Celletta Peltier come abbattitore

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valeg96

2015-01-01 20:11

Tempo fa ho assemblato insieme a mio padre (lo ammetto, l'elettronica non è il mio forte) un mini-abbattitore a cella Peltier per raffreddare velocemente un becher da 100mL. Poiché è un progetto già completato posso solo mostravi il risultato.

In realtà la parte difficile è stata isolare il più possibile la parte più fredda, in quanto per il funzionamento è solo necessario un alimentatore fisso in continua a 12V.

I materiali necessari sono:

  • Cella Peltier;

  • Una o due ventole possibilmente uguali;

  • Dissipatore di alluminio (nel mio caso ho utilizzato un dissipatore per diodi ad alto voltaggio, vedi immagine);

  • Gomma o spugna plastica isolante (nel mio caso uno di quei mattoncini di spugna per palestra Domyos);

  • Alimentatore fisso 12V;

  • Pasta termoconduttiva al silicone;

  • Tappo di thermos o contenitore di alluminio;

  • Becher da 100mL ricoperto di carta di alluminio;

  • Plexiglass, cilindretti filettati e bulloni.

Questi materiali dipendono dalla forma del dissipatore, nel mio caso mi sono servite anche:

  • Fascette varie;

  • Spessore di alluminio;

  • Tondini di alluminio e clip metalliche a pressione;

  • Foglio di sughero.

Questo aggeggio riesce a congelare completamente un becher pieno di acqua in circa 15 minuti (credo raggiunga -8), quindi è l'ideale per piccole reazioni esotermiche che richiedono temperature basse. Il becher è borosilicato cinese, ho scelto quello perché fra tutti gli altri (simax e pyrex vari) era l'unico che entrava perfettamente nel tappo di alluminio. L'importante è riempire qualsiasi spazio, anche infilare un foglio di alluminio è sempre meglio di lasciare aria che circola. La schiuma o gomma viola isolante è stata tagliata con un filo di costantana rovente fissato appositamente, nello stesso modo con il quale si taglia il polistirolo, molto più preciso però.

Il procedimento è stato parecchiello lungo ma dalle foto si dovrebbe intuire. Se avete dubbi su qualcosa chiedete e vi sarà dato asd

La cella completa

https://www.dropbox.com/s/j9yrqikvesykamc/IMG_1270.JPG?dl=0L'alimentatore

https://www.dropbox.com/s/ibax92wa1zkkjr7/IMG_1263.JPG?dl=0Sopra, chiusa

https://www.dropbox.com/s/8eg1vameonvi89h/IMG_1266.JPG?dl=0Sopra, aperta e senza il becher

https://www.dropbox.com/s/jqn2oo2qa8aotiq/IMG_1272.JPG?dl=0Becher normale e ricoperto di alluminio

https://www.dropbox.com/s/xitxxljtwv97twb/ux_a12031200ux0135_ux_g03.jpg?dl=0Esempio di dissipatore usato, il mio è molto più grande e leggermente diverso.

https://www.dropbox.com/s/gxhwv2gb3ub2hm0/IMG_1273.JPG?dl=0Tutti i pezzi

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Igor

2015-01-01 21:21

Per caricare le immagini vai qui: http://www.imagestime.com/index.php , fai l'upload, e poi ricopia direttamente nel messaggio il "Codice Per Forum Con Link Da Immagine Piccola Verso Immagine Grande" .

valeg96

2015-01-02 12:10

TrevizeGolanCz ha scritto:

Potresti indicare che modelli è la cella Peltier che hai usato :-)?

Io ho una TEC1-12706, ma non è molto performante.

Ehm, era una cella trovata in casa, papà non sapeva neanche da dove provenisse, probabilmente un frighetto portatile anni '70 ma non credo ti sia di grande aiuto... *Fischietta*

valeg96

2015-01-02 13:25

TrevizeGolanCz ha scritto:

Il nome della cella dovrebbe essere stampato su una delle 2 facce, però non so se puoi estrarre la cella...

Abbiamo controllato prima di metterla dentro ma non c'era nulla. E poi se la tolgo adesso devo rimettere una montagna di pasta termoconduttiva e pulire tutto. Purtroppo su questo non posso aiutarti

arkypita

2015-01-02 13:39

Complimenti, è proprio una bella realizzazione! Unico appunto, avrei evitato di fissare l'alimentatore alla struttura e l'avrei lasciato esterno. L'alimentatore scalda, e questo influisce sull'efficienza del sistema (magari molto poco, ma influisce).

valeg96

2015-01-02 14:28

arkypita ha scritto:

Complimenti, è proprio una bella realizzazione!

Unico appunto, avrei evitato di fissare l'alimentatore alla struttura e l'avrei lasciato esterno. L'alimentatore scalda, e questo influisce sull'efficienza del sistema (magari molto poco, ma influisce).

Non scalda quasi nulla perché è un alimentatore elettronico a switching con voltaggio fisso a 12V. In più il dissipatore è così grande che è a temperatura ambiente, penso si scaldi di neanche mezzo grado. Una resa ancora migliore sarebbe data da una chiusura in gomma (come quella laterale) però non si vede più il contenuto dell'abbattitore e quindi ho optato per un semplice pannello di plexiglass. L'alimentatore è stato fissato perché così è un apparecchio in un pezzo unico ed è molto più comodo da spostare e accendere.

Grazie!

Mario

2015-01-02 19:10

Davvero un peccato non conoscere la sigla della cella di Peltier.

Come già ti è stato fatto notare, bisognerebbe svincolare l'elettronica di alimentazione dalla parte meccanica, sia per questioni di ingombro che di calore generato.

Le prestazioni sono davvero ottime, se come dici riesce a congelare un beker con acqua in appena 15 minuti.

E' possibile almeno sapere quanti watt assorbe?

saluti

Mario

Enotria

2015-01-02 22:57

Seguo con molto interesse perché ho già fatto diversi tentativi di costruire un simile abbattitore.

Ma, in tutte le mie realizzazioni, non sono mai riuscito ad ottenere le prestazioni che tu hai riscontrato.

Nel mio caso, pur sempre con ventola dissipatrice, radiatori ecc., la temperatura diminuiva, ma di soli 10/12 gradi rispetto all'ambiente. 

In altre parole, con i normali +20 gradi ambiente, io non sono mai riuscito ad ottenere acqua a meno di +7/+8 gradi.

Ma anche leggendo le caratteristiche di refrigeratori commerciali, ho sempre visto che l'abbattimento era piuttosto limitato.

Al contrario, tu parli di differenze di più del doppio, addirittura di 100 ml. di acqua mandata sotto zero in un quarto d'ora ed il tutto con una sola cella ed un alimentatore da 12 Volt 5 Amper soltanto.

Ma come fai ? Che razza di rendimento sei riuscito ad ottenere ?

Forse è per questo che siamo tutti curiosi di sapere che razza di cella stai usando, certo che è veramente da corsa !  *Fischietta*

*yuu*

TrevizeGolanCz

2015-01-03 09:24

Forse il tutto sta nel come tiene isolato il sistema... e nel posizionamento laterale delle ventole...

Leggendo le specifiche tecniche della mia cella ho trovato che può arrivare ad un Delta Tmax=66 °C...

Ora, posso assicurarvi che il mio modello è fra i più comuni ed anche il più economico del mercato!

Son sempre riuscito a ghiacciare dell'acqua, ma sempre piccole quantità...dovrei provare anch'io a migliorare il sistema di raffreddamento !

Vi lascio questo link dove potete trovare le specifiche tecniche di vari modelli ;-).

http://www.everredtronics.com/thermoelectric.TEC1.html

http://category.alldatasheet.com/index.jsp?sSearchword=PELTIER&sPage=1

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valeg96

2015-01-03 11:19

12.3 V * 3.4 A = 41.82 W La notizia buona è che ha congelato quasi tutto il becher pieno (un pò più di 100mL) in 18 minuti, la notizia brutta è che successivamente mio papà ha misurato gli Ampere con le impostazioni per i volt e ha messo in corto la cella... Adesso congela 50mL in 45 minuti... Ti ho sempre voluto bene. Ci mancherai, insegna agli angeli a fare i ghiaccioli. Per l'isolamento abbiamo usato anche del sughero, opportunamente tagliato, nella quale abbiamo inserito la cella per isolare i bordi e dall'aria e ridurre lo spazio fra le due metà e le ventole generano un flusso unidirezionale, una aspira e l'altra spinge aria fra le lamellone del dissipatore.

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TrevizeGolanCz

2015-01-03 12:27

Potrebbe essere questo il modello che stai usando -->http://www.everredtronics.com/files/TEC1-12703.pdf Presupponendo che col tuo sistema di raffreddamento la Th non ha mai superato i 30 °C i -8 °C sono fattibili. (per quanto ritenga non del tutto veritieri quei grafici) Però mi sorge un dubbio, Qcmax è la potenza massima di raffreddamento, per quale motivo maggiore è il suo valore minore è l'efficienza delle celle :-( ? Probabilmente ciò è dovuto alle mie non brillanti conoscenze della termodinamica -_-..qualcuno può aiutarmi?

Roberto

2015-01-03 21:19

Dalla targhetta si vede che l'alimentatore switching eroga 12v -5A  il che corrisponde all'incirca al consumo di una sola cella. 

Alternativamente si possono usare 2 o più celle sovrapposte con il lato freddo che fa da dissipatore alla cella successiva, ovviamente 

Il consumo sale di conseguenza, con due celle si passano i 10 A e occorre tenere presente di dissipare più 100W in calore si può usare un bel

dissipatore da CPU sovradimensionato con ventola incorporata ed eventualmente lo stesso alimentatore da PC, con 2 celle accoppiate con pasta 

siliconica  puoi scendere sotto i -10°C molto rapidamente. 

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Enotria

2015-01-03 23:20

TrevizeGolanCz ha scritto:

Però mi sorge un dubbio, Qcmax è la potenza massima di raffreddamento, per quale motivo maggiore è il suo valore minore è l'efficienza delle celle :-( ?

Il punto più critico del sistema è il non perfetto isolamento fra la parte soggetta a raffreddamento e quella dedicata alla dispersione del calore. 

Normalmente si cura con grande attenzione l'isolamento della zona da cui si estrae il calore e la dispersione nella zona in cui il calore viene eliminato nell'ambiente. Nel nostro caso, rispettivamente, il bicchiere col liquido e il dissipatore con la ventola.

Ben poco si può fare invece per l'altro punto critico che costituisce il ponte termico più pericoloso e che rende la cella Peltier poco efficace: la dispersione che avviene all'interno della stessa cella, fra le due facciate che stanno svolgendo funzioni opposte.

Infatti, la cella Peltier funziona come una pompa di calore, in cui dei semiconduttori spostano il calore sottraendolo alla faccia che definiamo fredda e cedendolo alla faccia che destiniamo allo smaltimento di questo stesso calore.

Ma queste due facciate sono vicinissime, pochi millimetri, e collegate fra loro da innumerevoli giunzioni di silicio P ed N.

Parte del calore, dopo che sarà arrivato alla faccia dispersiva, troverà così "più comodo" ritornare di nuovo alla vicinissima facciata fredda, piuttosto che prendere la via della dispersione. E questo abbasserà il rendimento termico.

Altro problema di questa cella è che i semiconduttori, per operare il trasporto delle calorie, devono essere alimentati ed a questo servirà la corrente che noi facciamo scorrere attraverso le giunzioni. Ma le giunzioni con la corrente si riscaldano, quindi dei 50 W che vengono assorbiti (ipotesi) solo 20 servono per spostare le calorie dalla faccia fredda a quella calda, gli altri 30W vanno a riscaldare la cella e, anche loro, devono essere al più presto eliminati.

Come vengono minimizzati questi due problemi ?

La dispersione interna alla cella viene ridotta aumentando lo spessore delle giunzioni, quindi allontanando fra loro le due facciate: guardando le caratteristiche, trovate celle spesse 3 soli millimetri, altre spesse 6, altre ancora, costruite per usi particolari, arrivano anche ai 12 millimetri di spessore. Quindi, più è spessa, meglio va, solo che il silicio drogato che è in mezzo alle due facciate costa e costa caro. 

Altra soluzione simile ed anche più efficiente è quella ricordata da Roberto, collegare due cellule sovrapponendole, in modo che avremo due pompe di calore che lavorano in serie e lo spessore isolante fra la prima faccia fredda e l'ultima calda diventa il doppio, con un maggior potere isolante.

Il rendimento della cella Peltier è basso per lo stesso consumo interno della cella, cioè se io aumento la potenza alzando la tensione di alimentazione, è vero che la cella farà più freddo (trasporta più calorie), ma è altrettanto vero che il calore dissipato all'interno della cella aumenterà anch'esso e, purtroppo, in modo più che proporzionale. 

L'unica maniera allora per migliorare il rendimento sarà quello di raddoppiare la superficie delle celle e di dimezzare la potenza assorbita da ciascuna cella. In questo modo il consumo energetico sarà lo stesso, il rendimento termico sarà migliorato ma, manco a dirlo, il costo finale sarà aumentato.

*yuu*

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al-ham-bic

2015-01-04 00:34

Avendo condotto a suo tempo delle prove con queste celle (per esempio nel vecchio post del giugno 2009) ero anch'io perplesso nell'accettare ill potere raffreddante dell'apparato di valeg96 rispetto alla quarantina di watt assorbiti.

Oltre 100 ml di acqua portata a solidificazione (congelata) in 18 minuti, con soli 42 watt...  *Si guarda intorno*

Se effettivamente ciò si verificava (prima della bruciatura) è evidente che la realizzazione pratica (massimo isolamento termico verso l'ambiente della parte fredda e conducibilità termica esasperata verso l'ambiente della parte calda) ha, come ovvio, la massima importanza e può condurre a risultati inaspettati.

Rimango tuttavia sconcertato per quanto sopra, condividendo alla lettera la perfetta disquisizione di Enotria, nella quale bene si evince che tutto concorre al rendimento infimo di queste celle, pur utilissime in certe situazioni quando la potenza a disposizione non costituisce un problema economico.

Mario

2015-01-04 10:03

Ogni tanto basterebbe saper fare due calcoli.

Vediamo un pò:

100 mL di acqua a 25 °C richiedono per congelare un lavoro di  4186 J/kg*°K  *  0,1 kg  * 25 °K = 10500 J

Il lavoro prodotto da 42 W in 18 minuti è.

42 J/s  *  1080 s = 45000 J

Ne consegue che tutto dipende dal rendimento della cella e del dispositivo, visto che di energia ce n'è a sufficienza.

Da quello che si legge (non ho mai fattop sperimentazioni dettagliate) il rendimento è intorno al 10 %, quindi il dispositivo non è in grado di garantire le prestazioni vantate.

Dunque valeg96 è un millantatore?

Non necessariamente. Forse è solo un osservatore approssimato. Magari il beker non era del tutto colmo, forse la temperatura dell'acqua era qualcosa sotto i 25 °C ipotizzati e sopratutto appena avrà visto il ghiaccio iniziare a formarsi sulle pareti del beker ha realizzato che l'acqua poteva dirsi congelata.

PS x Enotria: nelle celle di Peltier le giunzioni P e N sono solitamente realizzate con Bi2Te3 o simili materiali.

saluti

Mario

valeg96

2015-01-04 11:23

valeg96 ha scritto:

ha congelato quasi tutto il becher pieno (un pò più di 100mL) in 18 minuti

Come ho detto non l'ha congelato tutto, i bordi erano spessi e c'erano grossi cristalli di ghiaccio al centro. E l'acqua di rubinetto era certamente più fredda di 25°, è inverno dopotutto. Mi sono reso conto di aver compiuto osservazioni approssimate, Mario azz! Chiedo perdono *Hail*

Dopo vedo se riesco a fare qualcosa di meglio.

al-ham-bic

2015-01-04 13:49

Non ho capito i "due calcoli" di Mario.

Con 10500 J abbasso la temperatura da 25° a zero (neanche un filo di ghiaccio).

Ma poi si parla di congelamento (assunto totale) che fanno altri 33400 J (0,1 Kg * 334 KJ/Kg)

Totale circa 44000 J, ovvero APPENA sufficienti calcolando un rendimento del 100%

Con un rendimento della cella correttamente ipotizzabile del 10% siamo lontani un ordine di grandezza...

Che poi l'osservazione, il congelamento e tutto il resto sia approssimato è tutto un altro discorso.

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Mario

2015-01-04 15:19

Se ci aggiungiamo ancora il calore latente di fusione diventa ancora più ovvio che quel dispositivo non ce la fa.

saluti

Mario

Enotria

2015-01-04 23:14

Un documento di un abbattitore Peltier ben costruito è documentato su 

PeltierLFNS.pdf
PeltierLFNS.pdf
dove si vedono applicate nel migliore dei modi le osservazioni fin qui fatte.

Da notare la disposizione dei componenti, l'abbondanza di dissipazione, l'uso del rame per trasmettere il calore, l'utilizzo delle due celle sovrapposte, ecc.

Nella seconda parte della ricerca sono esposti dei grafici di evoluzione della temperatura che penso siano piuttosto interessanti per voi, sul comportamento termico dell'acqua pura, dell'acqua più sali disciolti, ecc. ecc.

Per parte mia, il mio obiettivo è molto più modesto: sto preparando un abbattitore che porti da +30° a +5°  una bottiglietta da mezzo litro di acqua.  :-P

Mo ci provo !

*yuu*

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al-ham-bic

2015-01-05 00:14

Link interessante e grafico altrettanto, i cui dati precisi si prestano bene alla verifica termodinamica.

15 W di assorbimento, 12 ml di acqua, DUE Peltier a sandwich e setup accurato rendono un'idea precisa su questi dispositivi.

Andrea, il tuo obiettivo per le escursioni estive 8-)  è raggiungibile senza alcuna difficoltà... devi solo decidere quanti ampere e quanti minuti giocarti. 

Enotria

2015-01-05 06:11

al-ham-bic ha scritto:

Andrea, il tuo obiettivo per le escursioni estive 8-)  è raggiungibile senza alcuna difficoltà... devi solo decidere quanti ampere e quanti minuti giocarti. 

Ma porca miseria, ed io che cercavo di darmi un contegno degno di questo  Forum !

Mi avete tanato subito che non volevo fare esperimenti di termodinamica, ma solo raffreddare la mia bottiglietta di te alla pesca.  azz!