Su İle Isıl Enerji Depolanmasında Sıcaklık Tabakalaşmasının Sayısal Ve Deneysel Olarak Araştırılması

(1)

ÖNS ÖZ

ÇalıĢ mal arı m süresi nce bana yön göst eren, dest ek ve cesaret veren, deney düzeneği ni n t asarı mında ve kur ul ması nda maddi-ma nevi hi çbir konuda yardı mları nı esirge meyen hoca m Prof. Dr. Necdet ALTUNTOP’ a ve hocal arı m Pr of. Dr. Abdurrahman KI LI Ç’a, Yr d. Doç. Dr. Ġ. Nec mi KAPTAN’ a bil gi ve biri kiml eri ni t ez çalıĢ ma m boyunca esirge meyerek beni yönl endirdi kl eri i çi n en i çt en t eĢekkürl eri mi sunarı m.

Tezi n sayı sal kı s mı il e i l gili Fl uent paket pr ogr amı nı öğr en me aĢa ması nda bil gi ve biri ki mini esirge meyerek beni yönl endiren değerli hocal arı m Yr d. Doç. Dr. Er han BÖKE ve Pr of. Dr. Seyhan Uygur ONBAġI OĞLU’ na; t ezi n deneysel çalıĢ ma kı s mı nda gerekli maddi dest eği ni esirge meyen Sayı n Pr of. Dr. Recep KI LI K’a; t ezi n yazıl ması ve düzenl enmesi nde sürekli dest ek veren Meh met UĞURLU’ ya; _t ez çalıĢ ma m süresi nce, destekl eri ni esirge meyen Ma k. Yük. Müh. Abdull ah DOĞAN’ a ve t ezi mle il gili deney düzeneği ni n kur ul ması nda baĢt a Tekni syen Fi kret AKYOL ol mak üzere, Ra mazan AKCELEP, FĠ DAN KAZAN A. ġ ve OMAD I SI YAPI A. ġ.’ye teĢekkür ederi m.

Beni yetiĢtiri p bu t opl u ma kazandıran ve sabırl a ma ddi ve manevi dest ekleri ni hi çbir za man esirge meyen anneme ve baba ma en içten Ģükranl arı mı sunarı m.

(2)

Ġ ÇĠ NDEKĠ LER

KI SALT MALAR v

ġEKĠ L LĠ STESĠ vi

SE MBOL LĠ STESĠ xiii

ÖZET xv

SUMMARY xvi

1. GĠ RĠ ġ 1

1. 1. Tez ÇalıĢ ması nı n Amacı 2

1. 2. Sı caklı k Tabakal aĢ ması 3

1. 3. Hissedilir Isı Depol an ması 4

1. 4. Su ile Isıl Enerji Depol anması 5

1. 5. Sı cak Su Depol a ma Tankı nı n Seçi mi ve Ġzol asyonu 6

2. KAYNAK ARAġTI RMASI 8

2. 1. Kaynak AraĢtır masını n Sonuçl arı ve Yapıl an ÇalıĢ ma 23

3. SAYI SAL ÇALI ġ MA 26

3. 1. Fi zi ksel Modeli n Tanı ml an ması 26

3. 1. 1 Te mel denkl e ml er 28

3. 1. 2. Sı nır Ģartları 30

3. 1. 3. Boyut anali zi 31

3. 2. Sayısal Çözü m Yönt e mi 34

3. 2. 1. FLUENT paket progra mı 35

3. 2. 1. 1. Ayrı kl aĢtır ma iĢle mi 35

3. 2. 2. FLUENT iĢleti m sist e mi 40

3. 2. 2. 1. Probl e mi n çözüm aĢa mal arı 41

3. 2. 2. 2. Yakı nsa ma kriterleri 42

3. 3. Sayısal Yönt e mle Yapılan ÇalıĢ mada Kull anılan ġartları n Belirlenmesi 42

3. 3. 1. Sı nır Ģartları nı n belirlenmesi 43

3. 3. 3. Fi zi ksel özelli kl erin belirlenmesi 44

4. DENEYSEL ÇALI ġMA 45

4. 1. Deney Düzeneği 45

4. 1. 1. Sı cak su depol a ma tankı 47

4. 1. 2. Isıt ma tankı 48

4. 1. 3. El ektri k hattı paneli 49

4. 1. 4. Su sevi yesi kontr ol sist e mi 49

(3)

4. 1. 6. Yar dı mcı el e manl arı n siste me bağl anması ve fonksi yonl arı 51

4. 1. 7. Veri t opl a ma ünitesi 52

5. SAYI SAL VE DENEYSEL SONUÇLARI N ĠRDELENMESĠ 54

5. 1. Sayısal Sonuçl arı n Kaynakt an Gel en Sonuçl ar Ġle karĢılaĢtırıl ması 55 5. 2. Farklı Ri chardson Sayıl arı nda El de Edil en Sonuçl ar 56

5. 3. Engel si z Tank Ġçi n El de Edil en Sonuçl ar 60

5. 4. Engelli Tank Ġçi n Elde Edil en Sonuçl ar 61

5. 4. 1. g/ D=0. 1 içi n el de edil en sonuçl ar 62

5. 4. 5. g/ D=0. 5 içi n içi n el de edilen sonuçl ar 75

5. 5. Engelli ve Engel si z Tank Ġçi n El de Edil en Sonuçl arı n Değerl endiril mesi 79 5. 6. Farklı Eksenel nokt alar Ġçi n El de Edil en Sonuçl ar 82 5. 6. 1. Engel si z t ank i çi n el de edil en sonuçl ar 82

5. 7. Farklı Eksenel nokt alar Ġçi n El de Edil en Sonuçl arı n Değerl endiril mesi 88

6. SONUÇLAR 90 KAYNAKLAR 94 EKLER 98 EK A: 99 EK B: 130 EK C: 138 EK D: 146 EK E: 157 EK F: 167 EK G: 178 EK H: 188 EK I: 192 EK J: 205 ÖZGEÇMĠ ġ 210

(4)

KI SALT MALAR

ADI : Alt er nati ve Directi on Impl i cit D MM : Displ ace ment Mixi ng Mo del FCTR : Fi xed Coll ect or Te mperat ure Ri se MI X : Mıxt ure

PROTANK : Pr ot oti p Tank

SCOT : Specifi ed Coll ect or Out let Te mper at ure

SI MPLE : Se mi-I mpli cit Met hod for Pressure- Li nked Equat i ons THES TA : Ther mal St orage Tank Co mput er Pr ogr a mme

T MM : Tur bul ent Mi xi ng Model

(5)

ġEKĠ L LĠ STESĠ

Sayf a No

ġekil 3. 1 : Sı cak su t ankı nı n kesit gör ünüĢü ve fi zi ksel büyükl ükl eri ... 27

ġekil 3. 2 : Çalı Ģ mada kull anıl an çözü m al anı nı n Ģe mati k gör ünüĢü ... 30

ġekil 3. 3 Ağ sı klı ğı nı n T3 ve T1 sı caklı kl arı na et ki si ... 36

ġekil 3. 4 Çözü m böl gesi içi n üretilmi Ģ homoj en ol mayan ağ yapısı ... 37

ġekil 3. 5 : Ko mĢ u hücrel er ve t ek hücre ... 38

ġekil 4. 1 : De ney düzeneği ni n perspektif gör ünüĢü 1 ... 46

ġekil 4. 2 : De ney düzeneği ni n perspektif gör ünüĢü 2 ... 46

ġekil 5. 1 : Sili ndiri k t ank i çerisi nde di key sı caklı k dağılı mları ... 56

ġekil 5. 2 : t*=720’ de sıcaklı k ve sıcaklı k farkı dağılı mları ... 58

ġekil 5. 3 : Ri = 0. 96’ da sı caklı k ve sıcaklı k far kı dağılı mları ... 58

ġekil 5. 4 : Eksenel nokt al ar daki boyut suz sı caklı k değerl erini n ri charson sayıl arı na göre grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 60

ġekil 5. 5 : Engel si z t ank i çerisi nde sıcaklı k dağılı mları ... 61

ġekil 5. 6 : Engel si z t ank i çerisi nde sıcaklı k far kı dağılı mları ... 61

ġekil 5. 7 : g/ D=0. 1 ve f/ H=0. 133 oranl arı nda sı caklı k dağılıml arı ... 62

ġekil 5. 8 : g/ D=0. 1 ve f/ H=0. 133 oranl arı nda sı caklı k far kı dağılı mları ... 62

ġekil 5. 9 : * t =720 ve g/ D=0. 1 oranl arında sı caklı k dağılı mları ... 64

ġekil 5. 10 : * t =720 ve g/ D= 0. 1 oranl arı nda sı caklı k far kı dağılıml arı ... 64

ġekil 5. 14 : * t =720 ve g/ D=0. 2 oranl arında sı caklı k far kı dağılıml arı ... 67

ġekil 5. 27 : g/ D=0. 2 ve f/ H=0. 133 or anl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k değerl eri ni n gör ünü mü ... 81

ġekil 5. 28 : Engel si z t ank i çerisi ndeki sı caklı k değerl eri nin gr afi k bar üzeri nde dağılı mı ... 82

ġekil 5. 29 : g/ D=0. 1 ve f/ H=0. 133 or anl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k değerl eri ni n grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 83

(6)

ġekil 5. 30 : g/ D=0. 2 ve f/ H=0. 133 or anl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k değerl eri ni n grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 84 ġekil 5. 31 : g/ D=0. 3 ve f/ H=0. 133 or anl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k

değerl eri ni n grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 85 ġekil 5. 32 : g/ D=0. 4 ve f/ H=0. 133 or anl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k

değerl eri ni n grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 87 ġekil 5. 33 : g/ D=0. 5 ve f/ H=0. 133 or anl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k

değerl eri ni n grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 88 ġekil A.1 : z-r düzl e mi nde engel si z t ank i çerisi ndeki sı caklı k

değerl eri ni n gör ünü mü ... 100 ġekil A.2 : g/ D=0. 1 ve f/ H=0. 067 or anl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k

değerl eri ni n gör ünü mü ... 102 ġekil A.4 : g/ D=0. 1 ve f/ H=0. 2 oranl arı nda t ank i çerisi ndeki sı caklı k

değerl eri ni n gör ünü mü ... 107 ġekil A.9 : g/ D=0. 2 ve f/ H=0. 2 oranl arı nda t ank i çerisi ndeki sı caklı k

değerl eri ni n gör ünü mü ... 108 ġekil A.10 : g/ D=0. 2 ve f/ H=0. 27 oranl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k

değerl eri ni n gör ünü mü ... 112 ġekil A.14 : g/ D=0. 3 ve f/ H=0. 2 oranl arı nda t ank i çerisi ndeki sı caklı k

değerl eri ni n gör ünü mü ... 117 ġekil A.19 : g/ D=0. 4 ve f/ H=0. 2 oranl arı nda t ank i çerisi ndeki sı caklı k

(7)

ġekil A.22 : g/ D=0. 5 ve f/ H=0. 067 oranl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k

değerl eri ni n gör ünü mü ... 121

ġekil A.23 : g/ D=0. 5 ve f/ H=0. 133 oranl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k değerl eri ni n gör ünü mü ... 122

ġekil A.24 : g/ D=0. 5 ve f/ H=0. 2 oranl arı nda t ank i çerisi ndeki sı caklı k değerl eri ni n gör ünü mü ... 123

ġekil A.25 : g/ D=0. 5 ve f/ H=0. 27 oranl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k değerl eri ni n gör ünü mü ... 124

ġekil A.26 : Ri =0. 35’ deki sı caklı k değerl eri ni n g/ D=0. 2 ve f/ H=0. 133 or anl arı ndaki t ank i çerisindeki gör ünü mü ... 125

ġekil B. 1 : g/ D=0. 1 ve f/ H=0. 067 oranl arı nda sı caklı k dağılıml arı ... 131

ġekil B. 2 : g/ D=0. 1 ve f/ H=0. 2 oranları nda sı caklı k dağılı mları ... 131

ġekil B. 3 : g/ D=0. 1 ve f/ H=0. 27 oranl arı nda sı caklı k dağılı mları ... 131

ġekil C.1 : g/ D=0. 1 ve f/ H=0. 067 oranl arı nda sı caklı k far kı dağılı mları ... 139

ġekil C.2 : g/ D=0. 1 ve f/ H=0. 2 oranları nda sı caklı k far kı dağı lı mları ... 139

ġekil C.6 : g/ D=0. 2 ve f/ H=0. 2 oranları nda sı caklı k far kı dağı lı mları ... 140

ġekil C.10 : g/ D=0. 3 ve f/ H=0. 2 oranları nda sıcaklı k farkı dağılı mları ... 142

ġekil C.11 : g/ D=0. 3 ve f/ H=0. 27 oranl arı nda sı caklı k farkı dağılı mları ... 142

(8)

ġekil C.13 : g/ D=0. 4 ve f/ H=0. 067 oranl arı nda sıcaklı k farkı dağılı mları ... 143

ġekil C.17 : g/ D=0. 5 ve f/ H=0. 067 oranl arı nda sıcaklı k dağılıml arı .. …... 144

ġekil D.1 : * t =720 ve f/ H=0. 067 oranında sı caklı k dağılı mları ... …... 147

ġekil D.2 : * t =720 ve f/ H=0. 133 oranında sı caklı k dağılı mları ... 147

ġekil D.3 : * t =720 ve f/ H=0. 2 oranı nda sı caklı k dağılı mları ……….. ... 147

ġekil D.4 : * t =720 ve f/ H=0. 27 oranı nda sı caklı k dağılı mları .. ……. ... 148

ġekil D.5 : * t =720 ve f/ H=0. 33 oranı nda sı caklı k dağılı mları . ……. ... 148

ġekil D.6 : * t =600 ve f/ H=0. 067 oranında sı caklı k dağılı mları …….. ... 148

ġekil D.7 : * t =600 ve f/ H=0. 133 oranında sı caklı k dağılı mları …….. ... 149

ġekil D.8 : * t =600 ve f/ H=0. 2 oranı nda sı caklı k dağılı mları ……….. ... 149

ġekil D.9 : * t =600 ve f/ H=0. 27 oranı nda sı caklı k dağılı mları .. ……. ... 149

ġekil D.10 : * t =600 ve f/ H=0. 33 oranı nda sı caklı k dağılı mları .. ……. ... 150

ġekil D.11 : * t =480 ve f/ H=0. 067 oranında sı caklı k dağılı mları …….. ... 150

ġekil D.13 : * t =480 ve f/ H=0. 2 oranı nda sı caklı k dağılı mları ……….. ... 151

ġekil D.26 : * t =120 ve f/ H=0. 067 oranında sı caklı k dağılı mları .. ……. ... 155

ġekil D.27 : * t =120 ve f/ H=0. 133 oranında sı caklı k dağılı mları .. ……. ... 155

ġekil D.28 : * t =120 ve f/ H=0. 2 oranı nda sı caklı k dağılı mları .. ………... 156

ġekil E. 1 : * t =600 ve g/ D=0. 1 oranı nda sı caklı k dağılı mları ... ……….. ... 158

ġekil E. 2 : * t =600 ve g/ D=0. 2 oranı nda sı caklı k dağılı mları ...……….. ... 158

(9)

ġekil E. 7 : *

t =480 ve g/ D=0. 2 oranı nda sı caklı k dağılı mları ...……….. ... 160 ġekil E. 8 : *

t =120 ve g/ D=0. 5 oranı nda sı caklı k dağılı mları ...……….. ... 166 ġekil F. 1 : *

t =720 ve f/ H=0. 067 oranında sı caklı k far kı dağılıml arı ... 168 ġekil F. 2 : *

t =720 ve f/ H=0. 133 oranında sı caklı k far kı dağılıml arı .... ... 168 ġekil F. 3 : *

t =720 ve f/ H=0. 2 oranı nda sı caklı k far kı dağılı mları ... 168 ġekil F. 4 : *

(10)

ġekil F. 25 : *

t =240 ve f/ H=0. 33 oranı nda sı caklı k far kı dağılı mları ... 176

ġekil F. 26 : * t =120 ve f/ H=0. 067 oranında sı caklı k far kı dağılıml arı ... 176

ġekil F. 27 : * t =120 ve f/ H=0. 133 oranında sı caklı k far kı dağılıml arı ... 176

ġekil F. 28 : * t =120 ve f/ H=0. 2 oranı nda sı caklı k far kı dağılı mları ... 177

ġekil G.1 : * t =600 ve g/ D=0. 1 oranı nda sı caklı k far kı dağılı mları ... 179

ġekil G.10 : * t =480 ve g/ D=0. 5 oranı nda sı caklı k far kı dağılı mları ... 182

ġekil H.1 : t*=600’ de sıcaklı k ve sıcaklı k farkı Dağılı mları ... 189

ġekil H.2 : t*=480’ de sı caklı k ve sı caklı k far kı Dağılı mları ... 189

ġekil H.3 : t*=360’ da sı caklı k ve sı caklı k far kı Dağılı mları ... 189

ġekil H.4 : t*=240’ da sıcaklı k ve sı caklı k far kı Dağılı mları ... 190

ġekil H.5 : t*=120’ de sı caklı k ve sı caklı k far kı Dağılı mları ... 190

ġekil H.6 : Ri = 8. 65’ de sı caklı k ve sıcaklı k far kı dağılı mları ... 190

ġekil H.7 : Ri = 2. 16’ da sı caklı k ve sıcaklı k far kı dağılı mları ... 191

ġekil I. 1 : g/ D=0. 1 ve f/ H=0. 067 or anl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k değerl eri ni n grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 193

ġekil I. 2 : g/ D=0. 2 ve f/ H=0. 067 or anl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k değerl eri ni n grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 193 ġekil I. 3 : g/ D=0. 3 ve f/ H=0. 067 or anl arı nda t ank i çerisindeki sı caklı k

(11)

değerl eri ni n grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 194

ġekil I. 6 : g/ D=0. 1 ve f/ H=0. 2 oranl arı nda t ank i çerisi ndeki sı caklı k değerl eri ni n grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 195

ġekil I. 21 : Ri =8. 65’ de ve g/ D=0. 2, f/ H=0. 067 oranl arı ndaki tank i çerisi nde sı caklı k değerl eri ni n grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 203

ġekil I. 22 : Ri =2. 16’ da ve g/ D=0. 2, f/ H=0. 067 or anl arı ndaki t ank i çeri si nde sı caklı k değerl eri ni n grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 203

ġekil I. 23 : Ri =0. 54’ de ve g/ D=0. 2, f/ H=0. 067 or anl arı ndaki t ank i çeri si nde sı caklı k değerl eri ni n grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 204

ġekil I. 24 : Ri =0. 35’ de ve g/ D=0. 2, f/ H=0. 067 or anl arı ndaki t ank i çeri si nde sı caklı k değerl eri ni n grafi k bar üzeri nde dağılı mı ... 204

ġekil J. 1 : De ney düzeneği ni n perspektif gör ünüĢü 3 ... 206

ġekil J. 2 : De ney düzeneği ni n perspektif gör ünüĢü 4 ... 206

ġekil J. 3 : De ney düzeneği resi m 1 ... 207

(12)

SE MBOL LĠ STESĠ

a : Kat sayı

A : Alan, m2

Cp : Sabit bası nçt a özgül ısı, J/ kg- K

d : Depol a ma t ankı nı n giriĢ-çı kı Ģ kanall arı çapı, m D : Depol a ma t ankı nı n çapı, m

f : Dairesel pl akanı n t ankı n i çi ne eksenel yönde yerleĢtiril me mesafesi g : Dairesel pl akaya açıl an deli ği n çapı, m

Gr : Gr ashoff sayı sı

h : TaĢı nı m fil m kat sayı sı, W/ m2. K H : Depo yüksekli ği, m

I : Ort al a ma anlı k ıĢı nı m mi kt arı, W/m2 k : Isı ileti m kat sayı sı, W/ m. K

m : Kütl esel debi, kg/ s P : Bası nç , kPa Pe : Pecl et sayı sı

Pr : Prandtl sayı sı

P0 : At mosfer bası ncı

Q : TaĢı nı mla ol an ısı akı mı, W r, , z : Sili ndirik kor di natl ar

ri : i fazı nı n haci msel kesri,

R : Depol a ma t ankı nı n yarıçapı, m Re : Reynol ds sayı sı

Ri : Ri char dson sayı sı

S : Genel kaynak t eri mi t : Za man, s

T : Sı caklı k, oC

T0 : ġehir Ģebeke suyu giriĢ sı caklı ğı

Tb : Tankı n i çi ndeki suyun kull anı ma hazır hal deki sıcaklı ğı

T : Sı caklı k far kı

U0 : ġehir Ģebekesi nden gel en soğuk suyun hı zı

U2 : Isıt ma tankı ndan depol ama t ankı na gel en suyun hızı

V : Hız, m/s

Vr : r - yönündeki hı z

V :  - yönündeki hı z Vz : z – yönündeki hı z

α : Isıl yayılı m katsayısı, m2

/s  : Isıl geni Ģl e me kat sayı sı, 1/ K

1 : Sı cak su giriĢ kanalı nı n tankı n üzeri ne ol an yüksekli k mesafesi

2 : Kull anı m suyu çı kı Ģ kanalı nı n t ankı n üzeri ne ol an mesafesi

3 : Soğuk su giriĢ-Ģı kı Ģ kanall arı nı n t ankı n altı na ol an mesafesi

(13)



: Ki ne mati k vi skozit e, m2/s

 : Yoğunl uk, kg/ m3

φ : θ yönündeki açısal değiĢi m mi kt arı, rad.



: Genel bağı mlı deği Ģken

 : Viskoz di si pasyonu

 : Genel difüzyon kat sayısı Al t Ġndi sl er d : Deneysel veril er E : Doğu H : Yüksek i : Faz sayı sı L : DüĢük

n : Ġnt egral alı nan yön

N : Kuzey

P : Mer kez

s : Sayı sal veril er

S : Güney

T : Önceki za man

W : Batı

 : Genel bağı mlı deği Ģken

i

 : i fazı ndaki genel bağı mlı deği Ģken

0 : GiriĢ Ģartı

1 : Depol a ma t ankı ndaki suyun ısıt ma t ankı na gi di Ģ böl gesi

2 : Isıt ma t ankı ndan gel en sı cak suyun depol a ma t ankı na giriĢ böl gesi 3 : Depol a ma t ankı ndan kullanı m suyu al ma böl gesi

4 : Depol a ma t ankı na Ģebeke suyu giriĢi böl gesi

5 : Kull anı ma baĢl a madan önce depol a ma t ankı ndaki sı cak su böl gesi

Üst Ġndi sl er

 : Hız vekt ör ü

(14)

SU Ġ LE ISI L ENERJĠ DEPOLANMASI NDA SI CAKLI K TABAKALAġ MASI NIN SAYI SAL VE DENEYSEL OLARAK

ARAġTI RI LMASI

ÖZET

Bu çalıĢ mada; güneĢ enerjisi il e su ı sıt ma sist eml eri nde ı sıl enerji depola mak i çi n kull anılan sili ndiri k sı cak su depol a ma t ankı i çerisi ne dairesel pl akanı n f/ H ve g/ D oranl arı nda yerl eĢtiril mesi ni n ı sıl t abakal aĢ ma üzeri ne et kisi sayısal ve deneysel ol arak araĢtırıl dı. Burada H ve D sırası il e t ankı n yüksekli ği ve çapı i ken, f, t ankı n taban yüzeyi nden dairesel pl akaya ol an mesafedir. g i se dairesel pl aka üzeri ne açıl an deli ği n çapı dır.

Tank modeli, ort ası na deli k açıl mıĢ dairesel pl akanı n deği Ģi k f/ H ve g/ D oranl arı nda tank i çerisi ne yerl eĢtirilmesi il e di zayn edil di. Depol a ma t ankı nı n i çerisi ne dairesel pl aka yerl eĢtir mek sureti il e t ankı n üst kı s mı ndaki sı cak su il e alt kı s mı ndaki soğuk suyun bi r birl eri il e karıĢ ması önl enerek, ı sıl t abakal aĢ manı n kor un ması sağl andı. ÇalıĢ mada, süreklili k, mo ment um ve enerji eĢitli kl eri üç boyutl u zama na bağlı çözül dü. Sayı sal çalıĢma nı n geçerlili ği deneysel ol arak da i spatl andı. Tank içerisi ndeki sı caklı k dağılı mı, t ankt an sağl anan kull anı m suyunun sı caklı ğı, koll ekt öre gi den s uyun sı caklı ğı ve t ank gi riĢ-çı kıĢları arası ndaki su sı caklı ğı far kl arı; çeĢitli g/ D ve f/ H oranları nda Ģekiller ve grafi kler üzeri nde za mana bağlı ol arak göst eril di.

Sonuçl ar; t ank i çerisine yerl eĢtirilen dairesel pl akanı n ı sıl t abakal aĢ mayı i yileĢtirdi ği ni ve engelsiz t ank dur u muna göre, t ankt an sağl anan kull anı m s uyu sı caklı ğı nı arttırdı ğı nı göst er mekt edir. En i yi ısıl tabakal aĢ ma, dairesel pl akanı n t ank içerisi ne g/ D=0. 2 ve f/ H=0. 133 oranl arı nda yerleĢtiril mesi dur umunda el de edil di.

(15)

NU MERI CAL AND EXPERI MENTAL I NVESTI GATI ON OF TE MPERATURE STRATI FI CATI ON I N THE THER MAL ENERGY

STORAGE WI TH WATER

SUMMARY

In t hi s st udy, effect of f/H and g/ D r ati os of circular pl at e pl aced i n a cylindri cal hot wat er st orage t ank, used f or t her mal ener gy st orage i n wat er heati ng s yst e m wi t h sol ar ener gy, on t her mal stratifi cati on i s i nvesti gated nu meri cal y and experi ment al y. Her e H and D ar e t he hei ght and di a met er of t he t ank, respecti vel y while f i s t he di st ance fr o m t he bott om s urface of t he t ank t o t he circul ar pl at e and g i s al so t he di a met er of t he hol e on the pl at e.

The t ank model i s desi gned by pl aci ng a circul ar pl at e i n t he t ank wit h a hol e i n t he cent er at vari ous f/ H and g/ D r ati os. The circular pl at e pl aced i n t he st or age t ank pr ovi des pr eser vi ng t hermal stratifi cati on by pr eventi ng t o mi x col d water at t he bott om wi t h hot wat er at t he t op of t he t ank. Thi s anal ysi s i s based on unsteady, t hree di mensi onal conti nuit y, mo me nt u m and ener gy equati ons. The nu meri cal st udy i s verifi ed experi ment al y. Te mper at ure di stri buti on i n t he t ank, wat er t emper at ure suppli ed by t he t ank, wat er t e mper at ure goi ng t o coll ect or and wat er t emper at ure differences bet ween t ank outl et and i nl et are shown on t he gr aphi cs and fi gur es f or vari ous f/ H and g/ D rati os and accor di ng t o ti me.

The r esults sho w t hat pl aci ng circul ar pl at e i n t he t ank i mpr oves t her mal stratificati on. Ġt i ncreases t he t e mperat ure of wat er suppli ed by t he t ank compar ed t o no pl at e case. As a r esult, The best t her mal stratificati on i s obt ai ned f or circul ar pl at e pl aced i n t he t ank at g/ D rati o of 0. 2 and an f/ H rati o of 0. 133.

(16)

1. GĠ RĠ ġ

Enerji ni n depol anması mühendi sli ği n öne mli konul arı ndan birisi dir. Depol a ma konusunda bir çok çalıĢmal ar yapıl mıĢtır. Bu çal ıĢ mal ar dan biri de güneĢ enerjisi ni n depol anması dır. GüneĢ enerjisi ni n su ı sıt ma, kur ut ma, da mıt ma ve haci m ı sıt ma uygul a mal arı nda kull anıl ması i çi n, bu enerji nin bir kı s mı depol anarak, güneĢ ol madı ğı günl erde bu depol anan enerji den faydalanılır.

GüneĢ enerjisi za mana bağı mlı enerji dir. GüneĢ ı Ģı nı mı sürekli gel mez. Gecel eri hi ç gel medi ği gi bi gündüzl eri saatlere göre farklılı k göst erir. Havanı n kapalı ol duğu za manl ar da i se güneĢ enerjisi çoğu za man yet erli değil dir. Bununl a ber aber enerji t üketi mi sürekli dir. Tüketilen enerji mi kt arı nı n günün saatleri ne ve ayl ara göre deği Ģi mi azdır. Hatt a, güneĢ ı Ģı nı mını n ol madı ğı veya az ol duğu za manl ar da enerji t üketi mi daha da fazl adır. Depol a ma yapıl madı ğı takdirde, güneĢ enerjisi nden sadece güneĢ ı Ģı nı mını n ol duğu saatl erde faydal anılır ve fazl a enerji atılırken, güneĢ ıĢı nı mını n ol madı ğı zama nl arda yar dı mcı enerji kaynağı ndan faydal anılır. Fazl a enerji ni n depol anması dur umunda yar dı mcı kaynakl ardan çekil en enerji mi kt arı azalır.

Son senel er de, geliĢ miĢ ül kel er de ( Ameri ka Bi rleĢi k Devl etl eri, Ġsrail, Japonya ve Avust ural ya) ve hatta Avr upa Ül kel eri nde, konutl ar i çi n gerekli sı cak suyun bir kı s mı, güneĢ enerjisi ile t e mi n edil mekt edir. Bi rçok Ül kede, sı cak suyun güneĢ enerjisi nden yararlanılarak hazırlanması içi n teĢvikl er veril mekt edir.

GüneĢ enerjili siste mler içerisi nde en yaygı n kull anıl anı ve en ekono mi k ol anı sı cak su depol a ma si st e ml eridir. GüneĢ enerjili si st eml er de sı cak s uyun depol an ması; güneĢ kol ekt örleri, depola ma ünit esi, sirkül asyon po mpal arı ve kontrol si st e mi nden v. b. ol uĢan, bir güneĢ enerjisi depol a ma sist e mi vasıtası ile yapılır[1]. Bu si st e mde depol anan sı cak su, endüstri ve konutl arı n sı cak su i hti yacı nı n karĢılan ması nda kull anılır.

Konutl arda sı cak su t e mini i çi n t üketilen enerji, konut i çi n gerekli enerji nin yüzde 12 si mert ebesi ndedir[1]. Sı cak su t e mi ni i çi n daha zi yade f uel-oil, gaz, odun, kö mür

(17)

veya el ektri k enerjisi kullanıl makt adır. Bazı bi nalarda, sı cak su t e mi ni i çin ayrı bir kazan ( kö mürl ü veya f uel-oil’li) kull anıl makt a, bazı bi nal arda i se i ndirekt sist e m ol arak kazandan alı nan kı zgı n su veya buhar bir ısı değiĢtiricili depodan ( boyl er) geçirilerek depodaki su ısıtıl makt adır. Bu sist e mleri n kesi ntili ol arak kul lanıl ması (yaz ayl arı nda) sisteml eri n veri mini çok düĢür mekt edir[1]. Bu sebepl ede apart manl arı n bir çoğunda, her daire i çi n müst akil su ı sıtıcıları t erci h edil mekt edir. Bunl ar, depol u ti p denil ebil en, gazyağı ve el ektrikl e ı sıtılan t er mosif onl ar ve anı nda ısıtıcı denil en deposu bulun mayan Ģofben ve el ektri kli ısıtıcılardır.

Bu çalıĢ mada sul u ı sıl enerji depol a ma ünit el eri nde sı caklı k t abakal aĢ ması, sayı sal ve deneysel ol arak i ncel en mi Ģtir. Yapıl an çalıĢma da; çalıĢ manı n a macı, sı caklı k tabakal aĢ ması, hissedilir ısı depol anması, su il e ı sıl enerji depol anması, su depol a ma tankı nı n seçi mi ve i zol asyonu, kaynak araĢtır ması, sayısal ve deneysel çalıĢ ma gi bi konul arda bil gi veril miĢtir.

1. 1. Tez ÇalıĢ ması nı n Amacı

Bu çalıĢ mada, suya ı sıl enerji depol an ması nda sı caklı k t abakal aĢ ması s ayı sal ve deneysel ol arak araĢtırılmı Ģtır. Erci yes Üni versitesi Yozgat Mühendisli k Mi marlı k Fakült esi Enerji Laborat uvarı nda kur ul muĢ ol an deney düzeneği ndeki sı cak su depol a ma t ankı nda t ank i çi ndeki suda ol uĢan sıcaklı k t abakası bozul madan, uzun süre yüksek sıcaklı kt a sıcak su te mi n edil mesi araĢtırıl mıĢtır.

Bu a macı n gerçekl eĢtiril mesi i çi n, sı cak su deposunun i çi nde i yi bi r sı caklı k tabakal aĢ ması nı n ol uĢt urul ması gerekir. Bunun i çi n il k ol arak Böl üm 1. 6’da veril en nedenl erden dol ayı, sı cak su depol a ma t ankı ol arak sili ndiri k t ank seçil miĢtir. Daha sonr a sı cak s u depol a ma t ankı i çerisi ne giren s oğuk s uyun t ankı n i çi ndeki sı cak s u kütl esi il e karıĢ ması nı engelle mek ve dol ayısı ile, bu su kütl esi ne ait t abakal arı n sı caklı kl arı ndaki düĢ meyi ort adan kal dır mak içi n t ank i çerisi ne f/ H ve g/ D oranl arı nda dairesel pl akal ar yerl eĢtiril miĢtir. Bur ada H ve D sırası il e t ankı n yüksekli ği ve çapı i ken, f, t ankı n t aban yüzeyi nden dairesel pl akaya ol an mesafedir. g ise dairesel pl akada bul unan deli ği n çapı dır. Ġçerisi ne f/ H ve g/ D or anl arı nda dairesel pl akal ar yerl eĢtirilerek ol uĢt urul muĢ t ank modelleri üzeri nde bil gisayarda sayısal çalıĢ ma yapıl mıĢtır. Daha sonra bu t ank modell eri l aborat uvar da kur ul arak, depol a ma tankı nda ol uĢan sı caklı k tabakal aĢ ması deneysel olarak da araĢtırıl mıĢtır.

(18)

Sili ndiri k sı cak s u depol a ma t ankı i çerisi ndeki akı Ģkanı n sı caklı ğı artırıl dı ğı nda, akıĢkanı n hac mi nde geniĢle me yoğunl uğunda azal ma meydana gelir. Dol ayısı il e yoğunl uğu düĢük ol an akı Ģkan t ankı n üst kı s mı nda, yoğunl uğu yüksek ol an akı Ģkan ise t ankı n alt t arafı nda yer alır. Bu dur u m s onucunda t ankı n alt t arafı ndan üst t arafı na doğr u akı Ģkan t abakal arı nı n sı caklı kl arı nda bi r artıĢ ol ur. Bu ol aya sı caklı k tabakal aĢ ması denir[2]. Kı saca sıcaklı k tabakal aĢması yoğunl uk farkı na dayanır. Sı cak s u depol a ma t ankl arı ndaki suyun ı sıtılması genelli kl e güneĢ enerjisi il e yapıl ma makt adır. Bunun yanı nda, katı ve sı vı yakıtları n yakıl ması il e el de edil en enerji ve el ektri k enerjisi il e de ı sıt ma i Ģl e mi gerçekl eĢtiril mekt edir. Bu çalıĢ mada kull anılan sı cak su depol a ma t ankı ndaki suyun ı sıtıl ması, deney düzeneği ndeki ısıt ma t ankı üzeri nde bul unan el ektri kli ısıtıcı tarafı ndan yapıl makt adır. Sı cak su depol a ma t ankl arı nı n kul lanı m yerl eri çok geni Ģtir. Konutl ara sı cak su sağlan ması nı n yanı nda, bi na ı sıt ma, ür ün kur ut ma ve su da mıt ma gi bi a maçl ar i çi n de kull anıl makt adır.

1. 2. Sı caklı k Tabakal aĢması

Akı Ģkan sı caklı ğı arttı ğında, akı Ģkanı n hac mi nde geni Ģl e me yoğunl uğunda azal ma me ydana gelir. Bu i fadeden yol a çı kıl arak sı cak akı Ģkanı n bir t ankda depol andı ğı düĢünül ürse; yoğunl uğu düĢük ol an akıĢkan t ankın üst t arafı nda, yoğunl uğu yüksek ol an akı Ģkan i se t ankı n alt t arafı nda t opl anır. Bunun sonucunda t ank i çerisi nde sı caklı k t abakal aĢ ması ortaya çı kar. Bu dur u m da sı caklı k t abakal aĢ ması di ye t arif edilir. Isıl t abakal aĢ ma dur u munda depol anan akı Ģkanı n sı caklı ğı, deponun tavanı ndan t abanı na kadar deği Ģi kli k göst erir. Tabanda düĢük t avanda i se yüksektir. Bu dur u m, akı Ģkan sı caklı ğı her böl gede düzgün dağılı m göst eren i yi karıĢtırıl mıĢ tankt a el de edilen dur um ile aynı değil dir.

Sı cak su t ankı ndaki sı caklı k t abakal aĢ ması nı n ı sıl kazanç açısı ndan avant ajları var dır. Tankı n üst kıs mı ndaki çı kıĢta akı Ģkan sı caklığı yüksek, t ankı n alt tarafı ndaki giriĢi nde akı Ģkan sı caklı ğı düĢük ol makt adır. Tankı n üst kı s mı ndaki akı Ģkan sı caklı klı ğı nı n, t ankı n alt t arafı ndaki akı Ģkan sıcaklı ğı ndan yüksek ol ması da ı sıl tabakal aĢ ma açısı ndan öne mli bir avant aj t eĢkil eder. Tank i çi nde alt böl gel erdeki dur gun akı Ģkan sı caklı ğı ise, t ankı n üst kı s mı ndaki akı Ģkan sı caklı ğı ndan düĢük ol makt adır. ġehir Ģebekesi nden gel en akı Ģkanı n t anka giriĢ sı caklı ğı nı n i se, t ankı n büt ün böl gel eri ndeki akı Ģkan sı caklı kl arı ndan düĢük ol ması ist enir. Ġki nci avant aj i se;

(19)

ısıl t abakal aĢ ma nedeni ile t ankı n alt t arafı nda yani koll ekt öre gi diĢ kanalı böl gesi nde düĢük sı caklı kt a ı sıtıl maya hazır akıĢkan bul unacağı ndan ve dol ayısı il e koll ekt öre düĢük sı caklı kt a akı Ģkan gi deceği nden, yüksek koll ekt ör veri mlili ği nde koll ekt örl er çalıĢ maya deva m edecektir. Biri m za manda kol lekt öre gi den akı Ģkan sıcaklı ğı ne kadar düĢük ol ursa, birim za manda koll ekt örden alı nan ı sıl kazanç da o kadar fazl a ol makt adır.

Doğal ve zorl anmıĢ t aĢı nı mlı büt ün sı cak su depola ma sist e mleri nde ı sıl t abakal aĢ ma ol uĢ makt adır. Doğal dolaĢı mlı sist e mlerde akı Ģkan debil eri düĢük ol duğundan, ol uĢan sı caklı k t abakal aĢ ması kor un makt a ve süreklili k göst er mekt edir. Zorl an mı Ģ dol aĢı mlı sist e mlerde i se, sı caklı k t abakal aĢ ması nı n sağl anması ve kor un ması i çi n akıĢkanı n t anka giriĢ ve çı kıĢ kanalları uygun olarak düzenl enmeli ve t ank uygun Ģekillendiril meli dir.[3] Dol aĢı m po mpası nı n gücünün uygun seçil mesi il e t ankı n giriĢi ve çı kıĢı ndaki akıĢkan hı zl arı; ısıl t abakayı boz mayacak düzeyde t ut ul arak, tanka giren akı Ģkan ile t ankı n i çi ndeki akıĢkanı n birbirleri ile karıĢ ması da engell enebilir. Bazı dur uml ar da t ankt aki t abakal aĢ manı n bozul ması nı önle mek i çi n akıĢkanı n tanka giriĢ kısmı geniĢ yapılabilir.

Tankt aki ı sıl t abakal aĢ ma anali zi çok kar maĢı ktır. Sı caklı k za mana bağıml ı ol arak çözül ür. Sı caklı k t abakalaĢ ması anali zi çok boyutl u ol arak düĢünül ür. Çözü ml er, tankı n duvarl arı na doğru ı sı ileti mini de i çerir. BasitleĢtiril miĢ anali z, akı Ģkanı n tankı n i çerisi nde i yi karıĢtırıl dı ğı varsayılarak yapılır. Fakat, t ankı n büt ün böl üml eri nde akı Ģkan sı caklı kl arı nı n aynı ol madı ğı düĢünül erek, sı caklı k tabakal aĢ ması anali zi yapıl acaktır. Bu çalıĢ madaki esas a maç; güneĢ enerjili sı cak su ısıt ma sist e mleri nde, ısıl enerji depol a mada kullanılan sili ndiri k sı cak su depol a ma tankı i çerisi ne yerl eĢtirilen g/ D ve f/ H oranl arı ndaki sili ndiri k pl aka geomet risi ni n ısıl t abakal aĢ ma üzeri ne et kisi ni, sayısal ve deneysel ol arak araĢtır mak ve uzun süre sı caklı k t abakal aĢ ması bozul madan ve yüksek sı caklı kt a kull anı m suyu t e mi n edil mesi ni sağl a maktır.

1. 3. Hissedili r Isı Depol an ması

Suya ı sıl enerji depol anması, hi ssedilir ı sı depol a ması nı n bir t ür üdür. Hi ssedilir ı sı depol a ma si st e ml eri nde enerji, t a m ol arak ı sıt ma ve soğut ma sı vıl arı veya i Ģl e m sırası nda faz deği Ģi mi ne uğra mayan maddel er t arafı ndan depol anır. Bu uygul a mal ar da genel de sı vı akı Ģkanl ar, ör neği n sı vı ol arak s u, ı sı transfer yağl arı,

(20)

bazı i nor gani k çözül müĢ t uzl ar, katı ol arak, kayalar ısı depol ayan maddeler dir. Katı dur umdaki ı sı depol a ma ma ddel eri gözenekli yapı dadır. Sı vı veya gaz akı Ģkanı n bu gözenekl ere doğr u ak ması nedeni il e ı sıl enerji katı maddel erde depol anmı Ģ ol ur[4]. Kull anılan maddel eri n seçi mi genelli kl e uygul ama nı n sı caklı k sevi yesi ne bağlı dır. Ör neği n su; hi ssedilir ısı depol a mada 100 o_{C’ nin altı ndaki Ģartlar i çi n kull anılır.}

Tuğl al ar 1000 o

C sı cakl ı k Ģartı nı n ol duğu dur u mlarda kull anılırl ar[4]. Hi ssedilir ı sı depol a ma sist e mleri ni n mantı ğı di ğer ısı depol a ma sist e mleri ne göre kol ay ve basittir. Fakat, daha büyük öl çül erde ı sı depol a ma sist e mi kur manı n dezavant ajları ndan kaçı nıl maz. Bu nedenl e hi ssedilir ısı depol a ma i çi n kull anıl an ma dde ve bu maddeni n özgül ı sısı değeri ni n seçi minde, öne mli kriterlere di kkat edil mesi gerekir. Hi ssedilir ı sı depol a ma si st eml eri nde i ki nci bir dezavant aj i se, hi ssedilir ısı dan yararlanma da hi ssedilir ısı depola ma sist e mi ni n veri mi ni artır mak içi n, siste mi n yalıtıl masında çok mi kt arda yalıtı m mal ze mesi ni n kull anıl ması gerekir. Bu da mali yeti artırdı ğından dol ayı bir dezavantaj t eĢkil eder. Kütl esi m ol an bi r ma ddeni n sı caklı ğı T1’den T2’ ye yükseltilirse, ma ddeni n ı sı depol a ma kapasitesi

dol ayısı ile depol anan hissedilir ısı mikt arı aĢağı daki gi bi ifade edilir.

Q =m. Cp.( T2 – T1) =m. Cp. ∆T (1. 1)

Bur ada, m; maddeni n kütle debi si, ρ; yoğunl uğu ve Cp; sabit bası nçt aki özgül ı sı dır.

Bur ada gör ül düğü gi bi, belli bir haci mde depol anan ı sıl enerji ni n yüksek ol ması i çi n, ma ddeni n sabit bası nçt aki özgül ı sısı ( Cp) büyük ol malı dır. Suyun sabit bası nçt aki

özgül ısısı, di ğer maddelere göre daha yüksektir.

Hi ssedilir ısı depol a masında faydal anılan maddeni n haci msel özgül ı sısı nın yanı nda, yan ma ve al evl enme özelli ği ni n ol ma ması, ma ddeni n uzun süre özelli kl eri ni muhaf aza et mesi, zehirli ve kor ozif ol ma ması i stenir[4]. Tabi ki her Ģeyden önce kol ay t e mi n edil ebilir ve ucuz ol ması gerekir. Prati kt e t e mi n edil ebil me kolaylı ğı ve ucuzl uğu sebebi yl e daha çok su ve çakıl t aĢı t erci h edil mekt edir. Sı vılı ı sı depol a ma siste mleri nde su, havalı ısı depol a ma siste mleri nde ise çakıl taĢları daha uygundur.

1. 4. Su il e Isıl Enerji Depol an ması

Su, birçok hi ssedilir ısıl enerji depol a ma sist e mleri nde kull anılan i deal bir maddedir. Enerji, bu madde t arafı ndan sist e mden alı narak depol a ma ünit el eri ne akt arılır. Enerji, depol a ma si st e mi nde de yi ne bu akı Ģkan t arafı ndan depol anır. Bu nedenl e s u, çoğu

(21)

güneĢ enerjili ısıt ma siste mleri nde bi nal arı n i çi ne ve dı Ģı na veya yeraltı na yerl eĢtirilen su depol a ma t ankl arı nda, ısı depol ayı cı akıĢkan ol arak kullanılır. Su; eğer at mosferi k bası nçt a ise, 100 o

C ve altı ndaki sıcaklı kl ar da depol anır. Fakat bası nç tankl arı kullanılarak su 100 o_{C’ ni n üzeri ndeki sıcaklı kl arda da depol anabilir.}

Hi ssedilir ısı depol a masında en yaygı n kull anılan maddel erden birisi ol an suyun çok sayı da avant ajları var dır. Su; ucuz ve kol ay t e min edil ebilir bir maddedir ve zehirli değil dir. Fi zi ksel, ki myasal ve t er modi na mi k özelli kl eri i yi bili nmekt edir. Enerji depol ayı cı ol arak faydalanılırken aynı za manda enerji t aĢı yı cı akıĢkan ol arak t a kull anılabilir. Isı depol ama özelli ği i yi dir, yani haci msel özgül ı sısı yüksektir. Isıt ma ve soğut ma sist e mleri i çin gerekli sı caklı k aralı ğında kararlı bir sı vı –buhar dengesi ne sahi ptir. Isı geçiĢ özelli ği ve akıĢkan di na mi ği i yi bili nmekt edir[2].

Suyun, hi ssedilir ı sı depol a ması ndaki bu avant ajları yanı nda bazı dezavant ajl arı da bul un makt adır. Donduğu za man geniĢl edi ği nden, don maya karĢı t edbir alı nmalı dır. Kor ozyon yapı cı özelli ği nden dol ayı depo i çerisi ne i nhi bit ör il ave edilmeli veya dur uma göre kor ozyon önl eyi ci t edbirler alı n malı dır. Ayrı ca, eri me ve kayna ma sı caklı kl arı arası ndaki fark küçük ol duğundan, yüksek sı caklı kl arda enerji depol a mak zor dur[ 2].

1. 5. Sı cak Su Depol a ma Tankı nı n Seçi mi ve Ġzol asyonu

Sı cak su t ankl arı nı n geomet risi ni n seçi minde, i mal at kol aylı ğı ve biri m haci mdeki ı sı geçiĢ yüzeyi göz önüne alı nır. Aynı haci mdeki küresel bir t ankı n ı sı geçiĢ yüzeyi, kübi k ve sili ndiri k t anklara göre daha düĢükt ür. Bununl a beraber, küresel t ankl arı n i mal atı zor dur. Yüksekliği çapı na eĢit ol an sili ndiri k bir t ankı n dı Ģ yüzey al anı, aynı haci mdeki küresel t ankın yüzey al anı ndan yüzde 17 daha büyük ve kübi k t ankı n yüzey al anı ndan yüzde 3 daha küçükt ür[3]. Bu sebepl e de genelli kl e sili ndiri k t ankl ar kull anılır. Di ğer t araftan yüksekli ği büyük ol an sili ndiri k t ankl arda, dıĢ çevre il e ı sı geçiĢ yüzeyi art arken, t ankı n alt ve üst yüzeyl eri arası ndaki sı caklı k farkı da art ar. GüneĢ enerjili sı cak su depol a ma sist e mleri nde bu far kı n büyük ol ması öne mli avant ajlardandır.

Pi yasada birkaç yüz litreden birkaç bi n metreküpe kadar deği Ģi k s u kapasiteli sı cak su depol a ma t ankl arı mevcutt ur. Sı cak su t ankl arı nı n büyükl üğü, t ankı n kull anıl dı ğı siste me ve i kli m dur umuna bağlı dır. GüneĢ enerjili sı cak su siste mleri nde ve ı sıt ma

(22)

siste mleri nde genelli kl e t opl ayı cı ( koll ekt ör) özelli kl eri ne ve suyun ı sıtılacağı sı caklı ğa göre 1 metrekare t opl ayı cı yüzey al anı i çi n 40 il e 100 litre hac mi nde t ankl ar seçilir[3]. Depo büyüdükçe akı Ģkanı n t opl ayıcı ya giriĢ sı caklı ğı düĢt üğünden, t opl ayı cı veri mi, dol ayısı yl a faydalı ıĢı nı m mi kt arı art ar. Bununl a beraber, depo sı caklı ğı nı n belli bir değeri n üst ünde (sı cak su si st e mleri i çi n en az 40 o_{C’ ni n}

üst ünde) ol ması ist enir[3]. Bunun i çi n deponun uygun büyükl ükt e seçil mesi gerekir. Yukarı da belirtilen nedenl erden dol ayı yapıl an çalıĢ mada; 4 m2_{’li k bir kolekt ör al anı}

içi n, 1 m çap ve 1. 5 m yüksekli ği nde sili ndiri k t ank Ģeçil miĢtir.

Depol a ma t ankl arı, çelik, gal vani zli sac, al ümi nyu m, bet on ve fi ber gl as gi bi mal ze mel erden yapılır. Yalıtı m i Ģl e mi ca m yünü, mi neral yünü ve poliür et an veya eĢdeğer kalı nlı kt aki uygun di ğer ı sı yalıtı m mal ze mel eri ile yapıl arak, çevreye ol an ısı geçiĢi azaltılır. Yalıtım kalı nlı ğı, ısıl enerji kayı pl arı nı mi ni mu m sevi yede t ut acak Ģekil de ayarl anmalı dır. Yalıtı m mali yeti t opl am mali yeti n öne mli bir böl ü münü ol uĢt urur. Bu mali yeti azalt mak ekono mi k açı dan öne mli dir.

(23)

2. KAYNAK ARAġTI RMASI

GüneĢ enerjisi uygul a maları üzeri ne dünyada çok çeĢitli çalıĢ mal ar yapılmı Ģtır. Bu uygul a mal arı n he men he men t ümünde güneĢ enerjisi, bir depol a ma sist e mi nde depol andı kt an sonra kul lanı ma sunul muĢt ur. Bu depol a ma sist e mleri nden biri de sı cak su depol a ma sist emi dir. Sı cak su depol ama si st e mi nde esas a maç; sı cak su deposundan uzun s üre yüksek sı caklı kt a sı cak kullanı m s uyu al maktır. Bu i Ģl e m i çi n de sı cak su deposunun i çi nde sı caklı k t abakal aĢması nı n ol uĢt urul ması ve muhafaza edil mesi gerekir. Bu sebepl e sı cak su depoları ndaki ı sıl t abakal aĢma üzeri ne geç miĢt en günü müze birçok çalıĢ ma yapıl mıĢtır. Bu çalıĢ mal ardan bazıl arı da aĢağı da sunul muĢt ur.

Al i zadeh [ 5], sili ndiri k paral el depol a ma t ankı nı n ı sıl davranı Ģı nı sayı sal ve deneysel ol arak çalıĢ mıĢtır. Üç f ar klı ısıl al anı ol an t ankı n alt kı s mı ndan s oğuk su püskürt ül mekt edir. Deney dört ayrı aĢa mada yapılmı Ģtır. Deneyi n il k aĢa ması; t ankı n tabanı ndaki akı Ģkan il e tanka giren akıĢkan sı caklı ğı nı n eĢit ol duğu dur u mda, t ankda ki il k ı sıl sı nır t abakal aĢ ması nı n ol uĢumu. Ġ ki ncisi ise, t ankı n t abanı ndaki akı Ģkan sı caklı ğı nı n t anka giren akı Ģkan sı caklı ğı ndan düĢük ol duğu dur u mda t ankdaki il k ı sıl sı nır t abakal aĢ ması nı n oluĢu mu. Üçüncüsü i se, yalıtıl mıĢ t ankı n ı sıtıl ması il e ol uĢan ısıl t abakal aĢ ma. Dör düncüsü i se, il k deney aĢaması ndan farkı, genl eĢ me t üpünün ol ması dır. Genl eĢ me t üpü giriĢ nozul u, difüzyon et kisi nden dol ayı daha i yi ısıl tabakal aĢ mayı sağl ayacağı i çi n, koni k yapı dadır. Bu t üp 30o_{’li k açı ile giriĢe}

yerl eĢtiril miĢtir. Tankdaki sı caklı k t abakal aĢ ması nı n en i yi Ģekil de ol uĢt urul ması, i ki nci deney aĢa ması nda gerçekl eĢtiril miĢtir. Sayısal çalıĢ mada i ki t ane bir boyutl u model kull anıl mıĢtır. Bu modell er TMM ‘ Turbul ent Mixi ng Model’ ve DMM ‘ Displ ace ment Mixi ng Model’dir. Deney sonuçl arı sayısal sonuçl arl a karĢılaĢtırıl mıĢtır ve sayı sal sonuçl arı n deneysel sonuçl arl a i yi bir uyu m i çi nde ol duğu gör ül müĢt ür.

Al – Ni mr [ 6] yaptı ğı çalıĢ ması nda, i çi nde el ektri kli ı sıtı cı bul unan sı cak s u depol a ma tankl arı nda ol uĢan sı caklı k dağılı mını analiti k olarak araĢtır mıĢtır. Ar aĢtır ması nda kull andı ğı mat e mati ksel model, sı caklı k dağılı mına karar ver mek i çi n analiti k ol arak

(24)

çözül müĢt ür. Analiti k çözü mde il k önce, t ankda ol uĢan ı sıl t abakal aĢ ma üzeri ndeki deği Ģken di zayn para met rel eri ni n et kisi, sonra da suyun t ankdan i st enilen sı caklı kt a çı kması içi n gereken za man belirlenmiĢtir.

Br unger, Holl ands ve Li ght st one [ 7] yaptı kl arı araĢtır mal arı nda, deği Ģi k akı Ģ or anlı kontrol strat ejileri ni n uygul andı ğı güneĢli böl gesel su ı sıt ma sist e mleri nde ı sıl t abaka bozul ması(pl ume entrain ment) konusunda çalıĢ mıĢl ardır. Sı cak su t ankl arı nda müke mmel ı sıl t abakalaĢ ma ol uĢu mu sağl anarak, böl gesel güneĢli su ı sıt ma siste mi ni n yüksek veriml ili kt e çalıĢ ması sağl an mıĢtır. Müke mmel t abakal aĢ manı n ol madı ğı gerçek t ankt a t abakal aĢ mayı bozan en öne mli et keni n, suyun t anka çal kantılı gir mesi ve t anka giren suyun t ankı n i çindeki su kütl esi nde büyük frekanslı dal gal arla yayıl ması dır. Isıl t abakanı n bozul ması genelli kl e; daha yüksek sı caklı kt a su i çeren t ankı n i çi ne daha düĢük sı caklı kt a su gi rdi ği za man meydana gelir. Soğuk suyun dal galı ve çal kantılı düĢ mesi t ankt a karıĢı ma neden ol ur. Isıl t abakanı n bozul ması koll ekt ör debisi ni n kontrol edil mesi ile mi ni mize edilir. Bu çalıĢ mada suyun dal galı ve çal kantılı ak ması nı n karĢılaĢtır malı ol arak bil gisayar si mül asyonunun yapıl ması, i ki yönt e m kull anıl ması il e mü mkün gör ül müĢtür. Biri nci yönt e m ( SCOT), koll ektör çı kıĢ sı caklı ğı nı sabit t ut ma il e ol uĢt urul ur. Ġ kinci yönt e m ( FCTR) i se, kol ekt ör giriĢ ve çı kıĢı arası ndaki ∆T sı caklı k farkı nı n sabit t utul ması dır. Bi ri nci strat eji ni n, perfor mans açısı ndan sabit debili siste mlere göre daha zayıf bir siste mi ol uĢt urduğu, i ki nci strat eji ni n i se sabit debili siste mle bir kaç yüzde sap ma il e aynı perfor mansı göst erdi ği, araĢtır ma sonuçl arı nda da gör ül müĢt ür. FCTR yönt e mi kull anıl dı ğı za man optimu m ∆T sı caklı k farkı, si mül asyonu yapıl mıĢ böl gesel güneĢli sıcak su siste mler içi n 20 o_{C’ dir.}

Chan, Smer eka ve Gi usti [ 8], ı sı depol a ma tankı nda za mana bağı mlı karı Ģı k konveksi yon akı Ģı üzerine sayısal bir çalıĢ ma yap mıĢl ardır. Za mana bağı mlı i ki boyutl u karıĢı k t aĢı nı m akı Ģl arı nı, geliĢtirdi kl eri sayısal t ekni kl eri kull anıl arak çöz müĢl erdir. Mo ment um eĢitli kl eri, Boussi nesq yakl aĢı mı kull anılarak doğal ve zorl anmıĢ t aĢı nı m akı Ģı içi n düzenl enmiĢtir. Zorlan mıĢ t aĢı nı m akı Ģı, giriĢ ve çı kı Ģ sı nır Ģartları yar dı mı il e çözül müĢ ve daha anl aĢılır hal e getiril miĢtir. Za mana bağı mlı ısı transferi ve akı Ģ karakt eristi kl eri değiĢi k sı nır Ģartları nda çalıĢıl mıĢtır. Za mana bağlı ol arak hı z ve sı caklı k dağılı mları bul unmuĢt ur. Akı Ģkanı n giriĢ ve çı kı Ģ konfi gürasyonl arı nı n depol a ma t ankı nı n ı sıl perfor mansı üzeri ndeki et kisi de araĢtırıl mıĢtır. Aynı anda he m boĢalt manı n he m de dol dur manı n ol duğu dur u mda,