ˇˆ ˙ - harran Üniversitesieng.harran.edu.tr/~hbulut/termoelektrik.pdf · ˘˘ˇˆ ˙ ˘ ˇ ˆ...
TRANSCRIPT
-
Soutma Dnyas, Say 31, Sayfa 9-16 (2005).
TERMOELEKTRK SOUTMA SSTEMLER
Do. Dr. Hsamettin BULUT
Harran niversitesi, Mhendislik Fakltesi, Makina Mhendislii Blm, Osmanbey
kampus, 63000-anlurfa.
E-mail: [email protected]
Tel:0.414.344 00 20
Faks: 0.414.344 00 31
zet
Termoelektrik soutma sistemleri, scaklk dengelemesi veya ortam scaklnn
altnda bir soutmann gerektii uygulamalarda kullanlan hareket eden eleman olmayan s
pompas zellii olan cihazlardr. Modern ve yksek teknolojilerin gelimesi ile termoelektrik
soutucular, lazer diyotlar, mikro ilemciler, kan analiz cihazlar ve tanabilir piknik tipi
soutuculara kadar bir ok rnde karmza kmaktadr. Bu makalede, termoelektrik
soutmann teorisi, uygulama alanlar, tasarm ve seiminde etkili olan elektriksel ve sl
parametreler hakknda bilgiler verilmitir.
Anahtar Kelimeler: Termoelektrik, Peltier Etkisi, Soutma.
1. Giri
Gnmzde, salam, gvenilir, kompakt, ufak boyutlu, hafif, uzun mrl, dk
maliyette, dk enerji tke timine sahip ve bakm gerektirmeyen soutuculara artan bir
ihtiya vardr. Yaygn olarak kullanlan mevcut kompresrl soutma sistemleri mekanik
olarak hareket eden paralar olduundan ve boyut olarak byk olduklarndan arzulanan
ideal zelliklere sahip deillerdir. Teknolojinin hzl bir ekilde artt bir zamanda, soutma
ihtiyacnn sadece konfor ve gdalarn muhafazas amal snrl kalmayaca aktr. zellikle
yeni ve daha sk imal edilmi elektronik cihazlarn kendi iinde rettii ve dna yayd
snn bertaraf edilmesinin ve sl konfor snrlarn aan zel artlarn istendii soutma
gereksinimleri, buhar sktrmal konvansiyonel soutma sistemlerinin dnda alternatif
-
soutma cihazlarna ynelmeyi ortaya koymutur. Termoelektrik soutucular, askeri,
elektronik gibi alanlardan bireysel zel soutma ihtiyacna kadar bir ok uygulamada
kullanlan s pompas zellii olan cihazlardr [1,2].
Hzla gelien elektronik ve bilgisayar teknolojisinde, elektronik elemanlarn hassas
biimde alabilecekleri scaklk aralklar bellidir. Elektronik malzemelerin soutulmas
gnmzde mhendislerin en nemli problemlerinden biridir. Son yllarda bu konuda giderek
artan almalar yaplmaktadr [3]. Termoelektrik soutma sistemlerinin tasarm, analizi ve
uygulamalar ile ilgili konularda son zamanlarda nemli aratrmalar yaplmtr [1,2, 4-14] ve
aratrmaclarn konuya ilgisi artmaktadr.
Bu almada, son zamanlarda ticari olarak eitli rnlerde rastlanan termoelektrik
soutmann teorisi ve uygulama alanlar ile ilgili temel bilgiler sunulmutur.
2. Termoelektrik Soutmann Teorisi
Termoelektrik soutma temelde termoelektrik etkilerin en nemlilerden biri olan
Peltier etkisine dayanr. Peltier etkisi, iki farkl metal elemandan oluan bir devreye doru
akm verildiinde, akmn ynne gre, aksi ularda scaklkta artmann veya azalmann
meydana gelmesidir. Bu olayda ilgin olan, devrede ular arasnda bir scaklk fark olumas
ve dolaysyla ularda bir snma veya soumann meydana gelmesidir. Isl eleman iftlerinin
(Termokapl) temelini oluturan ve 1821 ylnda kefedilen Seebeck etkisinin tersi olan Peltier
etkisi, Fransz bilim adam Charles Athanese Peltier 1834 ylnda kefedilmitir. 1950
yllndan sonra yariletken teknolojisinde gelimelerin hzlanmas ile Peltier etkisi deiik
uygulamalarda kendine kullanm alanlar bulmutur [2, 4, 16].
Termoelektrik soutma, N ve P tipi yar iletken metal iftlerinden olumu bir veya
daha ok modlden, bir doru akmn gemesi ile elde edilir. ekil 1de bir N ve P yar
iletken iftinden meydana gelmi bir termoelektrik soutma modl gsterilmitir. P ve N tipi
termoelemanlar elektriksel olarak seri, sl olarak paralel ekilde seramikler arasna
balanrlar. Akmn ynne bal olarak stma ve soutma elde edilebilir. ekil 1den de
grlecei gibi soutma durumunda, doru akm N tipi yar iletkenden P tipine gemektedir.
Akm, dk enerji seviyesindeki P tipi yariletken malzemeden yksek enerji seviyesine
getiinde soutulacak ortamdan s ekerek soutma meydana getirmektedir. Souk
ortamdan ekilen bu s, yksek scaklktaki ortama elektronlar vastasyla transfer edilir.
Bylelikle s, bir ortamdan ekildii gibi baka bir ortama da terk edilmektedir. Dolaysyla
termoelektrik modl s pompas vazifesi de gsterir.
-
ekil 1. Bir termoelektrik soutucu modl
3. Termoelektrik Soutucularda Kullanlan Malzemeler
Bir termoelektrik soutucunun verimlilii bal olarak kullanlan malzeme ile ilgilidir.
Termoelektrik malzemelerin performans, aadaki eitlikte verilen deer katsays ile ifade
edilmektedir [1]:
kRTZT
2= (1)
Burada Seebeck katsays, T termoelektrik modln yzeylerinin ortalama scakl,
k sl iletkenlii, R elektrik direncini gstermektedir. Metallerin s iletimi yksek, fakat
elektrik direnleri dk olduundan, ZT deerleri de dk olmaktadr. Gnmzde
termoelektrik modllerde kullanlan yar iletken malzemelerin deer katsays, ZT, yaklak
0.4 ile 1.3 arasndadr [2].
Termoelektrik soutucularda P ve N tipi termoelemanlarda kullanlan yar iletken
malzemeler, Bi2Te3, PbTe, SiGe ve BiSb gibi alamlardr. Bizmut Teleryum, Bi2Te3, yksek
termoelektrik verimi ve uygun scaklk aral nedeniyle yaygn bir ekilde tercih edilmektedir
[1]. Alt ve st plakalarda seramik malzeme kullanlr. Bylece sl iletkenlik, elektriksel
yaltkanlk ve mekanik mukavemet salanr. Termoelemanlar birbirine balayan iletken
malzeme olarak bakr veya alminyum gibi sl iletkenlii yksek malzemeler
kullanlmaktadr [4].
DC Kaynak, We
N N P P
Bakr letkenMalzeme
Scak Seramik Levha, Th
Souk Seramik Levha, Tc
Qh
Is Braklan Ortam
Is ekilen Ortam
Qc
Akm
-
4. Termoelektrik Soutucularn avantaj ve dezavantajlar
Termoelektrik soutucularn dier soutma sistemlerine gre stnlkleri yle
sralanabilir :
Hareketli herhangi bir paras yoktur. Dolaysyla az bakma ihtiya vardr.
Uzun mrldrler. mr testlerinde srekli rejimde 100 000 saat alabildikleri
grlmtr.
Termoelektrik soutucu, CFCler gibi herhangi bir soutucu akkan iermez.
Dolaysyla evre ve doa dostudurlar.
Termoelektrik soutucu, s pompas olarak tam tersinirdir. Isnn yn DC akmn
yn deitirilerek kolayca deitirilebilir.
0.1 oC scaklk aralnda ok hassas scaklk kontrol salanabilir.
Termoelektrik Soutucular, pozisyona baml cihazlar deillerdir. Dikey veya
yatay her konumda alabilirler. Yerekimsiz ortamlarda da alr.
ok hassas, sk ve kk ortamlarda alabilirler.
Termoelektrik soutucular eitli dezavantajlara sahiptirler. Bunlar;
Soutma ve stma performans katsaylar (COP) ok dktr. 0.3-0.7 arasndadr.
Oysa klasik soutma makinalarnda bu deer 2-4 arasndadr. Buhar sktrmal,
absorpsiyonlu ve termoelektrikli farkl mini buzdolab iin yaplan
karlatrmal almada [5], buhar sktrmal tipte olann maliyet ve iletme
asndan daha uygun olduu fakat dierlerine gre daha grltl olduu tespit
edilmitir. Termoelektrikli mini buzdolabnn COPsinin absorpsiyonlu mini
buzdolabna gre daha yksek olduu belirlenmitir.
Yksek soutma ykleri iin uygun deildirler. Buhar sktrmal soutma
sistemleri ile rekabet etmeli mmkn grlmemektedir.
u an iin pahaldrlar.
DC besleme gerektirir.
5. Termoelektrik Soutucularn kullanm alanlar
Termoelektrik soutucular yukarda belirtilen avantajlarndan dolay, tibbi cihazlardan
gnlk hayatta kullandmz bir ok cihaza kadar birok uygulamada yer bulmutur. izelge
-
1de termoelektrik soutma rnlerinin kullanm alanlar ve uygulamalar verilmitir [1,
17,18].
izelge 1. Termoelektrik soutmann kullanm alanlar ve uygulamalar
Askeri/Uzay aratrmalar Elektronik soutma, soutulan elbise, tanabilir soutucu,
kzltesi sensrlerin soutulmas, lazer diyotlarn
soutulmas, telsiz istasyonlar iin kabin soutma, uzay
teleskoplarnda.
Bireysel Dinlenme tat soutucular, mobil ev soutucular, araba
soutucular, tanabilir piknik soutucular, bira, arap veya
su soutucular, iecek kutular soutucusu, motorsiklet
kasketi soutucusu, tanabilir insulin soutucusu.
Laboratuar ve bilimsel
cihazlar
Kzltesi sensrlerin soutulmas, lazer diyod soutucular,
CCD soutucusu, entegre devrelerin soutulmas, vidicon
tp soutucusu, laboratuar souk plaka, kartrc soutucu,
souk oda, donma noktas refereans banyosu, mikrotome
soutmas, elektroforesis hcre soutucusu.
Endstriyel scaklk kontrol NEMA (ABD elektrik cihazlar reticileri birlii) ortamlar,
kritik elemanlar sert evre artlarndan korunmas, PC
mikroilemcileri, mikroilemcilerin ve bilgisayarlarn
numerik kontrollerinde ve robotiklerde, yazc ve
fotokopilerde mrekkep scaklnnn dengelenmesi, CCD
kamerelarda.
Resturant cihazlar Krema datcs, rplm krema datcs, tereya datcs
eitli amalar la soutucular (tanabilir veya sabit), otel odalar
soutucular, otomobil mini soutucular, otomobil koltuk
soutucular, uak ime suyu soutucular, yolcu otobs
soutucular, gemi soutucular, karavan soutucular,
kamyon soutucusu, DNA dnglerinde, tibbi tehis cihazlar,
mesaj veya tedavi amal scak/souk yataklarda.
ekil 2 ve 7 arasnda eitli uygulamalarda piyasada ticari olarak bulunan
termoelektrik soutma sistemleri gsterilmitir [17-19].
-
ekil 2. Piknik amal bir piknik soutucu ekil 3. Mini bir buzdolab
ekil 4. Lazer ve medikal uygulamalar iin
sv soutucu
ekil 5. Arabalar iin mobil termolektrik
soutucu
ekil 6. Bir CPU soutulmas iin ekil 7. Vitrin tipi iecek soutucusu
-
tasarlanm termoelektrik soutucu
6. Termoelektrik modllerin seim ve tasarmnda sl ve elektriksel parametreler
Bir soutucunun tasarm ve seimi, genellikle retici firma tarafndan salanan
termoelektrik modln performans erilerine gre yaplmaktadr. Tasarm, termoelektrik
soutmann scak ve souk yzeyleri arasndaki scaklk fark (T) ve istenen soutma
kapasitesi ile balar. Belirlenen soutma kapasitesine gre T-Akm erisinden modln
akm iddeti belirlenir. Daha sonra Voltaj (V) -Akm (I) erisinde sfr soutma yk ve sfr
scaklk farknda gerekli voltaj farknn st ve alt limitleri belirlenir. Daha sonra s
kaynann sl direnci deerlendirilir [10].
Termoelektrik modllerde, akmn ynne bal olarak stma ve soutma
gerekletirilir. Dolaysyla stma ve soutma amalarnn ikisinin de istendii
uygulamalarda, tasarm soutma moduna gre yaplmalardr [6].
Termoelektrik modllerde snn ekildii ve snn atld ortam son derece
nemlidir. Is aktarm trleri olarak modller tasarm ve konstrksiyon olarak farkllk
gsterebilirler. Termoelektrik modllerde, havadan havaya, sudan havaya, havadan suya,
sudan suya ve souk plaka uygulamalar mevcuttur. ekil 8de s kaynann soutma
trlerine gre eitli modller gsterilmitir [7]. ekil 9da sudan havaya bir soutucu
modl ve ekil 10 da ise souk plakal termoelektrik soutucu modl gsterilmitir [17].
a b
c
-
ekil 8. Genel s kayna trleri; a) Serbest tanml hava soutmal s kayna, b)
Zorlanm tanml hava soutmal s kayna, c) Zorlanm tanml sv soutmal s
kayna
ekil 9. Sudan havaya bir termoelektrik
soutucu
ekil 10. Souk plakal termoelektrik
soutucu
Bir termoelektrik modln scak yzeyinden bulunduu ortama s verilir. Bu yzey
s kaynana baldr. Is kayna olarak su veya hava olabilir. Is kayna doal veya
zorlanm tanmla hava ile soutulduunda (ekil 8a ve 8b), scak yzeyin scakl (Th) ve
scak yzeyden atlan s, Qh aadaki denklemden bulunabilir [4];
hoh QUTT .+= (2)
ech WQQ += (3)
Burada, To snn aktarld ortam scakl (oC), U s deitirgecinin toplam sl
direnci (oC /Watt) ve Qc, termoelektrik modln souk yzeyinin ektii s (W) ve We (W)
termoelektrik modln ektii elektrik gc olup, I (Amper) ve V (Volt) baldr.
IVWe .= (4)
Is deitirgecinin sl direnci bilinmediinde scak yzeyin scakl, hava soutmal
doal tanmda ortam scaklna 20-40 oC, hava soutmal zorlanm tanmda ortam
scaklna 10-15 oC ve su soutmal da ise 2-5 oC ortam scaklna eklenerek bulunur.
rnein 20 oC bir ortamda serbest tanml hava soutmann yapld bir termoelektrik
modln scak yzeyinin scakl yaklak olarak 20+35=55 oC alnabilir.
Termoelektrik soutucunun souk yzeyinin scakl (Tc), eer yzey dorudan
soutulacak cisim veya ortam ile temasta ise cismin scakl veya ortamn scakl alnabilir.
Eer bir s deitirgeci arada varsa, sl direnlerin gz nne alnmas gerekir.
-
Bir termoelektrik soutucunun iki yzeyi arasndaki scaklk fark ( ch TTT = ), son
derece nemli bir parametre olup, sistem seiminde diyagramlarda temel eksenlerden birini
oluturur. Eer T
-
olduunda) farkdr [4]. Tipik bir termoelektrik modller iin tipik diyagramlar ekil 13 ve
ekil 14te gsterilmitir [17].
ekil 13. Th=25 oC iin T-V performans diyagram
ekil 14. Th=25 oC iin T-Qc performans diyagram
Sonu
Termoelektrik cihazlar g retimi ve soutma uygulamalarnda kullanlmaktadr.
Termoelektrik soutma uygulamalarna olan ilgi son zamanlarda artmtr. Termoelektrik
soutucular askeri ve uzay almalarnda, hassas lm aletlerinde, tbbi, endstriyel ve ticari
cihazlarda artk yaygn olarak kullanlmaktadrlar. Byk soutma ykleri iin
kullanlamamalar, dk COP deerleri ve greceli yksek maliyetleri temel dezavantajlar
olarak durmaktadr. Ancak, yakn gelecekte, evsel uygulamalar iin s pompas ve
T (oC)
T (oC)
-
iklimlendirme amal termoelektrik soutma sistemlerinin pazarda rekabete girecei tahmin
edilmektedir.
Termoelektrik sistemlerde kullanlana malzemeler verim zerinde etkisi olduundan
yariletken malzemelerindeki gelimeler bu tr cihazlarn daha verimli olmalarn salayaca
ve maliyetleri drecei dnlmektedir. Ayrca PV panellerden elde edilecek DC g ile
termoelektrik soutmann gerekletirmesi zerine de almalar planlanmaktadr. Bylelikle
termoelektrik cihazlar tamamen evre dostu ve iletme maliyeti dk sistemler olarak
karmza kabileceklerdir.
Termoelektrik soutma sistemleri yap ve kullanm amac olarak farkl tipleri
mevcuttur. Dolaysyla termoelektrik cihazlarn tasarm ve seiminde sl ve elektriksel
parametrelerin tm gz nne alnmaldr.
Kaynaklar
1. Riffat, S.B., Ma, X. 2003. Thermoelectrics: a review of present and potential applications.
Applied Thermal Engineering, 23:913935.
2. Chung, M., Miskovsky, N.M., Cutler, P.H., Kumar, N., Patel, V. 2003. Theoretical
analysis of a field emission enhanced semiconductor thermoelectric cooler. Solid-State
Electronics, 47:7451751.
3. Kl, M., Yiit, A. Is Transferi, 2. Bask, Alfa Basm yaym Datm Ltd. ti., stanbul,
2004.
4. Godfrey, S. 1996. An introduction to thermoelectric coolers. ElectronicsCooling, 2(3).
http://www.electronics-cooling.com
5. Bansal, P. K., Martin, A. 2000. Comparative study of vapour compression, thermoelectric
and absorption refrigerators. International Journal of Energy Research, 24: 93-107.
6. Godfrey, S. 1996. An introduction to thermoelectric coolers. ElectronicsCooling, 2(3).
7. Riffat, S.B., Ma, X. 2004. Improving the coefficient of performance of thermoelectric
cooling systems: a review. International Journal of Energy Research, 28:753768.
8. Chein, R., Huang, G. 2004. Thermoelectric cooler application in electronic cooling.
Applied Thermal Engineering, 24:22072217.
9. Yang, R., Chen, G., Kumar, A. R., Snyder, G. J., Fleurial, J. P. 2005. Transient cooling of
thermoelectric coolers and its applications for microdevices. Energy Conversion and
Management, 46:14071421.
10. Huang, B.J., Chin C. J., Duang, C.L. 2000. A design method of thermoelectric cooler.
International Journal of Refrigeration, 23:208-218.
-
11. Xuan, X.C. 2003. Investigation of thermal contact effect on thermoelectric coolers.
Energy Conversion and Management, 44:399410.
12. Xuan, X.C., Ng, K.C., Yap, C., Chua, H.T. 2002. The maximum temperature difference
and polar characteristic of two-stage thermoelectric coolers. Cryogenics, 42:273278.
13. Riffat, S.B., Ma, X. 2004. Optimum selection (design) of thermoelectric modules for large
capacity heat pump applications. International Journal of Energy Research, 28:1231
1242.
14. Xuan, X.C., Ng, K.C., Yap, C., Chua, H.T. 2002. Optimization of two-stage
thermoelectric coolers with two design configurations. Energy Conversion and
Management, 43:20412052.
15. Chen, K., Lin, G. T. 2002. Optimization of multiple-module thermoelectric coolers using
artificial-intelligence techniques. Internatonal Journal of Energy Research, 26:1269
1283.
16. engel, Y. A., Boles, M. A. Mhendislik Yaklamyla Termodinamik. eviren:Taner
Derbentli, McGraw Hill-Literatr Yaynclk, stanbul, 1996.
17. http://www.melcor.com/
18. http://www.marlow.com
19. http://www.fujitaka.com/pub/peltier/english/peltier_products.html