Celle di Peltier

[WallaWalla]

Buongiorno,

io dovrei cercare di capire come dimensionare un sistema di raffreddamento con cella di Peltier, dissipatore e ventola.
Dovrei raffreddare 1 litro di acqua da 18°C a circa 0°C. Di conseguenza questo passaggio implica un dispendio(negativo) di calore pari a Q=m*cp*deltaT, ovvero circa 75.4 kJ. A questo punto, se volessi che il raffreddamento duri 10 minuti, per valutare la potenza da sottrarre al fluido posso fare P=Q/t e quindi otterrei una potenza di 126 Watt. Questo dovrebbe essere il calore da sottrarre al fluido per abbargli la temperatura in 10 minuti, giusto? Ho commesso degli errori in questi calcoli?

A questo punto vorrei capire quale tipo di cella di Peltier posso scegliere e quindi il dissipatore e la ventola associati, per raffreddare la faccia calda del dispositivo.
Inoltre vorrei che la faccia fredda della cella arrivi ad un max di 0°C e che la temperatura non scenda al di sotto.
Qualcuno mi può aiutare?

Grazie, Emanuel

[IsidoroKZ]

Nel calcolo, giusto in prima battuta, non hai considerato la capacita` termica del contenitore (probabilmente trascurabile) e le dispersioni verso l'ambiente.

Inoltre nel progetto devi considerare che se raffreddi l'acqua "di sotto", sul fondo del contenitore, non partono i moti convettivi per uniformare la temperatura dell'acqua: ti serve un agitatore.

Per il progetto delle celle serve conoscere la resistenza termica del contenitore (materiale, dimensioni...), dove si mettono a contatto le celle e la temperatura dell'aria per raffreddare le celle.

[Orso71]

Devi anche tener conto che non puoi ottenere ciò che hai richiesto. Se la faccia interna della cella non può scendere sotto gli zero gradi, non hai delta termico alla fine del processo di raffreddamento e quindi il tempo della trasformazione è infinito (asintotico). Se vuoi fare la trasformazione in un tempo finito devi avere il "raffreddatore" più freddo del "raffreddato".

[IsidoroKZ]

Probabilmente non vuole solo che l'acqua geli. Con un po` di agitazione e un controllore probabilmente si riesce a fare.

[Orso71]

Di sicuro sono stato io a sbagliarmi. E visto che il mio lavoro è la refrigerazione sarà bene che torni a guardarmi i testi di termodinamica delle superiori!

[IsidoroKZ]

Perche' dici che ti sei sbagliato? Non mi sembra: per spostare calore ci vuole un salto di temperatura.

Pensavo che mentre c'e` la transizione di fase la temperatura non cambia e quindi probabilmente si riesce a raffreddare fin dalle parti del punto triplo mantenendo in agitazione il fluido e avendo una piastra piu` fredda: si formano cristalli di ghiaccio che vengono portati via dall'agitazione.

Poi si scopre che invece si forma una splendida crosta di ghiaccio attaccato alla cella

[Orso71]

Ah, ok. Mi pareva che tu in [4] intendessi che si poteva fare con la cella a 0 °C.

[IsidoroKZ]

No di certo! La relazione di Fourier e` sempre valida. Ma si puo` barare un pochino vicino all'interfaccia, se la zona e` piccola e non si forma uno strato di ghiaccio. Mi ero proprio espresso male!

[WallaWalla]

Innanzitutto grazie per le risposte.
Che la faccia fredda della cella deve essere ad una temperatura inferiore a 0°C avete regione Diciamo che i mio obiettivo non è avere proprio l'acqua all'interno del contenitore a 0°C precisi ma diciamo che anche ad 1-2°C può andar bene.
Per quanto riguarda il contenitore, in prima battuta volevo provare con un contenitore cubico di lato pari a 10cm, quindi un volume totale di 0.001 metri cubi che dovrebbe corrispondere ad 1Kg di acqua. Per quanto riguarda la spessore direi 1mm e può essere fatto di acciaio. Per quanto riguarda la resistenza termica quindi dovrei calcolare R=1/lambda*A giusto? Dove lambda è la conducibilità termica del materiale e l'area è quella ortogonale alla trasmissione del calore quindi L*L.
Infine la temperatura ambiente la metterei a 20°C.
In prima approssimazione questi calcoli mi servono per valutare se questo tipo di raffreddamento è fattibile, quant'è il tempo necessario per effettuarlo e come dimensionare la cella. Dopodiché il materiale, lo spessore ed altri parametri li potrei variare di conseguenza.
Se ho dimenticato qualcosa ditemi pure.

Grazie, Emanuel

[Orso71]

Se ho dimenticato qualcosa ditemi pure.

Pare di sì... La coibentazione. Forse l'isolamento termico è la parte più importante del lavoro, di certo la prima da considerare ora.