Sistema y método para determinar el incremento de la entropía en un volumen y el flujo de entropía a través de una superficie.

Método para determinar el incremento de entropía en un volumen y el flujo de entropía a través de una superficie.

El invento se refiere a un método detector de entropía que comprende un sensor piroeléctrico 1, que genera una corriente 6 proporcional a una variación térmica 2, un sensor de temperatura 5, un amplificador de carga 3 y un sistema de adquisición de datos de los sensores 4. El invento permite medir: i) la variación de entropía en un volumen y ii) el flujo de entropía a través de una superficie de acuerdo con la localización del sensor.

Sistema y método para determinar el incremento de entropía en un volumen y el flujo de entropía a través de una superficie

Campo de la invención

Máquinas térmicas (motores de combustión)

Máquinas eléctricas con disipación por efecto Joule (resistencias, baterías...)

Máquinas químicas (con procesos térmicos involucrados)

Antecedentes de la invención

La entropía termodinámica es un parámetro físico que describe la irreversibilidad de procesos desde un punto de vista macroscópico y el desorden desde un punto de vista microscópico. Es un parámetro bien conocido, caracterizado y estudiado. Aún así, no es un parámetro comúnmente medido y actualmente no existe un sistema comercial capaz de medirla de manera continua.

Una medida de la entropía generada por un sistema, sin embargo, puede ser interesante en muchos campos, desde la gestión de la energía térmica o evaluaciones exergéticos a los sistemas de envejecimiento [1-3]. Desde un punto de vista de eficiencia, cuando en un proceso se destruye capacidad de generar trabajo (exergía) se hace a costa de generar entropía [1, 2]. En estos casos la eficiencia y rendimiento de los sistemas decrece. En lo que se refiere a sistemas de envejecimiento, la medida de entropía se ha utilizado en estudios de i) mecánicos, y se ha utilizado para proponer un umbral límite de ruptura, donde la generación de calor se debe a la tensión mecánica

[3], y ii) eléctricos, donde el efecto Joule produce un envejecimiento [4, 5].

Las máquinas térmicas más comunes, como motores de combustión o sistemas de refrigeración, son máquinas termodinámica irreversible, que generan entropía. La determinación de entropía se ha ensayado mediante diferentes estrategias. En un sistema de combustión interna la entropía se mide de manera indirecta a partir de diferencias entre entalpias [6]. En el control de la refrigeración de un sistema de aire acondicionado se hace mediante elementos mecánicos [7]. Por otro lado, también se han usado cámaras térmicas con las que se obtienen medidas de temperatura y con cuyo procesado se infiere la variación entropía [8].

Cabe destacar que el término entropía se utiliza en otros campos, donde su caracterización y medida sí es habitual. En este documento el término entropía se referirá únicamente al campo termodinámico, tanto macroscópico como microscópico.

Base termodinámica del método propuesto

La entropía es una función termodinámica de estado, intrínseca y extensa, que describe procesos irreversibles. El cambio de entropía, AS, se define como

c/-\

AS = J (ecuación 1)

Donde Q es el calor transferido y T la temperatura del proceso [1]. Dado que la 10 entropía es una función de estado, sólo es posible medir variaciones de entropía entre los estados inicial y final.

La medida piroeléctrica

Los sensores piroeléctricos convierten variaciones de temperatura en corrientes 15 eléctricas [9, 10]. Los sensores piroeléctricos son ampliamente usados como sensores de temperatura, de presencia, detector de incendios o detectores infrarrojos [11, 12]. También se usan como captadores de energía del entorno [13].

El efecto piroeléctrico produce una polarización eléctrica espontánea debido a una variación en el tiempo de la temperatura en ciertos materiales piroeléctricos [9]. Para 20 condensadores piroeléctricos de placa plana polarizado a lo largo del eje perpendicular a las placas y suponiendo un material piroeléctrico homogénea a lo largo de cuya temperatura T es uniforme en cualquier momento, la corriente generada en el condensador viene dada por

I =AX ( ecuación 2) dt

donde A es la superficie del electrodo de la muestra de material y A es el coeficiente piroeléctrico. La integración con respecto al tiempo, la carga generada 0(&=jldt):

© =AX(Tf-T¡) (ecuación 3)

donde 7f - 7¡ es la diferencia de temperatura entre los estados inicial y final.. Hasta el momento no se ha aplicado a la medida de entropía.

Lista de referencias citadas en la invención

[1] A. Bejan, Advanced Engineering Thermodynamics, New Jersey, USA: Wiley, 2006,.

[2] R.A. Huggins, Energy Storage, New York: Springer, 2010,.

[3] M. Naden and M.M. Khonsari, "Thermodynamic analysis of fatigue failure ¡n a composite lamínate," Mech.Mater., vol. 46, pp. 113-122, 2012.

[4] A. Cuadras, V.J. Ovejas and M. Quilez, "Método para determinar la degradación de sistemas con efecto Joule a partir del incremento de entropía," P201330371, 2013.

[5] A. Cuadras, V.J. Ovejas and M. Quilez, "Entropy as a wear out indicator: The resistor example," ¡n 2013 lOth International Multi-Conference on Systems, Signáis and Devices, SSD 2013, 2013.

[6] B. DEINKERUATSUKERU, "METHOD AND APPARATUS FOR MONITORING CONTENT OF POISONOUS SUBSTANCE OF EXHAUST GAS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE" JPS6412252 (A)

[7] N. MASAYUKI, M. HIROAKI, F. ICHIRO and I. YOSHINORI, "AIR CONDITIONER" JPH10160273 (A)

[8] JEONG SANG GUK and KIM GU SU, "ACCULATELY CONTROLLED AIR CONDITIONER USING A REMOCONE" KR101221051 (Bl), 2012-01-10.

[9] S.B. Lang, "Pyroelectricity: From ancient curiosity to modern imaging tool," Phys. Today, vol. 58, pp. 31-36, Aug. 2005.

[10] S.B. Lang and S. Muensit, "Review of some lesser-known applications of piezoelectric and pyroelectric polymers," Appl. Phys. A-Mater. Sci. Process., vol. 85, pp. 125-134, Nov. 2006.

[11] A. Rogalski, "Infrared detectors: Status and trends," Prog Quantum Electron, vol. 27, 2003.

[12] L. Capineri, L. Masotti, V. Ferrari, D. Marioli, A. Taroni and M. Mazzoni, "Comparisons between PZT and PVDF thick films technologies ¡n the design of low-cost pyroelectric sensors," Rev. Sci. Instrum., vol. 75, pp. 4906-4910, Nov. 2004.

[13] A. Cuadras, M. Gasulla and V. Ferrari, "Thermal energy harvesting through pyroelectricity," Sensors and Actuators.A, Physical, vol. 158, pp. 132-139, 2010.

Descripción de la invención

La invención propone el uso combinado de un sensor piroeléctrico y de un sensor de temperatura para determinar la variación de entropía. Con el sensor piroeléctrico (modelizado por una fuente de corriente (6) y una capacidad en paralelo (7)) conectado con un amplificador de corriente (3) se mide la variación de calor que, juntamente con las medidas de un sensor de temperatura (5) permite la determinación de variaciones de entropía en volúmenes y la determinación de variaciones de flujo de entropía a través de superficies.

La corriente que se genera en el sensor piroeléctrico es, de acuerdo con la ecuación 4:

.. dT Al dQ. dt Cdt

donde se ha considerado la capacidad térmica Cp del piroeléctrico como el calor que absorbe por unidad de temperatura

C = ( ecuación 5) p dT

La corriente de la ecuación 4 se relaciona con la carga de acuerdo con la integral 15 respecto del tiempo:

© =Al(Tf -T) ( ecuación 6)

Dada la definición de entropía:

AS = J ( ecuación 7)

podemos escribir en forma diferencial su relación con la generación de corriente 20 piroeléctrica

ó dS Cp i.

S = = ( ecuación 8) dt Al T

O en forma integral con la generación de carga en el sensor piroeléctrico

Cp ©

Al T

(ecuación 9)

Este resultado corresponde a la variación de entropía del sensor. Esta variación será 25 igual a la variación de entropía del medio si el proceso termodinámico es reversible. Si el proceso no es reversible, entonces la entropía del medio será mayor que la medida con el sensor, con lo que será necesario un modelo termodinámico del medio para

relacionar la medida del sensor con la medida del medio. En todo caso, la medida del sensor representa una primera estimación de la entropía generada en el medio.

El método para medir las variaciones de entropía en un volumen consiste en un sistema como el de la figura 1 y además:

1) Colocar el sensor piroeléctrlco en el material bajo estudio junto con el sensor de temperatura de acuerdo con la figura 2. Medir la respuesta eléctrica fruto de variaciones de temperatura del medio.

2) Determinar la variación de entropía a partir de las medidas en 1) y la medida Independiente de temperatura realizada con el sensor de temperatura y las ecuaciones 8 y 9.

El método para medir las variaciones de flujo de entropía consiste en:

1) Colocar el sensor piroeléctrlco en la superficie sobre la cual se estudiará el flujo de entropía, de acuerdo con la figura 3.

2) Determinar la variación de entropía a partir de las medidas en 1) y la medida independiente de temperatura realizada con el sensor...

1- Sistema de medida de variaciones de entropía que comprende un sensor piroeléctrico, un sensor de temperatura, un circuito amplificador y un sistema de adquisición y de procesado de datos de temperatura y corriente.

2- Método de medida de variaciones de entropía en que comprende

2.1) Determinar la carga generada por el sensor piroeléctrico en el sistema de procesado a partir de la ecuación 6:

&=Al(Tf - Ti)

donde 0 es la carga generada, A el área del sensor piroeléctrico, X el coeficiente piroeléctrico, Tf y Ti las temperaturas final e inicial respectivamente.

2.2) Determinar la generación de entropía S del sistema a partir de la ecuación 9

AS = Sl 0 AX T

donde 0 es la carga generada, A el area del sensor piroeléctrico, X el coeficiente piroeléctrico, Cp la capacidad calorífica del piroeléctrico, Cf la capacidad del amplificador de carga, V0 la tensión de salida del amplificador de carga y T la temperatura instantánea del sensor piroeléctrico.

3 - Método de medida de entropía en volumen, según el método de la reivindicación 2, caracterizado por qué se colocan los sensores de medida en el medio en el que se quieren medir las variaciones de entropía de manera que el calor el flujo de calor que recibe el sensor sea isotrópica, igual en todas direcciones, lo que permite obtener la medida de generación de entropía.

4 - Método de medida de flujo de entropía a través de superficies, según el método de la reivindicación 2, caracterizado por qué se coloca el sensor piroeléctrico y el sensor de temperatura en la superficie que se quiere investigar y se mide la generación de carga piroeléctrica por calentamiento del sensor cuando el flujo de calor fluye a través del sensor piroeléctrico.

- Método de medida de entropía del medio, según reivindicaciones 2, 3 y 4 por la que se estima la variación de entropía del medio a partir de la variación de entropía del sensor piroeléctrico..