ÖĞRETİM YILI BİTİRME PROJESİ SUNUMU TERMOELEKTRİK ELEMANLARIN SAYISAL VE DENEYSEL ANALİZİ

Transkript

1 ÖĞRETİM YILI BİTİRME PROJESİ SUNUMU TERMOELEKTRİK ELEMANLARIN SAYISAL VE DENEYSEL ANALİZİ MERT KAVAS M. GENCAY ŞENOL ONURCAN GÜDEK DANIŞMAN: YARD. DOÇ. DR. MEHMET AKİF EZAN DOKUZ EYLÜL ÜNIVERSITESI MÜHENDISLIK FAKÜLTESI MAKINA MÜHENDISLIĞI BÖLÜMÜ

2 İÇERİK 2 Tezin amacı Peltier nedir? Termoelektrik modülün yapısı Önceki çalışmalar Deneysel çalışmalar ve sonuçları Analitik çalışmalar ve sonuçları

3 3 TEZİN AMACI Bir peltier elemanın, değişken yükler altında ve besleme akımları için zamana bağlı ısıl davranışının deneysel ve sayısal olarak incelenmesidir. Matematiksel model yardımıyla farklı çalışma (peltier besleme akımı) ve ortam koşulları (taşınım katsayısı, dış ortam sıcaklığı ve ısı yükü) altında değişen yüklerde peltierin soğuk ve sıcak yüzeylerindeki sıcaklığın zamana göre değişiminin elde edilmesi amaçlanmıştır.

4 4 PELTİER NEDİR? İki yüzeyi arasında meydana gelen ısı farkı ile uçlarında gerilim meydana gelen ya da üzerinden akım geçirildiğinde akımın yönüne bağlı olarak bir yüzeyi ısınırken diğer yüzeyi soğuyan yapılardır.

5 5

6 6

7 7 Basit bir yapıya sahip ve üzerindeki ısı değişiminin akım vasıtasıyla kolay kontrol edilebilir olması nedeniyle uygulaması oldukça kolaydır. Termoelektrik eleman iki şekilde kullanılabilir; Birincisi, elemanın iki tarafına sıcaklık farkı uygulayıp termoelektrik elemanın elektrik üretmesini sağlamak, İkincisi, elemana doğru akım verildiğinde bir tarafı ısıtıp ve diğer tarafı soğutmak. Soğuk tarafını herhangi bir uygulamada kullanmak, bu cihazın peltier soğutucu olarak tanımlanmasını gerektirir. Peltier soğutucular ısı pompası olarak çalışırlar. Isıyı cihaz yapısı içerisinde bir yerden başka yere taşırlar. Bu cihazlar katı hal soğutucular olarak da tanımlanabilirler.

8 TERMOELEKTRİK MODÜL YAPISI 8 Bir yüzeyi P-tipi yarı iletken malzemeden, diğer yüzeyi ise N-tipi yarı iletken malzemeden oluşan bir yarı iletken sistemidir. Elektriksel olarak seri bağlı, ısıl olarak paralel bağlıdır. İçyapısı şekilde görüldüğü gibidir. Yüzeylerde kullanılan seramik ısıl olarak iletken, elektriksel olarak yalıtkan olduğu için tercih sebebidir. TE modül düşük soğutma-ısıtma verimliliğine rağmen sessiz çalışma olanağı sunduğu için birçok uygulamada tercih edilmektedir. Örneğin son zamanlarda yaygınlaşan araç tipi buzdolapları ve CPU soğutucuları TE kullanımının en yaygın örneklerindendir.

9 9 Peltier soğutucular gaz sıkıştırmalı soğutucularla aynı termodinamik kanunlara göre çalışsa da soğutma yöntemleri tamamen farklıdır. Fakat peltier soğutucular mevcut termoelektrik malzemelerle ve cihaz tasarımlarıyla geleneksel gaz sıkıştırmalı sistemler kadar verimli soğutma yapamamaktadırlar. Buna rağmen basit yapıları ve küçük boyutlarda üretilebilmeleri peltier soğutucuları bazı kullanım alanları için uygun kılmaktadır.

10 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 'te Estonyalı bilim adamı Thomas Johann Seebeck, iki farklı iletken kullanılarak bir halka oluşturulduğunda ve bu halkadaki bağlantı uçları ısıtıldığında pusulanın iğnesini saptırabildiğini görmüştür. 1835'te, Fransız bilim adamı Jean Charles Athanase Peltier karşıt bir etkiyi keşfetti. İki farklı iletken kullanılarak yapılmış bir sisteme elektrik akımı uygulandığında halkanın bağlantı noktalarından birinin ısındığını ve diğerinin soğuduğunu gözlemledi. Fakat Peltier bulgularını Seebeck'inkilerle ilişkilendirmedi.

11 11 Daha sonra Peltier in gözlemleri Lenz tarafından açıklandı ve şu şekilde sonuç çıkardı: İki farklı iletkenin oluşturduğu halkanın bağlantı noktalarından akım geçer ise akımın yönüne bağlı olarak bir bağlantı noktası ısınırken diğeri soğur. 1950'de transistör uygulamaları için geliştirilen sentetik yarı-iletken malzemeler termoelektrik uygulamalar için de iyi özelliklere sahipti. Bu yeni malzemelerin ortaya çıkmasıyla modern peltier soğutucular diyebileceğimiz, p ve n tipi yarı iletken malzemelerin iki elektriksel yalıtkan plaka arasına electriksel olarak seri ve termal olarak paralel bağlanmasıyla oluşturulan peltier modüller oluşturuldu.

12 12 Jing-Hui Meng ve arkadaşları, bir çok yarı iletken malzeme için Seebeck katsayısı, elektrik iletkenliği ve termal iletkenliğin önemli derecede sıcaklığa bağlı olarak değiştiğini belirtmiştir. Düşük akım değerlerinde malzeme özellikleri sabit alındığında yakın değerlerin elde edildiği fakat yüksek soğutma yüküyle beraber yüksek akım değerlerinde elde edilen sonuçların gerçek sonuçlardan farklı olduğu öne sürülmüştür. Yapılan çalışmadan alınan sonuçlar şu şekildedir:

13 13

14 DENEYSEL ÇALIŞMALAR 14 Deneysel çalışmalar için kullanılan yazılım ve donanımlar; Arduino UNO: Akım kontrolcü bilgisayar yazılımıdır. Peltier Sürücü: Akım kontrolcü yazılım ile peltier elemanının arasındaki bağlantıyı sağlayan donanımdır. Thermocouple: Bir tür sıcaklık sensörüdür. Elemanın sıcak ve soğuk tarafındaki gerilim farkını ölçen donanımdır. Data Logger: Thermocouple dan aldığı gerilim değerlerini dijital ekrana sıcaklık değeri olarak aktaran donanımdır.

15 15 Peltier soğutucu elemanın değişken akımlar altındaki davranışını gözlemlemek için 3 farklı deney yapılmıştır. Bu deneylerde ilk olarak akım kontrolcü ile 12 V luk güç kaynağı arasında bağlantı gerçekleştirilmiştir. Akım kontrolcüsünün yönetimini sağlamak üzere kontrolcü ile bilgisayar bağlantısı gerçekleştirilmiş ve Arduino üzerinden istenilen akım değerleri Peltier soğutucu elemana verilmiştir. Bu bağlantılar yapılacak tüm deneylerde aynı şekilde kurulacaktır. Deneylerin farklılığı peltier elemanının dış ortam etkileri değiştirilerek gerçekleşecektir.

16 Arduino UNO Geliştirme Platformu Akım Yüzde Değişim Sonuç ve Grafikleri 16

17 Deney 1: Oda Koşullarında Peltier Soğutucu Elemanın Davranışı 17 Peltier soğutucu eleman oda koşullarında farklı akım değerleri verilerek incelenmiştir. Peltier soğutucu elemana akım değerlerine göre davranışlarını görmek adına yüzeylerine thermocouple lar yapıştırılmış ve data logger aracılığıyla sıcaklık değerleri kayıt edilmiştir.

18 18 Ardiuno Yüzde Değişim Akım Değeri [A] Sıcak Yüzey [C] Soğuk Yüzey [C] Yüzeyler Arası Sıcaklık Farkı [C] 7% % %

19 %7 Değişimde Sıcaklık Zaman Grafiği (0.37A) 19

20 %15 Değişimde Sıcaklık Zaman Grafiği (0.78A) 20

21 %20 Değişimde Sıcaklık Zaman Grafiği (1.04A) 21

22 Deney 2: Taşınım ve Adyabatik Koşullarda Peltier Soğutucu Elemanın Davranışı 22 Peltier soğutucu elemanın sıcak yüzeyine termal macun sürülmüş ve ısı transfer miktarını artırma ihtiyacı sonucunda kanat yerleştirilmiştir. Kanat üzerinde fan konularak zorlanmış taşınım etkisi ile ısı transfer miktarı artırılmıştır. Soğuk yüzey ise termal macun sürülüp ısı yalıtım malzemesi yapıştırılmıştır. Peltier soğutucu elemana farklı akımlar verilmiş, sıcaklık verileri datalogger aracılığıyla elde edilmiştir.

23 23

24 24 Peltier Soğutucu Elemanın Yüzeyler Arası Sıcaklık Farkı Akıma Bağlı Sıcaklık Zaman Grafiği

25 Deney 3: Taşınım ve Yük Altında Peltier Soğutucu Elemanın Davranışı 25 Peltier soğutucu elemanın sıcak yüzeyine termal macun sürülmüş ve ısı transfer miktarını artırma ihtiyacı sonucunda kanat yerleştirilmiştir. Kanat üzerinde fan konularak zorlanmış taşınım etkisi ile ısı transfer miktarı artırılmıştır. Soğuk yüzey ise kendi yüzey sıcaklığında daha düşük sıcaklıktaki metalle ile temas ettirilerek soğutma yükü verilmiştir. Peltier soğutucu elemana farklı akımlar verilmiş, sıcaklık verileri data logger aracılığıyla elde edilmiştir.

26 26

27 27 Peltier Soğutucu Elemanın Yüzeyler Arası Sıcaklık Farkı Akıma Bağlı Sıcaklık Zaman Grafiği

28 ANALİTİK ÇALIŞMALAR Çift Kutuplu Termoelektrik Elemanın Modellenmesi 28 Heat capacity at constant pressure Cp 385 J/(kg*K) Density ρ 8700 kg/m^3 Thermal conductivity k 400 W/(m*K) Seebeck coefficient S 6.5e-6 V/K Electrical conductivity σ 5.998e7 S/m Bakıra Ait Malzeme Özellikleri Heat capacity at constant pressure Cp 140 J/(kg*K) Density ρ kg/m^3 Pozitif Kutuplu Yarıiletken Malzeme Özellikleri Heat capacity at constant pressure Cp 160 J/(kg*K) Density ρ kg/m^3 Negatif Kutuplu Yarı İletken Malzeme Özellikleri Heat capacity at constant pressure Cp 7.6e5 J/(kg*K) Density ρ 3250 kg/m^3 Thermal conductivity k 260 W/(m*K) Seramik Malzeme Özellikleri

29 Çift Kutuplu Termoelektrik Elemanın Meshlenmiş Hali 29

30 Termoelektrik Modülün Meshlenmiş Hali 30

31 Çift Kutuplu Termoelektrik Modelin Kararlı Hal Analizi 31 COMSOL programında araştırılan konudaki analizler yapılmadan önce, deneysel olarak elde edilen sonuçların bu programla bulunan sonuçlar arasındaki farklılığını öğrenmek amacıyla Transient Modelling and Dynamic Characteristics of Thermoelectric Cooler [1] başlıklı makaledeki veriler kullanılarak analiz yapılmıştır. Çalışma sonucu bulunan değerler, örnek alınan makaledeki değerlerle karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırmalar Şekil 1, Şekil 2 ve Şekil 3 te grafik halinde ve tablo halinde sunulmuştur.

32 Şekil 1. q=0 W/m 2 soğutma yükü için sonuçların karşılaştırılması 32

33 Şekil 2. q=28576 W/m 2 soğutma yükü için sonuçların karşılaştırılması 33

34 Şekil 3. q=71428 W/m 2 soğutma yükü için sonuçları karşılaştırılması 34

35 t=2000s anında değerlerin karşılaştırılması 35

36 Yapılan analiz sonucunda COMSOL Multiphysics programının deneylerle örtüşen sonuçlar çıkardığı görülmüştür. Bu duruma göre termoelektrik modülün analizine bu programla yapılmasına karar verilmiştir. 36

37 Çift Kutuplu Termoelektrik Modelin Analiz Sonucu 37 Sıcaklık-Konum İlişkisinin Z Ekseni Boyunca Etkisi

38 Çift Kutuplu Termoelektrik Modelin Konuma Göre Sıcaklık Grafiği 38

39 Termoelektrik Modülün Analiz Sonucu 39 Sıcaklık-Konum İlişkisinin Z Ekseni Boyunca Etkisi

40 40

41 41 Yapılan iki analizin sonucunda değişken akımlara göre termoelektrik modül ve çift kutuplu termoelektrik elemanın davranışı incelenmiştir. Bu iki model arasında 0.5A, 0.7A ve 1A değerlerine göre yüzde hatalar sırasıyla 1.75, 1.4 ve 1.5 olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum dikkate alınıp buradan sonraki analizler çift kutuplu termoelektrik elemanın modeliyle yapılmasında sakınca görülmemiştir.

42 Çift Kutuplu Termoelektrik Modelin Kararlı Hal Analizi 42 Analiz çalışmasının son bölümünde farklı akım, taşınım katsayısı ve çift kutuplu termoelektrik yapının iç sıcaklığına göre ısı akısının davranışını incelenmiştir. Tabloda sonuçları listelenmiştir.

43 h (W/m 2 K) Akım (A) Hacim sıcaklığı (K) Q H Normal toplam ısı akısı (W/m^2) Q C Normal toplam ısı akısı (W/m^2) T H Sıcaklık (K) T C Sıcaklık , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,40E , , ,43E , , ,43E , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , (K) 43

44 44 Yapılan analizin sonucunu dört farklı parametre dikkate alınarak yorumlanmıştır. Birincisi ısı taşınım katsayısı, akım sabit tutularak farklı hacim sıcaklığı seçildiğinde TH TC arasındaki farkın ısı taşınım katsayısının 30 W/m2K olduğunda %0.228, 100 W/m2K olduğunda %0.223, 5000 W/m2K olduğunda %0.134 sıcaklık farkı gözlemlenmiştir. İkinci yorumlama ise sabit akım, sabit hacim sıcaklığı koşullarında artan ısı taşınım katsayısı durumunda sıcak ve soğuk yüzeyin ısı akısının arttığı gözlemlenmiştir. Üçüncü yorum olarak ısı taşınım katsayısı, hacim sıcaklığı sabit olup akım arttırıldığında ısı akısının da arttığı gözlemlenmiştir. Son yorumlamada hacim sıcaklığının ısı taşınım katsayısı arttıkça sıcaklık farkındaki artışın daha fazla olduğu gözlemlenmiştir.

45 45 BİZİ DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜR EDERİZ