ÇOK FONKSİYONLU TERMOELEKTRİK BUZDOLOBININ ABSORB BUZDOLABI İLE ENERJİ TÜKETİMİ AÇISINDAN KARŞILAŞTIRILMASI

Transkript

1 ÇOK FONKSİYONLU TERMOELEKTRİK BUZDOLOBININ ABSORB BUZDOLABI İLE ENERJİ TÜKETİMİ AÇISINDAN KARŞILAŞTIRILMASI Serkan DİŞLİTAŞ (*) Raşit AHISKA (**) (*) Gazi Üniversitesi, Çorum Meslek Yüksekokulu, 193 ÇORUM Tel : Faks: (**) Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Bölümü 65 Teknikokullar, ANKARA Tel : (132) Faks: ÖZET Bu çalışmada, çok fonksiyonlu yarıiletken termoelektrik buzdolabı incelenerek absorb buzdolabı ile enerji tüketimi açısından karşılaştırılmıştır. Çok fonksiyonlu yarıiletken termoelektrik buzdolabının temelinde çalışma prensibi Peltier olayına dayanan termoelektrik modüller yer almaktadır. Termoelektrik modüller soğutucu veya ısıtıcı olarak kullanıldığında, hiçbir ara madde kullanmadan doğrudan elektrik enerjisi ile soğuk veya sıcak ortamlar elde edilmektedir. Çalışmada çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabının sıcaklık-enerji göstergeleri ile yapısını karakterize eden hacim, boyutlar ve ağırlık göstergeleri araştırılarak aynı yapısal özellikli absorb buzdolabı ile karşılaştırılmıştır. Buzdolaplarına ilişkin sıcaklık-enerji göstergeleri taban sıcaklığı, buzluk sıcaklığı, günlük enerji tüketimi, öz enerji tüketimi ve çalışma katsayısı olmak üzere 5 göstergeden oluşmaktadır. Buzdolaplarının taban ve buzluk sıcaklıklarının ölçülmesinde diferansiyel termokupl ölçüm yöntemi kullanılmıştır. Yapılan çalışma sonuçlarına göre çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabının enerji tüketiminin düşük ve veriminin yüksek olduğu, üretim açısından daha modern teknoloji içerdiği, işçilik maliyetinin daha düşük olduğu ve ayrıca çevre ve sağlık bakımından daha avantajlı olduğu görülmüştür. Yakın gelecekte enerji tasarrufu sağlayan termoelektrik buzdolaplarının beyaz eşya piyasasında önemli bir yer alacağı açıktır. Anahtar Kelimeler : Enerji, Termoelektrik Modül, Termoelektrik Buzdolabı ABSTRACT In this study, multifunction thermoelectric refrigerator was researched, and compared with absorb refrigerator from the point of view energy consumption. The multifunction thermoelectric refrigerator is based on semiconductor thermoelectric modules. In the system, cooling and heating are provided via Peltier Effect in the thermeoeletric modules. Thus, cool and hot places were obtained directly by using electric energy. Heat-energy indicators of this multifunction thermoeelctric refrigerator were compared with same structural absorb refrigerator as volume, dimension and weight. Both these refrigerators have got five indicators which indicate heat of floor, heat of freezing compartment, energy consumption for daily use, specific energy consumption, and working coefficient. The differential thermocouple measuring system was used to measure heats of floor and freezing compartment. As a result, it was seen that the multifunction thermoelectric refrigerator is beter than absorb refrigerator about energy consumption, productivity, cost of workmanship, ecological, and modern technology in production. In the near future, the thermoelectric refrigerators will be used in the white goods marketing because of less energy consumption. Key Words : Energy, Thermoelectric Module, Thermoelectric Refrigerator Bu çalışma proje olarak Gazi Üniversitesi Rektörlüğü, Bilimsel Araştırma Projeleri Müdürlüğünce desteklenmiştir. Proje Kod No : 7/24-6.

2 1. GİRİŞ Gelişen teknoloji ile artan elektrik enerjisi ihtiyacını karşılamada sürekli yeni arayışlara gidilmiştir. Elektrik enerjisinin elde edilmesi kadar, verimli kullanılarak enerji tasarrufunun sağlanması da çok önemlidir. Bu amaçla elektrikli cihazların maksimum enerji tasarrufu sağlayacak şekilde üretilmelerine yönelik çalışmaların yapılması ve kullanımlarının yaygınlaştırılması kaçınılmaz olmuştur. Genellikle evlerde, işyerlerinde ve daha birçok yerde yaygın bir şekilde kullanılan buzdolaplarının enerji tüketimleri dikkate değer bir büyüklüktedir. Bu amaçla enerji tüketimi az buzdolaplarının geliştirilerek ekonomik hale getirilmeleri ve yaygınlaştırılmaları gerekmektedir. Bu çalışma ile aynı fiziksel boyutlardaki çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabı ile absorb buzdolabı çalışma bakımından incelenmiş ve enerji tüketimi açısından karşılaştırılmıştır. 2. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1. Termoelektrik Soğutucu Soğutma, ısıtma ve elektrik enerjisi üretimi gibi çeşitli amaçlar için kullanılan termoelektrik modüller birçok avantaja sahiptir. Termoelektrik modüllerin küçük ve basit yapıda olması, hareketli parçalarının olmaması, yönden bağımsız çalışmaları, uzun ömürlü olmaları, sıcaklık kontrollerin kolaylıkla yapılabilmeleri, gürültüsüz olmaları, DC gerilim esasına göre çalışmaları ve akım yönünün değiştirilmesiyle ısıtıcı ve soğutucu olarak kullanılabilmeleri gibi özelliklerden dolayı birçok alanda, değişik amaçlara yönelik uygulamalar için rahatlıkla kullanılabilmektedir. Termoelektrik soğutucuların temelinde termoelektrik modüller yer almaktadır. Termoelektrik modüller iki seramik tabaka arasında elektriksel olarak birbirine seri, termal olarak birbirine paralel olacak şekilde bağlantılı P ve N tipi yarıiletkenlerinden oluşmaktadır. Şekil 1 de örnek bir termoelektrik modül görülmektedir. Şekil 1. Termoelektrik modül Termoelektrik Soğutucu (TES) sisteminin temeli 1834 yılında Jean Charles Athanese Peltier tarafından keşfedilen Peltier olayına dayanmaktadır. Elektrik enerjisinin doğrudan ısı akışına çevrildiği bir çok işlemden biri olan termoelektrik soğutma yüksek güvenilirlik, sessizlik, hareketli parçaların olmayışı ve basitliği nedeniyle uzun ömürlü bakımsız çalışmayı vaat etmektedir. Şekil 2 de termoelektrik modülün soğutucu modunda kullanımı görülmektedir. Termoelektrik modülde Peltier olayı ile oluşan ısı transferi sonucunda yüzeylerden biri soğumakta, diğeri ısınmaktadır. Termoelektrik modülün uygun kutbuna DC akımın uygulanmasıyla üst tabakadan alt tabakaya doğru ısı pompalanacak ve sonuçta üst yüzey soğuyacaktır. Peltier olayıyla ısı, soğuk yüzeyden sıcak yüzeye transfer edilmekte, ayrıca bir ısı üretilmemektedir. Eğer akım yönü ters çevrilirse, bu işlem tersine işleyecek ve dolayısıyla sıcak ve soğuk yüzeyler kendi arasında yer değiştirecektir. Bu durumda da üst yüzey ısı kaynağı durumuna getirilmiş olacaktır. Böylelikle termoelektrik modülün uçlarına uygulanan DC akımın yönü ve şiddetine bağlı olarak kolaylıkla ısıtma veya soğutma yapılabilmektedir [1-5].

3 N ve P tipi Yarıiletkenler P I S I N P N P N Elektriksel İletken (Bakır) I S I I V - + Elektriksel Yalıtkan (Seramik Tabaka) Şekil 2. Soğutucu modunda termoelektrik modül 2.2. Yöntem Çalışmada çok fonksiyonlu bir termoelektrik buzdolabı yapılarak kullanım göstergelerinin araştırılıp, enerji tüketimi ve maliyet açısından absorb buzdolabı ile karşılaştırılması hedeflenmiştir. Kullanım göstergeleri buzdolabının kasasının yapısını karakterize eden hacim, boyutlar ve ağırlık göstergeleri ile sıcaklık-enerji göstergeleri olmak üzere iki guruptan oluşmaktadır. Ayrıca çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabı, tüm parametreleri aynı kasaya sahip ve piyasada satılmakta olan bir absorb buzdolabı göstergeleri ile kıyaslanmıştır. Çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabı, absorb buzdolabı ile aynı hacim, boyutlar ve ağırlık göstergelerine sahip olduğundan karşılaştırma sadece sıcaklıkenerji göstergeleri dikkate alınarak yapılmaktadır. Buzdolaplarının karşılaştırılmasında kullanılacak sıcaklık-enerji göstergeleri t tab (ºC olarak taban sıcaklığı), t buz (ºC olarak buzluk sıcaklığı), W (Watt olarak günlük enerji tüketimi), ω (Watt/Litre olarak öz enerji tüketimi) ve b (çalışma katsayısı) olmak üzere beş göstergeden oluşmaktadır. Burada öz enerji tüketimi, ω = W/V (1) Watt/Litre olarak, buzdolabı çalışma katsayısı da, b = ç /( ç + d ) (2) olarak ifade edilir. Bunlara ilave olarak iki buzdolabının buzluğunun soğuk prodüktivitesi, q = Q / t (3) ve soğutma katsayısı (verimi), η = Q/W (4) tespit edilerek karşılaştırılmıştır. Burada V buzdolabının iç kısmındaki hacmi (4 lt), ç çalışma süresi, d duraklama süresi, Q buzdolabının içinden emilen ısı miktarı ve W buzdolabının günlük enerji tüketimidir [6]. Çalışmada absorb buzdolabının kasası kullanılarak, aynı boyutlarda çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabı yapılmıştır. Çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabının elektrik blok şeması Şekil 3 te görülmektedir. Tasarımda bir adet 4x4 cm² lik 12V DC termoelektrik modül ve termoelektrik modülü çalıştırmak için de 12V DC güç kaynağı kullanılmıştır. Termoelektrik modülün sıcak tarafını oda sıcaklığında tutmak için bir kapalı devir-daim sistemi kurulmuştur. Bu sistem bir 1,5 litrelik su deposu, bir akvaryum filtresi, bir radyatör ve bir fandan oluşmaktadır. Buzdolabının içindeki sıcaklığı ayarlamak ve termoelektrik modülü korumak için farklı iki adet termostat kullanılmıştır. Çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabı bir soğutucu olarak çalıştırıldığında, içindeki sıcaklık ayarı 1.termostatla; bir ısıtıcı olarak çalıştırıldığında ise içindeki sıcaklık ayarı 2.termostatla yapılmaktadır. 2. termostatın esas görevi termoelektrik modülü kapalı devir-daim sisteminde herhangi bir arıza nedeniyle aşırı ısınmaya karşı korumaktır.

4 1. Termostat ( o C.. 16 o C ) 2. Termostat ( o C.. +4 o C ) Besleme Termoelektrik Modül Pompa Fan Şekil 3. Çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabı elektrik devre şeması 3. ÖLÇÜM Buzdolaplarının taban ve buzluk sıcaklıklarının ölçümü, diferansiyel termokupl ölçüm yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Bunun için 4 adet bakır konstantan termokupl ve termokupl çıkış voltajını tespit etmek için bir adet multimetreden faydalanılmıştır. Termokuplların çıkışındaki voltaj kayıt edildikten sonra her 1ºC derecede 4 µv voltajın meydana gelmesini kabul ederek, sıcaklıklar mv cinsinden santigrat cinsine çevrilmiştir. Buzdolaplarının taban ve buzluklarındaki sıcaklıkların tespit edilmesi amacıyla 5 saat boyunca her 15 dakikada bir sıcaklık ölçümü yapılarak Tablo 1 deki değerler elde edildi ve bu değerlere göre Şekil 4 teki sıcaklık-zaman değişim grafikleri çizilmiştir. Tablo 2. Çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabı ve absorb buzdolabı için zamana göre taban ve buzluk sıcaklıkları Termoelektrik Buzluk Termoelektrik Taban Absorb Buzluk Absorb Taban Sıra No Zaman (Dakika) Oda Su 1 14,75 14,75 14,25 14, , ,25 14, , ,5 14,25 14, ,25 6,25 4,5 14, ,25 4,75 1,5 13, ,5 2,5 -,5 12, ,25-3,75 11, ,5,5-6,5 9, , ,5 -,5 -,75 5, ,5 -, , ,5 -,75-12, , ,75 1, ,75-1,25-14,25, ,75-1,25-14, ,75-1,5 14, ,75-1,5 14, , , , , , Buz

5 Bu ölçüm sonuçlarından yararlanılarak buzdolaplarının buzluklarına ait soğuk prodüktiviteleri ve soğutma katsayıları tespit edilmiştir. Ayrıca kapalı devir-daim sisteminin çalışmasının yeterli düzeyde olup olmadığının araştırılması için de su deposundaki suyun sıcaklığı sürekli olarak cıvalı termometre ile ölçülmüştür. Diferansiyel ölçüm yönteminde, referans olarak özel hazırlanmış bir kabın içine konulan çekiçle kırılmış buz kullanıldı ve buzun sıcaklığı da sürekli olarak ayrı bir cıvalı termometre ile ölçülmüştür. Ölçümler süresince oda sıcaklığı duvar termometresi ile kontrol edilmiştir. 2 Sıcaklık ( o C) Termoelektrik Buzluk Termoelektrik Taban Su Absorb Buzluk Absorb Taban Oda Şekil 4. Çok Fonksiyonlu termoelektrik ve absorb buzdolaplarının buzluk ve tabanları için zaman-sıcaklık grafiği Bu sonuçlara göre 16 C' lik oda sıcaklığında rejime geçiş süresi olan ilk 2 saatin sonunda, termoelektrik buzdolabı için taban sıcaklığı (t tab ) -,5 C ve buzluk sıcaklığı (t buz ) -14,5 C iken, absorb buzdolabı için taban sıcaklığı (t tab ) 5,25 C ve buzluk sıcaklığı (t buz ) -,75 C dir. Buzluk sıcaklığının sıfır noktasına ulaşma süresinde, termoelektrik modülün absorb sistemine göre soğutma hızının yaklaşık 2 kat fazla olduğu tespit edilmektedir. Buzdolaplarının günlük enerji tüketimi, öz enerji tüketimi ve çalışma katsayısı gibi parametrelerin ölçülmesi amacıyla termostat 5 C sıcaklığa ayarlanarak tam iki devre gerçekleşinceye kadar yaklaşık 4 saat boyunca buzluk ve tabandaki sıcaklık-zaman değişimi grafikleri elde edilmiştir (Şekil 5). Çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabı ve absorb buzdolabının özelliklerini karşılaştırmak amacıyla elde edilen grafikler ayrı ayrı incelenmiştir.

6 Sıcaklık ( o C) Termoelektrik Buzluk Termoelektrik Taban Sıcaklık ( o C) Absorb Buzluk Absorb Taban Sıcaklık ( o C) Termoelektrik Buzluk Absorb Buzluk Sıcaklık ( o C) Termoelektrik Taban Absorb Taban Şekil 5. Termoelektrik ve absorb buzdolaplarının buzluk ve tabanları için, termostat 5 C iken zaman-sıcaklık grafiği

7 Çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabının parametrelerini kapalı devir-daim sisteminin ve 1. termostatın devreye sokulma zamanının nasıl etkilediğinin araştırılması amacıyla Şekil 6 daki grafik elde edilmiştir. 2 Termo Buzluk Su dakikalık durma sonu 15 dakikalık durma sonu 26 dakikalık durma sonu Sıcaklık ( o C ) dakikalık çalışma sonu Termostat çalıştırıldı Pompa çalışmakta 17 dakikalık çalışma sonu dakikalık çalışma sonu Pompa çalışmamakta Şekil 6. Çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabı için devir-daim sisteminin ve 1. termostatın devreye sokulma zamanına bağlı olarak sıcaklık-zaman grafiği Bu sonuçlara göre, buzdolabı rejime çıktıktan sonra termostat çalıştırılınca pompanın çalıştırılmasına rağmen ilk devre için d durma süresi en fazladır. İkinci devrede ç çalışma süresi yaklaşık d ye eşittir ve b çalışma katsayısı,5 dir. Üçüncü devrede pompa çalışmayınca ç = dk, d = 26 dk iken b yaklaşık,25 dir. Çalışma katsayısının azalması pompanın devre dışı kalarak soğutulmuş buzluğun fazla ısınmasının ortadan kalkmasıyla açıklanabilir. Depodaki suyun sıcaklığının oda sıcaklığına eşit olması ve sabit kalması, kapalı devir-daim sisteminin yeterli olduğunu göstermektedir. Ayrıca, bir elektrik devresi oluşturarak buzdolaplarının tükettiği güçlerin tespit edilmesi amacıyla ölçümler yapılmıştır. Elde edilen ölçümlere göre çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabının sürekli çalışması durumunda tükettiği güç 96W, absorb buzdolabının 8W olarak belirlenmiştir. 4. SONUÇ Elde edilen sonuçlara göre çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabının çalışma katsayısı 1/3, absorb buzdolabının çalışma katsayısı ise 1/2 dir. Buna göre çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabının günlük enerji tüketimi 96/3=32W iken absorb buzdolabının günlük enerji tüketimi 8/2=4 W dır. Bu durumda çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabının daha tasarruflu olduğu görülmektedir. Termoelektrik modülün soğuk prodüktivitesini

8 bulmak için termoelektrik modül tarafından emilen ısıyı bulmamız gerekir. Bu ısı, kaynaklarına göre buzluğun (alüminyum), buzdolabının içindeki havanın, cisimlerin ve iç duvarlarının (iç ortanın) soğutulduğunda emilen ısıdan ve dış ortamdan gelen ısı miktarından oluşur. Termoelektrik modül direkt alüminyuma yapıştırıldığı için ilk saniyelerde esas ısı alüminyum üzerinden emilmektedir. Buna göre hesaplamalarda 1 den dakikaya kadar çok kısa süreler için emilen ısıyı yaklaşık, Q = C.m. T (5) olarak tayin edebiliriz. Burada C=,88.³ J/Kg.K alüminyumun öz ısısı, m=,319 Kg alüminyumun kütlesi, T ise alüminyumda oluşan sıcaklık farkıdır. Sıcaklık farkını ölçmek için buzdolapları rejimde iken = 5 dakikalık bir süre içinde buzluğun sıcaklık düşüşü tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar Tablo 2 de özetlenmiştir. Tablo 2. Çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabı ve absorb buzdolabının soğuk prodüktiviteleri ve verimleri Sıra No Soğutma Süresi Termoelektrik Buzdolabı Absorb Buzdolabı (Dakika) q q (W) (%) (W) (%) 1 5 7,25 22,65 3,28 8, ,49 23,4 2, Ortalama 7,37 23,4 3,5 7,6 Bu sonuçlara göre çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolabının soğuk prodüktivitesi yaklaşık 2,5 kat, verimi ise 3 kat absorb buzdolabından daha fazladır. Termoelektrik buzdolabı yapımında kullanılan malzeme maliyeti, absorb buzdolabı malzeme maliyeti ile aynı olmasına karşın, termoelektrik buzdolabının işçilik maliyeti absorb buzdolabınınkinin 1/5'i kadardır. Termoelektrik modülün soğuk ve sıcak rejimde çalışabilmesi termoelektrik buzdolaplarını çok fonksiyonlu kılmaktadır. Termoelektrik modüle uygulanan DC akımının yönünü değiştirdiğimizde buzluk ısıtıcıya dönüşerek buzdolabının içinde gereken sıcak ortam oluşturulabilir. Bu özelliğe sahip buzdolapları bazı ilaç ve malzemeleri saklamak için özel durumlarda kullanılabilir. [7-9]. Çok fonksiyonlu termoelektrik buzdolapları üretim açısından daha modern teknoloji içermeleri, çevre ve sağlık bakımından büyük avantajlara sahip olmaları ve sağladıkları enerji tasarrufu ile yakın gelecekte layık oldukları yeri alacaklardır. KAYNAKLAR [1] Riffat, S.B., Ma, X., Thermoelectrics: a review of present and potential applications, Applied Thermal Engineering, 23(8): (23). [2] Burke, E. J., Buist, R. J., 1983, Thermoelectric Coolers As Power Generators, 18 th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Florida. [3] Boztepe, M., 1997, Güneş Pilleri ile Çalışan Peltier Elemanlı Bir Soğutucunun İncelenmesi, Yüksek Lisans Projesi, Ege Üniversitesi, Araştırma Fon Saymanlığı, İzmir. [4] Burke, E. J., Buist, R.J., A Thermoelectric Cooling/Heating System for Hospital Therapy Pad Fifth International Conference on Thermoelectric Energy Conversion, The University of Texas, [5] Internet: Melcor Corporation, Thermoelectric Engineering Handbook, (24). [6] Durdu, T. N., Katıhal Fiziğe Giriş, Ankara, 1992.

9 [7] Ahıska, R., Güler, N. F., Savaş, Y., 1999, Termoelektrik Soğutucusunun Özelliklerinin Araştırılması, Politeknik Dergisi, Cilt:2, Sayt:3, s 89-94, Ankara. [8] Güler, N., F., Ahıska, R., Design and testing of a microprocessor-controlled portable thermoelectric medical cooling kit, Applied Thermal Engineering, pp , 22. [9] Fidan, U., 2, Mikrodenetleyici Kontrollü Taşınabilir Termoelektrik Tıp Kiti Cihazı Tasarımı ve Uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bil. Ens., Elektronik Bilgisayar Eğitimi Bölümü, Ankara.

10 KISA ÖZGEÇMİŞ Serkan DİŞLİTAŞ, 1971 yılında Ankara da doğdu. Lisans ve yüksek lisans eğitimini Gazi Üniversitesi nde Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi alanında yaptı yılından bu yana Gazi Üniversitesi Çorum Meslek Yüksekokulu Bilgisayar Teknolojisi ve Programlama programında öğretim görevlisi olarak görev yapmaktadır. Evli ve bir çocuk babası olup yabancı dili İngilizce dir. Raşit AHISKA, 1957 yılında Özbekistan ın Fergana vilayetinde doğdu. Lisans, yüksek lisans ve doktorasını Azerbaycan Bakü Üniversitesi nde Katıhal Fiziği alanında yaptı. 21 yılında doçent oldu. Halen Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektronik Bilgisayar Eğitimi nde öğretim üyesi olarak görev yapmaktadır. Yurtiçi ve yurtdışı birçok yayını vardır. Evli ve iki çocuk babasıdır. İyi derecede Rusça ve İngilizce bilmektedir. İLETİŞİM Öğr.Gör. Serkan DİŞLİTAŞ (Bildiriyi Sunan) Adres : Gazi Üniversitesi, Çorum Meslek Yüksekokulu, ÇORUM Tel : ( 364) (222) Faks : ( 364) dislitas@gazi.edu.tr Doç.Dr. Raşit AHISKA Adres : Gazi Üniversitesi, Tek.Eğt. Fak., Elektronik-Bilgisayar Eğt.Bölümü, 65 Teknikokullar, ANKARA Tel : (.312) (132) Faks : (.312) ahiska@gazi.edu.tr