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Efecto Peltier aplicado a un sistema de refrigeración portátil
(para transporte de órganos humanos y otros elementos biológicos)
Michael Andrés Caserta Espinosa, Julián Alejandro Cifuentes Erazo, Ralf Hross
Carrera de Ingeniería Electrónica
Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Javeriana Cali
Resumen. Este proyecto se centra en una aplicación
concreta, la cual trata del diseño e implementación
de un sistema de refrigeración portátil, para el
transporte y preservación de órganos humanos y
otros elementos biológicos, utilizando el Efecto
Peltier1. Su objetivo principal es mantener un rango
de temperatura estable utilizando para ello, un
algoritmo de control discreto.
•
Abstract. This project is about the design and
implementation of a portable refrigeration system
for human organs and other biological elements
that helps for transportation and preservation, using
the thermoelectric Peltier Effect. Its main objective
is to maintain a stable temperature range using a
discrete control algorithm.
I. DESCRIPCIÓN GENERAL
El sistema consiste en aplicar el Efecto Peltier en un
sistema de refrigeración portátil para el transporte de
elementos biológicos delicados, con un control de
temperatura automático.
Descripción de una CTP2
Las dimensiones de la recámara interna del sistema,
son 18x21x18 cms. y sus medidas externas son
25x32x25 cms.
El sistema se alimenta por medio de una batería
recargable de alta capacidad de corriente para poder
mantener cierta autonomía a nivel de transporte;
además el sistema dispone de una conexión para
12VDC y 120 VAC. La portabilidad asegura el
desplazamiento de los elementos a regiones donde no
exista la posibilidad de una refrigeración adecuada
para la preservación de cualquier elemento biológico.
La tecnología del bloque de control está basado en un
microcontrolador 8051FA, el cual utiliza un algoritmo
de control discreto, que se encarga de mantener un
rango de temperatura constante (dato digitado por el
usuario). Para la medición de la temperatura en la
recamara interna del sistema, se utiliza un sensor de
temperaura.
Se dispondrá además de los siguientes elementos:
•
1
Display digital para monitorear la temperatura
interna del sistema.
Descubierto por el físico francés Jean Athanase Peltier en 1834.
Ajuste de la temperatura, ingresada manualmente
por medio de teclado propio.
Diagrama de bloques del sistema
II. ALGORITMO DE CONTROL
Para el control se utilizan en la recámara interna dos
sensores de temperatura LM45C encapsulado tipo
TO-202, los cuales no requieren ninguna calibración
externa para proveer una temperatura con un máximo
rango de error de 1 de ºC, a temperatura ambiente y
4
un error de máximo 3
4
de ºC, en un rango de
temperatura de –55 a 150 ºC. Su baja impedancia de
salida, respuesta lineal y calibración precisa, facilita
la utilización de una interfaz para lectura o para un
circuito de control.
2
Cortesía: URL. http://www.sirec-it.com
Como tiene un consumo de corriente de 60uA de su
fuente, presenta un autocalentamiento muy bajo
(menos de 0.1ºC, sin flujo de aire). Su voltaje de
salida se extiende en un rango de –1V a 6V.
Los sensores de temperatura entregan la señal a un
conversor análogo digital, el cual envía la señal
procesada a uno de los puertos de entrada del
microcontrolador (sistema de desarrollo con el
8051FA), este microcontrolador toma muestras de
temperatura en un determinado rango de tiempo, por
lo tanto controla el ADC. La temperatura es
visualizada por los usuarios por medio de un display
digital.
Recámara interna del sistema3
Se realizaron una serie de simulaciones para analizar
las curvas de temperatura, corriente, voltaje, potencia.
Se analiza cada gráfica para una temperatura en el
rango de 0 a 5 ºC.
Gráfica Temp. Vs. Corriente
Internamente en el microcontrolador, el algoritmo de
control revisa si la temperatura está dentro del rango
especificado por el usuario, desde el teclado externo.
Si la temperatura está dentro de este rango, el proceso
se repite y no se altera el voltaje de la CTP; por el
contrario, si no está en el rango, el voltaje aplicado a
la CTP varía o se invierte la polaridad dependiendo
del caso; como es conocido, al elevar el voltaje de la
CTP, la temperatura disminuirá, caso contrario se da
cuando se disminuye el voltaje o se invierte su
polaridad.
En la anterior gráfica se ve la corriente necesaria para
obtener una temperatura entre el rango de –20 a 5 º C.
en la CTP.
Gráfica Temp. Vs. Voltaje
Diagrama de flujo del algoritmo de control
III. SIMULACIONES
En la gráfica de Temp. Vs Voltaje se aprecia que para
obtener temperaturas de aproximadamente 0 - 5 ºC en
la CTP, se necesita de un voltaje de aproximadamente
entre 7 a 8 voltios.
El diseño de posición de la CTP dentro de la recámara
interna, donde W es el ancho (18 cms), H es la altura
(18 cms), y t es el ancho del material aislante (2 cms),
se muestra en la siguiente figura:
Gráfica Temp. Vs. Potencia de entrada
3
Cortesía: URL .Melcor Thermoelectric
http://www.melcor.com
REVISTA TERMOELECTRICIDAD VOL #3 1994
Refrigeración termoeléctrica. suministros Berotza
S.L.
REVISTA MUNDO ELECTRONICA, Número 262
Año 1995
IOFFE, A.F. Semiconductor Thermoelements and
Thermoelectric Cooling; 1957 Infosearch Ltd.
Se aprecia que los rangos de potencia de entrada están
aproximadamente entre 10 a 20 Watts.
IV. SOFTWARE
El software, para la implementación del control, es
desarrollado en el lenguaje ensamblador del 8031, es
copiado y utilizado desde la ROM del sistema de
desarrollo utilizado.
El algoritmo general controla externamente los ciclos
de lectura de datos entregados por los sensores, los
procesa junto con los datos del usuario y un PID
determina las acciones de control respectivas sobre la
CTP.
V. CONCLUSIONES
•
En la actualidad, el transporte de órganos en
Colombia, se hace por medio de la
utilización de hielo y neveras de icopor; los
órganos no estaban del todo seguros, pues si
había algún retraso en el transporte de éstos
a su destino, podrían dañarse y generar
pérdidas. La utilización de un sistema de
temperatura controlada, logra disminuir en
gran proporción estos riesgos.
•
La creciente demanda de corneas, hígados,
riñones, etc. y de todos estos elementos
biológicos, de necesaria refrigeración,
aumentará haciendo cada vez más necesaria
un método seguro de transporte de ellos, ya
sea por vías aéreas o terrestres.
VI BIBLIOGRAFÍA
ELECTRONICA PRACTICA, Año 4 Numero 1,
1995 39 p. El efecto Peltier Frío sin gas.
INTERNET:
http://schottky.ucsb.edu/~felix/peltier.html
http://www.stalab.iastate.edu/soils/osd/dat/p/peltie
r.html
http://www.melcor.com
http://www.sirec-it.com/Peltier.html