Implementación de Celdas Peltier Para Refrigeración de Contenedores1
44
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EMILIANO ZAPATA DEL ESTADO DE MORELOS DIVISIÓN ACADÉMICA DE MECÀNICA INDUSTRIAL IMPLEMENTACIÓN DE CELDAS PELTIER PARA REFRIGERACIÓN DE CONTENEDORES REPORTE DE ESTADÍA QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MECATRÓNICA AREA EN AUTOMATIZACIÓN PRESENTA: ANGEL JAIME ELGUEA ASESOR INSTITUCIONAL ASESOR ACADÉMICO TEC. FERNANDO DAVID CASTRO GOMEZ ING. VICENTE GUADARRAMA CASTREJÒN SEGUNDO ASESOR DRA.ESTELA SARMIENTO BUSTOS EMILIANO ZAPATA, MORELOS, SEPTIEMBRE DE 2014
description
Utilización de fuentes de enfriamiento termoelectricos para mantener ciertos contenedores de gases a temperaturas aceptables.
Transcript of Implementación de Celdas Peltier Para Refrigeración de Contenedores1
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA
EMILIANO ZAPATA DEL ESTADO DE MORELOS
DIVISIÓN ACADÉMICA DE MECÀNICA INDUSTRIAL
IMPLEMENTACIÓN DE CELDAS PELTIER PARA REFRIGERACIÓN DE CONTENEDORES
REPORTE DE ESTADÍA
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MECATRÓNICA AREA EN AUTOMATIZACIÓN
PRESENTA:
ANGEL JAIME ELGUEA
ASESOR INSTITUCIONAL ASESOR ACADÉMICO TEC. FERNANDO DAVID CASTRO GOMEZ
ING. VICENTE GUADARRAMA CASTREJÒN
SEGUNDO ASESOR
DRA.ESTELA SARMIENTO BUSTOS
EMILIANO ZAPATA, MORELOS, SEPTIEMBRE DE 2014
CONTENIDO
Página Índice de figuras
Índice de tablas
Agradecimientos
Resumen
Summary
CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN
1.1 Planteamiento del Problema ............................................................................ 9
1.2 Planteamiento de la hipótesis .......................................................................... 9
1.3 Objetivos ............................................................................................................ 9
1.3.1 General ................................................................................................... 9
1.3.2 Específicos ............................................................................................. 9
1.4 Justificación .................................................................................................... 10
1.5 Alcances y Limitaciones ................................................................................. 10
1.5.1 Alcances ............................................................................................... 10
1.5.2 Limitaciones ......................................................................................... 10
1.6 Datos generales de la empresa ...................................................................... 11
1.6.1 Nombre y logotipo ............................................................................... 11
1.6.2 Dirección .............................................................................................. 11
1.6.3 Giro y tamaño ....................................................................................... 11
1.6.4 Filosofía de la empresa ....................................................................... 12
CAPITULO 2 MARCO TEÓRICO
2.1 Revisión Bibliográfica ............................................................................ 13
2.1.1 Proceso de refrigeración por compresión de vapor ................................. 13
2.1.2 Ley de Gay Lussac ....................................................................................... 14
2.1.3 Sistemas termoeléctricos de generación de potencia y de refrigeración 15
2.1.4 Efecto Peltier ................................................................................................ 16
2.1.5 Sensores ....................................................................................................... 18
2.1.6 Sensor de temperatura de precisión .......................................................... 19
2.1.6.1 Características .................................................................................. 20
2.1.6.2 Diagrama de conexión ..................................................................... 20
2.1.6.3 Sensor de temperatura con rango completo ................................. 21
2.1.7 Bomba de agua ............................................................................................. 21
2.1.7.1 Descripción ....................................................................................... 21
2.1.7.2 Características .................................................................................. 22
2.1.8 Microcontrolador .......................................................................................... 23
2.1.8.1 Arduino .............................................................................................. 23
2.1.8.2 Ventajas de usar Arduino ................................................................ 23
2.1.8.3 Especificaciones: ............................................................................. 24
2.1.8.4 Funciones principales ......................................................................... 24
2.1.8.5 Energía .............................................................................................. 25
2.1.8.6 Entrada y salida ................................................................................ 25
2.2 Perspectiva Teórica......................................................................................... 26
CAPITULO 3 DESARROLLO
3.1 Procesos de administración ........................................................................... 28
3.1.1 Inicio ..................................................................................................... 28
3.1.2 Planeación ............................................................................................ 28
3.1.3 Ejecución del Proyecto ....................................................................... 28
3.1.3.1 Observación del área de trabajo .............................................................. 28
3.1.3.2 Listado y compra de materiales ............................................................... 29
3.1.3.3 Prueba de materiales ................................................................................ 30
3.1.3.4 Diseño de sistema de refrigeración ......................................................... 34
3.1.3.4.1 Tanque térmico ................................................................................. 34
3.1.3.4.2 Bomba de agua ................................................................................. 35
3.1.3.4.3 Enfriador Peltier ............................................................................... 35
3.1.3.5 Prueba de sistema de refrigeración ......................................................... 36
3.1.3.6 Diseño de sistema de protección para sistema de refrigeración .......... 38
3.1.3.7 Diseño de programación Arduino ............................................................ 39
3.1.4 Control ........................................................................................................... 40
3.1.5 Cierre ............................................................................................................. 40
CAPITULO 4 CONCLUSIONES
4.1 Comprobación de la hipótesis ....................................................................... 41
4.2 Cumplimiento de objetivos ............................................................................. 41
4.3 Resultados ....................................................................................................... 41
4.4 Contribuciones ................................................................................................ 41
REFERENCIAS
ANEXOS
ÍNDICE DE FIGURAS
Página
1.1 Logotipo de la empresa ................................................................................... 11
2.1 Sistema de refrigeración por compresión de vapores ..................................... 13
2.2 Efecto Seebeck ............................................................................................... 16
2.3 Efecto celda Peltier ......................................................................................... 17
2.4 Polarización Celda Peltier ............................................................................... 17
2.5 Diversidad de sensores ................................................................................... 19
2.6 Diagrama de conexión sensor LM35 ............................................................... 20
2.7 Diagrama electrónico sensor LM35 ................................................................. 21
2.8 Dimensiones de bomba de agua ..................................................................... 22
2.9 Arduino nano ................................................................................................... 26
3.1 Contenedor cubierto por hielo ......................................................................... 29
3.2 Elementos de prueba celda Peltier .................................................................. 31
3.3 Prueba fuente de poder ATX ........................................................................... 32
3.4 Manguera de succión bomba .......................................................................... 33
3.5 Mini bomba funcionando ................................................................................. 33
3.6 Sistema de refrigeración Peltier ...................................................................... 34
3.7 Espuma de poliuretano flexible ....................................................................... 35
3.8 Celda peltier completa ..................................................................................... 36
3.9 Celdas peltier funcionando .............................................................................. 37
3.10 Celda peltier congelando ............................................................................... 37
3.11 Prueba final celda Peltier ............................................................................... 38
3.12 Circuito de protección del sistema ................................................................. 39
ÍNDICE DE TABLAS
Página
2.1 Especificaciones arduino nano ........................................................................ 24
3.1 Listado de materia ........................................................................................... 30
3.2 Colores y voltajes de fuente de poder ATX ..................................................... 32
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a:
En primer lugar doy gracias a Dios, por darme la oportunidad de salir adelante, por
darme la fuerza y paciencia necesarias para llegar hasta donde he llegado.
Brindo mis más sinceros agradecimientos a todas las personas que hicieron posible
la realización y culminación del proyecto.
A todos los profesores de la universidad tecnológica de Emiliano Zapata, en especial
al área de DAMI, ya que gracias a su comprensión, solidaridad y apoyo se
cumplieron con éxito los objetivos.
Mis padres por su invaluable apoyo moral y económico, por brindarme la confianza
que necesitaba, por preocuparse por mí, y enseñarme a salir adelante sin importar
los obstáculos que se presenten.
Al equipo de trabajo con el que me toco elaborar mis estadías, equipo de
Refrigeración Pegaso, gracias por el apoyo incondicional que se mostró a lo largo del
proyecto, por las discusiones de equipo, por ser más que compañeros, ser amigos,
por todos aquellos chistes y buenos momentos que pasamos.
A mi novia por su apoyo incondicional, por soportar todos mis momentos de
ausencia, por preocuparse por mí a toda hora del día.
RESUMEN
Durante las últimas décadas el tema de la contaminación ambiental ha sido uno de
los temas más controversiales en el medio, por tal motivo se han creado
movilizaciones a nivel industrial para reducir lo más posible el impacto de la
contaminación, la refrigeración no se ha quedado atrás creando así el convenio de
Viena y el protocolo de Montreal, que consiste en eliminar la producción de gases
refrigerantes del tipo CFC que son demasiado letales para nuestra capa de ozono.
El presente escrito pretende dar a conocer al lector el alto impacto que se lograría al
cambiar todo sistema de refrigeración por compresión de gases, por un sistema
termoeléctrico utilizando el efecto Peltier.
La investigación contiene la problemática que se encontró, como también se describe
la metodología de análisis y solución poniendo de por medio los objetivos a alcanzar.
SUMMARY
In recent decades the issue of environmental pollution has been one of the most
controversial issues in the middle, for that reason have created industry-wide
mobilizations to reduce as much as possible the impac of pollution, cooling is not
lagged behind creating and the Viena convention and the Montreal Protocol, which is
to eliminate the production of CFC type refrigerant gases that are too deadly to our
ozone layer.
This paper aims to present the reader with high impact would be achieved by
changing the whole system compression refrigeration gases, by a thermoelectric
system using the Peltier effect.
Research has found that the problem, as the analysis and solution methodology is
also described is by putting the objectives to be achieved.
9
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1 Planteamiento del Problema
El problema radica principalmente en todo tipo de sistemas de refrigeración que
ocupen como proceso de enfriamiento compresión de vapores, en todo caso gases
refrigerantes, debido a que el proceso de recuperación de gas refrigerante suele ser
un proceso tardado y en la mayoría de los casos se tiene que mantener el
contenedor de gas recuperado cubierto con hielo, una gran mayoría de técnicos en
refrigeración optan por liberar el gas refrigerante sin tener en cuenta el daño que le
ocasionan a la capa de ozono.
1.2 Planteamiento de la hipótesis
No aplica
1.3 Objetivos
1.3.1 General
Implementar un sistema electrónico de refrigeración, omitiendo el uso de gases
refrigerantes para el beneficio del medio ambiente.
1.3.2 Específicos
Diseñar un sistema compacto y práctico de refrigeración electrónica con la capacidad
de alcanzar una temperatura optima de 10 grados centígrados.
10
1.4 Justificación
La implementación del efecto Peltier a favor del sistema de recuperación de gas
refrigerante lograra reducir la expulsión hacia la capa de ozono de gases del tipo
CFC, cuyas moléculas están constituidas por cloro, flúor y carbono que tienen una la
capacidad de destruir la capa de ozono, y se lograra facilitar y reducir el tiempo de
recuperación del gas refrigerante, logrando así hacer más eficiente el proceso de
recuperación de gas y además eliminar viejos y costosos métodos de enfriamiento de
contenedor externo.
1.5 Alcances y Limitaciones
1.5.1 Alcances
Lograr evitar que los técnicos en refrigeración expulsen los gases refrigerantes hacia
la capa de ozono y de esta manera hacer de manera correcta y eficiente la
recuperación de gas refrigerante.
1.5.2 Limitaciones
El proyecto tiene un alto consumo de corriente directa, dificultando su
realización a gran escala.
El proyecto está dirigido específicamente a refrigeración.
11
1.6 Datos generales de la empresa
1.6.1 Nombre y logotipo
El nombre de la empresa donde realice las estadías es Refrigeración Pegaso, y el
logotipo se muestra a continuación en la figura 1.1.
Figura. 1.1 Logotipo de la empresa
1.6.2 Dirección
La dirección donde está ubicada la empresa es la siguiente: Av. Conalep 130 Col.
Azteca, Temixco, Morelos.
1.6.3 Giro y tamaño
Se le considera como una micro empresa que cuenta con 4 empleados, se
desempeña generalmente en brindar servicios de mantenimiento a cámaras
frigoríficas.
12
1.6.4 Filosofía de la empresa
Visión
Ser un prestador del servicio en refrigeración destacado y reconocido.
Misión
Ofrecer un servicio competitivo y de calidad que cumpla con las expectativas del
cliente.
13
CAPITULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1 Revisión Bibliográfica
2.1.1 Proceso de refrigeración por compresión de vapor
En la figura 2.1 se muestra un diagrama de flujo que indica los componentes básicos
del sistema de refrigeración por compresión de vapor. Para ayudar a comprenderlo,
se indican algunas temperaturas típicas para el caso del acondicionamiento del aire.
El fluido refrigerante circula a través de la tubería y el equipo en la dirección indicada.
Hay cuatro procesos (cambios en el estado del fluido) que se efectúan a medida que
el fluido pasa a través del sistema:
Figura 2.1 Sistema de refrigeración por compresión de vapores
Proceso 1-2. En el punto (1), el refrigerante se encuentra en estado líquido a una
presión y temperatura relativamente altas. Pasa a (2) a través de una restricción, que
se llama dispositivo de control de flujo, o también dispositivo de expansión. El
refrigerante pierde presión al pasar por la restricción. La presión en (2) es tan baja
que se evapora una pequeña parte del refrigerante, pasando al estado gaseoso.
Pero para evaporarse debe ganar calor, que toma de la parte del refrigerante que no
se evaporo, y así se enfría la mezcla, produciendo la baja temperatura en (2).
14
Proceso 2-3. El refrigerante pasa a través de un cambiador de calor llamado
evaporador. Este cambiador tiene dos circuitos. El refrigerante circula por uno y el
otro fluido por enfriar, que generalmente es aire o agua, pasa por el otro. El fluido por
enfriar está a una temperatura ligeramente mayor que la del refrigerante, y se
produce el efecto de enfriamiento que se desea. El refrigerante hierve debido al calor
que recibe en el evaporador. Para cuando sale del evaporador (4) esta vaporizado
por completo.
Proceso 3-4 Al salir del evaporador, el refrigerante es un gas a baja temperatura y
baja presión. Para poder volver a usarlo y obtener continuamente el efecto de
evaporación, se debe regresar a las condiciones de (1): líquido a alta presión. EL
primer paso en este proceso es aumentar la presión del refrigerante gaseoso
mediante el empleo de un compresor. Al comprimir el gas también se obtiene un
aumento de temperatura.
Proceso 4-1. El refrigerante sale del compresor en estado gaseoso a alta
temperatura y presión. Para pasar al estado líquido, se le debe eliminar calor. Esto
se logra en un cambiador de calor que se llama condensador. El refrigerante fluye a
través de uno de los circuitos del condensador. En el otro pasa un fluido de
enfriamiento, aire o agua, a menos temperatura que el refrigerante. Por lo tanto el
calor se transfiere del refrigerante al fluido de enfriamiento y, como resultado de eso
el refrigerante se condensa y pasa a la forma líquida (1). El refrigerante ha vuelto a
su estado inicial y está listo para repetir el ciclo. Desde luego, estos procesos en
realidad son continuos al circular el refrigerante a través del sistema(Pita, 2004).
2.1.2 Ley de Gay Lussac
Las tres cantidades que determinan el estado de una masa dada de gas son su
presión, volumen y temperatura. La ley de Boyle se ocupa de los cambios de presión
y de volumen a temperatura constante, y la ley de Charles se refiere al volumen y
15
temperatura bajo presión constante. La variación de presión como función de
temperatura se describe en una ley atribuida a Gay- Lussac.
Si el volumen de una muestra de gas permanece constante, la presión absoluta de
dicho gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.
Esto significa que si se duplica la presión aplicada al gas, su temperatura absoluta se
duplicara también(Tippens, 2011).
2.1.3 Sistemas termoeléctricos de generación de potencia y de refrigeración
Todos los sistemas de refrigeración estudiados antes incluyen muchas partes
móviles y componentes voluminosos y complejos. Por ello, la siguiente pregunta
viene a la mente, ¿es necesario que un sistema de refrigeración sea tan complicado?
¿Será posible lograr el mismo efecto de una manera más directa?.
La respuesta a estas preguntas es sí. Es posible emplear la energía eléctrica de
forma más directa para producir enfriamiento sin involucrar ningún refrigerante ni
partes móviles. A continuación se analiza uno de esos sistemas, llamado refrigerador
termoeléctrico.
Considere dos alambres de diferentes metales unidos en ambos extremos (uniones),
formando un círculo cerrado. Ordinariamente no ocurrirá nada, sin embargo, cuando
se calienta alguno de los extremos sucede algo interesante: una corriente fluye
continuamente en el circuito como se observa en la figura 2.2. Esto se conoce como
el efecto Seebeck, en honor a Thomas Seebeck, quien realizo este descubrimiento
en 1821.
16
Figura 2.2 Efecto Seebeck
El efecto Seebeck tiene dos aplicaciones principales: la medición de temperatura y la
generación de potencia. Cuando el circuito termoeléctrico se rompe, la corriente deja
de fluir y es posible medir la fuerza impulsora (la fuerza electromotriz) o el voltaje
generado en el circuito mediante un voltímetro(A, 2009).
2.1.4 Efecto Peltier
En 1834 el señor Jean C. A. Peltier descubrió el efecto Peltier. El cual consiste en la
manifestación de una variación térmica en la unión de dos metales diferentes,
cuando se establece una corriente eléctrica entre ellos. El concepto rudimentario de
Peltier fue paulatinamente perfeccionado para que fuera un solo bloque con las
uniones semiconductoras, conectadas por pistas de cobre y dispuestas de tal
manera, que transportara el calor desde una de sus caras hacia la otra, haciendo del
mecanismo una bomba de calor, ya que es capaz de extraer el calor de una
determinada superficie y llevarlo hacia su otra cara para disiparlo, como se muestra
en la figura 2.3, este dispositivo es denominado celda Peltier o dispositivo
termoeléctrico peltier el cual se utiliza principalmente en los sistemas de
refrigeración.
17
Figura 2.3 Efecto celda Peltier
Una Peltier es una matriz con muchos termopares dispuestas en un espacio muy
reducido. Los termopares que lo conformar no están fabricados de simples metales,
si no de semiconductores. Por lo general dichas celdas están fabricadas con
Bismuto, para la cara de semiconductor tipo P y Telurio para la cara tipo N. Dichas
celdas están dispuestas eléctricamente en serie mediante conductores de cobre.
Para aislar los conductores de cobre del disipador se agrega entre ellos una placa de
cerámica que funciona como aislante.
Figura.2.4 Polarización Celda Peltier
Una polarizacion como la mostrada en la figura 2.4, se distribuye a lo largo de cada
elemento semiconductor de la celda, es decir, cada elemento semiconductor posee
una diferencia de potencial proporcional a la polarizacion de entrada. Por esta razon
los portadores mayoritarios, electrones debilmente ligados, emigran hacia el lado
18
positivo de cada uno de sus extremos en los elementos semiconductores tipo N,
debido a la atraccion de cargas de diferente signo. Mientras que los portadores
mayoritarios huecos de los elementos semiconductores tipo P, emigran hacia la
terminal negativa que se encuentra en cada uno de sus extremos. Esta ausencia de
cargas en cada elemento semiconductor cerca de la union metal-semiconductor
provoca un enrarecimiento de cargas y el consecuente descenso de temperatura en
el area circundante. Por otro lado, la compresion o acumuladores cerca de la union
metal-semiconductor en la parte de baja de los elementos semiconductores que se
muestra en la figura, provoca un ascenso de temperatura. Este conportamiento nos
permite afirmar que si invertimos la polaridad de la fuente de alimentacion, la cara fria
ahora calentara y la cara caliente sufrira un descenso de temperatura(A, 2009).
2.1.5 Sensores
Las aplicaciones de la electrónica, presentes actualmente en innumerables aspectos
de nuestra vida cotidiana, no serían posibles sin los sensores. Sin la capacidad que
estos ofrecen de medir magnitudes físicas para su conocimiento o control, muchos
de los dispositivos electrónicos no serían más que simples curiosidades de
laboratorio.
La utilización de sensores es indispensable en la automatización de industrias de
proceso y manufacturados, incluida la robótica, en ingeniería experimental, en
sectores no productivos como son el ahorro energético y el control ambiental, en
automóviles y electrodomésticos, en la agricultura y medicina(Areny, 2007)(Ver figura
2.5).
19
Figura 2.5 Diversidad de sensores
2.1.6 Sensor de temperatura de precisión
El LM35 es un sensor de temperatura integrado de precisión, cuya tensión de salida
es linealmente proporcional a la temperatura en grados centígrados. El LM35 por lo
tanto tiene una ventaja sobre los sensores de temperatura lineal calibrada en graos
kelvin: que el usuario no está obligado a restar una gran tensión constante para
obtener grados centígrados. El LM35 no requiere ninguna calibración externa o
ajuste para representar una precisión típica de ± 1.4 ºC a temperatura ambiente y ±
3.4 ºC a lo largo de su rango de temperatura de -55 a 150 ºC. El dispositivo se ajusta
y se calibra durante el proceso de producción. La baja impedancia de salida, la salida
lineal, y la precisa calibración inherente permite la creación de circuitos de lectura o
control específicamente sencillos. El LM35 puede trabajar con alimentación simple o
alimentación doble (+ -).
Requiere solo 60 mA para alimentarse, y bajo factor de auto-calentamiento, menos
de 0.1 ºC en aire estático(Diaz, 2011).
20
2.1.6.1 Características
Calibrado directamente en grados Celsius (Centígrados).
Factor de escala lineal de +10 mV / ºC.
0,5ºC de precisión a +25 ºC.
Rango de trabajo: -55 ºC a +150 ºC.
Apropiado para aplicaciones remotas.
Bajo coste.
Funciona con alimentaciones entre 4V y 30V.
Menos de 60 µA de consumo.
Baja impedancia de salida, 0,1W para cargas de 1mA.
2.1.6.2 Diagrama de conexión
En la figura 2.6, se muestra el diagrama de conexión del sensor LM35.
Figura 2.6 Diagrama de conexión sensor LM35
21
2.1.6.3 Sensor de temperatura con rango completo
En la figura 2.7, se muestra el diagrama electrónico del sensor LM35.
Figura 2.7 Diagrama electrónico sensor LM35
2.1.7 Bomba de agua
2.1.7.1 Descripción
Utiliza 12V DC (Corriente Directa).
Sellada y sumergible.
Vida útil arriba de los 4 años en condiciones normales de trabajo.
Muy bajo ruido, solo genera 35dB.
22
2.1.7.2 Características
Energía: 12VDC.
Corriente: 350mA a 12V.
Salida: 3.6 Litros por minuto.
Tamaño del tubo de entrada: 8mm.
Tamaño del tubo de salida: 5mm.
Altura máxima alcanzada: 2 metros.
Vida útil: 20,000 horas.
Temperatura de trabajo: <50°C.
Peso: 141 gramos.
En la figura 2.8, se muestran las dimensiones de la bomba de agua.
Figura 2.8 Dimensiones de bomba de agua
23
2.1.8 Microcontrolador
2.1.8.1 Arduino
Está diseñado para artistas, diseñadores como hobby y para cualquier persona
interesada en crear objetos o entornos interactivos.
Arduino puede sentir el entorno mediante la recepción de entradas desde una
variedad de sensores y puede afectar a su alrededor mediante el control de luces,
motores y otros dispositivos electrónicos y eléctricos. El microcontrolador de la placa
se programa usando el Arduino Programming Language, basado en wiring y el
Arduino Development Environment , basado en processing. Los proyectos de
Arduino pueden ser autónomos o se pueden comunicar con software en ejecución en
un ordenador.
2.1.8.2 Ventajas de usar Arduino
Las placas de Arduino son relativamente baratas comparadas con otras
plataformas microcontroladoras.
El entorno de programación de Arduino es fácil de usar para principiantes,
pero suficiente flexible para que usuarios avanzados puedan aprovecharlo
también.
El software de Arduino está publicado como herramienta de código abierto,
disponible para extensión por programadores experimentados, el lenguaje
puede ser expandido mediante librerías de C++.
24
2.1.8.3 Especificaciones:
A continuación la tabla 2.1 muestra las especificaciones de Arduino nano:
Microcontrolador ATmega328
Voltaje de funcionamiento (nivel
lógico)
5 V
Voltaje de entrada recomendado 7-12 V
Voltaje de límite de entrada 6-20 V
Pines digitales I/O 14 ( 6 proporcionan una salida PWM)
Pines de entrada analógica 8
Corriente de I/O 40 mA
Memoria Flash 32 KB de los cuales 2 KB son utilizados por el
boot loader
EEPROM 1 KB
Velocidad de reloj 16 MHz
Dimensiones 0,73 "x 1,70"
Tabla 2.1 Especificaciones Arduino nano
2.1.8.4 Funciones principales
Reset automático al descargar el programa.
Led indicador de encendido.
Led Tx, Rx y L.
Jumper para 5v conectado a Aref.
Regulador de tensión de 5v integrado.
Conector mini-B USB para programación y comunicación serie integrado en
placa.
Conector ICSP para programación.
25
Botón de reset integrado.
Boot loader integrado que permite programarlo con el entorno de desarrollo
Arduino sin necesidad de un programador externo.
2.1.8.5 Energía
El Arduino nano posee selección automática de alimentación y puede ser
alimentado a través de:
Una conexión mini-B USB.
Una fuente de alimentación no regulada de 6-20 V (pin30.).
Una fuente de alimentación regulada 5V (pin6).
2.1.8.6 Entrada y salida
Cada uno de sus 14 pines digitales de Arduino nano puede ser utilizado como
entrada o salida. Los mismos operan a 5V y pueden recibir un máximo de 40mA y
tienen una resistencia interna Pull- Up (desconectado por defecto) de 20 a 50 KΩ,
además algunos pines tiene funciones especiales:
Serie: 0 (RX) y 1 (TX), se utilizan para recepción y transmisión de datos
respectivamente.
Interrupciones externas, D2 y D3. Estos pines pueden ser configurados para
activar una interrupción por valor bajo o flanco ascendente o descendente.
PWM: D3, D5, D6, D9, D10, D11. Proporcionan 8 bits PWM de salida.
AREF: 18. Voltaje de referencia para entradas analógicas.
Led: D13. La placa dispone de un led integrado conectado al pin D13. Cuando
el pin tiene un valor alto, el led está encendido, si el valor es bajo el led está
apagado.
26
El Arduino Nano tiene 8 entradas analógicas, cada una de las cuales proporcionan
10 bits de resolución, es decir, 1024 valores diferentes(Gonzales, 2005)(Ver figura
2.9).
Figura 2.9 Arduino nano
2.2 Perspectiva Teórica
Cuando dos metales distintos se ponen en contacto (soldadura), aparece una
diferencia de potencial (V) debida a que los electrones libres de uno de los metales
tienen más energía que los del otro. Cuando se hace pasar una corriente eléctrica
por la soldadura, si la dirección de la corriente es contraria a la diferencia de
potencial, los electrones tienen que ganar energía y lo extraen de los metales
enfriando la soldadura. Mientras que si es a favor los electrones pierden energía
cediéndola a la soldadura que se calienta.
Usando principalmente la teoría mencionada anteriormente se pudo demostrar que
es posible obtener resultados óptimos de refrigeración para funciones específicas,
dejando de un lado el sistema de refrigeración por compresión de vapores, siendo
este el más popular en la actualidad, y diseñar un nuevo sistema de refrigeración
aprovechando las propiedades termoeléctricas de los semiconductores, en este
27
caso, Telurio y Bismuto, obteniendo así un sistema de refrigeración de bajo costo,
poco voluminoso y sin la necesidad de usar gases, que en su mayoría afectan a la
capa de ozono.
Es de suma importancia mencionar que para hacer un uso adecuado y obtener un
óptimo resultado del efecto Peltier, se requiere mantener la cara caliente de la celda
Peltier con un buen disipador, siendo su mayoría de aluminio, en conjunto con un
cooler, ventilador, para así garantizar que la cara caliente de la celda Peltier se
mantenga a una temperatura razonable y evitar que la celda Peltier se funda al
instante por el exceso de temperatura.
28
CAPITULO 3
DESARROLLO
3.1 Procesos de administración
3.1.1 Inicio
Los primeros días de estadía se utilizaron para conocer el área de trabajo donde me
desenvolvería y al equipo de trabajadores de la empresa, ya que en esencia ellos
son los que conocen los problemas de la empresa, del análisis de las situaciones y
procesos que se llevaban dentro de la misma se encontró que había un conjunto de
intereses que giraban en torno de diversos problemas ya ubicados por el equipo de
trabajo de la empresa, de esta manera fue como se llevó a cabo el proceso de
elección de proyecto a realizar.
3.1.2 Planeación
Se llevó a cabo la planificación y programación entre tiempos y procesos a realizar
durante las estadías para así poder llevar un control adecuado (Ver anexo A).
3.1.3 Ejecución del Proyecto
3.1.3.1 Observación del área de trabajo
Se dio inicio a la observación de procesos que se llevaban a cabo en la empresa
Refrigeración Pegaso, para así poder encontrar y discutir diversas carencias y
problemas y encontrar su posible solución.
29
En la figura 3.1 se puede observar que el tanque recuperador de gas refrigerante
necesita estar cubierto completamente por hielo para poder así almacenar el gas
refrigerante adecuadamente, cabe mencionar que anteriormente ya se había
planteado, que de no estar cubierto de hielo el tanque recuperador se corría el riesgo
de que este se sobrecalentara provocando así una posible explosión del mismo,
llevándonos de esta forma a elegir este problema como el de prioridad para la
empresa.
Figura 3.1 Contenedor cubierto por hielo
3.1.3.2 Listado y compra de materiales
Se procedió a realizar un listado de materiales, el primer problema que surgió al
realizar el listado y cotizado de materiales, fue que debido a la baja demanda de las
celdas Peltier en el estado, no hubo manera de obtenerlas de manera óptima y
adecuada, así que se procedió a hacer la cotización vía internet obteniendo buenos
resultados.
El listado del material a utilizar se muestra en la tabla 3.1
Material Cantidad
30
Celda Peltier 60 W 3
bomba de agua 1
Fuente de poder 300W 1
Disipador de aluminio 3
Ventilador p/disipador 3
Espuma de poliuretano 2
Silitek 1
LM35 3
Manguera 3mm 2
Tanque de plástico 1
Sellado de silicona 1
Tabla 3.1 Listado de materia
Cabe mencionar que del listado mostrado en la tabla 3.1, se encontró que algunos de
los materiales se tenían en existencia en el almacén de la empresa, reduciendo así la
lista de materiales por adquirir.
3.1.3.3 Prueba de materiales
Se procedió a probar cada uno de los elementos adquiridos, empezando por las
celdas Peltier, cabe mencionar que se debe tener mucho cuidado a la hora de probar
las celdas Peltier, ya que la cara caliente de la celda Peltier de no tener una debida
disipación del calor podría quemarse en cuestión de segundos, en la figura 3.2 se
muestran los elementos necesarios para la prueba de la celda Peltier.
Disipador de aluminio
31
Ventilador cooler
Silitek
Figura 3.2 Elementos de prueba celda Peltier
Para tener una perfecta transferencia de calor de la cara caliente de la celda Peltier
al disipador de aluminio se procedió a poner una ligera capa de Silitek a la cara
caliente de la celda.
Después de la prueba, se confirmó que cada una de las celdas adquiridas contaban
con un correcto funcionamiento y así es como se concluyó la prueba de las celdas
Peltier.
Se procedió a hacer la respectiva verificación de la fuente de poder, debido a que
esta fuente de poder tiene diversas salidas de voltaje de corriente directa, siendo la
de 12 V la que se ocupara para este proyecto, se procedió a investigar su ficha de
especificaciones, a continuación se muestra la tabla 3.2 de colores y voltajes de la
fuente de poder.
FUENTE TIPO ATX
PIN COLOR DE CABLE SEÑAL
1 Anaranjado 3.3 V
2 Anaranjado 3.3 V
3 Negro Tierra
4 Rojo 5 V
5 Negro Tierra
6 Rojo 5 V
32
7 Negro Tierra
8 Plomo Power Good
9 Violeta 5 V Stand by
10 Amarillo 12 V
11 Anaranjado 3.3 V
12 Celeste -12 V
13 Negro Tierra
14 Verde Power On
15 Negro Tierra
16 Negro Tierra
17 Negro Tierra
18 Blanco -12 V
19 Rojo 5 V
20 Rojo 5 V Tabla 3.2 Colores y voltajes de fuente de poder ATX
Teniendo en cuenta la tabla 3.2, y con multímetro para comprobar, como se muestra
en la figura 3.3, se demostró que definitivamente la fuente de poder tenía un correcto
funcionamiento, comprobando que el cable amarillo si da como salida 12 V de
corriente directa.
Figura 3.3 Prueba fuente de poder ATX
Cabe mencionar que es de suma importancia unir el PIN 14, color verde, con
cualquiera de los cables negros o tierra, ya que estos son un switch interno de la
fuente de poder, y sin ellos conectados la fuente no proporcionara tensión.
33
Previamente de hacer la prueba de la bomba de agua se procedió a conseguir las
mangueras del tamaño indicado por el fabricante, para la boquilla de succión y
expulsión del líquido a bombear.
En la figura 3.4 se muestra la forma adecuada de probar la mini bomba de agua, de
no tener la manguera de succión totalmente sumergida en el líquido a succionar se
corre el riesgo de dañar la bomba de agua definitivamente.
Cabe mencionar que esta bomba es de 12 VCD y tiene un consumo muy bajo de
corriente, rondando los 300 mA, dando la opción de alimentarla con un panel solar.
Figura 3.4 Manguera de succión bomba
En la figura 3.5 se demuestra que la bomba trabaja en optimas condicionas,
tomando en cuenta todas las recomendaciones del fabricante, se espera que tenga
una vida útil de 5 años aproximadamente.
Figura 3.5 Mini bomba funcionando
34
3.1.3.4 Diseño de sistema de refrigeración
Se realizó el respectivo análisis, para así poder elegir entre distintos diseños del
sistema de refrigeración Peltier, llevándonos a elegir el siguiente diseño como
prototipo final del proyecto.
En la figura 3.6 se muestra de manera empírica el diseño del sistema de
refrigeración Peltier.
Figura 3.6 Sistema de refrigeración peltier
El sistema de refrigeración Peltier está conformado principalmente por 3 partes muy
importantes, tanque térmico, bomba de agua y enfriador Peltier, a continuación se
explicara la función de cada una de ellas.
3.1.3.4.1 Tanque térmico
Se procedió a forrar completamente un recipiente con espuma de poliuretano flexible,
el recipiente a forrar debía tener las dimensiones necesarias para poder sumergir el
contenedor de gas refrigerante, el propósito de forrar el recipiente con espuma de
poliuretano radica en la propiedad de aislar térmicamente del exterior al recipiente,
35
de esta forma conseguiremos mantener la temperatura interna del recipiente hasta 7
grados centígrados por debajo de la temperatura ambiente (Ver figura 3.7).
Figura 3.7 Espuma de poliuretano flexible
3.1.3.4.2 Bomba de agua
La bomba de agua se encargara de hacer fluir en circuito cerrado el agua, desde el
tanque térmico, haciéndola recorrer forzosamente por el enfriador Peltier, logrando
así enfriar el agua hasta una temperatura por debajo de los 15 grados centígrados.
Es importante mencionar que por las características de la bomba de agua estarán
circulando 3 litros de líquido por minuto por el enfriador Peltier.
3.1.3.4.3 Enfriador Peltier
El enfriador Peltier está constituido por 3 celdas Peltier con sus respectivos
radiadores o comúnmente llamados disipadores de calor, de frio y ventilador, de una
forma muy parecida a como se muestra en la figura 3.8.
36
Figura 3.8 Celda Peltier completa
Para lograr enfriar el agua en su transcurso de recorrido por las celdas Peltier se
pretendió crear una clase de serpentín con la manguera de la bomba que este en
contacto directo con los 3 radiadores de frio de las celdas Peltier, de esta forma se
garantizara que el fluido, en este caso agua perderá calor de manera cíclica logrando
así mantener el tanque térmico con agua a temperatura menor de 15 grados
centígrados para poder sumergir perfectamente el contenedor de gas refrigerante y
lograr hacer más eficiente la recuperación del gas refrigerante.
3.1.3.5 Prueba de sistema de refrigeración
Las pruebas no se realizaron completamente debido a que el proyecto no se terminó
al 100 por ciento de forma física por lo cual quedara documentado en la empresa con
posibilidad de realizarse en un tiempo no muy lejano fuera de las estadías a petición
del asesor industrial, por tal motivo solo se realizaron pruebas de enfriamiento de
agua por las celdas Peltier, a continuación en la figura 3.9 se pueden observar las
placas conectadas y trabajando al 100 por ciento, durante esta prueba logramos
obtener temperaturas demasiado favorables para la realización del proyecto,
llegando incluso a obtener temperaturas por debajo de 0 grados centígrados.
37
Figura 3.9 Celdas Peltier funcionando
Durante las pruebas se agregó a la cara fría de cada una de las celdas algunas gotas
de agua para ver cuál era la reacción a tales temperaturas y se logró captar como
estas gotas de agua pasaron de estar en estado líquido a estado sólido en tan solo
cuestión de segundos (Ver figura 3.10).
Figura 3.10 Celda peltier congelando
Por último para concluir las pruebas con las celdas Peltier, en la figura 3.11 se
muestra la capacidad de enfriamiento que tienen dichas celdas Peltier probándolas
en contra de una carga térmica, y fue solo cuestión de minutos demostrar que tienen
la capacidad necesaria para realizar dicho proyecto.
38
Figura 3.11 Prueba final celda Peltier
La temperatura del agua dentro del contenedor de aluminio que se muestra en la
figura 3.11, alcanzó los 5 grados centígrados.
3.1.3.6 Diseño de sistema de protección para sistema de refrigeración
Se eligió de entre diversas formas de proteger el sistema de refrigeración, tomando
en cuenta principalmente la protección de las celdas Peltier, ya que en caso de que
los ventiladores que ayudan a disipar la temperatura de la cara caliente de la celda
llegaran a fallar estas se dañarían definitivamente, se decidió usar un sensor LM35
que por sus características es muy confiable y tiene muy buenos rangos de trabajo,
este sensor LM35 se eligió que vaya junto a la cara caliente y utilizar la señal de
salida del sensor para saber a qué temperatura se encuentra la cara caliente de la
celda Peltier, teniendo en cuenta que el sensor arroja 10 mV por grado centígrado
sensado, esta señal se enviara a una entrada analógica del Arduino y en dicha
programación del Arduino se decidirá si se abre o se cierra el circuito de alimentación
de las celdas Peltier (Ver figura 3.12).
39
Figura 3.12 Circuito de protección del sistema
El circuito de alimentación del sistema de refrigeración estará todo el tiempo con una
protección con un relevador mediante sus terminales normalmente cerrado, sin
embargo el microcontrolador decidirá conforme la señal del sensor si este circuito se
abre protegiendo así el sistema o se queda en su estado inicial.
3.1.3.7 Diseño de programación Arduino
Se realizó la respectiva programación en el software oficial de Arduino, tomando en
cuenta todas las posibles fallas se llevó a cabo una simulación mediante el software
de simulación de circuitos electrónicos proteus, ver figura 3.12, la programación se
muestra a continuación:
#define lm35 A0
float valor;
intrele = 1;
void setup()
pinMode(rele,OUTPUT);
Serial.begin(9600);
delay(30);
delay(500);
40
void loop()
valor = analogRead(lm35);
valor = valor*100.0;
Serial.println(valor);
delay(1000);
if (valor>70)
digitalWrite(rele,HIGH);
else
digitalWrite(rele,LOW);
3.1.4 Control
Para llevar un control adecuado del proyecto, se agendaron revisiones cada quince
días por parte del asesor industrial, y con el asesor institucional se hicieron entregas
quincenales de avances del proyecto de manera escrita por medio de reportes, sin
embargo, el seguimiento del grafico de Gantt fue de suma importancia.
3.1.5 Cierre El cierre del proyecto no se dio al 100 por ciento debido a que se tuvieron algunos
inconvenientes con los materiales a utilizar por tales motivos el proyecto se dejó al 70
por ciento de ser terminado de manera física, sin embargo, la documentación del
proyecto fue entregada en su totalidad al asesor industrial.
41
CAPITULO 4
CONCLUSIONES
4.1 Comprobación de la hipótesis
No aplica
4.2 Cumplimiento de objetivos
Los objetivos se cumplieron parcialmente debido a que el proyecto no se entregó al
100 por ciento acabado, sin embargo, todas las pruebas realizadas demuestran que
es demasiado factible y con futuro.
4.3 Resultados
Los resultados que mostraron las celdas Peltier sobrepasaron las expectativas, al
llegar a obtener temperaturas por debajo de los cero grados, y es importante
mencionar que de tener una forma más eficaz de disipar el calor de las celdas Peltier
los resultados podrían mejorar.
4.4 Contribuciones Durante mi periodo de estadías dentro de la empresa Refrigeración Pegaso, se
consiguió dar una nueva alternativa de sistema de refrigeración que no es nocivo
para el medio ambiente, como también se logróconcientizar a los empleados sobre
liberar los gases refrigerantes hacia el medio ambiente.
REFERENCIAS
A, B. M. (2009). Termodìnamica.Mexico: Mc Graw Hill.
Areny, R. P. (2007). Sensores y Acondicionadores de señal. Barcelona:
Alfaomega.
Diaz, C. (9 de Febrero de 2011). electrònica. Recuperado el 12 de Agosto de
2014, de webcindario: electronica.webcindario.com
Gonzales, O. (30 de Abril de 2005). BricoGeek. Recuperado el 15 de agosto de
2014, de BricoGeek.com
Pita, E. G. (2004). Acondicionamiento de aire. Mexico : Continental.
Tippens, P. E. (2011). Fisica Concepto y Aplicaciones. Mexico: Mc Graw Hill.
ANEXOS
ANEXO A. DIAGRAMA DE GANTT
