Sıcak su depolama tankındaki dairesel plakaların ısıl tabakalaşmaya etkisi

Transkript

1 itüdegisi/d mühendislik Cilt:5, Sayı:6, Aalık 6 Sıcak su depolama tankındaki daiesel plakalaın ısıl tabakalaşmaya etkisi Mevlüt ARSLAN, İ. Necmi KAPAN, Necdet ALUNOP İÜ Fen Bilimlei Enstitüsü, Makina Mühendisliği Pogamı, 34469, Ayaağa, İstanbul Öet Silindiik sıcak su depolama tankı içeisine daiesel plakanın f/h ve g/d oanlaında yeleştiilmesinin ısıl tabakalaşma üeine etkisi sayısal ve deneysel olaak aaştıılmıştı. Silindiik sıcak su depolama tankı modellei, otasına g/d oanlaında delik açılmış daiesel plakalaın f/h oanlaında tank içeisine yeleştiilmesi ile oluştuulmuştu. Depolama tankının içeisine yeleştiilen daiesel plakala ile tankın üst kısmındaki sıcak su ile alt kısmındaki soğuk suyun bibilei ile kaışması önlenmiş ve tank içeisinde bulunan sıcak suyun ısıl tabakası kounmuştu. Buada H ve D sıası ile tankın yüksekliği ve çapı, f tankın taban yüeyinden daiesel plakaya olan mesafe ve g ise daiesel plakaya açılan deliğin çapıdı. Isı depolamak için kullanılan sıcak su depolama tankı güneş enejisi uygulamalaı için düşünülmüştü. Fakat bu çalışmada suyun ısıtılması işlemi güneş enejisi ile değil de, ısıtma tankında bulunan elektikli ısıtıcı ile yapılmıştı. Bu anali süeklilik, momentum ve eneji eşitlikleinin üç boyutlu amana bağlı duumu dikkate alınaak yapılmıştı. Sayısal çalışmanın geçeliliği deneysel olaak da ispatlanmıştı. Sayısal sonuçlaın elde edilmesinde FLUEN paket pogamı kullanılmıştı. ank içeisindeki sıcaklık değeleinin göünümü, sıcaklık ve sıcaklık fakı dağılımlaı, çeşitli f/h ve g/d oanlaında ve amana bağlı olaak şekille ve gafikle üeinde gösteilmişti. Sonuçla; tank içeisine yeleştiilen daiesel plakanın ısıl tabakalaşmayı iyileştidiğini ve bunun sonucunda da, engelsi tank duumuna göe, tanktan sağlanan kullanım suyu sıcaklığını attıdığını göstemektedi. En iyi ısıl tabakalaşma daiesel plakanın tank içeisine g/d=. ve f/h=.33 oanlaında yeleştiilmesi duumunda elde edilmişti. Anahta Kelimele: Depolama tankı, ısıl tabakalaşma, daiesel plaka. Yaışmalaın yapılacağı yaa: Mevlüt ARSLAN. maslan@eciyes.edu.t; el: ( Bu makale, biinci yaa taafından İÜ Fen Bilimlei Enstitüsü, Makina Mühendisliği Pogamı nda tamamlanmış olan "Su ile ısıl eneji depolanmasında sıcaklık tabakalaşmasının sayısal ve deneysel olaak aaştıılması" adlı doktoa teinden haılanmıştı. Makale metni taihinde degiye ulaşmış, taihinde basım kaaı alınmıştı. Makale ile ilgili tatışmala taihine kada degiye göndeilmelidi.

2 M. Aslan, İ. N. Kaptan, N. Altuntop Effect of cicula plates placed in the hot wate stoage tank on themal statification Extended abstact In this study, effect of f/h and g/d atios of cicula plates placed in a cylindical hot wate stoage tank on themal statification is investigated numeically and expeimentally. he tank model is designed by placing a cicula plate in the tank with a hole in the cente at f/h and g/d atios. Hee H and D ae the height and diamete of the tank espectively, while f is the distance fom the bottom suface of the tank to the cicula plates and g is also the diamete of the hole on the plates. his cylindical hot wate stoage tank used to stoe heat fo sola collecto application is consideed. he most commonly use of sola enegy is the sola collecto used fo wate heating. A hot wate tank is used fo stoing pat of the sola enegy collected by the sola collecto fo late use. But in this study, the wate emaining in the stoage tank is heated by the heate tank with an electical heate placed inside. As soon as hot wate is dawn fom the tank, cold tap wate flows into the tank mixing with the emaining hot wate, and theefoe loweing the wate tempeatue in the tank. his is an undesiable esult. In this study, a sola hot wate stoage tank with a cicula plate placed inside is consideed and optimum plate dimensions ae seached to minimie the mixing of hot and cold wate so that wate may be supplied at highe tempeatues. his analysis is based on unsteady, thee- dimensional continuity, momentum and enegy equations. he govening equations ae used to detemine the tempeatue and velocity distibutions in the flow field by using bounday and initial conditions. he themodynamic popeties of the wate ae consideed in this study. he velocity is assumed to be eo at the beginning. he opeation pessue in the tank is taken atmosphee and the hot wate tempeatue is assumed to be 335 K when the wate usage stated. he tempeatue and velocity of wate supplied by the heate tank ae taken 335 K and.8 m/s and these of cold tap wate enteing the tank ae taken 9 K and.6 m/s, espectively. he time between the wate is stated to be used and the wate usage was finished is assumed as calculation egion. his time is taken as 3 minute and the poblem was solved unsteady. he velocity and tempeatue distibutions inside the tank wee obtained by using FLUEN compute code. hee dimensional unsteady solutions ae taken by using implicit method in segegated solve. he discetiation is achieved by using Standad method fo pessue and by using fist upwind method fo momentum, enegy and continuity equations. he SIMPLE (semi-implicit method fo pessue-linked equations algoithm was used fo flow calculations. A numeical investigation of optimiing dimensions of a plate placed in a hot wate tank fo themal statification is pefomed. A fist obsevation of tempeatue distibutions in the tank indicates that placing plate in the tank impoves themal statification compaed with no plate case. It appeas that inceasing f/h atio inceases tempeatue of statified egion wheeas deceasing the volume of this egion. In anothe wods, inceasing f/h deceases the amount hot wate that can be taken fom the tank. Inceasing g/d atio deceases the tempeatue of statified egion, and theefoe, smalle values of g/d ae desiable empeatue distibutions in the tank, wate tempeatue supplied by the tank, wate tempeatue going to collecto, vaious wate tempeatue diffeences between tank outlet and inlet and appeaance of the tempeatue values in the tank ae shown on the gaphs and figues fo vaious f/h and g/d atios and accoding to time. Fo highe themal statification, the tempeatues 3 and should be high and should be low. In anothe wods, the diffeences 3 - and - should be as high as possible. An investigation of effects of g/d and f/h atios of plate dimensions on these tempeatue diffeences shows that the best themal statification can be obtained fo a g/d atio of. and an f/h atio of.33 among consideed cases. Using cicula plates in hot wate stoage tanks impoves themal statification in the tank and consequently inceases the tempeatue of hot wate supplied by the tank. It also deceases the tempeatue of wate supplied to the collecto, and thus impoving collecto efficiency. Keywods: Stoage tank, themal statification, cicula plate. 75

3 M. Aslan, N. Kaptan, N. Altuntop Giiş Enejinin depolanması mühendisliğin önemli konulaından biisidi. Depolama konusunda çok geniş çalışmala yapılmaktadı. Bu çalışmaladan bii de güneş enejisinin depolanmasıdı. Güneş olmadığı günlede bu enejinin bi kısmı depolanı ve su ısıtma, üün kuutma, su damıtma ve hacim ısıtma uygulamalaında bu depolanan enejiden faydalanılı. Güneş enejili sistemle içeisinde en yaygın kullanılanı ve en ekonomik olanı sıcak su depolama sistemleidi. Güneş enejili sistemlede sıcak suyun depolanması; güneş kolektölei, depolama ünitesi, sikülasyon pompalaı ve kontol sisteminden v.b. gibi oluşan, bi güneş enejisi depolama sistemi vasıtası ile yapılı (Kılıç ve Ötük, 984. Güneş olmadığı günlede suyun ısıtılması işlemi elektikli ısıtıcı kullanılaak yapılı. Bu sistemde depolanan sıcak su, endüsti ve konutlaın sıcak su ihtiyacının kaşılanmasında kullanılı. Konu ile ilgili olaak geçmişte yapılan çalışmalada; silindiik paalel depolama tankının ısıl davanışı sayısal ve deneysel olaak aaştıılmıştı. Sayısal çalışmada bi boyutlu ubulent Mixing ve Displacement Mixing modelle kullanılmıştı. Bu modellein kullanımı ile tank içindeki dikey sıcaklık dağılımının kaası davanış göstemesi engellenmişti (Aliadeh, 999. Sıcak su depolama tanklaında, çeşitli diayn paameteleinin tankta oluşan ısıl tabakalaşma üeindeki etkisi ve suyun tanktan istenilen sıcaklıkta çıkması için geeken aman analitik olaak belilenmişti (Al-Nim, 994. Güneşli su ısıtma sistemleinde temosifon etkili sıcak su tanklaında ısıl tabakalaşma üeine teoik ve deneysel olaak çalışılmıştı. ankta sıcaklık dağılımını veen analitik ifadele veilmiş ve temosifon sistemlede amana bağımlı olaak depolama tankında tabakala aasındaki iletimle ısı tansfei, diyagamlala gösteilmişti (Mısa, 994. Güneşli su depolama tankında oluşan sıcaklık dağılımı üeinde sıcak su tüketiminin etkisi aaştıılmıştı (Helwa ve Mobaak, 995. Sıcak su depolama tanklaında oluşan sıcaklık tabakalaşması sayısal ve deneysel olaak çalışılmıştı. Sistem üeinde, işletme ve çevenin ısıl tabakalaşmaya etkilei aaştıılmış ve sonuçta, su debisinin aaltılmasıyla oluşan sıcaklık fakının atması ile tabakalaşmanın iyileştiği ve sistem için L/D nin optimum değeinin 3 ile 4 aasında olduğu belilenmişti (Haıhaan ve Badınaayana, 99. Sıcak su depolaında akışkan ve ısı tansfei kaakteistiklei konusunda çalışma yapılmış ve bu çalışmada depolama veimi, ısıl tabakayı elde etmek için kullanılmıştı. Sonuçta, Richadson ve Peclett sayılaındaki atışın dolma veimliliğini atıdığı belilenmişti (Hahne ve Chen, 998. Geniş bölgesel güneşli sıcak sulu sistemleinin işletme modeli ve bibiine bağlantılı depolama tanklaı üeine sayısal olaak çalışma yapılmış ve bu çalışmada hissedili ısının depolanması için çok sayıda depolama tankının geekliliği belilenmişti. Yüksek pefomans için; depolama tanklaı ile yüksek sıcaklık tabakalaşması aasındaki ilişki ve kullanıcıya yüksek deecede çabuk ısıl eneji tansfei için sistem modeli tahminlei yapılmıştı (Papas ve sıamouıs, 993. Isıl tabakalaşma sağlanan depolama tanklaında kaası tübülans akış alanı üeine sayısal olaak çalışılmış ve bu çalışmada k-ε tübülans modeli kullanılmıştı. Sıcak akışkan ile soğuk akışkanın ye değiştimesi ile oluşan kaası tübülans akış alanının, tanktaki ısıl tabakalaşmaya etkisi aaştıılmıştı (Mo ve Miyatake, 996. Değişken giiş sıcaklıklaında depolama tanklaında oluşan ısıl tabakalaşma üeine analitik çöümle yapılmış ve bu çalışmada, süpe poisyon pensibi kullanılaak plug akış bölgesindeki sıcaklık pofillei başaılı bi şekilde fomülüe edilmişti (Yoo ve Kım, 999. Düşük Reynolds sayısına sahip akışla için, hissedili ısı depolamada oluşan ısıl tabakalaşma üeinde, tank geometisinin etkisi aaştıılmıştı. Çeşitli oanla için bulunan depolama pefomansı üeinde akışkanın giiş ve çıkış etkilei, paametik anali olaak otaya koyulmuştu (Eames ve Noton, 998. Yukaıda bu konuda yapılan çalışmaladan göüldüğü gibi güneş enejili veya elektik ısıtıcılı sıcak su depolama sistemlei üeine günümüde bi çok çalışma yapılmıştı. Yapılan bu çalışmala ısıl tabakalaşma konusunda çok ayıf kalmıştı. Yapılan bu çalışmalada bi veya iki boyutlu modelle kullanılmıştı yada sadece a- 76

4 Sıcak su depolama tankındaki daiesel plakala mana bağımlı çöümle çeşitli diayn ve işletme paameteleinde yapılmıştı. Bununla bilikle hem deneysel ve hem de sayısal olaak yapılan çalışmalaa da a astlanılmıştı. Bu çalışmalaın hepsinde, silindiik sıcak su depolama tanklaında sıcaklık tabakalaşmasının oluştuulması ve kounması için tankın içeisine silindiik plakalaın belili f/h ve g/d oanlaında yeleştiilmesi ile ilgili yapılan bi çalışmaya astlanılmamıştı. Yapılan çalışmalada göülen bu eksikliği gidemek için, sıcak su depolama tanklaında yüksek sıcaklıkta belili süede kullanım suyu sağlamak için silindiik tank içeisine f/h ve g/d oanlaında daiesel plakala yeleştiileek sıcaklık tabakalaşmasının kounması ve oluştuulması sağlanmıştı. Bu çalışma sabit işletme ve diayn paameteleinde, üç boyutlu, amana bağlı duum dikkate alınaak, hem deneysel hem de sayısal olaak geçekleştiilmişti. Sayısal çöüm yöntemi Isı ve kütle tansfei, akışkanla mekaniği, kimyasal eaksiyonla gibi uygulamalada sayısal akışkanla dinamiğinin önemi büyüktü. Günümüde sayısal akışkanla dinamiğinde modellenen poblemlein çöümü, bu konuda yaılmış paket pogamla ile yapılmaktadı. Bu paket pogamladan bii de FLUEN paket pogamıdı. Bu pogam, kütle momentum ve eneji denklemlei ile ilgili, bi, iki, üç boyutlu geometile üeinde modellenmiş süekli ve süeksi akış poblemlein çöümünde yaygın olaak kullanılı. FLUEN paket pogamı linee olmayan kısmi difeansiyel denklem setleinin çöümüne iteatif sayısal yaklaşımla getii. Denklemlei çöeken SIMPLE algoitmasını kullanı (Fluent, 999. Difeansiyel denklemlein ayıklaştıılmasında sonlu hacim metodu kullanılı. Bu metot uygulanıken, çöüm alanı çok küçük kontol hacimleine bölünü ve denklem bu kontol hacimleinde intege edili. Yapılan bu çalışmada FLUEN paket pogamından yaalanılmıştı. Bu pogam ile çöüm bölgesine ait kounum denklemlei, aşağıda veilen sını şatlaı altında boyutlu fomda çöülmüştü. Elde edilen sonuçla boyutsulaştıılaak değelendiilmeye alınmıştı. Matematiksel model ve tanımlaması Bu çalışmada, taşınım ile ısı tansfei geçekleşen su ile ısıl eneji depolama tankında sıcaklık tabakalaşması, Şekil de fiiksel büyüklüklei veilen silindiik dikey tank için sayısal olaak incelenmişti. 4 No.lu bölgeden tanka soğuk su giişi olmaktadı. No.lu bölgeden ısıtma tankından tanka sıcak su giişi, No.lu bölgeden ise depolama tankından ısıtma tankına soğuk su çıkışı olmaktadı. 3 No.lu bölgeden ise kullanım için sıcak su alınmaktadı. Şekil. Çalışmada kullanılan çöüm alanının şematik göünüşü İşlem sıasında sıcak su depolama tankındaki akış ve ısı tansfei kaakteistiklei aşağıda veilen boyutsu kounum denklemlei ve sını şatlaı ışığında incelenmişti. Bu denklemle ifade ediliken; lamina akış duumu, amana bağımlı akış ve sabit akışkan öelliklei ve visko dissipasyonunun olmadığı dikkate alınmıştı. Süeklilik denklemi: δ δ,, ( + θ θ 5 4 4,,4 δ 3 θ + φ R 3 3 H = ( 77

5 M. Aslan, N. Kaptan, N. Altuntop - momentum denklemi: ( (θ + + t θ ( P ( + = + ( + ( Re + θ + G cosθ Re θ- momentum denklemi: θ θ + θ θ ( θ (θ θ + + t θ ( θ P ( + = + θ ( + (3 θ Re θ θ + + θ θ θ + G sin θ Re - momentum denklemi: ( (θ + + t θ ( P ( + = + ( + (4 Re θ + G Re + Eneji denklemi: t + + θ θ ( + θ + = + P Re (5 Boyutsulaştıma işleminde kaşılaşılan temel güçlük, uygun kaakteistik büyüklüklein seçilmesidi. Böylece, boyutsu değişkenle kabaca aynı metebeye getiilmiş olu. ank yüksekliği, tank içeisinde eksenel yöndeki sıcaklık tabakalaşması etkileini içeen bi büyüklük olduğu için, bu çalışmada kaakteistik uunluk olaak tecih edilmişti. Kounum denklemleindeki fiiksel büyüklükle aşağıdaki gibi boyutsulaştıılmıştı. =, H =, U Z =, H θ U ϕ = = ϕ π U =, θ P P P =, =, b ρ.u U.t t =, H Yukaıdaki denklemlede de göüldüğü gibi pobleme etkiyen boyutsu sayıla aşağıdaki gibi yaılmışladı. 3 UH gβ(b H G Re =, G =, Ri = υ ν Re U H Pe = = Re P α Buada şehi şebeke suyunun tanka giiş sıcaklığı, b depolama tankında ilk anda bulunan kullanıma başlamadan önceki ısıtılmış suyun sıcaklığı, P atmosfe basıncı, H kaakteistik uunluk (tankın yüksekliği ve U ise yönündeki tanka gien soğuk suyun ünifom giiş hııdı. Dolayısı ile poblemin incelenmesinde bu paametele dikkate alınmalıdı. Bu denklemlele ilgili başlangıç ve sını şatlaı boyutsu olaak aşağıdaki gibi veilmişledi. Başlangıç şatlaı: < < R / H, < ϕ <, < < 'da t = ve ( =, θ =, = = = 3 = 4 = 5 = Giiş sını şatlaı: ( R / H, ϕ =.5, = δ3 / H = da =, θ =, =, =,4,4,4 ( R / H, ϕ =.5, = δ / H = da 4 78

6 Sıcak su depolama tankındaki daiesel plakala U,,, = θ =,, = U = -.5 t (g/d =. için = -.95 t (g/d =. için = t (g/d =.3 için = -.75 t (g/d =.4 için = -.35 t (g/d =.5 için Duva sını şatlaı: Silindiik duva: = R / H = ( R / H, < ϕ <, < < ( < ϕ <, < < = da =, θ =, = Üst duva: = = ( < < R / H, < ϕ < ( < R / H, < ϕ <, = < da =, θ =, = Alt duva: = < < R / H, < ϕ = ( < ( < R / H, < ϕ <, = < da =, θ =, = olaak yaılmışladı. Deneysel çalışma Su ile ısıl eneji depolama üniteleindeki sıcak su depolama tanklaında oluşan sıcaklık tabakalaşmasının deneysel olaak incelenmesi için bi deney düeneği kuulmuştu. Bu deney düeneği, sıcak su depolama tankı, su ısıtma tankı, sikülasyon pompası (3 debi ayalı, debi ölçe, selenoid vana, elektikli eistans (ısıtıcı kw, sıcaklık kontol sistemi, 36 adet temoeleman, su seviye göstegesi kabı ve düeneği, elektik hattı paneli, bilgisaya ve vei toplama ünitesinden oluşmaktadı. Kullanım sıasında depolama tankına şehi şebekesinden gien soğuk su ( 4, ısıtma tankı ve depolama tankından oluşan kapalı çevimdeki ısıtma tankında ısıtılmış ve gei depolama tankına sikülasyon pompası vasıtası ile göndeilmişti. Bu düenekteki silindiik sıcak su depolama tankı Şekil de göüldüğü gibi, 5 mm cida kalınlığında, m çap ve.5 m boyundadı ve dikey olaak konumlandıılmıştı. Bu tankın üst kısmına yakın silindiik yüeyde ve adyal doğultuda sıcak su kullanım kanalı ( 3, sıcak su kullanım kanalına tam simetik ve aynı eksen üeinde adyal doğultuda silindiik yüeye yeleştiilmiş ısıtma tankından gelen sıcak su giiş kanalı (, ankın alt kısmına yakın silindiik yüeyde ve adyal doğultuda şehi şebekesinden gelen soğuk su giiş kanalı ( 4, soğuk su giiş kanalına tam simetik ve aynı eksen üeinde adyal doğultuda silindiik yüeye yeleştiilmiş ısıtma tankına giden su çıkış kanalı ( bulunmaktadı. Sıcak ve soğuk su giiş-çıkış kanallaının çaplaı. m, boylaı ise. m di. Soğuk su giiş ve çıkış kanallaının tankın alt kısmına olan mesafesi.6 m ve sabitti. Sıcak su giiş kanalının tankın üeine olan yükseklik mesafesi δ =. m di. Sıcak su giiş kanalına göe tam simetik olaak yeleştiilmiş sıcak su (kullanım suyu çıkış kanalının tankın üeine mesafesi ise δ =.5 m di. Bu tank sıcak su depolama tankı olaak kullanılmaktadı. Bu tankın üst kısmında yani sıcak su kullanım kanalının bulunduğu bölgede kullanım esnasında yüksek sıcaklıkta uun süe sıcak su bulunduulması istenmektedi. Bu nedenle bu bölgede sıcaklık tabakalaşması oluştumak için tankın içeisine g çapında otasına delik açılmış daiesel plaka f yüksekliğinde eksenel olaak yeleştiilmişti. Depolama tankının çevesine.8 m kalınlığında cam yünü saılaak yalıtım sağlanmıştı. Bu sıcak su depolama tankındaki su sıcaklıklaı, tankın silindiik yüeyine eksenel ve adyal yönde çeşitli basamak ve mesafelede yeleştii- 79

7 M. Aslan, N. Kaptan, N. Altuntop len J tipi temoelemanla ( hassasiyeti ±.5 ile ölçülmektedi. Ölçülen bu sıcaklıklaın değelendiilmesi ve kaydedilmesi bilgisaya ve vei alma ünitesi taafından yapılmaktadı. k 4 ş d f δ Şekil. Seçilen tank modeli ve fiiksel öelliklei Bilgisaya ve vei toplama ünitesi, deneysel veilein toplanaak kaydedildiği en son biim di. ei alma ünitesinde, temo elemanlaın bağlandığı iki adet Data Logge vadı. Bu Data Logge la bileştiici cihala (Hab bilgisayaa bağlanmıştı. Bu biim, kanalla üeine ve sıcak su depolama tankının çevesine çeşitli konumlada yeleştiilen J tipi temoelemanlaın Data Logge la ve bileştiici ciha (Hab vasıtası ile bilgisayaa bağlanması ile oluştuulmuştu. Anali Deney anında sıcak su depolama tankındaki suyun ısıtılması işlemi, ısıtma tankında elektikli ısıtıcı kullanılaak yapılmaktadı. Isıtma tankından depolama tankına gelen suyun sıcaklığı 335 K di. Bu sıcaklık, Yogat ilinde Haian ayı içeisinde eğik dülem üeine gelen otalama I=9 W/m (Kalkan ve Çalışkan, 5 anlık ışınım miktaına göe, A=4 m lik güneş kolektöü alanı için güneş kolektöü çıkış sıcaklığı olaak hesaplanmıştı. Hesaplanan bu sıcaklığın sağlanması için ısıtma tankında gücü kw olan bi elektikli ısıtıcı kullanılmıştı. g D H 3 δ Depolama tankındaki suyun sıcaklığı kullanıma başlamadan önce (t=. dak 335 K di. Daha sona kullanım suyu alınmaya başlanmaktadı. Bu esnada he g/d oanı ve engelsi tank duumu için, 5 dakika aalıklala ısıtıcı tanktan depolama tankına giden suyun sıcaklığı ölçülmüştü. Öneğin 5. dakikada suyun sıcaklığı yüksek, 3. dakikada suyun sıcaklığı yaklaşık 3 K civalaına kada düşmektedi. Ölçülen bu sıcaklık değelei ışığında, g/d=.,.,.3,.4,.5 oanlaında ve engelsi tank duumunda altı adet amana bağlı linee fonksiyon elde edilmişti. Bu fonksiyonla Matematiksel model bölümünde veilmişti. Zamanın fonksiyonu olaak tanımlanan bu sıcaklık sını şatlaı; he bi g/d oanı ve engelsi tank duumu için Fluent 5.3 paket pogamında tanımlanan modelde, ısıtıcı tanktan depolama tankına gelen suyun sıcaklığı ( olaak veilmişti. Bu sını şatında ısıtma tankından depolama tankına gien suyun hıı ( k debi ölçe ile ölçülmüş ve U =.8 m/s değeinde olduğu tespit edilmişti. Şehi şebekesinden tanka gien soğuk suyun sıcaklığının 9 K ve hıının ( ş ise U =.6 m/s olduğu belilenmişti. ankın içeisindeki akışkanın ilk andaki hıı sıfı, tanktan kullanım için sıcak su alınmaya başlandığı andaki suyun sıcaklığı 335 K ve sistemin çalışma basıncı ise atmosfe basıncı olan.35 kpa alınmıştı. Sıcak su depolama tankından sıcak kullanım suyunun alınmaya başlandığı ve bittiği an, çöüm aalığı olaak kabul edilmişti ve bu çöüm aalığı 3 dakikadı. Bu nedenle poblem amana bağımlı olaak çöülmüştü. ankın ideal olaak yalıtıldığı kabul edileek tanktan dışaıya ısı kaybının olmadığı kabul edilmişti. Yapılan bu te çalışmasında taşıyıcı ve ısı depolayıcı akışkan olaak su kullanılmıştı. Su sıkıştıılama akışkan kabul edilip, yoğunluğu ρ=998. kg/m 3, ögül ısısı C p =48 J/kg-K, ısıl genleşme katsayısı β=.53x -3 /K, dinamik viskoitesi µ=.3 kg/m.s ve ısı iletim katsayısı k =.6 W/m.K di. Sıcak su depolama tankı ve içeisine yeleştiilen daiesel plakala, ısı iletim katsayısı k=58 W/m.K, yoğunluğu ρ=83 kg/m 3, ögül ısısı C p =5.48 J/kg-K olan çelik sac malemesinden yapılmışladı. 8

8 Sıcak su depolama tankındaki daiesel plakala Yapılan sayısal bi çalışmada çöümün yakınsama kiteleine uyması, bilgisayalı akışkanla dinamiği modellemesinde çok önemlidi. Paket pogamda temel denklemlee ait cebisel eşitliklein he biinin sayısal çöümü, bi kalıntı (sayısal hata içei. Bu hata ise kontol hacmi içindeki bütün hücele için hesaplanan eşitlikledeki kalıntılaın toplamıdı. Bu hata değelei aşağıda veilen değelein altında olduğu aman, pogamın temel denklemlee ait cebisel denklemlei sayısal olaak doğu çödüğü kabul edili. Süeklilik ve momentum denklemleinin yakınsama kitelei için x -3 ve eneji denkleminin yakınsama kitei için ise x -6 değelei seçilmişti. İdeleme Bu bölümde, yapılan deneysel ve sayısal çalışmalaın değelendiilmesi bilikte yapılmıştı. Bu çalışmanın amacı, sıcak su depolama tankından uun süe sıcaklık tabakalaşması boulmadan yüksek sıcaklıkta su (kullanım suyu temin etmekti. Sıcak su kullanımı anında, depolama tankında bulunan sıcak suyun ısıl tabakasının, sıcak su depolama tankına gien soğuk şehi şebeke suyu taafından boulmaması istenmektedi. Bu nedenle sıcak su depolama tankının içeisine g/d=.,.,.3,.4,.5 ve f/h=.67,.33,.,.7,.33 oanlaında daiesel plakala yeleştiilmişti. g/d oanlaındaki bu daiesel plakala; tanka gien soğuk suyun, tankın içindeki sıcak su ile optimum alanda temas etmesine ve bunun sonucunda da sıcak su tabakasının kounmasına neden olmaktadıla. g/d oanlaındaki daiesel plakala f/h oanlaında eksenel yönde depolama tankının içine yeleştiileek, tabakalaşmış sıcak su hacmi küçültülmüş veya büyültülmüş ve istenilen sıcaklık değeinde sıcak su elde edilmesine gidilmişti. Geliştiilen bu sıcak su depolama tankı modelindeki sıcaklık tabakalaşmasının oluşumunu daha iyi gölemlemek için, engelsi tank modelinde de deneysel ve sayısal çöümle elde edilmişti. Sayısal çalışmada ise sıcak su depolama tankının dış yüeyleinin ideal yalıtıldığı kabul edilmişti. Depolama tankının içine konan daiesel plaka üeinden, tank içeisindeki sıcak akışkandan yine tank içeisinde bulunan soğuk akışkana doğu iletimle ısı tansfei geçekleşmektedi. Isıl tabakalaşmayı yok eden etkilei otadan kaldımak için uygun tank konfigüasyonu ve diayn paametelei seçilmelidi. Bu nedenle sıcak su depolama tankının adyal yöndeki şehi şebeke suyu giiş ve ısıtma tankına giden çıkış kanallaı, aynı eksen üeinde ve simetik konumda yapılmışladı. Bu model seçimi nedeniyle, tanka gien soğuk şehi şebeke suyunun büyük bi kısmı ısıtma tankına gidiş kanalına yönlenmektedi. Bu duum sonucunda tank içeisindeki suda oluşmuş ısıl tabakanın kounması sağlanmıştı. Sonuç olaak, sıcak su depolama tankı içeisinde sağlanan sıcaklık tabakalaşmasını boucu etkile aaltılmıştı. Depolama tankı içeisine daiesel plakalaın g/d ve f/h oanlaında yeleştiilmesi ile oluştuulmuş tank modellei için, 4, 36, 48, 6 ve 7 boyutsu aman dilimleinde hem sayısal çöümle üetilmiş hem de deneysel sonuçla elde edilmişti. Boyutsu sıcaklık değelei ve fakla incelendiğinde, deneysel değele sayısal değeleden he aman küçük çıkmaktadı. Sebebi ise sayısal çöümde depolama tankının ideal yalıtıldığı kabul edilmişti. Fakat deney sıasında depolama tankı ne kada yalıtılısa yalıtılsın çeveye ısı kaybı olmaktadı. Sıcak su alınmaya başlandığı amandan, t =7 boyutsu amana kada, he bi boyutsu aman aalığında alınan deneysel ve sayısal veile incelendiğinde; aman ileledikçe, değeleinde çok a düşüş, s, d değeleinde ise sıcak su kullanım amanı attıkça hıla düşüş gölenmişti. Bunun sonucunda s, d değelei de, kullanım esnasında tanka gien soğuk su nedeni ile aman ileledikçe atmıştı. Gafikle üeinde n: sayısal veilei, d: ise deneysel veilei göstemektedi. Deneysel sonuçla; gafikle üeinde kesikli eği ile, sayısal 8

9 M. Aslan, N. Kaptan, N. Altuntop sonuçla ise dü (kesiksi eği ile gösteilmişledi. Değişik tank modelleine ait üetilen çöümle aasından en iyi ısıl tabakalaşmanın sağlandığı çöüm, elde edilen sonuçlaın değelendiilmesi ile bulunmuştu. Engelsi tank modeli Engelsi tank içeisindeki ısıl tabakalaşmadan fala sö edileme. Çünkü kullanım suyu tüketimi anında, depolama tankı içinde bulunan sıcak su kütlesi, şehi şebekesinden tanka dolan soğuk su ile kaışmış ve bu su kütlesindeki sıcaklık tabakası gideek boulmuştu. Engelsi tankın içindeki sıcak su ile soğuk suyun temas alanı.785 m di. Sıcak su depolama tankının içinde engel olmadığı için yukaıdaki alan silindiik tankın eksenel yöndeki kesit alanına eşitti. Depolama tankından kullanım suyu alınmaya başlandığı andan itibaen, tankın içeisindeki depolanmış suyun sıcaklığı engel olmadığından düşmüştü. Bunun sonucunda depolama tankından yüksek sıcaklıkta kullanım suyu alınamamıştı. Bu duum aşağıdaki Şekil 3 teki engelsi tank içeisindeki sıcaklık değeleinin - dülemindeki göünümüne bakılaak da gölenmişti. Z[m] [m] Şekil 3. - düleminde engelsi tank içeisindeki sıcaklık değeleinin göünümü Şekil 4 teki gafikte göüldüğü gibi, kullanım suyunun boyutsu sıcaklık değelei =.78, =.77, depolama tankından ısıtıcı tanka giden suyun boyutsu sıcaklık değelei, s =.7, d =.7 di. Şekil 5 te göüldüğü gibi, kullanım suyu ile depolama tankından ısıtıcı tanka giden suyun boyutsu sıcaklıklaı aasındaki fak değelei, s =.7, d =.6 ve kullanım suyu sıcaklığı ile ısıtıcı tanktan depolama tankına gelen suyun boyutsu sıcaklıklaı aasındaki fak değelei, =.4, =. di. [-] [-] s d t [-] Şekil 4. Engelsi tank içeisinde sıcaklık dağılımlaı s -d t [-] Şekil 5. Engelsi tank içeisinde sıcaklık fakı dağılımlaı 8

10 Engelli tank modeli Engelli tank içindeki ısıl tabakalaşmayı gömek için değişik f/h ve g/d oanlaında çöümle üetilmişti. Bu şatla altında üetilen çöümlede tank içinde oluştuulan sıcaklık dağılımlaı inceleneek; en iyi tabakalaşmanın hangi f/h ve g/d oanlaında olduğu belilenmeye çalışılmıştı. ve değeleinde düş- g/d oanı attıkça me olmasına ağmen, Sıcak su depolama tankındaki daiesel plakala s ve d değeleinde atma gölenmişti. Çünkü tankın içeisindeki engelin üeinde kalan sıcak su hacmi ile engelin altında kalan ve şehi şebekesinden gelen soğuk su ile dolduulan hacmin temas alanı atmaktadı. Bunun sonucunda engel altında kalan soğuk su kütlesinin, engel üeinde kalan sıcak su kütlesi ile temas alanı vasıtasıyla kaışımı geçekleşmiş ve dolayısı ile sıcak sudan soğuk suya taşınımla ısı tansfei olmuştu. Bu nedenle engelin üeinde kalan sıcak su hacminin sıcaklığında göle göülü düşme geçekleşmişti. ve değeleinde düş- f/h oanı attıkça me olmasına ağmen, s ve d değeleinde atma olmuştu. Çünkü depolama tankının içeisindeki engelin yukaısında kalan tabakalaşmış sıcak su hacmi, f/h oanının atışına bağlı olaak aalmaktadı. Bu duumda tanktan süekli sıcak kullanım suyu alındığı düşünülüse; t = 7 boyutsu aman boyunca süekli kullanım için bu aalan hacimden sıcak su alındığından ve bu aalan sıcak su hacmine ısıtma tankından süekli boyutsu sıcaklık değeinde su gelmediğinden, depolama tankının üst kısmından alınan kullanım suyu sıcaklığı ve değeleinde a da olsa düşme gölenmişti. f/h oanı atışı ile engel altında kalan tankın içindeki hacim de atmaktadı. Çünkü kullanıma başlamadan önce tankın içeisinde tamamen sıcak su bulunmaktadı. Kullanım sıasında şehi şebekesinden tank içindeki engel altında kalan hacme soğuk su giişi olmaktadı. Bu hacimdeki soğuk su ile sıcak su bibilei ile kaıştığından, taşınım ile sıcaktan soğuğa ısı tansfei geçekleşmişti. Bu nedenleden dolayı, engel altında kalan hacimdeki suyun boyutsu sıcaklığında, şehi şebekesi suyunun sıcaklığına göe daha fala atış olmuştu. Bunun sonucunda ısıtıcı tanka giden suyun s ve d sıcaklık değeleinde f/h oanının atışına bağlı olaak atış gölenmesine ağmen s ve d sıcak- lık fakı değeleinde de düşüş gölenmişti. Bununla bilikte kullanım suyu amanının atışına ve g/d ve f/h oanlaındaki atışa bağlı olaak ve değeleinde göle gö- ülü düşüş geçekleşmişti. g/d=. ve f/h=.33 oanında tankın içindeki sıcak su ile soğuk suyun temas alanı.34 m di. Silindiik engelden üst kısımda kalan tabakalaşmanın sağlandığı sıcak suyun hacmi.5 m 3 tü. Şekil 6, Şekil 8 ve Şekil 9 da göüldüğü gibi, kullanım suyunun boyutsu sıcaklık değelei =.96, =.9, depolama tankından ısıtıcı tanka giden suyun boyutsu sıcaklık değelei, =.57, =.54 tü. Şekil s 7, Şekil ve Şekil de göüldüğü gibi, kullanım suyu ile depolama tankından ısıtıcı tanka giden suyun boyutsu sıcaklıklaı aasındaki fak değelei, s =.4, d =.37 ve kullanım suyu sıcaklığı ile ısıtıcı tanktan depolama tankına gelen suyun boyutsu sıcaklıklaı aasındaki fak değelei, =.8, =. di. [-] s d d t [-] Şekil 6. g/d=. ve f / H=.33 oanlaında sıcaklık dağılımlaı 83

11 M. Aslan, N. Kaptan, N. Altuntop [-] [-] s -d t [-] Şekil 7. g/d=. ve f/h=.33 oanlaında sıcaklık fakı dağılımlaı s d g / D [-] Şekil 8. t =7 ve f/h=.33 oanında sıcaklık dağılımlaı [-] [-] s -d g / D [-] Şekil. t =7 ve f/h=.33 oanında sıcaklık fakı dağılımlaı s -d f / H [-] Şekil. t =7 ve g/d=. oanında sıcaklık fakı dağılımlaı [-] s d Engelli tank modellei için oluştuulmuş gafikledeki boyutsu sıcaklık ve sıcaklık fakı dağılımlaı incelendiğinde, en kabul edilebili (optimum sıcaklık tabakalaşmasının sağlandığı tank modeli g/d=. ve f/h =.33 oanlaındaki tank modelidi. Bu modele içinde oluşan sıcaklık değeleinin göünümü de aşağıdaki Şekil de veilmişti f / H [-] Şekil 9. t =7 ve g/d=. oanında sıcaklık dağılımlaı Sonuçla Bu çalışmada üeinde çalışılan sıcak su depolama tankında engelsi ve f/h, g/d oanlaındaki engelli tank modelleine ait sıcaklık değelei, amana bağlı olaak hem deneysel hem de sayısal olaak oluştuulmuştu. 84

12 Sıcak su depolama tankındaki daiesel plakala Z[m] [m] Şekil. g/d=. ve f/h=.33 oanlaında tank içeisindeki sıcaklık değeleinin göünümü Engelsi tank içeindeki tabakalaşmadan fala sö edileme. Çünkü kullanım suyu tüketimi anında, depolama tankı içinde bulunan sıcak su kütlesi, şehi şebekesinden tanka dolan soğuk su ile kaışmış ve bu su kütlesindeki sıcaklık tabakası gideek boulmuştu. Bu nedenle depolama tankından kullanım suyu alınmaya başlandığı andan itibaen, tankın içeisindeki depolanmış suyun sıcaklığı engel olmadığından düşmüştü. Bu nedenle ısıtma tankına giden suyun boyutsu sıcaklığında ( s, d istenmeyen atış, kullanım suyunun boyutsu sıcaklığında (, ise istenmeyen düşüş olmaktadı. Sonuç olaak yüksek sıcaklıkta uun süe kullanım suyu almak mümkün olmamaktadı. f/h oanı attıkça ve değeleinde düşme olmasına ağmen, s ve d değeleinde atma olmuştu. Buna bağlı olaak ve s d değeleinde de düşüş gölenmişti. g/d oanının atmasına bağlı olaak da;, değeleinde düşüş, fakat s, d değeleinde atış gölenmişti. Buna bağlı olaak aynı şekilde s ve d değeleinde de düşüş olmuştu. Sıcak su alınmaya başlandığı amandan, 7 boyutsu aman dilimine kada he bi boyutsu aman aalıklaında alınan deneysel ve sayısal veilee bakıldığında,,, s, d değelei sıcak su kullanım amanı attıkça düşmüştü. Fakat s, d değelei de kullanım esnasında tanka gien soğuk nedeni ile aman ileledikçe atmıştı. boyutsu sıcaklıklaının he bi boyutsu aman dilimleindeki değelei ölçüldüğünde, aman ileledikçe bu ölçülen değelede düşüş olmuştu. Fakat bu düşüş aynı boyutsu aman dilimleindeki ölçülen ve değeleindeki düşüşe göe daha fala olmuştu. Bu gölemlein sonucunda ve değeleinde, kullanım suyu alma amanı ileledikçe, a da olsa atış olmuştu. Bununla bilikte g/d ve f/h oanlaı attıkça da ve değeleinde göle göülü atış geçekleşmişti. Depolama tankında bulunan suda oluşmuş ısıl tabakanın kounması için, hem tank içinde sıcak su ile soğuk suyun temas alanının en düşük olduğu, hem de tank içindeki tabakalaşmış sıcak su hacminin en büyük olduğu tank modelinin seçilmesi geekmektedi. Buna göe bu sıcak su depolama tank modeli de g/d=. ve f/h=.67 oanlaındaki modeldi. Fakat bu oanlada tasalanmış sıcak su depolama tankı içindeki sıcak su ile soğuk suyun temas alanı olağandan küçük olduğundan; bu duum, daiesel plaka üeinde kalan hacimdeki sıcak su ile daiesel plaka altında kalan soğuk su aasında oluşan eşanjö (ısı değiştigeci etkisini daha da fala atımaktadı. Bu da istenmeyen sonuçtu. Yukaıdaki nedenleden dolayı optimum tank modeli seçiminde, g/d=. ve f/h =.33 oanlaındaki tank modeli tecih edilmişti. Seçilen bu tank modeline ait değele, diğe modelledeki değelee göe en kabul edilebili (optimum değeledi. Kaynakla Aliadeh, S., (999. An expeimental and numeical study of themal statification in a hoiontal 85

13 M. Aslan, N. Kaptan, N. Altuntop cylindical sola stoage tank, Sola Enegy, 66, 6, Al-Nim, M.A., (994. empeatue distibution inside electical hot wate stoage tanks, Applied Enegy, 48, Eames, P.C., Noton, B., (998. he effect of tank geomety on themally statified sensible heat stoage subject to low eynolds numbe flows, Intenational Jounal of Heat ansfe, 4, 4, 3-4. FLUEN Suppot Goup, (999. Fluent 5 Use s Guide, Fluent Inc. Hahne, E., Chen, Y., (998. Numeical study of flow and heat tansfe chaacteistics in hot wate stoes, Sola Enegy, 64, -3, 9-8. Haıhaan, K., Badınaayana, K., (99. empeatue statification in hot wate stoage tanks, Enegy, 6, 7, Helwa, N.H., Mobaak, A.M., (995. Effect of hot wate consumption on tempeatue distibution in a hoiontal sola wate stoage tank, Applied Enegy, 5, Kalkan F. ve Çalışkan N., (5. Aylık güneş ışınımı değelei, eknik Rapo, Yogat Meteooloji Müdülüğü, Yogat. Kılıç A. ve Ötük A., (984. Güneş Enejisi, 57, İ..Ü. Makine Fakültesi, Gümüşsuyu, İstanbul. Mısa, R. S., (994. hemal statification with themosyphon effects in sola wate heating systems, Enegy Convesion Management, 35, 3, Mo, Y., Miyatake, O., (996. Numeical analysis of the tansient tubulent flow field in a themally statified themal stoage wate tank, Numeical Heat ansfe, Pat A, 3, Papas, D.E., sıamouıs, S.G., (993. Stoage tanks inteconnection and opeation modes in lage DHW sola systems, Sola Enegy, 5,, Yoo, H., Kım, C.J., (999. Appoximate analytical solutions fo statified themal stoage unde vaiable inlet tempeatue, Sola Enegy, 66,,