I dispositivi Peltier possono essere collegati in cascata?
Risposte:
Sì, e questo è fatto regolarmente. Tuttavia, ci sono limiti a ciò che è possibile ottenere, basati sia sui limiti dei singoli dispositivi (temperatura minima e massima) sia su effetti come la resistenza termica totale attraverso lo stack. Alla fine si arriva al punto in cui la "dispersione inversa" di calore attraverso la pila (che aumenta con la differenza di temperatura end-to-end) equivale alla capacità della pila di rimuovere il calore.
Un altro problema è la relativa inefficienza dei dispositivi Peltier. In genere il flusso di calore che esce dal lato caldo di ciascun dispositivo è dell'ordine di 3-5 volte il calore che passa nel lato freddo. Quando si impilano i dispositivi, ognuno deve essere molto più grande del precedente, portando a problemi con le dimensioni (che tornano anche al problema della dispersione di calore).
Certo, tuttavia a causa della miserabile efficienza è tipico impilare in dimensioni crescenti, un po 'come stadi di un razzo, quindi il più grasso ha a che fare con il flusso di calore da tutti gli altri.
Foto da qui .
Sicuramente possono essere messi in cascata, ma il problema è che la fase calda potrebbe avere una capacità di trasferimento di calore molto maggiore rispetto al freddo.
I termoelettrici più efficaci di AFAIK hanno un fattore di trasferimento di ~ 100%, in media consumano energia e producono calore di 1 W per 1 W trasferito dal lato freddo (i frigoriferi a compressore hanno circa il 300%, trasferiscono 3 W di calore per 1 W di potenza).
Supponi di dover trasferire circa 1 W di calore dal tuo dispositivo. Quindi lo stadio più freddo potrebbe produrre 2 W di calore nella sua estremità calda e tutto il suo calore dovrebbe essere trasferito dallo stadio successivo. La fase successiva produrrà 4 W di calore. Quindi 8 W e così via.
I pelti in cascata dovrebbero apparire così:
Sì. È possibile mettere in scena più Peltier a singolo stadio, se si tiene debitamente conto dei flussi elettrici e termici. Vedrai che i dispositivi multistadio di solito hanno aree fisiche decrescenti per le fasi più fredde. Questo perché hai una quantità decrescente di "raffreddamento" disponibile in ogni fase successiva poiché gli stadi più caldi prima di loro devono pompare sia l'energia termica dagli stadi più freddi sia le perdite resistive elettriche dagli stadi più freddi.
A causa della bassa efficienza dei dispositivi di raffreddamento Peltier rispetto all'ingresso elettrico, uno stadio freddo deve essere azionato a un ingresso elettrico sostanzialmente inferiore rispetto allo stadio più caldo che lo raffredda. È facile inondare lo stadio più caldo con energia termica proveniente dall'ingresso CC dallo stadio più freddo e non ottenere alcun raffreddamento netto.
L'accatastamento diretto dei moduli Peltier è problematico in pratica. L'affondamento di calore richiesto è notevole. Puoi pensare a un array seriale Peltier (impilato) all'interno di un sistema come una macchina che deve essere "avviata".
Se l'affondamento di calore è troppo sostanziale, ci vuole un'eternità per avviare il riscaldamento / raffreddamento. Ciò è facilmente compensato utilizzando una ventola con il dissipatore di calore e quindi rallentando la ventola in basso all'avvio.
Anche se non riesco a capire il vantaggio del riscaldamento basato su Peltier, tranne che in un sistema che passa dal riscaldamento al raffreddamento per lo stesso compito.
Gli elementi resistivi sono più durevoli e facilmente controllabili rispetto a Peltiers per il riscaldamento, perché possono essere sottoposti a cicli duri molte volte.
Il design che ho usato per più moduli Peltier impilati era uno 12706 tra un dissipatore di calore / ventola sul lato di uscita e una barra di rame finita due volte la larghezza del 12706, sullo scarico.
Dall'altro lato della barra di rame c'erano (2) 12706 in parallelo, meccanicamente, e un pesante dissipatore / ventola in alluminio sul lato di scarico finale.
I singoli elementi Peltier (TEC) erano collegati in parallelo. Ho guidato l'array parallelo di 12706s con un massimo di 15ADC, 12VDC, PSU lineare disciplinato RTD, tensione costante.
Gli alimentatori lineari sono inefficienti di per sé. Pertanto, SMPS disciplinato da RST (efficienza> 90%) è un'opzione più efficiente.
Quel sistema era per il raffreddamento (raggiunto -12 ° C a temperatura ambiente), ma se lo si inverte, funzionerà per il riscaldamento. Gli elementi Peltier non devono essere riscaldati oltre la temperatura della saldatura utilizzata per realizzarli. La sperimentazione negligente o inesperta può facilmente causare questo.
Vuoi solo assicurarti (2) cose: che non affondi troppo calore dal lato caldo, perché il trasferimento di calore dipende dalla differenza di temperatura dei due lati. Quella proprietà dei moduli TEC ha limitazioni idiosincratiche.
Se il lato caldo non è abbastanza caldo, il sistema non trasferirà il calore e la potenza assorbita sarà bassa. E anche che il trasferimento di calore non diventa parassitario ed esaurisce il lato freddo, quindi l'intero array è solo un riscaldatore. Ciò può fondere la saldatura nel modulo TEC (Peltier).
Ho trovato che le specifiche più utili su un modulo TEC sono le gamme di temperatura nominali ottimali sui lati caldo e freddo. Tutto il resto tranne l'ingresso elettrico può essere derivato dall'esperimento. Ma se si tenta di ottenere il deltaT specificato utilizzando una temperatura alta e bassa errata, è possibile che non si ottenga la piena capacità di trasferimento del calore del modulo.
Gran parte del vantaggio ottenuto con i moduli TEC di qualità è che funzionano con il differenziale di temperatura nominale spostato più in basso. Il delta 66C può essere 44C-100C o 0C-66C.
Non tutti i moduli TEC con deltaT> = 66C funzioneranno bene a delta 0C-66C o inferiore. Possono dare il massimo trasferimento di calore a delta 44C-100C. Più freddo è il lato freddo, più il sistema è desiderabile, di solito.
È inoltre necessario applicare un composto di interfaccia a trasferimento termico tra i moduli TEC e ciò a cui si interfacciano. Nessun modulo TEC si interfaccia direttamente con l'atmosfera. C'è sempre qualcosa su entrambi i lati dei moduli Peltier.
Non ero in grado di ottenere risultati soddisfacenti impilando direttamente un 12712 sul lato caldo di un 12706.
Intorno al 2009 ho preparato uno di questi criocooler, utilizzando uno stack Peltier a 3 stadi e il più grande dispositivo di raffreddamento per videocard per PC raffreddato ad aria venduto con 7 tubi di calore (è possibile cercare la pubblicazione dello strumento iodio ROFLEX).
Successivamente il cliente desiderò costruire altre copie attorno a me e chiese alla fabbrica di lastre Peltier quale dispositivo di raffreddamento dell'aria avrebbe dovuto usare. Risposta Ero orgoglioso di sapere che con le nostre piastrine è assolutamente impossibile raffreddare qualsiasi cosa, utilizzando qualsiasi tipo di dispositivo di raffreddamento ad aria. Solo il problema di Peltier non è un flusso di calore in quanto tale, ma un'intensità del flusso di calore sul centimetro quadrato del punto di contatto del radiatore. Le piastrine hanno una dimensione piuttosto piccola, circa 4x4 o 2x2 cm, quindi il flusso di calore 100W è più che molto.
In realtà, le piastrine a 3 cascate nel mio caso hanno dato una differenza di 116 C tra le piastre terminali, ciò che è vicino al boarder teorico, quindi sono riuscito a produrre meno 45 C stabili al clima tropicale.
Quest'anno ho bisogno di ottenere ancora di più, i -100 ° C per 1 cm3 dal radiatore non raffreddato ad acqua quando + 50 ° C aria sarebbe l'obiettivo su di esso. Per un po 'non sono sicuro che sia possibile.
Sto scrivendo questo per assicurare che -45 C sia davvero possibile, ma non molto più in profondità. La teoria afferma che la quarta piastrina su tre danneggerà il processo invece di potenziarlo.
Sì, i piccoli dispositivi sono effettivamente venduti a questo scopo. Puoi persino acquistare pile pronte con i materiali appropriati su ogni palco in modo che il problema della saturazione del calore sia mitigato (se ricordo che usano un processo ad alta efficienza in alto sostituendo Sb nel BiTe) Ho intenzione di provare a raffreddare un campione di SH21Pd97? sotto pressione fino a temperature quasi criogeniche e vedere se la resistenza diminuisce improvvisamente e duplicare lo stesso esperimento con Bi-2223 come controllo con alcune modifiche in seguito che potrebbero aumentare il Tc fino al 20%. Possibile miglioramento del laser anche tramite laser IR sintonizzato