çukurova üniversitesi fen bilimleri enstitüsü doktora tezi muhsin

Transcription

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
DOKTORA TEZİ
MUHSİN MAZMAN
GİZLİ ISI DEPOLAMASI VE UYGULAMALARI
KİMYA ANABİLİM DALI
ADANA, 2006
Muhsin MAZMAN
DOKTORA
KİMYA ANABİLİM DALI
Bu tez ----/----/2006 tarihinde aşağıdaki juri üyeleri tarafından oy birliği/oy
çokluğu ile kabul edilmiştir.
İmza------------------
İmza-----------------------
İmza-------------------------
Prof.Dr. Halime PAKSOY
Prof.Dr.Hunay EVLİYA
Prof.Dr. Serdar ÖZTEKİN
DANIŞMAN
ÜYE
ÜYE
İmza-------------------
İmza-----------------------
Prof.Dr. Sermin ÖRNEKTEKİN
Prof.Dr. Sultan GİRAY
ÜYE
ÜYE
Bu tez Enstitümüz Kimya Anabilim Dalında Hazırlanmıştır.
Kod No:
Prof. Dr. Aziz ERTUNÇ
Enstitü Müdürü
Imza ve Mühür
Bu çalışma Ç. Ü. Araştırma Fonu, TUBİTAK ve Lleida Üniversitesi uygulamalı
enerji araştırmaları gurubu Tarafından Desteklenmiştir.
Proje No:FBE-2003D172
Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların
kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanundaki hükümlere tabidir.
İÇİNDEKİLER
Sayfa Numarası
ÖZ .............................................................................................................................. IV
ABSTRACT................................................................................................................ V
TEŞEKKÜR............................................................................................................... VI
ÇİZELGELER DİZİNİ .............................................................................................VII
ŞEKİLLER DİZİNİ.................................................................................................... IX
1. GİRİŞ ....................................................................................................................... 1
1.1. Isıl (termal) Enerji ve Isıl Enerji Depolama Yöntemleri (TED)........................ 5
1.1.1. Duyulur Isı................................................................................................... 6
1.1.2. Gizli Isı ........................................................................................................ 8
1.1.3. Reaksiyon Isısı ............................................................................................ 9
1.1.4. Isıl Tabakalaşma (Stratifikasyon) ile Enerji Depolama............................... 9
1.2. Enerji Depolama Sistemlerinin Yapısal Bileşenleri ........................................ 11
1.3. Gizli Isı Depolama Sistemleri.......................................................................... 13
1.3.1. TED Uygulaması Olarak Gizli Isı Depolamanın Temel Gereksinmeleri.. 15
1.3.2. FDM Seçiminde Ölçütler .......................................................................... 17
1.3.2.1. Termodinamik Ölçütler....................................................................... 18
1.3.2.2. Kinetik Ölçütler................................................................................... 19
1.3.2.3. Kimyasal Ölçütler ............................................................................... 19
1.3.2.4. Teknik Ölçütler ................................................................................... 19
1.3.2.5. Ekonomik Ölçütler .............................................................................. 19
1.3.3. FDM’lerin Özelliklerinin Değerlendirilmesi............................................. 20
1.3.3.1. Erime / Donma .................................................................................... 20
1.3.3.2. Aşırı Soğuma....................................................................................... 21
1.3.3.3. Çekirdekleşme..................................................................................... 21
1.3.3.4. Isıl Çevrim Boyunca Kararlılık........................................................... 21
1.3.3.5. Paketlenme ve Sistem Bileşenlerine Uygunluk .................................. 22
1.3.4. Isı Değiştiricisi Seçimi .............................................................................. 22
1.3.5. FDM’lerde Isıl Iletkenlik........................................................................... 23
1.4. Faz Değiştiren Maddelerin Sınıflandırılması................................................... 24
1.4.1. Tuz Hidratları ............................................................................................ 25
1.4.2. Parafinler ................................................................................................... 26
1.4.3. Yağ Asitleri ............................................................................................... 27
1.4.4. Organik ve İnorganik Bileşiklerin Ötektikleri........................................... 28
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR...................................................................................... 30
3. MATERYAL VE METOD .................................................................................... 35
3.1. Materyal ........................................................................................................... 35
3.1.1. Data Logger ............................................................................................... 36
3.1.2. Isıl Çift (Termokapl).................................................................................. 37
I
3.1.3. Su Banyosu................................................................................................ 37
3.1.4. Soğuma/Isınma Eğrileri Düzeneği ............................................................ 37
3.1.5. Termal Enerji Depolama Düzeneği ........................................................... 39
3.1.6. Güneş Enerjisi Depolama Tankı................................................................ 40
3.2. Metod............................................................................................................... 43
3.2.1. I. Aşama..................................................................................................... 43
3.2.2. II. Aşama ................................................................................................... 47
3.2.3. III. Aşama .................................................................................................. 50
4. BULGULAR VE TARTIŞMA .............................................................................. 52
4.1. Birinci Aşama ve Bulguları ............................................................................. 53
4.1.2. Birinci Aşama İçin Bulgular...................................................................... 53
4.2. İkinci Aşama ve Bulguları ............................................................................... 72
4.2.1. 80:20 Parafin Stearik Asit Karışımı İçin Bulgular .................................... 73
4.2.1. 1. Yalnız FDM (Akış hızı: 0.050 L/s, Sıcaklık : 20 ºC, 85 ºC).............. 73
4.2.1.2. Paslanmaz Çelik Kullanılan Deneyler ( 0.050 L/s, Sıcaklık: 20 ºC-85
ºC) .................................................................................................................... 74
4.2.1.3. Bakır Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min; 20 ºC, max; 85 ºC) ........ 76
4.2.1.4. Grafit Blok Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min; 20 ºC, max; 85 ºC)80
4.2.2. %80 Parafin + %20 Palmitik Asit Karışımı İçin Bulgular ........................ 87
4.2.2.1. Yalnız FDM (Akış hızı: 0.050 L/s, Sıcaklık : min 20 ºC, max 85 ºC) 87
4.2.2.2. Paslanmaz Çelik Kullanılan Deneyler (0.050 L/s, Sıcaklık: 20 ºC- 85
ºC) .................................................................................................................... 88
4.2.2.3. Bakır Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min 20 ºC, max 85 ºC) .......... 89
4.2.2.4. Grafit Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min; 20 ºC, max; 85 ºC)........ 93
4.2.3. %80 Stearik + %20 Myristik Asit Karışımı İçin Bulgular ........................ 98
4.2.3.1. Yalnız FDM (Akış hızı: 0.050 L/s, Sıcaklık : min; 20 ºC, max; 85 ºC)
.......................................................................................................................... 98
4.2.3.2. Paslanmaz Çelik Kullanılan Deneyler (Akış hızı: 0.050 L/s, Sıcaklık:
min; 20 ºC, max; 85 ºC) ................................................................................. 100
4.2.3.3. Bakır Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min 20 ºC, max 85 ºC) ........ 102
4.2.3.4. Grafit Blok Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min 20 ºC, max 85 ºC)105
4.2.4. %80 Palmitik + %20 Laurik Asit Karışımı İçin Bulgular ....................... 111
4.2.4.1. Yalnız FDM (Akış hızı: 0.050 L/s, Sıcaklık : min 20 ºC, max 85 ºC)
........................................................................................................................ 111
4.2.4.2. Paslanmaz Çelik deneyleri (Akış hızı: 0.050 L/s, Sıcaklık : min 20 ºC,
max 85 ºC)...................................................................................................... 112
4.2.4.3. Bakır Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min 20 ºC, max 85 ºC) ........ 113
4.2.4.4. Grafit Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min 20 ºC, max 85 ºC)........ 116
4.2.5. Erime Donma Çevrimleri ........................................................................ 121
4.3. Üçüncü Aşama ve Bulguları .......................................................................... 124
4.3.1. Deney....................................................................................................... 124
4.3.2. Sonuçlar................................................................................................... 125
4.3.2.1. Parafin ve Stearik Asit Karışımı ....................................................... 125
4.3.2.2. Stearik ve Myristik Asit .................................................................... 132
4.3.2.3. Parafin ve Palmitik Asit .................................................................... 139
II
5. SONUÇ VE ÖNERİLER ..................................................................................... 145
KAYNAKLAR ........................................................................................................ 151
ÖZGEÇMİŞ ............................................................................................................. 158
EK 1: TICARI FDM’LER (ANNEX 17)................................................................. 159
EK 2: TICARI OLMAYAN FDM’LER(ANNEX17) ............................................. 163
III
ÖZ
DOKTORA TEZİ
MUHSİN MAZMAN
KİMYA ANABİLİMDALI
Danışman:Prof.Dr. Halime PAKSOY
Yılı:2006, Sayfa:190
Juri: Prof.Dr. Halime PAKSOY
Prof. Dr. Hunay EVLİYA
Prof. Dr. Serdar ÖZTEKİN
Prof. Dr. Sermin ÖRNEKTEKİN
Prof. Dr. Sultan GİRAY
Güneş enerjisi depolamayla evsel kullanım için sıcak su eldesi sistemlerinde Faz
Değitiren Madde (FDM) olarak yüksek depolama yoğunlukları ve düşük fiyatlarından dolayı
daha çok inorganik maddeler kullanılmaktadır. Pasif güneş enerjisi sistemi uygulamalarında
sistem yapı elemanlarına kolaylıkla eklemlenebildiğinden organik FDM’ler de tercih
edilebilir. Organik FDM’ler kendi kendilerini çekirdekleştirebilir ve ihmal edilebilecek
düzeyde ya da hiç aşırı soğuma göstermezler. Bu çalışma Güneş enerjisiyle sıcak su eldesi
sistemlerinde kullanılabilecek FDM’ler bulup bunların ısıl iletkenliğini arttırarak
uygulamada kullanmayı hedeflemiştir. Bu amaçla, ticari ölçekte parafin (Rubitherm-RT54),
sodyumasetat trihidrat (CH3COONa·3H2O), ve analitik saflıkta değişik yağ asitleri (stearik,
palmitik, miristik, ve laurik asit) karışımları hazırlanarak denenmiştir. FDM’lerin çoğu çok
düşük ısıl iletkenliğe sahiptir. Bu durum enerji depolama sisteminin etkinliğini büyük oranda
azaltmaktadır. Çalışmanın ikinci aşamasında FDM ve ısı taşıyıcı akışkan arasındaki ısı
transfer hızını arttırmak için FDM’nin olduğu depo ortamına paslanmaz çelik bloklar (0.05
L/s akış hızı), bakır borular (0.025 L/s, 0.05 L/s akış hızı) ve grafit matriksler (0.01 L/s,
0.025 L/s, 0.05 L/s akış hızı) eklenmiştir. Güneş enerjisiyle sıcak su eldesi sistemlerinde
depodaki su kısa süreli depolamada kullanılır. Bu sistemde suyun duyulur ısısı doğal
tabakalaşmayla (stratifikasyon) depolanır. Çalışmanın üçüncü bölümünde tankın üst
bölümüne FDM modüller yerleştirilerek sistemin depolama yoğunluğu arttırılmış ve ısı
kayıpları azaltılarak FDM’ler yardımıyla gizli ısıda depolanmmıştır. Denemeler Lleida
Üniversitesi (İspanya)’da kurulu gerçek bir güneş enerjisi depolama tankında
gerçekleştirmiştir.
Anahtar Kelimeler : Yağ asitleri, Parafin, Faz Değiştiren Madde, Termal Enerji Depolama
(TED), stratifikasyon.
IV
ABSTRACT
DOCTORAL THESIS
LATENT HEAT
STORAGE
DERYA
DİKİCİAND APLICATIONS
Muhsin MAZMAN
ÇUKUROVA UNIVERSITY
INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
CHEMISTRY DEPARTMENT
Supervisor:Prof. Dr. Halime PAKSOY
Year:2003, Pages:190
Jury: Prof.Dr. Halime PAKSOY
Prof Dr. Hunay EVLİYA
Prof. Dr. Serdar ÖZTEKİN
Prof. Dr. Sermin ÖRNEKTEKİN
Prof. Dr. Sultan GİRAY
Domestic storage of solar energy in hot water systems usually use inorganic phase
change materials (PCM) to exploit their high storage density and low cost. In passive solar
applications; however, organic compounds are more suitable because these can easily be
impregnated into common construction materials. Organic PCMs are self-nucleating and
exhibit none or negligible subcooling. This study attempts to find new PCMs that can be
utilized in hot water systems with solar energy storage and enhance their thermal
conductivity. Binary mixtures of commercial grade paraffin (Rubitherm-RT54), sodium
acetate trihydrate (CH3COONa·3H2O), and different analytical grade fatty acids (stearic,
palmitic, myristic, and lauric acids) were investigated to determine their performance in
mixtures. Most PCMs have low thermal conductivities. This is a major drawback that
decreases thermal performance of the thermal energy storage system. Second step of the
study focused on enhancing heat transfer between PCM and heat carrier fluid by addition of
stainless steel and copper pieces to PCM (at two different flow rates; 0.05 L/s and 0.025 L/s)
and using graphite-PCM composite material (at three different flow rates; 0.05 L/s, 0.025 L/s
and 0.01 L/s). In domestic hot water supply by solar energy, water is stored in a tank for
short term. This system stored sensible heat of water by stratification. In the third step adding
PCM (Phase Change Material) modules at the top of the water tank would give the system
higher storage density and compansate heat loss in top layer because of latent heat of PCM.
Tests were performed under real operating conditions in a complete solar heating system that
has been constructed at the University of Lleida, Spain.
Keywords: Fatty acids, Paraffin, Phase change materials, Thermal energy storage (TES),
Stratification.
V
TEŞEKKÜR
Doktora çalışmamın tüm aşamalarında bana her konuda destek veren, yol
gösteren, danışman hocam Prof. Dr. Halime Ömür Paksoy’a, varlığını hep yanımda
duyduğum, bana her konuda destek olan Prof. Dr. Hunay Evliya hocama ve tez
süresince
önerileriyle
katkıda
bulunan
Prof.Dr.
Serdar
Öztekin
hocama
teşekkürlerimi sunuyorum. Doktora çalışmamın İspanya Lleida Üniversitesinde
yaptığım kısmında, bana danışmanlık yapan Dr. Luisa F. Cabeza’ya, birlikte
çalışarak deneyimlerinden yararlanma şansı bulduğum Dr. Harald Mehling’e,
İspanyadaki çalışmalarım sırasında sürekli desteğini gördüğüm Dr. Miguel Nourges
ve Dr. Juan Roca’ya teşekkürlerimi sunarım.
Çalışmalarımda Çukurova Üniversitesinden pek çok kişinin emeği vardır.
Öncelikle sevgili asistan arkadaşlarım; Bekir Turgut’a , Erdal Kuşvuran’a, Murat
Türk’e ve Kimya bölümünde süreçte görevli tüm asistan arkadaşlarıma, tüm
aşamalarda desteklerini gördüğüm asistan arkadaşım Derya Dikici’ye, yardım ve
desteklerini gördüğüm Doktora çalışmalarını yapan sevgili Metin Özer Yılmaz, Yeliz
Konuklu ve Özgül Gök’e, ve bütün bu süreci paylaştığım Kimya Bölümüne çok
teşekkür ediyorum.
Bana her konuda destek olan aileme, varlıklarıyla hayatıma anlam ve renk
katan, sevgili eşim Özgün Mazman ve biricik oğlum Kerem Mazman’a sonsuz
teşekkürlerimi sunarım.
VI
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 1.1. Uygulamada Kullanılacak FDM’lerin Taşıması Gereken
Özellikler (Lane, 1983).....................................................................................
19
Çizelge 1.2. FDM Olarak Kullanılabilen Bazı Tuz Hidratları..............................
25
Çizelge 1.3. Bazı Parafin Olmayan Organik Maddelerin Özellikleri...................
27
Çizelge 1.4. Isı Depolama İçin Organik ve İnorganik Maddelerin Kıyaslanması
(Zalba, 2003)....................................................................................................
28
Çizelge 2.1. Yağ Asidi Karışımları (Kauranen ve ark., 1991)..............................
32
Çizelge 2.2. Yağ Asidi Karışımları .....................................................................
32
Çizelge 3.1. Kullanılan Kimyasallar ve Özellikleri (Zalba, 2003)........................
34
Çizelge 3.2. Isı Transferini Geliştirmek İçin Eklenen Maddelerin Özellikleri
(Cabeza L.).....................................................................................................
47
Çizelge 4.1. Deneyler İçin Hazırlanan Karışımların Erime Aralıkları ve Ergime
Gizli Isıları.....................................................................................................
74
Çizelge 4.2. İkinci Aşama Deneylerinde Kullanılan Karışımlar ve Özellikleri....
76
Çizelge 4.3. Parafin ve Stearik Asit Karışımı İçin Erime/Donma Zamanları (10
mm sol noktası) (47 ºC-55ºC sıcaklık aralığı)................................................
89
mm sol noktası) (47 ºC-55ºC sıcaklık aralığı)................................................
89
mm sağ noktası) (47 ºC-55ºC sıcaklık aralığı)...............................................
89
mm sağ noktası) (47 ºC-55ºC sıcaklık aralığı)...............................................
90
Çizelge 4.7. Parafin ve Palmitik Asit Karışımı İçin Erime/Donma Zamanları
(10 mm sol noktası) (47 ºC-54ºC sıcaklık aralığı)............................................ 101
(20 mm sol noktası) (47 ºC-54ºC sıcaklık aralığı)............................................ 101
(10 mm sağ noktası) (47 ºC-54ºC sıcaklık aralığı)...........................................
VII
102
(20 mm sağ noktası) (47 ºC-54ºC sıcaklık aralığı)...........................................
102
Çizelge 4.11. Stearik ve Myristik Asit Karışımı İçin Erime/Donma Zamanları
(10 mm sol noktası)..........................................................................................
114
(20 mm sol noktası)..........................................................................................
114
(10 mm sağ noktası).........................................................................................
115
(20 mm sağ noktası).........................................................................................
115
Çizelge 4.15. Palmitik ve Laurik Asit karışımı için erime/donma zamanları (10
mm sol noktası)................................................................................................
125
Çizelge 4.16. Palmitik ve Laurik Asit Karışımı İçin Erime/Donma Zamanları
(20 mm sol noktası)..........................................................................................
125
(10 mm sağ noktası).........................................................................................
125
(20 mm sağ noktası).........................................................................................
VIII
126
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 1.1. Isı depolanmasında uygulanan yöntemler (Abhat, 1983).....................
5
Şekil 1.2. Bir TED sisteminin genel bileşenleri....................................................
5
Şekil 1.3. Duyulur ısı depolama için Termal Enerji Depolama Teknikleri
(Andersson, 2000) .......................................................................................
7
Şekil 1.4. Isıl tabakalaşma tankı, akışkanın giriş ve çıkış pozisyonuna bağlı
tabakalaşma tank dizaynı (Shimizu ve Fujita, 1985) ..................................
10
Şekil 1.5. Aktif bir sistemde gizli ısı depolamanın şematik görünümü ( Sokolov
ve Kezman, 1991) .......................................................................................
15
Şekil 1.6. FDM depolama üniteleri ( Buchlin, 1989) ...........................................
16
Şekil 1.7. Faz Değiştiren Materyallerin Sınıflandırılması.....................................
23
Şekil 3.1. Data Logger'a ait kalibrasyon eğrisi......................................................
35
Şekil 3.2. Soğuma Eğrileri Belirleme Düzeneği...................................................
37
Şekil 3.3. Termal enerji depolama düzeneği.........................................................
38
Şekil 3.4. II. aşama deney düzeneği (temal enerji düzeneği)................................
39
Şekil 3.5. Güneş enerjisi depolama düzeneği.......................................................
39
Şekil 3.6. Güneş Enerjisi Depolama Düzeneği.....................................................
41
Şekil 3.7. Soğuma eğrileri için izolasyon plakası içindeki deney tüpleri.............
42
Şekil 3.8. Termal Enerji Düzeneği (Bakır bloklar ve yalnız karışım
deneyinden)..................................................................................................
48
Şekil 4.1. Parafin ve su için soğutma deneyi ölçümleri........................................
56
Şekil 4.2. Sadece yağ asiteri ve su için soğutma deneyi ölçümleri.......................
56
Şekil 4.3. Parafin ve kaprik asit için DSC sonuçları.............................................
57
Şekil 4.4. Myristik ve laurik asit için DSC sonuçları............................................
57
Şekil 4.5. Stearik ve palmitik asit için DSC sonuçları..........................................
57
Şekil 4.6. Stearik ve myristik asit karışımları için soğutma/ısıtma eğrileri..........
58
Şekil 4.7. %80stearik + %20myristik asit ve %50stearik + %50myristik asit
Karışımları için DSC sonuçları....................................................................
59
Şekil 4.8. Stearik ve laurik asit karışımları için soğuma eğriler...........................
60
IX
Şekil 4.9. %10 Laurik + %90 Stearik ve %20 Laurik + %80 Stearik asit
karışımları için DSC sonuçları.....................................................................
60
Şekil 4.10. Stearik ve Kaprik asit karışımları için soğuma eğrileri.......................
61
Şekil 4.11. %80 Stearik + %20 kaprik asit karışımı için DSC sonuçları..............
61
Şekil 4.12. Palmitik ve Kaprik asit karışımları için soğuma eğrileri....................
62
Şekil 4.13. %80 Palmitik + %20 Kaprik asit karışımı için DSC sonuçları ..........
62
Şekil 4.14. Palmitik ve Myristik asit karışımları için soğuma eğrileri.................
63
Şekil 4.15. %10 myristik+%90 palmitik ve %40 myristik+%60 palmitik asit
64
Şekil 4.16. Palmitik ve Laurik asit karışımları için soğuma eğrileri.....................
64
Şekil 4.17. %10 laurik+%90 palmitik ve %20 laurik + %80 palmitik asit
65
Şekil 4.18. Parafin ve SodyumAsetatTrihidrat karışımları için soğuma eğrileri..
65
Şekil 4.19. Parafin ve SodyumAsetatTrihidrat karışımlarında sıvı fazda görülen
faz ayrışması ...............................................................................................
66
Şekil 4.20. %70parafin+%30CH3COONa.3H2O ve %60 parafin + %40
CH3COONa.3H2O için DSC sonuçları........................................................
66
Şekil 4.21. SodyumAsetatTrihidrat ve laurik asit karışımlarının soğuma eğrileri
67
Şekil 4.22. SodyumAsetatTrihidrat’yağ asitleriyle karışımında gözlenen faz
ayrışması......................................................................................................
68
Şekil 4. 23. %70laurik asit + %30CH3COONa.3H2O karışımı için DSC
sonuçları.......................................................................................................
68
Şekil 4.24. SodyumAsetatTrihidrat ve myristik asit karışımlarının soğuma
eğrileri..........................................................................................................
69
Şekil 4.25. %80myristik asit + %20CH3COONa.3H2O karışımı için DSC
sonuçları.......................................................................................................
69
Şekil 4.26. SodyumAsetatTrihidrat ve stearik asit karışımlarının soğuma
eğrileri..........................................................................................................
70
Şekil 4.27. %70stearik asit + %30CH3COONa.3H2O ve %80 stearik asit + %20
CH3COONa.3H2O karışımları için DSC sonuçları.....................................
X
70
Şekil 4.28. Parafin ve myristik asit karışımlarının soğuma eğrileri......................
71
Şekil 4.29. Parafin ve myristik asit karışımı için DSC sonuçları..........................
71
Şekil 4.30. Parafin ve palmitik asit karışımlarının soğuma eğrileri......................
72
Şekil 4.31. %80Parafin ve %20palmitik asit karışımının DSC sonuçları.............
72
Şekil 4.32. Parafin ve stearik asit karışımlarının soğuma eğrileri.........................
73
Şekil 4.33. %70 Parafin + %30 stearik asit ve %80 Parafin + %20 stearik asit
karışımlarının DSC sonuçları......................................................................
73
Şekil 4.33. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için yalnız FDM
deneylerindeki soğuma eğrileri....................................................................
77
Şekil 4.34. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için yalnız FDM
deneylerindeki ısınma eğrileri.....................................................................
78
Şekil 4.35. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için paslanmaz çelik
denemeleri soğuma eğrileri..........................................................................
78
Şekil 4.36. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için paslanmaz çelik
denemeleri ısınma eğrileri...........................................................................
79
Şekil 4.37. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için bakır denemeleri
soğuma eğrileri (akış hızı; 0,05
80
L/s).............................................................
ısınma eğrileri (akış hızı; 0,05
80
L/s)...............................................................
Şekil 4.39. Yalnız FDM ve bakır tüpçükler için eritme deneyi............................
82
82
L/s).............................................................
83
L/s)...........................................................
Şekil 4.42. FDM içine yerleştirilmiş grafit bloklar...............................................
84
Şekil 4.43. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için grafit denemeleri
85
XI
L/s)...........................................................
85
L/s).............................................................
86
L/s)...........................................................
87
L/s).............................................................
87
L/s)...........................................................
88
L/s).............................................................
Şekil 4.49. %80 Parafin + %20 palmitik asit karışımı için yalnız FDM
91
Şekil 4.50. %80 Parafin + %20 palmitik asit karışımı için yalnız FDM
91
Şekil 4.51. %80 Parafin + %20 palmitik asit karışımı için paslanmaz çelik
92
93
Şekil 4.53. %80 Parafin + %20 palmitik asit karışımı için bakır deneylerindeki
soğuma eğrileri............................................................................................
94
soğuma eğrileri............................................................................................
94
soğuma eğrileri............................................................................................
96
96
XII
ısınma eğrileri............................................................................................
Şekil 4.57. %80 Parafin + %20 palmitik asit karışımı için grafit deneylerindeki
soğuma eğrileri............................................................................................
97
ısınma eğrileri............................................................................................
98
soğuma eğrileri...........................................................................................
99
ısınma eğrileri............................................................................................
99
soğuma eğrileri............................................................................................
100
Şekil 4.62. %80 Parafin + %20 palmitik asit karışımı için grafit deneylerindeki 100
ısınma eğrileri
Şekil 4.63. %80 Stearik + %20 Myristik asit karışımı için yalnız FDM
deneylerindeki soğuma eğrileri...................................................................
102
Şekil 4.64. %80 Stearik + %20 Myristik asit karışımı için yalnız FDM
103
Şekil 4.65. Isı değiştirici ve duvar materyali ile yağ asitleri arasında ki hava
boşluğu......................................................................................................... 104
Şekil 4.66. %80 Stearik + %20 Myristik asit karışımı için paslanmaz çelik
deneylerindeki soğuma eğrileri ................................................................... 105
Şekil 4.67. %80 Stearik + %20 Myristik asit karışımı için paslanmaz çelik
105
Şekil 4.68. Paslanmaz çelik ve yalnız yağ asiti için hava boşluğu oluşumu......... 107
Şekil 4.69. %80 Stearik + %20 Myristik asit karışımı için bakır deneylerindeki
soğuma eğrileri ...........................................................................................
107
ısınma eğrileri .............................................................................................
109
soğuma eğrileri............................................................................................
XIII
109
ısınma eğrileri .............................................................................................
109
Şekil 4.73. %80 Stearik + %20 Myristik asit karışımı için grafit deneylerindeki
soğuma eğrileri ...........................................................................................
110
ısınma eğrileri..............................................................................................
111
soğuma eğrileri............................................................................................
112
ısınma eğrileri..............................................................................................
112
soğuma eğrileri............................................................................................
113
ısınma eğrileri..............................................................................................
113
Şekil 4.79. %80 Palmitik + %20 Laurik asit karışımı için yalnız FDM
deneylerindeki soğuma eğrileri (0,050
116
L/s)..................................................
Şekil 4.80. %80 Palmitik + %20 Laurik asit karışımı için yalnız FDM
deneylerindeki ısınma eğrileri (0,050
116
L/s)....................................................
Şekil 4.81. %80 Palmitik + %20 Laurik asit karışımı için paslanmaz çelik
deneylerindeki
soğuma
eğrileri
(0,050 117
L/s)..................................................
Şekil 4.82. %80 Palmitik + %20 Laurik asit karışımı için paslanmaz çelik
deneylerindeki
ısınma
eğrileri
(0,050 118
L/s)....................................................
Şekil 4.83.. %80 Palmitik + %20 Laurik asit karışımı için bakır deneylerindeki
soğuma eğrileri (0,050
119
L/s)...........................................................................
Şekil 4.84. %80 Palmitik + %20 Laurik asit karışımı için bakır deneylerindeki
ısınma eğrileri (0,050 L/s............................................................................
XIV
119
soğuma eğrileri (0,025 L/s).......................................................................... 120
ısınma eğrileri (0,025
121
L/s).............................................................................
Şekil 4.87. %80 Palmitik + %20 Laurik asit karışımı için grafit deneylerindeki
122
L/s)...........................................................................
122
L/s).............................................................................
123
L/s)...........................................................................
123
L/s).............................................................................
124
L/s)...........................................................................
124
L/s).............................................................................
Şekil 4.93. Parafin ve Stearik Asit karışımı için erime/donma döngüleri............. 127
Şekil 4.94. Parafin ve Palmitik Asit karışımı için erime/donma döngüleri........... 128
Şekil 4.95. Stearik ve Myristik Asit karışımı için erime/donma döngüleri........... 128
Şekil 4.96. Palmitik ve Laurik Asit karışımı için erime/donma döngüleri...........
129
Şekil 4.97. Güneş enerjisi depolama tankı ve FDM modüller..............................
130
Şekil 4.98. Depolama tankı sıcaklığının FDM’siz durumdaki değişimi...............
132
Şekil 4.99. FDM modül eklendikten sonra depolama tankı için soğuma eğrileri.
132
Şekil 4.100. Depolama tankında üst bölgelerdeki sıcaklığın FDM’li ve
XV
FDM’siz durumdaki görünümü...................................................................
133
Şekil 4.101. Donma noktası civarında FDM’li ve FDM’siz durum...................... 134
Şekil 4.102. Deponun yarısı soğuk su ile doldurulduğu zamanki durum.............
135
Şekil 4.103. FDM modüllerin etrafındaki suyun yeniden ısıtılması.....................
136
Şekil 4.104. Depolama tankı sıcaklığının FDM’siz durumdaki değişimi.............
139
Şekil 4.105. Stearik ve myristik asit karışımlı ortamın soğuma eğrileri...............
141
Şekil 4.106. Stearik ve Myristik asit karışımı için FDM’li ve FDM’siz soğuma
eğrileri .........................................................................................................
141
Şekil 4.107. Erime aralığında FDM’li ve FDM’siz durum...................................
142
Şekil 4.108. Deponun yarısı soğuk su ile doldurulduğu zamanki durum.............
143
Şekil 4.109. Stearik ve myristik asit karışımı için FDM’in donmasıyla
depodaki soğuk suyun ısınması ..................................................................
144
Şekil 4.110. Depolama tankı sıcaklığının FDM’siz durumdaki değişimi.............
147
Şekil 4.111. FDM’li durum için soğuma eğrileri..................................................
147
Şekil 4.112. Parafin ve Palmitik asit karışımının donma sırasında soğuk depo
suyu üzerine etkisi.......................................................................................
149
Şekil 4.113. Depo tankı ve FDM modüllerin eğimli yerleşimi.............................
150
XVI
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
1. GİRİŞ
İnsan Dünya üzerinde yaşadığı doğal ortama uyum sağlamak yerine doğal
ortamı kendisine göre değiştirip dönüştürme çabası içindeki yegane canlıdır. Geoge
Thomson (1991) insanı ve diğer canlılardan farkını incelerken; insanın ellerini
kullanabilmesinin önemine ve zaman bilinci olmasına vurgu yapar. Ellerini
kullanabilme, insana sadece kendi imkanlarıyla davranmak yerine çevresinde
gördüğü tüm nesneleri kullanabilme ve amaçları için araçlar üretebilme yeteneği
sağlamaktadır. Bu durum eldeki imkanların nasıl kullanılabileceğini düşünmeye ve
ihtiyaç duyulması halinde yeni araçlar üretebilmek için çalışmaya sebep olmuştur.
Bu kısaca beyin fonksiyonlarına daha çok baş vurmayı ve zihinsel gelişmeyi
sağlamıştır. Zaman bilinciyse insanın zihinsel gelişiminin paralelinde gelişen bir
özelliktir ki; bu da insanın geçmiş deneyimlerini algılama ve bunlardan yola çıkarak
gelecekle ilgili çıkarımlar yaparak bu çıkarımlar doğrultusunda şekillendirdiği olası
senaryolara göre önceden çözüm yolları üretme yeteneği olarak ifade edilebilir.
Karşılaşılan durumlar değişse de insan olmanın bu temel özellikleri değişmemiştir
(İlin ve Segal, 1998). İnsanın çevresiyle yürüttüğü bu savaşta geliştirdiği araçlar ona
bir güç kazandırırken bu gücün paylaşımı konusunda kendi içinde bir mücadele
yaşanmasına sebep olmuştur. Bu gücü sürdürülebilir kılmak için gücü ele geçirenler
daima bir çaba içinde olmuştur. İnsan önce gereksinmeyi icat etti sonra
gereksinmeleri için icat etmek zorunda kaldı. İnsan elinde en kolay ulaşabildiği
araçlarla düşünür. Bu yüzden öncelikle kendi imkanları ve iş gücünü kullanmayı
temel alan icatlar yapmıştır. Ancak, istekleri için kendi kas gücü kısa sürede yetersiz
kalmaya başlamış ve en yakınındaki canlılarında gücünü kullanacak icatlar yapmayı
başarmıştır. Bu güç elde etme ve güce sahip olma serüveninde günümüz dünyasının
temellerini atan büyük değişme kas gücüne dayanmayan yani dışsal bir enerji
kaynağınca üretilen enerjinin kullanılmaya başlanmasıdır. Sanayi devrimi olarak
adlandırdığımız bu dönem ve sonrasında makineleşmeyle birlikte, makinelerin
ihtiyacı olan enerjinin nasıl sağlanacağı sorusu en önemli sorun haline gelmiştir.
Fosil yakıtların etkin ve vazgeçilemez bir alternatif olarak ortaya çıkması bu
dönüşüme büyük katkılar sağlarken toplumlar arası iktidar mücadelesinde gücün
1
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
paylaşımını enerji kaynaklarına sahip olanlar ve ona ihtiyaç duyanlar olarak ikiye
bölmüştür. Fosil yakıtlara sahip olanların bir kısmı bu güç sayesinde iktidardan
bağımsız maddi güç kazanırken kullanıcılar enerji kaynaklarına bağımlığa karşın
iktidarı büyük oranda ellerinde tutmuşlardır. Toplumlar dengesinde iktidar sahipleri
ihtiyaçlarına
yetecek
enerji
kaynaklarının
ellerinde
olmamasından
dolayı
teknolojilerinin ve iktidarlarının sürekliliği konusunda tedirginlik duymuş ve
duymaktadırlar. Geçmişte yaşanan enerji krizleri gelecek konusunda kaygılanmanın
haklılığını göstermektedir. Günümüzde kullanımdaki enerji kaynaklarının bir önemli
sorunu da yenilenebilir olmaması ve yakın bir gelecekte tükenecek olmasıdır. Bu
kaynakların tükenmesi fosil yakıtlarla çalışan sistemlerin atıl hale gelmesi ve
insanların
yaşamlarında
yakaladıkları
standartlardan
vazgeçmeleri
anlamına
gelmektedir. Gereksinmeleri için icat etmek zorunda olan insanın bu soruna bir
çözüm bulması gerekmektedir. Geçmişine bakarak geleceği planlayan insanlık
kendisini bekleyen sorunlara çözüm önermelidir. Bu çözüm arayışı beklenen
tehlikelerden en çok etkilenecek olan -yani bu gün için bunlara en çok gereksinim
duyan ve yeni arayışları yürütme yeteneğinde olan- gelişmiş ülkelerin öncelikli
sorunudur. Büyük oranda dünyadaki iktidarı da denetleyebilen bu toplumlar
teknolojik ve ekonomik güçlerinin devamlılığı için geleceğe yönelik açılımlar
sunmak zorunda kalmaktadırlar. Şu an için sorunun çözümüne dair öncelikli konular;
mevcut kaynaklara alternatif olabilecek yeni ve yenilenebilir kaynaklar bulmak,
bunların mevcut sistemlere eklemlenmesini sağlamak ve mevcut kaynakların
kullanım ömürlerini uzatmak için bu kaynakların kullanım oranını azaltacak tasarruf
sağlayıcı sistemleri geliştirmek olarak özetlenebilecektir. Teknolojik çözüm
yollarının yanında iktidar sahipleri fosil yakıtların alternatifi oluşturuluncaya kadar,
mevcut kaynakların üretim ve dağıtımını kontrol altına almak istemektedirler. Bu
isteğin diplomatik yollarla sağlanamadığı bölgelerde politikaların kabul ettirilmesi
askeri yöntemlerle sağlanmaktadır. Dünya fosil yakıt kaynakları azaldıkça kendi
geleceğini güvence altına almak isteyen ve bu konuda harcıyabilecek gücü olan
toplumlar fosil yakıt kaynakları içeren coğrafyaları denetim altında tutmaya devam
etmek isteyecek ve bu gün için denetimleri altında olmayan bölgeleri de kontrol
edebilmek için yakın gelecekte yeni riskler alacaklardır. Enerji coğrafyalarında yer
2
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
alan ülkeler güçlülerin arasındaki çelişkileri kullanabildikleri ölçüde kismi
bağımsızlık ve süreklilik kazanabilecektir. Aksi takdirde diplamatik çözümlere
(kontrol altına girmeler) direnmenin sonucu güç kullanımı yoluyla kontrol altına
alınmak olacaktır. Öte yandan bilim insanları hızla tükenen ve tükenirken çevresel
felaketlere sebep olan fosil yakıtlara alternatif olabilecek, çevre dostu, etkin, yeni ve
yenilenebilir kaynaklar üretmenin çabasını sürdürecek ve fosil yakıtların tükenme
zamanını geciktirmeye çalışacaklardır. Ne kadar geciktirilirse geciktirilsin fosil
yakıtların tükenmesi kaçılmaz bir sondur. Unutulmamalıdır ki; Dünya küresinin
tamamı fosil yakıt olsa dahi bir gün tükenecektir.
Tam bu noktada dünya üzerindeki her toplum bu enerji kavgasındaki yerini
ve kendi sorununu çözmek için sahip olduğu imkanları değerlendirmelidir. Enerji
politikalarını, gelecek için çözüm yollarını ve bunları gerçekleştirme imkanlarını
hazırlamayan toplumlar geleceğin güç dengeleri içinde kendilerine saygın bir yer
edinemeyecektir. Enerji açısından öylesine kritik bir dönemden geçilmektedir ki en
küçüğünden en büyüğüne bütün katkılara ihtiyaç vardır.
Günümüzde dünya enerji gereksinimi büyük oranda fosil yakıtlarla
karşılanmaktadır. Fosil yakıtların yakın bir gelecekte tükenecek olması, toplumlar
üzerindeki siyasal ve ekonomik problemleri bir yana çevre için önemli bir kirlilik
unsurudurlar. Fosil yakıtların yanma ürünü olarak açığa çıkan COX, NOX, SOX gibi
gazların atmosferdeki miktarının artması; asit yağmurlarına, ozon tabakasının zarar
görmesine, sera etkisinin ve atmosferdeki uçucu organik bileşiklerin miktarının
artmasına sebep olmaktadır. Tüm bu yanma ürünleri kadar önemli olan diğer bir
unsur da ısıl kirliliktir. Her tür yanma sonucu açığa çıkan ısı küresel ısınmayı
tetiklemektedir. Bo Nordell (2003) tüm kirletici gazların çevreye salınımını
engellense bile küresel ısınmanın ısıl kirlilikten dolayı devam edeceğini
belirtmektedir. Bu sebeple yakma teknolojilerine gereksinimi azaltacak sistemleri
geliştirmek ve yaygınlaştırmak önem kazanmaktadır. Yakma teknolojilerine
dayanmayan kaynaklar yenilenebilir olarak isimlendirilen güneş, rüzgar, ortam
sıcaklığı/soğuğu v.b. doğal kaynaklardır. Ancak doğadaki çoğu enerji kaynağı
kullanımda süreklilik göstermez, ayrıca dünyadaki enerji ihtiyacı düşünüldüğünde bu
kaynaklarla gereksinimi karşılamak mümkün görünmemektedir. Bununla birlikte
3
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
fosil yakıtlı sistemlere gereksinmemizi azaltarak önemli bir ekonomik fayda
sağlayacakları da muhakkaktır.
Yenilenebilir kaynaklardan sürekli bir fayda sağlayabilmek için enerjiyi
depolamak gerekmektedir. Termal enerji depolama sistemleri (TED) kullanılarak
sürekli olmayan enerji ihtiyaç duyulduğu zamanlarda kullanılmak üzere kısa
(gece/gündüz)
veya
uzun
(mevsimlik
veya
dönemlik)
süreli
olarak
depolanabilmektedir. Gece-gündüz arasındaki sıcaklık farklılıklarından faydalanarak
depolama bir kaç saatlik fazla kullanım sağlayan pratik bir sistem olup bir çok
uygulama alanı bulunmaktadır, uzun süreli depolama ise enerjinin geri kazanımın bir
kaç ayda gerçekleştiği daha büyük ölçekli bir depolama tekniğidir (Abhat(1983),
Dinçer ve Rosen (2002), Zalba ve ark. (2003), Farid ve ark.(2004)).
Kısa süreli depolamalarda faz değiştiren madde kullanımı daha yaygın bir
teknikken uzun süreli depolamada duyulur ısı depolama daha çok tercih
edilmektedir. Gizli ısı depolamada temel sorunlar kullanabilecek amaca uygun Faz
Değiştiren Madde (FDM) bulma, FDM’lerin ısıl özelliklerini belirleme, ısıl
iletkenliği geliştirme ve uygulama alanı belirleyerek uygulama sorunlarını çözmek
şeklindedir (Hasnain,1998).
Gizli ve duyulur ısı depolama tekniklerini farklı iki yöntem gibi görünsede bu
taknikleri bir arada kullanarak etkinliği arttırmayla ilgili çalışmalar da bulunmaktadır
(Dinçer ve Rosen (2002), Martin ve ark.,(2002), Yılmaz(2005), Mehling ve ark.
(2003))
Bu tezin amacı fosil yakıt kullanımına gereksinimi azaltmak için yeni ve
yenilenebilir kaynakların kullanım imkanlarını araştırmaktır. Tezin amacını
gerçekleştirmek için FDM geliştirilmiş, ısıl özellikler belirlenmiş, ısıl iletkenliği
arttırmak için yöntemler incelenmiş ve güneş enerjisiyle su ısıtma sistemlerinde
FDM kullanımı uygulamalı olarak denenmiştir.
4
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
1.1. Isıl (termal) Enerji ve Isıl Enerji Depolama Yöntemleri (TED)
Isıl enerji bir maddeyi oluşturan atom veya moleküllerin kinetik ve potansiyel
enerjilerinin toplamıdır. Atomik veya moleküler titreşim sonucunda oluşur ve bu
enerjinin aktarımı sıcaklık farkından kaynaklı ısı akışıyla gerçekleşir (Dikici, 2004)
Isı enerjisini depolamak için temelde üç yöntem bulunmaktadır. Bunlar;
duyulur, gizli ve termokimyasal ısı depolamalarıdır. Bu yöntemler birim hacimde
depolayabildikleri enerji bakımından ayrılırlar (Lane, 1983). Isıyı depolayan
materyalin iç enerjisindeki değişim sonucunda; duyulur ısı, gizli ısı ve bunların
bileşimi şeklinde tanımlanır. Genel olarak, birim hacimdeki iç enerji değişiminin
fazla olduğu ısı depolama materyali kullanılması durumunda, istenilen ısı miktarını
depolamak için gereken hacim azalır. Isıl enerjinin 0 – 90 °C gibi düşük sıcaklıkta
depolanması için genel olarak kullanılan yöntemler Şekil 1.1.’de şematik olarak
verilmiştir.
Isı Depolama yöntemleri
Isıl Yöntem
Duyulur Isı
Sıvılar
Katılar
Kimyasal Yöntem
Gizli Isı
Katı-Katı
Katı-Sıvı
Sıvı-Buhar
Tepkime Isısı
Kimyasal Isı Pompası
Termokimyasal Isı Borusu
Katı-Buhar
Şekil 1.1. Isı depolanmasında uygulanan yöntemler (Abhat, 1983)
TED sistemlerinin temelinde depolama sistemine enerji sağlanması, bu
enerjinin depolanması ve depolanan enerjinin ihtiyaç duyulan zamanlarda
kullanılması prensibi yatmaktadır. Bu kısaca; yükleme, depolama, geri kazanma
olarak özetlenebilecek bir süreçtir (Şekil 1.2.). (Dinçer ve Rosen, 2002).
5
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
Yükleme
Depolama
b
Geri kazanma
c
a
d
Q
Zaman
Şekil 1.2. Bir TED sisteminin genel bileşenleri
TED sistemlerinin yararları şu şekildedir:
¾ Enerji üretim kapasitesini arttırır; enerji verimliliğini arttırarak ve şebekeye
destek olarak bunu sağlar
¾ Kojenerasyon santrallerinin daha etkin çalışmasını sağlar
¾ Elektriğin daha ucuz olduğu zamanlarda satın alınmasını sağlar
¾ Sistemin güvenilirliğini arttırır
¾ Mevcut birimlere eklemlenebilir, çalışan sistemlerden atılan ısısının
kullanılmasına olanak sağlar
¾ Yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanılmasını sağlar
1.1.1. Duyulur Isı
Isı depolama materyalinin sıcaklığındaki değişimi kullanarak yapılan
depolamadır. Depolanabilecek ısının miktarı; ortamın ısı kapasitesine, sıcaklıktaki
değişim miktarına ve depolama materyalinin miktarına bağlıdır. Duyulur ısı katı
(toprak, kaya) veya sıvı materyalde ısı depolanabilir. Duyulur ısı depolanmasında
kullanılan sıvılar genellikle; su, etilen glikol, su-etilen glikol (%50-50) ve bazı alkoller
kullanılmaktadır (Paksoy, 1992). Depolanan ya da depolanabilecek ısı aşağıdaki
formülden hesaplanabilir;
Q= mCp(Ts-Tb)
(1)
6
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
Q= Depolanan toplam ısı
Tb= Başlangıç sıcaklığı
Ts= Son sıcaklık
m= Depolama ortamının (materyalin) kütlesi
Cp= Tb ve Ts arasındaki ortalama özgül ısı
Günümüzde bu yöntemle ilgili etkin sistemler tasarlanabilmekte, ayrıca mevcut
teknoloji de bu sistemleri uygulanabilir kılmaktadır (Lane, 1980). Kullanılan ısı
depolama materyaline bağlı olarak, sıvı, katı ve sıvı-katı kombine sistemler tasarlamak
mümkündür (Öztürk, 1997). Duyulur ısı uygulamalarında ısı daha çok uzun süreli
olarak depolanır. Uzun süreli depolamalar Akiferde Termal Enerji Depolama (ATED),
Kanallarda Termal Enerji Depolama (KTED) ve yer altı mağaraları çukur ve tanklarda
termal enerji depolama (ÇTED) şeklindedir (Dikici, 2004). Şekil 1.3. yeraltı termal
enerji depola tekniklerini toplu olarak göstermektedir.
Şekil 1.3. Duyulur ısı depolama için Yeraltı Termal Enerji Depolama Teknikleri
(Andersson, 2000).
7
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
Bu sistemde depolama ve geri kazanma süresince depolama materyalinin
sıcaklığı
değişir.
Çok
sayıda
depolama
ve
geri
kazanma
çevriminin
gerçekleşebilmesi ve hem sıcak hem soğuk depolama yapılabilmesi bu sistemin
avantajı (Paksoy ve ark., 2002), gereksinim duyulan depo hacminin büyük olması ise
dezavantajıdır.
1.1.2. Gizli Isı
Maddenin faz değişimi sırasında aldığı ya da saldığı ısıdır. Depolama katısıvı, katı-katı, sıvı-buhar ve buhar-katı dönüşümleri kullanılarak gerçekleştirilebilir
(Özonur, 2004). Ancak uygulanabilirliğinin rahatlığı açısından en çok tercih edilen
sıvı-katı dönüşümüdür. Ayrıca farklı kristal örgülere sahip katıların bir kristal örgü
durumundan diğerine geçişte aldıkları ve saldıkları ısılar katı-katı dönüşümüyle
depolamada kullanılabilmektedir. Bu konuda çeşitli çalışmalar yürütülmektedir
(Lane, 1983).
Q= m[aCΔH + Cpb(Te-Tb) + Cps(Ts-Te)]
(2)
Te= Erime sıcaklığı
a= Eriyen madde kesri
ΔH= birim kütlenin erime entalpisi
Cpb= Te ve Tb arasındaki özgül ısı
Cps= Ts ve Te arasındaki özgül ısı
Gizli ısı depolama yöntemleri için gerekli depo hacmi duyulur ısıya göre daha
küçüktür. Depolama ya da enerji dönüşümü için araştırma maliyeti düşüktür. Faz
değiştiren maddeler (FDM) sabit bir sıcaklık aralığında depolama olanağı sağlar ve
erime sıcaklığına bağlı olarak hem ısıtma hem soğutma amaçlı kullanılabilirler
(Feldman ve ark., 1986) .
8
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
1.1.3. Reaksiyon Isısı
Kimyasal reaksiyon esnasında alınan veya verilen ısıdır. Ekzotermik olarak
tepkimeye girebilen kimyasal bileşiklerde tepkimeler süresince oluşan ve ayrışan
kimyasal bağlarda enerjinin depolanması esasına dayanır. Yöntem birçok karmaşık
süreci içerse de temeli endotermik olarak ısı alan tepkimenin ekzotermik reaksiyonla
bu ısıyı geri vermesi esasına dayanır.
Q= armΔHr
(3)
ar= Tepkiyen madde kesri
ΔHr= birim kütlenin reaksiyon ısısı
Reaksiyon ısısının enerji depolama için kullanılması yöntemine termokimyasal enerji
depolama denmektedir.
1.1.4. Isıl Tabakalaşma (Stratifikasyon) ile Enerji Depolama
Su tankları TED uygulamaları içinde en ekonomik olanlarının başında
gelmektedir. Su tanklarının etkinliği büyük oranda ihtiyaç duyulan enerjiyi
karşılayabilecek miktara ve tank içinde oluşan tabakalaşmaya bağlıdır (Nelson ve
ark.(1999), Gretarsson ve ark.(1994), Dinçer ve Rosen (2002)). Depolama tankında
hemen hemen tüm uygulamalarda sıcak su tankın en üst noktasından alınırken soğuk
su tanka en alttan verilir. Bu da sıcak ve soğuk suyun iki ayrı tabaka oluşturmasına
sebep olur. Değme noktalarında ise ince karma bir tabaka daha oluşur.
Tabakalaşmanın miktarı; tankın hacim ve konfigürasyonuna, büyüklüğe, giriş ve
çıkış suyunun yerleşimi ve dizaynına, akışın giriş ve çıkış yönüne ve yüklemenin
(depolama için) süresi depolama ve geri kazanma periyotlarına bağlıdır.
Tabakalaşmanın kırılması ve depolanan enerjinin dağılması şu faktörlerce
bağlıdır:
¾ Dış ortama doğru ısı kayıpları
9
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
¾ Sıcak ve soğuk tabaka arasındaki ısı iletimi
¾ Tankın dikey yüzeylerine doğru ısı iletimi
¾ Yükleme ve geri kazanma periyotlarında tabakaların karışması
Şekil 1.4. Isıl tabakalaşma tankı, akışkanın giriş ve çıkış pozisyonuna bağlı
tabakalaşma tank dizaynı (Shimizu ve Fujita, 1985)
Şekil 1.4.’te ısıl tabakalaşma, iyi ve kötü dizayn edilmiş tabakalaşma tankları
görülmektedir.
Isıl tabakalaşmayı kullanan depolama tankları (su tankları) enerjinin kısa
süreli olarak korunması için geniş ölçüde kullanılmakta olan etkin sistemlerdir. Su
tanklarının etkinliği üzerinde tank içindeki stratifikasyon önemli bir rol
oynamaktadır. Bu yöntem özellikle güneş enerjisi sistemleri ve atık ısının
değerlendirilmesi uygulamalarında kullanılmaktadır ((Dharuman ve ark. (2006),
Ibanez ve ark. (2006)).
Depolama tankı içinde farklı sıcaklıklarda su bulunması ısıl tabakalaşmayı
arttırır, çünkü su sıcaklığındaki değişim suyun yoğunluğunda da bir değişime sebep
olur ve ağırlıktaki farklılık sonucu sıcak su üstte, soğuk su alt katmanda toplanarak
ısıl tabakalaşmaya sebep olur. Bu tabakalaşma olayı depolama tankının verimini
arttırmak için kullanılabilir. Üst katmanın sıcaklığından daha düşük sıcaklıkta
depolamaya devam edildiğinde, depolanan ısı daha düşük sıcaklıktaki alt katmanda
birikmekte ve bu katmanı da ısıtmaktadır. Böylece depolama tankından ısıl doluluk
10
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
bakımından daha yüksek verim elde edilebilmektedir. Rosen (2001) stratifikasyon
gösteren tankların ekserjisinin tamamen karıştırılmış tankların ekserjisinden daha
yüksek olduğunu göstermiştir.
Mesken, ticari ve endüstriyel amaçlı binalarda duş, çamaşır, bulaşık ve diğer
temizlık amaçlı kullanım suyunun sıcaklığının 60 °C’den küçük olması istenir. Bu
değer bir çok ülkede 50 °C civarındadır (Dharuman ve ark., 2006).
Gizli ısı depolama yöntemlerinde kullanılan FDM’ler izotermal sıcaklıklarda,
yüksek ısı depolama yoğunluğunda enerji depolama olanakları sağlamaktadır. Isıl
tabakalaşma ile depolanan ısı duyulur ısıdır. FDM modüler ısıl tabakalaşma kullanan
sistemlere eklemlenerek tankın üst bölümündeki sıcak su bölümünde fazladan ısı
depolamaya olanak tanır. Stratifikasyonlu tanklarda FDM kullanımıyla tankın sıcak
su toplanan üst bölümünde depolama kapasitesi ve performansı arttırılabilmektedir.
Bu sistemde tabakalaşmayı kullanarak yapılan depolamaya müdahale edilmemekte
ancak daha yüksek depolama yoğunluğuna ulaşılmaktadır (Mehling ve ark.(2003),
Cabeza ve ark.(2006)).
Tabakalaşma sonrasında farklı sıcaklık ve yoğunluktaki ısı tabakaları arasında
dikey yöndeki ısı transferi oldukça küçüktür. Bu durum üst katmanda yer alan sıcak
su ile alt katmandaki soğuk suyun kısa sürede ısıl dengeye gelmesini engellemekte ve
bu yolla üst katmandaki sıcak suyun soğuması geciktirilerek daha uzun süreli
depolama olanağı sağlanmaktadır. FDM kullanılan uygulamalarda üst katmandaki
sıcak bölmede yer alan FDM modüller; sıcaklığın FDM’in erime aralığının altına
düşmesini engelleyerek daha uzun süreli depolama olanağı tanır. Sıcak su kullanım
amacıyla sistemden çekildiğinde sisteme yeni giren soğuk suyun sıcaklığı FDM’in
donması esnasında salınan ısıyla bir miktar arttırılır.
1.2. Enerji Depolama Sistemlerinin Yapısal Bileşenleri
Genel olarak enerji depolama sistemlerinin en önemli yapısal bileşenleri:
¾ Isı depolama ünitesi
¾ Isı toplama ünitesi
¾ Isı değiştirici
11
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
¾ Depolanan ısının kullanılacağı ortam
¾ Yardımcı enerji kaynağı
¾ Kontrol sistemi
olarak belirlenmiştir (Abhat, 1983) .
TED sistemlerinin uygulanabilir olması için bazı kriterlere uygunluk
göstermelidirler. Bu kriterler şu şekilde sınıflanabilir:
Teknik kriterler;
¾ Depolama kapasitesi
¾ Sistemin ömrü
¾ Büyüklüğü
¾ Fiyatı
¾ Verimliliği
¾ Güvenliği
¾ Kurulumu ve
¾ Çevresel standartlara uygunluk şeklindedir.
Çevresel kriterler;
¾ Temel tasarım
¾ Maddeler
¾ TED için kullanılan işletim elemanları halk sağlığı ve doğal ortam üzerinde
ters etkiler yaratılmalıdır (Dinçer ve Rosen, 2002)
Ekonomik kriterler;
¾ Mevcut sistemlerle rekabet edebilmeli
¾ Geri ödeme zamanı kısa olmalı
¾ Depolamanın maliyeti düşük olmalıdır
12
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
Tüm bu kriterler değerlendirildiğinde ısı depolama sistemlerinin şu özellikleri
göstermesi beklenir;
Bir ısı depolama sisteminde;
¾ Isı depolama materyalinin birim kütle veya hacmi için ısı depolama kapasitesi
yüksek olmalıdır.
¾ Isı depolama materyali arzulanan çalışma aralığında kullanılabilir olmalıdır.
¾ Isıyı depolama ve geri kazanma etkinliği yüksek olmalıdır.
¾ Sistemde depolanan ısı bütünüyle geri kazanılabilmelidir.
¾ Depolama ünitesinin sıcaklığı tek düze olmalıdır.
¾ Isı depolama ve geri kazanma etkinliğinde azalma olmaksızın, çok sayıda
depolama ve geri kazanma çevrimi gerçekleştirilebilmelidir.
¾ Isı depolama materyali korozif, toksik etkili ve yanıcı özellikte olmamalıdır.
¾ Tesis ucuz ve kullanım süresi uzun olmalıdır (Lane, 1983).
1.3. Gizli Isı Depolama Sistemleri
Gizli ısı depolama yöntemleri kısaca sabit bir sıcaklık aralığında eriyen ve
donan maddelerin erime gizli ısılarına ısı depolama için başvurulması teknikleridir.
Onun için bu tekniğe ergime ısısını depolama tekniği de denilebilir. Gizli ısı
depolama ifadesi aynı zamanda maddelerin depoladıkları ısı içinde kullanılır
(Lane(1983), Kauranen ve ark. (1991),).
Değişik ısı depolama teknikleri arasında, gizli ısı depolama teknikleri yüksek
enerji depolama kapasiteleri ve faz değiştirme sıcaklığındaki sabit bir sıcaklıkta ısıyı
depolayabilme yönleriyle tercih edilen sistemlerdir. FDM konusundaki çalışmalar ve
uygulamalar son 20 yılda gelişmiştir (Zalba ve ark., 2003). Ancak 40 yıla yakın bir
süredir tuz hidratları, parafinler, yağ asitleri ve organik ve inorganik maddelerin
ötektikleriyle ilgili çalışmalar yürütülmektedir (Farid ve ark. (2004), Sarı ve ark.
(2001), Buddhi ve ark. (1988), Dimaano ve ark. (2002)). Tarihsel süreçteyse FDM’li
ilk uygulama 1800’lü yıllarda İngiliz demir yollarının trenlerde soğuk kış aylarında
yolcuların oturaklarını sıcak tutmak için kauçuk ya da metal paketlerde
13
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
sodyumtiyosülfat pentahidart (e.n: 44,5°C) kullanmasıdır. Dünyadaki ilk deneysel
uygulama ise Dr. Telkes’in bina için FDM kullanmayı amaçlayan çalışmasıdır (Lane
(1983), Dinçer ve Rosen (2002)). Ayrıca buz depolama tekniği de yüzyıllardır
bilinen bir yöntemdir.
Bu gün ise FDM kullanılarak yapılan; ısıtma, soğutma, sıcak su eldesi, çeşitli
materyallerin sabit sıcaklıkta taşınması v.b. gibi birçok uygulama bilinmektedir (Sarı
(2002), Cabeza ve ark. (2006), Feldman ve ark. (1986), Başçetinçelik ve ark. (1996),
Zalba ve ark. (2003), Paksoy ve Mazman (2000)).
Gizli ısı depolamasının gücü, katı maddelerin ergitilmesi için birim ağırlık
başına gereken ısının fazla olmasından gelmektedir. FDM tamamen ergitildikten
sonra eklenen fazla ısı FDM’in sadece duyulur ısısını arttırır (Dinçer ve Rosen,
2002). Gizli ısı depolamanın diğer tekniklere göre bazı üstünlükleri şunlardır:
¾ Duyulur ısı depolamaya göre ısı depolama kapasitesi yüksektir ve ısı deposu
hacmi daha küçüktür.
¾ FDM birim kütlesinin ısı depolama kapasitesi yüksektir.
¾ FDM’lerin faz değiştirme sıcaklıkları, sabit sıcaklıkta depolama ve geri
kazanma için uygundur.
¾ Sabit sıcaklıkta ısı gerektiren uygulamalar için uygundur.
Bu avantajlarına karşılık özellikle ticari değeri olan inorganik maddeler açısından
bazı sıkıntılar bulunmaktadır. Bunlar:
¾ Uygulama
alanlarında
gereksinim
duyulan
sıcaklık
aralığında
kullanılabilecek inorganik FDM sayısı azdır.
¾ Uzun kullanımlarda kararlılık göstermemektedirler. Sistemde en yüksek
faydayı sağlamak için kullanım sayısını azaltmak gerekebilmektedir.
¾ Kapsüllendiklerinde kapsülden çok yavaşta olsa salınmaktadır. Bu da termal
özelliklerinin değişmesine sebep olmaktadır (Dinçer ve Rosen, 2002).
14
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
1.3.1. TED Uygulaması Olarak Gizli Isı Depolamanın Temel Gereksinmeleri
0-120 °C aralığında gizli ısı depolama; alan ısıtma, evsel sıcak su üretimi, ısı
pompalı alan ısıtma, sera ısıtma ve çeşitli soğutma sistemleri gibi bir çok uygulama
alanı bulmaktadır (Abhat(1983), Mazman ve ark. (1999), Dikici ve ark. (2000),
Paksoy ve ark. (2000a), (2000b), Mazman ve ark. (2004)) . Gizli ısı TED
uygulamalarını anlamak için sistemin çalışmasını, ısı dönüştürücülerini, depolama
maddelerinin erime gizli ısısının ne olduğu ve nasıl kullandığını anlamak
gerekmektedir (Diçer ve Rosen, (2002).
Herhangi bir ısı depolama ünitesi pasif bir sistemde en az iki aktif bir
sistemde en az üç bileşeni içermek zorundadır:
¾ Isı Depolama Maddesi: Uygulanan sıcaklık aralığında sisteme verilen ısı,
katı-sıvı faz değişimiyle ergime gizli ısısı olarak depolanır
¾ Isı depolama maddesinin konulacağı depo ortamı
¾ Sistemde gerekli ısıl dönüşümleri yapacak bir ısı düştürücüsü
Bu sistemin çalışması şematik olarak Şekil 1.2’de daha önce gösterilmiştir.
Şekil 1.5’te ise bu şematik gösterim örneklendirilmiştir. Burada güneş ışınımıyla
FDM erimekte (depolama) ve ısı taşıyıcı akışkan sitemde dolaşarak ısıyı almaktadır
(geri kazanma).
Şekil 1.5.’deki sistem sıcak su elde etmek için düşünülmüştür. İki adet
borudan oluşan boruların arasındaki boşluğa FDM doldurulan sistemde güneş
ışınımı, geçirgen dış örtü tarafından soğurulur ve FDM’e ısı geçişi olur. Isı geri
kazanımı süresince FDM tarafından depolanmış ısı içteki borudan akan suya geçer.
15
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
FDM
Şekil 1.5. Aktif bir sistemde gizli ısı depolamanın şematik görünümü ( Sokolov ve
Kezman, 1991)
Maddelerin erimesiyle gizli ısı şeklinde depolanan enerji donma süreciyle
aldığı ısıyı vermektedir. FDM’nin eritilmesi ve dondurulmasıyla depolama ve geri
kazanma bir ısı değiştiricisiyle sağlanmaktadır. Şekil 1.5. ısı değiştiricisine ve bu tür
bir depolama sistemine örnek olarak verilmiştir. Başka tür bir ısı dönüştürücüsü de
Şekil 1.6’da görülmektedir.
Faz değiştiren maddeler genellikle dış yüzeyi ince küçük hacimli küre,
silindir veya küp şeklindeki kaplara doldurulmaktadır. Küçük kaplara doldurmayla
erime kolaylaştırılır ve çok sayıda ısı depolama ve geri kazanma çevrimi
gerçekleştirilebilir. FDM ile doldurulmuş PVC tüpler depo ortamına yatay ve dikey
olarak yerleştirilebilir.
16
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
Şekil 1.6. FDM depolama üniteleri ( Buchlin, 1989)
1.3.2. FDM Seçiminde Ölçütler
0–120 °C sıcaklık aralığında yüksek ergime ısısıyla ergiyen çok sayıda
organik ve inorganik materyal bulunmaktadır. Bu materyallerden gizli ısı depolama
amacıyla yararlanılabilmesi için termodinamik, kinetik ve kimyasal yönlerden belirli
özelliklerin bulunması gerekir. Ayrıca maliyet ve çok miktarda bulunabilirlik dikkate
alınmalıdır.
Depolama için FDM seçiminde; ergime noktası, faz diyagramları, toksik etki,
kimyasal kararlılık, korozif etki, yanıcılık, emniyet ve maliyete ilişkin özellikler göz
önünde bulundurulmalıdır.
Gizli ısı depolanmasında kullanılacak her materyalin termo-fiziksel
özelliklerinin belirlenmesi için laboratuar testlerinden geçirilmesi gerekir. Laboratuar
testlerinde materyalin termo-fiziksel özellikleri (ergime sıcaklığı, entalpi, özgül ısı,
ısıl iletkenlik) ve ısı depolama açısından diğer özellikleri (tekrarlanan ısıtma soğutma
çevriminde materyal özelliklerinin kararlılığı, aşırı ısınma ve soğuması) belirlenir.
Bazı depolama materyalleri için sıcaklıkla entalpi değişimi de önemlidir. FDM’lerin
ergime ve donma ısılarının belirlenmesi için başlıca iki ölçme tekniğinden
yararlanılır. Diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ile belirlenen termogramlar
incelenerek örnek materyalin ergime ve donması süresince faz değiştirme
sıcaklıkları, ergime ve donma ısıları ve sıcaklığa bağlı olarak özgül ısı değişimine
ilişkin belirli değerler saptanır. Isıl analiz (TA) tekniğinde, örnek materyalin ergime
ve donma süresince sıcaklık-zaman (T-t) diyagramları veya ısınma-soğuma eğrileri
17
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
belirlenerek materyale veya materyalden ısı geçiş hızlarındaki değişiklikler saptanır
(Abhat, 1983).
1.3.2.1. Termodinamik Ölçütler
¾ Ergime noktası gereksinim duyulan sıcaklık aralığında olmalı
¾ Birim kütlesinin ergime ısısı yüksek olmalıdır. Böylece yüksek bir enerji
miktarı elde etmek için daha az depo maddesi kullanmak yetecektir
¾ Küçük hacimdeki depolara yerleştirilebilmesi için yoğunluğu yüksek
olmalıdır
¾ Isıl iletkenliği yüksek olmalıdır. Böylece depo maddesine ısı, doldurulması ve
geri kazanılması için gerekli sıcaklık aralığı küçük olacaktır
¾ Materyal tamamıyla ergiyerek tekdüze (düzgün) ergime göstermelidir. Aksi
durumda sıvı ve katı fazlar arasında yoğunluk farkı oluşursa, faz ayrışması
gerçekleşir ve materyalin kimyasal yapısı değişir
¾ Faz değiştirme sonucunda hacim değişimi az olmalıdır. Böylece basit bir
depo ve ısı dönüştürücüsü kullanılabilir
18
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
1.3.2.2. Kinetik Ölçütler
Donma sırasında çok az aşırı soğuma etkisi göstermeli yada hiç
göstermemelidir. Eriyiğin kristallenmesi maddenin termodinamik donma noktasında
olur. Bunun başarılı olabilmesi için çekirdekleşme hızı yüksek ve kristal oluşum hızı
büyük olmalıdır. Aşırı soğuma çekirdekleştirici eklenerek engellenebilir.
1.3.2.3. Kimyasal Ölçütler
¾ Kimyasal özellikleri değişmemelidir (Kimyasal kararlı olmalı)
¾ Kullanım süresinin uzun olması için kimyasal bozunmaya uğramamalıdır
¾ Depo malzemesi için korozif etkide olmamalıdır
¾ Yanıcı, zehirli ve patlayıcı özelliklerde olmamalıdır
1.3.2.4. Teknik Ölçütler
¾ Basitlik
¾ Uygulanabilirlik
¾ Etkinlik
¾ Sistemlere uygunluk
¾ Güveniliklik
1.3.2.5. Ekonomik Ölçütler
¾ Bol miktarda bulunmalıdır
¾ Pahalı olmamalıdır (Abhat, (1983), Dinçer ve Rosen,(2002)
Bu sınıflama Lane (1983) tarafından çizelge 1.1.’de ifade edilmiştir;
19
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
Çizelge 1.1. Uygulamada Kullanılacak FDM’lerin Taşıması Gereken Özellikler
(Lane, 1983).
Termal Özellikler
Fiziksel özellikler
Kinetik Özellikler
Kimyasal özellikler
Ekonomi
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Uygun faz dönüşüm sıcaklığı
Yüksek ergime gizli ısısı
İyi ısı transferi
Uygun faz dengesi
Düşük buhar basıncı
Düşük hacim değişimi
Yüksek yoğunluk
Aşırı soğuma göstermeme
Yeterli kristalleşme hızı
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Uzun süreli kimyasal kararlılık
Yapı malzemelerine uygunluk
Toksik olmama
Yanıcı olmama
Kimyasal sıkıntı yaratmamalı
Bol,
Bulunabilir
Ucuz olmalı
1.3.3. FDM’lerin Özelliklerinin Değerlendirilmesi
FDM’ler
değerlendirilirken
erime/donma
süreçleri,
aşırı
soğuma,
çekirdekleşme, ısıl çevrim boyunca kararlılık, paketlenebilme ve sisteme uygunluk
kriterlerinin anlaşılması gerekmektedir.
1.3.3.1. Erime / Donma
Birçok FDM sadece erime/donma özelliklerinden dolayı kullanıma uygun
değildir. Bazılar düzensiz (inkongruent) donarken bazılarının kristal oluşum hızları
çok düşüktür. Bu problemleri indirgemek için ortama çeşitli çekirdekleştiriciler
eklenir ki bunlarda depo ortamında fazladan bir hacim ve hem erime aralığında hem
de erime ısısında değişime sebep olurlar.
20
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
1.3.3.2. Aşırı Soğuma
Özellikle inorganik tuz hidratlarında (hidrate olmuş tuzlar) görülen bu sorun
donmanın donma noktasının aşılmasına rağmen gerçekleşmemesidir. Bu da sistem
tasarlanırken beklenen sıcaklık bölgesinin aşılması ve depolanmanın istenmeyen bir
sıcaklık aralığında gerçekleşmesi anlamına gelmektedir.
1.3.3.3. Çekirdekleşme
Aşırı
soğuma
ortama
FDM’ile
benzer
kristal
örgüde
bir
madde
çekirdekleştirici olarak eklenebilir. Yalnız eklenecek çekirdekleştiricinin bazı
özelliklere sahip olması gerekmektedir. Bunlar:
¾ Erime aralığı çalışılan (sistemin çıkacağı en yüksek) sıcaklık değerinin
üstünde olmalı
¾ Su da hiçbir sıcaklıkta çözünmemeli
¾ Tuz hidratlarıyla bir katı çözelti oluşturmamalı
¾ Birlikte kullanıldığı tuz hidratıyla aynı kristal örgüde olmalı
¾ Tuz hidratlarıyla kimyasal tepkimeye girmemelidir
1.3.3.4. Isıl Çevrim Boyunca Kararlılık
Birçok madde ısıl çevrimler (erime/donma) sonucunda kararlılığını kaybeder.
Örneğin Lane (1988)’de yaptığı bir çalışmada normalde beyaz renkli palmitik asitin
95°C’den 20°C’ye ısıl çevriminde 21. çevrimden sonra rengin sarardığını ve erime
aralığının 2 °C düştüğünü kaydetmiştir. Aynı araştırmada proponiamid-palmitik asit
(%25.1-74.9) ötektik karışımın aynı deneyde renginin önce sarardığı sonra turuncu
ve en son siyah renge döndüğü belirtilmektedir.
21
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
1.3.3.5. Paketlenme ve Sistem Bileşenlerine Uygunluk
Sistemde kullanılacak FDM’lerin ısı transferinde etkin olmaları ve sisteme
uygun şekilde (akmayacak, bozulmayacak, sisteme bulaşmayacak v.b.) eklenmesi
için paketlenmesi gerekmektedir. Uygulamada FDM’ler çelik kaplar, plastik şişeler,
polietilen ve polipropilen şişeler, yüksek yoğunluklu polietilen borular, esnek
paketleme filmleri ve plastik tüplere koyularak sisteme eklenir. Ayrıca mikro
kapsülleme ya da jel içinde hapsetmeyle FDM’nin polimer yapı içinde sisteme
eklenmesi mümkündür (Özonur ve ark. (2005), (2003), Gök ve ark. (2005))
Uygun paketleme şekli seçilirken FDM’lere uygunluk göz önünde
bulundurulmalıdır. FDM’nin koyulacağı ortam üzerine olası etkileri; korozif olma,
kimyasal tepkimeye girme ya da materyalden dışarı sızma şeklinde olacaktır.
Örneğin inorganiklerin korozif olduğu, organiklerin organik kapları yumuşattığı
bilinmektedir. Depo ortamı seçimi bu kriterle göz önünde bulundurularak
yapılmalıdır.
1.3.4. Isı Değiştiricisi Seçimi
Aktif sistemlerde güneş toplaçlarından FDM’e ve daha sonra FDM’den ısının
yararlanılacağı ortama ısı geçişi için bir ısı değiştiricisi kullanılır. Isı değiştiricisi ve
FDM arasında ısı geçişi için ayrı bir ısı taşıyıcı akışkan gerekir. Birçok FDM’in ısı
iletimi düşük olduğundan büyük ısı değiştirici yüzeylerden faydalanılır. Gizli ısı
depolama sistemlerinde kullanılacak ısı değiştiricilerinin bazı gereksinmelerinin
karşılanması gerekir (Kakaç ve Ark,.1989). Bu gereksinimler:
¾ Isı depolama ve geri kazanma işlemlerinin hızlı bir şekilde sürdürülebilmesi
için ısı geçirme etkinliği yüksek olmalıdır
¾ Isı depolama ve geri kazanmada sıcaklık farkı çok az olmalıdır
¾ Isı yayma etkinliği yüksek olmalıdır
22
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
1.3.5. FDM’lerde Isıl Iletkenlik
FDM olarak kullanılacak maddelerin yüksek ısıl iletkenliğe sahip olması
gerekir (Farid ve ark., 2004). Ancak FDM’lerin ısıl iletkenliği ısı değiştirici ve ısı
transfer akışkanı arasında etkin bir transfer yapabilecek bir ısıl iletkenliğe sahip
değildir. Bu yüzden ısıl iletkenliğin arttırılası gerekmektedir (Fukai ve ark.(2004), Py
ve ark.(2001), Cabeza ve ark.(2002)).
Isıl iletkenliği arttırmak için çeşitli uygulamalar yapılamaktadır. Bunlar;
metal plakalar ekleme, FDM’yi bir metal yapı içine ekleme, FDM içine yüksek ısıl
iletkenlikte toz maddeler karıştırma, FDM’yi mikrokapsülleme, FDM-grafit
karışımları hazırlama v. b. yöntemlerdir (Chow ve ark. (1996), Xiao ve ark. (2002),
Fukai ve ark. (2002), Zalba ve ark. (2003), Mulligan (1996)).
Gizli ısı depolama sisteminde faz değişimi sırasında katı-sıvı yüzeyi ısı
transfer yüzeyinden uzaklaşır. Bu yüzeyin kalınlığı arttıkça artan ısıl dirençten dolayı
yüzeydeki ısı akışı düşer. Donma sürecinde sadece iletim (kondüksiyon) yoluyla ısı
transferi olur ve bu çoklukla oldukça düşüktür. Erimedeyse doğal taşınım
(konveksiyon) yoluyla ısı taşınır. Bu durum erimede ısı transfer hızının donmaya
göre daha hızlı olmasına neden olur. Ancak uygulamada FDM üzerinden
gerçekleşecek ısı transfer hızı sistemin etkin olması için yeterli değildir. Sistem
etkinliğinin arttırılması için mutlaka bazı teknikler kullanılmalıdır (Cabeza ve ark.
(2006), Mehling ve ark. (2003).
Görüldüğü gibi FDM kullanan sistemlerde FDM’lerin düşük ısıl iletkenliği en
önemli problemlerden biridir. Düşük ısıl iletkenlik ısı dopolama esnasında ısı
depolama ve geri kazanma zamanını arttırmakta ve ısı depolama etkinliğini
düşürmektedir (Abhat (1983), Mehling ve ark. (2000), Lane (1980), Cabeza ve ark.
(2002), Py ve ark. (2001)). Bu sorunu aşmak için ortama ısıl iletkenliği arttıracak
materyaller eklenmektedir. Isıl iletkenliği arttırmakla ilgili bir çok yöntem üzerinde
çalışmalar yapılmaktadır. Ortama farklı formlarda grafit eklenmesi ısıl iletkenliği
arttırmak için bir çok araştırıcı tarafından önerilmekterdir (Chow ve ark. (1996),
Xiao ve ark. (2002), Fukai ve ark. (2002), Zalba ve ark. (2003), Mulligan (1996),
23
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
Cabeza ve ark. (2002), Py ve ark. (2001), Cabeza ve ark. (2006), Mehling ve ark.
(2003) ).
1.4. Faz Değiştiren Maddelerin Sınıflandırılması
Kolayca anlaşılacağı gibi tek başına hiçbir materyal ısı depolama açısından
istenilen özellikleri karşılayamamaktadır. Bu yüzden FDM seçimi yapılırken
uygulama da gerekli sıcaklık aralıklarında faz değişimi göstermesine bakılır. 0–120
ºC aralığında sıcaklık değişimi gösterenler FDM olarak kullanılmaya adaydırlar
(Şekil 1.7.). Bunlar organik ve inorganik bileşikler ve onların karışımları şeklinde
gruplandırılırlar. Ve kendi içlerinde alt gruplara ayrılırlar:
Faz Değiştiren Materyaller
(Katı-Sıvı Değişimi)
İnorganikler
Ötektikler
Organikler
Bileşikler
Tuz Hidratları
Klarit Hidratları
Ötektikler
Diğer Bileşikler
Bileşikler
Parafinler
Yarı Klarit Hidratları
Parafin Olmayan Organikler
Yağ Asitleri
Diğer Organikler
Şekil 1.7. Faz Değiştiren Materyallerin Sınıflandırılması
Şekil 1.7.’de gösterilen FDM olmaya aday madde grupları FDM seçiminde
seçeneklerin çokluğunu göstermektedir. Ancak uygulamada her seçeneğin bazı
avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Bu yüzden seçenekler değerlendirilirken
çok temel bazı parametreleri göz önünde bulundurmak gerekir;
¾ Ergime ısısı
¾ Sıvı ve katı haldeki ısı kapasitesi
¾ Sıvı ve katı termal iletkenliği
¾ Sıvı ve katı yoğunluğu (Dinçer ve Rosen, 2002)
24
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
Bu belirteçler ilk aşamada önemlidir. Sonraki aşamalarda Bölüm 1.3.2 ve Bölüm
1.3.3.’te belirtilen ölçütler bütünlük içinde değerlendirilmelidir.
Organik bileşiklerle depolamada gerekli depolama hacminin fazla olması
(yoğunluğu düşük ve hacim değişimi yüksek olduğundan), organik maddelerin yanıcı
olması ve düşük ısıl iletkenlikleri gibi dezavantajlar olsa da, uygun olarak ergime
(kongruent), kendi kendine kristalleşebilme, aşırı soğumadan donabilme ve
geleneksel tasarım modelleriyle uygun olarak kullanılabilme gibi üstünlükleri
bulunmaktadır (Feldman e ark. (1986), Budhi ve ark. (1988), Lane (1983).
İnorganik FDM’ler grubunda bulunan tuz hidratları ısı depolama için uygun
ergime aralığı, ergime gizli ısısı ve düşük hacim değişimiyle tercih edilir
olduklarından çalışmalar bu alanda yoğunlaşmıştır. Çeşitli FDM’ler genel hatlarıyla
şu şekilde incelenebilir:
¾ Tuz hidratları
¾ Parafinler
¾ Parafin olmayan organikler ve bunların ötektikleri
1.4.1. Tuz Hidratları
M.nH2O ile gösterilirler (Çizelge 1.2.). M burada inorganik bileşiktir.
Hacimsel gizli ısı depolama kapasiteleri yüksek olduğundan depolama maddesi
olarak önemli bir yere sahiptirler. 0–150 ºC sıcaklık aralığında daha çok kullanılırlar.
Genellikle suda çözünebilen tuzları depolama amacıyla kullanılır. En önemli
özellikleri:
¾ Ergime gizli ısılarının yüksek olması
¾ Ergime – donma sonucunda hacim değişiminin az olması
¾ Organik FDM’lere göre ısıl iletkenliklerinin yüksek olması
şeklinde sıralanabilir.
Tuz hidratlarının kullanımındaki en önemli problem tuz hidratlarının çoğunun
inkongruent erimesidir. Tuz hidratları eriyerek sulu ve katı fazları doyururlar.
Yoğunluk farklılığı yüzünden katı faz dibe çöker ve deponun yüzeyinde toplanır. Bu
olay bozunma olarak isimlendirilir. Özel ölçümler alınmadıkça bu olay tersinirdir.
25
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
Donma sırasında katı faz orijinal tuz hidratını oluşturmak için doymuş çözeltiyle
etkileşmeye girmez. Bu da inkongruent erimeye neden olur. Önemli diğer bir
problemde zayıf çekirdekleştirme özelliklerinden dolayı sıvı tuz hidratlarının
donarken aşırı soğumasıdır.
Çizelge 1.2. FDM Olarak Kullanılabilen Bazı Tuz Hidratları
Tuz Hidratları
CaCl2. 6H2O
NaSO4. 10H2O
Na2S2O3. 5H2O
NaHPO4. 12H2O
Zn(NO3)2. 6H2O
Ba(OH)2. 8H2O
MgCl2. 8H2O
Ergime
Sıcaklığı
29,7
32,4
48,0
35,0
36,4
78,0
116,0
Ergime ısısı
171
254
201
281
147
267
165
Yoğunluk
(kg/dm3)
1,710
1,485
1,730
1,520
2,065
2,180
1,570
Özgül ısı
1,45
1,93
1,46
1,70
1,34
1,17
1,72
Uygun işlemlerle aşırı soğuma yok edilmeli yada en aza indirilmelidir. Bu amaç için
uygulanabilecek yöntemler şunlardır;
¾ FDM olarak kullanılacak maddenin kristallerine benzer bir kristal yapıya
sahip çekirdekleştiriciler kullanmak
¾ FDM içinde kristal aşısı kullanmak
¾ Pürüzlü metalik ısı değiştirici yüzeyi kullanmak tuz hidratlarında heterojen
çekirdekleşmenin oluşumunu sağlamakdır
1.4.2. Parafinler
Parafinler petrol türevleri olup, genel olarak CnH2n+1 şeklinde belirtilen ve
“alkan” olarak adlandırılan önemli bir bileşen içerirler. Parafin mumlarındaki alkan
içeriği genelde %75’den fazladır. Yaygın olarak bulunan oktadekan (C18H38) gibi saf
parafinler sadece alkanları içerir. Alkanların erime noktası karbon sayısının
artmasıyla artar. Karbon atomu sayısı 14-40 arasında olan alkanların ergime noktası,
6°C - 80°C aralığındadır. Ticari parafinlerin karbon atomu sayısı 8-15 arasıda
olabilir. Parafinler alkan zincirinin şekline bağlı olarak n-parafin veya izo-parafin
şeklinde olabilir. Doymuş hidrokarbonlar grubunda olan Parafinler içerisinde benzer
özelliklerdeki bileşikler yer alır. Metan’dan pentan’a kadar olan serideki ilk beş
26
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
bileşik oda sıcaklığında ve atmosfer basıncında gaz halindedir, ancak bunların
molekül ağırlıklarının artmasıyla buharlaşma oranları azalır. C15H32 ve C5H12
arasındaki bileşikler sıvıdır. 15’den fazla karbon atomu bulunan bileşikler oda
sıcaklığında mum gibi katı durumdadır. Bunların ergime ısıları ve ergime noktaları
molekül ağırlıklarıyla artar. Böylece C14H30’dan C40H82’ye kadar olan seri içindeki
bileşiklerden birinin seçilmesiyle 6 ºC’den 80ºC’ye kadar değişen ergime
sıcaklığında ısı depolama için uygun parafin seçilebilir. Karbon sayısı çift olan
parafinler ucuz, bol ve kimyasal olarak kararlı olduklarından ısı depolama için tercih
edilirler. Isı depolama için kullanılacak bir materyalde istenilen fiziksel, kimyasal ve
termokimyasal özelliklere sahip olan parafinlerin, ısı depolama bakımından bazı
önemli üstünlükleri şöyle sıralanabilir:
¾ Maliyeti düşük ve bol miktarda mevcuttur
¾ Korozif ve toksik etkili değildir
¾ Ergime noktası sınırları geniştir
¾ Ergime gizli ısıları yüksektir
¾ Hızlı bir şekilde faz değiştirirler
¾ Kimyasal olarak kararlıdırlar
¾ Yoğunlukları düşüktür
¾ Kolay bir şekilde paketlenebilirler
¾ İhmal edilebilecek bir düzeyde aşırı soğuma gösterirler
¾ Kendi kendilerine kristalleşebilirler
1.4.3. Yağ Asitleri
Hayvansal ve bitkisel yağlar TED sistemlerine uygun erime aralıklarına sahip
organik maddelerdir. Yemeklik soya, ayçiçek ve zeytin yağı gibi ürünler büyük
oranda palmitik, stearik, oleik ve linoleik asit içerirler (Cedeno ve ark., 2001). Yağ
asitleri
parafin ve inorganik tuz hidratlarına alternatif olarak kullanılan
biomateryallerdir (Suppes ve ark., 2003). Son yıllarda yağ asitleri birçok araştırmada
FDM olarak kullanılmıştır. Genellikle soğutma uygulamalarında kullanılan yağ
asitleri içinde henüz ticari öneme sahip olanı yoktur (Zalba ve ark. (2003), Dimaano
27
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
ve ark. (2002), Cedeno ve ark. (2001), Sarı ve ark. (2001), (2002)). Yağ asitleinin
çoğu oda sıcaklığı veya altnda erime aralığına sahiptir ve bir birleriyle kolaylıkla
karışabilirler. Ayrıca ucuz, termal özellikleri iyi ve güvenilirdirler. Halen bu
konudaki çalışmalar daha çok yağ asitlerinin FDM olarak kullanılabilirliği ve
karışımlarıyla
bu
karışımların
ötektik
noktalarının
belirlenmesi
üzerinde
yoğunlaşmıştır (Sarı ve ark. (2001a), (2001b), (2003), Godolfo ve ark. (2003), Liu ve
ark. (2005), Zhang ve ark. (2001)).Çizelge 1.3. bazı yağ asidi örnekleri verilmiştir.
Çizelge1.3. Bazı Parafin Olmayan Organik Maddelerin Özellikleri
Yağ Asidi
Ergime
sıcaklığı (ºC)
31,5
42-44
63
70
Kaprik Asit
Laurik Asit
Palmitik Asit
Stearik Asit
Ergime Isısı
(kj/kg)
153
178
187
203
Yoğunluk
(kg/dm3)
0,886
0,870
0,847
0,941
Özgül Isı
(kj/kgK)
1,6
2,35
Isı İletimi
(W/mK)
0,149
0,147
0,165
0,172
Yağ asitleri yenilenebilir ergime ve donma özelliklerine ve çok az veya hiç
aşırı soğuma olmadan donma özelliğine sahip olduklarından FDM olarak uygun
özelliklere sahiptirler. En önemli olumsuzlukları maliyetlerinin parafinlerden 2-2,5
kez daha yüksek olmasıdır (Abhat, 1983).
1.4.4. Organik ve İnorganik Bileşiklerin Ötektikleri
Organik ve inorganik maddelerin Ötektik karışımları sabit erime-donma
noktasına sahip gizli ısı depolama maddeleridir. Maddelerin karışımlarında hem
erime aralığı, hem ergime gizli ısısı düşer. Ancak gene de bazı ötektikler kabul
edilebilir bir ergime ısısına sahiptirler. Ötektik karışımların kullanılmasının sebebi
kendi başına erime aralığı gereksinim duyulan bölgenin dışında olan maddelerin
erime aralıklarını (ergime ısısında kabul edilebilir bir düşüş oluğu sürece) FDM
olarak kullanılabilir bir bölgeye getirmektir. Hem organik hemde inorganik
maddelerin ötektik karışımları mevcuttur (Lane, 1983,) .
Organik
ve
inorganik
maddelerin
birbirine
göre
FDM
olarak
kullanılılabilirliklerindeki avantaj ve dezavantajları Çizelge 1.4.’te özetlenmiştir.
28
1. GİRİŞ
MUHSİN MAZMAN
Çizelge 1.4. Isı Depolama İçin Organik ve İnorganik Maddelerin Kıyaslanması
(Zalba, 2003)
r
Avantaj
Dezavataj
Organikle
Korozif değil
Düşük yada hiç aşırı soğuma
Kimyasal ve ısıl kararlı
Düşük ergime ısısı
Düşük ısıl iletkenlik
Yanıcılık
İnorganikler
Yüksek ergime ısısı
Aşırı soğuma
Koroziflik
Faz ayrışması
Kimyasal kararsızlık
29
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
MUHSİN MAZMAN
FDM kullanımı çalışmaları son otuz 30 yıl içinde hız kazanmış görünse de,
aslında bu tekniklerin ismi koyulmamış tarihi çok daha eskilere dayanır. Örneğin buz
depolama yüz yıllardır kullanılmaktaydı. Donan göl veya nehirlerden kesilen buz
kalıpları hem günlük evsel ihtiyaçlar için kullanılmakta, hem de sonraki ihtiyaçlar
için saklanmaktaydı. Aynı şekilde ötektik karışımlarda benzer amaçlarla on yıllardır
kullanılmaktadır. FDM için ilk büyük ölçekli uygulama ise İngiliz demiryollarının
yolcu konforu sağlamak için koltuklara FDM eklemesi olarak kabul edilir. Bu
uygulamada
erime
noktası
44.4°C
olan
sodyum
tiyosülfat
pentahidrat
kullanılmıştır(Dinçer ve Rosen, 2002).
Daha yakın bir zamanda NASA tarafından yapılan bir çalışmada; elektronik
ortamlar için ısıl kararalı bir ortam sağlamak amacıyla FDM kullanılmıştır (Dinçer
ve Rosen, 2002).
Bina uygulamalarında FDM kullanımı ilk olarak 1970’lerde Dr. Maria Telkes
tarafından üniversite içindeki bir binada denenmiştir. Bu çalışmada tuz hidratları
kullanılmıştır (Dinçer ve Rosen, 2002).
1970-1980 arasında bu konuda çalışmalar artmıştır. İlk çalışmalar daha çok
bu sistemi güneş enerjisi sistemlerinde kullanmak amaçlıdır. Bu çalışmalar sırasında
ticari değerde ilk ürün 27.2°C erime aralıklı bir FDM olup Dow Chemical tarafından
üretilmiştir (Dinçer ve Rosen, 2002).
1982’de Transphase System Inc. tarafından ötektik tuz hidratları kullanılarak
ticari soğutma amaçlı bir ürün geliştirilmiştir (Dinçer ve Rosen, 2002).
1990 sonrasındaysa ticari ve üniversite düzeyinde geliştirilen ürünler
artmıştır.
Sarı ve Kaygusuz (2002), Stearik, palmitik, miristik ve laurik asit yağ
asitlerini kullanarak uzun erime donma döngüleri boyunca gösterdikleri kararlılıkları
incelemiş, 0, 120, 560, 850 ve 1200 erime/donma çevrimi gerçekleştirmiş, belirtilen
aralıklarda alınan örneklerin DSC değerlerini belirlemiştir. Sonuçlara göre
erime/donma aralığı 0.07-7.87 °C, ergime gizli ısısı -%1 / -%27.7’lik bir değişim
30
MUHSİN MAZMAN
göstermekle birlikte değişim çevrim sayısına bağlı düzenli bir değişim şeklinde
değildir.
Sarı (2000)’nın çalışmasında stearik asit, palmitik asit ve %65.7 miristik +
%34.3 stearik asitten oluşan ötektik karışımın enerji depolayıcı madde olarak
kullanılabilirliğini incelemişlerdir. Burada kullanılan sistem; ısıl iletkenliği yüksek
(387 W/m°C) iç içe geçmiş iki bakır borudan ibarettir. İncelenecek faz değiştiren
madde iç içe geçmiş bu iki bakır borunun arasında kalan bölgeye, alanın 2/3’ünü
geçmeyecek şekilde yerleştirilmiştir. Isı taşıyıcı akışkan olarak kullanılan su içteki
bakır borunun içinden akıtılarak faz değiştiren maddenin erime ve donması
sağlanmıştır. Bir akış ölçer yardımıyla ısı taşıyıcı akışkan farklı hızlarda sisteme
gönderilmiş, farklı hız ve farklı sıcaklıklarda, sisteme yerleştirilen ısı ölçerlerle,
sistemin su giriş çıkış sıcaklığı, FDM olarak kullanılan maddelerin erime donma
periyodu kaydedilmiştir. FDM içine yerleştirilen ısı ölçerler radyan ve eksensel
yönde eşit mesafelerle yerleştirilmiş ve tüm ölçüm noktaları erime aralıklarının
üzerine çıktığında (eritme sürecinde) veya donma noktasının altına düştüğünde
(donma sürecinde) akış durdurulmuştur. Sistemin dışı 20 mm cam pamuğuyla izole
edilmiştir. Sonuçta bu maddelerin FDM olarak kullanım için uygun olduğu sonucuna
varılmıştır.
Sharma ve ark. (2002), ticari ölçekte (teknik) asetamid, stearik asit ve parafin
kullanarak 1500 erime/donma döngüsü gerçekleştirmiş ve bu döngüler boyunca
erime aralığı ve erime gizli ısısını kontrol edecek deneyler yapmışlardır. Sonuçta
stearik asitin çok geniş bir aralıkta eriyerek iki bölgede erime aralığı gösterdiği
belirlenirken, parafin ve asetamidin erime aralığında iyi ısıl kararlılığa ve gizli ısı
kapasitesine sahip oldukları kaydedilmiştir.
Dimaano ve Ark. (2002) soğutma uygulamaları için kaprik-laurik asit
karışımını kullanmış, önce farklı oranlarda (90:10, 70:30, 50:50) karışımlar
hazırlanarak DSC değerlerine bakılmıştır. DSC sonuçlarına Göre %65 mol kaprik
%35 mol laurik asit karışımı yüksek kararlık göstermesine rağmen erime noktası 18
°C olduğundan düşük sıcaklık uygulamaları için geliştirilmeye ihtiyaç duyduğu
belirlenmiştir. Erime aralığını daha aşağı çekmek için karışıma %10 oranında
pentadekan (e.n: 9.9°C) eklenmiştir. Ekleme sonrası düşük sıcaklıklarda soğutma
31
MUHSİN MAZMAN
amaçlı kullanılabilecek bir karışım elde edilmiştir. Bu çalışmada elde edilen
karışımın radyal ve aksiyal ısı dağılımı incelenmiştir.
Rabin ve ark. (1995) düşük sıcaklıkta güneş enerjisiyle su ısıtma için FDM
olarak tuz hidratlarını kullanarak güneş kolektörü-FDM sistemi tasarlamıştır.
Kollektör içine yerleştirilmiş FDM’lerin güneş enerjisi kullanılarak ergitilmesiyle
depolanan enerji, ısı taşıyıcı akışkan olan soğuk suyun sistemde dolaşımı sırasında
geri kazanılmaktadır. Burda FDM kollektör içine yerleştirilmiştir.
Dutre (1991), Parafini FDM olarak kullanıp güneş enerjisiyle alan ısıtma ve
sıcak su elde etmeyle ilgili çalışmalar yapmıştır
Sari (2003) güneş enerjisi sistemlerinde ısıtma amaçlı kullanılabilecek
miristik ve palmitik asit ötektik karışımıyla çalışmıştır. Ötektik karışımın erime
sıcaklığı 42,6°C olup %58 miristik asit içeriklidir.
Feldman ve ark. (1986), farklı yağ asiti karışımları hazırlayarak bunların ısı
depolama açısından özelliklerini incelemiş ve yağ asitlerinin alan ısıtma için FDM
olarak önerilebileceğini belirtmiştir. Bu çalışmada kullanılan yağ asidi karışımlarının
(Kaprik, laurik, palmitik ve stearik) erime aralıkları 30 ºC’den 65 ºC’ye ergime gizli
ısıları 153 j/g ‘dan 182 j/g’a kadar çeşitlilik göstermiştir. Ayrıca bu çalışmada yağ
asitlerinin ikili karışımlarının ötektik noktalarıda belirlenmiştir.
Cedeño ve ark. (2001), palmitik, stearik, oleik asit ve bunların ikili
(palmitik/stearik, palmitik/oleik, oleik/stearik) ve üçlü (palmitik/oleik/stearik)
karışımlarını hazırlayarak bu karışımların erime aralıklarını ve erime ısılarını
belirlemişlerdir.
Buddhi ve ark. (1988) starik, miristik asit, naftalin ve parafinin güneş
ısıtıcılarında kullanım imkanlarıyla ilgili bir araştırma yapmış ve özellikle fiyat
avantajlarından dolayı yağ asitleri üzerinde durmuştur.
Kauranen (1991) farklı oranlarda yağ asiti karışımları hazırlayıp özelliklerini
çizelgelerde göstermiştir. Çizelge 2.1 bu karışımları göstermektedir.
32
MUHSİN MAZMAN
Çizelge 2.1. Yağ Asidi Karışımları ( Kauranen ve ark., 1991)
Karışım
Ağırlıkça % Bileşim
Kaprik- Laurik (61,5-38,5)
Erime aralığı
(ºC)
19.1
Erime ısısı
kJ/kg
132
Kaprik – Miristik (73,5-26,5 )
Kaprik-Palmitik (75,2-24,8 )
Kaprik-Stearik (86,6-13,4 )
Laurik- Miristik (62,6-37,4)
Laurik- Palmitik (64,0-36,0)
Laurik-Stearik (75,5-24,5 )
Miristik- Palmitik (51-49)
Miristik- Stearik 65,7-34,3 %
Palmitik - Stearik (64,9-35,1)
21
22
27
32.6
32.8
37
40
44
50
152
153
160
156
165
171
174
181
179
Kaynak
P.
Kauranen,
K.Peippo,
P.D.
Lund, 1991
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
Diğer araştırıcılar tarafından verilen bazı diğer yağ asidi karışımı bilgileri
Çizelge 2.2.’de görülmektedir.
Çizelge 2.2. Yağ Asidi Karışımları
Karışım
Ağırlıkça % Bileşim
Kaprik
-Laurik(65-35
%mol)
+pentadekan (90-10)
Kaprik -Laurik(%65 %35 mol)
Kaprik -Laurik(45-55)
Miristik-Kaprik (34-66)
Miristik-Palmitik (58-42)
Asetamid / stearic acid
Erime aralığı Erime ısısı
(ºC)
kJ/kg
13.3
142.2
Dimaano, 2001
18
21
24
42.6
65
Zalba, 2002
Zalba, 2002
Lane,1980
Sari, 2003
Lane, 1983
148
143
147,7
169.7
218
Kaynak
Cabeza ve ark. (2002), düşük sıcaklık uygulamaları için FDM kullanımı ve
kullanılan FDM’lerin ısı transfer özelliklerinin geliştirilmesi üzerine çalışmıştır.
Rubiterm RT5 (e.n:7 °C), su (e.n: 0°C) ve potasyum hidrojen karbonat (suda % 17
KHCO3 e.n:-6°C) kullanılmıştır. Bu maddelerin ısı trasfer özelliklerini geliştirmek
için ortama sırasıyla paslanmaz çelik, bakır ve grafit eklemiş ve ısı transferinin
değişimini incelemiştir. Sonuçta en iyi ısı transferinin grafit karışımı kullanıldığında
elde edebildiğini rapor etmiştir.
Mehling ve ark. (1999), FDM olarak kullanılacak maddelerde önemli bir
problem olan düşük ısı iletkenliği üzerine çalışmışlar ve FDM’in ısıl iletkenliğini bir
destek madde üzerinden gerçekleştirerek yeni bir teknik geliştirmişlerdir. FDM grafit
içine emdirilerek ısıl iletkenliğin önemli oranda geliştirildiğini rapor etmişlerdir.
Çalışmalarında grafitin %80 oranında FDM absorplayabildiği ve 0.2-0.5 (W/mK)
33
MUHSİN MAZMAN
dolayında olan FDM ısıl iletkenliğini, grafitin hacimsel yoğunluğuna bağlı olarak 2530 (W/mK) kadar çıkardıklarını ve buna karşılık gizli ısı depolama kapasitesindeki
azalışın sadece % 20 civarında olduğunu rapor etmişlerdir.
Mehling ve ark. (2003), güneş enerjisi depolama sistemlerine FDM modüller
ekleyerek kayıp ısıları depolamayı hedeflemişlerdir. Güneş enerjisi depolama
konusundaki en temel noktalardan biri olan stratifikasyonun depolama için
kullanılması hedeflenmiş bu amaçla güneş enerjisi depolama tankının en üst kısmına
FDM modüller yerleştirmişlerdir. Tankın toplam hacminin 1/16’si kadar FDM en
üste yerleştirilmiş olup FDM’in temas ettiği suyun toplam hacme oranıysa 3/16
olarak belirtilmiştir. Stratifikasyonla eritilen FDM’in temas halinde olduğu suyun
sıcaklığını FDM’siz duruma göre %50 ile %200 arasında daha uzun süre tuttuğunu
ve ortalama enerji yoğunluğunu %20 ile %45 arasında arttırdığını kaydetmişlerdir.
3/16’lik suyunda yalnız 20 dakika donma sürecinde FDM tarafından ısıtılabildiği
kaydedilmiştir. Çalışma bu konuda deneysel ve matematiksel veriler içermektedir.
Xiao ve ark. (2002), termoplastik elastomer içine parafin emdirmiş ve bu
yolla FDM’nin ısıl iletkenliğini arttırmaya çalışmışlardır. Bu şekilde hazırlanmış
FDM’ye grafit eklendiğinde ısıl iletkenliğin önemli oranda arttığını kaydetmişlerdir.
Cabeza ve ark. (2006) güneş enerjisiyle su ısıtma sistemleri için tasarlanmış
depolama tankında FDM kullanarak depolamaya katkıda bulunmaya çalışmışlardır.
Çalışmada sodyum asetat (üç sulu) kullanılmış olup depolama ve geri kazanma
verimini arttırmak için ısıl iletkenlik arttıracak şekilde FDM-grafit karışımı
hazırlanmıştır. İbanez ve ark. (2005) yaptıkları çalışmada Cabeza ve ark. (2006)’nın
yaptıkları yukardaki çalışmada elde ettikleri verileri kullanarak deneysel verim
hesapladıktan sonra TRNSYS proğramı kullanılarak tankın enerji depolama etkinliği
teorik olarak hesaplamışlardır. Sonuçta deneysel verilerle teorik veriler uygunluk
göstermektedir.
IEA, ECES IA Annex 17, “Advanced thermal energy storage through phase
change materials and chemical reactions-feasibility studies and demonstration
projects” için hazırlanan internet site sayfasında daha önce yapılan çalışmalar;
araştırmalar ve ticari ürünler olarak iki geniş gurup şeklinde sınıflandırılmıştır. Ek 1
ve Ek 2’de bu çizelgeler verilmiştir.
34
3. MATERYAL VE METOD
MUHSİN MAZMAN
3. MATERYAL ve METOD
3.1. Materyal
Faz değiştiren madde (FDM) olarak kullanılacak kimyasallar:
Yağ asiti olarak; stearik asit (% 98 saflıkta), palmitik asit (% 98 saflıkta), myristik
asit (% 98 saflıkta), laurik asit (% 99 saflıkta) ve kaprik asit (% 98 saflıkta)
¾ Parafin olarak; Rubitherm’in ticari amaçlı RT54 kodlu parafini
¾ İnorganik olarak; CH3COONa·3H2O
¾ Na2HPO4·12H2O (CH3COONa·3H2O için çekirdekleştirici olarak)
¾ Soğuma eğrilerini kıyaslamak için su kullanılmıştır
Kullanılan kimyasallara (PS Pancreas Sintesis, Barcelona, Ispanya) ait
özellikler Çizelge 3.1.’de verilmiştir. Çizelgede ki parafine ait değerler rubitherm'in
ürünün özelliklerini belirten internet sayfasından (Rubitherm), diğer değerler
makalelerden derlenmiştir (Zalba, 2003).
Çizelge 3.1. Kullanılan Kimyasallar ve Özellikleri (Zalba, 2003)
Kimyasallar
Formüller
Kaprik
Asit
Laurik Asit Miristik
Asit
Palmitik Asit Stearik
Asit
C10H20O
C12H24O2
Yoğunluk
3
(kg/m )
C18H36O2
256.43
284.49
172.27
200.32
C14
H28O2
228.38
30-33
43-45
52-55
62-65
67-70
52-55
58
152.7
178
187
185-187
202.5
179
264
0.162
(48 °C)
0.165
(80°C)
0.172
(70°C)
0.2
-
844
(84°C)
990
(24°C)
-
847
(80°C)
989
(24°C)
-
848
(70°C)
965
(24°C)
-
760
(70°C)
900
(15°C)
18
(ΔT=65
K)
2
Molekül Ağırlığı
(g/mol)
Erime Sıcaklığı
(°C)
Ergime
Isısı
(Kj/Kg)
Isıl
Iletkenlik
(W/mK)
C16H32O2
Rubither Sodyum
m RT54 asetat
Parafin
trihidrat
CH3COONa
·3H2O
377
136.08
0.153
0.147
(38,5 °C) (50 °C)
Sıvı 878
(45°C)
Katı 1004
(24°C)
Hacim Değişimi (%)
862
(60°C)
1007
(24°C)
-
35
1450
-
MUHSİN MAZMAN
3.1.1. Data Logger
1- Hawlett Packard (HP) 34970A Data Acquistion/Switch Unit:
12 kanallı olmakla birlikte ölçümler sırasında 3 kanalı tutarlı ve doğru sonuç
vermediği için sadece 9 kanal kullanılmıştır. Kullanılan 9 kanala ait kalibrasyon
eğrisi Şekil 3.1.’de verilmiştir.
90
y = 0,9902x + 1,3415
2
R = 0,9987
80
Sicaklik (°C)
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Zaman (s)
Şekil 3.1. Data Logger'a ait kalibrasyon eğrisi
Sıcaklık düzenli olarak arttırılıp termometrelerle ölçülerek kaydedilmiş
ölçümler data logger'ın okuduklarıyla kıyaslanarak kullanılmıştır. Şekil 3.1'den de
görüleceği gibi data logger’ın okuma hassasiyeti ve doğruluğunda bir sorun
bulunmamaktadır.
Her ölçümden sonra bilgisayar ortamına aktarılan veriler excel formatına
dönüştürülüp kullanılmıştır.
2- PC kart:
Step Logistica y Control, S.L. DL01-CPU model PC kart. 0,1 °C hassasiyetli
12 kanallı olup, 12 kanalla da aktif okuma yapılabilmektedir. Bilgisayara bağlı olarak
çalışan kart veri almakta, ancak kayıt işlemini gerçekleştireceği bir belleği olmadığı
için verileri doğrudan bilgisayara kaydetmektedir. Labaratuvar amaçlı çalışmalar için
36
MUHSİN MAZMAN
üretilmediğinden ayarlarında rahatça değişiklik yapma olanağı tanımamasına karşın,
fiyat olarak cazip oluşu, hassas (0.1°C) tekrarlanabilir ve doğru sonuç vermesinden
dolayı, özellikleri çalışma koşullarıyla örtüştüğü sürece kullanılması çok pratik ve
ekonomiktir.
3.1.2. Isıl Çift (Termokapl)
Tüm çalışma boyunca farklı markalarda 0.1 °C hassasiyette K type ısıl çift
kullanılmıştır (RS Components 228-7445 thermocouple type K, MI, St.St. sheath 1,5
mm x 150 mm (Made in UK)).
K type ısıl çift, Nickel Cromium – Nickel Aluminum yada Cromel – Alumel (C/A)
olup ölçüm aralığı; -180 / 1100 °C şeklindedir.
3.1.3. Su Banyosu
Su banyosu olarak Huber (hochgenau temperieren) marka polystat cc3
kullanılmıştır. Dıştaki bir sensör tarafından kontrol edilebilmekte ve istenilen
sıcaklıkta sabitlenebilmektedir. Banyonun çalışma aralığı –30 / 200 °C’dir. Iki farklı
sıcaklık değeri arasında (min ve max) belirlenen zaman aralıkları içinde
kendiliğinden birinci zaman periyodunda ısıtma ve ikinci zaman periyodunda
soğutma
yapabilmekte
ve
bu
döngü
sistem
kapatılıncaya
kadar
tekrar
edilebilmektedir. Banyo on farklı ısıtma/soğutma programını kaydedebilmekte,
çalışma koşullarına göre istenilen program aktif hale getirilebilmektedir. Program
silme ve yeni program yazma olanağı vardır. Düşük sıcaklıklar etilen glikol
yardımıyla aktif hale getirilebilmektedir. Ayrıca su banyosunun RS232 baglantısı ve
20 mA analog baglantılar bulunmaktadır.
3.1.4. Soğuma/Isınma Eğrileri Düzeneği
Bu düzenek, karışımları ısıtarak erimelerini sağlamak için kullanılan bir hava
banyosu ve soğuma süreçlerini kontrollü olarak belirleyebilmek için kullanılan bir
37
MUHSİN MAZMAN
izolosyon plakasından oluşmuştur. Hava banyosu, ısı ölçer bağlı deney tüpleri içine
yerleştirildikten sonra kapatılarak su banyosuna koyulan 2 L'lik bir beherdir.
Izolasyon plakası ise ticari olarak kullanılmakta olan izolasyon plakalarından
yapılmıştır. Izolasyon plakası kesildikten sonra plaka içine deney tüplerinin
girebileceği büyüklükte 5 cm aralıklarla kanallar açılarak düzenek oluşturulmuştur.
Deney tüpleri içine yerleştirilmiş ısı ölçerler data logger'a bağlıdır. Data logger'daki
verileri toplayarak excel dosyaları haline getirmek için sisteme bir bilgisayar
bağlanmıştır. Bilgisayar kayıt için değil, sadece verileri data logger’dan almak için
kullanılmaktadır (Şekil 3.2 ve 3.3).
Şekil 3.2. Soğuma eğrileri belirleme düzeneği
38
MUHSİN MAZMAN
3.1.5. Termal Enerji Depolama Düzeneği
Bu düzenekte ısının FDM boyunca akışı ve geri kazanımının performansı
tespit edilip özelliklerinin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla hazırlanan
düzenek; 10,7 m yüksekliğinde, 10,5 m genişliğinde ve 43,0 m uzunluğundadır. 4 L
kapasiteli düzenek metilakrilamit’ten yapılmıştır. Ortadaki ısı değiştirici 4 mm
kalınlığında olup aliminyumdan yapılmıştır. Aliminyum ısı değiştiricinin uçları
plastik borularla su banyosuna bağlanmiştir.
Isı transferini ölçmek için 8 ısı ölçer kullanılmıştır. Bu ısı ölçerlerin ikisi ısı
taşıyıcı akışkan olarak kullanılan suyun sisteme giriş/çıkış sıcaklıklarını belirlemek
için kullanılırken diğer altı ısı ölçer ısı değiştirici olarak kullanılan aliminyum
plakanın sağ ve sol tarafındaki ısı akışını belirlemek için 0 mm, 10 mm ve 20 mm
aralıklarla her iki yana yerleştirilmiştir (Şekil 3.2, 3.3, 3.4.).
Şekil 3.3. Termal enerji depolama düzeneği
39
MUHSİN MAZMAN
Şekil 3.4. II. aşama deney düzeneği (termal enerji düzeneği)
Şekil 3.4'te deney düzeneğinin tamamı verilmiştir. Şekil 3.4.’ten de
görüleceği gibi sistem; termal enerji düzeneği, akışkanı ısıtıp, soğutan ve sistemde
çevrimi sağlayan su banyosu, verileri kaydeden data logger ve verilerin aktarıldığı
bilgisayardan oluşmaktadır.
3.1.6. Güneş Enerjisi Depolama Tankı
Şekil 3.5. de verilen depolama düzeneğinde kullanılan tankın dış çapı 62 cm,
iç bölme uzunluğu 1250 cm ve dıştan uzunluğu 1300 cm'dir. Tank 150 L kapasiteli
olup dış yüzeyi izole edilmiştir. Güneş kollektörlerinden gelen su sistemde kapalı bir
döngü içinde dolaştırılarak sisteme geri gönderilmektedir. Suyun kapalı döngü
sistemi içinde akış hızı akış ölçerlerle (flow meter) kotrol edilmekte ve valfler
yardımıyla değiştirilebilmektedir. Güneş panellerinden gelen su tank içindeki suyu
ısıtmaktadır. Tank içinde gerçekleşen stratifikasyonla (tabakalaşma) sıcaklığa bağlı
yoğunluk farklılığından dolayı ısınan su yukarı soğuk su aşağı doğru hareket etmekte
ve bir müddet sonra sıcak su üstte soğuk su altta birikmektedir. Güneşlenmenin
40
MUHSİN MAZMAN
yeterli olduğu mevsim ve bölgelerde sistemde tam bir ısıl doluluğa ulaşılabilmekte
ve tankın tümü sıcak su ile dolabilmektedir.
Şekil 3.5. Güneş enerjisi depolama düzeneği
Kullanım suyu üst kısımda biriken sıcak sudan sağlanmakta sistemde su
eksildikçe taze su, suyun en soğuk olduğu yerden (en alt) sisteme verilmektedir.
Sisteme bağlı bir veri kaydedici ile akış hızı ve sıcaklıklar okunarak bilgisayara
kaydedilmektedir. Sıcaklık okumaları: güneş toplaçlarından sisteme gelen suyun
sisteme giriş ve çıkış sıcaklıkları, sistemden alınan kullanım suyunun sıcaklığı,
sisteme verilen taze suyun sıcaklığı ve tabandan itibaren en üst noktaya kadar 30 cm
aralıklardaki sıcaklıklar okunup kaydedilmektedir.
Şekil 3.6'da verilen sistemde görülen iki tanktan biri öğrenci labaratuvarı
amaçlı kullanılmakta olup deneylerde sadece bir tank kullanılmaktadır. Veri
kaydedici elektrik panosunun içinde olup kullanılan kaydedici bir PC karttır (Step
Logistica- DL01-CPU). Verileri kaydedecek bir hafızası olmadığından bilgisayara
bağlı olarak çalışmaktadır. Masanın üstünde görülen metal şişeler FDM modülü
olarak kullanılmaktadır. Güneş panelleri binanın dışında yerleştirilmiştir. Sistemde
sürekli deneme imkanı sağlamak amacıyla güneş panellerinden elde edilen verimle
çalışan elektrikli ısıtıcılar bulunmaktadır.
41
MUHSİN MAZMAN
Şekil 3.6. Güneş enerjisi depolama düzeneği
42
MUHSİN MAZMAN
3.2. Metod
3.2.1. I. Aşama
Birinci aşama için farklı oranlarda, faz değiştiren madde karışımları
hazırlanmıştır. Bu karışımlar;
¾ Yağ asiti - yağ asiti,
¾ Yağ asiti – parafin,
¾ Yağ asiti - CH3COONa·3H2O (inorganik)
¾ Parafin – CH3COONa·3H2O (inorganik) şeklindedir.
CH3COONa·3H2O
ile hazırlanan karışımlarda %1 oranında NaHPO4.12H2O
çekirdekleştirici olarak ortama eklenmiştir.
Karışımlar 10 gr olarak hazırlanıp 76 mm (uzunluk) x 20 mm (çap)
boyutlarındaki plastik tüplere yerleştirilmiştir. Yüzde bileşimler ağırlıkça yüzdeleri
ifade etmektedir. Tüpler kapaklı olup ısı ölçerler kapaklar delinerek tüpün içinde orta
hizasında yerleştirilmiştir. Daha sonra kapağın dışta kalan kısmı silikonla izole
edilmiştir (Şekil 3.7.).
Şekil 3.7. Soğuma eğrileri için izolasyon plakası içindeki deney tüpleri
43
MUHSİN MAZMAN
Hazırlanan Faz değiştiren madde karışım oranları şöyledir:
Deneylerde kullanılan yağ asitleri:
Stearik Asit (67-69 °C)
Palmitik Asit (62-65 °C)
Miristik Asit (52-55 °C)
Laurik Asit (43-45 °C)
Kaprik Asit (30-33 °C)
1- Sadece Parafin
Stearik Asit + Kaprik Asit Karışımları:
% 90 Stearik Asit + %10 Kaprik Asit
Stearik Asit + Laurik Asit Karışımları:
% 90 Stearik Asit + %10 Laurik Asit
Stearik Asit + Miristik Asit Karışımları:
% 90 Stearik Asit + %10 Miristik Asit
Palmitik Asit + Kaprik Asit Karışımları:
% 90 Palmitik Asit + %10 Kaprik Asit
% 80 Palmitik Asit + %20 Kaprik Asit
44
MUHSİN MAZMAN
Palmitik Asit + Laurik Asit Karışımları:
% 90 Palmitik Asit + %10 Laurik Asit
Palmitik Asit + Miristik Asit Karışımları:
% 90 Palmitik Asit + %10 Miristik Asit
Parafin ve Stearik Asit Karışımları:
%90 Parafin + %10 Stearik Asit
Parafin ve Palmitik Asit Karışımları:
%90 Parafin + %10 Palmitik Asit
Parafin ve Miristic Asit Karışımları:
%90 Parafin + %10 Miristic Asit
%80 Parafin + %20 Miristic Asit
Parafine ve CH3COONa. 3H2O Karışımları:
%90 Parafin + %10 CH3COONa. 3H2O
45
MUHSİN MAZMAN
Stearik Asit ve CH3COONa. 3H2O Karışımları:
%90 Stearik Asit + %10 CH3COONa. 3H2O
Miristik Asit ve CH3COONa. 3H2O Karışımları:
%90 Miristik Asit + %10 CH3COONa. 3H2O
Laurik Asit ve CH3COONa. 3H2O Karışımları:
%90 Laurik Asit + %10 CH3COONa. 3H2O
Toplam Karışım Sayısı: 51 (6'sı saf madde)
Bu karışım oranları belirlenirken arzulanan uygulama alanı esas alınmıştır.
Güneş enerjisiyle gün içinde ısıtılan suyun sıcaklığının gece saatlerinde düşmesini
geciktirerek daha uzun süre sıcak kalması hedeflendiğinden, 50 °C dolayı ve üstü
erime donma aralığı esas alınmıştır. Hazırlanacak karışımlarla ergime gizli ısısı ve
ergime aralıkları üzerinde etkili olunmaya çalışılmıştır. Ergime gizli ısısında önemli
bir değişim gerçekleştirmeden ergime aralığını uygulamada istenen noktalara
çekmek hedeflenmiştir.
Bu karışımların hepsi hava banyosunda eritilmiş ve izolasyon plakalarından
yapılmış içine tüplerin girebileceği boyutta yuvalar oluşturularak plaka içinde
soğumaya bırakılmıştır.
Hava banyosu deney tüpleri yerleştirildikten sonra su
banyosuna yerleştirilerek ağzi kapatılmış 2 litre kapasiteli bir beherden ibarettir.
46
MUHSİN MAZMAN
Erime 45 dk - 60 dk sürerken, donma 3-4 saat sürmektedir. Zaman farkınındanda
görüleceği gibi donma süreci daha kontrollü olduğundan daha net veri elde
edilebilmektedir.
Tüm karışımlar için erime eğrisi bir defa, soğuma eğrileri iki defa
çizdirilmiştir. Her bir deney erime ve donma süreleri hesaplandığında 7-9 saat
sürmektedir. Elde edilen veriler grafiklere geçirilerek düzenli erime donma aralığı
gösteren karışımlar belirlenmiş ve bu karışımlar için DSC analizleri istenmiştir.
Hazırlanan 51 karışımla yapılan denemeler sonucu; 6'sı saf madde olmak
üzere
26
örnek
seçilmiş
ve
DSC
analizleri
Barcelona
Üniversitesi'nde
gerçekleştirilmiştir.
3.2.2. II. Aşama
Bu aşamada termal enerji depolama düzeneği kullanılmıştır. Soğuma/ısınma
eğrileri çizilerek kararlı eğriler veren karışımların DSC analizleri istenmiş olup erime
donma sürecinde uygulama alanında sorun yaratmayacak uygunluktaki karışımlar
belirlenmiştir. Bu karışımlar içinde tespit edilen karışımların enerji depolama
özellikleri ve üzerlerinde gerçekleşen ısı akışı incelenmiştir.
Bu amaçla seçilen oranlarda karışımlar hazırlanarak enerji depolama
düzenegine yerleştirlimiş ve önce 85 °C’de eritilerek homojen olmaları sağlanmıştır.
Sonra erime periyodu için 85 °C, donma periyodu için 20 °C’de akışkan (su)
sistemde 0.05 L/s akış hızında dolaştırılarak, suyun giriş çıkış sıcaklığı, ısı değiştirici
plakanin sağ ve sol tarafında 0 mm, 10 mm, 20 mm aralıklarda ölçümler alınmıştır.
Karışımın saf haldeki ısı akış özellikleri belirlendikten sonra, bu ısı akışının
geliştirilmesi (ısı transfer hızının arttırılması) için denemeler yapılmıştır.
Bu amaçla, ısı değiştirici aliminyum plakanın sağ yanına saf halde karışım,
sol yanına sırasıyla paslanmaz çelik borucuklar, bakır borucuklar ve grafit plakalar
yerleştirilmiştir. Böylece bu malzemelerin ısı akışı üzerindeki etkisi belirlenmiş ve
saf halde karışımın ısı akış özellikleri, paslanmaz çelik borucuklar, bakır borucuklar
ve grafit plakalar içeren karışımın ısı akış özellikleriyle kıyaslanmıştır. Bu yöntem
seçilen tüm karışımlar için izlenmiştir.
47
MUHSİN MAZMAN
Çizelge 3.2. Isı Transferini Geliştirmek İçin Eklenen Maddelerin Özellileri (Cabeza,
2002)
Madde
Paslanmaz çelik
Bakır
Grafit
D (kg/l)
7.8
8.9
2.3
ΔH (kj/l)
Cp (kj/lK)
3.9
3.4
1.4
λ (W/mK)
45
393
25-470
Eklenen paslanmaz çelik ve bakır borucuklar aynı ölçülerde olup, iç çap 16
mm, dış çap 18mm, uzunluk 25 mm olacak şekilde kesilmiş borucuklardan ibarettir.
Kullanılan bakır borucuk sayısı; 143, paslanmaz çelik borucuk sayısı 138 tane olup,
bakır için toplam ağırlık; 1558.228 gr, paslanmaz çelik için toplam ağırlık; 1566.204
g' dır.
Bu aşamada yapılan deneyler 3-4 saat ısıtma 5 saat soğutma olmak üzere 8-9
saat sürmektedir.
Bu aşamada 3 kg kimyasal madde kullanılmaktadır.
Deneylerde kullanılmak üzere, birinci aşama deneyleri sonuçlarına göre
karışma özelliği iyi ve erime donma süreci kararlı karışımlardan 4 tanesi seçilerek
kullanılmıştır. Bu karışımlar:
¾ %80 Parafin + %20 Stearik Asit
¾ %80 Parafin + %20 Palmitik Asit
¾ %80 Stearik Asit + %20 Miristik Asit
¾ %80 Palmitik Asit + %20 Laurik Asit
karışımlarıdır. Yapılan denemeler 4 karışım içinde aynı olup şu şekildedir:
¾ saf olarak
¾ paslanmaz çelikle
¾ bakırla
¾ grafit bloklarla
denemeler tamamlandıktan sonra, akış hızındaki değişimin ısı akışına etkisini
incelemek için en iyi ısıl iletkenlik gösteren bakır ve grafitte farklı akış hızları
denenmiştir. Bunlar bakır için; 0.025 ve 0.05 L/s, grafit için: 0.01, 0.025, 0.05 L/s
şeklindedir.
Şekil 3.8’de termal enerji düzeneği deney sırasında görülmektedir. Isı
değiştirici olarak kullanılan aliminyum plakaya bağlı plastik hortumlar su
banyosunda ısıtılan ve/veya soğutulan ısı taşıyıcı akışkanın (su) sistemde çevrimini
48
MUHSİN MAZMAN
sağlamaktadır. Aliminyum ısı değiştiricinin bir yanına yalnız karışım koyulurken,
öbür yanındaki karışıma ısı akışını geliştirmek için maddeler eklenmiştir (Şekil
3.8.’de görülen bakır ile yapılan deneydir). Sistemin orta bölmesinde yer alan ısı
ölçerler data logger’a bağlıdır.
Şekil 3.8. Termal enerji düzeneği (Bakır bloklar ve yalnız karışım deneyinden)
Deneyin ikinci aşaması için seçilen 4 karışımın uzun erime/donma
döngülerindeki değişimini belirlemek için karışımlar kapağı delinerek ısı ölçer
yerleştirilen tüplere konulup su banyosuna sabitlenmiştir. Su banyosu 2 saat içinde
80 °C sıcaklığa çıkma ve sonraki 2 saat içinde 35 °C sıcaklığa düşmek için
programlanmıştır. Bu döngü kesintisiz olarak sürdürülmüştür. Her erime/donma
süreci 4 saat sürmüş olup, günde 6 döngü gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemle 120
erime/donma döngüsü gerçekleştirilmiştir.
49
MUHSİN MAZMAN
3.2.3. III. Aşama
Bu aşamada ikinci aşama deneysel verileri ve DSC analiz sonuçları
doğrultusunda 3 karışım seçilmiş ve bu karışımlar sırayla güneş enerjisiyle sıcak su
eldesi sistemindeki su tankına monte edilmiştir. Faz değiştiren madde olarak
kullanılan maddeler iki eş modüle yerleştirilmiştir. Kullanılan modüller 8,8 cm
çapında, 31,5 cm uzunluğunda metal şişelerdir. Her modüle kullanılan karışımın
yoğunluğuna bağlı olarak 1-1,4 kg madde içerebilmektedir. Depolama tankına üç eş
şişedeki toplam 3 kg madde yerleştirilerek deneyler gerçekleştirilmiştir. 3 kg madde,
maddenin %10-15’i kadar toz halinde grafite emdirilerek üç modüle koyulup
depolama tankına yerleştirilmiştir.
Güneş enerjisiyle ısıtılan suyun kendiliğinden soğuma zamanı incelenmiş,
daha sonra grafit içine emdirilmiş karışımın soğuma süresine etkisi belirlenmiştir.
Dik konumda bulunan güneş enerjisi sıcak su tankında ısınan su yoğunluk
farkından dolayı yukarı doğru hareket ettiğinden (stratifikasyon) bir müddet sonra
tankın üst kısmıyla alt kısmı arasında belirgin bir sıcaklık farkının oluşması
beklenmektedir. Bu sıcaklık farkından dolayı eritmek istediğimiz FDM tankın üst
kısmına yerleştirilmiş ve tankın alt kısmından üst kısmına doğru 30 cm aralıklarla
yerleştirilen ısı ölçerlerle tank içindeki sıcaklığın değişim profili çıkarılmıştır.
Bu aşamada öncelikle FDM eklemeden depolama tankı 80 °C’ye ısıtılmış ve
40 °C’ye kadar soğuma eğrisi elde edilmiştir. Daha sonra FDM eklenerek depolama
tankı 80 °C’ye ısıtılmış ve 40 °C’ye kadar soğuma eğrisi çıkarılıp, elde edeilen
değerler FDM’siz durumla kıyaslanmıştır.
Tank içindeki tabakalaşma’nın (stratifikasyon) değişimini izlemek için tank
içindeki sıcak suyun yarısı boşaltılmıştır. Sistem üstten sıcak su alındığı anda alttan
otomatik olarak sisteme soğuk su vermektedir. Bu sayede 5 dk içinde, tankın yarısına
kadar sıcak su ve altta kalan yarısı soğuk su ile dolu olduğu halde sıcaklıktaki
değişim çıkarılmıştır.
Erimiş FDM’in soğuyan suyu ısıtma etkisini incelemek için tank 80 °C’ye
kadar ısıtılarak FDM’in erimesi sağlanmış ve tank içindeki su hızla boşaltılarak
sistem soğuk suyla doldurulmuştur. Bir saat boyunca 10 s’de bir ölçüm alınarak
50
MUHSİN MAZMAN
sistem içindeki soğuk suda FDM’in donmasıyla verilen ısı sonucunda oluşan değişim
incelenmiştir.
51
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
MUHSİN MAZMAN
Çalışma üç bölüme ayrılmıştır. Birinci aşamada materyal metod bölümünde
ayrıntıları verilmiş olan madde ve madde karışımları hazırlanarak soğuma/ısınma
eğrileri çizdirilmiş ve elde edilen sonuçlar doğrultusunda seçilen 26 örneğin DSC
analizleri yapılmıştır. Bu karışımlardan dördü deneylerin ikinci aşamasında
kullanılmak üzere birinci aşama sonuçları doğrultusunda seçilmiştir.
İkinci aşamada seçilen dört karışımın ısı transfer hızı incelenmiş erime/donma
periyodunun yüksek verimde ve hızla gerçekleşmesi için ısı transferini geliştirecek
yöntemler araştırılmıştır. Bu amaçla paslanmaz çelik borucuklar, bakır borucuklar ve
grafit plakalar kullanılarak denemeler yapılmış, sonuçlar kıyaslanmıştır. Isı taşıyıcı
akışkanın akış hızının ısı transferine etkisini belirlemek için denemeler yapılmıştır.
Denemeler tamamlandıktan sonra kullanılan dört maddenin uzun erime/donma
çevrimlerindeki
kararlılığını
belirlemek
için
120
erime
donma
süreci
gerçekleştirilmiştir.
Üçüncü aşamada ikinci aşama deneylerinde kullanılan dört madde
karışımının üçü için grafite emdirilmiş olarak gerçek bir sistemde denemeler
gerçekleştirilmiştir. Sistem bir güneş enerjisiyle sıcak su elde etme düzeneğidir.
Kullanılan kimyasalların depo suyu sıcaklığı üzerine etkileri incelenmiştir.
Kullanılan maddelerin katı ve sıvı haldeki yoğunlukları ve hacim değişimleri
belirlenmiştir.
52
MUHSİN MAZMAN
4.1. Birinci Aşama ve Bulguları
Bu aşamada FDM olarak kullanılan kimyasallar ve özellikleri Çizelge 3.1.’de
hazırlanan karışımlar Materyal ve Metod bölümünde verilmiştir.
4.1.2. Birinci Aşama İçin Bulgular
Şekil 4.1 ve 4.2 karışımlar hazırlanmadan önce saf haldeki maddeler için
yapılan ölçümleri göstermektedir. Şekillerden de görüleceği gibi analitik saflıktaki
maddeler için faz değişim aralığı çizelgede verilen değerlerle uyum içinde olup, faz
değişiminin başladığı ve bittiği sıcaklıklar birbirine oldukça yakındır.
100
Sıcaklık (°C)
80
60
Parafin
40
Su
20
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Zaman (s)
Şekil 4.1. Parafin ve su için soğutma deneyi ölçümleri
Stearik as it
Laurik as it
Kaprik as it
My ris tik as it
Palm itik as it
Su
80
Sıcaklık (°C)
70
60
50
40
30
20
10
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Zaman (s )
Şekil 4.2. Sadece yağ asitleri ve su için soğutma deneyi ölçümleri
53
14000
MUHSİN MAZMAN
Saf maddeler için alınan difransiyel taramalı kalorimetri (DSC) sonuçları
kullanılarak maddelerin gizli ısısı ve ergime aralıkları belirlenmiştir (Şekil 4.3., Şekil
4.4., Şekil 4.5.)
.
Şekil 4.3. Parafin ve kaprik asit için DSC sonuçları
Şekil 4.4. Myristik ve laurik asit için DSC sonuçları
Şekil 4.5. Stearik ve palmitik asit için DSC sonuçları
54
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.6’da görüleceği gibi %20 myristik-%80 stearik ve %50 myristik-%50
stearik asit karışımları diğer karışım oranlarından daha dar bir sıcaklık aralığında
düzenli şekilde eriyip donmaktadır. Şekil 4.6’da hazırlanan karışımların 1-2 °C aşırı
soğuma gösterdikleri görülmektedir. Ancak litaratür bilgileri organik madde ve
madde karışımlarının aşırı soğuma göstermeyeceğini ortaya koymaktadır (Sarı ve
Kaygusuz (2001a), Lane (1983), Abhat (1983)). Burdaki sonucun ölçüm
tekniğindeki bir hatadan kaynaklı olma ihtimali yüksektir. Isı ölçerler ölçüm tüpü
içindeki madde karışımlarının tam orta noktasına yerleştirilmişlerdir. Tüp içindeki
maddelerin donma süreci ise tabandan ve çeper değme noktalarından başlamaktadır.
Donma süreci ısı öleçere geldiğinde donan madde karışımından salınan ısıdan dolayı
sıcaklık 1-2 °C kadar yükselmektedir. Bu yükselmeden ötürü grafik üzerinde aşırı
soğuma görülmektedir. Ancak gerçekte bu bir aşırı soğuma değildir.
90
80
Sıcaklık (°C)
70
60
50
10Myr-90Stea
20Myr-80Stea
30Myr-70Stea
40Myr-60Stea
50Myr-50Stea
40
30
20
10
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Zaman (s)
Şekil 4.6. Stearik ve myristik asit karışımları için soğutma/ısıtma eğrileri
Stearik asit’in erime aralığı 67-70 °C ve myristik asit’in erime aralığı 52-55
°C’dir. Ancak %50 stearik + %50 myristik asit karışımı için erime aralığı 50 °C’nin
altındadır. Bu durum belirtilen karışım oranları veya civarında stearik ve myristik
asit karışımlarının ötektik bir karışım gibi davrandığını göstermektedir. Çalışmada
amaç ötektik noktayı belirlemek olmadığından bu verileri geliştirmek için ayrıca
denemeler yapılmamıştır. Yağ asiti karışımlarındaki ötektik noktalarla ilgili bazı
çalışmalar litaratürlerde bulunmaktadır. Bu çalışmalarda belirlenmiş ötektik
55
MUHSİN MAZMAN
karışımlar rapor edilmiştir [Kaprik-laurik asit (%45-55, e.n=21 °C) ve myristik kaprik asit (%34-66, e.n=24 °C) Zalba (2003), kaprik-laurik asit (%65 mol-35 mol,
e.n=18°C) Dimaano (2002) ve myristik-palmitik asit (%58-42, e.n=42,6 °C) Sarı
(2000)]. Çalışma kapsamında, adı geçen çalışmalarda kullanılan bazı yağ asiteleri
kullanılmıştır. Ancak çalışmanın amacı ötektik noktayı belirlemek değil istenilen
erime sıcaklıklarına sahip karışımlar hazırlamak olduğundan bu çalışmalarda
hazırlanan karışım oranları uygulanmamış farklı oranlarda karışımlar hazırlanmıştır.
Ayrıca yeni karışımlar önermek te amaçlandığından daha önce denenmemiş madde
gruplarından olan yağ asiti-parafin, yağ asiti-sodyumasetat trihidrat ve parafinsodyumasetat trihidrat karışımları farklı oranlarda hazırlanarak FDM olarak kullanım
imkanları incelenmiştir.
Yağ asitleri homojen olarak karışmış olup karışımın ergime ısısı saf
maddelerinkine göre daha düşük olmaktadır. Şekil 4.7’den görüleceği gibi karışım
ötektik noktaya yaklaşınca karışım özellikleri kararlılık göstermekte ancak ergime
gizli ısısı da düşmektedir. Bununla birlikte gizli ısıdaki kayıplara rağmen farklı
oranlardaki
karışımlar
ile
istenilen
erime
sıcaklıklarında
karışım
elde
edilebilmektedir.
Şekil 4.7. %80 stearik - %20 myristik asit ve %50 stearik - %50 myristik asit
karışımları için DSC sonuçları
56
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.8’den görülebileceği gibi %10 Laurik + %90 Stearik ve %20 Laurik + %80
Stearik asit karışımları için soğuma eğrileri diğer karışımlara oranla daha düzenli
Sıcaklık (°C)
olup bu karışım oranlarında faz değişimi daha kararlıdır.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
%
%
%
%
0
2000
4000
6000
8000
1 0 L a u -%
2 0 L a u -%
3 0 L a u -%
4 0 L a u -%
10000
9 0 S te a
8 0 S te a
7 0 S te a
6 0 S te a
12000
14000
Z a m a n (s )
Şekil 4.8. Stearik ve laurik asit karışımları için soğuma eğrileri
Şekil 4.9’dan görüldüğü gibi laurik asit ilavesiyle stearik asitin erime aralığı
düşmekte ancak bununa paralel olarak ergime gizli ısısıda düşmektedir. %20 laurik
asit içeren karışımın soğuma eğrileri homojen ve düzenli olmasına karşın ergime
gizli ısısı oldukça düşüktür.
Şekil 4.9. %10 Laurik - %90 stearik ve %20 laurik - %80 stearik asit karışımları için
DSC sonuçları
57
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.10’dan görülebileceği gibi %10 kaprik + %90 stearik asit ve %20
kaprik + %80 stearik asit karışımları düzenli olarak erimişlerdir. Kaprik asit ekleme
stearik asitin erime aralığını 60 °C civarına indirmektedir. Erime ve donma süreçleri
düzenlidir.
Sıcaklık (°C)
100
%10Kap%90stea
%20Kap%80stea
%30Kap%70stea
80
60
40
20
0
0
5000
10000
15000
Zaman (s)
Şekil 4.10. Stearik ve kaprik asit karışımları için soğuma eğrileri
Şekil 4.11’deki DSC sonucu karışımın homojen olduğunu göstermekte olup
erime aralığı soğuma eğrileri yöntemiyle belirlenen aralıktan farklıdır. Soğuma
eğrileriyle belirlenen değer doğru değere daha yakın olduğu belirtilebilir.
Şekil 4.11. %80 Stearik + %20 kaprik asit karışımı için DSC sonuçları
58
MUHSİN MAZMAN
Palmitik asite kaprik asit ekleme işlemiyle karışımın erime aralığı 60 °C’nin
Sıcaklık (°C)
altına inmiş olup erime/donma süreci düzenlidir (Şekil 4.12.).
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
%20Kap-%80Palm
%10Kap-%90Palm
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Zaman (s)
Şekil 4.12. Palmitik ve kaprik asit karışımları için soğuma eğrileri
Şekil 4.13’te görüleceği gibi karışımın erime aralığıyla birlikte ergime gizli
ısısı önemli bir oranda düşmüştür.
Şekil 4.13. %80 Palmitik - %20 kaprik asit karışımı için DSC sonuçları
59
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.14’den görüleceği gibi %20, %40 ve % 50 myristik asit içeren
karaşımların soğuma eğrileri diğer karışımlardan daha düzenlidir. Bununla birlikte
tüm karışımlar düzenli erime/donma süreci göstermiştir. %40, % 50 ve %60 myristik
asit içeren karışımların erime aralığı karışımı oluşturan her iki karışımında erime
aralığının altındadır. Bu durum ötektik bir noktaya gidildiğini göstermektedir.
Litaratürde %58 myristik+%42 palmitik asit karışımın 42,6°C erime aralıklı bir
ötektik karışım olduğu rapor edilektedir (Sarı, 2003). Şekil 4.7’de %60 myristik asit
içeren karışımın erime aralığı 44-45°C olarak görülmektedir.
%
%
%
%
%
%
90
80
Sıcaklık (°C)
70
60
10M
20M
30M
40M
50M
60M
y r-%
y r-%
y r-%
y r-%
y r-%
y r-%
90P
80P
70P
60P
50P
40P
a lm
a lm
a lm
a lm
a lm
a lm
50
40
30
20
10
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Z a m a n (s )
Şekil 4.14. Palmitik ve myristik asit karışımları için soğuma eğrileri
Şekil 4.15’te görüleceği gibi karışım homojendir. Erime aralığı istenilen
aralıklara
çekilebilmekle
birlikte
ergime
gizli
ısısı
büyük
bir
değişime
uğramamaktadır. Ötektik noktaya gidildikçe gizli ısıda beklenen düşüşte büyük
oranlarda olmamaktadır. %90 palmitik asit içeren karışımın ergime ısısı 183.61 J/g
iken ötektik noktaya doğru yaklaşılan ve %60 palmitik asit içeren karışımın ergime
gizli ısısı 173.39 J/g olmaktadır. Değerler arasında büyük farklılıklar yoktur.
60
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.15. %10 myristik+%90 palmitik ve %40 myristik+%60 palmitik asit
karışımları için DSC sonuçları
Şekil 4.16’da görülen palmitik ve laurik asit karışımlarının tümü düzenli
Sıcaklık (°C)
olarak eriyip donmakta çalışılan koşullarda herhangi bir sorun görülmemektedir.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
%30Lau-%70Palm
%20Lau-%80Palm
%10Lau-%90Palm
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Zaman (s)
Şekil 4.16. Palmitik ve laurik asit karışımları için soğuma eğrileri
Şekil 4.17’de yer alan DSC sonuçlarıda soğuma eğrileri sonuçlarını
desteklemektedir.
61
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.17. %10 laurik+%90 palmitik ve %20 laurik + %80 palmitik asit karışımları
için DSC sonuçları
Şekil 4.18’de görüldüğü gibi grafik üzerinde Parafin ve Sodyumasetat trihidrat
karışımları homojen karışım gibi davranmaktadır. Katı haldeki görüntüsü homojen
olmaktadır. Ancak erime süreci sonucunda oluşan sıvı fazda faz ayrışması sorunu
gözlenmiştir. Karışımın homojenitesinde süreklilik gözlenememiştir.
90
%
%
%
%
%
80
Sıcaklık (°C)
70
60
1 0 N a A c -%
2 0 N a A c -%
3 0 N a A c -%
4 0 N a A c -%
5 0 N a A c -%
9 0 P a ra
8 0 P a ra
7 0 P a ra
6 0 P a ra
5 0 P a ra
50
40
30
20
10
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Z a m a n (s )
Şekil 4.18. Parafin ve sodyumasetat trihidrat karışımları için soğuma eğrileri
62
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.19’da görüldüğü gibi katı halde (soldaki tüp) homojen olan karışım
sıvı halde (sağdaki tüp) iki ayrı faz oluşturmaktadır. Faz ayrışması bir kaç erime
donma çevriminden sonra oluşmakta ve faz ayrışması oluştuktan sonra katı haldeki
homojenlikte bozulmaktadır.
Şekil 4.19. Parafin ve sodyumssetat trihidrat karışımlarında sıvı fazda görülen faz
ayrışması
Şekil 4.20’de görülen DSC grafiklerde karışımın olmadığına dair bir kanıt
yoktur. Soğuma eğrilerinde olduğu gibi burda da karışım homojenmiş gibi
davranmaktadır. Ayrıca hem erime aralığı, hem de ergime gizli ısısı diğer
karışımlarda olduğu gibi düşmüş görünmektedir. Ancak deneysel gözlem ve çekilen
resimler bunun homojen bir karışım olmadığını açıkça göstermektedir.
Şekil 4.20. %70 parafin-%30 CH3COONa.3H2O ve %60 parafin + %40
CH3COONa.3H2O için DSC sonuçları
63
MUHSİN MAZMAN
Sodyumasetat trihidrat’ın Yağ Asitleriyle Olan Karışımları
Sodyumasetat trihidrat için çekirdekleştirici olarak % 0,1 Na2HPO4·12H2O
kullanıldı. Bununla birlikte şekil 4.21.’de 3-4 °C aşırı soğuma görülebilmektedir.
Karışımın soğuma eğrileri saf bir karışımın soğuma eğrileri gibidir. Ancak erime
aralığı 40 °C’nin altında olup sodyumasetat trihidrat (58°C) ve laurik asit (4345°C)’in erime aralıklarından düşüktür. Bu durum ötektik bir karışıma gidildiğini
göstermektedir. Ancak deneyler sırasında erime/donma sürecinde faz ayrışmaları
gözlenmiştir. Faz ayrışması homojen ve ötektik karışım olasılıklarının mümkün
olmadığını göstermektedir.
100
% 1 0 L a u -% 9 0 N a A c
90
% 2 0 L a u -% 8 0 N a A c
Sıcaklık (°C)
80
% 3 0 L a u -% 7 0 N a A c
70
60
50
40
30
20
10
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Z a m a n (s )
Şekil 4.21. Sodyumasetat trihidrat ve laurik asit karışımlarının soğuma eğrileri
Şekil 4.22.’de ilk karışım (Sağdaki tüp) homojen bir katı hali göstermektedir.
Erime /donma sürecinde ulaşılan son haldeyse (soldaki tüp) karışımda faz ayrışması
görülmektedir.
64
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.22. Sodyumasetat trihidrat’yağ asitleriyle karışımında gözlenen faz ayrışması
Şekil
4.23’te
karışımın
faz
ayrışması
problemi
göstereceği
belli
olmamaktadır. Ergime gizli ısısı çok düşüktür.
Şekil 4. 23. %70 laurik asit - %30 CH3COONa.3H2O karışımı için DSC sonuçları
Karışımların tamamı için faz ayrışması gözlemlenmiştir. Bununla birlikte
Şekil 4.24 ve 25’te grafiksel olarak bu etki görülmemekte, veriler faz ayrışmasını net
olarak gösterememektedir.
65
MUHSİN MAZMAN
120
% 1 0 N a A c -% 9 0 M yr
% 2 0 N a A c -% 8 0 M yr
% 3 0 N a A c -% 7 0 M yr
Sıcaklık (°C)
100
80
60
40
20
0
0
5000
10000
15000
Z a m a n (s )
Şekil 4.24. Sodyumasetat trihidrat ve myristik asit karışımlarının soğuma eğrileri
Şekil 4.25. %80myristik asit + %20CH3COONa.3H2O karışımı için DSC sonuçları
Şekil 4.26’da görüldüğü gibi %30 SodyumAsetatTrihidrat içeren karışım için
belirlenen erime aralığı hem Sodyumasetat trihidrat (58°C) hem de stearik asit (6770°C)’in erime arlıklarından daha yüksektir. Karışımlarda faz ayrışması problemi
gözlenmiştir.
66
MUHSİN MAZMAN
100
% 1 0 N a A c -% 9 0 S te a r
% 2 0 N a A c -% 8 0 S te a r
% 3 0 N a A c -% 7 0 S te a r
90
Sıcaklık (°C)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
Z a m a n (s )
Şekil 4.26. Sodyumasetat trihidrat ve stearik asit karışımlarının soğuma eğrileri
Şekil 4.27’de bu bulguları desteklemektedir. Karışımın ergime gizli ısısı
düşerken erime aralıkları her iki saf maddeninde üstündedir. Ve grafikler faz
ayrışması hakkında fikir vermemekte, veriler homojen karışım verilerine
benzemektedir.
Şekil 4.27. %70 stearik asit - %30 CH3COONa.3H2O ve %80 stearik asit + %20
CH3COONa.3H2O karışımları için DSC sonuçları
67
MUHSİN MAZMAN
Parafin ve Yağ Asiti Karışımları:
Parafin kullanılan bütün yağ asitleriyle homojen bir şekilde karışmıştır.
Karışımlar ötektik karışım oluşturabilecek şekilde karıştığı belirlenmiştir.
Şekil 4.28 Parafin ve myristik asitin homojen olarak karıştığını ve düzenli faz
değişim sürecine sahip olduğunu göstermektedir. Bu veriler deneysel gözlemlerlede
uyum içindedir. Şekil 4.29 de verilen DSC sonuçları erime aralıklarının ve ergime
gizli ısılarının azaldığını göstermektedir.
100
% 1 0 M yr-% 9 0 P a ra
% 2 0 M yr-% 8 0 P a ra
Sıcaklık (°C)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
Z a m a n (s )
Şekil 4.28. Parafin ve myristik asit karışımlarının soğuma eğrileri
Şekil 4.29. Parafin ve myristik asit karışımı için DSC sonuçları
68
20000
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.30’da görüldüğü gibi karışımdaki palmitik asit oranı arttıkça karışım
ötektik bir noktaya gitmektedir. Erime/donma süreci düzenlidir.
100
% 1 0 P a lm - % 9 0 P a r a
90
% 2 0 P a lm - % 8 0 P a r a
Sıcaklık (°C)
80
% 3 0 P a lm - % 7 0 P a r a
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
Z a m a n (s )
Şekil 4.30. Parafin ve palmitik asit karışımlarının soğuma eğrileri
Şekil 4.31’da görüleceği gibi karışım homojen, ergime aralığı saf maddelere
göre düşük, ancak ergime gizli ısısı da düşüktür.
Şekil 4.31. %80 Parafin ve %20 palmitik asit karışımının DSC sonuçları
69
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.32’de görülen stearik asit’in parafin’in erime aralığını önemli şekilde
değiştirmediğidir. Hazırlanan karışımlar için erime aralığı parafin’in erime aralığı
civarında kalmıştır.
100
% 1 0 S te a r-% 9 0 P a ra
90
% 2 0 S te a r-% 8 0 P a ra
Sıcaklık (°C)
80
% 3 0 S te a r-% 7 0 P a ra
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
Z a m a n (s )
Şekil 4.32. Parafin ve stearik asit karışımlarının soğuma eğrileri
Şekil 4.33’te görülen DSC sonuçları saf maddelerin verdiği grafiklere
benzemektedir. Ancak bu homojen görünüşe rağmen ergime gizli ısısı saf
maddelerinkinden düşüktür.
Şekil 4.33. %70 Parafin + %30 stearik asit ve %80 parafin + %20 stearik asit
karışımlarının DSC sonuçları
70
MUHSİN MAZMAN
Hazırlanan tüm karışımlar için elde edilen DSC sonuçları toplu olarak
Çizelge 4.1’de verilmiştir.
Çizelge 4.1. Deneyler İçin Hazırlanan Karışımların Erime Aralıkları ve Ergime Gizli
Isıları
Madde ve madde karışımları
Stearik Asit
ΔH (J/g)
208.23 (61 - 72 ºC)
Erime aralığı (ºC)
67-70
Palmitik Asit
Myristik Asit
Laurik Asit
Kaprik Asit
Parafin RT54
%80Stearik-%20Myristik Asit
%50Stearik-%50Myristik Asit
%80Stearik-%20Laurik Asit
%90Stearik-%10Laurik Asit
%80Stearik-%20Kaprik Asit
%20Stearik Asit -%80Parafin
%30Stearik Asit -%70Parain
%70Stearik Asit -%30NaAc
%80Stearik Asit -%20NaAc
%90Palmitik-%10Myristik Asit
%60Palmitik-%40Myristik Asit
%90Palmitik-%10Laurik Asit
%80Palmitik-%20Laurik Asit
%80Palmitik-%20Kaprik Asit
%80Parafin -%20 Palmitik Asit
%70Parafin-%30NaAc
%60Parafin-%40NaAc
%80Parafin-%20Myristik Asit
%70Laurik Asit -%30NaAc
%80Myristik Asit-%20NaAc
198.08 (55 - 64 ºC)
187.04 (45 - 56 ºC)
179.74 (41 - 47 ºC)
150.16 (11 - 34 ºC)
173,8 (46 - 61 ºC)
190.87 (41 - 65ºC)
164.38 (38 - 55 ºC)
131.95 (50 - 67 ºC)
175.4 (54 - 68 ºC)
166.23 (25 - 35 ºC)
150.05 (43 - 58 ºC)
157.37 (42 - 61 ºC)
169.65 (62 - 80 ºC)
183.63 (64 - 80 ºC)
183.61 (48 - 61 ºC)
173.39 (41 - 52 ºC)
160.65 (48 - 62 ºC)
183.32 (34 - 59 ºC)
131.51 (35 - 58 ºC)
150.08 (42 - 53 ºC)
138.14 (44 - 58 ºC)
142.21 (43 - 56ºC)
147.26 (38 - 55 ºC)
130.68 (30 - 44 ºC)
169.48 (38 - 62 ºC)
61-65
52-55
43-46
29-32
52-55
61-65
48-52
62-66
64-67
31-34
49-53
48-53
72-76
77-80
58-61
47-50
59-62
55-58
54-57
48-52
50-55
51-55
43-47
40-44
55-60
71
MUHSİN MAZMAN
4.2. İkinci Aşama ve Bulguları
Deneylerde kullanılmak üzere, birinci aşama deneyleri sonuçlarına göre
karışma özelliği iyi ve erime donma süreci kararlı karışımlardan 4 tanesi seçilerek
kullanılmıştır. Bu karışımlar:
¾ %80 Parafin + %20 Stearik Asit
¾ %80 Parafin + %20 Palmitik Asit
¾ %80 Stearik Asit + %20 Miristik Asit
¾ %80 Palmitik Asit + %20 Laurik Asit
karışımlarıdır.
Yapılan denemeler 4 karışım içinde aynı olup şu şekildedir:
¾ saf olarak
¾ paslanmaz çelikle
¾ bakırla
¾ grafit bloklarla
denemeler tamamlandıktan sonra, akış hızındaki değişimin ısı akışına etkisini
incelemek için en iyi ısıl iletkenlik gösteren bakır ve grafitte farklı akış hızları
denenmiştir. Bunlar;
bakır için; 0.025 ve 0.05 L/s, grafit için: 0.01, 0.025, 0.05 L/s, şeklindedir.
Bu aşamada öncelikle erime aralığı ve ergime gizli ısısı belirleme, Sıvı, katı
haldeki yoğunluklar ve hacim değişimi deneyleri yapılmış olup sonuçlar Çizelge 4.3’te
verilmiştir.
Ölçümler için 8 ısı ölçer (termokapıl) kullanılmış olup bu ısı ölçerlerin 2’si ısı
taşıyıcı akışkanın sisteme giriş ve çıkış sıcaklığını, geri kalanları ısı değiştiricinin
sağında 0, 10 ve 20mm (3 tane) ve solunda 0, 10 ve 20mm (3 tane) gerçekleşen ısı
akışını belirlemek için buralara yerleştirilip ölçümler öyle alınmıştır.
72
MUHSİN MAZMAN
Çizelge 4.3. İkinci Aşama Deneylerinde Kullanılan Karışımlar ve Özellikleri
Madde
Karışımları
Parafin-Stearik
Asit
(%80-%20)
Aralığı 49-53
Erime
(ºC)
Ergime Isısı
(kJ/kg)
Yoğunluk
Sıvı
(g/ml)
katı
Hacim
Genleşmesi
(%)
Ağırlık
(kg)
Parafin-Palmitik
Asit
(%80-%20)
48-52
Stearik-Myristik
Asit
(%80-%20)
61-65
Palmitik-Laurik
Asit
(%80-%20)
55-58
150,05
150,08
190,87
183,32
0.803 (±0.015)
(70 ºC)
0.913 (± 0.015)
(40 ºC)
12 (± 3.5)
0.796
(±0.014)
(70 ºC)
0.902 (± 0.02) (40
ºC)
12 (± 3.7)
0.873 (± 0.02)
(70 ºC)
0.944 (± 0.02)
(40 ºC)
10 (± 3.02)
0.846 (± 0.024)
(80 ºC)
0.952 (± 0.03)
(40 ºC)
11 (± 3)
2.8
2.8
2.8
2.8
4.2.1. 80:20 Parafin Stearik Asit Karışımı İçin Bulgular
4.2.1. 1. Yalnız FDM (Akış hızı: 0.050 L/s, Sıcaklık : 20 ºC, 85 ºC)
Bu bölümde ısı transferini geliştirmek için herhangi ek bir yöntem
uygulanmamış olup, FDM olarak kullanılacak maddeler yalnız olarak sisteme
yerleştirimiştir. Bu denemede akış hızı 0.050 L/s olup, deneme sistemin her iki
yanının (sağ ve sol) eş şekilde davrandığını göstermek için gerçekleştirilmiştir.
Şekil 4.33 ve 34’te görüldüğü gibi sistemin her iki yanında erime / donma
süreçleri eş şekilde olmaktadır. 0 mm ısı ölçerleri birbiriyle ve ısı taşıyıcı akışkanın
sıcaklığıyla aynı değerleri göstermektedir. 10 mm ısı ölçerleride her iki bölme için eş
değerler okumaktadır. 20 mm uzaklıkta yerleştirilen ısı ölçerler önceleri eş değerler
okumalarına rağmen eritme deneyinde Şekil 4.34’te görüleceği gibi kısmen
farklılaşma görülmüştür. Bunun sebebi erime ısı ölçerlerin konumlanışıdır. Erime
olayı en üst bölgede başlamaktadır. Isı ölçerler sistemde orta hizada olacak şekilde
yerleşmiştir. Deney sırasında ısı ölçerin üstünde asılı kalan erimemiş bir kalıntı
ölçümde sapmalara neden olabilmektedir. Tüm sistem 4 saatte erimekte (80 °C) ve
soğutmayla birlikte 4s:40 dk.’da donmaktadır (45 °C).
73
MUHSİN MAZMAN
0 mm sağ
10 mm sağ
20 mm sağ
0 mm sol
10 mm sol
20 mm sol
Tgiriş
Tçıkış
90
80
Sıcaklık (ºC)
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
Zaman (s)
Şekil 4.33. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için yalnız FDM deneylerindeki
soğuma eğrileri
100
Sıcaklık (°C)
80
0 mm sag
10 mm sag
20 mm sag
0 mm sol
10 mm sol
20 mm sol
Tgiris
Tçikis
60
40
20
0
0
2000
4000
6000
8000
10000 12000 14000 16000
Zaman (s)
Şekil 4.34. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için yalnız FDM deneylerindeki
ısınma eğrileri
4.2.1.2. Paslanmaz Çelik Kullanılan Deneyler ( 0.050 L/s, Sıcaklık: 20 ºC-85 ºC)
Paslanmaz çelik ısı akışı üzerinde önemli bir etki göstermemektedir.
Sistemdeki iki bölmeden birinde FDM içinde paslanmaz çelik tüpçükler (sol)
74
MUHSİN MAZMAN
diğerinde sadece FDM (sağ) vardır. Paslanmaz çelik içeren bölmedeki FDM 3 s:30
dk. ’da tamamen donarken sadece FDM içeren bölmede bu zaman 4 saat’tir. Aynı
şekilde ısıtma deneylerinde paslanmaz çelik içeren bölmedeki FDM 2 s:20 dk. ’da
tamamen erirken sadece FDM içeren bölmede bu zaman 2 s:40 dk.’dır. Paslanmaz
çelik içeren bölmede donma ve erime süreçleri tüpçüklerin FDM değme yüzeyleri
üzerinde başlamıştır. Ancak bu etki zaman olarak donma esnasında 30 dk. ve ısınma
esnasında 20 dk.’lık kazançlar sağlamıştır (Şekil 4.35., Şekil 4.36.).
0 mm sağ
10 mm sağ
20 mm sağ
0 mm sol
10 mm sol
20 mm sol
Tgiriş
Tçıkış
80
70
Sıcaklık (ºC)
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
Zaman (s)
15000
20000
Şekil 4.35. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için paslanmaz çelik denemeleri
soğuma eğrileri
75
MUHSİN MAZMAN
Sıcaklık (ºC)
100
80
0 mm sağ
10 mm sağ
20 mm sağ
0 mm sol
10 mm sol
20 mm sol
Tgiriş
Tçıkış
60
40
20
0
0
5000
10000
15000
Zaman (s)
Şekil 4.36. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için paslanmaz çelik denemeleri
ısınma eğrileri
4.2.1.3. Bakır Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min; 20 ºC, max; 85 ºC)
Bu aşamada iki farklı akış hızında denemeler yapılmıştır.
a) Akış Hızı 0.050 L/s
Bakır tüpçükler ısı transferi üzerinde olumlu etki göstermişlerdir. Şekil 4.37
ve 38’de görüldüğü gibi bakır içeren bölmede (sol) 10 ve 20 mm uzaklıkta
yerleştirilen ısı ölçerlerin okuduğu değerler birbirine oldukça yakındır. Bu değerler
ısı taşıyıcı akışkanın sisteme giriş ve çıkış sıcaklıklarına da yakındır. Bu durum ısı
değiştiriciden alınan ısının 0, 10 ve 20 mm boyunca hızla aktarıldığını
göstermektedir. Isının FDM’den akışkana (donma) ve akışkandan FDM’e (erime)
hızla aktarılabilmesi ısı depolamanın ve depolanan ısıyı geri kazanmanın verimli
şekilde gerçekleştiğini göstermektedir. 10 mm (sol) noktasında donma süreci 1 saat
sürmüş olup 20 mm (sol) noktasında FDM bundan 15 dk. sonra donmuştur. Buna
karşın sadece FDM olan bölmede (sağ) 10 mm noktasında 1s:20 dk. ve 20 mm
noktasında 2s:40dk. sonra donma süreci tamamlanmıştır. Isı değiştiricinin değme
76
MUHSİN MAZMAN
noktasında olan 0 mm sol ve 0 mm sağ yaklaşık aynı değerleri göstermektedir. Bakır
tüpçükler bulunan bölmede ısı değiştiriciden gelen ısı bakır üzerinden akmakta ve
bakırın değme yüzeyindeki FDM’e bu ısı aktarılmaktadır. Bakırın ısıl iletkenliği
yalnız FDM’e göre çok yüksek olduğundan ısı bakır üzerinden hızla tüm bölmeye
aktarılmaktadır. Isının geri kazanımıda aynı şekilde bakır üzerinden olmaktadır.
Yalnız FDM olan bölmede ısı doğrudan katı maddeye aktarılmaktadır. Ancak
erimenin başlamasıyla birlikte -ısı değiştiriciye yakın bölgeler ilk olarak erimeye
başladığından- ısı değiştiricinin temas yüzeyinde sıvılaşma başlamaktadır. Isınan sıvı
yukarı hareket edeceğinden erime büyük oranda yüzeyde oluşmaktadır. Isı
değiştiriciden gelen ısı artık sıvı kısmı ısıtabilmeli ve onun üzerinden katıyı eritmeye
devam etmelidir. Bu sistemde ısı kayıpları çok fazla olduğundan verim düşüktür.
Ancak bakır kullanılan tarafta ısı bakır üstünden hızla aktığı için erime/donma her
yanda yakın zamanlarda başlamaktadır. Yalnız FDM bölmesinde sistemdeki tüm
FDM 3s:30 dk.’da faz değiştirirken bakır tüpçükler içeren tarafta tüm FDM 2s:30
Sıcaklık (°C)
dk.’da faz değiştirmektedir.
0 mm sağ
10 mm sağ
20 mm sağ
0 mm sol
10 mm sol
20 mm sol
Tgiriş
Tçıkış
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
Zaman (s)
20000
25000
Şekil 4.37. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için bakır denemeleri soğuma
eğrileri (akış hızı; 0,05 L/s)
77
Sıcaklık (°C)
MUHSİN MAZMAN
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 mm sağ
10 mm sağ
20 mm sağ
0 mm sol
10 mm sol
20 mm sol
Tgiriş
Tçıkış
0
5000
10000
15000
Zaman(s)
Şekil 4.38. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için bakır denemeleri ısınma
Şekil 4.39.’dan görüleceği gibi yalnız FDM bölmesinde erime bakır tüpçükler
içeren bölmeye göre çok yavaştır. Isınan sıvı yükseleceğinde deney ilerledikçe dipte
kalan FDM’i eritmek dahada zorlaşmaktadır. Bakır içeren bölmede bu sorun yoktur.
Şekil 4.39. Yalnız FDM ve bakır tüpçükler için eritme deneyi
78
MUHSİN MAZMAN
b.) Akış Hızı, 0.025 L/s
Bu denemeler, ısı taşıyıcı akışkanın akış hızının ısı depolama ve geri kazanma
performansına etkisini belirlemek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Şekil 4.40 ve 41’den
görüleceği gibi bakır her iki akış hızında da ısı transferine olumlu etki
göstermektedir. 10 mm (sol) ısı ölçerinin faz değişim sıcaklığını gösterdikten 20 dk.
sonra 20 mm (sol) ısı ölçeride aynı değeri göstermektedir. Yani iki nokta arasında ısı
akış ve faz değişim zamanı sadece 20 dk. dır. Bununla birlikte faz değişimi için
gerekli toplam süre incelendiğinde akış hızı arttığında faz değişimi için gereken
sürenin azaldığı görülmektedir. 0.050 L/s akış hızında 10 mm (sol) noktasında faz
değişim zamanı 1saat, 20 mm (sol) noktasında 1s:15dk.’dır. ve tüm sistem 2s:30
dk.’da faz değiştirmiştir. 0.025 L/s akış hızında ise 10 mm (sol) noktasında faz
değişim zamanı 2s:20 dk., 20 mm (sol) noktasında 2s:40 dk.’dır. ve tüm sistem 3s:30
dk.’da faz değiştirmiştir. 0.025 L/s için faz değişim zamanı 0.050 L/s. için gerekenin
Sıcaklık (°C)
iki katıdır.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 m m sol
10 m m sol
20 m m sol
0 m m sağ
10 m m sağ
20 m m sağ
T giriş
T çık ış
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Z am an (s )
Şekil 4.40. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için bakır denemeleri ısınma
79
MUHSİN MAZMAN
0 mm sol
10 mm sol
20 mm sol
0 mm sağ
10 mm sağ
20 mm sağ
Tgiriş
Tçıkış
Sıcaklık (°C)
100
80
60
40
20
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Zaman (s)
Şekil 4.41. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için bakır denemeleri soğuma
Akış hızı yalnız FDM içeren sistemin sağ bölmesi üzerinde de etkili olmuş
ancak bu etki sınırlı kalmıştır. FDM’in ısıl iletkenliği çok düşük olduğundan
iletilebilen ısı sınırlı olmakta ve akış hızının etkisi zayıflamaktadır. 0.050 L/s akış
hızı için yalnız FDM bölmesinde 10 mm (sağ) noktasında 1s:20 dk. da donma
tamamlanmış, 20 mm (sağ) noktasında bu süre 2s:40 dk. olmuştur. İki nokta arasında
zaman farkı 1s:20 dk. olup, ilk ölçümün iki katıdır. (bakır kullanıldığında aynı iki
nokta arasındaki zaman farkı 20 dk.’dır.) 0.025 L/s akış hızında yalnız FDM bölmesi
10 mm (sağ) noktasında 3s’de ve 20 mm (sağ) noktasında 3s:50 dk. Da
tamamlanmıştır. Tüm FDM’in faz değiştiresi için gereken zamansa 4s:30 dk.’dır. Bu
değerlerdende görüleceği gibi bakır ısı aktarım hızını arttırmaktadır. Isı taşıyıcı
akışkanın akış hızını arttırmakta, ısı aktarım hızı üzerinde olumlu etki
göstermektedir.
4.2.1.4. Grafit Blok Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min; 20 ºC, max; 85 ºC)
Bu aşamada 9x5 cm boyutlarında grafit bloklar hazırlanıp bu bloklar iki saat
85 °C sıcaklıkta erimiş FDM içine batırılarak grafite %68 FDM emdirilmiştir. %68
FDM içeren bu bloklar sistemdeki bölmelerden birine yerleştirilmiştir (Şekil 4.42.).
80
MUHSİN MAZMAN
0,050 L/s, 0,025 L/s ve 0,010 L/s olmak üzere 3 farklı akış hızında denemeler
yapılmıştır.
Şekil 4.42. FDM içine yerleştirilmiş grafit bloklar
a.) Akış Hızı; 0.050 L/s
Grafit denemeleri sonuçları grafit’in ısı aktarımı üzerindeki etkisinin oldukça
olumlu olduğunu göstermiştir. Şekil 4.43 ve 44’dan görüldüğü gibi 10 mm sol ve 20
mm sol noktalarındaki ölçümler 0 mm noktasındaki ölçümlerle hemen hemen
aynıdır. Değerler ısı taşıyıcı akışkanın sisteme giriş ve çıkış sıcaklıklarına da oldukça
yakındır. Bu durum ısının grafit üzerinden büyük bir hızla aktarıldığını açıkça
göstermektedir. Şekil 4.43 üzerindeki inceleme göstermektedirki donma süreci 10
mm sol noktasında 34 dk. ve 20 mm sol noktasında 35 dk. da tamamlanmaktadır. Iki
nokta arasında zaman farkı sadece 1 dk.’dır. Buna karşılık aynı denemelerde yalnız
FDM bölmesinde 10 mm sağ noktasında 1s:40 dk. ve 20 mm sağ noktasında 2s:34
dk. da donma tamamlanabilmektedir. Bu değerler de grafitin etkisini göstermektedir.
81
MUHSİN MAZMAN
0 m m sağ
10 m m sa ğ
20 m m sa ğ
0 m m sol
10 m m so l
20 m m so l
T giriş
T çık ış
Sıcaklık (ºC)
100
80
60
40
20
0
0
5000
1 00 0 0
15000
20000
25000
30000
35000
Z a m a n (s )
Şekil 4.43. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için grafit denemeleri soğuma
Şekil 4.44’te verilen ısıtma eğrileri ısı taşıyıcı akışkandan ortama ısı
aktarımın grafit üzerinden etkin şekilde gerçekleştiğini göstermektedir. Isıtma
sürecinde 10 mm sol noktasında faz değişimi 18 dk. da ve 20 mm sol noktasında 21
dk. da tamamlanmaktadır. Aynı denemelerde yalnız FDM bölmesinde faz değişimi
10 mm sağ noktasında 58 dk. da ve 20 mm sağ noktasında 1s:12 dk. da
tamamlanmaktadır. Grafit içeren bölmede (sol) tüm bölmede faz değişimi 1 saat,
yalnız FDM bölmesinde (sağ) faz değişimi 3 saat sürmüştür.
0 mm sağ
10 mm sağ
20 mm sağ
0 mm sol
10 mm sol
20 mm sol
Tgiriş
Tçıkış
Sıcaklık (°C)
100
80
60
40
20
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Zaman (s)
Şekil 4.44. %80 Parafin + %20 stearik asit karışımı için grafit denemeleri ısınma
82
MUHSİN MAZMAN
b.) Akış Hızı; 0.025 L/s
Grafit için her üç akış hızında da etkin sonuçlar elde edilmiştir. Ancak yüksek
akış hızlarında ısı aktarımı verimi artarken, ısı aktarım zamanı azalmaktadır. 0,050
L/s akış hızında zaman en kısadır. Şekiller (4.44 – 4.48) birlikte incelendiğinde
görülmektedir ki; donma süreçleri için 0,050 L/s akış hızında, 10 mm sol noktasında
zaman 34 dk. iken 0,025 L/s için aynı noktadaki değer 1 saat ve 0,010 L/s için de bu
değer 1 saat olmaktadır. 20 mm sol noktasında, 0,050 L/s akış hızında zaman 35 dk.,
0,025 L/s için 1 s:5 dk. ve 0,010 L/s içinde 1s:5 dk. olarak gerçekleşmiştir. Bu
değerler yüksek akış hızının (0,050 L/s) grafit için etkinlik arttırıcı bir değişken
olduğunu göstermektedir. Bunun yanında 0,025 L/s ve 0,010 L/s akış hızlarınada
zamanlar aynı değeri vermiştir. Bu durumda belli bir değerin altında akış hızı
değişiminin ısı aktarımını etkilemediği ifade edilebilir.
0 m m sol
10 m m sol
20 m m sol
0 m m sağ
10 m m sağ
20 m m sağ
T giriş
T çıkış
Sıcaklık (°C)
100
80
60
40
20
0
0
10000
20000
30000
40000
Zam an (s)
83
MUHSİN MAZMAN
0 mm sol
10 mm sol
20 mm sol
0 mm sağ
10 mm sağ
20 mm sağ
Tgiriş
Tçıkış
Sıcaklık (°C)
100
80
60
40
20
0
0
5000
Zaman (s)
10000
15000
c.) Akış Hızı; 0.010 L/s
0 mm sol
20 mm sol
10 mm sağ
Tgiriş
Sıcaklık (°C)
100
80
10 mm sol
0 mm sağ
20 mm sağ
Tçıkış
60
40
20
0
0
5000
10000
15000
20000
Zaman (s)
84
Sıcaklık (°C)
MUHSİN MAZMAN
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 mm sol
10 mm sol
20 mm sol
0 mm sağ
10 mm sağ
20 mm sağ
Tgiriş
Tçıkış
0
2000
4000
6000
Zaman(s)
8000
10000
12000
Sadece FDM kullanılan tarafta (sağ) akış hızının değiştirilmesiyle oluşan
değişim grafit kullanılan durumla kıyaslandığında oldukça düşüktür. Sadece FDM
bölmesi içinde 10 mm noktasında donma süreci, 0.050 L/s akış hızında 1s:30 dk.,
0.025 L/s akış hızında 1s:30 dk ve 0.010 L/s akış hızında 1s:30 dk şeklinde
gerçekleşmiştirki tüm bu değerler eşittir. Değerlerdeki değişim 20 mm (sağ)
noktasında görülmektedir. 20 mm noktasında donma süreci, 0.050 L/s akış hızında
2s:34 dk., 0.025 L/s akış hızında 3s: 07 dk ve 0.010 L/s akış hızında 3s:10 dk
şeklinde gerçekleşmiştir. Bu değerler ısı değiştiriciden uzaklaşıldıkça (10 mm yerine
20 mm) akış hızının faz değişim sürecinin arttığını göstermektedir. 0,05 L/s ile 0,025
L/s arasında belirgin bir fark varken 0,025 L/s ile 0,010 L/s arasında ki fark çok
düşüktür. Bu da belli bir akış hızından sonra değerlerin değişmediğini ve akış hızının
verim üzerinde çok etkili olmadığını göstermektedir. En etkin akış hızı 0,050 L/s’dir
(Çizelge 4.3. -4.6.).
0,050 L/s akış hızında 10 mm ve 20 mm noktalarındaki değerler birbirine
oldukça yakındır. Bu durum iki nokta arasındaki akışın yüksek hızda dolayısıyla
yüksek verimde gerçekleştiğini göstermektedir. Diğer akış hızlarında bu durum
gözlenmemiştir. 0,050 L/s akış hızında taşıyıcı akışkanın sisteme giriş ve çıkış
sıcaklıkları arasındaki fark 0.1-0.2 ºC iken 0,025 L/s de 0.1-0.7 ºC ve 0,010 L/s de
0.1-1.7 ºC şeklindedir.
85
MUHSİN MAZMAN
Çizelge 4.3. Parafin ve Stearik Asit Karışımı İçin Erime/Donma Zamanları (10 mm
sol noktası) (47 ºC-55ºC sıcaklık aralığı)
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
42
36
soğutma
(s: dk.)
1s: 36 dk.
1s: 18 dk.
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
25
18
58
34
38
30
1s: 12 dk.
1s
34
1s
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
1s: 10 dk.
1s
soğutma
(s: dk.)
2s: 40 dk.
1s: 50 dk.
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
39
21
1s: 13 dk.
35
54
31
1s: 30 dk.
1s:5 dk.
36
1s:5 dk.
sağ noktası) (47 ºC-55ºC sıcaklık aralığı)
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
44
34
soğutma
(s: dk.)
1s:51 dk
1s: 25 dk.
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
54
58
1s: 20 dk.
1s: 30 dk.
1s:12 dk.
1s: 12 dk.
1s: 58 dk.
1s: 40 dk.
1s: 42 dk.
1s: 58 dk.
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
1s: 16 dk.
1s: 10 dk.
soğutma
(s: dk.)
3s:10 dk.
3s
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
1s: 12 dk.
1s: 12 dk.
2s: 40 dk.
2s: 34 dk.
1s: 22 dk.
1s: 20 dk.
3s: 30 dk.
3s: 07 dk.
1s: 34 dk.
3s: 10 dk.
86
MUHSİN MAZMAN
4.2.2. %80 Parafin + %20 Palmitik Asit Karışımı İçin Bulgular
Bu deneyler başlangıç aşamasında enerji depolama ünitesindeki her iki
bölmenin eş koşullar içerdiğini göstermek için gerçekleştirildi. Şekil 4.49 ve 50’den
görüleceği gibi soğuma ve ısınma eğrilerinde sol ve sağ bölmeler için 10 ve 20
Sıcaklık (°C)
mm’lerde alınan ölçümler birbirine oldukça yakındır.
0 mm sağ
20 mm sağ
10 mm sol
Tgiriş
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
10 mm sağ
0 mm sol
20 mm sol
Tçıkış
15000
20000
Zaman (s)
Sıcaklık (°C)
Şekil 4.49. %80 Parafin + %20 palmitik asit karışımı için yalnız FDM deneylerindeki
soğuma eğrileri
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 mm sağ
10 mm sağ
20 mm sağ
0 mm sol
10 mm sol
20 mm sol
Tgiriş
Tçıkış
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Zaman (s)
Şekil 4.50. %80 Parafin + %20 palmitik asit karışımı için yalnız FDM deneylerindeki
ısınma eğrileri
87
MUHSİN MAZMAN
Gerçekleştirilen yalnız FDM deneylerinde 40 °C’ye kadar soğuma 5 saat, 85
°C’ye kadar ısınma 4s:30dk sürmektedir.
4.2.2.2. Paslanmaz Çelik Kullanılan Deneyler (0.050 L/s, Sıcaklık: 20 ºC- 85 ºC)
Şekil 4.51 ve 52’den görüldüğü gibi paslanmaz çeliğin ısı transferi üzerindeki
etkisi düşüktür. Paslanmaz çelik olan bölmede soğuma sürecinde 10 mm (sol)
noktasındaki ısı ölçerde 1s:18dk. içinde 20 mm(sol) noktasındaki ısı ölçerde 1s:
45dk. içinde donma tamamlanmaktadır. Yalnız FDM bölmesinde 10 mm (sağ)
noktasındaki ısı ölçerde 2s içinde 20 mm(sağ) noktasındaki ısı ölçerde 2s: 52dk.
içinde donma tamamlanmaktadır.
Paslanmaz çelik bölmesindeki tüm FDM 3 saat, yalnız FDM bölmesindeki
FDM 4 saat içinde donma tamamlanmaktadır. Şekil 4.50 ve 4.51’de görülen
ölçümler ısı eşanjöründen 20 mm (sağ ve sol) uzaklıktaki noktalar için yapıldığından,
faz değişiminin tüm sistemde tamamlandığı zamanı net olarak göstermemektedir. 20
mm’lik uzaklık sistemin orta noktasına denk düşmektedir.
Sıcaklık (°C)
0 mm sol
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10 mm sol
20 mm sol
0 mm sağ
10 mm sağ
20 mm sağ
Tgiriş
Tçıkış
0
10000
20000
30000
40000
50000
Zaman (s)
deneylerindeki soğuma eğrileri
88
MUHSİN MAZMAN
90
80
Sıcaklık (°C)
70
0 m m sol
60
10 m m sol
50
20 m m sol
40
0 m m sağ
30
10 m m sağ
20
20 m m sağ
T g iriş
10
T ç ık ış
0
0
5000
10000
15000
Z a m a n (s )
deneylerindeki ısınma eğrileri
Isıtma süreci soğuma sürecinden daha az zaman almaktadır. Sistemde 40
°C’den 60 °C’ye ulaşılması için gereken zaman; paslanmaz çelik bölmesi 10
mm(sol) noktasında 24 dk., 20 mm(sol) noktasında 50 dk. dır. Aynı değerler yalnız
FDM için 10 mm(sağ) noktasında 39 dk. ve 20 mm (sağ) noktasında 56 dk. dır. Bu
değerler paslanmaz çeliğin ısı transferi üzerinde etkisinin düşük olduğunu
göstermektedir. Değerler bir birine yakındır. Paslanmaz çelik ısı trasfer zamanını
önemli bir oranda değiştirmemiştir.
4.2.2.3. Bakır Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min 20 ºC, max 85 ºC)
Şekil 4.53 ve 54’ten görüldüğü gibi bakırın ısı transferi üzerindeki etkisi olumludur.
Soğuma eğrilerinde 10 mm ve 20 mm (sol) noktalarındaki ısı ölçerler bir birine yakın
değerler göstermektedir. Donma süreci 10 mm (sol) noktasındaki ısı ölçerde 1s:3dk.
89
MUHSİN MAZMAN
ve 20 mm (sol) ısı ölçerinde 1s: 6dk. içinde tamamlanmıştır. Iki ısı ölçüm noktası
arasında faz değişimi gerçekleşirkenki zaman farkı sadece 3 dk.’dır. Bu durum iki
nokta arasındaki ısı aktarımının çok hızlı olduğunu göstermektedir. Buna karşılık ısı
aktarımını arttırmak için ek materyal yerleştirilmemiş olan sağ bölümde donma, 10
mm noktasında 1s:59dk. ve 20 mm noktasında 2s:47dk. da gerçekleşmiştir. Bu
zamanlar ölçüm noktaları için verilen değerlerdir. Tüm sistemde donma sürecinin
gerçekleşme zamanı sol bölme (bakır blok eklenen) için 3 saat ve sağ bölme için
4s:30 dk. omuştur.
0 mm sol
20 mm sol
10 mm sağ
Tgiriş
Sıcaklık (°C)
100
80
10 mm sol
0 mm sağ
20 mm sağ
Tçıkış
60
40
20
0
0
5000
10000
15000
20000
Zaman (s)
soğuma eğrileri
90
80
Sıcaklık (°C)
70
0 m m so l
60
1 0 m m so l
50
2 0 m m so l
40
0 m m sa ğ
30
1 0 m m sa ğ
2 0 m m sa ğ
20
T g iriş
10
T ç ık ış
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Z a m a n (s )
ısınma eğrileri
90
MUHSİN MAZMAN
Erime süreçleri daha az zaman almaktadır. Şekil 4.54’te yer alan ısınma
eğrileri üzerinden çıkarılan değerlere göre, bakır yerleştirilen bölmede (sol) erime 10
mm noktasında 38 dk.’da ve 20 mm noktasında 47 dk.’da gerçekleşmiştir. Buna
kaşılık ısı aktarımını arttırmak için materyal eklenmemiş bölmede (sağ) erime, 10
mm noktasında 47 dk.’da ve 20 mm noktasında 1s:5 dk.’da gerçekleşmiştir.
Deneysel gözlemler bakır eklenen bölmede (sol) erimenin yüksek verimde
gerçekleştiğini göstermektedir. Bakır içeren bölümde 2s:30 dk.’da, içermeyen
bölmedeyse 3s:30 dk.’da tüm madde erimiştir.
Erime süreci sistemin ısı değiştiriciye en yakın ve en üst noktasından
başlamaktadır. Bu durum sistemin hem sağında hemde solunda aynı şekilde
gerçekleşmektedir. Ancak bakır içeren sol bölümde erime hızla tamamlanmasına
karşın sadece faz değiştiren madde içeren sol bölümde erime uzun süre devam
etmektedir. Sıcaklık ölçümleri 0 mm, 10 mm ve 20 mm’de sistemdeki FDM’in
yüksekliğinin orta noktasında alınmaktadır. Bu yüzden ısı ölçerlerin faz değişiminin
tamamlandığını göstermeleri erimenin sadece ölçüm noktalarında tamamlandığı
anlamına gelmektedir. Diğer bölgelerde faz değişimi devam etmektedir .
b). Akış Hızı 0.025 L/s
Şekil 4.53 ve 4.54’ün Şekil 4.55 ve 4.56’ile karşılaştırılması göstermektedir
ki ısı taşıyıcı akışkanın hızında değişiklik yapmak önemli büyüklükte bir değişim
yaratmamaktadır. Soğuma eğrilerinde (soldaki bölmede), 0,050 L/s akış hızı için 10
mm noktasında faz değişimi 1s:3 dk. ve 20 mm’de 1s:6 dk.’da gerçekleşirken, 0,025
L/s akış hızında 10 mm noktasında faz değişimi 1s:7 dk. ve 20 mm’de 1s:10 dk.’da
gerçekleşmiştir. Bu değerler göstermektedir ki akış hızı iki katına çıkarıldığında ısı
aktarım zamanı sadece 3 dk. azalmaktadır.
Soğuma eğrilerinde görülen bu etki ısınma eğrilerinde de aynı şekildedir.
Isınma eğrilerinde (soldaki bölmede), 0,050 L/s akış hızı için 10 mm noktasında faz
değişimi 38 dk. ve 20 mm’de 47 dk.’da gerçekleşirken, 0,025 L/s akış hızında 10 mm
noktasında faz değişimi 38 dk. ve 20 mm’de 55 dk.’da gerçekleşmiştir.
91
MUHSİN MAZMAN
100
Sıcaklık (°C)
80
60
0 mm (sol)
10 mm (sol)
20 mm (sol)
0 mm (sağ)
10 mm (sağ)
20 mm (sağ)
Tgiriş
Tçıkış
40
20
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
Zaman (s)
Sıcaklık (°C)
soğuma eğrileri
0 mm (sol)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10 mm (sol)
20 mm (sol)
0 mm (sağ)
10 mm (sağ)
20 mm (sağ)
Tgiriş
Tçıkış
0
5000
10000
15000
20000
Zaman (s)
ısınma eğrileri
Bütün bu değerler göstermektedir ki parafin ve palmitik asit karışımında ısı
aktarım hızını arttırmak için FDM bölmesinde bakır kullanmak oldukça etkili bir
yöntemken, ısı aktarım hızını arttırmak için ısı taşıyıcı akışkanın hızını arttırmak
etkili bir yöntem değildir.
92
MUHSİN MAZMAN
4.2.2.4. Grafit Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min; 20 ºC, max; 85 ºC)
Bu aşamada üç farklı akış hızında denemeler yapılmıştır.
Grafit materyal ısı aktarımı üzerinde çok olumlu etki göstermiştir. Faz değişim
zamanları paslanmaz çelik ve bakıra göre çok düşüktür. Donma sürecinde, 10 mm
(sol) noktasında 44 dk.’da faz değişimi gerçekleşirken 20 mm (sol) noktasında bu
zaman 45 dk.’dır. Buna karşılık 10 mm (sağ) noktasında faz değişimi 1s:32 dk.’da ve
20 mm (sağ) noktasında 2s:25 dk.’da tamamlanmıştır. Şekil 4.56 ve 57’den
görüleceği gibi ısı taşıyıcı akışkanın sisteme giriş ve çıkış sıcaklıkları grafit içeren
bölmede 10 mm (sol) ve 20 mm (sol) da ölçülen değerlere oldukça yakındır.
Erime süreci 10 mm (sol) için 38 dk.’da ve 20 mm (sol) için 40 dk.’da
gerçekleşmektedir. Buna karşılık sadece FDM içeren sağ bölmede bu değerler 10
mm (sağ) için 42 dk.’da ve 20 mm (sağ) için 1s:7 dk.’da şeklinde gerçekleşmiştir.
Faz değişim zamanları değerlendirildiğinde görülecektir ki, grafit kullanılan bölmede
10 mm ve 20 mm’de ölçülen değerler bir birine oldukça yakındır ki bu durum ısı
aktarımın çok başarılı olduğunun göstergesidir (Şekil 4.57., 4.58.)
0 mm (sol)
20 mm (sol)
10 mm (sağ)
Tgiriş
Sıcaklık (°C)
100
80
10 mm (sol)
0 mm (sağ)
20 mm (sağ)
Tçıkış
60
40
20
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Zaman (s)
soğuma eğrileri
93
Sıcaklık (°C)
MUHSİN MAZMAN
0 mm (sol)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10 mm (sol)
20 mm (sol)
0 mm (sağ)
10 mm (sağ)
20 mm (sağ)
Tgiriş
Tçıkış
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Zaman (s)
ısınma eğrileri
Bu zaman değerleri sistemde sadece ölçüm alınan noktalara ait değerlerdir.
Faz değişiminin tüm sistemde tamamlanması daha çok zaman almaktadır. Grafit
içeren bölmede tüm sistem 1s:30 dk’da faz değişimini tamamlamıştır.
b) Akış Hızı 0.025 L/s
Şekil 4.59, 4.60, 4.61, 4.62’den görüldüğü gibi akış hızının değişimi (iki ve
beş kat azaltılma) ısı aktarım hızı üzerinde büyük sayılabilecek bir etki
yaratamamıştır. Bunun sebebi grafitin çok iyi bir ısı aktarma materyali olmasıdır.
Grafit düşük akış hızlarında bile yüksek etkinlik gösterebilmektedir. Soğutma eğrileri
göstermektedir ki; grafit içeren sol bölmede faz değişimi, 10 mm noktasında, 0,050
L/s akış hızında 44 dk., 0,025 L/s akış hızında 45 dk. ve 0,010 L/s akış hızında 46
dk.’da, 20 mm noktasında, 0,050 L/s akış hızında 45 dk., 0,025 L/s akış hızında 46
dk. ve 0,010 L/s akış hızında 47dk.’da tamamlanmıştır. Akış hızı iki ve beş kat
azaltıldığında
akış
hızları
birer
dakika
azalmaktadır.
Bu
uygulamalarında düşük hızlarlada çalışılabileceğini göstermektedir.
94
durum
grafit
Sıcaklık (°C)
MUHSİN MAZMAN
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 mm (sol)
20 mm (sol)
10 mm (sağ)
Tgiriş
0
10000
20000
30000
Zaman (s)
10 mm (sol)
0 mm (sağ)
20 mm (sağ)
Tçıkış
40000
50000
Sıcaklık (°C)
soğuma eğrileri
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 mm (sol)
10 mm (sol)
20 mm (sol)
0 mm (sağ)
10 mm (sağ)
20 mm (sağ)
Tgiriş
Tçıkış
0
2000
4000
6000
8000
Zaman (s)
10000
12000
14000
ısınma eğrileri
95
MUHSİN MAZMAN
0 mm (sol)
20 mm (sol)
10 mm (sağ)
Tgiriş
Sıcakık (°C)
100
80
10 mm (sol)
0 mm (sağ)
20 mm (sağ)
Tçıkış
60
40
20
0
0
5000
10000
15000
20000
Zaman (s)
soğuma eğrileri
Sıcaklık (°C)
100
0 mm (sol)
10 mm (sol)
20 mm (sol)
0 mm (sağ)
10 mm (sağ)
20 mm (sağ)
Tgiriş
Tçıkış
80
60
40
20
0
0
5000
10000
Zaman (s)
15000
ısınma eğrileri
Isınma eğrileri göstermektedir ki; grafit içeren sol bölmede faz değişimi, 10
mm noktasında, 0,050 L/s akış hızında 38 dk., 0,025 L/s akış hızında 38 dk. ve 0,010
L/s akış hızında 42 dk.’da, 20 mm noktasında, 0,050 L/s akış hızında 40 dk., 0,025
L/s akış hızında 40 dk. ve 0,010 L/s akış hızında 43 dk.’da tamamlanmıştır. Isıtma
denemelerinde de durum soğutma deneylerindekine benzerdir. Akış hızının
değiştirilmesiyle elde edilen değerler bir birinin aynı veya çok yakın değerlerdir
(Çizelge 4.7.-4.10.). Denemeler göstermiştir ki ısıtma deneylerinde ancak 0,010 L/s
96
MUHSİN MAZMAN
gibi çok düşük akış hızlarında ısı aktarımı zamanında bir değişim görülebilmektedir.
Ancak bu değişimde büyük bir değişim değildir. Parafin ve palmitik asit karışımı için
yapılan deneylerde, akış hızının ısı aktarımı hızı üzerine etkisinin var olduğu ancak
bu etkinin çok düşük düeylerde kaldığı saptanmıştır.
Çizelge 4.7. Parafin ve Palmitik Asit Karışımı İçin Erime/Donma Zamanları (10 mm
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
48
47
soğutma
(s: dk.)
1s: 42 dk.
1s: 18 dk.
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
38
38
1s: 3 dk.
44
38
38
1s: 7 dk.
45
42
46
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
1s: 20 dk.
1s: 14 dk.
soğutma
(s: dk.)
2s: 45 dk.
1s: 45 dk.
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
47
40
1s: 6 dk.
46
55
40
1s: 10 dk.
46
43
47
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
44
50
soğutma
(s: dk.)
2s
2s
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
47
42
1s: 59 dk.
1s: 32 dk.
53
51
1s: 57 dk.
1s: 36 dk.
57
1s: 40 dk.
Çizelge 4.10. Parafin ve Palmitik Asit Karışımı İçin Erime/Donma Zamanları (20
mm sağ noktası) (47 ºC-54ºC sıcaklık aralığı)
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
1s: 8 dk.
1s: 10 dk.
soğutma
(s: dk.)
2s: 51 dk.
2s: 52 dk.
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
1s: 5 dk.
1s: 7 dk.
2s: 47 dk.
2s: 25 dk.
1s: 12 dk.
1s: 8 dk.
2s: 48 dk.
2s: 25 dk.
1s: 18 dk.
2s: 30 dk.
97
MUHSİN MAZMAN
4.2.3. %80 Stearik + %20 Myristik Asit Karışımı İçin Bulgular
4.2.3.1. Yalnız FDM (Akış hızı: 0.050 L/s, Sıcaklık : min; 20 ºC, max; 85 ºC)
Bu deney başlangıçta sistemin her iki bölmesinin de birbirine eş olduğunu
göstermek için yapılmıştır. Böylece sonraki denemelerde bölmelerden birine ısı
aktarımını arttırmak için materyal eklendiğinde yalnız FDM denemelerindeki
değerlerle bu bölmeyi kıyaslamak mümkün olacaktır (Şekil 4.63).
0 mm (sol)
20 mm (sol)
10 mm (sağ)
Tgiriş
Sıcaklık (°C)
100
80
10 mm (sol)
0 mm (sağ)
20 mm (sağ)
Tçıkış
60
40
20
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Zaman (s)
Şekil 4.63. %80 Stearik + %20 miristik asit karışımı için yalnız FDM deneylerindeki
soğuma eğrileri
Ölçülen değerlerde de sapmalar vardır. Daha önceki deneylerde Tgiriş ve
Tçıkış sıcaklıkları 0 mm (sağ ve sol)’deki ısı ölçerlerde okunan değerlere oldukça
yakın değerlerken yağ asiti karışımı kullanılan deneyde bu değerlerin oldukça farklı
olduğu Şekil 4.63 ve 4.64 üzerinde açıkça görülmektedir. Bunun sebebi 0 mm’de
okuma yapması gereken ısı ölçerlerin moleküler arası kuvvetllerce yaratılan hacim
değişimi sonucu ısı değiştiriciden hava boşluğu kadar uzaklaşarak 0 mm
noktasındaki duruşunu kaybetmesidir. Erimiş FDM içinde 0 mm noktasında ısı
değiştiriciyle temas halindeki ısı ölçer, donma sürecinde etrafındaki madde hacim
değişimiyle ısı değiştiriciden uzaklaşınca maddeyle birlikte ısı değiştiriciden
uzaklaşmakta ve ısı değiştiriciye değme pozisyonunu kaybetmektedir. Bu yüzdende
farklı değerler okumaktadır.
98
MUHSİN MAZMAN
Sıcaklık (°C)
100
0 mm (sol)
10 mm (sol)
20 mm (sol)
0 mm (sağ)
10 mm (sağ)
20 mm (sağ)
Tgiriş
Tçıkış
80
60
40
20
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Zaman (s)
Şekil 4.64. %80 Stearik + %20 miristik asit karışımı için yalnız FDM deneylerindeki
ısınma eğrileri
Yapılan deneyde yağ asitlerinin birbirleriyle olan etkileşiminin (moleküler
bağlar ve kuvvetler) ısı değiştirici ve sistemin duvar materyaliyle olan etkileşiminden
daha güçlü olduğu gözlenmiştir. Bu durumu tanımlamak için yağ asitleri: A ve diğer
materyaller:B ile gösterildiğinde A-A etkileşimindeki moleküler arası kuvetler, A-B
etkileşimindeki moleküler arası kuvvetlerden çok daha güçlüdür. Bu yüzden donma
sürecinde yağ asitleri birbirini çekerek büzüşmekte ve ısı değiştirici ve duvar
materyaliyle arasında bir hava boşluğu oluşmaktadır (Şekil 4.65). Bu hava
boşluğundan dolayı ısıtma sürecinde ki erime zamanı uzamaktadır. Çünkü yağ asiti
karışımının ısı değiştiriciye değme noktası yoktur. Bu durumda önce yağ asiti ile ısı
değiştirici arasındaki hava boşluğundaki hava ısınmakta, ısınan hava yükselerek
ortamdan uzaklaşmaktadır. Burdaki ısı aktarımı ısı değiştiriciden havaya ve havadan
yağ asitine şeklindedir. Hava ancak belli bir sıcaklığa ulaştığında zaman içinde en
yakın yağ asiti erimeye başlamakta ve eriyen madde hava boşluğunu doldurmaktadır.
Hava boşluğu erimiş madeyle dolduktan sonra ısı aktarımı ısı değiştiriciden sıvıya
sıvıdan erimemiş katıya şeklinde gerçekleşmektedir. Bu dolaylı ısı aktarımı faz
değişim süresinin uzamasına sebep olmaktadır.
99
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.65. Isı değiştirici ve duvar materyali ile yağ asitleri arasında ki hava boşluğu
4.2.3.2. Paslanmaz Çelik Kullanılan Deneyler (Akış hızı: 0.050 L/s, Sıcaklık:
min; 20 ºC, max; 85 ºC)
Şekil 4.66 ve 4.67’den görüleceği gibi
paslanmaz çelik erime/donma
zamanını yalnız FDM’li duruma göre azaltmıştır. 0 mm noktasında sol ve sağdaki
bölmede okunan değerler farklıdır. Bunun sebebi, yalnız FDM’li bölmede (0 mm
sağ) yağ asitleri ile ısı değiştirici arasında hava boşluğu oluşup, bu oluşum sırasında
ısı ölçerin ısı değiştiriciden uzaklaşmasına karşın paslanmaz çelik eklenen bölmede
paslanma çelik borucukların ısı değiştiriciyle bir değme yüzeyi oluşturarak hava
boşluğu oluşumunu azaltarak ısı değiştirinin 0 mm noktasındaki yerini kaybetmesini
engellemesidir. Erime için anlatılan bu durum donma sürecinde de etkili olmaktadır.
Şekil 4.66’te görüleceği gibi sıvı haldeyken ısı ölçerlerin okuduğu değerler bir birine
yakın değerlerken donma sürecinin başlamasıyla birlikte okunan değerler değişim
göstermektedir. Çünkü donma başlayınca sadece FDM içeren bölmede FDM ile ısı
değiştirici arasında bir hava boşluğu oluşmakta ve bundan dolayı ısı aktarım hızı
düşmektedir.
100
MUHSİN MAZMAN
0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
1 0 m m (s a ğ )
T g ir iş
90
80
Sıcaklık (°C)
70
1 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
10000
20000
30000
40000
Z a m a n (s )
Şekil 4.66. %80 Stearik + %20 miristik asit karışımı için paslanmaz çelik
deneylerindeki soğuma eğrileri
90
Sıcaklık (°C)
80
70
0 m m ( s o l)
60
1 0 m m ( s o l)
50
2 0 m m ( s o l)
40
0 m m (s a ğ )
30
1 0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
20
T g ir iş
10
T ç ık ış
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Z a m a n (s )
Şekil 4.67. %80 Stearik + %20 miristik asit karışımı için paslanmaz çelik
deneylerindeki ısınma eğrileri
Buna karşılık paslanmaz çelik ısı değiştiriciyle bir değme yüzeyi
oluşturmakta ve hava boşluğu oluşmadığından yalnız FDM’li bölmeden daha yüksek
ısı aktarımı gerçekleşmektedir (Şekil 4.68).
Paslanmaz çelik içeren bölmede farklı noktalardaki ısı ölçerlerde faz değişimi
şu zamanlarda gerçekleşmiştir; 10 mm (sol) : 58 dk. ve 20 mm (sol): 1s: 10 dk., 10
mm (sağ): 1s: 55 dk. ve 20 mm (sağ): 2s: 51 dk.
Deneysel gözlemlerle kaydedilen verilere göre ısıtma sürecinde sistemdeki
tüm FDM 5 saat içinde, soğutma sürecindeyse 4 saat içinde faz değişimini
101
MUHSİN MAZMAN
tamamlamıştır. Soğutma sürecinde FDM ortamlada (dış hava) ısı aktarımı
gerçekleştirdiğinden donmayla oluşan hava boşluğu ısı taşınımını engellediği halde
FDM kendi donma noktasının çok altındaki ortam sıcaklığıyla ısı değişimine devam
ederek donma sürecini tamamlamaktadır. Bu yüzden faz değişim süresi soğumada
daha düşüktür.
Şekil 4.68. Paslanmaz çelik ve yalnız yağ asiti için hava boşluğu oluşumu
Bakır borucuklar ısı aktarımı üzerinde olumlu etki etmişlerdir. Şekil 4.69 ve
4.70’te görüleceği gibi, 10 mm (sol) ve 20 mm (sol) noktalarında ısı ölçerlerin
okuduğu değerler bir birine oldukça yakın değerlerdir. Bu durum 10 mm’den 20
mm’ye ısı aktarımının çok hızlı olduğunu göstermektedir.
Donma sürecinde
başlangıçtaki sıvı ısı değiştiriciyle temas etmektedir ve ıs aktarımını engelleyecek bir
102
MUHSİN MAZMAN
durum yoktur. Bu yüzden faz dönüşümlerindeki ısı aktarımında sorunla
karşılaşılmamıştır.
0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
1 0 m m (s a ğ )
T g ir iş
90
80
Sıcaklık (°C)
70
1 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
Z a m a n (s )
Sıcaklık (°C)
Şekil 4.69. %80 Stearik + %20 miristik asit karışımı için bakır deneylerindeki
soğuma eğrileri
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 m m ( s o l)
1 0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
1 0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T g ir iş
T ç ık ış
0
5000
10000
15000
20000
Z a m a n (s )
Şekil 4.70. %80 Stearik + %20 miristik asit karışımı için bakır deneylerindeki ısınma
eğrileri
Ancak erime süreci parafin-yağ asiti karışımlarıyla kıyaslandığında daha çok
zaman almaktadır. Çünkü yağ asitlerinin ısı iletkenliği parafinlerden daha düşük,
ergime gizli ısıları daha yüksektir. Sistemde bulunan tüm FDM 3,5 saatte donmuş ve
4,5 saate erimiştir.
103
MUHSİN MAZMAN
Stearik+myristik asit karışımlarında akış hızı arttığında ısı aktarım zamanı
düşmektedir (Şekil 4.71, 4.72). Soğuma sürecinde 10 mm (sol) noktasındaki ısı ölçer
için faz değişim zamanları; 0,050 L/s’de 39 dk. ve 0,025 L/s’de 56 dk. ve 20 mm
(sol) noktasındaki ısı ölçer için faz değişim zamanları; 0,050 L/s’de 45 dk. ve 0,025
L/s’de 59 dk.’dır.
0 m m (s o l)
2 0 m m (s o l)
1 0 m m (s a ğ )
T g iriş
90
80
Sıcaklık (°C)
70
1 0 m m (s o l)
0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
10000
20000
30000
40000
Z a m a n (s )
Şekil 4.71. %80 Stearik + %20 miristik asit karışımı için bakır deneylerindeki
soğuma eğrileri
90
Sıcaklık (°C)
80
70
0 m m ( s o l)
60
1 0 m m ( s o l)
50
2 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
40
1 0 m m (s a ğ )
30
2 0 m m (s a ğ )
20
T g ir iş
10
T ç ık ış
0
0
5000
10000
15000
20000
Z a m a n (s )
Şekil 4.72. %80 Stearik + %20 miristik asit karışımı için bakır deneylerindeki ısınma
eğrileri
104
MUHSİN MAZMAN
Isınma sürecinde 10 mm (sol) noktasındaki ısı ölçer için faz değişim
zamanları; 0,050 L/s’de 1s: 30 dk. ve 0,025 L/s’de 1s: 35 dk. ve 20 mm (sol)
noktasındaki ısı ölçer için faz değişim zamanları; 0,050 L/s’de 2s ve 0,025 L/s’de 2s:
10 dk.’dır. Bu değerler göstermektedir ki kullanıla yağ asiti karışımı için akış hızı
değişimi ısı aktarım hızı üzerinde etkilidir. Bunun sebebi karışımın hava boşluğu
yaratmasıdır. Hava boşluğunun sistem üzerindeki etkisini indirgemek için yüksek
akış hızıyla ortama ısı aktarılmalıdır.
4.2.3.4. Grafit Blok Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min 20 ºC, max 85 ºC)
Şekil 4.73. ve 4.74 göstermektedir ki grafit ısı aktarımı üzerinde en olumlu
etkiyi göstermektedir. Isıtma süreci hava boşluğundan dolayı faz değişimi için daha
çok zaman almaktadır. Erime/donma sürecindeki hacim değişiminden ötürü özellikle
donma sürecinde donan madde içinde kalan ısı ölçer maddeyle birlikte hareket
ederek ölçüm noktasını kaybetmektedir. Özellikle 0 mm’de olması gereken ısı ölçer
ısı değiştiriciye değme noktasını kaybetmektedir. Şekil 4.73. ve 4.74. üzerinde de
görülen bu durum ölçülen değerlerin belirtilen uzaklıklardaki gerçek değerlerden
farklı olmasına sebep olmaktadır.
Deneysel gözlemler ısı aktarım hızını arttırmak için kullanılan yöntemler
içinde grafit kullanımın en etkin yöntem olduğunu göstermektedir. Tüm sistemdeki
FDM’in tamamen erimesi 4,5 saat ve tamamen donması 3,5 saat sürmüştür.
105
MUHSİN MAZMAN
0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
1 0 m m (s a ğ )
T g ir i ş
90
80
Sıcaklık (°C)
70
1 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
Z a m a n (s )
Sıcaklık (°C)
Şekil 4.73. %80 Stearik + %20 miristik asit karışımı için grafit deneylerindeki
soğuma eğrileri
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 m m (s o l)
1 0 m m (s o l)
2 0 m m (s o l)
0 m m (s a ğ )
1 0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T g iriş
T ç ık ış
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Z a m a n (s )
Şekil 4.74. %80 Stearik + %20 miristik asit karışımı için grafit deneylerindeki ısınma
eğrileri
106
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.73., 4.74., 4.75., 4.76., 4.77., 4.78.,’de grafit blok kullanılan deneyler
için farklı akış hızlarındaki erime/donma eğrileri görülmektedir. Şekillerden
görüleceği gibi grafit bloklar kullanıldığında çok etkin bir ısı aktarım hızına
ulaşılmakta ve etkinlik akış hızı değişimiyle önemli bir değişiklik göstermemektedir.
Bu durum grafitin düşük akış hızlarında dahi yüksek etkinlik göstermesindendir.
0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
1 0 m m (s a ğ )
T g ir i ş
90
80
Sıcaklık (°C)
70
1 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
Z a m a n (s )
soğuma eğrileri
90
80
0 m m ( s o l)
Sıcaklık (°C)
70
1 0 m m ( s o l)
60
2 0 m m ( s o l)
50
0 m m (s a ğ )
40
1 0 m m (s a ğ )
30
2 0 m m (s a ğ )
20
T g ir iş
10
T ç ık ış
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Z a m a n (s )
eğrileri
107
MUHSİN MAZMAN
c) Akış Hızı 0.001 L/s
0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
1 0 m m (s a ğ )
T g ir iş
90
80
Sıcaklık (°C)
70
1 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T ç ı k ış
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
Z a m a n (s )
soğuma eğrileri
90
Sıcaklık (°C)
80
70
0 m m ( s o l)
60
1 0 m m ( s o l)
50
2 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
40
1 0 m m (s a ğ )
30
2 0 m m (s a ğ )
20
T g ir iş
10
T ç ık ış
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Z a m a n (s )
eğrileri
Bakırla kıyaslandığında daha etkindir. Bakır kullanılan deneylerde düşük
hızlarda etkinlik kaybı belirlenmişken grafitte bu duruma rastlanmamıştır.
Soğutma sürecinde ısı ölçerlerin ölçtüğü değerler; 10 mm (sol) noktasında,
0,050 L/s akış hızında 36 dk., 0,025 L/s’de 36 dk. ve 0,010 L/s’de 37 dk. ve 20 mm
108
MUHSİN MAZMAN
(sol) noktasında, 0,050 L/s akış hızında 37 dk., 0,025 L/s’de 38 dk. ve 0,010 L/s’de
39 dk.’dır.
Isıtma sürecinde ısı ölçerlerin ölçtüğü değerler; 10 mm (sol) noktasında,
0,050 L/s akış hızında 1s: 10 dk., 0,025 L/s’de 1s: 20 dk. ve 0,010 L/s’de 1s: 25 dk.
ve 20 mm (sol) noktasında, 0,050 L/s akış hızında 1s: 20 dk., 0,025 L/s’de 1s: 24 dk.
ve 0,010 L/s’de 1s: 32 dk.’dır (Çizelge 4.11.-4.14.).
Tüm deney verileri birlikte değerlendirildiğinde stearik ve myristik asit
karışımı deneylerinde ısı aktarım hızını arttırmak için en iyi akış hızı 0,050 /s ve en
iyi materyal grafittir. Verilen tüm çizelgelerde ısıtma sürecinde 55 ºC – 65 ºC
aralığında, soğutma sürecinde 65 ºC – 60 ºC aralığında geçen zaman temel alınmıştır.
Çizelge 4.11. Stearik ve Miristik Asit Karışımı İçin Erime/Donma Zamanları (10 mm
sol noktası)
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
2s
1s: 30 dk.
soğutma
(s: dk.)
1s:10 dk.
58
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
1s: 20 dk.
1s: 10 dk.
39
36 dk.
1s: 35 dk.
1s: 20 dk.
56
36 dk.
1s: 25 dk.
37 dk.
sol noktası)
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
2s: 57 dk.
1s: 43 dk.
soğutma
(s: dk.)
2s: 27 dk.
1s: 10 dk.
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
1s: 40 dk.
1s: 20 dk.
45 dk.
37 dk.
2s:10 dk.
1s: 24 dk
59 dk.
38 dk
1s: 32 dk.
39 dk.
sağ noktası)
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
1s: 50 dk.
1s: 46 dk.
soğutma
(s: dk.)
1s: 30 dk.
1s: 55 dk.
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
2s
1s: 45 dk.
1s: 57 dk.
1s: 12 dk.
1s: 55 dk.
1s: 47 dk.
1s: 57 dk.
1s: 16 dk.
1s: 50 dk.
1s: 20 dk.
109
MUHSİN MAZMAN
Çizelge 4.14. Stearik ve Miristik Asit Karışımı İçin Erime/Donma Zamanları (20
mm sağ noktası)
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
1s: 35 dk.
2s: 30 dk.
soğutma
(s: dk.)
2s: 25 dk.
2s: 51 dk.
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
3s
2s: 44 dk.
2s: 40 dk.
2s: 15 dk.
2s: 35 dk.
2s: 30 dk.
2s: 27 dk.
2s: 26 dk.
2s: 50 dk.
2s: 30 k.
110
MUHSİN MAZMAN
4.2.4. %80 Palmitik + %20 Laurik Asit Karışımı İçin Bulgular
Şekil 4.80 ve 4.79’dan görüleceği gibi deneylere başlanırken sistemin her iki
bölmesindeki (sol ve sağ) koşullar bir birine çok yakındır.
0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
1 0 m m (s a ğ )
T g ir iş
90
80
Sıcaklık (°C)
70
1 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Z a m a n (s )
Şekil 4.79. %80 Palmitik + %20 laurik asit karışımı için yalnız FDM deneylerindeki
soğuma eğrileri (0,050 L/s)
90
80
0 m m ( s o l)
Sıcaklık (°C)
70
1 0 m m ( s o l)
60
2 0 m m ( s o l)
50
0 m m (s a ğ )
40
1 0 m m (s a ğ )
30
2 0 m m (s a ğ )
20
T g ir iş
10
T ç ı k ış
0
0
5000
10000
15000
Z a m a n (s )
Şekil 4.80. %80 Palmitik + %20 laurik asit karışımı için yalnız FDM deneylerindeki
ısınma eğrileri (0,050 L/s)
111
MUHSİN MAZMAN
Soğutma sürecinde faz değişim zamanı 10 mm (sol) noktasında, 1s: 45 dk.,
10 mm (sağ) noktasında 1s: 46 dk., 20 mm (sol) noktasında 2s: 24 dk. ve 20 mm
(sağ) noktasında 3 saat şeklinde ölçülmüştür.
Isıtma sürecinde faz değişim zamanı 10 mm (sol) noktasında, 1s, 10 mm (sağ)
noktasında 59 dk., 20 mm (sol) noktasında 1s: 41 dk. ve 20 mm (sağ) noktasında 1s:
44 dk. şeklinde ölçülmüştür.
4.2.4.2. Paslanmaz Çelik deneyleri (Akış hızı: 0.050 L/s, Sıcaklık : min 20 ºC,
max 85 ºC)
Şekil 4.81 ve 4.82 göstermektedirki ortama paslanmaz çelik eklemek ısı
aktarımı hızını arttırıcı bir etki göstermekle birlikte bu etki çok küçük olmaktadır.
Soğutma sürecinde faz değişim zamanı 10 mm (sol) noktasında, 49 dk., 10
mm (sağ) noktasında 1s: 10 dk., 20 mm (sol) noktasında 1s: 15 dk. ve 20 mm (sağ)
noktasında 2s: 58 dk. şeklinde ölçülmüştür.
0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
1 0 m m ((s a ğ )
T g ir iş
90
80
Sıcaklık (ºC)
70
1 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
Z a m a n (s )
Şekil 4.81. %80 Palmitik + %20 laurik asit karışımı için paslanmaz çelik
deneylerindeki soğuma eğrileri (0,050 L/s)
Isıtma sürecinde faz değişim zamanı 10 mm (sol) noktasında, 49 dk., 10 mm
(sağ) noktasında 59 dk., 20 mm (sol) noktasında 1s: 16 dk. ve 20 mm (sağ)
noktasında 1s: 38 dk. şeklinde ölçülmüştür.
112
MUHSİN MAZMAN
90
80
Sıcaklık (ºC)
70
0 m m ( s o l)
60
1 0 m m ( s o l)
50
2 0 m m ( s o l)
40
0 m m (s a ğ )
30
1 0 m m (s a ğ )
20
2 0 m m (s a ğ )
T g ir iş
10
T ç ık ış
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
Z a m a n (s )
Şekil 4.82. %80 Palmitik + %20 laurik asit karışımı için paslanmaz çelik
deneylerindeki ısınma eğrileri (0,050 L/s)
Şekil 4.83. ve 4.84’ten görüldüğü gibi bakır ısı aktarımı üzerinde olumlu bir
etki göstermiştir. Palmitik+laurik asit karışımının erime/donma aralığı 53-56 ºC’dir.
Erime süreci hava boşluğu (oyuğu) oluşmuş olmasına karşın donma sürecinden daha
kısa sürmektedir. Çünkü bakır üzerinden ısı akışı çok etkindir. Erime bakır
borucukların etrafında hızla gerçekleşmekte ve hava boşluğu (oyuk) kısa sürede
erimiş karışımla dolmaktadır. Böylece erime sürecinde hava boşluğundan kaynaklı
engelleyici etki kolayca aşılabilmekte ve donma sürecinden daha hızlı faz değişimi
gerçekleşmektedir.
Soğutma sürecinde 0.050 L/s akış hızında faz değişim zamanı 10 mm (sol)
noktasında, 43 dk., 10 mm (sağ) noktasında 1s: 51 dk., 20 mm (sol) noktasında 44
dk. ve 20 mm (sağ) noktasında 2s: 48 dk. şeklinde ölçülmüştür.
113
MUHSİN MAZMAN
0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
1 0 m m (s a ğ )
T g ir i ş
90
80
Sıcaklık (ºC)
70
1 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Z a m a n (s )
Şekil 4.83.. %80 Palmitik + %20 laurik asit karışımı için bakır deneylerindeki
90
80
Sıcaklık (ºC)
70
0 m m ( s o l)
1 0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
1 0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T g ir iş
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Z a m a n (s )
Şekil 4.84. %80 Palmitik + %20 laurik asit karışımı için bakır deneylerindeki ısınma
eğrileri (0,050 L/s)
Isıtma sürecinde 0.050 L/s akış hızında faz değişim zamanı 10 mm (sol)
noktasında, 46 dk., 10 mm (sağ) noktasında 59 dk., 20 mm (sol) noktasında 51 dk. ve
20 mm (sağ) noktasında 1s: 26 dk. şeklinde ölçülmüştür.
114
MUHSİN MAZMAN
Taşıyıcı akışkanın akış hızı değiştirildiğinde ısı aktarım hızıda değişmektedir.
Palmitik+laurik asit karışımı için 0.050 L/s akış hızında ısı aktarımı daha etkindir. Bu
denemelerde bakır palmitik+laurik asit karışımı için ısı aktarım hızını arttırmak
yönünde etkindir.
Soğutma sürecinde 0.025 L/s akış hızında faz değişim zamanı 10 mm (sol)
noktasında, 1s: 15 dk., 10 mm (sağ) noktasında 3s, 20 mm (sol) noktasında 1s: 17 dk.
ve 20 mm (sağ) noktasında 3s: 30 dk. şeklinde ölçülmüştür.
Isıtma sürecinde 0.025 L/s akış hızında faz değişim zamanı 10 mm (sol)
noktasında, 54 dk., 10 mm (sağ) noktasında 1s: 10 dk., 20 mm (sol) noktasında 1s: 4
dk. ve 20 mm (sağ) noktasında 1s: 35 dk. şeklinde ölçülmüştür (Şekil 4.85., 4.86.).
0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
1 0 m m (s a ğ )
T g ir iş
90
80
Sıcaklık (ºC)
70
1 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Z a m a n (s )
Şekil 4.85. %80 Palmitik + %20 laurik asit karışımı için bakır deneylerindeki
115
MUHSİN MAZMAN
90
80
Sıcaklık (ºC)
70
0 m m ( s o l)
1 0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
1 0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T g ir i ş
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Z a m a n (s )
Şekil 4.86. %80 Palmitik + %20 laurik asit karışımı için bakır deneylerindeki ısınma
4.2.4.4. Grafit Kullanılan Deneyler ( Sıcaklık : min 20 ºC, max 85 ºC)
Sıcaklık (ºC)
0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
1 0 m m (s a ğ )
T g ir iş
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
1 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T ç ık ış
20000
25000
Z a m a n (s )
Şekil 4.87. %80 Palmitik + %20 laurik asit karışımı için grafit deneylerindeki
116
Sıcaklık (ºC)
MUHSİN MAZMAN
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 m m (sol)
10 mm (sol)
20 mm (sol)
0 m m (sağ)
10 mm (sağ)
20 mm (sağ)
Tgiriş
Tçıkış
0
5000
10000
Zaman (s)
15000
20000
Şekil 4.88. %80 Palmitik + %20 laurik asit karışımı için grafit deneylerindeki ısınma
Yapılan denemelerde grafit diğer denenen maddelerden daha etkin sonuç
vermiştir. Veriler ölçüm alınan son nokta olan 20 mm noktasına kadarki süreci
göstermektedir. Deneysel gözlemlerle bu etkinliğin sistemin son noktasına kadar
devam ettiği belirlenmiştir. Yağ asiti karışımlarında hava boşluğu (oyuk) oluşuştur.
Grafit bloklar kullanıldığında bloklar arasında da oyuklar oluşmuştur. Bu durum
etkinliği azaltıcı etki göstermiş ve verileri bakır verilerine yaklaştırmıştır. Bu etkiye
rağmen grafit bakırdan daha etkin sonuç vermiştir. Belirtilen azaltıcı etki grafit
bloklar ezilip toz haline getirildikten sonra kullanılarak giderilebilir.
Grafit için farklı akış hızlarında yapılan denemelerde ısı aktarım hızı üzerinde
önemi sayılabilecek bir değişim olmadığı belirlenmiştir. Çünkü, grafitin ısıl
iletkenliği çok yüksektir ve düşük akış hızlarında bile yüksek etkinlik
gösterebilmektedir.
Isıtma deneylerinde faz değişim zamanları; 10 mm (sol) noktasında, 0.05 L/s
akış hızında 35 dk., 0.025 L/s’de 35 dk., 0.010 L/s’de 35 dk. ve 20 mm (sol)
noktasında, 0.05 L/s akış hızında 36 dk., 0.025 L/s’de 36 dk., 0.010 L/s 38 dk.
şeklinde ölçülmüştür (Şekil 4.87., 4.88., 4.89., 4.90., 4.91., 4.92. ).
117
MUHSİN MAZMAN
0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
1 0 m m (s a ğ )
T g ir iş
90
80
Sıcaklık (ºC)
70
1 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Z a m a n (s )
90
80
Sıcaklık (ºC)
70
0 m m ( s o l)
1 0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
1 0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T g i r iş
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
Z a m a n (s )
118
MUHSİN MAZMAN
c) Akış Hızı 0.010 L/s
0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
1 0 m m (s a ğ )
T g ir iş
90
80
Sıcaklık (ºC)
70
1 0 m m ( s o l)
0 m m (s a ğ )
2 0 m m (s a ğ )
T ç ık ış
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
Z a m a n (s )
90
Sıcaklık (ºC)
80
70
0 m m ( s o l)
60
1 0 m m ( s o l)
2 0 m m ( s o l)
50
0 m m (s a ğ )
40
1 0 m m (s a ğ )
30
2 0 m m (s a ğ )
20
T g ir iş
10
T ç ık ış
0
0
5000
10000
15000
Z a m a n (s )
Soğutma deneylerinde faz değişim zamanları; 10 mm (sol) noktasında, 0.05
L/s akış hızında 40 dk., 0.025 L/s’de 40 dk., 0.010 L/s’de 41 dk. ve 20 mm (sol)
noktasında, 0.05 L/s akış hızında 41 dk., 0.025 L/s’de 41 dk., 0.010 L/s 42 dk.
şeklinde ölçülmüştür (Çizelge 4.15.-4.18).
Verilen tüm çizelgelerde ısıtma sürecinde 53 ºC – 55 ºC aralığında, soğutma
sürecinde 58 ºC – 53 ºC aralığında geçen zaman temel alınmıştır.
119
MUHSİN MAZMAN
Çizelge 4.15. Palmitik ve Laurik Asit Karışımı İçin Erime/Donma Zamanları (10 mm
sol noktası)
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
1s
50 dk.
soğutma
(s: dk.)
1s: 45 dk.
49 dk.
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
46 dk.
35 dk.
43 dk.
40 dk.
54 dk.
35 dk.
1s: 15 dk.
40 dk.
35 dk.
41 dk.
sol noktası)
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
1s: 41 dk.
1: 16 dk.
soğutma
(s: dk.)
2s: 24 dk.
1: 15 dk.
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
51 dk.
41 dk.
44 dk.
36 dk.
1s: 4 dk.
36 dk.
1s: 17 dk.
41 dk.
38 dk.
42 dk.
sağ noktası)
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
59 dk.
59 dk.
soğutma
(s: dk.)
1s: 46 dk.
1s: 10 dk.
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
59 dk
1s: 17 dk.
1s: 51 dk.
2s: 20 dk.
1s: 10 dk.
1s: 20 dk.
3s
2s: 23 dk.
1s: 22 dk.
2s: 28 dk.
sağ noktası)
Akış Hızı
Yalnız FDM
Paslanmaz
Çelik
Bakır
Grafit
0.050 L/s
Isıtma
(s: dk.)
1s: 44 dk.
1s: 38 dk.
soğutma
(s: dk.)
3
2s: 58 dk.
0.025 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
0.010 L/s
Isıtma
(s: dk.)
-
soğutma
(s: dk.)
-
1s: 26 dk.
1s: 37 dk.
2s: 48 dk.
2s: 45 dk.
1s: 35 dk.
1s: 45 dk.
3s: 30 dk.
3s
1s: 45 dk.
3s: 3 dk.
120
MUHSİN MAZMAN
4.2.5. Erime Donma Çevrimleri
Deneyin ikinci aşaması için seçilen 4 karışımın uzun erime/donma
döngülerindeki değişimini belirlemek için karışımlar kapağı delinerek ısı ölçer
yerleştirilen tüplere konulup su banyosuna sabitlenmiştir. Su banyosu 2 saat içinde
80 °C sıcaklığa çıkma ve sonraki 2 saat içinde 35 °C sıcaklığa düşmek için
programlanmıştır. Bu döngü kesintisiz olarak sürdürülmüştür. Her erime/donma
süreci 4 saat sürmüş olup günde 6 döngü gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemle 120
erime/donma döngüsü gerçekleştirilmiştir.
Gerçekleştirilen döngüler sırasında elde edilen değerler erime/donma
döngüsü boyunca erime aralığının dört karışım içinde değişmediğini ortaya
koymuştur. Bu durumu ortaya koymak için; başlangıç (0 döngü), 25, 50, 75, 100, 120
döngü sırasındaki değerler birlikte grafiklere geçirilmiştir.
Şekil 4.93’de parafin ve stearik asit karışımı kullanılarak farklı çevrim
sayılarında beşer çevrim için elde edilen veriler birlikte grafiksel olarak verilmiştir.
Şekil 4.93’ten de görüldüğü gibi erime/donma aralığı çevrimler boyunca ve 120
çevrim sonunda önemli bir değişim göstermemektedir.
PS 0
PS 20-25
PS 50-55
PS 75-80
PS 100-105
PS 115-120
Sıcaklık (°C)
80
70
60
50
40
30
0
20000
40000
60000
80000
Zaman (s)
Şekil 4.93. Parafin ve stearik asit karışımı için erime/donma döngüleri
121
100000
MUHSİN MAZMAN
Aynı durum diğer örnekler içinde benzerdir (Şekil 4.94., 4.95., 4.96).
PP 0
Sıcaklık (°C)
80
PP 20-25
70
PP 50-55
60
PP 75-80
50
PP 100-105
PP 115-120
40
30
0
20000
40000
60000
80000
100000
Zam an (s)
Sıcaklık (°C)
Şekil 4.94. Parafin ve palmitik asit karışımı için erime/donma döngüleri
80
SM 0
70
SM 20-25
SM 50-55
60
SM 75-80
50
SM 100-105
40
SM 115-120
30
0
20000
40000
60000
80000
100000
Zaman (s)
Şekil 4.95. Stearik ve miristik asit karışımı için erime/donma döngüleri
Şekillerde ;
%80 parafin + %20 stearik Asit
%80 parafin + %20 palmitik Asit
%80 stearik asit + %20 miristik asit
%80 palmitik asit + %20 laurik asit
karışımlarının tümünün erime/donma çevrimi boyunca kararlı olduklarını
göstermektedir.
122
Sıcaklık (°C)
MUHSİN MAZMAN
80
PL 0
70
PL 20-25
60
PL 50-55
PL 75-80
50
PL 100-105
40
PL 115-120
30
0
20000
40000
60000
80000
100000
Zam an (s)
Şekil 4.96. Palmitik ve laurik ssit karışımı için erime/donma döngüleri
İkinci aşama deneylerinde kullanılan ısı transferi arttırıcı materyallerle ilgili
ve farklı FDM’lerle yapılan denemeleriyle ilgili çalışmalar mevcuttur. Bu
çalışmaların bir kısmı grafitin ısı transfer arttırıcı olarak kullanılmasıyla ilgilidir
(Fukai 2002, Xiao 2002, Py 2001). Bazı çalışmalarsa özellikleri geliştirilmiş grafit
kullanmıştır ki bu çalışmada kullanılan grafit ısıl özellikleri geliştirilmiş bir grafittir.
Bu çalışmaların bir kısmı bu tezi kapsayan deneyler yapılırken paralelinde yürütülen
ve farklı çalışma gruplarınca yayınlanan çalışmalardır (Cabeza 2002, Mehling 2000).
Bu çalışmalarda da grafitin etkinliği diğerlerinden daha yüksek bulunmuş ancak akış
hızına bağlı deneyler bu çalışmalarda denenmemiştir.
Erime/donma sürecinde organik maddelerin kararlı davrandığı bilinmektedir
(Lane 1980 ve 1983a, Abhat 1983, Kauranen 1991, Sarı 2002 ve 2003). Ancak
hazırlanan yeni karışımlarla (özellikle parafin-yağ asiti karışımlarıyla) ilgili çalışma
bulunmamaktadır. Yapılan çalışmalar bu alandaki boşluğu doldurmaktadır.
123
MUHSİN MAZMAN
4.3. Üçüncü Aşama ve Bulguları
4.3.1. Deney
İkinci aşama deney sonuçları doğultusunda FDM içinde ısı aktarımını daha
verimli hale getirmek için ortama grafit eklenmesi gerektiği belirlenmiştir. Üçüncü
aşama deneylerinde 3 kg FDM-grafit karışımları %90 FDM ve %10 grafit olacak
şekilde hazırlanmıştır. Grafit FDM modüllerin içindeki ısı transferini arttırmak için
kullanıldı. FDM modülü 8,8 cm çapında, 31,5 cm uzunluğunda metal şişelerden
ibarettir. Deneylerde toplam 3 modül kullanılmıştır.
Kullanılan 3 modül su depolama tankına yerleştirilmiştir. Modüller yoğunluk
farkından dolayı tankın en üst kısmında yüzmektedir. Şekil 4.97. depolama tankını
ve FDM modülerin tank içindeki yerleşimini göstermektedir.
Şekil 4.97. Güneş enerjisi depolama tankı ve FDM modüller
Depolama tankı, 125 cm yüksekliğinde ve 39 cm çapında olup 150 L su
kapasitelidir. Tankın içinde en alt bölgeden itibaren bakırdan yapılmış, 63 cm
uzunluğunda spiral bir ısı değiştirici yerleştirilmiştir. Tankın uzunluğu boyunca en dip,
124
MUHSİN MAZMAN
30 cm, 60 cm, 90 cm, 110 cm ve 120 cm noktalarına ısı ölçerler yerleştirilerek tankın
tüm seviyelerinde ki sıcaklıklar takip edilmiştir.
4.3.2. Sonuçlar
4.3.2.1. Parafin ve Stearik Asit Karışımı
FDM: Parafin ve Stearik Asit Karışımı (%80 + %20)
FDM’in ergime gizli ısısı: 150.05 kJ/kg
Erime aralığı: 49-53 ºC
Yoğunluk: Katı hal: 0.913 (± 0.015) g/ml (40 ºC)
Sıvı hal: 0.803 (±0.015) g/ml (70 ºC)
Hacim değişimi (%): 12 (± 3.5)
FDM’in toplam ağırlığı: 3 kg
Uygulanan deneyler
1. Aşama:
Tankın tamamı FDM’siz şekilde 75-78 ºC’ye kadar ısıtıldı. Sonra 40-45 ºC’ye
kadar soğutuldu (Şekil 4.98). Bu deney FDM’li durumu FDM’siz durumla
kıyaslamak için yapılmıştır.
125
Sıcaklık (°C)
MUHSİN MAZMAN
90
80
70
60
50
0 cm
60 cm
110 cm
40
30
20
10
0
20.5.03 21.5.03
22.5.03 23.5.03 24.5.03 25.5.03
Zaman (gün)
30 cm
120 cm
90 cm
26.5.03 27.5.03
Şekil 4.98. Depolama tankı sıcaklığının FDM’siz durumdaki değişimi
FDM’in erime aralığı 49-53 ºC’dir . Soğutma deneylerinde 54 - 48 ºC
arasında sıcaklığın değişmesi için 24 saat gerekmektedir
2. Aşama
FDM’siz durumda deneyler yapılıp sonuçlar alındıktan sonra, depolama tankı
içine FDM modüller yerleştirilmiştir. Depolama tankı 65-68 ºC’ye kadar ısıtıldıktan
Sıcaklık (°C)
sonra 45-40 ºC’ye kadar soğutulmuştur. (Şekil. 4.99.).
70
60
50
40
30
20
10
0
1 3 .6 .0 3
0 cm
60 cm
110 cm
1 4 .6 .0 3
1 5 .6 .0 3
1 6 .6 .0 3
1 7 .6 .0 3
30 cm
90 cm
120 cm
1 8 .6 .0 3
Z a m a n (s )
Şekil 4.99. FDM modül eklendikten sonra depolama tankı için soğuma eğrileri
126
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.99’dan görüldüğü gibi, FDM’li durumda soğuma eğrileri erime
aralığına kadar lineer bir yol izlemiştir. Erime aralığında donma sürecinden dolayı
sıcaklık erime sıcaklığı dolayında kalmıştır. FDM kullanılan soğutma deneylerinde
sıcaklığın 54 °C’den 48 ºC’ye düşmesi 36 saat sürmüştür. FDM’siz durumda bu süre
24 saattir. Bu değerler, FDM kullanımının FDM’siz duruma göre depo sıcaklığını 12
Sıcaklık (°C)
saat daha fazla ergime aralığı civarında tuttuğunu göstermektedir.
90
80
70
60
50
40
FDM'siz 120 cm
30
FDM'siz 90 cm
20
110 cm
10
FDM1
0
17.6.03 18.6.03 18.6.03 19.6.03 19.6.03 20.6.03
FDM'siz 110 cm
90 cm
120 cm
FDM2
20.6.03 21.6.03
Zaman (gün)
Şekil 4.100. Depolama tankında üst bölgelerdeki sıcaklığın FDM’li ve FDM’siz
durumdaki görünümü
Şekil 4.100.‘da FDM’li ve FDM’siz durumun donma noktasına kadar
birbirine yakın değerler aldığı görülmektedir. Ancak donma noktası civarında
FDM’li durum için ölçülen değerler FDM’siz duruma göre daha yüksek değerlerde
gerçekleşmiştir. Donma noktası civarındaki ölçümler grafikte gösterilirse bu durum
daha açık olarak ortaya çıkacaktır (Şekil 4.101.).
127
MUHSİN MAZMAN
65
Sıcaklık (°C)
60
55
50
45
40
19.6.03
FDM'siz (120 cm)
FDM'siz (90 cm)
110 cm
19.6.03
FDM'siz (110 cm)
90 cm
120 cm
20.6.03
20.6.03
21.6.03
Zaman (s)
Şekil 4.101. Donma noktası civarında FDM’li ve FDM’siz durum
3. Aşama
Bu aşamada depo tankı 68 °C’ye kadar ısıtılıp FDM eritildikten sonra tank
içindeki sıcak suyun yarısı üstten tahliye edilerek alttan sisteme soğuk su verilmiştir.
Böylece yarısı soğuk yarısı sıcak bir depo elde edilmiştir. Sıcak ve soğuk su sıcaklık
farkından dolayı karışmazken üst kısımdaki suyun soğuması alttaki suyun ısınmasına
sebep olmamıştır. Çünkü havayla (dış ortam) olan ısı transferi farklı yoğunluktaki iki
Sıcaklık (ºC)
su arasındaki ısı transferinden daha büyüktür.
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
10.6.03
0 cm
60 cm
110 cm
FDM1
10.6.03
11.6.03
11.6.03
12.6.03
12.6.03
Zaman (gün)
Şekil 4.102. Deponun yarısı soğuk su ile doldurulduğu zamanki durum
128
30 cm
90 cm
120 cm
FDM2
13.6.03
MUHSİN MAZMAN
4. Aşama
Bu aşamada yapılmak istenen erimiş FDM’in donarken depo içinde yer
alacak soğuk suyu ne kadar ısıtacağını belirlemektir. Bu amaçla depo içine FDM
modüller yerleştirildikten sonra depodaki su 67 °C’ye kadar ısıtılmıştır. Bu sıcaklıkta
ortamdaki FDM’in erimesine olanak tanımak için 30 dk. beklenmiştir. Tüm FDM’in
erimesi tamamlandıktan sonra data logger’da okuma zamanı 10 saniye olarak
belirlenmiş ve tanktaki sıcak su tankın tepe noktasındaki kullanım suyu borusundan
10 dk içinde tamamen tahliye edilmiştir. En üstten yapılan tahliye işlemi sırasında
sisteme soğuk su en dip noktadan otomatik olarak verilmektedir. Böylece 10 dk.
içinde sıcak su soğuk suyla yer değiştirmiştir. Bu 10 dk boyunca modüller içindeki
FDM’in erimediği kabul edilmiştir. Böylece donma sürecinde FDM modüllerin
etrafında yer alan suyu ısıtması incelenmiştir. FDM modüller 31 cm uzunluğundadır.
Depoda etkileşecek su bu uzunluk boyunca olacağından ve bu uzunluk 110 cm ve
120 cm noktalarındaki ısı ölçerlere denk düşeceğinden sadece bu noktalardaki
sıcaklık değişimi incelenecektir. Ayrıca FDM modüllere bağlı ısı ölçerler vardır ki
bunlar modüllerin orta noktasında bulunmaktadır ve bu yerde 110 ve 120 cm
aralıklarında yer almaktadır.
110 cm : Bu nokta için depodaki su 34.3 ºC’ye kadar düşmüş sonra FDM’in
donmasıyla ortama verilen ısı sonucunda depodaki
suyun sıcaklığı 37.3 ºC’ye
yükselmiştir ki burdaki fark 3 °C’dir (Şekil 4.103.).
120 cm : Bu nokta için depodaki su 41.4 ºC’ye kadar düşmüş sonra FDM’in
yükselmiştir ki burdaki fark 2.3 °C’dir.
FDM1 : Bu nokta için depodaki su 36.8 ºC’ye kadar düşmüş sonra FDM’in
yükselmiştir ki burdaki fark 2.5 °C’dir.
Ortamdaki suyun sıcaklığındaki bu yükselme 20 dk içinde gerçekleşmiştir.
129
Sıcaklık (ºC)
MUHSİN MAZMAN
0 cm
60 cm
110 cm
FDM1
80
70
60
50
40
30
20
10
12.6.03
30 cm
90 cm
120 cm
120 cm
FDM1
110 cm
12.6.03
12.6.03
12.6.03
12.6.03
Zaman(s)
Şekil 4.103. FDM modüllerin etrafındaki suyun yeniden ısıtılması
Hesaplamalar:
Deneylerde 3 kg FDM kullanılmıştır. Toplam gizli ısı kapasitesi:
150.05 kJ/kg x 3 kg = 450.15 kJ
FDM modülün sislindirik kısmının uzunluğu: 26 cm
Suyun ısı kapasitesi: 4.1 kJ/kg.K
Güneş enerjisi depo tankının çapı: 39 cm
Yarıçapı : 19,5 cm
Tankın üst kısmında FDM modüllerin etrafındaki toplam su miktarı:
Vsu= Π.r2.h
=3,14.(0,195 m)2.(0,26 m)
Vsu = 0,031 m3 = 31 L
dsu= 1kg/L
msu= 31 kg
Suyun sıcaklığını 1 ºC arttırmak için gerekli ısı:
= (31 kg).(4,1 kJ/kg.K)
130
12.6.03
MUHSİN MAZMAN
=127 kJ/K
Kullanılan tüm FDM’in toplam ısı kapasitesi = 450,15 kJ
FDM’in suyun sıcaklığında yaratması gereken sıcaklık farkı = (450,15 kJ)/(127
kJ/K) = 3,5 ºC
Tüm FDM modüllerin etrafında yer alan 31 L suyun sıcaklığı 3,5 ºC
artabilecektir. Ancak deneysel verilerde elde edilen sıcaklık farkları sırasıyla 2.3, 2.5
ve 3 ºC olmuştur.
Ortalama verim = (((2,3+2,5+3)/3)/3,5)x100
Ortalama verim = %74
FDM modüllerin hacmi:
R = 8.8 cm
r = 4.4 cm
h=26 cm
VFDM = Π.r2FDM.hFDM
= (3,14).(0,044 m)2.(0,026 m)
= 0.0015 m3
3 FDM kullanılmıştır:
= 3x0.0015 m3
Toplam hacim = 0.0045 m3
Depolama tankının toplam kapasitesi 150 L (0.150 m3)
Depo tankındaki % FDM:
% FDM = (0.0045)/0.150)x100
=%3
Tank toplam hacminin sadece %3’ü FDM’le doludur. Ve tankın %3’ü kadar
FDM etkileştiği suyun sıcaklığını ortalama 2.6 ºC kadar arttırmıştır. Bu hacimin
toplam hacime oaranı1/33’tür.
Depolama tankının en üst bölümündeki % FDM = %17
131
MUHSİN MAZMAN
Bu değer tankın üstünde yer alan ve FDM’in etkileştiği suyun 1/6’sı kadardır.
4.3.2.2. Stearik ve Myristik Asit
FDM: Stearik ve Myristik asit (%80 + %20)
Ergime aralığı: 61-65 ºC
Yoğunluk: katı hal: 0.944 (± 0.02)g/ml (40 ºC)
Sıvı hal: 0.873 (± 0.02) g/ml (70 ºC)
Hacim genişlemesi: 10 (± 3.02)
Toplam FDM: 3 kg
1. aşama
Tankın tamamı FDM’siz şekilde 75-78 ºC’ye kadar ısıtıldı. Sonra 40-45 ºC’ye
kadar soğutuldu (Şekil 4. 104.). Bu deney FDM’li durumu FDM’siz durumla
Sıcaklık (°C)
kıyaslamak için yapılmıştır.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
20.5.03
0 cm
60 cm
110 cm
21.5.03
22.5.03
23.5.03 24.5.03
Zaman (gün)
25.5.03
26.5.03
132
30 cm
120 cm
90 cm
27.5.03
MUHSİN MAZMAN
FDM için ergime aralığı 61-65 ºC’dir. Soğuma sürecinde 66 °C’den 60 °C’ye
kadar ki sıcaklık düşüşü 16,5 saatte tamamlanmıştır.
2. aşama
Güneş enerjisi depolama tankı 75-78 °C’ye kadar ısıtılmış ve sonra 50-45
ºC’ye kadar soğutulmuştur (Şekil 4.105.). Soğuma sürecinde ergime aralığı bölgesine
gelindiğinde sıcaklık ergime sıcaklığı civarında sabit tutulabilmiştir. 66 °C’den 60
ºC’ye kadar soğuma 22,5 saatte gerçekleştirilmiştir. Aynı sıcaklık düşüşünün
FDM’siz durumda gerçekleşmesi 16,5 saat sürmüştür. FDM ortam sıcaklığını 6 saat
daha yüksek bir sıcaklıkta tutmuştur. Parafin ve stearik asit karışımında bu değer 12
saat olarak belirlenmiştir. Ergime gizli ısıları incelendiğinde ergime gizli ısısının
parafin ve stearik asit için 150.05 kJ/kg ve stearik ve myristik asit için 190,87 kJ/kg
olduğu görülür. Bu durumda beklenen, stearik ve myristik asit karışımının daha
yüksek ergime ısısından dolayı ortama daha çok ısı vermesi ve sıcaklığı daha uzun
süre
kendi
ergime
sıcaklığı
bölgesinde
tutmasıdır.
Ancak
uygulamada
gerçekjleşmiştir. Bunun sebebi ergime aralıklarının farklılığıdır. Parafin ve stearik
asit karışımı için ergime aralığı 49-53 ºC ve stearik ve myristik asit karışımı için
ergime aralığı 61-65 ºC’dir. Stearik ve myristik asit karışımı için ergime aralığının
daha yüksek olduğu görülmektedir. Soğuma yüksek FDM sıcaklığının daha düşük
ortam (hava) sıcaklığına transferiyle bir denge noktasına ulaşma şeklinde olacaktır.
Bu durumda ortam sıcaklığıyla FDM sıcaklığı arasındaki fark büyüdükçe ısının akış
hızı artmaktadır. FDM sıcaklığıyla ortam sıcaklığı bibirine yakınlaştıkça sıcaklıktaki
düşüş yavaşlar. FDM donarken verilen ısıyla ortamdaki su ısıtılmakta ancak suyun
sıcaklığı daha düşük sıcaklıklı havayla ısı transferi sonucunda kısa sürede
düşmektedir. Bu yüzden daha yüksek erime aralıklı stearik ve myristik asit karışımı
daha yüksek ergime gizli ısısına rağmen depo sıcaklığını daha kısa süre ergime
noktası sıcaklığında tutabilir.
133
Sıcaklık (ºC)
MUHSİN MAZMAN
0 cm
80
60 cm
75
110 cm
70
FDM1
65
60
55
50
45
40
35
17.6.03 18.6.03 18.6.03 19.6.03 19.6.03 20.6.03 20.6.03
30 cm
90 cm
120 cm
FDM2
21.6.03
Zaman (s)
Şekil 4.105. Stearik ve miristik asit karışımlı ortamın soğuma eğrileri
Şekil 4.106.’da FDM’li ve FDM’siz durumun birlikte incelenmiştir. Erime
aralığı öncesi aynı okunan değerler erime noktası bölgesinde ayrışmaktadır. FDM’siz
durumda depo suyu lineer düşüşünü sürdürürken, FDM’li durumda sıcaklık erime
aralığı bölgesinde tutulmaktadır. Bu şekilde sadece üst bölgedeki sıcaklıklar
alınmıştır.
Sıcaklık (°C)
80
70
60
50
40
90 cm
120 cm
FDM2
FDM'siz (110 cm)
110 cm
FDM1
FDM'siz (90 cm)
FDM'siz (120 cm)
30
17.6.03 18.6.03 18.6.03 19.6.03 19.6.03 20.6.03 20.6.03 21.6.03
Zaman (s)
Şekil 4.106. Stearik ve miristik asit karışımı için FDM’li ve FDM’siz soğuma eğrileri
134
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.105 ve 4.106’te stearik ve myristik asit karışımı için FDM’li ve
FDM’siz soğuma eğrileri görülmektedir. Bu veriler 5 gün süren soğuma sürecini
tamamen kapsadığından çok fazla veri içermekte ve ergime aralığı bölgesi net olarak
seçilememektedir. Ergime aralığı bölgesine denk düşen değerler grafikten koparılıp
tek başlarına yeni bir şekile aktarılırlarsa daha belirgin bir şekil elde edilebilir (Şekil
4.107). Şekil 4.107’da FDM’li durumun yarattığı fark açıkça görülmektedir.
90 cm
120 cm
FDM2
FDM'siz (110 cm)
Sıcaklık (°C)
70
65
110 cm
FDM1
FDM'siz (90 cm)
FDM'siz (120 cm)
60
55
50
45
18.6.03
19.6.03
19.6.03
20.6.03
20.6.03
21.6.03
Zaman (s)
Şekil 4.107. Erime aralığında FDM’li ve FDM’siz durum
3. Aşama
Bu aşamada depo tankı 68 °C’ye kadar ısıtılıp FDM eritildikten sonra tank
içindeki sıcak suyun yarısı üstten tahliye edilerek, alttan sisteme soğuk su verilmiştir.
Böylece yarısı soğuk, yarısı sıcak bir depo elde edilmiştir. Sıcak ve soğuk su sıcaklık
farkından dolayı karışmazken, üst kısımdaki suyun soğuması alttaki suyun
ısınmasına sebep olmamıştır. Bu tabakalaşma (stratifikasyon) üstteki kullanım
suyunun daha uzun süre kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Bu süre FDM
varlığıyla daha da uzatılabilmektdir (Şekil 4.108).
135
MUHSİN MAZMAN
Sıcaklık (°C)
80
70
60
0 cm
60 cm
110 cm
FDM1
30 cm
90 cm
120 cm
FDM2
23.6.03
24.6.03
50
40
30
20.6.03
21.6.03
22.6.03
Zaman (gün)
Şekil 4.108. Deponun yarısı soğuk su ile doldurulduğu zamanki durum
4. Aşama
Tüm tank sıcaklığı 78-80 °C’ye kadar çıkarılıp FDM’in erimesi için bu
sıcalıkta bekleme yapılmıştır. Sonra 10 dakika içinde tanktaki tüm sıcak su üstten
tahliye edilerek depoya alttan soğuk su verilmiştir. 10 dk sonunda tankın en sıcak
bölgesi olan en üst nokta 40-35 ºC’ye kadar soğutulmuştur. Bu denemede kullanılan
stearik ve myristik asit karışımının erime aralığı 65-61 ºC civarına olduğundan
tanktaki sıcaklık bu değer ve bu değerin altında olduğunda FDM donmaya
başlamıştır. 40-35 ºC’ye ulaşılıncaya kadar FDM’in bir kısmı donmuş olmalıdır. Bu
yüzden stearik ve myistik asit karışımının ortamdaki suyu ısıtma etkisi beklenenden
ve parafin +stearik asit karışımından daha az olmuştur. Depo suyundaki sıcaklık
artışı 110 cm’de 1,5 ºC ve 120 cm’de 1.7 ºC olmuştur (Şekil 4.109).
Ayrıca yağ asiti-yağ asiti karışımlarında yağ asitlerinin birbirlerine karşı ilgisi
dolayısıyla moleküller arası çekimleri yağ asitlerinin FDM modülü olarak kullanılan
malzemenin duvarıyla olan etkileşimlerinden çok daha fazla güçlüdür. Bu yüzden
yağ asitleri birbirine doğru çekilerek duvardan uzaklaşmakta ve böylece bir hava
boşluğu (oyuk) oluşmasına neden olmaktadırlar. Bu boşluktan dolayı ısı transferi
verimi düşmektedir. Aynı boşluktan kaynaklı dengesiz madde dağılımından dolayı
FDM modüller parafinli karışımlarda olduğu gibi tank içinde dik bir konumda
136
MUHSİN MAZMAN
olmayıp 45 °C’ye yakın yatıklıkta bir açıda yüzmektedir. Bu da etkileşilen su
miktarını azaltmaktadır.
0 cm
60 cm
110 cm
FDM1
Sıcaklık (°C)
80
70
60
30 cm
90 cm
120 cm
FDM2
50
40
30
20
23.6.03
23.6.03
23.6.03
23.6.03
23.6.03
Zaman (s)
Şekil 4.109. Stearik ve miristik asit karışımı için FDM’in donmasıyla depodaki
soğuk suyun ısınması
Hesaplamalar:
Deneylerde 3 kg FDM kullanılmıştır.
Toplam ergime gizli ısısı kapasitesi:
190.87 kJ/kg x 3 kg = 572.61 kJ
FDM modüllerin silindirik kısmı: 26 cm
Tankın çapı: 39 cm
Tankın yarıçapı: 19,5 cm
En üst bölgede FDM modüller etrafındaki toplam su:
Vsu= Π.r2.h
=3,14.(0,195 m)2.(0,26 m)
Vsu = 0,031 m3 = 31 L
dsu= 1kg/L
msu= 31 kg
Suyun sıcaklığını 1 °C arttırmak için gerekli ısı:
137
MUHSİN MAZMAN
= (31 kg).(4,1 kJ/kg.K)
=127 kJ/K
FDM’in toplam ısı kapasitesi = 572.61 kJ
Teorik olarak FDM’in suyun sıcaklığında yaratabileceği maksimum değişim
= (572.61 kJ)/(127 kJ/K)
= 4,5 ºC
Kullanılan FDM 31 L suyun sıcaklığını 4,5 ºC kadar ısıtmalıydı ancak
gerçekleşen ısıtma 1,5 ve 1,7 °C olmuştur.
Ortalama verim = (((1,5+1,7)/2)/3,5)x100
Ortalama verim = % 35,5
FDM modülün hacmi:
R = 8.8 cm
r = 4.4 cm
h=26 cm
= (3,14).(0,044 m)2.(0,026 m)
= 0.0015 m3
3 FDM kullanılmıştır:
= 3x0.0015 m3
Toplam Hacim = 0.0045 m3
Tüm tankın hacmi: 150 L (0.150 m3)
Tanktaki % FDM:
% FDM = (0.0045)/0.150)x100
=%3
Kullanılan FDM tankın %3’ü kadardır. %3 FDM tanktaki suyun sıcaklığını
ortalama olarak 1.6 ºC arttırmıştır. FDM miktarının toplam tank kapasitesine oranı
1/33’tür.
En üst bölgedeki % FDM = %17
Bu değer en üst bölgedeki suyun 1/6’sına denk düşmektedir.
138
MUHSİN MAZMAN
4.3.2.3. Parafin ve Palmitik Asit
FDM: Parafin ve Palmitik asit (%80 + %20)
Erime aralığı: 48-52 ºC
Yoğunluk: Katı hal: 0.902 (± 0.02) g/ml (40 ºC)
Sıvı hal: 0.796 (±0.014) g/ml (70 ºC)
Hacim değişimi: 12 (± 3.7)
Toplam ağırlık FDM: 3 kg
1. Aşama:
Tankın tamamı FDM’siz şekilde 75-78 ºC’ye kadar ısıtılmıştır. Sonra 40-45
ºC’ye kadar soğutulmuştur (Şekil 4.110). Bu deney FDM’li durumu FDM’siz
Sıcaklık (°C)
durumla kıyaslamak için yapılmıştır.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
20.5.03
0 cm
60 cm
110 cm
21.5.03
22.5.03
23.5.03 24.5.03
Zaman (gün)
25.5.03
26.5.03
30 cm
120 cm
90 cm
27.5.03
FDM’in erime aralığı 48-52 ºC’dir. 54 °C’den 48 ºC’ye sıcaklık 23,5 saat sürmüştür.
139
MUHSİN MAZMAN
2. Aşama
FDM modüller depolama tankının içine yerleştirildikten sonra depo suyu 65-68
ºC’ye kadar ısıtılmıştır. Sonrasında tank içindeki suyun sıcaklığı 45-40 ºC oluncaya
kadar tank soğumaya bırakılmıştır.
Şekil 4.110 ve 4.111’dan de görüleceği gibi erime aralığı bölgesine kadar sıcaklık
düşüşü lineerdir. Erime aralığı bölgesinde FDM donarak ortamdaki suya ısı
verdiğinden, lineerlikten saparak bir süre o sıcaklık aralığında kalır. Donma
tamamlanınca suyun sıcaklığı o an ne kadar da tutulmuşsa, ondan sonraki soğuma
sıcaklıktan aşağı ve lineer olarak devam eder. Erime aralığı bölgesi olan 54 °C’den
48 ºC’ye inilirken geçen süre 33,5 saattir. Bu süre FDM kullanılmayan durumdan 10
saat daha fazladır. Bu da FDM’in suyun sıcaklığını 10 saat kadar erime aralığı
bölgesinde tuttuğunu göstermektedir.
Sıcaklık (ºC)
70
60
50
0 cm
60 cm
110 cm
FDM1
30 cm
90 cm
120 cm
FDM2
1.7.03
2.7.03
40
30
27.6.03
28.6.03
29.6.03
30.6.03
Zaman (gün)
Şekil 4.111. FDM’li durum için soğuma eğrileri
3. Aşama
Bu deneme donma sürecinin soğuk suya olan etkisini incelemek için
gerçekleştirilmiştir. Öncelikle depolama tankındaki su 67 ºC’ye kadar ısıtılarak, 30
dakika o sıcaklıkta bekletilmiştir. Bu süre içinde FDM modüller içindeki tüm FDM
erimiştir. Bekleme süresinden sonra 10 saniyede bir ölçüm alınacak şekilde
140
MUHSİN MAZMAN
datalogger yeniden kurulduktan sonra depodaki sıcak su en üst bölmeden 10 dakika
içinde tahliye edildimiştir. Sıcak su tahiye edilirken en alttan ortama soğuk su girişi
sağlanmıştır. Böylece 10 dakika içinde (FDM daha donmadan) depodaki sıcak suyun
soğuk suyla yer değiştirmesi sağlanmıştır. Etrafı birden soğuk suyla dolan FDM
donarak ortama ısı vermiştir. Verilen bu ısının otamdaki suyun sıcaklığında ne tür ve
ne kadar bir değişim yapabileceği incelenmiştir.
FDM modüller depo içinde dik veya yatay bir konumda değil yaklaşık 45°’lik
bir açıyla eğimli olarak durmaktadır. Bu pozisyonda FDM modüllerin suyla değme
yüzeyi en tepedeki 12 cm içinde yer alan suyla olmaktadır. Bu da FDM’in etki
alanında sadece 110 cm ve 120 cm noktalarındaki ısı ölçerlerin anlamlı sonuç
vereceğini göstermektedir. FDM1 ve FDM2 olarak verilen ısı ölçerler modüllerin
dışında ve tam orta noktada sabitlenmişlerdir. Bu noktada yine 110 cm ve 120 cm
noktaları arasında kalmaktadır.
110 cm : Bu noktada sıcaklık su tahliyesiyle 30 ºC’ye düştükten sonra
FDM’in donmasıyla salınan ısı sonucu 37 ºC’ye kadar yükselmiştir. FDM su
sıcaklığını 7 ºC arttırmıştır.
120 cm : Bu noktada sıcaklık su tahliyesiyle 36,1 ºC’ye düştükten sonra FDM’in
donmasıyla salınan ısı sonucu 39,1 ºC’ye kadar yükselmiştir. FDM su sıcaklığını 3
ºC arttırmıştır.
FDM1 : Bu noktada sıcaklık su tahliyesiyle 32,1 ºC’ye düştükten sonra FDM’in
donmasıyla salınan ısı sonucu 37,7 ºC’ye kadar yükselmiştir. FDM su sıcaklığını 4,6
ºC arttırmıştır.
Ortalama sıcaklık değişimi 4.9 ºC’dir.
Bu sıcaklık değişimi 20 dk içinde gerçekleşmiştir. Su tahliyesi, öncesi ve sonrası
toplam deney süresi 1 saattir (Şekil 4.112.).
141
MUHSİN MAZMAN
Sıcaklık (ºC)
70
60
50
0 cm
60 cm
110 cm
FDM1
30 cm
90 cm
120 cm
FDM2
1.7.03
2.7.03
40
30
27.6.03
28.6.03
29.6.03
30.6.03
Zaman (gün)
Şekil 4.112. Parafin ve palmitik asit karışımının donma sırasında soğuk depo suyu
üzerine etkisi
Hesaplamalar:
Deneyde 3 kg FDM kullanılmıştır. Toplam ergime gizli ısısı kapasitesi:
150.08 kJ/kg x 3 kg = 450.24 kJ
FDM modülün silindirik bölümü: 26 cm
Tankın çapı: 39 cm
Şekil 4.113’den görüleceği gibi FDM modüller dik konumda değildir. Bu
sebepten ötürü hesaplamalar sırasında modülerin etkileştiği 12 cm’lik bölge temel
alınacaktır.
142
MUHSİN MAZMAN
Şekil 4.113. Depo tankı ve FDM modüllerin eğimli yerleşimi
En üst bölgede FDM modüller etrafındaki su miktarı:
Vsu= Π.r2.h
=3,14.(0,195 m)2.(0,12 m)
Vsu = 0,014 m3 = 14 L
dsu= 1kg/L
msu= 14kg
Suyun sıcaklığını 1 ºC arttırmak için gerek ısı miktarı:
= (14 kg).(4,1 kJ/kg.K)
= 57.4 kJ/K
FDM’in toplam ısı kapasitesi= 450.24 kJ
Teorik olarak FDM’in su sıcaklığında yaratabileceği maksimum
= (450.24.61 kJ)/(57.4 kJ/K)
= 7,8 ºC
Tüm FDM 14 L suyun sıcaklığını 7,8 ºC arttırabilmektedir. Deneysel
ölçümlere göre FDM’in su sıcaklığında yaratabildiği değişiklik:
143
MUHSİN MAZMAN
110 cm: 7 ºC.
120 cm : 3 ºC
FDM : 4.7 ºC
Ortalama verim= (((3+7+4,7)/3)/7,8)x100
Ortalama verim = % 63
FDM modüllerin hacmi:
R = 8.8 cm
r = 4.4 cm
h=26 cm
= (3,14).(0,044 m)2.(0,026 m)
= 0.0015 m3
3 FDM modül kullanıldı:
= 3x0.0015 m3
Toplam hacim = 0.0045 m3
Toplam tank hacmi: 150 L (0.150 m3)
Depolama tankındaki % FDM:
% FDM = (0.0045)/0.150)x100
=%3
Kullanılan FDM tankın %3’ü kadardır. %3 FDM tanktaki suyun sıcaklığını
ortalama olarak 4,9 ºC arttırmıştır. FDM miktarının toplam tank kapasitesine oranı
1/33’tür.
En üst bölgedeki % FDM = %33
Bu değer en üst bölgedeki suyun 1/3’üne denk düşmektedir.
144
5. SONUÇ VE ÖNERİLER
MUHSİN MAZMAN
Isıl tabakalaşmayı kullanan depolama tankları enerjinin kısa süreli olarak
korunması için geniş ölçüde kullanılmakta olan etkin sistemlerdir. Bu yöntem
özellikle güneş enerjisi sistemleri ve atık ısının değerlendirilmesi uygulamalarında
kullanılmaktadır.
Depolama tankı içinde farklı sıcaklıklarda su bulunması ısıl tabakalaşmayı
arttırır, çünkü su sıcaklığındaki değişim suyun yoğunluğunda da bir değişime sebep
olur ve ağırlıktaki farklılık sonucu sıcak su üstte, soğuk su alt katmanda toplanarak
ısıl tabakalaşmaya sebep olur. Bu tabakalaşma olayı depolama tankının verimini
arttırmak için kullanılabilir. Üst katmanın sıcaklığından daha düşük sıcaklıkta
depolamaya devam edildiğinde depolanan ısı daha düşük sıcaklıktaki alt katmanda
birikmekte ve bu katmanı da ısıtmaktadır. Böylece depolama tankından ısıl doluluk
bakımından daha yüksek verim elde edilebilmektedir.
Farklı sıcaklıklarda depolama yapmak faz değiştiren kullanımıyla mümkün
olabilmektedir. FDM ile gizli ısı depolama tekniğinde küçük sıcaklık değişimlerinde
yüksek ısı depolama yoğunluğuna ulaşılabilmektedir. Bu teknik ısıl tabakalaşma
kullanan sistemlere eklemlenerek tankın üst bölümündeki sıcak su bölümünde
fazladan ısı depolamaya olanak tanır. Bu tekniklerin birleştirilmesiyle az miktarda
FDM kullanımıyla tankın sıcak su toplanan üst bölümünde depolama kapasitesi ve
performansı arttırılabilmektedir. Bu sistemde tabakalaşmayı kullanarak yapılan
depolamaya müdahale edilmemekte, ancak daha yüksek depolama yoğunluğuna
ulaşılmaktadır.
Tabakalaşma sonrasında farklı sıcaklık ve yoğunluktaki ısı tabakaları arasında
dikey yöndeki ısı transferi oldukça küçüktür. Bu durum üst katmanda yer alan sıcak
su ile alt katmandaki soğuk suyun kısa sürede ısıl degeye gelmesini engellemekte ve
bu yolla üst katmandaki sıcak suyun soğuması geciktirilerek daha uzun süreli
depolama olanağı sağlanmaktadır. FDM kullanılan uygulamalarda üst katmandaki
sıcak bölmede yer alan FDM modüller; sıcaklığın FDM’in erime aralığının altına
düşmesini engelleyerek daha uzun süreli depolama olanağı tanır ve etrafını
çevreleyen sıcak su kullanım amaçlı sistemden çekildiğinde sisteme yeni giren soğuk
145
MUHSİN MAZMAN
suyun sıcaklığını FDM’nin donması esnasında salınan ısıyla bir miktar arttırarak daha
büyük miktarlarda su sağlanmasına olanak tanır.
FDM kullanan sistemlerde en önemli problemler kullanımı aralığına uygun
madde bulma ve kullanılan organik FDM’lerin düşük ısıl iletkenliğidir. Düşük ısıl
iletkenlik ısı dopolama esnasında ısı yükleme ve geri kazanma zamanını arttırmakta
ve ısı depolama etkinliğini düşürmektedir. Bu sorunu aşmak için ortama ısıl
iletkenliği arttıracak materyaller eklenmektedir.
Şu an için ticari değerde yağ asitleri bulunmamaktadır. Ancak parafinin ticari
kullanımı mevcuttur. Bu çalışmanın ilk aşamasında yağ asitleri kendi içlerinde
karıştırılmış,
karışım
olanakları
ve
karışımlarının
özellikleri
incelenmiştir.
Laboratuar ortamında 5 saf yağ asidi ve bunların 23 karışımı hazırlanmıştır. Bütün
maddeler her oranda homojen olark karışmışlardır.
¾ Stearik (Te: 65-70°C) ve palmitik (Te: 625-65°C) aside sırasıyla %10 ve
20’şer kaprik asit (Te: 30-33°C) eklendiğinde erime aralığı 60 °C civarına
inmiştir
¾ Stearik (Te: 65-70°C) ve palmitik (Te: 625-65°C) aside laurik asit (Te: 4345°C) eklendiğinde erime aralığı laurik asit miktarı arttıkça düşmüş ve
karışım aşırı soğuma özelliği göstermiştir
¾ Miristik-stearik asit karışımları aşırı soğuma göstermiş, miristik-palmitik
karışımı ötektik bir karışım oluşturmuştur
¾ Kullanım için önerilebilecek yağ asidi karışımları şu şekilde belirlenmiştir
− 80:20 stearik- miristik asit (ΔH:190.87 J/g; E.n: 61-65 °C)
− 80:20 stearik-kaprik asit (ΔH: 166.23 J/g; E.n.: 31-34 °C)
− 60:40 palmitik-miristik asit (ΔH: 173.39 J/g; E.n.: 47-50 °C)
− 80:20 palmitik-laurik asit (ΔH: 183.32 J/g; E.n.: 55-58 °C)
Yağ asitleri karışımları denemelerinin ardından yağ asidi-parafin, yağ asidiCH3COONa·3H2O ve Parafin-CH3COONa·3H2O karışımları hazırlanmıştır. Bu
bölümde
de
saf
maddeler
ve
22
karışım
hazırlanmıştır.
Yağ
asidi-
CH3COONa·3H2O ve Parafin-CH3COONa·3H2O karışımları ilk karışmadan sonra
erime/donma çevrimine tabi tutulmuş ve yaklaşık 5 döngü sonunda ilk eklemede
homojen karışmış gibi görünen maddeler iki faz şeklinde ayrılmıştır. Bu durumdan
146
MUHSİN MAZMAN
CH3COONa·3H2O yapısındaki suların bir çözelti oluşturmasının sorumlu olduğu
düşünülmüştür.
Yağ asidi-parafin karışımları problemsiz karışmış ve ısıl özellik açısından
kararlılık göstermişlerdir. Bu bölümde hazırlanan karışımlar içinde FDM olarak
önerilenler şunlardır:
•
80:20 Parafin - Palmitik Asit (H: 150 J/g, E.n.: 48-52ºC)
•
80:20 Parafin – Stearik Asit (H: 150 J/g, E.n.: 49-53C)
•
70:30 Parafin – Stearik Asit (H: 157 J/g, E.n.: 48-53ºC)
Parafin-CH3COONa·3H2O ve yağ asidi -CH3COONa·3H2O karışımları faz
ayrışması göstermiştir.
İlk aşamada üzerinde durulan karışımlar tabakalaşma içeren güneş enerjisiyle
su ısıtma tanklarına eklenmek üzere hazırlanmışlardır. Bu sebeple erime aralıkları
evsel kullanımda ihtiyaç duyulan 45-65 °C aralığında tutulmaya çalışılmıştır. Ilk
aşamada önerilen organik karışımlar dışında kalan yağ asidi-CH3COONa·3H2O ve
parafin-CH3COONa·3H2O karışımlarının termal özelliklerinin iyileştirilmesi için
emülsifiyer eklenmesi gibi alternatifler gelecek çalışmalarda denenmelidir.
Labaratuar çalışmalarının ilk aşamasında geliştirilen karışımlardan (yağ asidiyağ asidi ve parafin-yağ asidi) 4 tanesi güneş enerjisiyle su ısıtma sistemlerinde
denenmek üzere seçilmiştir. Bunlar;
•
80:20 Parafin - Palmitik Asit (H: 150 J/g, E.n.: 48-52ºC)
•
80:20 Parafin – Stearik Asit (H: 150 J/g, E.n.: 49-53C)
•
80:20 stearik- miristik asit (ΔH:190.87 J/g; E.n: 61-65 °C)
•
80:20 palmitik-laurik asit (ΔH: 183.32 J/g; E.n.: 55-58 °C)
karışımlarıdır.
Seçilen bu karışımlar sisteme eklenmeden önce ısı transfer özelliklerinin
geliştirilmesi için çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalarda ısıl iletkenliği arttırma için
FDM ortamına paslanmaz çelik bloklar, bakır bloklar ve grafit eklenmiştir. Bu
eklenen maddelerin ısıl iletkenlik üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu etkinin ısı
taşıyıcı akışkanın hızına bağımlılığını belirlemek için paslanmaz çelik kullanılan
deneylerde 0.5 L/s, bakır kullanılan deneylerde 0.5 - 0.025 L/s ve grafit kullanılan
147
MUHSİN MAZMAN
deneylerde 0.05-0.025-0.01 L/s akış hızlarında denemeler yapılmıştır. Bu denemeler
sonucunda tüm maddeler için 0.05 L/s akış hızında ortama bakır bloklar eklemek
sistem üzerinde olumlu etki yaratmış, ancak en iyi sonuçlar grafit eklenen
denemelerde tespit edilmiştir. Grafit kullanıldığında ısıl iletkenlik çok yüksek
düzeyde gerçekleşmekte ve buna akış hızının etkisi çok az olmaktadır.
Yağ asidi-yağ asidi karışımları arasında moleküller arası bağlar çok güçlü
olmakta ve madde ısı değiştirici ve duvar malzemesiyle temasını kesmektedir. Bunun
sonucunda ısı dönüştürücü ve duvar malzemesiyle FDM olarak kullanılan yağ asitleri
arasında hava boşluğu oluşmaktadır. Bu hava boşluğu erime olayını olumsuz
etkilemektedir. Isı değiştiriciden akan ısı FDM’ye ulaşmadan önce hava boşluğunu
ısıtmakta ve FDM’nin erimesi çok yavaş olmaktadır. FDM erimeye başlayınca hava
boşluğu sıvı FDM ile dolmakta ve erime süreci normale dönmektedir. Ancak tüm bu
süreç enerji depolama zamanını arttırmaktadır. Bir çok uygulamada depolam için
gereken zaman kısa olduğundan bu sorun önemli bir darboğaz olarak görülmelidir.
Ortama ısıl iletkenliği arttırıcı maddeler eklendiğinde bu etki büyük oranda telafi
edilmektedir.
Parafin-stearik asit(PS) ve parafin-palmitik asit (PP) karışımları için akış
hızına bağlılık şu şekilde gerçekleşmiştir: 0.05 L/s akış hızında erimede ısı transferi
PP için 1.7 kat donmada 3.2 kat artmıştır. PS’de ise erimede 3.4 ve donmada 4.4 kat
artış ölçülmüştür. Bu durumda PS’nin 0.05 L/s akış hızında etkinliği PP’ye göre
tercih edilebilir düzeydedir.
Karışımlar
120
erime/donma
döngüsü
sonuda
ısıl
özelliklerini
kaybetmemiştir.
Bu çalışmadaki üçüncü aşamada ikinci aşamada seçilen dört karışımın üçü
için uygulanmıştır. Palmitik-laurik asit karışımı için bu aşamada denemeler
yapılmamıştır. Amaç doğrultusunda deneyler Lleida Üniversitesi’inde (İspanya)
kurulu gerçek bir güneş enerjisi depolama düzeneğinde gerçekleştirilmiştir.
Çalışmada ön denemeler yapılarak FDM karışımları hazırlanmış, hazırlanan FDM
karışımlarından seçilen dört karışım için ısıl iletkenlik arttırma çalışmaları yapılmış
ve en nihayetinde geliştirilmiş FDM’lere grafit eklenerek kullanılmıştır. 3 kg FDM
146 L kapasiteli depolama tankına eklenmiştir. FDM’nin doğrudan temas halinde
148
MUHSİN MAZMAN
olduğu bölge tankın üst bölümünde yer alan ve 32 L’lik kısmı kapsayan bölümdür.
Üst bölgenin soğuması FDM’li (parafin-palmitik asit) denemelerde FDM’siz duruma
göre 10 saat daha geç olmaktadır. Tankın üst bölümündeki su çok kısa sürede
kullanıldığında soğuyan suyun sıcaklığı FDM’nin donmasıyla 1,5 - 5 °C dolayında
artmaktadır. Bu etki 10-15 dk içinde tamamlanmaktadır.
Çalışma 3 kg FDM’in tank suyunun FDM ile temas eden 14-36 L’lik kısmını
3-4 °C arttırdığını göstermektedir. Bu etki 10-15 dakika içinde gerçekleşmektedir ki
bu süre bir çok uygulamada depolama ve geri kazanım için uygun bir süredir. Ayrıca
FDM kullanımının tank suyunun FDM’in ergime aralığının altına düşmesini 10 saat
kadar geciktirdiği görülmüştür. Çalışmada kullanılan PP karışımı aynı erime entalpili
PS karışımına göre daha fazla sıcaklık değişimine sebep olmuştur. Ancak % verimi
daha düşük gerçekleşmiştir. Bunu sebebi FDM (PP) modüllerin ortamda 30° ‘lik
açıyla yatık pozisyonda olmalarıdır. Bu yüzden etkileştikleri su miktarı daha az
olmaktadır. Stearik-miristik asi (SM) karışımı bir yağ asidi-yağ asidi karışımıdır ve
moleküller arası çekimi modülün yüzeyi-yağ asidi çekiminden daha güçlüdür. Bu
durum katı haldeyken FDM’nin modülün duvarına temasını engellemektedir. FDM
ile modül duvarı arasında oluşan hava boşluğu erime ve donmayı geciktirmekte ve
yüksek erime entalpisine rağmen SM’nin etkin olmasını engellemektedir. Ortama
eklenen toz grafit bu etkiyi kısmen azaltsa da tamamen ortadan kaldıramamıştır.
Deneysel sonuçlar; PS’nin etkileştiği su miktarı ve verimi düşünüldüğünde,
FDM olarak daha etkin olduğunu göstermiştir.
Çalışmanın devamı için yapılacak öneriler şu şekilde sıralanabilir:
•
Parafin-CH3COONa·3H2O
ve
yağ
asidi-CH3COONa·3H2O
karışımlarının karışma etkinlikleri geliştirilebilir.
•
CH3COONa·3H2O’lı
karışımların
etkinliğini
arttırmak
için
emülsifiyer eklenerek denemeler yapılabilir.
•
Ötektik noktaları belirlenmemiş olan karışımların ötektik noktaları
belirlenip faz diyagramları çizilebilir.
•
Isıl iletkenliği yüksek FDM-grafit karışımı birlikte kapsüllenerek
diğer tekniklere katkı sağlanabilir
149
•
MUHSİN MAZMAN
Polimerik maddelere FDM-grafit karışımı emdirilerek yeni ve sert
polimerik yapılar elde edilerek bu yapılar plakalar haline getirilebilir.
Böylece birçok uygulamada ticari değerde ürünler elde edilebilir.
•
Yağ asitlerinin korozyon etkisi incelenebilir.
•
Bu çalışmada kullanılanda FDM miktarının arttırılması ile elde edilen
performans artabilir.
•
Değişik maddelerin FDM olarak güneş enerjisiyle sıcak su eldesi
sitemlerindeki etkinlikleri ve sorunları incelenebilir,
•
FDM’lerin
yerleştirildikleri
kapların
malzemesi
ve
şekilleri
değiştirilerek daha etkin sistemler tasarlanabilir.
•
Isı transferine daha çok kolaylık sağlayan (daha geniş ısı transfer
yüzeyi içerme gibi) farklı kaplar kullanılabilir.
150
KAYNAKLAR
ABHAT A., 1983, Low temperature latent heat thermal energy storage materials,
Solar Energy 30, 313-332
ANDERSSON, O., HELLSTRÖM, G., ve NORDELL, B., 2000, Recent UTES
Development in Sweden, TERRASTOCK 2000, Stuttgart, Germany,
August 28 – September 1, 2000, s. 75-80.
ANNEX17, http://www.fskab.com/annex17/
BAŞTENÇELİK, A., PAKSOY, H.Ö., ÖZTÜRK , H.H., 1996, “Greenhouse heating
with solar energy and PCM storage”. Acta Horticulturae 443, 63-70.
BUCHLIN J.M., 1989, Experimental and numerical modeling of solar energy storage
in rockbed and encapculated phase change material packings, energy
storage systems, NATO ASI series E: Appleid science, Kluwer
Academic Publishers, 249-301
BUDDHI D., BANSAL N.K., SAWHNEY R.L., SODHA S., 1988, Solar thermal
storage systems using phase change materials, Int. J. Energy Research,
Volume 12, 547-555
CABEZA L.F., MEHLING H., HIEBLER S., ZIEGLER F., 2002, Heat transfer
enhancement in water when used as PCM in thermal energy storage,
Applied thermal engineering 22, (), 1141-1151
CABEZA L. F., IBANEZ M., SOLE C., ROCA J., NOGUES M.,2006,
Experimentation with a water tank including a PCM module, Solar
Energy Materials & Solar Cell, Article in pres
CEDEÑO F.O., PRIETO M.M., ESPINA A., GARCÍA J.R., 2001, Measurement of
Temperature and melting heat of some pure fatty acids and their binary
and
ternary
mixtures
by
differential
scanning
calorimeter,
Thermochimica acta 369, 39-50
CHOW L.C., ZHONG J.K., BEAM J.E., 1996, Thermal conductivity enhancement
for phase change storage media, Int. Comm. Heat Mass Transfer, vol.
23, 91-100
151
DHARUMAN C., ARAKERI J. H., SRINIVASAN K., 2006, Performance
evaluation of an integrated solar water heater as an option for building
energy conservation, Energy and Buildings 38, 214-219
DIKICI, D., NORDELL, B., and PAKSOY, H., 2000. Cold Extraction from Winter
Air in Different Climates for Seasonal Storage. Proceedings of
TERRASTOCK 2000, 8th International Conference on Thermal Energy
Storage , Stuttgart, Germany, (2): 515-521.
DİKİCİ D., 2004, Doğal soğuk kaynaklardan yararlanan yer altı kanallarında termal
enerji depolanması (KTED), Doktora tezi, Ç.Ü. Fen Bil. Enst., Adana
DIMAANO M.N.R., WATANABE T., 2002, The capric - lauric acid and
pentadecane combination as phase change material for cooling
applications, Applied Thermal Engineering 22, 365-377.
DINÇER I, ROSEN M.A., 2002, Thermal energy storage, Systems and applications,
John Wiley & Sons. Chicheser (England),
DUTRE W.L., 1991, simulation of water based thermal solar systems, Kluwer
Academic Publishers Group, 276 sayfa
GÖK Ö., 2005, Faz değiştiren maddelerin destekleyici maddelerde tutuklanması ve
termal performansı, Yüksek lisans tezi, Ç.Ü. Fen Bil. Enst., Adana
FARID M. M., KHUDHAIR A. M., RAZACK S. A. K., AL-HALLAJ S., 2004, A
review on phase change energy storage: materials and applications,
Energ Conversion & management, 45, pp. 1597-1615,.
FELDMAN D., SHAPIRO M.M., BANU D., 1986, Organic phase change materials
for thermal energy storage, Solar Energy Mater 13, , 1-10.
FUKAI
J., HAMADA Y., MOROZUMI Y., MIYATAKE O., 2002, Effect of
carbon-fiber brushes on conductive heat transfer in phase change
materials, Int. J. Heat and Mass Transfer 45, 4781-4792
GONDOLFO F.G., BOT G., FLÖTER E., 2003, Phase diagram of mixtures of
steraic acid and stearyl alcohol, Thermochimica Acta 44, 9-17
GRETARSSON S. P., PEDERSEN C.O., STRAND R. K., 1994, Development of a
fundamentally based stratified thermal storage tank model for energy
analysis calculations., ASHRAE Transactions 100, 1213-1220
152
HASNAIN S.M., 1998, Review on sustainable thermal energy storage technologies,
Part I: Heat storage materials and techniques, Energy Conversion &
Management 39, 1127-1138.
IBANEZ M., CABEZA L. F., SOLE C., ROCA J., NOGUES M., 2005, Modelization
of a water tank including a PCM module, Applied Thermal Engineering,
Article in press
İLİN M., SEGAL E., 1998, İnsan Nasıl İnsan Oldu, Say Yayınları, 12. basım, 551
sayfa, İstanbul
LANE G.A., 1980, Low temperature heat storage with phase change materials, Int. J.
Ambient Energy I, 155-168.
LANE G. A., 1983a, Solar heat storage latent heat material,Volume I, CRC Pres Inc.
Boca Raton/Florida, 450
LANE G. A., 1983b, Solar heat storage latent heat material,Volume II, CRC Pres
Inc. Boca Raton/Florida, 450
LİU Z., SUN X., CHONGFANG M., 2005, Experimetal study of charactheristics of
solidification of stearic acid in annulus and its thermal conductivity
enheancement, Enegy Con.&Mang. 46, 971-984
KAKAÇ S., PAYKOÇ E., YENER Y., 1989, Storage of solar thermal energy.
Energy storage systems. NATO ASI Series E: Appleid Science , 121161, Kluwer Academic Publishers.
KAURANEN P., PEIPPO K., LUND P.D., 1991, An organic PCM storage system
with adjustable melting temperature, Solar Energy 46, 275-278.
MARTIN, V., RYDSTRAND M., HE B., 2002, “On the effective Desing of a PCM
Cool Storage in Comfort Cooling Applications-the Imporatnce of
Narrow Phase Change Temperature Ranges”. IEA, ECES IA Annex 17,
Advanced thermal energy storage through phase change materials and
chemical reactions-feasibility studies and demonstration projects. 3rd
Workshop, 1-2 October 2002, Tokyo, Japan.
153
MAZMAN M., PAKSOY, H.Ö. VE EVLIYA H., 1999, Güneş Enerjisinin Organik
Kimyasallarda Depolanması (Solar Energy Storage in Organic PCMs),
Güneş Günü Sempozyumu, 25-27 Haziran, Kayseri, 181-188
MAZMAN M., PAKSOY H.Ö. VE EVLIYA H., 2000, Solar Energy Storage in
Organic Materials, TERRASTOCK 2000, 8th International Conference
on Thermal Energy Storage, Stuttgart, Germany, 28 August-1
September, Vol.2 , 625-631.
MAZMAN M., PAKSOY, H.Ö. VE EVLIYA H., 2002, Güneş Enerjisinin Yağ
Asitlerinde Gizli Isı Şeklinde Depolanması (Solar Energy Storage in
Fatty Acids as Latent Heat ), Proceedings of the Fourth GAP
Engineering Congress, 06-08 June, Şanlıurfa,Turkey
MAZMAN M., CABEZA L. F., MEHLING H., EVLIYA H. VE PAKSOY, H.Ö.,
2004, Güneş Enerjisiyle Su
Isıtma Sistemlerinde Faz Değiştiren
Madde Kullanımı,UTES, V. Ulusal Temiz Enerji
Sempozyumu,
İstanbul, 26-28 Mayıs, 107-117. İstanbul, Turkey
MEHLING H., HIEBLER S., ZIEGLER F., 1999, Latent Heat Storage Using a
PCM-Graphite
Composite
Material:
Adventage
and
Potential
Applications, Proceedings of the 4th Workshop of IEA ECES IA Annex
10, Bendikbeuern, Germany
MEHLING H., HIEBLER S., ZIEGLER F., 2000, Latent heat storage using a PCMgraphite composite material, Proceedings of TERRASTOCK 2000,
Stuttgart, Germany .
MEHLING H., CABEZA L. F., HIPPELI S., HIEBLER S., 2003, PCM-module to
improve hot water heat stores with stratification, Renewable Energy, 28
(5), pp. 699-711.¸.
MULLIGAN J. C., 1996, Microencapsulated phase-change material suspensions for
heat transfer in spacecraft thermal systems, Journal of Spacecraft and
Rockets 33, 278-284
NELSON J.E.B., BALAKRISHNAN A.R., MURTHY S.S., 1999, Experiments on
stratified chilled water tanks, Int. J. of Refrigeration 22 (3), 216-234
154
NORDELL B, 2003, Thermal pollution causes global warming, Global and Planetary
Change, V 38, , 305-312
ÖZONUR Y., MAZMAN M. VE PAKSOY H., 2003, Termal Enerji Depolama için
Parafinin
Mikrokapsüllenmesi, Türkiye 9. Enerji Kongresi,
İstanbul, 24-27 Eylül, 223-230.
ÖZONUR Y., 2004, Düşük sıcaklıkta termal enerji depolamasına uygun faz
değiştiren maddelerin mikrokapsüllenmesi, Yüksek lisans tezi, Ç.Ü.
Fen Bil. Enst., Adana
ÖZONUR
Y.,
MAZMAN
M.,
PAKSOY
H.Ö.,
EVLIYA
H.,
2005,
Microencapsulation of Coco Fatty Acid Mixture for Thermal Energy
Storage with Phase Change Materials, International Journal of Energy
Research, accepted for publication
ÖZTÜRK H., 1997, Sera ısıtma için Güneş enerjisinin faz değiştiren maddelerde
(PCM) depolanması üzerine bir araştırma, Doktora tezi, Ç.Ü. Fen Bil.
Enst., Adana.
PAKSOY H.Ö., 1992, Thermal analysis of heat storage materials and integrated heat
pump and thermal energy storage, Doktora tezi, Ç.Ü. Fen Bil. Enst.,
Adana
PAKSOY H.Ö. VE MAZMAN M., 2000, Telekomünikasyon Santrallerinde Termal
Enerji Depolamayla Soğutma (Cooling in Telecommunication Stations
by TES), Türkiye 8. Enerji Kongresi, 8-12 Mayıs, Cilt 2, 215-226.
PAKSOY, H.O., ANDERSSON, O., EVLIYA H. and ABACI S., 2000a. Heating
and cooling of a hospital using solar energy coupled with seasonal
thermal energy storage in aquifer. Renewable Energy, 117-122.
PAKSOY, H.O., HELLSTROM, G., and ENLUND, S., 2000b. Direct Cooling of
Telephone Switching Exchanges Using Borehole Heat Exchangers in
Different Climates. Proceedings of TERRASTOCK 2000, 8th
International Conference on Thermal Energy Storage, Stuttgart,
Germany (1) 509-514.
PAKSOY H.Ö., MAZMAN M., TURGUT B., KONUKLU (ÖZONUR) Y., 2002,
Cooling with Thermal Energy Storage in Different Climates, World
155
Renewable Energy Congress VII., , 29 June – 5 July, 963., Cologne,
Germany
PY X., R. OLIVES, S. MAURAN, 2001, Paraffin/porous-graphite-matrix composite
as a high and constant power thermal storage material, Int. J. Heat and
Mass Transfer 44, 2727-2737
RABIN Y., BAR-NIV I., KORIN E., MIKIC B., 1995, Integrated solar collector
storage system based on a salt-hydrate phase change material, Solar
Energy V:55, 435-44
ROSEN M.A., 2001, The exergy of stratified thermal energy storages, Solar energy,
vol. 71, 3, 173,185
RUBITHERM, http://www.rubitherm.com/english/index.htm
SARI A., 2000, Bazı Yağ Asitleri ve ötektik Karışımlarının Enerji Depolayıcı Madde
Olarak Kullanılabilirliğinin İncelenmesi, Doktora Tezi, Fen Bilimleri
Enstitüsü, Gazi Osman Pasa Üniversitesi, Tokat
SARI A., KAYGUSUZ K., 2001a, Thermal energy storage system using some fatty
acids as latent heat energy storage materials, Energy Sources 23, 275285
SARI A., KAYGUSUZ K., 2001b, Thermal Performance of Myristic Acid as a Phase
Change Material for Energy Storage Aplication, Renewable Energy,
303-317, 24
SARI A., KAYGUSUZ K., 2002, Thermal performance of palmitic acid as phase
change energy storage material, Energy Conversion &. Management
43, 863-876
SARI A., 2003, Thermal Characteristics of a Eutectic Mixture of Myristic and
Palmitic Acids as Phase Change Material for Heating Applications,
Applied Thermal Engineering, 23, pp. 1005-1017
SHARMA A., SHARMA S.D., BUDDHİ D., 2002, Accelerated thermal cycle test of
acetamide, stearic acid and paraffin wax for solar thermal latent heat
storage applications, Energy Conversion and Management, 43, 19231930
156
SHIMIZU M. VE FUJITA K., 1985, Actual efficiencies of thermally-stratified
thermal storage tanks, IEA Heat pump center newsletter 3(1/2), 20-25
SOKOLOV M. VE KEZMAN Y., 1991, Performance indicators for solar pipes with
change storage, Solar Energy 47(5),339-346
SUPPES G.J., GOFF M.J., LOPES S., 2003, Latent heat characteristic of fatty acid
derivatives pursuant phase change material applications, Chemical
Engineering Science, V.58, 1751-1763
THOMSON G., 1991, İnsanın Özü, Payel Yayınları, 4. baskı, 127 sayfa, İstanbul
XIAO M., FENG B., GONG K., 2002, Preparation and performance of shape
stabilized phase change thermal storage materials with high thermal
conductivity, Energy Conversion and Management, 43, 103-108
YILMAZ M.Ö., 2005, Yer altı termal enerji depolanmada kullanılan farklı dolgu
maddelerinin termal özelliklerinin araştırılması, Yüksek lisans tezi,
Ç.Ü. Fen Bil. Enst., Adana
ZALBA B., MARÍN J. M., CABEZA, L. F., MEHLING, H., 2003, Review on
thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer
analysis and applications, Applied Thermal Engineering, 23, pp. 251283,.
ZHANG J.J., ZHANG J.L., HE S.M., WU K.Z., LİU X.D., Thermal studies on the
solid-liquid phase transition in binary systems of fatty acids,
Thermochimica Acta 369, 157-160
157
ÖZGEÇMİŞ
Çukurova Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümünden 1997 yılı
Haziran döneminde mezun oldum. Aynı yıl Kimya anabilim dalında Yüksek Lisansa;
1998 yılında da Araştırma Görevlisi olarak çalışmaya başladım. 2000 yılında “Güneş
Enerjisinin Faz Değiştiren Organik Kimyasallarda Gizli Isı Şeklinde Depolanması”
başlıklı Yüksek Lisans tezimi sundum. Aynı yıl Kimya anabilim dalında doktora
çalışmalarına başladım. Doktora çalışmam sırasında TUBİTAK BAYG bursuyla 4 ay
Lleida Üniversitesi (İspanya) da bulundum ve çalışmalarımın bir bölümünü burada
gerçekleştirdim. Halen Ç.Ü. Kimya Bölümünde Arş. Gör. unvanıyla çalışmalarıma
devam etmekteyim.
158
EK 1: Ticari FDM’ler (Annex 17)
159
FDM
Adı
Te
o
C
117
E117
H
kJ/kg
169
Kaynak
EPS Ltd
URL/Kaynak
RUBITHERM® RT 100
latent heat paraffin 99
168
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
RUBITHERM® RT 90
E89
TH89
89
Salthydrate
89
Erythritol/Trimethyr
olethane
86,1
Erythritol/Trimethyr
olethane/Trimethyr
olpropane
80
194
163
149
RUBITHERM GmbH
EPS Ltd
TEAP
www.rubitherm.com
246
Mitsubishi Chemical
www.teappcm.com
H Kakiuchi et al:
Futurestock 2003
231
Mitsubishi Chemical
H Kakiuchi et al:
Futurestock 2003
latent heat powder 77
latent
heat
granulate
79
latent heat fibre
board
79
91
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
71
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
132
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
Salzhydrat/Salz
Eutektikum
72
70
175
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
0
194
Merck KGaA
Climator
www.climator.com
RUBITHERM® RT 65
ClimSel C 58
E58
TH58
STL55
(Sodiumacetatetrihydrat
e)
58
58
Salthydrate
58
173
364
226
226
RUBITHERM GmbH
Climator
EPS Ltd
TEAP
Salthydrate
55
242
Mitsubishi Chemical
??? (Mitsubishi license)
55
242
Cristopia
RUBITHERM® FB 54
Salthydrate
latent heat
board
55
135
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
RUBITHERM® RT 54
179
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
RUBITHERM® PX 52
STL52
e)
E48
ClimSel C 48
STL47
e eut.)
103
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
Salthydrate
52
48
48
201
201
324
Mitsubishi Chemical
EPS Ltd
Climator
www.climator.com
47
221
Mitsubishi Chemical
PCM 86
PCM 80
RUBITHERM® PX 80
RUBITHERM® GR 80
RUBITHERM® FB 80
RUBITHERM® RT 80
PCM72
ClimSel C 70
Salthydrate
www.rubitherm.com
www.climator.com
www.teappcm.com
fibre
160
Salthydrate
47
221
Cristopia
RUBITHERM® RT 42
174
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
63
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
RUBITHERM® FB 41
latent
heat
granulate
43
latent heat fibre
board
43
117
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
RUBITHERM® RT 41
152
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
RUBITHERM® PX 41
96
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
RUBITHERM® RT 36
159
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
RUBITHERM® RT 35
ClimSel C 32
E32
Salthydrate
32
32
157
302
186
RUBITHERM GmbH
Climator
EPS Ltd
www.rubitherm.com
www.climator.com
RUBITHERM® RT 32
E30
TH29
30
Salthydrate
29
130
201
188
RUBITHERM GmbH
EPS Ltd
TEAP
www.rubitherm.com
RUBITHERM® RT 27
179
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
RUBITHERM® GR 27
latent
heat
granulate
28
72
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
RUBITHERM® PX 27
A28
S27
28
Salthydrate
27
112
245
207
RUBITHERM GmbH
EPS Ltd
Cristopia
www.rubitherm.com
27
213
Mitsubishi Chemical
RUBITHERM® RT 26
131
RUBITHERM GmbH
www.rubitherm.com
TH 25
ClimSel C 24
A22
Salthydrate
Salthydrate
25
24
22
159
216
220
TEAP
Climator
EPS Ltd
www.teappcm.com
www.climator.com
RUBITHERM® RT 20
E21
21
20
15
13
172
150
www.rubitherm.com
130
140
RUBITHERM GmbH
EPS Ltd
TEAP
Climator
EPS Ltd
E10
13
10
0
140
Cristopia
EPS Ltd
9
0
Cristopia
RUBITHERM® GR 41
STL27 (Calciumchloride
Salthydrate
hexahydrate)
ClimSel C 15
E13
161
www.teappcm.com
www.teappcm.com
www.climator.com
RUBITHERM® RT 6
E8
A8
8
8
174
140
220
RUBITHERM GmbH
EPS Ltd
EPS Ltd
www.rubitherm.com
RUBITHERM® RT 5
E7
ClimSel C 7
TH 7
7
7
7
156
120
162
189
RUBITHERM GmbH
EPS Ltd
Climator
TEAP
www.rubitherm.com
RUBITHERM® RT -2
A4
TH 0
4
0
214
227
334
RUBITHERM GmbH
EPS Ltd
TEAP
www.rubitherm.com
RUBITHERM® RT -7
SN03
latent heat paraffin -3
Saltsolution
-3
165
328
RUBITHERM GmbH
Cristopia
www.rubitherm.com
Saltsolution
-3
-4
-6
328
286
284
Mitsubishi Chemical
TEAP
Cristopia
www.teappcm.com
284
283
310
Mitsubishi Chemical
TEAP
Cristopia
www.teappcm.com
Saltsolution
-6
-10
-11
Saltsolution
Saltsolution
Saltsolution
-11
-12
-15
271
306
311
Mitsubishi Chemical
Cristopia
Cristopia
Saltsolution
-16
-16
-18
0
289
268
Mitsubishi Chemical
TEAP
Cristopia
-21
-21
-21
-26
-29
-31
-33
240
240
222
268
233
131
245
Mitsubishi Chemical
Cristopia
TEAP
Cristopia
Cristopia
TEAP
Cristopia
STL-3
(sodiumcarbonate sol)
TH-4
SN06
STL-6
(potasiumhydrogencarb
onate sol)
TH-10
SN10
STLN10
(Pottasiumchloride
solution)
SN12
SN15
STL-16
(ammoniumchloride
solution)
TH-16
SN18
STL-21 (sodiumchloride
solution)
SN21
TH-21
SN26
SN29
TH-31
SN33
Saltsolution
Saltsolution
Saltsolution
Saltsolution
Saltsolution
Saltsolution
Saltsolution
Saltsolution
162
www.climator.com
www.teappcm.com
www.teappcm.com
www.teappcm.com
www.teappcm.com
www.teappcm.com
EK 2: Ticari olmayan FDM’ler(Annex17)
163
Te [°C]
FDM
Gizli
[kJ/kg]
Molekül Formülü
ısı
Reference
Syukri Himran, Aryadi Suwono,
Propane
-187,68 80
1994
Ethane
-182,77 95
1994
Methane
-182,47 58
1994
Butane
-138,36 105
1994
Pentane
-129,7
117
1994
Hexane
-95,32
152
1994
Heptane
-90,6
141
1994
Octane
-56,78
181
1994
Nonane
n-dekaani
C10H22
-53,5
170
1994
-30
200
Peippo, Kimmo; 1989
Decane
-29,65
202
1994
Undecane
-25,6
177
1994
Dodecane
-9,6
216
1994
Tridecane
-5,4
Water
0
196
1994
Mehdi N. Bahadori
R.Tamme, U. Grözinger, A. Glück,
2,02
80
H. Kanwischer, U. Neitzel
R.Tamme, U. Grözinger, A. Glück,
2,68
164
82
H. Kanwischer, U. Neitzel
Salyer, O. Ival; Sircar, Anil K.;
Chartoff, Richard P.; Miller, Daniel
Witco 85010-1
4
129,6
E.; 1985
Witco 85010-1 (100%)
4
129,6
E.; 1985
Witco
45A/85010-1
(25/75)
4,7
193,1
E.; 1985
Tetradecane
5,8
227
1994
Heckenkamp,
Baumann:
Latentwärmespeicher
Sonderdruck aus Nachricten 11
Lithiumchlorate
Trihydrate
8,1
253
(1997), 1075-1081
Pentadecane
9,9
207
1994
G.
Belton,
F.
Ajami,
Thermochemistry of salt hydrates,
Report
no
NSF/RANN/SE/GI27976/TR/73/4,
Philadelphia (Pennsylvania, USA),
Zinkchloride trihydrate
1973
10
Hexadecane
11
236,6
E.; 1985
1-dekanol
11
205
Lane, George A. 1983
Witco K-51
12,3
197,3
E.; 1985
Belton, Ajami: Thermochemistry of
salt
hydrates
Report
No
NSF/FRANN/SE/GI27976/TR/73/4
,
Potassiumhydrophospha
te
6H2O
(Peensylvania,
USA) 1973
13
CaCl2'
Philadelphia,
/ 13
165
Ca(NO3)2* 4H2O
Trimethylolethane
C5H12O3 4H2O,
tetrahydrate + Urea
H2NCONH2
13,4
160
1-2 Octadecane
K2HPO4 * 6H20
13,4
129
1990
14
108
1-2 Octadecane
14,1
129
1990
salt
hydrates
Report
No
,
Sodiumhydroxide
Philadelphia,
(Peensylvania,
USA) 1973
15
Witco
45A/85010-1
(50/50)
15,6
153
E.; 1985
Octadecane/Hexadecan
e (75/25)
15,8
221,5
E.; 1985
n-hexadecane
16,7
237
Kedl, R.J.; 1991
1-Bromo Octadecane
17,2
175,6
1990
Dodecanol
n-heksadekaani
C16H38
NaClH2O
17,5
188,5
1990
18
234
Peippo, Kimmo; 1989
Na2SO418
Mehdi N. Bahadori
salt
hydrates
Report
No
,
Sodiumchromate
Philadelphia,
(Peensylvania,
USA) 1973
18
Choi E., Cho Y. I. & Lorsch H.G.,
1992, He B., Gustafsson E. M.,
Hexadecane
C16H43
18,1
166
236
Setterwall F., 1998
Hexadecane
18,1
236
1994
Hawes, D.W.; Feldman, D.; Banu,
Potassium
D.: Energy Buildings 20 (1993) 77-
fluoride
18,5
tetrahydrate
231
86
Butyl Stearate
18,5
126,6
1990
Propyl palmitate
19
186
86
Butyl stearate
19
140
19
132
86
capric (61,5 %w)-lauric
acid(38,5%w) mixture
Capric- Lauric 61,5-38,5
P. Kauranen, K.Peippo, P.D. Lund,
%
19,1
132
1991
Tech Grade Octadecane
19,2
207
E.; 1985
Butyl Stearate
19,5
150,5
1990
Witco K-61
19,8
Acetophenone
C6H5COCH3
199,8
20
E.; 1985
Octadecane
20,1
252
E.; 1985
n-heptadecane
20,7
179
Kedl, R.J.; 1991
Octadecane
20,7
159,3
mixture
21
152
45/55 Capric-lauric acid
21
143
capric(73,5%w)
myristic(26,5%w)
1990
acid
167
D.; 1993
Capric-
Myristic
73,5-
26,5 %
21,4
152
1991
Heptadecane
21,9
214
1994
Witco
45-A/85010-1
(75/25)
21,9
155,1
E.; 1985
capric(75,2%w)palmitic(24,8%w)
acid
(Kauranen P., Peippo K., and
mixture
Capric-
22
Palmitic
153
75,2-
Lund P.D. 1991,
24,8 %
22,1
153
1991
Octadecane
22,5
205
1990
24,4
244
1990
H2O
25
41,7
Mehdi N. Bahadori
Bu4NF* 32H2O
25
Octadecane
CaCl2-MgCl2-
Nagano,
Muchida,
Iwata,
Hirujoshi, Domanski: 5th workshop
Magnesium
of the IEA ECES Annex 10 , Tsu
Nitrate
Hexahydrate
25,8
125,9
(Japan) 2000
26
289
Peippo, Kimmo; 1989
1-dodecanol
Diphenylmethane
Wittco 45-A 100%
26
(C6H5)2CH2
200
26
D.; 1993
26,3
172,2
Salyer, O. Ival; Sircar, A.K.; 1997
Witco 45-A
26,3
167,2
E.; 1985
Witco 45-A 100%
26,3
168
167,2
E.; 1985
n-octadecane
Capric-
26,6
Stearic
246
86,6-
Kedl, R.J.; 1991
13,4 %
26,8
160
1991
Acetamide / urea
27
163
capric(86,6%w)
stearic(13,4
-
%w)
acid
mixture
27
160
Lund P.D. 1991,
27
105
Peippo, Kimmo; 1989
Suolahydraatteja,
epäkongruentteja
n-oktadekaani
Calcium
FeBr3* 6H2O
27
C18H40
28
243
Peippo, Kimmo; 1989
28
188
Kamil Kaygusuz, 1995
chloride
hexahydrate
Octadecane
28,1
244
1994
TH29
29
175-225
www.pcm-solutions.com
Lane:
CaCl2 * 6H2O
29
190,8
Int.J.Ambient
Energy
1(1980) 155-168
57,8% LiNO3 &
42,2% H2O
kapriinihappo, tekninen
Calcium
29
29,1
160
chloride
hexahydrate
29,7
171
Trimethylolethane
tetrahydrate
Kauranen, Pertti, 1989
D.; 1993
Laugt M et al., powder diffraction,
C5H12O3 4H2O
29,8
185
Vol.6, No.4,1991
Heckenkamp,
Baumann:
Latentwärmespeicher
Sonderdruck aus Nachricten 11
Lithiumnitrate Trihydrate
30
296
(1997), 1075-1081
171
Peippo, Kimmo; 1989
STL30
(Trimethylolethane
Hydrate)
org.Hydrate
30
Suolahydraatteja,
osittain kongruentteja
30
capric acid
30
158
169
Lund P.D. 1991,
Ca(NO3)2* 4H2O
/
Mg(NO3)2*
6H2O
30
LiNO3* 3H2O
30
134
Capric 100%
30,1
158
1991
kapriinihappo, puhdas
30,2
160
n-nonadecane
30,4
182
Kedl, R.J.; 1991
Witco LLN/45- A (50/50)
30,5
193
E.; 1985
Wittco LLN/45-A (50/50)
30,5
192
Na2SO4 * 10 H2O
+ 2,5% Na2B4O2
* 10H2O
31,6
Mehdi N. Bahadori
Sodiumcarbonate
Decahydrate
32
267
Peippo, Kimmo; 1989
32
251
A.A. Ghoneim, 1989
Sodiumsulphate
decahydrate
Nonadecane
32
222
1994
Capric acid (s-l)
32
159
Kaasinen, H; 1991
Na2SO4 * 10 H2O 32
Urea/ NH4SCN
Sodium sulphate
Sodium
36,0 %
Na2CO3 * 10H2O 32
Na2SO4 * 10H2O
32
Na2S014H20
32,4
254
Abhat A., 1983
32,4
254
Peippo, Kimmo; 1989
Myristic
32,4
D.; 1993
32,6
Palmitic
254
62,6-
37,4 %
Lauric-
32
sulphate
decahydrate
Lauric-
Mehdi N. Bahadori
156
64,0-
1991
32,8
170
165
1991
lauric(64
%w)
-
palmitic(36
%w)
acid
mixture
33
lauric(62,6
%w)
165
Lund P.D. 1991,
-
myristic(37,4 %w) acid
mixture
33
156
Calciumbromide
Hexahydrate
Lund P.D. 1991,
Lane:
CaBr2 * 6H2O
Wittco LLN 100%
Int.J.Ambient
Energy
34
115,5
1(1980) 155-168
34,7
214
Witco LLN
34,7
207,7
E.; 1985
Witco LLN 100%
Sodium
34,7
205,6
ortophospate
E.; 1985
dodecahydrate
35
281
D.; 1993
Telkes: Proc.Workshop on Solar
Energy Storage for the Heating
and
Cooling
Buildings,Charlottesville (Virginia,
Na2HPO4*
36
265
USA) 1975
n-eicosane
35,2
253
Kedl, R.J.; 1991
TH36
36
175-225
12H2O
of
n-eikosaani
C20H42
36
247
Peippo, Kimmo; 1989
kapriinihappo
C10H20O2
36
152
Peippo, Kimmo; 1989
36
147
Peippo, Kimmo; 1989
Zn(NO3)2 * 6H2O 36
130
76% NH4NO3 &
24% CH3CONH2
36
Zinc nitrate hexahydrate
36,4
147
D.; 1993
Eicosane
36,6
248
1994
37
223
Peippo, Kimmo; 1989
171
lauric(75,5
stearic(24,5
%w)%w)
acid
mixture
37
171
Lauric- Stearic 75,5-24,5
Lund P.D. 1991,
%
37,3
171
1991
1-tetradecanol
38
Acetamide/ NH4NO3
38
kaprylooni
(CH3(CH2)6)2CO
Tetrahydrofuran*
palmitic(49
%w)
%w)
D.; 1993
40
259
Peippo, Kimmo; 1989
40
255
6,9
H2O
myristic(51
205
acid
micture
40
174
Lund P.D. 1991,
Medical Paraffin
40
146
A.A. Ghoneim, 1989
70,8% Phenyl benzoate C6H5OOCC6H5
& 29,2% Naphthalene
& C10H8
40
Heneicosane
40,2
213
1994
lauric acid
41
179
Lund P.D. 1991,
Lauric 100%
41,3
179
1991
R. Naumann, H.H. Emons, Results
of
Thermal
Analysis
for
In
vestigation of Salt Hydrates as
Latent Heat Storage Materials, J.
Thermal Analysis 35 (1989) 10091031
41,4
lauriinihappo, puhdas
41,4
180
lauriinihappo, tekninen
41,9
174
42
117
Kaasinen, H; 1991
Neopentyl glycol (NPG)(
solid-solid)
172
G.
Belton,
F.
Ajami,
Report no G. Belton, F. Ajami,
Report
no
Potassium Acetate
42
1973
42
52,2% CaCl2 &
3,4%
MgCl2
&
44,4% H2O
..\Workshops\EM4 Indore 200303-21-Commercial grade lauric
24\Presentations\PCM_Window_B
acid
Ca(NO3)2* 4H2O
42,2
181
uddhi2.pdf
43
142
Docosane
44
252
Myristic- Stearic 65,7-
34,3 %
44
myristic(65,7
stearic(34,3
%w)
%w)
181
1991
acid
mixture
lauriinihappo
1994
C12H24O2
44
181
Lund P.D. 1991,
44
177
Peippo, Kimmo; 1989
CH3(CH2)10COO
Lauric acid
H
44
Shell Wax-100
44,9
205
E.; 1985
(CH3)2COH*
COH(CH3)2*
Pinacol hexahydrate
6H2O
45
45
53% NH4NO3 &
47% CO(NH2)2
173
G.
Belton,
F.
Ajami,
Report no G. Belton, F. Ajami,
Report
no
Potassium
Phosphate
1973
Heptahydrate
Urea
NH4NO3
46
41
Urea/ NH4NO3
46
P116 Wax
46,7
Mehdi N. Bahadori
209
A.A. Ghoneim, 1989
Shell Wax X-120
47,1
193,1
E.; 1985
Tricosane
47,5
234
1994
TH48
48
175-225
48
210
Peippo, Kimmo; 1989
palmitic(64,9
stearic(35,1
%w)
%w)
acid
mixture
50
C2H5CONH2
179
Lund P.D. 1991,
&
25,1% Propionamide & CH3(CH2)14COO
74,9% Palmitic acid
H
50
Palmitic- Stearic 64,9-
35,1 %
n-tetrakosaani
C24H50
50,4
179
1991
51
162
Peippo, Kimmo; 1989
C6H5CH2CH2C6
Diphenylethane
H5
myristiinihappo, tekninen
51
51,5
180
myristic acid
52
190
Lund P.D. 1991,
Myristic acid (s-l)
52
180
Kaasinen, H; 1991
C6H5OOC(CH2)1
Phenyl Stearate
6CH3
52
174
35,6% Mg(NO3)2
& 38,5% NH4NO3
& 25,9% H2O
52
Myristic 100%
52,1
190
1991
Tetracosane
52,6
36,5% Urea & 63,5% CO(NH2)2
Acetamide
255
1994
&
CH3CONH2
53
53
67,2% Mg(NO3)2)
& 32,8 H2O
..\Workshops\EM4 Indore 200303-21-Commercial
grade
24\Presentations\HeatExchanger_
paraffin
53,3
184,5
Buddhi2.pdf
Pentacosane
53,5
238
1994
Shell Wax X-200
53,6
181,4
E.; 1985
myristiinihappo, puhdas
53,7
190
54
187
Peippo, Kimmo; 1989
myristiinihappo
C14H28O2
palmitic acid
54
183
Lund P.D. 1991,
Palmitic 100%
54,1
183
1991
palmitiinihappo
55,4
182
Hexacosane
56,3
250
1994
Ni(No3)2 * 6H2O
57
Ni(NO3)2 * 6H2O
57
Mehdi N. Bahadori
TH58
NaCH3COO
3H2O
58
175-225
58
265
Peippo, Kimmo; 1989
*
58
175
Heptacosane
58,8
235
1994
K.Nagano et al Proc.Int.Conf on
Energy Storage, Futurestock 2003
70%Mg(NO3)2.6H2O/30
59,7
161,2
vol2 pp
61
181
Peippo, Kimmo; 1989
/ Al(NO3)3* 9H2O 61
147
%MgCl.6H2O
Mg(NO3)2* 6H2O
Octacosane
61,2
Bees wax
62
palmitiinihappo
C16H32O2
254
1994
Mehdi N. Bahadori
63
170
Peippo, Kimmo; 1989
CH3(CH2)14COO
H
Palmitic acid
63
Nonacosane
Sodium
63,2
239
hydroxide
1994
C.K Jotshi, D.Y Goswami, R.B.
monohydrate (SHM)
64
272
Huddle, N, Srinivasan 1995
64
272
Peippo, Kimmo; 1989
64
200
Peippo, Kimmo; 1989
Shell Wax X-300
64,5
233
E.; 1985
Stearic 100%
64,5
196
1991
stearic acid
65
196
Lund P.D. 1991,
Acetamide / stearic acid
65
218
Triacontane
65,4
252
1994
Shell wax 300 (SW 300)
66
207
steariinihappo
66,2
197
67,1% Naphthalene & C10H8
32,9% Benzoic acid
C6H5COOH
&
67
176
Hentriacontane
steariinihappo
C18H36O2
67,9
242
1994
69
200
Peippo, Kimmo; 1989
Dotriacontane
asetamiidi
CH3CONH2
69,7
266
1994
70
225
Peippo, Kimmo; 1989
Stearic Acid (SA)
Sodium
70
203
Pyrophospate
decahydrate (gel.) (SPD)
Al(NO3)3* 9H2O
11,6%
NaBr
70
184
70
155
&
88,4%
CH3CONH2
70
Biphenyl
C6H5 * C6H5
71
Phenyl Benzoate
C6H5COOC6H5
71
Polywax 500
71,3
261
1990
Tritriacontane
71,4
256
1994
Stearic acid
72
Mehdi N. Bahadori
72
72
CH3(CH2)16COO
Stearic Acid
H
9,8%
KNO3
&
90,2%
CH3CONH2,
acetamide
Tetratriacontane
73,1
268
1994
C10H8 & C6H5*
78,8% Naphthalene & CHOH
C6H5
21,2% Benzoin
*CO*
74
Pentatriacontane
Trisorium
74,7
257
phospate
dodecahydrate (TSP)
1994
75
216
177
60,1%
Acetanidile
& CH3CONHC6H5
39,9% Benzoic Acid
& C6H5COOH
Urea / Nh4Br
76
76
76
33,4% NH4Br &
66,6% CO(NH2)2,
urea
Hexatriacontane
76,2
269
1994
Heptatriacontane
Barium
77,7
259
hydroxide
1994
octahydrate (BHO)
78
301
Mg(NO3)2.6H2O/
MgCl2.6H2O(10wt
%)
K.Nagano, 3rd workshop of Annex
78,2
152
17, 2002
Mg(NO3)2.6H2O/
MgCl2.6H2O(10wt
%)
Industrial grade
Ba(OH)2*8H2O
K.Nagano, 3rd workshop of Annex
77,9
152
17, 2002
78
265
Peippo, Kimmo; 1989
78
Octatriacontane
51,8%
Benzamide
79
& C6H5CONH2
271
1994
&
48,2% Benzoic Acid
C6H5COOH
79
Propionamide
C2H5CONH2
79
naftaleeni
C10H8
80
Naphtaline
C10H8
80
140
Mehdi N. Bahadori
Erythritol/Trimethyroleth
Hidaka et al Proc Futurestock
ane/Trimethyrolpropane
Naphthalene
Peippo, Kimmo; 1989
C10H8
80
2003 vol 1 pp 245-250
80
Nonatriacontane
80,3
271
1994
Tetracontane
81,5
272
1994
Pentaglycerine (PG)
82
174
178
Acetamide
CH3CONH2
82
Dotetracontane
84,17
273
1994
Tritetracontane
85,5
273
Erythritol/Trimethyroleth
1994
Hidaka et al Proc Futurestock
ane
86,1
246
2003 vol 1 pp 245-250
Tetrateracontane
86,4
274
1994
Polywax 655
86,5
219
1990
Hexatetracontane
88,3
276
1994
TH89
89
175-225
Potassium Alum (Pa)
Magnesium
89
Nitrate
hexahydrate (MNH)
PCM90
184
89
160
Mg(NO3)2* 6H2O
89
SrBr2* 6H2O
89
(Erythritol
mixtures)
90
225
Octatetracontane
90,3
276
1994
Pentacontane
92
276
1994
Ammonium Alum
93
242
Hexacontane
99
279
1994
Polywax 1000
102,8
237,8
1990
Heptacontane
105,5
281
1994
Polywax 2000
111,9
179
219
1990
Polywax 3000
115
226,9
1990
Hectane
115,25
285
1994
116
165
Peippo, Kimmo; 1989
MgCl2 * 6H2O
117
172
MgCl2 * 6H2O
117
Mehdi N. Bahadori
Yabe
M,
et
al.,
Internatinal
Conference on Energy Storage
meso-Erythritol
C4H10O4
Tech. & Sys.,1999,India
118,0
339,8
120
320
129
36
Kaasinen, H; 1991
CO(NH2)2
133
230
Peippo, Kimmo; 1989
FeS
138
STL120 (Erythritol)
Neopentyl glycol (NPG)(
solid-liquid)
urea
148
250
Peippo, Kimmo; 1989
179
663
Peippo, Kimmo; 1989
184
286
Kaasinen, H; 1991
Al2Cl6
192
260
Peippo, Kimmo; 1989
KHF2
196
LiOH- NaOH
217
341
Peippo, Kimmo; 1989
LiNo3
254
380
Peippo, Kimmo; 1989
260
40
Kaasinen, H; 1991
262
440
Peippo, Kimmo; 1989
Li
Pentaerythritol
(PE)
(solid-solid)
Suola
Pentaerythritol
Mehdi N. Bahadori
Mehdi N. Bahadori
(PE)(
solid- liquid)
LiCl- LiOH
NaCl(5,0%)/
NaNO3
R.Tamme, 3rd Workshop of Annex
282
212
17, 2002
NaNO2
282
212
NaOH/Na2CO3
(7,2%)
283
340
NaCl/
NaNO3(5.0%)
17, 2002
284
171
NaCl(5,7%)/
NaNO3(85,5%)/
17, 2002
17, 2002
287
176
180
17, 2002
Na2SO4
KNO3(10%)/
NaNO3
290
170
17, 2002
NaNO3
310
174
17, 2002
NaOH
318
158
17, 2002
KNO3/KCl(4,5%)
320
150
17, 2002
KNO3
337
116
KNO3/ KBr(4,7%)/
KCl(7,3%)
342
140
NaCl/KCl(32,4%)/
LiCl((32,8%)
17, 2002
17, 2002
346
281
17, 2002
KOH
NaCl
360
167
(26,8%)/
17, 2002
NaOH
370
370
17, 2002
MgCl2- NaCl- KCl
385
461
Peippo, Kimmo; 1989
NaCl(42,5%)/
KCl(20,5%)/
385
MgCl2
393
410
17, 2002
LiOH- LiF
427
870
Peippo, Kimmo; 1989
443
310
Peippo, Kimmo; 1989
NaCl- MgCl2
450
429
Peippo, Kimmo; 1989
LiOH
471
1100
Peippo, Kimmo; 1989
571
422
Peippo, Kimmo; 1989
Al- Mg- Zn
Al- Cu- Si
-
LiSO4
575
FeI2
601
242
Peippo, Kimmo; 1989
LiF- NaF- MgF2
650
860
Peippo, Kimmo; 1989
Mg
650
372
Peippo, Kimmo; 1989
Al
661
400
Peippo, Kimmo; 1989
688
3260
Peippo, Kimmo; 1989
LiH
Mehdi N. Bahadori
181
MgCl2
714
450
Peippo, Kimmo; 1989
720
368
Peippo, Kimmo; 1989
Li2CO3
725
605
Peippo, Kimmo; 1989
LiF- MgF2
746
900
Peippo, Kimmo; 1989
NaCl
800
480
Peippo, Kimmo; 1989
803
197
Peippo, Kimmo; 1989
LiF
848
1044
Peippo, Kimmo; 1989
Na2O
920
757
Peippo, Kimmo; 1989
946
757
Peippo, Kimmo; 1989
995
890
Peippo, Kimmo; 1989
1451
1650
Peippo, Kimmo; 1989
Cu- Zn- P
Cu- Si
Si- Mg
NaF
Si
Yabe
168
330
Internatinal
M,
et
al.,
Internatinal
188189
al.,
Yabe
Galactitol
et
166D-Mannitol
M,
350
Paraffin
Sodium
3H2O
47-49
205
Na2S2O3 * 5H2O
48-49
D.; 1993
Mehdi N. Bahadori
acetate CH3COONa
trihydrate + other salts
Sodium
~200
acetate CH3COONa
trihydrate + other salts
Sodium
20-60
3H2O
52-55
218
52-58
230
acetate CH3COONa
trihydrate
3H2O
76,0/51,
Shell Maw X-400
3
Sodium sulphate + oyher
9,5-
salts
10,0
145,5
E.; 1985
179
Megastock'97 Proceeding
93,0Xylitol
94,5
Al2Cl6
Guex
270
W.,
et
al.,
US
Patent
4,295,517
Mehdi N. Bahadori
D. Steiner, M Groll, A. Biedermann
182

çukurova üniversitesi fen bilimleri enstitüsü doktora tezi muhsin

Transcription

Similar documents

yüksek lisans tezi - TRAGLOR