T.C.
FIRAT ÜN VERS TES FEN B L MLER ENST TÜSÜ
TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI S STEM N N YOLLARDAK
KAR VE BUZU ER TMEK Ç N KULLANILMASININ DENEYSEL
VE TEOR K OLARAK ARA TIRILMASI
Asım BALBAY
Tez Yöneticisi: Doç. Dr. Mehmet ESEN
DOKTORA TEZ
T.C.
FIRAT ÜN VERS TES FEN B L MLER ENST TÜSÜ
TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI S STEM N N YOLLARDAK
KAR VE BUZU ER TMEK Ç N KULLANILMASININ DENEYSEL
VE TEOR K OLARAK ARA TIRILMASI
Asım BALBAY
Doktora Tezi
Makine E itimi Anabilim Dalı
Bu tez, 26/12/2007 tarihinde, a a ıda belirtilen jüri tarafından oybirli i ile ba arılı olarak de erlendirilmi tir.
Danı man: Doç. Dr. Mehmet ESEN Üye : Prof. Dr. Cengiz YILDIZ Üye : Prof. Dr. Yasin VAROL Üye : Doç. Dr. Hüsamettin BULUT Üye : Doç. Dr. hsan DA TEK N
Bu tezin kabulü, Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun .../.../...tarih ve ...sayılı kararıyla onaylanmı tır.
TE EKKÜR
Bu çalı mamda bana yol gösteren ve yardımlarını esirgemeyen ba ta tez danı manım sayın Doç. Dr. Mehmet ESEN’e, sayın Prof. Dr. Yasin VAROL’a, sayın Doç. Dr. Niyazi ÖZDEM R’e, sayın Doç. Dr. hsan DA TEK N’e, sayın Yrd. Doç. Dr. Celal SARSILMAZ’a; deney düzene inin kurulmasında bana yardımcı olan sayın Ar . Gör. Hikmet ESEN’e, sayın Levent TANRIÖVER’e (Elazı Palu Mesleki ve Teknik E itim Merkezi – Makine Ö retmeni), sayın Ahmet ÇEL K’e (Elazı 100. Yıl Anadolu Teknik Lisesi, Teknik Lise ve Endüstri Meslek Lisesi – Yapı Ö retmeni), sayın Selman GÖZLER’e (Elazı Anadolu Teknik Lisesi, Teknik Lisesi ve Endüstri Meslek Lisesi – Elektrik Ö retmeni), Sayın Cuma Ali NCE’ye (Elazı Palu Mesleki ve Teknik E itim Merkezi – Elektrik Ö retmeni), sayın n aat Mühendisi Ömer Faruk DURSUN’a (Elazı DS Bölge Müdürlü ü); malzeme ihtiyacını sa layan Ye il Çizgi Isı Teknikleri irketi personeline ve Devi Türkiye-Danfoss Grup irketi personeline; sayısal çalı ma ile ilgili problemlerde internet ortamında bana yardımcı olan Anova irketi personeline ve tezi hazırlama a amasında bana her konuda destek olan sevgili e im Kadriye BALBAY’a te ekkür ederim.
Fırat Üniversitesi Bilimsel Ara tırma Projeleri (FÜBAP) yönetim birimi tarafından maddi olarak desteklenen 1154 nolu projemize katkıda bulunan bütün FÜBAP personeline de te ekkür ederim.
Ç NDEK LER
Sayfa
Ç NDEK LER ... I EK LLER L STES ... IV TABLOLAR L STES ... VI S MGELER L STES ...VII KISALTMALAR ... X ÖZET XI
ABSTRACT...XII
1. G R ... 1
1.1. Konu ile lgili Yapılan Çalı malar ... 3
2. KAR VE BUZ ER TME LE LG L ESASLAR ... 7
2.1. Kar ve Buz Olu umu... 7
2.2. Kar ve Buz Eritmek için Gerekli Isıl Hesaplar ... 8
2.2.1. Isıl Denge ... 9
2.2.2. Karsız Alan Oranı ... 9
2.2.3. Duyulur ve Gizli Isı Akısı Denklemleri ... 11
2.2.3.1. Duyulur Isı Akısı... 11
2.2.3.2. Eritme Isı Akısı ... 12
2.2.4. Yüzeyde Olu an Ta ınım, I ınım ve Buharla madan Dolayı Isı Kayıpları... 12
2.2.5. Isı Akısı Hesapları... 16
2.2.6. Sırt ve Kenar Kayıpları ... 16
2.2.7. Blok Yüzeyinde Olu an Yüzey artları ... 17
2.3. Kar Eritme Sistemlerinin Sınıflandırılması... 20
2.3.1. Isı Borulu Sistem... 20
2.3.2. Sulu Sistemler ... 21
2.3.2.1.TKIP Sistemi ile Kar ve Buzu Eritme... 22
2.3.3. Elektrikli Kar Eritme Sistemleri... 24
2.3.4. Kızıl Ötesi Isı Yayan Kar Eritme Sistemleri... 25
2.4. Kar Eritme Sistemlerinde letme Maliyeti Hesabı... 26
3. DENEYSEL ÇALI MA ... 28
3.1. Sondaj Kısmının Hazırlanması ... 28
3.2. Isıl Duyarlılık Testi (IDT)... 33
3.2.1 IDT’nin Çalı ma Prensibi ... 34
3.3. Kar Eritme Sistemlerinin Hazırlanması ... 40
4. SAYISAL ANAL Z... 65
4.1. Hesaplamalı Akı kanlar Dinami i (HAD) Yazılımları... 65
4.1.1 Fluent programı... 65
4.1.2. Gambit programı ... 67
4.2. Isı Transferi Modeli ... 68
4.2.1. letim ve Ta ınım Isı Transferi... 68
4.2.2. Viskoz Modeli... 69
4.2.3. Süreklilik ve Momentum Denklemleri... 71
4.3. Sayısal Çözümü Yapılacak Modeller... 71
4.3.1. Toprak Modeli (Sondaj Deli i Kısmı) ... 72
4.3.1.1. 30 m Derinli indeki Kuyunun Sıcaklık Da ılımı ... 74
4.3.1.2. 60 m Derinli indeki Kuyunun Sondaj Deli i Sıcaklık Da ılımı ... 75
4.3.1.3. 90 m Derinli indeki Kuyunun Sıcaklık Da ılımı ... 76
4.3.2. Köprü ve Yer Blo u Modeli ... 77
4.3.2.1. Model için Çözüm Yönteminin Belirlenmesi ... 79
4.3.3. Zamana Ba lı Çözüm... 82
4.3.4. Zamana Ba lı Olmayan Çözümler... 86
4.3.4.1. 30 m Derinli indeki Kuyunun TKIP Sistemi ile Kullanılması Halinde Köprü Blo unda Olu an Sıcaklık Da ılımı... 86
4.3.4.2. 60 m Derinli indeki Kuyunun TKIP Sistemi ile Kullanılması Halinde Köprü Blo unda Olu an Sıcaklık Da ılımı... 87
4.3.4.3. 90 m Derinli indeki Kuyunun TKIP Sistemi ile Kullanılması Halinde Köprü Blo unda Olu an Sıcaklık Da ılımı... 89
4.3.4.4. 30 m Derinli indeki Kuyunun TKIP Sistemi ile Kullanılması Halinde Yer Blo unda Olu an Sıcaklık Da ılımı... 90
4.3.4.5. 60 m Derinli indeki Kuyunun TKIP Sistemi ile Kullanılması Halinde Yer Blo unda Olu an Sıcaklık Da ılımı... 92
4.3.4.6. 90 m Derinli indeki Kuyunun TKIP Sistemi ile Kullanılması Halinde Yer Blo unda Olu an Sıcaklık Da ılımı... 94
4.3.4.7. 90 m Derinli indeki Kuyunun TKIP Sistemi ile Kullanılmaması Halinde Köprü Blo unda Olu an Sıcaklık Da ılımı ... 96
4.3.4.8. 90 m Derinli indeki Kuyunun TKIP Sistemi ile Kullanılmaması Halinde Yer Blo unda Olu an Sıcaklık Da ılımı... 97
KAYNAKLAR ... 112 ÖZGEÇM ... 116
EK LLER L STES
ekil No Sayfa
ekil 2.1 Kar erimede olu an yüzey artlarının de i imi- karın erimesi sırasında blo un kesit görünü ü17
ekil 2.2 Karlı ve sulu kar eritme modelinde ısı transferinin ematik gösterilimi... 18
ekil 2.3 Sulu tabakada ısı transferinin ematik gösterilimi... 19
ekil 2.4 Isı borusunun ematik gösterimi... 21
ekil 2.5 Elektrikli ısıtma elemanlarının yerle imi... 24
ekil 3.1 Kuyu açılacak alanın görünü ü... 29
ekil 3.2 Kuyu açılması sırasında bentonitin aktarılı ı... 29
ekil 3.3 Sondaj kuyusunun açılmı halinin görünümü... 30
ekil 3.4 U-borusunun kuyuya yerle tirilmesi... 31
ekil 3.5 U-borusunun bentonit dolgusu ile dolgu yapılmı halinin görünümü ... 32
ekil 3.6 30, 60 ve 90 m derinli indeki kuyular ile köprü modelinin birlikte görünümü... 32
ekil 3.7 Kuyuların derinlikleri, aralarındaki mesafeleri ve U-borusunun topraktaki üç boyutlu görünümü ... 33
ekil 3.8 IDT cihazı ile ölçümün ematik görünümü ... 35
ekil 3.9 IDT akı eması... 35
ekil 3.10 Tg-c’nin logaritmik zamana kar ı grafi i... 38
ekil 3.11 Tg-c’nin logaritmik zamana kar ı grafi i... 39
ekil 3.12 Köprü ve yer modeli için demir donatının görünümü ... 40
ekil 3.13 Köprü ve yer modeli için 16 mm PX-b borunun ve sıcaklık ölçerlerin donatıya yerle iminin görünümü ... 41
ekil 3.14 Köprü ve yer blokları ile sondaj kuyuların geometrik özelliklerinin görünümü ... 42
ekil 3.15 Borulu demir donatının beton blo a yerle iminin görünümü... 43
ekil 3.16 Boru ve sıcaklık ölçerlerin üstünün harç ile doldurulmasının görünümü... 43
ekil 3.17 Sensörün köprü blo u içine yerle tirili i ... 44
ekil 3.18 Çalı mada kullanılan termostat, sensör ve kılıfının görünümü... 44
ekil 3.19 Boruların izolasyonun görünümü ... 45
ekil 3.20 Köprü ve yer modelinin birlikte görünümü ... 45
ekil 3.21 Termostatın elektrik ba lantısının oldu u pano içindeki görünümü ... 46
ekil 3.22 Elektrik devresi emasının görünümü ... 47
ekil 3.23 Isı pompasının görünümü ... 51
ekil 3.24 Köprü ve yer blo unun, topra ın, boruların ve ısı pompasının ba lantı emati i... 52
ekil 3.25 Deney düzene inin üç boyutlu görünü ü ... 55
ekil 3.26 Blokta sıcaklık ölçümü alınan noktalar ... 56
ekil 3.27 Karın nasıl eritildi inin a ama a ama görünümü ... 57
ekil 3.28 Sondaj kuyularında sıcaklık ölçümü yapılan noktaların görünümü... 58
ekil 3.29 Derinliklere göre toprak sıcaklı ı ve dı hava sıcaklı ının de i imi (10-15 Kasım 2006)... 59
ekil 3.30 Sistemde kullanılan gerilim ve akım ölçerin görüntüsü ... 61
ekil 3.31 Üç farklı derinlik için sistemin COP’un zamanla de i imimin görünümü... 62
ekil 3.32 Üç farklı derinlikteki sondaj kuyularının köprü ve yer blo u içi sıcaklı a etkisi... 63
ekil 3.33 Köprü/yer bloklarında ısı ısı transfer hızları... 64
ekil 4.1 Çözüm algoritması... 67
ekil 4.2 Toprak geometrisinin boyutları (üstten görünümü)... 72
ekil 4.3 Toprak geometrisi... 73
ekil 4.4 Geometriye sayısal a (mesh) uygulamasının üç boyutlu ve üstten görünümü... 73
ekil 4.5 Toprak, bentonit ve akı kan arasında sıcaklık da ılımı (30 metre) ... 74
ekil 4.6 Sondaj deli i sıcaklık da ılımı (30 metre)... 75
ekil 4.7 Sondaj deli i sıcaklık da ılımı (60 metre)... 76
ekil 4.8 a) Sondaj deli i sıcaklık da ılımı (90 metre) b)30, 60 ve 90 m sondaj kuyularında sıcaklık da ılımının birlikte üst görünümü... 77
ekil 4.9 Modelde kullanılan blok boyutları ... 78
ekil 4.12 Köprü veya yer modeli : a) kar veya buz tabakası b) beton (harç) c) PEX boru d) borunun
kalıp içine serilmesi e) beton blok f) karlı blok... 80
ekil 4.13 Yüzeyde kar bulunması halinin görünümü... 80
ekil 4.14 Çözüm esnasında rezidüellerin de i imi ... 83
ekil 4.15 Köprü blo unda zamana ba lı sıcaklık da ılımı a) 0 s b) 3600 s c) 7200 s... 84
ekil 4.16 Yer blo unda zamana ba lı sıcaklık da ılımı a) 0 s b) 3600 s c) 7200 s... 85
ekil 4.17 Köprü blo undan su+antifriz çözeltisinin ortalama çıkı sıcaklı ının de i imi (30 metre) .... 86
ekil 4.18 Köprü blo unda sıcaklık da ılımı (30 metre)... 87
ekil 4.19 Köprü blo undan su+antifriz çözeltisinin ortalama çıkı sıcaklı ı (60 metre) ... 88
ekil 4.20 Köprü blo unda sıcaklık da ılımı (60 metre)... 88
ekil 4.21 Su+antifriz çözeltisinin ortalama çıkı sıcaklı ı (90 metre) ... 89
ekil 4.22 Köprü blo unda sıcaklık da ılımı(90 metre)... 90
ekil 4.23 Yer blo unda su+antifriz çözeltisinin ortalama çıkı sıcaklı ı(30 metre) ... 91
ekil 4.24 Yer blo unda sıcaklık da ılımı(30 metre)... 92
ekil 4.25 Yer blo unda su+antifriz çözeltisinin ortalama çıkı sıcaklı ı(60 metre) ... 93
ekil 4.26 Yer blo unda sıcaklık da ılımı (60 metre)... 93
ekil 4.27 Yer blo unda su+antifriz çözeltisinin ortalama çıkı sıcaklı ı (90 metre) ... 94
ekil 4.28 Yer blo unda sıcaklık da ılımı(90 metre)... 95
ekil 4.29 Yer blo undaki ısıtma borusunda sıcaklık da ılımı ... 95
ekil 4.30 Su+antifriz çözeltisinin ortalama çıkı sıcaklı ı (TKIP’sız 90 metre)... 96
ekil 4.31 Köprü blo unda sıcaklık da ılımı (TKIP’sız topraktan direkt: 90 metre)... 97
ekil 4.32 Yer blo unda su+antifriz çözeltisinin ortalama çıkı sıcaklı ı (TKIP’sız 90 m)... 98
ekil 4.33 Yer blo unda sıcaklık da ılımı (TKIP’sız topraktan direkt: 90 metre) ... 99
ekil 4.35 Rüzgar hızı ile yüzey sıcaklıklarının de i imi... 101
ekil 4.36 30 m’lik sondaj kuyusu devrede iken deneysel ve sayısal çalı ma sonucu su+antifriz çözeltisinin çıkı sıcaklıklarının de i imi ... 102
ekil 4.37 60 m’lik sondaj kuyusu devrede iken deneysel ve sayısal çalı ma sonucu su+antifriz çözeltisinin çıkı sıcaklıklarının de i imi ... 103
ekil 4.38 90 m’lik sondaj kuyusu devrede iken deneysel ve sayısal çalı ma sonucu su-antifiriz çözeltisinin çıkı sıcaklıklarının de i imi ... 104
ekil 4.39 TKIP’ sız 90 m’lik sondaj kuyusu devrede iken deneysel ve sayısal çalı ma sonucu su+antifriz çözeltisinin çıkı sıcaklıklarının de i imi ... 105
ekil 4.40 Köprü/yer modeli yüzey sıcaklıklarının deneysel ve sayısal olarak de i imi (30 m)... 106
ekil 4.41 Köprü/yer modeli yüzey sıcaklıklarının deneysel ve sayısal olarak de i imi (60 m)... 107
ekil 4.42 Köprü/yer modeli yüzey sıcaklıklarının deneysel ve sayısal olarak de i imi (90 m)... 108
ekil 4.43 90 metre kuyu devrede iken köprü/yer modeli yüzey sıcaklıklarının deneysel ve sayısal olarak TKIP’sız de i imi ... 109
TABLOLAR L STES
Tablo No Sayfa
Tablo 2.1 Sırt ve kenar ısı kaybı ... 16
Tablo 2.2 Kar eritme yüklerine göre önerilen boru merkezleri arasındaki mesafeler ... 24
Tablo 2.3 Farklı ısıtma sistemlerinin kar ıla tırılması ... 27
Tablo 3.1 Bazı toprak, kaya ve harç/dolgu malzemelerinin ısıl özellikleri ... 31
Tablo 3.2 60 m’deki IDT sonuçları... 38
Tablo 3.3 90 m’deki IDT sonuçları... 39
Tablo 3.4 U-borusunun ana karakteristikleri... 48
Tablo 3.5 Köprü ve yer ısı de i tiricisi’nde kullanılan Px-b borusunun mekanik ve ısıl özellikleri... 49
Tablo 3.6 Çe itli salamura karı ımlarının bazı fiziksel özellikleri... 50
Tablo 3.7 Elazı ilinin 2006-2007 yılı ısıtma sezonundaki iklimsel verileri... 60
Tablo 4.1 Modelde kullanılan malzemelerin termofiziksel özellikleri... 74
S MGELER L STES
r
A : Karsız alanının toplam alana oranı, (boyutsuz) f
A : Karsız alan, (m2)
s
A : Karlı alan, (m2)
t
A : Toplam kar eritme alanı, (m2)
s a : Ses hızı, B : Sırt kaybı yüzdesi, buz p, c : Buzun özgül ısısı, J/ (kg K) su p, c : Suyun özgül ısısı, J/(kg K) Cu : Bakır, Co : Konstantan, sa p C , : Su+antifiriz karı ımının özgül ısısı, (kJ/kg K) E : Euler sayısı, sc
F : Blok ve bulutlar arasındaki ı ınım alı veri oranı,
F : Birincil enerji maliyeti, (YTL/kWh)
b
G : Batmazlık nedeniyle türbülans üretimi,
k
G : Ortalama hız gradyenti yüzünden üretilen türbülans kinetik enerjisi, h : Tabana dik yakla an akım derinli i, (m)
if
h : Karın erime gizli ısısı, (J/kg)
c
h : Ta ınım ısı transfer katsayısı, W/(m2 K)
m
h : Kütle transfer katsayısı, (m/s)
fg
h : Buharla ma gizli ısısı (doymu su buharı ile doymu hava arasındaki entalpi farkı), (J/kg) H : Efektif kuyu derinli i, (m)
I : Birim tensörü,
hava
k : ta’da havanın ısıl iletkenli i, W/(m K)
eff
k : Efektif iletkenlik,W/(m K)
hava
k : Blok yakınındaki havanın ısıl iletkenli i, (W/m ºC) k : Türbülans kinetik enerjisi, (m2/s2)
L : Rüzgar yönünde ölçülen blo un karakteristik uzunlu u, (m)
sa
m : Kondenserden geçen su-antifiriz karı ımının debisi, (kg/s)
M : Yıllık çalı ma maliyeti, (YTL/yıl)
t
Nu : Nusselt sayısı, (boyutsuz) Pr : Prandtl sayısı,
t
Pr :Enerji için Prandtl sayısı, p : Atmosfer basıncı, (kPa)
r
p : Akımdaki bazı referans noktalarındaki mutlak basınç, (N/m2)
std
p : Standart atmosferik basınç, (kPa)
v
p : Buhar basıncı, (kPa)
0
q : Toplam ısı akısı, (W/m2)
s
q : Karın sıcaklı ını erime noktasına yükseltmek için duyulur ısı akısı, (W/m2)
m
q : Gizli ısı akısı, (W/m2)
h
q : Karsız yüzeyden ta ınım ve ı ınımla ısı akısı, (W/m2)
e
q : Buharla ma için ısı akısı, (W/m2)
a
Q : Yıllık kar eritme veya bekleme enerji gereksinimi, (kWh/m2)
Q : Uygulanan ısıl güç, (kW) q : Isı akısı, (W/m2)
L
Re : Karakteristik L uzunlu una ba lı Reynolds sayısı,
b
r : Kuyu yarıçapı, (m)
b
R : Isıl direnç, (K /(W/m)) Re : Reynold sayısı, (boyutsuz) Ra : Ra Rayleigh sayısı, (boyutsuz) s : Kar ya ı ı oranı, (mm/saat) Sc : Schmidt sayısı,
h
S : Kimyasal reaksiyon sonucu olu an ısı, S : Ortalama gerilme oranının tensörü,
k
S : Kullanıcı terimi,
a
T : Hava sıcaklı ı, (°C)
f
T : Sıvı film sıcaklı ı, (°C veya K)
s
T : Erime sıcaklı ı, (°C)
MR
T : Çevrenin ortalama ı ınım sıcaklı ı, (K)
bulut
T : Bulutların sıcaklı ı, (K)
gök
T : Açık gökyüzü sıcaklı ı, (K)
c g
T − : Giri - çıkı ortalama akı kan sıcaklı ı, (K) T : Kuyu ilk sıcaklı ı, (K)
t : Zaman, (s)
ç sa
T , : Kondenser’den köprü/yer modeline geçen su-antifriz sıcaklı ı, (K)
g sa
T , : Köprü/yer modelinden kondenser’e gelen su-antifriz sıcaklı ı, (K) V : Blok yakınındaki tasarım rüzgar hızı, (km/saat)
hava : Havanın kinematik viskozitesi, (m2/s)
ν :Suyun kinematik viskozitesi, (m2/s)
a
W : Çevre havasındaki nem oranı, kgbuhar /kghava f
W : Yüzey film sıcaklı ında doygun havanın nem oranı, kgbuhar /kghava
1
W : Kondenser sirkülasyon pompasının ebekeden çekti i güç, (kW)
2
W : Evaporatör sirkülasyon pompasının ebekeden çekti i güç, (kW)
3
W : Kompresörün ebekeden çekti i güç, (kW)
M
Y :Geni leme yayılımı terimi (dialatation dissipatation) z : Rakım, (m)
su
ρ : Suyun yo unlu u, (kg/m3)
σ : Stefan-Boltzmann sabiti (5.670 x 10-8 W/(m2K4)
ρ : Akı kanın yo unlu u, (kg/m3)
s
ε : Yüzeyin yayıcılı ı, (boyutsuz)
φ : Ba ıl nem,
k
σ : Türbülans kinetik enerjisi için Prandtl sayısı,
kuruhava
ρ : Kuru havanın yo unlu u, (kg/m3)
b : Yanma verimi (Isı pompasının ısıtma konumundaki COP’u) (boyutsuz) d : Enerji da ıtım verimi, boyutsuz (elektrik sisteminde 1 olarak alınabilir)
λ : Isıl iletkenlik, (W/mK)
α : Isıl yayılım, (m2/s)
γ : Euler sabiti, (0.57)
τ : Gerilme tensörü, m : Debi, (kg/s)
∇ :Gradiyent ve diverjans operatörü,
t
µ : Türbülans viskozitesi,
µ : Akı kanın viskozitesi, (Ns/m2) T : Sıcaklık farkı, (˚C)
KISALTMALAR
CFD : Hesaplamalı Akı kanlar Dinami i (Computational Fluid Dynamics)
HAD : Hesaplamalı Akı kanlar Dinami i TKIP : Toprak Kaynaklı Isı Pompası TID : Toprak Isı De i tiricisi
FÜBAP : Fırat Üniversitesi Bilimsel Ara tırma Projeleri
ASHRAE : American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers (Amerika Isıtma So utma ve klimlendirme Mühendisleri Birli i)
IDT : Isıl Duyarlılık Testi
TRNSYS : Zamana Ba lı Sistem çin Simülasyon Programı (Transient System Simülation)
COP : Performans (Coefficient of Performance)
BEOWULF : Birden fazla bilgisayarın paralel çalı tırıldı ı sistemler MRC : Japonya do al kaynakları geli tirme irketi
ÖZET Doktora Tezi
TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI S STEM N N YOLLARDAK
KAR VE BUZU ER TMEK Ç N KULLANILMASININ DENEYSEL
VE TEOR K OLARAK ARA TIRILMASI
Asım BALBAYFırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine E itimi Anabilim Dalı
2007, Sayfa: 116
Kı aylarında güvenli bir yolculuk ve geçi için özellikle köprü, hastane acilleri ve yoku gibi bazı kritik bölgelerde olu an kar birikintisini ve buz olu umunu önlemek önemlidir. Son zamanlarda kritik yüzeylerdeki kar birikintisini ve buz olu umunu önlemek için tuzlama, kumlama ve mekaniksel aletleri kullanmaya alternatif bir yöntem, otomatik olarak kontrol edilebilen sulu ve elektrikli kar eritme sistemlerini kullanmaktır. Tuzlama, kumlama ve mekaniksel aletlerin kullanımı yerine bu tür sistemlerin kullanılması ile köprülerin çelik ba lantılarında korozyon olu umu azaltılabilir ve yolun ömrü artırılabilir.
Toprak kaynaklı ısı pompası yardımı ile köprü ve yer örnek blokları üstündeki karın/buzun eritilmesi için deneysel ve sayısal bir çalı ma yapılmı tır. Deneysel sistem, yer altındaki ısıdan faydalanarak karın/buzun eritilmesi için dikey tekli tip toprak ısı de i tiricisi, ısı pompası ve köprü/yer bloklarından olu maktadır. Fluent 6.2 yazılımıyla, üç boyutlu Hesaplamalı Akı kanlar Dinami i (HAD) yazılımı kullanılarak sayısal çalı ma ile deneysel çalı ma kıyaslanmı tır. Sondaj ünitelerinin çalı tırılması durumunda, her 30 m sondaj derinli i için yer blo unun ortalama yüzey sıcaklı ındaki artı 0.5 ºC olurken, köprü blo unun ortalama yüzey sıcaklı ındaki artı 0.4 ºC olarak elde edilmi tir.
Bu tür sistemlerin, ülkemizde büyük kazalara neden olan yollardaki kar/buz olu umunun önlemesi için kullanılması ve bu tür projelerin hükümetler tarafından desteklenmesi gerekir.
Anahtar Kelimeler: Toprak kaynaklı ısı pompası, kar, buz, eritme, Fluent, HAD,
ABSTRACT
PhD Thesis
EXPERIMENTAL AND THEORETICAL INVESTIGATION OF
USING GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEM FOR MELTING
SNOW AND ICE ON ROADS
Asım BALBAY
Firat University
Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mechanical Education
2007, Page: 116
Preventing snow accumulation and ice formation on roads, especially on some critical sections including bridges, emergencies of hospital and ramps etc. is important to improve transportation safety in winter months. Recently, an alternative method to applying salting, sanding and using mechanical devices is to use automatically controlled hydronic and electrical snow melting systems to prevent ice formation and melting snow/ice on critical surfaces. Instead of salting, sanding and using mechanical devices such systems can reduce the rate of corrosion drastically bridge decks and so extend the life of road.
Experimental and numerical study was carried out for melting snow/ice on bridge and ground prototype slabs by ground source heat pump. The experimental system is composed of an underground thermal utility for snow/ice melting by using vertical ground heat exchanger, heat pump and bridge/ground slabs. Experimental and numerical study had been compared by using three-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) models with Fluent 6.2 software. In case of using boreholes, increasing of average surface temperature in bridge slab was obtained as 0.4 ˚C for each depth of 30 meters while increasing of average surface temperature in pavement slab was obtained as 0.5 ˚C for each depth of 30 meters.
These type systems should be used for preventing formation of snow/ice on roads leads to numerous dangerous accidents in our country and these type projects should be supported by the governments.
Keywords: Ground source heat pump, snow, ice, melting, Fluent, CFD, bridge, road,
1. G R
Yollardaki kar veya buz olu umları sürücüler ve yayalar için tehlikelidir. Bilhassa köprü dö emelerinin alt yüzeyleri toprakla temas halinde olmadı ı için dı havaya maruz kaldı ından buralarda buzlanma daha fazla görülmektedir. Kar veya buzdan dolayı yollarda, köprülerde, kaldırımlarda ve hava alanlarında insanların ölümüne, yaralanmasına ve maddi hasarlara sebep olan tehlikeli kazalar meydana gelmektedir. 1970’li yılların sonlarına do ru yapılan bir ara tırmaya göre Amerika Birle ik Devletlerinde kar veya buzdan dolayı yılda 25000 kaza meydana geldi i tespit edilmi tir [1]. Ayrıca, çe itli yük ve maddelerin sevkiyatının kar veya buzdan dolayı zorla ması, ülke ekonomisine büyük ölçüde zarar vermektedir. Yolcuların daha güvenli bir ekilde yolculuklarını yapabilmeleri, yayaların tehlikesiz bir biçimde bir yerden bir yere gidebilmeleri ve çe itli yüklerin emniyetli bir ekilde, zamanında sevk edilebilmesi için karın veya buzun asfalt yüzeylerden kaldırılması gerekir. Bu amaçla geleneksel yöntemler olan kimyasal maddelerin ve mekaniksel aletlerin kullanımı geçmi te oldu u gibi günümüzde de oldukça yaygındır [2]. Günümüzde kullanılan kimyasal maddeler sodyum klorür, kalsiyum klorür ve magnezyum klorür tuzlarıdır. Donma noktası dü ük olan bu tuzlar, kar veya buz ile temas haline geçti inde, olu an karı ımın erime noktasını a a ıya çekerek karın veya buzun erimesine neden olurlar. Ancak, bu kimyasal maddelerin bazı olumsuz etkileri var: 1) kimyasal maddelerin bazıları hava sıcaklı ının -3.9 ºC’nin altındaki ortamlarda etkisini göstermez, 2) fırtınalı günlerde atılırsa tuz fırtınanın etkisiyle eritilmek istenen yüzeylerden uzaklara ta ınır, 3) asfalt ile kimyasal etkile ime girerek asfaltın yapısını bozar, 4) seyir halindeki araçların metal aksamını ve köprü dö emesindeki çelik ba lantıları korozyona u ratır. Mekaniksel aletler kullanarak yollardaki karın veya buzun kaldırılmasında ise kar temizleme makinelerinin titre imi ve mekaniksel aletlerin kullanımı yolun yapısına zarar verir ve yüksek bakım maliyetine yol açar.
Günümüzde artık klasik yöntemlerin yerine daha yeni yöntemlerle yolun yapısına zarar vermeden kar veya buzun yollardan kaldırılmasına çalı ılmaktadır. Yeni yöntemlerden en ilgi çekeni toprak kaynaklı ısı pompası (TKIP) veya jeotermal ısı pompaları yardımı ile karın veya buzun eritilmesidir. TKIP sistemi topra ın içindeki ısının kararlı de i mesi ve so uk iklimlerde performansının fazla dü memesi nedeniyle enerjinin kullanımında daha etkili sonuçlar ortaya çıkarır [3]. Topra ın, birkaç on metre derinlikte yıl boyunca sıcaklı ı yakla ık 8–22 ˚C arasında sabit kalır. TKIP’lı sulu sistemde topra a yatay veya dikey tasarlanmı borular dö enir. Yüzeye çıkarılan ısı TKIP yardımı ile yükseltilerek ısıtılması istenilen yüzeye nakledilir. Dünyada, yollardaki karın veya buzun eritilmesi dı ında ba ka amaçlarla da kullanılan bu sistemlerin, yollardaki kar veya buz eritilmesinde kullanılması için ülkemizde de yaygınla tırılması
gerekmektedir. Amerika Birle ik Devletleri, Japonya gibi ülkelerde yollardaki kar veya buzu eritmek için yeni yöntemler ara tırılmasına ra men Türkiye’de geleneksel yöntemler dı ında bugüne kadar yeni bir yöntem üzerinde çalı ma yapılmamı tır.
Bu çalı mada, TKIP sisteminin yollardaki kar veya buzu eritmek için kullanılmasının deneysel ve teorik olarak ara tırılması gerçekle tirilmi tir. Deneysel çalı mada dü ey toprak ısı de i tiricisinin yerle tirilmesi için 30, 60 ve 90 metre derinli inde ve 160 mm çapında üç kuyu kazılmı tır. Kazılan bu kuyulara U-borusu dö enmi tir. Yerden yüksekli i 2 metre olan ve I tipi demirden yapılmı bir sehpanın üzerine köprü modeli olarak bir beton blok hazırlanmı tır. Ayrıca köprü modeli ile aynı ölçülerde bir beton blok da zemin için hazırlanmı tır. Dikey tip tekli toprak ısı de i tiricisi (TID) borularının çevre havaya açık kısımları, köprü ve yer blo u ısıtma borularının gerekli yalıtımı yapıldıktan sonra 40 cm derinlikte topra a gömülerek TKIP sistemi ile ba lantısı yapılmı tır. Antifriz+su (propilen-glikol) çözeltisinin köprü blo una giri ve çıkı debileri, blok içi ve üst yüzeylerdeki sıcaklık de erleri ölçülmü tür. Teorik çalı mada Fluent 6.2 programı kullanılarak toprak, yer ve köprü modelleri olu turulmu tur. Toprak modelinde sondaj deli inde olu an sıcaklık da ılımı hesaplanmı tır. Köprü ve yer modellerinde üstünde karın bulundu u kütledeki (blok) ortalama sıcaklık da ılımları, su+antifriz çözeltisinin çıkı sıcaklıkları her bir kuyu için ayrı ayrı hesaplanmı tır. Deneysel çalı ma ile elde edilen sonuçlar teorik çözümler ile kıyaslanması yapılmı tır.
Bu tez, Fırat Üniversitesi Bilimsel Ara tırma Projeleri (FÜBAP) Yönetim Birimi tarafından 1154 no’lu proje kapsamında deneysel çalı malar için desteklenmi tir.
1.1. Konu ile lgili Yapılan Çalı malar
Son yıllarda yollardaki kar veya buz olu umunu önlemek amacıyla birçok çalı ma yapılmı tır. Bu çalı malardan bazıları a a ıda kısaca verilmi tir.
1981 yılında yapılan çalı mada Yen [4], karın ve buzun farklı ısıl-fiziksel özelliklerini belirlemek için bir çalı ma yapmı tır. Yaptı ı çalı mada a a ıdaki özellikleri incelemi tir:
• Sıcaklı ın dü mesi ile buzun yo unlu unun de i imi,
• Sıcaklı ın bir fonksiyonu olarak buzun lineer genle me katsayısı ve buzun sıkı abilirli i,
• Yo unluk ve sıcaklı ın bir fonksiyonu olarak karın zamanla yo unlu unun de i imi, • Hidrostatik basıncın bir fonksiyonu olarak karın dengeli bir ekilde erime sıcaklı ının de i imi,
• Sıcaklı ın bir fonksiyonu olarak sabit basınçta ısı kapasitesinin belirlenmesi, • Sıcaklı ın bir fonksiyonu olarak gizli erime ısısı,
• Sıcaklı ın bir fonksiyonu olarak buzun ısıl iletkenli i, • Yo unlu un bir fonksiyonu olarak karın ısıl iletkenli idir.
1986 yılında yapılan çalı mada Colbeck, karın fiziksel özellikleri ile ilgili bir çalı ma yapmı tır. Yaptı ı çalı mada karın fiziksel özelliklerini sekiz sınıfta toplamı tır. Bu yeni sınıflandırma 1990 yılında uluslararası bir sınıflandırma olarak kabul edilmi tir [5]. Yapılan sınıflandırmada kar, sekiz fiziksel karakteristi iyle ele alınmı tır. Bu özellikler: karın yo unlu u, tane ekli, tane büyüklü ü, içerdi i su miktarı, saflı ı, dayanıklılı ı, katılı ı ve sıcaklı ıdır. Bu karakteristiklerin her biri kendi özelliklerini gösteren bir yapıya sahip olmalarına ra men, tane eklinin kendisini açıklayıcı özelli i yoktur. Tane ekli, kar ya ı ının durumuna ve geçirdi i zamana ba lı olarak de i ir. Çünkü, kar donma veya erime olayına maruz kaldı ında, kristal ekli ilk özelli inden çok daha farklı olmaktadır.
1998 yılında Iwamoto ve di erleri [6], yaptı ı çalı mada, topraktaki ısıl enerjiyi kullanarak yollarda kar ve buzun oldu u zamanlarda karı/buzu eritmek için bir çalı ma yapmı lardır. Yapılan çalı mada topra ın altında bulunan ısı enerjisini yüzeye çıkarmak için kuyular kazılmı ve bu kuyulara U-boruları dö enmi tir. Topraktaki ısıl enerji, borulardan antifriz+su karı ımı bir sirkülasyon pompası yardımıyla dola tırılarak yüzeye çıkarılmı tır. Kurulan sistem ile yaz aylarında kuyularda ısı enerjisi depolanabilmekte, kı aylarında ise depolanan bu enerji sirkülasyon pompaları ile yüzeye çıkarılabilmektedir. Kı aylarında bile
güne in oldu u zamanlarda güne ısısı toprakta depolanabilmektedir. Uygulamada tüketilen enerji yalnızca sirkülasyon pompası için kullanılan elektrik enerjisidir. 26 m2’lik bir yüzey alanı için ölçümler yapılmı tır. Japonya’nın Hokkaido üniversitesinde yapılan bu deneysel çalı mada deney düzene inde kullanılan elemanlar tanıtılmı ve alınan sonuçlar Hiro ima’da kurulu benzer sistem ile kar ıla tırılmı tır. Her iki sistem için de kullanılan dikey toprak ısı de i tiricisi için kuyu derinli i 100 metredir. Fakat Hokkaido üniversitesinde çiftli boru kullanılmı tır. Yapılan kar ıla tırmada; toprakta ısı ile elde edilen 6-10 °C sıcaklık Hiro ima’daki sistem ile hemen hemen aynı sonuçları içermektedir. Giri de erleri her iki sistem için aynı olmasına ra men az derecedeki farklılı ın sebebi Hokkaido ehrinin, Hiro ima ehrine göre kutuplara daha yakın olmasıdır.
1999 yılında yapılan çalı mada Jordan ve di erleri [7], karın geçirgenli i ve kılcal boru yüksekli i arasındaki ili kiyi hem deneysel hem de teoriksel olarak ara tırmı tır. Kılcal boru basıncı, doygun basınç e risi içindeki uygun parametrelerin kullanılması ile gözenek yapısına ili kilendirilmi tir. Ancak kar yumu ak ve az bir kuvvet ile kolay bir ekilde ezildi inden dolayı bu e rileri ölçmek çok zordur. Bu nedenle, kılcal yükseklik ölçü de i keni olarak seçilmi tir. Gözenekli ortamdaki ço u denklemler kar esas alınarak tanımlanamamaktadır. Çünkü kar suyla temas etti inde tane büyüklü ünü ve eklini hızlı bir ekilde kaybeden bir yapıya sahiptir. Jordan, Darcy’nin [8] tanımlamı oldu u yöntemi kullanarak gözeneklilik ve en yüksek doyma noktasının bir sonucu olarak tahmin edilen geçirgenlik arasında bir ili ki kurmaya çalı mı tır. Darcy’nin yöntemi dü ük Reynolds sayısından dolayı ba langıç noktası olarak seçilmi tir. Jordan, ayrıca 1970 yılında Shimiz tarafından geli tirilen kar tanesi çapının ve kar yo unlu unun bir fonksiyonu olarak karın geçirgenli ini de açıklamı tır. Bu iki fonksiyon en yüksek doyma noktasının ve porizitenin bir fonksiyonu olarak kar tanesi çapı için tek bir denklem haline getirilmi tir. Bu denklem deney sonuçları ile kar ıla tırılmı tır. Ölçme hataları ve yapı farklılıklarından dolayı hataların oldu u sonucuna varılmı tır.
2000 yılında Spitler ve Ramamoorthy [9] yaptıkları çalı mada, jeotermal ısı pompası kullanarak köprüde olu an buzun eritilmesini ara tırmı lardır. Köprü ısıtma sisteminin simülasyonları iki modelleme bile enine (TRNSYS ve HVACSIM+) ba lı olarak geli tirilmi tir. Isıtma sistemi Amerikada bulunan 215 metre uzunlukta ve 12 metre geni likteki bir köprüye uygulanmı tır. Bu köprü (Interstate Highway 40, I-40) Amerika’da eyaletler arası hizmet veren bir köprüdür. Kurulan sistemde 30 ton so utma kapasiteli 16 ısı pompası ve her biri 76 metre derinli inde ve 125 mm çapında 250 kuyu kullanılmı tır. Sistem yazın ısısını topra a, kı ın ise köprü yüzeyine nakletmektedir.
2002 yılında Liu ve di erleri [10], tarafından yapılan çalı mada köprü blo unda olu acak buzun önlenmesi için bir sayısal ve deneysel çalı ma yapılmı tır. Köprü sisteminin
simülasyonu için köprüye serilen sıcak su boruları, sirkülasyon pompası, TID ve ısı pompası kullanılmı tır. Akı kanın akı ı ve ısı transfer problemlerinin simülasyonu için HVACSIM+ kullanılmı tır. Köprü yüzeyindeki buzun olu umunu engellemek için yapılan tasarımlarda, öncelikle olu acak hava artları altında uzun süreli bir performans de erlendirilmesinin yapılması gerekecektir. Böyle bir sistemin performansı için bir simülasyon yöntemi geli tirilmi tir. Bu çalı mada ele alınan sistem, sulu sistemin kullanıldı ı bir köprü ve ısı kayna ı olarak dikey tip toprak ısı de i tiricisine sahip ısı pompası sistemidir. Yapılan simülasyonun do rulu u deneysel çalı ma için kurulmu köprü sisteminden elde edilen bilgiler sonucuna göre yapılmı tır. Sayısal ve deneysel çalı madan elde edilen veriler kıyaslanmı tır.
Japonya’da 2001-2002 yılları arasında Akita Üniversitesi ve do al kaynakları geli tirme irketi (MRC) tarafından, TKIP sistemi ile yollardaki kar ve buzu eritmek için bir çalı ma yapılmı tır. Bu çalı mada 50-100 metre derinlikte ve 15 cm çapında sondaj kazılmı ve kuyulara 1" polietilen U borusu yerle tirilmi tir. Borular dö endikten sonra kuyudaki borunun etrafı; çimento, silis kum vb. ile doldurulmu tur. Sistemde, su-su ısı pompası sistemi kullanılmı tır. Sistemin mekanik ve ekonomik verimini test etmek için 3 x 2 m boyutlarında hazırladıkları bloklar ile beraber TKIP sistemi, boyler sistemi ve elektrikli sistemi kurmu lar ve kurdukları bu sistemleri e zamanlı olarak çalı tırmı lardır. Test süresince toprak ısı de i tiricisinin (TID) sıcaklı ı, sirkülasyon pompalarında dola an su+antifriz karı ımının giri ve çıkı sıcaklıkları ölçülmü tür. Sonuç olarak, TKIP sisteminin enerji tüketimi elektrikli sisteme göre 1/3 oranında daha az oldu u görülmü tür [11].
2006 yılında yapılan çalı mada, Liu ve di erleri [12], kar eritmek için kurulmu bir deney düzene inde sayısal bir çalı ma yapmı lardır. Oklahoma State üniversitesi tarafından üzerindeki karın ve buzun sıcak sulu olarak eritilece i bir köprü in a edilmi tir. n a edilen bu köprü 18.3 metre uzunlu unda ve 6.1 metre geni li indedir. 19 mm çaplı polietilen borular, 89 mm derinli e, merkezleri arası 0.3 metre olacak ekilde serilmi tir. Isıtma akı kanı olarak kütlece % 39 konsantrasyonlu Propilen glikol çözeltisi kullanılmı tır. Bu deney düzene inde 60 adet termistör köprü blo unun farklı bölgelerine yerle tirilmi tir. Akı kanın giri ve çıkı sıcaklı ı ile debisi sırasıyla termistör ve debimetre ile ölçülmü tür.Yapılan ölçümlerde, akı kanın giri sıcaklı ı 54 ˚C dolaylarında ve ortalama köprü yüzey sıcaklı ı karlanma ve buzlanmanın oldu u zamanlarda 4.4 ˚C’dir. Kurulmu bu deney düzene i için yapılan sayısal çalı mada, ısıtma sınır artları ve zamana ba lı olarak de i en hava bilgisi programa girilerek kar eritme i lemi süresince karın, buzun ve havanın durumları ara tırılmı tır. Akı kanın giri sıcaklı ı ve kütlesel debisinin yanında hava bilgisi programa girilerek akı kanın çıkı sıcaklı ı, ısıtılmı yüzeydeki kar örtüsünün bulunma miktarı ve zeminin üst yüzeyinin sıcaklı ı belirlenmeye çalı ılmı tır.
2006 yılında yapılan çalı mada, Liu ve di erleri [13]tarafından iki boyutlu ve zamana ba lı model için sonlu farklar metodunu kullanarak sayısal bir çalı ma yapılmı tır. Bu çalı mada, ısıtılması dü ünülen yüzeyin sayısal modeli ve karın erimesi esnasında yüzeyde olu acak olaylar tanımlanmı tır. Kar tabakası kuru kar ve sulu kar tabakası olarak iki kısımda incelenmi tir. Akı kan giri sıcaklı ı ve hava verisi olu turulan modele girilerek yüzeyde zamana ba lı olu an olaylar belirlenmi ve yüzey sıcaklı ı hesaplanmı tır.
2. KAR VE BUZ ER TME LE LG L ESASLAR 2.1. Kar ve Buz Olu umu
Bulutları meydana getiren su buharı 0 ºC’nin altındaki sıcaklıklarda donar. Bu donma sonucu su buharı i ne eklinde buz kristalleri halini alır. Bunların birbirleri ile birle meleri neticesinde de düzgün altıgen eklinde kar kristalleri meydana gelir. Kar kristallerinin bozulmadan yere ula maları için geçtikleri hava tabakalarının sıcaklıklarının 0 ºC’nin altında olması gerekir. Aksi takdirde yeryüzüne ya mur olarak ya ar [14].
Çapları 2-4 mm, a ırlıkları ise yakla ık 0.005 gram olan kar tanecikleri havanın gösterdi i direnç sebebiyle süzülerek (limit hızla) yere inerler. Bu inme sırasında tanecikler birbirlerini ittiklerinden yapı mazlar. Özelliklerini koruyarak yere inerler. Bunlar güne ı ı ını tamamen yansıttıkları için beyaz olarak görülürler. Kar ya ı ı genellikle hava sıcaklı ı -4 °C ile -20 ºC arasındayken olur. Bu ya ı , sıcaklık sıfırın altında birkaç derece oldu unda a ır nemli, ebatları bir santimetreye ula an parçalar halinde gerçekle ir. Atmosfer ile topra ın sıcaklıkları e it olursa yüzeye ula an kar hemen erimez. Toprak sıcaklı ı atmosfer sıcaklı ının üzerinde ise, yere dü en kar kısa sürede erir. Yer yüzüne kar ya ması için atmosferin alt katmanlarının sıcaklı ının 0ºC’nin altında olması yeterlidir, bu karın yere dü meden önce erimesini önler.
Kar; su, su buharı ve buz kristallerinden olu an geçirgen bir malzemedir. Karın erimesi kar ve buz tabakasının en alt tabakasından ba ladı ında, eriyen karın birazı yüzey üzerinde kalır ve bölümsel olarak karın ıslanmasına neden olur [15].
Dünya üzerinde bir bölgede kar ya ı ı olma ihtimali, o bölgenin ekvatordan uzaklık ve deniz seviyesinden yüksekli i ile do ru orantılıdır. Buna ra men ılıman bölgelerin kara iklimi görülen kısımlarında, ekvatordan uzaklık ve denizden yükseklik artları yeterli durumda olmasa bile kar ya ı ı görülür. Yapılan ara tırmalarda bütün ya ı ların altı veya sekizde birinin kar olarak gerçekle ti i anla ılmı tır. Karın, tarım topra ını koruması ve nemli tutmasında önemi büyüktür. Kar, yeryüzü ve yeraltı su rezervlerinin ana kayna ıdır[16].
Kar, -8 °C’de, bitkilerin üzerinde ince bir hava tabakası bırakarak, bu bölgeyi 0 °C olacak ekilde örter. Kı boyunca toprak ve bitkileri donmaktan koruyan kar, ilkbaharda sıcaklı ın artmasıyla eriyerek nehirlere ula ır. Ayrıca kı ın ya an ve dörtte üçü üst kısımlarda kalan kar, yaz kuraklı ına kar ı da topra ı ve bitkileri korumu olur. Karda bulunan amonyak, kar erimesiyle birlikte toprakta kalır. Bu amonyak, azot bakterileri tarafından kalsiyum nitrat gibi azot tuzlarına çevrilerek bitkilerin azot ihtiyacını kar ılar[16].
Kar iki ayrı tabaka halinde dü ünülür. Doygun tabaka olarak “sulu” ve doygun olmayan tabaka olarak “kuru kar” terimleri ele alınır. Karla kaplı yüzey, bu tabakaların de i en kombinasyonları olarak göz önüne alınabilir. Bu tabakaların yalnızca biri veya di eri gerçek artlarda mevcut olabilir. Erime sıcaklıkları altındaki durumlarda erime gerçekle mez. Bu kar yüksek oranda geçirgen (dü ük yo unluklu) buz matrisidir. Erime meydana gelirse kar örtüsünün daha alttaki kısmı ıslanır. Bu durum “sulu kar” artı olarak ifade edilir. Sulu tabaka donma noktasında suyla doygun hale gelmi benzer geçirgen matris olarak kavramla tırılır. Kar eritmenin daha sonraki a amalarında karın derinli i, tamamen sulu ince bir tabaka meydana gelene kadar azaltılır. Sıvılı bir denge olu ur. Bu art “yalnızca sulu” olarak ifade edilir. Erimi kar, kapiler hareketten dolayı ele alındı ı zaman sulu kısım kar örtüsünün altında ekillenir. Eritme i lemleri olarak, bu kar tabakasının derinli i maksimum yüksekli e ula ıncaya kadar artar. Bu maksimum yükseklik kapiler ve yerçekimi kuvvetlerinin dengede oldu u noktada belirlenir. Bu yükseklik denge yüksekli idir [7, 15, 17].
2.2. Kar ve Buz Eritmek için Gerekli Isıl Hesaplar
Bu bölümde verilen denklemler karı ve buzu eritmek için gerekli ve yalnızca blo un yüzeyindeki enerji dengesini esas alan denklemlerdir. Bloktaki ısı iletimleriyle alakalı de ildir. 1952 ve 1956 yıllarında Chapman [18, 19], 1994 yılında Kilkis [20] ve 1999 yılında Ramsey [21] çalı malarında bu denklemleri kullanmı lardır. Hazırladıkları modeller kar eritme sistemlerinin uygulamalarında kaynak olarak alınır.
Karı eritmek için gerekli ısı, be adet atmosferik faktöre ba lıdır[22]. • Kar ya ı ı miktarı,
• kar ya ı ı sırasında havanın kuru termometre sıcaklı ı, • nemlilik,
• rüzgar hızı,
• görünür gökyüzü sıcaklı ıdır.
Kar eritme bloklarının boyutları, yüzeydeki ısı ve kütle transferi miktarını etkiler. Ayrıca, di er faktörler olan sırt ve kenar kayıpları tam tasarımda dikkate alınmalıdır.
ASHRAE el kitabında ba lıca iki temel sınırlama mevcuttur. Birincisi blo un yüzeyinde zamana ba lı olmayan ısı dengesinin hesaplanmasıdır. Böylece yapılan çalı manın ve havanın zamana ba lı de i imi dikkate alınmamaktadır. kincisi ise blo un yüzey sıcaklı ının sabit
sistemlerinde ısıl kütlesi olan bir malzemede ısıtma elemanları mevcuttur. Karın veya buzun eritilmesi için ısı akı ının belirlenmesinde zamana ba lı olu an etkiler ihmal edilmemelidir[23]. Zamana ba lı olmayan hesaplamalarda, karın veya buzun eritilece i bloktaki hava durumunun de i imi ve blo un yapısı dikkate alınmaz. Zamana ba lı olmayan çözümlerde blo un ısıtma elemanlarına ısı giri i ile blo un üst yüzeyine ısı akı ı arasında ba ıntı bulunur.
2.2.1. Isıl Denge
Isı ve kütle transfer katsayıları kar eritme blo unun karakteristik boyutlarının bir fonksiyonudur. Yüzeydeki karı/buzu eritmek için gerekli toplam ısı akısı zamana ba lı olmayan enerji dengesini kullanan E itlik 2.1 ile hesaplanır. Her bir terimin detaylı tanımı ileride yapılacaktır. ) q (q A q q q0 = s + m + r h + e (2.1) Burada; 0 q toplam ısı akısı, (W/m2) s
q karın sıcaklı ını erime noktasına yükseltmek için duyulur ısı akısı, (W/m2)
r
A karsız alanının toplam alana oranı (boyutsuz)
m
q gizli ısı akısı, (W/m2)
h
q karsız yüzeyden ta ınım ve ı ınımla ısı akısı (W/m2)
e
q buharla ma için ısı akısı (W/m2)
2.2.2. Karsız Alan Oranı
Duyulur ve gizli ısı akısından dolayı ısı yükleri, kar ya ı ı sırasında blo un tümüne etki ederler. Di er yandan blo un yüzeyinden ısı ve kütle transferi miktarları, blo un yüzeyinde kar olup olmamasına ba lıdır. Blok yüzeyinde kar birikintisinin olması, yüzeyde buharla ma ve ısı kayıplarını kısmen engelleyerek izolasyon görevi görür. Karın izolasyon etkisi karlı veya karsız alanın büyüklü üne ba lıdır. Karın blokta belirli bir kısım alanı kaplaması ile izolasyon etkisini, ısı kaybı ve buharla manın olmadı ı karlı alan veya e de er kaplı alan olarak dü ünmek uygun olacaktır. Buna kar ılık, karsız bir alanın da dü ünülmesi gerekir ve alanın ince bir sıvı film
tabakasıyla tamamen kaplı oldu u ve mevcut çevresel ko ullarda hem ısı hem de kütle transferinin maksimum miktarda ortaya çıktı ı dü ünülür. Karsız alanın (Af) toplam alana (At) oranı, kar eritme sistemlerinin temel tasarım parametresidir. Bu parametreye göre kar eritme sistemi sınıflandırılır. t f r A A A = (2.2) r
A karsız alanın toplam alana oranı (Boyutsuz)
f
A
karsız alan (m2) s A karlı alan (m2) f s t A A A = + =Toplam alan (m2) 1 0≤Ar ≤Kar eritme sistemlerinin tasarım parametrelerine göre a a ıdaki sınıflandırma yapılır [18,24].
• Sınıflandırma 1 (Konutsal alanlar): Kar tabakasının yüzeyi ısı ve buharla ma
kayıplarından koruyacak bir yeterlikte oldu u fakat bu tabakanın altında kar ya ı ı ile toplanan miktara e it bir eritme bulundu u anlamına gelmektedir. Yüzeyde ısı ve buharla ma kayıplarını önlemek için uygun bir kar kalınlı ı ile yüzey örtülmelidir
) 0 A
( r = . Sistemin kar ya ı ından sonra ya an karı eritmesi dü ünülür. Bu tür alanlara yürüyü alanları veya otoyolları vb. örnek olarak verilir.
• Sınıflandırma 2 (Ticari alanlar): Yüzeyin % 50’sinin kar ya ı ı süresince karla
kaplanmasına izin verilir (Ar =0.5). Blo un tüm yüzeyinde veya bir kısmında blo un yarısının izole edilmi olması gibi i leyecek ince bir kar tabakası ile kaplı olması anlamındadır. Karsız alanın ince bir sıvı filmiyle tamamen kaplı oldu u dü ünülür. Böylece hem ısı hem de kütle transferi varolan çevre artlarında maksimum oranlarda gerçekle ir. Bu tür alanlara yaya kaldırımı, otoyolları, hastanelerdeki merdivenler vb. örnek olarak verilir.
• Sınıflandırma 3 (Endüstriyel alanlar): Yüzeyde karın birikmesini önlemek için sistem
yeteri kadar hızlı eritmelidir (Ar =1) . Bu türe örnek olarak ise hava alanları, hastanelerin acil giri leri, oto yollarda ücret ödeme bölgeleri, köprüler vb. verilir.
2.2.3. Duyulur ve Gizli Isı Akısı Denklemleri
Duyulur ısı akısı (qs), ya an karın sıcaklı ını erime noktasına kadar yükseltmek ve kar
eridikten sonra sıvı filmin sahip oldu u sıcaklı a (Tf) yükseltmek için gerekli ısı miktarıdır. Karın atmosferik sıcaklıkta (Ta) ya dı ı dü ünülür. Gizli ısı akısı (qm), karın katı halden sıvı
haline geçmesi sırasında emdi i veya dı arıya verdi i ısı miktardır. Karı eritmek için gerekli ısı akısıdır. Zamana ba lı olmayan artlar altında hem qs hem de qmkar ya ı ı oranı (s) ile do ru
orantılıdır.
2.2.3.1. Duyulur Isı Akısı
Duyulur ısı akısı ( qs ), E itlik 2.3 ile hesaplanır. Karın Ta sıcaklı ında oldu u dü ünülür. A a ıdaki denklem’deki c1 katsayısı 3.6 x 106 olarak alınır.
1 s f su p, a s buz p, su s .s.[c (T ) c (T )]/c q = −T + −T (2.3) buz p,
c
buzun özgül ısısı, J/ (kg K) su p,c
suyun özgül ısısı, (J/kg K) s kar ya ı ı oranı, (mm/saat)a T hava sıcaklı ı, (°C) f T sıvı film sıcaklı ı, (°C) s T erime sıcaklı ı, (°C) su
ρ
suyun yo unlu u, (kg/m3) 1 c 1000 mm/m x 3600 s/saat = 3.6x106Suyun yo unlu u, buzun özgül ısısı ve suyun özgül ısısı söz konusu sıcaklık aralı ında nispeten sabit olup 0 °C’deki de erler dikkate alınır. Sıvı film sıcaklı ı genellikle 0.56 °C olarak alınır [22, 25].
2.2.3.2. Eritme Isı Akısı
Isı akısı (qm) karı eritmek için gereken ısıdır ve a a ıdaki gibi ifade edilebilir.
1 if su m .s.h /c q = (2.4) if
h
karın erime gizli ısısı, (J/kg)2.2.4. Yüzeyde Olu an Ta ınım, I ınım ve Buharla madan Dolayı Isı Kayıpları
Uygun ısı ve kütle transfer denklemleri, bloktaki karsız alan oranına göre yazılabilir. Film sıcaklı ında (Tf)bulunan karsız yüzeyde ısı çevreye ve kütle buharla makta olan sıvı filmi kütlesine transfer edilir. Isı akısı (qh ), Ta sıcaklı ında hava ortamına ta ınım kayıplar ve ortalama ı ınım sıcaklı ında (TMR) çevreye ı ınsal kayıplar içerir. Ta ınımla ısı transfer katsayısı, kar eritme yüzeyinin karakteristik boyutlarının ve rüzgar hızının bir fonksiyonudur. Bu ısı transfer katsayısı aynı zamanda havanın de i ik kar ya ı sıcaklıkları aralı ında çok az de i en termodinamik özelliklerinin de bir fonksiyonudur. Ortalama ı ınım sıcaklı ı: hava sıcaklı ına, ba ıl neme, havanın bulutlu olup olmamasına, bulut yüksekli ine ve karın ya ıp ya mamasına ba lıdır [21, 22, 25].
Buharla ma için gerekli ısı akısı (qe), buharla ma gizli ısısı ile buharla ma miktarının
çarpımına e ittir. Buharla ma miktarı, kar eritme blo unun yüzeyindeki ıslaklık ile çevre sıcaklı ına kar ı gelen buhar basınçların farkından kaynaklanır. Kütle transferi katsayısı: rüzgar hızının, blo un karakteristik boyutlarının ve çevre havasının termodinamik özelliklerinin bir fonksiyonudur.
Uygun ısı akısı (qh), a a ıdaki denklem ile ifade edilebilir.
) T 4 MR 4 f s a f c h h (T ) (T T q = − + − (2.5) c
MR
T çevrenin ortalama ı ınım sıcaklı ı, K
σ
Stefan-Boltzmann sabiti (5.670 x 10-8 W/(m2K4)s
ε
yüzeyin yayıcılı ı, boyutsuzBlok üzerinden ta ınım ısı transfer katsayısı a a ıdaki denklem ile ifade edilir.
1/3 0.8 L hava c L )Re .Pr k 0.037( h = (2.6) hava
k Ta’da havanın ısıl iletkenli i, (W/m K)
L rüzgar yönünde ölçülen blo un karakteristik uzunlu u, m Pr havanın Prandtl sayısı, (Pr=0.7, hava için)
ReL karakteristik L uzunlu una ba lı Reynolds sayısı
2 hava
L
c
VL
Re
=
(2.7)V blok yakınındaki tasarım rüzgar hızı, (km/saat)
hava havanın kinematik viskozitesi, (m2/s)
c2 1000 m/km x 1 saat/3600 s = 0.278
Kar eritme yüzeyi yatay de ilse, ta ınımla ısı transfer katsayısı farklı olabilirken bu farklılık bir çok uygulama için önemsenmeyebilecek düzeylerdedir [22, 25].
E itlik (2.6) ve (2.7)’den türbülanslı ta ınım ısı transfer katsayısının L-0.2’nin bir fonksiyonu oldu u görülmektedir. Bu ba ıntıdan, kısa uzunluklu kar eritme bloklarının uzun kar eritme bloklarından daha yüksek ta ınım ısı transfer katsayısına sahip oldu u görülmektedir. Tasarımda en kısa blok uzunlu u kullanılmalıdır (uzun dar karayolu veya kaldırımlar için bu yolların geni li i blok uzunlu u olarak kullanılır)[21, 22].
E itlik 2.5’de kullanılan “Ortalama I ınım Sıcaklı ı ( TMR )”, kar eritme blo u çevresinin e de er cisim sıcaklı ıdır. Kar ya ı ı artları altında tüm çevre ortamın hava sıcaklı ına yakındır (TMR=Ta). Kar ya ı ı olmadı ında (Ar<1 için kar ya ı ından sonra ve ya ı olmadı ından i lem yapılmadı ı süresince), ortalama ı ınım sıcaklı ı a a ıdaki e itlik ile hesaplanır. 1/4 sc 4 gök sc 4 bulut MR [T F T (1 F )] T = + − (2.8)
sc
F blok ve bulutlar arasındaki ı ınım alı veri oranı
bulut
T bulutların sıcaklı ı, K
gök
T
açık gökyüzü sıcaklı ı, KAçık gökyüzünün e de er cisim sıcaklı ı öncelikle çevresel hava sıcaklı ı ile atmosferdeki nemin bir fonksiyonudur. Açık gökyüzü sıcaklı ı a a ıdaki denklem ile ifade edilmektedir[22, 25]. ) 2 2 a 3 a 3 a gök T (1.1058x10 7.562T 1.333x10 T 31.292 14.58 T = − − + − − + (2.9) a T çevre sıcaklı ı, K
φ
10 yıllık aralıklar ile tipik hava ölçümlerinin yapıldı ı yükseltideki ba ıl nemdir.Gökyüzünün bulutlu kısmındaki sıcaklık Tbulut olarak dü ünülür. Bulutların 3000 metre
yükseltide oldu u varsayılır. 3000 m yükseklikteki bulutların sıcaklı ı, yükseklere çıkıldıkça hava sıcaklı ın dü me miktarının bulut yüksekli i ile çarpılmasından elde edilen de erin, atmosferik sıcaklık Ta ’dan çıkarılması ile hesaplanır. Hava sıcaklı ının yükseltiyle dü me
miktarı her 1000 metre yükselti için 6.4 ºC’dir. Buna göre 3000 metre yükseltideki sıcaklık a a ıdaki denklem ile hesaplanır [25]
19.2 T
Tbulut = a − (2.10)
Ço u artlar altında bulutların sıcaklı ını yakla ık olarak bulma metodu kabul görür. Ancak atmosferde çok yüksek oranda nem var ise E itlik 2.9 kullanılarak bulunan açık bir gökyüzü sıcaklı ı, E itlik 2.10 ile bulunan bulut sıcaklı ından daha yüksek çıkabilir. Böyle bir durumda bulutların sıcaklı ı (Tbulut) açık gökyüzü sıcaklı ına (T ) e it alınır [25]. gök
Islak bir yüzeyden suyu buharla tırmak için gerekli ısı akısı (qe) a a ıdaki denklem ile hesaplanır. fg a f m kuruhava e h (W W )h q = − (2.11) m
h kütle transfer katsayısı, (m/s)
a
f
W
yüzey film sıcaklı ında doygun havanın nem oranı, kgbuhar /kghava fgh
buharla ma gizli ısısı, (j/kg) kuruhavaρ kuru havanın yo unlu u, (kg/m3)
Kütle transfer katsayısı ısı ve kütle transferleri arasındaki bir kar ıla tırma ile belirlenir. Bu kar ıla tırma yöntemi, ASHRAE 2001 Handbook Fundamentals’dayer almaktadır [26]. Isı transfer katsayısına ba lı olarak kütle transfer katsayısını hesaplayan e itlik a a ıda verilmi tir.
hava p, kuruhava c 2/3 m c h ) Sc Pr ( h = (2.12)
hc Isı transfer katsayısı, (W/m2 K) Sc Schmidt sayısı
Pr=0.7 ve Sc=0.6 alınır.
Hem su film yüzeyinde hem de atmosferde özgül nem a a ıdaki e itlikte verilen standart psikrometrik ili ki kullanılarak belirlenir [26].
) v v p p p 0.622( W − = (2.13)
p atmosferik basınç, (kPa)
Pv su buharının kısmi basıncı, (kPa)
E itlik 2.13’deki atmosferik basınç a a ıdaki e itlik kullanılarak rakım’a (yükselti) göre belirlenir. 5.265 0 std(1 A.zT ) p p= − (2.14) std
p standart atmosferik basınç, (kPa)
A 0.0065 (K/m) (Hava sıcaklı ının yükseklikle de i mesi) z bulunulan yerin deniz seviyesine göre yüksekli i, rakım, (m)
0
Donma noktasının altında ve üstündeki sıcaklıklarda su buharının doyma kısmi basıncı su için hazırlanmı bulunan buhar tablolarından alınabilece i gibi, uygun denklemlerin kullanılmasıyla da hesaplanabilir.
2.2.5. Isı Akısı Hesapları
Kar eritme sistemi için gerekli ısı akıları E itlik 2.1 - 2.4 kullanılarak hesaplanabilir. Hesaplamalar, kar ya ı ı miktarı, rüzgar hızı, çevre sıcaklı ı ve çi noktası sıcaklı ının (ya da di er bir nemlilik kriterinin) aynı andaki de erleri kullanılarak yapılmalıdır. Birkaç yıllık bir süre kullanılarak kar ya ı ının saatlik de erleri için gerekli ısıl akılar hesaplanarak ısıl akının saatlik da ılım frekansı elde edilir. Bir sistemin hesaplanması ve boyutlandırılmasında yıllık ortalamalar ya da maksimumlar kullanılmamalıdır.
2.2.6. Sırt ve Kenar Kayıpları
Adlam (1950) sırt ve kenar kayıplarının, blok yapısı, çalı ma sıcaklı ı, toprak sıcaklı ı, sırt ve yan izolasyonu ile % 4 - % 50 arasında de i ebilen de erlerde oldu unu göstermi tir. 60 cm toprak derinli inde 4.5 °C’lik bir toprak sıcaklı ı ile sırt ve kenar kayıpları yakla ık % 20’dir [25].Daha yüksek sırt ve kenar ısı kayıplarını getiren faktörler;
• Daha dü ük toprak sıcaklıkları, • blok üzerindeki daha fazla kar,
• park yerleri ve köprülerdeki gibi açıkta kalan arka kenarlar. Tablo 2.1’de sırt ve kenar ısı kayıpları özetlenmi tir.
Tablo 2.1 Sırt ve kenar ısı kaybı [27]
Uygulama Yüzde %
Tüm alt ve kenarlar yalıtımlı % 0
Altın tümü yalıtımlı fakat kenarlar yalıtımsız % 4
Alt açık ve kenarlar yalıtımlı % 10
Yalıtım yok % 20
2.2.7. Blok Yüzeyinde Olu an Yüzey artları
Köprü yüzeyindeki karı sulu sistemler ile eritme i lemi karma ıktır. Yüzeylerde kar eritme i lemi; erime, buharla ma, ı ınım ve ta ınım ile, blokta ise iletim ısı transfer mekanizması ile olu ur. ekil 2.1’de karın erimesi sırasında yüzeyde olu an artlar ematik olarak verilmektedir [9, 28, 29].
ekil 2.1 Kar erimede olu an yüzey artlarının de i imi- karın erimesi sırasında blo un kesit görünü ü [20, 28]
Karın erimesine ek olarak blo un hangi hava artlarına maruz kalaca ını belirlemek gerekir. Yüzeydeki kar eritme problemlerinin çözümünün en kolay olanı blok üzerinin kuru olması halidir. Ço u durumda yüzeyin kuru oldu u, ba langıç artı olarak kabul edilir. Ayrıca yüzey kar veya buzun erimesinden veya ya murun ya masından dolayı ıslak olabilir. Havanın so uk olması ve su veya sulu karın olması durumunda yüzeyde buz olu ur.
Kuru: Yüzeyde su veya buz yoktur. Yüzey sıcaklı ı donma noktasının altında veya üstündedir. Islak: Yüzeyde biraz su vardır fakat buz yoktur. Yüzey sıcaklı ı donma noktasının üzerindedir.
Kuru kar: Yüzeyde sıvı içermeyen yeni ya mı (taze) kar vardır. Burada kar buzun gözenekli
bir matrisi olarak dü ünülebilir. Yüzey sıcaklı ı donma noktasının altındadır ve kar sürekli olarak erimiyordur.
Sulu kar: Yüzeyde tamamen suyla doymu kar kristalleri biçiminde buz vardır. Su üst yüzeye
buza nüfüz eder. Yüzey sıcaklı ı donma noktasının altındadır.
Kar ve sulu kar: Yüzeyde, kısım kısım erimi kar kristalleri biçiminde buz parçaları vardır.
Karın en dip kısmı suyla doymu haldedir ve üstünde kuru kar vardır. Bu art, karın erimesinin genel artıdır ve yüzey sıcaklı ı donma noktasındadır.
Katı buz: Yüzeydeki buz, kar gibi gözenekli de ildir. Sıvının donmu hali gibi katı ekildedir.
Yüzey sıcaklı ı donma noktasının altındadır.
Katı buz ve su: Yüzeyde katı buz ve su vardır. Katı buzun erimeye ba laması veya katı buz
üzerine ya mur ya ması durumunda meydana gelir. Erime altta veya üstte olu abilir. Yüzey sıcaklı ı donma noktasındadır.
Karlı ve sulu ve yalnızca sulu artlar altında ısı transferi ekil 2.2 ve 2.3’de ematik olarak verilmi tir.
ekil 2.3 Sulu tabakada ısı transferinin ematik gösterilimi [20]
Kar eritme sistemlerinde bir takım kabuller yapılır, bunlar a a ıda sıralanmı tır;
• “Kuru kar” tabakası homojen ve geçirgen bir yapıya sahiptir. • Sulu tabaka izotermaldır, de i mez bir sıcaklılık vardır.
• Karın erimesi yalnızca en alt tabakada yani blok yüzeyinde gerçekle ir.
• Kar tabakasından sulu tabakaya katı haldeki karın geçi i kütlesel denge ile hesaplanır.
• Karın üst yüzeyinde ta ınım ele alınıyor iken kar tabakasının gözenekli yapısından dolayı kar tabakasındaki hava akımından dolayı olu an ta ınım ihmal edilir.
• Kar tam olarak mat de ildir. Kuru kar tabakası kütlesi tarafından güne ı ınları tamamen emildi inden güne ı ınlarına maruz kalan üst kısımda yansıma olmaz.
• Kar ya ı ı kuru kar tabakası için ele alındı ında, ya mur ya ı ı bu tabakayı ya direkt ya da bu tabakadan hemen süzülerek içine i ler (Derinli i çok büyük olan karlarda dikkate alınmaz).
• Sıvı ve buz sulu tabakada aynı anda bulunur.
• Sulu tabakada olu an ta ınım ve buharla ma, yüzeyin kuru kar tabakası ile kaplanması ile ihmal edilir.
• “Karlı ve sulu” artlarda erimi suyun sınırlı bir miktarı sulu bir tabakada ekillenen kapilar hareketle zemin yüzeyine yakın yerde tutulur. Bu tabakanın
derinli i kapilar ve yerçekimi kuvvetlerinin dengelendi i bir yükseklikte sabittir.
• Erimi su, sulu tabakada durmaz ve yüzeye do ru akar.
• Kar eritme i lemi bir boyutlu i lem olarak dü ünülür. Bundan dolayı, birbirine biti ik olan kar ve sulu tabaka arasında gizli ısı ve kütle transferi dikkate alınmaz.
• Kar ya ı ından sonra olu an kar tabakasına ya mur ya dı ında sulu tabaka olarak dikkate alınır.
Karın veya buzun eritilmesi için blo un tasarlanmasında a a ıda sıralanan etkenlerin dikkate alınması gerekir.
1.Yüzeydeki ısı transfer mekanizması,
2.Blo un yapısı (kullanılan malzemeler, kalınlık, alan),
3.Boru tesisatının yapısı (malzeme, çap, aralık ve gömülme derinli i), 4.Sistemin debisi,
5.Isı transferi akı kanının özellikleri (yo unlu u ve ısıl özellikleri), 6.Akı kanın giri sıcaklı ı
2.3. Kar Eritme Sistemlerinin Sınıflandırılması
Kar eritme sistemleri: Isı borulu, sulu, elektrikli ve kızıl ötesi ısı yayan kar eritme sistemleri olarak sınıflandırılır.
2.3.1. Isı Borulu Sistem
Isı borulu sistem, literatürde sulu sistemler içinde de sınıflandırılabilir. Isı borulu sistemler; pompalara, kontrol sistemlerine, dı güce veya herhangi bir insan müdahalesine gerek duymadan çalı ır. Isı borulu sistem, pasif jeotermal bir köprü ısıtma sistemi olarak da bilinir. Isı borusu kurulum a amasında amonyak sıvısı ya da freon gazlarıyla doldurulur. Topra ın içine yerle tirilir. Akı kan topra ın ısısıyla ısı borusunun dibinde (evaporatör kısmında) ısınır. Isınan akı kan, ısıtılacak alana serili olan boruların oldu u kondenser bölümüne hareket eder. Yo u arak ısısını bırakır. Yo u mu akı kan yerçekiminin etkisiyle çevrimini tamamlayarak evaporatöre geri döner [24]. Isı boruları çok geni sıcaklık aralı ında, de i ik ebatlarda, sabit veya esnek ekillerde silindirik, düzlemsel, dönel veya kullanma yerine ve amacına uygun
olarak imal edilirler [30]. Köprü dö emesinin ısıtma sisteminde kullanılan ısı borusu ematik olarak ekil 2.4’de verilmektedir.
ekil 2.4 Isı borusunun ematik gösterimi [31]
Buharla ma-yo u ma dönü ümü, köprü dö emesinin topraktan daha so uk oldu u zamanlarda kendili inden gerçekle ir. Sistem, buzu tam çözemese bile topraktan sürekli ısı alır. Sistemin topraktan sürekli ısı çeki i i letim bakımından herhangi bir problem olu turmaz. Çünkü maliyet sorunu yoktur. Ancak ısı borusunun içinin dikkatli bir ekilde temizlenmesi, dö emeye dizilen borulara buharın akması için e im verilmesi gerekir. Boru büyüklü ü veya derinli i arttırıldı ında, a ırı ısı kaybına önlem alınmalıdır [31].
2.3.2. Sulu Sistemler
Sulu sistemlerde, akı kan farklı metotlarla ısıtılarak bir sirkülasyon pompası yardımıyla asfaltın altına dö enmi borulardan dola tırılır. Isı, akı kandan yüzeye transfer edilir. letimsel olarak yüzey ısıtılır. Akı kan olarak su+antifriz karı ımı (etilen veya propilen glikol ve su) kullanılır [24, 25]. Sulu sistemler için bir gazlı boyler, elektrikli ısıtıcı, jeotermal su veya endüstri i lemleri sonucunda olu an atık ısı alternatif ısıtıcı olarak sayılabilir [32].
Sulu ısıtma sistemi, mevcut ısıtma sistemleri arasında i letme maliyeti olarak en uygun olanıdır. Çünkü bu sistemin di er sistemlere göre avantajları vardır. Sulu sistemler ile pasif ısı
