Os dispositivos Peltier podem ser conectados em cascata?
Respostas:
Sim, e isso é feito regularmente. No entanto, existem limites para o que você pode alcançar, com base nos limites dos dispositivos individuais (temperatura mínima e máxima) e em efeitos como a resistência térmica total através da pilha. Eventualmente, você chega ao ponto em que o "vazamento reverso" de calor através da pilha (que aumenta com a diferença de temperatura de ponta a ponta) é igual à capacidade da pilha de remover o calor.
Outro problema é a ineficiência relativa dos dispositivos Peltier. Normalmente, o fluxo de calor que sai do lado quente de cada dispositivo é da ordem de 3 a 5 vezes o calor que entra no lado frio. À medida que você empilha os dispositivos, cada um precisa ser muito maior que o anterior, causando problemas com o tamanho total (que também volta ao problema de vazamento de calor).
Claro, no entanto, devido à eficiência miserável, é típico empilhar o tamanho crescente, como estágios de foguetes, então o mais gordo está lidando com o fluxo de calor de todos os outros.
Foto daqui .
Definitivamente, elas podem ser conectadas em cascata, mas o problema é que o estágio quente pode ter muito mais capacidade de transferência de calor do que o frio.
As termoelétricas mais eficazes da AFAIK têm fator de transferência de ~ 100%, ou seja, consomem energia e produzem calor de 1 W por 1 W transferido do lado frio (os frigoríficos baseados em compressor têm cerca de 300%, transferem 3 W de calor por 1 W de potência).
Digamos que você precise transferir cerca de 1 W de calor do seu dispositivo. Então o estágio mais frio pode produzir 2 W de calor em sua extremidade quente, e todo o seu calor deve ser transferido para o próximo estágio. A próxima etapa produzirá 4 W de calor. Então 8 W e assim por diante.
Peltiers em cascata devem ficar assim:
Sim. Você pode montar vários Peltiers de um único estágio, se considerarmos os fluxos elétricos e térmicos. Você verá que os dispositivos de vários estágios geralmente têm áreas físicas decrescentes para os estágios mais frios. Isso ocorre porque você tem uma quantidade decrescente de "calor" disponível em cada estágio sucessivo, pois os estágios mais quentes antes deles precisam bombear a energia térmica dos estágios mais frios e as perdas resistivas elétricas dos estágios mais frios.
Devido à baixa eficiência dos resfriadores Peltier na entrada elétrica, um estágio frio deve ser operado com uma entrada elétrica substancialmente mais baixa do que no estágio mais quente que o está esfriando. É fácil inundar o estágio mais quente com energia térmica da entrada CC do estágio mais frio e não obter refrigeração líquida.
Empilhar diretamente os módulos Peltier é problemático na prática. O dissipador de calor necessário é substancial. Você pode pensar em uma matriz serial Peltier (empilhada) dentro de um sistema como uma máquina que deve ser 'iniciada'.
Se o dissipador de calor for muito substancial, leva uma eternidade para iniciar o aquecimento / resfriamento. Isso é facilmente compensado usando um ventilador com o dissipador de calor e, em seguida, limitando o ventilador na inicialização.
Embora eu não consiga entender a vantagem do aquecimento baseado em Peltier, exceto em um sistema que alterna entre aquecimento e resfriamento para a mesma tarefa.
Os elementos resistentes são mais duráveis e fáceis de controlar do que os Peltiers para aquecimento, porque podem ser submetidos a ciclos duros muitas vezes.
O design que eu usei para vários módulos Peltier empilhados foi um 12706 entre um dissipador de calor / ventilador no lado de saída e uma barra de cobre acabada duas vezes a largura do 12706 na descarga.
Do outro lado da barra de cobre, havia (2) 12706s em paralelo, mecanicamente, e um dissipador / ventilador pesado de alumínio no lado de descarga final.
Os elementos individuais de Peltier (TEC) foram conectados em paralelo. Eu dirigi a matriz paralela de 12706s com uma PSU linear máxima, 15ADC, 12VDC, disciplinada em RTD, tensão constante.
PSUs lineares são ineficientes por si só. Portanto, o SMPS disciplinado por RTD (> 90% de eficiência) é uma opção mais eficiente.
Esse sistema era para resfriamento (atingiu -12 ° C à temperatura ambiente), mas se você o inverter, ele funcionará para aquecimento. Os elementos Peltier não devem ser aquecidos acima da temperatura da solda usada para fabricá-los. Experimentos descuidados ou inexperientes podem facilmente causar isso.
Você só quer garantir (2) coisas: para não dissipar muito calor do lado quente, porque a transferência de calor depende da diferença de temperatura dos dois lados. Essa propriedade dos módulos TEC possui limitações idiossincráticas.
Se o lado quente não estiver quente o suficiente, o sistema não transferirá calor e o consumo de energia será baixo. E também que a transferência de calor não se torna parasitária e acaba no lado frio, então toda a matriz é apenas um aquecedor. Isso pode derreter a solda no módulo TEC (Peltier).
Descobri que a especificação mais útil em um módulo TEC é a faixa ideal de temperatura nos lados quente e frio. Tudo o resto, exceto a entrada elétrica, pode ser derivado por experimento. Mas se você tentar obter o deltaT especificado usando alta e baixa temperatura incorretas, poderá não obter a capacidade total de transferência de calor do módulo.
Grande parte da vantagem obtida com os módulos TEC de qualidade é que eles operam com o diferencial de temperatura nominal deslocado para baixo. O delta 66C pode ser 44C-100C ou 0C-66C.
Nem todos os módulos TEC classificados como deltaT> = 66C funcionarão bem no delta 0C-66C ou menos. Eles podem proporcionar a maior transferência de calor no delta 44C-100C. Quanto mais frio o lado frio fica, mais desejável é o sistema, geralmente.
Também é necessário que o composto da interface de transferência térmica seja aplicado entre os módulos TEC e para o qual eles fazem interface. Nenhum módulo TEC interage diretamente com a atmosfera. Sempre há algo em ambos os lados dos módulos Peltier.
Eu era 'incapaz' de obter resultados satisfatórios, empilhando diretamente um 12712 no lado quente de um 12706.
Por volta de 2009, preparei um desses criocoletores, usando uma pilha Peltier de três estágios e o maior refrigerador de placa de vídeo PC refrigerado a ar vendido com 7 tubos de calor (você pode procurar na publicação o instrumento ROFLEX iodo).
Mais tarde, o cliente desejou construir mais cópias ao meu redor e pediu à fábrica de chapas Peltier qual refrigerador de ar ele deveria usar. A resposta que fiquei orgulhosa de ouvir foi: com nossas plaquetas é completamente impossível esfriar qualquer coisa, usando qualquer tipo de refrigerador de ar. Apenas o problema em Peltier não é um fluxo de calor como tal, mas uma intensidade de fluxo de calor acima do centímetro quadrado do local de contato do radiador. As plaquetas têm um tamanho bastante pequeno, cerca de 4x4 ou 2x2 cm, portanto, o fluxo de calor de 100W existe mais do que muito.
Na verdade, no meu caso, plaquetas de três cascatas apresentaram uma diferença de 116 C entre placas terminais, o que está próximo da fronteira teórica, portanto, consegui produzir estáveis menos 45 C no clima tropical.
Este ano eu preciso obter ainda mais, o -100C por 1 cm3 por radiador não resfriado a água quando o ar + 50C seria o objetivo. Por um tempo, não tenho certeza se é possível.
Estou escrevendo isso para garantir que -45 C seja realmente possível, mas não muito mais profundo. A teoria diz que o quarto número de plaquetas acima de três danificará o processo, em vez de impulsioná-lo.
Sim, dispositivos minúsculos são realmente vendidos para esse fim. Você pode até comprar pilhas prontas com os materiais apropriados em cada estágio, para que o problema de saturação de calor seja atenuado (se bem me lembro, eles usam um processo de maior eficiência no topo, substituindo Sb no BiTe). Tenho planos de tentar resfriar um amostra de SH21Pd97? sob pressão até temperaturas próximas a criogênicas e veja se a resistência cai repentinamente, e duplique o mesmo experimento com Bi-2223 como um controle com alguns ajustes mais tarde que podem aumentar o Tc em até 20%. Possivelmente até aprimoramento a laser via laser IR sintonizado.