BAŞKENT ÜNİVERSİTESİMAKİNE

MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

MAK - 402 MAKİNEMÜHENDİSLİĞİLABORATUVARI

DENEY – 7

TERMOELEKTRİKMODÜLLERÜZERİNDE ISI GEÇİŞİNİNİNCELENMESİ VE TERMOELEKTRİKSEL ETKİNİN

DEĞERLENDİRİLMESİ

1 

 

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.

 Şekil 1.1 N tipi elemanlar 

P 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.

2 

 

Şekil 2.1 Peltier Modül 

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.

 Şekil 1.3 P‐N Çifti

2. TERMOELEKTRİK ETKİLER

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.

3 

 

    Soğuk yüzey 

Sıcak Yüzey 

P tipi eleman 

N tipi eleman Seramik 

İletken Malzeme(Bakır)

Şekil 2.2 Peltier Modül İç Yapısı

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= T2 – T1 Yarıiletken malzemelerin yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı (°C )

α: Seebeck katsayısı veya termo emk ( V / °C) dır .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Soğuk Yüzey

 

Şekil 2.3 Seebeck voltajının ölçümü

Sıcak Yüzey

4 

 

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.

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)

2ρ*J : eşitliği joule ısısıdır ve tersinir etki göstermez.

Peltier Modül 

Şekil 2.4 Peltier etkisi devresi

5 

 

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 yalıtımla 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, yalıtım altı, yalıtım 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.

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.

Şekil 4.1 Deney düzeneği

6 

 

3. Sıcak hava tabancasını çalıştırarak sıcaklığını 650 oC’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

7 

 

9. Bağlantı Pimleri

10. Altı köşeli somun

11. Altı köşeli cıvata

12. Altı köşeli somun

7. HESAPLAMALAR

Sistemden olan toplam ısı kaybı;

o

pq= m*C *∆T

mo

:Kütlesel debi

pC :Özgül Isı

T∆ :Sistem giriş-çıkış sıcaklık farkı

Yan ve alt yüzeylerde olan ısı kaybı;

yüzey ortamalt-yüzey

T -Tq =

ΣR 

yalıtım alüminyum

yalıtım yalıtım alüminyum alüminyum hava alüminyum

L L 1ΣR= + +k *A k *A h *A

 

yüzey ortamyan yüzey

T -Tq =

ΣR 

yalıtım alüminyum

yalıtım yalıtım alüminyum alüminyum hava alüminyum

L L 1ΣR= + +k *A k *A h *A

 

Alt yüzey için;

yalıtımL =0.04m, yalıtımk =1W/m-K

2yalıtımA =0.12*0.35=0.042m

-4alüminyumL =8*10 m, alüminyumk =200W/mK

   

2alüminyumA =0.14*0.35=0.049m

Yan yüzey için;

yalıtımL =0.01m, yalıtımk =1W/m-K

2yalıtımA =0.12*0.35=0.042m

-4alüminyumL =8*10 m, alüminyumk =200W/mK

   

8 

 

2alüminyumA =0.14*0.35=0.049m

hhava (doğal taşınım) hesabı için; 1β=K

3s Cgβ(T -T )LRa=να

∞  

Dikey Levha İçin LC=H

Yatay Levha İçin LC=Ayüzey/P(çevre)

Dikey Levha İçin Nu Sayısı ve LC Değeri;

1/4____

9/16 4/9

0.67*RaNu =0.68+[1+(0.492/Pr) ]

Yatay Levha İçin Nu Sayısı ve LC Değeri;

____1/4Nu =0.27*Ra

____

havaNu*kh =

L

Elde edilen elektriksel güç:

P=V*I

8. ÖLÇÜMLER

Thava Tsistem1 Tsistem2 Tmodül1 Tmodül2 Td(yüzey) Ty(yüzey) Tiçyüzey1 Tiçyüzey2

°C °C °C °C °C °C °C °C °C

V(Volt) Akım(A)

Hava tabancası kütlesel debisi: 500lt/dak

Peltier modül yüksekliği:3mm

9 

 

Peltier modül yüzey alanı: 16*10-4m2

kmodül=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…

10 

 

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: ……………………………...

11 

 

Hesaplamalar (Yaptığınız tüm hesaplamaları gösteriniz):

12 

 

Hesaplamalar (Yaptığınız tüm hesaplamaları gösteriniz):

13 

 

Sonuç ve Yorum: