Telf: 626-2000 anexo 4860 Email: ashrae@pucp.edu.pe Siguenos en Facebook:http://www.facebook.com/ASHRAE.PUCP.Student.Branch Avanzando en HVAC&R para servir a la humanidad y promover un mundo sostenible''

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Charla,

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Reconstruccin ambientalExpositor: Luis Chirinos Garca | Ingeniero Mecnico | PUCP Dr. Ciencias Ambientales | Universidad EULA Chile A lo largo de la evolucin del hombre su relacin con su entorno ha ido cambiando para satisfacer sus necesidades bsicas. Dependiendo del tipo de actividad humana, los aspectos ambientales vinculados pueden alterar los procesos bio-geoqumicos que sustentan el funcionamiento del planeta y en algunos casos la salud del ser humano. Usualmente, el abordaje de estos problemas ambientales se hace a travs de un diagnstico del estado del sistema natural, cuyos resultados deberan complementarse con informacin ambiental relacionada con la evolucin del sistema natural y los efectos de la actividad humana. Este sera el caso de los procesos de combustin industrial de combustibles tales como el carbn, petrleo, o biomasa cuyo consumo se ha incrementado y masificado desde la era industrial y que contina siendo un elemento indispensable del crecimiento econmico de un pas. Por ello la reconstruccin ambiental se convierte en una herramienta de mucha utilidad para conocer la evolucin ambiental de una zona en particular con el propsito de saber las condiciones en que se encuentra el ecosistema, y as permiten proponer las herramientas ambientales para el seguimiento, control y mitigacin de los efectos negativos de la actividad.

Enfriamiento por Estado SlidoMientras esto se sostiene para la clase semiconductora de materiales que proveen la mejor performance termoelctrica, los semiconductores tienen nicas caractersticas que pueden ser explotadas. Mucha investigacin se ha centrado en la creacin de pozos cunticos o puntos cunticos que provee una movilidad de electrones ms grande para electrones que estn efectivamente transportando calor (reduciendo la resistividad elctrica), mientras decrece la conductividad trmica al mismo tiempo. El volumen de la investigacin reportada ha explorado el uso de pelculas finas, utilizando varias tcnicas de fabricacin de semiconductores o nanocomposiciones para construir estos rasgos cunticos. Una variedad de sistemas de materiales ha sido identificada que puede ser fabricada de esta manera para alcanzar ms altos ZT. Ejemplos que van desde el bismuto de telurio a combinaciones de bismuto y telurio, y otros elementos tal como antimonio y selenio a telurio-selenio-plomo, a cadenas moleculares de ter de polifenol y a cobaltatos en un substrato de silicona. Ahorro de energa Como se indic previamente, dispositivos termoelctricos con COPs mejores que los equipos convencionales de refrigeracin y aire acondicionado no han sido comercializados. Los resultados de la investigacin reportados en los recientes aos incluyen medidas de escala pequea de valores de ZT de temperatura de habitacin aproximando el objetivo nominal de 3, necesitado para empezar a producir equipos de enfriamiento de eficiencia competitiva. Asumiendo que sistemas de enfriamiento termoelctricos de eficiencia ms alta y viables emergen para aplicaciones de enfriamiento predominantes, el potencial para ahorros en energa es grande. La energa total primaria consumida anualmente para acondicionamiento de aire y refrigeracin en edificios residenciales y comerciales en los Estados Unidos (en 2006) es aproximadamente 6.2 Quads. Energa adicional significante es consumida para acondicionamiento de aire ambulante. Los mximos ahorros dependern de la magnitud del mejoramiento de la eficiencia sobre el ciclo de vapor y la extensin de la penetracin de mercado, ninguno de los cuales puede ser predicho desde ahora. Factores de mercado Los mdulos termoelctricos convencionales tienen una ventaja econmica sobre el ciclo de vapor donde capacidades de enfria-

(continuacin)miento pequeas son necesitadas, generalmente si menos de 50 W de capacidad de enfriamiento son necesitados. Para estas pequeas capacidades, uno o varios mdulos termoelctricos pueden proveer la capacidad de enfriamiento requerida, con significativamente menores espacio y peso y a ms bajo costo que un sistema de enfriamiento de ciclo de vapor. Mientras el COP de enfriamiento es considerablemente ms bajo con mdulos termoelctricos disponibles corrientemente, en pequeas capacidades el uso de energa no es frecuentemente un asunto de mucha importancia. Entre los productos comunes de aire acondicionado y refrigeracin, la capacidad de enfriamiento necesitada para refrigeradores residenciales, de la gama de 100 W a 400 W, es un modesto incremento desde los requerimientos de capacidad pequea que puede ser atendida por unos pocos mdulos termoelctricos. Para ser comercialmente viable en este contexto, valores de ZT mayores a 3 y de ms bajos costos sern necesarios. Para ms grandes requerimientos de capacidad para acondicionamiento de aire residencial y comercial y refrigeracin comercial, valores de ZT mayores a 3 sern necesarios y el costo necesitar ser incluso ms bajo.

Quines pueden ser miembros ASHRAE?

Laboratorio de Energa Seccin Mecnica PUCP Telfono: (511)626-2000 Anexo: 4860 Correo: ashrae@pucp.edu.pe

Los miembros ASHRAE son representados por estudiantes universitarios, ingenieros mecnicos, ingenieros electrnicos, ingenieros civiles, arquitectos, consultores, tcnicos instaladores, diseadores de sistemas, propietarios de inmuebles, institutos educativos, organizaciones de investigacin o cualquier persona relacionada e interesada con las ciencias y artes de HVAC&R y construccin sostenible.Estamos en la Web! ashrae@pucp.edu.pe

ASHRAE STUDENT BRANCHPara un mundo sostenible

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