• Roger Stout
Hace 3 años
Categorías: Artículos, Enfriadores, Diseño, Destacados, Disipadores de calor

Cuentos de hadas tales máquinas de movimiento perpetuo Not No todos los cuentos de hadas son máquinas de movimiento perpetuo, pero todas las máquinas de movimiento perpetuo cuentos de hadas. Sin embargo, antes de entrar en los detalles de los enfriadores termoeléctricos, parece apropiado preparar el escenario para esta categoría particular de cuentos de hadas.

Hay dos tipos clásicos de «máquinas» de movimiento perpetuo, llamadas (no tan creativamente) máquinas «tipo 1» y «tipo 2» (o igualmente creativamente, máquinas de «1er tipo» y «2do tipo»). Las máquinas tipo 1 son las que más probablemente le resulten familiares de inmediato. Violan la Primera Ley de la Termodinámica, que establece que la energía no puede ser creada o destruida, solo transformada de una forma a otra. Típicamente, las máquinas Tipo 1 involucran algún tipo de mecanismo de rotación que, a través de un diseño aparentemente inteligente, logra generar siempre un par de torsión en una dirección constante (o tal vez alterna la dirección, pero con un promedio que favorece una dirección). En ausencia de fricción (o carga), se moverían para siempre sin ninguna adición de energía. Las máquinas tipo 1 son tan fáciles de conseguir que la Oficina de Patentes de los Estados Unidos no aceptará solicitudes para máquinas de este tipo sin un modelo de trabajo. En los raros casos en que se proporciona uno, la «inteligencia» invariablemente radica en ocultar una pequeña fuente de energía en algún lugar, ¡y el trabajo del oficial de patentes es ser más inteligente que el inventor y encontrarla! Los ejemplos más flagrantes de máquinas Tipo 1 son donde el inventor en realidad afirma estar conduciendo una carga a pesar de que no hay fuente de energía para la máquina. Los ejemplos más furtivos no ocultan el hecho de que tienen una fuente de energía, simplemente afirman entregar más energía de la que absorben. Por ejemplo, hace unos años me pidieron que evaluara el «generador de energía libre de cero cogging», que afirmaba entregar más energía eléctrica que la turbina eólica de accionamiento instalada. (En este caso, creo que el inventor no fue intencionalmente engañoso, ¡pero era lamentablemente ignorante de cómo medir la energía eléctrica!)

Las máquinas de tipo 2 son más sutiles. Violan la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece que la entropía no se puede reducir (en un sistema cerrado). La entropía es un concepto un poco difícil de comprender, y mucho menos de cuantificar, pero muy a menudo se puede reducir a la simple observación de que el calor nunca puede fluir pasivamente de un lugar más frío a otro más caliente. Si eso parece estar sucediendo, o se ha perdido algo crucial, o bien tiene una máquina de movimiento perpetuo Tipo 2 de buena fe. Recuerdo (vergonzosamente) un examen en mi primer curso de termodinámica de pregrado. Nos pidieron que evaluáramos una cosa curiosa (y que suena a pescado) llamada «tubo de vórtice».»En un tubo de vórtice, se suministra aire comprimido a la base de una tubería en forma de T, y, sorprendentemente, el aire frío sale de una rama de la T, y el aire caliente sale de la otra rama de la T. Sospeché lo suficiente como para darme cuenta de que esto implicaba que de alguna manera alguna energía se movía «cuesta arriba» desde la temperatura de la corriente entrante hasta la rama de salida más caliente. La declaración del problema era muy específica, e incluía caudales másicos, temperaturas y presiones, por lo que procedí a hacer los cálculos mostrando que a pesar de que no se estaba creando energía neta, la entropía neta de las corrientes de aire de salida era menor que la entropía de la corriente de aire entrante, demostrando así su imposibilidad. Resulta que los tubos de vórtice son reales. Cometí un error de cálculo, aunque el profesor fue lo suficientemente generoso como para concederme crédito parcial por al menos pensar en buscar una violación de la segunda Ley. Mi punto aquí es que la 2a Ley debe considerarse siempre que esté tratando de» bombear » energía de un lugar frío a un lugar más caliente.

Introduzca Refrigeradores termoeléctricos (o TEC). Estos son pequeños artilugios inteligentes que usan el bien establecido efecto Peltier. Son como termopares inversos. Probablemente los haya visto usted mismo en algún lugar en forma de enfriador de cerveza o algo similar. Obviamente funcionan (y han sido patentados). Una de las cosas más ingeniosas de ellos es que no tienen partes móviles y pueden ser totalmente silenciosos. Aplica electricidad en los terminales del dispositivo, y un «lado» del dispositivo se enfría (el «interior» en el caso de un refrigerador para RV), mientras que al mismo tiempo el otro lado (o el exterior) se calienta. Obviamente, si la temperatura de su entorno está en algún lugar entre esos dos extremos de temperatura, el calor necesariamente fluirá desde el lado caliente hacia el ambiente, y el calor fluirá hacia el lado frío del dispositivo desde el ambiente (o lo que esté tocando, por ejemplo, su cerveza). Si estás prestando atención, concluirás dos cosas: 1) esta podría ser una forma muy inteligente de enfriar la electrónica sin tener que usar ventiladores o refrigerantes líquidos; y 2) si esto no viola la 2a Ley, hay un elemento crítico que aún no nos hemos molestado en considerar (y puede mordernos al final).

Esto es lo siguiente: Se llama la eficiencia Carnot de un motor térmico. En la aplicación, le da una evaluación rápida, basada en las temperaturas involucradas, de la cantidad de calor adicional que tendrá que agregar a un sistema de enfriamiento para mover parte de ese calor de un lugar más frío a un lugar más caliente. (De hecho, es lo que le permite evitar violar la segunda Ley). En aras de la argumentación, podría resultar que para mover 1W fuera de un cruce, debe agregar 1 W adicional, lo que significa que su disipador térmico final debe rechazar 2 W al ambiente en lugar del 1 W original. ¿De dónde viene la energía adicional? A través de esos terminales eléctricos agradables y silenciosos. Los voltios aplicados por los amperios suministrados equivalen a energía adicional que no existía antes.

Sí, ahí está el problema! Claro, puede crear un enfriador Peltier en miniatura y bajar la temperatura de unión (Tj, el «interior» de un componente electrónico) a algo más frío que el entorno circundante, o incluso, ¡no seamos codiciosos, simplemente hacerlo más bajo de lo que era sin el enfriador! El problema es que cuando enciendes el refrigerador, estarás agregando energía al sistema general para obtener ese Tj más bajo. Desde la perspectiva de un analista térmico a escala macro, esto generalmente es lo que no se debe hacer, porque la mayoría de las veces, ya estaba teniendo problemas para obtener todo el calor de su sistema en primer lugar. (De hecho, ese problema es por qué su Tj estaba más caliente de lo que quería al principio.) Por ejemplo, la resistencia de su placa de PC podría tener que ser 2 veces menor de lo que era antes (un esparcidor de calor más grande, un ventilador más grande, etc.), para rechazar el calor añadido por el enfriador con el fin de obtener el Tj inferior. Pero si pudieras hacer eso, entonces deberías haberlo hecho, en otras palabras, sin agregar el enfriador, ¡y habrías bajado un montón tu Tj de todos modos!

Ahora puedo pensar en un par de situaciones en las que un TEC podría ser una excelente opción, pero debes estar muy seguro de tus cálculos. La primera es, cuando tienes una concentración de calor muy pequeña y localizada y puedes permitirte bajar la temperatura de ese lugar a expensas de calentar un poco todo lo demás a su alrededor. La segunda es cuando realmente necesita controlar la temperatura de un dispositivo específico dentro de un sistema electrónico, por ejemplo, un sensor de imagen (donde la llamada «corriente oscura» es un problema grave y aumenta rápidamente con la temperatura). En este último caso, debe tener algún margen en el «presupuesto térmico» de su sistema, porque desde la perspectiva del sistema, tendrá que deshacerse de un poco de calor adicional.

Mi consejo es pensar muy cuidadosamente si un TEC es realmente lo correcto para su problema de refrigeración electrónica. Y usarlo para enfriar su cerveza puede no ser la mejor opción, si va a tratar de pensar cuidadosamente en enfriar sus dispositivos electrónicos. ¡Tú eres el juez!