¿Es más eficiente apilar dos módulos Peltier o colocarlos uno al lado del otro?

Question

¿Es más eficiente apilar dos módulos Peltier o colocarlos uno al lado del otro? ¿Por qué?

Tengo una pequeña caja que quiero enfriar unos 20 K por debajo de la temperatura ambiente, fría, pero no bajo cero. (Quiero mantener mi cámara fría, así que estoy poniendo en esta caja fría. La cámara se ve a través de una ventana de vidrio plano en un lado de la caja).

El disipador térmico que tengo a mano es aproximadamente el doble de ancho que el módulo Peltier más ancho que pensaba utilizar en un principio. Así que hay espacio para poner 2 módulos Peltier uno al lado del otro debajo del disipador. O podría centrar una pila de 2 módulos Peltier bajo el disipador. ¿Qué disposición es más eficiente?

Tengo que cortar un agujero más grande en el aislamiento para la disposición lado a lado, por lo que el calor no deseado que "refluye" a través de la disposición lado a lado es peor. Por otro lado, otros efectos son peores en la disposición apilada.

(Es https://electronics.stackexchange.com/ un lugar mejor para publicar preguntas sobre los refrigeradores Peltier).

Answer 1

Las neveras portátiles (Tec) son terriblemente ineficiente (un poco mejor ahora que hace una década, pero en realidad no tanto). Refrigeración de un trozo de material inerte es el más fácil. La refrigeración y el control de la temperatura de un activo, la potencia que se disipa dispositivo es más difícil. Mucho más difícil.

Ejemplo: en la óptica de telecom días del boom, yo estaba trabajando en el envase de una óptica dispositivo de conmutación. Los principales diseñadores estaban todos muy contentos porque habían trabajado con un diseño que integra el activo material óptico y el rf de la unidad de circuitos en un poco de sustrato, quizás, de un centímetro cuadrado. Me pidió la documentación sobre cómo el frío, y la cantidad de energía de los circuitos que necesitan, y ellos dijeron que sólo se trataba de 10W, y no sería necesario que el frío, controlado.

Bien, comercialmente disponibles Tec fueron aproximadamente un 10% de eficiencia en ese momento. Así, a la bomba de 10W fuera el sustrato necesario de 100W de potencia a la TEC. Esto a su vez significa que 110W fue arrojado al disipador de calor a la temperatura de la habitación. Que significaba aproximadamente 4"x4" de TEC, y un enorme tocando la bocina de 6"x6" disipador de calor con ventilador gigante. Así, que hermoso estrechamente integrado dispositivo significó un paquete gigante.

¿Qué significa esto para usted? Así, la pila de la Tec en el fin de hacer su fría objeto más frío. Pero viene en una gran pena en cuánto poder de su "frío" el objeto está permitido a gastar. La primera etapa es de solo el 10% de eficiencia. La segunda etapa tiene que ser de tamaño de modo que toda la potencia del dispositivo Y de la primera TEC puede ser bombeado a través de ella, y en sólo el 10% de la eficiencia de nuevo. Ouch. En el caso anterior, en una segunda fase habría sido de bombeo 110W, por lo que habría necesitado acerca de 1100W a la bomba que, significado 1210W en general. Su eficiencia se va al infierno con apiladas Tec - cada etapa tiene a la ineficiencia de la bomba de la ineficacia de todas las etapas anteriores.

Si quieres ser tan eficiente como sea posible, el uso de una sola etapa. Que se limite su máxima temperatura, pero se tire de la mayoría de apagar el dispositivo de enfriado. Si desea que la temperatura más baja posible, la pila de su Tec, pero entiendo que la máxima potencia que puede disipar va a caer como una piedra.

Answer 2

Si la eficiencia es el problema, entonces definitivamente TECs paralelo (o utilizar una sola unidad nominal para el doble de la potencia, lo mismo). La única razón para apilar TECs es conseguir una temperatura más baja. Sin embargo, esto va en detrimento de la eficiencia y el consumo energético general.

Otra cuestión es que, en realidad, poner las TEC en paralelo es más eficiente en general. La razón es que los TEC son más eficientes a menor potencia. La potencia de refrigeración es proporcional a la corriente, pero el calentamiento interno se debe a la I 2 R pérdidas, por lo que va con el cuadrado de la corriente. A corrientes bajas, un pequeño incremento de la corriente provoca más enfriamiento que calentamiento interno adicional. Sin embargo, con el tiempo el término al cuadrado gana y en la parte superior de la parábola un pequeño incremento de corriente causa el mismo calentamiento que la corriente adicional es capaz de hacer que el dispositivo elimine. Ese es el punto de enfriamiento máximo, pero también es el punto menos eficiente a lo largo del rango de funcionamiento normal.

Por tanto, dos TEC independientes en paralelo necesitan menos de la mitad de corriente cada uno de la que necesitaría uno solo para la misma potencia de refrigeración. Otra forma de expresarlo es que, salvo por limitaciones económicas y de espacio, es preferible sobredimensionar el TEC en aras de la eficiencia.

Answer 3

¡¡Vas a querer un disipador mucho más grande!!
(y tal vez sólo un TEC) Si sólo se refrigera por convección, tal vez el área del disipador de calor* sea 10 veces la del TEC. (tal vez mayor)

El error clásico con un TEC es hacer el disipador de calor demasiado pequeño. Con un disipador demasiado pequeño, el lado caliente del TEC se calienta más, hay más fugas térmicas a través del TEC, éste tiene que trabajar más para mantener la misma temperatura y todo entra en desbocamiento térmico.

*Habría que hablar del volumen del disipador.

Answer 4

Una eficiencia del 10% no significa que se necesiten 100 W para producir 10 W de refrigeración. Esto es un completo disparate. La eficiencia consiste en comparar la cantidad de calor desplazada con el ciclo ideal de Carnot. En el ciclo ideal de Carnot se pueden alcanzar valores de "coeficiente de rendimiento" (COP) superiores a 5. Por eso, la eficiencia de un TEM puede ser baja, pero el COP puede ser razonable, aunque no tan bueno como el de un ciclo de compresión de vapor. En la mayoría de las aplicaciones, 100 W de potencia transferirán unos 50 W de calor, más o menos.

Answer 5

Para un diferencial de 20 grados Celsius, los dispositivos en paralelo serán más eficientes, si los dispositivos están funcionando en su rango normal de eliminación de calor. Si la caja de tu cámara está extraordinariamente bien aislada y puedes esperar horas y horas a que se enfríe, lo más eficiente es una disposición en serie con ambos dispositivos funcionando a menos de un 10% de la potencia máxima.

La razón tiene que ver con los gráficos suministrados por el fabricante de tu módulo. Normalmente se pueden obtener eficiencias superiores al 200% para delta T de 10 grados a bajo flujo de calor, por lo que es del 100% para 2 en serie. Si se duplica el flujo de calor, la potencia necesaria casi se cuadruplica, por lo que la eficiencia es del 110% por módulo o del 55% en total.

En paralelo, 2 dispositivos con un delta T de 20 grados podrían tener un rendimiento del 75% con el flujo de calor total del primer caso del párrafo anterior. Con el doble de flujo de calor del segundo caso, la eficiencia podría ser del 85%.

El funcionamiento de los dispositivos Peltier a una potencia cercana a su valor nominal es muy ineficiente y requiere mucho cuidado para evitar el desbordamiento térmico y la destrucción del dispositivo. Evítelo en la medida de lo posible.

Los disipadores de calor en ambos lados deben ser muy eficaces, y deberías considerar un ventilador para el lado caliente, aislado de la vibración de la cámara.