BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK - 402 MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY 7 TERMOELEKTRİK MODÜLLER ÜZERİNDE ISI GEÇİŞİNİN İNCELENMESİ VE TERMOELEKTRİKSEL ETKİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ
BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK 402 MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY - 11 Termoelektrik modüller üzerinde ısı geçişinin incelenmesi ve termoelektriksel etkinin değerlendirilmesi 1.GİRİŞ Termoelektrik sıvı ya da katı maddelerin sıcaklıklarına bağlı olarak malzemeler üzerinde oluşan elektriksel potansiyeli inceleyen bilim dalıdır. Temel olarak iletken malzemelerin ısınması sonucu elektronların elektronca zengin bölgeden elektronca fakir olan bölgeye ilerlemesi ile elektriksel potansiyel üretmeleri prensibi üzerinden değerlendirilir. N Tipi Elemanlar Kristal yapısı içerisinde serbest elektronun yarattığı negatif yükü sembolize etmektedir. N tipi malzeme içerisinde yük taşınımını bu elektronlar gerçekleştirmektedir. Malzeme içerisinde bol miktarda elektron hareket ederken, ısıyı da beraberinde taşımaktadır. Isı akımı elektron akımıyla beraber gerçekleşmektedir. P Tipi Elemanlar Şekil 1.1 N tipi elemanlar Si, Ge gibi malzemeler 3 valans elektronu bulunan katkı maddeleriyle kovalent bağ kurarken eksi yüklü iyon haline gelirler ve atomik yapıları içerisinde elektron boşlukları oluşur. Elektrik akımı bu delikler tarafından taşınır. Isı yükü, delik akımıyla aynı yönde gerçekleşir. N tipi elemanla bağlanınca ısıyı ters yönde iletirler. 1
Şekil 1.2 P tipi elemanlar P-N Çifti Termoelektrik elemanların yapısında P ve N tipi elemanlar bir dizi oluşturmak amacıyla birbirlerine ardışık olarak bağlanırlar. Bu bağlantı şeklinin temel amacı ısı ve elektrik akımının şiddetini arttırmaktır. Bu yapı içerisinde elektron akımı zikzaklar çizerek ilerlerken ısı akımı tüm yapıya dik olacak şekilde gerçekleşir. Bağlantı biçimi Şekil 1.3 de gösterildiği gibidir. 2. TERMOELEKTRİK ETKİLER Şekil 1.3 P N Çifti Farklı tipte malzemelerin birbirlerine bağlanması ve bir sıcaklık farkına maruz bırakılması veya malzemelere elektrik verilmesi sonucunda malzemeler üzerinde üç farklı termoelektrik etkiden bahsedilebilir. Bu üç farklı etki, Seebeck, Peltier ve Thomson etkileri olarak isimlendirilmektedir. Şekil 2.1 Peltier Modül 2
2.1. Seebeck Etkisi İletken bir çubuğun iki ucuna sıcaklık farkı uygulandığı zaman soğuk ve sıcak tarafları arasında elektrik akımı meydana gelmesi olayıdır. Deney düzeneğinde kullanılan modüller bu prensibe göre düzenlenmiş ve çalıştırılmaktadırlar. İki farklı yarıiletken malzemenin (P-N çifti) birbirine seri olarak birleştirilmesiyle oluşturulan devrede (peltier modül), yüzeylere farklı sıcaklıklar uygulanmak suretiyle bir elektrik gerilimi elde edilir. Bu gerilim Seebeck voltaji olarak da isimlendirilir. Devreden ölçülen gerilim, malzemelerin yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ile doğru orantılıdır. V = α T V: Devreden ölçülen Voltaj ( Volt ) T= T 2 T 1 Yarıiletken malzemelerin yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ( C ) α: Seebeck katsayısı veya termo emk ( V / C) dır. Soğuk yüzey P tipi eleman N tipi eleman Seramik Sıcak Yüzey İletken Malzeme(Bakır) Şekil 2.2 Peltier Modül İç Yapısı Soğuk Yüzey Sıcak Yüzey 3 Şekil 2.3 Seebeck voltajının ölçümü
2.2. Peltier Etkisi Bir iletkenden elektrik enerjisi geçirildiğinde iki uç arasında sıcaklık farkı meydana gelmesi prensibine dayanır. Peltier etkisinden meydana gelen ısınma ya da soğuma olayını gözlemleyebilmek için iki farklı metalden meydana gelen bir modül kullanılması gerekmektedir. Elde edilen ısı, Joule ısısıyla karıştırılmamalıdır. Joule ısısı elektrik akımının şiddetinin karesiyle orantılıdır. Oluşan ısı akımı malzemelerin termoelektriksel değerleri olan Peltier değerlerinin farkına göre gerçekleşmektedir. Sıcaklık farkına göre değişkenlik gösteren değerler, laboratuvar ortamında her bir malzeme için hesaplanmaktadır. Peltier Modül Şekil 2.4 Peltier etkisi devresi 2.3. Thomson Etkisi Seebeck ve Peltier etkileri altında olan bir çubuk üzerinde elektrik akımı oluştuğu için zamanla ısı kazanacaktır. Uygulanan soğuk ve sıcak yüzeyler ya da elektrik akımının yönü değiştirildiğinde ısı kaybetmeye başlar. Bu ısı alıp verme işlemine Thomson ısısı denilmektedir. Süper iletken malzemeler hariç tüm metaller bu davranıştadır. Her birim hacim için ısı üretimi aşağıdaki gibidir. J: Akım yoğunluğu (A/m2) ρ: statik direnç (v m/a) µ: Thomson katsayısı (V/oC) 2 ρ*j : eşitliği joule ısısıdır ve tersinir etki göstermez. 4
Yukarıda anlatılan mekanizmaya göre işleyen termoelektrik etki, ısıtma, soğutma ya da enerji üretimi gibi alanlarda, özellikle güneş sisteminin derinlerine gönderilen sondalarda radyoizotop güç kaynaklı olarak kullanılmaktadır. Piyasada erişilebilen ve sistem üzerinde yerleştirilmiş olan termoelektrik modüller Peltier olarak adlandırılmakta ve Volt/Amper değerlerine göre fiyatlandırılmaktadır. 3. DENEYİN AMACI Sıcak hava tabancasıyla temsil edilmiş taşıt egzoz sistemi üzerinde termoelektrik modüller kullanılarak elektriksel gerilimin elde edilmesi ve Seebeck katsayısıyla sistem veriminin bulunması. 4. DENEY DÜZENEĞİ Deney düzeneği 350 * 120 * 60 mm ölçülerinde iç katman, bundan la ayrılmış 330 * 140 * 80 mm ölçülerinde iki dış kapak, üst yüzeye yerleştirilmiş 12 adet peltier modül, soğutucu plaka ve baskı çubuklarından oluşmaktadır. Soğutucu plaka içerisinde çevrilmekte olan soğutucu sıvı sistem üzerine yerleştirilmiş araç radyatöründe soğutulmakta ve çevrim pompasıyla sistem içerisine geri beslenmektedir. Ölçümler için modül giriş ve çıkış noktalarıyla, altı, üstü, orta modül altı ve üstü olarak termoçiftler yerleştirilmiştir. Termoçift sıcaklık değerleri ısı ölçüm cihazıyla okunmaktadır. Elektriksel ölçümler için masa tipi multimetre kullanılmakta, elektrik ihtiyacı için bir güç kaynağı yer almaktadır. Şekil 4.1 Deney düzeneği 5.DENEY PROSEDÜRÜ 1. Güvenlik kapağını kapatarak güç şalteri olarak yerleştirilmiş olan şalterli prizi açın. 2. Işıkların yandığını kontrol edin, kapağın tam kapanması durumunda kırmızı ışık, sistemde elektrik olduğu sürece mavi ışık yanmalıdır. 5
3. Sıcak hava tabancasını çalıştırarak sıcaklığını 650 o C ye debisini de ayar düğmelerini kullanarak en yüksek değere getirin. 4. Radyatör fanının ve çevrim motorunun çalıştığından emin olun ve sistemin devreye girmesi için bir süre bekleyin. 5. Sistemin dengeye gelmesi sırasında geçen zamanda ölçüm cihazlarının ayarlarını yapın. Voltaj ve amper ölçümü için multimetre kablolarını ilgili yerlere bağlayın. 6. Termoçift kablolarını ölçüm cihazına bağlayarak sistemi verilerin okunmasına hazır hale getirin. 7. Sistem üzerinde deney gerçekleştirirken, modüller yüksek sıcaklıklara çıktığı için kapağın deney esnasında kapalı olduğundan emin olun. Sistem kapak kapalı olmadan kesinlikle çalışılmamalıdır. Sistem çıkış kısmında durulmamalı ve sıcak hava tabancası üzeri kesinlikle açık kalacak şekilde olmalıdır. 6. SİSTEM ELEMANLARI Şekil 6.1 Sistem elemanları 1. Kanal 2. Kanal Bağlantı Contası 3. Giriş/çıkış contası 4. Isı değiştirici çıkış tankı 5. Termoelektrik modüller 6. Soğutucu Plakalar 7. Baskı plakası 8. İç kanatlar 6
9. Bağlantı Pimleri 10. Altı köşeli somun 11. Altı köşeli cıvata 12. Altı köşeli somun 7. HESAPLAMALAR Sistemden olan toplam ısı kaybı; o q= m*c * T p m o :Kütlesel debi C :Özgül Isı p T :Sistem giriş-çıkış sıcaklık farkı Yan ve alt yüzeylerde olan ısı kaybı; Tyüzey -T q alt-yüzey = ΣR ortam L L 1 ΣR= + + k *A k *A h hava*a Tyüzey -T q yan yüzey = ΣR ortam L L 1 ΣR= + + k *A k *A h hava*a Alt yüzey için; L =0.04m, k =1W/m-K A =0.12*0.35=0.042m -4 L =8*10 m, A Yan yüzey için; L k =0.14*0.35=0.049m =0.01m, k =1W/m-K 2 =200W/mK 2 A =0.12*0.35=0.042m -4 L =8*10 m, k 2 =200W/mK 7
A =0.14*0.35=0.049m h hava (doğal taşınım) hesabı için; 1 β= K 2 gβ(ts-t )L Ra= να 3 C Dikey Levha İçin L C =H Yatay Levha İçin L C =A yüzey /P(çevre) Dikey Levha İçin Nu Sayısı ve L C Değeri; 1/4 0.67*Ra Nu =0.68+ [1+(0.492/Pr) ] 9/16 4/9 Yatay Levha İçin Nu Sayısı ve L C Değeri; Nu =0.27*Ra 1/4 Nu*k h hava = L Elde edilen elektriksel güç: P=V*I 8. ÖLÇÜMLER T hava T sistem1 T sistem2 T modül1 T modül2 T d(yüzey) T y(yüzey) T içyüzey1 T içyüzey2 C C C C C C C C C V(Volt) Akım(A) Hava tabancası kütlesel debisi: 500lt/dak Peltier modül yüksekliği:3mm 8
Peltier modül yüzey alanı: 16*10-4 m 2 k modül =1.4W/mK 9. SORULAR 1. Sistemdeki toplam ısı kaybını, yan ve alt yüzeyden olan ısı transferlerini hesaplayarak üst yüzeyden olan ısı transferini bulunuz. 2. Modüllerden olan ısı transferini ve elde edilen enerjiyi hesaplayarak modüllerin verimini bulunuz ayrıca toplam ısı transferinden sistem verimini hesaplayınız. 3. Seebeck katsayısını hesaplayınız. 10. SONUÇ-YORUM 1. Elde edilen verim üzerinde etkili olan parametreler nelerdir. Sistem verimi nasıl arttırılabilir. 2. Yapılan deneydeki hata kaynaklarını ve çözüm önerilerini belirtin. Not: Deneye gelirken ısı transferi kitabını getiriniz 9
BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK 402 MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY - 11 Termoelektrik modüller üzerinde ısı geçişinin incelenmesi ve termoelektriksel etkinin değerlendirilmesi Ad Soyad: Öğrenci No:... Tarih:... 10
Hesaplamalar (Yaptığınız tüm hesaplamaları gösteriniz): 11
Hesaplamalar (Yaptığınız tüm hesaplamaları gösteriniz): 12
Sonuç ve Yorum: 13