Un Modelo de Refrigerador (Fis 152)

Un Modelo de Refrigerador

Objetivos

- Utilizar un aparato Peltier como modelo de refrigerador.

Introducción

En este laboratorio se utilizará un aparato Peltier para modelar un refrigerador. Como fue visto en el laboratorio anterior, el aparato Peltier es un dispositivo constituido principalmente de dos bloques cerámicos con semiconductores tipo n y p entre ellos. Cuando una corriente eléctrica pasa a través del aparato, éste bombea calor desde una cerámica a la otra. Dos bloques de aluminio se ubican a cada costado del aparato Peltier procurando el contacto térmico con los bloques cerámicos. De esta manera los bloques actúan como reservorios térmicos caliente y frío.

En este experimento operaremos el sistema en el Modo Bomba de Calor (“Heat Pump Mode”). En este modo de operación, cierta cantidad de trabajo es suministrado al aparato Peltier a través de una corriente eléctrica, de manera tal que el aparato bombeará el calor desde un bloque de aluminio aislado térmicamente a otro acoplado a un disipador de calor. Un ventilador es utilizado para generar un flujo de aire a través del disipador con el objetivo de retirar calor desde su superficie.

A medida que se lleva a cabo el experimento, se espera que el alumno analice los fenómenos de transferencia de calor y energía. Con este propósito, en el procedimiento experimental se han incluido preguntas que involucran realizar algunos cálculos sencillos.

Montaje experimental

El dispositivo electrónico experimental PASCO ET-8782 que es utilizado en este experimento es mostrado en la figura 1. Este está constituido principalmente por una placa soporte en la cual se ha dispuesto y conectado eléctricamente los diversos componentes: Un aparato Peltier en contacto de dos bloques de aluminio (1), un interruptor de cuchillo con el cual se selecciona el modo de operación del sistema (2), tres resistencias eléctricas de distinto valor (3), un ventilador y su interruptor (4), y diversos conectores (5-11).

¡IMPORTANTE! Para realizar el montaje y conectar los diversos componentes electrónicos involucrados en esta experiencia, por favor siga paso a paso el procedimiento de montaje. La conexión incorrecta de los componentes puede producir una falla irreparable en el equipo.

La configuración experimental es mostrada en la figura 2. Previo a realizar este montaje, identifique que cuenta con todos los elementos necesarios mostrados en la figura 3.

Procedimiento de Montaje

Sea cuidadoso en conectar los aparatos con la polaridad que corresponda.

Conecte terminales positivos con positivos y los negativos con negativos.

Utilice cables de color rojo para terminales con polaridad positiva (+) y cables de color negro para terminales con polaridad negativa (-).

1. Potencia de entrada: Ponga el interruptor de cuchillo (2) en la posición neutra (no contacto). Conecte la fuente de poder a la entrada de los

terminales de alimentación indicada en la placa del circuito (5). Recuerde mantener apagada la fuente.

2. Disipador y Aislador: Instale el disipador en el bloque de aluminio que está en el lado del ventilador, tal como se observa en la figura 4. Luego ubique el aislador de espuma en el otro bloque de aluminio.

3. Temperatura de los bloques: Conecte los cables a los conectores de temperatura (8, 9) y al Sensor de temperatura “Quad Temperature Sensor” (este sensor tiene 4 entradas para medir temperatura). Conecte el lado frío (8) al Canal 1 y el lado caliente (9) al Canal 2.

4. Temperatura del aire: Posicione los dos termistores de respuesta rápida tal como se muestra en la figura 4. El propósito es medir la temperatura del aire antes y después de pasar a través del disipador. Debe procurar que los termistores no toquen el disipador o el bloque de aluminio (ver figura). Conecte el termistor que está encapsulado en un tubo de acero (el que está posicionado bajo el disipador) al canal 3 del sensor de temperatura “Quad Temperature Sensor”, y el otro termistor (cable blanco), posicionado arriba del disipador, conéctelo al canal 4.

5. Voltaje: Conecte el sensor de voltaje/corriente a los puertos de voltaje de la placa (10). Cuide que la polaridad sea la correcta.

6. Corriente: Conecte los cables rojo y negro, que están separados, a la entrada de corriente del sensor de voltaje/corriente y a los conectores en la placa (11). Cuide que la polaridad sea la correcta. Importante: Tenga cuidado en conectar el sensor en los puertos de voltaje y corriente que corresponden. Si estos son conectados incorrectamente se puede producir una falla irreparable en el equipo.

7. Computador y programa: Conecte el sensor de temperatura y el de voltaje/corriente al computador a través de la interfaz PASPORT vía puerto usb. Ejecute el archivo Pre-configurado del programa Data Studio “LAB6-FIS1523”. La pantalla debe lucir como se muestra en la figura 5.

Procedimiento

A medida que usted siga este procedimiento, tome notas de sus observaciones y escriba las respuestas a las preguntas. Antes de comenzar ambos bloques de aluminio deben estar a temperatura ambiente.

1. Corrobore que el interruptor de cuchillo esté en la posición neutra (no contacto).

2. Pida al ayudante que verifique el montaje y encienda la fuente de voltaje externa. Se debe calibrar el voltaje en un valor de 6 volts. IMPORTANTE: Procure que el voltaje entregado por la fuente de voltaje externa NUNCA exceda los 8 volts. Si un voltaje mayor a este es aplicado al aparato Peltier ocurrirá una falla irreparable en el equipo.

3. Encienda el ventilador.

4. Comience el registro de datos presionando el icono de inicio en el programa Data Studio, y en seguida ajuste el interruptor de cuchillo en el Modo Bomba de Calor. IMPORTANTE: Verifique que la corriente no sea mayor que 1 ampere; si esto ocurriese, el sensor comenzará a emitir un sonido de alarma y usted deberá abrir el interruptor de cuchillo, disminuya el voltaje aplicado (voltaje de la fuente) y cierre posicione nuevamente el interruptor en el modo bomba de calor.

5. Observe la temperatura de los lados caliente y frío del aparato Peltier. ¿Cual lado tiene una mayor diferencia de temperatura con el ambiente? ¿Por que estas diferencias no son iguales?

6. Permita que el refrigerador opere en estas condiciones por al menos 5 minutos para que las temperaturas alcancen el equilibrio.

FLUJO DE AIRE Y CALOR TRANFERIDO

7. Observe las temperaturas del aire abajo y arriba del disipador. ¿En cuánto aumenta la temperatura del aire al pasar por el disipador? ¿Por qué ocurre este aumento de temperatura?

Ahora usted estimará la tasa de transferencia de calor desde el disipador hacia el aire.

Para un gas se tiene que:

$LaTeX: Q = m \cdot c \cdot \Delta T$

donde, para este experimento:

$LaTeX: Q$ = Calor transferido desde el disipador al aire (en Joules),

$LaTeX: n$ = Número de moles de aire,

$LaTeX: \Delta T$ = Cambio de temperatura del aire,

$LaTeX: c$ = Calor específico del aire.

Como usted ya sabe, el calor específico del gas depende si el proceso es realizado a volumen o a presión constante. En este caso el aire es calentado a presión constante, por lo tanto el calor específico es $LaTeX: c_{air} = 29,1$ J/(mol °C).

Las especificaciones del fabricante del ventilador indican que el flujo de aire generado por este, es alrededor de 2 litros por segundo. A temperatura ambiente, un mol de gas ocupa alrededor de 24.3 litros, por lo tanto con esta información es posible determinar la cantidad de moles de gas que pasan a través del disipador en cada segundo.

8. Después de que las temperaturas de los bloques caliente y frío se han estabilizado, calcule el calor, Q, transferido al aire en cada segundo. ¿Su estimación es muy grande o muy pequeña? Explique su resultado.

Además sabemos que la potencia entregada al refrigerador es:

$LaTeX: P=V \cdot I$

donde,

$LaTeX: P$ = Potencia (J/s),

$LaTeX: I$ = Corriente (A),

$LaTeX: V$ = Voltaje (V),

9. De los valores medidos de voltaje aplicado y corriente, calcule la energía utilizada para operar el refrigerador por segundo. ¿Como es la energía suministrada al Peltier en cada segundo, comparada con su estimación del calor transferido desde el disipador a el aire en cada segundo? ¿Cuál es mayor? Explique sus observaciones en términos de la conservación de la energía.

AISLADOR, DISIPADOR Y VENTILADOR

10.Cuando los bloques caliente y frío han alcanzado el equilibrio, escriba las temperaturas. ¿Es el aparato un buen refrigerador?

11.Remueva el aislador de espuma mientras continúa adquiriendo la data. ¿Observa usted un cambio en la temperatura fría? Ponga nuevamente el aislador al bloque de aluminio ¿Por qué cambió la temperatura?

12.Apague el ventilador mientras continúe adquiriendo los datos. Observe el efecto de esto en las temperaturas de los bloques por unos pocos minutos. ¿Cómo ha cambiado la diferencia de temperatura entre los lados caliente y frio? ¿Pude explicar por que esto ocurre?

13.Observe las temperaturas del aire. ¿Han cambiado desde que el ventilador fue apagado? Usted piensa que la razón de calor transferido desde el disipador al aire se ha incrementado, disminuido o se mantiene igual? Explique su respuesta.

14.Si se permitiera que los bloques alcancen el equilibrio con el ventilador apagado, ¿Qué valor de temperatura usted piensa que debería alcanzar le bloque frío? ¿El sistema operando en estas condiciones sería un buen refrigerador?

15.Antes de que la temperatura del bloque caliente alcance los 70°C abra el interruptor de cuchillo y encienda nuevamente el ventilador.

16.En términos generales, ¿que hace un refrigerador para mantener frío su interior? ¿Por qué este necesita aislamiento? ¿Por que este necesita un disipador?