¿Es más eficiente apilar dos módulos Peltier o colocarlos uno al lado del otro?

Los enfriadores termoeléctricos (TEC) son terriblemente ineficientes (un poco mejores ahora que hace una década, pero en realidad no tanto). Enfriar un trozo de material inerte es lo más fácil. Enfriar y controlar la temperatura de un dispositivo activo de disipación de energía es más difícil. Mucho más duro.

Ejemplo: en los días de auge de las telecomunicaciones ópticas, estaba trabajando en el empaque de un dispositivo de conmutación óptica. Los principales diseñadores estaban entusiasmados porque habían trabajado en un diseño que integraba el material óptico activo y los circuitos de transmisión de radiofrecuencia en un pequeño sustrato, quizás de un centímetro cuadrado más o menos. Pregunté por las especificaciones sobre qué tan frío y cuánta energía necesitarían los circuitos, y me dijeron que solo era de 10 W, y que no necesitaba estar tan frío, solo controlado.

Bueno, los TEC disponibles comercialmente eran aproximadamente un 10% eficientes en ese momento. Entonces, para bombear 10W del sustrato se requerían 100W de energía para el TEC. Esto, a su vez, significó que se descargaron 110 W al disipador de calor a temperatura ambiente. Eso significaba un TEC de aproximadamente 4"x4" y un enorme disipador de calor de 6"x6" con un ventilador gigante. Entonces, ese hermoso dispositivo estrechamente integrado significaba un paquete gigante.

¿Qué significa esto para ti? Bueno, apilas TEC para hacer que tu objeto frío sea más frío. Pero tiene una gran penalización en la cantidad de energía que se le permite gastar a su objeto "frío". Esa primera etapa es solo un 10% eficiente. La segunda etapa debe dimensionarse de manera que toda la potencia del dispositivo Y el primer TEC puedan bombearse a través de ella, y nuevamente con solo un 10 % de eficiencia. Ay. En el caso anterior, una segunda etapa habría estado bombeando 110 W, por lo que habría necesitado alrededor de 1100 W para bombear eso, lo que significa 1210 W en total. Su eficiencia se va al diablo con los TEC apilados: cada etapa adicional tiene que bombear de manera ineficiente las ineficiencias de todas las etapas anteriores.

Si desea ser lo más eficiente posible, utilice una sola etapa. Eso limitará su temperatura final, pero extraerá la mayor cantidad de energía del dispositivo enfriado. Si desea la temperatura más baja posible, apile sus TEC, pero comprenda que la potencia máxima que puede disipar caerá como una piedra.

Si la eficiencia es el problema, entonces definitivamente TEC en paralelo (o use una sola unidad clasificada para el doble de potencia, lo mismo). La única razón para apilar TEC es obtener una temperatura más baja. Sin embargo, eso tiene un gran costo para la eficiencia y el consumo general de energía.

Otro punto es que los TEC en paralelo son en realidad más eficientes en general. La razón es que los TEC son más eficientes a menor potencia. La potencia de refrigeración es proporcional a la corriente, pero el calentamiento interno se debe a las pérdidas internas I ^{2 R, por lo que va con el cuadrado de la corriente.} A corrientes bajas, un pequeño incremento en la corriente provoca más enfriamiento que calentamiento interno adicional. Sin embargo, finalmente gana el término al cuadrado y en la parte superior de la parábola un pequeño incremento de corriente provoca el mismo calentamiento que la corriente adicional que puede hacer que el dispositivo se elimine. Ese es el punto máximo de enfriamiento, pero también es el punto menos eficiente en el rango de funcionamiento normal.

Por lo tanto, dos TEC idénticos en paralelo necesitan menos de la mitad de la corriente cada uno de lo que necesitaría uno solo para la misma potencia de enfriamiento. Otra forma de expresar esto es que, excepto por las limitaciones de dinero y espacio, desea sobredimensionar el TEC para lograr eficiencia.

¡Querrás un disipador de calor mucho más grande!
(y tal vez solo un TEC) Si se enfría solo por convección, entonces tal vez un área de disipador de calor * que sea 10 veces mayor que la del TEC. (quizás más grande)

El error clásico con un TEC es hacer que el disipador de calor sea demasiado pequeño. Con un disipador de calor demasiado pequeño, el lado caliente del TEC se calienta más, hay más fugas térmicas a través del TEC, tiene que trabajar más para mantener la misma temperatura... y todo se descontrola térmicamente.

* uno realmente debería hablar sobre el volumen del disipador de calor.

Una eficiencia del 10 % no significa que necesite 100 W para producir 10 W de refrigeración. Esto es una completa tontería. La eficiencia es comparar la cantidad de calor desplazado con el ciclo ideal de Carnot. En el ciclo de Carnot ideal, son posibles valores de 'coeficiente de rendimiento' (COP) de más de 5. Es por eso que la eficiencia de un TEM puede ser baja, pero el COP en realidad es bastante razonable, pero no tan bueno como un ciclo de compresión de vapor. En la mayoría de las aplicaciones, 100 W de potencia suministrada cambiarán alrededor de 50 W de calor, más o menos.

Para un diferencial de 20 grados Celsius, los dispositivos paralelos serán más eficientes, si los dispositivos funcionan en su rango normal de eliminación de calor. Si la caja de su cámara está extraordinariamente bien aislada y puede esperar horas y horas hasta que se enfríe, lo más eficiente es una disposición en serie con ambos dispositivos funcionando a menos del 10 % de la potencia máxima.

El motivo tiene que ver con las gráficas proporcionadas por el fabricante de tu módulo. Por lo general, puede obtener eficiencias superiores al 200% para delta T de 10 grados con un flujo de calor bajo, por lo que es del 100% para 2 en serie. Duplica el flujo de calor y la potencia requerida casi se cuadruplica, por lo que la eficiencia es del 110 % por módulo o del 55 % en general.

En paralelo, 2 dispositivos con un delta T de 20 grados pueden tener una eficiencia del 75% en el flujo de calor total del primer caso en el párrafo anterior. Con el flujo de calor duplicado del segundo caso, la eficiencia podría ser del 85%.

Hacer funcionar los dispositivos Peltier cerca de su potencia nominal es muy ineficiente y requiere mucho cuidado para evitar la fuga térmica y la destrucción del dispositivo. Evítalo si es posible.

Los disipadores de calor en ambos lados deben ser muy efectivos, y debe considerar un ventilador para el lado caliente, aislado de vibraciones de la cámara.