Ülkemizdeki yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemlisi güneştir. Günümüzde kurutma, su ve mekan ısıtma gibi alanlarda güneş enerjisi yaygın olarak kullanılsa da enerji üretim amaçlı güneş enerjisi teknolojilerinin kullanılması sağlanamamıştır. Ülkemizdeki enerji ihtiyacı göz önüne alındığında güneş enerjisi teknolojisi geliştirilerek, bu enerjiyi ihtiyaç olan diğer enerjilere çevirecek makineler üzerine yapılan çalışmaları yaygınlaştırmak gerekmektedir.
Bu çalışmada ilk olarak geçmişten günümüze sıcak hava motorları üzerine yapılan çalışmalara yer verilmiştir. Sıcak hava motorunun üstünlükleri ve olumsuz yanları anlatılmış ve buna paralel olarak uygulama alanları belirtilmiştir. Sıcak hava motorunun temel prensipleri tanıtılmıştır. Carnot çevrimi, Ericsson çevrimi ve Stirling çevrimi ele alınmış ve bu çevrimlerin kıyaslaması yapılmıştır. Buna ek olarak Stirling çevriminin teorik analizine ve termodinamik analiz yöntemlerine yer verilmiştir. Sıcak hava motorlarının mekanik düzenlemelerine göre sınıflandırması yapılmış ve farklı motor tiplerine göre çalışma prensibi üzerinde durulmuştur. Tasarım aşamasında, tasarım unsurları belirtilmiş ve tasarımda karşılaşılan problemler ve bu sorunları gidermeye yönelik çözüm yöntemlerine yer verilmiştir. Üretildikleri malzemelerin özellikleri açıklanarak motor parçaları tanıtılmıştır. Sıcak hava motoru imalatı yapılırken kullanılacak boyut toleransları belirtilmiş ve imalat süreci anlatılmıştır. Son olarak da sıcak hava motoru analizi yapılmıştır. Bu analiz dinamik ve termodinamik analizi kapsamaktadır.
Yapılan termodinamik analizde çalışma akışkanının maksimum sıcaklığı 800°C, minimum sıcaklığı 400°C olarak alınmıştır. İmalatı yapılan motorun güç pistonu kursu, yer değiştirme pistonu kursu, güç pistonu çapı, şarj basıncı değerleri değişken olarak seçilmiştir. Termodinamik analizde, 0,2-0,25-0,3 bar olmak üzere üç farklı şarj basıncı kullanılmıştır. Yer değiştirme pistonu kursu, maksimum 0,05 m, minimum 0,01 m olarak, güç pistonu kursu maksimum 0,03 m, minimum 0,01 m olarak hesaplamalara alınmıştır. Güç pistonu çapı ise 0,03-0,04-0,05 m olmak üzere farklı üç değere sahiptir.Yer değiştirme pistonunun çapı 0,06 m sabit değerdedir.Yapılan hesaplamalarda rejeneratör sıcaklığı 577°C olarak belirlenmiştir.
Termodinamik analiz verilerine göre, şarj basıncı 0,3 bar, yer değiştirme pistonu kursu 0,03 m, güç pistonu kursu 0,03 m ve güç pistonu çapı 0,05 m olarak seçildiğinde %63 maksimum termal verim değeri elde edilmiştir. Motor veriminin arttırılması için tek başına şarj basıncının arttırılması yeterli değildir. Maksimum termal verime ulaşıldığında ortalama efektif basınç 2,1 bar, net iş 12,5 J olarak hesaplanmıştır. Ayrıca 12,5 J, yapılan analizde elde edilen en yüksek net iş değeridir. Analiz sonuçlarına göre güç pistonu çapı ve kursu, yer değiştirme pistonu kursu ve şarj basıncı değerleri değişimi ile net iş değerindeki değişim doğru orantılıdır.
Şekil 7.1’de görüldüğü gibi güç pistonu çapı ve kursu arttıkça termal verim de artmaktadır. Şekil 7.2’de diyagramdan okunduğu gibi yer değiştirme pistonu kursunun artması da termal verimi arttırmaktadır.
15 20 25 30 35 40 45 50 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 Güç pistonu kursu (m) T erm al v erim (% ) dp= 0,03 m dp= 0,04 m dp= 0,05 m
Şekil 7.1. P=0,25 bar, xd= 0,025 m ve farklı güç pistonu çapları değerleri için termal
verim ile güç pistonu kursu arasındaki değişim
Yapılan analize sonuçlarına göre, güç pistonu çapı ve kursu arttıkça, ortalama efektif basınç azalmakta, şarj basıncı ve yer değiştirme pistonu kursu arttıkça ortalama efektif basınç artmaktadır.
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035
Yer değiştirme pistonu kursu (m)
T erm al v er im (% ) dp= 0,03 m dp= 0,04 m dp= 0,05 m
Şekil 7.2. P=0,25 bar, xp= 0,02 m ve farklı güç pistonu çapları değerleri için termal
verim ile yer değiştirme pistonu kursu arasındaki değişim
Termodinamik analiz verilerine göre, maksimum ortalama efektif basınç 12,8 bar’dır. Bu maksimum değeri elde edebilmek için şarj basıncı 0,3 bar, güç pistonu kursu 0,03 m, yer değiştirme pistonu kursu 0,05 m ve güç pistonu çapı 0,03 m olarak seçilmelidir. 12,8 bar ortalama efektif basınca ulaşıldığında termal verim %54,2, net iş 9 J olarak hesaplanmıştır.
Motorda sızdırmazlık problemi çözülerek, optimum çalışma sıcaklığı ve basıncı belirlenebilir. Bu çalışma ortamını sağladıktan sonra motorda çalışma akışkanı olarak hava yerine helyum, azot veya hidrojen kullanıldığında daha yüksek verim elde edilecektir. Ayrıca motorda ölü hacimler mümkün olduğu kadar azaltılmalı, sıkıştırma oranı mümkün olduğu kadar arttırılmalıdır.
Geniş kapsamlı uygulama alanlarına sahip olan, sıcak hava motorları birçok alternatif enerji kaynağı kullanılarak çalıştırılabildiğinden ve çevreci bir motor olduğundan geleceğin motorları olarak görülmektedir. Günümüzde yapılan birçok araştırma ve dizayn çalışmalarının doğrultusu, sıcak hava motorlarının her türlü alana adaptasyonunu sağlayacak yöndedir.
KAYNAKLAR
Ala, S., 1996, ‘Rejeneratörlü Stirling makineleri ve Gözenekli Metal Ortamdan Oluşan Rejeneratörlerin Isıl Karakteristiklerinin Araştırılması’, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üiversitesi.
Ataer Ö. E., Karabulut, H., 2005, “Thermodynamic analysis of the V-type Stirling- cycle refrigerator”, International Journal of Refrigeration, Cilt 28, No 2, 183-189.
Badescu, V., 1992, ‘Optimization of Stirling and Ericsson cycles using solar radiation’, Space Power, 11, 99-106.
Boucher,J.,Lanzetta, J., F., Nika P., 2007, “Optimization of a dual free piston Stirling engine”, Applied Thermal Engineering, Cilt 27, No 4, 802-811.
Demiralp, M., 1994, ‘Güneş Enerjisinin Tarımsal Sulama ve Elektrik Üretiminde Kullanılabilmesi İçin Tasarlanan Serbest Displacerli Bir Stirling Motorunun Çizim Ve Prototip Hesapları’,Yüksek Lisans Tezi,
Demiralp, M., 2000 , ‘Gama Tipi Bir Stirling Motorun Tasarımı ve İmalatı’ Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi.
Erbay, B., Yavuz, H., 1996, ‘Analysis of the Stirling heat engine at maximum power conditions.’, Energy, vol 22, no 7, 645-650.
Çınar, C., 2001, “Gama tipi bir Stirling motorunun tasarımı, imali ve performans analizi”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi.
Çınar, C., Yücesu, S., Topgül, T., Okur, M., 2004, ‘Beta type Stirling engine operating at atmospheric pressure.’, Applied Energy.
Çınar, C., Karabulut, H., 2005, ‘Manufacturing and testing of a gamma type Stirling engine.’, Renewable Energy, 57-66.
Fakı, A., 2001, ‘Alfa Tipi V Modeli Bir Stirling Motorunun Tasarımı ve İmalatı’, Yüksek Lisans Tezi, Dumlupınar Üniversitesi.
Finkelstein, T., 1959 , ‘Air Engines I’, The Engineer.
Gingery, D. J.,1990, ‘Build a Two Cylinder Stirling Cycle Engine’, Gingery Publishing, USA.
Gordon, J. M., 1988, ‘On optimized solar-driven heat engines’, Solar Energy, 40, 457- 461.
Hargreaves, C. M., 1991, ‘The Stirling Engine’, Elsevier Science Publishing Comp., New York.
Karabulut, H., Yücesu H.S., Çınar, C., 2006, “Nodal analysis of a Stirling engine with concentric piston and displacer”, Renewable Energy, Cilt 31, No 13, 2188-2221.
Karataş, O., 2002 , ‘Beta Tipi Bir Stirling Motoru İçin Rhombic Döndürme Mekanizmasının Tasarımı ve İmali’ , Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi.
Koca, A., 1997, ‘ V Tipi Stirling Motorunun Tasarımı ve İmali’ , Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi.
Kongtragool, B., Wongwises, S., 2005, ‘Investigation on power output of the gamma configuration low temperature diferantial Stirling engines.’, Renewable Energy,30;465- 476.
Kongtragool, B., Wongwises, S., 2006, ‘Thermodynamic analysis of a Stirling engine including dead volumes of hot space, cold space and regenerator’, Renewable energy 31, 345-359.
Kongtragool, B., Wongwises, S., 2007, ‘Performance of a twin power piston low
temperature differential Stirling engine powered by a solar simulator’, Solar Energy, Cilt 81, No 7, July 2007, 884-895.
Kongtragool, B., Wongwises, S., 2007, ‘Performance of low-temperature differential Stirling engines’, Renewable Energy, Cilt 32, No 4, 547-566.
MEGEP Makine Teknolojisi Ölçülendirme ve Yüzey İşlemleri.
Organ, A. J., ‘The Regenerator and the Stirling engines’
Organ, A. J., 1992, Thermodynamics and Gas Dynamics of Stirling Cycle Machine’, Cambridge, UK.
Organ, A. J., 1993, Stirling Engine Thermodynamic Design Without The Computer’, Cambridge, UK.
Organ, A., Finkelstein, T., 2001, ‘Air Engines’, Professional Engineering Publishing, London.
Pırasacı, T. , 2002, ‘Güneş Enerjisi ile Çalışan, Stirling Motorlu Elektrik Enerjisi Üretim Sistemi’ Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi.
Richey, A. E., 1987,”MOD-II Automotive Stirling Engine Design Description and Performance Projections”, SAE 860059.
Rix, D. H., 1995, “Thermodynamic and Detail Design of a 0.5 kW Stirling Engine for Domestic Scale Cogeneration”, Journal of Power and Energy, Cilt 209.
Rizzo. J., 1999, ‘The Stirling engine Manual’, Cilt 2..
Senft, J. S., 1993, ’Introduction to Stirling Engines’, Mariya Pres.
Shock, A., 1978, “Stirling Engine Nodal Analysis Program”, Journal of Energy, vol 2., 354-362,
Simetkosky, M., 1985,’MOD-I Automotive Stirling Engine Mechanical Development’, SAE 840462.
Temel, M., 1996, ‘Stirling Çevrimi ile Çalışan Makinaların Rejeneratörlerinin Langrange Yöntemi ile Termodinamik Analizi’, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi.
Urieli, I., Rallis, C. J., 1975, ‘Stirling Cycle Engine Development-A Review’, University of Witwatersrand,
Urieli, I., Berchowitz, D. M.,1984, ‘Stirling Engine Analysis’, Bristol: Adam Hilger.
Ünüvar, E., 1998, ‘Serbest Pistonlu Stirling Motorunun Yer Değiştirici Yayının Dizaynı ve Analizi’ , Yüksek Lisans Tezi.
Üstün, S., 2000, ‘Çift Yer Değiştirme Pistonlu V Tipi Küçük Güçlü Bir Stirling Motorunun Tasarım ve İmali’, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi.
Walker, G., 1962, ‘An optimisation of the principal design parameters of Stirling cycle machines.’, Journal of Mechanical Engineering Science, 4, 226-240.
Walker, G., 1980, ‘Stirling Engines’, Cllarendon Pres, Oxford.
Walker, G., 1973, Stirling Ccle Machines, Oxford Unversity Pres, London,
Walker G., Senft, J.R., 1985, ‘Free Piston Stirling Engines’, New York, Berlin;springer. Verlag.
Walker, G., 1985, ‘Stirling Cycle Machines’, Oxford. Clarendon
West, C. D., 1983,‘Liquid Piston Stirling Engines’, Van Nostrand Reinhold Company, New York.
West, C. D., 1986,‘Principles and Applications of Stirling Engines’, Van Nostrand reinbold, New York.
Yay, K., ,1995, ‘Stirling Motoru’, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi.
Yücesu, S., 1996, ‘Küçük Güçlü Güneş Enerjili Bir Stirling Motoru Tasarımı ’, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi.
ÖZGEÇMİŞ
Hacer Akhan, 1979 yılında Trabzon’da doğdu. İlk öğrenimini 1990 yılında Fatih Uzunyusuf İlköğretim Okulunda, orta öğrenimini 1993 yılında Atatürk Çapa İlköğretim okulunda, lise öğrenimini 1997 yılında Şehremini Anadolu Lisesinde tamamladı. 1999 yılında girdiği Trakya Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümünden, 2004 yılında Makine Mühendisi olarak mezun oldu. Aynı yıl Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Enerji Programında yüksek lisans öğrenimine başladı. 2004 yılı Ocak ayından itibaren Trakya Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümünde Araştırma Görevlisi olarak görev yapmaktadır.
EK 1
tornalanmıs Ra3.2 tasl an m ıs Ra 1. 6 tornala nmıs Ra0.8 tornalanm ıs Ra0.8 Ra0.8 torn alan mıs A A A-A Kesiti Malzeme : Titanyum Ölçek = 1:1 Adet = 1 Yer Degistirme Pistonu 1EK 2
Ra 1.6 ta slan m ıs A-A Kesiti A A Malzeme : Alüminyum Ölçek = 1:1 Adet = 1 Yer Degistirme Pistonu 2Ra 1.6 tasl anm ıs Ra0 .8 to rna lanm ıs to rn ala nm ıs Ra 0.8 tornalanmıs Ra3.2
EK 3 A-A Kesiti A A Malzeme : Alüminyum Ölçek = 1:1 Adet = 1 Yer Degistirme Pistonu 3 Ra1.6 taslanm ıs Ra0. 8 torn alan mıs Ra0. 8 torn alan mıs tornalanmıs Ra3.2
EK 4