Termoelektrik modüllerin fiziksel boyutlarının soğutma kapasitesi üzerine etkisinin sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi

Abstract

Bu tezde, termoelektrik soğutma sistemlerini oluşturan termoelementlerin fiziksel boyutlarının soğutma kapasitesi üzerine etkisi sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiştir. Çalışmada dört farklı termoelektrik soğutucu model üzerinde durulmuştur. Solidworks programında çizilen modeller Ansys Workbench benzeşim programına aktarılarak burada termolektrik analizleri yapılmıştır. Modelleri oluşturan termoelementlerin boyutları (x,y,z) sırasıyla (1cm,1cm,1cm), (1mm,1mm,1mm), (100µm, 100µm, 100µm) ve (1µm, 1µm, 1µm) dir. Analizler sonucunda, sıcak bölge ile soğuk bölge arasındaki sıcaklık farklarına ve uygulanan elektriksel akım değerlerine bağlı olarak, soğutma gücü (Qc), harcanan elektriksel güç (W) ve performans katsayıları hesaplatılmıştır. Her bir model 15 adet termoçiftten meydana gelmiştir ve dolayısıyla etki ettikleri yüzey alanları farklıdır. Modeller arasında sağlıklı kıyaslamalar yapabilmek için analizler sonunda elde edilen tüm sonuçlar, etki yüzeyi 1cm2 olacak şekilde normalize edilmiştir. Sonuç olarak, termoelement boyutları 1µm olan soğutucu modelinde diğerlerine kıyasla oldukça yüksek soğutma gücü gözlenirken, en düşük soğutma gücü ise boyutları 1cm olan modelde elde edilmiştir. Bu sonucun başlıca sebebi birim hacimdeki termoçift sayısıdır.

In this thesis, physical dimensions of thermoelements which create thermoelectric cooling systems, were investigated by using the finite element method. Four different thermoelectric cooling models were investigated in this work. The models, which were drawn in the Solidworks programme, were imported to the Ansys Workbench simulation programme and thermoelectric analysis was done here. Thermoelements? dimensions: (x,y,z) were choosen as: (1cm,1cm,1cm), (1mm,1mm,1mm), (100µm, 100µm, 100µm) and (1µm, 1µm, 1µm) respectively. As the outcomes of the analysis, cooling power (Qc), electrical power consumption (W) and coefficient of performance (COP) values were computed depending on the temperature difference between the hot and the cold sides, and the electrical current values. Each model was composed of fifteen thermocouples and therefore, they affected different surface areas. All of the results were normalized to 1cm2 surface area for a proper comparision between the models. In the end we conclude that, while the highest cooling power was observed in the model whose physical dimension was 1µm, the least cooling power was observed in the model whose physical dimension was 1cm. The main reason of this result is the number of thermocouples per volume.