I T.C.
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
GÜNEŞ ENERJİLİ KURUTUCU TASARIMI
TASARIM PROJESİ
HAZIRLAYANLAR 294594 Gülşah ÖCAL 294588 Burak YURDAKUL
II.ÖĞRETİM
HAZİRAN 2020 TRABZON
II T.C.
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
GÜNEŞ ENERJİLİ KURUTUCU TASARIMI
HAZIRLAYANLAR Gülşah ÖCAL Burak YURDAKUL
Danışman: Dr.Öğr.Üyesi Cevdet DEMİRTAŞ ………
Bölüm Başkanı: Prof. Dr. Burhan ÇUHADAROĞLU
HAZİRAN 2020 TRABZON
III ÖNSÖZ
Yapmış olduğumuz bu çalışmada kurutma işleminin temel niteliklerini araştırarak su niceliğini azaltarak, su miktarını düşürmek ve böylece biyokimyasal, kimyasal ve mikrobiyolojik bozulmaları minimize etmeye yönelik, günümüz teknolojilerinden yola çıkarak, güneş enerjili ekonomik bir prototip imalatı amaçlanmıştır.
Tasarım projesi seçiminde bizim için belirleyici faktör, elimizde olan imkânlar çerçevesinde laboratuvar ölçekli kurutma makinesi imalatı hedeflenerek geleceğin makina mühendisi adaylarının okulumuzda bulunan laboratuvar vasıtasıyla güneş enerjili bir sistemi daha iyi kavrayabilmeleri için kolaylık sağlama amacı olmuştur. Çıktığımız bu yolda üzerimize emeği geçen danışman hocamız Sayın Dr.Öğr.Üyesi Cevdet DEMİRTAŞ’a teşekkür ederiz.
Gülşah ÖCAL Burak YURDAKUL
Trabzon 2020
IV ÖZET
Kurutma işlemi gazlardan, sıvılardan veya katılardan su veya diğer sıvıların giderilmesidir. Bununla beraber kurutma teriminin en yaygın kullanım yeri katı maddelerden ısıl yöntemlerle su veya uçucu diğer maddelerin giderilmesi işlemini tanımlamaktadır.
Kurutma gıda maddelerinin korunmasında kullanılan en önemli yöntemlerden biri olup kimya ve üretim süreçlerinde yaygın olarak kullanılan bir işlemdir. Kimyasal proseslerin en önemli basamaklarından biri kabul edilen kurutma, bir ürünün satışa sunulmasından önceki görünüm ve mukavemet özelliklerini en iyi yansıttığı rutubet seviyesine getirilmesi için uygulanan bir işlemdir.
Kurutma işlemi ısı ve kütle aktarımının aynı anda gözlendiği karmaşık bir olaydır. İşlem sırasında kurutucu gazdan katıya doğru ısı aktarımı gerçekleşir. Ürünün kullanım kalitesi ile dayanım özelliklerinin olumsuz etkilenmesinden dolayı, bu işlemde son kurutma derecesinin çok önemli olduğu kabul edilmektedir. Bu sebeple şartların optimize edilerek kontrollü bir şekilde gerçekleştirilmesi önemlidir.
Bu durumdan yola çıkarak gıdaların nem miktarının optimuma getirilerek daha iyi bir görünüm ve mukavemet sağlamasına yönelik labaratuvar ölçekli güneş enerjili kurutma makinasının tasarımı ve daha sonraki süreçte imalatının gerçekleştirilmesi esas alınmıştır.
Anahtar Kelimeler: Kurutma, Mukavemet, Nem miktarı, Isı aktarımı, Kütle aktarımı
V SUMMARY
Desiccation process is remove water or other liquids from gases,liquids or solids.Most commonly usage of desiccation term is removing water or other materials from solid materials by using thermic processes.
One of the most important processes to protect foodstuffs is desiccation,and it is commonly used in chemistry and production.Desiccation which is one of the most important processes for chemical processes is getting damp level to wiew or strenght properties are best before selling.
Desiccation process which observed both heat and mass transfer at the same time is complex happen.Heat transfers from gas to solid when process occurs.Since usage quality and strenght properties do not effect negatively, the last desiccation process is generally accepted as very important.
Therefore, conditions that should be optimized to occur desiccation process are very important.Damp level is optimized for getting better wiew and strenght in order to desing laboratory scale solar powered drying machine,and to produce in the progress.
Keyword: Drying, Strenght, Damp, Heat transfer, Mass transfer
VI
İÇİNDEKİLER
Sayfa No ÖNSÖZ…..….………...………..III ÖZET …..………IV SUMMARY ... V İÇİNDEKİLER ... VI ŞEKİLLER DİZİNİ ... VII TABLOLAR DİZİNİ ... VIII SEMBOLLER VE KISALTMALAR DİZİNİ ... IX
1. AMAÇ ve KAPSAM ... 1
1.1. GİRİŞ ... 1
1.2. LİTERATÜR TARAMASI ... 3
1.3. KISITLAR ve KOŞULLAR ... 5
1.4 TASARIMIN KARŞILAYABİLECEĞİ GEREKSİNİMLER ... 6
2.HAFTALIK ÇALIŞMA PROGRAMI ... 7
3. MÜHENDİSLİK HESAPLARI VE ANALİZLERİ ... 8
3.1. YAPILAN HESAPLAMALAR ... 8
3.2. YAPILAN TASARIM ÇALIŞMALARI ... 11
4. ÇEVRESEL ETKİ DEĞERLENDİRMESİ ... 15
5. SONUÇLAR ... 16
6. ÖNERİLER ... 17
7. KAYNAKLAR ... 18
8. EKLER ... 19
ÖZGEÇMİŞ………21
VII ŞEKİLLER DİZİNİ
Sayfa No
Şekil 1. Vakum tüpü………...……….….10
Şekil 2. Vakum tüpü kesit görünümü…………..……….11
Şekil 3. Kurutma Tepsisi………..………...11
Şekil 4. Güneş enerjili kutucu sisteminin perspektif görünüşü …….…….………...13
Şekil 5. Güneş enerjili kutucu sisteminin üst görünüşü ………..………13
Şekil 6. Güneş enerjili kutucu sisteminin ön görünüşü …..……….……...14
Şekil 7. Radyal fan ………..14
Şekil 8. Ön görünüm………19
Şekil 9. Yan görünüm………...20
Şekil 10. Üst görünüm………..20
VIII
TABLOLAR DİZİNİ
Sayfa No Tablo 1. Haftalık çalışma programı……….……….…………. 7 Tablo 2. Domatese ait özellikler…………...………..8 Tablo 3. Isı borusuna ait özellikler ………..……….……….8
IX SEMBOLLER VE KISALTMALAR DİZİNİ
ղk: Kollektörün verimi Qu: Yararlı ısı
Qc: Kollektör ısısı Ac: Kollektör alanı
Ic: Kollektör yüzeyine gelen güneş ışınımı ṁ: Çalışma akışkanının kütle debisi cp: Çalışma akışkanının özgül ısısı Tg: Kollektöre giriş sıcaklığı Tç: Kollektör çıkış sıcaklığı
Ѵ: Kurutma havasının hacimsel debisi ρ: Kurutma havasının yoğunluğu Pf: Fan tarafından tüketilen enerji V: Kurutma havasının hızı
Wsu: Üründen buharlaşan su miktarı W: Ürünün ilk ağırlığı
N1: Ürünün ilk nem içeriği N2: Ürünün son nem içeriği
Labs: Absorber alanı kaplı cam tüp uzunluğu Dabs: İç cam tüp dış çapı
1 1.AMAÇ VE KAPSAM
Bu tasarımda meyve sebze gibi gıdaların güneş enerjisi yoluyla kurutulup mukavemet ve saklama koşullarının iyileştirilmesine yönelik laboratuvar ölçekli prototip kurutma makinesi tasarlanması ve daha sonraki süreçte imalatı hedeflenmiştir. İmalat aşamasından sonra yapılması planlanan deneylerle sistemin hedeflenen amaca uygun olup olmadığı test edilecektir.
1.1.Giriş
Güneş enerjisi, rezervi bitmeyen ve çevreyi kirletmeyen temiz bir enerji kaynağı olup kolayca ısı enerjisine çevrilebilme özelliğinden dolayı dünya genelinde tarımsal ürünlerin kurutulmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Güneş enerjisi petrol doğal gibi fosil yakıtların tükenmeye yüz tuttuğu günümüzde gittikçe daha fazla önem kazanmaktadır.
Diğer taraftan bu yakıtların gerek taşınması gerek işlenmesi sırasında çevreye verilen zararlar dünya kamuoyunda ciddi tartışmalara yol açmakta,küresel ısınmanın ana nedeni olduğu düşünülmektedir.
Güneş enejili kapalı kurutma sistemlerinin geleneksel(doğal) kurutma sistemlerine kıyasla avantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir;
Ürünün kirletenlere ve zararlılara karşı korunması sağlanır.
Yağmur ve benzeri olumsuz dış faktörlerin önüne geçilir.
Homojen sıcaklık ve nem dağılımı elde edilir.
İstenilen en uygun sıcaklık seviyesine çıkılabilir.
Hava giriş ve çıkışının kontrolü sağlanabilir.
Söz konusu yöntemin avantajlarının yanı sıra bazı dezavantajları da mevcuttur.
Bunlar aşağıdaki gibi sıralanabilir.
Güneş enerjisinin kullanılabilir enerjileri dönüştürme teknolojisinin henüz tam olarak yaygınlaşmaması,
İlk yatırım maliyetinin yüksek olması,
Gelen enerjinin kesikli ve değişken olmasıdır.
2
Güneş enerjisinden faydalanılan kurutma sistemleri arasında güneş enerjili kabin kurutucu, güneş enerjili raflı kurutucu, güneş enejili sera kurutucu vb. sistemler bulunmaktadır.
Güneş enerjili kurutuculardan beklenen başarı kriterleri; kurutucu toplam verimi işletilebilirlik ve kurutulmuş ürün kalitesi olarak üç ana grupta toplanmaktadır. Kurutucu toplam verimini etkileyen faktörler kurutma odası ısıl verimi, hava dağılım düzgünlüğü, yeterli hava debisi ve ısı depolama ünitesi varlığı olmaktadır. Kurutucu verimini etkileyen en önemli iki fiziksel işlem; mümkün olduğunca toplaçlar ve kurutma odasına düşen güneş ışınlarının hepsini ısı enerjisine hızlı bir şekilde çevirerek kurutma havasına aktarılması ve kurutma odası içerisindeki birim kurutma havasına, mümkün olduğunca çok ürün neminin hızlı bir şekilde geçirilmesidir.
Bu konuda ortaya konulacak hava ısıtmalı güneş kollektörlü sistem ile kurutma yapılması planlanmaktadır.
3 1.2.Literatür Taraması
Enerji ihtiyacının karşılanmasında kömür, petrol, doğal gaz gibi yakıtlar öncelikli olarak kullanılmaktadır. Ancak bu yakıtların tükenebilir enerji kaynağı olmasıyla birlikte maliyetinin giderek artması, bunun yanında çevre kirliliğine neden olması ve insan sağlığını olumsuz etkilemesi bakımından yenilenebilir enerji kaynaklarının değişik sektörlerde kullanılması için araştırmalar sürdürülmektedir. Güneş enerjisi, tüm yenilenebilir enerji kaynakları arasında çok büyük bir potansiyele sahiptir.
Güneş enerjisinden faydalanmak için yapılan çalışmalarda, kaynaklara göre M.Ö. 400 yıllarında güneş bir enerji olarak ve bilinçli bir şekilde Sokrat tarafından evlerin pencerelerini güney yönüne daha fazla koyulmasıyla güneş sıcaklığının ve ışığının içeri daha fazla alınacağını belirtmiştir. Arşimet (M.Ö. 250) aynalarla güneş ışınımını odaklayarak düşman gemilerini yakmıştır. Aynaların güneş enerjisindeki kullanımı konusunda; eski saraylarda çok fazla ayna olduğu örneği verilebilir. 1600’lü yıllarda ise Galile’nin merceği bulmasıyla Güneş’in kullanımında farklı bir noktaya gelinmiştir. 1725 yılında ise Belidor tarafından güneş enerjisi ile çalışan bir su pompası icat edilmiştir.
Fransa’da yapılan bir çalışma ise 1860’larda bir buhar makinesinin üretimidir. Güneş enerjisine bağlı olarak buhar makinesi icat eden Mohuchok, bu icadında parabolik aynalardan yardım almıştır. Aynı zamanda güneş pompaları ve güneş ocakları üzerine de birtakım çalışmalar yapmıştır. 19.yy da güneş enerjisi uygulamaları artmıştır.
Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi ile metal eritme, su dağıtma, buhar üretme, güneşle çalışan buhar makinası, baskı makinası gibi yapılan çalışmalar, uygulama örnekleri olarak gösterilebilir. 20.yy da insanların yaşamına giren petrol, güneş enerjisi kullanımıyla ilgili gelişmeleri bir ölçüde frenlemiştir. Bununla birlikte, 1974’deki yapay petrol bunalımı ve petrol fiyatlarının artması sonucu güneş enerjisi üzerindeki çalışmalar, yeniden hız kazanmıştır. Özellikle evlerde sıcak su sağlanmasında güneş toplaçları kullanımı bu yüzyılda yaygınlaşmıştır. Yine, yoğunlaştırılmış güneş enerjisinin kullanıldığı güneş santralleri bu yüzyılda yapılmaya başlanılmıştır. 1954 yılında Bell laboratuvarında güneş pillerinin geliştirilmesi ile güneş pilleri güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlar olarak giderek yaygın kullanım alanları bulmuşlardır.
4
Günümüzde güneş enerjisi teknolojileri olarak, binaların ısıtılması ve soğutulması, güneş enerjili su ısıtıcıları, güneş hava ısıtıcıları, güneş ocakları, güneş enerjili kurutma vb.
kullanılmaktadır. Bunların enerji tasarrufu açısından faydalı cihazlar olduğu araştırmalarda kanıtlanmıştır. Birçok ülkede, tarımda sebze, meyve, kahve ve diğer mahsulleri kurutarak korumak için güneş enerjisi sistemlerinin kullanılmasının pratik, ekonomik ve çevresel açıdan sorumlu ve gerekli bir yaklaşım olduğu gösterilmiştir. Doğal olarak güneşte direkt kurutmada kuruma işlemi uzun sürmekte ve kontrol edilememektedir. Havanın bağıl nem düzeyi de kurutulacak ürünün istenilen nem düzeyine gelmesi için uygun olmayabilir. Ürünü istenilen sürede, istenilen sürede kurutma için bir güneş enerjili kurutma sistemi kullanmak gerekir. Bu kurutucular sadece enerji tasarrufu sağlamakla kalmaz, aynı zamanda çok zaman kazandırır, kurutma için daha az alan kaplar, genel amaçları ürünün kalitesini arttırmak, işlemi açık güneşte kurutmaya göre daha verimli kılmak ve çevreyi korumaktır. Böylece kurutma için gereken toplam yakıt enerjisi miktarı azaltılır. Güneş enerjisiyle kurutma sistemlerinde güneş ışınları, kurutma için gerekli ısı enerjisini sağlar. En önemli gereklilik ısının transferidir. Bu durum ürünü çevreleyen, ürün sıcaklığından daha yüksek sıcaklıktaki havanın transferiyle gerçekleşir. Isının absorbe edilmesi ürün içindeki sıvının buharlaşmasını güneş enerjisiyle sağlar. Nemin yüzeye akışı içten difüzyonla olur. Bu durum ürünün cinsine, içerdiği nem oranına ve ısıl iletkenliğine göre farklılık gösterir. Ürünlerin kuruma süresi ile kurutma için gerekli enerji miktarı doğru orantılıdır.
5 1.3 Kısıtlar ve Koşullar
Bu çalışmada, ısı borusu dış çapı Ø47 mm, iç cam çapı Ø38 mm, cam tüp uzunluğu 1,850m, cam tüpün emici yüzey uzunluğu 1,800m olan ısı borulu vakum tüplü U borulu güneş kolektörü imal edilmiştir. Isı borusu yapımı için bakır borular 1800 mm boyunda hazırlandıktan sonra bir ucuna boşaltma pürjörü diğer ucuna da doldurma pürjörü kaynak edilmiştir. Her bir ısı borusu içine ısı borusu toplam hacminin 1/3 oranında iş gören akışkan olarak etanol konulmuş. Isı borusunu vakum tüp içerisinde eş merkezli olarak konumlandırmak için uygun kesitli O-ringler ısı borusu boyunca eş mesafede yerleştirilmiştir.
Bu şekilde ısı borulu vakum tüplü kollektör taşıyıcı sistem üzerine yerleştirilmişir. Her bir kollektörün depo girişi Ø50 mm PPRC boru ile yapılmış ve her depo girişine hava debisini kontrol etmek için vana konulmuştur. Kurutma kabini girişine radyal fan (Güç:
90W, Devir: 24500d/dk, Debi 275m3/h, Frekans: 50Hz) bağlantısı yapılmıştır. Borular, depo ve hava dağıtım kolektörleri 10 mm kalınlıktaki izobozz yalıtım malzemesi ile yalıtılmıştır.
Tasarlanan kurutucu sistemde domates kurutularak çalışmalar yapılmıştır.
6
1.4 TASARIMIN KARŞILAYABİLECEĞİ GEREKSİNİMLER
Kurutma sistemleri sayesinde gıdada bulunan su bozulmasına olanak vermeyecek düzeye indirildiğinde kesin bir muhafaza sağlanır. Doğal olarak güneş altında yapılan kurutma işlemi sonucu meyve ve sebzeler istenilen kurutma koşullarına getirilebilir. Fakat doğal kurutma yöntemi dış ortam koşullarından doğrudan etkilendiğinden tozlanma, bozulmalar olur ve kurutma işlemi oldukça zaman alır.
Ülkemizin güneş enerjisi bakımından oldukça zengin olması ve gıda kurutma işlemlerinin güneş enerjisinin fazla olduğu bu dönemlerde yapılması, güneşi kurutma sistemleri için oldukça önemli bir enerji kaynağı yapmaktadır.
Tasarladığımız bu sistem ile hem kurutma süresinin kısaltılması sağlanmış hem de endüstriyel fırınlı kurutmadaki yüksek enerji tüketiminin önüne geçilmiştir.
7 2. HAFTALIK ÇALIŞMA PROGRAMI
Projenin gerçekleştirilmesine yönelik haftalık çalışma planı Tablo 1‘de verilmiştir.
Tablo.1
1. HAFTA Türkiye ve dünyadaki kurutma sistemleri araştırıldı.
2. HAFTA Tasarım için gerekli dökümanlar toplandı.
3. HAFTA Piyasadaki kurutma sistemlerinin çalışma prensipleri araştırıldı.
4. HAFTA Geliştirilmesi yapılacak olan hali hazırdaki makina ve parçaları incelendi.
5. HAFTA Makinada karşılaşılan sorunlar incelendi.
6. HAFTA Belirlenen problemlerin çözümüne yönelik tasarımlar ortaya kondu.
7. HAFTA İmkanlar değerlendirilerek çözümler elenerek uygun tasarımlar belirlendi.
8. HAFTA Yüksek sıcaklığa dayanıklılık göz önüne alınarak kullanılacak malzemeler belirlendi.
9. HAFTA Vize haftası.
10. HAFTA Yapılacak değişikliklere yönelik hesaplamalar yapılarak kritik boyutlar belirlendi.
11. HAFTA Hazırlanacak proje evrağında olması gerekenler araştırıldı.
12. HAFTA Defter düzenlenip ayarlamaları yapıldı.
13. HAFTA Tasarım tamamlanarak elde edilen sonuçlar değerlendirildi.
14. HAFTA Dosya kontrol ettirilerek teslim edildi.
8 3. MÜHENDİSLİK HESAP VE ANALİZLERİ
3.1. Yapılan Hesaplamalar
1 adet domatesin ortalama ağırlığı 120 gr, içerdiği nem oranı ise ortalama %95, kurutulduğunda elde edilmesi gereken nem oranı ise %10 dur. Buna göre nem alma hesaplamaları;
Tablo 2. Domatese ait özellikler
Domates
Ilk kütle (g)
Son kütle (g)
Ilk nem içeriği N1 (%)
Son nem içeriği N2 (%)
Hava hızı (m/s)
120 6 95 10 1,5
Wsu = W * (N1 – N2) / (100 – N2) Wsu =120* (95-10) / (100-10) Wsu = 114
Wsu: Üründen buharlaşan su miktarı (g) W: Ürünün ilk ağırlığı (g)
N1: Ürünün ilk nem içeriği N2: Ürünün son nem içeriği
Tablo 3. Isı borusuna ait uzunluklar:
Isı borusu boyu (cm)
Isı borusu çapı (cm)
Isıtılan akışkan (hava) depo boyu (cm)
Isıtılan akışkan (hava) depo çapı (cm)
Isı borusu toplam hacmi (cm3)
Isı borusu işgören akışkan hacmi (cm3)
Isıtılan akışkan hava hacmi (cm3)
180,0 4,7 60 30 3122,9 2041,4 10660,2
9
Bir adet radyal fanla kurutma ortmına akan havanın ortalama hızı 1,5 m/s olarak ölçüldü. Işınım şiddeti ortalama 1040 W/m2 olarak bulundu.
Kollektörden elde edilen faydalı ısı [Watt]
Qu = 𝑚̇ ∗ 𝑐𝑝 ∗ (𝑇ç − 𝑇𝑔)
Qu = ρ * v * Ak * 𝑐𝑝 * (Tç – Tg)
Qu = 1,225 (kg/m3) * 1,5 (m/s) * 0,27 (m2)*1,005(kj/kgK) * (60,38- 20) (K) Qu = 4808,05 W
Qc = Ic * Ac
Qc = 870,45 (W/m2) * 0,545 (m2) Qc =474,4 W
Güneş kollektörlerinde verim, alınan enerjinin, kollektör yüzeyine gelen enerjiye oranı şeklinde ifade edilir. Alınan ısı enerjisi, gelen enerji ile kaybolan enerjinin farkı şeklinde tanımlanır. Güneş kollektörü verimi Eşitlik 1’de verilmiş olup Eşitlik 2’deki gibi de yazılabilir.
ηk = Qu / Qg (1) ηk = (ṁ ∗ Cp ∗ ∆T) / (A * I) (2) ηk = 4808,05 W / 474,4 W
ηk = 10,14
Burada ṁ (kg/s) kütlesel debi, Cp (kJ/kgK) akışkanın özgül ısısı, ΔT (oC) akışkanın giriş ve çıkış sıcaklıkları farkı, A (m2 ) kollektör alanı ve I (W/m2 ) ışınım şiddetidir. Güneş kollektörlerinin verimi dış ortam sıcaklığı, ışınım şiddeti ve kollektörün ortalama akışkan sıcaklığı ile değişir. Bu değişim azaltılmış sıcaklık olarak tanımlanmış olup T* ile ifade edilir. T* Eşitlik 3’te verilmiştir.
T * = (Tk−Tç) / I (3)
10
Burada Tk (oC) kollektördeki ortalama akışkan sıcaklığı ve Tç (oC) çevre sıcaklığıdır.
Kollektördeki ortalama akışkan sıcaklığı, akışkanın giriş ve çıkış sıcaklıklarının, çevre sıcaklığı ise kollektörün üst ve alt sıcaklıklarının aritmetik ortalaması olarak alınır.
Vakum tüplü kollektörler iç içe geçmiş iki cam tüp kullanıldığından, alan tanımı farklı şekillerde yapılabilmektedir. Bunlar brüt alan, açıklık alanı ve absorber yüzey alanıdır.
Brüt alan; kollektörün dıştan dışa ölçüleriyle kapladığı izdüşüm alanıdır. Açıklık alanı cam tüplerin ara boşlukları ile birlikte izdüşüm alanıdır. Absorber alan ise, emici yüzey olarak kullanılan içteki cam tüpün izdüşüm alanıdır. Vakum tüplü güneş kollektörlerinin dış ortamda güneş ışınımı altında yapılan testlerde ışınım kaynağı olan güneşten direkt ışınlar paralel olarak gelmekte olup, kollektör absorber alanı üzerinde ısı enerjisine dönüşürAbsorber alanı ile ilgili olarak standartlarda da bir açıklama bulunmamaktadır.
Işınım alınan yüzey olarak içteki cam tüpün (absorber tüp) izdüşüm alanı ya da yarı silindirik çevresel alanı alınabilir. Bu iki durum için alanlar Eşitlik 4 ve 5’te verilmiştir.
Aabs.izd = n ∗ Dabs ∗ Labs (4)
Burada n kollektördeki cam tüp sayısını, Dabs (m) iç cam tüp dış çapı ve Labs (m) ise absorber alanı kaplı cam tüp uzunluğunu ifade etmektedir
Burada Aabs.a (m2 ) açısal alanı, Dabs (m2 ) seçici yüzeyle kaplı vakum tüp dış çapını ve Lc (m) vakum tüp ışınım alan uzunluğunu ifade etmektedir.
11 3.2. YAPILAN TASARIM ÇALIŞMALARI
Şekil 1. Vakum tüpü
Vakum tüplü teknolojisi bugün piyasada geleneksel emici daha iyi performans sunar.
Bu gelişmiş tasarım, borosilicate cam (borcam) iki tabaka arasında bir vakum katman ile oluşur ve iç kısımda tüpler içermektedir. Bu vakum bit termos gibi, termal enerjinin %93 e kadar koruyarak daha yüksek bir verim elde etmektedir. İki cam tüpün içindeki hava da alındığı için sıcaklık olduğu gibi muhafaza edilir. Çünkü hava ile temas eden ışınlar soğumaya başlar. Bu noktada temas edecek hava bulunmadığı için ısı da olduğu gibi kalır.
12 Şekil 2. Vakum tüpü kesit görünümü
Vakum tüplü güneş enerji kollektörleri ana hatlarıyla 2 bölümden oluşur. Bunlardan birisi ısı borusu, diğeri ise vakum ortamını bünyesinde taşıyan cam tüptür. İç içe olan bu 2 cam boru arasının vakum edilip havasının çekilmesi taşınım ve iletimle oluşacak ısı transferini ortadan kaldırır sadece radyasyonla ısı transferi gerçekleşmiş olur. Vakum tüplerinde kullanılan cam malzemesi olarak termal şoka dirençli, yüksek mekanik dayanıma sahip borasilikat cam kullanılır.
Şekil 3. Kurutma tepsisi
Hazırlanan makinada kurutma odasının üst kısmı güneş ışınlarına dayanıklı sera camından yapılmıştır. Kurutma tepsileri hava akışına direnci az olacak şekilde tabanında delikler bulunan sac malzemesinden yapılmıştır.
13
Şekil 4. Güneş enerjili kurutucu sisteminin perspektif görünüşü
Şekil 5. Güneş enerjili kurutucu sistemin üst görünüşü
14
Şekil 6. Güneş enerjili kurutucu sistemin ön görünüşü
Şekil 7. Radyal fan
15 4.ÇEVRESEL ETKİ DEĞERLENDİRMESİ
Tasarımı yapılan kurutucuda maliyeti yüksek fosil kökenli yakıtlar yerine temiz ve yenilenebilir güneş enerjisi kullanılmıştır. Ürünlerin tepsilerde kurutulması ile doğal kurutma yöntemine göre daha küçük alanda daha fazla ürün kurutulması sağlanmıştır.
Kurutma odasında yüksek sıcaklıkta hava bulunduğundan koruyucu gözlük ve eldiven temin edilerek kullanılması gerekmektedir. Daha çok sıcak bölgelerde kullanılan bir sistem olarak düşünüldüğünden, çalışan kişinin, belirli aralıklarda sürekli daha serin yerlere kaydırılarak sıcakta çalışma sürelerinin ayarlanması gerekmektedir. Acil durum klasörü hazırlanıp bir iş kazası durumunda yapılacak işlemler acil durum planında belirtilip görünür yerlere asılmalıdır.
Öte yandan tasarım yapılan makinede kullanılacak olan sac tepsilerin geri dönüşümü mümkündür. Ayrıca vakum tüplü güneş kollektörleri gerekli bakımları yapıldıktan sonra ikinci el olarak değerlendirilebilir.
16 5.SONUÇLAR
Güneş enerjisi destekli kurutucular düşük maliyetle uygun kalitede gıda eldesini sağlamaktadır. Açık havada kurutmaya oranla daha kısa kuruma süresi, kontaminasyon riskinin düşüklüğü ve daha yüksek kalite gibi birçok açıdan avantajları bulunmaktadır.
Ayrıca, bazı sistemlerde kurutma parametrelerinin kontrol edilebilmesi mümkün olmaktadır.
Bozulmayı azaltmak, ürün kalitesini ve genel işleme hijyenini iyileştirmek için kırsal alanlarda kolaylıkla kullanılabilmektedir. Kısaca, güneş enerjisi ile kurutma, sebze ve meyveleri temiz, hijyenik ve sağlıklı koşullarda ulusal ve uluslararası standartlara uygun, sıfır enerji (ya da oldukça düşük enerji ile) maliyetiyle işleyebilecek bir alternatif sunmaktadır.
Enerji ve zaman tasarrufu, daha az alan kaplama ve ürün kalitesini geliştirme kurutma sürecini daha verimli hale getirilmekte ve çevrenin korunmasını sağlamaktadır. Ülkemiz güneş enerjisi potansiyeli dikkate alındığında güneş enerjisi destekli kurutma yöntemlerinin yaygınlaşması ve daha etkin kurutma yapan cihazların geliştirilmesine yönelik çalışmaların hız kazanması gerektiği düşünülmektedir.
Dış ortam koşullarından etkilenmeyen, sadece ilk yatırım maliyeti olan bir sistem kurulmuştur. Ayrıca vakum tüplerininin hasar görmesi kırılması sonucunda vakum tüpü değiştirilebilmektedir. Daha kısa bir sürede gıdaların istenilen saklama koşullarına gelmesi sağlanmıştır. Endüstriyel fırınların aksine hava kirliliği yaratmayan, elektrik enerjisine ihtiyaç duymayan bir sistem elde edilmiştir.
17 6.ÖNERİLER
Türkiye coğrafi konumu dolayısıyla güneş enerjisi kullanımına uygun bir ülkedir.
Kurutma işlemleri için güneş enerjili sistemler seçilmesi ve uygulamanın ışınımın fazla olduğu öğle saatlerinde yapılması sistemlerin enerji tüketimini azaltacaktır.
Direkt güneşte kurutulan meyve ve sebzelere göre daha hızlı, raf ömrü daha uzun; toz, böcek ve zararlı diğer çevresel etkenlerden korunarak, besin değerlerini kaybetmeden kontrollü sıcaklık altında kurutulma olanağı sağlanır.
Fosil yakıt kullanılmaması ve ilk maliyet dışında maliyetinin olmaması nedeniyle ekonomik ve çevre kirliliği yaratmayan bir sistem olması ülkemizin güneş enerjisi bakımından verimli olması, ayrıca tükenmeyen yenilenebilir bir kaynak olması sebebiyle güneş enerjisi kullanımı yaygınlaşmalıdır.
18 7.KAYNAKLAR
Gao Y., Fan R., Zhang X.Y., An Y.J., Wang M.X., Gao Y.K. and Yu Y., “Thermal performance and parameter analysis of a U-pipe evacuated solar tube collector”, Solar Energy, 107: 714-727, (2014).
Gao Y., Zhang Q., Fan R., Lin X. and Yu Y., “Effects of thermal mass and flow rate on forced-circulation solar hot-water system: comparison of water-in-glass and U-pipe evacuated-tube solar collectors”, Solar Energy, 98: 290-301, (2013).
Shatat M., Mayere A. and Riffat S., “A standardized empirical method of testing solar simulator coupled with solar tube and concentrator collectors”, International Journal of Thermal and Environmental Engineering, 5: 1, 13-20, (2013).
Özsoy, A., “Isıtma Sistemlerinden Isı Geri Kazanımında Isı Borularının Uygulanabilirliği, Ekserji Ve Ekonomik Analizi”, Doktora Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, 2005.
Esen, M., Hazar, H., ‘‘Isı Borulu Kollektör Kullanan Güneş Enerjili Bir Pişiricinin Deneysel Olarak Araştırılması’’, Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, Sigma 2005/1 s 114- 122, 2005.
Yıldız A., Gıda kurutma sistemlerinde kullanılan havalı güneş enerjisi toplayıcıları, 11. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, 17/20 Nisan 2013/İzmir.
Kant, K., Shukla, A., Sharma, A., Kumar, A. & Jain, A.,Thermal Energy storage based solar drying systems: A review, Innovative Food Science and Emerging Technologies (2016).
Ayvaz Hakkı, Güneş enerjisiyle tarımsal ürünlerin kurutulmasında kullanılacak endüstriyel kurutucu tasarımı, Doktora Tezi, 1992, Tez Danışmanı: Ali Güngör.
Özsoy A., Galip M., “Vakum tüplü u-borulu güneş kollektörünün güneş simülatöründeki test sonuçlarının analizi”, Politeknik Dergisi.
19 8.EKLER
EK 1.
Teknik Resim Gösterimleri
Tasarımı yapılan güneş enerjili kurutucunun 2 boyutta ki görünümleri aşağıdaki gibidir.
Şekil 8. Ön görünüm
20 Şekil 9. Yan görünüm
Şekil 10. Üst görünüm
21 ÖZGEÇMİŞ
BURAK YURDAKUL 01/10/1995 Ankara doğumludur. İlköğretimini 2001-2009 yılları arasında Mecidiye İlköğretim Okulunda, lise öğrenimini 2009-2013 yılları arasında Esenevler Anadolu Lisesinde tamamlamıştır. 2013 yılından beri Karadeniz Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümünde öğrenim görmektedir.
GÜLŞAH ÖCAL 17/02/1994 İstanbul doğumludur. İlköğretimini 2000-2008 yılları arasında Emine ve Hasan Aytaçman İlköğretim Okulunda, lise öğrenimini 2008-2012 yıllarında Kartal Anadolu Lisesinde tamamlamıştır. 2013 yılından beri Karadeniz Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümünde öğrenim görmektedir.
