T.C.
GAZİOSMANPAŞA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
KİMYA ANABİLİM DALI
FAZ DEĞİŞİMLİ ENERJİ DEPOLAMA MADDELERİNDE
ISIL İLETKENLİĞİN ZENGİNLEŞTİRİLMESİ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Hazırlayan: Ali KARAİPEKLİ
Danışman: Doç. Dr. Ahmet SARI
TOKAT–2006
FAZ DEĞİŞİMLİ ENERJİ DEPOLAMA MADDELERİNDE
ISIL İLETKENLİĞİN ZENGİNLEŞTİRİLMESİ
ALİ KARAİPEKLİ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
KİMYA ANABİLİMDALI
TOKAT – 2006
i
ÖZET
FAZ DEĞİŞİMLİ ENERJİ DEPOLAMA MADDELERİNDE
ISIL İLETKENLİĞİN ZENGİNLEŞTİRİLMESİ
ALİ KARAİPEKLİ
Gaziosmanpaşa Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Anabilim Dalı
Yüksek Lisans Tezi, 62 sayfa
Danışman: Doç. Dr. Ahmet SARI
Jüri: Prof. Dr. Adem ÖNAL
Jüri: Prof. Dr. Gazanfer ERGÜNEŞ
Jüri: Doç. Dr. Ahmet SARI
Enerjiyi gizli ısı halinde depolayan sistemlerin enerji verimliliğini etkileyen faktörlerden
biride faz değişim maddesinin (FDM) ısıl iletkenliğidir. Bu nedenle, yüksek erime gizli
ısısına ve uygun erime sıcaklığına sahip fakat ısıl iletkenliği düşük bir FDM’nin bu tip
sistemlerde kullanılmadan önce ısıl iletkenliğinin arttırılması önem arz etmektedir. Bu
bağlamda, bu çalışmada, ısıl iletkenlik arttırıcı olarak genişletilmiş grafit (GG) ve karbon
fiber (Kf)’in gizli ısı enerji depolama (GIED) maddeleri olarak parafin ve stearik asidin
(SA) ısıl iletkenliği üzerine etkisi incelendi. Parafin ve SA içerisine farklı kütle bileşim
oranlarında (%2, 4, 7 ve 10) GG ve Kf ilave edildi. Hazırlanan parafin/GG, parafin/Kf,
SA/GG ve SA/Kf kompozit karışımlarının ısıl iletkenlikleri sıcak tel metoduyla ölçüldü.
İlave edilen GG ve Kf ile ısıl iletkenlik artışı arasında doğrusal bir ilişkinin olduğu
bulundu. Kütlece %10 GG ve %10 Kf ilavesiyle, parafin (0.22W/(mK)) ve SA’nın
(0,29W/(mK)) ısıl iletkenliği sırasıyla, %272,7, 266,6, 227,35 ve 217,2 oranında arttırıldı.
Parafin ve SA’ya GG ve Kf ilavesiyle ısıl iletkenlikte meydana gelen artış saf parafin ve
saf SA’nın erime ve katılaşma süreleri ile kompozit FDM’ler içerisindeki parafin ve
SA’nın erime ve katılaşma süreleri mukayese edilerek test edildi. Ayrıca, ilave edilen GG
ve Kf’in parafin ve SA’nın erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları üzerine etkisi
diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) tekniği kullanılarak ölçüldü. Deneysel bulgulara
dayanarak, özellikle %10 oranında GG ve Kf ilaveli söz konusu kompozit FDM’lerin
erime gizli ısılarında önemli bir azalma olmaksızın ısıl iletkenliklerinin önemli derecede
arttırıldığı söylenebilir.
Anahtar kelimeler: Parafin, Stearik asit (SA), Genişletilmiş grafit, Karbon fiber,
Kompozit FDM, Isıl iletkenlik, Gizli ısı depolama.
ii
ABSTRACT
THERMAL CONDUCTIVITY ENHANCEMENT OF PHASE CHANGE ENERGY
STORAGE MATERIALS
ALİ KARAİPEKLİ
Gaziosmanpaşa University
Graduate School of Natural and Applied Science
Department of Chemistry Science
Master Thesis, 62 pages
Supervisor: Associate Prof. Dr. Ahmet SARI
Jury: Prof. Dr. Adem ÖNAL
Jury: Prof. Dr. Gazanfer ERGÜNEŞ
Jury: Associate Prof. Dr. Ahmet SARI
Thermal conductivity of phase change material (PCM) is one of the factors, which affect
energy efficiency of latent heat energy storage system. Therefore, the enhancement of
thermal conductivity of PCM which have suitable melting temperature and high latent heat
of fusion but low thermal conductivity is important for these type systems. In this regard,
in this study the influences of expanded graphite (EG) and carbon fiber (CF) as thermal
conductivity promoters on thermal conductivity improvement of paraffin and stearic acid
(SA) as latent heat energy storage (LHES) materials have been investigated. EG and CF in
different weight combination ratios (2, 4, 7 and 10%) were added to paraffin and stearic
acid. Thermal conductivities of the prepared paraffin/EG, paraffin/CF, SA/EG and SA/CF
composite mixtures were measured by hot-wire method. A linear relationship between EG
and CF loaded to the PCMs and the increased thermal conductivity was found. The thermal
conductivity of paraffin (0,22 W/(mK)) and stearic acid (0,29W/(mK)) were increased by
272,7, 266,6, 227,35 and 217,2% by loading 10wt% EG and 10wt% CF, respectively. The
improvement occurred in thermal conductivity of the paraffin and stearic acid with
addition of EG and CF was experimentally tested by comparing melting and solidifying
times of paraffin and stearic acid in the composite PCMs with that of pure paraffin and
stearic acid. Furthermore, the effects of added EG and CF on the melting temperature and
latent heat of fusion of the paraffin and stearic acid were investigated by using differential
scanning calorimeter (DSC) technique. Based on the experimental results, especially it can
be concluded that thermal conductivities of composite PCMs with loading 10 wt % EG and
10 wt % CF were significantly enhanced without significant lost of latent heat of fusion of
the PCMs.
Key words: Paraffin, Stearic acid (SA), Expanded graphite, Carbon fiber, Composite
PCM, Thermal conductivity, Latent heat storage.
iii
TEŞEKKÜR
Yüksek lisans eğitimim süresince bilgi ve deneyimlerini benden esirgemeyen, büyük ilgi
ve anlayışıyla her türlü problemin üstesinden gelmemde bana yardımcı olan, sabırla beni
dinleyip olumlu yönlendirmeleriyle yanımda olan danışman hocam Doç. Dr. Ahmet
SARI’ya en içten teşekkürlerimi sunarım.
Ders ve tez dönemlerinde bana katkılarını esirgemeyen bölümdeki bütün hocalarıma,
araştırma görevlilerine ve öğretim görevlilerine teşekkür ederim. Deneysel çalışmaların
yapılmasında ve çalışmanın her safhasında yardım ve desteklerini esirgemeyen yüksek
lisans öğrencisi Murat AKÇAY’a yardımlarından dolayı en içten teşekkürlerimi bir borç
bilirim. Bu tez çalışmasında DSC ölçümleri esnasında yardımlarını esirgemeyen
Gaziosmanpaşa Üniversitesi Fizik Bölümü Öğretim üyeleri Doç. Dr. Orhan UZUN’a, Yrd.
Doç. Dr. Uğur KÖLEMEN’e ve Arş. Gör. Fikret YILMAZ’a teşekkürlerimi sunarım.
Ayrıca, hayatımın her safhasında maddi-manevi, destek, anlayış, sevgi ve dualarını eksik
etmeyen aileme teşekkürlerimi sunarım.
Ali KARAİPEKLİ
Tokat, 2006
iv
İÇİNDEKİLER
ÖZET ..............................................................................................................................i
ABSTRACT....................................................................................................................ii
TEŞEKKÜR ...................................................................................................................iii
İÇİNDEKİLER ..............................................................................................................iv
ŞEKİLLER LİSTESİ ....................................................................................................vi
ÇİZELGELER LİSTESİ ..............................................................................................viii
SİMGELER VE KISALTMALAR LİSTESİ..............................................................ix
1. GİRİŞ ..........................................................................................................................1
2. LİTERATÜR ÖZETLERİ........................................................................................4
2.1. Enerji Depolama Tipleri ........................................................................................4
2.1.1. Duyulur Isı Depolama .........................................................................................5
2.1.2. Gizli Isı Depolama................................................................................................7
2.2. GIED Sistemlerinde Kullanılan FDM’ler.............................................................8
2.2.1. Tuz Hidratlar .......................................................................................................10
2.2.2. Parafinler..............................................................................................................12
2.2.3. Parafin Olmayan Organik Katılar.....................................................................15
2.2.3.1. Yağ Asitleri........................................................................................................15
2.2.4. Ötektik Karışımlar ..............................................................................................18
2.2.4.1. Tuz Hidrat Ötektik Karışımlar .......................................................................18
2.2.4.2. Yağ Asidi Ötektik Karışımları.........................................................................19
2. 3. GIED Sistemlerinde Isı Transfer Arttırılması İçin Kullanılan Yöntemler ......21
2.4. GIED Sistemlerinde FDM’nin Isıl iletkenliğinin Arttırılması............................24
3. MATERYAL ve METOT .........................................................................................26
3.1. Deneysel Çalışmalarda Kullanılan Maddeler ......................................................26
3.2. Deney Düzenekleri ..................................................................................................27
3.2.1. Isıl İletkenlik Ölçüm Hücresi..............................................................................30
3.2.2. Enerji Depolama Ünitesi .....................................................................................30
3.2.3. Güç Kaynağı.........................................................................................................31
3.2.4. Veri Toplayıcı.......................................................................................................32
v
3.2.5. Termoçift ..............................................................................................................32
3.2.6. Sıcaklık Banyoları ve Diğer Elemanlar .............................................................32
3.3. Isıl İletkenlik Ölçümü İçin Sıcak Tel (Hot-Wire) Metodu..................................33
3.3.1. Metodun Tanımı ..................................................................................................33
3.4. Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) Tekniği ............................................36
3.5. Deneyler ...................................................................................................................38
3.6. Kompozit FDM’lerin Erime-Katılaşma Sürelerinin Belirlenmesi.....................39
4. BULGULAR VE DEĞERLENDİRME ...................................................................40
4.1. Parafin ve Stearik Asidin (SA) Genişletilmiş Grafit (GG) ve
Karbon Fiber (Kf) İle Uygunluğu .........................................................................40
4.2. Isıl İletkenlik Ölçüm Sonuçlarının Değerlendirilmesi.........................................41
4.3. Kompozit FDM’lerin Erime ve Katılaşma Süreleri ............................................47
4.3.1. Saf Parafin, Parafin/GG ve Parafin/Kf Kompozit Karışımlarının
Erime ve Katılaşma Süreleri...............................................................................47
4.3.2. Saf SA, SA/GG ve SA/Kf Kompozit Karışımlarının
Erime Sürelerinin Belirlenmesi ..........................................................................49
4.4. Parafin/GG Karışımlarının DSC Isıl Analizleri ..................................................51
4.5. SA/GG Karışımlarının DSC Isıl Analizleri ..........................................................53
5. SONUÇ VE ÖNERİLER...........................................................................................55
KAYNAKLAR ...............................................................................................................57
ÖZGEÇMİŞ ...................................................................................................................62
vi
ŞEKİLLER LİSTESİ
Şekil
Sayfa
2.1. Bazı maddelerin birim ünite başına enerji depolama kapasiteleri .............................8
2.2. GID için kullanılan FDM’lerin sınıflandırılması.......................................................10
2.3. Isıl iletkenlik arttırmada kullanılan çeşitli ısıl iletkenlik arttırıcılar ..........................23
3.1. Çalışmalarda kullanılan maddelerin fotoğraf görüntüleri..........................................26
3.2. Isıl iletkenlik ölçümlerinin yapıldığı deney düzeneğinin şematik görünümü............28
3.3. Isıl iletkenlik ölçüm düzeneğinin fotoğraf görüntüsü................................................28
3.4. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde
kullanılan düzeneğin şematik görünümü ...................................................................29
3.5. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde
kullanılan düzeneğin fotoğraf görüntüsü ...................................................................29
3.6. Isıl iletkenlik ölçümlerinin yapıldığı hücrenin fotoğraf görüntüsü............................30
3.7. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde kullanılan
enerji depolama sisteminin fotoğraf görüntüsü .........................................................31
3.8. Tipik sıcaklık artış eğrisi (a) ideal eğri (b) ideal olmayan eğri..................................35
3.9. Deneysel cihazın şematik gösterimi ..........................................................................36
4.1. Kompozit karışımların fotoğraf görüntüsü (a) saf parafin, (b) parafin/%4GG
kompozit karışımı (c) parafin/%4 Kf kompozit karışımı...........................................40
4.2. Saf SA’nın ısıl iletkenlik ölçümü için kalibrasyon grafikleri ....................................41
4.3. Parafin içerisine farklı kütle bileşim oranlarında (%) GG ilavesiyle
ısıl iletkenlikteki değişimler ......................................................................................43
4.4. Parafin içerisine farklı kütle bileşim oranlarında (%) Kf ilavesiyle
ısıl iletkenlikteki değişimler.......................................................................................43
4.5. SA içerisine farklı kütle bileşim oranlarında (%) GG ilavesiyle
ısıl iletkenlikteki değişimler.......................................................................................44
4.6. SA içerisine farklı kütle bileşim oranlarında (%) Kf ilavesiyle
ısıl iletkenlikteki değişimler.......................................................................................44
4.7. İlave edilen GG ve Kf’in hacimce yüzdesine göre parafinin
ısıl iletkenliğindeki artış.............................................................................................46
vii
4.8. İlave edilen GG ve Kf’in hacimce yüzdesine göre SA’nın
ısıl iletkenliğindeki artış.............................................................................................46
4.9. Saf parafin, parafin/%4 GG ve parafin/%10 GG karışımı için erime eğrileri ..........48
4.10. Saf parafin, parafin/%4 GG ve parafin/%10 GG karışımı için katılaşma eğrileri ....48
4.11. Saf parafin, parafin/%4 Kf ve parafin/%10 Kf karışımı için katılaşma eğrileri .......49
4.13. Saf SA, SA/%4 GG ve SA/%10 GG karışımları için erime eğrileri.........................50
4.14. Saf SA, SA/%4 Kf ve SA/%10 Kf karışımları için erime eğrileri............................51
4.15. Saf parafin ve parafin/%10 GG kompozit karışımı için DSC eğrileri.......................52
4.16. Saf SA ve SA/%10 GG kompozit FDM’nin DSC eğrisi ...........................................54
viii
ÇİZELGELER LİSTESİ
Çizelge
Sayfa
2.1. Bazı duyulur ısı depolama maddelerinin 300 K sıcaklığındaki ısıl-fiziksel
özelikleri ...................................................................................................................6
2.2. Bazı tuz hidratların erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları......................................11
2.3. Parafinlerin erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları..................................................14
2.4. Yağ asitlerinin erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları.............................................17
2.5. Bazı inorganik ötektik karışımlar .............................................................................19
2.6. Yağ asidi ötektik karışımlarının ısıl-fiziksel özellikleri ...........................................20
3.1. Deneysel çalışmalarda kullanılan faz değişim maddeleri.........................................27
3.2. Isıl iletkenliği arttırmak için kullanılan maddelerin bazı ısıl-fiziksel özellikleri......27
3.3. DSC analiz cihazının teknik özellikleri ve ısıl analiz şartları...................................37
4.1. Saf parafin, saf SA, parafin/GG, parafin/Kf, SA/GG ve SA/Kf kompozit
karışımları için ölçülen ısıl iletkenlikleri ..................................................................42
4.2. Saf parafin ve parafin/GG karışımlarının ölçülen erime sıcaklıkları ve
erime gizli ısıları .......................................................................................................53
4.3. Saf SA ve SA/GG karışımlarının ölçülen erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları ...54
ix
SİMGELER VE KISALTMALAR LİSTESİ
Simgeler
Te
FDM’nin erime sıcaklığı (oC)
X
Mol kesri (birimsiz)
HE
Erime gizli ısısı (kJ.kg-1)
ΔT
Sıcaklık farkı (oC)
m
Kütle (g)
wt %
Ağırlıkça yüzde miktar
qd
Depolanan ısı
To
Başlangıç sıcaklığı (oC)
Ts
Son sıcaklık (oC)
q
Isı akışı
ρ
Yoğunluk(kg/m3)
γ
0,5772 değerine sahip Euler sabiti
c
eγ =1,781 Euler sabiti üssü
µ
Deneysel parametre
α
Isıl yayılım (m2/s)
Ck
Katı haldeki özgül ısı (J/kgK)
Cs
Sıvı haldeki özgül ısı (J/kgK)
Cp
Sabit basınçtaki özgül ısı (kJ/kgoC)
T
Sıcaklık (oC)
Qı
Ünite uzunluğu için elektrik gücü (W/m)
V
Gerilim (V)
I
Akım (A)
L
Sıcak tel uzunluğu (m)
r
Doğrusal kaynaktan uzaklık (m)
t
Zaman (s)
XKf
Karbon fiberin hacimce yüzdesi (%)
XGG
Genişletilmiş grafitin hacimce yüzdesi (%)
x
K
Isıl iletkenlik (W/mK)
KFDM
Faz değişim maddesinin ısıl iletkenliği (W/mK)
Kc
Kompozit FDM’nin ısıl iletkenliği (W/mK)
Kısaltmalar
FDM
Faz değişim maddesi
IED
Isıl enerji depolama
GID
Gizli ısı depolama
GIED
Gizli ısı enerji depolama
GG
Genişletilmiş grafit
Kf
Karbon fiber
e.n
Erime noktası (oC)
DSC
Diferansiyel taramalı kalorimetri
FT-IR
Fourier Transform Infrared
KA
Kaprik asit
LA
Laurik asit
SA
Stearik asit
PVC
Poli (vinil klorür)
YGG
Yüzeyi genişletilmiş grafit
1
1. GİRİŞ
21. Yüzyıla girerken, artan nüfus ve sanayileşmeden kaynaklanan enerji
gereksinimi ülkemizin kısıtlı kaynaklarıyla karşılanamamakta, enerji üretimi ve tüketimi
arasındaki açık hızla büyümektedir. Bu durumda, mevcut enerji kaynaklarımızdan daha
etkili bir biçimde yararlanmak giderek artan bir önem kazanmaktadır. Enerji talebindeki
hızlı artışın karşılanmasında, yenilenebilir enerji kaynaklarından en etkin biçimde
yararlanılması amacıyla enerjinin verimli bir şekilde depolanması ve ihtiyacı karşılayacak
en uygun dönüşümlerin geliştirilmesi yararlı olacaktır.
Enerji ihtiyacının büyük bir kısmının karşılanmasında kullanılan geleneksel enerji
üretim yöntemleri bugün çevre kirliliğinin önemli nedenlerinden biridir ve bu yöntemlerde
kullanılan fosil yakıtların tüketiminin, çevre konusundaki uluslararası taahhütler nedeni ile
azaltılması gündemde olan bir konudur. Ayrıca, fosil yakıtların bir süre sonra tükeneceği
gerçeği de bilinmektedir. Bütün gelişmiş ülkeler çevre dostu, yenilenebilir enerji
kaynaklarından yararlanmaya olağanüstü bir önem vermektedir.
Yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları olarak isimlendirilen bu alternatif
kaynaklardan yararlanılması, bugüne kadar arzulanan düzeye ulaşamamıştır. Bununla
birlikte, jeotermal, pasif güneş, rüzgâr ve modern biokütle enerjisi teknolojileri, bugün
dünya enerji pazarlarında yer almaya başlamıştır. Yeraltında ısıl enerjinin depolanması,
özellikle gelişmiş ülkelerde hızlı bir yaygınlaşma sürecine girerken, güneş enerjisini
depolama teknolojisinde yoğun araştırmaların sürdürüldüğü gözlenmektedir (Tübitak,
2003).
Bu yönüyle gelecek yüzyıl, diğer tükenmez ve temiz enerji kaynakları kullanımında
atılım yapılacak bir yüzyıl olma görünümündedir. Bu enerji kaynakları güvenli olup yaygın
olarak kullanılabilirler ve ileri teknoloji gerektirmemektedirler. Ayrıca, kullanımları
sırasında hiçbir çevre kirliliğine neden olmazlar ve tükenmeyen enerji kaynakları oluşları,
dışa bağımlı olmayışları ve işletme masraflarının düşük olması gibi avantajlarının yanında,
2
yatırım maliyetlerinin yüksek olması ve geniş alanlara ihtiyaç göstermesi gibi
dezavantajları da vardır.
Enerjinin depolanması, bir yandan enerjinin kullanıldığı alanlarda oluşan atık
enerjiyi depolama (örneğin sanayi ve endüstrideki atık ısının depolanması gibi), diğer
yandan yalnız belirli zamanlarda enerji verebilen (örneğin güneş enerjisi gibi) yenilenebilir
enerji kaynaklarının enerjisini depolayarak, enerji temin zamanı ile talebi arasında
doğabilecek farkı gidermeyi amaçlamaktadır. Enerji depolama, enerji sistemlerinin
performansını düzenler ve verimini artırır. Özellikle, enerjinin depolanması ile yardımcı
enerji kaynağına duyulan ihtiyaç azaltılır. Böylece, değerli olan fosil yakıt rezervleri
(kömür, petrol ve doğal gaz gibi) muhafaza edilmiş olur.
Yukarıda yapılan açıklamalardan, enerji depolamanın önemi kendiliğinden ortaya
çıkmaktadır. Enerji depolama, özellikle teknoloji uzmanlarının ve bilim adamlarının
günümüzde en yoğun uğraştıkları konuların başında gelmektedir. Bu konu üzerine yapılan
çalışmaların temel amacı,
enerjinin en verimli şekilde depolanması ve ihtiyacı
karşılayabilecek en uygun dönüşümün geliştirilmesidir.
Enerjinin en verimli şekilde depolanması ve etkin bir biçimde kullanılmasında
verimli, ekonomik ve güvenli bir enerji depolama metodu önemli bir rol oynamaktadır.
Enerji mekanik, elektrik, kimyasal ve ısıl enerji depolama gibi farklı şekillerde
depolanabilir. Bu enerji depolama yöntemleri arasında en verimli ve ekonomik olanı ısıl
enerji depolama yöntemidir. Isıl enerji depolamada enerji; duyulur ve gizli olmak üzere iki
şekilde depolanabilir. Gizli ısı depolama; yüksek ısı depolama yoğunluğu ve küçük
sıcaklık aralığında ısı yükleme ve boşaltma özelliklerinden dolayı ısıl enerji depolama
yöntemleri arasında en cazip olan metottur. Gizli ısı depolama sistemlerinde enerji, bir faz
değişim maddesi (FDM)’nin erimesi esnasında depolanır ve soğuması esnasında da geri
kazanılır.
Faz değişimi yoluyla enerji depolama konusunda yapılan çalışmaların büyük bir
kısmı, yeni tip FDM’lerin geliştirilmesi ve bunların farklı iklim şartlarına göre ısıl enerji
depolama (IED) için ısıl karakteristiklerinin iyileştirilmesi üzerine odaklanmıştır. Düşük
3
sıcaklıkta ısıl enerji depolayan maddeler içerisinde yağ asitleri ve parafinler diğer
FDM’lere kıyasla birçok üstün özelliklere sahiptirler. Bu özellikler; ısıtma ve soğutma
amaçlı ısı depolama için uygun faz değişim sıcaklığı, yüksek gizli ısı depolama
kapasitesine sahip olma, aşırı soğuma davranışı, faz ayrımı göstermeme ve depolandığı
kapta (eğer metal ise) korozyon oluşturmama, kolay temin edilebilme, iyi bir ısıl ve
kimyasal kararlılığa sahip olma şeklinde sıralanabilir.
Parafin (e.n: 42-44°C) ve stearik asit (SA, e.n: 69,1°C) gizli ısı depolama maddeleri
olarak yukarıda belirtilen tüm özelliklere sahiptirler. Ancak, bu maddelerin düşük ısıl
iletkenliğe sahip olmaları erime-katılaşma işlemleri süresince ısı depolama/boşaltma
hızlarının düşük olmasına neden olur ve bu durum IED sisteminin performansını azaltır.
Düşük ısıl iletkenliğe sahip olmaları bu maddelerin IED sistemlerinde etkin kullanımlarını
kısıtlamaktadır. Bu nedenle düşük ısıl iletkenlik problemi iklim şartlarına göre binaların
aktif veya pasif yolla
ısıtılması, elektronik
cihazların
soğutulması
gibi
IED
uygulamalarında enerjiyi faz değişimi yoluyla depolayan bu maddelerin kullanımına engel
teşkil etmektedir. Bu yüzden, bu maddelerden daha etkin bir şekilde yararlanabilmenin
yolu, ısıl iletkenliklerinin iyileştirilmesidir.
Bu çalışmada, güneş enerjisiyle pasif yolla bina ve seraların ısıtılması ve konutlarda
su ısıtma gibi bazı ısıl uygulamalarda gerekli enerjinin depolanması için yüksek ısıl
iletkenliğe sahip parafin/genişletilmiş grafit (GG), parafin/karbon fiber (Kf), SA/GG ve
SA/Kf
kompozit
karışımlarının
hazırlanması
ve
ısıl
özelliklerinin
belirlenmesi
amaçlanmıştır. Böylece, ısıl iletkenliği zenginleştirilmiş olarak hazırlanan bu kompozit
karışımlar IED konusundaki literatüre kazandırılmış olacaktır.
4
2. LİTERATÜR ÖZETLERİ
2.1. Enerji Depolama Tipleri
Enerjinin insan hayatındaki vazgeçilmezliği insanları yeni arayışlara zorlamıştır.
Yapılan çalışmaların başlıca amacı; enerjinin en verimli şekilde depolanması ve ihtiyacı
karşılayacak en uygun dönüşümün geliştirilmesidir. Enerji depolama tanımı ve enerjinin
çeşitli şekillerde depolanması önemli uygulamalardan biridir ve bu konuda kapsamlı
araştırmalar yapılmaktadır. Genel olarak enerji aşağıda belirtilen şekillerde depolanabilir
(Kılkış ve Kakaç, 1989; Dinçer, 2002; Yang, 1989).
•
Kimyasal
o Termokimyasal
o Fotokimyasal
o Sentetik yakıtlar
o Elektrokimyasal (Bataryalar ve yakıt hücreleri)
•
Elektriksel
o Kapasitör
o Süperiletken manyetik enerji depolama
•
Mekaniksel
o Sıkıştırılmış hava ile enerji depolama
o Flywheel (mekanik bataryalarda) enerji depolama
o Hidrolik akümülatör
•
Potansiyel
o Hidro elektrik
•
Isıl enerji depolama
o Duyulur ısı depolama
o Gizli ısı depolama
Enerji depolama yöntemleri arasında en verimli ve ekonomik olanı IED yöntemidir.
Bu yöntem duyulur ve gizli ısı depolama olmak üzere ikiye ayrılır.
a) Duyulur ısı depolama (sıvılar, katılar)
b) Gizli ısı depolama (katı-katı, katı-sıvı, katı-gaz, sıvı-sıvı, sıvı-gaz)
5
Faz değişimli bir enerji depolama sisteminde kimyasal bir değişme meydana
gelmiyorsa termodinamiğin birinci kanununa göre sabit basınçta ısıl enerji depolama
Te
Ts
To
Te
q d = ∫ C k dT + H E + ∫ C s dT
(1)
şeklinde yazılabilir. Burada Ck ve Cs (kJ/kgoC) sırasıyla katı ve sıvının sabit basınçtaki
özgül ısıları; HE(kJ/kg) erime gizli ısısı, Te(K) erime sıcaklığı, To ve Ts sırasıyla FDM’nin
ilk ve son sıcaklığını göstermektedir.
Bu eşitliğe göre enerji;
1-Maddenin ısı kapasitesiyle (sıcaklığı arttırılarak)
2-Maddenin erime gizli ısısıyla (sabit sıcaklıkta)
depolanmaktadır. Enerjinin maddenin ısı kapasitesinden yararlanılarak depolanmasına
duyulur ısı depolama, sabit bir faz geçiş sıcaklığında “faz değişimi yoluyla depolanmasına”
gizli ısı depolama denir (Kılıç ve Öztürk,1983; Sharma ve Sagara, 2005). Enerjiyi bu
şekilde depolayan maddeler “faz değişim maddesi” olarak adlandırılırlar.
2.1.1. Duyulur Isı Depolama
Duyulur ısı depolama; enerjinin katı ya da sıvı haldeki bir maddenin ısı depolama
kapasitesinden yararlanılarak depolanmasıdır. Isı depolama maddesinin sıcaklığı
arttırılarak enerji duyulur şekilde depolanır. Duyulur ısı depolamada ısı yükleme ve
boşaltma işlemi süresince depolama ortamının sıcaklığı değişir.
Depolanan ısıl enerji miktarı ortamın özgül ısısına Cp, sıcaklık değişimine ΔT ve
depolama maddesinin miktarına (m) bağlıdır.
6
Ts
Q = ∫ mC p dT = mC p (Ts − Ti ) = vρC p ΔT
(2)
Ti
Eşitlikde v (m3) maddenin hacmi, ρ (kg/m3) maddenin yoğunluğu ve Cp (kJ/kgK) sabit
basınçtaki özgül ısıdır. Eşitlik belli bir hacimde ve ΔT sıcaklık farkında depolanacak ısının
miktarı maddenin hacimsel özgül ısısı (ρ.cp) ile orantılıdır (Dinçer ve Dost, 1996).
Duyulur ısı depolamada kullanılan maddenin ısı kapasitesinin büyük olması
yanında yanma ve alevlenme özelliğinin olmaması, maddenin uzun süre (yaklaşık olarak
10–15 yıl) özelliklerini koruması, zehirli ve korozif olmaması istenir. Aynı zamanda
depolama maddesinin kolay elde edilebilir ve ucuz olması gerekir. Elde edilebilme
kolaylığı ve ucuzluğu sebebiyle daha çok su veya çakıl taşı tercih edilmektedir. Çizelge
2.1’de bazı duyulur ısı depolama maddelerinin ısıl-fiziksel özellikleri verilmiştir (Dinçer,
2002; Kılkış ve Kakaç, 1989; Yang, 1989).
Çizelge 2.1. Bazı duyulur ısı depolama maddelerinin 300 K sıcaklığındaki ısıl-fiziksel
özellikleri (Dinçer, 2002; Çengel, 2003)
Malzeme
Yoğunluk Isı iletim kat.
Özgül ısı
Isı yayılım kat. Isı kapasitesi
(kg/m3)
(W/mK)
(J/kg K)
(10-6m2/s)
(106 J/m3K)
Odun
721
0,159
1260
0,17
0,91
Beton
1600
0,790
840
0,59
1,34
Tuğla
1920
0,900
790
0,59
1,52
Cam
2710
0,760
837
0,33
2,27
Alüminyum
2702
2237,000
903
97,13
2,44
(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
Karbon çeliği
7
2.1.2. Gizli Isı Depolama
Gizli ısı depolama; sabit bir sıcaklıkta maddenin faz değişimi süresince iç
enerjindeki artışla birlikte ile birlikte ısı enerjisi depolamasına denir. Maddenin katı-katı,
katı-sıvı, katı-gaz, sıvı-sıvı ve sıvı-gaz şeklindeki faz değişimi süresince enerji, gizli ısı
olarak absorplanır ya da salıverilir. Katı-gaz ve sıvı-gaz geçişleri daha yüksek gizli ısı
değerine sahiptir fakat faz geçişi esnasında büyük hacim değişiminin meydana gelmesi
yüksek basınca dayanıklı kapların kullanılmasını gerektirdiği için bu tip faz geçişleri
yoluyla IED sınırlı konuma sahiptir. Faz değişimi sırasında hacimdeki büyük değişim
sistemin dizaynını oldukça karmaşık yapar. Sıvı-sıvı dönüşümlerinde depolanabilecek
enerji çok azdır. Katı-katı geçişlerinde; madde bir kristal yapıdan başka bir kristal yapıya
dönüşürken ısı depolar. Bu geçiş genellikle katı-sıvı geçişinden daha küçük gizli ısı
değerine ve hacim değişimine sahiptir (Wang ve ark., 2000; Pillai ve Brinkwarth, 1976).
Katı-katı dönüşümleri sıvı-gaz dönüşümleri ile mukayese edildiğinde daha küçük
gizli ısı değerine sahiptirler. Katı-sıvı geçişleri ekonomik bakımından ısı depolama
sistemleri için en uygun faz değişim tipidir. Ayrıca, bu faz değişimi esnasında hacim
değişimi (% 10 veya daha az) oldukça küçüktür. FDM’li bir gizli ısı enerji depolama
(GIED) sisteminin enerji depolama kapasitesi
Te
Ts
To
Te
Q = ∫ mC p dT + mH E + ∫ mC p dT
[
]
(3)
= m H E + C k (Te − Ti ) + C s (Ts − Te )
Bu ifadede Ck ve Cs (kJ/kgK) sırasıyla katı ve sıvı fazın sabit basınçtaki özgül ısıları; To
(K) başlangıç sıcaklığı, Te (K) erime sıcaklığı ve Ts (K) son sıcaklık ve HE(kJ/kg) erime
gizli ısısıdır. Bu eşitlikteki birinci ve üçüncü terim FDM’nin duyulur ısısını, ikinci terim
ise, erime gizli ısısını ifade eder.
8
Gizli ısı depolama sistemleri; duyulur ısı depolama sistemleri ile karşılaştırıldığında
önemli iki avantaja sahiptirler. (i) Birim kütle ve birim hacim başına daha yüksek enerji
depolama yoğunluğuna sahip olmalarıdır (Şekil 2.1.). (ii) Enerji depolama ve boşaltma
işlemi için sabit sıcaklıkta gerçekleşmesidir (Sharma ve Sagara, 2005).
ΔT = 15 K
Su
Taş
Odun
Plastik
FDM
Şekil 2.1. Bazı maddelerin birim ünite başına enerji depolama kapasiteleri
2.2. GIED Sistemlerinde Kullanılan FDM’ler
Uygun bir sıcaklık aralığında faz değişimine uğrayan maddeler ısı enerjisini
depolamak için kullanılabilirler. Ortam sıcaklığı arttığı zaman FDM faz değişimine (katısıvı) uğrar. Faz değişim işlemi endotermiktir ve FDM, bu süreçte ısı absorplar. Faz değişim
sıcaklığına ulaşıldığı zaman erimeye başlar ve bu işlem tamamlanıncaya kadar sıcaklık
sabit kalır. Madde faz değişim işlemi (erime) esnasında enerjiyi gizli ısı olarak depolar.
Katı-sıvı faz değişimi yoluyla 0-100 oC sıcaklık aralığında GID uygulamaları için
uygun birçok organik ve inorganik türde uygun FDM’ler mevcuttur. Bu FDM’ler Şekil
2.2’deki gibi sınıflandırılabilirler. IED sistemlerinin dizaynında kullanılacak ısı depolama
maddelerinin istenilen bazı termodinamik, kinetik ve kimyasal özelliklere sahip olmaları
gerekmektedir (Hale ve ark., 1971; Garg ve ark., 1985; Budhi ve Sawhney, 1994). Ayrıca,
9
bu maddeler ekonomik olarak cazip ve kolay temin edilebilir olmalıdırlar. FDM’lerde
istenilen özellikler şöyle sıralanabilir:
(A) - Isıl-fiziksel özellikler
•
İstenilen sıcaklık aralığında erime sıcaklığına sahip olmalı
•
Birim hacim ya da kütle başına yüksek erime gizli ısısına sahip olmalı
•
Duyulur ısı depolamaya ek olarak yüksek özgül ısıya sahip olmalı
•
Yüksek ısıl iletkenliğe sahip olmalı
•
Depolama kabı problemini azaltmak için çalışma sıcaklığında düşük buhar
basıncına sahip olmalı ve faz değişiminde küçük hacim değişimi göstermeli
•
Düzenli erime ve katılaşma davranışı göstermeli
(B) - Kinetik Özellikler
•
Sıvı fazın aşırı soğumasını önlemek için çekirdekleşme hızı yüksek olmalı
•
Isının hızlı geri kazanımı için kristal büyüme hızı yüksek olmalı
(C) - Kimyasal Özellikler
•
Kimyasal kararlılık göstermeli
•
Tamamen tersinir erime/katılaşma dönüşümüne sahip olmalı
•
Çok sayıda erime/katılaşma dönüşümünden sonra kimyasal kararlılık
göstermeli
•
Yapı malzemelerine karşı korozif olmamalı
•
Toksik, yanıcı ve patlayıcı olmamalı
(D) - Ekonomik Özellikler
•
Kolay temin edilebilir olmalı
•
Düşük maliyete sahip olmalı
10
Şekil 2.2. GID için kullanılanFDM’lerin sınıflandırılması (Zalba ve ark., 2003)
2.2.1. Tuz Hidratlar
Tuz hidratlar M.nH2O formülü ile karakterize edilirler ve M burada bir inorganik
bileşiktir. Tuz hidratlar ısı depolama yoğunluklarından dolayı ısı depolama maddelerinin
önemli bir sınıfını oluştururlar. Çizelge 2.2’de bazı tuz hidratların ısıl-fiziksel özellikleri
verilmiştir.
Bu maddelerin FDM olarak kullanılmaları sırasında karşılaşılan en büyük problem
düzensiz erime davranışı göstermeleridir. Erime esnasında yoğunluk farkından dolayı katı
faz depolama kabının alt kısmında birikir. Bu nedenle özel önlemler alınmazsa katılaşma
işlemi süresince katı faz gerçek tuz hidratı oluşturmak için doygun çözelti ile birleşemez.
Tuz hidratların kullanımı sırasında karşılaşılan diğer bir problem, sıvı tuz hidratın aşırı
soğumasına neden olan düşük çekirdekleşebilme özelliğidir. Uygun önlemler alınarak aşırı
soğuma önlenebilir ya da azaltılabilir.
11
Çizelge 2.2. Bazı tuz hidratların erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları (Lane, 1983; Abhat,
1983; Garg ve ark., 1985; Buddhi ve Sawhney, 1994; Hale ve ark., 1971; Sharma, 1999)
FDM
Erime
Yoğunluk
Isıl
Gizli ısı
Erime
sıcaklığı
(kg/m3)
iletkenlik
(kJ/kg)
davranışı
(oC)
KF.4H2O
K2HO4.4H2O
(W/mK)
18
-
-
330
Düzenli
18,5
144720C
-
231
-
170-192
Düzensiz
145518C
14806C
CaCl2.6H2O
29-30
156232C
24C
1802
0,56161,2C
23C
1,008
LiNO3.3H2O
30
-
-
189-296
Düzenli
Na2SO4.10H2O
32
148524C
0,544
251-254
Düzensiz
Na2CO3.10H2O
33-36
1442
-
247
Düzensiz
Na2HPO4.12H2O
35
1522
-
256-281
Düzensiz
Zn(NO3)2.6H2O
36
182836C
0,46439,9C
134-147
Düzenli
193724C
0,46961,2C
206514C
K3PO4.7H2O
45
-
-
145
-
Na2S2O3.5H2O
48
1600
-
209
-
CH3COONa.3H2O
58
-
-
270-290
Düzensiz
Ba(OH)2.8H2O
78
193787C
0,65385,7C
265-280
Düzenli
207024C
0,67898,2C
2180
1,25523C
-
-
Sr(OH)2.8H2O
Mg(NO3)2.6H2O
89
89-90
1550
94C
163625C
370
95C
0,490
162-167
Düzensiz
Düzenli
0,502110C
0,61137C
0,69955,6C
(NH4)Al(SO4).6H2O
95
-
-
269
-
12
2.2.2. Parafinler
Parafinler,
oda
sıcaklığında
wax
kıvamına
sahip
büyük
oranda
ağır
hidrokarbonlardan oluşan maddelerdir. Kimyasal olarak parafin wax’lar başlıca zincir
sonlarında 2-metil grupları gibi düşük miktarda kuvvetli zincire sahip hidrokarbonlardan
oluşurlar. CnH2n+2 kimyasal formülü ile karakterize edilen parafinler birbirlerine çok benzer
özelliklere sahiptirler. Serideki ilk dört alkan (metan’dan (CH4)-pentan’a (C5H10)) oda
sıcaklığında, atmosfer basıncında gazdır. Karbon sayıları C5 ve C15 arasında bulunan
parafinler sıvı halde, geriye kalanlar wax’lı katılar halinde bulunurlar. Parafin wax’ın
yapısında bulunan n-alkan genellikle %75’in üzerindedir ve bazen %100’e ulaşabilir.
Parafinler yapılarında bulunan alkanın zincir uzunluğuna bağlı olarak düz zincirli (n-alkan)
ya da dallanmış (izo-alkan) olabilir.
Saf parafinler sadece alkanlardan oluşur ve en iyi bilinen parafin oktadekan
(C18H38) dır. Alkanların erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları karbon sayısının artmasıyla
artar. C14-C40 aralığındaki alkanların erime noktaları 6-80 oC sıcaklık aralığındadır ve bu
alkanlar genellikle parafinler olarak adlandırılırlar (Abhat, 1983).
Parafinler, yüksek erime gizli ısısına sahip olmaları ve geniş bir sıcaklık aralığı
içinde bulunmalarından dolayı gizli ısı depolama maddeleri olarak nitelendirilirler. Bazı
parafinlerin özellikleri Çizelge 2.3’de verilmiştir. Parafinler kolaylıkla temin edilebilirler
ve genellikle tuz hidratlardan daha pahalıdırlar (Lane, 1983; Hale ve ark., 1971).
FDM olarak parafinlerin sahip oldukları üstün özellikler şöyle sıralanabilir.
•
Erime esnasında faz ayrışması göstermezler.
•
Kimyasal olarak kararlıdırlar.
•
Erime noktaları geniş bir sıcaklık aralığı içindedir.
•
Erime gizli ısıları yüksektir.
•
Korozif ve toksik özellik göstermezler.
•
Düşük buhar basıncına sahiptirler.
13
•
Aşırı soğuma davranışı göstermezler ve bu nedenle çekirdekleştirici
gerektirmezler.
•
Düşük maliyete sahiptirler.
•
Kolay temin edilebilirler.
•
Düşük yoğunluğa sahiptirler.
•
Erime esnasında küçük hacim değişimi gösterirler.
Parafinler istenilen özelliklerinin yanında bazı istenmeyen özelliklere de sahiptirler.
Bu dezavantaları;
•
Düşük ısıl iletkenliğe sahiptirler.
•
Sabit bir erime sıcaklığına sahip değillerdir.
•
Yanıcı özelliğe sahiptirler.
Sharma ve ark., (1998; 2002) ticari saflıktaki parafin waxların 1500 ısıl
dönüşümden sonra kararlı özelliklere sahip olduklarını rapor etmişlerdir. Parafin wax’lar
yüksek erime ısısına sahiptirler (Çizelge 2.3). Aşırı soğuma eğilimi göstermedikleri için
çekirdekleştirici madde ilavesi gerektirmezler (Lane, 1983; Buddhi ve Sawhney, 1994;
Hasnain, 1998; Sharma, 1999). Metal kaplar üzerinde korozyona neden olmazlar ve bu
sebeple de GIED sistemlerinde tuz hidratlara göre tercih edilirler (Lane, 1983).
14
Çizelge 2.3. Parafinlerin erime noktaları ve erime gizli ısıları (Lane, 1983; Abhat,
1983; Garg ve ark., 1985; Buddhi ve Sawhney, 1994; Hale ve ark., 1971; Sharma, 1999)
Bileşik
“C” atomu
Erime
Yoğunluk
Isıl iletkenlik
Gizli ısı
sayısı
Noktası(oC)
(kg/m3)
(W/mK)
(kJ/kg)
n-Dodekan
12
-12
750
0,21K
-
n-Tridekan
13
-6
756
-
n-Tetradekan
14
4,5-5,6
771
231
n-Pentadekan
15
10
768
0,17
K
n-Hekzadekan
16
18,2
774
n-Heptadekan
17
22
778
n-Oktadekan
18
28,2
814K , 775S
0,35K, 0,149S
245
N-Nonadekan
19
31,9
912K, 769S
0,21K
222
n-Eikosan
20
37
247
n-Heneikosan
21
41
215
n-Dokosan
22
44
249
n-Trikosan
23
47
234
n-Tetrakosan
24
51
255
n-Pentakosan
25
54
238
Parafin wax
-
32
785K, 749S
0,514K, 0,224S
251
n-Hekzakosan
26
56
770
0,21
257
n-Heptakosan
27
59
773
236
n-Oktakosan
28
61
910K, 765S
255
n-Nonakosan
29
64
240
n-Triakontan
30
65
252
n-Hentriakontan
31
n-Dotrikontan
32
70
-
n-Tritrikontan
33
71
189
K: katı; S: sıvı
930K, 830S
0,21
207
238
215
-
15
Parafinler Çizelge 2.3’den görülebileceği gibi katı halde düşük ısıl iletkenliğe
sahiptirler. Düşük ısıl iletkenlik katılaşma dönüşümü süresince yüksek ısı transfer hızı
gerektiği zaman bir problem teşkil eder. Velraj ve ark., (1998) bu problemin kanatçıklı
kaplar, metalik dolgular kullanılarak yada gizli/duyulur ısı depolama sistemlerinin bir
kombinasyonu oluşturularak azalabileceğini rapor etmişlerdir. Tuz hidratların aksine ticari
parafinler genellikle sabit bir erime noktasına sahip değillerdir. Parafinler yanıcıdır fakat,
bu sorun özel depolama kaplarının kullanılması ile kolaylıkla giderilebilir (Himran ve ark.,
1994; Hale ve ark., 1971, Hasnain, 1998).
2.2.3. Parafin Olmayan Organik Katılar
Parafin olmayan organik katılar, GID için en geniş FDM kategorisini oluştururlar.
Lane (1983; 1989), Abhat (1983) ve Buddhi ve ark., (1994) organik maddeler üzerine
yoğun araştırmalar yaparak, enerji depolama için FDM’ler olarak uygun çok sayıda ester,
yağ asidi, alkol ve glikol belirlemişlerdir. Parafin olmayan organik katılar farklı özelliklere
sahip çok sayıda FDM’den oluşur. Bu maddelerin her biri çok benzer özelliklere sahiptir.
Bu maddeler yanıcıdırlar ve aşırı derecede yüksek sıcaklığa, ateşe ya da oksitleyici
maddelere maruz bırakılmamalıdırlar.
2.2.3.1. Yağ Asitleri
Yağ asitleri, kimyasal formülleri CH3(CH2)2nCOOH şeklinde gösterilen ve
parafinler gibi çok benzer karakteristiklere sahip olan organik FDM’lerdir. Yağ asitleri,
trigliserit adı verilen yağlardan elde edildiklerinden dolayı bu adı taşırlar. Bütün yağ
asitleri bir ucunda bir metil grubu, diğer uçta ise karboksil grubu ihtiva eden uzun
hidrokarbon zinciri şeklinde bulunurlar. Düşük karbon sayısına sahip olanlar oda
sıcaklığında sıvı halde bulunurken karbon sayıları arttıkça viskoziteleri de artar ve daha
yüksek karbon sayılı olanlar katı halde bulunurlar. Düşük karbon sayısına sahip olan yağ
asitleri suda çözünürler ve zayıf asit özelliği gösterirler. Bu maddeler sıvı fazda bir
adsorban maddenin (polimer, kil vb.) yapısında tutulabilecek kadar yüksek yüzey
16
gerilimine (2-3x10-4 N/m) sahiptirler. Yağ asitlerinin ham maddeleri yenilebilir bitkisel ve
hayvansal kaynaklardan elde edilmektedir (Rozanna ve ark., 2004).
Yağ asitleri, özellikle tuz hidratlarda görülen problemlerin hiç birini taşımazlar.
Ayrıca, enerji depolama için gerekli tüm termodinamik, kinetik, kimyasal ve ısıl kriterlere
sahiptirler. Diğer FDM’lerle ile mukayese edildiklerinde sahip oldukları bazı avantaj ve
dezavantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir:
Avantajları;
•
Düzenli erime ve katılaşma davranışı gösterirler
•
Yüksek erime gizli ısısına sahiptirler
•
Kendiliğinden çekirdekleşebilme özelliğine sahiptirler
•
Düşük buhar basıncı gösterirler
•
Erime esnasında faz ayrımı göstermezler
•
GIED için uygun bir faz değişim sıcaklığına sahiptirler
•
Faz değişimi esnasında düşük hacim değişimi gösterirler
•
Tekrarlanan erime/katılaşma dönüşümlerinden sonra iyi ısıl ve kimyasal
kararlılık gösterirler
•
Zehirli değildirler ve kolay temin edilebilirler
Dezavantajları;
•
Düşük ısıl iletkenliğe sahiptirler
•
Yanıcıdırlar ve maliyetleri diğer FDM’lere kıyasla daha fazladır.
Enerji depolama amaçlı kullanılan bazı yağ asitleri ve onların ısıl-fiziksel özellikleri
Çizelge 2.4’te gösterilmiştir.
17
Çizelge 2.4. Yağ asitlerinin erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları (Lutton, 1967; Formo ve
ark., 1979; Baıley 1950; Ferguson ve Lutton, 1941; Malkin, 1952; Zalba ve ark., 2003;
Sharma ve Sagara, 2005)
Erime
Gizli ısı
Isıl iletkenlik
Yoğunluk
sıcaklığı (oC)
(kJ/kg)
(W/mK)
(kg/m3)
Propil palmiat
10
186
-
-
İzopropil palmiat
11
100
-
-
13,5-16,3
-
0,188672,5C
86360C
FDM
Oleik asit
0,178390C
İzopropil stearat
Kaprilik asit
Butil stearat
14-19
140-142
-
-
16
148
0,14939C
90130C
16,3
149
0,14567,7C,
86280C 98113C
0,14820C
103310C
-
-
19
140
123-200
Vinil stearat
Metil palmitat
Kaprik asit
17-29
122
-
29
205
-
32
152,7
31,5
153
38,5C
0,153
0,15255,5C,
87845C
88640C, 100424C
0,14940C
Metil-12-
42-43
120-126
-
-
42-44
178
0,192172,5C
86260C, 100724C
hidroksi-stearat
Laurik asit
0,185290C
Miristik asit
Palmitik asit
Stearik asit
-
86155C
49-51
205
54
187
64
185,4
0,16268,4C
85065C
61
203,4
0,15980,1C
84780C
69
202,5
0,17270C
84870C
60-61
186
84480C
96524C
18
2.2.4. Ötektik Karışımlar
Bir ısı depolama maddesinde faz değişimi için istenilen sıcaklık nadiren saf bir
maddenin erime sıcaklığı ile çakışır. Bu nedenle, erime sıcaklığını ayarlayacak bir metodu
kullanmak gerekir. Bu metot, molekül ağırlığı küçük olan bir FDM’nin molekül ağırlığı
yüksek olan FDM’ye istenen mol ya da kütle oranında katılarak ötektik karışım
oluşturulması şeklinde tanımlanabilir. Ötektik karışım; kristallenme süresince bileşen
kristallerinin bir karışım oluşturduğu, her birinin düzenli olarak eridiği ve katılaştığı iki
veya daha fazla bileşenin minimum erime noktalı karışımıdır (Lane, 1989; Sharma, 2005;
Sarı ve ark., 2005).
Saf bileşenlerden ayrı olarak, spesifik iklim şartlarına uygun erime sıcaklığına
sahip ötektikler GIED uygulamaları için kullanılabilirler (Tunçbilek, 2005). Bu amaçla,
birçok tuz hidrat ve yağ asidi ötektik karışımlarının ısıl-kimyasal-fiziksel özellikleri detaylı
olarak araştırılmıştır. Literatürde en fazla yer alan inorganik ve organik ötektik karışım
tipleri aşağıdaki başlıklar altında incelenebilir.
2.2.4.1. Tuz hidrat Ötektik Karışımlar
Tuz hidrat ötektik karışımları literatürde en fazla yer alan ötektik FDM’lerdir.
Binaların ısıtılması ve soğutulması, konutlarda sıcak su temini gibi IED amacına uygun
erime noktasına ve erime gizli ısısına sahip tuz hidrat ötektik karışımların hazırlanması ve
ısıl özelliklerinin belirlenmesine ilişkin literatürde bir çok çalışma vardır (Kimura ve Kai,
1988; 1991; Abhat, 1983; Zalba ve ark., 2003). İncelenen bazı tuz hidrat ötektik karışımları
ve ısıl özellikleri Çizelge 2.5’da verilmiştir.
19
Çizelge 2.5. Bazı inorganik ötektik karışımlar (Zalba ve ark., 2003)
Karışım
Erime
Erime gizli Isıl iletkenlik
o
sıcaklığı ( C) ısısı (kJ/kg)
(W/mK)
%66,6 CaCl2.6H2O +
25
127
%33,4 MgCl2. 6H2O
%48 CaCl2 + %4,3 NaCl +
26,8
188
%0,4 KCl + %47,3H2O
%47 Ca(NO3)2.6H2O +
30
136
%53 Mg(NO3)2. 6H2O
%60 Na(CH3COO).3H2O
31,5
226
+ %40 CO(NH2)2
%61,5 Mg(NO3)2. 6H2O +
52
125,5
0,494 (65 oC)
%38,5 NH4NO3
0,515 (88 oC)
0,552 (36 oC)
%58,7 Mg(NO3)2. 6H2O +
59
132,2
0,510 (65 oC)
%41,3 MgCl2. 6H2O
0,565 (85 oC)
0,678 (38 oC)
%66 üre + %33,4 NH4Br
76
161
0,331 (79 oC)
0,324 (92 oC)
0,649 (39 oC)
%32,5 LiF + %50,5 NaF +
632
%17 MgF2
Yoğunluk
(kg/m3)
1590
1640
1515 (65 oC)
1596 (20 oC)
1550 (50 oC)
1630 (24 oC)
1440 (85 oC)
1548 (24 oC)
2105 (sıvı)
2810 (25 oC)
2.2.4.2. Yağ Asidi Ötektik Karışımları
Yağ asitleri diğer FDM’lere kıyasla, üstün bazı ısıl, fiziksel ve kimyasal özelliklere
sahip oldukları için, bu asitlerden oluşturulacak ötektik FDM karışımlarının da benzer
özellik göstermesi beklenebilir. Bu sebeple, yağ asidi ötektik karışımları, literatürde en
fazla yer alan organik ötektiklerdir. Yağ asitleri ötektik karışımları konusunda literatürde
birçok çalışmaya rastlamak mümkündür. Çizelge 2.6’da bazı yağ asidi ötektik karışımları
ve ısıl-fiziksel özellikleri verilmiştir. Zhang ve ark., (2001) laurik, palmitik, stearik asit ve
bunların ikili sistemlerinin katı-sıvı faz değişimini diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC)
ve Fourier Transform Infrared (FT-IR) metotları ile incelediler. İkili sistemler için katı-sıvı
faz geçiş sıcaklığını 32,84 ± 0,71 ºC ve erime ısısını 146,5–195,1 J.g-1 aralığında
belirlediler. Dimaano ve Escoto, (1998) kaprik asit (%65 mol KA) ve laurik asit (%35 mol
LA) karışımını, düşük sıcaklık (soğutma amaçlı) IED sistemleri için uygun bir FDM olarak
değerlendirmiştir. Ayrıca, bu asitlerin farklı bileşimlerdeki karışımlarının ısıl özelliklerini
20
DSC analizi ile belirleyerek, mevcut literatür bilgileriyle karşılaştırmışlardır. Kauranen ve
ark., (1991) yeni bir metot kullanarak belirli iklim şartlarına göre güneş enerjisinin ısıtma
ve soğutma amaçlı depolanması için uygun erime noktasına sahip yağ asidi ikili ötektik
karışımları hazırlamış ve karışımların ısıl özelliklerini DSC metoduyla ölçmüşlerdir.
Dimaano ve Watanabe, (2002) %65 - %35 (mol) bileşimdeki kaprik - laurik asit ötektik
karışımının ısıl performansını inceleyerek bu karışımın yüzey soğutma amaçlı GIED için
potansiyel bir FDM olduğunu ifade etmişlerdir. Sarı ve Kaygusuz, (2002) DSC analiz
metoduyla laurik asit (LA) - stearik asit (SA) ikili sisteminin ötektik bileşim oranını;
%75,5 LA – %24,5 SA (kütlece), ötektik erime sıcaklığını; 37,0oC ve erime gizli ısısını;
182,7 J.g-1 olarak belirlemişlerdir. Ayrıca, bu çalışma grubu bir enerji depolama ünitesi
içerisinde depolanan LA-SA ötektik karışımının ısıl ve ısı transfer karakteristiklerini
belirleyerek, iklim şartlarına göre yüzey ısıtma ve sera ısıtma uygulamaları için uygun
FDM olarak kullanılabileceğini belirtmişlerdir.
Çizelge 2.6. Yağ asidi ötektik karışımlarının ısıl-fiziksel özellikleri (Baran ve Sarı, 2003;
Kauranen ve ark., 1991; Zalba ve ark., 2003)
Yağ asidi
karışımı
Bileşim oranı
Erime
Erime
ısısı (J/g)
sıcaklığı
(°C)
(% wt)
Yoğunluk
(kg/m3)
Isıl iletkenlik
(W/mK)
Kaprik – laurik
61,5 - 38,5
18
148
888 (25oC) 0,164 (39,1oC)
1018 (1oC) 0154 (61,2 oC)
Kaprik – miristik
73,5 - 26,5
24
147,7
-
-
Kaprik – palmitik
75,2 - 24,8
22,1
152
-
-
Kaprik – stearik
86,6 - 13,4
26,8
160
-
-
Laurik – miristik
62,6 - 37,4
32,6
156
-
-
Laurik – palmitik
64,0 - 36,0
32,8
165
-
-
Laurik – stearik
75,5 - 24,5
37,3
171
-
-
Miristik– palmitik
51,0 - 49,0
42,6
169,7
-
-
Miristik – stearik
65,7 – 34,3
44,2
181
-
-
Palmitik – stearik
64,9 – 35,1
52,3
181,7
-
-
21
2.3. GIED Sistemlerinde Isı Transfer Arttırılması için Kullanılan Yöntemler
GIED sistemlerinde ısı transfer hızı arttırılarak depolama veriminin yükseltilmesi
konusunda literatürde birçok çalışmaya rastlamak mümkündür.
Erek ve Acar (2003), yaptıkları çalışmada iç yüzeyi sabit sıcaklıkta olan radyal
kanatlı bir boru çevresinde faz değişimi ile enerji depolanmasını sayısal olarak
incelemişlerdir. Farklı kanat parametreleri (kanat aralığı, kanat kalınlığı, kanat çapı) ve
farklı yüzey sıcaklıkları için sayısal çözümlemeler elde etmişlerdir. Sonuçta her bir
değişkenin depolanan enerjiye ve katılaşma miktarına olan etkileri grafiksel olarak
gösterilmiş ve ilgili bağıntıların kullanılmasıyla enerji depolama için en uygun sistemin
tasarlanabileceğini ifade etmişlerdir.
İlken ve Toksoy (1991), GIED sistemlerinde ısı transfer hızını düşüren önemli
faktörlerden biri olan, yüzey üzerinde katılaşan kütlenin oluşturduğu ısıl direncin etkisini
azaltmak için kanatlı yüzeyler içeren enerji depoları kullanmışlardır. Sonuçta eşit uzunluğa
sahip ince kanatçıklarla daha iyi ısı transferi sağlanacağı ve ısı depolanacağı sonucuna
varmışlardır.
Hoogendoorn ve Bart (1992), içinden su geçirilen silindirik boruların etrafında
FDM’nin depolandığı bir GIED sistemi oluşturdular. Sistemde ısı iletimini arttırmak için
FDM olarak kullandıkları parafin içerisine %1,6’lık hacim kaplayan bir metal kafes
yerleştirmişlerdir. Böylece borularda akan suyun ölçülen giriş ve çıkış sıcaklığını zamanın
bir fonksiyonu olarak belirlemişlerdir. Sonuçta; parafin türü maddelerin en önemli
dezavantajı olan düşük ısıl iletkenliğin ve dolayısıyla ısı transferinin böyle bir yöntemle
önemli ölçüde arttırılabileceğini rapor etmişlerdir.
Liu ve arkadaşları (2005), FDM olarak stearik asidin kullanıldığı bir GIED
ünitesinin performansı üzerine çalışmalar yürütmüşlerdir. Stearik asidin ısıl iletkenliğini
arttırmak için elektrikli bir ısıtıcı çubuk üzerine bakırdan yapılı kanatçıklar
yerleştirmişlerdir. Bu kanatçıklar sayesinde stearik asidin ısıl iletkenliğinin üç kat
22
artırılabileceğini bulmuşlardır. Elde edilen sonuçlar, yeni tip kanatçığın FDM’nin hem
kondüksiyonla hem de doğal konveksiyonla ısı transferini arttırabileceğini göstermiştir.
Ayrıca kanatçık boyutu ve yüksekliğinin ısıl iletkenlik artışı üzerine etkilerini de
inceleyerek bu iki parametrenin ısıl iletkenliğin arttırılmasında önemli derecede etkili
olduğunu belirlemişlerdir.
Zhang ve arkadaşları (2001), içten kanatçıklı tüp kullanılarak GIED sisteminde ısı
transferindeki artışı incelemişlerdir. Elde ettikleri deneysel sonuçlar ısı transfer akışkanı
olarak düşük ısıl iletkenliğe sahip bir akışkan kullanıldığı zaman iç kanatçık ilave
edilmesinin ısı transferinin arttırılmasında için çok etkili olduğunu göstermiştir.
Ettouney ve arkadaşları (2004), iç içe geçmiş silindirik iki borudan oluşan bir GIED
sisteminde ısı transferindeki zenginleşmeyi incelemişlerdir. Deneysel çalışmaları FDM
olarak kullanılan parafinin içine yerleştirilen metal kafes/küre’lerin sayısı ve çapının
fonksiyonu olarak yürütmüşlerdir. Sonuçta parafinin hacimce %2’si kadar metal küre/kafes
kullanarak büyük bir ısı transfer zenginleşmesi elde edilebildiğini göstermişlerdir.
Velraj ve ark. (1997), yapmış oldukları deneysel çalışmada dairesel iki boruyu eş
merkezli ve dikey olarak yerleştirdikleri bir GIED düzeneğinde FDM olarak parafin
kullanmışlardır. İçteki boruda bulunan FDM’nin içine ise dikdörtgen kesitli kanatçıklar
yerleştirmişlerdir. Böylece ısı transferinde gerçekleşen iyileşmeyi incelemişlerdir.
Kullandıkları kanatçıklar vasıtasıyla parafinin ısıl iletkenliğinin birkaç kat daha arttığını
rapor etmişlerdir.
Cabeza ve ark. (2002), yaptıkları çalışmada FDM olarak su/buz ile çalışan bir
soğutma sisteminde ısı transferini arttırmak için üç farklı zenginleştirme metodu
(paslanmaz çelik, bakır ve FDM-Grafit kompoziti) kullanmışlardır. FDM içine paslanmaz
çelik parçaların ilavesinin ısı akışını önemli derecede arttırmadığı, bakır parçaların ilave
edilmesinde özellikle erime esnasında önemli bir ısı transfer zenginleşmesi sağlandığı ve
grafit kompozit karışımların kullanılmasının bakır ile elde edilen ısı transfer
zenginleşmesinde daha büyük bir artış sağladığını belirlediler. Sonuçta FDM içine
23
yerleştirilen metal parçaların ısı transferi üzerine etkisinin sadece yüksek iletken madde
(bakır ve grafit matriks) kullanıldığı zaman meydana geldiği sonucuna vardılar.
Lacroix (1993), içinde ısı transfer akışkanının sirküle olduğu eş merkezli iki
silindirik boru arasında depolanan FDM’nin faz değişim davranışını incelemek amacıyla
teorik bir model geliştirmiştir. Deneysel çalışmaları kanatçıklı ve kanatçıksız tüpler
üzerinde yürütmüştür. Sonuçta kullanılan silindirik boruların çapı, akışkan giriş sıcaklığı,
kütlesel akış debisi ve içteki borular üzerine kanatçık yerleştirilmesinin depolama
ünitesinin performansını iyileştirmek için dikkate alınması gereken parametreler
olduklarını ortaya koymuştur.
Yukarıda verilen literatür bilgilerine bakıldığında, yapılan çalışmaların düşük ısıl
iletkenlik problemini aşmak için Şekil 2.3’de gösterildiği gibi ince şerit metal, ince duvarlı
halkalar, gözenekli metaller, gözenekli grafit, metal tozları, metal köpük matriks kullanımı
üzerine olduğu açıkça görülmektedir.
Epoksi kaplanmış ince
kanatçıklı ısı değiştirici
Metal tozları
İnce duvarlı halkalar
Grafit Matriks
Kanatçıklı ısı değiştirici
Metal köpük
Şekil 2.3. Isıl iletkenlik arttırmada kullanılan çeşitli ısıl iletkenlik arttırıcılar
24
2.4. GIED Sistemlerinde FDM’nin Isıl iletkenliğinin Arttırılması
GIED sistemlerinde ısı transferini arttırmak amacıyla kullanılan metotların sistemin
ağırlığını arttırma, yoğunluk farkı oluşturma, korozyona neden olma ve maliyeti arttırma
gibi dezavantajları vardır.
Özellikle son yıllarda FDM’lerin ısıl iletkenlikleri silika
katalizör, aktif karbon ve genişletilmiş grafit (GG) gibi gözenekli maddeler içinde
depolanmasıyla arttırılmaktadır. Maddenin gözenek boyutları erimiş haldeki FDM’nin
akmasını önleyen kapiler kuvvetleri etkilediği için erimiş FDM’nin tutulmasında önemli
bir rol oynamaktadır. Bu nedenle yukarıdaki araştırmalar göz önüne alındığında ısıl
iletkenlik arttırıcı olarak genişletilmiş grafit (GG) ve karbon fiber (Kf) aşağıdaki
avantajlara sahiptirler:
— Farklı yönlerde ısı transferine izin verirler.
— Ticari olarak mevcutturlar.
— Kimyasal reaksiyonlara karşı inert özelliktedirler.
— Organik FDM’lerle fiziksel olarak uyumludurlar.
— Yüksek ısıl iletkenliğe sahiptirler (GG için ısıl iletkenlik: 4-100 W/mK, Kf için ısıl
iletkenlik: 190 W/mK).
GG ve Kf kullanılarak GIED sistemlerinde kullanılan FDM’nin ısıl iletkenliğinin
iyileştirilmesi konusunda yapılan çalışmalar oldukça sınırlıdır.
Khan ve Rohatgi (1994), alüminyum-silikon ve kurşun bazlı kompozit içinde
grafit, alümina, demir ve bakır içeren silindirik bir destek içerisinde katılaşma süresince ısı
transfer karakteristiklerini incelemişlerdir. Bununla birlikte erime işlemi sırasında ara
yüzey hareket hızının büyük ölçüde zenginleştiricinin ısıl iletkenliğine bağlı olduğunu
rapor etmişlerdir.
Fukai ve ark. (2000), FDM’lerde ısı transferini arttırmak için karbon fiberlerden
yapılı fırçalar geliştirmişlerdir. Ayrıca geliştirdikleri fırçayı bir silindirik kap içerisinde
depolanan parafin wax’ın ısıl iletkenliğini arttırmak için kullanmışlardır. Bununla beraber
FDM-fiber kompozitindeki fiberlerin yönleri için etkili ısıl iletkenliğin teorik olarak
maksimum değere ulaştığını deneysel olarak gözlemişlerdir. Sonuçta FDM ve ısı transfer
25
akışkanı arasında ısı değişimini arttırmak için karbon fırçaların gerekli olduğunu
göstermişlerdir.
Py ve ark. (2001), yaptıkları çalışmada sıkıştırılmış, genişletilmiş doğal grafit
matrix içinde parafinin kapiler kuvvetler tarafından tutulduğu yeni bir kompozit faz
değişim maddesi hazırlamışlardır. Sonuçta ağırlıkça %65-95 aralığında hazırlanan bu
kompozit FDM’lerin ısıl iletkenliklerinin 4-70 W/mK arasında olduğunu belirlemişlerdir.
Xiao ve ark. (2002), yaptıkları deneysel çalışmada termoplastik bir elastomer
poli(stiren-bütadien-stiren) ile parafini karıştırarak sıcaklığın parafinin erime sıcaklığının
üzerine çıkılması halinde bile bir katı halde şeklini koruyan şekilce kararlı kompozit
FDM’leri incelemişlerdir. Kararlı yapıdaki bu kompozit FDM’lerin parafin ile aynı faz
değişim karakteristikleri gösterdiklerini ve erime gizli ısısının parafinin gizli ısısının %80’i
kadar olduğunu belirlemişlerdir. Kararlı yapıdaki kompozit FDM’ye yüksek ısıl iletkenliğe
sahip yüzeyi genişletilmiş grafit (YGG) ilave ederek ısıl iletkenliğin YGG ilave
edilmesiyle önemli derecede arttığını gözlemişlerdir.
Frusteri ve ark. (2005), karbon fiberlerin bir organik FDM44’ün ısıl iletkenliğinin
zenginleşmesi üzerine etkisini incelemişlerdir. Bununla beraber farklı uzunluktaki fiberleri
FDM44 içine dağıtarak elde edilen kompozitlerin ısıl iletkenliklerini sıcak tel (hot-wire)
metodu kullanarak ölçmüşlerdir. Ayrıca eklenen karbon fiberler ve ısıl iletkenlik artışı
arasındaki doğrusal ilişkinin büyük miktarda (ağırlıkça %10’a kadar) karbon fiber
katılması ile elde edileceğini rapor etmişlerdir.
Bununla birlikte, bu maddeleri kullanarak yüksek ısıl iletkenliğe sahip kompozit
karışımların hazırlanması, ısıl-fiziksel özelliklerinin belirlenmesi ve bir enerji depolama
ünitesinde ısıl performanslarının deneysel olarak belirlenmesi konusunda yapılan
çalışmaların sayısı birkaç makaleyle sınırlıdır. Dolayısıyla, parafin/GG, parafin/Kf, SA/GG
ve SA/Kf kompozit karışımlarının ısıl özelliklerinin ve ısıl enerji depolama
performanslarının belirlenmesi bu konudaki eksikliği gidermek bakımından oldukça
önemlidir.
26
3. MATERYAL ve METOT
3.1. Deneysel Çalışmalarda Kullanılan Maddeler
Bu çalışmada parafin/GG, parafin/Kf, stearik asit/GG ve stearik asit/Kf kompozit
karışımlarını hazırlamak için Merck firmasından temin edilen parafin wax (e.n: 42-44oC)
ve stearik asit ((SA) e.n: 67-69oC), ısıl iletkenliği arttırıcı olarak Astaş firmasından temin
edilen grafit ve Teknoyapı firmasından temin edilen karbon fiber kullanıldı. Deneylerde
kullanılan bu maddelerin fotoğraf görüntüleri Şekil 3.1’de gösterilmiştir. FDM olarak
kullanılan parafin ve SA’nın DSC analiziyle belirlenen ısıl-fiziksel özellikleri Çizelge
3.1’de ayrıntılı bir şekilde verilmiştir.
Parafin
GG
SA
Kf
Şekil 3.1. Çalışmalarda kullanılan maddelerin fotoğraf görüntüleri
27
Çizelge 3.1. Deneysel çalışmalarda kullanılan faz değişim maddeleri
FDM
Yoğunluk
(kg/m3)
Parafin
Stearik asit
785
940
Erime
Erime
sıcaklığı entalpisi
(J/g)
(ºC)
41,6
68,8
194,6
198,8
Isıl
İletkenlik
(W/mK)
Spesifik ısı (J/g.ºC)
Saflık
derecesi
katı halde
sıvı
halde
1,93
2,38
%98
2,12
2,32
%97
0,21-0,24
0,29-0,30
GG yaklaşık olarak 35-75µm partikül boyutuna ve 15m2/g yüzey alanına, karbon fiberler 6
µm kalınlığa ve 5mm uzunluğa sahiptir. Kullanılan bu maddelerin üretici firmalar
tarafından belirtilen özellikleri Çizelge 3.2’de verilmiştir.
Çizelge 3.2. Isıl iletkenliği arttırmak için kullanılan maddelerin bazı ısıl-fiziksel özellikleri
Genişletilmiş grafit
Yoğunluk
Isıl İletkenlik
Partikül boyutu (μm)
(GG)
(kg/m3)
(W/mK)
1,3
4-100
35-75
Karbon fiber
Yoğunluk
Isıl İletkenlik
Lif çapı (μm)
(Kf)
(kg/m3)
(W/mK)
1,4
190
6
3.2. Deney Düzenekleri
Deneysel işlemlerde kullanılan düzenekler Bölümümüz Fizikokimya Araştırma
Laboratuvarında oluşturuldu. Isıl iletkenlik ölçümlerinin yapıldığı sıcak tel (hot-wire)
düzeneği başlıca; numunenin eritilerek konulduğu hücre, orta noktasına bir termoçift
yerleştirilmiş platin tel, dijital volt ve akım göstergeli güç kaynağı, platin teli gergin
tutacak bir yay, veri toplayıcı (data logger) ve bilgisayardan oluşmaktadır. Bu bileşenleri
içeren deney düzeneğinin şematik görünümü ve fotoğraf görüntüsü sırasıyla Şekil 3.2 ve
Şekil 3.3’de gösterilmiştir. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin
belirlenmesinde kullanılan deney düzeneği de temel olarak; enerji depolama ünitesi,
28
sıcaklık kontrollü su banyoları, bağlantı boruları, veri toplayıcı (data logger) ve
bilgisayardan ibarettir. Erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde kullanılan deney
düzeneğinin şematik görünümü ve fotoğraf görüntüsü sırasıyla, Şekil 3.4 ve Şekil 3.5’de
verilmiştir.
Şekil 3.2. Isıl iletkenlik ölçümlerinin yapıldığı deney düzeneğinin şematik görünümü
Şekil 3.3. Isıl iletkenlik ölçüm düzeneğinin fotoğraf görüntüsü
29
Şekil 3.4. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde kullanılan
düzeneğin şematik görünümü
Şekil 3.5. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde kullanılan
düzeneğin fotoğraf görüntüsü
30
3.2.1. Isıl İletkenlik Ölçüm Hücresi
Deney düzeneğinin bu kısmı ısıl iletkenliği belirlenecek olan saf parafin, SA ve bu
maddelere kütlece farklı oranlarda GG ve Kf katılarak hazırlanan karışımların eritilerek
konulduğu 4 mm et kalınlığına sahip PVC malzemeden yapılı bir ünitedir. Bu ünite yatay
konumda tutulan 3,2 mm, 105 mm ve 22 mm ebatlarındaki bir dikdörtgenler prizmasından
ibarettir. Hazırlanan parafin/GG, parafin/Kf, SA/GG ve SA/Kf kompozit karışımları erimiş
halde bu hücre içerisine üst kısmından dolduruldu. Isıl iletkenlik ölçüm hücresinin fotoğraf
görüntüsü Şekil 3.6’da verilmiştir.
Şekil 3.6. Isıl iletkenlik ölçümlerinin yapıldığı hücrenin fotoğraf görüntüsü
3.2.2. Enerji Depolama Ünitesi
Enerji depolama ünitesi, erime ve katılaşma süreleri belirlenecek kompozit
karışıma depoluk görevi yapmaktadır. Bu ünite iç içe geçmiş pyrex camdan yapılı iki cam
sistemden ibarettir. Dıştaki cam kap 77 mm uzunluğunda 50 mm çapında ve 2 mm et
kalınlığındadır. İçteki cam kap ise, 66 mm uzunluğunda, 30 mm çapında ve 2 mm et
31
kalınlığındadır. Sıvı halde kompozit karışımlar, içteki cam kap içerisine üst kısımdan
dolduruldu. Ünitenin 1/5’lik kısmı faz değişimi esnasında meydana gelebilecek muhtemel
hacim değişiminden dolayı, boş bırakıldı. Depolama ünitesine üst kısımdan bir adet
termoçift monte edildi. Enerji depolama ünitesinin fotoğraf görüntüsü Şekil 3.7’de
verilmiştir.
Şekil 3.7. Kompozit FDM’lerin erime ve katılaşma sürelerinin belirlenmesinde kullanılan
enerji depolama sisteminin fotoğraf görüntüsü
3.2.3. Güç Kaynağı
Isıl iletkenlik ölçümlerinde platin telden akım geçişini sağlamak için NET PS1502D marka LED ekranlı güç kaynağı kullanıldı. Güç kaynağının her iki çıkış
noktasındaki ölçüm değerleri cihaz üzerinde bulunan dijital voltmetre ve ampermetre
ekranları üzerinden okunabilmektedir.
32
Güç kaynağının özellikleri: Çıkış Voltaj: 0-15V, Çıkış Akım: 0-1,5A, Besleme: AC 220V
± %10, Regülasyon: Komitatörlü, Ebatlar: 125x145x180mm, Ağırlık: 2,2kg
3.2.4. Veri Toplayıcı
Veri toplayıcı sistem (data logger), ısıl iletkenlik ölçüm hücresi içerisindeki platin
tele orta noktasından temas edecek şekilde yerleştirilen termoçift tarafından algılanan
sıcaklık verilerini programlanan zaman aralığı içinde kaydetmektedir. Termoçiftde oC
olarak algılanan sıcaklık sinyali DC voltaja dönüşerek 12 bite’lik AD/DA karta
aktarılmaktadır. Elde edilen bu sinyaller bu kart tarafından bilgisayar ortamındaki
kaydedici programa aktarılmaktadır.
3.2.5. Termoçift
Isıl iletkenlik ölçüm hücresinin merkezinden geçen platin telin içerisine kompozit
karışımlar boşaltıldıktan sonra uygulanan gerilim vasıtasıyla platin telin ve enerji depolama
sistemi içinde depolanan kompozit karışımların sıcaklık değişimlerini zamana bağlı olarak
ölçmek için termoçiftler kullanıldı. 20 mm uzunluğunda olan bu termoçift, LM 335H
isimli elektronik sıcaklık sensörünün pirinç malzemeden yapılı bir kapsül içine
yerleştirilmesiyle hazırlanmıştır. Bu termoçift 0-100oC sıcaklık aralığında ±0,01oC
hassasiyette kullanılabilmektedir. Bu termoçift 1m uzunluğa sahip kablo yardımıyla veri
toplayıcıya bağlanmıştır.
3.2.6. Sıcaklık Banyoları ve Diğer Elemanlar
FDM’nin erimesini sağlayan sıcak su deposu ve katılaşmasını sağlamak amacıyla
soğuk su depolarından oluşan iki adet sabit sıcaklık banyoları kullanılmıştır. Bu banyolar
53x33x23 cm ve 32x17,5x16,5 cm ebatlarında paslanmaz çelik malzemeden yapılıdır.
Deneyler sırasında ısı transfer akışkanı olarak kullanılan suyun sıcaklığı Lauda ve Grant
marka kontrollü ısıtıcılarla istenilen sıcaklık değerine ayarlandı.
33
3.3. Isıl İletkenlik Ölçümü İçin Sıcak Tel (Hot-Wire) Metodu
3.3.1. Metodun Tanımı
Sıcak tel metodu, bir test maddesi içine yerleştirilmiş elektriksel olarak ısıtılan telin
zamanla sıcaklık artışının ölçümüne dayanan standart dinamik bir tekniktir. Isıl iletkenlik
belirli zaman aralıklarında sıcaklıktaki değişimden türetilebilir.
Metodun ideal matematiksel modeli, sıcak telin homojen ve sabit başlangıç
sıcaklığına (To) sahip madde tarafından çevrelenen, sonsuz incelikte ve uzun doğrusal bir
ısı kaynağı olması varsayımına dayanır. Özellikle bu metot Carslaw ve Jaeger’in teorisinde
önerildiği gibi doğrusal ısı kaynağı ve sonsuz kütle için kurulur (Carslaw ve Jaeger, 1959).
Bu teoriye göre ısı sıcak tele göre ortagonal yönün yanı sıra sistem boyunca difüze olan bir
elektrik akımının akışı ile üretilir. Sıcak tel t=0 anında birim ünite tel uzunluğu başına
sabit ısı akışı (q) ile ısıtıldığında tel çevresinde radyal ısı akışı meydana gelir. Elektrik
gücünün değerinin sabit olduğu durumda aşağıdaki eşitlik yazılabilir.
Q
T (r , t ) =
4πα
∞
⎛ r2 ⎞
e −u
Q
∫ u du = − 4πα Ei ⎜⎜⎝ 4αt ⎟⎟⎠
2
r / 4πα
(8)
Burada Ei aşağıdaki kanuna göre güç serisi olarak geliştirilmiş bir integral üssüdür.
∞ u
⎛ r2 ⎞
e
⎟⎟ = − Ei (− x ) = ∫ du
− Ei ⎜⎜
u
⎝ 4πα ⎠
x
(9)
x’in küçük değerleri için
E i (− x ) = γ + ln( x ) − x +
1 2
x + Ο( x 3 )
4
(10)
34
Burada O (x3) güç serisinin korelasyon (karşılıklı ilişki) faktörüdür. Genişletilmiş zaman
2
aralığı için x = r «1 serinin üçüncü ve dördüncü terimleri ihmal edilebilir, böylece
4 kt
eşitlik (10) aşağıdaki gibi olur.
T (r , t ) = −
Qı ⎛ r 2 ⎞
Qı
⎟⎟ − γ
ln⎜⎜
4πK ⎝ 4αK ⎠
4πK
Q=
Burada
Qı
,
ρ .c p
(11)
α=
K
ρ .c P
Başlangıç sıcaklığı ve telin boyutu dikkate alındığında eşitlik aşağıdaki gibi olur.
T (r0 , t ) − T0 =
Q ı ⎛⎜ ⎛ 4αt
ln⎜
4πK ⎜⎝ ⎜⎝ c.r02
⎞⎞
⎟⎟ ⎟
⎟
⎠⎠
(12)
γ
Burada c = e = 1.78 Eşitlik 11’in türetilmesiyle aşağıdaki eşitlik elde edilir.
⎛ Qı
K = ⎜⎜
⎝ 4π
⎞
⎟⎟ /(dT / d (ln t ))
⎠
(13)
L uzunluğuna sahip elektrik direnci tarafından sağlanan güç dikkate alındığında ısıl iletkenlik
ölçümü için eşitlik aşağıdaki gibi olur.
t
⎛ VI ⎞
⎛ VI ⎞
K =⎜
⎟ /(ΔT / ln( 2 )
⎟ / (dT / d (ln t ) ) = ⎜
t1
⎝ 4πL ⎠
⎝ 4πL ⎠
(14)
Eşitlik 14’de L (m) resistans telin uzunluğunu, V (volt) uygulanan gerilimi, I (amper)
telden geçen akımı, t (s) zamanı ve ∆T, t1 ve t2 arasındaki sıcaklık farkını ifade etmektedir.
35
Bu eşitliğe göre zamanın fonksiyonu olarak ∆T sıcaklık artışının ölçümü grafiğe
geçirilerek elde edilen grafikten sıcaklık artışı ∆T’nin doğrusal kısmının eğiminin
hesaplanmasıyla ısıl iletkenlik K belirlenir. Sıcak telin sıcaklık artışı genel olarak 10oC ye
kadar yükselir ve telin zamanla sıcaklık artış eğrisi Şekil 3.8.’de görüldüğü gibi olur.
Şekil 3.8. Tipik sıcaklık artış eğrisi (a-ideal eğri b-ideal olmayan eğri)
Kullanılan sıcaklık algılayıcıların konumu ve sıcaklık artışı ölçüm yolu bakımından
direnç tekniği, standart (çapraz tel) teknik ve paralel tel olmak üzere üç tür ölçüm tekniği
mevcuttur. Çapraz tel tekniğinde doğrusal ısı kaynağı olarak çapı 0,1-0,4 mm aralığında
olan platin, mangan, Cr-Ni gibi resistans teller kullanılır. Zamana karşı sıcaklık artışı ısıtıcı
telin orta noktasıyla temasta olan termoçift vasıtasıyla ölçülür. Termoçift ısıtıcı tel ile
doğrudan temastadır ve numunenin tam merkezine yerleştirilir. Şekil 3.9’da çapraz tel
tekniğini kullanan ölçüm düzeneğinin şematik gösterimi verilmiştir.
Direnç tel tekniğinde platin tel sıcaklık sensörünün yanı sıra ısıtıcı tel olarak
davranır. Potansiyel uçlar numunenin sonundan yaklaşık 1,5 cm de ısıtıcı tele birleştirilen
ince platin tellerden oluşur. Prob metodunda ikisi de seramik mikrokapiler içerisine
yerleştirilen ısıtıcı tel ve sıcaklık sensöründen oluşan silindirik bir prob kullanılır.
36
Şekil 3.9. Deneysel cihazın şematik gösterimi
Üç sıcak tel cihazı farklı maddeler ve ölçüm şartları için ayarlanabilir. Bilgisayar
kontrollü bir sıcak tel cihazı 20-120 oC sıcaklık aralığı içinde katılar, tozlar, kum ve
tanecikli maddelerin ısıl iletkenliklerinin belirlenmesinde kullanılır. Ayrıca yüksek sıcaklık
uygulamaları için yeni yalıtkan ürünlerin geliştirilmesinde de kullanılabilir (Davis, 1984;
Wechsler, 1992).
3.4. Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) Tekniği
Çalışmamızın bu aşamasında, parafin/GG ve SA/GG kompozit karışımlarının erime
sıcaklığı (Te) ve erime gizli ısısı (ΔHE) gibi ısıl-fiziksel özellikleri ölçüldü. Bu işlem için
diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ısıl analiz tekniği kullanıldı. Analiz işlemleri
Üniversitemiz
Fen-Edebiyat
Fakültesi
Fizik
Bölümü
Araştırma
Laboratuarında
gerçekleştirildi. Analizde kullanılan DSC cihazının teknik özellikleri ve analiz şartları
Çizelge 3.3’de verilmiştir.
DSC analiz metodu, önceden belirlenmiş bir programa göre numune ve referans
ısıtılırken numune ve referans arasındaki enerji farkının, sıcaklığın veya zamanın
fonksiyonu olarak incelendiği bir ısıl yöntemdir. Bundan dolayı bu yöntemin adı
diferansiyel taramalı kalorimetredir. DSC analiz tekniği genellikle nicel enerji
değişimlerinin belirlenmesinde kullanılır. DSC analiz tekniğinin temeli numune ve referans
37
arasında sıcaklık farkı meydana gelmesinin önlenmesidir. Bu nedenle DSC, numune
sıcaklığı ve referans sıcaklığının aynı olması için numuneye veya referansa uygulanan
enerjiyi ölçer.
Çizelge 3.3. DSC analiz cihazının teknik özellikleri ve ısıl analiz şartları.
DSC analiz cihazının teknik özellikleri
Marka
SETARAM DSC131
Sıcaklık aralığı
(-180) – 600 ºC
Numune kapları
Alüminyum
Diferansiyel termoçift
Cr-Al / Al
Kalorimetrik algılama
0,05 – 50 m cal/s
Kalorimetrik hassasiyet
± % 0,1 (metal numunelerde)
Isıl Analiz Şartları
Numune miktarı
4-6 mg.
Ölçüm ortamı
Argon Atmosferi
Isıtma hızı
5 ºC /dak.
Isıtma aralığı
20-80ºC
Bu çalışmada, SETARAM DSC 131 model ve ısı akışlı bir DSC cihazı kullanıldı.
Bu tür cihazlarda analiz işlemi süresince, ısı akışı numune ve referans maddenin her ikisine
ait elektrikli ısıtıcılar üzerinden sağlanır. Numune ve referans madde alüminyumdan yapılı
küçük krozeler içine konulup, disk üzerindeki platformların üzerine yerleştirilir. Daha
sonra önceden belirlenmiş bir programa göre numune ve referans aynı ortamda ısıtılır. Isı,
diskler üzerinden krozelere, oradan da numune ve referansa iletilir. Numune ve referansa
diferansiyel ısı akışı termoçiftler ile izlenir ve numune ile referans krozeleri arasındaki
diferansiyel ısı akışı her iki termoçiftin çıkışları arasındaki fark ile doğru orantılıdır.
Yapılan analiz işlemi sonucunda elde edilen termogramda, yatay eksen numune
sıcaklığını, düşey eksen ise ısı akışını gösterir. Termogram değerlendirilirken öncelikle, bir
temel çizgi çizilir ve daha sonra elde edilen pikin maksimum eğilimli kısmından temel
38
çizgiye teğet çizilir ve teğetin temel çizgiyi kestiği noktaya eşlenik gelen sıcaklık noktası
numunenin faz değişim sıcaklığı olarak alınır. Ayrıca, pik altında kalan alanın integrali
hesaplanarak numunenin faz değişim gizli ısısı (entalpisi) bulunur. Bütün bu işlemler DSC
cihazına ait ısıtma programı vasıtasıyla yapılır.
3.5. Deneyler
Deneysel işlemlerde ısıl iletkenlik ölçümleri Şekil 3.2’deki deney düzeneği
kullanılarak gerçekleştirildi. Kompozit karışımlar erimiş haldeki parafin ve SA’ya ağırlıkça
%2, %4, %7 ve %10 oranında GG ve Kf ilave edilerek hazırlandı. Hazırlanan karışımlar
GG ve Kf’lerin FDM içerisinde homojen bir şekilde dağılmasını sağlamak için dikkatli bir
biçimde karıştırıldı. Hazırlanan kompozit karışımlar sıvı halde ısıl iletkenlik ölçüm hücresi
içine dökülerek oda sıcaklığına kadar soğutuldu. Daha sonra ısıl iletkenlik ölçümü için
ilgili hücreye yaklaşık 1,5V’luk sabit gerilim bir dakika süreyle uygulandı ve platin tel
boyunca elektrik akımı sirkülasyonunun neden olduğu sıcaklık artışı kaydedildi. Bu işlem
tek bir ölçümün alınmasıyla ortaya çıkacak hatayı azaltmak için 3 kez tekrarlandı.
Isıl iletkenlik ölçümü için uygulanan gerilim, platin telden geçen akım ve sıcaklık
artışı deneysel parametreler olarak alındı. Sıcaklık artışı zamanın logaritmik fonksiyonu
olarak grafiğe geçirilerek elde edilen doğrunun eğiminden ısıl iletkenlik katsayısı aşağıdaki
eşitlik kullanılarak hesaplandı.
⎛ VI ⎞
K =⎜
⎟ / (dT / d (ln t ) )
⎝ 4πL ⎠
(15)
FDM örneklerine ısıl iletkenlik ölçümleri uygulamadan önce sistemin ölçüm
doğruluğu saf parafin örneği kullanılarak hesaplandı. Literatür bilgilerine göre parafinin
ısıl iletkenliği 0,26-0,32 W/mK arasında değişmektedir (Bansal ve Budhi, 1992). Ölçüm
oda sıcaklığında uygulanmıştır ve elde edilen değerler literatürde rapor edilen değerlere
çok yakındır.
39
3.6. Kompozit FDM’lerin Erime-Katılaşma Sürelerinin Belirlenmesi
GG ve Kf ilavesiyle parafin ve SA’nın ısıl iletkenliklerinde meydana gelen artışı
doğrulamak için hazırlanan kompozit karışımların erime ve katılaşma süreleri ölçüldü.
Deneylere başlamadan önce karışımlar birkaç kez erime-katılaşma işlemine tabi tutularak
homojen hale gelmeleri sağlandı. Bu periyot süresince, karışımların erime sıcaklıklarının
üzerindeki bir sıcaklığa sahip ısı transfer akışkanı (su) kompozit etrafındaki cam bölmeden
sirküle edildi. Erime periyodu süresince sıcaklığı söz konusu kompozitin erime sıcaklığının
10oC üstündeki ısı transfer akışkanı sistemden sirküle edildi. Bu işlem, karışımın sıcaklığı
erime sıcaklığının üzerine çıkıncaya kadar sürdürüldü. Isıtma işlemi boyunca sıcaklık
değişimleri 1 dakika aralıklarla kaydedildi. Soğuma periyodu için sıcaklığı kompozit
FDM’nin erime sıcaklığının altında bulunan su sistemden sirküle edildi. Sıcaklıklar ısıtma
periyodunda olduğu gibi 1 dakika aralıklarla kaydedildi. Daha sonra kaydedilen erime ve
katılaşma sıcaklıkları zamana karşı grafiğe geçirilerek karışımların erime ve katılaşma
süreleri belirlendi. Elde edilen erime katılaşma süreleri saf parafin ve saf SA’nın aynı
sistemden elde edilen erime ve katılaşma süreleri ile kıyaslanarak ısıl iletkenlikteki
iyileşme test edildi.
40
4. BULGULAR VE DEĞERLENDİRME
4.1. Parafin ve Stearik asidin (SA) Genişletilmiş Grafit (GG) ve Karbon Fiber
(Kf) İle Uygunluğu
Parafin ve stearik asidin sıvı haldeki yoğunlukları (parafin için: 0,785 g/cm3; SA
için: 0,940 g/cm3) GG ve Kf (GG için: 1,3 g/cm3; Kf için: 1,4 g/cm3) parçacıklarının
yoğunlukları ile kıyaslandığında kompozitin erime-katılaşma dönüşümleri esnasında GG
ve Kf’in alt kısma göç edeceği beklendi. Ancak GG ve Kf’in parafin ve SA ile fiziksel
olarak uygunluklarından dolayı kompozitler içerisinde homojen bir biçimde dağıldığı
gözlendi (Şekil 4.1). Ayrıca GG ve Kf ile sözkonusu FDM’ler arasında hiçbir kimyasal
reaksiyonun meydana gelmediği belirlendi. Dolayısıyla, GG ve Kf’in fiziksel bakımdan
parafin ve SA ile uyumlu olduğunu söylemek mümkündür. Ayrıca, bu maddelerin söz
konusu FDM’lerle herhangi bir kimyasal reaksiyon vermediği gözlendi.
(a)
(b)
(c)
Şekil 4.1. Kompozit karışımların fotoğraf görüntüsü (a) Saf parafin,
(b) parafin/%4GG kompozit karışımı (c) parafin/%4 Kf kompozit karışımı
41
4.2. Isıl İletkenlik Ölçüm Sonuçlarının Değerlendirilmesi
Parafin ve SA’nın ısıl iletkenliklerini arttırmak için erimiş halde bu maddelere
kütlece farklı oranlarda (%2, %4, %7 ve %10) GG ve Kf ilave edilerek kompozit
karışımlar hazırlandı ve homojenliğin yüksek olması için karıştırıldı. Kompozit
karışımların platin tel ile temasını sağlanmak için sıvı halde karışımlar dikkatli bir şekilde
ölçüm hücresi içerisine boşaltıldı. Karışımlar tamamen katılaşıncaya kadar oda
sıcaklığında soğumaya bırakıldı. Ölçüm sistemine gerilim uygulanmasıyla platin tel
üzerinden geçen akımın neden olduğu sıcaklık artışı kaydedildi. Tek bir ölçüm sonucu
doğacak hatayı azaltmak için bu işlem 3 kez tekrarlandı. Sıcak tel metoduna göre sıcaklık
artışı zamanın logaritmik fonksiyonu olarak grafiğe geçirildi ve elde edilen doğrunun
eğiminden kompozit numunenin oda sıcaklığında ısıl iletkenliği (K) hesaplandı. Saf SA
için ardışık olarak uygulanan üç ölçüm süresince zamanın fonksiyonu olarak platin telde
meydana gelen ortalama sıcaklık artışı Şekil 4.2’de gösterilmiştir. Elde edilen doğru
eğimlerinin birbirine yakın olması ölçümlerin tekrarlanabilir olduğunu göstermektedir.
Ölçüm değerlerindeki sapmanın ± 0,01 W/mK olduğu bulundu. İlave edilen GG ve Kf
miktarına bağlı olarak parafin/GG, parafin/Kf, SA/GG ve SA/Kf kompozit FDM’lerin ısıl
iletkenliklerindeki değişim sırasıyla Şekil 4.3-4.6’da gösterilmiştir.
Şekil 4.2. Saf SA’nın ısıl iletkenlik ölçümü için kalibrasyon grafikleri
42
Farklı kütle oranlarında GG ve Kf ilave edilerek hazırlanan parafin/GG, parafin/Kf,
SA/GG ve SA/Kf kompozit karışımları için ölçülen ısıl iletkenlik değerleri Çizelge 4.1’de
verilmiştir.
Çizelge 4.1. Saf parafin, saf SA, Parafin/GG, parafin/Kf, SA/GG ve SA/Kf kompozit
karışımları için ölçülen ısıl iletkenlikleri
Saf FDM ve
Kompozit FDM
Isıl iletkenlik % Artış
(W/mK)
Saf FDM ve
Kompozit FDM
Saf parafin
0,22
-
Parafin/2%wt GG
0,39
Parafin/4%wt GG
Isıl iletkenlik % Artış
(W/mK)
Saf SA
0,29
-
77
SA /2%wt GG
0,36
24
0,50
127
SA /4%wt GG
0,60
107
Parafin/7%wt GG
0,66
200
SA /7%wt GG
0,72
148
Parafin/10%wt GG
0,80
263
SA /10%wt GG
1,10
279
Parafin/2%wt Kf
0,33
50
SA /2%wt Kf
0,37
28
Parafin/4%wt Kf
0,36
64
SA /4%wt Kf
0,46
59
Parafin/7%wt Kf
0,52
136
SA /7%wt Kf
0,81
179
Parafin/10%wt Kf
0,72
227
SA /10%wt Kf
0,92
217
Çizelge 4.1’de verilen deneysel bulgulardan aşağıdaki sonuçları çıkarmak
mümkündür:
(1)Parafin ve SA’ya GG ve Kf katılmasıyla, ısıl iletkenlik değerleri saf haldeki ısıl
iletkenlik değerine göre önemli ölçüde artış göstermiştir.
(2) GG’in ısıl iletkenliği (4-100 w/mK), Kf’in ısıl iletkenliğinden (190 W/mK) daha düşük
olmasına rağmen kompozitlerin ısıl iletkenlikleri üzerindeki zenginleştirme etkisi daha
yüksektir. Bu durum GG’in Kf’e göre parafin ve SA içinde daha homojen bir biçimde
dağılmasından ve bu FDM’lerle
kaynaklanmıştır.
fiziksel bakımdan daha uyumlu olmasından
43
Isıl iletkenlik (W/mK)
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
2
4
6
8
10
12
İlave edilen GG (wt %)
Şekil 4.3. Parafin içerisine farklı kütle bileşim oranlarında (%) GG ilavesiyle ısıl
iletkenlikteki değişimler
Isıl iletkenlik (W/mK)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
2
4
6
8
10
12
İlave edilen Kf (wt %)
Şekil 4.4. Parafin içerisine farklı kütle bileşim oranlarında (%) Kf ilavesiyle ısıl
iletkenlikteki değişimler
44
Isıl iletkenlik (W/mK)
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
2
4
6
8
10
12
İlave edilen GG (wt %)
Şekil 4.5. SA içerisine farklı kütle bileşim oranlarında (%) GG ilavesiyle ısıl
iletkenlikteki değişimler
Isıl iletkenlik (W/mK)
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
2
4
6
8
10
12
İlave edilen Kf (wt %)
Şekil 4.6. SA içerisine farklı kütle bileşim oranlarında (%) GG ilavesiyle ısıl
iletkenlikteki değişimler
45
Kompozit FDM’lerin ısıl iletkenliklerinin saf parafin ve SA’nın ısıl iletkenliklerine
oranı olarak ifade edilen etkili ısıl iletkenlik (KC/KFDM), ilave edilen GG ve Kf’in hacimce
yüzdesine karşı grafiğe geçirildi (Şekil 4.7.). Grafikler göz önüne alındığında etkili ısıl
iletkenlik ve ilave edilen GG ve Kf arasında doğrusal bir ilişkinin olduğu söylenebilir.
Parafin içerisindeki GG’nin hacimce yüzdesi; XGG=0.01, 0.02, 0.036 ve 0.052 için etkili
ısıl iletkenlik değerleri sırasıyla, 1.56, 2, 2.64 ve 3.2 bulundu. Parafin içerisindeki Kf’in
hacimce yüzdesi XKf = 0.010, 0.022, 0.038 ve 0.056 iken etkili ısıl iletkenlik değeri
sırasıyla, 1.32, 1.44, 2.08 ve 2.9 olarak bulundu. Şekil 4.8’den görüldüğü gibi, SA
içerisindeki GG’nin hacimce yüzdesi XGG=0.011, 0.022, 0.040 ve 0.058 için etkili ısıl
iletkenlik sırasıyla, 1.2, 1.58, 2.81 ve 3.67, SA içerisindeki Kf’nin hacimce yüzdesi XKf =
0.010, 0.021, 0.038 ve 0.055 için etkili ısıl iletkenlik sırasıyla, 1.23, 2.07, 2.47 ve 3.13
olarak hesaplanmıştır.
Kf kullanılarak elde edilen ısıl iletkenlik değerleri (Çizelge 4.1) aynı ısıl iletkenlik
arttırıcılar için literatürde verilen değerlerle kıyaslandığında sonuçlar arasında küçük
farklılıkların olduğu söylenebilir. Örneğin; Frusteri ve ark. (2005), inorganik FDM’ye
(Mg(NO3)26H2O-MgCl26H2O-NH4NO3) ağırlıkça %7 oranında karbon fiber katılmasıyla
ısıl iletkenliğin dört kat arttığını belirlemiştir. Bu sonuç, Kf’nin FDM’nin ısıl iletkenliği
üzerindeki etkisinin FDM tipine de bağlı olduğunu göstermektedir.
Sonuç olarak, ısıl iletkenlik ölçümüyle elde edilen deneysel bulguları esas alarak
parafin ve SA’nın ısıl iletkenliklerinin GG ve Kf ilavesiyle önemli ölçüde
arttırılabileceğini ifade etmek mümkündür.
46
3,5
3
K C/KFDM
2,5
2
1,5
1
Genişletilmiş grafit (GG)
0,5
Karbon fiber (Kf)
0
0
0,02
X (vol %)
0,04
0,06
Şekil 4.7. İlave edilen GG ve Kf’in hacimce yüzdesine göre parafinin ısıl
iletkenliğindeki artış
4
3,5
3
KC/KFDM
2,5
2
1,5
1
Genişletilmiş grafit (GG)
0,5
Karbon fiber (Kf)
0
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
X (vol %)
Şekil 4.8. İlave edilen GG ve Kf’in hacimce yüzdesine göre SA’nın ısıl
iletkenliğindeki artış
47
4.3. Kompozit FDM’lerin Erime ve Katılaşma Süreleri
Çalışmamızın bu aşamasında, GG ve Kf ilavesiyle parafin ve SA’nın ısıl
iletkenliğinde meydana gelen artışı doğrulamak için hazırlanan kompozit karışımların
erime süreleri ölçüldü. Bu amaçla, ısınma periyodu süresince elde edilen sıcaklık verileri
zamana karşı grafiğe geçirilerek toplam erime ve katılaşma süreleri belirlendi.
4.3.1. Saf Parafin, Parafin/GG ve Parafin/Kf Kompozit Karışımlarının Erime
ve Katılaşma Süreleri
Parafin içerisine kütlece farklı oranlarda GG ve Kf ilave edilmesinin parafinin ısıl
iletkenliğinde meydana getirdiği etki saf parafin ve kompozit içerisindeki parafinin erime
ve katılaşma süreleri mukayese edilerek incelendi. Isıtma ve soğutma işlemi süresince elde
edilen sıcaklık verileri zamana karşı (Şekil 4.9-4.11) grafiğe geçirildi. Bu eğrilerde
parafinin erime süresi aynı başlangıç sıcaklığından (25 oC) parafinin erime sıcaklığının üst
limit değerine (42 oC) ulaşması için geçen süre olarak alındı. Saf parafin, %4 ve %10
oranında GG içeren kompozit içerisindeki parafinin erime süreleri sırasıyla, 93, 80 ve 66
dakika olarak bulundu. Bu sonuçlar; parafin içerisine %4 ve %10 oranında GG ilavesiyle
saf parafinin erime süresinde sırasıyla, %10,2 ve %25’lik bir azalmanın meydana geldiğini
göstermektedir. Aynı şekilde, saf parafin, parafin/%4 GG, parafin/%10 GG, parafin/%4 Kf
ve parafin/%10 Kf kompozit karışımları içerisindeki parafinin katılaşma süreleri sırayla;
95, 64, 48, 80 ve 61 dakika olarak belirlendi. Elde edilen bu sonuçlar parafine kütlece % 4
ve %10 oranında GG ilavesiyle katılaşma süresinin %33 ve %49 oranında, %4 ve %10
oranında Kf ilavesiyle katılaşma süresinin %16 ve %36 oranında azaldığını gösterdi.
48
Şekil 4.9. Saf parafin, parafin/%4 GG ve parafin/%10 GG karışımı için erime eğrileri
Şekil 4.10. Saf parafin, parafin/%4 GG ve parafin/%10 GG karışımı için katılaşma eğrileri
49
Şekil 4.11. Saf parafin, parafin/%4 Kf ve parafin/%10 Kf karışımı için katılaşma eğrileri
4.3.2. Saf SA, SA/GG ve SA/Kf Kompozit Karışımlarının Erime Sürelerinin
Belirlenmesi
SA içerisine kütlece farklı oranlarda GG ve Kf ilave edilmesinin SA’nın ısıl
iletkenliğinde meydana getirdiği zenginleşme saf SA ile SA/GG ve SA/Kf kompozit
karışımları içerisindeki SA’nın erime sürelerinin mukayese edilmesiyle doğrulandı. Elde
edilen sıcaklık verileri zamana karşı grafiğe geçirildi (Şekil 4.12 ve Şekil 4.13). Bu
eğrilerden SA’nın erime süresi aynı başlangıç sıcaklığından (30oC) başlanarak SA’nın üst
erime sıcaklık değerine (69 oC) ulaşılması için geçen süre olarak alındı. Saf SA, %4 ve
%10 oranında GG içeren kompozit içerisindeki SA’nın erime süreleri sırasıyla, 95, 75 ve
50
62 dakika olarak belirlendi. Bu sonuç, SA’nın içerisine %4 ve %10 oranında GG ilave
edilmesiyle SA’nın erime süresinde sırasıyla, %21 ve %38 oranında bir azalmanın
meydana geldiğini göstermektedir. Aynı şekilde %4 ve %10 oranında Kf ilave edilerek
hazırlanan kompozit karışımlar içerisindeki SA’nın erime süreleri sırasıyla, 78 ve 60
dakika olarak belirlendi. Bu sonuç, SA içerisine kütlece %4 Kf ve %10 Kf ilavesiyle erime
süresinde sırasıyla %18 ve %37 oranında azalmanın meydana geldiğini göstermektedir.
Kompozit karışımlar içerisindeki SA’nın erime sürelerinde meydana gelen bu
azalmalar ısı yükleme periyodu süresince kompozit içerisinde GG ve Kf tarafından
arttırılan kondüksiyon ve konveksiyon ısı transferinden kaynaklanmaktadır. Ayrıca, elde
edilen veriler SA’nın ısıl iletkenliğindeki zenginleşmeyi doğrulamaktadır.
Şekil 4.13. Saf SA, SA/%4 GG ve SA/%10 GG karışımları için erime eğrileri
51
Şekil 4.14. Saf SA, SA/%4 Kf ve SA/%10 Kf karışımları için erime eğrileri
4.4. Parafin/GG Karışımlarının DSC Isıl Analizleri
Parafin içerisine kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle bu FDM’nin ısıl-fiziksel
özelliklerindeki değişimleri belirlemek için DSC analizleri yapıldı. Saf parafin ve
parafin/%10 GG karışımının DSC eğrisi Şekil 4.15’de verilmiştir. Ayrıca, farklı bileşimli
kompozit karışımlar için DSC eğrilerinden elde edilen bulgular Çizelge 4.2’de verilmiştir.
Kompozit karışımlar için erime sıcaklıkları; parafin/%2 GG karışımı için; 41,1 oC,
parafin/%4 GG karışımı için; 41,0 oC, parafin/%7 GG karışımı için; 40,7 oC, parafin/%10
GG karışımı için; 40,2 oC olarak ölçülmüştür. Kompozit karışımlar için erime gizli ısıları;
parafin/%2 GG karışımı için; 192,6 J/g, parafin/%4 GG karışımı için; 188,0 J/g,
parafin/%7 GG karışımı için; 181,9 J/g, parafin/%10 GG karışımı için; 178,3 J/g olarak
belirlendi. Saf parafin içerisindeki GG bileşimi artarken erime sıcaklıkları ve erime gizli
ısıları azalmaktadır. Çizelge 4.2’de parafin/GG kompozitleri içerisindeki parafinin erime
sıcaklığı saf haldeki erime sıcaklığı ile mukayese edildiğinde çok az bir değişimin olduğu
söylenebilir. Bu değişim, parafin/%2 GG karışımı için; -0,5 oC, parafin/%4 GG karışımı
52
için; -0,6 oC, parafin/%7 GG karışımı için; -0,9 oC, parafin/%10 GG karışımı için; -1,4 oC
o
C’dir. Ayrıca, her bir kompozit FDM için erime gizli ısılarındaki değişim; parafin/%2 GG
karışımı için; % -1,03, parafin/%4 GG karışımı için; % -3,40, parafin/%7 GG karışımı için;
% -6,52, parafin/%10 GG karışımı için; % -8,37’dir.
Şekil 4.15. Saf parafin ve parafin/%10 GG kompozit karışımı için DSC eğrileri
Çizelge 4.2’de verilen DSC analiz bulgularından şu üç sonuç çıkarılabilir:
(1) Parafine GG katılmasıyla, erime sıcaklığı saf haldeki erime sıcaklığına göre azalmaktadır.
Fakat bu azalma düzenli değildir.
(2) Karışımdaki GG oranının artmasıyla parafinin erime gizli ısısı azalmaktadır.
(3) Kompozit karışımlar içerisindeki parafinin ve saf haldeki parafinin erime sıcaklığı ve erime
gizli ısısı karşılaştırıldığında; erime sıcaklıkları ve erime gizli ısılarındaki değişim gizli ısı ısıl
enerji depolama uygulamaları için kabul edilebilir bir düzeydedir.
53
Çizelge 4.2. Saf parafin ve parafin/GG karışımlarının ölçülen erime sıcaklıkları ve erime
gizli ısıları
Erime sıcaklığı (oC)
Erime gizli ısısı (kJ/kg)
Saf parafin
41.6
194.6
Parafin/2%wt GG
41.1
192.6
Parafin/4%wt GG
41.0
188.0
Parafin/7%wt GG
40.7
181.9
Parafin/10%wt GG
40.2
178.3
FDM
4.5. SA/GG Karışımlarının DSC Isıl Analizleri
SA içerisine kütlece farklı oranlarda GG ilavesiyle bu FDM’nin ısıl-fiziksel
özelliklerindeki değişimler DSC analizleri ile belirlendi. Saf SA ve SA%10 GG kompozit
karışımları için elde edilen DSC eğrileri Şekil 4.16’da verilmiştir. Ayrıca, farklı bileşimli
karışımlar için bulunan erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları Çizelge 4.3’de verilmiştir.
Şekil 4.16’da görüldüğü gibi kompozit karışımlar için erime sıcaklıkları; SA/%2 GG
karışımı için; 66,7 oC, SA/%4 GG karışımı için; 66,6 oC, SA/%7 GG karışımı için; 67,1 oC,
SA/%10 GG karışımı için 66,9oC olarak ölçülmüştür. Kompozit karışımları için erime gizli
ısıları; SA/%2 GG karışımı için; 196,4 J/g, SA/%4 GG karışımı için; 193,6 J/g, SA/%7 GG
karışımı için; 193,4 J/g, SA/%10 GG karışımı için 182,3 J/g olarak belirlenmiştir. Bu
değerlerden görüldüğü gibi saf SA içerisindeki GG bileşimi arttığı zaman erime
sıcaklıkları ve erime gizli ısıları azalmaktadır. Çizelge 4.3’de SA/GG kompozitleri
içerisindeki SA’nın erime sıcaklıkları saf haldeki erime sıcaklığı ile mukayese edildiğinde
çok az bir değişimin olduğu söylenebilir. Bu değişim; SA/%2 GG karışımı için; -2,1 oC,
SA/%4 GG karışımı için; -2,2 oC, SA/%7 GG karışımı için; -1,7 oC ve SA/%10 GG
karışımı için; -1,9 oC’dir. Ayrıca, her bir kompozit FDM için erime gizli ısılarındaki
değişim; SA/%2 GG karışımı için; % -1,0, SA/%4 GG karışımı için; % -2,42, SA/%7 GG
karışımı için; % -2,52, SA/%10 GG karışımı için; % -8,11’dir.
54
Şekil 4.16. Saf SA ve SA/%10 GG kompozit FDM’nin DSC eğrisi
Çizelge 4.3. Saf SA ve SA/GG karışımlarının ölçülen erime sıcaklıkları ve erime gizli
ısıları
Erime sıcaklığı (oC)
Erime gizli ısısı (kJ/kg)
Saf SA
68.8
198.4
SA/2%wt GG
66.7
196.4
SA /4%wt GG
66.6
193.6
SA /7%wt GG
67.1
193.4
SA /10%wt GG
66.9
182.3
FDM
SA’nın saf haldeki ve SA/GG karışımları içindeki erime sıcaklıkları ve erime gizli
ısıları karşılaştırıldığında; erime sıcaklıkları ve erime gizli ısılarındaki değişimin ısıl enerji
depolama uygulamaları için kabul edilebilir bir düzeyde olduğunu söylemek mümkündür.
55
5. SONUÇ VE ÖNERİLER
Bu çalışmada güneş enerjisiyle doğrudan veya dolaylı olarak bina ya da sera
ısıtılması, elektronik cihazların soğutulması, güneş destekli ısı pompası ile yüzey ısıtma ve
konutlarda sıcak su temini gibi bazı ısıl uygulamalarda enerjiyi faz değişimi yoluyla
depolayan bazı FDM’lerin ısıl iletkenliklerinin GG ve Kf ilavesiyle zenginleştirilmesi
incelendi. Bu amaçla parafin/GG, parafin/Kf, SA/GG ve SA/Kf kompozit karışımları
hazırlandı ve ısıl iletkenlikleri, ısıl-fiziksel özellikleri ve erime-katılaşma süreleri
belirlendi. Düşük ısıl iletkenliğe sahip FDM’ler yüksek ısı transfer hızı gerektiren GIED
uygulamalarında doğrudan kullanılamazlar. Isıl iletkenlik arttırıcı maddeler olarak içerisine
belirli oranlarda GG ve Kf ilave edilerek hazırlanan kompozit FDM’ler ısı kaynağından
sağlanan ısıyı daha hızlı bir şekilde iletme ve böylece ısıyı hızlı bir şekilde depolama ve
boşaltma avantajlarına sahiptirler. Bu amaçla, GIED uygulamaları için ısıl iletkenlikleri
iyileştirilmiş parafin/GG, parafin/Kf, SA/GG ve SA/Kf kompozit karışımları hazırlandı.
Deneysel çalışmalarda sırasıyla aşağıdaki sonuçlar elde edildi:
1. Hazırlanan parafin/GG, parafin/Kf, SA/GG ve SA/Kf kompozit karışımları için
gerçekleştirilen ısıl iletkenlik ölçümleri sonucunda, ilave edilen GG ve Kf miktarına bağlı
olarak ısıl iletkenliğin arttığı belirlendi. Bu sonuç kompozit karışımlar içerisindeki GG ve
Kf miktarıyla ısıl iletkenlik arasında doğrusal bir ilişkinin olduğunu göstermiştir. Isıl
iletkenlik arttırıcı olarak GG ve Kf’den eşit miktarda ilave edilerek hazırlanan kompozit
karışımların ısıl iletkenlikleri arasındaki fark, ısıl iletkenlik arttırıcının FDM ile fiziksel
olarak
uygunluğundan
ve
kompozit
karışımın
homojenlik
derecesinden
kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, her iki faktörün etkisi ne kadar yüksek ise ısıl iletkenlik
artışının da o derece yüksek olacağı sonucuna varılabilir.
2. Saf parafin ve SA içerisine GG ve Kf ilave edilmesiyle ısıl iletkenlikte meydana
gelen zenginleşme saf parafin, saf SA ve kompozit karışımlar içerisindeki parafin ve SA’in
erime ve katılaşma sürelerinin karşılaştırılmasıyla analiz edildi. Elde edilen erime ve
56
katılaşma sürelerindeki azalma parafin ve SA’nın GG ve Kf ilavesiyle ısıl iletkenlikteki
artışa paralel bulundu.
3.
Kütlece
farklı
oranlarda
GG
içeren
parafin/%2GG,
parafin/%4GG,
parafin/%7GG, parafin/%10GG, SA/%2GG SA/%4GG, SA/%7GG ve SA/%10GG
kompozit karışımlarının erime sıcaklıkları; 41.1, 41.0, 40.7, 40.2, 66.7, 66.6, 67.1 ve 66.9
o
C ve erime gizli ısıları; 192.6, 188.0, 181.9, 178.3, 196.4, 192.6, 193.4, 182.3 J/g olarak
belirlendi. Parafin ve SA’nın erime sıcaklığında çok az bir değişimin meydana geldiği ve
gizli ısısındaki azalmanın teorik olarak beklenenden daha az olduğu belirlendi.
4. Hazırlanan kompozit karışımların ısıl iletkenlikleri ve faz değişim gizli ısıları
enerji depolama amaçlı kullanılan bazı FDM’lerin (tuz hidratlar ve polialkoller gibi) gizli
ısılarıyla mukayese edilebilecek kadar yüksektir. Dolayısıyla, bu karışımlar GIED
uygulamalarında hızlı bir ısı transferi sağlama potansiyeline sahiptirler.
Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda GG ve Kf’in FDM’lerin ısıl iletkenliğini
arttırmak için uygun maddeler olduğu belirlendi. Enerji depolama sistemlerinde FDM’lerin
erime/katılaşması esnasında oluşan kondüksiyonel ısıl direncin ısı yükleme ve boşaltma
hızı üzerindeki etkisinin GG veya Kf ilavesiyle büyük oranda azaltılabileceği söylenebilir.
Özellikle hazırlanan kütlece %10 oranında GG ve Kf içeren kompozit FDM’ler erime gizli
ısılarında çok fazla bir azalma olmaksızın, artan ısıl iletkenlikleri bakımından GIED
sistemleri için oldukça uygundurlar. Fakat, bu kompozitlerin sahip oldukları ısıl-fiziksel
özelliklere bakılarak gerçek bir ısıl uygulamadaki performansı konusunda kesin bir yargıya
varılamaz. Bu nedenle, geliştirilen bu kompozit FDM’lerin gerçek bir GIED sistemindeki
performansı, yapılacak ileri bir çalışmayla ortaya konulmalıdır. Ayrıca, geliştirilen bu tür
FDM’lerin tekrarlanan erime katılaşma işlemleri sonrasında homojenliğinin bozulması (ısıl
iletkenlik arttırıcı ile FDM’nin ayrılması), GIED sistemlerinde uzun süreli performans
bakımından oldukça önemlidir. Bu nedenle, GG ve Kf ilavesiyle hazırlanan kompozit
FDM’lerin çok sayıda tekrarlanan erime/katılaşma işlemlerine maruz bırakılmalarıyla
meydana gelebilecek olası değişimlerin önceden belirlenmesi gereklidir.
57
KAYNAKLAR
ABHAT, A. 1983. Low temperature latent heat thermal energy storage: heat storage
materials. Solar Energy 30 (4): 313–331.
BAILEY, A. E., 1950. Melting and Solidification of Fats and Fatty Acids Interscience:
New York.
BANSAL, N.K., BUDHI, D., 1992. An Analyltical Study of Latent Heat Storage System
in a Cylinder. Energ. Convers. Manage. 33, 235-242.
BARAN, G., SARI, A., 2003. Phase change and heat transfer characteristics of a eutectic
mixture of palmitic and stearic acids as PCM in a latent heat storage system.
Energy Conversion and Management 44: 3227–3246.
BUDDHI, D., SAWHNEY, R.L., 1994. Proceeding of thermal energy storage and energy
conversion. School of energy and environmental studies. Devi Ahilya University.
Indore, India. February 24–25.
CABEZA, L.F., ROCA, J., NOGUES, M., ZALBA, B., MARIN, J.M. (2002).
Transportation and conservation of temperature sensitive materials with phase
change materials: state of the art. IEA ECES IA Annex 17. 2nd Workshop.
Ljubljana, Slovenia. April 4–5.
CARSLAW, H. S., JAEGER, J. C., 1959. Conduction of Heat in Solids, Cladendon
Press, Oxford
ÇENGEL, Y. A., 2003. Heat Transfer A Pratical Approach (Second Edition), McGrawHill
DAVIS W. R, 1984. Hot-Wire Method for the Measurement of the Thermal Conductivity
of Refractory Materials, in Maglić K D, Cezairliyan A, Peletsky V E, (Eds.)
Compendium of Thermophysical Property Measurement Methods, Vol. 1 Survey of
Measurement Techniques, New York, London, Plenum Pres
DİNÇER, İ., DOST, S., 1996. A perspective on Thermal Energy Storage Systems for
Solar Energy Applications. International Journal of Energy Research, 20 (6):
547-557.
DİNÇER, İ., 2002. "Thermal energy storage and phase-change materials", Course on
Porous
Media, 17-21 June, Evora, Portugal.
DIMAANO, R. M. N., ESCOTO, A.D., 1998. Preliminary assesment of a mixture of
capric and lauric acids for low temperature thermal enegy storage, Energy, 23 pp.
421-427.
58
DIMAANO, R. M. N., WATANABE, T., 2002. Performance investigation of the capric
and lauric acid mixture as latent heat energy storage for a cooling system, Solar
Energy, 72 pp.205- 215.
EREK AYTUNÇ, ACAR M. ALİ, 2003. D.E.Ü Mühendislik Fakültesi Fen ve
Mühendislik Dergisi 5. cilt 2. sayı
ETTOUNEY, H.M., ALATIQI, I., AL-SAHALI, M., AL-ALI, S.A., (2004). Heat
transfer enhancement by metal screens and metal spheres in phase change energy
storage systems. Renewable Energy 29: 841–860.
FERGUSON, R. H., LUTTON, E. S., 1941. The polymorphic forms or phases of
triglyceride fats. Chem. Rev. 29: 355–384.
FORMO, M. W., JUNGERMANN, E., NORRIS, F. A., SONNTAG, N. O. V., 1979.
Bailey’s Industrial Oil and Fat Products John Wiley & Sons: New York
FRUSTERI, F., LEONARDI, V., VASTA, S., RESTUCCIA, G., 2005. Thermal
Conductivity Measurement of a PCM Based Storage System Containing Carbon
Fibers. Appl. Thermal Eng. 25, 1623–1633.
FUKAI, J., MAKOTO, M., KODAMA, Y., MIYATAKE, O., 2000. Thermal
Conductivity Enhancement of Energy Storage Media Using Carbon Fibers. Energ.
Convers. Manage. 41, 1543–1556.
GARG, H.P., MULLICK, S.C., BHARGAVA, A.K., 1985. Solar Thermal Energy
Storage. Dordrecht, Holland: D. Reidel Publishing Co.
HALE, D.V., HOOVER, M.J., O’NEILL, M.J., 1971. Phase Change Materials Hand
Book, Report no. HREC- 5183-2LMSC-HREC D225138. NASA. Marshal Space
Flight Center. Alabama.
HASNAIN, S., 1998. Review on sustainable thermal energy storage technologies, part I:
heat storage materials and techniques. Energy Conservation and Management 39:
1127–1138.
HIMRAN, S., SUWONDO, A., MANSOORI, G., 1994. Characterization of alkanes and
paraffin waxes for application as phase change energy storage medium. Energy
Sources 16: 117–128.
HOOGENDOORN, C.J., BART, C.C.J., 1992. Performance and modeling of latent heat
stores. Solar Energy 48: 53–58.
İLKEN, Z., TOKSOY, M., 1991. “Two Dimensional Phase Change in a Finned Thermal
Energy Storage Unit.” TÜBİTAK, Doğa -Turkish Journal of Engineering and
Environmental Sciences 15(1): 17-28.
59
KAURANEN P, PEIPPO K, LUND PD. 1991. An Organic System with Adjustable
Melting Temperature. Solar Energy, 46 (5): 275-278.
KHAN, M.A., ROHATGI, P.K., (1994). Numerical solution to a moving boundary
problem in a composite medium. Numer Heat Transfer 25: 209–221.
KILKIŞ, B., KAKAÇ, S., 1989. "Importance of Energy Storage", Energy Storage
Systems, NATO ASI Series, Kluwer Academic Pub., The Netherlands.
KILIÇ A., ÖZTÜRK A. 1983. Güneş Enerjisi Kipaş basımevi, İstanbul 207.
KIMURA, H., KAI J., 1988. Mixtures of Calcium Chloride Hexahydrate with Some
Salt Hydrates or Anhydrous Salts as Latent Heat Storage Materials. Energy
Conversion and Management, 28 (3): 197-200.
LACROİX, M. (1993). Study of the heat transfer behavior of a latent heat thermal energy
storage unit with a finned tube. Int J Heat Mass Transfer 36: 2083–2092.
LANE, G. A., 1983. Solar Heat Storage: Latent Heat Materials, Vol. I. Boca Raton,
Florida: CRC Press.
LANE, G.A., 1989. Phase Change Thermal Storage Materials. In: Hand Book of Thermal
Design. In: Guyer, C., ed. McGraw Hill Book Co.
LIU, Z., SUN, X., MA, C., 2005. Experimental investigations on the characteristics of
melting processes of stearic acid in an annulus and its thermal conductivity
enhancement by fins. Energy Conversion and Management, 46 (6): 959-969
LUTTON, E. S., 1967. Fatty Acids: Their Chemistry, Properties, Production and Uses.,
Part 4. 2nd ed.; Markley, K. S., Ed.; Interscience: New York.
MALKIN, T., 1952. Progress in the Chemistry of Fats and Other Lipids Pergamon Press:
New York. Vol. 1.
PILLAI, K.K., BRINKWARTH, B.J., 1976. The storage of low grade thermal energy
using phase change materials. Applied Energy 2: 205–216.
PY, X., OLIVES, R., MAURAN, S., 2001. Paraffin/porous-graphite-matrix composite as
a high and constant power thermal storage material. International Journal of Heat
and Mass Transfer, 44 (14) 2727-2737
ROZANNA, D., CHUAH, T.G., SALMIAH, A., THOMAS CHOONG, S.Y., SA’ARI,
M., 2004. Fatty acids as phase change materials (PCMs) for thermal energy
storage: Review International Journal of Green Energy Vol:1 1-19.
60
SARI, A., KAYGUSUZ, K., 2002. Thermal performance of a eutectic mixture of lauric
and stearic acids as PCM encapsulated in the annulus of two concentric pipes. Solar
Energy 72(6): 493-504.
SARI, A., TARHAN S., KAYGUSUZ, K., 2005. Enerjiyi düşük sıcaklıkta gizli ısı olarak
depolayan kimyasal maddeler. Yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları
sempozyumu. Kayseri.
SHARMA, S. D., BUDDHI, D., SAWHNEY, R.L., 1998. Accelerated thermal cycle tests
of industrial grade phase change materials. Proc. National Solar Energy
Convention-97: Towards Commercialization of Clean Energy. Chennai. India.
Anna University: 73-77.
SHARMA, S. D., 1999. Study of thermal energy storage in phase change materials for low
temperature solar applications. Ph.D. Dissertation, Devi Ahilya University, Indore,
India.
SHARMA, A., SHARMA, S.D., BUDDHI, D., 2002. Accelerated thermal cycle test of
acetamide, stearic acid and paraffin wax for solar thermal latent heat storage
applications. Energy Conversion and Management 43: 1923-1930.
SHARMA, S. D., SAGARA, K., 2005. Latent Heat Storage Materials and Systems: A
Review. International Journal of Green Energy 2: 1-56
TÜBİTAK. 2003.Yenilenebilir enerji kaynakları platformu bölüm 6
TUNÇBİLEK K. 2005. Laurik-palmitik asit ötektik karışımının enerji depolama
karakteristiklerinin belirlenmesi, Yüksek lisans Tezi.
VELRAJ, R., SEENIRAJ, R.V., HAFNER, B., FABER, C., SCHWARZER, K., 1997.
Experimental analysis and numerical modelling of inward solidification on a finned
vertical tube for a latent heat storage unit Solar Energy, 60 (5): 281-290
VELRAJ, R., SEENIRAJ, B., HAFNER, B., FABER, C., SCHWARZER, K., 1998.
Heat transfer enhancement in a latent heat storage system. Solar Energy, 65: 171–
180.
WANG, X., LU, E., LIN, W., LIU, T., SHI, Z., TANG, R., WANG, C., 2000. Heat
storage performance of the binary systems neopentyl glycol/pentaerythritol and
neopentyl glycol/trihydroxy menthylaminomethane as solid phase change materials.
Energy Conservation and Management 41: 129-134.
WECHSLER A. E, 1992. The Probe Method for Measurement of Thermal Conductivity
in Maglić K D, Cezairliyan A, Peletsky V E, (Eds.) Compendium of
Thermophysical Property Measurement Methods, Vol. 2 Recommended
Measurement Techniques and Practices, New York, London, Plenum Pres
61
XIAO, M., FENG, B., GONG, K., 2002. Preparation and performance of shape-stabilized
phase change thermal storage materials with high thermal Conductivity. Energy
Conversion and Management, 43: 103-108.
YANG, W. J., 1989. "Thermal Energy Storage Systems and Their Dynamic Behavior",
Energy Storage Systems, NATO ASI Series, Kluwer Academic Pub., The
Netherlands.
ZALBA, B., MARIN J.M., CABEZA, L.F., MEHLING, H., 2003. Review on thermal
energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications.
Applied Thermal Engineering 23: 251-283.
ZHANG, J. J., ZHANG, J. L., HE, S. M., WU, K.Z., LIU, X. D., 2001. Thermal Studies
on The Solid-Liquid Phase Transition Binary System of Fatty Acids, Thermochim
Acta, 369 Pp.157-160.
62
ÖZGEÇMİŞ
1981 yılında Bergama’da doğdu. İlkokulu Hürriyet İlkokulunda, ortaokulu ve liseyi
Bergama Lisesinde bitirdi. 2000 yılında Gaziosmanpaşa Üniversitesi Fen-Edebiyat
Fakültesi Kimya bölümünü kazandı. 2004 yılında bu bölümden Kimyager ünvanı ile
mezun oldu. 2004 yılında Gaziosmanpaşa Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya
Anabilim Dalı Fizikokimya Bilim Dalı Yüksek Lisans Programına başladı. Halen Fen
Bilimleri Enstitüsü’ne bağlı olarak Kimya Bölümünde 50/d kadrosunda araştırma görevlisi
olarak görev yapmaktadır.

tc gaziosmanpaşa üniversitesi fen bilimleri enstitüsü kimya anabilim

Eurosan Yangın

ters ozmos sistemleri

hafta1 - İlker ÜNAL

DENEY-6

Karbondioksit

Ders6_1 - İlker ÜNAL

T.C. GAZİOSMANPAŞA ÜNİVERSİTESİ

Antrenörlük Eğitimi III

KİŞİSEL BİLGİLER Adı Soyadı Dr. Melek GÜRBÜZ Ünvan Biyolog

runkısı-ı AınLııNEs 0

MakerBot Teknik Özellikleri ve Kullanma Klavuzu için

Faz Diyagramları

tıklayınız - Çankırı Karatekin Üniversitesi

ısı konulu çalışma sayfaları

Çift K/J/T/E/N/R/S

iktisat tezli yüksek lisans programı ders içerikleri ı.yarıyıl ders

Ege Demirtaş Altan Türkeli

mal 201 ders uygulama belgesi 2014