Termoelektrik Soğutucuların Modellenmesi Ve Karakterizasyonu

Abstract

Termoelektrik modüller yarıiletken malzeme tabanlı yapılar olup, jeneratör ve soğutucu tipinde olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Her iki modül tipinde de n ve p tipi yarıiletken malzemeler kullanılır. Bir n-tipi ve bir p-tipi yarıiletken biraraya gelerek yarıiletken çifti oluştururlar. Bu çiftler seri olarak birbirine bağlanır ve termoelektrik modülü meydana getirirler. Termoelektrik jeneratörler, iki yüzeyi farklı sıcaklıklar altında iken, gerilim üretirler. Ürettikleri gerilimin büyüklüğü, yarıiletken malzemeye ve sıcaklık farkının büyüklüğüne bağlıdır. Sıcaklık farkı arttıkça gerilim artar. Termoelektrik jeneratörler ile hassas sıcaklık ölçümleri de yapmak mümkündür. Düşük sıcaklık farkı altında bile duyarlılıkları sayesinde bir yüzeyin sıcaklığı hızlı bir şekilde ölçülebilir. Günümüzde otomobillerde, kamyonetlerde ve tırlarda egzoz gazı atık ısısından faydalanılarak termoelektrik ile enerji üretimi yapılmaktadır. Dolayısıyla, atık ısının oluştuğu uygun ortamlarda termoelektrik jeneratörlerin kullanılması söz konusu olabilmektedir. Termoelektrik soğutucu modüller ise ısı pompası gibi çalışırlar ve elektriksel potansiyel fark uygulandığında, bir yüzeyinden ısı emilirken diğer yüzeyinden ısı atımı gerçekleşir. Teorik ömürlerinin sonsuz olması, bakım gerektirmemesi, arıza olasılığının çok düşük olması, sesiz olması, çok hızlı ve keskin cevap vermesi gibi avantajlarının yanı sıra, enerji verimliliği açısından gelişmesi devam eden cihazlardır. Termoelektrik soğutucu konusu uzun süredir çalışılmakta olup birçok uygulama gerçekleştirilmiştir. Günümüzde, küçük elektronik bileşenlerden geniş hacimlerin soğutulmasına kadar birçok uygulamada termoelektrik soğutucu modüller kullanılmaktadır. Otellerde bulunan mini buzdolapları, ev tipi soğutucular, tıbbi organ taşıma kabinleri ve askeri uygulamalar gibi daha birçok alanda termoelektrik soğutucular tercih edilmektedir. Bir soğutucu sistem içerisinde termoelektrik modüllerin kullanım şekli çeşitlilik gösterebilir. Tek katman, iki katman veya daha çok katman oluşturacak şekilde dizilebilirler. Dizilimdeki farklılıklar istenilen soğutma gücüne ve ortam sıcaklığına bağlıdır. Bu tez ile termoelektrik soğutucular dört farklı temel durum için analitik ve sayısal olarak modellenmiştir. Bunlar tek katmanlı ve iki katmanlı termoelektrik soğutucu sisteminin, dizayn değişkenleri olarak soğutma yükünün yanısıra, sıcak ve soğuk yüzey sıcaklıkları ile sıcak ve soğuk akışkan sıcaklıklarının seçildiği durumlardır. Her modelde soğutma gücü ve performans katsayısının (COP), akım ve yüzeyler arasındaki sıcaklık farkına göre değişimleri incelenmiştir. Akışkan sıcaklıklarının dizayn değişkeni olarak seçildiği dolayısıyla, ısı değiştiricilerin dahil edildiği modellerde ise toplam ısı geçiş katsayısına göre soğutma gücü ve performans katsayısı değişimleri incelenmiştir. Gerek tek gerekse de çok katmanlı modellerde, modüllere uygulanacak akımlar soğutma yükü ve performans katsayısını maksimize edecek şekilde ayrı ayrı belirlenmiş ve incelenmiştir. Analitik ve sayısal modeller göstermiştir ki; ısı değiştiricilerinin olmadığı tek katmanlı dizilim, performans ve soğutma gücünün en yüksek olduğu sonuçları vermektedir. Katman sayısı arttıkça soğutma gücü ve performans düşmektedir ancak, maksimum elde edilebilen sıcaklık farkı artmaktadır. Bununla birlikte, yüzey sıcaklıklarını kusursuz kontrol edebilecek bir mekanizma pratikte varolmadığı için, gerçekçi yaklaşım akışkan sıcaklıklarının kontrol edildiği dolayısıyla ısı değiştiricili modeldir. Isı değiştiricilerin sisteme dahil edildiği durumda ise elde edilebilen maksimum soğutma gücü, maksimum performans katsayısı ve maksimum sıcaklık farkı dahil edilmedikleri duruma göre düşmektedir. Yapılan incelemeler sonucunda hangi büyüklüklerin kritik olduğu, sistem üzerinde iyileştirmelerin nasıl yapılabileceği ve sistemin nasıl boyutlandırılarak optimal çalışma koşullarının nasıl belirleneceği ortaya konulmuştur.

Thermoelectric modules are the modules which were made of semi-conductor components and considered as two groups as generator and cooler. Each two modules consist of n and p type doped semi-conductor materials. Semiconductors are connected in serially to bring out the thermoelectric module. Thermoelectric generators produce voltage when two surfaces are at different temprature levels. The magnitude of the voltage is related to both the type of the semiconductor material and the temprature difference of the surfaces. The magnitude of the voltage increases with the increase of the temprature difference of the surfaces. Thermoelectric generatures are feasible for accurate temprature measurements. This sensivity provides an accurate measurement difference even under low temperature differences. Nowadays, thermoelectric generators commonly use to produce energy by utilizing the waste heat of exhaust gas of cars, vans and trucks. Thus, thermoelectric generators can be followed up in the environments where the waste heat may be formed. Thermoelectric cooling modules work like a heat pump and when a potential difference is applied, heat absorbtion takes place in one side while heat rejection takes place in the other surface. Thermoelectric cooling devices has got many advantages such as having theoretically infinite lifetime, does not require maintenance, a very low probability to have failure, silent, as many advantages as well as to respond quickly and sharply, the development of devices continue for energy efficiency. Subject of thermoelectric refrigeration is sustained issue and there exist many applications. Today they are being used in lots of applications such as cooling range from large volumes to small electronic components, mini-refrigetors in hotels, home type mini-coolers, medical organ transportaions and etc.. Usage of thermoelectric modules may vary in a cooling system. They can be arrayed as single-layer, two-layer or multilayer. These arrangements depends on the desired cooling power and ambient temperature. With this thesis thermoelectric coolers are modelled analytically for four different main cases. These are single-layer and double-layer thermoelectric module system in case of including heat exchangers and not including in which. The distribution of cooling power and coefficient of performance are given in terms of current and temperature difference between surfaces in each analytical model. In both single and double-layer models, electrical currents which applied on modules as well as maximize cooling power and coefficient of performance are determined and analyzed. Analytical and numerical models show that, under a certain temperature difference, there are specific current values that are maximize the coefficient of performance and the cooling power. Under different temperature ranges, these current values are also different. The coefficient of performance is reached its maximum value at lower current value than the current value of the maximum cooling power. Current values larger than this, consumed power and thermal loads to the system increase faster than the cooling power and reduces the coefficient of performance. The maximum value of cooling power takes place at greater current value than the current value of the maximum coefficient of performance. Increase in temperature difference between the case of surfaces, both cooling power and coefficient of performance decrease is approaching zero. The value of temperature difference for the zero cooling power is the maximum temperature difference value for a thermoelectric module and differs for each analytical and numerical model. Increasing the number of the layer with the maximum obtainable value of the temperature difference increases, but the increase in the number of layers, reduces the maximum value of coefficient of performance and the maximum value of cooling power. When heat exchangers are implicated to the system, the maximum cooling power, the maximum coefficient of performance and the maximum temperature difference decrease relative to the system without heat exchangers. This type of extended surfaces due to its heat transfer coefficient reduces the cold surface and a hot surface heat transfer so, the improvement for a system seems to be necessary. Considering the system design conditions, there are optimum heat transfer coefficients and the effect of the larger than optimum values for the system has shown to be in trace amounts. The values given by manufacturer to thermoelectric module are compared with in each model. Accordingly, without heat exchanger on hot and cold surfaces, namely infinite heat transfer to the fluid in single-layer analytical model, the values given by manufacturer are provided. This result implies that the given values can be achieved under special laboratory conditions. In case of heat exchangers, the coefficient of performance and cooling power which is lower than the given values is obtained. In a single-layer model with heat exchangers, hot and cold side air-cooled heat transfer coefficients for a system is selected, in the absence of temperature difference between hot and cold surfaces, the maximum cooling power obtained is one-thid of the value is given by the manufacturer. Due to absence of a mechanism which controls the surface temperatures precisely, the fluid temperature controlled model which includes heat exchanger is more realistic and the desired thermoelectric cooler cooling powers can be obtained is always lower than the values given by the manufacturer. As a results of analysis, the criticial parameters which improve the system and optimize the operation conditions are obtained.