Project nevelkamer

[Michel Uphoff]

al is de vraag of dat zo blijft als je er een nevelkamer op monteert.

 
Inderdaad. Daarom vandaag ook eens gekeken of ik het benodigde netto vermogen om de nevelkamer op de gewenste temperatuur te houden kon meten:
 
De volledige goed geïsoleerde nevelkamer met de bodemplaat werd gekoeld door slechts 1 tec. Het geheel was gemonteerd op een blok aluminium van 4*4*4 cm. Op dat blok drukte dus de bodem van de nevelkamer. Geheel was voorzien van zo dun mogelijke laagjes thermische pasta.
 
In dat blok waren op een verticale hartafstand van 34 mm twee gaatjes geboord waarin twee temperatuursensoren waren gemonteerd. De tec werd voorzien van 10 volt spanning en trok 3 ampère. Na 3 uur was de temperatuur bodemplaat van de nevelkamer gedaald tot -3,1 graden. Het temperatuurverschil tussen beide sensoren in het blok was (gemiddelde van 3 metingen) 0,15 graden.
 
Gezien de lambda van aluminium, de afmetingen van het blok en de onderlinge afstand tussen de sensoren berekende ik een netto benodigd koelvermogen van 1,7 watt bij een deltaT van 29 graden
 
Dan zou het vereiste netto koelvermogen om een delta van 60 graden in stand te houden dus rond 3,5 watt liggen. Op zich valt mij dit wel mee. Overigens zijn deze metingen niet bepaald precies met digitale thermometers met een resolutie van 0,1 graden.
 
Maar waarschijnlijk moet ik later de propanolgoot die boven in de nevelkamer komt een beetje verwarmen om voldoende verdamping van de propanol te krijgen. Ik weet nog niet hoeveel extra energie ik zo in de kamer injecteer.

[Benm]

Wat wellicht ook een aardige test is: monteer op het bovenste aluminiumblok iets waarmee je een bekende en regelbare hoeveelheid warmte kunt produceren, iets als een weerstand/diode/transistor/powerled in een vlakke behuizing die je er met pasta aan kunt verbinden. Dan zou je kunnen zien hoeveel totale delta-T je kunt bereiken voor een gegeven warmtestroom, en ook kunnen inschatten hoeveel moeilijker het wordt met meer thermische belasting. Bijvoorbeeld het verschil tussen 1, 2 of 3 watt vermogen op het bovenste blok bij constant vermogen van de tec's. 

[Michel Uphoff]

Eergisteren kwamen dan eindelijk de resterende Tec's binnen O:) .
De tussenstap met een 1/4 nevelkamertje kon ik dus overslaan, en ik heb inmiddels de volgende setup's getest (omgevingstemperatuur ongeveer 27 graden):
 
a) 2*12705 (4 sets, totaal 8):

setup koelunit 1 1381 keer bekeken

Bij 8 volt per tec en 17,7 ampère (140 watt) kwam de temperatuur van de bodemplaat van de nevelkamer op -9,1 graden.
Bruto verbruik ruwweg 3,8 watt per graad.
 
b) 2*12705 + aluminium tussenstuk + 1*12708 op elkaar gestapeld (4 sets, totaal 12):

setup koelunit 2 1381 keer bekeken

Bij 8 volt op de acht 05 tec's en 3 volt op de vier 08 tec's kwam de bodemplaat op -19 graden (bruto vermogen 150 watt, ruwweg 3,2 watt/°c)
Bij 8 volt en 5 volt werd het -23 graden (bruto vermogen 175 watt, ruwweg 3,5 watt/°c)
Bij 9 en 5 volt kwam de bodemplaat op -27 graden (bruto vermogen 222 watt, ruwweg 4,1 watt/°c)
 
c) 2*12705 + aluminium tussenstuk + 1*12708 + 1*12708 (4 sets, totaal 16):

setup koelunit 3 1381 keer bekeken

De temperatuur bleef rond -27 graden bij een spanning van 3 volt op de derde laag tec's
Uiteindelijk heb ik het de voorlopig laagst gemeten temperatuur bereikt bij de volgende parameters:
9 volt op de acht onderste 05 tec's (171 watt)
7 volt op de vier middelste 08 tec's (70 watt)
3 volt op de vier bovenste 08 tecs (14 watt)
Totaal bruto vermogen: 255 watt, ruwweg 4,36 watt/°c
[attachment=27192:-30!.jpg]
 
-30 graden (kamertemperatuur 28,5 graden) was mijn minimale streeftemperatuur, en dat is dus gehaald. De laatste 3 graden souperen bruto 33 watt extra.
 
Op de foto is te zien dat er zich in de nevelkamer nogal wat rijp bevindt, dat was bij een eerdere test veel minder. De EPS isolatie was door het vele in en uit elkaar halen wat vervormd geraakt en kierde een beetje. Daardoor was de kamer niet meer helemaal winddicht. Hier valt wellicht nog een graad of zo te winnen. Ook met het zeer zorgvuldig opbouwen van de koelelementen (zo vlak mogelijke oppervlakken, en zo dun mogelijke pastafilm) valt wellicht nog een graad of zo te winnen.
Hier tegenover staat, dat de binnenzijde van de nevelkamer nog niet zwart is. Het Eps is gemiddeld vrij wit, en de bodemplaat matgrijs. Als ik dit zwart ga uitvoeren (en dat moet vanwege de zichtbaarheid van de tracks) valt er iets meer absorptie te verwachten.
 
De temperatuur van de bodemplaat werd op twee punten gemeten; in het centrum en bij de rand. Het verschil is waarschijnlijk minder dan een graad.
 
Ik denk dat setup's met minder dan 4 sets van tec's kan overslaan. Ik moet nog wat spelen met de voltages, want gezien de gemiddeld verstookte watts per graad, denk ik dat ik met een wat lagere spanning op de onderste acht tec's en een iets hogere op de lagen daarboven met minder vermogen hetzelfde resultaat kan krijgen.

[Michel Uphoff]

Ondertussen ben ik wat verfijningen aan het doorvoeren.
 
Alle relevante aluminium vlakken (top heatsink, onder- en bovenzijden van de blokken aluminium) zo vlak mogelijk gemaakt, en de kubusjes voorzien van een zeer dun laagje geleidende pasta met boutjes stevig vastgetrokken aan de bodemplaat:
 

Koelunit overzicht 1 1381 keer bekeken

Koelunit overzicht 2 1381 keer bekeken

 
Eerder viel mij op dat de stroomsterkte nogal wat leek te variëren. Ik had twee sets van vier 12705 tecs op twee identieke voedingen en gelijk voltage aangesloten en de stroomsterkte tussen de twee sets verschilde ruim 20%. Dus dat maar eens nader uitgezocht, door de weerstand van ieder tec individueel te meten. Een lastiger klusje dan gedacht, met een goede multimeter gaat dat niet want die is veel te gevoelig. Minieme temperatuurvariaties tussen beide tec-zijden leveren natuurlijk een spanninkje op, tecs zijn immers niets anders dan thermokoppels. Dus een vaste spanning van 3 volt over de tec's gezet, en de stroomsterkte gemeten nadat de temperaturen van de tec gestabiliseerd waren.
 
De weerstand van zeven (05) tec's lag tussen 3,4 en 3,6 Ω. Een tec echter bleek defect (weerstand oneindig) en een tec heeft een weerstand van 4,26 Ω. Met negen 05 tec's op voorraad is dit een probleem. Nog acht werkende 05 tecs over waarvan een dus duidelijk afwijkt. Ik ga er zekerheidshalve nog een paar bijbestellen. De 08 tecs hadden allemaal een vergelijkbare weerstand van rond 3 ohm.
 
Het idee is nu om de tecs op grond van hun weerstand zo te verdelen dat ieder van de vier torentjes evenveel vermogen vraagt, zodat de temperatuurverschillen van de bodemplaat zo klein mogelijk blijven.
 
Ander probleempje waar ik mee bezig ben is het kleuren van de bodemplaat en de nevelkamer. Die moet bij voorkeur matzwart zijn. Ik denk er aan de wanden van de binnenzijde te bekleden met matzwart PVC hardschuim plaat (3 mm dik,  klik), en het aluminium óf zwart te spuiten met acrylaatverf, óf zwart te anodiseren. Voor de eerste mogelijkheid heb ik een stukje mooi schoon geschuurd aluminium zwart gespoten en in een potje isopropanol gedaan. Flink wat keren in en uit de vriezer, en dan zien hoe die laklaag zich houdt.
 
Wordt vervolgd.

[Michel Uphoff]

Inmiddels de definitieve koelunit gemonteerd:
 

Koeling opbouw onderste tecs 1381 keer bekeken

Koeling opbouw tussenlaag voor sensor 1381 keer bekeken

Koeling opbouw bovenste tecs 1381 keer bekeken

Koeling opbouw bovenblokken 1381 keer bekeken

Koeling compleet bovenzijde 1381 keer bekeken

Koeling compleet onderzijde 1 1381 keer bekeken

Koeling compleet 1381 keer bekeken

 
Ik heb de bedrading over twee zware kroonsteenstrips verdeeld zodat ik, indien wenselijk, nog kan kiezen voor serie- of parallel schakelen van twee groepen tecs in ieder van de drie lagen.
 
Na 4 dagen ondergedompeld in propanol en diverse keren in en uit de vriezer heeft de acrylaatlak zich prima gehouden. Geen barstjes en de lak zit overal nog goed gehecht. Dus lijkt mij deze lak geschikt om de binnenzijden van de nevelkamer matzwart te maken.
 
Volgende stap is een optimalisatieronde van de spanningen per laag Peltiers. Daarna kan ik mbv het geïmproviseerde nevelkamertje (zie vorige berichten) en gaan kijken hoe ik een optimale belichting kan realiseren.
 
Vervolgens moet een eventuele verwarming van de nog te bouwen propanolgoot bovenin de kamer bezien worden. Wellicht kan ik voldoende verdamping van de isopropanol ook bereiken door een slimme plaatsing van de goot, bijvoorbeeld op deze manier:
 

Verdiepte propanolgoot 1381 keer bekeken

 
Verder heb ik mij voorgenomen deze metalen (messing) goot ook te gaan gebruiken als pool voor een DC hoogspanning (ander pool is de bodem) die storende losse ionen invangt en er tevens voor zou moeten zorgen dat uitgewaaierde nevelsporen verdwijnen voordat ze te breed worden.
 
Welke spanning ik daarvoor moet aanleggen is nog de vraag. Ik zie op internet voor deze 'ionscrubber' spanningen variërend van enkele honderden tot vele kilovolts gebruikt worden. Als iemand daar een idee over heeft, dan hoor ik het graag.

[Benm]

Dat ziet er mooi uit! Ben benieuwd naar de eerste deeltjes

[Pinokkio]

De weerstand van zeven (05) tec's lag tussen 3,4 en 3,6 Ω.
.........
De 08 tecs hadden allemaal een vergelijkbare weerstand van rond 3 ohm.

Volgens spec sheets zou men verwachten dat een 12705 een weerstand heeft van hooguit 2,5 Ω en een 12708 hooguit 2 Ω.
 
Ik vraag me af wat die Chinezen werkelijk produceren, maar zolang het doet wat jij wil doet het natuurlijk niet echt terzake.

[Michel Uphoff]

Maar over welke weerstand hebben we het dan. De door mij gemeten waarden zijn bij belasting.
Daarnaast, de weerstand van mijn meetsnoeren is ongeveer 0,3 Ω
 

Ben benieuwd naar de eerste deeltjes

 
Geduld..

[Benm]

Volgens spec sheets zou men verwachten dat een 12705 een weerstand heeft van hooguit 2,5 Ω en een 12708 hooguit 2 Ω.
 
Ik vraag me af wat die Chinezen werkelijk produceren, maar zolang het doet wat jij wil doet het natuurlijk niet echt terzake.

 
Is dat inclusief of exclusief de aansluitdraden?
 
Die zijn bij chinese producten vaak zo dun dat ze merkbaar veel weerstand hebben.
 
Wat de meetsnoeren zelf betreft: daar meet je toch alleen voltage mee, of heb ze ook lopen tussen de tecs en een andere multimeter om de stroom mee te meten?

[Michel Uphoff]

Meting voltage en stroomsterkte komen van de voeding zelf.
 

Die zijn bij chinese producten vaak zo dun dat ze merkbaar veel weerstand hebben.

 
Valt wel mee. 0,8 mm diameter, 40 cm lengte totaal, pakweg 0,015 Ω

[Benm]

Dan kom je inderdaad heel netjes weg, ik heb chinese bedrading gaf die me echt in verwarring bracht. Het ging daarbij om totaal 30 cm of iets dergelijks dat pakweg 0.5 ohm weerstand had. Nu was dat een vrij krap systeem wat voltages betrof, maar met twee van dergelijke draden en stromen van 1 tot 2 ampere vraag je je soms af waar die anderhalve volt in vredesnaam gebleven is

[Michel Uphoff]

De definitieve koeling in de tijdelijke setup:
 

Opstelling nevelkamer 1381 keer bekeken

Opstelling nevelkamer 2 1381 keer bekeken

 
Hier de meetresultaten:
 

Meetresultaten definieve koeling 1381 keer bekeken

 
Een delta T van iets meer dan 60 graden is dus bereikbaar, en de laagst behaalde temperatuur is -34 graden.
Het minimum vermogen dat nodig is om het doel van -30 graden te halen bij T_amb 28 ºC is 147 watt, maar hierbij is nog geen rekening gehouden met een eventuele verwarming van de propanolgoot, en het wat grotere wamteabsorptievermogen van een zwart gemaakte binnenkant. Ik gok er vooralsnog op dat -33 graden voor nu voldoende zou moeten zijn, en dat bereik ik met 9,6 en 3 volt op de verschillende lagen bij totaal 224 watt.
 
Fase 1 (bouwen van een toereikende koeler) is hiermee wel afgerond. Tijd om over de volgende stappen na te gaan denken.
 
Ik heb  wat overpeinzingen, tips zijn welkom:
 
1: De temperatuur aan de buitenzijde van de glasplaat is na voldoende afkoelen ongeveer 17 ºC. Onder de plaat is het dus wat kouder. Is dit toereikend voor de verdamping van voldoende isopropanol?
2: Is mijn idee om de propanolgoot enigszins afgeschermd van de kamer te plaatsen (zie de afbeelding in bericht 35) een verbetering in die zin dat de temperatuur van deze goot hierdoor merkbaar zal stijgen?
3: Is er iets zinnigs te zeggen over het eventuele vermogen van een verwarming?
4: Is er iets zinnigs te zeggen over het te gebruiken DC voltage voor de ion-scrubber?
5: Zijn er praktische tips voor welk apparaatje (air ioniser bijvoorbeeld) ik zou kunnen aanschaffen voor deze scrubber, of is er een handig zelfbouw idee?
6: Zijn er nog tips waardoor ik het isolerend vermogen van de nevelkamerwanden kan verhogen zonder de wanddikte (4cm Eps) aanmerkelijk te hoeven vergroten? Zou een reflecterende laag (alufolie bijvoorbeeld) nog wat uitmaken?
7: Ik zou de glazen deksel in dubbel glas uit kunnen voeren. Dan heb ik zeker verwarming van de propanolgoot nodig, maar kom mogelijk door de betere isolatie tot een nog lagere bodemtemperatuur.

[Benm]

Op zich een mooi resultaat, maar je lijkt ergens toch nog tegen de rand van de haalbaarheid van het systeem te zitten - de laatste 5 graden verschil kosten zo ongeveer het dubbele vermogen. Ik zou echt eens onderzoeken naar de mogelijkheden van 4 tec's in serie, qua stroomverbruik zou dat denk ik best eens gunstig kunnen uitpakken, al kan het ook zijn dat die tec's het bij -30 aan de koude kant gewoon niet zo goed meer doen. 
 
Qua isolatie zit je denk ik ook tegen wat praktisch mogelijk is, ik denk niet dat straling hier zoveel verschil maakt al kan het geen kwaad om bijv onder de nevelkamer een laagje reflecterende folie (bijvoorbeeld van die warmhoud-folies voor outdoor/medisch gebruik). Dat is zeer licht, goedkoop, en eenvoudig aan te brengen met een beetje lijm. 
 
Verder vraag ik me af waar nog de meeste winst te behalen zou zijn: Stel dat je de warmte kant rond 0 graden brengt door ijswater te circuleren, hoe koud wordt de koude kant dan? Scheelt dat ook in de orde van 25 graden, of is het aanmerkelijk minder en hoeven we daar niet verder te zoeken? Mocht het verschil wel groot zijn dan zou je eventueel een extra laag TEC's op de radiator kunnen plaatsen en zo het koelwater veel kouder houden dan kamertemperatuur. 

[Michel Uphoff]

7: Ik zou de glazen deksel in dubbel glas uit kunnen voeren.

 
Net even getest, het scheelt 2 graden. Met 9,6,3 volt (zie tabelletje eerder) kom ik bij 226 watt tot -35 graden. Zelfs bij 7,5,3 volt (147 watt)  kom ik aan -32 graden, wat wellicht voldoende kan zijn. De minimum te halen temperatuur moet -25 zijn.
 
Ik heb geëxperimenteerd met 4 Peltier elementen in serie, maar dat was geen succes. Zelfs 2 volt op de bovenste Peltier (ongeveer 1,5 watt bruto) leidde tot een temperatuurverhoging bij zware belasting van het onderste element. De vermenigvuldiging schiet omhoog met 4 lagen. Dat is waarschijnlijk ook de reden dat er vrijwel geen gestackte Peltier elementen met meer dan 3 lagen worden gefabriceerd.
 

Scheelt dat ook in de orde van 25 graden, of is het aanmerkelijk minder
 

 
Het is zeker veel minder, en ijswater vind ik eigenlijk geen optie.
 
Zo gek is dit ontwerp denk ik nog niet. Ik las net een bouwbeschrijving voor een cloud chamber met een twee keer zo groot bodemoppervlak. Ondanks dat men een whopping 1200 watt in vier zware (enkellaags) Peltier elementen moest verstoken, moest het koelwater met grote hoeveelheden ijs tot een paar graden voorgekoeld worden om net onder -25 graden te komen. Een andere bouwer had 650 watt nodig voor een bodemplaat van vergelijkbaar oppervlak (15*20 cm). Niemand maakt gewag van optimalisering van de voltages/vermogen per Tec laag, en ik krijg de indruk dat men wat dat betreft maar wat doet (veel gezien: 12 en 5 volt over twee tecs in serie, omdat een PC voeding nu eenmaal die spanningen levert).
 
Maar ik moet natuurlijk nog zwart maken, alcohol laten verdampen, dus laat ik de dag niet prijzen voor het avond is.
 
Wel denk ik dat dubbel glas, en verwarmde propanol (desnoods op een of andere manier buiten de kamer zelf tot verdamping gebracht) een stap in de goede richting is. Verder zal ik nog wat experimenten met reflecterende folie.

[Pinokkio]

1. 2. 3. Benodigd vermogen om propanol te verdampen is afhankelijk van hoeveel propanol je moet verdampen per tijdseenheid. En hoeveel warmte van propanolgoot naar nevelkamer weglekt.
Hoe meer de propanolgoot naar de buitenkant geplaatst wordt des te meer warmtelek van buiten de goot in gaat en des te minder warmtelek van goot naar kamer. Dat is in theorie, of dat in de praktijk merkbaar zal zijn is de vraag.
 
7. Met dubbelglas i.p.v. enkelglas zal de oppervlaktetemperatuur van de onderste glasplaat kouder zijn. Ik vraag me af wanneer je dan problemen krijgt met condensatie van verdampte propanol daarop. Maar gewoon uitproberen kan natuurlijk altijd.
 
Is er een goede reden waarom je propanol gebruikt en niet een andere vloeistof?
Omdat "iedereen op het internet" dat gebruikt? Of zit er meer science achter?