بخشی از مقاله
چکیده
امروزه استفاده از ماژولهای ترموالکتریک به منظور ایجاد سرمایش و یا گرمایش برای استفادههای مختلف در حال رشد میباشد. از این رو تاکنون تحقیقات متعددی به منظور بررسی عملکرد بهینه ماژول های ترموالکتریک صورت پذیرفته است. در این مقاله هدف بررسی اثر نحوه جریان هوای روی فینها و شیوه قرارگیری ماژولهای ترموالکتریک نسبت به هم بر عملکرد آنها میباشد. در این تحقیق 4 ماژول ترموالکتریک در 3 چیدمان مختلف در نظر گرفته شده است. در چیدمان اول ماژولها به صورت موازی نسبت به یکدیگر قرار گرفتهاند. در حالیکه در چیدمانهای دوم و سوم ماژولها به صورت سری نسبت به هم قرار گرفته اند. در چیدمان دوم جهت عبور هوا در هر دو کانال سرد و گرم هم جهت میباشند ولی در چیدمان سوم جهت عبور هوا در کانال گرم مخالف جت عبور هوا در کانال سرد میباشد. مقاومت حرارتی مبدلهای حرارتی، گرمای شارش یافته و ضریب عملکرد مجموعه و همچنین شرایط عملکردی هریک از ماژولها در چیدمانهای مختلف به ازای شرایط محیطی و جریان اعمالی یکسان با یکدیگر مقایسه شدهاند. با توجه به کاهش مقاومت مبدلهای حرارتی در چیدمانهای دوم و سوم نسبت به چیدمان اول، ضریب عملکرد هر یک از ماژولها و همچنین کل مجموعه در این دو چیدمان افزایش مییابد. از طرفی بررسی نتایج نشان میدهد که با وجود آنکه عملکرد هر ماژول در چیدمان دوم و سوم با هم متفاوت میباشد ولی عملکرد کلی مجموعه در هر دو چیدمان تقریبا با هم برابر است.
واژگان کلیدی: چیدمان، ترموالکتریک، مبدل حرارتی، یخچال، پمپ حرارتی، ضریب عملکرد، فین
-1 مقدمه
بهره گیری از ترموالکتریکها یکی از روشهای ایجاد سرمایش/گرمایش میباشد. اولین استفاده از تکنولوژی ترموالکتریک به جنگ جهانی دوم زمانی که اتحاد جماهیر شوروی از ترموالکتریک ژنراتورها با تولیدی در حدود 2 تا 4 وات برای روشن کردن یک رادیو همراه توسط گرمای ایجاد شده از آتش بهره بردند مربوط می شود. در دهههای 50 و 60 میلادی تلاشهای زیادی به منظور توسعه ترموالکتریک ها صورت پذیرفت. عمده این تلاش ها در کشورهایی نظیر اتحاد جماهیر شوروی سابق، امریکا و تا حدودی در اروپا و ژاپن بوده است. در حدود سال 1965 میلادی مطالعه و بررسی ترموالکتریک ها رشد چشمگیری داشت و همچنین استفاده از آنها برای استفاده هایی نظیر یخچال های موجود در فضاپیماها و تولید برق در استفاده های فضایی بسیار رایج شد .[1] امروزه با توجه به کاربردهای گوناگون، ماژولهای مختلفی در ظرفیتها، اندازهها و شکلهای مختلفی ساخته میشوند.
به طور ساده ترموالکتریک ها از دو ماده نیمه رسانا تشکیل شده اند. مواد نیمه رسانا موادی هستند که در ساختار خود یک الکترون اضافه و یا کم دارند. نیمه رساناهایی که یک الکترون اضافه دارند را تحت عنوان نیمه رسانای نوع منفی و یا نوع و نیمه رساناهایی که در ساختار خود یک الکترون کم دارند را تحت عنوان نیمه رسانای نوع مثبت و یا نوع مینامند. در یک جفت ترموالکتریک دو نیمه رسانا یکی از نوع مثبت و دیگری از نوع منفی از یک سر به یکدیگر متصل شدهاند و از سر دیگر آزاد هستند. شکل - -1الف - نشان دهنده یک جفت ترموالکتریک هست. بنابر اثر سی بک اگر نیمه رساناها در یک طرف گرم و در طرف دیگر سرد شوند، جریان الکتریکی در دو انتهای آزاد نیمه رساناها ایجاد میشود. این اثر تحت عنوان اثر مولد ترموالکتریک شناخته می شود. در روندی معکوس براساس قانون پلتیر، در صورتی که به دو سر آزاد نیمه رساناها جریانی اعمال شود، این انرژی به صورت کاهش دما در یک سطح و افزایش دما در سطح دیگر دیده می شود. در جفت های ترموالکتریک با تعویض جهت جریان الکتریکی اعمالی، محل سطح گرم و سرد هم عوض میشود .[2] به منظور افزایش اثر ترموالکتریک می توان چند جفت ترموالکتریک را به طور سری نسبت به هم قرار داد. شکل - -1ب - . ماژولهای ترموالکتریک در حقیقت از پشت سرهم قرار گرفتن تعدادی جفت ترموالکتریک ساخته می شوند. شماتیکی از یک ماژول ترموالکتریک در شکل - -1ج - نشان داده شده است.
شکل -1 شماتیکی از - الف - جفت ترموالکتریک - - ب - دو جفت ترموالکتریک به صورت سری - - ج - ماژول ترموالکتریک
از مزایای ماژول های ترموالکتریک می توان نداشتن قطعات متحرک و پیچیده، نداشتن سیال کاری، سبک و قابل حمل بودن، هزینههای تعمیر و نگه داری ناچیز، قابلیت اطمینان بالا نسبت به سایر مجموعهها را نام برد. دیگر ویژگی ماژولهای ترموالکتریک بهره گیری از جریان الکتریکی مسقیم می باشد که همین ویژگی سبب می شود بتوان ماژول های ترموالکتریک را به سادگی و بدون نیاز به مبدل جریان الکتریکی مسقیم به متناوب، با صفحات فتوولتائیک و یا پیل های سوختی ترکیب کرد. در کنار مزیتهای ذکر شده هزینه اولیه نسبتا بالا، بازده پایین، عدم امکان استفاده در ظرفیتهای بالا و همچنین مجاورت منبع گرم و سرد از عمده معایب ماژولهای ترموالکتریک میباشد .[3]
تا کنون تحقیقات متنوعی در رابطه با عملکرد ترموالکتریکها و بهینه سازی آن صورت گرفته است. به مقایسه عملکرد یخچال ترموالکتریک در حالت تک و یا دو مرحلهای پرداختهاند. در این تحقیق سه پارامتر ضریب عملکرد یخچالی، میزان گرمای شارش یافته از طرف سرد ماژول و توان الکتریکی ورودی دو حالت فوق با یکدیگر مقایسه شدهاند.
به مقایسه عملکرد دو حالت مختلف قرارگیری یخچال ترموالکتریک دو مرحله ای پرداخته اند. در حالت اول تعداد ماژولهای ترموالکتریک در مرحله اول و دوم با هم برابر هستند ولی در حالت دوم تعداد ماژولهای قرار گرفته در هر مرحله متفاوت است. در این پژوهش به بررسی تفاوت های میان این دو حالت پرداخته شده است و در هر حالت مجموعه به منظور عملکرد در نقطه حداکثر ضریب عملکرد و حداکثر گرمای شارش یافته بهینه شده است. به بررسی عددی و تجربی امکان گرمایش و یا سرمایش هوا توسط ترموالکتریک ها پرداختند. در این بررسی جمعا از 4 ماژول از نوع CP2-12706L استفاده شده است و طرف گرم ماژول ها توسط جریان آب خنک می شود. آن ها اشاره کردهاند که یکی از مشکلات اصلی در قسمت عملی کار بالا بودن مقاومت مبدلهای حرارتی و همچنین مقاومت تماسی در سمت عبور جریان هوا هست.
به بررسی و بهینه سازی یک یخچال ترموالکتریک پرداخته است. در این پژوهش سعی شده است تا با انتخاب مناسب ترین دمای سطح سرد، مجموعه برای بهینه ترین ظرفیت خنک کاری طراحی شود. همچنین در این پژوهش اثرات مبدل های حرارتی با مقاومت های حرارتی مختلف بر عملکرد مجموعه بررسی شده است. نتایج کار تحلیلی توسط روش آزمایشگاهی و برای چندین نوع ماژول مختلف اعتبارسنجی شده است. با روش آنالیز ابعادی به بررسی طراحی بهینه یک مجموعه ترموالکتریک با دو مبدل حرارتی هوا خنک پرداخته است. یک مجموعه ی دو مرحله ای شامل 50 ماژول ترموالکتریک را بررسی کردند. در این مجموعه 30 ماژول در پله اول و 20 ماژول مابقی در پله دوم قرار دارند. در این تحقیق بازده قانون دوم ترمودینامیک - قانون اگزرژی - و همچنین هزینه های تولید سرمایش ترموالکتریک محاسبه شده است. به بررسی آزمایشگاهی امکان خنک کردن هوا توسط ماژول های ترموالکتریک پرداخته اند.به بررسی تجربی و تحلیلی خنک کاری هوای ورودی به یک اتاق توسط 24 عدد ماژول ترموالکتریک پرداخته اند. آن ها به بررسی ضریب عملکرد مجموعه و همچنین دمای هوای خنک شده خروجی به ازای جریان های الکتریکی ورودی مختلف پرداخته اند و در نهایت عملکرد مجموعه را با سایر روشهای ایجاد سرمایش مقایسه کرده اند. به بررسی سرمایش/گرمایش هوای عبوری از روی ماژول های ترموالکتریک پرداخته است. در این تحقیق هریک از کانالها در نرمافزار ANSYS FLUENT شبیه سازی شدهاند.
تقریبا در همهی پژوهشهای عنوان شده تلاش بر این بوده است تا عملکرد ماژولهای ترموالکتریک و مبدلهای حرارتی بهینه سازی شود. در این پژوهش ها پارامترهایی نظیر نوع و تعداد ماژولها، اثر ماژول های چند پلهای، جریان الکتریکی اعمالی و مقاومت حرارتی مبدل حرارتی بررسی شدهاند. در این مقاله هدف بررسی تاثیر نحوه قرارگیری ماژولهای ترموالکتریک نسبت به هم و چیدمانهای مختلف میباشد.
