KAPALI DEVRE BAKIR BORU VE LEVHALI TERMOSİFON AKIŞLI GÜNEŞ TOPLACININ ISIL ANALİZİNİN DENEYSEL VE ANALİTİK ARAŞTIRILMASI

Transkript

1 Osmagazi Üiversitesi Müh.Mim.Fak.Dergisi C.XVIII, S.1, 005 Eg&Arch.Fac.Osmagazi Uiversity, Vol..XVIII, No:1, 005 APAI DEVRE BAIR BORU VE EVHAI ERMOSİFON AIŞI GÜNEŞ OPACININ ISI ANAİZİNİN DENEYSE VE ANAİİ ARAŞIRIMASI Hayar ARAS 1, emal ANER ÖZE : Bu çalışmaa, Eskişehir ili şartlarıa termosifo akışlı, kapalı evre bakır boru ve levhalı güeş toplacı üzerie yapılmış teorik ve eeysel araştırmalara ait souçlar verilmiştir. çalışmaa ireç termometreler ile iç epo, ış epo, yutucu levha, toplaç giriş ve çıkış sıcaklıkları ölçülmüş ve akışı lamier oluğu varsayılarak, teorik ve eeysel verileri oğrulukları tartışılmıştır. ANAHAR EİMEER : ermosifo Akış, Güeş olektörü EXPERIMENA AND ANAYICA INVESIGAION OF HERMA ANAYSIS OF COSED OOP COPPER UBE AND PAE HERMOSYPHON FOW SOAR COECOR ABSRAC : I this stuy, the result of theoretical a experimetal researches which are oe o close loop copper tube a flat plate solar collector thermosypho flow i Eskisehir coitios are give. I the experimets, temperatures of iteral a exteral taks, absorber plate, collector ilet a outlet were measure a usig a lamiar flow assumptio a theoretical moel were compare to the experimetal measuremets. EYWORDS: hermosypho Flow, Solar Collector 1, OsmagaziÜiversitesi, Müheislik Mimarlık Fakültesi, Makia Müheisliği Bölümü, BatıMeşelik ampüsü, 80 Eskişehir

2 I.GİRİŞ Güeş eerjili su ısıtma sistemlerii e yaygı kullaılaı termosifo akışlı su ısıtma sistemiir. Sistem, üz toplayıcılara, yalıtılmış bir epoa ve buları bağlaya izolasyolu borulara ibarettir. Açık veya kapalı evreli oluğu gibi şebeke basıçlı veya atmosfer basıçlı a olabilir. oplayıcılara ısıa su geleşerek toplacı üst kısmıa epoya gier, yerii epou altıaki soğuk su alır. Güeş ışıımıı oluğu ve toplayıcı sıcaklığıı epo sıcaklığıa aha büyük oluğu müetçe sirkülasyo evam eer. Sirkülasyou olabilmesi içi gerekli toplayıcı sıcaklığı ile epo sıcaklığı arasıaki fark, toplayıcıı üst oktası ile epou alt oktası arasıaki mesafeye ve borularaki sürtüme kayıplarıa bağlıır. Yoğuluk farkıyla oluşa termosifo kuvveti sürtüme kuvvetie büyük oluğu süreç içerisie sirkülasyo evam eer[1]. ermosifo akışlı su ısıtma sistemi, Close u öcülüğüe, Gupta ve Garg ile Og tarafıa yapıla araştırmalara kou olmuştur [5]. amal [] oğal olaşımlı üzlem toplaçlı sıcak su üretim sistemlerii optimizasyou üzerie araştırmalar yapmıştır. Dizay kriteri olarak, epoaki ortalama su sıcaklığıı hesaplamalar soua maksimum olması alımıştır. Mısır-İskeeriye iklim şartlarıa epo yüksekliğii epo boyua eşit, epo izolasyouu 4-5 cm cam yüü, epo alt seviyesi ile toplaç üst seviyesi arasıaki mesafei sıfır, epoya giriş borusuu, epo üstüe epo boyuu %0 si kaar uzulukta bir mesafe kaar aşağıa ve öüş borusuu a epo altıa, epo boyuu %10 u uzulukta bir mesafe kaar üste bağlaması, toplaç ve bağlatı borularıı çapları, toplaç boru çaplarıa üç kat büyük olması ve optimum toplaç yalıtımıı 6-7 cm olması gerektiğii göstermiştir. Mertol [3] çalışmasıa Dutre, Cypers, Berghmas ve Dobbescher i, termosifo sistem içi hesaplaıkları, akışkaı sıcaklığa bağlı termofiziksel özelliklerii ve De Witer ı, çift akışkalı termosifo sisteme, ısı eğiştiricilerii sistem verimie etkisi koulu araştırmalara yararlamıştır. Shitzer [4] toplaç boruları boyuca sıcaklık ağılımıı, ebi eğerlerii eeysel olarak ölçmüş ve ölçüle eğerler ile teorik hesaplamalar arasıa %33 lük bir fark oluğuu tespit etmiştir.

3 II. EORİ ANAİZ Doğal olaşımlı sıcak su sistemlerii ısıl aalizi olukça karmaşıktır. Sisteme olaşa akışkaı ebisi; toplayıcı üzerie gele güeş ışıımı, toplayıcı ile epo arasıaki mesafe, sürtüme ve yerel kayıplar ile toplayıcı kostrüksiyou gibi çok sayıa eğişkee bağlıır. çalışmaı yapılığı termosifo akışlı üzlemsel toplacı şematik resmi Şekil 1. e verilmiştir. oplayıcı yatay üzlem ile 37 o eğimli ve tam güeye öük olarak yerleştirilmiş olup.x1.1 m boyutlarıa aet üz güeş toplacı ile iç içe iki epoa ve toplaç ile epo arasıa 5 mm çapıa toplam 4.7 m bağlatı borusua oluşmaktaır. oplaç kayıp katsayısı W/m ır. Sayam yüzey olarak, ışıım azaltma katsayısı 1/m ola 1x1 m boyutua ört aet pecere camı ve toplaç ile epo izolasyou sağlaması içi, ısı iletim katsayısı 0.0 W/m ola 10 cm kalılığıa cam yüü, kullaılmıştır. Yutucu levha olarak ısı iletim katsayısı 6 W/m ola 0. mm kalılığıa üzeri mat siyah boya ile boyamış levha kullaılmıştır Şekil 1. çalışmaı yapılığı termosifo sistemi şematik resmi

4 çalışmaa icelee toplacı yutucu levhası ve boruları levhaya bağlatıları Şekil e ki gibiir. Borular arasıaki mesafe a, yutucu levhaı kalılığı δ, efektif yutma geçirme çarpımı (τα) eff, toplaç üzerie üşe ışıım I, toplaç toplam ısı trasfer katsayısı, levha (yutucu yüzey) sıcaklığı, çevre sıcaklığı Ç, levhaı ısı iletim katsayısı k olmak üzere, y eksei boyuca sıcaklık ağılımı; Şekil. Düzlem toplaç yutucu levhası ( τα) eff. I ( Ç ) 0 y k. δ şeklie yazılır. Sıır şartları, y 0, Y 0, x Y a R b, x (1) ve b k.δ yazılarak, sıcaklık ağılımı; cosh( b. y) I cosh( by ) bx b a R Ç b a R, 1 cosh cosh ele eilir. ()

5 Boruya, her iki ya tarafıaki kaatta iletim ile geçe ve boruu irekt güeş ışıımıa yuttuğu eerjileri yazarak, birim yüzeye kazaıla fayalı ısı q f, [.( )].[.( )] qf b F a R I b, x Ç (3) hesaplaır. İfaeeki F kaat verim faktörü, b a R tah ( ) F b a R (4). (4) umaralı ifae ile tayi eilir. evhaa boruya geçe ısı akışıa, ireçler yazılacak olursa, q f bx, sx, r r r b i yukarıaki ifae ele eilir. Buraa, r b, r, r i sırası ile, birleştirme parçası, boru ciarı ve boru iç ireci, s,x ise x mesafesieki su sıcaklığıa karşılık gelmekteir. Bağıtıaki, x mesafesieki boru sıcaklığı b,x yok eilerek, q f [ I.( )] ' a. F., (6) S X ele eilir. İfaeeki F ı toplaç verim faktörü olup aşağıaki şekile ifae eilmekteir. 1 ' F (7) 1 a..( R ( a R). F) rb r ri x elemaıaki akışka kütlesii eerji egesi yazılarak, toplaç verim faktörü F ı ü ve toplaç toplam ısı trasfer katsayısı ı sabit oluğu kabulü ile, iferasiyel eklemi çözümüe x (levha boyu) koularak, su çıkış sıcaklığı, sç I ç I F A.. ( sg ç )exp(. ) (8) MC. olur ( s g su giriş sıcaklığı, A toplaç alaı). oplam fayalı eerji, M su akış ebisi, C p su ısıma ısısı olmak üzere; Q f M.C p.( s ç - s g ) (9) olur. Bu ekleme s ç çekilip 8 eklemie yerie yazılırsa, Q f A.F R [I- ( s g - s ç )] (10) P (5)

6 oplam fayalı eerji buluur. İfae (10) a verile F R toplaç ısı kazaç faktörü olup aşağıaki ifae ile hesaplaır. ' M. C P F.. A FR 1 exp( (11) A. M. CP oplayıcılara toplaa eerjii, toplayıcı üzerie gele alık güeş ışıımıa oraı toplayıcı verimi olarak tarif eilir ve alık toplayıcı verimi: η F.( τα) F.. P (1) t R eff R şeklie ifae eilir. P işletme oktası parametresi ise toplaç su giriş sıcaklığı, çevre sıcaklığı ve toplaca gele alık ışıımı foksiyou olarak (13) umaralı ifae ile hesaplaır. P sg ç (13) I lei [6] toplaç üstüe kaybola ısı içi aşağıaki bağıtıları geliştirmiştir (Bağıtılaraki s o cisie toplaç eğimiir.). Q Ü C Ü 4 4 ( c). Ak σ.( c ) Ak Nc 1 1 Nc fü N h N c r 005. c( 1 ) c N f c Ü f ( h h )( N ) ü r r c C Ü s 5.( s ) (16) hr V (17) Q A toplaç altıa kaybola ısı, i izolasyo kalılığı, k izo izolasyo malzemesii ısı iletim katsayısı, h a arka taraftaki taşıım ile ısı trasfer katsayısıa bağlı olarak; Q A A( c) i 1 k h izo a yazılır. oplaç kearlarıa ısı kaybı; A Ç toplaç yaal yüzeyi, h k kear yüzeyie çevreye taşıım ile ısı trasfer katsayısı yü yaal yüzey sıcaklığı olmak üzere aşağıaki ifae ile hesaplaır. Q h k A Ç.( yü - Ç ) (19) Souç olarak toplacı toplam ısı trasfer katsayısı, (0) umaralı ifae ile hesaplaır QÜ QA Q (0) A.( ) c c (14) (15) (18)

7 Depo ile çevre arasıaki ısı geçişi, siliirik epolara, epo ve çevre sıcaklıkları sırası ile ve c olmak üzere, D 1 1 h D.l D k izo i ile tayi eilir. İfaeeki, epou toplam ısı kayıp katsayısı, D ve D i epou izolasyolu ve izolasyosuz çapları, epou ış ya yüzeyieki taşıımla ısı kayıp katsayısı h ise, h 1. y c 05. hesaplaır. y epo ış yüzey sıcaklığı, takı boyua karşılık gelmekteir. Depo içieki ısı eğiştiricisii etkiliği ε ise ( g epo giriş sıcaklığı, ç epo çıkış sıcaklığı olmak üzere), g (1) () g c ε ( 3) hesaplaır. ılıç ve Öztürk [7] Bir zamaıaki epoaki suyu ortalama sıcaklığıı; t süre öceki sıcaklığı (,(-1) ) ve t süresice sisteme eerji girişii foksiyou olarak epo kayıpları ihmal eerek, 1 1 ( ) ( ) A I I A 1 ç ç 1. 1, 1, 1 (4) 1 ile hesaplamışlarır. İfaeeki A eğeri, MC. P A A. F.. ε. t R ır. Sisteme epo kayıpları göz öüe alıığıa, (5) 1 1 ( ) ( ) A B I I A 1 B ç ç 1. 1, 1 1 (6) D. AD B A. F..ε R yazılabilir (A D epo alaı). Hahe a allweit [8] epo sıcaklığıı, eeysel çalışmalarıa ele ettikleri sıcaklık eğerlerii kullaarak aşağıaki gibi taımlamışlarır. (7)

8 (, 1 ) ç ( A t) exp D. MC. P D ç ve eeysel yutucu yüzey, toplaç su çıkış, iç epo ve ış epo sıcaklıkları arasıaki Ortalama Mutlak Yüze Hatalar (MAPE) aşağıaki ifae yarımıyla hesaplamıştır. 1 ei MAPE Ý 1 M i Buraa; e i : hatayı temsil etmekte olup: C i ; hesaplaa eğer, M i ; ölçüle eğer olmak üzere e i C i -M i ve toplam gözlem sayısıır. (8) (9) III. DENEYSE VE EORİ VERİERİN ARŞIAŞIRIMASI Birici ve ikici eey içi teorik ve eeysel yutucu levha sıcaklıkları, toplaç su çıkış sıcaklıkları, iç ve ış epo sıcaklıkları sırası ile Şekil 3, Şekil 4, Şekil 5 ve Şekil 6 a verilmiştir. ermosifo akışlı güeş toplacıa ait teorik ve eeysel sıcaklıklar arasıaki ilişki Ortalama Mutlak Yüze Hatalar (MAPE) ; oplaç su çıkış sıcaklığı içi birici eeye , ikici eeye Yutucu levha sıcaklığı içi birici eeye ikici eeye Dış epo sıcaklığı içi birici eeye ikici eeye İç epo sıcaklığı içi birici eeye ikici eeye ise olarak hesaplamıştır Şekil 3. ve eeysel yutucu levha sıcaklıkları (1. ve. Deey)

9 Şekil 4. ve eeysel toplaç su çıkış sıcaklıkları (1. ve. eey) Şekil 5. ve eeysel içepo sıcaklıkları (1. ve. eey)

10 Süre, (Saat) Şekil 6. ve eeysel ış epo sıcaklıkları (1. ve. Deey) IV. SONUÇAR aaliz souçları ile eeysel veriler arasıa miimum %3 maksimum %7 lik bir hata görülmekteir. Bu hata oralarıı literatüre mevcut pek çok çalışmayla karşılaştırılığıa kabul eilebilir seviyelere oluğu görülür [-4, 6]. ve eeysel bulgular arasıa ortaya çıka farkı sebebi olarak, yutucu levhaya boruları tespitii kayakla yapılması gerekirke imkaları elvermemesi eeiyle yutucu levhaya boruları tellerle tespitii yapılması gösterilebilir. V. AYNAAR [1] A.Y. Uyarel ve E.S. Öz, Güeş Eerjisi Uygulamaları Emel Matbaacılık, Akara, [] W.A. amal, O optimizatio of aturally circulatig flat plate collector system imesios a operatig coitios, First Arab Eergy Coferece, -8 December 1983, uwait, pp:14-0 [3] A. Mertol a et al, Detaile loop moel aalysis of liqui solar thermosyphos with heat exchagers Solar Eergy, Vol.7, No.5, pp. 7-6, [4] A. Shitzer a et al. Experimets with a flat plate solar water heatig system i thermosyphoic flow, Solar Eergy, Vol., pp.7-35, 1979.

11 [5] H. Aras, apalı evre bakır boru ve levhalı termosifo akışlı güeş toplacıı ışıım ve ısıl aalizii eeysel ve aalitik araştırılması OGÜ Fe Bilimleri Estitüsü, Doktora ezi, 1996 [6] S.A. lei, Calculatio of flat plate collector loss coefficiets, Solar Eergy, Vol.17, pp.75-80, [7] A. ılıç ve A Öztürk, Güeş Eerjisi, ipaş Dağıtımcılık, İstabul, [8] E. Hahe a et al. Covectio effects o stratificatio urig chargig of a hot water store Eergy Storage Systems Fuametals & Applicatios, Jue 7-July 8, 1988, İzmir, pp