Klimaschrank mit Peltier-Elementen bauen

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02.06.2020, 12:02
Frost1989

Klimaschrank mit Peltier-Elementen bauen

Hallo Leute,

ich habe bei meiner Praktikumsstelle die Aufgabe bekommen einen Klimaschrank mit Peltierelementen zu bauen. Erstmal als Prototyp, wenn es gut wird, soll das ganze später auch an Kunden verkauft werden.

Der Innenraum der gekühlt werden soll hat ca. 60L. Wobei nur kleine Proben runtergekühlt werden sollen. ca. 1 bis 2L Volumen.

Die einstellbare Temperatur soll 5 bis 40° C betragen. Ich habe noch keine Ahnung wie das ganze angehe, muss noch ne Menge recherchieren, wollte mich hier mal im Vorfeld nach Ratschlägen erkundigen. Ich habe noch nie mit Peltiertechnik gearbeitet. Auch meine Bastlerkenntnisse sind gering. Aber ich will mich einarbeiten.

Ich denke 2 Elelemte mit jeweils ca. 60 W sollten genügen? Welche Peltier Elemente sollte ich kaufen? Es gibt so viele und ich weiß nicht wie die Qualtitätsunterschiede sind?

Ich brauche im Prinzip eine Spannungsversorgung, einen Thermostat, Kühler und Lüfter, sowie Temperatursensoren. Hat jemand vll ein paar Tipps zur allgemeinen Herangehensweise, worauf ich unbedingt achten sollte, einen Link zu einem ähnlichen Projekt? Ich könnte entweder einen fertigen Temperaturregler verwenden oder eine Lösung mit Arduino etc. schaffen? Was wäre sinnvoller wenn man das Produkt später öfter bauen möchte?
Wo kann ich gute Kühlrippen plus Lüfter bekommen? Bei Amazon und co ist es ja oft billiges Zeugs? Gibts vll. ne Seite mit guten aber nicht extrem teuren Sachen?

Ich bin für jede Hilfe sehr dankbar. Mein Chef ist Maschinenbau Ing. und kann mir bei meinem Vorhaben nur sehr grob weiterhelfen.
02.06.2020, 13:02
Manf

Ich würde von einem bestehenden Produkt ausgehen. "Peltier Mini Kühlschrank" mit angegebener Kühlleistung und Volumen, Testberichte. Wenn die Leistung reicht hat man ein gute Grundlage für die Modifikation der Steuerung entsprechend der speziellen Anforderungen.
03.06.2020, 11:52
Crazy Harry

60L mit 2 Peltier halte ich für sehr sportlich und wenn die Elemente außen, aus welchen Gründen auch immer, die Wärme nicht abführen können, sind sie tod.
03.06.2020, 12:06
Frost1989

ALso die Wärme sollten sie ohne Probleme abführen können, möchte große Kühlkörper mit Lüfter verwenden auf der Rückseite und kleinere passive Kühlkörper auf der Innenseite. Wobei im Inneren noch kleine Lüfter für eine Konvektion verwendet werden sollen. Was denkst du denn wäre ausreichend?
2x 70W ?

oder 4x 50 W?
03.06.2020, 14:47
Manf

Der Weg mit dem Mini Kühlschrank war ein Vorschlag, um die quantitiative Bestimmung zu umgehen.

Man kann die erforderliche Kühlleistung sonst auch berechnen, mit dem Wärmewiderstand der Vorrichtung und der Temperaturdifferenz. Wichtig ist dabei, die elektrischen Verluste im Peltierelement mit zu berücksichtigen.

https://docplayer.org/427300-Peltier...-erklaert.html
03.06.2020, 15:47
Frost1989

Zitat:

Zitat von Manf

Der Weg mit dem Mini Kühlschrank war ein Vorschlag, um die quantitiative Bestimmung zu umgehen.

Man kann die erforderliche Kühlleistung sonst auch berechnen, mit dem Wärmewiderstand der Vorrichtung und der Temperaturdifferenz. Wichtig ist dabei, die elektrischen Verluste im Peltierelement mit zu berücksichtigen.

https://docplayer.org/427300-Peltier...-erklaert.html

Danke für das Infoblatt.

Wärmewiderstand der Vorrichtung ist damit das Gehäuse gemeint? Oder das PE?

Meine gesamte abgeführte Wärme/Leistung setzt sich ja zusammen aus der abgeführten Wärme aus dem Inneren plus die ohmschen Wärmeverluste (P=I^2 * R) richtig?

Angenommen meine gewünschte max. Temperaturdifferenz sind 20K und mein Peltier hat Imax=8 A und dTmax= 71 K.

Angenommen ich möchte innerhalb 30 min 1L Wasser abkühlen.

Wenn ich richtig gerechnet habe, brauche ich 84 kJ um das Wasser abzukühlen.
Wenn ich das in 30min schaffen möchte, benötige ich 46,67W.

P=Q/t= 84kWs/1800s = 46,67W

Bei dT=20K beträgt dies ca. 28% meines dTmax=71, somit beaufschlage ich mein PE mit 2,25 A.

Bei R=2 Ohm, hätte ich eine Verlustleistung von 4,5W. ??? Ergibt das SInn? Oder wie bestimme ich die ohmschen Wärmeverluste?

Dann müsste ich eine gesamte Leistung von 46,67 + 4,5 W = 51,17 Watt haben?

Ich komme mir gerade unglaublich Dumm vor, weil ich keine Ahnung habe, wie ich die erfoderliche Leistung bestimmen soll.

:o
03.06.2020, 20:15
Manf

Zur Einleitung:
Es geht um das Ganze, das dann sogenannte Gehäuse.

Für den Vorgang ist noch zu unterscheiden, ob sich das Gehäuse zu Beginn der Abkühlung schon auf der Zieltemperatur befindet oder ob es mit der Prüfmasse gekühlt wird.

Außerdem sind ja während des Kühlvorgangs die Verluste, beschrieben durch den Wärmewiderstand des Gehäuses einzubeziehen. Ein konstanter Wert an Wärmetransport durch die Isolation, - bei konstanter oder einer über den Vorgang zunehmenden Temperaturdifferenz.

Hinzu kommt die Wärmeleistung die bei Stromfluss über den ohmschen Widerstand des Thermoelementes eingebracht wird. Die wird nur zur Hälfte an die nach die innen in das Gehäuse gerichtete Seite des Thermoelementes abgegeben, zur anderen Hälfte gleich nach außen.

Das ist erst einmal das was die Gleichung Qc = Q - Qj - Q (delta T) beschreibt.

Qj ist dabei interessant für die Ansteuerung, aber das ist sicher bekannt, der Strom soll einen niedrigen Formfaktor haben denn für die Kühlleistung ist der Mittelwert maßgebend für die Verluste dagegen der Effektivwert.
07.06.2020, 04:41
Frankstar

@Frost1989
Ich frage mich, warum die dir solch eine Aufgabe stellen, wenn dir keiner vor Ort helfen kann. Oder machst du das für dich alleine?

Ich hatte so etwas auch schon mal geplant und wollte damit eine optimale Umgebunstemperatur für einen 3D-Drucker schaffen.

Die Berechnungen vorab kannste vergessen. Die ideale Isolation und Wärmeverteilung bekommst du eh nicht hin.
Ich kann mich zwar nur noch dunkel erinnern, aber zum Kühlen waren bei mir, ebenso ca. 60l, über 100W nötig, auch wegen fehlender Isolation und dem resultierenden Energieverlust.

Peltier Elemente sind einfach sowas von ineffizient, dass sie sich im Dauerbetrieb nicht lohnen. Dann lieber eine elektrische Heizung und einen teuren Kondensator, wie bei einem Kühlschrank/Klimaanlage verwenden.

Ich nehme mal an, dass du einen Breader nachbauen willst. Einen 25L Schrank bekommst du ab 130€. Zum Kühlen sind dort für 25L 60W erforderlich. Ob sich dafür ein Nachbau lohnt?

Ansonsten bekommst ein fertiges Peltier Elemente mit Kühlkörpern für unter 20€ und einen Temperaturregler für unter 10€, wie einen STC-1000 zB.

Wichtig ist auch die Art der Isolation, ob Luft oder Dämmstoffe und das Kondensat, was du abführen oder verdampfen musst.

Viel Erfolg
07.06.2020, 04:53
hbquax

Zu den Peltierelementen sollte es doch ein Datenblatt geben. Prinzipiell bist du schon auf dem richtigen Weg. Du musst deinen Wärmefluss berechnen, also das von außen wieder reinkommt plus den Wärmefluss fürs runterkühlen. Und dann suchst du das Element, welches bei der angestrebten Temperaturdifferenz (!) diesen Wärmefluss liefern kann. Und wenn du weißt welches Modul du verbaut, kennst du die Stromaufnahme.

- - - Aktualisiert - - -

Du wirst dann feststellen, dass deine elektrische Leistung ein vielfaches deines Wärmeflusses beträgt, Peltierelemente habn einen unterirdischen Wirkungsgrad. Deswegen findet man sie eigentlich nur in billigen Baumarktkühlboxen oder in Kleinstanwendungen. Für 60l gibt es Kompressorkühlboxen oder einfach einen Kühlschrank...
07.06.2020, 07:10
Crazy Harry

Schau dir (beispielhaft) sowas mal an: https://www.marine-sales.de/isotherm...erdampfer.html
07.06.2020, 13:46
Frost1989

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Zitat:

Zitat von Frankstar

@Frost1989
Ich frage mich, warum die dir solch eine Aufgabe stellen, wenn dir keiner vor Ort helfen kann. Oder machst du das für dich alleine?

Viel Erfolg

Ich mache das jetzt im Rahmen meiner BAchelor Abschluss Arbeit. Habe mal das Expose für die Aufgabenstellung beigefügt. Mein Chef ist Maschinenbauer (auch mein Betreuer), somit bin ich was die theoretischen Fragestellungen/Dimensionierung der Kühlleistung auf mich alleine gestellt.

HAst du evnt. noch Unterlagen die ich benutzen könnte?
07.06.2020, 15:06
Manf

Bei der Aufgabenstellung drängt es sich ja auf, ein bis zwei Mini Peltier Kühlschränke zu besorgen und zu zerlegen, um zu sehen wie andere das gemacht haben und mit welchem Erfolg, (das Testen dann eher vor dem vollständigen Zerlegen).
Besser als mit einer Referenz zum rechtzeitigen Durchmessen und Optimieren (Unterstützung durch Ventilatoren und Anpassung der Elemente Leistung)) wird man nicht Zeit sparen können.
Ich denke, dass man so schnell die erforderliche Kühlleistung ermitteln kann, um die Daten mit Berechnungen zu verifizieren.
Und man kann sich mehr darauf konzentrieren eine bessere Regelung zu konstruieren als die für die üblichen Getränkekühler.
(nur mal so als Vorschlag)
07.06.2020, 15:38
Moppi

Finde ich merkwürdig. Wieso nehme ich für eine wichtige Abschlussarbeit (Maschinenbauer s.o.) eine fachfremde Aufgabenstellung?
Das ist was für Kälteanlagenbauer, die können so was ausrechnen und auch aufbauen. Aber nicht für Maschinenbau.

"BAchelor Abschluss" - Welche Fachrichtung ist das denn?

MfG
07.06.2020, 15:47
Frost1989

Ich studiere Etechnik, mit Schwerpunkt Energietechnik.

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Zitat:

Zitat von Manf

Bei der Aufgabenstellung drängt es sich ja auf, ein bis zwei Mini Peltier Kühlschränke zu besorgen und zu zerlegen, um zu sehen wie andere das gemacht haben und mit welchem Erfolg, (das Testen dann eher vor dem vollständigen Zerlegen).
Besser als mit einer Referenz zum rechtzeitigen Durchmessen und Optimieren (Unterstützung durch Ventilatoren und Anpassung der Elemente Leistung)) wird man nicht Zeit sparen können.
Ich denke, dass man so schnell die erforderliche Kühlleistung ermitteln kann, um die Daten mit Berechnungen zu verifizieren.
Und man kann sich mehr darauf konzentrieren eine bessere Regelung zu konstruieren als die für die üblichen Getränkekühler.
(nur mal so als Vorschlag)

Wir haben schon diesen hier besorgt. und wollten den dann umbauen.

https://www.amazon.de/dp/B07SLK5Y9T/...v_ov_lig_dp_it

Allerdings weiß ich noch nicht so genau, wie ich die erforderliche Kühlleistung rechnerisch ermitteln soll.

Im Prinzip hängt dass doch von dem Material ab dass ich abkühlen möchte ab?

Wir wollen eig. nur Proben mit max. 2x 100ml abkühlen.

Wenn man das eigentliche Messequipment schon vorher abkühlt.

https://www.ultratest.de/produkte-le...en/bp-700-pro/

Auf dem BIld oben, die blaue Silikonform, die 2 Edelstahlrohre und der Inhalt in der Form (100ml) müsste z.B auf 5 Grad abgekühlt werden können.
07.06.2020, 16:50
Manf

Es kommt auf die Aufgabenstellung im Einzelnen an.
Zum schnellen Erreichen einer beliebigen Temperatur soll der Schrank sicher eine gute Isolation und eine geringe Wärmekapazität haben.
Wenn es darum geht ein bestimmtes Teil schnell zu kühlen dann kann man den Kühlschrank mit großer Wärmekapazität austatten und vorkühlen und dann das Teil hineintun.
Den Wärmewiderstand des Schranks kann man auch messen indem man seine Tempraturänderung bei unterschiedlicher Wärmekapazität misst.
Es gibt bei der Optimierung des Schranks sicher eine Reihe von Messaufgaben.
07.06.2020, 17:04
Moppi

Zitat:

Zitat von Frost1989

Allerdings weiß ich noch nicht so genau, wie ich die erforderliche Kühlleistung rechnerisch ermitteln soll.

Ich vermute, ihr habt das auch nicht gelernt. Oder doch? Wie ich schon sagte, ist das Fach von Kältenlagenbauern, nicht von Elektrotechnikern, nicht von Maschinenbauern. Die Kälteanlagenbauer müssen Elektrik mit lernen, weil die das brauchen, aber umgekehrt ist das eher nicht so. Schwerpunkt Energietechnik, ist nicht Kälteanlagenbau, ich vermute dass das nicht vorkommt. Kälteanlagenbau: Elektrotechnik, Wärmelastberechnungen noch und nöcher, Berechnungen mit Kältemitteln etc., Ausrechnen der elektrischen Leistung eines Kompressors in Anbetracht des Kältemittels und der Wärmelast, Berechnen von Dämmung, Berechnen der Leistung von Klimaanlagen ...

Wenn man danach sucht, findet man auch was:

Hier mal eine Formelsammlung dazu: http://www.andreasjahnke.de/index_ht...o%201.0_AJ.pdf

Wenn ich mich recht entsinne war das was mit: Wärmemenge berechnen, die über eine bestimmte Zeit einströmt (kann auch durch Menschen erzeugt werden - Konzertsäle z.b.),; berechnen, wie schnell die Wärme draußen durch das Mauerwerk eindringt oder eben in was anderes (dazu braucht man die Wärmeleitdings von Mauern, Ziegeln, einem anderen Stoff - ist alles viel zu lange her bei mir - habs gefunden: Wärmedurchgangskoeffizient), siehe verlinkte Formelsammlung Seite 2 und 3 von 23.

MfG
07.06.2020, 17:09
Frost1989

Zitat:

Zitat von Moppi

Ich vermute, ihr habt das auch nicht gelernt. Oder doch? Wie ich schon sagte, ist das Fach von Kältenlagenbauern, nicht von Elektrotechnikern, nicht von Maschinenbauern. Die Kälteanlagenbauer müssen Elektrik mit lernen, weil die das brauchen, aber umgekehrt ist das eher nicht so. Schwerpunkt Energietechnik, ist nicht Kälteanlagenbau, ich vermute dass das nicht vorkommt. Kälteanlagenbau: Elektrotechnik, Wärmelastberechnungen noch und nöcher, Berechnungen mit Kältemitteln etc., Ausrechnen der elektrischen Leistung eines Kompressors in Anbetracht des Kältemittels und der Wärmelast, Berechnen von Dämmung, Berechnen der Leistung von Klimaanlagen ...

Wenn man danach sucht, findet man auch was:

Hier mal eine Formelsammlung dazu: http://www.andreasjahnke.de/index_ht...o%201.0_AJ.pdf

MfG

Ich danke dir!
07.06.2020, 17:15
Moppi

Allerdings brauchst Du eine Anleitung, wie man die Formeln richtig anwendet, glaub ich

MfG.
07.06.2020, 17:34
Frost1989

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Ich habe das schonmal probiert.

Mithilfe dieses Dokuments:
https://www.mikrocontroller.net/atta...te-aufsatz.pdf

Das ist jetzt allerdings nur die Betrachtung der Elemente, ohne Wärmeverlust des Schrankes.

Die Formel ist Qk= Tk*a_Elem * I - (I^2*Ri)/2 - lambda_Elem *dT

Qk= Kälteleistung in W

Tk= Temperatur Kaltseite in K

a_Elem= Thermokraft in V/K

I= Strom

Ri= Innenwiderstand PE

a_Elem= Thermokraft in V/K

lambda_Elem= Wärmeleitwert in K/W

a_Elem, lambda_Elem, Ri nehme ich aus dem Quick Cool Diagramm.

a_Elem= ist mit 0,2 mV/K angegeben. Ich nehme an, das ist die Spannung
für 1 Thermopaar?
dann ist mein a_Elem für 1 PE mit 127 Thermopaaren= 127 * 0,2 mV/K=
0,0254 V/K

Mein Regler schafft Imax_ =20A, somit stehen für mir für 1 PE =5 A zur
Verfügung wenn ich 4 PEs verwenden möchte.

Ri = 1,05 Ohm, I=5 A, Tk= 278K, a_Elem= 0,0254V/K, lambda_Elem = 0,39
W/K

Dann komme ich auf Qc= 278K * 0,0254V/K * 5 A - (5A^2 * 1,05 Ohm)/2 -
0,39 W/K * 40 K = 6,581 W

Bei 4 PEs hätte ich dan eine max Kälteleistung von 4x6,581 W = 26,324
zur Verfügung?

Würde das bedeuten ich kann 26 Joule pro Sekunde an Wärme aus dem Schrank
transportieren?

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Zitat:

Zitat von Moppi

Allerdings brauchst Du eine Anleitung, wie man die Formeln richtig anwendet, glaub ich

MfG.

Wäre gut ja. :p

- - - Aktualisiert - - -

Zitat:

Zitat von Moppi

Ich vermute, ihr habt das auch nicht gelernt. Oder doch?

MfG

Ich habe im 2 ten Semester Physik etwas Thermodynamik gehabt. Aber wir haben natrülich nie sowas für den praktischen Bezug betrachtet. Muss ich mir jetzt alles selber iwie herleiten.
07.06.2020, 17:37
Moppi

Ich habe noch was gefunden, dort sind Beispielrechnungen, um in die Materie rein zu kommen: http://olaf-naumann.de/Formelsammlun...berechnung.pdf
Dort steht erklärt, wie man Wärmelast berechnet. Bezieht sich auf Räume. Ein Kühlschrank ist aber auch ein Raum.
08.06.2020, 07:06
Manf

Zitat:

Den Wärmewiderstand des Schranks kann man auch messen indem man seine Tempraturänderung bei unterschiedlicher Wärmekapazität misst.

Vielleicht war die Bemerkung etwas knapp. Es fehlt in der Berechnung ja noch der Wärmewiderstand des Schranks.

Wenn es darum geht einen thermischen Widerstand zu messen, dann kann man das auch über die Zeitkonstante machen. Man kühlt den leeren Kühlschrank auf beispielsweise 5°C und misst die Temperatur nach dem Abschalten bei der Erwärmung. Man erhält aus der Kurve (durch curve fitting, um Umgenauigkeiten am Anfang und am Ende der Messung abzuschwächen) die Zeitkonstante also Wärmewiderstand mal Wärmekapazität die beide nicht bekannt sind.
Erhöht man die Wärmekapazität bei einer zweiten Messung um einen bekannten Wert (entsprechende Menge Wasser) dann erhält man einen zweiten Wert für die Zeitkonstante aus der sich die gesuchten Werte bestimmen lassen.

Alternativ kann man eine bekannte Wärmequelle einbringen (Widerstand mit Heizleistung) und die Temperaturänderung im eingeschwungenen Zustand messen. Für das Einschwingverhalten wird man etwas Erfahrung gewinnen müssen. Der Kühlschrank sollte dabei mit konstanter (etwas reduzierter) Kühlleistung arbeiten, ohne Regelung. Man kann auch erst einmal ohne Kühlleistung messen, man ist dann nicht ganz im Ziel-Temperaturbereich.

Soweit zum Wärmewiderstand.
In der Rechung gibt es ein delta T mit 40K das nicht weiter erläutert ist. Die Zieltemperatur ist mit 278K angegeben.
Hier sollte man auch noch etwas an den Parametern messen.
Den Widerstand der Peltierelemente kann man leicht aus der Spannungsänderung beim Abschalten des Stroms messen.
Die Peltierspannung ist sicher auch interessant. Bei bekannter Temperaturdifferenz kann die Spannung gemessen werden wenn die Elemente nicht arbeiten. Wenn sie arbeiten und der Strom kurz abgeschaltet wird dann kann man über die Peltierspannung die tatsächliche Temperaturdifferenz am Element messen. Dabei kann sich dann bei 20K zwischen Kühlschrank und Außentemperatur über die Ankoppelung des Elemtes eine höhere Temperaturdifferenz von beispielsweise 40K ergeben. Das sollte man auch nachmessen.
14.06.2020, 11:29
White_Fox

Zitat:

Zitat von Moppi

Ich vermute, ihr habt das auch nicht gelernt. Oder doch? Wie ich schon sagte, ist das Fach von Kältenlagenbauern, nicht von Elektrotechnikern, nicht von Maschinenbauern. Die Kälteanlagenbauer müssen Elektrik mit lernen, weil die das brauchen, aber umgekehrt ist das eher nicht so.

Von einem Elektroingenieur muß man schon erwarten können, auch mit etwas Thermodynamik umgehen zu können. Auch Elektrotechniker müssen z.B. mal einen Kühlkörper auslegen.
Selbst wenn es in keiner Vorlesung explizit dran war, so muß man von einem Ingenieur schon verlangen können sich dieses Thema selbständig aneignen zu können. Die mathematischen Zusammenhänge sind ja die gleichen wie beim el. Grundstromkreis, dem ohmschen Gesetz und simpler RC-Kombinationen.

Zugegeben, man wird dann auch bald mit Problemen konfrontiert die es in der E-Technik so nicht gibt. Da haben entsprechende Experten dann ihre Daseinsberechtigung.

@Frost:
Die Kühlkörper solltest du im inneren des Schranks nicht zu klein auslegen. Du wirst zwar schnell eiskalte Kühlkörper im Inneren haben, aber dadurch wird es nicht unbedingt schneller kalt. Du willst keine großen Temperaturdifferenzen, sondern möglichst schnell viel Wärme rausbringen. Ich würde dir empfehlen, die Temperaturdifferenz über deinen Peltierelementen auch deshalb möglichst gering zu wählen, damit du den sowieso schon lausigen Wirkungsgrad nicht noch weiter in den Keller treibst.

Außerdem solltest du dir mal Dinge wie z.B. die Feuchtekapazität von Luft anschauen, Stichwort hx-Diagramm.

Alles was du beschreibst deutet auf einen einfachen Kühlschrank hin. In deiner Überschift steht aber etwas von einem Klimaschrank. Beides ist nicht dasselbe und es hat schon seinen Grund, warum man Kühlschränke für relativ wenig Geld in jedem Elektromarkt kaufen kann, Klimaschränke aber eher selten sind, meistens in der Industrie verwendet werden und deutlich teurer sind.