Kühlung eines Wasserbehälters mit Peltierelemet

Hallo erstmal!

Ich habe zwar eine gewisse Ahnung von Thermodynamik etc., nur kann es leicht passieren, dass ich gewisse Begriffe wie Wärme, Wärmeleistung, Verlustleistung etc. ein wenig durcheinanderbringe, daher bitte ich euch nicht zu streng mit mir zu sein - Thermodynamik kommt bei mir erst nächstes Semester :smile:

Nun zu meinem „Projekt“
Ich habe vor, Wasser in einen Behälter aus verzinktem Blech (Wandstärke ~0,5mm), mit einem Peltierelement auf etwa 0-2 Grad Celsius zu kühlen.
Der Behälter hat die Ausmaße:
Durchmesser: ~ 120mm
Höhe: ~ 250mm

Die Außenwand habe ich mit PU-Schaum isoliert (Ich würde es NIE WIEDER mit PU-Schaum machen, aber voller Tatendrang zu Beginn hatte ich eine Dose davon zu hause und ich dachte es würde schon gehen …)

Das Peltierelement wird mit 8V versorgt und zieht 2A => 16W Wärmepumpleistung.
Die Warmseite wollte ich ursprünglich mittels Kühlkörper in Passivkühlung kühlen. Ich bin davon ausgegangen, dass bei einer Umgebungstemperatur von 25°C, einer Temperaturdifferenz von 65°C der Kühlkörper die 16W bei einer Temperaturdifferenz zur Umgebung von 40°C abführen muss.
Den Kühlkörper habe ich auch für diese Leistung ausgewählt (Habe später bemerkt, dass man anscheinend die doppelte Wärmepumpleistung auf der Warmseite abführen muss… stimmt das?) - aus diesem Grund habe ich einen Lüfter 2cm vom Kühler entfernt montiert - daher sollte der Kühler groß genug dimensioniert sein.

Ich habe bei diesem Prototypen noch keine Kupferplatte auf der Kaltseite befestigt, die Kaltseite des Peltierelements ist nur mittels Wärmeleitpaste auf dem Behälter „befestigt“.
Der Kühlkörper presst allerdings das peltierelement gegen den behälter - der Kontakt müsste mehr oder weniger passen.
Zwischen der Unterseite des Behälters und dem Kühlkörper habe ich auch eine dünne schicht PU-Schaum…

Ich weiß - der Prototyp ist noch sehr verbesserungswürdig, zusammengepfuscht, etc. aber prinzipiell müsste er funktionieren.

Das ist das Problem - ich habe ihn in Betrieb genommen - das Peltierelement funktioniert, der Kühlkörper erwärmt sich (nicht zu stark, auf maximal 40°C meiner Schätzung nach) allerdings hält das Wasser konstant seine Temperatur, bzw. nach etwa 30min Betrieb ist es um ca. 1°C wärmer geworden.

Auch wenn die Kälte auf der Unterseite des Behälters nicht optimal verteilt wird, müsste zumindest die kleine Fläche, welche direkt mit dem Element verbunden ist etwas kühler werden als die Umgebung - aber Fehlanzeige.

Jetzt würde ich gern eure Meinung hören, wo das Problem liegen könnte…

Und ein paar fragen habe ich noch zusätzlich :wink: (bin gerne lästig :smiley::smiley:)

Ich habe gelesen, dass normale Wärmeleitpaste für die Kontaktstelle bei Peltierelementen nicht geeignet ist, da die Flüssigkeit in der Paste schnell entweichen soll, dann der Feststoff übrig bleibt und dieser sogar etwas isolierend wirken soll.
Bei den Wärmeleitpasten wird doch normal Metall beigemischt und dies sollte auch ohne Flüssigkeit noch ein guter Leiter sein - oder habe ich einen Gedankenfehler drin?..

Ich habe die Vermutung, dass das Element unterdimensioniert ist - deshalb werde ich vermutlich eines mit mehr Leistung kaufen (50-70W) die Warmseite mit einem CPU-Kühler kühlen und es nochmal probieren - allerdings verstehe ich trotzdem nicht, wieso es momentan nicht funktioniert.
Dass das Element nicht die angegebene Temperaturdifferenz unter Last erreicht ist mir schon klar, aber auch bei (hoffentlich realistischen) 30-40°C müsste das Element den Behälter kühlen und nicht erhitzen (die Umgebungstemperatur lag bei etwa 20°C -> Kühlleistung müsste ausreichend sein, trotzdem funktioniert es nicht :frowning:

Das Element ist derzeit noch nicht isoliert, allerdings sollte ich das unbedingt nachholen, denn was ich so gelesen habe muss ich auf das Kondenzwasser aufpassen um keinen Kurzschluss zu erzeugen und damit das Element zu zerstören oder?

könnt ihr mir helfen?? :smile:

danke im Voraus
mfg Peter

Hallo,

Ich habe zwar eine gewisse Ahnung von Thermodynamik etc., nur
kann es leicht passieren, dass ich gewisse Begriffe wie Wärme,
Wärmeleistung, Verlustleistung etc. ein wenig
durcheinanderbringe, daher bitte ich euch nicht zu streng mit
mir zu sein - Thermodynamik kommt bei mir erst nächstes
Semester :smile:

Das Fach Physik hattest du in der Schule aber nicht abgewählt, oder?

Nun zu meinem „Projekt“
Ich habe vor, Wasser in einen Behälter aus verzinktem Blech
(Wandstärke ~0,5mm), mit einem Peltierelement auf etwa 0-2
Grad Celsius zu kühlen.
Der Behälter hat die Ausmaße:
Durchmesser: ~ 120mm
Höhe: ~ 250mm

Also max. ca. 2,5l Wasser, oder? Nehmen wir mal 2l an.

Die Außenwand habe ich mit PU-Schaum isoliert (Ich würde es
Das Peltierelement wird mit 8V versorgt und zieht 2A => 16W
Wärmepumpleistung.

2l Wasser haben eine Wärmekap. von über 8000Ws/1grd
Macht ca. 160.000Ws Wärmeenergie, die rausgepumt werden sollen.
Bei angenommen ideal 16W Pumpleistung dauert das schon mal
einige Stunden.

Die Warmseite wollte ich ursprünglich mittels Kühlkörper in
Passivkühlung kühlen. Ich bin davon ausgegangen, dass bei
einer Umgebungstemperatur von 25°C, einer Temperaturdifferenz
von 65°C der Kühlkörper die 16W bei einer Temperaturdifferenz
zur Umgebung von 40°C abführen muss.
Den Kühlkörper habe ich auch für diese Leistung ausgewählt
(Habe später bemerkt, dass man anscheinend die doppelte
Wärmepumpleistung auf der Warmseite abführen muss… stimmt
das?)

Logisch! Du steckst 16W rein und erwartest, daß diese sich
in Luft auflösen?

  • aus diesem Grund habe ich einen Lüfter 2cm vom Kühler
    entfernt montiert - daher sollte der Kühler groß genug
    dimensioniert sein.

Soso, denkst du?
Welche konkreten Bedingungen du da jetzt hast, können wir ja auch
in unseren Kristallkugel erspähen.

Ich habe bei diesem Prototypen noch keine Kupferplatte auf der
Kaltseite befestigt, die Kaltseite des Peltierelements ist nur
mittels Wärmeleitpaste auf dem Behälter „befestigt“.

Das reicht erstmal, sofern das Teil wirklich einigermaßen
flächig aufliegt. Das kann bei 0,5mm dickem Blech allerdings auch
bezweifelt werden. Wenn das Blech sich wölbt, hängt die Kühlfläche
quasi in der Luft. Das wäre fatal.
Ein Kupferblock ist da gar nicht nötig, Alu oder anderes Metall
geht auch schon. Hauptsache die Oberfläche ist plan und die Fläche
zum Gefäß hat einen niedrigen Wärmeübergang.

Der Kühlkörper presst allerdings das peltierelement gegen den
behälter - der Kontakt müsste mehr oder weniger passen.
Zwischen der Unterseite des Behälters und dem Kühlkörper habe
ich auch eine dünne schicht PU-Schaum…

Prima, dann kann da wenigstens schon mal wieder was von der wertvollen
Wärmeernergie vom Kühlkörper zum Gefäß zurückfließen.

Ich weiß - der Prototyp ist noch sehr verbesserungswürdig,
zusammengepfuscht, etc. aber prinzipiell müsste er funktionieren.
Das ist das Problem - ich habe ihn in Betrieb genommen - das
Peltierelement funktioniert, der Kühlkörper erwärmt sich
(nicht zu stark, auf maximal 40°C meiner Schätzung nach)

Ah ja.
Wenn du Energie reinsteckst, muß ja wohl irgendwo was warm werden.
Das halte ich jetzt nicht für einen überzeugenden Beweis.

allerdings hält das Wasser konstant seine Temperatur, bzw.
nach etwa 30min Betrieb ist es um ca. 1°C wärmer geworden.

Und hast du die kalte Seite des Peltierelements schon mal geprüft.

Auch wenn die Kälte auf der Unterseite des Behälters nicht
optimal verteilt wird, müsste zumindest die kleine Fläche,
welche direkt mit dem Element verbunden ist etwas kühler
werden als die Umgebung - aber Fehlanzeige.

Ist Polarität richtig?

Jetzt würde ich gern eure Meinung hören, wo das Problem liegen
könnte…
Und ein paar fragen habe ich noch zusätzlich :wink: (bin gerne
lästig :smiley::smiley:)
Ich habe gelesen, dass normale Wärmeleitpaste für die
Kontaktstelle bei Peltierelementen nicht geeignet ist, da die
Flüssigkeit in der Paste schnell entweichen soll, dann der
Feststoff übrig bleibt und dieser sogar etwas isolierend
wirken soll.

Halte ich so pauschel für Unsinn. Wärmeleistpaste ist normal aus
Silicon. Das verdunstet nicht so einfach und Feststoff ist da ja gar
nicht drin, im Gegensatz zu solchen mit Metallpartikeln.
Außerdem soll die Schicht natürlich ganz dünn sein.

Bei den Wärmeleitpasten wird doch normal Metall beigemischt
und dies sollte auch ohne Flüssigkeit noch ein guter Leiter
sein - oder habe ich einen Gedankenfehler drin?..

Das wird meist komplett überbewerertet. Rechne doch einfach mal
selber die Wärmeübergänge, wenn man z.B. ein Schichtdicke
von 10um annimmt. Da ist es rel. egal, ob das Mat. einen
Wärmeleitwert von 1 oder 300 K/m hat.

Ich habe die Vermutung, dass das Element unterdimensioniert ist

Und eine Abschätzung anhand von bekannten Größen wie Wärmekap.
und Pumpleistung hast du noch nicht gemacht?

  • deshalb werde ich vermutlich eines mit mehr Leistung
    kaufen (50-70W) die Warmseite mit einem CPU-Kühler kühlen und
    es nochmal probieren - allerdings verstehe ich trotzdem nicht,
    wieso es momentan nicht funktioniert.

Kann sein, es ist kaputt. Evtl. ist auch einfach die Anordnung
so schlecht, daß vom warmen Kühlkörper mehr Wärme zurückfließt,
als vom Element abgepumt wird.

Dass das Element nicht die angegebene Temperaturdifferenz
unter Last erreicht ist mir schon klar, aber auch bei
(hoffentlich realistischen) 30-40°C müsste das Element den
Behälter kühlen und nicht erhitzen (die Umgebungstemperatur
lag bei etwa 20°C -> Kühlleistung müsste ausreichend sein,

Theoretisch darf die Kühlleistung gegen null gehen, wenn die
Isolierung ideal wäre. Den Zustand hast du aber sicher nicht.
Gruß Uwi

Hallo,

Ich habe zwar eine gewisse Ahnung von Thermodynamik etc., nur
kann es leicht passieren, dass ich gewisse Begriffe wie Wärme,
Wärmeleistung, Verlustleistung etc. ein wenig
durcheinanderbringe, daher bitte ich euch nicht zu streng mit
mir zu sein - Thermodynamik kommt bei mir erst nächstes
Semester :smile:

Das Fach Physik hattest du in der Schule aber nicht abgewählt,
oder?

nein :wink:

Nun zu meinem „Projekt“
Ich habe vor, Wasser in einen Behälter aus verzinktem Blech
(Wandstärke ~0,5mm), mit einem Peltierelement auf etwa 0-2
Grad Celsius zu kühlen.
Der Behälter hat die Ausmaße:
Durchmesser: ~ 120mm
Höhe: ~ 250mm

Also max. ca. 2,5l Wasser, oder? Nehmen wir mal 2l an.

Die Außenwand habe ich mit PU-Schaum isoliert (Ich würde es
Das Peltierelement wird mit 8V versorgt und zieht 2A => 16W
Wärmepumpleistung.

2l Wasser haben eine Wärmekap. von über 8000Ws/1grd
Macht ca. 160.000Ws Wärmeenergie, die rausgepumt werden
sollen.
Bei angenommen ideal 16W Pumpleistung dauert das schon mal
einige Stunden.

Bist du dir sicher??

Meiner Rechnung nach:
Q=cw*m*Delta(t)

Q … Wärmeenergie
cw… Wärmekapazität von Wasser bezogen auf 1kg = 1l = 4190J/(Kg*K)
m … Masse
Delta(t) … Zeitdifferenz

Ich habe beim Test des Systems aus Versuchszwecken ca. einen halben Liter Wasser eingefüllt -> m=0,5

=> Q=4190*1/2*1 = 2095J

D.h. es müssten doch 2095J aufgebracht werden, um den halben Liter um 1K abzukühlen oder?

Bei 16W Wärmepumpleistung ergibt dies eine Zeit von ~2,2min/K - oder habe ich einen Fehler dabei?

Die Warmseite wollte ich ursprünglich mittels Kühlkörper in
Passivkühlung kühlen. Ich bin davon ausgegangen, dass bei
einer Umgebungstemperatur von 25°C, einer Temperaturdifferenz
von 65°C der Kühlkörper die 16W bei einer Temperaturdifferenz
zur Umgebung von 40°C abführen muss.
Den Kühlkörper habe ich auch für diese Leistung ausgewählt
(Habe später bemerkt, dass man anscheinend die doppelte
Wärmepumpleistung auf der Warmseite abführen muss… stimmt
das?)

Logisch! Du steckst 16W rein und erwartest, daß diese sich
in Luft auflösen?

  • aus diesem Grund habe ich einen Lüfter 2cm vom Kühler
    entfernt montiert - daher sollte der Kühler groß genug
    dimensioniert sein.

Soso, denkst du?
Welche konkreten Bedingungen du da jetzt hast, können wir ja
auch
in unseren Kristallkugel erspähen.

Wie ich oben beschrieben habe gehe ich davon aus, dass das Peltierelement eine Temperaturdifferenz von 65°C erreicht, bei einer Umgebungstemperatur von 25°C ergibt dies 40°C Temperaturdifferenz, bei welcher der Kühler 16W abführen muss.

Bei dem verwendeten Kühlkörper war für den Wärmewiderstand zu Luft ein Wert R = 2°C/K angegeben (ohne Gebläse).

=> bei einer Temperaturdifferenz von 40°C müsste der Kühlkörper theoretisch 20W abführen können.

Da ich wie gesagt später bemerkt habe, dass man offensichtlich doppelt so viel Wärmeleistung abführen muss wie ich angenommen hatte, habe ich einen Lüfter dazumontiert welcher den Kühlkörper direkt anbläst.

hast du das gemeint oder hab ich es falsch verstanden?

Ich habe bei diesem Prototypen noch keine Kupferplatte auf der
Kaltseite befestigt, die Kaltseite des Peltierelements ist nur
mittels Wärmeleitpaste auf dem Behälter „befestigt“.

Das reicht erstmal, sofern das Teil wirklich einigermaßen
flächig aufliegt. Das kann bei 0,5mm dickem Blech allerdings
auch
bezweifelt werden. Wenn das Blech sich wölbt, hängt die
Kühlfläche
quasi in der Luft. Das wäre fatal.
Ein Kupferblock ist da gar nicht nötig, Alu oder anderes
Metall
geht auch schon. Hauptsache die Oberfläche ist plan und die
Fläche
zum Gefäß hat einen niedrigen Wärmeübergang.

Die Fläche ist ziemlich plan, nicht verzogen etc.

Der Kühlkörper presst allerdings das peltierelement gegen den
behälter - der Kontakt müsste mehr oder weniger passen.
Zwischen der Unterseite des Behälters und dem Kühlkörper habe
ich auch eine dünne schicht PU-Schaum…

Prima, dann kann da wenigstens schon mal wieder was von der
wertvollen
Wärmeernergie vom Kühlkörper zum Gefäß zurückfließen.

Nicht unbedingt - die Isolierung zwischen dem Gefäßboden und dem Kühlkörper ist nicht sehr gut, aber die Befestigungskonstruktion für den Kühlkörper ist nicht direkt mit dem Gefäß sondern mit dem Gehäuse (Plastik) verbunden und zwischen dem Gehäuse und dem Gefäß ist wie gesagt eine weitere Schicht PU-Schaum.

Ich weiß - der Prototyp ist noch sehr verbesserungswürdig,
zusammengepfuscht, etc. aber prinzipiell müsste er funktionieren.
Das ist das Problem - ich habe ihn in Betrieb genommen - das
Peltierelement funktioniert, der Kühlkörper erwärmt sich
(nicht zu stark, auf maximal 40°C meiner Schätzung nach)

Ah ja.
Wenn du Energie reinsteckst, muß ja wohl irgendwo was warm
werden.
Das halte ich jetzt nicht für einen überzeugenden Beweis.

allerdings hält das Wasser konstant seine Temperatur, bzw.
nach etwa 30min Betrieb ist es um ca. 1°C wärmer geworden.

Und hast du die kalte Seite des Peltierelements schon mal
geprüft.

Als ich es das 1. mal ausprobiert habe ohne Wasser, nur um zu sehen ob es überhaupt funktionieren kann, wurde der kleine Fleck des Bodens sehr schnell kalt --> Polung stimmt.

Ich habe die Vermutung, dass das Element unterdimensioniert ist

Und eine Abschätzung anhand von bekannten Größen wie Wärmekap.
und Pumpleistung hast du noch nicht gemacht?

Doch - oben beschrieben :wink:

Übrigens danke schon mal für deine schnelle Antwort :wink:

mfg Peter

Hallo,

Bei angenommen ideal 16W Pumpleistung dauert das schon mal
einige Stunden.

Bist du dir sicher??

Ja, ziehmlich.

Ich habe beim Test des Systems aus Versuchszwecken ca. einen
halben Liter Wasser eingefüllt -> m=0,5
=> Q=4190*1/2*1 = 2095J
D.h. es müssten doch 2095J aufgebracht werden, um den halben
Liter um 1K abzukühlen oder?
Bei 16W Wärmepumpleistung ergibt dies eine Zeit von ~2,2min/K

  • oder habe ich einen Fehler dabei?

Kann schon stimmen.
2,2min/k ist aber idealisiert. Wenn in Praxis 3-4min/K bei 0,5l
Wasser erreicht werden, dann wäre das schon näher an der Praxis.
Ich habe aber mit ca. 2,5l gerechnet.
Also wären es bei vollem Pott eher ca. 5-6h.

Problem ist aber, daß mit zunehmender Temp.-diff. die Kühlleistung
abnimmt und der Wärmerückfluss zunimmt.
Wird also eher so sein, daß die gewünschte Temp. nie erreicht wird.

Wenn der Wirkungsgrad nicht so toll ist, weil durch die
Isolierung doch noch einige Wärme kommt, dann wird sich weit vor
dT=65grd schon ein Gleichgewichtszustand einstellen.

Wie ich oben beschrieben habe gehe ich davon aus, dass das
Peltierelement eine Temperaturdifferenz von 65°C erreicht,

Da wird aber nur unter optimalen Bedingungen klappen.

Bei dem verwendeten Kühlkörper war für den Wärmewiderstand zu
Luft ein Wert R = 2°C/K angegeben (ohne Gebläse).

Wie groß ist der Kühlkörper (Abmessungen, effektive Kühlfläche).

=> bei einer Temperaturdifferenz von 40°C müsste der
Kühlkörper theoretisch 20W abführen können.

Du hast so einen kleinen Kühler und willst den auch noch bis zum
letzten mW auslutschen? So funktioniert Technik leider nicht :frowning:

Von vorherein würde ich die Kühlung so effektiv wie möglich machen,
damit die Kühlleistung optimal genutzt werden kann.
Die ca. 30-35W muß der Kühlkörper bei max. Diff. von ca.10K schaffen.

Bei einer Differenztemp. von 65grd geht die Kühlleistung sowieso
gegen Null. Du hast also nur genügend Pumpleistung, solange die
Temperaturdiff. rel. klein bleibt. Schon bei einer Temp.-diff.
von 20-30grd. wird sich die Pumpleistung stark reduzieren (weniger
als die Hälfte).
Je größer die Temp.-diff. desto kleiner also die Pumpleistung.
Der Wärmerückfluß verhält sich aber genau umgekehrt!

Die Fläche ist ziemlich plan, nicht verzogen etc.

Dann ist das ja gut.

Prima, dann kann da wenigstens schon mal wieder was von der
wertvollen Wärmeernergie vom Kühlkörper zum Gefäß zurückfließen.

Nicht unbedingt - die Isolierung zwischen dem Gefäßboden und
dem Kühlkörper ist nicht sehr gut, aber die
Befestigungskonstruktion für den Kühlkörper ist nicht direkt
mit dem Gefäß sondern mit dem Gehäuse (Plastik) verbunden und
zwischen dem Gehäuse und dem Gefäß ist wie gesagt eine weitere
Schicht PU-Schaum.

Die Fläche zwischen Kühlkörper und Gefäß ist aber recht groß, oder?
Messe einfach mal kalorimetisch aus, wieviel Wärme da durch geht.

Dazu kannst du den Kühlkörper einfach mal warm halten (z.B. mit
einem angeklebten Heizwiderstand und dann misst du den
Temperaturverlauf der Flüssigkeit im Gefäß. Am besten natürlich so,
daß die Ausgangstemp. der Flüssigkeit Umgebungsniveau hat.

Und hast du die kalte Seite des Peltierelements schon mal
geprüft.

Als ich es das 1. mal ausprobiert habe ohne Wasser, nur um zu
sehen ob es überhaupt funktionieren kann, wurde der kleine
Fleck des Bodens sehr schnell kalt --> Polung stimmt.

Da funktioniert das Element also prinzipiell.

Doch - oben beschrieben :wink:

Naja, das Problem ist wohl vor allem fehlende Erfahrung mit ganz
praktischen phys. Effekten.
Bei solchen Sachen kann man eben nicht mehr wie in der Schule
von idealen Bedingungen ausgehen.
Hier gibt es paar ganz hilfreiche Infos zu Peltierlelmenten
http://www.quick-cool.de/bibliothek-peltierelemente.htm

Gruß Uwi

Naja, das Problem ist wohl vor allem fehlende Erfahrung mit
ganz
praktischen phys. Effekten.
Bei solchen Sachen kann man eben nicht mehr wie in der Schule
von idealen Bedingungen ausgehen.
Hier gibt es paar ganz hilfreiche Infos zu Peltierlelmenten
http://www.quick-cool.de/bibliothek-peltierelemente.htm

Gruß Uwi

Danke nochmal für die schnelle und hilfreiche Antwort.

Ich bin gerade dabei, erste praktische Erfahrungen damit zu sammeln :wink:

Also kann man zusammenfassend sagen, dass der Kühler/Wärmeabfuhr unterdimensioniert ist oder?

mfg Peter

Hallo,

Also kann man zusammenfassend sagen, dass der
Kühler/Wärmeabfuhr unterdimensioniert ist oder?

wenn er heiß wird, dann ja.

Ansonsten ist wohl auch das Petierelement unterdimensioniert.
Gruß Uwi