FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KİMYA ANABİLİM DALI
FAZ DEĞİŞİMLİ ENERJİ DEPOLAMA MADDELERİNDE ISIL İLETKENLİĞİN ZENGİNLEŞTİRİLMESİ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Hazırlayan: Ali KARAİPEKLİ Danışman: Doç. Dr. Ahmet SARI
FAZ DEĞİŞİMLİ ENERJİ DEPOLAMA MADDELERİNDE ISIL İLETKENLİĞİN ZENGİNLEŞTİRİLMESİ
ALİ KARAİPEKLİ
YÜKSEK LİSANS TEZİ KİMYA ANABİLİMDALI
ÖZET
FAZ DEĞİŞİMLİ ENERJİ DEPOLAMA MADDELERİNDE ISIL İLETKENLİĞİN ZENGİNLEŞTİRİLMESİ
ALİ KARAİPEKLİ
Gaziosmanpaşa Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Anabilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, 62 sayfa
Danışman: Doç. Dr. Ahmet SARI Jüri: Prof. Dr. Adem ÖNAL
Jüri: Prof. Dr. Gazanfer ERGÜNEŞ Jüri: Doç. Dr. Ahmet SARI
Enerjiyi gizli ısı halinde depolayan sistemlerin enerji verimliliğini etkileyen faktörlerden biride faz değişim maddesinin (FDM) ısıl iletkenliğidir. Bu nedenle, yüksek erime gizli ısısına ve uygun erime sıcaklığına sahip fakat ısıl iletkenliği düşük bir FDM’nin bu tip sistemlerde kullanılmadan önce ısıl iletkenliğinin arttırılması önem arz etmektedir. Bu bağlamda, bu çalışmada, ısıl iletkenlik arttırıcı olarak genişletilmiş grafit (GG) ve karbon fiber (Kf)’in gizli ısı enerji depolama (GIED) maddeleri olarak parafin ve stearik asidin (SA) ısıl iletkenliği üzerine etkisi incelendi. Parafin ve SA içerisine farklı kütle bileşim oranlarında (%2, 4, 7 ve 10) GG ve Kf ilave edildi. Hazırlanan parafin/GG, parafin/Kf, SA/GG ve SA/Kf kompozit karışımlarının ısıl iletkenlikleri sıcak tel metoduyla ölçüldü. İlave edilen GG ve Kf ile ısıl iletkenlik artışı arasında doğrusal bir ilişkinin olduğu bulundu. Kütlece %10 GG ve %10 Kf ilavesiyle, parafin (0.22W/(mK)) ve SA’nın (0,29W/(mK)) ısıl iletkenliği sırasıyla, %272,7, 266,6, 227,35 ve 217,2 oranında arttırıldı. Parafin ve SA’ya GG ve Kf ilavesiyle ısıl iletkenlikte meydana gelen artış saf parafin ve saf SA’nın erime ve katılaşma süreleri ile kompozit FDM’ler içerisindeki parafin ve SA’nın erime ve katılaşma süreleri mukayese edilerek test edildi. Ayrıca, ilave edilen GG ve Kf’in parafin ve SA’nın erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları üzerine etkisi diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) tekniği kullanılarak ölçüldü. Deneysel bulgulara dayanarak, özellikle %10 oranında GG ve Kf ilaveli söz konusu kompozit FDM’lerin erime gizli ısılarında önemli bir azalma olmaksızın ısıl iletkenliklerinin önemli derecede arttırıldığı söylenebilir.
Anahtar kelimeler: Parafin, Stearik asit (SA), Genişletilmiş grafit, Karbon fiber, Kompozit FDM, Isıl iletkenlik, Gizli ısı depolama.
ABSTRACT
THERMAL CONDUCTIVITY ENHANCEMENT OF PHASE CHANGE ENERGY STORAGE MATERIALS
ALİ KARAİPEKLİ Gaziosmanpaşa University
Graduate School of Natural and Applied Science Department of Chemistry Science
Master Thesis, 62 pages
Supervisor: Associate Prof. Dr. Ahmet SARI Jury: Prof. Dr. Adem ÖNAL
Jury: Prof. Dr. Gazanfer ERGÜNEŞ Jury: Associate Prof. Dr. Ahmet SARI
Thermal conductivity of phase change material (PCM) is one of the factors, which affect energy efficiency of latent heat energy storage system. Therefore, the enhancement of thermal conductivity of PCM which have suitable melting temperature and high latent heat of fusion but low thermal conductivity is important for these type systems. In this regard, in this study the influences of expanded graphite (EG) and carbon fiber (CF) as thermal conductivity promoters on thermal conductivity improvement of paraffin and stearic acid (SA) as latent heat energy storage (LHES) materials have been investigated. EG and CF in different weight combination ratios (2, 4, 7 and 10%) were added to paraffin and stearic acid. Thermal conductivities of the prepared paraffin/EG, paraffin/CF, SA/EG and SA/CF composite mixtures were measured by hot-wire method. A linear relationship between EG and CF loaded to the PCMs and the increased thermal conductivity was found. The thermal conductivity of paraffin (0,22 W/(mK)) and stearic acid (0,29W/(mK)) were increased by 272,7, 266,6, 227,35 and 217,2% by loading 10wt% EG and 10wt% CF, respectively. The improvement occurred in thermal conductivity of the paraffin and stearic acid with addition of EG and CF was experimentally tested by comparing melting and solidifying times of paraffin and stearic acid in the composite PCMs with that of pure paraffin and stearic acid. Furthermore, the effects of added EG and CF on the melting temperature and latent heat of fusion of the paraffin and stearic acid were investigated by using differential scanning calorimeter (DSC) technique. Based on the experimental results, especially it can be concluded that thermal conductivities of composite PCMs with loading 10 wt % EG and 10 wt % CF were significantly enhanced without significant lost of latent heat of fusion of the PCMs.
Key words: Paraffin, Stearic acid (SA), Expanded graphite, Carbon fiber, Composite PCM, Thermal conductivity, Latent heat storage.
TEŞEKKÜR
Yüksek lisans eğitimim süresince bilgi ve deneyimlerini benden esirgemeyen, büyük ilgi ve anlayışıyla her türlü problemin üstesinden gelmemde bana yardımcı olan, sabırla beni dinleyip olumlu yönlendirmeleriyle yanımda olan danışman hocam Doç. Dr. Ahmet SARI’ya en içten teşekkürlerimi sunarım.
Ders ve tez dönemlerinde bana katkılarını esirgemeyen bölümdeki bütün hocalarıma, araştırma görevlilerine ve öğretim görevlilerine teşekkür ederim. Deneysel çalışmaların yapılmasında ve çalışmanın her safhasında yardım ve desteklerini esirgemeyen yüksek lisans öğrencisi Murat AKÇAY’a yardımlarından dolayı en içten teşekkürlerimi bir borç bilirim. Bu tez çalışmasında DSC ölçümleri esnasında yardımlarını esirgemeyen Gaziosmanpaşa Üniversitesi Fizik Bölümü Öğretim üyeleri Doç. Dr. Orhan UZUN’a, Yrd. Doç. Dr. Uğur KÖLEMEN’e ve Arş. Gör. Fikret YILMAZ’a teşekkürlerimi sunarım.
Ayrıca, hayatımın her safhasında maddi-manevi, destek, anlayış, sevgi ve dualarını eksik etmeyen aileme teşekkürlerimi sunarım.
Ali KARAİPEKLİ Tokat, 2006
İÇİNDEKİLER
ÖZET ...i
ABSTRACT...ii
TEŞEKKÜR ...iii
İÇİNDEKİLER ...iv
ŞEKİLLER LİSTESİ ...vi
ÇİZELGELER LİSTESİ ...viii
SİMGELER VE KISALTMALAR LİSTESİ...ix
1. GİRİŞ ...1
2. LİTERATÜR ÖZETLERİ...4
2.1. Enerji Depolama Tipleri ...4
2.1.1. Duyulur Isı Depolama ...5
2.1.2. Gizli Isı Depolama...7
2.2. GIED Sistemlerinde Kullanılan FDM’ler...8
2.2.1. Tuz Hidratlar ...10
2.2.2. Parafinler...12
2.2.3. Parafin Olmayan Organik Katılar...15
2.2.3.1. Yağ Asitleri...15
2.2.4. Ötektik Karışımlar ...18
2.2.4.1. Tuz Hidrat Ötektik Karışımlar ...18
2.2.4.2. Yağ Asidi Ötektik Karışımları...19
2. 3. GIED Sistemlerinde Isı Transfer Arttırılması İçin Kullanılan Yöntemler ...21
2.4. GIED Sistemlerinde FDM’nin Isıl iletkenliğinin Arttırılması...24
3. MATERYAL ve METOT ...26
3.1. Deneysel Çalışmalarda Kullanılan Maddeler ...26
3.2. Deney Düzenekleri ...27
3.2.1. Isıl İletkenlik Ölçüm Hücresi...30
3.2.2. Enerji Depolama Ünitesi ...30
3.2.3. Güç Kaynağı...31
3.2.5. Termoçift ...32
3.2.6. Sıcaklık Banyoları ve Diğer Elemanlar ...32
3.3. Isıl İletkenlik Ölçümü İçin Sıcak Tel (Hot-Wire) Metodu...33
3.3.1. Metodun Tanımı ...33
3.4. Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) Tekniği ...36
3.5. Deneyler ...38
3.6. Kompozit FDM’lerin Erime-Katılaşma Sürelerinin Belirlenmesi...39
4. BULGULAR VE DEĞERLENDİRME ...40
4.1. Parafin ve Stearik Asidin (SA) Genişletilmiş Grafit (GG) ve Karbon Fiber (Kf) İle Uygunluğu ...40
4.2. Isıl İletkenlik Ölçüm Sonuçlarının Değerlendirilmesi...41
4.3. Kompozit FDM’lerin Erime ve Katılaşma Süreleri ...47
4.3.1. Saf Parafin, Parafin/GG ve Parafin/Kf Kompozit Karışımlarının Erime ve Katılaşma Süreleri...47
4.3.2. Saf SA, SA/GG ve SA/Kf Kompozit Karışımlarının Erime Sürelerinin Belirlenmesi ...49
4.4. Parafin/GG Karışımlarının DSC Isıl Analizleri ...51
4.5. SA/GG Karışımlarının DSC Isıl Analizleri ...53
5. SONUÇ VE ÖNERİLER...55
KAYNAKLAR ...57
ŞEKİLLER LİSTESİ
Şekil Sayfa
2.1. Bazı maddelerin birim ünite başına enerji depolama kapasiteleri ...8
2.2. GID için kullanılan FDM’lerin sınıflandırılması...10
2.3. Isıl iletkenlik arttırmada kullanılan çeşitli ısıl iletkenlik arttırıcılar ...23
3.1. Çalışmalarda kullanılan maddelerin fotoğraf görüntüleri...26
3.2. Isıl iletkenlik ölçümlerinin yapıldığı deney düzeneğinin şematik görünümü...28
3.3. Isıl iletkenlik ölçüm düzeneğinin fotoğraf görüntüsü...28
3.4. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde kullanılan düzeneğin şematik görünümü ...29
3.5. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde kullanılan düzeneğin fotoğraf görüntüsü ...29
3.6. Isıl iletkenlik ölçümlerinin yapıldığı hücrenin fotoğraf görüntüsü...30
3.7. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde kullanılan enerji depolama sisteminin fotoğraf görüntüsü ...31
3.8. Tipik sıcaklık artış eğrisi (a) ideal eğri (b) ideal olmayan eğri...35
3.9. Deneysel cihazın şematik gösterimi ...36
4.1. Kompozit karışımların fotoğraf görüntüsü (a) saf parafin, (b) parafin/%4GG kompozit karışımı (c) parafin/%4 Kf kompozit karışımı...40
4.2. Saf SA’nın ısıl iletkenlik ölçümü için kalibrasyon grafikleri ...41
4.3. Parafin içerisine farklı kütle bileşim oranlarında (%) GG ilavesiyle ısıl iletkenlikteki değişimler ...43
4.4. Parafin içerisine farklı kütle bileşim oranlarında (%) Kf ilavesiyle ısıl iletkenlikteki değişimler...43
4.5. SA içerisine farklı kütle bileşim oranlarında (%) GG ilavesiyle ısıl iletkenlikteki değişimler...44
4.6. SA içerisine farklı kütle bileşim oranlarında (%) Kf ilavesiyle ısıl iletkenlikteki değişimler...44
4.7. İlave edilen GG ve Kf’in hacimce yüzdesine göre parafinin ısıl iletkenliğindeki artış...46
4.8. İlave edilen GG ve Kf’in hacimce yüzdesine göre SA’nın
ısıl iletkenliğindeki artış...46
4.9. Saf parafin, parafin/%4 GG ve parafin/%10 GG karışımı için erime eğrileri ...48
4.10. Saf parafin, parafin/%4 GG ve parafin/%10 GG karışımı için katılaşma eğrileri....48
4.11. Saf parafin, parafin/%4 Kf ve parafin/%10 Kf karışımı için katılaşma eğrileri ...49
4.13. Saf SA, SA/%4 GG ve SA/%10 GG karışımları için erime eğrileri...50
4.14. Saf SA, SA/%4 Kf ve SA/%10 Kf karışımları için erime eğrileri...51
4.15. Saf parafin ve parafin/%10 GG kompozit karışımı için DSC eğrileri...52
ÇİZELGELER LİSTESİ
Çizelge Sayfa
2.1. Bazı duyulur ısı depolama maddelerinin 300 K sıcaklığındaki ısıl-fiziksel
özelikleri ...6
2.2. Bazı tuz hidratların erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları...11
2.3. Parafinlerin erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları...14
2.4. Yağ asitlerinin erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları...17
2.5. Bazı inorganik ötektik karışımlar ...19
2.6. Yağ asidi ötektik karışımlarının ısıl-fiziksel özellikleri ...20
3.1. Deneysel çalışmalarda kullanılan faz değişim maddeleri...27
3.2. Isıl iletkenliği arttırmak için kullanılan maddelerin bazı ısıl-fiziksel özellikleri...27
3.3. DSC analiz cihazının teknik özellikleri ve ısıl analiz şartları...37
4.1. Saf parafin, saf SA, parafin/GG, parafin/Kf, SA/GG ve SA/Kf kompozit karışımları için ölçülen ısıl iletkenlikleri ...42
4.2. Saf parafin ve parafin/GG karışımlarının ölçülen erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları ...53
SİMGELER VE KISALTMALAR LİSTESİ
Simgeler
Te FDM’nin erime sıcaklığı (oC) X Mol kesri (birimsiz)
HE Erime gizli ısısı (kJ.kg-1) ΔT Sıcaklık farkı (oC) m Kütle (g)
wt % Ağırlıkça yüzde miktar qd Depolanan ısı
To Başlangıç sıcaklığı (oC) Ts Son sıcaklık (oC) q Isı akışı
ρ Yoğunluk(kg/m3)
γ 0,5772 değerine sahip Euler sabiti c eγ =1,781 Euler sabiti üssü µ Deneysel parametre α Isıl yayılım (m2/s) Ck Katı haldeki özgül ısı (J/kgK) Cs Sıvı haldeki özgül ısı (J/kgK) Cp Sabit basınçtakiözgül ısı (kJ/kgoC) T Sıcaklık (oC)
Qı Ünite uzunluğu için elektrik gücü (W/m) V Gerilim (V)
I Akım (A)
L Sıcak tel uzunluğu (m)
r Doğrusal kaynaktan uzaklık (m) t Zaman (s)
XKf Karbon fiberinhacimce yüzdesi (%) XGG Genişletilmiş grafitinhacimceyüzdesi (%)
K Isıl iletkenlik (W/mK)
KFDM Faz değişim maddesinin ısıl iletkenliği (W/mK) Kc Kompozit FDM’nin ısıl iletkenliği (W/mK)
Kısaltmalar
FDM Faz değişim maddesi IED Isıl enerji depolama GID Gizli ısı depolama GIED Gizli ısı enerji depolama GG Genişletilmiş grafit Kf Karbon fiber e.n Erime noktası (oC)
DSC Diferansiyel taramalı kalorimetri FT-IR Fourier Transform Infrared KA Kaprik asit
LA Laurik asit SA Stearik asit PVC Poli (vinil klorür)
1. GİRİŞ
21. Yüzyıla girerken, artan nüfus ve sanayileşmeden kaynaklanan enerji gereksinimi ülkemizin kısıtlı kaynaklarıyla karşılanamamakta, enerji üretimi ve tüketimi arasındaki açık hızla büyümektedir. Bu durumda, mevcut enerji kaynaklarımızdan daha etkili bir biçimde yararlanmak giderek artan bir önem kazanmaktadır. Enerji talebindeki hızlı artışın karşılanmasında, yenilenebilir enerji kaynaklarından en etkin biçimde yararlanılması amacıyla enerjinin verimli bir şekilde depolanması ve ihtiyacı karşılayacak en uygun dönüşümlerin geliştirilmesi yararlı olacaktır.
Enerji ihtiyacının büyük bir kısmının karşılanmasında kullanılan geleneksel enerji üretim yöntemleri bugün çevre kirliliğinin önemli nedenlerinden biridir ve bu yöntemlerde kullanılan fosil yakıtların tüketiminin, çevre konusundaki uluslararası taahhütler nedeni ile azaltılması gündemde olan bir konudur. Ayrıca, fosil yakıtların bir süre sonra tükeneceği gerçeği de bilinmektedir. Bütün gelişmiş ülkeler çevre dostu, yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanmaya olağanüstü bir önem vermektedir.
Yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları olarak isimlendirilen bu alternatif kaynaklardan yararlanılması, bugüne kadar arzulanan düzeye ulaşamamıştır. Bununla birlikte, jeotermal, pasif güneş, rüzgâr ve modern biokütle enerjisi teknolojileri, bugün dünya enerji pazarlarında yer almaya başlamıştır. Yeraltında ısıl enerjinin depolanması, özellikle gelişmiş ülkelerde hızlı bir yaygınlaşma sürecine girerken, güneş enerjisini depolama teknolojisinde yoğun araştırmaların sürdürüldüğü gözlenmektedir (Tübitak, 2003).
Bu yönüyle gelecek yüzyıl, diğer tükenmez ve temiz enerji kaynakları kullanımında atılım yapılacak bir yüzyıl olma görünümündedir. Bu enerji kaynakları güvenli olup yaygın olarak kullanılabilirler ve ileri teknoloji gerektirmemektedirler. Ayrıca, kullanımları sırasında hiçbir çevre kirliliğine neden olmazlar ve tükenmeyen enerji kaynakları oluşları, dışa bağımlı olmayışları ve işletme masraflarının düşük olması gibi avantajlarının yanında,
yatırım maliyetlerinin yüksek olması ve geniş alanlara ihtiyaç göstermesi gibi dezavantajları da vardır.
Enerjinin depolanması, bir yandan enerjinin kullanıldığı alanlarda oluşan atık enerjiyi depolama (örneğin sanayi ve endüstrideki atık ısının depolanması gibi), diğer yandan yalnız belirli zamanlarda enerji verebilen (örneğin güneş enerjisi gibi) yenilenebilir enerji kaynaklarının enerjisini depolayarak, enerji temin zamanı ile talebi arasında doğabilecek farkı gidermeyi amaçlamaktadır. Enerji depolama, enerji sistemlerinin performansını düzenler ve verimini artırır. Özellikle, enerjinin depolanması ile yardımcı enerji kaynağına duyulan ihtiyaç azaltılır. Böylece, değerli olan fosil yakıt rezervleri (kömür, petrol ve doğal gaz gibi) muhafaza edilmiş olur.
Yukarıda yapılan açıklamalardan, enerji depolamanın önemi kendiliğinden ortaya çıkmaktadır. Enerji depolama, özellikle teknoloji uzmanlarının ve bilim adamlarının günümüzde en yoğun uğraştıkları konuların başında gelmektedir. Bu konu üzerine yapılan çalışmaların temel amacı, enerjinin en verimli şekilde depolanması ve ihtiyacı karşılayabilecek en uygun dönüşümün geliştirilmesidir.
Enerjinin en verimli şekilde depolanması ve etkin bir biçimde kullanılmasında verimli, ekonomik ve güvenli bir enerji depolama metodu önemli bir rol oynamaktadır. Enerji mekanik, elektrik, kimyasal ve ısıl enerji depolama gibi farklı şekillerde depolanabilir. Bu enerji depolama yöntemleri arasında en verimli ve ekonomik olanı ısıl enerji depolama yöntemidir. Isıl enerji depolamada enerji; duyulur ve gizli olmak üzere iki şekilde depolanabilir. Gizli ısı depolama; yüksek ısı depolama yoğunluğu ve küçük sıcaklık aralığında ısı yükleme ve boşaltma özelliklerinden dolayı ısıl enerji depolama yöntemleri arasında en cazip olan metottur. Gizli ısı depolama sistemlerinde enerji, bir faz değişim maddesi (FDM)’nin erimesi esnasında depolanır ve soğuması esnasında da geri kazanılır.
Faz değişimi yoluyla enerji depolama konusunda yapılan çalışmaların büyük bir kısmı, yeni tip FDM’lerin geliştirilmesi ve bunların farklı iklim şartlarına göre ısıl enerji depolama (IED) için ısıl karakteristiklerinin iyileştirilmesi üzerine odaklanmıştır. Düşük
sıcaklıkta ısıl enerji depolayan maddeler içerisinde yağ asitleri ve parafinler diğer FDM’lere kıyasla birçok üstün özelliklere sahiptirler. Bu özellikler; ısıtma ve soğutma amaçlı ısı depolama için uygun faz değişim sıcaklığı, yüksek gizli ısı depolama kapasitesine sahip olma, aşırı soğuma davranışı, faz ayrımı göstermeme ve depolandığı kapta (eğer metal ise) korozyon oluşturmama, kolay temin edilebilme, iyi bir ısıl ve kimyasal kararlılığa sahip olma şeklinde sıralanabilir.
Parafin (e.n: 42-44°C) ve stearik asit (SA, e.n: 69,1°C) gizli ısı depolama maddeleri olarak yukarıda belirtilen tüm özelliklere sahiptirler. Ancak, bu maddelerin düşük ısıl iletkenliğe sahip olmaları erime-katılaşma işlemleri süresince ısı depolama/boşaltma hızlarının düşük olmasına neden olur ve bu durum IED sisteminin performansını azaltır. Düşük ısıl iletkenliğe sahip olmaları bu maddelerin IED sistemlerinde etkin kullanımlarını kısıtlamaktadır. Bu nedenle düşük ısıl iletkenlik problemi iklim şartlarına göre binaların aktif veya pasif yolla ısıtılması, elektronik cihazların soğutulması gibi IED uygulamalarında enerjiyi faz değişimi yoluyla depolayan bu maddelerin kullanımına engel teşkil etmektedir. Bu yüzden, bu maddelerden daha etkin bir şekilde yararlanabilmenin yolu, ısıl iletkenliklerinin iyileştirilmesidir.
Bu çalışmada, güneş enerjisiyle pasif yolla bina ve seraların ısıtılması ve konutlarda su ısıtma gibi bazı ısıl uygulamalarda gerekli enerjinin depolanması için yüksek ısıl iletkenliğe sahip parafin/genişletilmiş grafit (GG), parafin/karbon fiber (Kf), SA/GG ve SA/Kf kompozit karışımlarının hazırlanması ve ısıl özelliklerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Böylece, ısıl iletkenliği zenginleştirilmiş olarak hazırlanan bu kompozit karışımlar IED konusundaki literatüre kazandırılmış olacaktır.
2. LİTERATÜR ÖZETLERİ
2.1. Enerji Depolama Tipleri
Enerjinin insan hayatındaki vazgeçilmezliği insanları yeni arayışlara zorlamıştır. Yapılan çalışmaların başlıca amacı; enerjinin en verimli şekilde depolanması ve ihtiyacı karşılayacak en uygun dönüşümün geliştirilmesidir. Enerji depolama tanımı ve enerjinin çeşitli şekillerde depolanması önemli uygulamalardan biridir ve bu konuda kapsamlı araştırmalar yapılmaktadır. Genel olarak enerji aşağıda belirtilen şekillerde depolanabilir (Kılkış ve Kakaç, 1989; Dinçer, 2002; Yang, 1989).
• Kimyasal
o Termokimyasal o Fotokimyasal o Sentetik yakıtlar
o Elektrokimyasal (Bataryalar ve yakıt hücreleri) • Elektriksel
o Kapasitör
o Süperiletken manyetik enerji depolama • Mekaniksel
o Sıkıştırılmış hava ile enerji depolama
o Flywheel (mekanik bataryalarda) enerji depolama o Hidrolik akümülatör
• Potansiyel
o Hidro elektrik • Isıl enerji depolama
o Duyulur ısı depolama o Gizli ısı depolama
Enerji depolama yöntemleri arasında en verimli ve ekonomik olanı IED yöntemidir. Bu yöntem duyulur ve gizli ısı depolama olmak üzere ikiye ayrılır.
a) Duyulur ısı depolama (sıvılar, katılar)
Faz değişimli bir enerji depolama sisteminde kimyasal bir değişme meydana gelmiyorsa termodinamiğin birinci kanununa göre sabit basınçta ısıl enerji depolama
q C dT H C dT (1) s e e o T T s E T T k d =
∫
+ +∫
şeklinde yazılabilir. Burada Ck ve Cs (kJ/kgoC) sırasıyla katı ve sıvının sabit basınçtaki özgül ısıları; HE(kJ/kg) erime gizli ısısı, Te(K) erime sıcaklığı, To ve Ts sırasıyla FDM’nin ilk ve son sıcaklığını göstermektedir.
Bu eşitliğe göre enerji;
1-Maddenin ısı kapasitesiyle (sıcaklığı arttırılarak) 2-Maddenin erime gizli ısısıyla (sabit sıcaklıkta)
depolanmaktadır. Enerjinin maddenin ısı kapasitesinden yararlanılarak depolanmasına duyulur ısı depolama, sabit bir faz geçiş sıcaklığında “faz değişimi yoluyla depolanmasına” gizli ısı depolama denir (Kılıç ve Öztürk,1983; Sharma ve Sagara, 2005). Enerjiyi bu şekilde depolayan maddeler “faz değişim maddesi” olarak adlandırılırlar.
2.1.1. Duyulur Isı Depolama
Duyulur ısı depolama; enerjinin katı ya da sıvı haldeki bir maddenin ısı depolama kapasitesinden yararlanılarak depolanmasıdır. Isı depolama maddesinin sıcaklığı arttırılarak enerji duyulur şekilde depolanır. Duyulur ısı depolamada ısı yükleme ve boşaltma işlemi süresince depolama ortamının sıcaklığı değişir.
Depolanan ısıl enerji miktarı ortamın özgül ısısına Cp, sıcaklık değişimine ΔT ve depolama maddesinin miktarına (m) bağlıdır.
Q mC dT mCp
(
Ts Ti)
v Cp T (2) T T p s i Δ = − = =∫
ρEşitlikde v (m3) maddenin hacmi, ρ (kg/m3) maddenin yoğunluğu ve Cp (kJ/kgK) sabit basınçtaki özgül ısıdır. Eşitlik belli bir hacimde ve ΔT sıcaklık farkında depolanacak ısının miktarı maddenin hacimsel özgül ısısı (ρ.cp) ile orantılıdır (Dinçer ve Dost, 1996).
Duyulur ısı depolamada kullanılan maddenin ısı kapasitesinin büyük olması yanında yanma ve alevlenme özelliğinin olmaması, maddenin uzun süre (yaklaşık olarak 10–15 yıl) özelliklerini koruması, zehirli ve korozif olmaması istenir. Aynı zamanda depolama maddesinin kolay elde edilebilir ve ucuz olması gerekir. Elde edilebilme kolaylığı ve ucuzluğu sebebiyle daha çok su veya çakıl taşı tercih edilmektedir. Çizelge 2.1’de bazı duyulur ısı depolama maddelerinin ısıl-fiziksel özellikleri verilmiştir (Dinçer, 2002; Kılkış ve Kakaç, 1989; Yang, 1989).
Çizelge 2.1. Bazı duyulur ısı depolama maddelerinin 300 K sıcaklığındaki ısıl-fiziksel özellikleri (Dinçer, 2002; Çengel, 2003)
Malzeme Yoğunluk (kg/m3)
Isı iletim kat. (W/mK)
Özgül ısı (J/kg K)
Isı yayılım kat. (10-6m2/s) Isı kapasitesi (106 J/m3K) Odun 721 0,159 1260 0,17 0,91 Beton 1600 0,790 840 0,59 1,34 Tuğla 1920 0,900 790 0,59 1,52 Cam 2710 0,760 837 0,33 2,27 Alüminyum 2702 2237,000 903 97,13 2,44 Karbon çeliği (Mn≤%1,Si<%0,1) 7854 60,500 434 17,75 3,41 Saf demir 7870 80,200 447 22,80 3,52 Çakıl taşı 2050 1,730 1840 0,46 3,77 Su 996 0,615 4178 0,15 4,16
2.1.2. Gizli Isı Depolama
Gizli ısı depolama; sabit bir sıcaklıkta maddenin faz değişimi süresince iç enerjindeki artışla birlikte ile birlikte ısı enerjisi depolamasına denir. Maddenin katı-katı, katı-sıvı, katı-gaz, sıvı-sıvı ve sıvı-gaz şeklindeki faz değişimi süresince enerji, gizli ısı olarak absorplanır ya da salıverilir. Katı-gaz ve sıvı-gaz geçişleri daha yüksek gizli ısı değerine sahiptir fakat faz geçişi esnasında büyük hacim değişiminin meydana gelmesi yüksek basınca dayanıklı kapların kullanılmasını gerektirdiği için bu tip faz geçişleri yoluyla IED sınırlı konuma sahiptir. Faz değişimi sırasında hacimdeki büyük değişim sistemin dizaynını oldukça karmaşık yapar. Sıvı-sıvı dönüşümlerinde depolanabilecek enerji çok azdır. Katı-katı geçişlerinde; madde bir kristal yapıdan başka bir kristal yapıya dönüşürken ısı depolar. Bu geçiş genellikle katı-sıvı geçişinden daha küçük gizli ısı değerine ve hacim değişimine sahiptir (Wang ve ark., 2000; Pillai ve Brinkwarth, 1976).
Katı-katı dönüşümleri sıvı-gaz dönüşümleri ile mukayese edildiğinde daha küçük gizli ısı değerine sahiptirler. Katı-sıvı geçişleri ekonomik bakımından ısı depolama sistemleri için en uygun faz değişim tipidir. Ayrıca, bu faz değişimi esnasında hacim değişimi (% 10 veya daha az) oldukça küçüktür. FDM’li bir gizli ısı enerji depolama (GIED) sisteminin enerji depolama kapasitesi
(
)
(
[
E k e i s s e]
T T p E T T p T T C T T C H m dT mC mH dT mC Q s e e o − + − + = + + =∫
∫
)
(3)Bu ifadede Ck ve Cs (kJ/kgK) sırasıyla katı ve sıvı fazın sabit basınçtaki özgül ısıları; To (K) başlangıç sıcaklığı, Te (K) erime sıcaklığı ve Ts (K) son sıcaklık ve HE(kJ/kg) erime gizli ısısıdır. Bu eşitlikteki birinci ve üçüncü terim FDM’nin duyulur ısısını, ikinci terim ise, erime gizli ısısını ifade eder.
Gizli ısı depolama sistemleri; duyulur ısı depolama sistemleri ile karşılaştırıldığında önemli iki avantaja sahiptirler. (i) Birim kütle ve birim hacim başına daha yüksek enerji depolama yoğunluğuna sahip olmalarıdır (Şekil 2.1.). (ii) Enerji depolama ve boşaltma işlemi için sabit sıcaklıkta gerçekleşmesidir (Sharma ve Sagara, 2005).
ΔT = 15 K FDM Plastik Taş Odun Su
Şekil 2.1. Bazı maddelerin birim ünite başına enerji depolama kapasiteleri
2.2. GIED Sistemlerinde Kullanılan FDM’ler
Uygun bir sıcaklık aralığında faz değişimine uğrayan maddeler ısı enerjisini depolamak için kullanılabilirler. Ortam sıcaklığı arttığı zaman FDM faz değişimine (katı-sıvı) uğrar. Faz değişim işlemi endotermiktir ve FDM, bu süreçte ısı absorplar. Faz değişim sıcaklığına ulaşıldığı zaman erimeye başlar ve bu işlem tamamlanıncaya kadar sıcaklık sabit kalır. Madde faz değişim işlemi (erime) esnasında enerjiyi gizli ısı olarak depolar.
Katı-sıvı faz değişimi yoluyla 0-100 oC sıcaklık aralığında GID uygulamaları için uygun birçok organik ve inorganik türde uygun FDM’ler mevcuttur. Bu FDM’ler Şekil 2.2’deki gibi sınıflandırılabilirler. IED sistemlerinin dizaynında kullanılacak ısı depolama maddelerinin istenilen bazı termodinamik, kinetik ve kimyasal özelliklere sahip olmaları gerekmektedir (Hale ve ark., 1971; Garg ve ark., 1985; Budhi ve Sawhney, 1994). Ayrıca,
bu maddeler ekonomik olarak cazip ve kolay temin edilebilir olmalıdırlar. FDM’lerde istenilen özellikler şöyle sıralanabilir:
(A) - Isıl-fiziksel özellikler
• İstenilen sıcaklık aralığında erime sıcaklığına sahip olmalı
• Birim hacim ya da kütle başına yüksek erime gizli ısısına sahip olmalı • Duyulur ısı depolamaya ek olarak yüksek özgül ısıya sahip olmalı • Yüksek ısıl iletkenliğe sahip olmalı
• Depolama kabı problemini azaltmak için çalışma sıcaklığında düşük buhar basıncına sahip olmalı ve faz değişiminde küçük hacim değişimi göstermeli • Düzenli erime ve katılaşma davranışı göstermeli
(B) - Kinetik Özellikler
• Sıvı fazın aşırı soğumasını önlemek için çekirdekleşme hızı yüksek olmalı • Isının hızlı geri kazanımı için kristal büyüme hızı yüksek olmalı
(C) - Kimyasal Özellikler
• Kimyasal kararlılık göstermeli
• Tamamen tersinir erime/katılaşma dönüşümüne sahip olmalı
• Çok sayıda erime/katılaşma dönüşümünden sonra kimyasal kararlılık göstermeli
• Yapı malzemelerine karşı korozif olmamalı • Toksik, yanıcı ve patlayıcı olmamalı
(D) - Ekonomik Özellikler
• Kolay temin edilebilir olmalı • Düşük maliyete sahip olmalı
Şekil 2.2. GID için kullanılanFDM’lerin sınıflandırılması (Zalba ve ark., 2003)
2.2.1. Tuz Hidratlar
Tuz hidratlar M.nH2O formülü ile karakterize edilirler ve M burada bir inorganik bileşiktir. Tuz hidratlar ısı depolama yoğunluklarından dolayı ısı depolama maddelerinin önemli bir sınıfını oluştururlar. Çizelge 2.2’de bazı tuz hidratların ısıl-fiziksel özellikleri verilmiştir.
Bu maddelerin FDM olarak kullanılmaları sırasında karşılaşılan en büyük problem düzensiz erime davranışı göstermeleridir. Erime esnasında yoğunluk farkından dolayı katı faz depolama kabının alt kısmında birikir. Bu nedenle özel önlemler alınmazsa katılaşma işlemi süresince katı faz gerçek tuz hidratı oluşturmak için doygun çözelti ile birleşemez. Tuz hidratların kullanımı sırasında karşılaşılan diğer bir problem, sıvı tuz hidratın aşırı soğumasına neden olan düşük çekirdekleşebilme özelliğidir. Uygun önlemler alınarak aşırı soğuma önlenebilir ya da azaltılabilir.
Çizelge 2.2. Bazı tuz hidratların erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları (Lane, 1983; Abhat, 1983; Garg ve ark., 1985; Buddhi ve Sawhney, 1994; Hale ve ark., 1971; Sharma, 1999)
FDM Erime sıcaklığı (oC) Yoğunluk (kg/m3) Isıl iletkenlik (W/mK) Gizli ısı (kJ/kg) Erime davranışı KF.4H2O 18 - - 330 Düzenli K2HO4.4H2O 18,5 144720C 145518C 14806C - 231 - CaCl2.6H2O 29-30 156232C 180224C 0,56161,2C 1,00823C 170-192 Düzensiz LiNO3.3H2O 30 - - 189-296 Düzenli Na2SO4.10H2O 32 148524C 0,544 251-254 Düzensiz Na2CO3.10H2O 33-36 1442 - 247 Düzensiz Na2HPO4.12H2O 35 1522 - 256-281 Düzensiz Zn(NO3)2.6H2O 36 182836C 193724C 206514C 0,46439,9C 0,46961,2C 134-147 Düzenli K3PO4.7H2O 45 - - 145 - Na2S2O3.5H2O 48 1600 - 209 - CH3COONa.3H2O 58 - - 270-290 Düzensiz Ba(OH)2.8H2O 78 193787C 207024C 2180 0,65385,7C 0,67898,2C 1,25523C 265-280 Düzenli Sr(OH)2.8H2O 89 - - 370 Düzensiz Mg(NO3)2.6H2O 89-90 155094C 163625C 0,49095C 0,502110C 0,61137C 0,69955,6C 162-167 Düzenli (NH4)Al(SO4).6H2O 95 - - 269 -
2.2.2. Parafinler
Parafinler, oda sıcaklığında wax kıvamına sahip büyük oranda ağır hidrokarbonlardan oluşan maddelerdir. Kimyasal olarak parafin wax’lar başlıca zincir sonlarında 2-metil grupları gibi düşük miktarda kuvvetli zincire sahip hidrokarbonlardan oluşurlar. CnH2n+2 kimyasal formülü ile karakterize edilen parafinler birbirlerine çok benzer özelliklere sahiptirler. Serideki ilk dört alkan (metan’dan (CH4)-pentan’a (C5H10)) oda sıcaklığında, atmosfer basıncında gazdır. Karbon sayıları C5 ve C15 arasında bulunan parafinler sıvı halde, geriye kalanlar wax’lı katılar halinde bulunurlar. Parafin wax’ın yapısında bulunan n-alkan genellikle %75’in üzerindedir ve bazen %100’e ulaşabilir. Parafinler yapılarında bulunan alkanın zincir uzunluğuna bağlı olarak düz zincirli (n-alkan) ya da dallanmış (izo-alkan) olabilir.
Saf parafinler sadece alkanlardan oluşur ve en iyi bilinen parafin oktadekan (C18H38) dır. Alkanların erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları karbon sayısının artmasıyla artar. C14-C40 aralığındaki alkanların erime noktaları 6-80 oC sıcaklık aralığındadır ve bu alkanlar genellikle parafinler olarak adlandırılırlar (Abhat, 1983).
Parafinler, yüksek erime gizli ısısına sahip olmaları ve geniş bir sıcaklık aralığı içinde bulunmalarından dolayı gizli ısı depolama maddeleri olarak nitelendirilirler. Bazı parafinlerin özellikleri Çizelge 2.3’de verilmiştir. Parafinler kolaylıkla temin edilebilirler ve genellikle tuz hidratlardan daha pahalıdırlar (Lane, 1983; Hale ve ark., 1971).
FDM olarak parafinlerin sahip oldukları üstün özellikler şöyle sıralanabilir. • Erime esnasında faz ayrışması göstermezler.
• Kimyasal olarak kararlıdırlar.
• Erime noktaları geniş bir sıcaklık aralığı içindedir. • Erime gizli ısıları yüksektir.
• Korozif ve toksik özellik göstermezler. • Düşük buhar basıncına sahiptirler.
• Aşırı soğuma davranışı göstermezler ve bu nedenle çekirdekleştirici gerektirmezler.
• Düşük maliyete sahiptirler. • Kolay temin edilebilirler. • Düşük yoğunluğa sahiptirler.
• Erime esnasında küçük hacim değişimi gösterirler.
Parafinler istenilen özelliklerinin yanında bazı istenmeyen özelliklere de sahiptirler. Bu dezavantaları;
• Düşük ısıl iletkenliğe sahiptirler.
• Sabit bir erime sıcaklığına sahip değillerdir. • Yanıcı özelliğe sahiptirler.
Sharma ve ark., (1998; 2002) ticari saflıktaki parafin waxların 1500 ısıl dönüşümden sonra kararlı özelliklere sahip olduklarını rapor etmişlerdir. Parafin wax’lar yüksek erime ısısına sahiptirler (Çizelge 2.3). Aşırı soğuma eğilimi göstermedikleri için çekirdekleştirici madde ilavesi gerektirmezler (Lane, 1983; Buddhi ve Sawhney, 1994; Hasnain, 1998; Sharma, 1999). Metal kaplar üzerinde korozyona neden olmazlar ve bu sebeple de GIED sistemlerinde tuz hidratlara göre tercih edilirler (Lane, 1983).
Çizelge 2.3. Parafinlerin erime noktaları ve erime gizli ısıları (Lane, 1983; Abhat, 1983; Garg ve ark., 1985; Buddhi ve Sawhney, 1994; Hale ve ark., 1971; Sharma, 1999)
Bileşik “C” atomu sayısı Erime Noktası(oC) Yoğunluk (kg/m3) Isıl iletkenlik (W/mK) Gizli ısı (kJ/kg) n-Dodekan 12 -12 750 0,21K - n-Tridekan 13 -6 756 - 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-Heptadekan 17 22 778 215 n-Oktadekan 18 28,2 814K , 775S 0,35K, 0,149S 245 N-Nonadekan 19 31,9 912K, 769S 0,21K 222 n-Eikosan 20 37 247 n-Heneikosan 21 41 215 n-Dokosan 22 44 249 n-Trikosan 23 47 234 n-Tetrakosan 24 51 255 n-Pentakosan 25 54 238 Parafin wax - 32 785K, 749S 0,514K, 0,224S 251 n-Hekzakosan 26 56 770 0,21 257 n-Heptakosan 27 59 773 236 n-Oktakosan 28 61 910K, 765S 255 n-Nonakosan 29 64 240 n-Triakontan 30 65 252 n-Hentriakontan 31 930K, 830S - n-Dotrikontan 32 70 - n-Tritrikontan 33 71 189 K: katı; S: sıvı
Parafinler Çizelge 2.3’den görülebileceği gibi katı halde düşük ısıl iletkenliğe sahiptirler. Düşük ısıl iletkenlik katılaşma dönüşümü süresince yüksek ısı transfer hızı gerektiği zaman bir problem teşkil eder. Velraj ve ark., (1998) bu problemin kanatçıklı kaplar, metalik dolgular kullanılarak yada gizli/duyulur ısı depolama sistemlerinin bir kombinasyonu oluşturularak azalabileceğini rapor etmişlerdir. Tuz hidratların aksine ticari parafinler genellikle sabit bir erime noktasına sahip değillerdir. Parafinler yanıcıdır fakat, bu sorun özel depolama kaplarının kullanılması ile kolaylıkla giderilebilir (Himran ve ark., 1994; Hale ve ark., 1971, Hasnain, 1998).
2.2.3. Parafin Olmayan Organik Katılar
Parafin olmayan organik katılar, GID için en geniş FDM kategorisini oluştururlar. Lane (1983; 1989), Abhat (1983) ve Buddhi ve ark., (1994) organik maddeler üzerine yoğun araştırmalar yaparak, enerji depolama için FDM’ler olarak uygun çok sayıda ester, yağ asidi, alkol ve glikol belirlemişlerdir. Parafin olmayan organik katılar farklı özelliklere sahip çok sayıda FDM’den oluşur. Bu maddelerin her biri çok benzer özelliklere sahiptir. Bu maddeler yanıcıdırlar ve aşırı derecede yüksek sıcaklığa, ateşe ya da oksitleyici maddelere maruz bırakılmamalıdırlar.
2.2.3.1. Yağ Asitleri
Yağ asitleri, kimyasal formülleri CH3(CH2)2nCOOH şeklinde gösterilen ve parafinler gibi çok benzer karakteristiklere sahip olan organik FDM’lerdir. Yağ asitleri, trigliserit adı verilen yağlardan elde edildiklerinden dolayı bu adı taşırlar. Bütün yağ asitleri bir ucunda bir metil grubu, diğer uçta ise karboksil grubu ihtiva eden uzun hidrokarbon zinciri şeklinde bulunurlar. Düşük karbon sayısına sahip olanlar oda sıcaklığında sıvı halde bulunurken karbon sayıları arttıkça viskoziteleri de artar ve daha yüksek karbon sayılı olanlar katı halde bulunurlar. Düşük karbon sayısına sahip olan yağ asitleri suda çözünürler ve zayıf asit özelliği gösterirler. Bu maddeler sıvı fazda bir adsorban maddenin (polimer, kil vb.) yapısında tutulabilecek kadar yüksek yüzey
gerilimine (2-3x10-4 N/m) sahiptirler. Yağ asitlerinin ham maddeleri yenilebilir bitkisel ve hayvansal kaynaklardan elde edilmektedir (Rozanna ve ark., 2004).
Yağ asitleri, özellikle tuz hidratlarda görülen problemlerin hiç birini taşımazlar. Ayrıca, enerji depolama için gerekli tüm termodinamik, kinetik, kimyasal ve ısıl kriterlere sahiptirler. Diğer FDM’lerle ile mukayese edildiklerinde sahip oldukları bazı avantaj ve dezavantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir:
Avantajları;
• Düzenli erime ve katılaşma davranışı gösterirler • Yüksek erime gizli ısısına sahiptirler
• Kendiliğinden çekirdekleşebilme özelliğine sahiptirler • Düşük buhar basıncı gösterirler
• Erime esnasında faz ayrımı göstermezler
• GIED için uygun bir faz değişim sıcaklığına sahiptirler • Faz değişimi esnasında düşük hacim değişimi gösterirler
• Tekrarlanan erime/katılaşma dönüşümlerinden sonra iyi ısıl ve kimyasal kararlılık gösterirler
• Zehirli değildirler ve kolay temin edilebilirler
Dezavantajları;
• Düşük ısıl iletkenliğe sahiptirler
• Yanıcıdırlar ve maliyetleri diğer FDM’lere kıyasla daha fazladır.
Enerji depolama amaçlı kullanılan bazı yağ asitleri ve onların ısıl-fiziksel özellikleri Çizelge 2.4’te gösterilmiştir.
Çizelge 2.4. Yağ asitlerinin erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları (Lutton, 1967; Formo ve ark., 1979; Baıley 1950; Ferguson ve Lutton, 1941; Malkin, 1952; Zalba ve ark., 2003; Sharma ve Sagara, 2005) FDM Erime sıcaklığı (oC) Gizli ısı (kJ/kg) Isıl iletkenlik (W/mK) Yoğunluk (kg/m3) Propil palmiat 10 186 - - İzopropil palmiat 11 100 - - Oleik asit 13,5-16,3 - 0,188672,5C 0,178390C 86360C İzopropil stearat 14-19 140-142 - - Kaprilik asit 16 16,3 148 149 0,14939C 0,14567,7C, 0,14820C 90130C 86280C 98113C 103310C Butil stearat 19 140 123-200 - - Vinil stearat 17-29 122 - - Metil palmitat 29 205 - - Kaprik asit 32 31,5 152,7 153 0,15338,5C 0,15255,5C, 0,14940C 87845C 88640C, 100424C Metil-12-hidroksi-stearat 42-43 120-126 - - Laurik asit 42-44 178 0,192172,5C 0,185290C 86260C, 100724C Miristik asit 49-51 54 205 187 - 86155C 84480C Palmitik asit 64 61 185,4 203,4 0,16268,4C 0,15980,1C 85065C 84780C Stearik asit 69 60-61 202,5 186 0,17270C 84870C 96524C
2.2.4. Ötektik Karışımlar
Bir ısı depolama maddesinde faz değişimi için istenilen sıcaklık nadiren saf bir maddenin erime sıcaklığı ile çakışır. Bu nedenle, erime sıcaklığını 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 katılarak ötektik karışım oluşturulması şeklinde tanımlanabilir. Ötektik karışım; kristallenme süresince bileşen kristallerinin bir karışım oluşturduğu, her birinin düzenli olarak eridiği ve katılaştığı iki veya daha fazla bileşenin minimum erime noktalı karışımıdır (Lane, 1989; Sharma, 2005; Sarı ve ark., 2005).
Saf bileşenlerden ayrı olarak, spesifik iklim şartlarına uygun erime sıcaklığına sahip ötektikler GIED uygulamaları için kullanılabilirler (Tunçbilek, 2005). Bu amaçla, birçok tuz hidrat ve yağ asidi ötektik karışımlarının ısıl-kimyasal-fiziksel özellikleri detaylı olarak araştırılmıştır. Literatürde en fazla yer alan inorganik ve organik ötektik karışım tipleri aşağıdaki başlıklar altında incelenebilir.
2.2.4.1. Tuz hidrat Ötektik Karışımlar
Tuz hidrat ötektik karışımları literatürde en fazla yer alan ötektik FDM’lerdir. Binaların ısıtılması ve soğutulması, konutlarda sıcak su temini gibi IED amacına uygun erime noktasına ve erime gizli ısısına sahip tuz hidrat ötektik karışımların hazırlanması ve ısıl özelliklerinin belirlenmesine ilişkin literatürde bir çok çalışma vardır (Kimura ve Kai, 1988; 1991; Abhat, 1983; Zalba ve ark., 2003). İncelenen bazı tuz hidrat ötektik karışımları ve ısıl özellikleri Çizelge 2.5’da verilmiştir.
Çizelge 2.5. Bazı inorganik ötektik karışımlar (Zalba ve ark., 2003) Karışım Erime sıcaklığı (oC) Erime gizli ısısı (kJ/kg) Isıl iletkenlik (W/mK) Yoğunluk (kg/m3) %66,6 CaCl2.6H2O + %33,4 MgCl2. 6H2O 25 127 - 1590 %48 CaCl2 + %4,3 NaCl + %0,4 KCl + %47,3H2O 26,8 188 - 1640 %47 Ca(NO3)2.6H2O + %53 Mg(NO3)2. 6H2O 30 136 - - %60 Na(CH3COO).3H2O + %40 CO(NH2)2 31,5 226 - - %61,5 Mg(NO3)2. 6H2O + %38,5 NH4NO3 52 125,5 0,494 (65 oC) 0,515 (88 oC) 0,552 (36 oC) 1515 (65 oC) 1596 (20 oC) %58,7 Mg(NO3)2. 6H2O + %41,3 MgCl2. 6H2O 59 132,2 0,510 (65 oC) 0,565 (85 oC) 0,678 (38 oC) 1550 (50 oC) 1630 (24 oC) %66 üre + %33,4 NH4Br 76 161 0,331 (79 oC) 0,324 (92 oC) 0,649 (39 oC) 1440 (85 oC) 1548 (24 oC) %32,5 LiF + %50,5 NaF + %17 MgF2 632 - - 2105 (sıvı) 2810 (25 oC)
2.2.4.2. Yağ Asidi Ötektik Karışımları
Yağ asitleri diğer FDM’lere kıyasla, üstün bazı ısıl, fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip oldukları için, bu asitlerden oluşturulacak ötektik FDM karışımlarının da benzer özellik göstermesi beklenebilir. Bu sebeple, yağ asidi ötektik karışımları, literatürde en fazla yer alan organik ötektiklerdir. Yağ asitleri ötektik karışımları konusunda literatürde birçok çalışmaya rastlamak mümkündür. Çizelge 2.6’da bazı yağ asidi ötektik karışımları ve ısıl-fiziksel özellikleri verilmiştir. Zhang ve ark., (2001) laurik, palmitik, stearik asit ve bunların ikili sistemlerinin katı-sıvı faz değişimini diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve Fourier Transform Infrared (FT-IR) metotları ile incelediler. İkili sistemler için katı-sıvı faz geçiş sıcaklığını 32,84 0,71 ºC ve erime ısısını 146,5–195,1 J.g± -1 aralığında belirlediler. Dimaano ve Escoto, (1998) kaprik asit (%65 mol KA) ve laurik asit (%35 mol LA) karışımını, düşük sıcaklık (soğutma amaçlı) IED sistemleri için uygun bir FDM olarak değerlendirmiştir. Ayrıca, bu asitlerin farklı bileşimlerdeki karışımlarının ısıl özelliklerini
DSC analizi ile belirleyerek, mevcut literatür bilgileriyle karşılaştırmışlardır. Kauranen ve ark., (1991) yeni bir metot kullanarak belirli iklim şartlarına göre güneş enerjisinin ısıtma ve soğutma amaçlı depolanması için uygun erime noktasına sahip yağ asidi ikili ötektik karışımları hazırlamış ve karışımların ısıl özelliklerini DSC metoduyla ölçmüşlerdir. Dimaano ve Watanabe, (2002) %65 - %35 (mol) bileşimdeki kaprik - laurik asit ötektik karışımının ısıl performansını inceleyerek bu karışımın yüzey soğutma amaçlı GIED için potansiyel bir FDM olduğunu ifade etmişlerdir. Sarı ve Kaygusuz, (2002) DSC analiz metoduyla laurik asit (LA) - stearik asit (SA) ikili sisteminin ötektik bileşim oranını; %75,5 LA – %24,5 SA (kütlece), ötektik erime sıcaklığını; 37,0oC ve erime gizli ısısını; 182,7 J.g-1 olarak belirlemişlerdir. Ayrıca, bu çalışma grubu bir enerji depolama ünitesi içerisinde depolanan LA-SA ötektik karışımının ısıl ve ısı transfer karakteristiklerini belirleyerek, iklim şartlarına göre yüzey ısıtma ve sera ısıtma uygulamaları için uygun FDM olarak kullanılabileceğini belirtmişlerdir.
Çizelge 2.6. Yağ asidi ötektik karışımlarının ısıl-fiziksel özellikleri (Baran ve Sarı, 2003; Kauranen ve ark., 1991; Zalba ve ark., 2003)
Yağ asidi karışımı
Bileşim oranı (% wt)
Erime
sıcaklığı (°C) ısısı (J/g)Erime Yoğunluk (kg/m3)
Isıl iletkenlik (W/mK) Kaprik – laurik 61,5 - 38,5 18 148 888 (25oC) 1018 (1oC) 0,164 (39,1oC) 0154 (61,2 oC) Kaprik – miristik 73,5 - 26,5 24 147,7 - - Kaprik – palmitik 75,2 - 24,8 22,1 152 - - Kaprik – stearik 86,6 - 13,4 26,8 160 - - Laurik – miristik 62,6 - 37,4 32,6 156 - - Laurik – palmitik 64,0 - 36,0 32,8 165 - - Laurik – stearik 75,5 - 24,5 37,3 171 - - Miristik– palmitik 51,0 - 49,0 42,6 169,7 - - Miristik – stearik 65,7 – 34,3 44,2 181 - - Palmitik – stearik 64,9 – 35,1 52,3 181,7 - -
2.3. GIED Sistemlerinde Isı Transfer Arttırılması için Kullanılan Yöntemler
GIED sistemlerinde ısı transfer hızı arttırılarak depolama veriminin yükseltilmesi konusunda literatürde birçok çalışmaya rastlamak mümkündür.
Erek ve Acar (2003), yaptıkları çalışmada iç yüzeyi sabit sıcaklıkta olan radyal kanatlı bir boru çevresinde faz değişimi ile enerji depolanmasını sayısal olarak incelemişlerdir. Farklı kanat parametreleri (kanat aralığı, kanat kalınlığı, kanat çapı) ve farklı yüzey sıcaklıkları için sayısal çözümlemeler elde etmişlerdir. Sonuçta her bir değişkenin depolanan enerjiye ve katılaşma miktarına olan etkileri grafiksel olarak gösterilmiş ve ilgili bağıntıların kullanılmasıyla enerji depolama için en uygun sistemin tasarlanabileceğini ifade etmişlerdir.
İlken ve Toksoy (1991), GIED sistemlerinde ısı transfer hızını düşüren önemli faktörlerden biri olan, yüzey üzerinde katılaşan kütlenin oluşturduğu ısıl direncin etkisini azaltmak için kanatlı yüzeyler içeren enerji depoları kullanmışlardır. Sonuçta eşit uzunluğa sahip ince kanatçıklarla daha iyi ısı transferi sağlanacağı ve ısı depolanacağı sonucuna varmışlardır.
Hoogendoorn ve Bart (1992), içinden su geçirilen silindirik boruların etrafında FDM’nin depolandığı bir GIED sistemi oluşturdular. Sistemde ısı iletimini arttırmak için FDM olarak kullandıkları parafin içerisine %1,6’lık hacim kaplayan bir metal kafes yerleştirmişlerdir. Böylece borularda akan suyun ölçülen giriş ve çıkış sıcaklığını zamanın bir fonksiyonu olarak belirlemişlerdir. Sonuçta; parafin türü maddelerin en önemli dezavantajı olan düşük ısıl iletkenliğin ve dolayısıyla ısı transferinin böyle bir yöntemle önemli ölçüde arttırılabileceğini rapor etmişlerdir.
Liu ve arkadaşları (2005), FDM olarak stearik asidin kullanıldığı bir GIED ünitesinin performansı üzerine çalışmalar yürütmüşlerdir. Stearik asidin ısıl iletkenliğini arttırmak için elektrikli bir ısıtıcı çubuk üzerine bakırdan yapılı kanatçıklar yerleştirmişlerdir. Bu kanatçıklar sayesinde stearik asidin ısıl iletkenliğinin üç kat
artırılabileceğini bulmuşlardır. Elde edilen sonuçlar, yeni tip kanatçığın FDM’nin hem kondüksiyonla hem de doğal konveksiyonla ısı transferini arttırabileceğini göstermiştir. Ayrıca kanatçık boyutu ve yüksekliğinin ısıl iletkenlik artışı üzerine etkilerini de inceleyerek bu iki parametrenin ısıl iletkenliğin arttırılmasında önemli derecede etkili olduğunu belirlemişlerdir.
Zhang ve arkadaşları (2001), içten kanatçıklı tüp kullanılarak GIED sisteminde ısı transferindeki artışı incelemişlerdir. Elde ettikleri deneysel sonuçlar ısı transfer akışkanı olarak düşük ısıl iletkenliğe sahip bir akışkan kullanıldığı zaman iç kanatçık ilave edilmesinin ısı transferinin arttırılmasında için çok etkili olduğunu göstermiştir.
Ettouney ve arkadaşları (2004), iç içe geçmiş silindirik iki borudan oluşan bir GIED sisteminde ısı transferindeki zenginleşmeyi incelemişlerdir. Deneysel çalışmaları FDM olarak kullanılan parafinin içine yerleştirilen metal kafes/küre’lerin sayısı ve çapının fonksiyonu olarak yürütmüşlerdir. Sonuçta parafinin hacimce %2’si kadar metal küre/kafes kullanarak büyük bir ısı transfer zenginleşmesi elde edilebildiğini göstermişlerdir.
Velraj ve ark. (1997), yapmış oldukları deneysel çalışmada dairesel iki boruyu eş merkezli ve dikey olarak yerleştirdikleri bir GIED düzeneğinde FDM olarak parafin kullanmışlardır. İçteki boruda bulunan FDM’nin içine ise dikdörtgen kesitli kanatçıklar yerleştirmişlerdir. Böylece ısı transferinde gerçekleşen iyileşmeyi incelemişlerdir. Kullandıkları kanatçıklar vasıtasıyla parafinin ısıl iletkenliğinin birkaç kat daha arttığını rapor etmişlerdir.
Cabeza ve ark. (2002), yaptıkları çalışmada FDM olarak su/buz ile çalışan bir soğutma sisteminde ısı transferini arttırmak için üç farklı zenginleştirme metodu (paslanmaz çelik, bakır ve FDM-Grafit kompoziti) kullanmışlardır. FDM içine paslanmaz çelik parçaların ilavesinin ısı akışını önemli derecede arttırmadığı, bakır parçaların ilave edilmesinde özellikle erime esnasında önemli bir ısı transfer zenginleşmesi sağlandığı ve grafit kompozit karışımların kullanılmasının bakır ile elde edilen ısı transfer zenginleşmesinde daha büyük bir artış sağladığını belirlediler. Sonuçta FDM içine
yerleştirilen metal parçaların ısı transferi üzerine etkisinin sadece yüksek iletken madde (bakır ve grafit matriks) kullanıldığı zaman meydana geldiği sonucuna vardılar.
Lacroix (1993), içinde ısı transfer akışkanının sirküle olduğu eş merkezli iki silindirik boru arasında depolanan FDM’nin faz değişim davranışını incelemek amacıyla teorik bir model geliştirmiştir. Deneysel çalışmaları kanatçıklı ve kanatçıksız tüpler üzerinde yürütmüştür. Sonuçta kullanılan silindirik boruların çapı, akışkan giriş sıcaklığı, kütlesel akış debisi ve içteki borular üzerine kanatçık yerleştirilmesinin depolama ünitesinin performansını iyileştirmek için dikkate alınması gereken parametreler olduklarını ortaya koymuştur.
Yukarıda verilen literatür bilgilerine bakıldığında, yapılan çalışmaların düşük ısıl iletkenlik problemini aşmak için Şekil 2.3’de gösterildiği gibi ince şerit metal, ince duvarlı halkalar, gözenekli metaller, gözenekli grafit, metal tozları, metal köpük matriks kullanımı üzerine olduğu açıkça görülmektedir.
Epoksi kaplanmış ince İnce duvarlı halkalar Kanatçıklı ısı değiştirici kanatçıklı ısı değiştirici
Metal tozları Grafit Matriks Metal köpük
Şekil 2.3. Isıl iletkenlik arttırmada kullanılan çeşitli ısıl iletkenlik arttırıcılar
2.4. GIED Sistemlerinde FDM’nin Isıl iletkenliğinin Arttırılması
GIED sistemlerinde ısı transferini arttırmak amacıyla kullanılan metotların sistemin ağırlığını arttırma, yoğunluk farkı oluşturma, korozyona neden olma ve maliyeti arttırma gibi dezavantajları vardır. Özellikle son yıllarda FDM’lerin ısıl iletkenlikleri silika katalizör, aktif karbon ve genişletilmiş grafit (GG) gibi gözenekli maddeler içinde depolanmasıyla arttırılmaktadır. Maddenin gözenek boyutları erimiş haldeki FDM’nin akmasını önleyen kapiler kuvvetleri etkilediği için erimiş FDM’nin tutulmasında önemli bir rol oynamaktadır. Bu nedenle yukarıdaki araştırmalar göz önüne alındığında ısıl iletkenlik arttırıcı olarak genişletilmiş grafit (GG) ve karbon fiber (Kf) aşağıdaki avantajlara sahiptirler:
— Farklı yönlerde ısı transferine izin verirler. — Ticari olarak mevcutturlar.
— Kimyasal reaksiyonlara karşı inert özelliktedirler. — Organik FDM’lerle fiziksel olarak uyumludurlar.
— Yüksek ısıl iletkenliğe sahiptirler (GG için ısıl iletkenlik: 4-100 W/mK, Kf için ısıl iletkenlik: 190 W/mK).
GG ve Kf kullanılarak GIED sistemlerinde kullanılan FDM’nin ısıl iletkenliğinin iyileştirilmesi konusunda yapılan çalışmalar oldukça sınırlıdır.
Khan ve Rohatgi (1994), alüminyum-silikon ve kurşun bazlı kompozit içinde grafit, alümina, demir ve bakır içeren silindirik bir destek içerisinde katılaşma süresince ısı transfer karakteristiklerini incelemişlerdir. Bununla birlikte erime işlemi sırasında ara yüzey hareket hızının büyük ölçüde zenginleştiricinin ısıl iletkenliğine bağlı olduğunu rapor etmişlerdir.
Fukai ve ark. (2000), FDM’lerde ısı transferini arttırmak için karbon fiberlerden yapılı fırçalar geliştirmişlerdir. Ayrıca geliştirdikleri fırçayı bir silindirik kap içerisinde depolanan parafin wax’ın ısıl iletkenliğini arttırmak için kullanmışlardır. Bununla beraber FDM-fiber kompozitindeki fiberlerin yönleri için etkili ısıl iletkenliğin teorik olarak maksimum değere ulaştığını deneysel olarak gözlemişlerdir. Sonuçta FDM ve ısı transfer
akışkanı arasında ısı değişimini arttırmak için karbon fırçaların gerekli olduğunu göstermişlerdir.
Py ve ark. (2001), yaptıkları çalışmada sıkıştırılmış, genişletilmiş doğal grafit matrix içinde parafinin kapiler kuvvetler tarafından tutulduğu yeni bir kompozit faz değişim maddesi hazırlamışlardır. Sonuçta ağırlıkça %65-95 aralığında hazırlanan bu kompozit FDM’lerin ısıl iletkenliklerinin 4-70 W/mK arasında olduğunu belirlemişlerdir.
Xiao ve ark. (2002), yaptıkları deneysel çalışmada termoplastik bir elastomer poli(stiren-bütadien-stiren) ile parafini karıştırarak sıcaklığın parafinin erime sıcaklığının üzerine çıkılması halinde bile bir katı halde şeklini koruyan şekilce kararlı kompozit FDM’leri incelemişlerdir. Kararlı yapıdaki bu kompozit FDM’lerin parafin ile aynı faz değişim karakteristikleri gösterdiklerini ve erime gizli ısısının parafinin gizli ısısının %80’i kadar olduğunu belirlemişlerdir. Kararlı yapıdaki kompozit FDM’ye yüksek ısıl iletkenliğe sahip yüzeyi genişletilmiş grafit (YGG) ilave ederek ısıl iletkenliğin YGG ilave edilmesiyle önemli derecede arttığını gözlemişlerdir.
Frusteri ve ark. (2005), karbon fiberlerin bir organik FDM44’ün ısıl iletkenliğinin zenginleşmesi üzerine etkisini incelemişlerdir. Bununla beraber farklı uzunluktaki fiberleri FDM44 içine dağıtarak elde edilen kompozitlerin ısıl iletkenliklerini sıcak tel (hot-wire) metodu kullanarak ölçmüşlerdir. Ayrıca eklenen karbon fiberler ve ısıl iletkenlik artışı arasındaki doğrusal ilişkinin büyük miktarda (ağırlıkça %10’a kadar) karbon fiber katılması ile elde edileceğini rapor etmişlerdir.
Bununla birlikte, bu maddeleri kullanarak yüksek ısıl iletkenliğe sahip kompozit karışımların hazırlanması, ısıl-fiziksel özelliklerinin belirlenmesi ve bir enerji depolama ünitesinde ısıl performanslarının deneysel olarak belirlenmesi konusunda yapılan çalışmaların sayısı birkaç makaleyle sınırlıdır. Dolayısıyla, parafin/GG, parafin/Kf, SA/GG ve SA/Kf kompozit karışımlarının ısıl özelliklerinin ve ısıl enerji depolama performanslarının belirlenmesi bu konudaki eksikliği gidermek bakımından oldukça önemlidir.
3. MATERYAL ve METOT
3.1. Deneysel Çalışmalarda Kullanılan Maddeler
Bu çalışmada parafin/GG, parafin/Kf, stearik asit/GG ve stearik asit/Kf kompozit karışımlarını hazırlamak için Merck firmasından temin edilen parafin wax (e.n: 42-44oC) ve stearik asit ((SA) e.n: 67-69oC), ısıl iletkenliği arttırıcı olarak Astaş firmasından temin edilen grafit ve Teknoyapı firmasından temin edilen karbon fiber kullanıldı. Deneylerde kullanılan bu maddelerin fotoğraf görüntüleri Şekil 3.1’de gösterilmiştir. FDM olarak kullanılan parafin ve SA’nın DSC analiziyle belirlenen ısıl-fiziksel özellikleri Çizelge 3.1’de ayrıntılı bir şekilde verilmiştir.
Parafin SA
GG Kf
Çizelge 3.1. Deneysel çalışmalarda kullanılan faz değişim maddeleri Spesifik ısı (J/g.ºC) Saflık derecesi FDM Yoğunluk (kg/m3) Erime sıcaklığı (ºC) Erime entalpisi (J/g) Isıl İletkenlik (W/mK) katı halde sıvı halde Parafin 785 41,6 194,6 0,21-0,24 1,93 2,38 %98 Stearik asit 940 68,8 198,8 0,29-0,30 2,12 2,32 %97
GG yaklaşık olarak 35-75µm partikül boyutuna ve 15m2/g yüzey alanına, karbon fiberler 6 µm kalınlığa ve 5mm uzunluğa sahiptir. Kullanılan bu maddelerin üretici firmalar tarafından belirtilen özellikleri Çizelge 3.2’de verilmiştir.
Çizelge 3.2. Isıl iletkenliği arttırmak için kullanılan maddelerin bazı ısıl-fiziksel özellikleri Genişletilmiş grafit (GG) Yoğunluk (kg/m3) Isıl İletkenlik (W/mK) Partikül boyutu (μm) 1,3 4-100 35-75 Karbon fiber (Kf) Yoğunluk (kg/m3) Isıl İletkenlik (W/mK) Lif çapı (μm) 1,4 190 6 3.2. Deney Düzenekleri
Deneysel işlemlerde kullanılan düzenekler Bölümümüz Fizikokimya Araştırma Laboratuvarında oluşturuldu. Isıl iletkenlik ölçümlerinin yapıldığı sıcak tel (hot-wire) düzeneği başlıca; numunenin eritilerek konulduğu hücre, orta noktasına bir termoçift yerleştirilmiş platin tel, dijital volt ve akım göstergeli güç kaynağı, platin teli gergin tutacak bir yay, veri toplayıcı (data logger) ve bilgisayardan oluşmaktadır. Bu bileşenleri içeren deney düzeneğinin şematik görünümü ve fotoğraf görüntüsü sırasıyla Şekil 3.2 ve Şekil 3.3’de gösterilmiştir. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde kullanılan deney düzeneği de temel olarak; enerji depolama ünitesi,
sıcaklık kontrollü su banyoları, bağlantı boruları, veri toplayıcı (data logger) ve bilgisayardan ibarettir. Erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde kullanılan deney düzeneğinin şematik görünümü ve fotoğraf görüntüsü sırasıyla, Şekil 3.4 ve Şekil 3.5’de verilmiştir.
Şekil 3.2. Isıl iletkenlik ölçümlerinin yapıldığı deney düzeneğinin şematik görünümü
Şekil 3.4. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde kullanılan düzeneğin şematik görünümü
Şekil 3.5. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde kullanılan düzeneğin fotoğraf görüntüsü
3.2.1. Isıl İletkenlik Ölçüm Hücresi
Deney düzeneğinin bu kısmı ısıl iletkenliği belirlenecek olan saf parafin, SA ve bu maddelere kütlece farklı oranlarda GG ve Kf katılarak hazırlanan karışımların eritilerek konulduğu 4 mm et kalınlığına sahip PVC malzemeden yapılı bir ünitedir. Bu ünite yatay konumda tutulan 3,2 mm, 105 mm ve 22 mm ebatlarındaki bir dikdörtgenler prizmasından ibarettir. Hazırlanan parafin/GG, parafin/Kf, SA/GG ve SA/Kf kompozit karışımları erimiş halde bu hücre içerisine üst kısmından dolduruldu. Isıl iletkenlik ölçüm hücresinin fotoğraf görüntüsü Şekil 3.6’da verilmiştir.
Şekil 3.6. Isıl iletkenlik ölçümlerinin yapıldığı hücrenin fotoğraf görüntüsü
3.2.2. Enerji Depolama Ünitesi
Enerji depolama ünitesi, erime ve katılaşma süreleri belirlenecek kompozit karışıma depoluk görevi yapmaktadır. Bu ünite iç içe geçmiş pyrex camdan yapılı iki cam sistemden ibarettir. Dıştaki cam kap 77 mm uzunluğunda 50 mm çapında ve 2 mm et kalınlığındadır. İçteki cam kap ise, 66 mm uzunluğunda, 30 mm çapında ve 2 mm et
kalınlığındadır. Sıvı halde kompozit karışımlar, içteki cam kap içerisine üst kısımdan dolduruldu. Ünitenin 1/5’lik kısmı faz değişimi esnasında meydana gelebilecek muhtemel hacim değişiminden dolayı, boş bırakıldı. Depolama ünitesine üst kısımdan bir adet termoçift monte edildi. Enerji depolama ünitesinin fotoğraf görüntüsü Şekil 3.7’de verilmiştir.
Şekil 3.7. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde kullanılan enerji depolama sisteminin fotoğraf görüntüsü
3.2.3. Güç Kaynağı
Isıl iletkenlik ölçümlerinde platin telden akım geçişini sağlamak için NET PS-1502D marka LED ekranlı güç kaynağı kullanıldı. Güç kaynağının her iki çıkış noktasındaki ölçüm değerleri cihaz üzerinde bulunan dijital voltmetre ve ampermetre ekranları üzerinden okunabilmektedir.
Güç kaynağının özellikleri: Çıkış Voltaj: 0-15V, Çıkış Akım: 0-1,5A, Besleme: AC 220V ± %10, Regülasyon: Komitatörlü, Ebatlar: 125x145x180mm, Ağırlık: 2,2kg
3.2.4. Veri Toplayıcı
Veri toplayıcı sistem (data logger), ısıl iletkenlik ölçüm hücresi içerisindeki platin tele orta noktasından temas edecek şekilde yerleştirilen termoçift tarafından algılanan sıcaklık verilerini programlanan zaman aralığı içinde kaydetmektedir. Termoçiftde oC olarak algılanan sıcaklık sinyali DC voltaja dönüşerek 12 bite’lik AD/DA karta aktarılmaktadır. Elde edilen bu sinyaller bu kart tarafından bilgisayar ortamındaki kaydedici programa aktarılmaktadır.
3.2.5. Termoçift
Isıl iletkenlik ölçüm hücresinin merkezinden geçen platin telin içerisine kompozit karışımlar boşaltıldıktan sonra uygulanan gerilim vasıtasıyla platin telin ve enerji depolama sistemi içinde depolanan kompozit karışımların sıcaklık değişimlerini zamana bağlı olarak ölçmek için termoçiftler kullanıldı. 20 mm uzunluğunda olan bu termoçift, LM 335H isimli elektronik sıcaklık sensörünün pirinç malzemeden yapılı bir kapsül içine yerleştirilmesiyle hazırlanmıştır. Bu termoçift 0-100oC sıcaklık aralığında ±0,01oC hassasiyette kullanılabilmektedir. Bu termoçift 1m uzunluğa sahip kablo yardımıyla veri toplayıcıya bağlanmıştır.
3.2.6. Sıcaklık Banyoları ve Diğer Elemanlar
FDM’nin erimesini sağlayan sıcak su deposu ve katılaşmasını sağlamak amacıyla soğuk su depolarından oluşan iki adet sabit sıcaklık banyoları kullanılmıştır. Bu banyolar 53x33x23 cm ve 32x17,5x16,5 cm ebatlarında paslanmaz çelik malzemeden yapılıdır. Deneyler sırasında ısı transfer akışkanı olarak kullanılan suyun sıcaklığı Lauda ve Grant marka kontrollü ısıtıcılarla istenilen sıcaklık değerine ayarlandı.
3.3. Isıl İletkenlik Ölçümü İçin Sıcak Tel (Hot-Wire) Metodu
3.3.1. Metodun Tanımı
Sıcak tel metodu, bir test maddesi içine yerleştirilmiş elektriksel olarak ısıtılan telin zamanla sıcaklık artışının ölçümüne dayanan standart dinamik bir tekniktir. Isıl iletkenlik belirli zaman aralıklarında sıcaklıktaki değişimden türetilebilir.
Metodun ideal matematiksel modeli, sıcak telin homojen ve sabit başlangıç sıcaklığına (To) sahip madde tarafından çevrelenen, sonsuz incelikte ve uzun doğrusal bir ısı kaynağı olması varsayımına dayanır. Özellikle bu metot Carslaw ve Jaeger’in teorisinde önerildiği gibi doğrusal ısı kaynağı ve sonsuz kütle için kurulur (Carslaw ve Jaeger, 1959). Bu teoriye göre ısı sıcak tele göre ortagonal yönün yanı sıra sistem boyunca difüze olan bir elektrik akımının akışı ile üretilir. Sıcak tel t=0 anında birim ünite tel uzunluğu başına sabit ısı akışı (q) ile ısıtıldığında tel çevresinde radyal ısı akışı meydana gelir. Elektrik gücünün değerinin sabit olduğu durumda aşağıdaki eşitlik yazılabilir.
( )
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = =∫
∞ − t r E Q du u e Q t r T i r u α πα πα πα 4 4 4 , 2 4 / 2 (8)Burada Ei aşağıdaki kanuna göre güç serisi olarak geliştirilmişbir integral üssüdür.
( )
du u e x E r E x u i i∫
∞ = − − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − πα 4 2 (9)x’in küçük değerleri için
( )
( ) 4 1 ) ln(x x x2 x3 x Ei − =γ + − + +Ο (10)Burada O (x3) güç serisinin korelasyon (karşılıklı ilişki) faktörüdür. Genişletilmiş zaman aralığı için kt r x 4 2
= «1 serinin üçüncü ve dördüncü terimleri ihmal edilebilir, böylece
eşitlik (10) aşağıdaki gibi olur.
K Q K r K Q t r T ı ı π γ α π ln 4 4 4 ) , ( 2 − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = (11) Burada p ı c Q Q . ρ = , P c K . ρ α =
Başlangıç sıcaklığı ve telin boyutu dikkate alındığında eşitlik aşağıdaki gibi olur.
⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = − 2 0 0 0 . 4 ln 4 ) , ( r c t K Q T t r T ı α π (12)
Burada c=eγ =1.78 Eşitlik 11’in türetilmesiyle aşağıdaki eşitlik elde edilir.
)) (ln / /( 4 dT d t Q K ı ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = π (13) L uzunluğuna sahip elektrik direnci tarafından sağlanan güç dikkate alındığında ısıl iletkenlik ölçümü için eşitlik aşağıdaki gibi olur.
(
/ (ln ))
/ 4 L dT d t VI K ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = π = 4 /( /ln( 1) 2 t t T L VI Δ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ π (14)Eşitlik 14’de L (m) resistans telin uzunluğunu, V (volt) uygulanan gerilimi, I (amper) telden geçen akımı, t (s) zamanı ve ∆T, t1 ve t2 arasındaki sıcaklık farkını ifade etmektedir.
Bu eşitliğe göre zamanın fonksiyonu olarak ∆T sıcaklık artışının ölçümü grafiğe geçirilerek elde edilen grafikten sıcaklık artışı ∆T’nin doğrusal kısmının eğiminin hesaplanmasıyla ısıl iletkenlik K belirlenir. Sıcak telin sıcaklık artışı genel olarak 10oC ye kadar yükselir ve telin zamanla sıcaklık artış eğrisi Şekil 3.8.’de görüldüğü gibi olur.
Şekil 3.8. Tipik sıcaklık artış eğrisi (a-ideal eğri b-ideal olmayan eğri)
Kullanılan sıcaklık algılayıcıların konumu ve sıcaklık artışı ölçüm yolu bakımından direnç tekniği, standart (çapraz tel) teknik ve paralel tel olmak üzere üç tür ölçüm tekniği mevcuttur. Çapraz tel tekniğinde doğrusal ısı kaynağı olarak çapı 0,1-0,4 mm aralığında olan platin, mangan, Cr-Ni gibi resistans teller kullanılır. Zamana karşı sıcaklık artışı ısıtıcı telin orta noktasıyla temasta olan termoçift vasıtasıyla ölçülür. Termoçift ısıtıcı tel ile doğrudan temastadır ve numunenin tam merkezine yerleştirilir. Şekil 3.9’da çapraz tel tekniğini kullanan ölçüm düzeneğinin şematik gösterimi verilmiştir.
Direnç tel tekniğinde platin tel sıcaklık sensörünün yanı sıra ısıtıcı tel olarak davranır. Potansiyel uçlar numunenin sonundan yaklaşık 1,5 cm de ısıtıcı tele birleştirilen ince platin tellerden oluşur. Prob metodunda ikisi de seramik mikrokapiler içerisine yerleştirilen ısıtıcı tel ve sıcaklık sensöründen oluşan silindirik bir prob kullanılır.
