schatting benodigd vermogen koeling

[Benm]

Die verdamping en condensatie zal denk ik niet zo gek veel bijdragen - het is zoals je zegt eerder een verlaging van de warmetweerstand tussen koude plaat en gas dan dat je daadwerkelijk continu vers isopropanolgas moet condenseren. 
 
Maar je komt inderdaad aan forse vermogens door het lekken van warmte binnen de peltiers zelf. Dit probleem is vooralsnog inherent, en problematischer naarmate het te overbruggen temperatuurverschil groter is. Dat lijkt me ook de reden dat ze niet gebruikt worden voor koelkasten, airco's en dergelijke: een systeem met compressor, verdamper, radiator etc is domweg efficienter (en meestal ook goedkoper). 

[Michel Uphoff]

Dat het uitkijken is met Peltiers, is duidelijk. Ik heb hier een Tec calculator voor de meest voorkomende Peltier elementen, waarmee ik wat basisberekeningen kan doen. Stacken is onvermijdelijk wil je bij doenlijke bruto vermogens aan -30 graden kunnen komen. Het wordt wat spelen met parameters en de meest gunstige Coëfficiënt Of Performance om bij een zo laag mogelijk bruto vermogen tot de gewenste temperatuur te komen.
 
Die teruglek is inderdaad een punt, en als ik het geheel volgens het principeschemaatje van het startbericht zou bouwen, is het resultaat waarschijnlijk heel beroerd (die isolatielaag is veel te dun).
 
Wellicht is het een betere opzet drie Peltiers te stacken (ruwweg delta 20 graden per laag), die ieder hun eigen voltage krijgen voor de meest gunstige COP bij de bijbehorende Tl en Th. De onderste Peltier dan voorzien van een vloeistof gekoeld blok met geïsoleerde leidingen en dan de warmte wat verderop via een radiator met fan's af te voeren. Iets dergelijks:
 

Image2.jpg (72.64 KiB) 703 keer bekeken

 
Dat zou een fors verschil moeten kunnen maken mbt die teruglek. Iedere Watt die ik aan de koudste kant bespaar scheelt snel 10 Watt of zelfs meer aan de warmste kant. Geschikte vloeistofkoelsysteempjes zijn in de computermarkt ruim voorhanden.
 
Dat PIR lijkt mij ook een heel geschikt materiaal voor de isolatie.

[Pinokkio]

Met die opzet zal de teruglek inderdaad klein zijn, moeilijk te berekenen hoeveel precies overigens.
 
Dat koelblok lijkt me erg klein als het niet groter is dan zo'n 4 cm x 4 cm Peltier, tenzij er vinnen of zoiets in zitten. Je wilt een zo groot mogelijk contactoppervlak tussen vloeistof en metaal om het temperatuursverschil tussen beiden zo klein mogelijk te houden.

[Michel Uphoff]

tenzij er vinnen of zoiets in zitten

 
Die zitten er in:
 

5.jpg (756.69 KiB) 707 keer bekeken

[Michel Uphoff]

Vanavond eens gekeken wat die tec die ik nu heb (typenummer is niet zeker) presteert.
Het was wat behelpen met allerhande materialen; ik heb het volgende testopstellinkje gemaakt.
 

1.jpg (253.69 KiB) 706 keer bekeken

 
Op een basis van mijn optische bench (plaatstaal 40 * 20 cm,  8 mm dik op 2,5 cm graniet) de TEC geplaats en daarop 3 lagen aluminium van 5 mm ieder gezet. Alle contactvlakken heel dun ingesmeerd met 'artic silver', een fancy naam voor siliconenpasta met metaalpoeder voor het themisch contact, gebruikelijk voor CPU's en dergelijke.
 
Van EPS een 19 mm dikke isolatielaag met een uitsparing voor de tec en 6 sterke neodymium magneten gemaakt, en op deze laag een staalplaatje van 3 mm dik gelegd. Contactdruk door de magneten ligt in de orde van 20 kg, maar omdat ik het EPS een millimeter dikker heb gemaakt om goed aan te sluiten zal dit op de TEC wat minder zijn geweest. Hier op een bakje gemaakt van EPS met een glazen dekseltje.
 

2.jpg (308.14 KiB) 706 keer bekeken

 
Op de bodemplaat een temperatuursensor en op de zwarte stalen plaat een tweede gezet. Het oppervlak van de stalen plaat is met 15 * 8 cm de helft van de nevelkamer die ik voor ogen heb (met 2 van deze tec's zou ik dus kunnen volstaan voor de eerste koellaag).
 
Vervolgens vanaf 2 volt in stappen van een volt het bruto vermogen aan de opstelling opgevoerd. Hier de resultaten:
 

TecTest proefopstelling.jpg (82.02 KiB) 707 keer bekeken

 
Als ik het goed heb berekend is de warmtelek tussen beide platen (0.012 m², 1.8 cm EPS, λ 0.035, ΔT 20) minder dan 1 Watt.
 
Bij 5 volt en een bruto energieverbruik van ongeveer 8 watt kom ik op een delta T van 20 graden uit. 5 volt is erg gunstig, omdat goede psu's zo'n 15 ampère oftewel ruwweg 75 watt op deze lijn leveren. De derde (eventueel ook de tweede)  trap kan dan op de 12 volt lijn. Als ik op een COP van 50% kan komen bij de volgende lagen, dan heb ik aan vermogen nodig: 
 
laag 1: 2 x 8 W, 16 W. Bij T_amb = 25 graden koeling tot 5 graden
laag 2: 2 x 16 W, 32 W. Koeling tot -15 graden
laag 3: 2 x 32W, 64 W. Koeling tot -35 graden
100 Watt als absolute ondergrens, maar dit zal wel wat al te optimistisch zijn.

[Benm]

Dat zijn neem ik aan 'gewoon' waterkoelblokken voor gebruik op processors? Op zich wel handig gezien de brede beschikbaarheid, en het verplaatst je probleem van het afgeven van warmte naar de omgeving zodat dat gunstiger kan. Een radiator is een stuk beter dan een koelblok dat ondersteboven aan een installatie zit - dat is vrijwel de slechtst mogelijke plek. 
 
Overigens heeft het me wel even doen denken wat nou de beste oplossing is om een flink temperatuurverschil te overbruggen met TECs. Het lijkt erop dat meer beter is, en dat het systeem nog beter zou werken als je er 5 of 10 zou gebruiken in een stack. Praktisch zit er natuurlijk wel een grens aan de thermische contactweerstand tussen de modules en dergelijke, en de beschikbare ruimte en budget. 
 
Maar wat waterkoeling betreft: dat heeft natuurlijk wel zijn onhandigheden an sich. Misschien kun je het ook oplossen met heatpipes die men ook gebruikt voor cpu koelers en dergelijke. Met een heatpipe kun je warmte ook verplaatsen in het horizontale vlak waardoor de koeler niet onder maar naast je installatie terecht komt. Dit is heel gangbaar in laptops, en wellicht een plausibele oplossing zonder water. 

[Pinokkio]

Als ik het goed heb berekend is de warmtelek tussen beide platen (0.012 m², 1.8 cm EPS, λ 0.035, ΔT 20) minder dan 1 Watt.

Inderdaad, ongeveer 0,5 W.
Strikt genomen is A niet 0.012 m² maar 0.010 m² vanwege de TEC stack, maar daar staat tegenover dat de isolatiedikte kleiner dan 1.8 cm is ter plaatse van de magneten. Hoe hoog zijn die magneten?
Ook zal later met 3 of meer TEC's op elkaar de temperatuur van de stack dicht bij de koude plaat hoger zijn. Nu zijn dat die alu blokjes die nu dezelfde temperatuur hebben als de koude plaat maar dat is straks in het echt niet meer zo.
 

Het oppervlak van de stalen plaat is met 15 * 8 cm ....

Hoe dik is die plaat?
 
Als ik het goed begrijp gebruik je nu die grote stalen plaat plus marmer als heat sink? Maar waar precies meet je dan z'n temperatuur?
 
Ik weet niet hoe snel achter elkaar je die metingen bij verschillende voltages gedaan hebt maar je moet bedenken dat er veel tijd nodig is om beide stalen platen van temperatuur te doen veranderen, dus de vraag is hoe betrouwbaar de gemeten temperatuursverschillen werkelijk zijn.

[Michel Uphoff]

Hoe hoog zijn die magneten?

 
15 mm, de isolatielaag erboven is dus zo'n 3 mm. Totaal oppervlak met deze dunne isolatielaag is 13,5 cm².

 

Ook zal later met 3 of meer TEC's op elkaar de temperatuur van de stack dicht bij de koude plaat hoger zijn.

 
Ok, iets om wat later als ik tec's heb aangeschaft te gaan testen.

 

Hoe dik is die plaat?

 
8 mm staal op 2,5 cm graniet.

 

Maar waar precies meet je dan z'n temperatuur?

 
Vrijwel tegen de tec aan, onder het EPS

 

Ik weet niet hoe snel achter elkaar je die metingen bij verschillende voltages gedaan hebt

 
Tussen iedere meting zat ruim een half uur.

[Pinokkio]

8 mm staal op 2,5 cm graniet.

Dat is de grote plaat, maar ik refereerde naar de kleine koude plaat.

[Michel Uphoff]

Ah. 3 mm zwart gelakt plaatstaal, 15 * 8 cm.

[Pinokkio]

Uit je meetresultaten blijkt dat de inwendige weerstand van die TEC ruwweg 3.2 Ω is (exacte waarde afhankelijk van temperatuur).
Het zou dan wellicht een TEC1-12703 kunnen zijn  http://www.thermonamic.com/tec1-12703-english.pdf
of iets soortgelijks.
 

De derde (eventueel ook de tweede)  trap kan dan op de 12 volt lijn. Als ik op een COP van 50% kan komen bij de volgende lagen, dan heb ik aan vermogen nodig: 
 
laag 1: 2 x 8 W, 16 W. Bij T_amb = 25 graden koeling tot 5 graden
laag 2: 2 x 16 W, 32 W. Koeling tot -15 graden
laag 3: 2 x 32W, 64 W. Koeling tot -35 graden

Met een inwendige weerstand van 3.2 Ω zou ik verwachten dat bij 12 V het brutovermogen ruwweg 12²/3.2 = 45 W is.
Genoemde brutovermogens van laag 2 en 3 begrijp ik dan niet tenzij je daarvoor een ander type TEC in gedachten hebt, of voor elke laag een ander specifiek voltage in gedachten hebt.
 
Ik ben geen expert op dit gebied maar volgens mij is het zo dat als een TEC op een bepaald voltage aangesloten wordt dan zal de DT die hij produceert resulterend zijn. Men kan niet zowel V als DT dicteren.
Als je een DT van precies 20 graden per TEC wilt zou je elke TEC precies het juiste voltage moeten leveren wat hem in staat stelt dat te doen in jouw specifieke opstelling.

[Michel Uphoff]

tenzij je daarvoor een ander type TEC in gedachten hebt, of voor elke laag een ander specifiek voltage in gedachten hebt.

 
Dat is inderdaad het plan (specifieke tec's én voltages). In hoeverre ik daarin slaag moet nog blijken.
 
Net even een ander testje gedaan: De grondplaat afgekoeld tot nul graden. Nu blijkt er toch heel wat meer dan 8 watt nodig om de testplaat op een delta van 20 graden (dus -20) te krijgen: 16,5 watt. Bij 5 volt was de stroomsterkte nu 1,9 A, en bij dit bruto vermogen van 9,5 watt daalde de testplaat maar tot -15 graden.
 
Ik denk dat er twee redenen voor dit gedrag zijn. De instraling neemt toe door het grotere temperatuurverschil, en de efficiency van TEC's neemt af bij lagere temperaturen. 
 
De TEC calculator die ik heb staat alleen de keuze uit een heel beperkt aantal types toe, en de temperatuur van de warme zijde mag niet onder nul ingevoerd worden. Ga eerst eens op zoek naar een betere tool.
 
Ik vind het al met al wat ongrijpbare materie.

[CoenCo]

Heb je hier wat aan?

https://thermal.ferrotec.com/technology/thermoelectric-reference-guide/thermalref12/

[Michel Uphoff]

Bedankt, daar ga ik mij eens wat inlezen.

[Benm]

Het zijn ook lastige dingen, ook al omdat de eigenschappen verschillen met de absolute temperatuur, niet alleen met het temperatuurverschil tussen beide kanten. 
 
Een groot voordeel kan wel het traploos instelbare koelvermogen zijn, met een temperatuursensor en wat electronica kun je de koude kant op een gewenste temperatuur houden zonder fluctuaties, iets dat met een compressor oplossing als een diepvriezer niet mogelijk is (die schakelen gewoon aan en uit met een beetje hysterese). 
 
Wellicht is het voldoende om de 2e en 3e trap op een vast vermogen te laten werken en alleen de 1e temperatuurafhankelijk aan te drijven - al zou dat nog wel eens tegen kunnen vallen met temperaturen als die van vandaag