Planung Chiller

[Al_]

Hallo,
ich brauche einen Chiller mit 1000W Kälteleistung.
Das Ding muss heizen und kühlen können. Ich muss die Wassertemperatur im Bereich 20-25°C halten. Bei 26°C soll die Kühleinheit anspringen und bei 20°c wieder aufhören.
Wenn das Wasser unter 20°C warm ist muss das Gerät heizen. Umgebungstemperatur schwankt stark. 5°C bis 35°C je nach Jahreszeit.
Ich möchte mit Peltierelementen arbeiten. Darüber hinaus habe ich ein Problem mit den Luftspalt der zwischen Luftkühler und Wasserkühler entsteht. Da zwischen ist 4mm Luft weil das Tec 4mm dünn ist. Wie fülle ich das am besten? Das Projekt ist nicht zur Kühlung eines Pc's gedacht und wird auch nicht 24/7 laufen. Sicher ist Kompressor energetisch sinvoller, aber ich hab dafür kein Platz. Ich müsste zunächst mal wissen wieviel Tecs ich brauche und was ich alles zur Temperaturregelung benötige.
Ich hoffe ihr könnt mir helfen. Danke im Voraus.

Gruß Marc

PS: um die Kühlung der Tecs kümmere ich mich. Da sehe ich keinerlei Probleme auch wenns dabei über 1Kw an Abwärme gibt.

 

[loopy83]

1kW Nettoleistung mit Peltier?
Vielleicht suchst du besser in einem Starkstromforum?!
Wir reden hier über einen Wirkungsgrad von 5-10%... kannst du 10-20kW Leistung zuführen?
Da es ein Gleichstrom Effekt ist, brauchst Du auch noch entsprechend starke Wandler, oder hast du ein Netzteil mit 12V/1000A+? Ganz zu schweigen von der zu kühlenden Abwàrme...

Hast Du dir über derartige Sachen schon Gedanken gemacht?
Wenn du von 1kW Abwärme redest offensichtlich nicht...

Wenn du sagst das TEC ist 4mm dick, hast du schon eins ausgesucht, oder woher kommt dieses Maß?

Wenn du dir über all diese Probleme im Klaren bist und diese lösen kannst, dann erst mach dir Gedanken wegen dem Luftspalt!!!!!

 

[Al_]

Ums kurz zu machen.
Spätestens am Netzteil haperts wenn die Tecs wirklich einen Wirkungsgrad von 5-10% haben.
Von der Kühlung her wären 10Kw aber auch nicht das große Problem. Braucht nur Platz, den ich allerdings nicht habe ...
Wobei ich hoffe das ich keine 10Kw abführen muss.

Aktuell wird das Gerät per Kompressor gekühlt. Auf den Kompressor (schweizer Fabrikat aus dem Jahre 1989) steht 0.18Kw drauf. Sehr warscheinlich wird das die Leistungsaufnahme sein.
Dieses Kühlaggregat liefert gemäß Aufheizzeit 1000W Kälteleistung. Da mir dieses Gerät zu groß und nicht winschnittig genug ist dachte ich mir das ich dieses Aggregat gegen eine kompaktere selbstgebaute Einheit mit Tecs ersetze. Ohne jetzt groß hin uns her gerechnet zu haben... ... es gibt Problemlos Platz für 9 Peltierelemente. z.B 56W welches 14.4V haben möchte. Die ziehen ca 500W aus der Dose? Würde ich das Gehäuse 100mm länger bauen bekäme ich auch 3 Tecs mehr unter. Und wenn der Schuh wirklich drück verwende ich einen anderen Aufbau und bekomme bis zu 18Tecs unter. Wobei man bei 18Tecs sich schon fragen muss ob das wirklich durchführbar ist. Wegen einen Netzteil. Als Notlösung könnte man ein Wig/Tig Schweißgerät verwenden. Das kostet ca 600€ und liefert 200A. Damit kann man schon ein paar Tecs versorgen... So ein Schweißgerät ist vorhanden auch wenns eigentlich für die Galvanik reserviert ist... Die Netzteile dieser Liga kostet normal ab 2riesen Netto. Das geht dann natürlich wirklich nicht mehr.

 

[loopy83]

Den Wirkungsgrad kann man bei Wikipedia nachlesen. Die Dinger sind unglaublich ineffektiv...

Ich habe gerade überlesen, dass es "Kälteleistung" ist. Ich dachte, du willst 1000W kühlen

 

[Al_]

Mit dieser Antwort komme ich leider nicht weiter :-(
Was denkst du, wieviel Tecs würde ich benötigen wenn ein Tec 100W Qcmax liefert?

 

[loopy83]

Keine Ahnung!
Da hilft wohl nur im kleinen Maßstab aufbauen und testen, wenn man es nicht exakt berechnen kann.

Um abzuschätzen, ob die 56W Dinger ausreichen und wie lange die von 25 auf 20 Grad laufen müssen, müsste man die Wärmeaufnahne/-abgabe an die Umgebung kennen etc. Hört sich nach einem nicht ganz trivialen Aufbau an.
Die Regelung incl. der Umpolung der TEC zum Heizen ist sicher auch nicht so einfach! Das ist mit Sicherheit kein Projekt für eine Woche Urlaub.

Mit spontan fällt da nur das mikrocontroller.net Forum ein, aber auch da solltest Du dein Vorhaben am besten mit Bildern/Skizzen best möglich versuchen zu beschreiben, damit man dir helfen kann.

 

[Al_]

Ich habe mir ein 100W Tec bestellt und werde damit mal den Wirkungsgrad berechnen. Entsprechender Testaufbau wird dann gefertigt.

 

[Tzk]

Grundsätzlich lässt sich sagen, dass der Wirkungsgrad mit sinkender Spannung steigt. Ebenso fällt die förderbare Leistung mit steigendem Delta T.
Die angegebenen 100W wirst du nur bei dT = 0K errreichen und das max dT nur bei Qc = 0W.

Für alles dazwischen gibts Datenblätter für das jeweilige Tec, aus dem du alles ablesen kannst was du brauchst.
Schau mal bei Reichelt in den Shop, dort sind Tecs inklusive Datenblättern gelistet.
Beispielhaft hier mal ein Tec inkl. Link zum Datenblatt:

TEC1 127 14 nur 64,50 €: Thermo-Modul, Peltierelement, 62x62x4,9mm bei reichelt elektronik
https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/C800/TEC1-12714S_2.pdf

Angenommen du betreibst dieses Tec bei 27° (linke Hälfte der PDF), dann hättest du bei ~4,5V etwa das 1,5fache der zugeführten Leistung an "Kälteleistung" (bei dT = 20K; siehe Seite 2 oben links).
Dabei würdest du eine Kälteleistung (Qc) von ~37W erhalten (Seite 1 unten links mit 4,5V und dT = 20K) und einen Strom von etwa 5A.
4,5V * 5A = 22,5W zugeführte Leistung bei Qc = 37W. Klingt ganz brauchbar.
Ich hab die Werte nur grob abgelesen, ein gewisser Fehler wird in meiner Rechnung drin sein

Gehst du mit der Spannung hoch, wird der Wirkungsgrad weiter sinken. Verringerst du dT, steigt er.
Das sieht man an den Diagrammen auf Seite 2 ganz gut.

 

[Al_]

Das Tec kam relativ schnell an.
Somit habe ich heute Vormittag mal die Kühler gezeichnet.
Darüber hinaus habe ich gelesen das bei fallender Auslastung der COP steigt. Leider habe und bekomme ich kein Datenblatt wodurch ich annehmen muss das bei ca 75% Auslastung der COP um einige % steigt. Die warme Seite wird womöglich mit einen 240 Slim radi gekühlt. Irgendwo müsste ich noch einen rumliegen haben. Als Pumpe kommt je eine Eheim 1046 zum Einsatz. Gefertigt werden die Teile die nächsten 2 Wochen. Dann wird mal getestet und über die Aufheizzeit alles nötige berechnet.

Bilder:

 

[loopy83]

Ich bin gespannt wie es hier weiter geht!
Sieht zumindest schon mal professionell aus

 

[Al_]

Hi,
die Teile sind gefräßt. Wie solls auch anders sein. Schrauben in der Länge sind alle :-(
Da hab ich dann mal improvisiert. Als Wärmeleitpaste habe ich eine spezielle Kupferwärmeleitpaste verwendet die den normalen Siliconpasten um Welten überlegen ist.
Wann ich zum testen komme weiß ich noch nicht. Ich hoffe im laufe der Woche.
Wie wird denn berechnet? Mittels der Aufheizzeit. Ich werde exakt 100ml um 10K erwärmen um somit den Wirkungsgrad berechnen zu können.

Gruß Marc

 

[SystemX]

Hier lass ich den Abo

 

[loopy83]

Finde ich gut, dass es hier weiter geht. Bin gespannt, was Deine Berechnungen ergeben

 

[SystemX]

Ja Pelztiere sind eine feine Sache... Wäre da nicht der enorme Stromhunger

 

[Ruebennase]

Das wird irgendwie Spannend

 

[Tzk]

Unterlegscheiben würden sich gut unter den Muttern machen
Sieht sehr gut aus bisher, bin ebenfalls gespannt was an Wirkungsgrad rauskommt...
Ich tippe ~50%

 

[Al_]

Bei 50% hätte ich womöglich schon sämmtliche Rekorde gebrochen^^
Ich habe von 8-12% gelesen. Bestenfalls 15%. Aber wer weiß was das für eine Kühlung war.

 

[Melanin]

Welches CAD Programm ist des?

 

[Schakalx15]

Dürfte SolidWorks sein?!

 

[Melanin]

Danke, sieht echt gut aus. SketchUp kackt mich langsam richtig derbe an.

 

[Tzk]

Sketchup taugt ja auch nicht für richtige Konstruktionen... das hier gezeigte könnte tatsächlich aus SWX stammen, sieht man auf den Bildern so schlecht.

SWX ist relativ einsteigerfreundlich, wird aber bei komplexeren Objekten (alles was keine glatten, einfachen Flächen hat) schnell nervig und fehleranfällig. Zeichnungen erstellen geht ebenfalls leicht. Eine andere Alternative ware Autodesk inventor. Das gibts für Studenten für lau

 

[Melanin]

Danke für die Info, werd ich mir mal anschauen.

 

[Al_]

So,
frisch geduscht und ein bisschen entspannt...

Theoretisch müsste man das doch mit der Formel Qpunkt = m x c x delta Theta / t berechnen können?
1Kg x 1.163 Wh/Kg x K x4.7K / 10min(0.166h) = 32,92W

Reingeschoben haben wir 131,76W

Solltens 32,92W / 131,76W = 0.2498
Ergibt einen Wirkungsgrad von 24.98%

Wenn meine Rechnung stimmt.

Bei Versuch 1 kriegen wir 28.02W raus. Dort hätte man einen Wirkungsgrad von 21.66%.

Sofern meine Berechnungen stimmen liegen wir doch deutlich höher als vorherorakelt...
Die Interessanteste Frage ist nun aber folgende. Wenn der DirectonDieKühler das Tec kühlt, ist der Wirkungsgrad schlechter (obwohl theoretisch bei besserer Kühlleistung). Womöglich liegt das daran das die Kälteenergie erst durch das Kupfer durch muss bevor es Kontakt zum Wasser hat. Es wird sich wohl empfehlen 2x DirectonDieKühler einzusetzen. Vielleicht kommt man so schon auf 30%, insbesondere dann wenn man Düsentechnisch noch optimiert. Mit rund 450W die an Kälteenergie gebraucht wird muss man dennoch ne ganze Menge Energie reinschieben :-( Wobei das nun keine große Überraschung ist
Vielleicht mach ich noch einen Versuch mit 80% Load. Da soll der Wirkungsgrad noch besser sein.

€dit:

Versuchaufbau Nummer 3 ist identisch zu Versuchsaufbau Nummer 2. Ich habe das Tec aber dieses mal mit 9.4V und 9.2A betrieben. 86.48W. Ergo nur mit 66% Auslastung.
Das Wasser konnte sich innerhalb von 10min um 3.3°C abkühlen was eine Wärmeenergie von 23,12W entspricht. Gehen wir mal davon aus das 131W maximal möglich sind so wie wir das eben schon gemessen haben. Dann bekommen wir einen Wirkungsgrad von 26,7%. Eine Steigerung von 5%!
Meine Vorhersage: Bei ca 35% Wirkungsgrad ist Schluss. Lass es ruhig ein zwei oder drei prozent mehr oder weniger sein... Irgendwie habe ich richtig Lust bekommen einen zweiten DirektonDieKühler zu bauen.
Ich will nicht sagen das es sich lohnt mit 35% Wirkungsgrad Peltierelemente einzusetzen. Das ist ne Katastrophe. Aber wenn man kein Platz hat kann man drüber nachdenken. So extrem Viel Kälteenergie wird ja nicht benötigt.

 

[maCque]

Die Berechnungen sehen gut aus! =)

 

[Al_]

Ich habe heute den zweiten DOD-Kühler hergestellt und bin nach den Tests überrascht.

Versuch Nummer 4 mit 2 DOD Cooler @ 122W
Rausgezogen haben wir 28,72W was einen Wirkungsgrad von 23,5% entspricht.

Versuch Nummer 5 mit 2 DOD Cooler @ 87,12W - wieder etwa 66% Auslastung
Rausgezogen haben wir 22,41W was einen Wirkungsgrad von 25,7% entspricht.

Fazit: mit 2 DOD Kühlern ist das Ergebnis schlechter. Der Wirkungsgrad steigt allerdings noch immer bei fallender Auslastung.
Die Folge ist nun das ich noch einen Versuchsaufbau mit 2 High End CPU Kühler machen werde.
Sollte sich der Trend bestätigen hieße das ja das der DOD Kühler schlechter ist als die herkömmlichen CPU Wasserkühler. Suspekt, aber offensichtlich eine Reale.

 

[Bob_Busfahrer]

Hast du mal mit einem IR Thermometer gemessen, ob es gewisse Spots gibt, an denen das TEC besonders heiß wird bzw. ist es gesichert, dass es überall gleich heiß wird? Nicht dass einfach nur durch Zufall die Struktur des CPU Kühlers besser passt als die des DOD Kühlers

 

[lrwr]

ich würde es nicht überraschend nennen, dass die direkt-kühlung schlechter ist.
auch wenn man einen wärmeübergang weniger hat, die kontaktfläche zum wasser ist einfach wesentlich geringer.
unter luft werden immerhin auch große kühler benutzt, um die fläche zu maximieren, mit der die wärme an die luft abgegeben wird. und bei den towerkühlern hat man noch viel mehr wärmeübergänge (cpu->bodenplatte->heatpipe->...), bessere temperaturen als ohne hast du trotzdem. die bodenplatte von wasserkühlern hat da die gleiche funktion, mehr fläche, über die die wärme an das wasser abgegeben wird.
mit 2 (high-end) cpu kühlern wirst du vermutlich deutlich besser liegen.
die nächste idee wäre es mehrere TECs zu nutzen (sofern in deiner anwendung der platz dafür vorhanden ist). nicht nur, dass die effiziens von einem TEC besser wird, wenn du es runter regelst, du hast auch noch wesentlich mehr fläche für den wärmeübergang, doppelter gewinn. wenn du sehr große temperaturdifferenzen realisieren willst, hast du damit aber auch mehr "rückfluss" der wärme durch das TEC. bis der effekt aber den effiziensgewinn aufhebt brauchst du vermutlich sehr viele tecs.

ansonsten gibt es zum thema TECs ein paar ausführungen von Simon Lineykin, er hat beispielsweise elektrische ersatzschaltbilder konstruiert für die simaltion, ist aber doch sehr komplexer und trockener stoff. vielleicht kannst du aber trotzdem die eine oder andere formel von ihm klauen.

 

[Backfire]

Ich hab letztes Jahr mal einen Prototypen eines Peltier- Boosters gebaut. Funktioniert vom Prinzip her auch, nur momentan hab ich leider andere Sorgen, als mit Pelzies rumzuspielen. Vielleicht kannst du dir ja das ein oder andere Detail abschauen und evtl. zur "Serienreife" bringen (z.B. hat der kleine Wärmetauscher eine effektive Oberfläche von 2,75m²).

Lustiges Pelztiere re-reloaded (Kurzzeit-Booster) - Meisterkuehler