GUNES ENERJISI 3

“GÜNEŞ ENERJİSİ ve UYGULAMALARI” DERS NOTLARI - III
Yrd. Doç. Dr. Mesut ABUŞKA
GÜNEŞ ENERJİLİ SU ISITMA SİSTEM PROJELENDİRMESİ
Hesaplanacak Ayın Belirlenmesi: Mevsimler değiştiği için şehirlerin her ay sabit bir şebeke su
sıcaklıkları yoktur. Bunun önüne geçmek için, eğer sistem sadece yazın çalışacaksa Temmuz veya
Haziran, sistem sadece kışın çalışacaksa Aralık ya da Ocak, sistem dört mevsim çalışacaksa Nisan
ayı baz alınarak şehir şebeke suları belirlenir.
Toplam Su İhtiyacının Belirlenmesi: Harcanacak toplam su ihtiyacını belirlemek için mahalde
yaşayan toplam kişi sayısını belirlemek gerekmektedir. Bunu belirledikten sonra kişi başına
harcanabilecek günlük su tüketim miktarı ile kişi sayısı çarpılarak toplam tüketim miktarı bulunur.
Çeşitli yerler için su tüketim miktarları, lt/günkişi
Dahili sıcak su kullanımı olan birimlerde, sıcak su tüketim miktarı, tüketim birimindeki insanların
hayat standartları, alışkanlıkları, kültür ve eğitim düzeyleri ile ilişkili olmakla birlikte en önemli
gösterge ekonomik gelir seviyesidir.
Ekonomik gelir seviyesi
Dar gelir grubu
Orta gelir grubu
Üst gelir grubu
En üst gelir grubu
Kişi başına sıcak su tüketimi (lt/günkişi)
30-50
50-70
70-90
90-150
1
Kollektör yüzeyinin belirlenmesi:
Kollektör yüzeyinin belirlenmesinde; sistemden faydalanma zamanı (ay), istenen günlük sıcak su
miktarı, suyun sisteme giriş ve ulaşılması istenen üst sıcaklığı rol oynar. Sistemden hangi aylarda
faydalanılması düşünülüyorsa, bu aylardan yeryüzü radyasyon değeri (YYRA) en düşük olanı
Çizelge III.1’den bulunur. Bu aya ait eğik yüzeye (kollektör yüzeyine) gelen toplam radyasyon
(TRA) değeri hesaplanır.
Sıcak su enerji, ihtiyacı belirlendikten sonra, kollektör yüzeyi bulunur. Sıcak su enerji ihtiyacı;
Qsı = m x c x Δt kcal/gün
Formülde;
Qsı – Sıcak su enerji ihtiyacı (kcal/gün)
m – Isıtılacak su miktarı (l/gün)
Isıtılacak su miktarı, konutlarda 45 °C sıcaklık olmak üzere, 50 l/günkişi alınabilir. Endüstriyel
sistemler için işin özelliğine göre tespit edilir.
c – Suyun ısınma ısısı (kcal/kg°C), 1 alınabilir.
Δt – Kullanım suyu sıcaklığı ile suyun sisteme giriş sıcaklığı arasındaki fark (°C)
Kollektör yüzeyi: Fk = Qsı / TRA x η (m2)
Fk – Kollektör yüzeyi (m2)
Qsı – Sıcak su enerji ihtiyacı (kcal/gün)
TRA – Kollektör yüzeyine gelen güneş enerjisi miktarı (kcal/m2gün)
η - Kollektör verimi (%). Kollektörlerde ortalama verim %55-65 arasında alınabilir veya üretici
verileri kullanılabilir.
2
3
4
5
6
Örnek: Ankara’da 5 kişilik bir ailenin kullanım sıcak suyu, tabii sirkülasyonlu güneş enerjisi istemi
ile karşılanmak istenmektedir. Nisan ayından itibaren faydalanma düşünülen kollektörler binanın
çatısına konacaktır. Kollektör verimini %60 alarak gerekli kollektör yüzeyini belirleyiniz.
Çözüm: Önce kollektör yüzeyinin 1 m2’sine gelen güneş enerjisi miktarı bulunmalıdır. Bunun için
aşağıdaki adımlar izlenecektir.
1. Kollektör eğimi belirlenmelidir. Kollektörün yatay düzlemle yaptığı eğim açısı yaz
uygulaması için (Enlem-15) derecedir. Ankara’nın enlem derecesi yaklaşık 40°’dir. Buna
göre kollektörün eğim açısı (40-15) = 25° olur.
2. Aylık ortalama atmosfer öncesi (AÖRA) ve yeryüzü radyasyon (YYRA) değerleri, Nisan
ayı için Çizelge 3.1’den alınır.
AÖRA = 8222 kcal/m2gün,
YYRA = 4138 kcal/m2gün bulunur.
3. Bulanıklık faktörü (BUF) tespit edilir.
BUF = YYRA/AÖRA = 4138/8222 = 0,503’dür.
4. (YYRA) değerinin difüz (DİF) ve direkt (DİR) miktarları hesaplanır.
DİF = (1 – 1,097 x BUF ) x YYRA = (1 – 1,097 x 0,503) x 4138 = 1854 kcal/m2gün
DİR = YYRA – DİF = 4138 – 1854 = 2283 kcal/m2gün
5. Açı faktörleri tespit edilir. Direkt radyasyon açı faktörü (DİRAF) çizelge 3.2.’den bulunur.
Kollektör eğim açısı (Enlem-15) olduğundan;
DİRAF = 1,1 bulunur.
Difüz ve yansıtılmış açı faktörleri (DİFAF ve YAF) çizelge 3.3’den alınır. Kollektör eğimi
25° olduğu için,
DİFAF = 0,95
YAF = 0,05 ‘dir.
6. Yansıtma oranı (YAO) çizelge 3.4’den bulunur. Kollektör binanın çatısındadır. Buna göre;
YAO = 0,27’dir.
25° eğimli kollektör yüzeyine Nisan ayında gelen toplam radyasyon miktarı;
TRA = DİR x DİRAF + DİF x DİFAF + YYRA x YAO x YAF kcal/m2gün
TRA = 2283 x 1,1 + 1854 x 0,95 + 4138 x 0,27 x 0,05 = 4828 kcal/m2gün
7
Kollektör eğimi enlem derecesine eşit olsaydı TRA = 4185,
(Enlem+15) olsaydı TRA = 3864 kcal/m2gün bulunurdu.
Kollektör yüzeyinin bulunabilmesi için sıcak su enerji ihtiyacı belirlenmelidir.
Qsı = n x m x c x Δt = 5 x 50 x 1 x 30 = 7500 kcal/gün
Şebeke suyu sıcaklığı 15°C, kullanım suyu sıcaklığı 45°C, kişi başına günlük sıcak su
tüketimi 50 litre kabul edilmiştir.
Fk = Qsı / TRA x η = 7500 / 4328 x 0,6 = 2,88 m2
Nisan ayı için hesaplanan kollektör yüzeyi diğer aylar için de hesaplanmış ve toplu halde
aşağıda verilmiştir.
Ay
Nisan
Mayıs
Haziran
Temmuz
Ağustos
Eylül
Ekim
Kasım
Aralık
Ocak
Şubat
Mart
2,88 m2 koll. Yüzeyi ile
faydalanma oranı (%)
100
118
127
134
128
112
86
58
32
39
58
82
%100 faydalanma istenirse
gerekli kollektör yüzeyi, m2
2,88
2,42
2,25
2,13
2,23
2,55
3,34
4,93
8,72
7,34
4,93
3,5
Çizelgeden de görüldüğü gibi, nisan ayı için tesis edilen 2,88 m2’lik kollektör yüzeyi ile yılın altı
ayında faydalanma oranı %100 ve üzerindedir. Bütün aylarda %100 ve üzerinde faydalanma oranı
istenirse kollektör yüzeyleri çizelgedeki değerlerde olmalıdır.
Kollektör yüzeyinin, birçok hesaplama yapılmadan daha pratik bir biçimde belirlenmesinde,
bulunan yerin enlem derecesine göre aşağıdaki şekillerden faydalanılabilir. Şekiller sıcak su ihtiyacı
50-60 lt/günkişi kabul edilerek hazırlanmışlardır. Kollektörler tam güneye yönlendirilmiş olup eğim
açıları enlem derecesine eşittir.
8
9
Depolama Tankı Hacmi:
Depolama tankının hacminin hesaplanmasında günlük sıcak su tüketimi, tüketilen suyun sıcaklığı,
şebeke suyu sıcaklığı ve tanktaki maksimum su sıcaklığı rol oynar. Sayılan faktörlere bağlı olarak,
tankın hacminin hesaplanmasında aşağıdaki eşitlik kullanılır:
Vde = M (tk - tş) / (tü - tk) + (tk - tş)
Formülde;
: Depolama tankının hacmi (lt)
: (tk) sıcaklığında kullanma sıcak suyu ihtiyacı (l/gün)
: Kullanım suyu sıcaklığı (°C)
: Şebeke suyu sıcaklığı (°C)
: Suyun depolama tankında yükseldiği üst sıcaklık (°C). Bu sıcaklık 70°C kabul edilebilir.
Vde
M
tk
tş
tü
Kollektör yüzeyinin hesaplanması örneğinde 5 kişilik aile için depolama tankı hacmi;
M : 250 lt/gün
tk : 45°C
tş : 15°C
tü : 70°C
Vde = M (tk - tş) / (tü - tk) + (tk - tş) = 250 (45-15) / (70-45) + (45-15) = 136 lt
Diyagram yardımı ile sıcak su depolama hacminin belirlenmesi:
Isıtılan suyu depolamak için boyler veya akümülasyon tankı denilen depolama tankları
kullanılmaktadır. Boyler hesabı, kullanılan güneş kolektörü net ışınım alanı ile doğrudan orantılıdır.
Boyler hacmi kullanılacak güneş kolektörü tipine göre değişmektedir. Depolama tanklarının
kapasiteleri kollektör tipine ve kollektörün m2 sine göre belirlenir;




Bakır üzerine selektif yüzeyli; 60 litre/ m2
Bakır üzerine siyah boyalı; 55 litre/ m2
Alüminyum üzerine siyah boyalı; 50 litre/ m2
Galvanizli sac üzerine siyah boyalı; 40 litre/ m2
Sıcak su depolama hacminin belirlenmesi için aşağıda verilen diyagramlar da kullanılmaktadır.
10
11
Genleşme Deposu Hacmi:
Endirekt ısıtma sistemlerinde, kollektör devresinde genleşen suyun alınarak sistemin güvenliğinin
sağlanması gerekir. Bu amaçla açık genleşme deposu kullanılır. Genleşme deposunun hacminin
belirlenmesinde 1 m2 kollektör yüzeyi için yaklaşık 4 lt depo hacmi esas alınır. Kapalı genleşme
deposunun kullanıldığı sistemlerde deneysel olarak kollektör adedi x 3 lt hacim seçilebilir. Solar
sıvı kullanıldığında ise kollektör adedi x 2,5 lt alınabilir.
Pompa Gücü:
Güneş enerjili su ısıtma sistemlerinde kullanılan pompanın iki karakteristiği belirlenmelidir. Bunlar;
a- Pompanın debisi: pompanın debisi kollektörlerin 1m2 yüzeyinden saatte 60-80 lt suyu
devrettirecek kapasitede seçilebilir.
b- Pompanın gücü: Pompanın gücünü etkileyen başlıca faktörler;
-
Kollektörler ile depolama tankı arasındaki yükseklik (m)
Pompanın debisi (lt/s)
Kritik devredeki kollektör, boru ve bağlantı elemanlarındaki sürtünme kayıpları (mSS)
Bu faktörlere bağlı olarak pompanın gücü aşağıdaki eşitlikten;
N = Hm x Qp x g / η Watt
N
: Pompanın gücü (Watt)
Hm
: Toplam manometrik yükseklik (mSS)
Toplam manometrik yükseklik, depolama tankı ile kritik devredeki kollektör arasındaki yükseklik
ve sürütünme kayıplarının toplamıdır. Kritik devredeki sürtünme kayıpları toplam yüksekliğin %1015’i alınabilir.
Qp
: Pompa debisi (lt/s)
g
: Yerçekimi ivmesi (9,81 m/s2)
η
: Pompa verimi (%70-80 alınabilir)
güneşli sistemlerde, pompanın çalışması kollektör yüzey sıcaklığına bağlıdır. Pompanın çalışmasına
ilişkin diyagram şekil 5.18’de görülmektedir. Geceleri ve güneşin etkisinin olmadığı gündüzleri,
kollektör yüzey sıcaklığı, depolama tankındaki su sıcaklığından daha düşüktür. Bu durumda pompa
çalışmaz. Kollektör güneş gördüğünde, kollektör yüzey sıcaklığı yükselir ve pompa çalışır (şekilde
1 noktası). Pompa çalışır çalışmaz kollektör yüzey sıcaklığı ani bir düşme gösterir (2 noktası). 2
noktasındaki kollektör yüzey sıcaklığı ile depolama tankındaki su sıcaklığı farkı (Δtoff) büyük
olduğundan pompa durmaz. Bu noktadan sonra kollektör emici plaka sıcaklığı ve depolama tankı su
12
sıcaklığı birlikte yükselir. Güneş etkisini kaybetmeye başladığında kollektör yüzey sıcaklığı 3
noktasına düşer ve pompa bu sıcaklıkta durur. Pompa durduğunda kollektör yüzey sıcaklığı 4
noktasına ulaşır. Bu nokta ile depolama tankı su sıcaklığı arasındaki fark aralığından (Δton) küçük
olduğundan pompa çalışmaz. 4 noktasından sonra kollektör yüzey sıcaklığı sürekli düşer ve pompa
devre dışı kalır.
Ana Boru Çapları:
Ana boru çaplarının hesabında temel alınacak başlıca faktörler; borulardan geçecek su debisi (lt/s),
boru sürtünme kayıp katsayısı (yaklaşık 0,025) ve borulardaki basınç kaybı (mSS/m)’dir. Bu
faktörler dikkate alınarak ana boru çapları aşağıdaki eşitlikten yaklaşık olarak bulunabilir.
d = 60 x
mm
Formülde;
d
: Ana boruların çapı (mm)
Qp
: Pompa debisi (lt/s)
Örnek: Endüstriyel bir kuruluşun güneşli sıcak su hazırlama tesisi kollektör yüzeyi 10m2’dir.
Depolama tankı ile kollektörler arasında 15m yükseklik farkı bulunmaktadır. Buna göre; pompanın
debisini, gücünü ve ana boru çapını hesaplayınız.
Çözüm:
a. Pompanın debisi (Qp): Pompanın debisi kollektörlerin 1 m2’sinden saatte 60-80 lt suyu
devrettirecek kapasitede olacaktır. Bu değer 70 lt/m2h alınırsa;
Qp = 70 x 10 = 700 lt/h = 700 / 3600 = 0,194 lt/s
Toplam manometrik yükseklik (Hm) = 15+ 15 x 0,15 = 17,25 mSS’dur (boru sürtünme dirençleri
toplam yüksekliğin %15’i alınmıştır).
Bu değerlere göre;
b. Pompanın gücü
c. d = 60 x
N = Hm x Qp x g / η = 17,25 x 0,194 x 9,81 / 0,7 = 47 ≈ 50 W
= 60 x 0,194 0,4 = 31,13 ≈ 32 mm (1 ¼”)
13
PRATİK HESAP
Otel projelerinde oda başı 1 kollektör alınmaktadır. Kollektör başına 150-180 lt/gün sıcak su
üretimi kabul alınabilir (kollektör verimi dikkate alınmalıdır). Kişi başı 80 lt/gün alınabilir. Havuz
projelerinde; kapalı ise kollektör alanı havuz alanına eşit alınmakta, açık ise kollektör alanı havuz
alnının 1,5 katı alınmaktadır. Kollektör başına 3 m2 alan ihtiyacı kabul edilmektedir. Su hızı 2 m/s
alınabilir.
Örnek: 400 yataklı bir otelin;
65-80 lt/günkişi x 400 kişi = 32000 lt
Bir kollektörün 165lt sıcak su üretimi yaptığı kabul edilirse 193 adet kollektöre ihtiyaç vardır.
Dikkate alınan kollektörün (marka/modeline göre) 2 m2 olduğu kabul edilirse 386 m2 kollektör alanı
tespit edilir.
Pompa hesabı için kollektör birim yüzey debisi 45 lt/h alınabilir. Toplam kollektör alanı x 45 = 386
m2 x 45 lt/h x 10-3 = 17,37 m3/h (sistem debisi)
Basma yüksekliği için (20*25*18 m bina ölçülerinde)
Hm= 0,03 (a+b+c) + 1 (mSS)
A: Binanın eni
B: Binanın Boyu
C: Binanın yüksekliği
Hm= 0,03 (20+25+18) + 1 = 2,89 ≈ 3 mSS
14
Wilo-Star-STG
Yapı türü: Rakor bağlantılı ıslak rotorlu sirkülasyon pompası. Güç uyarlaması için önceden
seçilebilir devir hızı kademeleri
Uygulama: Solar ve jeotermal tesislerinde birincil devreler
Özellikler / ürün avantajları
 Güneş enerjisi ve jeotermik sistemlerde kullanım için özel hidrolik
 Montaj anahtarı yeri olan pompa gövdesi
 Yoğuşma suyu oluşumunda korozyonu önlemek için, kataforez (KTL) kaplama pompa
gövdesine sahiptir
Teknik özellikler
 İzin verilen ısı aralığı -10 °C ila +110 °C, kısa süreli işletimde (2 saat) azami +120 °C
 Elektrik şebekesi bağlantısı 1~230 V, 50 Hz
 Koruma sınıfı IP44
 Rakor bağlantısı Rp ½, Rp 1 ve Rp 1¼
 Maks. işletme basıncı 10 bar
Wilo-Stratos
Wilo-Stratos-Z
15
ISI BORUSU:
Isı borusunun ilk ortaya çıkışı, Perkins tarafından bulunan ve onun adıyla “Perkins tübü” olarak
adlandırılan sistemdir. Bu cihaz ilk defa on sekizinci yüzyıl ortalarında (1836) İngiltere’de
yapılmış, fitilsiz, yerçekimi destekli bir ısı borusudur. Buradaki ısı transferi, faz dönüşümü ile
sağlanmaktadır.Isı borusu fikri ilk olarak R.S.Gaugler tarafından 1942 yılında yapılan “ısı transfer
cihazı‘ çalışması sonucu ortaya çıkmıştır. Bu çalışmada ısı borusu terimi kullanılmasa da ısı
borusunun temeli bu çalışmaya dayanmaktadır. Gaugler yaptığı çalışmada ısı transfer cihazının
başlıca amacının “ısıyı absorbe etmesi bir başka deyişle buharlaşan sıvının yukarıdaki bir noktada
yoğuşması ya da çıkan ısıyı alarak sıvı üzerinde ek olarak hiç iş uygulamadan daha yukarıda
bulunan yoğuşacağı bölgeye taşımak” olduğunu belirtmiştir. Bu cihaz 1964‘e kadar çok az ilgi
görmüş olup, Grover ve meslektaşlarının Las Alamos National Laboratories‘ nda yaptıkları bir
araştırmanın sonucunda çıkardıkları yayınla birlikte ilk kez “ısı borusu” terimi de literatüre
girmiştir. Bu çalışmada Grover ısı borusunu “yüksek ısıl iletkenliğe sahip yapılar, daha önemlisi,
büyük miktarda ısı transfer edebilen düşük sıcaklık düşümlü cihazlar” olarak tanımlamıştır.
Isı boruları kapalı iki fazlı çevrim olarak çalıştıklarından ısı transfer kapasiteleri iyi iletkenlerle
karşılaştırıldığında çok daha fazladır. Isı borularında, buharlaştırıcıda ısı akışının artması sonucunda
çalışma akışkanı buharlaşır ve bu işlem sonucunda çalışma sıcaklığında bir değişim görülmez.
Böylece ısı borusu neredeyse izotermal bir cihaz gibi çalışır. Isı borularında bulunan buharlaştırıcı
ve yoğuşturucu bölümleri ısı borusundan bağımsız birer bölge şeklinde çalışırlar. Bu yüzden ısının
alındığı alan ısının atıldığı ortamdan farklı boyutlarda ve şekillerde olabilir. Burada önemli olan
husus buharlaştırılan sıvının yoğuşturulan sıvı oranını geçmemesidir. Bu özellik sayesinde ısı
borusu aracılığı ile çok küçük alanlardan çok büyük alanlara ısı akısı sağlanabilir. Buda elektronik
parçalarda ve sistemlerde ısı borusunun önemini artıran bir özelliktir. Son olarak termal tepkime
zamanı diğer ısı transfer cihazlarına göre çok daha düşüktür.
Isı borularında ise termosifondan farklı olarak fitil yapısı bulunur. Fitil yapısı sayesinde ısı borusu
içerisinde kapiler bir kuvvet oluşur ve oluşan bu kuvvet sonucunda yoğuşan buharın
buharlaştırıcıya dönmesi sağlanır. Bu sayede ısı boruları buharlaştırıcının pozisyonuna bağlı
olmaksızın farklı şekillerde çalışabilir.
Isı Borusu Çalışma Şekli
Isı boruları genel olarak; iç yüzeyinde kapiler fitil yapısı bulunan kapalı bir boru ya da farklı
şekillerde kapalı bölümlerden oluşur. Fitil yapısı başlangıçta sıvı fazda bulunan çalışma akışkanı ile
doymuş haldedir. Borunun kalan hacmi ise buhar fazında çalışma akışkanı içerir. Isı borusunun
16
buharlaştırıcı kısmından ısı girişi başladığında çalışma akışkanı buharlaşmaya başlar. Oluşan basınç
farkı sonucunda buhar buharlaştırıcıdan yoğuşturucuya doğru hareket eder. Borunun yoğuşturucu
kısmında çalışma akışkanı buharlaşma gizli ısısını düşük sıcaklıktaki ısı kaynağına bırakır.
Buharlaşma sonucu azalan çalışma akışkanı buharlaştırıcıdaki fitil yapısı üzerinde sıvı buhar ara
yüzü oluşmasına sebep olur. Oluşan bu ara yüzde kapiler basınç ortaya çıkar. Kapiler basınç
yoğuşturucuda yoğuşan çalışma akışkanını buharlaştırıcıya geri taşır. Böylece ısı boruları çalışma
akışkanının buharlaşma gizli ısısını buharlaştırıcıdan yoğuşturucuya sürekli olarak iletir. Bu döngü
ancak fitilin kuruması halinde son bulur.
Isı borusunun çalışma prensibinin temeli, çalışma akışkanın buharlaşması ve yoğuşmasına
dayanmaktadır. Bu bakımdan çalışma akışkanın uygun seçilmesi büyük önem taşır. Çalışma
akışkanının seçimi belirli kriterler göz önünde bulundurularak yapılmalıdır. Bunlar; çalışma
sıcaklığı aralığı, buhar basıncı, ısıl iletkenlik, fitil ve boru malzemesiyle uyumlu çalışabilme, zehirli
ve yanıcı olmama, kimyasal yapısında sıcaklıktan dolayı herhangi bir değişiklik olmaması ve uzun
dönemli çalışabilmesidir.
Uygulamada çalışma sıcaklıklarına göre ısı boruları üç sınıfa ayrılabilir. Bunlar:
a. Kriyojenik (çok soğuk) ısı boruları,
b. Oda (düşük) sıcaklık ısı boruları,
c. Yüksek (sıvı-metal) sıcaklık ısı boruları.
a) Kriyojenik (çok Soğuk) ısı boruları: 1-200 K sıcaklıları arasında çalışmak üzere tasarlanmış ısı
borularıdır. Çalışma akışkanı olarak Helyum, Argon, Neon, Nitrojen ve Oksijen kullanılmaktadır.
Bu tipte kullanılan çalışma akışkanının buharlaşma gizli ısısının ve yüzey geriliminin düşük
olmasından dolayı oldukça düşük ısı transferi kapasitesine sahiptirler.
b) Oda (düşük) sıcaklık ısı boruları: 200-700 K sıcaklıkları arasında çalışmaktadır. Çalışma
akışkanı olarak etanol, metanol, amonyak, su ve aseton kullanılmaktadır.
c) Yüksek (sıvı-metal) sıcaklık ısı boruları: 700 K ve üzeri sıcaklıklar arasında çalışmaktadır.
Likit metalin geniş yüzey gerilimi ve yüksek buharlaşma gizli ısısı özelliklerine bağlı olarak çok
yüksek ısı akışı elde edilmektedir. Yaygın olarak kullanılan sıvı metaller potasyum, gümüş ve
sodyumdur.
Isı borularında kullanılan boru malzemesinin görevi çalışma akışkanını ve fitil yapısını dış
ortamdan ayırmaktır. Bu yalıtım sebebi ile boru çeperlerinde basınç farklılıkları oluşmakta ve
çalışma akışkanı tarafından ısı transfer edilebilmektedir.
Boru malzemesi seçilirken aşağıdaki hususlara dikkat edilmelidir;
a) Uyumluluk (çalışma akışkanı ve çalıştığı çevre şartlarına olan uyumluluğu)
b) Isıl iletkenlik
c) Kolay üretilebilirlik
d) Gözeneklilik
17
FİTİLLER
Isı borusunda kullanılan çalışma akışkanının kondenserden, evaporatöre geri getirilmesini
sağlayacak kapilar basıncın oluşturulması gerekmektedir. Isı borularında bu işlem ısı borusu iç
cidarına yerleştirilen gözenekli yapı ile sağlanabilmektedir. Bu gözenekli yapı, bakır, pirinç, nikel,
alüminyum, paslanmaz çelik gibi ayrı bir malzemeden örülmüş, dokunmuş malzemeler olabileceği
gibi, pamuksu iplerden dokunmuş lifli malzemelerde olabilmektedir. Ayrıca, ısı borusu iç yüzeyine
mekanik olarak oluşturulmuş yiv seklinde veya toz metalürjisi ile üretilmiş gözenekli bir yapıda fitil
görevini yapabilmektedir. Fitil malzemesinin basta çalışma akışkanı ile uyumlu olması yanında,
çalışma akışkanını kısa zaman aralığında evaporatör bölgesine taşıyabilecek nitelikte olması istenir.
Fitil malzemesinden aranan özellikler şunlardır:
a. Yoğuşan iş akışkanının geri dönüsü için gerekli akış kesitini sağlaması,
b. Gerekli kılcal pompalama basıncının sağlanması için sıvı-buhar ara yüzeyinde gözeneklerin
oluşmasına imkân vermesi,
c. Sıvı-buhar ara yüzeyi ve ısı borusu iç yüzeyi arasında iyi bir ısı akısı sağlayabilmesi seklinde
sıralanabilir.
Boru malzemesinin gözeneksiz yapıya sahip olması durumunda ısı borusu içerisinde çalışma
akışkanının yayılması engellenir. Yüksek ısıl iletkenlik ise, ısı kaynağı ile fitil arasında minimum
sıcaklık düşümü olmasını sağlar. Aşağıda bazı çalışma akışkanları ile fitil ve boru malzemeleri
arasındaki uyumluluk bilgileri verilmektedir.
Çalışma akışkanı, fitil ve boru malzemesi uyumluluk bilgileri
RU: deneyimlere dayanarak tavsiye edilen; RL: literatüre göre tavsiye edilen; PC: muhtemelen
uyumlu; NR: tavsiye edilmez; NU: kullanılmaz; UK: bilinmiyor; GN: tüm sıcaklıklarda gaz
oluşumu; GNT: oksit oluştuğunda yüksek sıcaklıklarda gaz oluşumu
Isı borularında kullanılan fitil yapılarının temel olarak iki görevi vardır. Bunlardan birincisi
yoğuşturucuda yoğuşan çalışma akışkanın buharlaştırıcıya dönüşünün sağlanmasıdır. Fitil yapısının
diğer görevi ise çalışma akışkanın tüm buharlaştırıcı yüzeyine çevresel olarak dağıtılmasını
sağlamasıdır. Genel olarak etkin bir fitil yapısında olması gereken özellikler aşağıda belirtilmiştir.
1) Yüksek Kapiler Basınç: Etkili bir fitil yapısı küçük yüzey gözenekliliğini sağlayarak yüksek
kapiler basınç oluşturmalıdır.
2) Geçirgenlik: Sıvı akışına dik yönde geniş iç gözenekliliği sağlayarak sıvı akış direnci
düşürülmelidir.
3) Yüksek Isıl İletkenlik: Isı akışının gerçekleştiği fitil kalınlığı boyunca küçük sıcaklık düşümü
için aralıksız olarak ısıl iletkenliğin sağlanması gerekmektedir
18
Tüm bu gereksinimler göz önünde bulundurularak birçok çeşitte fitil yapısı geliştirilmiştir. Fitil
yapıları genel olarak iki sınıfa ayrılmıştır. Bunlar bir cins malzemeden üretilen homojen fitil
yapıları ve iki veya daha fazla malzemeden üretilen kompozit fitil yapılarıdır.
Homojen fitil yapıları:
Elek teli (gözenekli) yapısı: En yaygın kullanılan fitil yapısıdır. Yüzey gözenekliliğinin büyüklüğü
mesh sayısıyla ters orantılıdır. Mesh sayısı inch başına düşen gözenek sayısıdır.
Sinterlenmiş metal: Bu fitil yapısı, toz halindeki metal parçalarının ısı borusunun iç duvarına çelik
maça ile sıkıştırılmasıyla oluşmaktadır. Oluşturulan bu düzenek metal parçacıklar birbirlerine ve ısı
borusunun iç duvarına sinterlenene kadar ısıtılarak devam eder.
Sinterlenmiş metal fitil yapısı
Aksiyal yiv fitil yapısı
Aksiyal yiv: Aksiyal yivli fitil yapısı, ısı borusu iç yüzeyine ekstrüzyon ya da diş açma yoluyla
oluşmaktadır. Yiv yapısı olarak kullanılan ya da önerilen birkaç farklı form bulunmaktadır. Bunlar
dikdörtgen, üçgen, ikizkenar yamuk veya yaklaşık olarak dairesel kesit alanına sahip olan
formlardır. Aksiyal yiv yapısı, yüksekliğin çok fazla olmadığı uygulamalarda oldukça verimlidir
Paralel ve yarım ay şeklinde fitil yapıları: Bu yapılar sıvı akışı için düşük direnç gösterirler fakat
ısı akışı için yüksek dirence sahiptirler. Çalışma akışkanı sıvı fazdayken ısıl iletkenlikleri düşüktür.
Arter fitil yapısı: Arter fitil yapısında ısı borusunun iç yüzeyi elek teli veya sinterlenmiş metal
yapısı ile kaplanmıştır. Bunun yanında içi boş olarak şekil verilmiş, fitil boyunca devam eden ve
fitile temas eden bir fitil yapısı daha bulunmaktadır. Yoğuşan çalışma akışkanı bu içi boş olan fitil
yapısında toplanarak buharlaştırıcıya geri döner.
Homojen fitil yapıları
19
Kompozit fitil yapıları:
Kompozit gözenek fitil yapısı: Bu fitil yapıları farklı gözenek büyüklüğüne sahip iki elek teli
yapısının bir araya gelmesiyle oluşur Böylece yoğuşturucuda yoğuşan sıvı bu fitil yapısından geri
döner.
Elek teli kaplı yiv yapısı: Bu fitil yapısı, homojen fitil yapılarında bulunan aksiyal yivli fitil
yapısına, tek sarımlı ve küçük yüzey gözenekliliğine sahip elek teli yapısı ile kaplanması sonucu
meydana gelir.
Levha fitil yapıları: Levha fitil yapısını oluşturan iki farklı fitil yapısı bulunmaktadır. Bunlardan
keçe ya da birkaç katlı elek teli yapısının birleşmesiyle meydana gelen şekil olarak dikdörtgen kesit
alanına sahip çubuk şeklinde olan ve genişliği buhar akış kanalının çapına eşit olan yapı borunun
dairesel kesit alanın ortasına gelecek şekilde yerleştirilmiştir.
Tünel fitil yapısı: Tünel fitil yapısında da keçe ya da birkaç katmandan oluşan ve çapı ısı
borusunun iç çapından daha küçük olan boru şekli verilmiş yapı bulunmaktadır. Boru şeklindeki bu
yapı levha şeklindeki fitiller ile desteklenerek ısı borusunun eksenine yerleştirilir.
Kompozit fitil yapılar
ISI BORUSU ÇEŞİTLERİ: Isı borusunun en basit olarak bilinen formu boru şeklinde olanıdır.
Bununla birlikte boru formundan farklı olarak çok çeşitli yapılarda ısı boruları da bulunmaktadır.
Çalışma koşulları dikkate alınarak farklı dizaynlar gerçekleştirmek mümkün olmaktadır. Farklı
tipteki bu ısı borularını aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür.
I. Konvansiyonel ısı boruları
II. Mikro ısı boruları
III. Atımlı ısı boruları
IV. Dönen ısı boruları
V. Döngü şeklinde çalışan ısı boruları
VI. Sorpsiyonlu ısı boruları
VII. Değişken iletkenlikli ısı boruları
20
Atımlı ısı borusu
Dönen ısı borusu
Döngüsel ısı borusu
21
Isı borulu fotovoltaik PV-T (photo voltaic termal) kollektör
22
Isı borusunda sıcaklık dağılımı
Isı borusunda sıvı ve buhar basınç dağılımı
ISI BORUSUNA KONULACAK AKIŞKAN MİKTARI
Isı borusu içerisine konulacak akışkan miktarının oranı çok önemlidir. Eğer gereğinden az akışkan
konulursa, sistemin çalışması sürecinde akışkanın tamamı buharlaşıp kabın içerisini doldurur. Bu
durumda evaporatör kısmında sıvı kalmayacağı için sistemin çalışması kesintiye uğrar. Isı borusu
yüzeyi de aşırı ısınıp zarar görebilir. Fitilli ısı borularında bu olay fitilin kuruması olarak ifade
edilir. Gereğinden fazla akışkan konulması durumunda ise özellikle yerçekimi destekli ısı
borularında karşılaşılan taşma limiti ile karşılaşılır.
Termosifon tipi ısı borularında, ısı borusuna konulacak akışkan miktarı hakkında birçok araştırmada
değişik göstermekle birlikte toplam hacmin % 15-22’si oranında olabileceği veya evaporatör
hacminin %50’si oranında akışkan konulması uygun görülmektedir.
23
ISI BORUSUNUN PERFORMANSI: Isı borusunun performansı, çoğunlukla, eşdeğer ısı
iletkenliği cinsinden ifade edilir. İyi bir ısı borusunun, aynı çaptaki dolu bakır çubuğun boyunca
iletebildiği ısının birkaç bin mislini, aynı yönde iletebildiği belirtilmektedir. Isı borusunun güç
iletme kapasitesi çok yüksektir. 1500°C’de çalışan ve akışkan olarak lityum kullanan ısı boruları,
eksenel olarak 10 ile 20 kW/cm2’lik ısı taşırlar. Isıtma akışkanın ve kap malzemelerinin uygun
seçilmesi ile 4 K ile 2300 K arasındaki sıcaklıklardaki kullanım için ısı borusu imal edilebilir.
Birçok uygulamalar için, silindirik şekilli ısı boruları kullanılır. Özel şartları karşılamak için de
farklı ısı boruları geliştirilebilir.
ISI BORULARININ ÇALISMASINI SINIRLAYAN FAKTÖRLER
Isı borusu tasarımındaki en önemli kriter, ısı borusunun transfer edebileceği ısı miktarıdır. Isı borusu
birkaç W’ tan birkaç KW’ a kadar ısı taşıyabilecek şekilde tasarlanabilir. Ancak ısı borularının da
taşıyabilecekleri ısı yükü sınırlıdır. Bu limitler; viskoz, ses, kılcal pompalama, köpürme ve kaynama
limitleri olarak sıralanmaktadır. Bu limitlerin her biri fitil yapısına, iş akışkanına, sıcaklığa, ısı
borusunun konumuna ve boyutlarına bağlıdır. Isı borularının çalışmalarını kısıtlayan bu faktörlerle ilgili
olarak çok sayıda çalışma yapılmıştır.
ISI BORUSUNUN UYGULAMA ALANLARI
a. Uzay araçlarında sıcaklık kontrolü,
b. Elektronik cihazların soğutulması,
c. Boru sisteminin stabilize edilmesi,
d. Atık ısıların tekrar kullanılmasında,
e. Jeotermal enerjinin kullanılması,
f. Enerji depolama,
g. Makine elemanlarının soğutulması,
h. Taşıtlarda iç ısıtma,
i. Gaz türbini jeneratörlerinde ısı transfer elemanı olarak kullanılması,
j. Taşıtların iç ısıtmalarında egzozdan faydalanılması,
k. Uçakların fren sistemlerinin soğutulması,
l. Elektronik cihazların soğutulmasında,
m. Otoyol ve köprülerin ton tehlikesine karsı korunmasında,
n. Bacalardaki atık ısının geri kazanılmasında,
o. Nükleer santrallerin soğutulmasında,
p. Lazer aynalarının soğutulmasında,
q. Fırınların ısıtılmasında, tava ve tencerelerin homojen ısıtılmasında,
r. Güneş enerjisinde ve birçok alanlarda uygulanmaktadır.
ISI BORUSUNUN AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLARI
a) Avantajları
a. Hareketli parçaları yoktur, bundan dolayı sessiz çalışırlar.
b. Her iki gaz tarafında da genişletilmiş yüzeyler kullanılabilir.
c. Konstrüksiyonu basittir.
d. Kullanım esnekliğine sahiptir.
e. Düşük sıcaklık düşümüyle önemli mesafeye yüksek miktarda ısı transfer kabiliyetine sahiptir.
f. Kontrol edilebilirliği iyidir.
g. Dış pompa gücü gerektirmez.
b) Dezavantajları
a. Düşük basınçlı gazlar için uygundur.
24

Download Report