Czy urządzenia Peltiera można kaskadowo?

Czy urządzenia Peltiera można kaskadować, aby uzyskać większą różnicę temperatur? Jak montaż jednego na drugim, aby zwiększyć maksymalną różnicę od 60 stopni C do 120 stopni.

Tak i odbywa się to regularnie. Istnieją jednak ograniczenia tego, co można osiągnąć, oparte zarówno na limitach poszczególnych urządzeń (temperatura minimalna i maksymalna), jak i na efektach, takich jak całkowity opór cieplny w stosie. W końcu dochodzisz do punktu, w którym „odwrotny wyciek” ciepła przez komin (który rośnie wraz z różnicą temperatur od końca do końca) równa się zdolności odprowadzania ciepła przez komin.

Kolejnym problemem jest względna nieefektywność urządzeń Peltiera. Zazwyczaj strumień ciepła wychodzący z gorącej strony każdego urządzenia jest rzędu 3 do 5 razy większy niż ciepło przechodzące w zimną stronę. Gdy układasz urządzenia w stos, każde z nich musi być znacznie większe niż poprzednie, co prowadzi do problemów z samą wielkością (co również powraca do problemu wycieku ciepła).

Jasne, jednak ze względu na nieszczęsną wydajność typowe jest układanie coraz większych elementów, podobnie jak stopni rakietowych, więc najgrubszy jest przepływ ciepła od wszystkich innych.

Zdjęcie stąd .

Z pewnością można je kaskadowo, ale problem polega na tym, że stopień ciepły może mieć znacznie większą zdolność przenoszenia ciepła niż zimno.

Najbardziej efektywne termoelektryki AFAIK mają współczynnik przenikania ~ 100%, co oznacza, że ​​zużywają energię i wytwarzają ciepło 1 W na 1 W przenoszone z zimnej strony (lodówki na sprężarkach mają około 300%, przenoszą 3 W ciepła na 1 W mocy).

Powiedz, że musisz przenieść około 1 W ciepła z urządzenia. Wtedy najzimniejszy etap mógłby wytworzyć 2 W ciepła na swoim gorącym końcu, a całe jego ciepło powinno zostać przekazane do następnego etapu. Następny etap wytworzy 4 W ciepła. Potem 8 W i tak dalej.

Kaskadowe peltiery powinny wyglądać tak:

Tak. Można wystawić wiele jednoetapowych Peltierów, jeśli uwzględni się odpowiednio przepływy elektryczne i cieplne. Przekonasz się, że urządzenia wielostopniowe mają zwykle zmniejszające się obszary fizyczne dla zimniejszych etapów. Wynika to z faktu, że na każdym kolejnym etapie dostępna jest malejąca ilość „chłodu”, ponieważ cieplejsze stopnie przed nimi muszą pompować zarówno energię cieplną z zimniejszych stopni, jak i straty oporności elektrycznej z zimniejszych stopni.

Ze względu na niską sprawność chłodziarek Peltiera przy obciążeniu elektrycznym stopień zimny musi być obsługiwany przy znacznie niższym obciążeniu elektrycznym niż stopień cieplejszy, który go ochładza. Łatwiej jest zamoczyć cieplejszy stopień energią cieplną z wejścia prądu stałego z zimniejszego stopnia i nie uzyskać żadnego chłodzenia sieciowego.

Bezpośrednie układanie modułów Peltiera w stosy jest problematyczne w praktyce. Wymagane pochłanianie ciepła jest znaczne. Można myśleć o szeregowej macierzy Peltiera (stosu) w systemie jako o maszynie, którą należy „uruchomić”.

Jeśli pochłanianie ciepła jest zbyt duże, uruchomienie ogrzewania / chłodzenia trwa wieczność. Można to łatwo skompensować za pomocą wentylatora z radiatorem, a następnie dławienia wentylatora przy uruchomieniu.

Chociaż nie rozumiem zalet ogrzewania opartego na technologii Peltiera, innego niż w systemie, który przełącza między ogrzewaniem a chłodzeniem dla tego samego zadania.

Elementy rezystancyjne są trwalsze i łatwiejsze do kontrolowania niż ogrzewanie Peltiera, ponieważ mogą być wielokrotnie poddawane cyklom twardym.

Projekt, który zastosowałem dla wielu ułożonych modułów Peltiera, to jeden 12706 między radiatorem / wentylatorem po stronie wyjściowej a gotowym prętem miedzianym dwukrotnie szerszym niż 12706 na wylocie.

Po drugiej stronie pręta miedzianego znajdowały się (2) 12706 równolegle, mechanicznie, oraz ciężki, aluminiowy radiator / wentylator po stronie końcowego rozładowania.

Poszczególne elementy Peltiera (TEC) zostały połączone równolegle. Jeździłem równoległym układem 12706 z maksymalnym 15ADC, 12VDC, zdyscyplinowanym RTD, zasilaczem liniowym, stałym napięciem.

Zasilacze liniowe same w sobie są nieefektywne. Tak więc, SMPS zdyscyplinowany RTD (> 90% wydajności) jest bardziej wydajną opcją.

Ten system był przeznaczony do chłodzenia (osiągnął -12 ° C w temperaturze pokojowej), ale jeśli go odwrócisz, będzie działał do ogrzewania. Elementy Peltiera nie mogą być podgrzewane powyżej temperatury lutu użytego do ich wytworzenia. Nieostrożne lub niedoświadczone eksperymenty mogą z łatwością doprowadzić do tego.

Po prostu chcesz zapewnić (2) rzeczy: aby nie odprowadzać zbyt dużej ilości ciepła po gorącej stronie, ponieważ przenoszenie ciepła zależy od różnicy temperatur po obu stronach. Ta właściwość modułów TEC ma idiosynkratyczne ograniczenia.

Jeśli strona gorąca nie jest wystarczająco gorąca, system nie przenosi ciepła, a pobór mocy będzie niski. A także, że przenoszenie ciepła nie staje się pasożytnicze i kończy się zimna strona, więc cały zestaw jest tylko grzejnikiem. To może stopić lut w module TEC (Peltier).

Odkryłem, że najbardziej użyteczną specyfikacją modułu TEC są optymalne zakresy temperatur po stronie gorącej i zimnej. Wszystko inne oprócz prądu elektrycznego można uzyskać eksperymentalnie. Ale jeśli spróbujesz uzyskać określony deltaT przy użyciu niepoprawnej wysokiej i niskiej temperatury, możesz nie uzyskać pełnej zdolności przenoszenia ciepła przez moduł.

Dużą zaletą uzyskaną dzięki wysokiej jakości modułom TEC jest to, że działają one przy znamionowej różnicy temperatur przesuniętej niżej. Delta 66C może wynosić 44C-100C lub 0C-66C.

Nie wszystkie moduły TEC o współczynniku deltaT> = 66C będą działały dobrze przy delcie 0C-66C lub niższej. Mogą zapewniać największy transfer ciepła w delcie 44C-100C. Im chłodniejsza jest strona zimna, tym bardziej zwykle pożądany jest system.

Wymagane jest również zastosowanie związku interfejsu wymiany ciepła między modułami TEC i tym, z czym się łączą. Żaden moduł TEC nie łączy się bezpośrednio z atmosferą. Po obu stronach modułów Peltiera zawsze jest coś.

Nie byłem w stanie uzyskać satysfakcjonujących wyników bezpośrednio układając 12712 na gorącej stronie 12706.

Około 2009 roku przygotowałem jeden taki kriocooler, używając 3-stopniowego stosu Peltiera i największego sprzedawanego chłodzonego powietrzem chłodzonego kartą wideo PC z 7 rurkami cieplnymi (możesz wyszukać publikację dotyczącą instrumentu jodu ROFLEX).

Później klient chciał skonstruować wokół mnie kolejne kopie i poprosił fabrykę płyt Peltiera, jakiej chłodnicy powietrza powinien użyć. Odpowiedź, którą z dumą usłyszałem, brzmiała: z naszymi płytkami krwi jest całkowicie niemożliwe do schłodzenia czegokolwiek, przy użyciu dowolnego typu klimatyzatora. Problemem w Peltier nie jest przepływ ciepła jako taki, ale intensywność przepływu ciepła przez centymetr kwadratowy styku z grzejnikiem. Płytki krwi mają raczej mały rozmiar, około 4x4 lub 2x2 cm, dlatego przepływ ciepła 100 W to więcej niż dużo.

W rzeczywistości 3-kaskadowe płytki krwi w moim przypadku dały różnicę między płytami końcowymi wynoszącą 116 ° C, co jest bliskie granicy teoretycznej, dlatego też uzyskałem stabilne minus 45 ° C w klimacie tropikalnym.

W tym roku muszę uzyskać jeszcze więcej - temperaturę -100 ° C za 1 cm3 przez chłodnicę niewodną chłodzoną wodą, kiedy celem byłoby uzyskanie + 50 ° C powietrza. Przez pewien czas nie jestem pewien, czy to w ogóle możliwe.

Piszę to, aby upewnić się, że -45 C jest naprawdę możliwe, ale niewiele głębsze. Teoria mówi, że 4-ty płytek krwi na trzy spowoduje uszkodzenie procesu zamiast go wzmocnić.

Tak, w tym celu sprzedawane są małe urządzenia. Możesz nawet kupić gotowe stosy z odpowiednimi materiałami na każdym etapie, aby złagodzić problem nasycenia cieplnego (jeśli przypominam sobie, że stosują proces wyższej wydajności na górze, zastępując Sb BiTe). Mam plany, aby schłodzić próbka SH21Pd97? pod naciskiem do temperatur zbliżonych do kriogenicznych i sprawdź, czy opór nagle spadnie, i powtórz ten sam eksperyment z Bi-2223 jako kontrolą z kilkoma drobnymi poprawkami później, które mogą zwiększyć Tc nawet o 20%. Prawdopodobnie nawet ulepszenie lasera za pomocą dostrojonego lasera IR.