ISI BORULU HAVA VE SU ISITMA AMAÇLI GÜNEġ KOLLEKTÖRLERĠNĠN TASARIMI ĠMALATI VE DENEYSEL ĠNCELENMESĠ. Tuğba KÖSE

ISI BORULU HAVA VE SU ISITMA AMAÇLI GÜNEġ KOLLEKTÖRLERĠNĠN TASARIMI ĠMALATI VE DENEYSEL

ĠNCELENMESĠ

Tuğba KÖSE

YÜKSEK LĠSANSTEZĠ

MAKĠNA EĞĠTĠMĠANABĠLĠM DALI

GAZĠ ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

EKĠM 2014

Tuğba KÖSE tarafından hazırlanan “ISI BORULU HAVA VE SU ISITMA AMAÇLI GÜNEġ KOLLEKTÖRLERĠNĠN TASARIMI ĠMALATI VE DENEYSEL ĠNCELENMESĠ” adlı tez çalıĢması aĢağıdaki jüri tarafından OY BĠRLĠĞĠ ile Gazi Üniversitesi Makina Eğitimi Anabilim Dalında YÜKSEK LĠSANS TEZĠ olarak kabul edilmiĢtir.

DanıĢman:Prof. Dr. Hikmet DOĞAN

Enerji Sistemleri Mühendisliği, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum/onaylamıyorum ...………

BaĢkan :Doç. Dr. Ercan Nurcan YILMAZ

Elektrik–Elektronik Mühendisliği,Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum/onaylamıyorum ………...

Üye :Doç. Dr. Mustafa AKTAġ

Enerji Sistemleri Mühendisliği, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum/onaylamıyorum ………...

TezSavunmaTarihi: 10/03/2014

Jüri tarafından kabul edilen bu tezin Yüksek Lisans Tezi olması için gerekli Ģartları yerine getirdiğini onaylıyorum.

………

Prof. Dr. ġeref SAĞIROĞLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

ETĠK BEYAN

Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalıĢmasında;

 Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,

 Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,

 Tez çalıĢmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi,

 Kullanılan verilerde herhangi bir değiĢiklik yapmadığımı,

 Bu tezde sunduğum çalıĢmanın özgün olduğunu,

bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.

Tuğba KÖSE 31/10/2014

ISI BORULU HAVA VE SU ISITMA AMAÇLI GÜNEġ KOLLEKTÖRLERĠNĠN TASARIMI ĠMALATI VE DENEYSEL ĠNCELENMESĠ

(Yüksek Lisans Tezi) Tuğba KÖSE GAZĠ ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

Ekim 2014 ÖZET

GüneĢ enerjili sistemler daha çok, kullanma sıcak suyu hazırlama amaçlı olarak düĢünülmekte ve kullanılmaktadırlar. Hava ısıtma kollektörleri yeni yeni kullanım alanları bulmaya baĢlamıĢtır. Bu çalıĢmada; hem konut ısıtmasında hem de kullanım sıcak suyu hazırlanmasında kullanılabilecek ısı borulu iki farklı kollektör hazırlanmıĢ ve bunların verimleri araĢtırılmıĢtır. Tarafımızdan tasarlanan bu sistemlerde; ısı borulu güneĢ kollektörleri ile güneĢten alınan güneĢ enerjisi, ilk kollektörde hava ısıtma amaçlı ikinci kollektörde de su ısıtma amaçlı olarak tasarlanarak yapılmıĢtır. Yapılan deneyler sonucunda su ısıtma amaçlı sistemden %72, hava ısıtma amaçlı sistemden de %74 verim elde edilmiĢtir. Bu sonuç, ileri teknolojiler kullanmadan, herkes tarafından kolayca yapılabilecek bir sistem olması bakımından önem taĢımaktadır.

BilimKodu : 708.3.015

AnahtarKelimeler : Isı borusu, Kollektör, GüneĢ enerjisi, Hava ısıtma, Su ısıtma SayfaAdedi : 49

DanıĢman : Prof. Dr. Hikmet DOĞAN

THE DESING, PRODUCTION AND THE EXPERIMENTAL ANALYSIS OF SOLAR COLLECTORS WHICH HAVE PIPE, AIR AND WATER HEATING SYSTEMS

(M. Sc. Thesis) Tuğba KÖSE GAZĠ UNIVERSITY

GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES October 2014

ABSTRACT

Solarenergy systems are considered to use for preparing hot water more. Air heatingcollectorsbeginto findnew areas. In this study; two different heat pipe collectors are prepared and their efficiency are investigated for both in residential heating and domestic hot water. Inthis systemdesignedby us, the solar energy which is taken from heat pipe solar collectors are designed for heating the air at first collector and heating the water at second collector. The gained efficiencies are %72 for water heating and %74 for air heating in the applied experiments. This result is important for a system that can be easily done by anyone without the use of advanced technology.

ScienceCode : 708.3.015

KeyWords : Heat pipe, Collector, Sun energy, Air heating, Water heating PageNumber : 49

Supervisor : Prof. Dr. Hikmet DOĞAN

TEġEKKÜR

Bu çalıĢmanın hazırlanmasında yardım ve desteklerini esirgemeyen, bilgilerini ve deneyimlerini benimle paylaĢan değerli hocam ve tez danıĢmanım Prof. Dr. Hikmet DOĞAN‟a sonsuz teĢekkürler eder, saygılarımı sunarım.Tezin imalat kısmında benden yardımlarını esirgemeyen arkadaĢlarım Ahmet Cevdet VĠDĠN ve Aykut BAYGAR‟a, çalıĢmalarım boyunca benden maddi ve manevi desteğini kesmeyen aileme ve eĢim Volkan GÜRKAN‟a teĢekkür ederim.

ĠÇĠNDEKĠLER

Sayfa

ÖZET ... v

ABSTRACT ... vi

TEġEKKÜR ... vii

ĠÇĠNDEKĠLER ... viii

ÇĠZELGELERĠN LĠSTESĠ ... x

ġEKĠLLERĠN LĠSTESĠ ... xi

SĠMGELER VE KISALTMALAR... xiii

1.GĠRĠġ ... 1

2.LĠTERATÜR TARAMASI

3. GÜNEġ ENERJĠSĠ

3.1.Türkiye‟nin GüneĢ Enerjisi Poatansiyeli ... 8

3.2. GüneĢ Kollektörleri ve çeĢitleri ... 10

3.2.1. Sulu güneĢ kollektörleri ... 10

3.2.2.Havalı güneĢ kollektörleri... 13

3.2.3.Vakum tüplü güneĢ kollektörleri ... 14

3.2.4. Odaklı güneĢ kollektörleri ... 15

4. ISI BORUSU

4.1.Isı Borusunun Özellikleri ... 19

4.2.Isı Borusu ÇeĢitleri ... 20

4.2.1.Geleneksel ısı borusu ... 20

4.2.2.TitreĢimli ısı borusu ... 20

4.2.3. Döngülü ısı borusu ... 21

4.2.4. Minyatür ısı borusu ... 22

Sayfa

4.2.5. Yassı plakalı ısı borusu ... 22

4.3. Isı Borularında Kullanılan Isıtkan ve Özellikleri ... 23

4.4. Isı Borularında Kullanılan Fitiller ve Yapıları ... 26

4.5. DıĢ Koruma... 26

4.6. Isı Borularının Uygulama Alanları ... 27

4.7. Isı Borularının Üstünlükleri ve Mahzurları ... 27

5.MATERYAL VE METOT

5.1. Deney Düzeneğinin Hazırlanması ... 29

5.2. Deneyin YapılıĢı ... 34

6.DENEY VERĠLERĠNĠN DEĞERLENDĠRĠLMESĠ

7.SONUÇ VE ÖNERĠLER

KAYNAKLAR ... 47

ÖZGEÇMĠġ ... 49

ÇĠZELGELERĠNLĠSTESĠ

Çizelge Sayfa Çizelge3.1. Aylara göre Türkiye güneĢ enerjisi potansiyeli ve güneĢlenme süresi

değerleri ... 9

Çizelge3.2.Türkiye‟nin yıllık toplam güneĢ enerjisi potansiyelinin bölgelere göre dağılımı ... 10

Çizelge4.1. Isı borularında sıvının evaporatöre dönüĢümünde uygulanan kuvvete göre ısı borularının sınıflandırılması ... 19

Çizelge4.2. Isı borusunun çalıĢma sıvıları ve özellikleri... 24

Çizelge4.3. Isı borusu malzemeleri ile ısıtkanın uyumluluk verileri ... 25

Çizelge5.1. Deney esnasında kullanılan ölçüm aletleri ... 35

ġEKĠLLERĠNLĠSTESĠ

ġekil Sayfa

ġekil 3.1. Türkiye‟nin bölgelere göre aldığı toplam yıllık güneĢ radyasyonu ... 9

ġekil 3.2. Düzlemsel sulu güneĢ kollektörü kesiti ... 11

ġekil 3.3. Tabii dolaĢımlı kollektör sistemi ... 12

ġekil 3.4. Pompalı ve kapalı sistem dolaĢımlı kollektör sistemi... 13

ġekil 3.5.Hava ısıtmalı güneĢ kollektörü tesisat Ģeması ... 14

ġekil 3.6.Vakum tüplü güneĢ kollektörü tesisat Ģeması ... 15

ġekil 3.7.Odaklı güneĢ kollektörü tesisat Ģeması ... 16

ġekil 4.1.Isı borusunun yapısı ... 17

ġekil 4.2.Isı borusunun Ģematik çalıĢma sistemi ... 18

ġekil 4.3.Geleneksel ısı borusu ... 20

ġekil 4.4.(a) Kapalı Uçlu Döngülü Isı Borusu (b) Kapalı Uçlu TitreĢimli Isı Borusu ... 21

ġekil 4.5. Döngülü ısı borusu ... 22

ġekil 4.6. Yassı plakalı ısı borusu ... 23

ġekil 5.1.Su ısıtma amaçlı yapılan kollektör ve yapım ölçüleri ... 29

ġekil 5.2.Üst kısımda bulunan kanatçıklar ... 30

ġekil 5.3.Isı borulu kanatçıklı ıĢın toplama yüzeyi yapım aĢaması ... 31

ġekil 5.4.Hava ısıtma amaçlı yapılmıĢ olan ısı boruları ve kollektörün çizimi ... 32

ġekil 5.5.Su ısıtma amaçlı yapılan kollektörün bitmiĢ görünüĢü... 33

ġekil 5.6.Hava ısıtma amaçlı yapılan kollektörün bitmiĢ görünüĢü ... 33

ġekil 5.7.Isı borulu hava ve su ısıtma amaçlı güneĢ kollektörleri deney hali ... 36

ġekil 6.1.Zamana bağlı güneĢ ıĢınımı - dıĢ hava sıcaklığı iliĢkisi ... 40

ġekil 6.2. DıĢ hava sıcaklığı ile kollektör giriĢ ve çıkıĢ havası sıcaklıkları ... 41

ġekil Sayfa ġekil 6.3.DıĢ hava sıcaklığı ile kollektör giriĢ ve çıkıĢ suyu sıcaklıkları ... 42

SĠMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalıĢmada kullanılmıĢ simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aĢağıda sunulmuĢtur.

Simgeler Açıklamalar

A Yüzey alanı (m²)

Q Isı gücü kJ/s

V Hacimsel debi (m³/s)

T Sıcaklık (^oC)

tg GiriĢ suyu sıcaklığı (^oC)

tç ÇıkıĢ suyu sıcaklığı (^oC)

c Özgül ısı (kJ/kgK)

p Yoğunluk (kg/m³)

m Kütlesel debi (kg/h)

η Verim (%)

I GüneĢ ıĢınımı (W/m²)

1. GĠRĠġ

Ġnsanların hayatını kolaylaĢtırmak için yapılan teknolojik geliĢmeler, gün geçtikçe daha da hızlanmaktadır. Ülkeler bu geliĢmeleri yakından takip ederek uygulamaya ve kalkınma oranlarını artırmaya çalıĢmaktadırlar. Çünkü teknolojik geliĢmelerin uygulanması sanayileĢmeyi, sanayinin geliĢmesi ise ülkelerin geliĢmiĢlik düzeyini göstermektedir.

GeliĢen teknoloji, sanayileĢmeyi ve bunun sonucunda da makineleĢmeye neden olurken, makineleĢme ise enerjiye olan ihtiyacı arttırmaktadır. Enerji özellikle geliĢmekte olan ülkelerin temel ihtiyaçlarından biridir. KiĢi baĢına tüketilen enerji miktarı geliĢmiĢlik seviyesinin bir göstergesidir. Ancak enerji üretmekte kullanılan fosil yakıtların ömrü giderek azalmaktadır. Bunun içindir ki bütün dünyada yeni ve çevreye dost enerji kaynakları arayıĢına baĢlanmıĢtır.

Tamamen doğada bulunan alternatif enerji kaynakları “yenilenebilir enerji kaynakları”

olarak adlandırılmaktadır. BaĢlıca yenilenebilir enerji kaynakları; hidrolik enerji, biokütle enerji, güneĢ enerjisi, rüzgâr enerjisi, dalga enerjisi ve jeotermal enerjilerdir.

Yenilenebilir enerji kaynakları arasında ise en çok kullanılan güneĢ enerjisidir. Bunun nedeni; tükenmeyen ve temiz enerji kaynağı olması, bol miktarda bulunması, dıĢa bağımlılığı olmaması, kurulum maliyeti hariç bedava bir kaynak olması, nakliye problemi gibi problemlerinin olmamasıdır.

GüneĢ enerjisi birçok alanda kullanılmaktadır. Gündelik yaĢam da konutlardan baĢlayıp;

haberleĢmeye, tarıma, endüstri kesimine, elektrik santrallerine, askeri hizmetlere ve uzay çalıĢmalarına kadar uzanmaktadır. Ancak günümüzde en çok kullanılan uygulama alanları;

kullanım sıcak suyu hazırlanma, güneĢ enerjisi dönüĢtürülerek elektrik enerjisi elde etme ve konut ısıtması olarak söylenebilir. Ayrıca çalıĢmalar devam etmekle birlikte az da olsa soğutma ihtiyacı için gerek duyulan enerji için de güneĢ enerjisinden yararlanılabilmektedir.

GüneĢ enerjisinin Türkiye‟de en yaygın kullanım alanı su ısıtma sistemleridir. Belirli düzenlemeler olmadığı için yapılan sistemler çok çeĢitlilik göstermektedir.

Herkesbütçesine uygun olan sistemi evlerinin çatısına koymuĢ ve bu da hoĢ olmayan görüntülerin ortaya çıkmasına neden olmuĢtur. Ekonomik refah seviyesi yükseldikçe insanlarda görselliğe, estetiğe önem vermeye baĢlamıĢ, çatı ve damlarına en uygun sistemleri koyma çabası içerisine girmiĢlerdir.

YapmıĢ olduğumuz bu çalıĢmada, konut kullanma sıcak suyu hazırlama ve gerektiğinde konut havasını ısıtma da yapacak Ģekilde doğrudan su ve hava ısıtma amaçlı olarak iki sistem düĢünülmüĢtür.

Yapılan sistemlerde, güneĢin olduğu her mevsimde kullanılabilmesi amacıyla, ısı borulu güneĢ kollektörleri düĢünülmüĢtür. Bilindiği üzere ısı borularında düĢük sıcaklıklarda buharlaĢan ısıtkan (ısı taĢıyıcı akıĢkan) kullanıldığından hem ısı daha hızlı taĢınmakta ve hem de, (kullanılan akıĢkanın özelliklerine göre) düĢük sıcaklıklarda donma tehlikesi olmadığından, güneĢin olduğu her zaman ve yerde kullanılabilmesi mümkün olmaktadır.

Bunun yanında yapılması ve uygulanması düĢünülen ısı borulu güneĢ kollektörlü sistemler;

ileri teknolojiler kullanılmadan, kullanılan malzemelerin her yerde bulunabilmesi ve iĢ bilen herkes tarafından kolayca yapılıp, kullanılabilecek sistem olması memleket ekonomisi açısından önem arz etmiĢ olmaktadır.

2. LĠTERATÜR TARAMASI

Isı borusu ile su ısıtma ya da enerji transferi ile ilgili değiĢik çalıĢmalar yapılmıĢ ve yapılmaya da devam edilmektedir. “Isı Borusu” fikrinin ortaya çıkıĢı henüz çok yeni sayılmasına rağmen teknolojinin her alanındaki kullanımı hızla artmaktadır.

R.S. Gaugler tarafından 1942 yılında ilk olarak ısı borusu fikri ortaya atılmıĢtır. 1944 yılında ise A.B.D.‟de ilk ısı borusuyla ilgili patent alınmıĢ ama, bu tarihten sonra 1960‟lara kadar ısı borusu ile ilgili ciddi anlamda çalıĢma yapılmamıĢtır. 1960‟larda ise ısı borusu uzay ve nükleer enerji uygulamalarında kullanılmaya baĢlanmıĢtır. Kısa zamanda elektronik güç elemanlarında ve termoiyonik dönüĢtürücülerin soğutulmasında olduğu gibi, ısı dönüĢtürücülerde vazgeçilmez bir eleman haline gelmiĢtir. Daha sonra ısı boruları, köprü ve yolların donma tehlikesine karĢı korunmasında, radar mikro dalga mazgallarının ve lazer aynalarının soğutulmasında, fırınların ısıtılmasında, tava ve tencerelerin homojen ısıtılmasında, sondaj kuyularında elmas uçların soğutulmasında, çelik ocaklarında, zift eritilmesinde ve kalıpların soğutulmasında, boru hattı stabilizasyonunda, açık denizdeki Ģamandıraların buzlarının eritilmesinde kullanıldığı görülmektedir. Jeotermal enerjinin yeryüzüne nakli ile güneĢ enerjisinin mahal içinde kullanımı ise ısı borusu uygulama alanlarının en yeni halkalarını oluĢturmaktadır [1].

Yılmaz, “GüneĢ Enerjili Isı Borusuyla Sıcak Su Üretimi” adlı çalıĢmasında, güneĢli su ısıtıcılarına ısı borusu uygulayarak verim artıĢı sağlamıĢtır. Aynı zamanda ısı borusunun sahip olduğu birçok avantajı da sisteme katmıĢtır [2].

Alkaç, “Isı Borusunun Prensibinin GüneĢli Su Isıtıcılarına Uygulanması” adlı çalıĢmasında, güneĢli su ısıtıcılarına ısı borusu uygulaması yaparak doğal dolaĢımlı güneĢli su ısıtıcılarıyla ısıl verilerini karĢılaĢtırmıĢtır. Bu amaçla, bir ısı borulu sistem ve aynı özelliklere sahip olan tabii dolaĢımlı bir sistem hazırlamıĢtır [3].

Sakallı, “Antifrilizli Sulu Vakumlu Isı Borulu GüneĢ Kollektörü ile Klasik Direkt DolaĢımlı GüneĢ Kollektörlerinin Verimlerinin KarĢılaĢtırılması” adlı çalıĢmasında, güneĢ kollektörlerinde karĢılaĢılan donma problemine ve verim farklarına yönelik bir araĢtırma yapmıĢtır. ÇalıĢma için farklı tipteki güneĢ kollektörleri ile çalıĢmıĢtır. Ġlkiantifriz-

sukarıĢımlı, vakumlu ve ısı borulu güneĢ kollektörü diğeri ise klasik direkt dolaĢımlı kollektördür. Her iki sistem aynı Ģartlar altında, aynı anda teste tabi tutularak deneysel sonuçlar alınmıĢtır. Bu deneysel sonuçlar kullanılarak verim hesapları yapılmıĢ ve sistemler karĢılaĢtırılmıĢtır [4].

Kaya, “Isı Borulu Hava Isıtmalı Gizli Depolu Düzlemsel GüneĢ Kollektörü ile Sıcak Su Hazırlama Sisteminin Deneysel Ġncelenmesi” adlı çalıĢmasında, mevcut güneĢ enerjisi sistemlerinde kollektör üstüne monte edilen ve çirkin bir görünüm oluĢmasına neden olan depolar kollektör alt seviyesine monte edilmiĢtir. Böylelikle görüntü kirliliği engellenmiĢtir. Isı borusu ve ısıtkan (ısıtıcı akıĢkan) olarak da hava kullanılarak yapılan sistemde kollektörün verimi deneysel olarak tespit edilmiĢtir. Sistemin verimini artırmak için ise üç farklı tip ve malzeme yapısında ısı dönüĢtürücüler imal edilmiĢ ve sistem farklı gün ve sıcaklık Ģartlarında denenmiĢtir [5].

Arslan, “Üç Kolonlu TitreĢimli Isı Borusunun Matematiksel Modellenmesi ve Deneysel Ġncelenmesi” adlı çalıĢmasında, mevcut titreĢimli ısı borularından farklı yapıda bir ısı borusu tasarlamıĢtır. Bu ısı borusu birbirine bağlı üç sıvı kolonundan meydana gelmektedir. Deneysel çalıĢma kapsamında sistem genelinde sıcaklık dağılımları ısıtıcı gücü sabit tutularak değiĢen soğutucu sıcaklıklarına ve soğutucu sıcaklığı sabit tutularak değiĢen ısıtıcı gücüne göre sınıflandırılmıĢ, kolon seviye değiĢimine bağlı olarak sistemde oluĢan buhar basıncının hacimle değiĢimi tespit edilmiĢtir [6].

Acar ve arkadaĢları, “Ayrık ve BirleĢik Isı Borulu Kollektör Verimlerinin Deneysel Olarak Ġncelenmesi” adlı çalıĢmalarında sıcak su elde etmede kullanılan güneĢ kollektörlerinde, ısı borulu sistemler kullanarak verim hesaplanmıĢtır. Bu çalıĢma için iki farklı ısı borusu imal edilmiĢ ve verimleri hesaplanmıĢtır [7].

Esen ve arkadaĢları, “Isı Borulu Kollektör Kullanan GüneĢ Enerjili Bir PiĢiricinin Deneysel Olarak Ġncelenmesi” adlı çalıĢmalarında, ısı borularından oluĢan bir güneĢ kollektörüne bağlı piĢiricinin verimi üzerime çalıĢmıĢlardır. Bakır ısı borularında soğutkan olarak Freon 404A ve Freon 410A kullanılmıĢtır. Elazığ da benzer Ģartlı güneĢli günlerde yapılan çalıĢmalarda değiĢik yiyecekler 25 ile 73 dakika arasında piĢirilmiĢtir [8].

Ürün ve arkadaĢları, “Isı Borulu Isı Geri Kazanım Sistem Performansının Deneysel Olarak

Ġncelenmesi” adlı çalıĢmalarında, yerçekimi destekli ısı borusu ve soğutkan olarak da R- 134a kullanarak baca gazı ısı geri kazanım sisteminin ısıl performansını incelemiĢlerdir.

Deneyler sonucunda baca gazı hızı arttıkça ısı borusu etkenliği artarken, soğutma suyu arttıkça ısı borusu etkenliğinin azaldığını görmüĢlerdir [9].

Özsoy ve Yıldırım, “Toprak Kaynaklı Isı Boruları ve Uygulama Alanları” adlı çalıĢmalarında, toprak kaynaklı ısı borusu ve uygulama alanlarını incelemiĢlerdir. Yapılan çalıĢmalarla özellikle ulaĢtırma ile ilgili alanlarda bu sistemin kullanıldığını tespit etmiĢlerdir. Örneğin; yollarda, havaalanlarında, kaldırımlarda ve özellikle köprülerdeki buzlanmanın önlenmesi kullanıldığı tespit edilmiĢtir [10].

Doğan, “Isı Borulu GüneĢ Kollektörleri ile Kurutma” adlı çalıĢmasında, güneĢ enerjisinden kurutma için daha fazla nasıl yararlanılabileceğini araĢtırmıĢtır. Bunun için tasarlanan ısı boruları ile güneĢten alınan enerji kurutma havasına aktarılmıĢ, elde edilen sıcak hava, kurutulmak istenen materyal üzerine uygulanmıĢtır. Yapılan deneylerde kurutma olayı güneĢin doğrudan ıĢınım etkisinden uzakta yapıldığı için, dıĢarda serbest güneĢte kurutulmada görülen bazı mahzurlar ortadan kalkmıĢtır. Ayrıca kurutma süresinin de kısaldığı görülmüĢtür [11].

Özsoy ve Acar, “Yerçekimi Destekli Bakır-Su Isı Borusu Ġçin Deneysel Bir ÇalıĢma” adlı çalıĢmalarında imal ettikleri ısı borularını bakır borudan üretmiĢlerdir. AkıĢkan olarak da saf su kullanılmıĢtır. ÇeĢitli çalıĢma koĢullarında deneyleriniyapılan ısı borularının davranıĢları incelemiĢ ve yoğuĢturucudan transfer edilen ısı miktarı ile toplam ısı transferi katsayısını deneysel verilere dayanarak hesaplamıĢlardır [12].

Yılmaz ve arkadaĢları, “Çift Fazlı (Isı Borulu) GüneĢ Kollektörlerini Konut Isıtmasında Kullanımının Deneysel Olarak Ġncelenmesi” adlı çalıĢmalarında tasarlamıĢ oldukları ısı borulu güneĢ kollektörerine, %40 oranında R134a doldurulmuĢ 10 adet fitilsiz ısı borusu yerleĢtirmiĢlerdir. Karabük ilinde mart ve haziran aylarında deneyler yapmıĢlardır. Mart ayında yapılan deneylerden %36 kollektör verimi elde edilirken, haziran ayında yapılan deneylerde %46 kollektör verimi elde edilmiĢtir [13].

ġimĢak, “Isı Geri Kazanım Amaçlı Isı Borusu Performansının Deneysel Olarak Ġncelenmesi” adlı çalıĢmasında, yerçekimi destekli iki fazlı ısı borusunun ısıl

performansını incelemiĢtir. Isı borusu olarak bakır boru ve ısıtkan olarak da saf su, ispirto (etanol) ve antifriz kullanmıĢtır. Deneyler, 10, 20, 30 ve 40 l/h su debilerinde, 30˚, 60˚ ve 90˚ eğim açılarında ve 200, 400, 600 ve 800 W ısı yüklerinde yapılmıĢtır. Yapılan çalıĢma sonucunda, ısı borusu ısıl performansı açısından 90°eğim açısının ve çalıĢma akıĢkanı olarak da yüksek sıcaklıklarda etanol ve antifrizin, düĢük sıcaklıklarda ise suyun daha uygun çalıĢma akıĢkanı olduğu görülmüĢtür [14].

Alt, “Tek Kanallı Isı Borusu ile Çok Kanallı Isı Borusu Verimlerinin KarĢılaĢtırılması” adlı çalıĢmasında, bilgisayarlarda bulunan mikroiĢlemcilerin ısı borusu ile soğutulmasını incelemiĢtir. Üç farklı ısı borusu hazırlanmıĢ (tek borulu, çok kanallı borulu düz ve eğimli)ve bu üç farklı ısı borusu için üç farklı da soğutkan (R22, R404a ve etanol) kullanılmıĢtır. Yapılan ölçümler sonucunda en verimli ısı borusunun düz tip ısı borusu olduğu, en verimli soğutkanın ise etanol olduğu tespit edilmiĢtir [15].

3. GÜNEġ ENERJĠSĠ

GüneĢ, Dünya üzerinde yaĢayan canlılar için hayattır, besin kaynağıdır. Aynı zamanda doğal güçlerinde kaynağıdır. Çünkü güneĢ enerjisi bilinen en eski enerji kaynağıdır.

Bitkiler, canlı doku üretmek ve besin yapabilmek (fotosentez) için güneĢ enerjisinden faydalanır. Rüzgâr, güneĢ ıĢınlarının bölgeler arasında sıcaklık farkı oluĢturmasından meydana gelmektedir. Kömür ve bitki artıklarından petrol meydana gelmesi de güneĢ enerjisi sayesindedir. Görülüyor ki hemen hemen bütün enerji kaynakları doğrudan ya da dolaylı olarak güneĢ enerjisinden türemiĢlerdir.

Hidrojen ve helyum gazından oluĢmuĢ orta büyüklükte bir yıldız olan GüneĢ, yakıtı hidrojen ve ürünü helyum olan çok büyük bir fırın olarak düĢünülebilir. GüneĢin sıcaklığı merkeze doğru artmaktadır. Ġç sıcaklığı yaklaĢık olarak 20 000 000 °C ve yüzey sıcaklığı ise 6000 °C‟dir [16].

GüneĢin bir saniyede ürettiği enerji miktarı, insanlığın Ģimdiye kadar kullandığı enerji miktarından daha fazladır. Dünya, güneĢten gelen enerjinin sadece milyarda birini alır. Bu enerji miktarı, 15 dakika depo edilebilse tüm dünyanın bir yıllık enerji ihtiyacı karĢılanmıĢ olur. GüneĢin merkezinde, bir saniyede 564 milyon ton hidrojen, 560 milyon ton helyuma dönüĢmektedir. Aradaki 4 milyon tonluk fark, ısı ve ıĢık enerjisi Ģeklinde uzaya yayılmaktadır [16].

GüneĢ enerjisi birçok alanda kullanılabilir alternatif bir enerji kaynağıdır. Örneğin; sıcak su hazırlanmasında, binaların ısıtılmasında, soğutmada, kurutmada, elektrik üretiminde, deniz suyunun arıtılması ve tuz üretiminde, sanayide buhar üretiminde ve tarımda kullanılabilir.

GüneĢten yeryüzüne gelen ıĢıklar, atmosferden geçerken kayıplara uğramaktadır. GüneĢ ıĢınlarının doğrudan yeryüzüne ulaĢan kısmına doğrudan güneĢ ıĢınımı, dağılan kısmına yansıyan güneĢ ıĢınımı ve her iki ıĢınım toplamına da toplam güneĢ ıĢınımı adı verilir.

GüneĢin temiz ve yenilenebilir enerji kaynağı oluĢu çevreye hiç zarar vermediği anlamına gelmez. GüneĢ enerjisi de doğa üzerinde birtakım olumsuz durumlara yol açmaktadır.Yine

de bu olumsuzluklar yok denecek kadar azdır. GüneĢ termik santrallerindeki odaklı kollektörler veya heliostat tarlalarındaki radyasyon yoğunlaĢması ve ıĢık kirliliği bu tür santrallerin önemli çevre sorunlarındandır.

GüneĢ enerjisinin diğer enerji türlerine göre çok sayıda üstünlüğü bulunmaktadır. Bunlar:

 Bol ve tükenmeyen tek enerji kaynağıdır.

 Yerel uygulamalar için elveriĢlidir. Enerjiye ihtiyaç duyulan hemen hemen her yerde güneĢ enerjisinden yararlanmak mümkündür.

 DıĢa bağımlı olmadığından, doğabilecek ekonomik bunalımlardan bağımsızdır.

 Birçok uygulaması için karmaĢık bir teknolojiye gerek duyulmamaktadır.

 Ġlk kurulumdan sonraki iĢletme masrafları çok düĢüktür.

GüneĢ enerjisinin yukarıda belirtilen üstünlüklerine rağmen günümüzde uygulamalarının az oluĢunun sebepleri vardır. Bunlar:

 Birim yüzeye gelen güneĢ ıĢınımı az olduğundan büyük yüzeylere gerek duyulmaktadır.

 GüneĢ ıĢınımı sürekli olmadığından depolama gerekmektedir.

 Enerji ihtiyacının fazla olduğu kıĢ aylarında güneĢ ıĢınımı az ve geceleri de hiç yoktur.

3.1. Türkiye’nin GüneĢ Enerjisi Potansiyeli

Türkiye coğrafi konum olarak 36°- 45° kuzey enlemleri arasında bulunmaktadır. Coğrafi konumundan dolayı kuzeyde bulunan diğer ülkelere göre güneĢ enerjisi potansiyeli daha fazladır. ġekil 3.1‟de Türkiye‟nin bölgelere göre aldığı yıllık toplam güneĢ radyasyonu verileri kWh/m²-yıl cinsinden verilmiĢtir.

Devlet Meteoroloji ĠĢleri Genel Müdürlüğünün (DMĠ) 1966-1982 yıllarında yapılmıĢ güneĢlenme süresi ve ıĢınım Ģiddeti ölçüm verilerinden yararlanarak Elektrik ĠĢleri Etüt Ġdaresi Genel Müdürlüğü tarafından yapılan çalıĢmaya göre Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneĢlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat), ortalama toplam ıĢınım Ģiddeti 1311 kWh/m²-yıl (günlük toplam 3,6 kWh/m²) olduğu tespit edilmiĢtir.

ġekil 3.1. Türkiye‟nin bölgelere göre aldığı toplam yıllık güneĢ radyasyonu [17]

Aylara göre Türkiye güneĢ enerji potansiyeli ve güneĢlenme süresi değerleri ise Çizelge 3.1'de verilmiĢtir [17].

Çizelge 3.1. Aylara göre Türkiye güneĢ enerjisi potansiyeli ve güneĢlenme süresi değerleri [17]

AYLAR AYLIK TOPLAM GÜNEġ ENERJĠSĠ

(kcal/cm²-ay)- (kWh/m²-ay)

GÜNEġLENME SÜRESĠ (saat/yıl)

Ocak 4,45 51,75 103,0

ġubat 5,44 63,27 115,0

Mart 8,31 96,65 165,0

Nisan 10,51 112,23 197,0

Mayıs 13,23 153,86 273,0

Haziran 14,51 168,75 325,0

Temmuz 15,08 175,38 365,0

Ağustos 13,62 158,40 343,0

Eylül 10,60 123,28 280,0

Ekim 7,73 89,90 214,0

Kasım 5,23 60,82 157,0

Aralık 4,03 46,87 103,0

Toplam 112,74 1311 2640

Ortalama 308,0 cal/cm²-gün 3,6 kWh/m²-gün 7,2 saat/gün

Türkiye'nin en fazla güneĢlenme süresine sahip bölgesi Güney Doğu Anadolu Bölgesi olup, en az güneĢlenme süresi ise Karadeniz Bölgesidir. GüneĢ enerjisi potansiyeli ve güneĢlenme süresi değerlerinin bölgelere göre dağılımı Çizelge 3.2'de verilmiĢtir [17].

Çizelge 3.2. Türkiye‟nin yıllık toplam güneĢ enerjisi potansiyelinin bölgelere göre dağılımı [17]

BÖLGE TOPLAM GÜNEġ ENERJĠSĠ

(kWh/m²-yıl)

GÜNEġLENME SÜRESĠ (saat/yıl)

Güneydoğu Anadolu 1460 2993

Akdeniz 1390 2956

Doğu Anadolu 1365 2664

Ġç Anadolu 1314 2628

Ege 1304 2738

Marmara 1168 2409

Karadeniz 1120 1971

Türkiye‟nin güneĢ enerjisi potansiyeli çok yüksek olmasına rağmen uzun yıllar bu potansiyel sadece kullanım sıcak su hazırlamak için kullanılmıĢtır. Bunun nedeni mevcut teknolojiler ve güneĢ enerjisinden yararlanmada en kolay ve en az maliyetli sistemin sıcak su elde edilen sistemler olmasından kaynaklanmaktadır. Daha çok Akdeniz ve Ege Bölgelerinde kullanılan bu sistemlerle yılda yaklaĢık 290 bin TEP ısı enerjisi üretilmektedir.

3.2. GüneĢ Kollektörleri ve ÇeĢitleri

GüneĢ kollektörleri, güneĢten gelen enerjiyi ısı enerjisine dönüĢtüren cihazlardır. Kollektör yüzeyi sayesinde çekilen güneĢ ıĢınları, kollektör içinden geçen ısıtkana aktarılır ve böylelikle güneĢ enerjisi ısı enerjisine dönüĢtürülmüĢ olur.

GüneĢ kollektörlerinin, sulu, havalı, vakum tüplü ve odaklı güneĢ kollektörleri olmak üzere dört çeĢittir.

3.2.1. Sulu güneĢ kollektörleri

Sulu güneĢ kollektörleri genellikle boruların içinde akıĢkan olarak suyun kullanıldığı sistemlerdir. Sulu güneĢ kollektörleri düzlemsel ve borulu kollektörlerdir. Bu tip kollektörler borulardan su sızması ihtimaline karĢı kollektör kasasının alt kısmında birkaç delik bırakılmalıdır.

Sulu güneĢ kollektörleri devrelerine ve dolaĢım sistemlerine göre farklı gruplara ayrılırlar.

ġekil 3.2. Düzlemsel sulu güneĢ kollektörü kesiti [17]

Isıtıcı akıĢkanın devre tipine göre güneĢ kollektörleri

Açık dolaşımlı devre

Açık dolaĢımlı sistemler kullanım suyu ile kollektörlerde dolaĢan suyun aynı olduğu sistemlerdir. Kapalı sistemlere göre maliyetleri daha az, verimleri ise daha yüksektir. Sıcak bölgelerde ve suda kireç problemlerinin olmadığı bölgelerde kullanılırlar.

Kapalı dolaşımlı devre

Kullanım suyu ile ısıtma suyunun farklı olduğu sistemlerdir. Kollektörlerde ısınan su bir ısı dönüĢtürücü yardımıyla ısısını kullanım suyuna aktarır. Donma, kireçlenme ve korozyona karĢı çözüm olarak kullanılırlar. Maliyeti açık sistemlere göre daha yüksektir. Ancak ısı dönüĢtürücü kullanımı nedeniyle verimim daha düĢüktür.

Isıtıcı akıĢkanın dolaĢım türüne göre güneĢ kollektörleri

Tabii (Doğal) dolaşımlı sistemler

Tabii dolaĢımlı sistemler ısıtkanın kollektör içerisinde kendiliğinden dolaĢtığı sistemlerdir.

Kollektörlerde ısınan akıĢkanın yoğunluğunun azalması ve yükselmesi özelliğine dayanmaktadır. Bu tür sistemlerde depo kollektörün üst seviyesinden en az 30 cm yukarıda olması gerekmektedir. Deponun alt seviyesinden alınan soğuk (ağır) akıĢkan kollektörlerde ısınarak hafifler ve deponun üst seviyesine yükselir. Gün boyu devam eden bu olay sonunda depodaki su ısınmıĢ olur. Ancak Ģebekeden gelen su kollektör yüzeyinde kireçlenmeye neden olarak verimi düĢürmektedir.

Tabii dolaĢımlı sistemler daha çok küçük miktarda su ihtiyaçları için uygulanır. Deponun yukarıda bulunması zorunluluğu nedeniyle büyük sistemlerde uygulanamazlar. Pompa ve otomatik kontrol devresi gerektirmediği için pompalı sistemlere göre biraz daha ucuzdur.

ġekil 3.3‟de tabii dolaĢımlı bir sistem görülmektedir.

ġekil 3.3. Tabii dolaĢımlı kollektör sistemi [20]

Zorlanmış (Pompalı) dolaşımlı sistemler

Isıtkanın pompa ile dolaĢtırıldığı sistemlerdir. Deposunun yukarıda olma zorunluluğuyoktur. Büyük sistemlerde su hatlarındaki direncin artması sonucu tabii dolaĢımın olmaması ve büyük bir deponun yukarıda tutulmasının zorluğu nedeniyle pompa kullanma zorunluluğu doğmuĢtur.

Pompalı sistemler otomatik kontrol sistemleri ile çalıĢırlar. Depo tabanına ve kollektör çıkıĢına yerleĢtirilen termostatın sensörleri kollektörlerdeki suyun depodaki sudan 10^oC daha sıcak olması durumunda pompayı çalıĢtırarak sıcak suyu depoya alır, bu fark 3^oC olduğunda ise pompayı durdurur. Pompa ve otomatik kontrol devresinin zaman zaman arızalanması nedeniyle iĢletilmesi tabii dolaĢımlı sistemlere göre daha zordur. ġekil 3.4‟de pompalı ve kapalı sistem dolaĢımlı kollektör sistemi görülmektedir.

ġekil 3.4. Pompalı ve kapalı sistem dolaĢımlı kollektör sistemi [21]

3.2.2. Havalı güneĢ kollektörleri

Havalı güneĢ kollektörleri hem mahal ısıtmasında hem de kullanım sıcak suyu elde etmede kullanılabilen sistemlerdir. Havalı güneĢ kollektörlerinin sulu güneĢ kollektörlerine göre en büyük avantajı donma ve korozyon tehlikesinin olmamasıdır. Ancak hava, su kadar çok ısı

enerjisi tutamamaktadır. Sistemde kullanılan kanal çaplarını büyüterek sulu güneĢ kollektörlerinin ilettiği aynı miktar enerjiyi elde etmek mümkündür. Mahal ısıtmak için havalı güneĢ kollektörleri kullanıldığında, ısıtılan hava doğrudan mahale pompalanmaktadır. Su ısıtılmasında ise ısınan havanın enerjisi ısı dönüĢtürücüye aktarılarak ısı dönüĢtürücünün içindeki su ısıtılmaktadır. Isınan su pompa yardımı ile boylere sevk edilmekte ve kullanıma sunulmaktadır. Isı dönüĢtürücüden çıkan hava ise bir vantilatör yardımıyla tekrar kollektöre gönderilerek döngüyü tamamlamaktadır. ġekil 3.5‟de hava ısıtmalı güneĢ kollektörü tesisatı görülmektedir [18].

ġekil 3.5. Hava ısıtmalı güneĢ kollektörü tesisat Ģeması [18]

3.2.3. Vakum tüplü güneĢ kollektörleri

Vakum tüplü güneĢ enerji sistemleri, güneĢ ıĢınlarından dört mevsim yüksek verimde fayda sağlayan sistemlerdir. Düzlemsel kollektörlerden elde edilen verimden daha fazla verim elde edilen bu kollektör, iç içe geçmiĢ iki borudan oluĢmaktadır. Kollektör dıĢında kalan saydam cam boru ile içinde bulunan siyaha boyanmıĢ boru arasında vakum yapılmıĢtır. Böylelikle ısı taĢınımı sırasında ısı kayıpları azaltılmaya çalıĢılmıĢtır.

Kollektör yan yana dizilmiĢ cam tüplerden meydana gelmektedir. Bu dairesel yapıları sayesinde gün boyu güneĢi dik açıya yakın bir açı ile alarak yüksek verimlilik sağarlar. Her bir tüpün bağımsız çalıĢabilmesinin yanında, tüp ömürleri 15 yılın üzerindedir. ġekil 3.6 da

vakum tüplü güneĢ kollektörü tesisat Ģeması verilmiĢtir.

VakumlanmıĢ iki tüpten oluĢan bu sistem içinde bulunan bakır boru tüplerin soğurmuĢolduğu güneĢ enerjisini ısı enerjisi olarak depoya aktarmaktadır. Bu bakır boru sistemde ısı borusu olarak görev yapmaktadır.

ġekil 3.6. Vakum tüplü güneĢ kollektörü tesisat Ģeması [20]

3.2.4. Odaklı güneĢ kollektörleri

Bu tip kollektörler genellikle büyük santrallerde kullanılmaktadır. Gelen güneĢ ıĢınları parabolik kollektörlerin odağında yer alan siyah renkli soğurma özelliği yüksek bir boruya odaklanmaktadır. Kollektör odağında toplanan ısı, elektrik üretimi için enerji santraline gönderilir. Bu sistemlerde yüksek yoğunlaĢtırma kapasitesi sayesinde yüksek sıcaklıklara (350- 400°C ) ulaĢılmaktadır. MW baĢına maliyet yaklaĢık olarak 5 Milyon € olup 35000 m²/MW alan gerekmektedir. Doğrusal yoğunlaĢtırıcı termal sistemler ticari ortama girmiĢ olup, bu sistemlerin en büyük ve en tanınmıĢ olanı 354 MW gücündeki Kramer&Junction eski Luz International santralidir. ġekil 3.7‟de odaklı güneĢ kollektörü tesisat Ģeması verilmiĢtir [17].

Odaklamak için kullanılan bu boruda enerjiyi toplamak için genellikle sudolaĢtırılmaktadır. Daha iyi verim alınabilmesi için parabolik kollektörler güneĢin hareketini izleyebilecek Ģekilde uygulanmaktadır [18].

ġekil 3.7. Odaklı güneĢ kollektörü tesisat Ģeması [17]

4. ISI BORUSU

Isı borusu; havası alınmıĢ iki ucu kapalı, içinde istenilen sıcaklıkta kaynayan ve iç hacminin 1/3‟ü oranında çalıĢma sıvısı bulunan bir boru olarak tanımlanmaktadır. Borunun iç yüzeyinde ince bir tülden oluĢturulmuĢ fitil bulunmaktadır. Bu fitil ısıtkanın akıĢını düzenlemek amacıyla ısı borusunun iç yüzeyine yerleĢtirilmiĢtir.

ÇalıĢma sırasında ısı kaynağı buharlaĢtırıcı bölgeye uygulandığında, ısı borusu içinde bulunan ısıtkan kısa zamanda buharlaĢarak borunun tamamını saf buharla doymuĢ hale getirir. Buhar fazındaki ısıtkan yükselerek yoğuĢturucu bölgesine aktarılır. YoğuĢturucu bölge duvar yüzeyi soğuk olacağından bu bölgede yoğuĢma baĢlar. Açığa çıkan yoğuĢma ısısı kondüksiyonla ısıtılacak bölgeye aktarılır. YoğuĢan ısıtkan, yerçekimi etkisi ve fitil kılcal kuvvetleri ile buharlaĢtırıcıya döner ve çevrim tamamlanmıĢ olur. ġekil 4.1‟de ısı borusunun yapısı verilmiĢtir [5].

ġekil 4.1. Isı borusunun yapısı [5]

Isı borusunun iki ucun arasındaki sıcaklık farkı aĢağı yukarı 8°C tır. Tabi burada, kullanılan sıvı kadar borunun uzunluğu da önemlidir. Borunun etkinliği için önemli olan bir faktör de borunun yerleĢim pozisyonudur. YoğuĢturucu bölgede olan uç,buharlaĢtırıcı bölgede bulunan uçtan daha yüksekte olmalıdır. Böylece, ısı borusu dikey yerleĢtirildiğinde, % 95'lik bir etkinliğe eriĢilebilir [1].

Isı borusunda buharlaĢtırma gizli ısısı büyük olduğundan dolayı önemli miktarda ısı, kabın bir ucundan diğer ucuna, çok az bir sıcaklık farkı ile taĢınmaktadır. Bundan dolayı, ısı boruları çok yüksek bir ısı iletkenliğine sahip olmaktadırlar.

Isı boruları birçok avantaja sahiptir. Bunlar;

 ÇalıĢma sıvısının cinsine göre, değiĢik çalıĢma sıcaklıkları sağlanabilir,

 Ters akım söz konusu değildir,

 Isı nakli kolaydır,

 Sessiz çalıĢır, hareketli parçaları yoktur,

 Boru üzerindeki sıcaklık hemen hemen sabit kalır, olarak belirlenmiĢtir [15].

Isı borusu ġekil 4.2‟de görüldüğü gibi 3 temel bölümden oluĢmaktadır. Bunlar; ısı kaynağından ısının çekildiği buharlaĢtırıcı bölgesi, çekilen ısıyı düĢük sıcaklıktaki ortama aktaran yoğuĢturucu bölgesi ve ısı alıĢveriĢinin olmadığı adyabatik bölgedir. Bütün ısı borularında adyabatik bölgenin olması zorunlu değildir. Ancak buharlaĢtırıcı ve yoğuĢturucu bölgeleri mutlaka bulunmalıdır [5].

ġekil 4.2. Isı borusunun Ģematik çalıĢma sistemi [5]

Isı boruları çalıĢma sıcaklıklarına göre (düĢük, orta ve yüksek sıcaklık), fitil yapısına göre

(arter-damar, kompozit vs.) ve fonksiyonuna göre (dönel ısı borusu, mikro ısı borusu, ısı iletimi ayarlanabilir ısı borusu ve termal diyot vs.) olmak üzere çok değiĢik Ģekillerde sınıflandırılabilmektedir. YoğuĢan sıvının evaporatöre dönüĢünde uygulanan kuvvete göre ısı borularının sınıflandırması Çizelge 4.1‟de verilmiĢtir [14].

Çizelge 4.1. Isı borularında sıvının evaporatöre dönüĢümünde uygulanan kuvvete göreısı borularının sınıflandırılması

Uygulanan Kuvvet Isı borusunun adı

Yerçekimi kuvveti Kapiler (kılcal) kuvvet Merkezcil kuvvet Elektrostatik kuvvet Magnetik kuvvet Osmotik kuvvetler

Termosifon Isı borusu Dönel ısı borusu

Elektrohidrodinamik ısı borusu Magnetohidrodinamik ısı borusu Osmotik ısı borusu

4.1. Isı Borusunun Özellikleri

Isı borusunu oluĢturan yapı elemanlarından iyi bir düzeyde verim almak için çeĢitli özelliklere sahip olmaları gerekmektedir. Ġyi bir ısı borusunda bulunması gerekli özellikler aĢağıda belirtilmiĢtir.

 En az et kalınlığında maksimum basınca dayanıklı olmalı,

 Isı iletim özelliği fazla olmalı, çabuk ısınabilmeli,

 AkıĢkana (ve fitile) uyumlu olmalı,

 Ġyi vakumlanmıĢ olmalı,

 Sıcaklık değiĢimlerinden etkilenmemeli,

 Ġçerisindeki sıvıyla kimyasal reaksiyona girmemeli,

 Sıcaklık boru boyunca homojen kalmalı,

 ÇalıĢma ve reaksiyon zamanı kısa olmalı,

 Mümkün olduğunca estetik olmalı,

 Boru iç yüzeyi (fitilli olmayan tiplerde) mümkün olduğunca kanallı ve pürüzsüz olmalı,

 YoğuĢan akıĢkanlar yerçekimi etkisi ile buharlaĢtırıcı bölgesine taĢımaya elveriĢli olmalı,

 Aynı çaptaki bakır boru çubuğunun boyu doğrultusunda nakledebildiği ısının bin mislini aynı yönde nakledebilmelidir [15].

4.2. Isı Borusu ÇeĢitleri

4.2.1. Geleneksel ısı borusu

YoğuĢturucu ve buharlaĢtırıcı kısımlarını kendi bünyesinde içeren, tamamen hava geçirmez Ģekilde vakumlanmıĢ, içindeki akıĢkanın faz değiĢtirmesi ile çalıĢan bir sistemdir. ġekil 4.3‟de geleneksel ısı borusunun Ģekli verilmiĢtir.

BuharlaĢtırıcı kısımda akıĢkanın ısınması sonucu faz değiĢimi gerçekleĢir. Isınan akıĢkan buhar fazında yoğuĢturucu kısma hareket eder. Bu harekete ısı borusu içinde bulunan fitil yardımcı olur. AkıĢkan yoğuĢturucu bölgede ısısını baĢka bir akıĢkana verdikten sonra tekrar fitiller yardımı ile yoğuĢturucu bölgeye doğru çekilir.

ġekil 4.3. Geleneksel ısı borusu [9]

4.2.2. TitreĢimli ısı borusu

Kıvrım yapmıĢ kılcal borulardan oluĢan bu sistem, buharlaĢtırıcı, yoğuĢturucu ve adyabatik kısımlardan oluĢmaktadır. Ġçerisinde yoğuĢan akıĢkanı buharlaĢtırıcı kısma göndermek için fitil kullanılmamaktadır. AkıĢkanın çevrimi kılcal boru ile birlikte gerçekleĢmektedir. Bu yüzden kullanılan borunun iç çapı çok önemlidir. Kılcallık etkisi ile akıĢkan boru içinde atma (pulse) ile ilerler.

TitreĢimli ısı borusu genel olarak iki çeĢittir. ġekil 4.4‟de gösterilen bu borulardan birincisi kapalı uçlu döngülü titreĢimli ısı borusu olarak adlandırılır. Kapalı bir çevrim sağlamak için borunun uçları birbirine bağlanmıĢtır. Ġkincisi ise kapalı uçlu titreĢimli ısı borusu olarak adlandırılır. Boru uçları kapatılmıĢtır. Bu tip ısı borularında ısı geçiĢi kaynama ve buharlaĢma sonucu oluĢan basınç dalgası sonucu akıĢkanın titreĢerek ilerlemesi sonucu oluĢur [6].

ġekil 4.4. (a) Kapalı Uçlu Döngülü Isı Borusu (b) Kapalı Uçlu TitreĢimli Isı Borusu [6]

4.2.3. Döngülü ısı borusu

Bu cihazların tarihi 1972 yılına kadar dayanır. Ġlk defa Ural Politeknik Enstitüsünde Rus bilim adamı Maydanik tarafından yapılmıĢtır. Genel ısı boruları gibi iki fazlı ve pasif çalıĢan, ısı geçiĢini sağlamak için tasarlanmıĢ cihazlardır. Pasif oldukları için sisteme dıĢarıdan güç beslemesi yapılmaz ayrıca akıĢkan dıĢında herhangi bir hareketli parça olmaması bu cihazları güvenilir ve uzun süre sorunsuz çalıĢabilir yapmaktadır [6].

Geleneksel ısı borularında fitilin boru boyunca yerleĢmesi bu cihazların ısıl iletkenliğini düĢürmektedir. ġekil 4.5‟de görüldüğü gibi döngülü ısı borularında buharlaĢtırıcı kısma ek olarak birinci fitil, ikinci fitil, bunların ortasından geçen bir boru ve ara oda eklenmiĢtir.

Ġkinci fitil aracılığıyla yoğuĢturucudan çekilen sıvı fitillerin içindeki borunun buharlaĢtırıcı kısmına kadar çekilerek burada ara oda içinde toplanır. BuharlaĢtırıcı ile ara oda arasında akıĢkan taĢınımını birinci fitil gerçekleĢtirir. Bu iĢlemde ara oda ikinci bir yoğuĢturucu vazifesi görmektedir. Sonuçta buharlaĢtırıcı kısımda akıĢkanın buhar fazına geçmesi birinci fitilde kılcal basınç etkisi yaratarak sıvının sürekli olarak buharlaĢtırıcıya akmasını

sağlar. Ġkinci fitili kullanmaktaki ana gaye buharlaĢtırıcı kısma sürekli olarak sıvı pompalanmasını sağlamaktır [6].

ġekil 4.5. Döngülü ısı borusu [6]

4.2.4. Minyatür ısı borusu

Bu tip ısı boruları uzay uygulamalarında kullanılan elektronik cihazların ısıl kontrolünü sağlamak amacıyla kullanılır. BuharlaĢtırıcı, yoğuĢturucu ve fitilden meydana gelen minyatür ısı borusunun genel ısı borularından farkı boyutlarıdır.

Boyları genellikle 100 mm ile 300 mm arasında değiĢmektedir. Genellikle elektronik parçaların soğutulmasında kullanılır. Bu tür ısı borularından da en fazla 50 W ısı çekilebilmektedir [6].

4.2.5. Yassı plaka ısı borusu

Yassı plaka ısı borusu, dikdörtgen Ģeklindeki bakır levhaların birleĢtirilmesi ile oluĢturulmuĢtur. ġekil 4.6‟da gösterilen sistem tamamen sızdırmaz olup, ısı yassı yüzeylerin bir tarafından çekilir diğer tarafından uzaklaĢtırılır. BuharlaĢtırıcı kısmın iç yüzeyi fitil ile kaplanmıĢtır. Bu sayede oluĢan kılcal kuvvetlerin etkisi ile akıĢkan buharlaĢtırıcı ve yoğuĢturucu arasında dolaĢtırılır [6].

ġekil 4.6. Yassı plaka ısı borusu [6]

4.3. Isı Borularında Kullanılan Isıtkan ve Özellikleri

Isı borusunda dikkat edilmesi gereken ısıtkan (ısıtıcı akıĢkan) seçimidir. Çünkü seçilecek olan akıĢkan düĢük sıcaklıklarda buharlaĢmalı ve don olayına karĢı korunmalıdır. Isı borusunda en çok kullanılan akıĢkanlar donma ve buharlaĢma sıcaklığına göre Çizelge 4.2‟de verilmiĢtir.

Isı borusundaki ısıtkan, buharlaĢtırıcı bölgesinden aldığı ısıyı yoğuĢturma bölgesine çok hızlı bir Ģekilde iletebilmelidir. Bu iĢlemi gerçekleĢtirebilmesi için, belirli özelliklere sahip olmalıdır. Kullanılacak akıĢkan ısı borusu içerisine boru hacminin yaklaĢık 1/3 „ü oranında doldurulur. Isı borusu içerisine doldurulan akıĢkan miktarı üzerine yapılmıĢ olan araĢtırmalarda ısıtma veriminin akıĢkan miktarlarına göre değiĢtiği belirlenmiĢtir [15].

Isı boruları çalıĢma akıĢkanına bağlı olarak düĢük sıcaklık, orta sıcaklık ve yüksek sıcaklık ısı boruları olarak sınıflandırılabilir. DüĢük sıcaklıklarda kullanılan akıĢkanlar; hidrojen, neon, azot, oksijen ve metan‟dır. Orta sıcaklıklarda kullanılan akıĢkanlar; su, amonyak, metanol ve freondur. Yüksek sıcaklıklarda kullanılan akıĢkanlar; civa, potasyum, lityum, gümüĢ vb.‟ dir.

Çizelge 4.2. Isı borusunun çalıĢma sıvıları ve özellikleri [14]

ĠĢletme Aralığı (°C)

AkıĢkan Cinsi

Kaynama Noktası Sıcaklığı (°C)

Gövde ve Fitil için Uygun Malzeme

-200 ile –80 Nitrojen -196 Paslanmaz çelik

-70 ile –60 Amonyak -33 Paslanmaz çelik

-60 ile 40 Freon 134a -26,5 Paslanmaz çelik

-60 ile 40 Freon 12 -30 Paslanmaz çelik

-40 ile 120 Freon 114 3,77 Paslanmaz çelik

-40 ile 120 Freon 21 8,92 Paslanmaz çelik

-40 ile 120 Freon11 23,82 Paslanmaz çelik

-10 ile 180 Freon113 47,6 Paslanmaz çelik

40 ile 220 Freon 114 92,8 Paslanmaz çelik

-20 ile 120 Pentan 28 Paslanmaz çelik

0 ile 120 Aseton 56,2 Bakır,Paslanmaz çelik

10 ile 130 Metanol 65 Bakır, Paslanmaz çelik

0 ile 150 Heptan 98,4 Bakır, Paslanmaz çelik

0 ile 130 Benzen 80,1 Tantalyum

0 ile 130 Etanol 78,6 Bakır, Paslanmaz çelik 0 ile 130 Siklohekzan 80,7 Paslanmaz çelik

10 ile 200 Su 100 Bakır, Nikel

190 ile 550 Civa 356 Paslanmaz çelik

400 ile 800 Potasyum 760 Nikel, Paslanmaz çelik 500 ile 900 Sodyum 883 Nikel, Paslanmaz çelik

900 ile 1500 Lityum 1330 Niobium + %1 Zirkonyum

Isı boruları için ısıtkan seçilirken ilk düĢünce çalıĢma sıcaklık aralığı olmalıdır. Uygulama için seçilebilecek birçok akıĢkan bulunabilir. Ancak bu akıĢkanlardan herhangi birinin seçilmesinden önce uygulamanın niteliğine uygun olarak akıĢkanda bazı özelliklerinde aranması gerekir.

Isı boruları için kullanılacak akıĢkan özellikleri aĢağıdaki gibi sıralanabilir:

 Boru malzemesine uygun nitelikte olmalı.

 Sıcaklığın artmasıyla bozulma tehlikesine maruz kalmamalı.

 Gizil ısısı (buharlaĢma ısısı) kapasitesi yüksek olmalı.

 ÇalıĢma sıcaklığı aralığı buharlaĢma basıncının gereğinden büyük veya küçük olmamalı.

 Isıl iletkenliği yüksek olmalı.

 Sıvı ve buhar fazlarında kinematik viskozitesi düĢük olmalı.

 Yüksek yüzey gerilimine sahip olmalı.

 Donma noktası kabul edilebilir olmalı.

 Zehirli olmamalı.

 Kolay temin edilmeli ve ucuz olmalıdır [15].

Malzemelerin birbirleriyle uygun olmaması durumunda yoğuĢamayan gaz aĢınmaya sebep olacaktır. YoğuĢamayan gaz boru malzemesinde birikerek gaz geçiĢlerine engel olacaktır.

Bundan dolayı farklı malzemelerde değiĢik akıĢkanlar kullanılmaktadır. Çizelge 4.3‟de bakır, alüminyum, nikel ve paslanmaz çelik için çalıĢma akıĢkanlarına karĢı uyumlulukları verilmiĢtir.

Çizelge 4.3. Isı borusu malzemeleri ile ısıtkanın uyumluluk verileri [12]

Isı borusunun Malzemesi

ÇalıĢma akıĢkanları

Su Aseton Amonyak Metanol

Bakır ÖG ÖG UD ÖG

Alüminyum GÜB ÖL ÖG UD

Paslanmaz çelik GÜY UO ÖG GÜY

Nikel UO UO ÖG ÖL

ÖG :GeçmiĢ uygulamalara göre önerilebilir.

UD :Uygun değil.

GÜB :Bütün sıcaklıklarda gaz üretimi.

ÖL :Literatür tarafından önerilmekte GÜY :Yüksek sıcaklıklarda gaz üretimi UO :Uygun olabilir.

Isı borularında kullanılacak olan akıĢkanın yanında akıĢkan miktarı da çok önemlidir. Eğer gereğinden az akıĢkan konulursa, sistemin çalıĢması sürecinde akıĢkanın tamamı buharlaĢıp kabın içerisini doldurur. Bu durumda evaporatör kısmında sıvı kalmayacağı için sistemin çalıĢması kesintiye uğrar. Isı borusu yüzeyi de aĢırı ısınıp zarar görebilir. Fitilli ısı borularında bu olay fitilin kuruması olarak ifade edilir.

Gereğinden fazla akıĢkan konulması durumunda ise özellikle yerçekimi destekli ısı borularında karĢılaĢılan taĢma limiti ile karĢılaĢılır [12].

Termosifon tipi ısı borularında, ısı borusuna konulacak akıĢkan miktarı toplam hacmin

%15-20‟si oranında olabileceği bildirilmiĢtir. Optimum akıĢkan miktarını Lee ve Bedrossian toplam hacmin % 15‟i olarak, Feldman ve Srinivassan % 18-22‟si olarak önermiĢlerdir. Bezrodny ve Alekseyenko ise evaporatör hacminin %50‟sinden fazla miktarda akıĢkan konulabileceğini bildirmiĢlerdir. Kamiya vd., ve Negishi vd., termosifon

ısı değiĢtiricilerinde en fazla performansın % 40 dolum oranında (Ģarj oranı) sağlandığını bildirmiĢlerdir [12].

4.4. Isı Borularında Kullanılan Fitiller ve Yapıları

Isı borularında kullanılan fitiller, buharlaĢan akıĢkanı yoğuĢma bölgesine iletip, yoğuĢan akıĢkanı buharlaĢma bölgesine geri döndürme görevine sahiptirler. Fitiller sayesinde sistem sürekli hareket etmektedir. Ancak farklı akıĢkanlar için farklı yapıda fitillere ihtiyaç vardır.

Ġyi bir fitilde bulunması gereken özellikler aĢağıda belirtilmiĢtir.

 AkıĢkan ve duvar malzemesine uyumlu olmalı.

 Yüksek sıcaklıklarda bozulmamalı.

 Sürtünme katsayısı düĢük olmalı yani kaygan yapıda olmalı.

 Sıcaklık değiĢimlerinde Ģekil bozukluğu ortaya çıkmamalı.

 Emici özelliği bulunmamalı, ısı borusuna uygun çapta ve ölçüde olmalıdır.

Fitiller üzerindeki gözenekli yapı, bakır, pirinç, nikel, alüminyum, paslanmaz çelik gibi ayrı bir malzemeden örülmüĢ, dokunmuĢ malzemeler olabileceği gibi, pamuksu iplerden dokunmuĢ lifli malzemelerde olabilmektedir.

4.5. DıĢ Koruma

Isı borularının çevre Ģartlarından (rüzgâr, kar, yağmur vb.) korunması gerekir. Bu nedenle dıĢta kullanılan mahfaza sızdırmaz olmalı, iç ve dıĢ basınç farkına dayanabilmelidir.

Koruyucuda bulunması gerekli özellikler Ģunlardır:

 Kullanım amacına uygun olmalı.

 Isı borusundaki akıĢkana ve çevre durumlarına uygun olmalı.

 Dayanıklı ve imalat usulüne uygun olmalı.

 Yüksek sıcaklığa karĢı dayanıklı olmalıdır.

Bu özelliklere sahip olan koruyucu ısı borusunun verimini artıracak ve uzun süre kullanımına olanak sağlayacaktır [19].

4.6. Isı Borularının Uygulama Alanları

Isı boruları basit ama yüksek verimli olduğu için her alanda kullanılmaya baĢlanmıĢtır.

Bazı kullanım alanları aĢağıda sıralanmıĢtır.

 Uzay araçlarında sıcaklık kontrolü,

 Elektronik cihazların soğutulması,

 Boru sisteminin stabilize edilmesi,

 Atık ısıların tekrar kullanılmasında,

 Jeotermal enerjinin kullanılması,

 Enerji depolama,

 Makina elemanlarının soğutulması,

 TaĢıtlarda iç ısıtma,

 Gaz türbini jeneratörlerinde ısı transfer elemanı olarak kullanılması,

 TaĢıtların iç ısıtmalarında egzozdan faydalanılması,

 Uçakların fren sistemlerinin soğutulması,

 Elektronik cihazların soğutulmasında,

 Otoyol ve köprülerin don tehlikesine karĢı korunmasında,

 Bacalardaki atık ısının geri kazanılmasında,

 Nükleer santrallerin soğutulmasında,

 Lazer aynalarının soğutulmasında,

 Fırınların ısıtılmasında, tava ve tencerelerin homojen ısıtılmasında,

 GüneĢ enerjisinde ve birçok alanlarda uygulanmaktadır.

4.7. Isı Borularının Üstünlükleri ve Mahzurları

Üstünlükleri:

 Hareketli parçaları yoktur, bundan dolayı sessiz çalıĢırlar.

 Her iki gaz tarafında da geniĢletilmiĢ yüzeyler kullanılabilir.

 Konstrüksiyonu basittir.

 Kullanım esnekliğine sahiptir.

 Son derece düĢük sıcaklık düĢümüyle önemli mesafeye yüksek miktarda ısı transfer kabiliyetine sahiptir.

 Kontrol edilebilirliği iyidir.

 DıĢ pompa gücü gerektirmez.

Mahzurları:

 DüĢük basınçlı gazlar için uygundur.

5. MATERYAL VE METOT

5.1. Deney Düzeneğinin Hazırlanması

Bu çalıĢmanın amacı aynı tipteki iki ısı borulu kollektör ile hava ve suyu ısıtmak ve elde edilen verimleri karĢılaĢtırmaktır. Ġmalatı tarafımızdan yapılmıĢ olan bu iki kollektör için bakır malzeme kullanılmıĢtır. Bunun nedeni bakırın yaklaĢık olarak tüm akıĢkanlarla kullanılabilir olması ve ısı iletim katsayısının yüksek olmasıdır. Bakırın ısı iletim katsayısı 388 W/mKdir.

Kollektörlerin toplam boyu 1,2 m, eni 0,5 m ve derinliği de 0,1 m 'dir. Sıcak bölgenin boyu 1,0 m olduğu için, ıĢınım toplama yüzeyinin toplam alanı 0,5 m² 'dir. Bu alandaki ısı borularına, (yüzey alanını arttırmak amacıyla) bakır malzemeden kanatçıklar yapılmıĢtır.

ġekil 5.1‟de su ısıtma amaçlı yapılan kollektör ve yapım ölçüleri verilmiĢtir.

ġekil 5.1. Su ısıtma amaçlı yapılan kollektör ve yapım ölçüleri

Sıcak bölgeden alınan ısı enerjisini sistem havasına aktarmak için de; ısı borularının üst

kısmına enine kanatçıklar yapılarak, ısı aktarım yüzeyi arttırılmıĢtır. Enine kanatçıklar arasında 0,5 cm boĢluklar bırakılmıĢtır. Su ve hava üst kısımda bulunan bu kanatçıkların olduğu bölgeden geçerken ısı aktarımı sağlanmıĢtır. ġekil 5.2‟de kollektör üst kısmında bulunun kanatçıklar gösterilmiĢtir.

ġekil 5.2. Üst kısımda bulunan kanatçıklar

Isı borusu olarak kullanılacak bakır boru istenilen ölçülerde kesilerek alt kısmı bakır levha ile kapatılmıĢtır. Üst kısmına ise içindeki havanın kolayca alınmasını sağlayan subaplar yerleĢtirilerek kapatılmıĢtır. Bu subaplar yardımı ile borulara hem ısıtkan yerleĢtirilebilmesi hem de boru içindeki havanın vakumlanması iĢlemi kolaylaĢmıĢtır.

Isı borularında ısıtkan olarak ispirto (etanol) kullanılmıĢtır. Ġspirtonun (etanol) herkes tarafından kolay elde edilebilir olması, donma (-114 °C) ve kaynama (buharlaĢma) sıcaklıklarının da (78,4 °C) bu iĢ için yeterli olması, çevreye de zarar verir nitelikte olmaması tercih sebebi olmuĢtur.

Kullanılan ısı borularının boyu 120 cm ve çapı da 15 mm„dir. Bu ısı borularının 100cm‟si ısı toplama yüzeyinde (sıcak bölge) ve 20 cm„si de kanal içindeki ısı aktarım hücresindedir (soğuk bölge). ġekil 5.3‟te ısı borulu güneĢ kollektörü yapım resimleri verilmiĢtir.

Toplamda 14 adet ısı borusu yapılmıĢ bunlardan yedisi su ısıtma amaçlı kollektörde, diğer yedisi de hava ısıtma amaçlı kollektörde kullanılmak üzere ayarlanmıĢtır.

ġekil 5.3. Isı borulu kanatçıklı ıĢın toplama yüzeyi yapım aĢaması(kanatçıkların; a-Yan b- ön üst kanal bağlantısından sonraki; c- ön d- yan ve e- alttan görünüĢ fotoğrafları)

Kanatçıklar her iki alanda da (ıĢın toplama (buharlaĢma) ve ısı aktarma (yoğuĢma) bölgelerinde ısı borularına soğuk lehim kaynağı ile birleĢtirilmiĢtir. Kollektörlerin kasası 0,5 mm kalınlığındaki alüminyum plakadan yapılarak, iç yüzeyleri 2,0 cm kalınlığındaki straforla yalıtılmıĢtır. Kanatçıklarla yüzey alanı geniĢletilmiĢ ısı boruları, kasa içine yerleĢtirildikten sonra yüzeyleri siyah sprey boya ile boyanmıĢtır. Böylece kollektörlerin güneĢ ıĢını emiĢ kabiliyeti artırılmıĢ olur. IĢın toplama yüzeyinin üstü de, dıĢ havanın rüzgâr etkisinden korumak amacıyla; 0,5 mm kalınlığındaki Ģeffaf camla örtülmüĢtür.

Kollektörler yapılırken ısı boruları ile ıĢın toplama (buharlaĢtırıcı), ısı aktarma (yoğunlaĢma bölgesi) kanatçıklarının birleĢimi kendi malzemesi (bakır kaynağı) ile olsa ısı aktarımı daha iyi olacaktır. Bu sistemlerde kolay ve pratik olması sebebiyle soğuk lehimli birleĢtirme yapılmıĢtır.

ġekil 5.4‟de solda kollektör ısı borulu plakasının alttan görünüĢü verilmiĢtir. Resimde a ve b ile gösterilen alanlar suyun yoğuĢturucuya (ya da ısı aktarım hücresine) giriĢ (a) ve çıkıĢ (b) ağızlarını göstermektedir. Sağ taraftaki resimde, kollektörün ısı toplama ve ısı aktarma plakasının perspektif çizimi ve x-x kesit görünüĢü verilmiĢtir.

ġekil 5.4. Hava ısıtma amaçlı yapılmıĢ olan ısı boruları ve kollektörün çizimi

ġekillerde de (ġekil 5.5, ġekil 5.6) görüldüğü gibi sistemin kondenser kısmından geçen ısı taĢıyıcı akıĢkanın aktarılması için kullanılan aktarım makinalarının (fan ve pompa) enerji ihtiyacı, sistem yoğuĢturucusu üzerine yerleĢtirilen güneĢ pili ile güneĢten sağlanması düĢünülmüĢtür. Böylece kurulan sistemin, dıĢarıdan hiçbir enerji almadan, ısıtılan hava ya da sıcak su istenilen yere aktarılabilecektir. Oysa klasik kollektörlerde tabii olarak dolaĢımın sağlanabilmesi için su depolarının yaklaĢık 40 cm sistemden yukarıda olması gerekmektedir. Buda herkes tarafından görüldüğü üzere çatı ve damlarda görüntü kirliliği oluĢturmaktadır.

Sistem yan görünüĢü Sistem ön görünüĢü ġekil 5.5. Su ısıtma amaçlı yapılan kollektörün bitmiĢ görünüĢü

ġekil 5.6. Hava ısıtma amaçlı yapılan kollektörün bitmiĢ görünüĢü

5.2. Deneyin YapılıĢı

Deneyler 6 - 16 Eylül 2011 tarihleri arasında Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makina Bölümü Tesisat Anabilim Dalı bahçesinde yapılmıĢtır.

Sistem saat 08:45‟de çalıĢtırılmaya baĢlanmıĢ ve her on beĢ dakikada bir ölçüm yapılmıĢtır. Ölçümler sistemin çalıĢma rejimine girmesiyle saat 09:00da baĢlayıp saat 17:30‟ye kadar devam etmiĢtir.

Sıcaklık ölçümleri; dıĢ hava sıcaklığından ve kollektör giriĢ ve çıkıĢından alınmıĢtır.

Sıcaklık ölçümü yapılırken hava sıcaklığı TESTO firmasının üretmiĢ olduğu TESTO 435 elektronik sıcaklık ölçüm cihazı ile su sıcaklıkları ise CEM DT-630 Thermometer (ısıl çift) kullanılarak ölçülmüĢtür.

DıĢ hava ölçümlerinde güneĢ ıĢınım Ģiddeti The Daystarmeter (DS-05A) adlı ıĢınım ölçer cihazı ile hava hızı ve bağıl nemi ise TESTO 435 adlı cihaz ile ölçülmüĢtür. Çizelge 5.1‟de ölçüm cihazların resimleri ve teknik özellikleri verilmiĢtir.

Çizelge 5.1. Deney esnasında kullanılan ölçüm aletleri

Cihaz Adı Özelliği Görünümü

Hava aktarım fanı Bilgisayarlarda kullanılan soğutma amaçlı fan Özelliği: DC 12 V. 0,15 A

Transformatör GiriĢ: 220 V AC

ÇıkıĢ:0-14V DC, 1,1 A

IĢınımölçer

TheDaystarmeter (DS-05A)

Hassasiyet: (3%); ölçüm aralığı: 0- 1200 Watts/m²

Maksimum ölçüm: 1999 Watts/m²

Sıcaklık ve hız ölçümü

TESTO 435

Sıcaklık Aralığı: -20…+70^oC, Hız aralığı: 0 … 20 m/s

Hassasiyet: v = ± 0,01 m/s, t= ± 0,5^oC

Isıl çift termometre CEM DT-630 Thermometer Ölçüm aralığı: 50 ile 1372 ^oC Hassasiyet : ±0,15%

Sulu sistemde, sistemden akan suyun debisi sabitlenmiĢtir. Havalı sistem de ise dolaĢımı kolaylaĢtırmak için küçük bir bilgisayar fanı kullanılmıĢtır.

Bütün elektrikli cihazlar için yine güneĢ enerjisi kullanılmıĢtır. Kollektörler üzerine monte edilen güneĢ pilleri sayesinde güneĢ enerjisi elektrik enerjisine dönüĢtürülmüĢ ve sistemde kullanılmıĢtır.

Sistem cebri dolaĢımlı bir sistem olduğu için sistemde fanın ve devir-daim pompasının ihtiyaç duyduğu enerji yine güneĢ enerjisinden karĢılanmıĢtır. Bunun için 12 voltu 120 volta çıkaran ve doğru akımı alternatif akıma çeviren elektronik cihazlar kullanılmıĢtır.

Deney verileri saatlik ve günlük olarak iĢlenerek değerlendirmelere hazır hale getirilmiĢtir.

ġekil 5.7. Isı borulu hava ve su ısıtma amaçlı güneĢ kollektörleri deney hali

Not: Bu resimde önceki resimlerde görülen sistem aynı sistem olmak üzere, sadece güneĢ pilleri değiĢtirilmiĢ ve hava ve su ısıtma sistemleri yan yana konularak deneyler yapılmıĢtır.

Deneyler sonucunda elde edilen veriler güneĢin hareketine göre saatlik olarak değiĢtiği için bir günün ortalaması alınarak hesaplar yapılmıĢtır.

DıĢ hava sıcaklığını için;

Tort=

n

T

(5.1) ΣT - Sıcaklıkların toplamı

n - Ölçüm sayısı kullanılmıĢtır.

Deneyler 9:00-17:30 saatleri arasında 15 dakika aralıklarla yapıldığı için 8 saat içinde toplamda 33 defa ölçüm yapılmıĢtır.

Günlük toplam güneĢ ıĢınımı için;

I = I _ort x A gün

kJ (5.2)

eĢitliği kullanılmıĢtır.

Toplam hava debisini bulmak için ise;

V =Av (5.3)

eĢitliği kullanılmıĢtır. EĢitlikte yer alan “A” kanallar için iki kenar çarpımı olarak bulunmuĢtur. Hız ise sabitlenmiĢ ve 1,5 m/s olarak alınmıĢtır.

Toplam kütlesel debiyi bulmak için;





V

m  (5.4)

eĢitliği kullanılmıĢtır. EĢitlikte “V ” toplam hava debisi, “” yoğunluktur.

Sistemden elde edilen toplam ısı kazancını bulmak için ise;

Q = m · c · ΔT (5.5)

eĢitliği kullanılmıĢtır.

Elde edilen verimi bulmak için ise;

I

Q

 (5.6)

eĢitliği kullanılmıĢtır.

6. DENEY VERĠLERĠNĠN DEĞERLENDĠRĠLMESĠ

DıĢ hava sıcaklığı:

Deneyler sırasında yapılan dıĢ hava ölçümleri tek tek kaydedilmiĢ ve hesaplar için ortalama bir değer bulunmuĢtur.

Ortalama sıcaklığı bulmak için EĢ. 5.1. den yararlanılmıĢtır.

Sıcaklıkların toplamı = 932,9^oC Ölçüm sayısı = 33

T_ort= 932,9 / 33 = 28,3^oC bulunmuĢtur.

GüneĢ IĢınımı (kollektör yüzeyine gelen enerji):

Günlük toplam güneĢ ıĢınımı değerini bulmak için ise EĢ. 5.2. kullanılmıĢtır.

Toplam güneĢ ıĢınımı: 24057 ₂ m W

Toplam güneĢ ıĢınımı ortalaması:

I _ort= 24057 / 33 = 729 ₂ m W

Toplam güneĢ ıĢınımı:

I _ort= 729 ₂ m W (

W 1000

kW  kWs

kJ  h

s 3600 ) . 8

gün

h = 20995,2

gün m

kJ

2 1 Wh = 3600 W s (Watt saniye) = 3600 joule = 3,6 kilojul (kJ).

1 kWh (kilowatt saat)= 3600 kJ

Günlük toplam güneĢ ıĢınımı:

Kollektör yüzeyi = 0,5 m² olduğu için günlük güneĢ ıĢınımı toplamı:

I = 20995,2

gün m

kj

2. x 0,5 m² = 10497,6 gün

kj