FİNAL ÖDEVİ (son güncelleme : saat: 14.00)

FİNAL ÖDEVİ

(Final notuna 25 puana kadar ilave yapılacaktır. Final notu yüksek olursa proje veya ödev notuna 2 katı yansıtılır. Grup veya tek olarak yapabilirsiniz.)

TERMOELEKTRİK JENERATÖR MODÜLÜ

Termoelektrik Jeneratör: Sıcaklık farkından dolayı elektrik üreten sistemlere denir. Özellikle sistemlerdeki atık ısıyı geri kazanmak amacıyla kullanılır.

Termoelktrik Jeneratörler, alttaki şekilde görülen Modüllerin birleştirilmesi ile oluşur.

Termoelektrik modül Bir Modülün özellikleri

- n tipi ve p-tipi olarak isimlendirilen 2 dirsek,

- bunların birleştirildiği alt ve üstte 2 levhadan oluşur.

- Levhalardan birisi diğerine göre daha sıcak olduğunda, sistemin özelliği gereği elektrik üretimi gerçekleşir.

- Bu sıcaklık farkı genelde sistemdeki atık ısının değerlendirilmesi şeklinde düşünülür.

-Sıcaklık farkının büyük olması sistemin daha fazla elektrik üretmesini sağlar. Ancak sıcaklık farkı aynı zamanda gerilmelerin artmasına sebep olur ve mukavemet sınırları aşılabilir.

Bu sebeple yüksek sıcaklık farklarında çalışmayı engelleyici kriter mukavemet sınırlarıdır.

Ödev:

Aşağıdaki gibi bir termoelektrik jenaratörü modülü tasarlanacak. Bu modülde gerilmelerin düşük çıkması isteniyor. (tüm sistemde maksimum gerilmenin 80MPa ın altında çıkması iyi bir sonuçtur)

Kesitler kare veya dikdörtgendir.

h taşınım katsayıları:

- Üst Alümina levhanın üst yüzeyi için h= 50 W/m^2oC, akışkan sıcaklığı (ambient temperature 620 ^oC) - Alt alümina levhanın alt yüzeyi için h= 20 W/m^2oC, akışkan sıcaklığı (ambient temperature 20 ^oC) - Tüm iç yüzeyler için h= 10 W/m^2oC, akışkan sıcaklığı (ambient temperature 50 ^oC)

-Alümina levhaların yan yüzeylerine h girilmeyecek.

Malzeme Özellikleri:

E Υ Α K d cp Akma Gerilmesi

(GPa) (Poisson ratio) (1/ C) (W/m C) kg/m^3 J/kg C MPa

n tipi dirsek 110 0.363 11.5x10^-6 30 2500 420 150

p tipi dirsek 70 0.3 10.2x10^-6 2.5 3700 350 170

Gümüş 83 0.38 19.7x10^-6 419 10500 ²⁴⁵ 140

Alümina (Seramik) 390 0.26 8.2x10^-6 29.5 3800 ⁶⁰⁰ 350 (Kopma muk)

Yapılacaklar ve Dikkat edilecek hususlar:

1- Mevcut Durumun görülmesi (final notuna 5Puan)

Modellemeyi yaptıktan sonra mevcut durumu önce analiz ediniz. Önce steady-state thermal, onun üstüne static structural analiz yaparak gerilmeleri bulmalısınız. (Bu durumda d ve cp değerleri gerekmemektedir.)

Tahmini olarak maksimum sıcaklık 330 ^oC, maksimum gerilme 300-500 MPa arasında çıkabilir.

2- Malzeme alternatifleri ile İyileştirme (Final notuna 10 puan) -Amaç gerilmeleri mümkün olduğunca düşürmektir.

-Dikkat: gerilmelerin düşürülmesi için en önemli kriter, tüm malzemelerin ısıl genleşme katsayısıları ( )birbirlerine çok yakın seçilmesidir.

-Tüm malzemelerin  ısıl genleşme katsayısı ince levha metalinkine(gümüş veya bakıra) yaklaştırılacaktır.

-Gerilmeler üzerinde 2nci etkili özellik ise E young modülüdür. Malzemelerin E değerlerinin düşük ve yakın olması gerilmeleri düşürücü bir etkendir.

-P tipi alternatifi : Tubitak projesi kapsamında üretilmiş ve malzeme özellikleri deneysel tespit edilmiştir. Bu sebeple değiştirilemez. Alternatifi yoktur.Değerleri tablodan alınacaktır.

-n tipi alternatifi: Alternatifi aranmayacaktır. Mevcut durum için özellikleri üstteki tablodaki değerlerden alınız. İyileştirme yaparken ise alternatifi aranmayacak, sadece Alfa (CTE) değerini istediğiniz bir değer olarak kendiniz değiştirebilirsiniz. Yeterki gerilmeler düşük çıksın. Gerilmeleri düşük çıkarmak istiyorsanız CTE sini metal levhaya eşit veya yakın almanız daha doğru. Gerilmeleri düşük çıkarırsanız biz üretirken seçtiğiniz CTE değerini yakalayacak şekilde üretmeyi planlıyoruz.

- İletken metal (gümüş) alternatifi : Mevcut modelde gümüş kullanılmaktadır. Elektriksel iletkenliği (Electrical cunductivity) gümüşten yüksek veya başka bir ifade ile Elektriksel direnci (electrical resistivity) gümüşten düşük başka bir malzeme, gümüşün alternatifi olabilir. Ancak böyle bir malzeme bulmak pek kolay değildir. Tek alternatifi bakırdır. Bakırın resistivity değeri gümüşten çok az yüksek olması rağmen alternatif olarak alınabilir. Siz çok daha özel bir süper iletken filan bulursanız o da olabilir.

-Alt ve üst levha Alternatifleri: Mevcut modelde Alümina kullanılmaktadır. Termal iletkenliği daha yüksek (alümina ya yakın veya yüksek), elektriksel yalıtkan, CTE)değeri kullanılan iletken metale (gümüş veya bakıra) yakın seçilmelidir. Gümüş kullanılacaksa gümüşe, bakır kullanılacak ise bakıra yakın seçilmelidir.

Buna göre,

İnceleme alternatifleri:

2.1 -Gümüş yerine bakır alınız. Diğer malzemelerin CTE değerlerini bakır civarında toplayınız. Şöyleki:

-Alümina alternatifi olarak CTE si bakıra yakın başka bir seramik bulunuz. Bu seramiğin E si düşük olması gerilmeleri ayrıca düşürür. Ancak termal iletkenliği alüminaya eşit veya yüksek olmalıdır.

-N tipi malzemenin de alfasını bakıra yakın alınız.

-p tipini yukarıdaki tablodan alınız.

2.2 Gümüşü aynen alınız. Diğer malzemelerin CTE değerlerini gümüşünkü civarında toplayınız. Şöyleki:

-Alümina alternatifi olarak CTE si gümüşe yakın başka bir seramik bulunuz. Bu seramiğin E si düşük olması gerilmeleri ayrıca düşürür. Ancak termal iletkenliği alüminaya eşit veya yüksek olmalıdır

-N tipi malzemenin de alfasını gümüşe eşit veya yakın alınız.

-p tipini yukarıdaki tablodan alınız.

2.3 Gümüşe farklı bir alternatif bulursanız benzer şekilde CTE leri o malzemenin CTE si civarında ayarlamalısınız.

2.4 Yine de gerilmeleri düşüremezseniz p tipinin alfasını da metal levhaya bir miktar yaklaştırıp denemeler yapınız. Bu istenmeyen zorunlu bir çözümdür ve ödev notunuza olumlu etkisi olmaz.

Bu çalışmada ciddi anlamda gerilmelerde düşürme sağlamalısınız. Maksimum gerilmeler 100MPa nın altına düşerse iyi bir iyileştirme sayılır.

Alternatif malzemeleri nereden bulabilirsiniz?

www.matweb.com sitesine girdikten sonra,

phsical properties i tıklayın.

Alümina alternatifleri için

Açılan sayfada özelliklerin sınırlarına göre malzemeleri listeyin. Aşağıdaki adımları takip edin:

Gümüş alternatifleri için ise 1 nolu segmedeki Ceramic yerine Metali tıklayınız. Diğer segmeler aynen kalacaktır. Bakıra öncelikle bakınız. Bakır resistivity çok az yüksek olduğundan alınabilir.

Dikkat: alternatif malzeme seçilince, sadece değerini değil, analizlerde kullanılan tüm özelliklerini (E, , k) bulup girmelisiniz. Matweb.com da bir aralık olarak özellikler veriliyorsa maksimum değerini

alınız. Ancak sadece için, verilen aralık farkı 4 den büyük ise o malzeme alınamaz; 4 veya 4 den küçük ise ortalama değerini alınız.

Unutmayın! Termoelektrik jenaratörden iyi bir verim almak için, alt üst levhalar arası sıcaklık farkının mümkün olduğunca yüksek, gerilmelerin mümkün olduğunca düşük olması istenir. İyileştirmelerde bu durumu göze alınız.

3- Geometrik iyileştirme (Final notuna 10 Puan)

Seçtiğiniz malzeme alternatifleri varken, gerilmeleri düşürücü geometrik revizyonlar, yapınız.

Ciddi anlamda gerilmelerde düşüş sağlamaya çalışınız. 20 MPa dan daha az düşüşler iyileştirme olarak kabul edilmez.

Alümina kalınlığı, gümüş kalınlığı %30 a kadar değişebilir. P ve n dirseklerin kesit geometrisi değişebilir.

Piyasa araştırması (Zorunlu değil):

Bulduğunuz malzemelerin piyasada bulunabilien ve blok halinde satılan bir ticari malzeme olması, Tubitak projesine uygulanabilirliği açısından önemlidir. Kullandığınız malzemenin ticari bilgilerini (fiyat, üreticiler vb.) ödev formuna açıklamalar kısmına yazmanız iyi olacaktır.

Ancak zorunluluk yoktur.

Ödevi ne zaman ve nasıl teslim edeceksiniz?

Ödevi grup olarak yapınız. Ödev en son 6 Haziran 2016 p.tesi saat 13.00 e kadar teslim edilecektir.

Ödev formunu düzgünce doldurunuz. Buradan indiremezseniz sitemdeki BDM>Final Ödevi linkinden indiriniz. Çıktısını alınız. Ansys analiz dosyalarının ve ödev formunu bir CD ye kopyalayınız. CD ve ödev formu çıktı kağıdını teslim ediniz. Ayrıca bir sunum hazırlamanıza gerek yok.

Farklı malzeme alternatifleri için farklı analiz dosyası hazırlamanıza gerek yok. Aynı analiz dosyasında bu malzemeler bulunması yeterli. Sonuçta o malzemeleri hacimlere atayarak analizleri yaptığımızda, ödev formunda belirttiğiniz sonuçların çıkması gerekir.

Ancak farklı geometrik iyileştirmeler için mecburen farklı analiz dosyalarınız olmalıdır.

Hepsi CD içinde anlaşılır bir isimle kaydedilmelidir.

Çok önemli Uyarı: Ödev formunda belirttiğiniz analiz sonuçları ile CD deki ansys analiz dosyasındaki sonuçların birbirini tutması gerekir. Tutmadığı taktirde “öğretim üyesini kasden ve planlayarak kandırmaya teşebbüs” suçundan final notuna -25 puan eklenir. “Malzeme birimlerini hatalı seçmişim

” gibi bir mazaret kabul edilemez. Gülme.. şaka değil..