YAĞ ASĠDĠ/PEMA KOMPOZĠT KARIġIMLARININ HAZIRLANMASI VE
GĠZLĠ ISI ENERJĠ DEPOLAMA ÖZELLĠKLERĠNĠN BELĠRLENMESĠ
Arzu KARLI YÜKSEK LĠSANS TEZĠ KĠMYA ANABĠLĠM DALI DanıĢman: Prof. Dr. Ahmet SARI
TOKAT- 2012 Her hakkı saklıdır
T.C.
GAZĠOSMANPAġA ÜNĠVERSĠTESĠ
FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
KĠMYA ANABĠLĠM DALI
Y.LĠSANS TEZĠ
YAĞ ASĠDĠ/PEMA KOMPOZĠT KARIġIMLARININ
HAZIRLANMASI VE GĠZLĠ ISI ENERJĠ DEPOLAMA
ÖZELLĠKLERĠNĠN BELĠRLENMESĠ
Arzu KARLI
TOKAT 2012 Her hakkı saklıdır
ÖZET Y. Lisans Tezi
YAĞ ASĠDĠ/PEMA KOMPOZĠT KARIġIMLARININ HAZIRLANMASI VE GĠZLĠ ISI ENERJĠ DEPOLAMA ÖZELLĠKLERĠNĠN BELĠRLENMESĠ
Arzu KARLI
GaziosmanpaĢa Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Kimya Anabilim Dalı DanıĢman: Prof. Dr. Ahmet SARI
Bu çalıĢmada, ısıl enerji depolama (IED) amaçlı yapıca kararlı faz değiĢim maddeleri (FDM) olarak polimer/yağ asidi kompozit karıĢımları hazırlandı ve ısıl-fiziksel özellikleri belirlendi. Böyle bir karıĢımda, yağ asidi bir gizli ısı depolama maddesi, polimer ise, yapısal kararlılığından dolayı yağ asidinin eriyerek karıĢımdan akmasını engelleyen bir destek maddesidir. Bundan dolayı bu karıĢımlar yapıca kararlı kompozit FDM‟ler olarak isimlendirilir. Deneysel çalıĢmalarda, PEMA/KA, PEMA/LA, PEMA/MA ve PEMA/PA kompozitler içerisindeki yağ asitlerinin maksimum karıĢım oranı belirlendi. Daha sonra yağ asitlerinin polimerlerle karıĢabilirliği FT-IR spektroskopisi ve Optik mikroskop ile doğrulandı. DSC analiz metodu ile yapıca kararlı FDM‟lerin erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları belirlendi. TGA analizleri hazırlanan FDM‟lerin ısıl olarak oldukça kararlı olduklarını gösterdi. Ayrıca söz konusu kompozit FDM‟ler 5000 kez ısıl dönüĢüme maruz bırakılarak ısıl ve kimyasal olarak güvenilir oldukları belirlendi. Kompozit FDM‟lerin ısıl iletkenlikleri kütlece % 5 oranında geniĢletilmiĢ grafit (GG) ilave edilerek önemli derecede arttırılmıĢtır. Elde edilen deneysel sonuçlar göz önüne alınarak yapıca kararlı kompozit FDM‟ler olarak PEMA/yağ asidi karıĢımlarının IED uygulamaları için büyük bir potansiyele sahip oldukları sonucuna varıldı.
2012, 66 sayfa
Anahtar kelimeler: Kaprik asit (KA), Laurik asit (LA), Miristik asit (MA), Palmitik asit (PA), yapıca kararlı FDM, Faz değiĢim maddesi, Isıl enerji depolama.
ABSTRACT Ms Thesis
PREPARATION AND DETERMINATION OF LATENT HEAT ENERGY STORAGE PROPERTIES OF FATTY ACID/PEMA COMPOSITE MIXTURES
Arzu KARLI GaziosmanpaĢa University
Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Chemistry
Supervisor: Professor. Dr. Ahmet SARI
In this study, the composite mixtures of polymer/fatty acid as novel form-stable phase change materials (PCMs) for thermal energy storage were prepared and determined thermal properties such as melting temperature and latent heat of fusion of PCMs. In such a blend, fatty acid serves as a latent heat storage material and when the polymer acts as a supporting material, which prevents the leakage of the melted fatty acid because of providing structural strength. Therefore, it is named of form-stable composite PCM. In the experimental studies, firstly, the maximum composition ratio PEMA/CA, PEMA/LA, PEMA/MA, and PEMA/PA composites was determined. Afterwards, the miscibility of fatty acids with the polymers was proved by FT-IR Spectroscopy and optic microscopy methods. The melting temperature and the latent heat of fusion the form-stable PCMs were determined by DSC analysis method. TGA analysis showed that the microPCMs had good chemical stability. Moreover, prepared composite PCM‟s were subjected to 5000 times thermal cycling test and test results showed that the composite PCMs have good thermal reliability and chemical stability. Thermal conductivities of the composite PCMs were enhanced significantly by addition of expanded graphite EG in mass ratio of 5%. By considering obtained experimental results, it was concluded that the PEMA/fatty acid blends as form-stable composite PCMs have great potential for TES applications.
2012, 66 pages
Keywords: Capric acid (CA), Lauric acid (LA), Myristic acid (MA), Palmitic acid (PA), Stearic acid (SA), Phase change material (PCM), Form-stable PCM, Thermal energy storage.
TEġEKKÜR
Yüksek lisans eğitimim süresince bilgi ve deneyimlerini benden esirgemeyen, büyük ilgi ve anlayıĢıyla her türlü problemin üstesinden gelmemde bana yardımcı olan, sabırla beni dinleyip olumlu yönlendirmeleriyle yanımda olan danıĢman hocam Prof. Dr. Ahmet SARI‟ya en içten teĢekkürlerimi sunarım. Ders ve tez dönemlerinde bana katkılarını esirgemeyen Doç. Dr. Cemil ALKAN‟a, bölümdeki bütün hocalarıma, araĢtırma görevlilerine ve öğretim görevlilerine teĢekkür ederim. Deneysel çalıĢmaların yapılmasında ve çalıĢmanın her safhasında yardım ve desteklerini esirgemeyen Fizikokimya AraĢtırma Laboratuarı yüksek lisans öğrencilerine ve Uzman Alper BĠÇER‟e, yardımlarından dolayı teĢekkürlerimi borç bilirim.
Ayrıca, hayatımın her safhasında maddi-manevi, destek, anlayıĢ, sevgi ve dualarını eksik etmeyen aileme teĢekkürlerimi sunarım.
ARZU KARLI Tokat, 2012
ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa ÖZET ... ..i ABSTRACT ... .ii TEġEKKÜR ... iii ĠÇĠNDEKĠLER ... iv
ġEKĠLLER LĠSTESĠ ... .vi
ÇĠZELGELER LĠSTESĠ ... .vii
SĠMGELER VE KISALTMALAR LĠSTESĠ………viii
1. GĠRĠġ ... .1
2. GENEL BĠLGĠLER ... .3
2.1. Enerji Depolama Metotları ... .3
2.1.1. Duyulur Isı Depolama ... .3
2.1.2. Gizli Isı Depolama Metodu ... .4
2.2. Katı-Sıvı Faz DeğiĢim Yoluyla Gizli Isı Depolamada Kullanılan FDM‟ler ... .6
2.3. Faz DeğiĢim Maddelerinin Uygulama Alanları ... ..6
2.4. FDM‟lerin Sınıflandırılması ... ..9
2.4.1. Tuz hidratlar ... ..9
2.4.2. Parafinler ... 10
2.4.3. Parafin Olmayan Organik Maddeler ... 11
2.4.4. Yağ Asitleri ... 12
2.4.5. Ötektik FDM‟ler ... 14
2.4.5.1. Yağ Asidi Ötektik FDM‟leri ... 14
2.4.5.2. Yağ Asidi /Ġnorganik Tuz KarıĢımları ... 15
2.4.6. Polimerler ... .16
2.4.7. Metaller ve AlaĢımlar ... .16
2.4.8. Sentez Yoluyla Elde Edilen Yeni Tip FDM‟ler ... .16
2.4.9. Yapıca Kararlı Polimer –FDM Kompozit KarıĢımları ... .17
3. LĠTERATÜR ÖZETLERĠ ... .18
4. MATERYAL ve YÖNTEM ... .28
4.1. Deneysel ÇalıĢmalarda Kullanılan Kimyasal Maddeler ... .28
4.2. Polimer/yağ asidi Kompozit KarıĢımlarının Hazırlanması ... .29
4.3. Yapıca Kararlı Polimer/yağ asidi Kompozit KarıĢımlarının Analizi... .29
4.3.1. FT-IR Analizi ... .29
4.3.2. Morfoloji Analizi ... ..30
4.3.4. Termogravimetri (TG) ... ..31
4.4. Isıl DönüĢüm Testi ... 32
5. BULGULAR ... 33
5.1. Akma Testi Sonuçlarının Değerlendirilmesi ... 33
5.2. Yapıca kararlı Kompozit FDM‟lerin FT-IR Spektrumları ... 33
5.2.1. Saf PEMA, Saf Yağ Asidi ve Yapıca kararlı PEMA/Yağ Asidi KarıĢımlarının FT-IR spektrumları ... 34
5.3. Yapıca Kararlı Polimer/Yağ Asidi KarıĢımlarının Yüzey Morfolojisi ... 37
5.4. DSC Isıl Analizleri ... 40
5.4.1. Saf Yağ Asitlerinin DSC Isıl Analizleri ... 40
5.4.2. Yapıca Kararlı PEMA/Yağ Asidi KarıĢımlarının DSC Isıl Analizleri ... 42
5.5. Yapıca Kararlı Polimer/Yağ Asidi Kompozitlerinin Isıl Kararlılıkları …………...45
5.6. Yapıca Kararlı Polimer/Yağ Asidi Kompozitlerinin Isıl Güvenirlikleri..………….49
6.Yapıca Kararlı kompozit FDM‟lerinin Isıl iletkenliklerinin zenginleĢtirilmesi ……..53
7. SONUÇ VE ÖNERĠLER... 56
KAYNAKLAR ... 59
ġEKĠLLER LĠSTESĠ
Sayfa
ġekil 2.1. FDM‟lerin baĢlıca kullanım alanları ... ..8
ġekil 2.2. Gizli ısı depolama maddelerinin sınıflandırılması... ..9
ġekil 5.1. Yağ asitlerinin dimerik yapısı ... 33
ġekil 5.2. Yapıca kararlı kompozit PEMA/KA‟nn FT-IR spektrumu ... 34
ġekil 5.3. Yapıca kararlı kompozit PEMA/LA‟nn FT-IR spektrumu ... 35
ġekil 5.4. Yapıca kararlı kompozit PEMA/MA‟nn FT-IR spektrumu ... 36
ġekil 5.5. Yapıca kararlı kompozit PEMA/PA‟nn FT-IR spektrumu ... 37
ġekil 5.6. PEMA/KA‟nın optik mikroskop görüntüsü ... 38
ġekil 5.7. PEMA/LA‟nın optik mikroskop görüntüsü ... 38
ġekil 5.8. PEMA/MA‟nın optik mikroskop görüntüsü ... 39
ġekil 5.9. PEMA/PA‟nın optik mikroskop görüntüsü ... 39
ġekil 5.10. Saf KA‟nın DSC termogramı ... 40
ġekil 5.11. Saf LA‟nın DSC termogramı ... 41
ġekil 5.12. Saf MA‟nın DSC termogramı ... 41
ġekil 5.13. Saf PA‟nın DSC termogramı ... 42
ġekil 5.14. Yapıca kararlı kompozit PEMA/KA‟nn DSC termogramı ... 43
ġekil 5.15. Yapıca kararlı kompozit PEMA/LA‟nn DSC termogramı ... 44
ġekil 5.16. Yapıca kararlı kompozit PEMA/MA‟nn DSC termogramı ... 44
ġekil 5.17. Yapıca kararlı kompozit PEMA/PA‟nn DSC termogramı ... 45
ġekil 5.18. Saf PEMA‟nın TGA eğrisi ... 46
ġekil 5.19. Yapıca kararlı PEMA/KA kompozit FDM‟nin TGA eğrisi ... 47
ġekil 5.20. Yapıca kararlı PEMA/LA kompozit FDM‟nin TGA eğrisi ... 47
ġekil 5.21. Yapıca kararlı PEMA/MA kompozit FDM‟nin TGA eğrisi ... 48
ġekil 5.22. Yapıca kararlı PEMA/PA kompozit FDM‟nin TGA eğrisi ... 48
ġekil 5.23. Yapıca kararlı kompozit PEMA/KA‟nın ısıl dönüĢüm sonrasındaki DSC termogramı ... 50
ġekil 5.24. Yapıca kararlı kompozit PEMA/LA‟nın ısıl dönüĢüm sonrasındaki DSC termogramı ... 50
ġekil 5.25. Yapıca kararlı kompozit PEMA/MA‟nın ısıl dönüĢüm sonrasındaki DSC termogramı ... 51
ġekil 5.26. Yapıca kararlı kompozit PEMA/PA‟nın ısıl dönüĢüm sonrasındaki DSC termogramı ... 51
ġekil 5.27. Isıl dönüĢüm öncesi ve sonrası yapıca kararlı PEMA/KA ve PEMA/LA kompozit FDM‟lerin FT-IR spektrumları ... 52
ġekil 5.28. Isıl dönüĢüm öncesi ve sonrası yapıca kararlı PEMA/MA ve PEMA/PA kompozit FDM‟lerin FT-IR spektrumları ... 53
ÇĠZELGELER LĠSTESĠ
Sayfa
Çizelge 2.1 Enerji depolamada en sık kullanılan tuz hidratlar ... 10
Çizelge 2.2. Bazı parafinlerin enerji depolama özellikleri ... 11
Çizelge 2.3. Parafin olmayan bazı bileĢiklerin erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları . 12 Çizelge 2.4. BaĢlıca yağ asidi kaynakları ve içerdikleri yağ asidi miktarları ... 13
Çizelge 2.5. Laboratuar saflıktaki bazı yağ asitlerinin özellikleri... ... 13
Çizelge 2.6. Bazı yağ asidi ikili ötektik karıĢımları ve DSC ile ölçülen ısıl özellikleri . 15 Çizelge 4.1. ÇalıĢmada kullanılan yağ asitleri ve ısıl fiziksel özellikleri ... 28
Çizelge 4.2. ÇalıĢmada kullanılan polimerler ve bazı özellikleri ... 28
Çizelge 4.3. DSC analiz cihazının tenik özellikleri ve ısıl analiz Ģartları ... 30
Çizelge 4.4. Termik analiz cihazının teknik özellikleri ve ısıl analiz Ģartları ... 32
Çizelge 5.1. Saf yağ asitlerinin ölçülen ısıl-fiziksel özellikleri ... 42
Çizelge 5.2. Saf yağ asitleri ve yapıca kararlı polimer/yağ asidi kompozitlerinin ölçülen ısıl-fiziksel özellikleri ... 45
Çizelge 5.3. Saf polimerler ve yapıca kararlı kompozit FDM‟lerin bozunma sıcaklıkları ve % kütle kayıpları ... 49
Çizelge 5.4. Isıl dönüĢüm sonrası yapıca kararlı polimer/yağ asidi kompozit karıĢımlarının ısıl-fiziksel özelliklerindeki değiĢimler ... 52
Çizelge 6.1. Hazırlanan kompozit karıĢımlarının ölçülen ısıl iletkenlikleri ... 54
SĠMGELER VE KISALTMALAR LĠSTESĠ
Simgeler
c Spesifik (özgül) ısı (J.g-1. oC-1)
Te FDM‟nin erime sıcaklığı (oC) x Mol kesri (birimsiz)
ΔHE Erime gizli ısısı (J.g-1 )
ΔHk KarıĢımın erime gizli ısısı (J.g-1 )
ΔHYA KarıĢımdaki saf yağ asidinin erime gizli ısısı (J.g-1 ) % YA KarıĢım içindeki yağ asidi yüzdesi (%)
ρ Madde yoğunluğu (g/cm3 ) ΔT Sıcaklık farkı (o
C) m Kütle (g)
wt % Ağırlıkça yüzde miktar
Kısaltmalar
FDM Faz değiĢim maddesi IED Isıl enerji depolama
GIIED Gizli ısı ısıl enerji depolama
FT-IR Fourier Transform Ġnfrared spektroskopisi DSC Diferansiyel taramalı kalorimetri
OAM Optik araĢtırma mikroskobu SEM Taramalı elektron mikroskobu LA Laurik asit
MA Miristik asit PA Palmitik asit SA Stearik asit PVC Poli (vinil klorür) PVA Poli (vinil alkol) PVAc Poli (vinil asetat)
Vac-Vc Vinil asetat- vinil klorür kopolimeri PEG Poli etilen glikol
HDPE Yüksek yoğunluklu polietilen
P1-HDPE Parafin 1-Yüksek yoğunluklu polietilen P2-HDPE Parafin 2-Yüksek yoğunluklu polietilen LDPE DüĢük yoğunluklu polietilen
NPG Neo pentil glikol PE Penaeritritol
1. GĠRĠġ
Enerji depolama; bir yandan sanayi ve endüstrideki atık ısının depolanması, diğer yandan yalnız belirli zamanlarda enerji verebilen yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanacak (güneĢ gibi) enerjiyi depolayarak, enerji temin zamanı ile talebi arasında doğabilecek farkı gidermeyi amaçlamaktadır. Enerji depolama; (1) Enerji sistemlerinin performansını düzenler ve verimini arttırır; (2) Enerjide dıĢa bağımlılığı ve çevre kirliliğini azaltır; (3) Enerjinin depolanmasıyla yardımcı enerji kaynağına duyulan ihtiyaç azalır ve böylece fosil yakıt rezervleri muhafaza edilmiĢ olur.
Yenilenebilir enerji kaynakları; dıĢa bağımlılığı olmayan, maliyeti düĢük, çevre kirliliğine neden olmayan ve sürekli mevcut olan kaynaklardır (Tunçbilek, 2005). Yenilenebilir enerji kaynaklarından istenildiği gibi faydalanılamamaktadır. Bunun sebebi ise, gerekli olan enerji dönüĢüm ve depolama sistemlerinin hala çalıĢma aĢamasında olmasıdır. Enerjinin verimli Ģekilde depolanması ve etkin bir biçimde kullanılmasında ekonomik ve güvenli bir enerji depolama metodu önemlidir. Enerji mekanik, elektrik, kimyasal ve ısıl enerji depolama gibi farklı Ģekillerde depolanabilir. Bu yöntemler içerisinde en verimli ve ekonomik olanı “Isıl enerji depolama (IED)” yöntemidir. Bu metotta enerji; duyulur ve gizli olmak üzere iki Ģekilde depolanır.
Gizli ısı depolama; dar bir sıcaklık aralığında yüksek ısı depolayabilme ve ısı boĢaltma özelliklerinden dolayı bu metot, ısıl enerji depolama yöntemleri içerisinde en cazip olanıdır. Bu yönteme göre enerji; bir faz değiĢim maddesinin (FDM) erimesi (katı-sıvı faz değiĢimi) esnasında depolanır ve katılaĢması (sıvı-katı faz değiĢimi) esnasında geri kazanılır.
Faz değiĢimi yoluyla enerji depolama konusunda yapılan çalıĢmaların bir kısmı, enerjinin iklim Ģartlarına uygun depolanabilmesi için yeni tip FDM‟lerin geliĢtirilmesi konusunda olmuĢtur. FDM‟lerin ısıl enerji depolama veya ısıl muhafaza uygulamalarında baĢarılı bir
Ģekilde kullanılmaları FDM depolayıcıların geliĢtirilmesine bağlıdır. FDM‟ler polimerik yapılar içerisinde makro ya da mikro boyutlarda kapsüllenerek “yapıca kararlı yeni tip FDM‟ler” üretilebilir. Bu yöntemlerle üretilen FDM‟ler bilinen diğer FDM‟lere dıĢ depolama kabına gerek kalmadan depolanabilme; diğer depolama kapları gibi korozyon özelliği göstermeme, FDM ile doğrudan temas sağlandığı için ısı kaynağından sağlanan ısının çok büyük bir kısmını depolayabilme, yüksek enerji depolama verimliliği sağlayabilme, düĢük maliyete sahip olma, istenilen boyutlarda hazırlanabilme ve kolay kullanılabilme gibi önemli bazı üstünlüklere sahiptir. Diğer yandan, makrokapsülleme yöntemi; özellikle FDM‟nin polimerik yapılarda kütlece daha yüksek miktarda kapsüllemeye imkân tanıdığından diğer yönteme nispeten caziptir. Dünyada bu tip FDM‟lerin üretimi konusunda yapılan çalıĢmaların sayısı sınırlıdır.
Bu tez çalıĢmasında; enerji depolama amaçlı olarak Ģekilce kararlı PEMA/Yağ asiti (Yağ asitleri: kaprik asit, laurik asit, miristik asit ve palmitik asit) kompozit karıĢımları hazırlanıp, enerji depolama özellikleri ve ısıl kararlılıkları belirlenmiĢtir. Bu karıĢımların hazırlanması ve ısıl enerji depolama özellikleri konusunda literatürde herhangi bir çalıĢmaya rastlanmamıĢtır. Dolayısıyla, polimer/yağ asidi karıĢımlarının hazırlanması ve ısıl özelliklerinin belirlenmesi bu konudaki eksikliği gidermek bakımından oldukça önemlidir.
Üretilen yapıca karalı PEMA/KA, PEMA/LA, PEMA/MA ve PEMA/PA karıĢımları FT-IR spektroskopisi ve yüzey morfolojisi analizleri karakterize edildi. Söz konusu karıĢımların ısıl enerji depolama özellikleri (erime sıcaklığı, katılama sıcaklığı, erime gizli ısısı ve katılaĢma gizli ısısı) ve ısıl güvenilirlikleri Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ile ölçüldü. Yapıca kararlı kompozit karıĢımların ısıl kararlılıkları Termalgravimetri (TG) analizi ile belirlenmiĢtir. Ayrıca, bu karıĢımların içerisine kütlece %5 oranında GeniĢletilmiĢ grafit ilave edilerek ısıl iletkenlikleri arttırılmıĢtır.
2. GENEL BĠLGĠLER
2.1. Enerji Depolama Metotları
Enerji; mekanik, elektrik, kimyasal ve ısıl enerji depolama gibi farklı Ģekillerde depolanabilir. Bu enerji depolama yöntemleri arasında Ģüphesiz ki en verimli ve ekonomik olanı ısıl enerji depolama yöntemidir. Isıl enerji depolamada enerji; duyulur ve gizli olmak üzere iki Ģekilde depolanabilir. Gizli ısı enerji depolama (GIED) sistemlerinde enerji, bir faz değiĢim maddesi (FDM)‟nin erimesi esnasında depolanır ve soğuması esnasında da geri kazanılır. GIED; yüksek ısı depolama yoğunluğu ve küçük sıcaklık aralığında ısı yükleme ve boĢaltma özelliklerinden dolayı ısıl enerji depolama yöntemleri arasında Ģüphesiz en cazip olan metottur (Abhat, 1983; Zalba ve ark., 2003).
Isıl enerji; duyulur, gizli ve termokimyasal ya da bunların kombinasyonu olarak bir maddenin iç enerjisinde değiĢim meydana gelmesiyle depolanır. Duyulur ısı depolamada ısıl enerji; bir katı veya sıvının sıcaklığının arttırılması ile depolanır. Gizli ısı depolama; maddenin katıdan-sıvıya veya sıvıdan gaza ya da tersine bir faz değiĢimine uğramasıyla enerjinin soğurulması ya da salınmasına dayanır. Termokimyasal enerji depolama ise; enerjinin tamamen tersinir bir kimyasal reaksiyonda kopan ve yeniden oluĢan kimyasal bağlarda soğurulması ve salınmasına dayanır. Bu durumda sistemde depolanan ısı, reaksiyonun endotermik ısısına, dönüĢüm derecesine ve depolama maddesinin miktarına bağlıdır.
2.1.1. Duyulur ısı depolama
Duyulur ısı depolamada, enerji katı ya da sıvı maddelerin ısı kapasitesi özelliğinden yararlanılarak bu maddelerin sıcaklarının arttırılmasıyla depolanır. Sıcaklığı T1 ve kütlesi m
olan bir madde T2 sıcaklığına kadar ısıtılırsa, maddenin ısı kapasitesi özelliğinden dolayı depolanan duyulur ısı miktarı aĢağıdaki formülle hesaplanabilir.
Q = m.Cp.(T2 – T1) = V.ρ.Cp.ΔT (1)
Burada V (m3) maddenin hacmini, ρ (kg/m3) maddenin yoğunluğunu ve Cp (kJ/kg) sabit basınçtaki özgül ısıyı göstermektedir. Yukarıdaki bağıntıdan görüldüğü gibi ΔT sıcaklık farkında ve belli bir hacimde daha fazla ısı enerjisi depolamak için maddenin hacimsel özgül ısısı (ρ.Cp) büyük olmalıdır. Ancak duyulur Ģekilde ısı depolanmasında faydalanılan maddenin hacimsel özgül ısısının büyük olmasının yanında, yanma ve alevlenme özelliğinin olmaması, maddenin uzun süre (10-15 yıl) özelliklerini muhafaza etmesi, toksik ve korozyon tesirinin bulunmaması istenir. Tabi ki maddenin kolay temin edilebilir ve ucuz olması da gerekir. Duyulur ısı depolamada enerji; su, toprak, kum, seramik tuğlalar, kaya yatakları, uygun yağ, hava gibi depolama ortamlarından faydalanılarak depolanır. Pratikte temin edilebilme kolaylığı ve ucuzluğu sebebiyle daha çok su veya çakıl taĢı tercih edilmektedir.
Duyulur ısı depolama esansında karĢılaĢılan problemler üç grupta toplanabilir: (1) Isı depolama esnasında depolama sıcaklığı sürekli olarak arttığından sistemdeki ısı kayıpları fazladır. (2) Bu tip bir sitemden ısı çekerken depolama sıcaklığı sürekli düĢtüğünden ısı akıĢ dağılımı oldukça düzensizdir. (3) Isı depolama iĢlemi çevre sıcaklığından oldukça yüksek olduğu için iyi bir izolasyon gereklidir (KeleĢ, 2003).
2.1.2. Gizli Isı Depolama Metodu
Maddelerin faz değiĢimi esnasında iç enerjilerindeki artıĢ ile birlikte sabit sıcaklıkta faz değiĢtirerek enerji depolanması olayına “gizli ısı depolama” denir. Gizli ısı depolama sistemlerinde; sabit sıcaklık aralığında eriyen veya buharlaĢan kısacası faz değiĢimine uğrayan bir faz değiĢim maddesi (FDM) kullanılır. Bir FDM‟nin enerji depolama kapasitesi aĢağıdaki eĢitle hesaplanabilir.
son T P e T ilk P e e dT mC H m dT mC Q (2)
Gizli ısı depolama metodu, duyulur ısı depolama metodu ile mukayese edildiğinde bazı üstün özelliklere sahip olduğu söylenebilir. Bunların en önemlisi, FDM‟de belirli bir miktarda ısının depolanması için gerekli hacmin, aynı miktar ısının duyulur ısı Ģeklinde depolanması için gerekli hacimden daha küçük olmasıdır. Diğer bir diğer avantajı ise, ısı deposundan ısı çekilme esnasında depo sıcaklığının hemen hemen sabit kalmasıdır. Fakat duyulur ısı depolamaya göre maliyeti daha yüksektir (Kılıç, 1983).
Gizli ısı depolama metodunda beĢ farklı faz değiĢim tipine rastlanır: a) katı-katı b) katı-sıvı c) sıvı-gaz d) katı-gaz e) sıvı-sıvı. Fakat sadece pratikte uygulanabilir olanlar katı-sıvı ve katı- katı faz değiĢimleridir (Wang ve ark., 2000). Katı-gaz ve sıvı-gaz geçiĢleri daha yüksek erime gizli ısısına sahiptir ancak faz geçiĢi esnasında hacim değiĢiminin büyük olması depolama kabı problemini ortaya çıkarır ve enerji depolama sistemlerindeki kullanımlarını sınırlar. Katı-katı geçiĢlerinde enerji; maddenin bir kristal halinden diğer bir kristal haline dönüĢümü esnasında depolanır. Genellikle katı-sıvı faz değiĢimine nispeten daha küçük bir gizli ısı değerine ve hacim değiĢimine sahiptir. Katı-katı faz değiĢim özellikli FDM‟ler depolama kabına gerek duyulmadan kullanılabilme avantajına sahiptirler (Wang ve ark., 2000; Pillai ve ark., 1976).
Katı-sıvı faz değiĢimi esnasında ise Gizli ısı depolama metodunun diğer metotlara göre üstün yanlarını genel olarak Ģöyle sıralamak mümkündür: (a) Duyulur ısıya göre birim kütlesinin ısı depolama kapasitesi daha yüksektir. Faz değiĢimi esnasındaki hacim değiĢimi oldukça küçüktür (% 10 veya daha az). Bu sebeble bu tip faz değiĢiminden yararlanılarak çalıĢan sistemleri tasarlamak diğerlerine oranla daha basittir (Abhat, 1983). (b) FDM‟nin faz değiĢim sıcaklığı, sabit sıcaklıkta depolama ve geri kazanım için uygundur. Bu sebeble, sabit sıcaklıkta ısı gerektiren uygulamalar için oldukça uygun bir yöntemdir (Mazman, 2000).
2.2. Katı-Sıvı Faz DeğiĢim Yoluyla Gizli Isı Depolamada Kullanılan FDM’ler
Gizli ve duyulur ısı depolama maddeleri mukayese edildiği zaman katı-sıvı faz değiĢim özellikli FDM‟ler tipik olarak 5-10 kat daha yüksek bir depolama yoğunluğuna sahip olduğu görülür (Garg ve ark., 1985; Hasnain 1998). Gizli ısı depolama geniĢ bir sıcaklık aralığında kullanılabilir ve FDM olarak kullanılabilecek birçok maddenin erime sıcaklıkları ve erime ısıları bilinmektedir. Isıl enerji depolama sistemleri için tercih edilecek bir FDM aĢağıda belirtilen termodinamik, kinetik, kimyasal ve ekonomik özelliklere sahip olmalıdır (Hale ve ark., 1971; Garg ve ark., 1985; Lane, 1983; Budhi ve ark., 1994).
Termodinamik özellikler
- Sabit bir sıcaklıkta tersinir olarak faz değiĢtirebilmeli
- Birim hacim veya kütleye düĢen erime gizli ısısı yüksek olmalı - Öz ısısı, öz kütlesi ve ısı iletkenliği yüksek olmalı
- Faz değiĢimi esnasında büyük hacim değiĢimi göstermemeli
Kinetik özellikler
- AĢırı soğuma davranıĢı göstermemeli ve aynı zamanda hızlı çekirdekleĢebilmelidir.
Kimyasal özellikler
- Kararlı olmalı, çabuk bozulmamalı
- Kullanım ömrü (Enerji depolama ömrü) uzun olmalı - Zehirleyici, yanıcı, patlayıcı ve korozif olmamalı
Ekonomik özellikler
- Uygulama alanı geniĢ olmalı - Bol ve ucuz olmalı
2.3. Faz DeğiĢim Maddelerinin Uygulama Alanları
FDM kullanılarak gizli ısı depolama metoduyla binaların ısıtılması ve soğutulması konusunda son yıllarda birkaç önemli derleme makale yayınlanmıĢtır (Zalba et al., 2003; Wang et al., 2009). Ġlk derleme makale, Zalba ve arkadaĢları (2003) tarafından
yayınlanmıĢtır. Bu çalıĢmada potansiyel FDM olarak kullanılan malzemeler tanıtılmıĢ onların ısıl fiziksel özellikleri sistematik bir Ģekilde verilmiĢtir. Ticari, FDM‟ler ayrıca listelenmiĢtir. Isıl özelliklerinin belirlenmesinde kullanılan farklı metotlar tanıtılmıĢtır.
FDM‟lere iliĢkin birçok uygulama (Bina uygulamaları, sıcaklığa hassas malzemelerin taĢınımları, su ısıtma sistemleri vs) ayrıntılı olarak rapor edilmiĢtir. Farid ve ark (2004); FDM‟ler konusunda 2 tane derleme makale yayınlanmıĢtır. Bunlardan biri enerji depolamada kullanılan FDM‟lerin sınıflandırılması konusundadır. Diğeri ise FDM‟lerin binalardaki uygulamalarına iliĢkindir.
Tyagi ve Buddhi (2007); binaların ısıtılması ve soğutulması için kullanılabilecek FDM-alçı, FDM-beton, FDM-duvar blokları ve FDM-tahta gibi bazı kompozitlerin ısıl performanslarını inceleyerek bu malzemelerin binalarda enerji tasarrufu bakımından önemli potansiyele sahip oldukları rapor etmiĢlerdir.
Kenisarin ve Mahkamov (2007) tarafından yayınlanan derleme makalede çeĢitli FDM‟lerin ısıl özelliklerini ve bunların solar pasif ve aktif yüzey ısıtma sistemleri, seralarda güneĢ enerjisi ile piĢirme gibi uygulamalardaki performansları özetlenmiĢtir.
Son olarak 2009 yılında 3 tane yeni derleme makale yayınlanmıĢtır. Bunlardan birincisi, Sharma ve arkadaĢları (2009) tarafından yayınlanmıĢ olup FDM‟lerin farklı uygulamalardaki kullanımların incelenmesi konusundadır.
Zhu ve arkadaĢları (2009) tarafından yayınlanan bir araĢtırma çalıĢmasında FDM‟erin denge entegrasyonu, dinamik karakteristikleri ve enerji performansları ele alınmıĢtır.
Wang ve arkadaĢları (2009) binalarda ideal enerji muhafazası konusunu ve bu amaçta kullanılarak FDM seçimi ve ısıl performans değeri iĢlemiĢlerdir. Bu uygulama alanlarının dıĢında ġekil 2.1‟de FDM‟lerin baĢka önemli uygulama alanları görülmektedir.
(a)Sıcak gıda ürünlerinin taĢınmasında ve muhafazasında, (b)Elektronik cihazların soğutulmasında
(c)Sağlık uygulamalarında kan numuneleri, (d) ÇeĢitli tekstil ürünlerinde ve organ taĢımacılığı
(e) Binaların ısıtılması ve soğutulması iĢlemlerinde
(f) ĠnĢaat sektöründe yalıtım amacıyla, Seraların iklimlendirilmesinde ġekil 2.1. FDM‟lerin baĢlıca kullanım alanları
2.4. FDM’lerin Sınıflandırılması
FDM‟ler genel olarak ġekil 2.2‟de gösterildiği gibi sınıflandırılabilirler. Erime sıcaklığı ve erime gizli ısısı bakımından FDM olarak tanımlanabilecek çok sayıda organik, inorganik ve bunların ötektik karıĢımları mevcuttur.
ġekil 2.2. Gizli ısı depolama maddelerinin sınıflandırılması (Zalba, 2003).
2.4.1. Tuz Hidratlar
Tuz hidratlar en eski ve en çok incelenen ısı depolama maddeleridir (Lane, 1983). Tuz hidratlar, katılaĢtığında bir kristalin matriks ile birleĢen tuz ve sudan oluĢur (Abhat, 1983). Enerji depolama amaçlı en sık kullanılan tuz hidratların özellikleri Çizelge 2.1‟de verilmiĢtir. 15-117oC sıcaklık aralığında erime noktasına sahip birçok farklı tuz hidrat vardır (Lane, 1983).
Çizelge 2.1. Enerji depolamada en sık kullanılan tuz hidratlar.
Tuz hidratlar Erime noktası ( C) Yoğunluk (kg/m3) Erime ısısı (J/g)
Na2SO4.10H2O 31,6 1460,0 252,16
Na2CO3.10H2O 32-36 1440,0 248,48
CaCl2.6H2O 27-32 1710,0 187,49
Na2HPO4.12H2O 36 1520,0 274,22
Tuz hidratların maliyetlerinin düĢük olması ve kolaylıkla temin edilebilir. Ayrıca, diğer FDM‟lere kıyasla yüksek ısıl iletkenliğe sahiptirler. Tuz hidratların en büyük dezavantajları; faz ayrımı ve aĢırı soğuma davranıĢı göstermeleridir. Bu iki problem ısı depolama kapasitelerinde azalmaya sebep olur.
2.4.2. Parafinler
Parafin wax en çok kullanılan ticari organik ısı depolama maddesidir (Lane, 1983; Hale ve ark., 1971). Ticari derecedeki parafin wax‟lar saf halde değildirler ve farklı hidrokarbonların bir karıĢımı Ģeklindedirler. Parafinlerde genelde ortalama hidrokarbon zinciri ne kadar uzun ise, erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları da o derece yüksektir (Himran ve ark., 1994). Bazı parafinlerin ısıl enerji depolama özellikleri Çizelge 2.2‟de verilmiĢtir.
Çizelge 2.2. Bazı parafinlerin enerji depolama özellikleri (Lane, 1983; Abhat, 1983) BileĢik “C” atomu sayısı Erime Sıcaklığı(o C) Yoğunluk (kg/m3) Isıl iletkenlik (W/mK) Gizli ısı (kJ/kg) n-Dodekan 12 -12 750 0,21K - n-Tetradekan 14 4,5-5,6 771 231 n-Pentadekan 15 10 768 0,17 207 n-Hekzadekan 16 18,2 774 0,21K 238 n-Oktadekan 18 28,2 814K , 775S 0,35K, 0,149S 245 N-Nonadekan 19 31,9 912K, 769S 0,21K 222 n-Dokosan 22 44 249 n-Trikosan 23 47 234 n-Tetrakosan 24 51 255 n-Pentakosan 25 54 238 K: katı; S: sıvı
2.4.3. Parafin Olmayan Organik Maddeler
Parafin olmayan organik maddeler; yağ asitleri, esterler, alkoller ve glikoller gizli ısı depolama için aday maddelerin en geniĢ kategorisini oluĢtururlar. Bu organik maddeler yağ asitleri ve diğer parafin olmayan organik maddelerin alt gruplarıdır. Parafin olmayan organik maddeler çeĢitli özelliklere sahip çok sayıda FDM‟den oluĢur. Bu grup FDM‟ler ve bunlara ait ısıl enerji depolama özellikleri Çizelge 2.3‟de listelenmiĢtir.
Çizelge 2.3. Parafin olmayan bazı bileĢiklerin erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları (Lane, 1983; Abhat, 1983; Garg ve ark., 1985; Buddhi, 1994; Hale ve ark., 1971; Sharma, 1999).
BileĢik adı Erime Sıcaklığı (o
C) Yoğunluk (kg/m3) Gizli Isı (kJ/kg)
Formik asit 7,8 1226,715C 247 Asetik asit 16,7 105020C 187 Gliserin 17,9 126020C 198,7 Polietilen glikol 600 20-25 110020C 146 1-Siklohekziloktadekan 41 - 218 4-Heptadekanon 41 - 197 3-Heptadekanon 48 - 218 2-Heptadekanon 48 - 218 Bal mumu 61,8 950 177 Asetamit 81 1159 241 2.4.4. Yağ asitleri
Yağ asitleri trigliserit denilen yağlardan elde edildikleri için bu adı taĢırlar. Genel kimyasal formülü; CH3(CH2)nCOOH Ģeklindedir. Yağ asitlerinin üretimleri için gereken ham maddelerin doğal olması (bitkisel ve hayvansal kaynaklı) önemli bir avantajdır. Bu durum, dünyanın giderek azalan mineral ve fosil yakıtı rezervlerinden bağımsız olarak sürekli bir kaynak sağlar. Çizelge 2.4‟de, baĢlıca yağ asidi kaynakları ve içerdikleri yağ asidi miktarları (yüzde olarak) verilmiĢtir (Feldman ve ark., 1989).
Çizelge 2.4. BaĢlıca yağ asidi kaynakları ve içerdikleri yağ asidi miktarları. DoymuĢ yağ asitleri Hindistan Cevizi (%) Hurma yağı (%) Buğday yağı (%) Domuz eti yağı(%) Sığır eti yağı(%) Kaprik 4-9 _ _ _ _ Laurik 43-50 _ _ _ _ Miristik 15-21 0-2 _ 0-2 2-6 Palmitik 7-11 38-48 7-19 20-28 20-35 Stearik 2-4 3-6 2-4 15-25 15-25
Isıl enerji depolama sisteminde enerji depolama amacıyla en sık kullanılan yağ asitlerinin erime sıcaklıkları 30-70 o
C ve erime gizli ısıları ise, 150-210 J/g aralığındadır. Laboratuar saflıktaki (>%98 saflık) bazı yağ asitlerinin üretici firmalar tarafından belirlenmiĢ erime sıcaklıkları ve erime ısıları Çizelge 2.5‟de verilmiĢtir (Feldman ve ark., 1989).
Çizelge 2.5. Laboratuar saflıktaki bazı yağ asitlerinin özellikleri.
Yağ asidi Kimyasal formül
Molekül Ağırlığı (g/mol) Erime sıcaklığı (oC) Donma sıcaklığı (oC) Erime ısısı (J/g) Kaprik CH3(CH2)8COOH 172,27 31,6 31,2 163 Laurik CH3(CH2)10COOH 200,32 44,2 43,8 183 Palmitik CH3(CH2)14COOH 256,43 62,9 62,4 212 Stearik CH3(CH2)16COOH 284,49 69,6 69,4 222
Yağ asitleri, özellikle tuz hidratlar için belirtilen problemlerin hiç birini taĢımazlar ve ayrıca, enerji depolama için gerekli tüm termodinamik, kinetik, kimyasal ve ısıl kriterlere sahiptirler. Yağ asitlerinin erime ısıları parafinlerle karĢılaĢtırılabilecek kadar yüksektir. Yağ asitleri, birçok parafin ve tuz hidrata göre daha uygun erime sıcaklığına sahiptir. Yağ asitleri ayrıca, faz değiĢimi esnasında küçük hacim değiĢimi gösterirler. AĢırı soğuma davranıĢı göstermeyen, iyi bir kimyasal kararlılığa, oda sıcaklığında düĢük buhar basıncına
sahip bu maddeler toksik ve aĢındırıcı değildirler (Feldman ve ark., 1989; Cedeno ve ark., 2001; Sarı ve Kaygusuz, 2001a,b). Yağ asitleri genellikle inorganik tuz hidratlar ve ham parafinlerden daha pahalıdırlar. Ancak, talepteki bir dalgalanmayla iyileĢtirilmiĢ ihracat ve ekonomisiyle, yağ asitlerinin maliyetinin düĢmesi beklenmektedir. Baran ve Sarı (2003), Sarı (2003), Sarı ve Kaygusuz (2001a,b; 2002) bazı yağ asitlerinin ısıl enerji depolama özelliklerini ve ısıl kararlılıkları incelemiĢlerdir.
2.4.5. Ötektik FDM’ler
2.4.5.1. Yağ Asidi Ötektik FDM’leri
Ġklim Ģartları bakımından bir IED sisteminde arzu edilen erime sıcaklığına sahip FDM‟ni bulmak zordur. Bu yüzden, erime sıcaklığını istenilen bir sıcaklığa ayarlayacak bir metodu kullanmak gerekir. Bu metot, molekül ağırlığı küçük olan bir FDM‟nin molekül ağırlığı yüksek olan FDM‟ye istenen mol ya da kütle oranında katılması Ģeklinde tanımlanabilir. KarıĢım oranının seçimi tamamen keyfidir. Ancak, ötektik bileĢim oranının önceden kestirilip bu oranlarda ek karıĢımlar hazırlanmalıdır. Hazırlanan her bir karıĢımın erime ısıları ve erime sıcaklıkları diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) analiz tekniğiyle belirlenir. Daha sonra, sıcaklık-bileĢim oranı diyagramı oluĢturularak karıĢımın ötektik bileĢim oranı ve ötektik erime noktası belirlenir.
Yağ asitleri ötektik karıĢımları kullanılarak iklim Ģartlarına uygun erime sıcaklığına sahip FDM‟ler hazırlanabilir. Yağ asitleri diğer FDM‟lere kıyasla, üstün bazı ısıl, fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip oldukları için, bu asitlerden oluĢturulacak ötektik FDM karıĢımlarının da benzer özellik göstermesi beklenebilir. Bu sebeple, yağ asidi ötektik karıĢımları, literatürde en fazla yer alan organik ötektiklerdir. Yağ asitleri ötektik karıĢımları konusunda literatürde birçok çalıĢmaya rastlamak mümkündür (Zhang ve ark., 2001; Dimaano ve Escato 1998; Kauranen ve ark., 1991; Feldman ve ark., 1989; Dimaano
ve Watanabe, 2002; Sarı ve ark., 2004) Bazı yağ asidi ikili ötektik karıĢımları ve DSC ile ölçülen ısıl özellikleri Çizelge 2.6‟de verilmiĢtir.
Çizelge 2.6. Bazı yağ asidi ikili ötektik karıĢımları ve DSC ile ölçülen ısıl özellikleri
Yağ asit karıĢımı BileĢim oranı
(% wt)
Erime sıcaklığı ( C)
Erime ısısı (J/g)
Kaprik asit – laurik asit 61,5 - 38,5 19,1 132,0
Kaprik asit – miristik asit 73,5 - 26,5 21,4 152,0 Kaprik asit – palmitik asit 75,2 - 24,8 22,1 152,0
Kaprik asit – stearik asit 86,6 - 13,4 26,8 160,0
Laurik asit – miristik asit 62,6 - 37,4 32,6 156,0 Laurik asit – palmitik asit 64,0 - 36,0 32,8 165,0
Laurik asit – stearik asit 75,5 - 24,5 37,3 171,0
Miristik asit–palmitik asit 51,0 - 49,0 39,8 174,0
Miristik asit – stearik asit 65,7 – 34,3 44,2 181,0
Palmitik asit – stearik asit 64,9 – 35,1 50,4 179,0
2.4.5.2.Yağ Asidi /Ġnorganik Tuz KarıĢımları
Tayeb (1995); SA/Na2SO4.10H2O (Glauber tuzu) karıĢımının ısıl özelliklerini ve IED performansını inceledi. En yüksek IED veriminin elde edildiği karıĢım oranını; % 40 SA/% 60 Na2SO4.10H2O Ģeklinde belirlemiĢtir. Ayrıca, bu çalıĢmada karıĢıma koyulaĢtırıcı madde (kil) ve çekirdekleĢtirici madde (boraks) ilave edilerek karıĢımın tabakalaĢma ve aĢırı soğuma problemi ortadan kaldırılmaya çalıĢılmıĢtır. Domanski ve ark., (1995); SA/Mg(NO3)2.6H2O karıĢımının FDM olarak kullanıldığı bir güneĢ fırını oluĢturarak güneĢ ıĢınlarının olmadığı saatler boyunca piĢirme olanaklarını araĢtırdılar ve elde edilen bulgulara dayanarak stearik asidin tek baĢına FDM olarak piĢirme amaçlı kullanılmasının uygun olmadığını rapor ettiler.
2.4.6. Polimerler
Çapraz bağlı polietilen (PE), sıvı hale dönmesini engelleyen zayıf çapraz bağlara sahip ve plastik ĢiĢelerde kullanılan polietilene (PET) çok benzerdir. Çapraz bağlı polietilen (PE) katı-sıvı FDM‟den daha kararlıdır ve baĢka bir madde içinde depolanmaksızın kullanılabilir. PE diğer FDM‟lerden daha yüksek maliyete sahip olmasına rağmen depolama kabı gerektirmez. Ayrıca, PE toksik değildir ve kimyasal olarak inerttir. Ancak, çalıĢma sıcaklıklarının 110-140 oC oluĢu yüzey ısıtma ve su ısıtma gibi bazı uygulamalar için çok yüksektir.
2.4.7. Metaller ve AlaĢımlar
Metaller ve alaĢımların faz değiĢtiren madde olarak kullanılmalarındaki en büyük dezavantajları, maliyetlerinin yüksek olması ve depolama güçlüğü göstermeleridir. Buna rağmen ısıl iletkenlikleri çok iyidir. AlaĢımların çoğunun faz değiĢim sıcaklıkları 343 ile 956 oC arasındadır. Fakat metaller ve alaĢımlar depolama ortamı olarak pek tatmin edici özelliklere sahip olmadıkları için kullanımları pek tercih edilmemektedir.
2.4.8. Sentez Yoluyla Elde Edilen Yeni Tip FDM’ler
Sarı ve ark., (2010) ve Biçer (2009); yeni katı sıvı faz değiĢim maddesi olarak gliserolün bazı yağ asidi esterlerini sentezleyerek ısıl enerji depolama özelliklerini ve ısıl kararlılıklarını incelemiĢtir. Alkan (2006); gizli ısı enerji depolama için kullanılan iki tip parafinin (dekason, hekzakosan) farklı mol oranlarında sülfonlayarak enerji depolama kapasitelerini artırmaya çalıĢmıĢtır. Alkan ve ark., (2008); etilen glikolu stearik asitle esterleĢtirerek gizli ısı enerji depolamaların uygun faz değiĢim sıcaklığına ve yüksek enerji depolama kapasitesine sahip (215,85 J/g) etilen glikol distearat (EGDS) yeni tip FDM olarak sentezlemiĢlerdir.
Canik (2009), Canik ve Alkan (2010); Hekzametilendiamin ile lauril klorür, miristalklorür, palmitolklorür kondenzasyon reaksiyonu ile hekza metilen dilauroil amid (HMLA), hekza metilen dimiristail amid (HMMA) ve hekza metilen dipalmitoil amid (HMPA) bileĢiklerini yeni tip katı sıvı FDM olarak sentezlenmiĢlerdir. Wang ve Ding (2007); bir seri katı sıvı FDM olarak dioldistearatları steroil klorür sırasıyla 1,2-etandiol,1,4-butandiol,1,6-hekzandiol, 1,8-oktandiol ve 1,10-dekandiol ile esterleĢme reaksiyonlarıyla sentezlenmiĢlerdir. Alkan ve ark (2011) ve Canik (2009); yeni tip katı sıvı FDM olarak bazı yağ asidi klorürlerinin (lauroilklörür, miristaoilklorür, palmitolklorür) etilendiamin ile kondenzasyonu sonrasında etilendilauroilamid (EDLA), etilendimiristaoilamid (EDMA) ve etilendipalmitoilamid (EDPA) bileĢiklerini sentezlemiĢlerdir. Tek (2009); katı-sıvı faz değiĢim özelliğine sahip bazı yeni üre ve tiyo üre-yağ asiti yoğunlaĢma bileĢiklerini sentezleyerek NMR ve FT-IR teknikleri ile karakterize etmiĢlerdir. Kenar (2010); yeni tip katı sıvı FDM ler olarak yağ asidi alkolleri (C10-C18) ile dimetil veya dietil karbonat arasında ki reaksiyon yoluyla biyoesaslı oleokimyasal karbonatları sentezlemiĢlerdir.
2.4.9. Yapıca Kararlı Polimer-FDM Kompozit KarıĢımları
Son yıllarda bu sistemler için yapılan çalıĢmalar, bir depolama kabına gerek duymayan ve bir destek maddesi ile bir faz değiĢim maddesi (FDM) içeren karıĢımlar üzerinde yoğunlaĢmıĢtır. Kompozit FDM karıĢımlarının dört önemli avantajı vardır: a) KarıĢımın sıcaklığı FDM‟nin erime sıcaklığının üzerinde olsa dahi bu tip FDM‟ler katı halde Ģekillerini koruyabilirler. Bundan dolayı, “Ģekilce kararlı FDM‟ler” olarak adlandırılırlar. b) Depolama için bir dıĢ kaba gerek duymazlar. Böylece, bu tip Ģekilce kararlı FDM‟ler herhangi bir depolama kabının kullanılmasından kaynaklanan ısı direnci problemi de kendiliğinden halletmiĢ olurlar. c) Gizli ısı ısıl enerji depolama sistemlerinde bu tip Ģekilce kararlı FDM‟ler ısı transfer akıĢkanı ile direkt temas halinde oldukları için enerji depolama sisteminin maliyetini düĢürürler. d)Ġstenilen boyutlarda kolaylıkla hazırlanabilirler (Mazman, 2000).
3.LĠTERATÜR ÖZETLERĠ
Yapıca karalı FDM/polimer karıĢımlarına iliĢkin literatürde bazı çalıĢmalar mevcuttur. Feldman ve ark., (1985); yaptıkları çalıĢmada küçük sıcaklık değiĢimlerinde oda havasından doğrudan ısı transferini sağlamak için yüzeyi kaplı olmayan matrix tipi faz değiĢimli ısıl depolama tuğla modülünü test ettiler. Isı, tuğla ağırlığının yarısı kadar olan yağ asidi karıĢımlarının eriyip katılaĢmasıyla depolanır ve boĢaltılır. Polimerik matrixler olarak polivinilklorür (PVC), polivinilasetat (PVAc), polivinilalkol (PVA), vinilasetat-vinilklorür kopolimeri (Vac-VC), yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) tozları ve granüllerini test ettiler. Tuğlaların, bileĢimine bağlı olarak 37 ya da 51oC‟ye kadar sıvı yağ asidi sızması olmaksızın Ģeklini ve boyutlarını koruduğunu belirlediler. PVC ve PVA üzerine yapılan FT-IR ve DSC analizleri, yağ asitleri ve polimer arasında etkileĢimler olduğunu gösterdi. Tuğlaların bazıları cam fiberlerle, bazıları ise selüloz fiberler kullanılarak güçlendirildi. En iyi mekanik özelliklerin %5 oranında uzun (85-110 mm) cam fiberlerle elde edilebileceğini ifade ettiler.
Pielichowski (1999); yaptığı çalıĢmada ısıl enerji depolama maddesi olarak PVC‟li (i) polimetilmetakrilat veya (ii) polioksimetilen ile polietilen glikolun (PEG) bir seri karıĢımlarını DSC, SEM ve FT-IR metotları ile inceledi. Ġncelenen karıĢımlar içinde PEG‟ün karıĢımların ısıl özelliğinde önemli derecede etkiye sahip olduğunu buldu. PEG ve PVC‟nin radikal bozunma Ģemaları esas alınarak olası radikal baĢlatıcı davranıĢının, daha büyük bir termal kararlılığa neden olduğunu belirledi. Sonuçta ısıl performansı arttırmak için çok bileĢenli PVC sisteminin kullanılabileceği sonucuna vardı.
Alkan ve ark., (2009); yaptığı çalıĢmada ısıl enerji depolama uygulamaları için yapıca kararlı yeni faz değiĢim maddesi olarak parafin/polipropilen (PP) kompozitleri hazırlandı ısıl özellikleri ve ısıl güvenilirlikleri karakterize edildi. Kompozitte PP destekleyici madde
Parafin ise faz değiĢim maddesi olarak davranır. Parafinin farklı kütle oranlarında kompozitleri hazırlandı ve çözücü uçurma tekniği kullanıldı. Kompozitler PCM in erime sıcaklığının üzerinde bir sıcaklığa kadar ısıtılarak erime testine tabi tutuldu. ġekilce kararlı parafin/PP kompozitte maksimum parafin içeriği (70/30 w/w %) bulundu ve FT-IR, Optik mikroskopi, DSC ve TGA tekniğiyle karakterize edildi. DSC analizi sonuçları yapıca kararlı parafin/ PP kompozit karıĢımın erime sıcaklığını 44,77-45,52 °C aralığında kristallenme sıcaklığı 53,55 -54,80 °C gösterdi. Sırasıyla gizli erime ısısı ve kristallenme ısıları 136,16 -136,59 J/g olarak DSC analizi ile belirlendi. Bu ısıl özellikler hazırlanan kompozit maddeyi güneĢ enerjisini ısıl enerji depolama uygulamalarında potansiyel hale getirmektedir. Isıl döngü testlerinde yapıca kararlı bu faz değiĢim maddelerinin ısıl güvenilirliklerinin (dayanıklılık) iyi olduğu görüldü. TG analizinde yapıca kararlı bu faz değiĢim maddesinin iyi kimyasal kararlılıkta ve birbirinden ayrı iki sıcaklıkta bozulmaya uğradığını gösterdi.
Sarı ve ark., (2006); yaptığı çalıĢmada polivinil alkol-palmitik asit ve polivinil klorid – palmitik asit kompozit karıĢımları hazırlandı. Bu kompozitte palmitik asit erime-katılaĢma faz değiĢimi esnasında gizli ısıl enerji depolar. Palmitik asitin her iki polimer ile karıĢma oranı 50%‟dir. KarıĢımlar Ģekilce karalıdır. Polivinil alkol ve polivinil klorid ile palmitik asitin karıĢabilirliği FT-IR ve DSC metodu ile tespit edildi. Ayrıca Ģekilce kararlı kompozit karıĢımların erime ve katılaĢma sıcaklıkları, gizli ısıları sırasıyla 56,2 54,4ºC ve 121.6 -120.3 J/g olarak belirlendi. Elde edilen sonuçlar yapıca kararlı kompozit karıĢımların tatmin edici ısıl özellikleri ve düĢük maliyetli olmaları bakımından pasif yolla güneĢ enerjisi ile yüzey ve bina ısıtmaları için büyük potansiyele sahiptirler.
Sarı ve ark., (2005); yaptığı çalıĢmada Eudragit S ile birer yağ asiti olan SA, PA, MA‟den oluĢan yapıca kararlı faz değiĢim maddeleri hazırlandı. PCM sıcaklığı yağ asitlerinin erime noktalarının üzerine çıkarılması takdirinde dahi katı halini muhafaza etmiĢtir ve herhangi bir sızıntı gözlenmemiĢtir. Eudragit S ile yağ asitlerinin uyumluluğunu ispatlamak için mikroskop ve FT-IR spektroskopisi ile incelendi. Yapıca kararlı faz değiĢim maddelerinin erime-katıĢlaĢma sıcaklıkları ve erime-katılaĢma gizli ısıları DSC metodu ile ölçüldü.
Yapıca kararlı faz değiĢim maddelerindeki yağ aitsinin maksimum kütle oranı 70% dir ve yağ aisiti 50-70ºC sıcaklık aralığında farklı ısıtma döngülerinde sızıntı olmadığı gözlendi. EudragitS /yağ asiti karıĢımlarının DSC analizinden elde edilen ısıl özellikler yapıca kararlı bu FDM‟lerin tatmin edici ısıl özelliklere ve pasif yolla güneĢ enerjisinden gizli ısıl ısı depolama uygulamaları için büyük potansiyele sahiptirler.
Sarı ve ark., (2008); bu çalıĢmada ısıl ısı enerjisi depolama uygulamaları için yapıca kararlı FDM‟ler olarak PEG/PMMA karıĢımları hazırlandı ve karakterize edildi. Kompozitte PEG destekleyici madde PMMA ise faz değiĢim maddesi olarak davranmıĢtır. PEG in farklı kütle oranlarında karıĢımları hazırlandı (50, 60, 70, 80 ve 90%w/w). Faz değiĢim maddeleri erime sıcaklığını üzerine kadar ısıtılarak sızdırmazlık testine tabi tutuldu. Maksimum kapsülleme oranıyla herhangi bir sızıntının olmadığı gözlenmiĢtir. Kütlece (70/30 w/w ) PEG/PMMA yapıca kararlı faz değiĢim karıĢımı Optik mikroskopi ve FT-IR spektroskopisi yöntemiyle, ısıl özellikleri DSC yöntemiyle karakterize edildi. DSC analizleri yapıca kararlı PEG/PMMA karıĢımının 58,07 ºC eridiği, 29,28 ºC katılaĢtığı ve bu karıĢımın 121,24 J/g erime gizli ısısına ve 108,3 J/g katılaĢma gizli ısısına sahip olduğunu gösterdi. Yapıca kararlı bu faz değiĢim maddelerinin ısıl özellikleri binalarda alan ısıtma da pasif yolla güneĢ enerjisinden gizli ısıl ısı enerjisi depolama uygulamaları için büyük potansiyele sahiptirler. Ayrıca ardıĢık olarak gerçekleĢtirilen ısıl döngü testleri ile yapıca kararlı PEG/PMMA karıĢımının iyi bir ısıl güvenilirliğe ve kimyasal kararlılığa sahip olduğu gözlenmiĢtir.
Sarı (2004); bu çalıĢmada yapıca kararlı parafin /HDPE kompozitleri hazırlandı. Katı-sıvı faz değiĢim maddelerinin ısıl enerji depolaması için ısıl özellikleri incelendi. Böyle bir kompozitde parafin bir gizli ısı depolama maddesi olarak görev alırken HDPE ise destekleyici madde olarak iĢlev göstermektedir. HDPE‟nin güçlü yapısı eriyik haldeki parafinden herhangi bir sızıntı olmasını engeller. Bu nedenle yapıca kararlı kompozit faz değiĢim maddeleri olarak adlandırılırlar. Bu çalıĢmada erime sıcaklıkları 42-44ºC ve 56-58ºC, gizli ısıları 192,8 J/g olan iki tür parafin kullanıldı. Kompozitlerde eriyik halde bulunan parafinden sızıntı gözlenmedi ve kompozitteki maksimum kütlece oranı %77
olarak bulundu. Katı HDPE‟nin örgü yapısı dağınık olarak bulunan parafin SEM ile incelendi. Yapıca kararlı P1/HDPE ve P2/HDPE kompozit faz değiĢim maddelerinin erime sıcaklıkları ve gizli ısıları sırasıyla 37,8 -55,7ºC, 147,6-162,5 J/g olarak DSC tekniğiyle ölçüldü. Bununla birlikte hazırlanan kompozit FDM‟lerin ısıl iletkenliğini artırmak için içerisine kütlece %3 oranında geniĢletilmiĢ parafin katılmıĢtır. Böylece P1/HDPE kompozitinin ısıl iletkenliği yaklaĢık %14 P2/HDPE kompozitinin ise %24 oranında artırılmıĢtır. Sonuç olarak bu çalıĢmada Parafin/HDPE karıĢımlarının tatmin edici ısıl özellikleri ve iyileĢtirilmiĢ ısıl özelliğinden dolayı ısıl enerji depolamak için büyük potansiyele sahip olduğunu göstermiĢtir. Ayrıca bu çalıĢmada grafit ilave edilmiĢ kompozit FDM‟lerinin parafin içerisinde ısı transferinin zengin olduğu ve herhangi bir depolama gerektirmediği için düĢük maliyetli gizli ısı depolama malzemeleri olarak düĢünülebileceği rapor edildi.
Sarı ve ark.(2005); Bu makalede ısı enerjisi depolamak için yapıca kararlı faz değiĢim maddeleri, polivinil alkol-steraik asit ve polivinilklorid-steraik asit karıĢımlarının ısıl özellikleri tayin edildi. Destekleyici maddelerin (PVA ve PVC ) güçlü yapısı eriyik haldeki steraik asitin sızıntısını engellemiĢtir. Steraik asit karıĢımda katı-sıvı faz değiĢimine uğrarken gizli ısı depolama fonksiyonu gösterir. Bu nedenle bu tür karıĢımlar yapıca kararlı faz değiĢim maddeleri olarak pasif güneĢ enerjisini kapsülleme olmaksızın ısıl enerji depolama uygulamalarında kullanılabilir. Eriyik halde herhangi bir sızıntı olmaksızın kompozitteki SA „in kütlece oranı %50 bulundu. Katı polimer matrisinin örgü ağı içinde dağılmıĢ SA optik mikroskop kullanılarak incelendi. PVC ve PVA ile SA‟in karıĢabilirliği FT-IR spektroskopisi metoduyla tespit edildi. Ayrıca yapıca kararlı PVA-SA ve PVC-SA karıĢımlarının kütlece kombinasyonları %50 wt polimer/%50 wt SA‟dır. Erime sıcaklıkları gizli ısıları sırasıyla 67,4ºC -64,7ºC ve 132,68 J/g -129,3 J/g olarak DSC tekniğiyle ölçüldü. Polimer-steraik asit karıĢımı yapıca kararlı kompozit faz değiĢim maddelerinin ısıl özellikleri ve maliyet bakımından tatmin edici olması ve bina ısıtma uygulamaları için büyük potansiyele sahiptirler.
Wang ve ark.(2007); bu çalıĢmanın esası katı-sıvı faz değiĢim maddesi olarak yapıca kararlı PEG/SiO2 kompozitleir hazırlamak ve karakterize etmektir. Bu yeni malzemede PEG gizli ısı depoalma maddesi ve silisyum dioksit destek maddesi oalrak görev alır Silisyum dioksitin güçlü yapısı eriyik haldeki PEG sızıntısını engeller. Sonuçlar SiO2 yüzdesinin %15 den daha yüksek olduğu zaman kompozitin katı halini koruduğunu gösterdi. Elektron taramalı mikroskop kullanılarak faz değiĢim maddesi kompozitte katı silikondioksit ağı içerisinde dağılmıĢ PEG incelendi. Faz değiĢim maddesinin gözenekli yapısı FT-IR spektroskopisi kullanılarak karakterize edilmiĢtir. Polarize optik mikroskop ve dinamik termomekanik analiz ile geçiĢ süreçleri gözlendi. Yapıca kararlı PEG/SiO2 kompozit faz değiĢim maddelerinin erime sıcaklığı ve gizli ısısı DSC kullanılarak belirlendi.
Cai ve ark., (2007); parafin çok arzu edilen özellikleri ile önemli bir ısı enerjisi depolama malzemelerinden biridir. DüĢük termal kararlılık ve alevlenebilme özelliği vardır. HDPE-EVA/OMT nanokompoziti ve parafinden çift vidalı ekstrüzyon tekniği kullanılarak yeni yapıca kararlı faz değiĢim maddeleri hazırlandı. Yapıca kararlı faz değiĢim maddesi HDPE-EVA/OMT nanokompozitinin yapısı X-ray difraksiyonu (XRD), elektron geçiĢ mikroskopu (TEM)ve elektron taramalı mikroskop (SEM) ile incelendi. XRD ve TEM sonuçları HDPE-EVA/OMT nanokompozitinin düzenli yapıda olduğunu gösterdi. Bu yapıca kararlı faz değiĢim maddesi parafin HDPE-EVA/OMT nanokompoziti içerisinde dağınık halde bulunur ve HDPE-EVA/OMT nanokompoziti destek malzemesi olarak görev yapar. Termal kararlılık, gizli ısı ve alevlenme özellikleri sırasıyla TGA, FT-IR, DSC ve Cone kalorimetresiyle analiz edilmiĢtir. TGA ve Dinamik FT-IR analizleri sonuçlari faz değiĢim maddesi içerisine uygun miktarda OMT katılması ısıl kararlılıkta artıĢ olduğunu göstermektedir. DSC sonuçları yapıca kararlı faz değiĢim maddesinin gizli ısısında belli bir ölçüde düĢüĢ olduğunu gösterdi. Cone kalorimetresi yapıca kararlı faz değiĢim maddesine OMT eklendikçe ısı salınım hızı dikkat çekici Ģekilde azalmakta olduğunu gösterir. Bu sonuç iyileĢtirilmiĢ alevlenme özelliğini de desteklemektedir.
Chen ve ark., (2008); bu çalıĢmada polietilenglikol /selülozasetat(CA) kompozit ultrafilm elyaflar elektrospin yöntemiyle hazırlandı. Kompozitlerin su direncinin ve ısıl kararlılığını artırmak için elyaflar toluen2,4diizosiyanat kullanılarak birbirlerine çapraz bağlandı. Çapraz bağlı elyafların morfolojileri ve ısıl özellikleri SEM, DSC ve TG analizleri ile incelendi. Sonuçlar hazırlanan elyafların su içersinde 24 saat bekletilmelerine rağmen elyaf morfolojilerini oldukça iyi muhafaza ettiklerini gösterdi. Elyaflar arasındaki çapraz bağlanma ısıl kararlılığı arttırdığı fakat orijinal elyaflarla mukayese edildiği zaman enerji depolama kapasitelerini bir miktar azalltığı belirlendi.
Peng ve ark., (2003); Bu makalede bir grup termal enerji depolama kompozitleri elealınıp yapısal fonksiyonları incelendi. Bisfenol-A epoksi ve stiren-etilen-bütülenstiren (SEBS) polimer matrisler içerisinde düĢükerime sıcaklığına sahip parfin kapsüle edildi. Mükemmel kimyasal ve mekanik özelliklere sahip oldukları için bisfenol-A epoksi ve stiren-etilen-bütülenstiren (SEBS) polimerleri matris malzemeler olarak seçildi. Bu malzemlerin örgü yapısı içinde parafin kapsüllendi. Parafin bu örgü içerisinde katı-sıvı faz değiĢimine uğrarken enerji depolanma fonksiyonu gösterir. Ele geçen kompozit yapıca kararlı özellik sergilemiĢtir. Bu esnada polimer matris yapısal fonksiyon özelliği göstermiĢtir. Hazırlanan kompozitlerin gizli ısıl iletkenliği, kontak iletkenliği ve morfolojisi ölçüldü.
Song ve ark., (2009); parafin önemli ısı depolama maddelerinden biri olarak yüksek ısıl ayrıĢma, değiĢken faz değiĢim sıcaklığı, kendi kendine çekirdeklenme, faz ayrılmaması göstermeme ve düĢük maliyet gibi istenilen karakteristiklere sahiptir. Fakat düĢük ısıl kararlılık ve yanıcı olması büyük dezavantajdır. Bu çalıĢmada EPDM esaslı (destek materyali) parafin (dağınık faz değiĢim maddesi) nano yapıda magnezyum hidroksit (nano-MH) ve kırmızı fosfor(RP)ile değiĢik bileĢimlere sahip yapıca kararlı faz değiĢim maddeleri hazırlandı. Kendi kendine sentezlenmiĢ nano-magnesyum hidroksit x-ray difraksiyonu ve TEM analizleri ile kolayca karakterize edilebilen bir tür lamelar yapıya sahiptir. Yapıca kararlı faz değiĢim maddeleri karıĢımlarının morfolojisi, ısıl kararlılık, gizli ısısı ve yanmayı geciktirici özellikleri sırasıyla SEM, TGA, DSC ve LOI testleri yapıldı. SEM ve DSC sonuçları eklenen nano-magnezyumhidroksit ve kırmızı fosfor EPDM
/parafin kompozitinin gizli ısı ve üç boyutlu ağ yapısı üzerine negatif olmadığını göstermiĢtir. TGA eğrileri nano-MH ilavesinin yapıca kararlı faz değiĢim maddelerinin ısıl kararlılığını güçlendirdiğini 700°C deki yanma sonucu oluĢan kalıntı miktarındaki artıĢ ve dolayısıyla alev almama özelliğini iyileĢtirmeyi sağladı.
Alkan ve ark., (2006); çalıĢmalarında polietilen glikol(PEG) polimetilmekakrilat(PMMA) gibi akrilik polimerler Eudragid (EudS, EudE) ile yapıca kararlı faz değiĢim maddeleri karıĢımları hazırlandı. Optik mikroskop, spektroskopy ve viskozite tekniğiyle karakterize edildi. Gizli ısıl ısı depolama özellikleri DSC tekniğiyle ölçüldü. Yapıca kararlı karıĢımlar, PEG de faz değiĢim-gizli ısıl ısı enerjisi depolama maddesi olarak akrilik polimerler adhezyon özelliğinden dolayı destek maddesi olarak kullanılabilirler. PEG‟in karıĢımdaki oranı kütlece %80‟dir. Polietilenglikolün 100 ısıtma-soğutma döngüsünden sonra sızdırma olmadığı gözlenmiĢtir. Optik mikroskop incelemelerinde zincir Ģeklindeki yapılardan ziyade PEG in akrilik polimer matrisi içersinde kendi kendine dağıldığı gözlendi. KarıĢımı oluĢturan bileĢimler arasındaki etkileĢim FT-IR spektroskopisi, viskozimetre tekniğiyle analiz edildi. Temel Gizli ısıl ısı enerjisi depolama özellikleri DSC ile belirlendi. DSC sonuçları PEG/PMMA, PEG/EudS ve PEG/EudE karıĢımları yapıca kararlı faz değiĢim maddelerinin gizli ısıl ısı enerjisi depolama uygulamaları için kullanıĢlı ve ısıl özelliklerinin tatmin edici olduğunu göstermiĢtir. Bu yüzden gizli ısıl ısı enerji depolama sistemleri içerisine bu yapıca kararlı faz değiĢim maddelerinin entegre edilmesiyle oluĢacak yeni sistemin binalarda yüzey ısıtma amaçlı güneĢ enerjisinin günlük depolanabilmesinde direkt kullanabilme avantajına sahip olacaktır.
Sarı ve ark., (2006); gizli ısı depolama uygulamaları için faz değiĢim maddeleri olan laurik, palmitik mistirik ve steraik gibi yağ asitleri gelecek vaat etmektedir. Ancak gizli ısıl ısı enerjisi depolama uygulamaları için yapıca kararlı faz değiĢim maddeleri olarak yağ asitlerinin kullanımı maliyeti azalttığından dolayı pratik uygulamalardaki potansiyelini arttırmaktadır. Bu bağlamda bir seri (SMA: stren malaeik anhidrit) SMA /yağ asiti kompozitleri olarak SMA/SA, SMA/PA, SMA/MA, SMA/LA yapıca kararlı faz değiĢim maddeleri olarak hazırlandı. Bu kompozitler içerisinde SMA destek maddesi olarak
kullanıldı. Yağ asitlerinin kapsüllenme oranı kütlece %85 wt.dir. Kompozitte bu orandaki yağ asitleri erime sıcaklığının üzerine kadar ısıtılmasına rağmen herhangi bir sızıntının olmadığı gözlendi. Hazırlanan yapıca kararlı kompozit faz değiĢim maddeleri optik mikroskopi (OM), viskozimetre, FT-IR spektroskopisi metodu ile karakterize edildi. Sonuçlar SMA‟nın fiziksel ve kimyasal özelliklerinin yağ asitleri ile uyumlu olduğunu gösterdi. Buna ek olarak yapıca kararlı faz değiĢim maddelerinin ısıl özellikleri, erime- katılaĢma sıcaklığı ve gizli ısısı gibi ısıl özellikleri DSC tekniğiyle ölçüldü. Sonuçlar; onların iyi ısıl özellikleri olduğunu gösterdi. Tüm sonuçları esas alarak SMA/yağ asiti yapıca kararlı kompozit faz değiĢim maddelerinin gizili ısıl ısı enerjisi depolama uygulamaları için önemli bir potansiyele sahip olduğu sonucuna varıldı. Binalarda zemin ısıtma ve binaların pasif yolla güneĢ enerjisi ile ısıtılması gibi pratik gizli ısıl ısı enerjisi depolama uygulamaları için önemli potansiyele sahip oldukları sonucuna varıldı. Bu maddeler binalarda alçı sunta veya diğer kaplama içerisine katılarak istenilen boyutlarda ve tatmin edici ısıl özelliklere sahip ek bir kapsülleme malzemesi gerektirmeyen bina yapı malzemelerinin üretiminde rahatlıkla kullanılabilirler.
Sarı ve Kaygusuz (2007); bu makalede ısıl enerji depolamak için katı-sıvı faz değiĢim özelliğiyle yapıca kararlı faz değiĢim maddesi olarak parafin/HDPE kompozitleri hazırlandı ve fiziksel özellikleri incelendi. Parafin/HDPE kompozitinde yüksek yoğunluklu polietilen içerisinde dağınık halde bulunan parafin gizli ısı depolama maddesi olarak görev yapar. Destekleyici maddenin (HDPE) yapısal direncinden dolayı sızmasını engeller. Bu nedenle yapıca kararlı olan bu tür kompozitler enerji depolamak için kapsülleme olmadan faz değiĢim maddeleri olarak kullanılabilirler. Bu çalıĢmada erime sıcaklıkları 48-50 ºC ve 63-65 ºC olan iki parafin kullanıldı. ErimiĢ halde herhangi bir sızıntı olamaksızın parafinin kompozitteki kütle oranı %76 olarak bulundu. Katı yüksek yoğunluklu polietilenin örgü yapısı içerisinde parafinin dağılımı SEM kullanılarak incelendi. Yapıca karalı P1/HDPE veP2/HDPE kompozit faz değiĢim maddelerinin erime sıcaklıkları ve gizli ısıları sırasıyla 44,32 ºC, 61,66 ºC ve 179,63J/g, 198,14J/g olarak DSC tekniğiyle ölçüldü. Bununla birlikte kompozitler içerisine 3% oranında geliĢtirilmiĢ grafit katılarak faz değiĢim maddelerinin ısıl iletkenliği P1/HDPE yaklaĢık olarak %33,3 P2/HDPE için 52,3 kadar arttırıldı.
Sonuçlar bu hazırlanan yapıca kararlı FDM‟lerin tatmin edici ısıl özellikleri ve parafin içerisindeki ısı transferini geliĢtirmek için herhangi bir kapsülleme gerekmediğinden maliyet bakımından da gizli ısıl ısı enerjisi depolama uygulamaları için büyük öneme sahip olduklarını gösterdi.
Inaba ve Tu (1997); yaptıkları çalıĢmada yeni tip gizli ısı depolama maddesi olarak Ģekilce-kararlı yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE)/parafin kompozit karıĢımının ısıl özelliklerini ve bu özelliklerin ölçüm metotlarını incelediler. Kompozit karıĢımın ısıl iletkenliğini, gizli ısısını, spesifik (özgül) ısısını ve yoğunluğunu ölçmek için sırasıyla sıcak tel metodu (hot-wire), DSC metodu, su kalorimetresi ve hacim geniĢlemesi ölçer kullanarak ölçtüler ve söz konusu ısıl-fiziksel özellikler ile sıcaklık arasında bir iliĢki olduğunu ortaya çıkardılar. Sonuç olarak ısıl-fiziksel özelliklerin sıcaklığa bağlılığının katı hal, sıvı hal ve katı-sıvı geçiĢ halinin her biri için farklı olduğu sonucuna vardılar.
Xiao ve ark., (2002); yaptıkları çalıĢmada termoplastik bir elastomer poli (stiren-bütadien-stiren) ile parafini karıĢtırarak sıcaklığın parafinin erime sıcaklığının üzerine çıkılması halinde bile katı haldeki Ģeklini koruyan Ģekilce kararlı kompozit FDM‟leri hazırladılar. ġekilce kararlı yapıdaki bu kompozit FDM‟lerin parafin ile aynı faz değiĢim karakteristikleri gösterdiklerini ve erime gizli ısısının parafinin gizli ısısının %80‟i kadar olduğunu belirlediler. ġekilce kararlı yapıdaki kompozit FDM‟nin ısıl iletkenliğinin yüzeyi geniĢletilmiĢ grafit (YGG) ilave edilerek önemli derecede arttığını belirlediler. Kompozitin (P(80)/S(20)/YGG(3)) tamamen katılaĢma ve tamamen erime sürelerinin sırasıyla parafininkinin 2/3 ve 2/5‟ i kadar olduğunu gözlediler.
Alkan ve ark., (2008); yaptıkları çalıĢmada enerji depolama amaçlı yapıca kararlı bir seri yağ asidi/poli(metil metakrilat) (PMMA) kompozitleri hazırladılar. Kompozitlerde enerji depolama maddesi olarak laurik asit (LA), miristik asit (MA), palmitik asit (PA) ve stearik asit (SA) destek maddesi olarak PMMA kullanıldı. Kompozitler içerisinde ilgili yağ asidini erimiĢ halde sızdırmadan tutan kompozitin maksimum oranı kütlece % 80 oranında yağ asidi içeren karıĢımların olduğunu belirlediler. Yapıca kararlı özelliğe sahip kompozitleri
optik mikroskop, FT-IR spektroskopisi ve DSC analiz metotlarıyla karakterize ettiler. Elde ettikleri sonuçlara dayanarak hazırladıkları yapıca kararlı kompozit FDM‟lerin bazı pratik gizli ısı depolama uygulamaları için ümit verici oldukları sonucuna vardılar.
Zhang ve ark., (2010); bir dizi aromatik aldehit sorbitol, mannitol, ksitol ve pentaeritrol gibi poliollerle polyolasetal türevleri kondenzasyon reaksiyonlarıyla sentezlenmiĢlerdir. Jelatin yapıdaki yapıca kararlı faz değiĢim maddesi 1,3:2,4-di-(4-metil)benzilsorbitol (MDBS) incelendiğinde mükemmel bir ısıl kararlılık sergilemiĢtir.parafin katkısıyla elde edilen jelatin FDM‟lerin üçboyutlu net yapısı elde edilmiĢtir.Parafinin erime noktasının üzerinde bir sıcaklıkta bile sızıntı olmamıĢtır. Kütlece %3 geniĢletilmiĢ grafit (EG) katkılı FDM‟leri daha iyi termal iletkenlik, benzer faz değiĢim sıcaklığı ve ısı depolama yoğunluğu göstermiĢtir.
ġentürk ve ark., (2010); bu çalıĢmada gizli ısı enerjisi depolama için yapıca kararlı FDM‟ler olarak PEG/selüloz, PEG/agoroz ve PEG/kitosan karıĢımları hazırlandı ve karakterize edildi. Kütlece %60/40 PEG/selüloz, %70/30 PEG/agoroz ve %80/20 PEG/kitosan oranlarıyla maksimum PEG içeriği elde edildi. Erime noktasının üzerinde ısıtıldıklarında bir sızıntı görünmemiĢtir. Üretilen yapıca kararlı FDM‟ler FT-IR spektroskopisi, Polarize POM ve DSC teknikleri ile karakterize edilmiĢtir. DSC analizi ile yapıca kararlı PEG/selüloz, PEG/agoroz ve PEG/kitosan karıĢımlarının erime sıcaklıkları 58,51°C, 57,73°C ve 57,18°C ile gizli ısıları 84,63J/g, 110,87J/g ve 152,16J/g ölçüldü. KarıĢımlar sırasıyla 37,05°C, 43,36°C ve 44,76°C ile -78,92J/g, -99,01J/g ve -138,39J/g kristalleĢirler. Ayrıca Ģekilce kararlı karıĢımların ısıl güvenilirliği ve kimyasal kararlılığını bulmak için hızlandırılmıĢ ısıl döngü testleri uygulanmıĢtır.
4. MATERYAL ve YÖNTEM
4.1. Deneysel ÇalıĢmalarda Kullanılan Kimyasal Maddeler
Deneyde polimer/yağ asidi kompozit karıĢımlarının hazırlanması için yağ asidi olarak; kaprik asit (KA), laurik asit (LA), miristik asit (MA) ve palmitik asit (PA), polimer olarak; polietil metakrilat (PEMA) kullanıldı. ÇalıĢmada kullanılan yağ asitleri Merck firmasından, polimerler ise Aldrich firmasından temin edildi. FDM olarak kullanılan yağ asitlerinin kimyasal formülleri ve DSC analiziyle belirlenen ısıl-fiziksel özellikleri Çizelge 4.1‟de, kullanılan polimerlerin kimyasal formülleri ve bazı özellikleri Çizelge 4.2‟de verilmiĢtir. Ayrıca, deneylerde polimer ve yağ asitlerini çözmek için Merck firmasından temin edilen analitik saflıkta toluen kullanılmıĢtır.
Çizelge 4.1. ÇalıĢmada kullanılan yağ asitleri ve ısıl-fiziksel özellikleri. Yağ Asidi Erime sıcaklığı
(oC)
Erime gizli
Isısı (kJ/kg) Kimyasal formülleri
Kaprik asit (KA) 31-33 172.40 CH3(CH2)8COOH
Laurik asit (LA) 42-44 178.74 CH3(CH2)10COOH
Miristik asit(MA) 51-53 196.04 CH3(CH2)12COOH
Palmitik asit (PA) 61-64 217.45 CH3(CH2)14COOH
Çizelge 4.2. ÇalıĢmada kullanılan polimerler ve bazı özellikleri.
Polimer Camsı geçiĢ sıcaklığı Kimyasal yapısı
