Yağ Asidi Ötektik Karışımları

Yağ asitleri diğer FDM’lere kıyasla, üstün bazı ısıl, fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip oldukları için, bu asitlerden oluşturulacak ötektik FDM karışımlarının da benzer özellik göstermesi beklenebilir. Bu sebeple, yağ asidi ötektik karışımları, literatürde en fazla yer alan organik ötektiklerdir. Yağ asitleri ötektik karışımları konusunda literatürde birçok çalışmaya rastlamak mümkündür. Çizelge 2.6’da bazı yağ asidi ötektik karışımları ve ısıl-fiziksel özellikleri verilmiştir. Zhang ve ark., (2001) laurik, palmitik, stearik asit ve bunların ikili sistemlerinin katı-sıvı faz değişimini diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve Fourier Transform Infrared (FT-IR) metotları ile incelediler. İkili sistemler için katı-sıvı faz geçiş sıcaklığını 32,84 0,71 ºC ve erime ısısını 146,5–195,1 J.g± -1 aralığında belirlediler. Dimaano ve Escoto, (1998) kaprik asit (%65 mol KA) ve laurik asit (%35 mol LA) karışımını, düşük sıcaklık (soğutma amaçlı) IED sistemleri için uygun bir FDM olarak değerlendirmiştir. Ayrıca, bu asitlerin farklı bileşimlerdeki karışımlarının ısıl özelliklerini

DSC analizi ile belirleyerek, mevcut literatür bilgileriyle karşılaştırmışlardır. Kauranen ve ark., (1991) yeni bir metot kullanarak belirli iklim şartlarına göre güneş enerjisinin ısıtma ve soğutma amaçlı depolanması için uygun erime noktasına sahip yağ asidi ikili ötektik karışımları hazırlamış ve karışımların ısıl özelliklerini DSC metoduyla ölçmüşlerdir. Dimaano ve Watanabe, (2002) %65 - %35 (mol) bileşimdeki kaprik - laurik asit ötektik karışımının ısıl performansını inceleyerek bu karışımın yüzey soğutma amaçlı GIED için potansiyel bir FDM olduğunu ifade etmişlerdir. Sarı ve Kaygusuz, (2002) DSC analiz metoduyla laurik asit (LA) - stearik asit (SA) ikili sisteminin ötektik bileşim oranını; %75,5 LA – %24,5 SA (kütlece), ötektik erime sıcaklığını; 37,0oC ve erime gizli ısısını; 182,7 J.g-1 olarak belirlemişlerdir. Ayrıca, bu çalışma grubu bir enerji depolama ünitesi içerisinde depolanan LA-SA ötektik karışımının ısıl ve ısı transfer karakteristiklerini belirleyerek, iklim şartlarına göre yüzey ısıtma ve sera ısıtma uygulamaları için uygun FDM olarak kullanılabileceğini belirtmişlerdir.

Çizelge 2.6. Yağ asidi ötektik karışımlarının ısıl-fiziksel özellikleri (Baran ve Sarı, 2003; Kauranen ve ark., 1991; Zalba ve ark., 2003)

Yağ asidi karışımı

Bileşim oranı (% wt)

Erime

sıcaklığı (°C) ısısı (J/g)Erime Yoğunluk _(kg/m3₎

Isıl iletkenlik (W/mK) Kaprik – laurik 61,5 - 38,5 18 148 888 (25oC) 1018 (1oC) 0,164 (39,1oC) 0154 (61,2 oC) Kaprik – miristik 73,5 - 26,5 24 147,7 - - Kaprik – palmitik 75,2 - 24,8 22,1 152 - - Kaprik – stearik 86,6 - 13,4 26,8 160 - - Laurik – miristik 62,6 - 37,4 32,6 156 - - Laurik – palmitik 64,0 - 36,0 32,8 165 - - Laurik – stearik 75,5 - 24,5 37,3 171 - - Miristik– palmitik 51,0 - 49,0 42,6 169,7 - - Miristik – stearik 65,7 – 34,3 44,2 181 - - Palmitik – stearik 64,9 – 35,1 52,3 181,7 - -

2.3. GIED Sistemlerinde Isı Transfer Arttırılması için Kullanılan Yöntemler

GIED sistemlerinde ısı transfer hızı arttırılarak depolama veriminin yükseltilmesi konusunda literatürde birçok çalışmaya rastlamak mümkündür.

Erek ve Acar (2003), yaptıkları çalışmada iç yüzeyi sabit sıcaklıkta olan radyal kanatlı bir boru çevresinde faz değişimi ile enerji depolanmasını sayısal olarak incelemişlerdir. Farklı kanat parametreleri (kanat aralığı, kanat kalınlığı, kanat çapı) ve farklı yüzey sıcaklıkları için sayısal çözümlemeler elde etmişlerdir. Sonuçta her bir değişkenin depolanan enerjiye ve katılaşma miktarına olan etkileri grafiksel olarak gösterilmiş ve ilgili bağıntıların kullanılmasıyla enerji depolama için en uygun sistemin tasarlanabileceğini ifade etmişlerdir.

İlken ve Toksoy (1991), GIED sistemlerinde ısı transfer hızını düşüren önemli faktörlerden biri olan, yüzey üzerinde katılaşan kütlenin oluşturduğu ısıl direncin etkisini azaltmak için kanatlı yüzeyler içeren enerji depoları kullanmışlardır. Sonuçta eşit uzunluğa sahip ince kanatçıklarla daha iyi ısı transferi sağlanacağı ve ısı depolanacağı sonucuna varmışlardır.

Hoogendoorn ve Bart (1992), içinden su geçirilen silindirik boruların etrafında FDM’nin depolandığı bir GIED sistemi oluşturdular. Sistemde ısı iletimini arttırmak için FDM olarak kullandıkları parafin içerisine %1,6’lık hacim kaplayan bir metal kafes yerleştirmişlerdir. Böylece borularda akan suyun ölçülen giriş ve çıkış sıcaklığını zamanın bir fonksiyonu olarak belirlemişlerdir. Sonuçta; parafin türü maddelerin en önemli dezavantajı olan düşük ısıl iletkenliğin ve dolayısıyla ısı transferinin böyle bir yöntemle önemli ölçüde arttırılabileceğini rapor etmişlerdir.

Liu ve arkadaşları (2005), FDM olarak stearik asidin kullanıldığı bir GIED ünitesinin performansı üzerine çalışmalar yürütmüşlerdir. Stearik asidin ısıl iletkenliğini arttırmak için elektrikli bir ısıtıcı çubuk üzerine bakırdan yapılı kanatçıklar yerleştirmişlerdir. Bu kanatçıklar sayesinde stearik asidin ısıl iletkenliğinin üç kat

artırılabileceğini bulmuşlardır. Elde edilen sonuçlar, yeni tip kanatçığın FDM’nin hem kondüksiyonla hem de doğal konveksiyonla ısı transferini arttırabileceğini göstermiştir. Ayrıca kanatçık boyutu ve yüksekliğinin ısıl iletkenlik artışı üzerine etkilerini de inceleyerek bu iki parametrenin ısıl iletkenliğin arttırılmasında önemli derecede etkili olduğunu belirlemişlerdir.

Zhang ve arkadaşları (2001), içten kanatçıklı tüp kullanılarak GIED sisteminde ısı transferindeki artışı incelemişlerdir. Elde ettikleri deneysel sonuçlar ısı transfer akışkanı olarak düşük ısıl iletkenliğe sahip bir akışkan kullanıldığı zaman iç kanatçık ilave edilmesinin ısı transferinin arttırılmasında için çok etkili olduğunu göstermiştir.

Ettouney ve arkadaşları (2004), iç içe geçmiş silindirik iki borudan oluşan bir GIED sisteminde ısı transferindeki zenginleşmeyi incelemişlerdir. Deneysel çalışmaları FDM olarak kullanılan parafinin içine yerleştirilen metal kafes/küre’lerin sayısı ve çapının fonksiyonu olarak yürütmüşlerdir. Sonuçta parafinin hacimce %2’si kadar metal küre/kafes kullanarak büyük bir ısı transfer zenginleşmesi elde edilebildiğini göstermişlerdir.

Velraj ve ark. (1997), yapmış oldukları deneysel çalışmada dairesel iki boruyu eş merkezli ve dikey olarak yerleştirdikleri bir GIED düzeneğinde FDM olarak parafin kullanmışlardır. İçteki boruda bulunan FDM’nin içine ise dikdörtgen kesitli kanatçıklar yerleştirmişlerdir. Böylece ısı transferinde gerçekleşen iyileşmeyi incelemişlerdir. Kullandıkları kanatçıklar vasıtasıyla parafinin ısıl iletkenliğinin birkaç kat daha arttığını rapor etmişlerdir.

Cabeza ve ark. (2002), yaptıkları çalışmada FDM olarak su/buz ile çalışan bir soğutma sisteminde ısı transferini arttırmak için üç farklı zenginleştirme metodu (paslanmaz çelik, bakır ve FDM-Grafit kompoziti) kullanmışlardır. FDM içine paslanmaz çelik parçaların ilavesinin ısı akışını önemli derecede arttırmadığı, bakır parçaların ilave edilmesinde özellikle erime esnasında önemli bir ısı transfer zenginleşmesi sağlandığı ve grafit kompozit karışımların kullanılmasının bakır ile elde edilen ısı transfer zenginleşmesinde daha büyük bir artış sağladığını belirlediler. Sonuçta FDM içine

yerleştirilen metal parçaların ısı transferi üzerine etkisinin sadece yüksek iletken madde (bakır ve grafit matriks) kullanıldığı zaman meydana geldiği sonucuna vardılar.

Lacroix (1993), içinde ısı transfer akışkanının sirküle olduğu eş merkezli iki silindirik boru arasında depolanan FDM’nin faz değişim davranışını incelemek amacıyla teorik bir model geliştirmiştir. Deneysel çalışmaları kanatçıklı ve kanatçıksız tüpler üzerinde yürütmüştür. Sonuçta kullanılan silindirik boruların çapı, akışkan giriş sıcaklığı, kütlesel akış debisi ve içteki borular üzerine kanatçık yerleştirilmesinin depolama ünitesinin performansını iyileştirmek için dikkate alınması gereken parametreler olduklarını ortaya koymuştur.

Yukarıda verilen literatür bilgilerine bakıldığında, yapılan çalışmaların düşük ısıl iletkenlik problemini aşmak için Şekil 2.3’de gösterildiği gibi ince şerit metal, ince duvarlı halkalar, gözenekli metaller, gözenekli grafit, metal tozları, metal köpük matriks kullanımı üzerine olduğu açıkça görülmektedir.

Epoksi kaplanmış ince İnce duvarlı halkalar Kanatçıklı ısı değiştirici kanatçıklı ısı değiştirici

Metal tozları Grafit Matriks Metal köpük

Şekil 2.3. Isıl iletkenlik arttırmada kullanılan çeşitli ısıl iletkenlik arttırıcılar