Termoelektrik soğutucuların performansına doğrudan temaslı ısı değiştiricilerin etkilerinin deneysel incelenmesi
Experimental examination of direct contact heat exchangers effects on the thermoelectric coolers
Yazar: MURAT FERHAT DOĞDU
Danışman: PROF. DR. HACI OSMAN ALTUĞ ŞİŞMAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Termoelektrik modüller yarıiletken malzemelerden oluşup, elektrik kullanarak ısıtma veya soğutma yapabilirler. Bunun tersi olarak da, sıcaklık farkını kullanarak elektrik üretebilirler. Her modülde n ve p tipi yarıiletkenler kullanılır. Bir termoelektrik modülde herbir n ve p bir çift oluşturacak şekilde dizilirler ve herbir çifte termokupl denir. Termoelektrik modüller elektriksel olarak seri, termal olaraksa paralel bağlıdırlar. 
Termoelektrik modüller çalışma prensiplerine göre termoelektrik jeneratör ve termoelektrik soğutucu olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Termoelektrik jeneratörler sıcaklık farkından yararlanarak elektrik üretirler, ancak verimleri çok düşüktür. Termoelektrik soğutucu modüller ise ısıyı bir yüzeylerinden emip, diğer yüzeylerine taşırlar, yani pompalarlar. Bu yüzden ısı pompası olarakta adlandırılırlar. Termoelektrik modüle, elektriksel potansiyel uygulanırsa, modülün bir tarafından ısı emilirken diğer tarafından ısı atımı gerçekleşir.
Termoelektrik soğutucular, ömürlerinin uzun olması, hareketli parçalarının olmaması, buna bağlı olarak aşınma olmaması dolayısıyla bakım gerektirmemeleri ve hızlı cevap vermesi gibi önemli avantajlara sahiptirler. Küçük olmaları ve konvansiyonel sistemlerin kullanılamadıkları yerlerde çalışabilmelerinden dolayı soğutma alanında önemli bir yere sahip olmuşlardır. Fakat enerji verimliliği açısından incelendiğinde konvansiyonel soğutuculara göre geride kalmış olup, enerji verimliliği açısından gelişimine devam etmektedir.
Termoelektrik soğutucular yeni bir teknoloji değildirler ve konvansiyonel sistemlerin soğutma yapamadığı hemen heryerde kullanılmaktadırlar. Günümüzde, askeri ve uzay araştırmalarından, tıbbi cihazların soğutulmasına, küçük elektronik bileşenlerin soğutulmasından, ev aletlerine kadar kendine birçok kullanım alanı bulmuştur.
Termoelektrik soğutucu sistemler, modül, elektriksel ve termal yalıtkanlar, ısı kuyuları, bağlantı elamanları gibi birçok elamanın birleşmesiyle oluşur ve tüm bu kullanılan malzemeler soğutma sisteminin, sıcaklık, basınç, termal dirençler gibi sebeplerle verimini sınırlamaktadır. Bu noktada termoelektriklerin temel problemleri ortaya çıkmaktadır.
Tasarlanacak bir TEC sisteminde kullanılacak Peltier modülünün sayısı; soğutulacak hacmin ısıl yüküne ve her bir Peltier modülünden  elde edilebilecek maksimum soğutma gücüne göre seçilmelidir. Bir modülün maksimum soğutma gücü ise modülün katalog (etiket) değeri olmayıp, atılan ısının uzaklaştırılma etkinliğine şiddetle bağlıdır. Bu nedenle bir Peltier modülün üzerinde yazan maksimum soğutma gücünün çok altında değerlerle pratikte karşılaşılabilmektedir. Bu yüzdendir ki termoelektrik soğutucuların en temel problemlerinden biri yüksek yoğunlukta atılan ısının etkin bir şekilde uzaklaştırılması problemidir. Bu durum bu tez çalışmasının da konusunu oluşturan atılan ısının etkin uzaklaştırılması yöntemini çok önemli bir noktaya taşımaktadır. Isının etkin uzaklaştırılması, sistemde kullanılacak ve en büyük maliyeti oluşturan Peliter modül sayısını da azaltmaktadır. 
 Isının termoelektrik modülün sıcak yüzeyinden uzaklaştırılması için kanatçıklı yüzeyler ve fanlar kullanılmaktadır. Isı, termoelektrik modülün yüzey alanı çok küçük olduğundan pompalandığı taraf olan sıcak yüzeyde birikir ve yüzey belli bir ısıl doygunluğa ulaştığında, Fourier ters ısı transferi ile termoelektrik modülün soğuk yüzeyine ısı kaçmaya başlar ve modülün soğuk tarafında sıcaklık artar. Bunun yanı sıra ohmik kayıplar sebebiyle modül üzerinden akan akımın bir kısmı atık ısı olarak termoelektrik modülün soğuk yüzeyine geçer. Bu sebeplerden dolayı termoelektrik modül belli akım değerlerinin üzerine çıkamaz.
Bu problemin üstesinden gelebilmek için çeşitli denemeler yapılmış ve sıvı soğutmalı sistemler geliştirilmiştir. Sıvı soğutmalı sistemlerde, termoelektrik modülün pompaladığı ısı, bir ısı değiştirici yardımıyla, soğutucu akışkana veriliyor ve böylece modülün performansı artırılmaya çalışılıyordu. Ancak temas noktalarındaki termal dirençler sebebiyle, istenilen değerlere bir türlü ulaşılamamış, sıvı soğutmalı sistemlerde yalnızca kısmı bir çözüm olabilmişlerdir.
Genel olarak sıvı soğutmalı ısı değiştiriciler arasında en etkin olanları yeni nesil doğrudan temaslı ısı değiştiricilerdir. Bu tez kapsamında termoelektrik modüllerin tersinmez etkilerinin soğutma performansını etkilememesi için iki farklı dizaynda doğrudan temaslı sıvı soğutmalı ısı değiştirici geliştirildi. 
Yapılan dizaynlardan biri kütlesel soğutmalı ısı değiştirici, diğeri ise ince film soğutmalı ısı değiştiricidir. Yapılan dizaynda modülün sıcak yüzeyine geliştirilen ısı değiştiriciler, soğuk yüzeye ise pin-finler montaj edilerek, TE modülün performansı incelenmiştir.
Yapılan deneyler 4 farklı durumun yanı sıra termoelektrik modülün yüzey sıcaklıklarının belirlenmesi deneyi olarak gerçekleşmiştir. İncelenen durumlardaki, oda sıcaklarında 60lt?lik belirli bir hacmin ısıl yük uygulanmadan soğutulması durumu, ikincisi aynı hacmin 25W ısıl yük altında soğutulması, üçüncüsü 35 ?C sıcaklığında, termal laboratuarda oluşturulmuş şartlarda 60lt?lik hacmin soğutulması ve son olarakta yine 35 ?C sıcaklığında 60lt?lik hacmin 25W ısıl yük altında soğutulması olarak gerçekleştirilmiştir. Bunun yanı sıra kümülatif yöntemle deneyler tekrarlanmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Yapılan deneylerde, dizayn edilen soğutucu modülün sıcaklıkları, soğutma güçleriyle ve COP değerleri belirlenmiştir. Her modelde, akım-sıcaklık, akım-soğutma gücü, akım-COP ve soğutma gücü-COP ilişkisi incelenmiştir. İncelemelerin sonucuna göre, yeni dizayn edilen ısı değiştiriciler termoelektrik modülün performansını, daha önce kullanılan ısı uzaklaştırma yöntemlerine göre artırmıştır. Hem soğutma yükünde artış, hemde soğuk yüzey (pin fin dip sıcaklıkları) sıcaklıklarında düşme meydana gelmiştir. Buna bağlı olarak COP artmıştır. Bunun en temel sebeplerinden birisinin kontakt dirençlerinin doğrudan temaslı sıvı soğutmalı ısı değiştirici sayesinde minimize edilmesidir. Böylelikle termoelektrik modülün pompaladığı ısı doğrudan soğutucu akışkana geçerek, termoelektrik modülün yüzeyinde ters yönde ısı kaçakları olması engellenmiştir. Bu tez çalışması çerçevesinde tasarlanan ve deneysel olarak TEC modüllerin performansı üzerindeki sonuçları ölçülen ısı değiştiriciler aynı zamanda modülün akımla soğutma gücünün değişimini de etkilemektedir. Bu şekilde, ısı uzaklaştırma etkinliğinin iyileştirilmesiyle COP değerleri ve soğutma güçleri de iyi yönde etkilenmektedir. Bu sebeple, dizayn edilecek bir termoelektrik soğutucunun daha efektif bir soğutma yapabilmesine ve termoelektrik soğutucuların yaygınlaşmasına katkı sağlanmıştır.

Abstract:
Thermoelectric modules consist of semi-conductors and can produce heating or cooling effects by using electricity. Conversely, using the temperature gradient, they can produce electricity. In each module, n and p type semi-conductors are used and every n and p are arranged as couples which are named as thermocouples in a thermoelectric module. These couples are connected electrically in series and thermally in parallel in the array of module.
Thermoelectric modules can be divided in two groups, which are thermoelectric generators and thermoelectric coolers, according to their working principles. Thermoelectric generators use temperature gradient to produce electricity, however, their efficiency is typically as low as 4-7%.On the other hand, thermoelectric cooler modules, which transfer heat from one side of the device to the other side, is also called as thermoelectric heat pumps. If electric current is applied to thermoelectric module, according to the way of current, one side of the thermoelectric cooler becomes cold and the other becomes hot, that is, heat is absorbed from the cold side and dissipated from the hot side.
Thermoelectric cooling modules have many advantages; such as long lifetime, no moving parts, in other words no wear, so they are maintenance free, works acoustically silent, highly precise temperature control. As a result of smallness and lightweightness, they can be used in every cooling case where conventional cooling system are not applicable. However, when it is examined by means of energy efficiency, conventional systems have higher efficiency and development of termoelectrics continue for energy efficiency.
Thermoelectric are not a new technology and can be implement to any cooling application. Today, thermoelectrics are using in many different field such as military and space research, to cool medical devices and small electronic components.
Thermoelectric systems are comprised by modules, electrical and thermal insulators, heat sinks, connectors and interface thermal transfer materials. Each of these items puts limits on efficiency of the cooling systems because of temperature, pressure, structural stress and thermal resistance. At this point, basic problems of thermoelectric coolers show up.
One of the basic problems of thermoelectric modules is to remove the high dense rejected heat from the hot side of the module. To remove heat from the module surface, fin and fan system are used. However, surface of thermoelectric module is small so, heat accumulate the hot side of thermoelectric and fin which is using to cool hot side of thermoelectric, starts to saturate. When it saturated, in the reverse direction Fourier heat transfer starts and cold surface temperature of thermoelectric module starts to increase. Besides this, because of ohmic loses, a portion of electrical energy is converted to waste heat and about the half of it passes to the cold surface. Therefore, thermoelectric module efficiency and cooling power decreases and current values, which are applied to thermoelectric module, cannot reach high values. 
To overcome this problem, various tests are done and liquid cooling systems are developed. In liquid cooling systems, the heat transferred by thermoelectric module is passed to the cooling fluid with the help of heat exchanger. Thus, module performance is tried to increase. However, because of thermal resistance at the contact areas, preventing the Fourier effect was a limited application. So liquid cooling system has become a partial solution only.
Generally, among the liquid cooling heat exchanger, the most effective one is new generation direct fluid contact heat exchangers. In the scope of this thesis, to prevent the irreversible effects of thermoelectric modules on the cooling performance, two different direct contact fluid heat exchangers are developed and manufactured.
One of the manufactured designs is a direct fluid contact bulk flow heat exchanger and the other one is (direct fluid contact) thin film flow heat exchanger. In the constructed design, for the hot side of thermoelectric cooler a heat exchanger is used and for the cold side of thermoelectric cooler a pin-fin is used to improve the heat transfer area. According to this assembly, cooling system performance is tested.
In the experiments, four different cases are observed and besides cold side of the thermoelectric cooler module are determined with respect to current for both heat exchangers.
In the first case, a 60 liter volume without any heat load is cooled by applying different current to thermoelectric cooling module. 
In the second case, the same volume which is under 25 W thermal load is cooled at different current values. 
In the third case experiment has been done in the thermal room at 35°C ambient temperature without any thermal load. 
The last case was also in the thermal room at 35°C ambient temperature and under 25 W thermal load. In the experiments, for the cooling unit, cooled ambient temperatures, cooling power and COP values are determined.
Besides these, by using cumulative method, cooling power and COP values are checked for some specific current values.
 In every model, current- temperature, current-cooling power, current-COP values and cooling power- COP values relations are observed. From the results of experiments, new designed direct liquid contact heat exchangers increased the performance of thermoelectric module, compared to the old heat removal techniques such as fin and fan system and liquid base heat exchangers. New exchangers increased both cooling power and COP values. Besides cold side pin-fin temperatures are decreased as well.
One of the basic reasons of this is annihilated contact thermal resistants by help of direct fluid contact heat exchangers.
In this way, the pumped heat by thermoelectric module transferred directly to the cooling liquid and thus irreversible effects are prevented. When two direct contact fluid heat exchangers are compared, bulk flow heat exchanger has higher cooling power and COP values for the same current than film flow heat exchanger. Even the surface temperatures of the bulk flow heat exchanger are lower than thin film flow heat exchanger. 
As a result, to design effective TEC-systems and to extend usage are of thermoelectric cooling systems, new designed direct contact fluid flow heat exchangers are expected to be useful.