schatting benodigd vermogen koeling

Moderator: physicalattraction

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.412

schatting benodigd vermogen koeling

Ik ben aan het bekijken of ik een nevelvat/kamer zal gaan bouwen.
 
De temperatuur van de bodemplaat zal minimaal -25 graden Celsius moeten worden, en dit wil ik bereiken met een aantal (gestapelde) Peltier elementen.
Gedacht wordt aan een dikkere (5 á 6 mm) mat zwart geanodiseerde aluminium plaat van 15 bij 15 cm welke de bodem vormt van een glazen doosje (de nevelkamer). Deze plaat wordt gekoeld door een onderliggende constructie van Peltier elementen, aluminium plaat, isolatiemateriaal en een of twee stevige processor koelers.
Glasdikte van het doosje 3 mm, hoogte ongeveer 6 cm. De lucht in het winddichte doosje bevat (gedeeltelijk oververzadigde en onderkoelde) alcoholdamp. Voor een grove opzet, zie dit schetsje:
 
schets wilsonvat.jpg
schets wilsonvat.jpg (96.84 KiB) 222 keer bekeken
 
Allereerst heb ik een redelijke indicatie nodig van het benodigde koelvermogen aan de bodemplaat zelf (berekening aan onderliggende elementen zoals aantal en soort Peltiers, hun efficiency et cetera komt later), uitgaande van een omgevingstemperatuur van 25 graden Celsius, en een temperatuur van de bodemplaat van -30 graden Celsius.
Valt dit zo met enige nauwkeurigheid (zeg eens +/- 25%) te berekenen?
Motus inter corpora relativus tantum est.

Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.
Berichten: 11.441

Re: schatting benodigd vermogen koeling

Lastig: de eindtemperatuur hangt eigenlijk alleen maar af van hoe goed/slecht je isolatie is (en de limieten van de TECs).
 
Als je puur naar het glas kijkt kun je de warmeweerstand wel uitrekenen, en daarmee ook het vermogen dat erdoor gaat bij 55 graden temperatuurverschil. Maar je hebt natuurlijk ook nog de zijkanten, dat is een stuk lastiger. Gezien het maar 15x15 cm is denk ik dat de effecten van de zijkanten behoorlijk groot zullen zijn.
 
Wellicht is het handiger dit gewoon te testen: als je het doosje bouwt zonder de koeling en IN het doosje een weerstand pakweg 10 watt laat verstoken kun je meten wat de eindtemperatuur wordt, en daarmee de warmtegeleiding van het hele systeem in K/W. Vervolgens kun je uitrekenen hoeveel je aan TECs nodig hebt om dit op een bepaalde temperatuur te krijgen.
Victory through technology

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.412

Re: schatting benodigd vermogen koeling

Maar je hebt natuurlijk ook nog de zijkanten, dat is een stuk lastiger.
 
Die zijn grotendeels geïsoleerd, desnoods laat ik de isolatie tot bovenaan doorlopen. Dat glasoppervlak en de warmtegeleidingscoëfficiënt daarvan is het probleem niet. Het is die luchtlaag met zijn sterke thermische gradiënt denk ik. Er zal zeker sprake zijn van verplaatsing van lucht, maar hoe sterk? En wat betekent dat voor de convectie. Hoe zit het met de warmteoverdracht van de plaat naar de lucht en van daar naar het glas? Heeft de verdamping bovenin en de condensatie onderin van de isopropylalcohol (een paar cc slechts) nog een merkbare invloed?
 
Vragen, vragen..
Motus inter corpora relativus tantum est.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 3.840

Re: schatting benodigd vermogen koeling

Omdat er veel voorbeelden te vinden zijn op internet zou ik eerder een werkend voorbeeld nabouwen, dan te starten met een berekening met onzekere parameters. Zoals dit voorbeeld.

Berichten: 11.441

Re: schatting benodigd vermogen koeling

Das nog een flink vermogen - die module trekt bij 12 volt afhankelijk van het temperatuurverschil toch in de orde van 60-80 watt, en het zijn er twee op elkaar al loopt de binnenste op lager vermogen. Normaliter zou je een kleine en een grote gebruiken in zo'n sandwich, maar goed, dit is blijkbaar wat er nodig is. Anderzijds is dat flinterdunne plastic van het voorbeeld waarschijnlijk niet de beste warmte-isolator. De koeling met een bak ijs is ook niet echt wonderbaar te noemen trouwens - wat dat betreft schiet het systeem gewoon nog tekort. 
Victory through technology

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.412

Re: schatting benodigd vermogen koeling

een werkend voorbeeld nabouwen
 
Nou, nee, dat is mij te weinig uitdaging. Ik vind dat voorbeeld maar een gebrekkig ding en er zijn veel betere ontwerpen mogelijk.
Maar als de benodigde energie nauwelijks te berekenen blijkt (dat moet m.i. toch wel kunnen met redelijke aannames), dan ga ik wel meten. Duidelijk is, dat gezien de eigenschappen van Peltiers er aardig wat bruto vermogen nodig is.
Motus inter corpora relativus tantum est.

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 2.222

Re: schatting benodigd vermogen koeling

Het is niet duidelijk waar in jouw ontwerp die isopropanol verdampt. Zit er in de bovenranden rondom een schuimring gedrenkt in isopropanol? Of hoe dan wel?
 
Als de wanden goed geisoleerd zijn heb je te maken met warmteoverdracht door natuurlijke convectie aan de bovenzijde van de glasplaat, onderaan de glasplaat en bovenop de koude plaat. Met een zeer natte vinger zeg ik even die die elk in de orde van 5 W/m2.K zullen zijn. Dat is een R-waarde van 0,2 m2.K/W per luchtovergang, 0,6 m2.K/W totaal
 
R-waarde van de glasruit: 0,003 m / 1,0 W/m.K = 0,003 m2.K/W = verwaarloosbaar.
 
Verder heb je warmtestraling die uit de omgeving van boven af door de glasplaat op de koude plaat valt. Dat kan wel eens in de orde van 200 W/m2 zijn tussen +25 oC en -25 oC, oftewel 5 W op een 0,15 m x 0,15 m vlak.
 
Dus door convectie plus straling krijg je dan (0,15 m)2 * (25 - (-25))K / 0,6 m2.K/W + 5 W = 7 W
 
Dat lampje voegt ook nog een wattje of zo toe.
 
En je hebt warmteoverdracht door de alcohol die bovenaan verdampt en beneden condenseert. Hoeveel alcohol dat is per tijdseenheid? Weet ik niet.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.412

Re: schatting benodigd vermogen koeling

Zit er in de bovenranden rondom een schuimring gedrenkt in isopropanol?
 
Ja, daar komt bovenin een inzetgootje voor.
 
Hoeveel alcohol dat is per tijdseenheid? Weet ik niet.
 
Ik ook niet precies, maar het ligt in de orde van 1-10 cc per uur en is dus waarschijnlijk te verwaarlozen.
 
die elk in de orde van 5 W/m2.K zullen zijn
 
Ik ben niet vertrouwd met dit soort berekeningen, dus zal deze invalshoek wel verkeerd zijn: Als jij stelt 5 Watt energieverlies per vierkante meter per Kelvin, dan kom ik bij een delta T van 55 K op (5 * 55) 275 Watt per m2. Het totaal in rekening te brengen oppervlak is (3 * 0,152) 0,0675 m2. Dus kom ik op (275 * 0,0675) = 18,6 Watt. Daarbij die 5 Watt instraling en nog een paar watt aan verliezen door de isolatie (lampje wordt een power led) en ik zit zo rond een dikke 25 Watt, en dat lijkt mij een realistische waarde. Doe ik wat verkeerd?
Motus inter corpora relativus tantum est.


Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 2.222

Re: schatting benodigd vermogen koeling

De deltaT is niet 55 graden bij iedere luchtovergang, maar over 3 luchtovergangen samen.
Je kunt het alleen berekenen door met de totale R-waarde te rekenen zoals ik deed.
 
Denk aan dubbel glas: dat heeft 4 luchtovergangen versus 2 bij enkel glas. Met jouw (onjuiste) rekenmethode zou dubbel glas meer warmte verliezen dan enkel glas.
 
het ligt in de orde van 1-10 cc per uur
Ik ben benieuwd hoe je aan die getallen komt, maar dat geeft dan extra te koelen warmte.in de orde van 0,5 - 5 W.
 
Met een paar Watt voor het lampje kom het dan totaal op ruwweg 15 W.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.412

Re: schatting benodigd vermogen koeling

Met jouw (onjuiste) rekenmethode zou dubbel glas meer warmte verliezen dan enkel glas
 
Ja natuurlijk, het is mij duidelijk. Ik vermenigvuldigde domweg de oppervlakken, en dat mag natuurlijk niet.
Drie 50 lumen leds ('buiten boord') verbruiken tezamen 1,5 watt en met een rendement van zeg eens 50% komt er niet meer dan 0,75 Watt de nevelkamer in (altijd minder natuurlijk).
Die 1 tot 10 cc per uur heb ik met de natte vinger ingeschat op basis van berichten op het internet (kleine kamer 1 cc voor 30 minuten, wat grotere 5 cc voor een uur).
 
Maar 7 Watt als basis lijkt mij erg weinig, zelfs het dubbele lijkt mij aan de lage kant. Nu heb ik hier zo'n Peltier uit een gesloopte PerfectDraft bierpomp liggen. Ik vermoed dat het om een TEC1-12706, 12V, 4.3A, Pmax 72 Watt gaat. Daar ga ik morgen samen met een glasplaatje en wat polystyreen (nog genoeg over van de Cavendish verwarming ;) ) eens wat mee spelen.
Motus inter corpora relativus tantum est.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 3.840

Re: schatting benodigd vermogen koeling

Michel Uphoff schreef:Nu heb ik hier zo'n Peltier uit een gesloopte PerfectDraft bierpomp liggen. .. Daar ga ik morgen samen met een glasplaatje en wat polystyreen .. eens wat mee spelen.
 
Zou polystyreen niet smelten aan de hete kant van het Peltier element?

Berichten: 11.441

Re: schatting benodigd vermogen koeling

Michel Uphoff schreef: Duidelijk is, dat gezien de eigenschappen van Peltiers er aardig wat bruto vermogen nodig is.
 
Absoluut, en de efficiency van die dingen daalt naarmate het temperatuurverschil tussen beide kanten groter is - daardoor is het vaak zinnig ze te 'stacken' ook al kunnen ze volgens  de specificaties het benodigde temperatuurverschil wel aan. Datasheet voor die module: http://www.thermonamic.com/tec1-12706-english.pdf, op pagina 3 de COP waardes voor diverse omstandigheden. Bij vol vermogen en 30 graden temperatuurverschil is de COP minder dan 1 - het kost je dus meer dan 1 watt stroom om 1 watt warmte af te voeren. 
 
Of piepschuim handig is als isolatie hangt een beetje van je koeling af, normaliter wordt het aanbevolen tot maximaal 70 celcius bij langdurige blootstelling, maar kortstondig is 100 graden oid niet echt een probleem. Die TECs mogen weinig heter worden dan 100 graden en gaat stuk rond de 130, dus zoveel marge zit daar niet. Enige dat ik zou aanraden is overkill heatsinking, gewoon een enorm aluminium koelblok met een fan die lucht door de vinnen blaast... een beetje het soort dat je vroeg bij audioversterkers met enorme vermogens zag. Met zoiets kom je wel aan 0.2 tot 0.1 K/W en is dat niet meer de beperkende factor. 
Victory through technology

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 2.222

Re: schatting benodigd vermogen koeling

Maar 7 Watt als basis lijkt mij erg weinig, zelfs het dubbele lijkt mij aan de lage kant.
Die 7 W is 2 W convectie plus 5 W instraling. Die twee samen kunnen een wattje meer of minder zijn maar beslist geen factor 2 groter.
 
Bovenop die 7 W komt nog 1 W voor het lampje, zeg 5 W voor de IPA die condenseert op de koude plaat, en zeg 10 W voor warmteteruglek van de tussenplaat naar de koude plaat.
 
Totaal af te voeren warmte door Peltiers onderop de koude plaat: 7 + 1 + 5 + 10 = 23 W.
 
Totaal af te voeren warmte door Peltiers onderop de tussenplaat zal wellicht 10 W meer zijn door teruglek, dus 33 W.
 
De grootste onzekerheid is de bijdrage door condensatie van IPA op de koude plaat (voorlopig geschat op 5 W), niet de 2 W convectie of de 5 W instraling.
Ook de teruglek is een onzekere factor vanwege de mij niet bekende isolatiedikte en isolatiemateriaal.
 
Ik heb enkele jaren geleden in een ander topic al eens beschreven hoe de performance van een Peltier geschat kan worden d.m.v. zijn grafieken. Toevallig ging dat over de TEC1-12705, het iets kleinere broertje van de TEC1-12706.
https://www.wetenschapsforum.nl/index.php/topic/194686-hulp-bij-de-zoektocht-naar-de-juiste-peltier-tec/
 
 
EDIT: teruglek aangepast (was oorspronkelijk factor 10 te laag).

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 2.222

Re: schatting benodigd vermogen koeling

Totaal af te voeren warmte door Peltiers onderop de tussenplaat zal wellicht 10 W meer zijn door teruglek, dus 33 W.
Dat is nog steeds niet juist.
 
De tweede Peltier onderop de tussenplaat moet 13 W plus 10 W teruglek (van onderzijde isolatie naar tussenplaat) plus opgenomen vermogen (elektriciteitsverbruik) van de eerste Peltier afvoeren. Kan dus best wel eens meer zijn dan 33 W.

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 2.222

Re: schatting benodigd vermogen koeling

Na nog wat rekenen zou met bovenstaande 13 W input van boven (plus een teruglek van 10 W van onderen) de eerste Peltier(s) een electriciteitsverbruik van ruwweg 60 W hebben (COP ≈ 0,38).
De tweede laag Peltiers zou dan maar liefst een electriciteitsverbruik van ruwweg 170 W (voor 3 stuks) hebben (COP ≈ 0,49) omdat ze ook die 60 W van de eerste Peltier(s) moeten verpompen.
Het koelblok zou dan ruwweg 243 W moeten afvoeren (=13+60+170).
 
Door de lage COP van de Peltiers vindt een enorme vermenigvuildiging van warmte plaats.
Het is dus belangrijk om genoemde 13 W en 10 W te minimaliseren.
 
De teruglek is in beide lagen sterk afhankelijk van de isolatiedikte. In de tekening is die gelijk aan de dikte van de Peltiers, zijnde 3,7 mm. Pas indien mogelijk het ontwerp aan zodat die dikte flink groter kan zijn. Gebruik liever geen piepschuim maar PUR of nog beter PIR. Wellicht ken je iemand die nog een stukje PIR afval heeft liggen, of heeft de bouwmarkt afval.
 
Ik begin me af te vragen of die IPA condensatie eigenlijk veel terzake doet. De IPA verdampt in de nevelkast en gebruikt dus warmte die toch al via de glasplaat in de nevelkast belandt is. Het zal wel iets bijdragen aan de warmteoverdrachtscoefficient op de bodemplaat omdat condensatie betere overdracht geeft dan vrije convectie, maar dat effect zal in dit geval niet meer dan 1 W opleveren.
 
Die 13 W input van bovenaf is dus waarschijnlijk iets te hoog en eerder iets van 10 W.
Als je de teruglek kunt verminderen tot zeg 2 W dan halveren de vermogens van de Peltiers en het koelblok.
 
Je kunt natuurlijk ook de afmetingen van de nevelkamer kleiner maken om vermogens te verminderen. Een 15 cm ronde kamer geeft je eenzelfde blikveld als 15 cm vierkant maar heeft 21 % minder oppervlak en dus ook 21 % lagere vermogens van alle elementen.

Reageer