Yağ asidi ötektik karışımları/yapı malzemeleri kompozitlerinin hazırlanması, karakterizasyonu ve ısıl enerji depolama performanslarının belirlenmesi

Ali KARAİPEKLİ Doktora Tezi Kimya Anabilim Dalı Prof. Dr. Ahmet SARI

2010 Her hakkı saklıdır

DOKTORA TEZİ

YAĞ ASİDİ ÖTEKTİK KARIŞIMLARI/YAPI MALZEMELERİ KOMPOZİTLERİNİN HAZIRLANMASI, KARAKTERİZASYONU VE ISIL ENERJİ DEPOLAMA PERFORMANSLARININ BELİRLENMESİ

Ali KARAİPEKLİ

TOKAT 2010

kurallarına uyulduğunu, başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunulduğunu, tezin içerdiği yenilik ve sonuçların başka bir yerden alınmadığını, kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapılmadığını, tezin herhangi bir kısmının bu üniversite veya başka bir üniversitedeki başka bir tez çalışması olarak sunulmadığını beyan beyan ederim.

i

YAĞ ASİDİ ÖTEKTİK KARIŞIMLARI/YAPI MALZEMELERİ KOMPOZİTLERİNİN HAZIRLANMASI, KARAKTERİZASYONU VE ISIL

ENERJİ DEPOLAMA PERFORMANSLARININ BELİRLENMESİ Ali KARAİPEKLİ

Gaziosmanpaşa Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

Kimya Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Ahmet SARI

Faz değişim maddeleri (FDM’ler) ısı enerjisini muhafaza etmek amacıyla binalarda kullanılabilir. İçerisine FDM katılmış yapı malzemesi kendiliğinden oda içerisindeki fazla ısıyı absorplayabilir ve böylece hava iklimlendirme ve klima (HVAC) sistemlerinin yükü büyük ölçüde azaltılabilir ve elektrik tasarrufu sağlanabilir. Bu çalışmada, binalarda ısıl enerji depolama için yağ asidi ötektik karışımları (kaprik asit-laurik asit, kaprik asit-miristik asit, kaprik asit-palmitik asit ve kaprik asit-stearik asit) ve yapı malzemelerinden (genişletilmiş perlit, alçı ve vermikülit) oluşan kompozit FDM’ler hazırlandı. Yapıca kararlı kompozit FDM’ler yapı malzemeleri içerisine yağ asidi ötektik karışımları vakum emdirme yöntemiyle katılarak hazırlandı. Hazırlanan kompozit FDM’ler SEM ve FT-IR analiz teknikleri kullanılarak olarak karakterize edildi. Kompozit FDM’lerin ısıl özellikleri DSC metoduyla ölçüldü. DSC sonuçları hazırlanan kompozit FDM’lerin erime sıcaklıklarının ve gizli ısılarının sırasıyla, 18,15-25,14 °C ve 38,92-102,75 J/g aralığında olduğunu gösterdi. 5000 erime ve katılaşma dönüşümlerinden sonra ısıl güvenilirliklerinin belirlenmesi için kompozit FDM’lere tekrar DSC ve FT-IR analizleri uygulandı. Kompozit FDM’lerin ısıl kararlılığını belirlemek için TG analizleri uygulandı ve analiz sonuçları hazırlanan kompozit FDM’lerin iyi ısıl kararlılığa sahip olduklarını gösterdi. Kompozit FDM’lerin ısıl iletkenliklerini arttırmak için kompozitlere kütlece farklı yüzdelerde (%3, 6, 8 ve 10) genişletilmiş grafit (GG) ilave edildi ve kompozit FDM’lerin ısıl iletkenlikleri ve ilave edilen GG’nin kütle kesri arasında doğrusal bir ilişkinin olduğu bulundu. Kompozit FDM’lerin ısıl iletkenliklerinde meydana gelen iyileşme GG ilave edilmiş ve edilmemiş kompozitlerin erime ve katılaşma sürelerinin mukayesesiyle deneysel olarak doğrulandı. Kompozit FDM’lerin ısıl performansları küçük ölçekli bina kalıbı kullanılarak test edildi. Isıl performans testi bu tip kompozit FDM’lerin kullanımının yağ asidi ötektik karışımının ısı absorplamasından dolayı oda içi sıcaklık dalgalanmalarını azaltabileceğini gösterdi. Ayrıca, kompozit FDM’lerin soğutma yükü üzerine katkısının belirlenmesi için soğutma yükü hesaplamaları yapıldı ve sonuçlar kompozit FDM’lerin önemli derecede enerji tasarrufu sağlayacağını gösterdi. Elde edilen tüm sonuçlar değerlendirildiğinde hazırlanan yapıca kararlı kompozit FDM’lerin binalarda iklimlendirme sisteminin soğutma yükünü azaltmak ve enerji tasarrufu sağlamak için büyük bir kullanım potansiyeline sahip oldukları sonucuna varılabilir.

2010, 206 sayfa

Anahtar kelimeler: Isıl enerji depolama, yağ asidi ötektik karışımı, faz değişim maddesi, genişletilmiş perlit, vermikülit, alçı.

ii

PREPARATION, CHARACTERIZATION AND DETERMINATION OF THERMAL ENERGY STORAGE PERFORMANCE OF FATTY ACID EUTECTIC

MIXTURES/BUILDING MATERIALS COMPOSITES Ali KARAİPEKLİ

Gaziosmanpasa University

Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Chemistry

Supervisor: Prof. Dr. Ahmet SARI

Phase change materials (PCM) can be applied in building envelops to conserve heat energy. Building material incorporated with PCM can automatically absorb indoor redundant heat, which can greatly reduce the load of heating ventilating and air conditioning (HVAC) systems and save electric energy. In this context, in this study, the composite PCMs composed of eutectic mixtures of fatty acids (capric lauric acid, capric myristic acid, capric acid-palmitic acid and capric acid-stearic acid) and building materials (expanded perlite, gypsum and expanded vermiculite) were prepared for thermal energy storage in buildings. The form stable composite PCMs were prepared by incorporation of eutectic mixtures of fatty acids within the building materials by vacuum impregnation method. The prepared composite PCMs were characterized by using scanning electron microscope (SEM) and Fourier transformation infrared (FT-IR) analysis techniques. Thermal properties of the composite PCMs were measured by differential scanning calorimetry (DSC) method. DSC results showed that the melting temperatures and latent heats of the composite PCMs are in the range of 18,15-25,14 °C and 38,92-102,75 J/g, respectively. The composite PCMs were retested by FT-IR and DSC analysis for thermal reliability after 5000 melting/freezing cycles. TG analysis was also performed to determine thermal stability of the composite PCMs and the results indicated that the composite PCMs had good thermal stability. In addition to increase the thermal conductivity of composite PCM, expanded graphite (EG) in different mass fractions (3%, 6%, 8%, and 10%) was added to composites, and an almost linear relationship between mass fractions of EG additive and thermal conductivity of composite PCMs was found. The improvement in thermal conductivity of composite PCMs was also experimentally verified by comparing melting and freezing times of the composites including EG with that of the composites without EG. Thermal performances of the composite PCMs were tested using small scale-building envelops. Thermal performance test indicated that the use of such type composite PCMs can decrease air temperature fluctuation due to absorption of heat by the fatty acid eutectic mixturein the composite. Furthermore, the cooling load calculations were made to determine the contribution of composite PCMs on the cooling load and the results showed that the composite PCMs will provide a significant energy savings. Based on all results it can be concluded that the prepared form stable PCMs have great utility potential in buildings to reduce the cooling load of air-conditioning system and energy saving.

2010, 206 pages

Keywords: Thermal energy storage, fatty acid eutectic mixture, phase change material, expanded perlite, vermiculite, gypsum.

iii

süre boyunca sorularımı sabır ve güler yüzle cevaplayan, ufkumu genişleten, desteğini hiçbir zaman esirgemeyen danışman hocam Sayın Prof. Dr. Ahmet SARI’ya, ayrıca çalışmalarım esnasında bana destek ve cesaret veren hocam Sayın Doç. Dr. Cemil ALKAN’a,

Çalışmalarım esnasında olumlu yönlendirmeleriyle bana destek veren hocam Sayın Doç. Dr. Uğur KÖLEMEN’e

Çalışmalarım esnasında yardım ve desteklerini esirgemeyen sevgili arkadaşlarım Ömer Faruk ENSARİ’ye, Alper BiÇER’e ve aynı dönemde doktora çalışmalarımızı yaptığımız, desteklerini gördüğüm tüm arkadaşlarıma ve Kimya bölümündeki tüm hocalarıma çok teşekkür ederim.

Çalışmamı destekleyen Gaziosmanpaşa Üniversitesi Bilimsel Araştırma Fonu’na (Proje No: 2009/63) teşekkür ederim.

Sadece doktora tezim süresince değil hayatımın her anında bana verdikleri destek ve güvenle kendimi iyi hissetmemi sağlayan, hep daha iyisini yapabileceğime inandıran anneme, babama ve ablama minnettar olup, kendilerine en içten teşekkürlerimi sunarım.

Ali KARAİPEKLİ Temmuz 2010

iv

ABSTRACT... ii

TEŞEKKÜR...iii

İÇİNDEKİLER ...iv

SİMGE ve KISALTMALAR DİZİNİ ...ix

ŞEKİLLER DİZİNİ ...xii

TABLOLAR DİZİNİ ... . xxi

1. GİRİŞ ... 1

2. GENEL BİLGİLER...4

2.1. Isıl Enerji ve Isıl Enerji Depolama Yöntemleri ... 4

2.1.1. Duyulur Isı Depolama... 5

2.1.2. Gizli Isı Depolama...7

2.1.3. Reaksiyon Isısı (Kimyasal Enerji) ... 9

2.2. Gizli Isı Depolama Sistemleri... 9

2.3. FDM Seçiminde Ölçütler...11 2.3.1. Termodinamik Ölçütler...11 2.3.2. Kinetik Ölçütler ...12 2.3.4. Kimyasal Ölçütler...12 2.3.5. Teknik Ölçütler...12 2.3.6. Ekonomik Ölçütler...12

2.4. FDM’lerin Özelliklerinin Değerlendirilmesi ...13

2.4.1. Erime ve Katılaşma...13

v

2.4.5. Paketlenme ve Sistem Bileşenlerine Uygunluk ...14

2.4.6. Isıl İletkenlik...15 2.5. FDM’lerin Sınıflandırılması ...16 2.5.1. Tuz Hidratlar...17 2.5.2. Parafinler...20 2.5.3. Polimerler...22 2.5.3.1. Çapraz-bağlı Polietilen ...22 2.5.3.2. Polialkoller...22 2.5.4. Metaller ve Alaşımlar ...23

2.5.5. Parafin Olmayan Organik Maddeler...23

2.5.6. Yağ Asitleri...24

2.5.7. Organik ve İnorganik Bileşiklerin Ötektikleri ...26

2.5.7.1. Tuz Hidrat Ötektik Karışımlar...27

2.5.7.2. Yağ Asidi Ötektik Karışımları...28

2.6. FDM’lerin Kullanım Alanları...29

2.6.1. FDM’lerin Teknik Uygulamalarda Kullanımı...31

2.6.2. FDM’lerin Yüksek Teknoloji Ürünlerinde Kullanımı...31

2.6.3. FDM’lerin Tıp’da Kullanımı ...32

2.6.4. FDM’lerin Tekstil Ürünlerinde Kullanımı ...32

2.7. FDM’lerin Binalarda Kullanımı ...33

2.8. FDM’ler Kullanılarak Yapı Malzemelerinde Isıl Depolama...34

vi

2.10.2. Daldırma Metodu...37

2.10.3. Kapsülleme Metodu...38

2.11. FDM/Yapı Malzemesi Kompozitleri Üzerine Yapılan Çalışmalar ...39

3. MATERYAL VE METOT...45

3.1. Deneysel Çalışmalarda Kullanılan Maddeler ...45

3.2. Yağ Asidi Ötektik Karışımlarının Hazırlanması ...46

3.3. Kompozit FDM’lerin Hazırlanması...51

3.4. Yapıca Kararlı Kompozit FDM’lerin Isıl Performansının Belirlenmesinde Kullanılan Deney Düzeneği...52

3.4.1. Veri Kaydedici (Data Logger) ...52

3.4.2. Isıl Çift (Termokapıl)...53

3.4.3. Su Banyoları ...54

3.4.4. Isıl Performans (erime/katılaşma) Ölçüm Hücresi ...55

3.5. Yapıca Kararlı Kompozit FDM’lerin Erime/Katılaşma Performansının Belirlenmesi ...56

3.6. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) Tekniği ...57

3.7. Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FT-IR) Spektroskopi Analizi...57

3.8. Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) Tekniği...57

3.9. Termogravimetri (TG) Tekniği...60

3.10. Isıl İletkenlik Ölçümleri...60

3.11. Isıl Güvenilirlik Testleri...61

3.12. Isıl Performans Testi...62

3.13. Örnek Bir Yapının Soğutma Yükü Üzerine Kompozit FDM’nin Katkısının Belirlenmesi...64

vii

4. BULGULAR VE TARTIŞMA...70

4.1. Hazırlanan Yapıca Kararlı Kompozitler İçerisindeki Maksimum FDM Oranının Belirlenmesi...70

4.2. Hazırlanan Yapıca-Kararlı Kompozit FDM’lerin Karakterizasyonu ...71

4.2.1. SEM Analiz Sonuçları ...71

4.2.2. FT-IR Analizleri ...74

4.2.2.1. Yapı Malzemeleri (GP, Alçı ve VMT) ve Yağ Asidi Ötektik Karışımlarının FT-IR Analizleri ...74

4.2.2.2. Yapıca kararlı yağ asidi ötektik karışımı/GP Kompozit FDM’lerin FT-IR Spektrumları...80

4.2.2.3. Yapıca kararlı yağ asidi ötektik karışımı/Alçı Kompozit FDM’lerin FT-IR Spektrumları...84

4.2.2.4. Yapıca Kararlı Yağ Asidi Ötektik Karışımı/VMT Kompozit FDM’lerin FT-IR Spektrumları...87

4.3. DSC Isıl Analiz Sonuçları ...91

4.3.1. Yağ Asidi Ötektik Karışımlarının DSC Isıl Analizleri...91

4.3.2. Yapıca Kararlı Yağ Asidi Ötektik Karışımı/GP Kompozitlerinin DSC Isıl Analizleri ...95

4.3.3. Yapıca Kararlı Yağ Asidi Ötektik Karışımı/Alçı Kompozitlerinin DSC Isıl Analizleri ...98

4.3.4. Yapıca Kararlı Yağ Asidi Ötektik Karışımı/VMT Kompozitlerinin DSC Isıl Analizleri ... 102

4.4. Isıl Güvenilirlik Testi Sonuçları ... 107

4.4.1. Yapıca Kararlı Yağ Asidi Ötektik Karışımı/GP Kompozit FDM’lerin Isıl Güvenilirlikleri... 107

4.4.2. Yapıca Kararlı Yağ Asidi Ötektik Karışımı/Alçı Kompozit FDM’lerin Isıl Güvenilirlikleri... 115

viii

4.6. Isıl İletkenlik Ölçümleri... 130

4.6.1. Yağ Asidi Ötektik Karışımı/GP Kompozit FDM’lerin Isıl İletkenliklerinin Arttırılması ve GG İlavesinin Enerji Depolama Özellikleri Üzerine Etkisi ... 136

4.6.2. Yağ Asidi Ötektik Karışımı/Alçı Kompozit FDM’lerinin Isıl İletkenliklerinin Arttırılması ve GG İlavesinin Enerji Depolama Özellikleri Üzerine Etkisi ... 144

4.6.3. Yağ Asidi Ötektik Karışımı/VMT Kompozit FDM’lerinin Isıl İletkenliklerinin Arttırılması ve GG İlavesinin Enerji Depolama Özellikleri Üzerine Etkisi ... 151

4.7. GG İlavesinin Kompozit FDM’lerin Erime ve Katılaşma Süreleri Üzerine Etkisi ... 159

4.7.1. Saf Yağ Asidi Ötektik Karışımı/GP ve Yağ Asidi Ötektik Karışımı/GP/GG Kompozitlerinin Erime ve Katılaşma Süreleri... 159

4.7.2. Saf Yağ Asidi Ötektik Karışımı/Alçı ve Yağ Asidi Ötektik Karışımı/Alçı/GG Kompozitlerinin Erime ve Katılaşma Süreleri... 163

4.7.3. Saf Yağ Asidi Ötektik Karışımı/VMT ve Yağ Asidi Ötektik Karışımı/VMT/GG Kompozitlerinin Erime ve Katılaşma Süreleri... 166

4.8. Hazırlanan Kompozit FDM’lerin Isı Depolama Performansları ... 169

4.9. Kompozit FDM’nin Soğutma Yükü Üzerine Katkısının Belirlenmesi ... 175

4.9.1. Yapı Bileşenlerinden Oluşan Isı Kazancına Bağlı Soğutma Yükü Hesapları ... 176

4.9.2. Hava Sızdırmasından Oluşan Soğutma Yüklerinin Hesaplanması... 179

4.9.3. İç Isı Kazançlarından Oluşan Soğutma Yüklerinin Hesaplanması... 181

4.9.4. Yapıca Kararlı Kompozit FDM Uygulanmış ve Uygulanmamış Örnek Yapının Toplam Soğutma Yüklerinin Karşılaştırılması ... 181

4.9.5. Bağıl Nemin Neden Olduğu Gizli Isı Nedeniyle Oluşan Soğutma Yükünün Hesaplanması... 186

5. SONUÇ VE ÖNERİLER ... 171

KAYNAKLAR ... 190

ix kWh Kilovat-saat °C Santigrat derece qd Depolanan ısı miktarı kg Kilogram m2 _Metrekare m3 _Metreküp s Saniye h Saat mm Milimetre cm Santimetre mg Miligram m Madde miktarı Ck Katı haldeki özgül ısı (kJ/kgK) Cs Sıvı haldeki özgül ısı (kJ/kgK) HE Erime gizli ısısı (kJ/kg) Te Erime sıcaklığı (oC) To Başlangıç sıcaklığı (oC) Ts Son sıcaklık (oC) Q Isı Cp Isı kapasitesi (kJ/kgK) m Madde miktarı ΔT Sıcaklık farkı (o_C) v Madde hacmi ρ Yoğunluk (g/cm3₎ ΔHr Reaksiyon ısısı

ar Tepkiyen madde kesri

N Newton

J Jul

kJ Kilojul

ΔHB B bileşeninin erime entalpisi

XB B bileşeninin mol kesri

R Evrensel gaz sabiti

T* Karışımın donma sıcaklığı

TB B bileşeninin donma sıcaklığı

DC Doğru akım

P Basınç

D Gözenek çapı

γ FDM’nin yüzey gerilimi

x

ΔHYA Yağ asidi ötektik karışımının erime gizli ısısı

% Yüzde

cm-1 _{Dalga sayısı}

λ Isı iletim katsayısı (W/mK)

Td Donma sıcaklığı (o_C) Te Erime sıcaklığı (oC) ΔHd Donma ısısı (J/g) ΔHe Erime ısısı (J/g) R2 _{Korelasyon katsayısı} A Alan (m2₎ Σ Toplam

xi

HVAC Hava İklimlendirme ve Klima

PE Polietilen

PET Polietilen tereftalat

NPG Neopentil glikol

PE Pentaeritritol

TAM Trihidroksi metil amino metan

DSC Diferansiyel Taramalı Kalorimetre

FT-IR Fourier Transform Infrared

KA Kaprik Asit

LA Laurik Asit

ORNL Oak Ridge Ulusal Laboratuarı

XRD X-Işınları Kırınımı

SEM Taramalı Elektron Mikroskopu

TG Termogravimetri MA Miristik Asit PA Palmitik Asit SA Stearik Asit GP Genişletilmiş Perlit VMT Vermikülit

EDS Enerji Dağılımlı Spektroskopi

GG Genişletilmiş Grafit

e.n Erime Noktası

YA Yağ Asidi Ötektik Karışımı

ASHRAE Amerikan Isıtma-soğutma, Klima Mühendisleri Birliği

CLTD Soğutma Yükü Sıcaklık Farkı

GLF Cam Yükü Faktörü

ACH Saatlik Hava Değişimi

xii

Şekil 2.1. Isı depolamada kullanılan yöntemler... 4

Şekil 2.2. Duyulur ısı depolama için yeraltı termal enerji depolama teknikleri ... 7

Şekil 2.3. Duyulur ve gizli ısı depolama maddelerinin birim kütle başına enerji depolama kapasiteleri ... 8

Şekil 2.4. Isıl iletkenlik arttırmada kullanılan çeşitli ısıl iletkenlik arttırıcılar... 16

Şekil 2.5. Isıl enerji depolama amacıyla kullanılan FDM’lerin sınıflandırılması ... 17

Şekil 2.6. FDM’lerin kullanıldığı bazı uygulamalar... 30

Şekil 2.7. FDM’lerin binalarda uygulama şekilleri ve etkileri ... 34

Şekil 2.8. Alçı duvar (a) FDM içine daldırılmamış (b) FDM içerisine daldırılmış... 38

Şekil 2.9. FDM’lerin makrokapsüllenmesinde kullanılan bazı malzemeler... 38

Şekil 2.10. (a) İç sıva yüzeyine mikrokapsüller ilave edilmiş hafif yapı malzemeli duvarın şematik görünümü (b) mikrokapsül ilave edilmiş sıvanın SEM fotoğrafı ... 39

Şekil 3.1. Gözenekli yapı malzemeleri GP, Alçı ve VMT’nin fotoğraf görüntüleri ... 46

Şekil 3.2. Sıcaklık-bileşim faz diyagramı... 47

Şekil 3.3. % kütle bileşimine karşı KA-LA karışımının erime sıcaklığı ... 48

Şekil 3.4. % kütle bileşimine karşı KA-MA karışımının erime sıcaklığı... 49

Şekil 3.5. % kütle bileşimine karşı KA-PA karışımının erime sıcaklığı ... 49

Şekil 3.6. % kütle bileşimine karşı KA-SA karışımının erime sıcaklığı ... 50

Şekil 3.7. Vakum emdirme düzeneğinin şematik görünümü... 51

Şekil 3.8. Kompozit FDM’lerin hazırlanmasında kullanılan vakum emdirme düzeneğinin fotoğraf görüntüsü... 52

Şekil 3.9. Veri kaydediciye (Data Logger) ait kalibrasyon eğrisi ... 53

Şekil 3.10. Erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesi amacıyla oluşturulan deney düzeneğinin şematik görünümü ... 54

xiii

kullanılan ölçüm hücresinin fotoğraf görüntüsü... 56

Şekil 3.13. DSC eğrisi üzerinde faz değişim sıcaklığı ve erime entalpisinin belirlenmesi... 58

Şekil 3.14. DSC analiz cihazının fotoğraf görüntüsü ... 59

Şekil 3.15. Isıl iletkenlik ölçüm cihazının fotoğraf görüntüsü ... 61

Şekil 3.16. Isıl döngü (Thermal cycler) cihazının fotoğraf görüntüsü... 62

Şekil 3.17. Isıl performans ölçümü için hazırlanan test hücresinin fotoğraf görüntüsü ... 63

Şekil 3.18. Isıl performans ölçümünde kullanılan deney düzeneğinin fotoğraf görüntüsü ... 64

Şekil 3.19. Soğutma yükü hesabı yapılacak örnek bir yapının plan, kesit ve görünüşü ... 68

Şekil 4.1. Akma testleri uygulanan kompozit FDM’lerin fotoğraf görüntüleri (a), (c) ve (e) akma davranışı gözlenmeyen kompozit FDM’ler, (b), (d) ve (f) akma davranışı gösteren kompozit FDM’ler... 70

Şekil 4.2. KA-LA yüklemesinden önce ve sonra GP’nin fotoğraf görüntüleri (a) ve (b), SEM görüntüleri (c) ve (d)... 71

Şekil 4.3. KA-LA yüklemesinden önce ve sonra Alçı’nın fotoğraf görüntüleri (a) ve (b), SEM görüntüleri (c) ve (d)... 72

Şekil 4.4. KA-LA yüklemesinden önce ve sonra VMT’nin fotoğraf görüntüleri (a) ve (b), SEM görüntüleri (c) ve (d)... 72

Şekil 4.5. Yağ asitlerinin dimerik yapısı... 74

Şekil 4.6. Saf GP’nin FT-IR spektrumu ... 75

Şekil 4.7. Saf Alçı’nın FT-IR spektrumu... 75

Şekil 4.8. Saf VMT’nin FT-IR spektrumu... 76

Şekil 4.9. KA-LA ötektik karışımının FT-IR spektrumu... 76

xiv

Şekil 4.13. Yapıca kararlı KA-LA/GP kompozit FDM’nin FT-IR spektrumu... 80

Şekil 4.14. Yapıca kararlı KA-MA/GP kompozit FDM’nin FT-IR spektrumu... 81

Şekil 4.15. Yapıca kararlı KA-PA/GP kompozit FDM’nin FT-IR spektrumu... 81

Şekil 4.16. Yapıca kararlı KA-SA/GP kompozit FDM’nin FT-IR spektrumu... 82

Şekil 4.17. Yapıca kararlı KA-LA/Alçı kompozit FDM’nin FT-IR spektrumu... 84

Şekil 4.18. Yapıca kararlı KA-MA/Alçı kompozit FDM’nin FT-IR spektrumu... 85

Şekil 4.19. Yapıca kararlı KA-PA/Alçı kompozit FDM’nin FT-IR spektrumu ... 85

Şekil 4.20. Yapıca kararlı KA-SA/Alçı kompozit FDM’nin FT-IR spektrumu ... 86

Şekil 4.21. Yapıca kararlı KA-LA/VMT kompozit FDM’nin FT-IR spektrumu... 88

Şekil 4.22. Yapıca kararlı KA-MA/VMT kompozit FDM’nin FT-IR spektrumu... 88

Şekil 4.23. Yapıca kararlı KA-PA/VMT kompozit FDM’nin FT-IR spektrumu ... 89

Şekil 4.24. Yapıca kararlı KA-SA/VMT kompozit FDM’nin FT-IR spektrumu ... 89

Şekil 4.25. KA-LA ötektik karışımının DSC termogramı ... 92

Şekil 4.26. KA-MA ötektik karışımının DSC termogramı... 92

Şekil 4.27. KA-PA ötektik karışımının DSC termogramı ... 93

Şekil 4.28. KA-SA ötektik karışımının DSC termogramı ... 93

Şekil 4.29. Yapıca kararlı KA-LA/GP kompozit karışımının DSC termogramı ... 95

Şekil 4.30. Yapıca kararlı KA-MA/GP kompozit karışımının DSC termogramı... 96

Şekil 4.31. Yapıca kararlı KA-PA/GP kompozit karışımının DSC termogramı ... 96

Şekil 4.32. Yapıca kararlı KA-SA/GP kompozit karışımının DSC termogramı ... 97

Şekil 4.33. Yapıca kararlı KA-LA/Alçı kompozit karışımının DSC termogramı ... 99

xv

Şekil 4.37. Yapıca kararlı KA-LA/VMT kompozit karışımının DSC termogramı ... 102 Şekil 4.38. Yapıca kararlı KA-MA/VMT kompozit karışımının DSC termogramı .... 103 Şekil 4.39. Yapıca kararlı KA-PA/VMT kompozit karışımının DSC termogramı ... 103 Şekil 4.40. Yapıca kararlı KA-SA/VMT kompozit karışımının DSC termogramı ... 104 Şekil 4.41. Yapıca kararlı KA-LA/GP kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası DSC eğrileri... 108 Şekil 4.42. Yapıca kararlı KA-MA/GP kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası DSC eğrileri... 108 Şekil 4.43. Yapıca kararlı KA-PA/GP kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası DSC eğrileri... 109 Şekil 4.44. Yapıca kararlı KA-SA/GP kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası DSC eğrileri... 109 Şekil 4.45. Yapıca kararlı KA-LA/GP kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası FT-IR spektrumları... 111 Şekil 4.46. Yapıca kararlı KA-MA/GP kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası FT-IR spektrumları... 112 Şekil 4.47. Yapıca kararlı KA-PA/GP kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası FT-IR spektrumları... 113 Şekil 4.48. Yapıca kararlı KA-SA/GP kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası FT-IR spektrumları... 114 Şekil 4.49. Yapıca kararlı KA-LA/Alçı kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası DSC eğrileri... 115 Şekil 4.50. Yapıca kararlı KA-MA/Alçı kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası DSC eğrileri... 116 Şekil 4.51. Yapıca kararlı KA-PA/Alçı kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası DSC eğrileri... 116 Şekil 4.52. Yapıca kararlı KA-SA/Alçı kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

xvi

sonrası FT-IR spektrumları... 120 Şekil 4.55. Yapıca kararlı KA-PA/Alçı kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası FT-IR spektrumları... 121 Şekil 4.56. Yapıca kararlı KA-SA/Alçı kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası FT-IR spektrumları... 122 Şekil 4.57. Yapıca kararlı KA-LA/VMT kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası DSC eğrileri... 123 Şekil 4.58. Yapıca kararlı KA-MA/VMT kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası DSC eğrileri... 124 Şekil 4.59. Yapıca kararlı KA-PA/VMT kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası DSC eğrileri... 124 Şekil 4.60. Yapıca kararlı KA-SA/VMT kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası DSC eğrileri... 125 Şekil 4.61. Yapıca kararlı KA-LA/VMT kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası FT-IR spektrumları... 127 Şekil 4.62. Yapıca kararlı KA-MA/VMT kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası FT-IR spektrumları... 128 Şekil 4.63. Yapıca kararlı KA-PA/VMT kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası FT-IR spektrumları... 129 Şekil 4.64. Yapıca kararlı KA-SA/VMT kompozit FDM’nin ısıl dönüşüm öncesi ve

sonrası FT-IR spektrumları... 130 Şekil 4.65. KA-LA ötektik karışımı ve yapıca kararlı KA-LA/GP, KA-LA/Alçı ve

KA-LA/VMT kompozitlerinin TG eğrileri... 132 Şekil 4.66. KA-MA ötektik karışımı ve yapıca kararlı KA-MA/GP, KA-MA/Alçı ve

KA-MA/VMT kompozit FDM’lerin TG eğrileri... 132 Şekil 4.67. KA-PA ötektik karışımı ve yapıca kararlı KA-PA/GP, KA-PA/Alçı ve

KA-PA/VMT kompozit FDM’lerin TG eğrileri... 133 Şekil 4.68. KA-SA ötektik karışımı ve yapıca kararlı KA-SA/GP, KA-SA/Alçı ve

xvii

kompozitin ısıl iletkenliğindeki değişimler ... 137 Şekil 4.71. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-PA/GP kompozitin ısıl iletkenliğindeki değişimler... 138 Şekil 4.72. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-SA/GP kompozitin ısıl iletkenliğindeki değişimler... 138 Şekil 4.73. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-LA/GP kompozitin

faz değişim sıcaklıklarındaki değişimler ... 139 Şekil 4.74. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-LA/GP kompozitin

faz değişim entalpilerindeki değişimler... 139 Şekil 4.75. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-MA/GP

kompozitin faz değişim sıcaklıklarındaki değişimler ... 140 Şekil 4.76. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-MA/GP

kompozitin faz değişim entalpilerindeki değişimler... 141 Şekil 4.77. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-PA/GP kompozitin faz değişim sıcaklıklarındaki değişimler ... 141 Şekil 4.78. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-PA/GP kompozitin faz değişim entalpilerindeki değişimler... 142 Şekil 4.79. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-SA/GP kompozitin faz değişim sıcaklıklarındaki değişimler ... 142 Şekil 4.80. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-SA/GP kompozitin faz değişim entalpilerindeki değişimler... 143 Şekil 4.81. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-LA/Alçı

kompozitin ısıl iletkenliğindeki değişimler ... 144 Şekil 4.82. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-MA/Alçı

kompozitin ısıl iletkenliğindeki değişimler ... 145 Şekil 4.83. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle Yapıca kararlı KA-PA/Alçı

kompozitin ısıl iletkenliğindeki değişimler ... 145 Şekil 4.84. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-SA/Alçı

xviii

kompozitin faz değişim entalpilerindeki değişimler... 147 Şekil 4.87. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-MA/Alçı

kompozitin faz değişim sıcaklıklarındaki değişimler ... 148 Şekil 4.88. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-MA/Alçı

kompozitin faz değişim entalpilerindeki değişimler... 148 Şekil 4.89. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-PA/Alçı

kompozitin faz değişim sıcaklıklarındaki değişimler ... 149 Şekil 4.90. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-PA/Alçı

kompozitin faz değişim entalpilerindeki değişimler... 149 Şekil 4.91. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-SA/Alçı

kompozitin faz değişim sıcaklıklarındaki değişimler ... 150 Şekil 4.92. Kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-SA/Alçı

kompozitin faz değişim entalpilerindeki değişimler... 150 Şekil 4.93. Kütlece faklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-LA/VMT

kompozitin ısıl iletkenliğindeki değişimler ... 152 Şekil 4.94. Kütlece faklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-MA/VMT

kompozitin ısıl iletkenliğindeki değişimler ... 152 Şekil 4.95. Kütlece faklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-PA/VMT

kompozitin ısıl iletkenliğindeki değişimler ... 153 Şekil 4.96. Kütlece faklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-SA/VMT

kompozitin ısıl iletkenliğindeki değişimler ... 153 Şekil 4.97. Kütlece faklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-LA/VMT

kompozitin faz değişim sıcaklıklarındaki değişimler ... 154 Şekil 4.98. Kütlece faklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-LA/VMT

kompozitin faz değişim entalpilerindeki değişimler... 155 Şekil 4.99. Kütlece faklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-MA/VMT

kompozitin faz değişim sıcaklıklarındaki değişimler ... 155 Şekil 4.100. Kütlece faklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-MA/VMT

xix

kompozitin faz değişim entalpilerindeki değişimler... 157 Şekil 4.103. Kütlece faklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-SA/VMT

kompozitin faz değişim sıcaklıklarındaki değişimler ... 157 Şekil 4.104. Kütlece faklı oranlarda GG ilavesiyle yapıca kararlı KA-SA/VMT

kompozitin faz değişim entalpilerindeki değişimler... 159 Şekil 4.105. Yapıca kararlı KA-LA/GP ve KA-LA/GP/GG kompozit FDM’lerin erime

ve katılaşma eğrileri... 160 Şekil 4.106. Yapıca kararlı KA-MA/GP ve KA-MA/GP/GG kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma eğrileri... 160 Şekil 4.107. Yapıca kararlı KA-PA/GP ve KA-PA/GP/GG kompozit FDM’lerin erime

ve katılaşma eğrileri ... 161 Şekil 4.108. Yapıca kararlı KA-SA/GP ve KA-SA/GP/GG kompozit FDM’lerin erime

ve katılaşma eğrileri ... 161 Şekil 4.109. Yapıca kararlı KA-LA/Alçı ve KA-LA/Alçı/GG kompozit FDM’lerin

erime ve katılaşma eğrileri ... 163 Şekil 4.110. Yapıca kararlı KA-MA/Alçı ve KA-MA/Alçı/GG kompozit FDM’lerin

erime ve katılaşma eğrileri ... 164 Şekil 4.111. Yapıca kararlı KA-PA/Alçı ve KA-PA/Alçı/GG kompozit FDM’lerin

erime ve katılaşma eğrileri ... 164 Şekil 4.112. Yapıca kararlı KA-SA/Alçı ve KA-SA/Alçı/GG kompozit FDM’leri için

erime ve katılaşma eğrileri ... 165 Şekil 4.113. Yapıca kararlı KA-LA/VMT ve KA-LA/VMT/GG kompozit FDM’lerin

erime ve katılaşma eğrileri... 167 Şekil 4.114. Yapıca kararlı KA-MA/VMT ve KA-MA/VMT/GG kompozit FDM’lerin

erime ve katılaşma eğrileri ... 167 Şekil 4.115. Yapıca kararlı KA-PA/VMT ve KA-PA/VMT/GG kompozit FDM’lerin

erime ve katılaşma eğrileri ... 168 Şekil 4.116. Yapıca kararlı KA-SA/VMT ve KA-SA/VMT/GG kompozit FDM’lerin

xx

hücrelerinin hücre içi sıcaklık değişim eğrileri... 170 Şekil 4.119. Alçı ve KA-SA/alçı kompozit karışımı ile hazırlanan test hücrelerine

ilişkin sıcaklık değişim eğrileri... 172 Şekil 4.120. Alçı ve KA-SA/alçı kompozit karışımı ile hazırlanan test hücrelerinin

hücre içi sıcaklık değişim eğrileri... 172 Şekil 4.121. VMT ve KA-SA/VMT kompozit karışımlı test hücrelerine ilişkin

sıcaklık değişim eğrileri... 174 Şekil 4.122. VMT ve KA-SA/VMT kompozit karışımı ile hazırlanan test

hücrelerinin hücre içi sıcaklık değişim eğrileri... 174 Şekil 4.123. İç yüzeyine kompozit FDM uygulanmış dış duvarların şematik görünümü

ısı iletim katsayısı hesabı... 177 Şekil 4.124. İç yüzeyine kompozit FDM uygulanmış iç duvarların şematik görünümü ve

ısı iletim katsayısı hesabı ... 178 Şekil 4.125. Sızmanın gizli ısı oranına etkisi... 183

xxi

Tablo 2.1. Bazı duyulur ısı depolama maddelerinin 300 K sıcaklığındaki ısıl-fiziksel özellikleri ... 6 Tablo 2.2. Bazı tuz hidratların erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları ...18 Tablo 2.3. Parafinlerin erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları ...21 Tablo 2.4. Parafin olmayan bazı bileşiklerin erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları ....24 Tablo 2.5. Yağ asitlerinin erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları ...26 Tablo 2.6. Isı depolama için organik ve inorganik maddelerin kıyaslanması ...27 Tablo 2.7. Bazı inorganik ötektik karışımlar ...28 Tablo 2.8. Yağ asidi ötektik karışımlarının ısıl-fiziksel özellikleri ...29 Tablo 2.9. Yapı malzemelerine FDM ilave etme metotları ...36 Tablo 3.1. Ötektik karışımların hazırlanmasında kullanılan yağ asitlerinin DSC analizi

ile belirlenen ısıl enerji depolama özellikleri...45 Tablo 3.2. Yapıca kararlı kompozitlerin hazırlanmasında kullanılan GP, Alçı ve

VMT’nin kimyasal bileşimi...46 Tablo 3.3. Hazırlanan KA-LA, KA-MA, KA-PA ve KA-SA karışımlarının ötektik

bileşim oranları ve ötektik erime sıcaklıkları ...50 Tablo 3.4. DSC analiz cihazının teknik özellikleri ve ısıl analiz şartları...59 Tablo 3.5. Termogravimetrik analiz şartları ...60 Tablo 3.6. Soğutma yükü sıcaklık farkı yöntemi hesap basamakları ...66 Tablo 3.7. Örnek yapının salon kısmına ait veriler, fiziksel özellik ve büyüklükler...67 Tablo 3.8. Örnek yapının salon kısmına ait fiziksel özellikler ...69 Tablo 4.1. GP, Alçı, VMT ve yağ asidi ötektik karışımlarının FT-IR spektrumlarında

gözlenen karakteristik piklere ait dalga sayıları ...78 Tablo 4.2. GP, yağ asidi ötektik karışımları ve kompozit FDM’lerin spektrumlarında

xxii

gözlenen karakteristik piklere ait dalga sayıları ...90 Tablo 4.5. Hazırlanan yağ asidi ötektik karışımlarının DSC analizleri ile belirlenen ısıl

enerji depolama özellikleri...94 Tablo 4.6. Yapıca kararlı yağ asidi ötektik karışımı/GP kompozitlerinin DSC

analizleri ile belirlenen ısıl enerji depolama özellikleri...97 Tablo 4.7. Yapıca kararlı yağ asidi ötektik karışımı/Alçı kompozitlerinin DSC

analizleri ile belirlenen ısıl enerji depolama özellikleri... 101 Tablo 4.8. Yapıca kararlı yağ asidi ötektik karışımı/VMT kompozitlerinin DSC

analizleri ile belirlenen ısıl enerji depolama özellikleri... 104 Tablo 4.9. Bu çalışmada hazırlanan ve literatürde yer alan bazı kompozit FDM’lerin ısıl enerji depolama özelliklerinin karşılaştırılması... 106 Tablo 4.10. Yapıca kararlı kompozit FDM’lerin ısıl dönüşüm öncesi ve sonrası DSC

analizleriyle belirlenen ısıl enerji depolama özellikleri... 110 Tablo 4.11. Yapıca kararlı kompozit FDM’lerin ısıl dönüşüm öncesi ve sonrası DSC

analizleriyle belirlenen enerji depolama özellikleri ... 117 Tablo 4.12. Yapıca kararlı kompozit FDM’lerin ısıl dönüşüm öncesi ve sonrası DSC

analizleriyle belirlenen enerji depolama özellikleri... 125 Tablo 4.13. Yağ asidi ötektik karışımları ve yağ asidi ötektik karışımı/yapı malzemesi

kompozitlerinin bozunma sıcaklıkları ve % kütle kayıpları ... 134 Tablo 4.14. Müstakil konutlar için ortalama yöntemiyle bulunan CLTD değerleri .... 176 Tablo 4.15. Salon kısmına ait yapı kabuğunun dolu alanlarından iletim yoluyla oluşan

soğutma yükü hesapları ... 176 Tablo 4.16. KA-SA/GP kompoziti ile kaplanmış salon kısmına ait yapı kabuğunun dolu

alanlarından iletim yoluyla oluşan soğutma yükü hesapları... 178 Tablo 4.17. Müstakil evler için pencere camı yük faktörü GLF değerleri ... 179 Tablo 4.18. Örnek yapının salon kısmındaki saydam alanlardan iletim yoluyla oluşan

soğutma yükü hesapları ... 179 Tablo 4.19. Saatteki hava değişimi değerleri (ACH)... 180

xxiii

Tablo 4.22. Örnek yapının kompozit FDM uygulanmış salon kısmına ait toplam

soğutma yükü... 182 Tablo 4.23. Kompozit FDM uygulanmış ve uygulanmamış salon kısmına ait toplam

1. GİRİŞ

Gelişmiş ülkelerde uygulanan sistematik ve istikrarlı enerji politikalarının katkısıyla daha ekonomik şartlarda elde edilebilen ısıl konfor, Türkiye’de halen çok yüksek bedel ile temin edilebilmektedir. Merkezi ısıtma sistemlerinin kullanıldığı binalarda, enerjinin muhafaza edilememesi sonucu, bir metrekarelik alanın ısıtılması amacıyla yılda ortalama 250-350 kWh enerji harcanmaktadır (Işıkel, 1999). Isıtma amacıyla binalarda metrekare başına harcanan enerji gelişmiş ülkelerde 50-100 kWh arasında değişmektedir. Ülkemizde ısıtma ihtiyacı için harcanan enerjinin yaklaşık % 85’lik kısmı birincil yakıtlardan karşılanmakta olup, bu yakıtların tükenmeye yüz tutuyor olması ve atmosfere bıraktığı zararlı emisyonlar nedeniyle, ülkemizde enerji tasarrufuna yönelik uygulamalar kaçınılmaz hale gelmiştir.

Bu doğrultuda, 1992 yılında Rio De Janerio’daki çevre kalkınma konferansında ve 1997 yılında Kyoto’daki iklim değişikliği sözleşmesinde, enerji üretim ve tüketiminden kaynaklanan sera gazı emisyonlarının düşürülmesi için alınan ortak kararlara, Türkiye’nin de uyacağı taahhüt edilmiştir. Bu kararlarda, sera gazı emisyonunun artmasından kaynaklanan küresel ısınmanın dünya için bir tehdit oluşturduğu kabul edilerek, acil tedbirlerin alınması gerektiği ifade edilmektedir. Buna göre, enerji tasarrufunun artırılması ve özellikle bina ısıtma ve soğutma uygulamalarındaki enerji tüketiminin azaltılması için gerekli teknolojilerin uygulanarak, yaygınlaştırılması öngörülmektedir (Çimen, 1999).

Binalarda enerji tasarrufu sağlanması amacıyla öncelikle enerji tüketimindeki piki düşürecek, enerjinin daha etkin ve verimli kullanımını sağlayacak etkili araçların geliştirilmesi gereklidir. Bu nedenle depolanan enerjinin etkin bir biçimde kullanılmasında ve mevcut enerjinin korunmasında enerji depolama önemli rol oynamaktadır. Isıl enerji depolama (IED) enerji tasarrufu ve verimliliğini artıran, ısıtma ve soğutmaya yönelik esnek çözümler sunan bir teknolojidir. IED yöntemiyle binalarda ısıtma ve soğutma amacıyla elektrik enerjisine duyulan gereksinim azalmakta ve elektriğe en çok ihtiyaç duyulan zamanlarda elektriğe aşırı yüklenme

engellenebilmektedir. Ayrıca enerji santrallerine duyulan gereksinimi ve fosil yakıt kullanımını azaltarak çevreyi daha az kirleten ve iklim değişikliği yaratan sera gazlarının atılmadığı çözümler sunmaktadır. Kısa süreli uygulamalar için gizli ısı depolama; uzun süreli olanlar için ise duyulur ısı depolama yöntemi önerilmektedir (Abhat, 1983). Gizli ısı depolama sistemlerinde, maddelerin faz değişimi sırasında aldıkları ve verdikleri ısıdan yararlanılır. Enerji alan madde erir ve tekrar donarken aldığı bu enerjiyi geri verir. Böylece ortam sıcaklığı faz değişim sıcaklığına çok yakın bir sıcaklık aralığında tutulmuş olur. Gizli ısı depolama uygulamalarında faz değişim maddeleri (FDM) olarak organik ve inorganik kimyasallar kullanılır. FDM’lerin sabit sıcaklıkta faz değiştirebilmeleri ısı depolama ve geri kazanma için elverişlidir (Keleş, 2003). FDM’li ısı depolama sayesinde yüksek kapasiteli depolama uygulamaları ile ısıtma ve soğutmada enerji tasarrufu yapılabilmektedir (Abhat, 1983; Zalba ve ark., 2003).

Farklı erime sıcaklıklarına sahip FDM’ler ısıl enerji depolama amacıyla; tekstil ürünlerinde, yapı malzemelerinde, sıcaklığa duyarlı malzemelerin (tıbbi ürünler, gıda vb.) taşınması ve saklanmasında, elektronik cihazların soğutulmasında, aktif ve pasif ısıtma ve soğutma sistemlerinde kullanılabilmektedir.

FDM’ler ile enerji depolama yönteminin en önemli uygulama alanlarından biri ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme (HVAC) sisteminin yükünü azaltma, elektrik enerjisini koruma ve önemli derecede ekonomik kazanç sağlama bakımından binalarda enerjinin muhafaza edilmesinde kullanılmasıdır. Binalarda enerji depolama maddeleri olarak FDM’lerin kullanımı, duyulur ısı depolamada olduğu gibi büyük yapısal kütle oluşturmaksızın binada yüksek miktarda ısıl enerjinin depolanmasını mümkün kılmaktadır. Alçı sıva, beton, alçı panel gibi yapı malzemeleri içerisine FDM’nin katılması binalarda enerji tüketimini azaltmak için önemli bir teknolojidir.

FDM’ler alçı sıva, gözenekli dolgu maddeleri, sıva ve diğer duvar kaplama malzemeleri gibi binayı oluşturan bileşenlere katılabilirler. Yapı malzemelerine FDM’nin katılması enerji depolama kapasitesi arttırılmış yeni bir kompozit yapı malzemesi oluşturulmasını sağlamaktadır. FDM ile kimyasal uygunluk gösterme, gözenekli yapıya sahip olma ve

FDM’yi yüksek oranda hapsedebilme istenilen enerji depolama özelliklerine sahip kompozit FDM’lerin hazırlanması için çok önemlidir. Fakat FDM içeren yapı malzemelerinin geliştirilmesinde bazı zorluklar bulunmaktadır. Bu zorluklardan biride yapı malzemelerine FDM’lerin katılmasıdır. FDM’ler yapı malzemelerinde genellikle metalik ya da polimerik kapsüller içerisinde hapsedilerek kullanılırlar. Bu durumda katı faz ve kapsül maddesinin ısıl direncinden dolayı ısı depolama ve boşaltma işlemi uzun zaman almaktadır. Bu nedenle, FDM ve ısıtma ortamı arasında daha yüksek ısı değişimi sağlamak amacıyla doğrudan ısı transferinin gerçekleştirilmesi gerekir. Gözenekli yapı malzemesi ve FDM’den oluşan bir kompozit FDM, korozyona neden olmama ve hızlı ısı transferi sağlama avantajlarından dolayı ümit verici maddelerdir. Bu kompozit maddeleri hazırlamak için erimiş FDM’nin gözenekli yapı malzemesine emdirilmesi ve FDM’nin doğrudan yapı malzemesine katılması şeklinde iki genel metot önerilmiştir. Emdirme metodu üretim için en basit ve en ucuz metottur, fakat yapı malzemesi içerisine emdirilen FDM miktarı düşüktür. Bu miktar kompozit malzemenin hazırlanması süresince vakum uygulanarak arttırılabilir.

Bu çalışmada, binalarda enerjiyi muhafaza amaçlı kullanılabilecek yeni tip enerji depolayıcı kompozit FDM’ler olarak; bazı yağ asidi ötektik karışımlarının genişletilmiş perlit, alçı ve vermikülit ile oluşturmuş olduğu kompozitler vakumla emdirme yöntemiyle hazırlanmıştır. Elde edilen kompozit FDM’ler kimyasal olarak karakterize edildikten sonra enerji depolama özellikleri, ısıl kararlılıkları ve ısıl güvenilirlikleri belirlenmiştir. Hazırlanan FDM’lerin ısıl iletkenlikleri genişletilmiş grafit kullanılarak iyileştirilmiştir. Enerji depolama özellikleri ve performansı en iyi olan kompozit karışım kullanılarak küçük ölçekli test hücreleri oluşturulmuş ve bu hücrelerin enerji depolama performansı test edilmiştir. Ayrıca hazırlanan kompozit FDM’ler içerisinde en uygun faz değişim sıcaklığına ve enerji depolama performansına sahip kompozitin gerçek bir uygulamada kullanılması durumunda soğutma yükü üzerine göstereceği katkının belirlenmesi için soğutma yükü hesapları yapılmıştır.

2. GENEL BİLGİLER

2.1. Isıl Enerji ve Isıl Enerji Depolama Yöntemleri

Isıl enerji bir maddeyi oluşturan atom veya moleküllerin gelişigüzel hareketleri sonucunda oluşan kinetik enerji ve maddenin potansiyel enerjisinin toplamıdır. Bu enerjinin aktarımı sıcaklık farkından kaynaklı ısı akışıyla gerçekleşir.

Isı enerjisini depolamak için temelde üç yöntem bulunmaktadır. Bunlar; duyulur, gizli ve termokimyasal ısı depolamadır. Bu yöntemler birim hacimde depolayabildikleri enerji bakımından birbirlerinden ayrılırlar (Lane, 1983). Genel olarak, sıcaklık ile birim hacimdeki iç enerji değişimi fazla olan ısı depolama maddeleri kullanılması durumunda, istenilen miktarda ısıyı depolamak için gereken hacim azalmaktadır. Isıl enerjinin 0-90 °C gibi düşük sıcaklıkta depolanması için genel olarak kullanılan yöntemler Şekil 2.1.’de şematik olarak verilmiştir.

Şekil 2.1. Isı depolamada kullanılan yöntemler (Abhat, 1983)

Şekil 2.1’de gösterilen ısıl enerji depolama yöntemleri arasında en verimli ve ekonomik olanı gizli ısı depolama yöntemidir.

Faz değişimli bir enerji depolama sisteminde kimyasal bir değişme meydana gelmiyorsa termodinamiğin birinci kanununa göre sabit basınçta depolanan ısıl enerji

dT C H dT C q s e e o T T s E T T k d 





şeklinde yazılabilir. Burada Ckve Cs (kJ/kgoC) sırasıyla katı ve sıvının sabit basınçtaki

özgül ısılarını; HE(kJ/kg) erime gizli ısısını, Te(oC) erime sıcaklığını, To ve Tssırasıyla

FDM’nin ilk ve son sıcaklığını göstermektedir.

Bu eşitliğe göre enerji; maddenin ısı kapasitesiyle (sıcaklığı arttırılarak) ve 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. Duyulur ısı depolaması enerji depolama amacıyla kullanılan maddenin sıcaklığı arttırılarak yapılır. Duyulur ısı depolamada ısı yükleme ve geri kazanım işlemi süresince depolama ortamının sıcaklığı değişir ve depolanabilecek ısı miktarı; depolama maddesinin ısı kapasitesine Cp, sıcaklık

değişimine ΔT ve depolama maddesinin miktarına (m) bağlıdır.







Eşitlikde v (m3_{) maddenin hacmini, ρ (kg/m}3_{) maddenin yoğunluğunu ve C}

p(kJ/kgK)

farkında depolanacak ısının miktarı maddenin hacimsel özgül ısısı (ρ.cp) ile orantılıdır

(Dinçer ve Dost, 1996).

Duyulur ısı depolamada kullanılan katı (toprak, kaya) veya sıvı maddelerin ısı kapasitesinin büyük olması yanında yanıcı özelliğinin olmaması, maddenin uzun süre (yaklaşık olarak 10-15 yıl) özelliklerini koruması, zehirli ve korozif olmaması gerekir. Aynı zamanda depolama maddesinin kolay temin edilebilir ve ucuz olması gerekir. Duyulur ısı depolanmasında kullanılan sıvılar genellikle; su, etilen glikol, su-etilen glikol (%50-50) ve bazı alkollerdir (Paksoy, 1992). Tablo 2.1’de bazı duyulur ısı depolama maddelerinin ısıl-fiziksel özellikleri verilmiştir (Dinçer, 2002; Kılkış ve Kakaç, 1989; Yang, 1989).

Tablo 2.1. Bazı duyulur ısı depolama maddelerinin 300 K sıcaklığındaki ısıl-fiziksel özellikleri (Dinçer, 2002; Çengel, 2003)

Duyulur ısı depolama maddesi Yoğunluk (kg/m3₎ Isıl iletkenlik (W/mK) Özgül ısı (J/kg K)

Isı yayılım kat. (10-6_m2_/s) Isı kapasitesi (106_J/m3_K) 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

Duyulur ısı depolama uygulamalarında ısı daha çok uzun süreli olarak depolanır. Uzun süreli depolamalar akiferde ısıl enerji depolama, kanallarda (toprak veya kaya) ısıl enerji depolama, yer altı mağaraları, çukur ve tanklarda ısıl enerji depolama şeklinde gruplandırılabilir (Doğangüzel, 2010). Şekil 2.2’de yeraltı termal enerji depolama teknikleri gösterilmiştir.

Şekil 2.2. Duyulur ısı depolama için yeraltı termal enerji depolama teknikleri Günümüzde bu yöntemler kullanılarak etkin enerji depolama sistemleri tasarlanabilmekte, ayrıca mevcut teknoloji de bu sistemleri uygulanabilir kılmaktadır (Lane, 1980). Çok sayıda depolama ve geri kazanma döngüsünün gerçekleşebilmesi ve hem sıcak hem soğuk depolama yapılabilmesi bu sistemin avantajı, gereksinim duyulan depo hacminin büyük olması ise dezavantajıdır (Paksoy ve ark., 2002).

2.1.2. Gizli Isı Depolama

Gizli ısı depolama; sabit bir sıcaklıkta maddenin faz değişimi süresince iç enerjisindeki artışla 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 depolanır ya da geri kazanılır. Katı-gaz ve sıvı-gaz faz değişim tipleri daha yüksek gizli ısı değerine sahiptir fakat faz geçişi esnasında büyük hacim değişiminin meydana gelmesi yüksek basınca dayanıklı depolama kaplarının kullanılmasını gerektirdiği için bu tip faz geçişleri yoluyla ısıl enerji depolama sınırlı olmaktadır. Faz değişimi sırasında hacimde meydana gelen büyük değişim, sistemin yapısını oldukça karmaşık yapmaktadır. Sıvı-sıvı dönüşümlerinde ise depolanabilecek enerji miktarı çok azdır. Katı-katı faz geçişlerinde; madde bir kristal yapıdan başka bir kristal yapıya dönüşürken ısı depolar. Bu geçiş genellikle katı-sıvı geçişinden daha düşük gizli ısı değerine ve hacim değişimine sahiptir (Wang ve ark., 2000, Pillai ve Brinkwarth, 1976).

Katı-katı faz dönüşümleri sırasında depolanan gizli ısı sıvı-gaz dönüşümleri ile elde edilen gizli ısıdan oldukça düşüktür. Katı-sıvı geçişleri uygulanabilirliğinin kolaylığı ve ekonomikliği açısından en çok tercih edilen faz değişim tipidir. Ayrıca, bu faz değişimi esnasında hacim değişimi (% 10 veya daha az) oldukça küçüktür. FDM’li bir gizli ısı enerji depolama sisteminin enerji depolama kapasitesi Eşitlik (3) ile ifade edilir.













_

_

Bu eşitlikte Ckve 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 veya hacim başına sıcaklık değişmesinde daha yüksek enerji depolama yoğunluğuna sahip olmalarıdır (Şekil 2.3). (ii) Enerji depolama ve geri kazanım işleminin sabit sıcaklıkta gerçekleşmesi ve erime sıcaklığına bağlı olarak hem ısıtma hem soğutma amaçlı kullanılabilmeleridir (Sharma ve Sagara, 2005).

Şekil 2.3. Duyulur ve gizli ısı depolama maddelerinin birim kütle başına enerji depolama kapasiteleri 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Esu Ebeton EFDM katı sıvı FDM Su Beton Sıcaklık,o_C En erj i, kJ /k g

2.1.3. Reaksiyon Isısı (Kimyasal Enerji)

Reaksiyon ısısı, tersinir olarak gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar esnasında alınan veya verilen ısıdır. Tamamen tersinir ve ekzotermik olarak tepkimeye girebilen kimyasal bileşiklerde tepkimeler süresince ayrışan veya oluşan moleküler bağlarda enerjinin depolanması ve salınması esasına dayanır. Bu yöntem birçok karmaşık basamaklar içerse de temeli endotermik olarak ısı alan tepkimenin ekzotermik reaksiyonla bu ısıyı geri vermesi esasına dayanır. Bu yöntemde depolanan ısı; depolama maddesinin miktarına, reaksiyonun endotermik ısısına ve dönüşümün derecesine bağlıdır.

r rm H a

Q  (4)

Bu eşitlikte ar,tepkiyen madde kesrini, m depolama maddesinin miktarını ve ΔHr,birim

kütlenin reaksiyon ısısını ifade etmektedir. Reaksiyon ısısının enerji depolama amacıyla kullanılması yöntemine termokimyasal enerji depolama da denmektedir.

Termokimyasal yöntemle ısı depolayan sistemler, gizli ısı depolama sistemlerinden daha karmaşıktır. Tepkimedeki bileşenlerin kendi aralarındaki olası etkileşimleri de önemlidir. Yöntemin en önemli özelliği seçilen tepkimenin tersinir olmasıdır. Tersinir tepkimelerle ısı tepkimenin endotermik yönünde depolanır, ekzotermik yönünde geri kazanılabilir. Tepkime sıcaklığında oluşan tepkime ürünleri ayrı ayrı depolanır, daha sonra depolanan ısı ürünlerin tekrar karıştırılması ve gerektiğinde katalizör ilavesiyle geri kazanılabilir (Gök, 2005).

2.2. Gizli Isı Depolama Sistemleri

Gizli ısı depolama yöntemleri kısaca belirli bir sıcaklık aralığında faz değişimine uğrayan FDM’lerin faz değişim gizli ısılarından enerji depolama için yararlanıldığı tekniklerdir. Bu nedenle bu tekniğe gizli ısı tekniği denilmektedir (Lane, 1983).

FDM’ler ile enerji depolama konusundaki çalışmalar ve uygulamalar son 20 yılda yoğunluk kazanmıştır (Zalba ve ark., 2003). Ancak 40 yıla yakın bir süredir tuz hidratlar, parafinler, yağ asitleri, organik ve inorganik maddelerin ötektik karışımlarıyla ilgili çalışmalar yürütülmektedir (Farid ve ark., 2004; Sarı, 2005; Buddhi ve ark., 1988, Dimaano ve Watanabe, 2002). Tarihsel süreçteyse FDM’li ilk uygulama 1800’lü yıllarda İngiliz demir yollarında soğuk kış aylarında trenlerdeki yolcuların oturaklarını sıcak tutmak için kauçuk ya da metal paketlerde sodyumtiyosülfat pentahidrat (e.n: 44,5 °C) kullanılmasıdır. Dünyadaki ilk deneysel uygulama ise Dr. Telkes’in bina için FDM kullanmayı amaçlayan çalışmasıdır (Lane, 1983; Dinçer ve Rosen, 2002; Mazman, 2006).

Bugün ise FDM kullanılarak yapılan; ısıtma, soğutma, sıcak su eldesi, çeşitli maddelerin sabit sıcaklıkta taşınması v.b. gibi birçok uygulama bilinmektedir (Cabeza ve ark., 2006; Feldman ve ark., 1986; Zalba ve ark., 2003; Mazman, 2006).

Gizli ısı depolamada depolanan ısının büyüklüğü, katı haldeki maddelerin erimesi için birim kütle başına gereken ısının fazla olmasına bağlıdır. FDM faz değiştirme işlemini tamamladıktan sonra verilen fazla ısı FDM’in sadece duyulur ısısını arttırır (Dinçer ve Rosen, 2002). Gizli ısı depolamanın diğer tekniklere göre bazı üstünlükleri şunlardır:

 Duyulur ısı depolamaya göre ısı depolama kapasitesi yüksektir ve ısı deposu hacmi daha küçüktür.

 FDM’lerin faz değişim sıcaklıkları, sabit sıcaklıkta depolama ve geri kazanma için uygundur.

 Sabit sıcaklıkta ısı gerektiren uygulamalar için uygundur.

Bu avantajlarına rağmen gizli ısı depolama amacıyla inorganik FDM’ler kullanıldığı zaman bazı sıkıntılar ortaya çıkmaktadır. Bunlar:

 İstenilen sıcaklık aralığında kullanılabilecek inorganik FDM sayısı azdır.

 Uzun süreli kullanımlarda kararlılık göstermemektedirler.

 Kapsüllendiklerinde kapsülden çok yavaşta olsa salınmaktadırlar. Bu da ısıl özelliklerinin değişmesine sebep olmaktadır (Dinçer ve Rosen, 2002).

2.3. FDM Seçiminde Ölçütler

0-120 °C sıcaklık aralığında yüksek erime entalpisine sahip çok sayıda organik ve inorganik madde bulunmaktadır. Bu maddelerden gizli ısı depolama amacıyla yararlanılabilmesi için termodinamik, kinetik ve kimyasal yönlerden belirli özelliklerin bulunması gerekir. Ayrıca maliyet ve çok miktarda bulunabilirlik dikkate alınmalıdır. Depolama için FDM seçiminde; erime sıcaklığı, toksik etki, kimyasal kararlılık, korozif etki, yanıcılık ve maliyet gibi özellikler göz önünde bulundurulmalıdır.

Gizli ısı depolamada kullanılacak herhangi bir maddenin ısıl-fiziksel özelliklerinin belirlenmesi için laboratuar testlerinden geçirilmesi gerekir. Laboratuar testlerinde maddenin ısıl-fiziksel özellikleri (faz değişim sıcaklığı, entalpi, özgül ısı, ısıl iletkenlik) ve ısı depolama açısından diğer özellikleri (tekrarlanan ısıtma-soğutma dönüşümlerinde maddenin özelliklerinin kararlılığı, aşırı ısınma ve soğuması) belirlenir. FDM’lerde istenilen özellikler aşağıda başlıklar altında verilmiştir.

2.3.1. Termodinamik Ölçütler

 Erime noktası istenilen sıcaklık aralığında olmalı

 Birim hacim ya da kütle başına yüksek erime gizli ısısına sahip olmalı, böylece yüksek oranda enerji depolama için daha az FDM kullanmak yetecektir.

 Duyulur ısı depolamaya ek olarak yüksek ısı depolama kapasitesine sahip olmalı

 Küçük hacimdeki depolara yerleştirilebilmesi için yoğunluğu yüksek olmalıdır.

 Isıl iletkenliği yüksek olmalıdır. Böylece FDM’de ısı depolanması ve geri kazanılması için gerekli süre daha kısa olacaktır.

 Depolama kabı problemini azaltmak için çalışma sıcaklığında düşük buhar basıncına sahip olmalı ve faz değişiminde küçük hacim değişimi göstermeli

 Düzenli erime ve katılaşma davranışı göstermelidir. Aksi durumda sıvı ve katı fazlar arasında yoğunluk farkı oluşursa, faz ayrımı meydana gelir ve maddenin kimyasal yapısı değişir.

2.3.2. Kinetik Ölçütler

Katılaşma esnasında çok az aşırı soğuma etkisi göstermeli ya da hiç göstermemelidir. Erimiş maddenin kristallenmesi maddenin termodinamik donma noktasında gerçekleşir. Bunun başarılı olabilmesi için çekirdekleşme hızı yüksek ve kristal oluşum hızı büyük olmalıdır.

2.3.4. Kimyasal Ölçütler

 Kimyasal kararlılık göstermeli (kimyasal özellikleri değişmemelidir)

 Tamamen tersinir erime ve katılaşma dönüşümüne sahip olmalı

 Kullanım süresinin uzun olması için çok sayıda erime ve katılaşma dönüşümünden sonra kimyasal bozunmaya uğramamalıdır.

 FDM’nin depolanacağı malzeme için korozif etkide olmamalıdır.

 Yanıcı, zehirli ve patlayıcı özelliklerde olmamalıdır.

2.3.5. Teknik Ölçütler  Basitlik  Uygulanabilirlik  Etkinlik  Sistemlere uygunluk  Güvenilirlik 2.3.6. Ekonomik Ölçütler

 Kolay ve bol miktarda bulunmalı

2.4. FDM’lerin Özelliklerinin Değerlendirilmesi

Isıl enerji depolama sistemlerinde kullanılacak FDM’lerin seçiminde, aday FDM’ler değerlendirilirken erime ve katılaşma süreçleri, aşırı soğuma, çekirdekleşme, ısıl dönüşüm süresince kimyasal ve ısıl kararlılık, paketlenebilme ve sisteme uygunluk kriterlerinin bilinmesi gerekmektedir.

2.4.1. Erime ve Katılaşma

Birçok FDM sadece erime ve katılaşma özelliklerinden dolayı enerji depolama için kullanıma uygun değildir. Bazıları düzensiz katılaşırken bazılarının kristal oluşum hızları çok düşüktür. Bu sorunları ortadan kaldırmak için FDM’ler içerisine çeşitli çekirdekleştiriciler eklenir fakat bunlar da depolama ortamında fazladan bir hacim kaplanmasına ve FDM’nin erime sıcaklığında ve erime ısısında değişime sebep olurlar.

2.4.2. Aşırı Soğuma

Özellikle inorganik tuz hidratlar kullanıldığında meydana gelen bu sorun katılaşma sıcaklığının altına inilmesine rağmen katılaşma işleminin gerçekleşmemesidir. Bu da tuz hidratların kullanıldığı sistem tasarlanırken beklenen sıcaklık aralığının aşılması ve depolama işleminin istenmeyen bir sıcaklık aralığında gerçekleşmesi anlamına gelmektedir.

2.4.3. Çekirdekleşme

Aşırı soğumayı önlemek amacıyla depolama ortamına, kullanılan FDM ile benzer kristal yapıya sahip bir madde, çekirdekleştirici olarak eklenebilir. Ancak eklenecek çekirdekleştiricinin bazı özelliklere sahip olması gerekmektedir. Bu özellikler şöyle sıralanabilir:

 Birlikte kullanıldığı tuz hidrat ile aynı kristal yapıya sahip olmalı

 Sıcaklık ne olursa olsun su içerisinde çözünmemeli

 Erime aralığı sistemin çıkacağı en yüksek sıcaklık değerinin üstünde olmalı

 Tuz hidratlar ile katı çözelti oluşturmamalı ve kimyasal tepkimeye girmemelidir.

2.4.4. Isıl Dönüşüm Süresince Isıl ve Kimyasal Kararlılık

FDM olarak kullanılacak birçok madde ısıl dönüşümler (erime ve katılaşma) sonrasında ısıl veya kimyasal kararlılıklarını kaybeder. Örneğin Lane (1989), yaptığı bir çalışmada normalde beyaz renkli palmitik asidin 20-95 °C aralığında maruz bıraktığı ısıl dönüşümlerde 21. ısıl dönüşüm sonrasında renginin değiştiğini ve erime aralığının yaklaşık olarak 2 °C düştüğünü kaydetmiştir. Aynı araştırmada propanamit-palmitik asit (%25,1-74,9) ötektik karışımının renginin önce sarardığı sonra turuncu ve en son siyah renge döndüğü belirtilmektedir. Bu nedenle enerji depolama sisteminde kullanılacak FDM’ler çok sayıda erime ve katılaşma işlemlerinden oluşan ısıl dönüşümlere maruz bırakılmalı ve bu dönüşümler sonrasında ısıl fiziksel özelliklerinde ve kimyasal yapılarında değişim olup olmadığı belirlenmelidir.

2.4.5. Paketlenme ve Sistem Bileşenlerine Uygunluk

Enerji depolama sisteminde kullanılacak FDM’lerin ısı transferinde etkin olmaları ve sisteme uygun şekilde (akmayacak, bozulmayacak, sisteme bulaşmayacak v.b.) eklenmesi için paketlenmesi gerekmektedir. Uygulamada FDM’ler çelik kaplar, plastik şişeler, polietilen ve polipropilen şişeler, yüksek yoğunluklu polietilen borular, esnek paketleme filmleri ve plastik tüplere konulacak sisteme eklenmektedir. Ayrıca mikro kapsülleme ya da jel içinde hapsetmeyle FDM’nin polimer yapı içinde sisteme eklenmesi mümkündür (Özonur ve ark., 2005; Alkan ve ark., 2006, 2009; Sarı ve ark., 2006; Alkan ve Sarı, 2008; Sarı ve ark., 2008, 2009). Uygun paketleme şekli seçilirken FDM’lere uygunluk göz önünde bulundurulmalıdır. FDM’nin depolanacağı ortam üzerine olası etkileri; korozif olma, kimyasal tepkimeye girme ya da depolama

malzemesinden dışarı sızma şeklinde olmaktadır. Örneğin inorganik FDM’lerin metalik depolama kaplarına karşı korozif olduğu, organik FDM’lerin ise organik yapılı kapları yumuşattığı bilinmektedir. Bu nedenle depolama ortamı seçimi bu kriterler göz önünde bulundurularak yapılmalıdır.

2.4.6. Isıl İletkenlik

FDM olarak kullanılacak maddelerin enerji depolama sisteminde daha hızlı ısı yükleme ve boşaltma yapabilmesi için yüksek ısıl iletkenliğe sahip olması gerekir (Farid ve ark., 2004). Ancak FDM’lerin birçoğunun ısıl iletkenliği ısı değiştirici arasında etkin bir ısı transferi yapabilecek düzeyde değildir. Bu yüzden ısıl iletkenliğin arttırılması gerekmektedir (Fukai ve ark., 2000; Py ve ark., 2001; Cabeza ve ark., 2002a). Gizli ısı depolama sisteminde faz değişimi sırasında katı-sıvı yüzeyi ısı transfer yüzeyinden uzaklaşır. Bu yüzeyin kalınlığı arttıkça artan ısıl dirençten dolayı yüzeydeki ısı akış hızı düşer. Katılaşma süresince sadece kondüksiyon yoluyla ısı transferi olur ve bu nedenle ısı transferi oldukça düşüktür. Erime işleminde ise konveksiyon yoluyla ısı transferi meydana gelir ve erime işleminde ısı transfer hızı katılaşmaya göre daha hızlı olur. Ancak uygulamada FDM üzerinden gerçekleşecek ısı transfer hızı sistemin etkin olması için yeterli değildir. Sistemde ısı transfer hızının daha yüksek olması için mutlaka ısı transferini arttırıcı tekniklerin kullanılması gerekir (Cabeza ve ark., 2006; Mehling ve ark., 2003; Sarı ve Karaipekli, 2007).

Görüldüğü gibi FDM’li enerji depolama sistemlerinde FDM’lerin düşük ısıl iletkenliği en önemli sorunlardan biridir. Düşük ısıl iletkenlik ısı depolama süresince ısı depolama ve geri kazanma zamanını arttırmakta ve ısı depolama verimini düşürmektedir (Abhat, 1983; Mehling ve ark., 2000; Lane, 1980; Py ve ark., 2001). Bu sorunu ortadan kaldırmak için depolama ortamında ısıl iletkenliği arttıracak maddeler kullanılmalıdır. FDM’li enerji depolama sistemlerinde ısıl iletkenliği arttırmak için birçok yöntem üzerinde çalışmalar yapılmaktadır (Şekil 2.4). Literatür çalışmalarına bakıldığında, yapılan çalışmaların düşük ısıl iletkenlik problemini aşmak için ince şerit metal, ince duvarlı halkalar, gözenekli metaller, gözenekli grafit, metal tozları, metal köpük matriks

kullanımı üzerine olduğu görülmektedir. Ortama farklı formlarda grafit eklenmesi ısıl iletkenliği arttırmak için bir çok araştırıcı tarafından önerilmektedir (Xiao ve ark., 2002; Zalba ve ark., 2003; Cabeza ve ark., 2002b; Py ve ark., 2001; Mehling ve ark., 2003; Karaipekli, 2006).

İnce duvarlı halkalar Metal parçacıkları Karbon fiber

Gözenekli metal Gözenekli grafit Grafit tozu Şekil 2.4. Isıl iletkenlik arttırmada kullanılan çeşitli ısıl iletkenlik arttırıcılar

2.5. FDM’lerin Sınıflandırılması

FDM’lerin sınıflandırılması genel olarak Şekil 2.5’de verilmiştir. Ancak erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları bakımından sınıflandırılabilecek çok sayıda FDM vardır.

Şekil 2.5. Isıl enerji depolama amacıyla kullanılan FDM’lerin sınıflandırılması (Zalba ve ark., 2003)

Şekil 2.5’de gösterilen FDM olmaya aday madde grupları FDM seçiminde seçeneklerin çokluğunu göstermektedir. Ancak uygulamada her seçeneğin bazı avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Bu yüzden FDM seçimi yapılırken faz değişim sıcaklığı, faz değişim entalpisi, katı ve sıvı haldeki ısı kapasitesi ve ısıl iletkenlik gibi çok temel bazı parametreleri göz önünde bulundurmak gerekir. 0-120 ºC aralığında faz değişimi gösteren maddeler FDM olarak kullanılmaya adaydırlar. Bunlar organik, inorganik ve onların karışımları şeklinde gruplandırılırlar ve kendi içlerinde alt gruplara ayrılırlar (Akçay, 2006). Çeşitli FDM’ler genel hatlarıyla aşağıda alt başlıklar halinde verilmiştir.

2.5.1. Tuz Hidratlar

Tuz hidratlar en eski ve en çok incelenen ısı depolama maddeleridir (Lane, 1983). Tuz hidratlar M.nH2O formülü ile gösterilirler ve M burada bir inorganik bileşiği göstermektedir. Tuz hidratlar yüksek ısı depolama yoğunluklarından dolayı ısı depolama maddelerinin önemli bir sınıfını oluştururlar ve daha çok 0-150 ºC sıcaklık aralığında kullanılırlar. Tablo 2.2’de bazı tuz hidratların ısıl-fiziksel özellikleri verilmiştir.

Tablo 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 Erimesıcaklığı (o_C) Yoğunluk_(kg/m3₎ Isıl iletkenlik_(W/mK) Gizli ısı_{(kJ/kg) davranışı}Erime

LiClO3.3H2O 8 - 253 Düzenli NH4Cl.Na2SO4.10H2O 11 - 163 -K2HO4.6H2O 14 - 108 Düzenli NaCl.Na2SO4.10H2O 18 - 286 -KF.4H2O 18 - - 330 Düzenli K2HO4.4H2O 18,5 144720°C 145518°C 14806°C - 231 -Mn(NO3)2.6H2O 25 173820°C - 148 -LiBO2.8H2O 25,7 - - 289 -FeBr3.6H2O 27 - - 105 -CaCl2.6H2O 29-30 156232°C 180224°C 0,561 61,2°C 1,00823°C 170-192 Düzensiz LiNO3.3H2O 30 - - 189-296 Düzenli Na2SO4.10H2O 32 148524°C 0,544 251-254 Düzensiz Na2CO3.10H2O 33-36 1442 - 247 Düzensiz KFe(SO4)2.12H2O 33 - - 173 Düzensiz CaBr2.6H2O 34 195635°C - 115-138 Düzensiz LiBr.2H2O 34 - - 124 Düzensiz Na2HPO4.12H2O 35 1522 - 256-281 Düzensiz Zn(NO3)2.6H2O 36 182836°C 193724°C 206514°C 0,46439,9°C 0,46961,2°C 134-147 Düzenli Mn(NO3)2.4H2O 37 - - 115 -FeCl3.6H2O 37 - - 223 Düzenli CaCl2.4H2O 39 - - 158 Düzensiz CoSO4.7H2O 40,7 - - 170 -CuSO4.7H2O 40,7 - - 171 -KF.2H2O 42 - - 162-266 Düzenli MgI2.8H2O 42 - - 133 -CaI2.6H2O 42 - - 162 -Ca(NO3)2.4H2O 43-47 - - 106-140 Düzenli Zn(NO3)2.4H2O 45 - - 110 -K3PO4.7H2O 45 - - 145 -Na2S2O3.5H2O 48 1600 - 209 -CH3COONa.3H2O 58 - - 270-290 Düzensiz Ba(OH)2.8H2O 78 207024°C 2180 0,678 98,2°C 1,25523°C 265-280 Düzenli Sr(OH)2.8H2O 89 - - 370 Düzensiz Mg(NO3)2.6H2O 89-90 155094°C 163625°C 0,490 95°C 0,502110°C 0,61137°C 0,69955,6°C 162-167 Düzenli (NH4)Al(SO4).6H2O 95 - - 269