Guía de laboratorio Nº6 Objetivos Introducción Montaje

Guía de laboratorio Nº6
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 acuciosamente el
procedimiento de montaje. La conexión incorrecta de los componentes puede
producir una falla irreparable en el equipo.
Fuente de
tensión y cables
rojo y negro
conectados
adecuadamente
Disipador
Aislador
térmico de
espuma
Termistor
Termistor
encapsulado en
tubo de acero
inoxidable
Sensor de
temperatura
“Quad”
Sensor de
voltaje y
corriente
Cables para
medición de
Temperatura
Cables para
medición de
corriente
Interfaces
PASPORT con
conector USB
Figura 3: Fotografía de los componentes periféricos requeridos para realizar el montaje.
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.
Figura 4: Montaje de los termistores utilizados para medir la temperatura del aire antes y
después de pasar a través del disipador.
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.
Figura5: Vista en pantalla de programa pre-configurado utilizado en este laboratorio.
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 TRANSFERIDO
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:
Q = nc∆T
donde, para este experimento:
Q = Calor transferido desde el disipador al aire (en Joules),
n = Número de moles de aire,
LT = Cambio de temperatura del aire,
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 cair = 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:
P =V ⋅I
donde,
P = Potencia (J/s),
I = Corriente (A),
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?