Kutu Tipi Güneş Enerjili Pişirme Sistemlerinin Karabük Şartlarında Kullanılabilirliğinin Deneysel Olarak Đncelenmesi

Transkript

1 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi, 11(2), 28 4 KSU Journal of Science and Engineering, 11(2), 28 Kutu Tipi Güneş Enerjili Pişirme Sistemlerinin Karabük Şartlarında Kullanılabilirliğinin Deneysel Olarak Đncelenmesi Emrah DENĐZ, Kemal ATĐK Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, Karabük Geliş Tarihi: Kabul Tarihi: ÖZET: Güneş enerjisi çeşitli üstünlüklerinden dolayı üzerinde yoğun çalışmaların sürdürüldüğü alternatif enerji kaynakları arasındadır. Bu enerji kaynağı ısıl uygulamalarda kullanılarak enerji elde etmek amacıyla farklı yapı ve özelliklerde sistemler geliştirilmiştir. Güneş enerjili pişirme sistemleri de bu amaçla kullanılan sistemler arasındadır. Yapılan çalışmada, güneş enerjili pişirme sistemlerinin Karabük şartlarında kullanılabilirlikleri araştırılmıştır. Bu amaçla bir adet ısı kutusu tipi güneş enerjili pişirme sistemi imal edilerek Karabük şartlarında denenmiştir. Deneylerde çeşitli yiyecekler pişirilmiş ve Karabük şartlarında güneş enerjili pişirme sistemlerinin kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Anahtar Kelimeler: Güneş Fırını, Karabük, Güneş Enerjisi. Experimental Investigation of The Employability of Box Type Solar Cookers in Karabuk ABSTRACT: Solar energy is one of the alternative energy sources which attract more attention due to its various advantages over the other alternative energy sources. This energy source is used via various systems which have different structure and properties. Solar cookers are one of these systems. In this study employability of solar cookers in Karabuk was investigated. For this purpose, a box type solar cooker was made and tested in Karabuk weather conditions. Several types of food were cooked in the experiments and it was concluded that solar cookers can be used in Karabuk. Keywords: Solar Cooker, Karabük, Solar Energy. GĐRĐŞ Ülkemiz, coğrafi konumu nedeni ile sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli açısından diğer pek çok ülkeye göre daha iyi bir konumdadır. Türkiye dünya üzerinde güneş ışınlarının geliş açısına bağlı olarak yararlanma imkânının oldukça yüksek olduğu güneş kuşağı üzerinde yer almaktadır. Güneş kuşağının bu kesimi, iyi güneş almakla birlikte, mevsim değişikliklerinin alt sınırda az, üst sınırda çok etkili olduğu bir bölgedir. Meteorolojik gözlemlere dayalı olarak, Türkiye'nin yıllık güneşlenme süresi 269 saat olup maksimum ve minimum süreler Temmuz 362 saat, Aralık 98 saattir. Güneşlenme süresi yönünden en zengin bölgeler sırası ile Güney Doğu Anadolu 316 saat, Akdeniz 2923 saat, Ege 2726 saat, Đç Anadolu 2712 saat, Doğu Anadolu 2693 saat ve Marmara 2528 saattir. En düşük değer ise 1966 saat ile Karadeniz Bölgesidir (E.Đ.E.Đ. 26). Günümüz güneş enerjisi kullanma sahalarını; sıcak akışkan hazırlama, kurutma, damıtma, elektrik üretme ve pişirme şekilde sıralayabiliriz. Güneş enerjisi ile pişirme maksadıyla kullanılan sistemlere güneş fırınları veya güneş enerjili pişirme sistemleri adı verilir. Günümüzde güneş enerjili pişirme sistemleri verimlerinin arttırılabilmesi ve kullanımının yaygınlaştırılmasına yönelik çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Nahar (21), çift aynalı yalıtımlı güneş enerjili pişirme sistemi ile tek aynalı yalıtımsız güneş enerjili pişirme sisteminin performanslarını deneysel olarak karşılaştırmak için çeşitli yiyecekler pişirerek yaptığı çalışmasında her iki sistemde de pişirme işleminin başarılı bir şekilde gerçekleştiğini ancak yalıtımlı güneş enerjili pişirme sisteminin daha verimli olduğunu tespit etmiştir (Nahar, 21). Esen (24), ısı borulu kollektör ilave ettiği güneş enerjili pişirme sistemini Elazığ ili şartlarında pirinç, makarna, patates, tavuk, yumurta ve çay pişirerek test etmiş ve pişirme zamanında iyileştirme sağladığını savunmuştur (Esen, 24). Kurt (26), kutu tipi bir güneş enerjili pişirme sisteminin verimini üç farklı su miktarı için incelemiş ve fırın veriminin su kütlesine bağlı olarak değiştiği sonucuna varmıştır (Kurt, 26). Yapılan çalışmada ise, güneş enerjili pişirme sistemleri üzerinde durulmuş ve Karabük şartlarında kullanılabilirliği araştırılmıştır. Deneylerde ölçülen veriler ve deneyler sonrasındaki yiyeceklerde meydana gelen pişme miktarları tespit edilerek güneş enerjili pişirme sistemlerinin Karabük şartlarında kullanılabilirliği hakkında yorumlar yapılmıştır. GÜNEŞ ENERJĐLĐ PĐŞĐRME SĐSTEMLERĐ VE UYGULAMALARI Güneşli pişiriciler günümüze kadar çok sayıda araştırmacının ilgisini çekmiş ve çalışmaların yapıldığı bir konu olmuştur. Tüm dünyada farklı tiplerde güneşli pişiriciler geliştirilmiş ve test edilmiştir. Güneşli pişiriciler: Odaklamalı tip pişirici, (odaklamasız) yoğunlaştırıcı tip pişirici ve kutulu tip pişirici (fırın) olmak üzere üç ana sınıfa ayrılabilir (Nahar, 21; Binark and Türkmen, 1996). Kutu tipi güneş enerjili pişirme sistemleri basit yapıya sahip oluşu, kullanım ve bakım kolaylığının yanında daha kısa pişirme zamanı

2 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi, 11(2), KSU Journal of Science and Engineering, 11(2), 28 gibi üstün özelliklerinden dolayı diğer modeller arasında en fazla tercih edilen model olmuştur (Guar et al. 1999). Kutu tipi güneş enerjili pişirme sistemlerinin temel prensibi güneş ışınımının yalıtılmış bir kutuda toplanmasıdır. Kutunun üst yüzeyi güneş ışınımını geçirme oranı yüksek saydam malzeme ile örtülmüştür. Saydam örtüye doğrudan gelen ışınıma ek olarak kutunun bir ya da birden fazla tarafına yerleştirilen yansıtıcılar ile de güneş ışınımının yüksek miktarlarda kutuya gelmesi sağlanır. Böylelikle birim yüzeyden daha fazla enerji elde edilmiş olur. Kutu tipi güneş enerjili pişirme sistemlerinde pişirme kapları kutu içine yerleştirilmiş olan yutucu yüzey üzerine konur. Malzeme olarak ısı iletim katsayısı yüksek olanlar tercih edilir. Isı kaybını önlemek için yutucu yüzeyin altına alt ve yan yüzeylerden olan ısı kaybını önlemek için yalıtım malzemesi yerleştirilir. Üst yüzeyden olan ısı kaybını engellemek için ise saydam örtü kullanılır. Güneş enerjili pişirme sistemlerinin, akşam saatlerinde yemek pişirmek için ısı depolama olanağının bulunmaması, kır koşullarına dayanıklı ve güvenilir olmamaları, toplumlarca yaygın olarak benimsenmemeleri yüzünden, günümüzde başarılı oldukları söylenemez (Öztürk, 26; Tırıs ve ark., 1997). MATERYAL ve METOD Sistem Özellikleri Yapılan bu çalışmada kullanılan güneş enerjili pişirme sistemine Yonca Güneş Fırını adı verilmiştir. Yonca güneş fırını dikdörtgen yapıda kenarlarında alüminyum yansıtıcıları bulunan bir ısı kutusundan oluşmaktadır. Şekil 1 de yonca güneş fırını kaplanmıştır. Isı kutusu, fırında kullanılan pişirme kaplarının rahatlıkla girebileceği bir biçimde yan tarafından kapaklı olarak imal edilmiştir. Ayrıca, kapak iç kısmı ısı kaybını en aza indirmek amacıyla cam yünü ile kaplanmış ve kapaktan hava akımını önlemek amacıyla lastik fitiller kapağın çevresine monte edilmiştir. Pişirme işlemlerinde kullanılmak üzere galvanizli sac malzemeden 2 lt. hacminde bir adet pişirme kabı imal edilmiştir. Đmal edilen güneş enerjili pişirme sisteminde 42x42cm boyutlarında, kare biçiminde olmak üzere 3 adet düz yansıtıcı kullanılmıştır. Yansıtıcılar; sunta malzeme üzerine alüminyum folyo kaplanmak suretiyle imal edilmiştir. Yine bu yansıtıcılar, fırın çevresini saran ahşap malzemeye yansıtıcıların açılarının ayarlanması amacıyla menteşeler yardımıyla sabitlenmiştir. Güneş Fırını Verimi Güneşli pişiricilerin güneş ışınımından kazandığı ısıl güç miktarı aşağıdaki eşitlikten hesaplanmıştır. E i =I t.a sc (1) Bu eşitlikte; E i : Güneşli pişiricinin ısıl güç girdisi (W) I t : Birim yüzey alanına güneşten gelen ısıl güç (W/m 2 ) A sc : Güneşli pişiricinin yüzey alanı (m 2 ) verilmiştir. Güneşli pişiricilerden kazanılan ısıl güç aşağıdaki eşitlikten hesaplanmıştır. E o = [m w.c pw.(t wf -T wi )/ t] (2) Bu eşitlikte; E o m w : Güneşli pişiricinin ısıl gücü (W) : Su kütlesi (kg) c pw : Suyun özgül ısısı (J/kg K) t : Süre (s) T wi :Suyun başlangıç sıcaklığı ( C) ve : Suyun son sıcaklığıdır ( C) dır. T wf Şekil 1. Yonca güneş fırını Isı Kutusu, pişirilecek yemeğin içerisine konulduğu ve pişirme işleminin yapıldığı yerdir. Yonca güneş fırını dış mahfazası 38x38 cm ve iç yüzey ölçüleri 3x3 cm boyutlarında, fırın içi yüksekliği ise 22 cm olmak üzere iç hacmi 19.8 lt. olarak imal edilmiştir. Dış mahfaza ile iç yüzey arası cam yünü kaplanarak yalıtılmıştır. Fırın iç yüzeyi, gelen güneş ışınımlarını tabana yansıtması amacı ile alüminyum folyo malzemesi ile Eşitlik 2 de verilen t değeri.5 saat olarak alınarak anlık verim hesaplamaları yapılmıştır. Güneşli pişiricinin ısıl etkinliği, pişiriciden kazanılan ısı gücünün, pişiricinin yüzeyine güneş ışınımından gelen ısıl güce oranı olarak tanımlanabilir. Bu durumda, güneşli pişiricinin ısıl etkinliği (η, %) aşağıdaki gibi belirlenir (Öztürk, 24; El-Sebaii and Đbrahim, 25). ÇikanIsı gücü E [ m w.c pw. ( Twf Twi )/ t] o η = = = (3) GirenIsı gücü E i I.A Deneyler Hazırlanan güneş enerjili pişirme sistemi aynı şartlara maruz olmak üzere, ve t sc

3 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi, 11(2), KSU Journal of Science and Engineering, 11(2), 28 tarihleri arasında 5 gün süreyle Karabük ilinde denenmiştir. Sistem anlık verimleri ise, , , tarihlerinde sistem içerisine sırası ile.5, 1 ve 1.5 litre su konularak deneylere devam edilerek belirlenmiştir. Pişirme deneylerinde sistem güney istikametinde monte edilmiş ve deneylere saat 1: da başlanmıştır. Deneylere her yarım saatte ölçüm yapılarak devam edilmiş ve 16: da sonlandırılmıştır. Deneyler esnasında, yataydaki ve emici plaka üzerindeki güneş ışınım şiddetleri ile sistemin taban sıcaklığı, pişirme kabının içindeki sıcaklık ve dış ortam sıcaklığı ölçülmüştür. Bunların yanında deneylerin yapıldığı ortamdaki rüzgâr hızı da ölçülmüştür. Deneyler esnasında yapılan ölçümlerde toplam ışınım değerini gösterebilen ±%3 toleransa sahip Haenni, Solar 118 güneş ışınım şiddeti ölçüm cihazı kullanılmıştır Bu cihazdan alınan değerler W/m 2 cinsinden kaydedilmiştir. Sistem üzerindeki noktalardaki sıcaklıklar ve dış sıcaklık, on iki kanallı ±1 C toleransa sahip Elimko sıcaklık ölçüm cihazıyla ve rüzgâr hızı ölçümleri ±2% toleransa sahip Lutron AM-426M anemometre kullanılarak yapılmıştır SONUÇLAR ve TARTIŞMA Deneylere başlamadan önce fırın üzerinde ölçüm yapılacak noktalar belirlenmiş ve bu noktalara, ölçülen sıcaklık değerinin ölçüm cihazına iletimini, en az kayıplarla sağlayacak şekilde ısıl çiftler yerleştirilmiştir. Sistemden her yarım saatte bir alınan veriler kaydedilerek gerekli deneysel veriler elde edilmiştir. Deneylerde fırının daha verimli çalışması amacıyla, yansıtıcılar her yarım saatte bir güneş ışınım yönüne göre ayarlanmıştır. Yonca Güneş Fırını nda pişirilen yemekler Şekil 2 de Birinci gün yapılan deneyde, 4 adet (2 gr) yumurta.75 lt. su içerisine konularak ölçümler yapılmıştır. Yapılan ölçümlerden elde edilen sonuçlar Şekil 3 deki grafikte : 1:3 11: 11:3 12: 12:3 13: 13:3 14: 14:3 15: 15:3 16: Şekil 3. Kaynatılan yumurtaların deneysel sonuçları Đkinci gün, 15 gr fiyonk makarna.75 lt su içerisine konularak deneysel ölçümler yapılmıştır. Yapılan ölçümlerden elde edilen sonuçlar Şekil 4 deki grafikte : 1:3 11: 11:3 12: 12:3 13: 13:3 14: 14:3 15: 15:3 16: Şekil 4. Pişirilen makarnanın deneysel sonuçları Üçüncü gün, 57 gr (3 adet) patates 1,25 lt su içerisine konularak ölçümler yapılmıştır. Yapılan ölçümlerden elde edilen sonuçlar Şekil 5 deki grafikte Şekil 2. Deneylerde pişirilen yemekler : 1:3 11: 11:3 12: 12:3 13: 13:3 14: 14:3 15: 15:3 16: Şekil 5. Patatesin haşlanmasının deneysel sonuçları

4 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi, 11(2), KSU Journal of Science and Engineering, 11(2), 28 Dördüncü gün, 4 tas içerisinde hazırlanmış toplam 6 gr. ağırlığında tas kebabını pişirmek amacıyla yapılan deney esnasında ölçümler yapılmıştır. Yapılan ölçümlerden elde edilen sonuçlar Şekil 6 deki grafikte : 1:3 11: 11:3 12: 12:3 13: 13:3 14: 14:3 15: 15:3 16: Ş ekil 6. Tas kebabı pişirilmesinin deneysel sonuçları Beşinci gün ise, kıyma kullanılarak yapılmış 2 gr. köftenin pişirilebilmesi amacıyla deney yapılarak gerekli ölçümler tekrarlanmıştır. Yapılan ölçümlerden elde edilen sonuçlar Şekil 7 deki grafikte : 1:3 11: 11:3 12: 12:3 13: 13:3 14: 14:3 15: 15:3 16: Şekil 7. Köfte pişirme deneyinin sonuçları. Şekil 3-7 de görüldüğü gibi sistem üzerine gelen ışınım şiddeti miktarı pişirilen yemeğin sıcaklığını doğrudan etkilemekte ve pişirme işlemi gerçekleşmektedir. Deneylerde sistem içerisindeki ve dış ortam arasındaki sıcaklık farkı ve rüzgâr hızı arttıkça ısıl kayıplarda da bir artış gözlenmiştir. Bunun doğal bir neticesi olarak fırın taban sıcaklığı ve pişirilen yemeğin sıcaklığının hemen hemen aynı ışınım şiddetine sahip olunan günlerde daha düşük seviyelerde olduğu tespit edilmiştir. Bu durum da verim değerinde değişimlere neden olmaktadır. Şekil 8 de pişirme deneylerinin ardından sistem anlık verimlerinin belirlenmesi amacıyla gerçekleştirilen deneylerden elde edilen veriler yer almaktadır. Deneylerin yapıldığı , , tarihlerinde dış ortam sıcaklığı ve rüzgâr hızlarının hemen hemen birbiri ile aynı değerlerde olmasına rağmen anlık verim değerleri birbirinden farklı değerlere sahiptir. Bunun nedeni sistem içerisinde yer alan akışkan miktarı olduğu sonucuna varılmıştır. Sistem içerisine konulan akışkan miktarı arttıkça sistem performansı da artmıştır. Sistem üzerine gelen ışınım şiddeti miktarının fazla olması ve sistem içerisindeki akışkan miktarının az olması ile akışkanın maksimum ısınma değerinin kaynama noktasına bağlı olarak belli bir noktayı geçememesinden dolayı akışkan miktarı sistem anlık verimlerini doğrudan etkilemiştir :3 11: 11:3 12: 12:3 13: 13:3 Deney 1 Işınım Şiddeti Deney 3 Işınım Şiddeti Deney 2 Anlık verim Deney 2 Işınım Şiddeti Deney 1 Anlık verim Deney 3 Anlık verim Şekil 8. Güneşli pişirme sisteminin ışınım şiddetine bağlı anlık verim değerleri Kutu tipi güneş enerjili pişirme sistemi ile Karabük şartlarında değişik günlerde çeşitli yiyecekler pişirilerek yapılan deneylerde tam pişirme işleminin gerçekleşmiş olması bu tip pişirme sistemlerinin Karabük şartlarında kullanılabileceğini göstermektedir. Ancak güneş enerjili pişirme sistemlerinde ortak bir sorun olarak karşılaşılan pişirme süresinin uzunluğu Karabük şartlarında da mevcut olup bu sistemlerin yaygın kullanımını engelleyen bir unsurdur. Bunun yanında imalatı yapılan kutu tipi güneş fırınının imalat ve malzeme maliyetlerinin düşük oluşu (45 YTL), tamir ve bakım gerektirmemesi ve kendi kendini amorti etme süresinin kısa olması gibi avantajlarından dolayı tercih edileceği düşünülmektedir. Yapılacak yeni çalışmalarda ise, güneş fırınlarında farklı yiyecekler için pişme sürelerinin belirlenmesi ve pişirme zamanlarının iyileştirilmesi hedeflenerek kullanımının yaygınlaştırılabilmesi sağlanmalıdır. KAYNAKLAR Anonim. 28. Elektrik Đşleri Etüd Đdaresi, ( ) Binark, A.K., Türkmen, N Modeling of a Hot Box Solar Cooker. Energy Conversion and Management, 37(3): Verim (%)

5 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi, 11(2), KSU Journal of Science and Engineering, 11(2), 28 El-Sebaii, A.A., Ibrahim, A. 25. Experimental Testing of a Box-Type Solar Cooker Using The Standard Procedure of Cooking Power. Renewable Energy, 3: Esen, M. 24. Thermal Performance of a Solar Cooker Integrated Vacuum-Tube Collector with Heat Pipes Containing Different Refrigerants. Solar Energy, 76: Guar, A., Singh, O.P., Singh, S.K., Pandey, G.N Performance Study of Solar Cooker with Modified Utensil. Renewable Energy, 18: Kurt, H. 26. Experimental Investigation of Thermal Performance of Hot Box Type Solar Cooker. Journal of the Energy Institute, 79: Nahar, N.M. 21. Design, Development and Testing of a Double Reflector Hot Box Solar Cooker with a Transparent Insulation Material. Renewable Energy, 23(2): Öztürk, H.H. 24. Experimental Determination of Energy and Exergy Efficiency of the Solar Parabolic-Cooker. Solar Energy, 77: Öztürk, H. H. 26. Kutu Tipi ve Parabolik Tip Güneşli Pişiricilerin Enerji ve Enerji Etkinliğinin Karşılaştırılması. VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu (25-27 Mayıs), Isparta. Tırıs, M., Tırıs, Ç., Erdallı, Y Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemleri, Tübitak-MAM, ISBN: , Kocaeli,