¿Se pueden conectar en cascada los dispositivos Peltier?
Respuestas:
Sí, y esto se hace regularmente. Sin embargo, existen límites para lo que puede lograr, basados tanto en los límites de los dispositivos individuales (temperatura mínima y máxima) como en efectos como la resistencia térmica total a través de la pila. Finalmente, llega al punto en el que la "fuga inversa" de calor a través de la pila (que aumenta con la diferencia de temperatura de extremo a extremo) es igual a la capacidad de la pila para eliminar el calor.
Otro problema es la relativa ineficiencia de los dispositivos Peltier. Por lo general, el flujo de calor que sale del lado caliente de cada dispositivo es del orden de 3 a 5 veces el calor que ingresa al lado frío. A medida que apila los dispositivos, cada uno debe ser mucho más grande que el anterior, lo que genera problemas con el tamaño (que también vuelve al problema de la fuga de calor).
Claro, sin embargo, debido a la eficiencia miserable, es típico acumular el tamaño creciente, como etapas de cohetes, por lo que el más gordo se ocupa del flujo de calor de todos los demás.
Foto de aquí .
Definitivamente pueden conectarse en cascada, pero el problema es que la etapa cálida podría tener mucha más capacidad de transferencia de calor que el frío.
Los termoeléctricos más efectivos de AFAIK tienen un factor de transferencia de ~ 100%, es decir, consumen energía y producen calor de 1 W por 1 W transferido desde el lado frío (los refrigeradores a base de compresor tienen aproximadamente 300%, transfieren 3 W de calor por 1 W de potencia).
Supongamos que necesita transferir aproximadamente 1 W de calor de su dispositivo. Luego, la etapa más fría podría producir 2 W de calor en su extremo caliente, y todo su calor debería transferirse en la siguiente etapa. La siguiente etapa producirá 4 W de calor. Luego 8 W y así sucesivamente.
Los peltiers en cascada deberían verse así:
Sí. Puede organizar múltiples Peltiers de una sola etapa, si se tienen en cuenta los flujos eléctricos y térmicos. Verá que los dispositivos de varias etapas generalmente tienen áreas físicas decrecientes para las etapas más frías. Esto se debe a que tiene una cantidad decreciente de "enfriamiento" disponible en cada etapa sucesiva ya que las etapas más calientes antes de que tengan que bombear tanto la energía térmica de las etapas más frías como las pérdidas resistivas eléctricas de las etapas más frías.
Debido a la baja eficiencia de los enfriadores Peltier con entrada eléctrica, se debe operar una etapa fría a una entrada eléctrica sustancialmente más baja que la etapa más caliente que la enfría. Es fácil empapar la etapa más caliente con energía térmica de la entrada de CC de la etapa más fría y no obtener refrigeración neta.
Apilar directamente los módulos Peltier es problemático en la práctica. El disipador de calor requerido es sustancial. Puede pensar en una matriz serie Peltier (apilada) dentro de un sistema como una máquina que debe "iniciarse".
Si el disipador de calor es demasiado sustancial, se tarda una eternidad en comenzar el calentamiento / enfriamiento. Esto se compensa fácilmente usando un ventilador con el disipador de calor y luego estrangulando el ventilador al inicio.
Aunque no entiendo la ventaja de la calefacción basada en Peltier, aparte de en un sistema que cambia entre calefacción y refrigeración para la misma tarea.
Los elementos resistivos son más duraderos y fáciles de controlar que los Peltiers para el calentamiento, ya que pueden reciclarse muchas veces.
El diseño que utilicé para múltiples módulos Peltier apilados fue un 12706 entre un disipador de calor / ventilador en el lado de salida y una barra de cobre terminada dos veces el ancho del 12706, en la descarga.
En el otro lado de la barra de cobre había (2) 12706 en paralelo, mecánicamente, y un pesado disipador / ventilador de aluminio en el lado de descarga final.
Los elementos individuales de Peltier (TEC) se cablearon en paralelo. Conduje la matriz paralela de 12706s con una fuente de alimentación lineal de 15ADC, 12VDC, disciplinada por RTD, voltaje constante.
Las fuentes de alimentación lineales son ineficientes en sí mismas. Por lo tanto, SMPS disciplinado por IDT (> 90% de eficiencia) es una opción más eficiente.
Ese sistema era para enfriamiento (alcanzó -12 ° C a temperatura ambiente), pero si lo revierte, funcionará para calentar. Los elementos Peltier no deben calentarse por encima de la temperatura de la soldadura utilizada para fabricarlos. La experimentación descuidada o sin experiencia puede provocar esto fácilmente.
Solo desea asegurarse de (2) cosas: que no disipe demasiado calor del lado caliente, porque la transferencia de calor depende de la diferencia de temperatura de los dos lados. Esa propiedad de los módulos TEC tiene limitaciones idiosincrásicas.
Si el lado caliente no es lo suficientemente caliente, el sistema no transferirá calor y el consumo de energía será bajo. Y también que la transferencia de calor no se vuelve parasitaria y se agota en el lado frío, por lo que toda la matriz es solo un calentador. Eso puede derretir la soldadura en el módulo TEC (Peltier).
Descubrí que la especificación más útil en un módulo TEC son los rangos de temperatura óptimos en los lados frío y caliente. Todo lo demás, excepto la entrada eléctrica, puede derivarse mediante experimentos. Pero si intenta obtener el deltaT especificado utilizando temperaturas altas y bajas incorrectas, es posible que no obtenga la capacidad total de transferencia de calor del módulo.
Gran parte de la ventaja obtenida con los módulos TEC de calidad es que funcionan con el diferencial de temperatura nominal más bajo. 66C delta puede ser 44C-100C o 0C-66C.
No todos los módulos TEC deltaT> = 66C funcionarán bien en delta 0C-66C o menos. Pueden dar la mayor transferencia de calor en delta 44C-100C. Por lo general, cuanto más frío está el lado frío, más deseable es el sistema.
También se requiere que el compuesto de interfaz de transferencia térmica se aplique entre los módulos TEC y con qué se conectan. Ningún módulo TEC interactúa directamente con la atmósfera. Siempre hay algo a cada lado de los módulos Peltier.
No pude obtener resultados satisfactorios apilando directamente un 12712 en el lado caliente de un 12706.
Alrededor de 2009 preparé uno de estos sistemas de enfriamiento criogénico, utilizando una pila Peltier de 3 etapas y el enfriador de tarjeta de video para PC enfriado por aire más vendido con 7 tubos de calor (puede buscar en la publicación el instrumento de yodo ROFLEX).
Más tarde, el cliente quiso construir más copias a mi alrededor y preguntó a la fábrica de placas Peltier qué enfriador de aire debería usar. La respuesta que me enorgulleció escuchar fue: con nuestras plaquetas es completamente imposible enfriar nada, usando cualquier tipo de enfriador de aire. Solo el problema en Peltier no es un flujo de calor como tal, sino una intensidad de flujo de calor sobre el centímetro cuadrado del lugar de contacto del radiador. Las plaquetas tienen un tamaño bastante pequeño, de aproximadamente 4x4 o 2x2 cm, por lo que el flujo de calor de 100W está allí más que mucho.
En realidad, las plaquetas de 3 cascadas en mi caso dieron una diferencia de 116 C entre las placas finales, lo que está cerca del límite teórico, por lo que pude producir estable menos 45 C en clima tropical.
Este año necesito obtener aún más, el -100C por 1 cm3 por radiador no enfriado por agua cuando el aire a + 50C sería el objetivo. Por un tiempo no estoy seguro de si es posible.
Estoy escribiendo esto para asegurar que -45 C es realmente posible, pero no mucho más profundo. La teoría dice que las plaquetas de 4 ª sobre tres dañarán el proceso en lugar de aumentarlo.
Sí, en realidad se venden dispositivos pequeños para este propósito. Incluso puede comprar pilas prefabricadas con los materiales apropiados en cada etapa para mitigar el problema de saturación de calor (si recuerdo que utilizan un proceso de mayor eficiencia en la parte superior al sustituir Sb en el BiTe) tengo planes para intentar enfriar un muestra de SH21Pd97? bajo presión hasta temperaturas criogénicas cercanas y vea si la resistencia cae repentinamente, y duplique el mismo experimento con Bi-2223 como control con algunos ajustes posteriores que podrían aumentar la Tc hasta en un 20%. Posiblemente incluso la mejora del láser a través del láser IR sintonizado.