DIY Peltier-Glykolkühler zur Gärführung

Alles zum Thema Brauanlagen-Selbstbau. Für Steuerung und Automatisierung bitte das Unterforum "Automatisierung" nehmen.
Antworten
metaler143
Posting Freak
Posting Freak
Beiträge: 682
Registriert: Sonntag 1. Februar 2015, 20:37

DIY Peltier-Glykolkühler zur Gärführung

#1

Beitrag von metaler143 »

Hallo zusammen!

Ich bastle aktuell an einer Kühlung auf Basis von Peltier-Elementen zur Steuerung der Gärtemperatur und möchte gerne den aktuellen Stand mit euch teilen. Es gab in diese Richtung schon mehrere Versuche von anderen Forenmitgliedern, auf die Theorie hinter den Peltierelementen geht allerdings niemand ein.

Zunächst mal meine Ausgangssituation
Ich war auf der Suche nach einer Kühllösung für die Gärung. Aktuell habe ich nur einen Kühlschrank, welcher entweder zum Lagern/Zapfen oder für die Gärführung verwendet wird, beides zeitgleich geht nicht. Platz für einen zweiten Kühlschrank/Kühltruhe ist nicht vorhanden, sodass eigentlich nur eine kompakte Lösung auf Basis eines Glykolkühlers oder Begleitkühlers in Frage kam. Bei Nichtverwendung kann man den noch halbwegs gut irgendwo in einem Regal verstauen. Habe einige Zeit die Augen nach gebrauchten Geräten offen gehalten, aber nichts passendes gefunden. Ein neuer Glykolkühler/Begleitkühler kostet mal schnell 600 EUR aufwärts, was mir die Geschichte aktuell nicht wert ist. Somit habe ich mich dann mal etwas intensiver mit dem Thema Peltierelement auseinandergesetzt und möchte meine Recherche gerne mit euch teilen, vielleicht hilft es ja dem ein oder anderen.

(Grund-)Wissen Peltierelemente
Peltierelemente gelten allgemein als sehr ineffiziente Wärmepumpen und haben keinen besonders guten Ruf. Ganz unbegründet ist das nicht, da sie in der Regel deutlich schlechter abschneiden als Kompressorkühlungen. Es gibt jedoch einige Punkte, mit denen man sich auseinandersetzen sollte, bevor man sie in die Tonne kloppt. Durch falsche Verwendung kann man sie nämlich noch deutlich schlechter machen, als sie es eigentlich sind:
  • Eine wichtige Kennzahl im Kontext von Wärmepumpen ist der Coefficient of Performance (COP). Er gibt an, wie viel Wärmeenergie je aufgewendeter elektrischer Energie transportiert werden kann. Muss man bspw. 1 Watt elektrische Energie aufwenden, um 2 Watt Wärmeenergie zu transportieren, landet man bei einem COP von 2
  • Peltierelemente arbeiten in einem COP-Bereich von ca. 0,5 bis 2
  • Peltierelemente werden anhand einiger Eckpunkte spezifiert, welche Auskunft zu ihrer Leistung geben:
    • Umax: Die maximale Spannung, mit welcher das Peltierelemente betrieben werden darf
    • dTmax: Die maximale Temperaturdifferenz in Kelvin, welche das Peltier zwischen der heißen und der kalten Seite erreichen kann. Der COP liegt bei Erreichung dieser Temperaturdifferenz bei 0, d.h. es kann keine weitere Energie mehr transportiert und somit auch keine größere Temperaturdifferenz mehr erzielt werden.
    • Imax: Der Strom, welcher bei Umax und dTt = 0 K durch das Element fließt
    • Qc max: Die maximale Kühlleistung, welche das Element bei dT = 0 K und I = Imax erreichen kann
  • Grundsätzlich gilt für alle Peltierelemente:
    • Peltierelemente verhalten sich wie Widerstände, der Strom I steigt mit der Spannung V linear an
    • Bei einer fixen Spannung V sinkt der Strom I mit steigender Temperaturdifferenz dT
      • Je größer die Temperaturdifferenz, desto weniger Strom fließt durch das Element bei einer fixen Spannung"
    • Die Kühlleistung Qc nimmt mit zunehmendem Strom I stetig zu. Die Beziehung ist jedoch nicht linear, sondern flacht nach oben hin immer weiter ab
      • Je größer der Strom, desto höher die Kühlleistung. Jedoch gilt hier nicht: Doppelter Strom = doppelte Kühlleistung
    • Der maximal realisierbare COP nimmt bei steigender Temperaturdifferenz dT stetig ab
      • Je größer der Temperaturunterschied zwischen heiß und kalt, desto ineffizienter werden die Elemente
    • Der optimale Strom I zur Erreichung dieses maximalen COP ist abhängig von der Temperaturdifferenz dT und nimmt mit steigendem dT stetig zu. Für eine Temperaturdifferenz von bspw. 20 K liegt der maximale COP bei ca. 1,2 und wird erreicht bei einem Strom I von ca. 0,25 * Imax
      • Abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen heiß und kalt verändert sich der benötigte Strom, um die maximale Effizienz aus den Elementen herauszuholen. Generell steigt der effizienzoptimale Strom mit steigender Temperaturdifferenz
    • Die realisierbare Kühlleistung Qc nimmt mit steigender Temperaturdifferenz dT stetig ab, bis ein Qc von 0 W bei dT = dTmax erreicht wird
      • Je größer die Temperaturdifferenz, desto geringer die Kühlleistung
    • Auf der heißen Seite gilt es stets die transportierte Energiemenge Qc plus die elektrische Abwärme QAb (= I * V) abzutransportieren
Die Quelle dieser Informationen (sowie vieler weiterer nützlichen Infos rund um Peltierkühlung) ist hier und hier zu finden. Es finden sich dort auch einige spannende Grafiken zu den Beziehungen zwischen Kühlleistung, Strom, Spannung, COP usw.

Um die Zusammenhänge etwas besser zu verdeutlichen will ich hier ein kurzes Rechenbeispiel anhand zweier Szenarien einstreuen:
Für beide Szenarien gilt:
  • Es wird ein TEC1-12708 Peltierelemente betrachtet, welches folgende Eckdaten aufweist:
    • Imax = 8,5 A
    • Umax = 15,4 V
    • Qc max ~ 71 W
  • Die Temperaturdifferenz beträgt 15 K
Szenario 1:
  • U = 12 V
Bei 12 V und einer Temperaturdifferenz dT von 15 K fließt ein Strom I von ca. 6,7 A. Die Kühlleistung Qc liegt bei ca. 51 W, die elektrische Leistungsaufnahme bei 80 W. Es ergibt sich somit eine auf der heißen Seite abzuführende Leistung von ca. 130 W. Der COP liegt bei ca. 0,63 (= 51 W / 80 W)
Szenario 2:
  • U = 8 V
Bei 8 V und einer Temperaturdifferenz dT von 15 K fließt ein Strom I von ca. 4,3 A. Die Kühlleistung Qc liegt bei ca. 36 W, die elektrische Leistungsaufnahme bei 35 W. Es ergibt sich somit eine auf der heißen Seite abzuführende Leistung von ca. 71 W. Der COP liegt bei ca. 1,05 (= 36 W / 35 W)

Vergleich Szenarien:
Man sieht recht deutlich, dass für einen Zugewinn an 15 W Kühlleistung zusätzliche 45 W an elektrischer Energie aufgewendet werden müssen. Zudem müssen fast 60 zusätzliche Watt Abwärme an der heißen Seite abgeführt werden.

Zur Berechnung solcher Beispiele habe ich mir ein kleines Excel-Sheet erstellt, welches ich bei Interesse gerne teilen kann. Berechnung dort sind alles nur Annäherungen, welche sich experimentell aber ganz gut bestätigt haben, insbesondere hinsichtlich der elektrischen Parameter. Basis der Berechnung dort sind aus den Diagrammen von obiger Quelle entnommen.

Generell habe ich für mich die folgenden Punkte aus meiner Recherche mitgenommen:
  • Aus Effizienzgründen sollte ein Peltierelement immer deutlich unterhalb von Imax betrieben werden. Hier gilt es ein gutes Gleichgewicht aus absoluter Kühlleistung und COP zu finden. Für meine Anwendung bei Temperaturdifferenzen zwischen ca. 20 K und 30 K (= 20 °C bis 35 °C auf der heißen Seite und ca. 0 °C bis 10 °C auf der kalten Seite) scheinen ca. 50% - 70% von Imax passend.
  • Um dies zu erreichen muss die Betriebsspannung V passend gewählt werden. 12 V, wie oft als Betriebs-/Nennspannung für diverse Peltierelemente beworben, sind hierfür deutlich zu viel. Für die Standard China-Elemente der TEC1-127xxx Reihe sind meiner Meinung nach 8 V - 9,5 V eine gute Wahl
  • Um absolut noch eine akzeptabele Kühlleistung je Element zu realisieren, sollten die Element möglichst Leistungsstark gewählt werden. Bei 8 V und 20 K Temperaturdifferenz erreicht man noch ca. 43% von Qc max
  • Die Kühlung der heißen Seite muss ausreichend groß dimensioniert werden, um möglichst nahe an die Umgebungstemperatur heranzukommen und die heiße Seite so kalt wie möglich zu halten
  • Zur kalten Seite muss die abzutransportierende Energie möglichst gut herangeführt werden, sodass hier nicht lokal ein sehr kalter Spot entsteht. Bei unzureichender Wasser-/Luftzirkulation kann es ansonsten passieren, dass das Peltierelement bereits auf -10 °C eingefroren ist, obwohl das Kühlmedium/die Kühlkammer noch nicht mal annährend so kalt ist
So, nun erstmal genug Theorie. Wie sieht mein Setup aus?
  • Die Basis bilden drei TEC1-12715 Peltierelemente mit angegebem Imax von 15 A. Hier gleich mal ein Wort der Warnung: Die Chinesen übertreiben gerne mal bei den Leistungsangaben. Das war mir schon beim Bestellen klar und ich war auch nicht groß enttäuscht, als mein TEC1-12715 "nur" ein umgelabeltes TEC1-12708 Element war.
  • Gekühlt wird die heiße Seite jeweils mit einem Alpenföhn Brocken Eco Advanced CPU-Kühler. Diese sollten genug Wärme abführen können, um die heiße Seite immer möglichst nahe der Umgebungstemperatur halten zu können
  • Auf der kalten Seite sitzt je ein "Waterblock" aus Alu
  • Eine kleine 12V Pumpe pumpt das Kühlmedium aus dem Reservoir (=Kühlbox) in Reihe durch die drei Waterblocks
  • Ein 24 V / 15 A Netzteil (regelbar zwischen ca. 21 V und 28 V) versorgt die drei in Reihe geschalteten Peltierelemente (Betriebsspannung somit ca. bei 7 V bis 9,33 V je Element)
  • Ein 24 V auf 12 V Buck Converter stellt 12 V für die Pumpe und die Lüfter der CPU Kühler bereit
  • Zwei PWM-Regler erlauben bei Bedarf das Drosseln von Lüfter und Pumpe
  • Ein alter Sonoff TH16 übernimmt die Temperatursteuerung des Kühlmittels, indem er die Stromzufuhr je nach Bedarf an- oder abschlatet
Rückseite der CPU-Kühler - Das Kühlmittel fließt in Reihe durch die 3 Waterblocks der Peltier-Elemente
Rückseite der CPU-Kühler - Das Kühlmittel fließt in Reihe durch die 3 Waterblocks der Peltier-Elemente
Ganz rechts das Input-Kabel, welches zunächst durch den Sonoff läuft und weiter in das 24V Schaltnetzteil. Von dort geht eine Leitung wieder direkt nach draußen, um die Peltierelemente zu versorgen. Ein zweites Kabel läuft zum 24V->12V Buck-Converter. Am Ausgang wird die Leitung aufgesplittet und durch 2 PWM-Regler auf 2 DC-Hohlbuchsen geleitet. Hier hängen dann Pumpe und Lüfter.
Ganz rechts das Input-Kabel, welches zunächst durch den Sonoff läuft und weiter in das 24V Schaltnetzteil. Von dort geht eine Leitung wieder direkt nach draußen, um die Peltierelemente zu versorgen. Ein zweites Kabel läuft zum 24V->12V Buck-Converter. Am Ausgang wird die Leitung aufgesplittet und durch 2 PWM-Regler auf 2 DC-Hohlbuchsen geleitet. Hier hängen dann Pumpe und Lüfter.

Erster Testlauf des Kühlmittel-Kreislaufs
Soweit so gut, damit ist erstmal ein kleiner "Glykol"-Chiller auf Basis von Peltierelementen nachgebaut. Rein rechnerisch schaffe ich damit bei 24 V Spannung und einer Temperaturdifferenz von 20 K zwischen Kühlmittel und Umgebung noch eine Kühlleistung von 90 W bei 100 W Leistungsaufnahme (= COP von 0,9) und kann bei Bedarf die Spannung auf 27 V hochdrehen für 105 W Kühlleistung bei 130 W Leistungsaufnahme.
Doch wie sieht das nun in der Praxis aus? Bestätigen sich die Werte auch nur annähernd im Testlauf?
Für den Testlauf habe ich 10 Liter Kühlmittel (=Wasser) mit initial 27 °C in die Kühlbox gefüllt und die Peltierelemente bei 27,8 V (~9,25 V je Peltier) ihre Arbeit verrichten lassen. Die Raumtemperatur betrug 20 °C.
Chart 1 - Testlauf mit Kühlmittel
Chart 1 - Testlauf mit Kühlmittel
Zunächst kann man mal eine effektive Kühlleistung (auf Basis der dem Wasser entzogene Energie) berechnen: 26,9 Grad Temperaturdifferenz bei 10 Litern Wasser mit einer Wärmekapazität von 4,19 kJ/(kg*K) in 15.300 Sekunden ergeben ~74 Watt effektive Kühlleistung.
Die tatsächliche Kühlleistung der Peltiers sollte etwas über diesem Wert liegen, da 1) die (billige Baumarkt-)Kühlbox nicht perfekt isoliert und 2) die Kühlbox selbst auch heruntergekühlt werden muss und somit nochmal etwas thermische Masse zu den 10 Litern Wasser hinzukommt.
Die elektrische Leistungsaufnahme betrug initial ~190 Watt und sank im Verlauf des Testlaufs auf ~180 Watt ab.
Die Peltierelemente habe ich nochmal separat gemessen: 27,8 V und ~5,25 A ergeben ~145 Watt Leistungsaufnahme. Die noch fehlenden ~40 Watt entfallen dann auf die drei Lüfter, die Pumpe und Verluste des Netzteils bzw. des Buck-Converters.
Messung_Spannung.jpg
Messung_Strom.jpg
Nachdem das Kühlmedium 1 °C erreicht hatte, habe ich das Ganze mit Zieltemperatur 1 °C mal noch bis zum nächsten Morgen weiterlaufen lassen: Die Peltierelemente liefen dabei ~30% der Zeit. Das macht erstmal Hoffnung, dass noch Leistungsreserven vorhanden sind.

Erster Test in praxisnaher Umgebung
Nach dem initialen Testlauf wird es langsam Zeit für einen etwas praxisnäheren Test mit angeschlossenem Gärbehälter!
Also erstmal das Setup in den Keller verfrachtet, 25 Liter Wasser in meinen Fermzilla gefüllt, das Kühlmedium auf 1 °C runterkühlen lassen und den Testlauf gestartet. Einziger Haken am aktuellen Test: Der Keller hat momentan nur ca. 13 °C Raumtemperatur - ein etwas "unfairer" Vorteil für die Kühlung. Der Test muss an wärmeren Tagen definitiv wiederholt werden!
Eine iSpindel übernimmt die Temperaturmessung im Fermzilla
Eine iSpindel übernimmt die Temperaturmessung im Fermzilla
Setup im 2. Testlauf mit angeschlossenem Fermzilla
Setup im 2. Testlauf mit angeschlossenem Fermzilla
Nachfolgende Grafik zeigt die 1) die Kühlmitteltemperatur, 2) die Wassertemperatur im Fermzilla (gemessen via iSpindel), 3) die Leistungsaufnahme und die 4) Ziel-Temperatur für den Fermzilla:
Chart 2 - praxisnaher Testlauf (Anmerkung: Der Test lief in der Nacht der Zeitumstellung, sodass die Stunde von 2 Uhr bis 3 Uhr nicht existent war)
Chart 2 - praxisnaher Testlauf (Anmerkung: Der Test lief in der Nacht der Zeitumstellung, sodass die Stunde von 2 Uhr bis 3 Uhr nicht existent war)
Fazit: 2 Grad sind, zumindest unter den aktuellen (suboptimalen) Bedingungen, kein Problem! Vorsichtige Freude: Damit ist die Leistung schon mal identisch zu meinem Kühlschrank, denn der schafft nicht weniger als 3 °C.
Nach dem Test habe ich auch hier die Kühlung für 24h weiterlaufen lassen: Die Peltierelemente liefen ~27% der Zeit, um den Fermzilla auf den nun eingestellten 3 °C zu halten. Energieverbrauch betrug 1,2 kWh, was schon spürbar über dem Kühlschrank liegt. Der verbraucht aktuell ca. 0,25 kWh pro Tag, um ein Keg mit noch ~10 Litern Inhalt kühl (~4 °C) zu halten. Ich bin gespannt, ob das Verhältnis auch bei höheren Außentemperaturen noch so bleibt (Peltiers brauchen ca. 4-5 mal so viel Strom) und auch wie es sich bei tatsächlichen Gärtemperaturen (UG bei ~10 °C) verhält.

Mein Fazit
Peltierelemente sind mit Sicherheit nicht der Königsweg im Umfeld des Hobbybrauens, sie können aber eine funktionsfähige Lösung liefern. Das Basteln an der Kühlung hatte mir viel Spaß gemacht, sodass ich den Versuch definitiv (noch) nicht bereue. Jetzt gilt es dann als nächsten Schritt die Lösung auch mal für eine echte Gärung zu verwenden und die Performance bei steigenden Außentemperaturen zu beobachten. Preislich ist die Lösung, verglichen mit dem Neukauf eines Glykolkühlers, definitiv konkurrenzfähig (verglichen mit einem gebrauchten Begleitkühler wohl eher nicht). Je nach bereits vorhandenen Teilen (z.B. in meinem Fall dem Sonoff, Kabel, Aderendhülsen, Kabelschuhe, einer Kühlbox, Schläuchen, einer Pumpe, Klemmen usw.) und der konkreten Ausführung der jeweiligen Komponenten landet man wohl irgendwo im Bereich von ca. 200€ - 250€. Der Stromverbrauch ist schon erheblich über dem eines Kühlschranks und somit wohl auch deutlich über dem eines Glykolchillers. Dem Gegenüber steht aber der spürbar geringere Preis für die Anschaffung, den es erstmal aufzuholen gilt. Besonders bei geringer Nutzung wird das schon eine ordentliche Zeit in Anspruch nehmen.

Ich hoffe, dass mein Bericht dem ein oder anderen bei der Entscheidungsfindung helfen kann. Ich werde sicherlich nochmal berichten, sobald die erste Gärung absolviert ist!

Gruß, Jakob
killicious
Posting Junior
Posting Junior
Beiträge: 14
Registriert: Donnerstag 20. Mai 2021, 13:39
Wohnort: LE

Re: DIY Peltier-Glykolkühler zur Gärführung

#2

Beitrag von killicious »

Danke für das Teilen deiner Recherche, der Bauanleitung und der ersten experimentellen Testläufe.
Ich finde es immer wieder spannend, dass und wie hier einige wirklich gute handwerkliche und ingenieurstechnische (Hobby)-"Arbeit" abliefern.
Daumen hoch!
Wann eine solche Lösung (verbunden mit dem Bauspaß) eine ökonomisch-sinnvolle kann sich ja jede*r selbst ausrechnen.
Benutzeravatar
Exedus
Posting Freak
Posting Freak
Beiträge: 883
Registriert: Dienstag 16. Dezember 2014, 15:51
Wohnort: bei Bremen

Re: DIY Peltier-Glykolkühler zur Gärführung

#3

Beitrag von Exedus »

Cooles Projekt,

vielen Dank für den ausführlichen Bericht und das Teilen.

Werde selber sicherlich nie sowas bauen, finde es aber immer toll solche Berichte zu lesen.

Berichte doch gern, was der Praxistest ergeben hat :Greets
Meine alte Anlage
Meine neue Anlage

Mit besten Grüßen

Steven
metaler143
Posting Freak
Posting Freak
Beiträge: 682
Registriert: Sonntag 1. Februar 2015, 20:37

Re: DIY Peltier-Glykolkühler zur Gärführung

#4

Beitrag von metaler143 »

Das Rezept für den nächsten Sud ist aktuell in Planung, irgendwann in den nächsten zwei Wochen ist dann mal wieder ein Brautag angesagt.
Habe das Setup in den letzten Wochen noch leicht angepasst und mir mit Relais die Möglichkeit eingebaut, zwischen Heizen und Kühlen wechseln zu können. Somit lässt sich dann auch bspw. ein Kveik brauen, ohne dass ich eine zusätzliche Heizmatte brauche.
Ich werde auf jeden Fall nochmal berichten, wenn die Gärung durch ist.
Antworten