Project nevelkamer

[Benm]

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.

 
Blijkbaar zit er gewoon een limiet aan - maar qua temperaturen zit je zelfs met deze warme dagen wel goed, dus voldoende is wellicht voldoende
 
Overigens verbazen de gebruikte vermogens me wel een beetje, zeker als je het vergelijkt met pakweg een diepvries die toch ook wel de -20 haalt in een omgeving van +32 (of zelfs +43 voor modellen verkocht in warme landen). Uiteraard zijn die wel goed geisoleerd en dergelijke, maar het is toch wel een enorm verschil gezien een diepvries best wat vermogen kan verplaatsen (het invriezen van een liter water duur dit eindeloos oid). 

[Michel Uphoff]

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.

 
Dat was ook mijn gedachte. Ik moet er nog even over piekeren. Een metalen goot rondom de buitenzijde van de kamer is tevens te gebruiken als pool voor de ion-scrubber, maar ook erg groot (zeg eens zo'n 70 cm lengte). Als ik dat allemaal wat moet gaan verwarmen om de propanol te verdampen ben ik denk ik niet goed bezig, want ik breng dan meer warmte dan nodig is de kamer binnen. Wellicht is extern verwarmen een oplossing, of juist een geïsoleerd vrij klein bakje propanol in de kamer verwarmen.
 

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.

 
Dat is een aandachtspunt, en daarnaast moet ik natuurlijk wel voldoende verticale temperatuurgradiënt overhouden. Een oude studie uit 1954 beveelt 6 graden per cm hoogteverschil aan. Eerst daar maar eens wat aan meten.
 

Is er een goede reden waarom je propanol gebruikt en niet een andere vloeistof?

 
Voornamelijk geïnspireerd door dit artikel.
 

A remarkable conclusion is that isopropanol is the vapour that leads to better temperature distributions
... 
What is more, its evaporation rate is approximately twice as high as the one of ethanol, thus reaching the equilibrium distribution faster

 

afhankelijk van hoeveel propanol je moet verdampen per tijdseenheid

 
Dat is een lastige. Afgaande op gelinkt artikel, zou ik gezien de afmetingen van mijn kamer schatten dat ik 30 cm³ in de verdampingsgoot/kamer moet brengen om de kamer een uurtje aan de praat te houden.
 
Hier een grafiek van het afkoeltraject van de test nevelkamer. De 'traptreden' ontstaan omdat mijn thermometers onder -10 ºC een resolutie van slechts 1 graad hebben.
 

Koeltraject nevelkamer 1612 keer bekeken

klik om te vergroten

[Pinokkio]

What is more, its evaporation rate is approximately twice as high as the one of ethanol

Really? Ik vraag me af hoe zij evaporation rate definiëren.
Wel is het zo dat de dampspanning van propanol lager is dan van ethanol dus is er minder verdampng nodig om de lucht te verzadigen.
 
Ik zag op internet al eerder dat men ook ethanol of zelfs methanol gebruikt voor nevelkamers maar de meesten gebruiken inderdaad isopropanol. Zodra het slecht weer wordt zal ik het artikel eens doorworstelen en eventueel verder googlen.
 
In plaats van verwarmen zou je kunnen overwegen om de bovenste 1 tot 2 cm van de zijwanden niet te isoleren en dat ongeisoleerde oppervlak rondom aan de binnenzijde te bekleden met repen vilt (of zoiets) wat aan de onderrand in het gootje steekt en zodoende propanol opzuigt en verdampt door de warmtelek.

[Michel Uphoff]

Dat is ook een idee.
 
Hier de relevante passage uit dat paper (even klikken om te vergroten):
 

Vergelijking alcohols voor nevelkamer 1612 keer bekeken

 

BenM: Overigens verbazen de gebruikte vermogens me wel een beetje

 
Die Peltiers zijn zeker bij lagere temperaturen en hoge delta T notoir inefficiënt. Jammer, want anders hadden we stille solid state koelkasten en vriezers zonder ingewikkelde onderdelen voor een prikkie.

[Benm]

Nouja, of het een 'prikkie' zou kosten ze te fabriceren is discutabel, een compressor, verdamper en passieve radiator zijn ook niet bijzonder duur om te bouwen. Voordeel zou wel zijn dat het een compleet geruisloos systeem zou zijn met een linear instelbaar koelvermogen in plaats van thermostaat met enige hysterese die eigenlijk alleen schakelt tussen 'vol vermogen' en 'niets doen'. 
 
Ergens vermoed ik dat koeling met TEC's inherent minder efficient is dan met compressors en dergelijke, voor zover ik weet bestaat er geen koelkasten van gangbaar formaat die ermee werken in welke prijsklasse dan ook, terwijl het geluid vaak wel als storend wordt ervaren. 

[Michel Uphoff]

Inmiddels weer wat verder met de opbouw:
 

Nevelkamer opbouw, buitenaanzicht 4 1613 keer bekeken

De bodemplaat matzwart gelakt
 

Nevelkamer opbouw, buitenaanzicht 3 1613 keer bekeken

De opbouw van Eps
 

Nevelkamer opbouw, buitenaanzicht 2 1613 keer bekeken

Het inzetbakje van hard Pvc schuim, met venster voor het licht en twee bakjes voor de propanol.
 

Nevelkamer opbouw, buitenaanzicht 1613 keer bekeken

De ombouw (nu nog met tape bijeengehouden, wordt later verlijmd), en de deksel van dubbel glas.
 
De temperatuurmeting was gunstig, bij 9,6 en 4 volt kwam ik op een temperatuur van -37 graden aan de bodemplaat.
 
Er zijn nog wel een aantal probleempjes:
 
Een ervan is dat er aan de binnenzijde van het dubbel glas van de deksel na een tijdje afkoelen van de kamer condensatie van waterdamp optreedt waardoor het zicht in de kamer beperkt wordt. Een tip hoe ik dat kan bestrijden of voorkomen met eenvoudige middelen is welkom.
 
Een ander probleem, dat ik ook verwachtte, is dat de propanol in de bakjes nu nog nauwelijks verdampt.
Ik denk er aan om op de bodem van de bakjes een klein verwarmingselementje te monteren. Dat kan eenvoudig met weerstandjes. Ieder bakje heeft een volume van 10 cm³. Om dit in, zeg eens, een uur te verdampen is de benodigde energie eenvoudig te berekenen, maar ik ken de verdampingswarmte van isopropanol niet. Als ik uitga van het gemiddelde van ethanol (841 kJ/kg) en methanol (1140), kom ik op zo'n 1000 kJ/kg. Dan kom ik uit op 2 watt per bakje, maar dit is een gok want wellicht wijkt de verdampingswarmte van isopropanol aanmerkelijk af van de geschatte 1000.
 
Verder zal ik ook aan de verlichting en de ion-scrubber moeten gaan beginnen. In de opbouw is al een venstertje met dubbel glas voor de verlichting. Het idee is om daarachter een rijtje lichtsterke led's te plaatsen. Voor de ion-scrubber denk ik aan dit schema voor een trap van spanningsverdubbelaars.
 

Hoogspanningsgenerator 1612 keer bekeken

[Pinokkio]

Een ervan is dat er aan de binnenzijde van het dubbel glas van de deksel na een tijdje afkoelen van de kamer condensatie van waterdamp optreedt waardoor het zicht in de kamer beperkt wordt. Een tip hoe ik dat kan bestrijden of voorkomen met eenvoudige middelen is welkom.

Tsja, ik heb een week geleden al voorspeld dat dubbel glas condensatieproblemen kan geven omdat de onderste glasplaat dan erg koud wordt.
 
Afgezien van de onderste glasplaat verwijderen is een mogelijke oplossing om de nevelkamer te vullen met zeer droge lucht.
 
Condensatie wordt ook een probleem als je de propanol gaat verwarmen met een weerstandje. Om condensatie te voorkomen zou je de propanol moeten verdampen bij een temperatuur die niet hoger is dan die van de onderste glasplaat. Vandaar mijn eerdere suggestie om warmtelek via ongeisoleerd stuk zijwand als verwarming te gebruiken.
 
De verdampingswarmte van isopropanol (2-propanol) is afhankelijk van de verdampingstemperatuur. Dat geldt overigens voor alle vloeistoffen dus pas altijd op om zomaar een getal uit de literatuur te gebruiken als er niet bij staat bij welke temperatuur dat is.
 
Zie bijvoorbeeld:
 

 
Bron: http://www.ddbst.com/en/EED/PCP/HVP_C95.php
 
Zeg 45500 J/mol = 760 kJ/kg bij een verdampingstemperatuur in de orde van 290 K.

[Benm]

Zou dat condensatieprobleem zichzelf niet oplossen voor zover het water betreft? Uiteindelijk condenseert het samen met propanol en komt het in het hele mengsel terecht. Vervolgens verdampt er meer isopropanol dan water, en verdwijnt het goeddeels uit het systeem na enige tijd in werking te zijn. 

[Michel Uphoff]

Afgezien van de onderste glasplaat verwijderen is een mogelijke oplossing om de nevelkamer te vullen met zeer droge lucht.

 
Er is geen condensatie aan de onderzijde van het venster, eventueel aanwezig water vriest vast aan de plaat. Het condensprobleem doet zich voor tussen de glasplaten, bovenzijde onderste plaat. Dus moet ik op de een of andere manier het vocht tussen die twee platen verwijderen/voorkomen.
 

760 kJ/kg

 
Ah, bedankt. Scheelt toch weer bijna een halve watt per kamertje.
 

Om condensatie te voorkomen zou je de propanol moeten verdampen bij een temperatuur die niet hoger is dan die van de onderste glasplaat.

 
Ik ga daar eens wat aan meten.
 

Vandaar mijn eerdere suggestie om warmtelek via geïsoleerd stuk zijwand als verwarming te gebruiken.

 
Ik vrees dat dat teveel warmtelek op gaat leveren. In een professionele nevelkamer gebruikt men ook dubbel glas en verwarming van de gootjes. Zie o.m. deze schets van Nuledo:
 

cloudchamber 1612 keer bekeken

 
Wellicht moet ik, als het toch een probleem gaat worden, de verticale afstand tussen de gootjes en de glasplaat wat vergroten. Propanoldamp is zwaarder dan lucht.
 

@BenM: Zou dat condensatieprobleem zichzelf niet oplossen voor zover het water betreft?

 
De condensatie treed dus op tussen de glasplaten, nergens anders tot nu toe.

[Pinokkio]

Het condensprobleem doet zich voor tussen de glasplaten, bovenzijde onderste plaat.

Als de twee glasplaten altijd vast met elkaar verbonden zijn en de randen afgedicht dan hoef je die ruimte maar één keer te vullen met gedroogde lucht.
Lucht drogen kan met droogmiddelen https://nl.wikipedia.org/wiki/Droogmiddelof probeer een opgeblazen ballon of plastic zak met lucht in de vriezer te plaatsen en later de droge koude lucht uit de zak daarna tussen de glasplaten te persen en de naden afdichten.
 
Als de twee glasplaten telkens een voor een geplaatst en verwijderd moeten worden dan moet je elke keer weer opnieuw proberen daar gedroogde lucht tussen te krijgen, of telkens langs de randen vers droogmiddel plaatsen.

[Michel Uphoff]

of probeer een opgeblazen ballon of plastic zak met lucht in de vriezer te plaatsen en later de droge koude lucht uit de zak daarna tussen de glasplaten te persen en de naden afdichten

 
Dat is een handige tip! Ik heb een luchtpompje en wat slang. Glasplaten hermetisch verlijmen met twee gaatjes in de afstandshouder. Lucht uit de vriezer tussen de platen pompen, en dan de gaatjes afdichten. Dat moet te doen zijn.

[Benm]

 
De condensatie treed dus op tussen de glasplaten, nergens anders tot nu toe.

 
Ah, ik dacht eerder aan de binnenkant van de binnenste glasplaat
 
Als je de ruimte tussen de lagen glas echt hermetisch kunt afsluiten kun je er wellicht ook argon tussen stoppen. Dat zorgt voor betere thermische isolatie, en verdringt alle waterhoudende lucht. Gezien het relatief kleine volume zou je voor dat argon wellicht een lasser kunnen vragen of je een beetje mag gebruiken, de benodigde hoeveelheid kost vrijwel niets, de kosten zitten hem vooral in de tanks en dergelijke als je zelf argon in huis wilt halen. 
 
Uiteraard kun je ook andere gassen gebruiken om het droog te houden, bijvoorbeeld CO2 of N2O (gewoon uit zo'n slagroomspuit patroon). 

[Michel Uphoff]

Inmiddels is het dubbel glas voor de kamer gereed. Een 6*6 mm te klein lijstje van kunststof gemaakt en daar de glasplaten op gelijmd. Vervolgens de 3 mm ruimte tussen de uitstekende randen van de glasplaten met tweecomponentenlijm hermetisch gedicht, op twee kleine gaatjes door het lijstje na. Een luchtpompje in de vriezer geplaatst en met een slangetje 10 minuten de lucht uit die vriezer tussen de platen gepompt. Gaatjes daarna hermetisch gesloten.
 
Na een uur in de koelkast was er geen spoor van condens tussen de glasplaten waar te nemen, dat ziet er dus goed uit.
 
De verlichting is gereed, 3 stuks 1 watt helderwitte leds zijn achter het venstertje van de nevelkamer geplaatst, het plan is de lichtsterkte straks regelbaar te maken mbv een L200 regulator.

Verlichting 1615 keer bekeken

 
Ook de Ion Scrubber is als prototype gereed. Ik heb een aantal aanpassingen gedaan aan het schema uit bericht 51, en de hoogspanning met een belasting van 20 mega ohm (10M multimeter in serie met een weerstand van 10M) gemeten.  De resultaten zijn bevredigend, en de maximale uitgansspanning is ruim 3 kV hoewel bij (te) lage voedingsspanning er een duidelijk afwijkende verhouding ingangs-uitgangsspanning optreedt. Ik bekijk nog even of een 555 die al bij 2 volt stabiel werkt een optie is. Ook de Ion scrubber wordt straks met een L200 regelbaar gevoed, en hetzelfde gaat gelden voor de verwarming op de inmiddels verlaagde bodem van de propanolbakjes.
 

Protoboard met Ion scrubber 1615 keer bekeken

Schema geteste ion scrubber 1613 keer bekeken

De ionscrubber op een protoboard, het schema en de meetresultaten.

[Benm]

Ik denk dat het vooral een kwestie is van voldoende spanning op de gate van de fet te krijgen - het typenummer herken ik niet direct, maar in een datasheet moet kunnen terugvinden hoeveel spanning je op de gate moet zetten voor volledige geleiding. Ik vermoed dat dat ergens rond 4 a 5 volt is op basis van je metingen. 

[Michel Uphoff]

Het is een mosfet, en 2 volt op de gate moet afdoende zijn.
De Ne555 echter is een standaard type met een minimale voedingsspanning van 4.5 volt, alhoewel hij bij 4,8 volt pas echt stabiel werkt, daar las ik meer klachten over. Ik zoek even naar een cmos uitvoering, dan kan ik i.c.m. de L200 al bij 3 volt beginnen.