¿Se pueden conectar en cascada los dispositivos Peltier?

Sí, y esto se hace regularmente. Sin embargo, hay límites a lo que puede lograr, según los límites de los dispositivos individuales (temperatura mínima y máxima) y los 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. Normalmente, 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 se acumulan dispositivos, cada uno debe ser mucho más grande que el anterior, lo que lleva a problemas con el tamaño total (lo que también vuelve al problema de las fugas de calor).

Claro, sin embargo, debido a la miserable eficiencia, es típico acumular un tamaño cada vez mayor, como en las etapas de cohetes, por lo que el más gordo está lidiando con el flujo de calor de todos los demás.

Foto de aquí .

Definitivamente se pueden conectar 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 frigoríficos basados en compresores tienen aproximadamente el 300%, transfieren 3 W de calor por 1 W poder).

Supongamos que necesita transferir aproximadamente 1 W de calor desde 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 deben tener este aspecto:

Sí. Puede montar múltiples Peltiers de una sola etapa, si se tiene debidamente 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 tienen que bombear tanto la energía térmica de las etapas más frías como las pérdidas de resistencia eléctrica de las etapas más frías.

Debido a la baja eficiencia de los refrigeradores Peltier con entrada eléctrica, una etapa fría debe operarse a una entrada eléctrica sustancialmente más baja que la etapa más caliente que la enfría. Es fácil inundar la etapa más caliente con energía térmica de la entrada de CC de la etapa más fría y no obtener ningún enfriamiento neto.

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 estar 'iniciada'.

Si el disipador de calor es demasiado importante, se tarda una eternidad en iniciar el calentamiento / enfriamiento. Esto se compensa fácilmente mediante el uso de un ventilador con el disipador de calor y, a continuación, la aceleración del ventilador al arrancar.

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 ser reciclados muchas veces.

El diseño que utilicé para varios módulos Peltier apilados era un 12706 entre un disipador de calor / ventilador en el lado de salida y una barra de cobre terminada que es el doble del ancho del 12706, en la descarga.

En el otro lado de la barra de cobre estaban (2) 12706s en paralelo, mecánicamente, y un pesado disipador de calor / ventilador de aluminio en el lado de descarga final.

Los elementos individuales de Peltier (TEC) se conectaron en paralelo. Conduje la serie paralela de 12706s con un máximo de 15 DC, 12VCC, disciplinado por RTD, fuente de alimentación lineal, voltaje constante.

Las PSU lineales son ineficientes en sí mismas. Por lo tanto, SMPS disciplinado en IDT (> 90% de eficiencia) es una opción más eficiente.

Ese sistema era para enfriamiento (alcanzado -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 hacerlos. La experimentación descuidada o inexperta puede provocar esto fácilmente.

Solo quiere asegurar (2) cosas: que no se hunda demasiado calor en el 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 está 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 parásita y se sale del lado frío, por lo que toda la matriz es solo un calentador. Eso puede derretir la soldadura en el módulo TEC (Peltier).

Encontré que las especificaciones más útiles en un módulo TEC son los rangos de temperatura nominales óptimos en los lados caliente y frío. Todo lo demás, excepto la entrada eléctrica puede derivarse por experimento. Pero si intenta obtener el deltaT especificado utilizando temperaturas altas y bajas incorrectas, es posible que no obtenga la capacidad de transferencia de calor total del módulo.

Gran parte de la ventaja obtenida con los módulos TEC de calidad es que funcionan con la diferencia de temperatura nominal reducida. 66C delta puede ser 44C-100C, o 0C-66C.

No todos los módulos TEC deltaT > = 66C funcionarán bien en delta 0C-66C, o inferior. Ellos pueden dar la mayor transferencia de calor en delta 44C-100C. Cuanto más frío es el lado frío, más deseable es el sistema.

También se requiere que se aplique un compuesto de interfaz de transferencia térmica 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 podía 'obtener' resultados satisfactorios apilando directamente un 12712 en el lado caliente de un 12706.

Alrededor de 2009 preparé un refrigerador criogénico de este tipo, utilizando una pila Peltier de 3 etapas y el enfriador de tarjetas de video para PC refrigerado por aire más vendido en 7 etapas (puede buscar en la publicación el instrumento de yodo ROFLEX).

Más tarde, el cliente quiso construir más copias a mi alrededor y pidió a la fábrica de platos Peltier qué refrigerador de aire debía usar. La respuesta que me enorgullece escuchar es que con nuestras plaquetas es completamente imposible enfriar cualquier cosa, utilizando cualquier tipo de enfriador de aire. El problema en Peltier no es el flujo de calor como tal, sino la intensidad del flujo de calor sobre el centímetro cuadrado de contacto del radiador. Las plaquetas tienen un tamaño bastante pequeño, alrededor de 4x4 o 2x2 cm, por lo que el flujo de calor de 100W es más que suficiente.

En realidad, las plaquetas de 3 cascadas en mi caso dieron una diferencia de 116 C entre las placas finales, lo que está cerca de la frontera teórica, por lo que pude producir una estabilidad de menos 45 C en el clima tropical.

Este año necesito obtener aún más, el -100C por 1 cm3 por un radiador no enfriado por agua cuando el aire + 50C sería el objetivo. Por un tiempo no estoy seguro de que sea posible.

Estoy escribiendo esto para asegurar que -45 C sea realmente posible, pero no mucho más profundo. La teoría dice que la 4ª plaqueta sobre tres dañará el proceso en lugar de potenciarlo.

Sí, los dispositivos pequeños se venden para este propósito. Incluso puede comprar pilas ya hechas con los materiales adecuados en cada etapa para mitigar el problema de la 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 tratar de enfriar una 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 más tarde para que pueda aumentar la Tc hasta en un 20%. Posiblemente incluso mejora de láser a través de láser IR sintonizado.