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Module à effet Peltier



  1. #1
    knabette
    Invité

    Module à effet Peltier


    ------

    Bonjour,

    Je souhaite refroidir un tube en verre 5°C grâce à un module peltier.

    Mon problème est que je n'arrive pas à calculer l'énergie nécessaire pour refroidir le tube en verre.

    En effet la différence de température entre les deux côtés du module peltier dépend de l'énergie de refroidissement à apporter (cf : http://www.heatsink-guide.com/peltier.htm )

    Avez-vous une piste à me donner ?

    -----

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  3. #2
    knabette
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    (Désolé pour le double-post, je ne trouve pas la fonction d'édition ..)

    J'ai trouvé des valeurs pour la capacité thermique du verre. En le pesant je pourrais donc tomber sur l'énergie à apporter pour passer mon tube en verre de X°c à Y°C.

    Je me demande maintenant quelle est l'énergie (ou la puissance) à apporter pour le maintenir à la même température ?

  4. #3
    invite07941352

    Re : Module à effet Peltier

    Bonjour,
    Et de plus, comment va se faire le contact entre le module et le tube ?
    Et le tube, va t il être partiellement isolé ou bien va t il échanger avec l'extérieur, l'air ambiant par exemple ?
    Le problème est bien moins simple que ce que vous semblez penser , à mon avis .
    "Un état bien dangereux : croire comprendre "

  5. #4
    invite2313209787891133
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    Bonjour

    Pour répondre à cette question il serait préférable de donner les dimensions du tube, éventuellement ce qu'il contient, et en dire plus sur son "environnement" (est il dans une pièce à 5 ou 70°C etc).

  6. A voir en vidéo sur Futura
  7. #5
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    Citation Envoyé par catmandou Voir le message
    Bonjour,
    Et de plus, comment va se faire le contact entre le module et le tube ?
    Et le tube, va t il être partiellement isolé ou bien va t il échanger avec l'extérieur, l'air ambiant par exemple ?
    Le problème est bien moins simple que ce que vous semblez penser , à mon avis .
    Bonjour,

    J'ai réalisé un croquis du montage.

    Nom : MODULE PELTIER.png
Affichages : 121
Taille : 13,8 Ko

    Le module peltier à une puissance de 112.7W lorsque Delta T vaut 0°C, et un delta T de 74°c à 0W. Le tube en verre fait 75mm de haut et 20mm de diamètre. Il sera isolé de l'atmosphère ambiante (entre 20 et 25°C). Il contiendra un petit échantillon de réactif, à une pression d'environ 10-7 mBar. Le contact entre le tube en verre et le module peltier se fait via un enduit de pâte thermique et une couche d'aluminium de 2 mm.


    Mon problème est d'adapter le système d'évacuation de la chaleur induite par le module peltier. Je cherche donc seulement à calculer une estimation de la puissance de réfrigération nécessaire, afin de choisir le modèle de ventilateur le plus adapté. Je comptais donc commencer par calculer l'énergie nécessaire pour refroidir mon tube en verre, puis ajouter l'effet joule et obtenir une estimation de la chaleur maximale à dissiper.

    Avez-vous une idée de piste à suivre pour trouver combien de chaleur dissipera le module peltier ?

  8. #6
    invite2313209787891133
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    Bonjour

    J'ai réalisé quelque chose d'assez similaire il y a 2 ans, mais sans le module peltier. Tel quel cela fonctionnera bien même sans pâte thermique (tu peux en mettre si tu en as envie, mais elle sera surtout utile sur chaque face du peltier). La semelle en aluminium est un peu fine, il faudrait qu’elle fasse 10mm idéalement, et 5mm d'épaisseur pour le manchon qui contiendra le tube.

    Pour calculer la puissance à dissiper une fois l'équilibre atteint il faut connaitre la surface d'aluminium en contact avec l'air ambiant.
    D'après les données fournie je peux calculer une surface d'environ 0.01m², d'où une dissipation d'environ 15*10*0.01 = 1.5W.

    La durée pour atteindre 5°C dépend de la puissance du peltier et de la masse d'alu et de verre. Avec une semelle et un manchon comme préconisé j'ai 121g d'alu, plus 25g de verre.
    Si le peltier dissipe 112.7W à 0°C alors il dissipera environ 90W en moyenne sur la descente en température.

    Il faudra évacuer 2180+360 J, donc il faudra environ 2540 / (90- (1.5/2) ) = 28 secondes pour atteindre la température.

    Si cette durée n'est pas critique je te conseillerai de réduire fortement la puissance du peltier (20W sont suffisant, il faudra alors environ 3min pour atteindre l'équilibre), car ce sera moins contraignant coté radiateur.

    Par ailleurs je te conseille fortement de calorifuger toute la partie en aluminium avec un isolant étanche à l'eau, car bien que la dissipation soit faible (1.5W) de l'eau de rosée va se déposer sur la surface et le montage sera rapidement trempé. Tu peux par exemple prendre un morceau de feuille plastique pour emballer les colis.
    Dernière modification par invite2313209787891133 ; 01/08/2013 à 15h12.

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  10. #7
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    Bonjour,

    Merci pour votre aide qui m'est bien utile.




    J'ai cependant quelques questions concernant les calculs :

    D'après les données fournie je peux calculer une surface d'environ 0.01m², d'où une dissipation d'environ 15*10*0.01 = 1.5W.
    Quel est le facteur 10*15 utilisé ?


    Si le peltier dissipe 112.7W à 0°C alors il dissipera environ 90W en moyenne sur la descente en température.
    Comment estimez-vous la dissipation à 90W ? Est-ce une donnée constatée expérimentalement ?


    Il faudra évacuer 2180+360 J, donc il faudra environ 2540 / (90- (1.5/2) ) = 28 secondes pour atteindre la température.
    Vous utilisez bien la capacité thermique des deux matériaux pour arriver aux nombres 2180 et 360 ?
    Pourquoi diviser la dissipation thermique par 2 ?




    La durée n'est pas critique, je vais donc considérer réduire l'alimentation du module peltier.


    Sinon j'ai en effet rencontré des problèmes de condensation qui ont fait griller l'ancien module peltier, d'où la nécessité d'avoir un système de refroidissement suffisant ! Je pense partir sur un modèle à refroidissement liquide qui a 60W de Puissance de refroidissement maximal.

  11. #8
    invite2313209787891133
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    Citation Envoyé par knab3tte Voir le message
    J'ai cependant quelques questions concernant les calculs :
    Quel est le facteur 10*15 utilisé ?
    Il s'agit du Dt (entre 5°C et 20°C ambiant) multiplié par un coefficient de convection + radiation d'environ 10W/m².°C

    Comment estimez-vous la dissipation à 90W ? Est-ce une donnée constatée expérimentalement ?
    Le module dissipe 112.7W avec un Dt de 0 et 0W avec un Dt de 74°C, entre les 2 il s'agit d'une fonction linéaire, donc on peut facilement connaitre la puissance pour un Dt donné.

    Vous utilisez bien la capacité thermique des deux matériaux pour arriver aux nombres 2180 et 360 ?
    Pourquoi diviser la dissipation thermique par 2 ?
    J'ai multiplié la masse par le Cp en effet. Je divise la dissipation par 2 car il s'agit de l'intégration de la dissipation, d'un Dt de 0 à un Dt de 15°C par rapport à l'ambiant.


    Sinon j'ai en effet rencontré des problèmes de condensation qui ont fait griller l'ancien module peltier, d'où la nécessité d'avoir un système de refroidissement suffisant ! Je pense partir sur un modèle à refroidissement liquide qui a 60W de Puissance de refroidissement maximal.
    Ce n'est pas nécessaire, il suffit de bien habiller tout ce qui refroidit. Pour avoir quelque chose de très propre tu peux utiliser une bombe de mousse polyuréthane et tout noyer dans la mousse, sauf le radiateur coté chaud.

  12. #9
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    Ok tout me parait plus clair maintenant.


    Il me reste une dernière question : les pertes de chaleur par effet joule sont-elles importantes ?

    Je ne suis pas sur de pouvoir appliquer la loi d'ohm au module peltier, et donc je ne sais pas si je peux obtenir directement sa résistance en fonction de la tension et de l'intensité.

  13. #10
    invite2313209787891133
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    Un module peltier se comporte presque comme une résistance pure et constante, donc tu peux appliquer la loi d'Ohm.
    La chaleur à dissiper correspond à celle par effet joule (environ 180W constant avec le module que tu as sous sa tension nominale) plus la chaleur absorbée coté froid, ce qui signifie que dans les 1ers instants de fonctionnement il faudra dissiper environ 200W coté chaud, d'où ma proposition d'en prendre un moins puissant (ou de l'alimenter sous une tension plus faible).

  14. #11
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    Si on compte un effet joule de 180W, ne faut-il pas ajouter les 90W dissipés lors de la descente en température ? Cela donne 270W à dissiper du côté chaud et pas 200W.

  15. #12
    invite2313209787891133
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    En effet j'ai fais une petite erreur.

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  17. #13
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    Bonjour,

    Je vais diviser la tension d'alimentation par trois, cela me donne une dissipation de chaleur d'environ 50W.



    J'aimerais maintenant calculer l'effet de transfert thermique une fois l'équilibre atteint.

    La convection thermique peut être arrondie à 10*0.01*Dt = 2W environ.

    J'ai trouvé un rayonnement thermique d'environ 1W en prennant l'émissivité de l'aluminium poli.

    J'ai par contre un problème avec la conduction thermique. La valeur trouvée sur wikipedia (247W/m*K) est valable pour de l'aluminium d'un mètre d'épaisseur. Suffit-il, sachant que mon manchon en alu fait 1cm d'épaisseur, de diviser la conductivité par 100 ?
    J'obtiendrais alors une conductivité d'environ 0.5W.
    Dernière modification par knab3tte ; 02/08/2013 à 14h41.

  18. #14
    invite2313209787891133
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    Non, ce n'est pas comme ça que ça marche

    Cette valeur de 247W correspond au flux qui traverse un cube de 1m d'aluminium lorsqu'il y a une différence de 1°C entre les 2 cotés.
    Si on réduit l'épaisseur le flux augmente (24700W avec 1cm d'épaisseur). Si on réduit la surface le flux diminue (24.7W avec une barre de 1m de long et 0.1m² de surface).

    Pour ton application la conduction sera largement suffisante si tu utilises de l’aluminium.

  19. #15
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    En effet ca parait plus logique comme ca

    Concernant la mousse en polyuréthane, cela ne risque pas de limiter la dissipation de chaleur ?

  20. #16
    invite2313209787891133
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    Le but est à la fois de limiter la dissipation (mais comme on l'a vu celle ci est assez faible), mais surtout d’empêcher l'eau de condenser.
    J'ai fais un petit schéma pour que ce soit plus parlant, la partie transparente représente la mousse ; tout le montage se trouve emprisonné dedans, sauf le radiateur.
    Je ne l'ai pas fais à l’échelle, donc il ne faut pas faire attention aux proportions.
    Nom : montage peltier_cr.jpg
Affichages : 66
Taille : 57,6 Ko

  21. #17
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    Bonjour,

    Je vais procéder à l'isolation du tube avec la mousse. Je pourrais alors considérer que la dissipation thermique du système est nulle ?

    Dans ce cas, les dissipations par effet joule n'auront pas plus de mal à être évacuées ?

    Et la différence de température entre les deux plaques du peltier sera-t-elle proche de son maximum (74°C) ?

    Avec un bon système de ventilation, le côté chaud devrait rester à environ 25°C. Le côté froid pourra alors se rapprocher de -50°C ?

  22. #18
    invite2313209787891133
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    Bonjour

    La dissipation ne sera pas nulle, mais très faible, mais comme je l'avais mentionné plus haut le but est surtout d’empêcher la condensation de l'eau.

    Une fois la température atteinte le peltier va continuer à refroidir si il reste alimenté, pas à -50°C, mais aux alentours de -10/-15°C. Si tu veux stabiliser à 5°C il faut mettre en place une régulation.

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  24. #19
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    Ok merci pour ces infos, je m'attaque à la doc du régulateur PID !


    Cordialement,

  25. #20
    invite2313209787891133
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    Attention, la régulation d'un module peltier est assez particulière ; il ne faut surtout pas le réguler en tout ou rien car le radiateur coté chaud va transférer sa chaleur immédiatement au coté froid quand le montage ne sera plus alimenté. On peut éventuellement utiliser une régulation en PWM, mais ce n'est pas vraiment la panacée non plus si on veux une bonne stabilité en température. L'idéal est de réguler l'alimentation du module en tension ou intensité (ça revient au même vu que le module est une résistance presque pure).

  26. #21
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    Ok je verrais pour réguler l'alimentation, je dois d'abord configurer ma sonde thermique.

    Sinon j'ai une incohérence dans un calcul :

    Soit Q la puissance à dissiper par mon ventilateur.

    J'ai Q = Effet Joule + Puissance du module peltier (je néglige la dissipation thermique).

    La puissance du module peltier vaut 112.7 - 1.52 * Dt à 6A (courbe caractéristique du module).

    La chaleur à évacuer est donc inversement proportionnelle au Dt, ce qui m'étonne ..

  27. #22
    invite2313209787891133
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    On prend en compte la puissance de l'alimentation (puissance produite par effet joule, avec la formule U=RI) et la puissance absorbée sur la face froide.

    La résistance du module est presque constante (elle augmente un peu avec la température), donc cette puissance peut directement se déduire de la tension d'alim. Je n'ai pas la fiche de ton module, mais grossièrement la puissance max (sous la tension d’alimentation max que je ne connais pas) doit être d'environ 180W.
    Sous cette tension d'alimentation max le module peut "absorber" 112.7W si le Dt est de 0 entre les 2 faces.

    Donc coté radiateur si tu alimentes le module à sa tension max tu va dissiper 180W + la chaleur absorbée sur l'autre face. A t0 cette somme sera égale à 180 + 112.7, mais au fur et à mesure que la face froide (et ce qui la touche) va se refroidir cette quantité va diminuer car le Dt va augmenter.

    Si tu diminues la tension d'alim la puissance par effet joule va baisser (P = U² / R) ; la puissance max absorbée pour un Dt égal à 0 va diminuer aussi, la puissance à dissiper coté radiateur sera plus faible.

    Le but de la régulation est de se stabiliser à une tension telle que la puissance absorbée, pour un Dt défini (ici 25 - 5 = 20°C) compense exactement la puissance amenée par l'air ambiant sur le montage, soit une puissance de l'ordre du W. Une fois stabilisé la puissance à dissiper coté radiateur ne devrait pas excéder 3 ou 4W.

    Est ce plus clair ?

    Pour ce qui est de la sonde il faut faire un trou dans l'alu (au niveau de la semelle ou du tube) et l'y glisser.

  28. #23
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    Oui c'est bien plus clair maintenant, merci.
    Un ventilateur d'environ 15W sera donc suffisant pour maintenir l'équilibre, il sera juste dépassé pendant le refroidissement. Je vais donc attendre pour investir dans le refroidissement liquide.

    Pour la sonde le trou a déja été fait, mais je dispose d'une sonde AD 590. Je dois donc faire un montage avec une résistance pour améliorer la précision.
    Dernière modification par knab3tte ; 08/08/2013 à 15h58.

  29. #24
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    Edit : Pour la régulation de la température à l'équilibre, j'imagine qu'il me faudra une boucle d'asservissement avec un test toutes les quelques secondes.
    Si la température est >5°C, je baisse l'alimentation. Si la température est <5°C, j'augmente l'alimentation. J'essayerais de régler l'incrément d'alimentation en fonction du Dt constaté.

  30. Publicité
  31. #25
    invite2313209787891133
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    Oui c’est le principe. Il est possible de faire ce genre de régulation avec des composants de base (1 ampli op, un régulateur plus quelques composants passifs), ou bien d'utiliser un système numérique.
    Plutôt qu'un AD590 tu peux utiliser une simple CTN dans un pont diviseur ; il faudra juste faire une calibration une fois.

    Tu voudrais quelle précision sur la température ?

  32. #26
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    J'ai besoin d'un réglage au degré près, donc +- 0.5°C. J'ai quelques AD 590 en stock donc j'ai pas vraiment pensé à une alternative.

  33. #27
    invite2313209787891133
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    Le problème des AD590 c’est le traitement du signal ; une CTN n'est pas linéaire, mais une fois le montage calibrée on arrive facilement à réguler à 0.1°C voire mieux sans avoir besoin de traiter le signal (on utilise un simple comparateur).

  34. #28
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    Un ami a fait un programme sous LabView pour traiter le signal des AD 590, donc ce n'est pas vraiment un problème. De plus, une précision de 0.1°C ne m'est pas nécessaire.

    Je considérerais quand même une CTN si j'ai des problèmes de traitement de signal.

    Ps : avant de retrouver mes AD590 je pensais utiliser une PT100.

  35. #29
    invite2313209787891133
    Invité

    Re : Module à effet Peltier

    Une pt100 reste l'idéal en effet, mais il y a aussi le problème de traitement du signal, à moins d'utiliser un transmetteur tout fait si tu as le budget (environ 70 euros).

  36. #30
    knab3tte

    Re : Module à effet Peltier

    Bonjour,
    Le module est monté et fonctionne bien pour le moment !


    J'aimerais éclaircir quelques points de thermo qui pourrait me resservir, notamment sur les flux thermiques.

    J'arrive à calculer séparément les différentes modes d'échanges : conduction, convection et radiation.
    En ne considérant que la conduction thermique du tube en alu, je trouve un flux de chaleur de 2500W (voir la formule ici ). Cela me parait élevée, j'imagine qu'il faut considérer l'ensemble des échanges thermiques pour avoir une idée.

    Et mon problème est là, je ne sais pas quelle est la relation entre ces modes d'échanges !

    Si l'on prends mon dispositif pour exemple, la chaleur sera diffusée du peltier au manchon en alu et au tube par conduction, puis de l'alu à la mousse isolante. Enfin la chaleur sera dissipée par convection et radiation. Dans le cas de cylindres concentriques, il suffirait d'ajouter les Rth de conduction pour avoir la résistance thermique de conduction totale.

    D'après la page wikipédia le flux thermique total vaut : Q = Dt / ( 1/Resistance thermique de convection + 1/Rth conduction ) pour une surface plane.

    La formule de la convection thermique ne dépendant pas du matériau (si j'ai bien compris ..), puis-je considérer une dissipation par convection même avec mousse isolante ?

    De plus le lien précédent ne prends pas en compte la radiation thermique (même si elle est négligeable dans mon cas).
    Y-a-t'il une formule plus complète ? (J'en ai trouvé avec des delta qui sont apparement des opérateurs laplaciens, ce qui dépasse mon niveau en mathématiques.)


    En éspérant ne pas avoir raconté trop de sottises,

    Knab3tte.

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