Faz değişim malzemeli ısı değiştirici üzerine parametrik bir çalışma. Parametric study of phase change material heat exchanger

Transkript

1 Joural of the Faculty of Egieerig ad Architecture of Gazi Uiversity 31:3 (2016) Faz değişim malzemeli ısı değiştirici üzerie parametrik bir çalışma Mustafa Asker 1*, Hüseyi Güerha 2 1 Ada Mederes Üiversitesi, Mühedislik Fakültesi, Makia Mühedisliği Bölümü, Merkez Kampüs, Aytepe Mevkii, Aydı, 09010, Türkiye 2 Ege Üiversitesi Mühedislik Fakültesi Makia Mühedisliği Bölümü Borova, İzmir, 35040, Türkiye Ö N E Ç I K A N L A R Faz değişim malzemeli soğutucuu ısıl tasarımıı gerçekleştirilmesi Isı değiştiricisi içerisideki boru dizilişlerii toplam ergime zamaıa ola etkisi Fa gücü ve borular arasıdaki mesafei ısı değiştirici performasıa ola etkileri Makale Bilgileri Geliş: Kabul: DOI: /gummfd Aahtar Kelimeler: Faz değişim malzemeleri, ısı değiştirici, ergime zamaı ÖZET Bu çalışmada, boruları düşey koumda ola gövde boru tipi bir ısı değiştiricide, borular içide 23 C sıcaklıkta ergiyebile faz değişim malzemesi bulua bir sistem ele alımıştır. Isı trasfer akışkaı ola hava sisteme fa aracılığıyla sağlamıştır. Bu çalışmada öcelikle faz değişim malzemeli ısı değiştiricii tasarımıa ilişki sayısal bir yötem geliştirilmiş ve elde edile souçlar daha öce yapıla aalitik yötemi souçları ile karşılaştırılmıştır. Daha sora, faz değişim malzemeli ısı değiştiricii hacmi sabit tutulmuş ve sistem üzeride parametrik bir çalışma yapılmıştır. Boru aralığı değişimi, hava debisi (fa hızı) değişimi ve faz değişim malzemesi değişke parametreler olarak ele alımıştır. Boru sayısı akışa dik yöde iki kat arttığıda toplam ergime zamaı tüm dört aralık durumu içi ortalama olarak %38 oraıda azalmıştır. Parametric study of phase chage material heat exchager H I G H L I G H T S Thermal desig of phase chage material cooler Ivestigatio of the effect of tube pitch o total meltig time Ivestigatio of the effect of fa power ad tube pitch o the performace of the heat exchager Article Ifo Received: Accepted: DOI /gummfd Keywords: Phase chage material, heat exchager, meltig time ABSTRACT I this work a phase chage material uit which cosist of shell ad tube heat exchager i which tubes are vertical ad filled with a phase chage material that melts at 23 C is used. First a umerical method for the desig of phase chage material cooler is preseted the a umerical solutio is obtaied ad compared with results of published aalytical solutio. The volume of phase chage material heat exchager is take costat ad a parametric study such as tube pitch, fas speed ad phase chage material is made. For all four cases of tube arragemet, it is foud that as the tube pitch doubled i the directio of the flow, the total meltig time decreased about 38%. 1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Düyada yaşaa iklim değişikliğii soucuda, kış mevsimide ola ısıtma ihtiyacıı yaıda yaz şartlarıda sağlaa soğutma ihtiyacıda da artış görülmüştür. Soğutma işlemide daha çok eerji harcadığıda dolayı, istee kofor koşullarıı sağlaması içi çevreye duyarlı ekoomik çözümlere yöelimesi gerekmektedir. Birim miktarda depolaa eerji başıa daha az hacim gerektirmesi ve faz değişimli ısı geçişi sırasıda meydaa gele dar sıcaklık aralığı edeiyle, gizli eerji depolama sistemleri, faz değişimli sistemler, birçok araştırmacıı ilgisii çekmiş ve bu kou üzeride birçok çalışma yapılmıştır [1-6]. Isıl eerji depolama tekikleri ısıtma ve soğutma sistemleride, eerjii daha etki ve verimli kullaımıı sağlayarak toplam eerji maliyetide öemli ölçüde tasarruf sağlamaktadır. Bu durum fosil yakıtları daha az kullaımıa ede olmakta ve çevre ile dost * Sorumlu Yazar/Correspodig author: mustafa.asker@adu.edu.tr / Tel:

2 iklimledirme tekikleri geliştirme olaağıı sumaktadır [7-9]. Yerel yeileebilir eerji kayaklarıı, ısıl eerji depolama işlemi uygulaması ile birlikte kullaımı soucuda verimli sistemler tasarlaabilir [10, 11]. Faz değişim malzemeli taşıabilir soğutucular üzerie yapılmış çalışmalar icelediğide, Dietz [12] tarafıda bir dikdörtge ısı depolama modelii geliştirildiği görülmüştür. Geliştirile modeli içerisie belirli bir düzede düşey koumda silidirik depolayıcılar yerleştirmiştir. Faz değişim malzemesi olarak kalsiyum klorür hekzahidrat kullaılmıştır. Isı trasfer akışkaı ola hava ise boruları arasıda geçirilmiştir. Faz değişim malzemesii şarj ve deşarjı sırasıda elde edile deeysel souçlara göre, sistemi ısıl performasıı sağlayacak basit bir matematiksel model geliştirilmiştir. Farid ve Kazawa [13] tarafıda gövde-boru tipi ısı değiştiricisi olarak tasarlaa bir ısıl depolama üitesi icelediğide boruları faz değişim malzemesi ile doldurulmuş olduğu ve hava akışıı boruları etrafıdaki gövde içide sağladığı görülmüştür. Yapıla bezetim, ayı üitede ergime sıcaklıkları farklı ola farklı faz değişim malzemelerii kullaılması ile üitei etkiliğii arttırılabileceğii göstermiştir. Lacroix [14] faz değişim malzemesii gövde içide depoladığı ve düşey borular içeriside ısı trasfer akışkaıı geçtiği gövde-boru tipi ısı değiştiricili bir üiteyi icelemiştir. Üite sayısal olarak bezetim yötemleri ile icelemiş ve modeli doğruluğuu göstermek içi deeysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Ese ve Ayha [15] tarafıda güeş eerjili ısı depolama sistemide, faz değiştire madde içere bir silidirik tak deposuu performası deeysel olarak icelemiştir. Bu çalışma kapsamıda tak içide belirli sayıda silidirler dikey olarak yerleştirilmiş, silidirler faz değişim malzemeleri ile doldurulmuş ve ısı trasfer akışkaı bua paralel olarak akıtılmıştır. Faz değişim malzemesi olarak kalsiyum klorür hekzahidrat (CaCl 2.6H 2 O), parafi mumu (Na 2 SO 4.10H 2 O) ve parafi kullaılmıştır. Farklı ısı trasfer akışkalarıı debisi ve giriş sıcaklığı ve farklı faz değişim malzemesi içi ergime davraışıı değişimi sayısal olarak etalpi yötemi ile belirlemiştir. Turpey vd. [16, 17] ise bir ısı borusuu faz değişim malzemesi içerisie yerleştirildiği bir üite üzeride çalışmışlardır. Bu üitede biaları havaladırma soğutma işlemide yararlaılmıştır. Vakilaltojjar ve Sama [18] ısıl eerji depolama üitesii sayısal olarak icelemişlerdir. Depolama üitesi yatay dikdörtge kesitli ve belirli sayıda tabakalarda oluşa faz değişim malzemesi ile doldurulmuştur. Isı trasfer akışkaı (ortam havası) ise tabakalar arasıda boşlukları üzeride akıtılmıştır. Matematiksel modelde doğal taşıımı etkisi göz öüe alıarak etalpi metodu ile solu farklar yötemi kullaılarak elde edilmiştir. Hava giriş sıcaklığı ve hava debisi gibi ısıl performas özelliklerii ısı trasfer oraı ve ergime zamaı üzerie etkisi gösterilmiştir. Mozhevelov [19] yaptığı bir çalışmada, gerçek ölçülerdeki bir odada taşıabilir bir soğutucuda soğutucu elemalarıı gövde içide farklı şekilleri içi (düşey plakalar, yatay plakalar, yatay kare kesitli borular düzgü sıralı ve şaşırtılmış sıralamalı yerleşimlerde) üç boyutlu ve zamaa bağlı bezetimleri gerçekleştirmiştir. Mozhevelov vd. [20] ise bir odaı duvarlarıa paralel olarak yerleştirilmiş düşey ice depolama üiteleri üzeride çalışmışlardır. Mevcut ısı gü içide odada doğal taşıım ile çekilmiş ve faz değişim malzemesi eritilmiştir. Gece şartlarıda ise doğal ve zorlamış taşıım ile ısı üitede çevreye atılmış ve faz değişim malzemesi döüştürülmüştür. Arye ve Guedj [21] boruları düşey koumda ve içleri faz değişim malzemesi ile dolu ola bir gövde-boru tipi ısı değiştiricili üite ile deeyler gerçekleştirmişlerdir. Oda havası falar kullaılarak gövde içie zorlamış taşıım ile göderilmiştir. Faz değişim malzemesi olarak, çevre sıcaklığı güdüz C aralığıda, gece ise C civarlarıda ike C sıcaklıklarıda eriye parafi kullaılmıştır. Faz değişim malzemesi güdüz eriyip gece katılaşmış, böylece odada ısıl kofor sağlamıştır. Kozak vd. [22] faz değişim malzemeside ve havada oluşa bir hibrit ısı değiştirici üzeride sayısal ve deeysel çalışmalarda bulumuşlardır. Oluşturula sayısal modelde etalpi yötemi kullaılmıştır. Sayısal ve deeysel souçları belli bir uyum içeriside olduğu gözlemlemiştir. Leta ve Ziskid [23] ise taşıabilir bir faz değişimli soğutucuu ısıl tasarımı üzerie sayısal bir çalışma yapmışlardır. Dubovsky vd. [24] ise gövde boru tipli bir ısı değiştiricide kullaıla faz değişim malzemeli soğutucuu aalitik çözümü üzeride çalışmışlardır. Başka bir çalışmada ise Ref. [24] deki faz değişim malzemeli soğutucu modeli ele alımış acak farklı faz değişim malzemesi kullaılmıştır [25]. Bu çalışmada soğutucu olarak gövde boru tipi bir ısı değiştiricisi ele alımıştır. Isı değiştiricisi içideki borular dikey koumdadır ve faz değişim malzemesi ile doldurulmuştur. Ortamı sıcak havası falar aracılığı ile soğutucuya yöledirilmektedir. Borular etrafıda geçe sıcak hava borular içide bulua faz değişim malzemesii eritmekte ve böylece hava soğuyarak ısı değiştiricide dış ortama atılmaktadır. İcelee literatür çalışmalarıda, aalitik çözüm yötemleri kullaılarak souç elde edilmeye çalışıldığı görülmüştür. Buu yaıda boru aralıklarıdaki mesafe ve fa gücüü çalışma parametrelerie ola etkisii yeterli derecede icelemediği tespit edilmiştir. Bu çalışmada ise literatür çalışmalarıa ek olarak faz değişim malzemeli ısı değiştiricide boru dizilişii toplam ergime zamaı üzerie etkisi irdelemiştir. Ayrıca fa gücü ve ısı değiştiricii performas değerledirmesi üzerie hesaplamalar yapılmıştır. 2. SİSTEMİN TANITILMASI VE TASARIM PARAMETRELERİ (DEFINITION OF THE PROBLEM AND DESIGN PARAMETERS) Bu çalışmada ele alıa soğutucu, çapraz akışlı gövde-boru tipi bir ısı değiştiricidir. Boruları içie yerleştirile faz değişim malzemesi birbirie karışmamakta ike boruları etrafıda dolaşa hava ise karışmaktadır. Soğutucuu dışta dışa ölçüleri H = 0,8 m yükseklik, W = 0,21 m geişlik ve l = 1,35 m uzuluk olacak şekilde belirlemiştir [23]. Soğutucu sistemde falar düşey olarak yerleştirilmiştir. Havaı serbest akış hızı borular etrafıda 1,4 m/s değeride olacak şekilde belirlemiştir. Isı 556

3 değiştiricii geel yapısı Şekil 1 de verilmiştir. Sistemde kullaıla borular dairesel kesitlidir ve alümiyum malzemede imal edilmiştir. Burada borular düzgü sıralı olarak yerleştirilmiş olup, borular arası mesafe akış yöüde ve akışa dik yöde sırasıyla S p ve S ile gösterilmiştir. Düşey olarak yerleştirile boruları dış çapı D dış = 0,012m, iç çapı D iç = 0,01m ve yüksekliği H b = 0,8m olarak belirlemiştir. Isı değiştiricisii boyutları akışa dik ve akışa paralel yödeki toplam boru sayıları N ve N p olarak gösterilmiştir. Faz değişim malzemesi olarak parafi seçilmiştir [23]. Taşıabilir ölçülerde bir soğutucuya ait ısı değiştiricisii tasarımıda izlemesi gereke ısıl hesaplamalar aşağıdaki gibi verilmiştir. Faz değişim malzemesii toplam kütlesi Eş. 1 ile ifade edilmiştir. m N V N H 4 2 Db FDM b FDM b FDM Faz değişim malzemesi ve hava arasıda gerçekleşe ısı trasferie ait toplam ısı trasfer yüzey alaı, (Eş. 2), boruları yüzey alaları toplamıdır. b A N D H (2) b Havaı falarda borulara doğru aktığı kesit alaı Eş. 3 ile verilmiştir. Ak (1) W H (3) Havaı bu kesit alaıdaki kütlesel debisi Eş. 4 ile hesaplamıştır. Tablo 1. Hesaplaa parametreleri değerleri [23] (Values of the calculated parameters) Toplam boru sayısı 1260 adet Borulardaki faz değişim malzemesi 59,37 kg miktarı Isı trasfer yüzey alaı 31,67 m 2 Boruları dış yüzeyideki ısı taşıım 86 W/m 2 K katsayısı Havaı kütlesel debisi 0,277 kg/s Havaı ısıl kapasitesi 278,5 W/K Şekil 2 ile verildiği gibi hesaplamalara 1.boru sırasıda başlaılmakta ve hesaplamalar soucu elde edile çıkış sıcaklığı 2.boru sırasıı giriş sıcaklığı olarak alımaktadır. Ayı hesaplama yötemi soucu boru sırasıa kadar uygulamaktadır. Burada sıra sayıları ile gösterilmiştir. So sıra sayısı ise N p ile verilmiştir. Boru içideki sıvı kütlesii tüm kütleye oraı ergime oraıdır ve f m ile gösterilmiştir. Bir boru sırası içi toplam trasfer yüzey alaı, A = A/N p şeklide taımlaabilir.. boru sırasıı üzerie aka havaı sıcaklığı T, havaı boru sırası üzeride ayrılma sıcaklığı T +1 dir.. boru sırası tarafıda çekile ısı q ve bu boru sırasıdaki ergime oraı f m, ile verilmiştir. Hesaplamalar t j zama aralığı içi gerçekleştirilmiştir. Faz değişim malzemei alık ergime oraı f m (, t) ve alık ısı trasferi q(, t), her sıra içi gizli ısı kapasitesie bağlıdır ve Eş. (6 ve 7) ile ifade edilmiştir [23]. Q Q0 mfdm L N N (6) p p m v A (4) hava 0 hava k Havaı ısıl kapasitesi ise Eş. 5 ile hesaplamıştır. f m t q Q (7) C m c (5) hava hava p, hava Hesaplamalarda elde edile sabit parametreleri değerleri Tablo 1 de verilmiştir [23]. Herhagi bir t aıda havada -boru sırasıa birim zamada gerçekleşe ısı trasferi Eş. 8 ile verilmiştir. q A h [ T T ] (8) eff ort m Şekil 1. Isı değiştiricisii geel yapısı (Geeral structure of the heat exchager) 557

4 Şekil 2. Faz değişimli ısı değiştiricisii sayısal modeli (Numerical model of the phase chage material heat exchager) Burada, T ort, -boru sırası içi ortalama sıcaklık değeridir ve Eş. 9 ile ifade edilmiştir. 1 ort (9) T 558 T T 2 Eş. 9 da yer ala T, ici boru sırasıdaki hava giriş sıcaklığıdır ve q (t=0)=0 ile belirlemektedir. Etki ısı trasfer katsayısı h eff ise Eş. 10 ile hesaplamıştır. h eff 1 1 (10) 1 1 Diç Rl log 1 fm ht hava ht hava 4kFDM Eş.10 ile verile h t+hava ise hava ile boruu iç yüzeyi arasıdaki etki ısı trasfer katsayısıdır ve boruu iç çapıa bağlı olarak Eş. 11 ile hesaplamıştır [24]. h thava 1 Diç Diç Ddış log Ddışhhava 2k t D iç (11) Boruları dış yüzeyideki ısı taşıım katsayısı, h hava, hesabı içi Eş. 12 ile verile Grimso bağıtısı kullaılmıştır [26]. hava dış max dış 1/3 h D v D c khava hava Pr (12) Eş. 12 ile verile (c) ve () değerleri sabittir [26]. Düzgü sıralı ısı değiştiriciside miimum geçiş alaıdaki maksimum hava hızı Eş. 13 ile verilmiştir. v S v S D dış max 0 (13) t aıdaki birim zamada gerçekleşe ısı trasferi miktarı Eş. 14 ile verilmiştir [24]. A q T T 1 Diç log 1 fm h 4k ort m thava FDM (14) Eş. (7), solu farklar kullaılarak Eş. 15 ile ifade edilmiştir. q t fm. t t fm. () t (15) Q FDM Başlagıçta f m, (t=0)=0 olarak alımıştır. Zamaa bağlı ısı girdisi q(,t) ise, Eş. 16 ile gösterilmiştir [24]. T mcp q, t hava Her sıra içi hava çıkış sıcaklığı ise Eş. 17 ile ifade edilir. q (16) 1 T mcp (17) hava T Sabit giriş sıcaklığı ola ısı değiştiricisii çözümü içi bilgisayar programı yardımı ile iteratif bir süreç uygulaarak souçlar elde edilmiştir. Her zama adımıda ve her bir boru sırası içi (14), (15) ve (17) eşitlikleri kullaılarak iteratif çözümleme yapılmıştır. Yakısama kriteri Eş. 18 deki gibi ifade edilmiştir.

5 f m f f m old m 8 10 (18) Problemi çözümüde Δt=0,1s zama adımı olarak belirlemiştir. Bilgisayar programıa ait akış şeması Şekil 3 te gösterilmiştir. Alık ısı trasfer miktarı boyutsuz olarak Eş. 19 ile verilmiştir. Fa işi hesabı ise Eş. 21 ile taımladığı gibidir. W fa m P hava (21) Burada fa verimi (η) 0,5 olarak alımıştır. Toplam basıç düşümü ( P) boru demeti üzeride meydaa gele akış soucu oluşa basıç düşümü bağıtısıda hesaplaır [26]. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMALAR (RESULTS AND DISCUSSIONS) Şekil 3. Bilgisayar programı akış şeması (Flow chart of the computer program) q 0 q q, t q mc T T max p giriş m hava (19) Parametrik çalışma hesaplamaları içi boru aralığı oraı Eş. 20 ile taımlamıştır. S D R (20) S D p Sabit hava giriş sıcaklığı durumu içi faz değişim malzemeli bir ısı değiştirici sayısal olarak icelemiş ve souçlar Dubovsky vd. [24] tarafıda yapıla aalitik yötemi ile karşılaştırmalı olarak suulmuştur. Farklı boru sayılarıı boyutsuz alık ısı trasferi miktarıa etkisi Şekil 4 ile karşılaştırmalı olarak gösterilmektedir. Boru sayısı arttıkça sistem daha uzu süre kapsamıda isteile soğutma yüküü sağlamaktadır. Şekil 4 de görüldüğü gibi (N p =10) içi yaklaşık olarak 1000s de ergimekte, (N p =90) içi yaklaşık olarak 4250s de ergimektedir. Isı değiştiricii çektiği eerjii boyutsuz olarak zamaa göre değişimi farklı boru sayıları içi Şekil 5 te karşılaştırmalı olarak suulmaktadır. Boru sayısı arttıkça ısı değiştiricisii çektiği eerji artmaktadır ve ayrıca boru sayısıı artışıyla aalitik ile sayısal çözümü arasıdaki fark daha azaldığı görülmüştür. Boyutsuz alık ısı trasfer miktarıı zamaa göre değişimleri farklı hava giriş sıcaklıkları içi karşılaştırmalı olarak Şekil 6 da verilmiştir. Hava giriş sıcaklığı arttıkça (ΔT= T giriş - T m ) değeri yeterice fazla olduğu içi ergime hızı da artmaktadır. Ayrıca (ΔT=71-23 C) ike ergime süresi yaklaşık olarak 1000s; (ΔT=35-23 C) ike ergime süresi yaklaşık olarak 4300s olarak tespit edilmiştir. Şekil 7 de ısı değiştiricii çektiği boyutsuz eerji farklı hava giriş sıcaklıkları içi karşılaştırmalı olarak gösterilmiştir. Bezer şekilde ΔT farkı arttıkça ısı değiştiricii çektiği toplam eerjii hızlı bir şekilde maksimum değere ulaştığı görülmektedir. Faz değişim malzemeli ısı değiştirici soğutma amacı ile kullaılmaktadır ve bu sebepte dolayı hava debisi (fa hızı ) etke çalışma parametreleride biridir. Boyutsuz alık ısı trasfer miktarıı zamaa göre değişimi farklı hava debisi değerleri içi Şekil 8 de karşılaştırmalı olarak gösterilmiştir. Şekil 8 de hava debisi değişimi içi Grimso bağıtısı [26] kullaılmıştır ve bu bağıtıı kullaılması soucuda boru dışıdaki ısı taşıım katsayısıı fa hızıı foksiyou olarak değiştiği görülmüştür. Bu etkii soucuda alık ısı trasfer miktarı da değişmektedir. Hava debisi arttıkça alık ısı trasfer miktarı artmış ve bua bağlı olarak sistemi ergime hızı da artmıştır. v=4v 0 ike ergime süresi yaklaşık olarak 1300s, v=0,5v 0 ike ergime süresi yaklaşık olarak 8100 s dir. Şekil 9 da ısı değiştiricisii çektiği boyutsuz eerjii zamaa göre değişimi farklı hava debisi değerleri içi karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Bezer şekilde hava debisi arttığı zama ısı değiştiricii çektiği toplam eerjii ivedilikle maksimum değerie ulaştığı görülmüştür. 559

6 Şekil 4. Farklı boru sayıları içi boyutsuz alık ısı trasfer miktarıı zamaa göre değişimi [24] (Variatio of the dimesioless istataeous heat trasfer rates with time for differet umber of tubes) Şekil 5. Faz değişimli ısı değiştiricisii sayısal modeli [24] (Numerical model of the phase chage material heat exchager) Şekil 6. Farklı hava giriş sıcaklıkları içi boyutsuz alık ısı trasfer miktarlarıı değişimi [24] (Variatio of the dimesioless heat trasfer rates for differet ilet temperatures) 560

7 Tablo 2. Boru aralıklarıı değişimie göre elde edile değerler (Results obtaied accordig to tube pitch variatios) S p /D=1,25-N p =108 S /D R N (adet) N toplam M FDM h hava Toplam ergime ΔP W Q/t er W (adet) (kg/s) (W/m 2 K) zamaı (s) (Pa) (W) 1, ,43 129, ,3 1129,1 2,7012 1,5 1, ,251 85, ,6 406, ,219 15,09 2 1, ,89 50, ,8 93,373 43, ,79 3 2, , , ,6 31,862 14, ,45 S p /D=1,5-N p =90 S /D R N (adet) N toplam M FDM h hava Toplam ergime ΔP W Q/t er W (adet) (kg/s) (W/m 2 K) zamaı (s) (Pa) (W) 1,25 0, , , ,4 1951,2 917,865 3,1946 1, ,3 85, ,12 170,339 16, , ,411 49, ,2 88,617 41,68 59, ,68 36, ,4 30,73 14, ,58 S p /D=2,0-N p =67 S /D R N (adet) N toplam M FDM h hava Toplam ergime ΔP W Q/t er W (adet) (kg/s) (W/m 2 K) zamaı (s) (Pa) (W) 1,25 0, , , ,2 1489,1 700,495 4,016 1,5 0, ,2 88, ,6 309,07 145,386 18, ,57 66, ,4 82, ,602 61,62 3 1, ,1 54,1 2248,8 29,36 13,81 146,58 S p /D=3,0-N p =45 S /D R N (adet) N toplam M FDM h hava Toplam ergime ΔP W Q/t er W (adet) (kg/s) (W/m 2 K) zamaı (s) (Pa) (W) 1,25 0, , , ,6 1145,5 538,826 4,805 1,5 0, ,688 92, ,8 265, ,799 19, , ,205 74, ,8 76,73 36, , ,84 58, ,6 28,75 13,52 128,12 Buu yaıda faz değişimli ısı değiştiricisie etkiye çalışma parametreleri de parametrik olarak icelemiştir. Yapıla parametrik çalışmada soğutucu hacmi sabit tutulmuştur. Boru aralığı değişimi, hava debisi (fa hızı) değişimi ve faz değişim malzemesi değişke parametreler olarak ele alımıştır. Boru aralığıı değişimie göre toplam boru sayısı ve faz değişim malzemei kütlesi değiştirilmiştir. Farklı boru aralıkları Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2 de verildiği gibi fa gücü daha yüksek orada azalırke toplam ergime zamaı değişimi S p /D=1,25 durumu içi %39, S p /D=1,5 durumu içi %38, S p /D=2,0 durumu içi %39, S p /D=3,0 içi %34 olarak değişmektedir. Boru aralığı oraı (R) azaldığı zama toplam ergime zamaı (t er ) artmasıa rağme fa işi (W) artmaktadır. Bu iki etkii beraber icelemesi içi (Q/t er W) gibi bir performas ideksi taımlaabilir. S /D azaldıkça fa işideki artış miktarı performas oraıı da oldukça azaltmaktadır. Ayrıca Tablo 2 ye göre boru aralığı değişimi icelemiş ve ilgili grafikler sırasıyla Şekil (10 ve 11) de gösterilmiştir. Her S p /D değeri içi S /D arttıkça toplam boru sayısı azalmakta ve bua bağlı olarak faz değişim malzemei miktarı da azalmaktadır. Buu soucu olarak toplam ergime zamaı azalmaktadır. Ayrıca S p /D i artışı her S /D içi ergime hızıı arttırmakta ve toplam ergime zamaıı ise azaltmaktadır. Hava debisideki değişiklikleri icelemek içi Tablo 2 de verile S p /D=2 ve N p =67 değerleri göz öüde tutulmuştur. Toplam ergime zamaı boru aralığı oraıa göre (R) farklı hava debileri içi (v=0,5v 0, v 0, 1,5v 0, 2v 0 ) Şekil 12 ile gösterilmiştir. Hava debisi arttıkça ergime hızı artmakta ve toplam ergime zamaı azalmaktadır. Ayrıca toplam ergime zamaıı soğutucuya gire hava sıcaklığıa göre değişimi farklı hava debileri içi Şekil 13 te gösterilmiştir. Tablo 2 de alıa S p /D=1,5 ve S /D=1,5 parametreleri kullaılmıştır ve hava debisi arttıkça toplam ergime zamaıı azaldığı görülmüştür. Ayrıca hava giriş sıcaklığı 30 C ike hava debisi ve Re sayısıı etkisii fazla olduğu görülmüştür. Hava giriş sıcaklığı 50 C ike hava debisi ve Re sayısıı etkisi azdır. Fa hızı artıkça Re sayısı artar ve boruları dış yüzeyideki ısı taşıım katsayısı artmasıyla toplam direç azalır. Şekil 13 ile verile grafiği eğimii Ese ve Ayha [15] tarafıda verile souçlar ile bezeştiği görülmüştür. Faz değişim malzemesii sistem performasıa ola etkisi Tablo 2 de alıa S p /D=1,5 durumu içi icelemiştir. Faz değişim malzemesii etkisii icelemek içi Ste=c p (T i -T m ) / L olarak taımlaa Stefa sayısı kullaılmıştır. Toplam ergime zamaıı boru aralığı oraıa göre değişimi farklı Stefa sayıları içi Şekil 14 te verilmektedir. Stefa sayısıı artması ile toplam gizli ısı miktarı ve toplam ergime zamaı azalmaktadır. Boru aralığı oraı (R) artıkça boru sayısı ve faz değişim malzemei kütlesi azalmaktadır. Dolaysıyla toplam ergime zamaı da azalmaktadır. 561

8 Şekil 7. Farklı hava giriş sıcaklıkları içi çekile boyutsuz eerji miktarıı zamaa bağlı olarak değişimi (Variatio of dimesioless absorbed eergy with time for differet ilet temperatures) Şekil 8. Farklı hava debileri içi boyutsuz alık ısı trasfer miktarı (Variatio of istataeous dimesioless heat trasfer rate for differet air flow rates) Şekil 9. Farklı hava debileri içi çekile boyutsuz eerji miktarları (Variatio of dimesioless absorbed eergy for differet air flow rates) 562

9 Şekil 10. Faz değişim malzemei kütlesii boru aralığıa göre değişimi (Variatio of mass of the phase chage material with tube pitch) Şekil 11. Toplam ergime zamaıı boru aralığıa göre değişimi (Variatio of total meltig time with tube pitch ) Şekil 12. Toplam ergime zamaıı farklı hava debilerie göre değişimi (Variatio of total meltig time for differet mass flow rates ) 563

10 Şekil 13. Farklı hava debiler içi toplam ergime zamaıı soğutucuya gire farklı hava sıcaklıklarıa göre değişimi (Variatio of total meltig time with ilet temperatures for differet mass flow rate) Şekil 14. Toplam ergime zamaıı boru aralığı oraıa göre değişimi (Variatio of total meltig time with tube pitch ) 4. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) Bu çalışma kapsamıda borularıı içide faz değişim malzemesi ola bir ısı değiştiricisii soğutma amacı ile kullaılacağı tasarıma ait ısıl hesaplar verilmiştir. Isı değiştiricisi üzerie falar aracılığı ile üflee sıcak hava, borular içide bulua faz değişim malzemesii eriterek soğuya havaı ısı değiştiriciside çıkmasıı sağlamaktadır. Isıl hesapları yaıda faz değişimli ısı değiştiricisi içi sayısal bir çözüm de verilmiştir. Giriş verileri olarak sabit hava giriş sıcaklığı ve sabit hava debisi alımıştır. Soğutma sistemi literatürde yer ala aalitik çözümler ile de karşılaştırılmış ve sistem içi parametrik bir iceleme yapılmıştır. Yapıla çalışmada ısı değiştiricisii hacmi sabit tutulmuş ve aşağıda verile souçlar elde edilmiştir: Boru aralığı arttığıda boru sayısıı azaldığı, faz değişim malzemesii kütlesii azaldığı ve buda dolayı toplam ergime zamaıı azaldığı görülmüştür. Fa hızıı artması ile toplam ergime zamaıı azaldığı tespit 564 edilmiştir. Soğutucuya gire hava sıcaklığıı artması ile toplam ergime zamaıı azaldığı görülmüştür. Boru sayısı akışa dik yöde iki kat arttığıda toplama ergime zamaı tüm dört aralık durumu içi ortalama olarak %38 oraıda azalmıştır. 5. SEMBOLLER (SYMBOLS) A Isı trasferi yüzey alaı (m²) c p Özgül ısı (J/kgK) D b Boru dış çapı (m) D iç Boru iç çapı (m) f m Ergime oraı h eff Etki ısı trasfer katsayısı (W/m²K) h hava Boru dış yüzeyideki ısı taşıım katsayısı (W/m²K) k Isı iletim katsayısı (W/mK) L Gizli ısı (J/kg) m Havaı kütlesel debisi (kg/s) hava

11 m FDM Faz değişim malzemesi kütlesi (kg) N Akışa dik boru sayısı (adet) N p (adet) Akışa paralel yödeki boru sayısı Pr Pradtl sayısı q 0 Boyutsuz alık ısı trasferi miktarı Q 0 Gizli ısı kapasitesi (J) R t Isıl direç (m²k/w) R l Sıvı tabakasıı ısıl direci (m²k/w) T i Giriş sıcaklığı ( C) T m Ergime sıcaklığı ( C) T ort Ortalama sıcaklık ( C) v 0 Havaı serbest akış hızı (m/s) υ Kiematik viskozite (m²/s) KAYNAKLAR (REFEERENCES) 1. Zalba B., Mari J.M., Cabeza L.F., Mehlig H., Review o thermal eergy storage with phase chage: materials, heat trasfer aalysis ad applicatios, Appl. Therm. Eg., 23 (2), , Saito A., Recet advaces i research o cold thermal eergy storage, It. J. Refrig. 25 (2), , Garg HP., Solar Thermal Eergy Storage, Spriger Zhao D., Ta G., Numerical aalysis of a shell-adtube latet heat storage uit with fis for aircoditioig applicatio, Appl. Eergy, 138, , Navarro L., de Gracia A., Colclough S., Browe M., McCormack S.J., Griffiths P., Cabeza L.F., Thermal eergy storage i buildig itegrated thermal systems: A review. Part 1. active storage systems, Reewable Eergy, 88, , Navarro L., de Gracia A., Colclough S., Browe M., McCormack S.J., Griffiths P., Cabeza L.F., Thermal eergy storage i buildig itegrated thermal systems: A review. Part 2. Itegratio as passive system, Reewable Eergy, 85, , Ercoşku G.T., Keski A., Gürü M., Altıparmak D., Ivestigatio of desigig, maufacturig ad performace of double- grooved parabolic trough-type solar collector Joural of the Faculty of Egieerig ad Architecture of Gazi Uiversity, 28 (4), , Yıldız Y., Aalysis of performace of ight vetilatio for residetial buildigs i hot-humid climates Joural of the Faculty of Egieerig ad Architecture of Gazi Uiversity, 29 (2), , Çakır M.T., Improvig the efficiecy performace of heat pipes usig alumia cotaiig Nao-fluids, Joural of the Faculty of Egieerig ad Architecture of Gazi Uiversity, 30 (4), , Dicer I., Rose M.A., Thermal Eergy Storage: Systems ad Applicatios, Wiley, U.K Li G., Zheg X., Thermal eergy storage system itegratio forms for a sustaiable future, Reewable Sustaiable Eergy Rev., 62, , Dietz D., Thermal Performace of a Heat Storage Module Usig Calcium Chloride Hexahydrate, J. Sol. Eergy Eg., 106 (1), , Farid M.M., Kazawa A., Thermal performace of a heat storage module usig PCMs with differet meltig temperatures: mathematical modelig, J. Sol. Eergy Eg., 111, , Lacroix M., Numerical solutio of a shell ad tube latet heat thermal eergy storage uit, Sol. Eergy, 50 (4), , Ese M., Ayha T., Developmet of a model compatible with solar assisted cylidrical eergy storage tak ad variatio of stored eergy with time for differet phase chage materials, Eergy Covers. Maage., 37 (12), , Turpey J.R., Etheridge D.W., Reay D.A., Novel vetilatio coolig system for reducig air coditioig i buildigs I. testig ad theoretical modelig, Appl. Therm. Eg., 20 (11), , Turpey J.R., Etheridge D.W., Reay D.A., Novel vetilatio coolig system for reducig air coditioig i buildigs II. testig of a prototype, Appl. Therm. Eg., 21 (12), , Vakilaltojjar S.M., Sama W., Aalysis ad modelig of a phase chage storage system for air coditioig applicatios, Appl. Therm. Eg., 21 (3), 24-63, Mozhevelov S., Coolig of structures by a phase chage material (PCM) i Natural ad Forced Covectio M.Sc. thesis, Mechaical Egieerig Departmet, Be-Gurio Uiversity of the Negev, Beer-Sheva, Israel Mozhevelov S., Ziskid G., Leta R., Numerical study of temperature moderatio i a real size room by PCMbased uits, Heat-SET, Heat Trasfer i Compoets ad Systems for Sustaiable Eergy Techologies, Greoble, Frace, April 5 7, Arye G., Guedj R., A PCM-based Coditioer, fial report 13-04, Heat Trasfer Laboratory, Mechaical Egieerig Departmet, Be-Gurio Uiversity of the Negev, Beer-Sheva, Israel Kozak Y., Abramzo B., Ziskid G., Experimetal ad umerical ivestigatio of a hybrid PCM-air heat sik, Appl. Therm. Eg., 59 (1-2), , Leta, R., Ziskid G., Thermal desig ad operatio of a portable PCM cooler, Heat Trasfer Calculatios, i M. Kutz, ed. McGraw-Hill, New York, chapter 39, Dubovsky V., Ziskid G., Leta R., Aalytical model of a PCM air heat exchager, Appl. Therm. Eg., Cilt 31, , Ezra M., Kozak Y., Dubovsky V., Ziskid G., Aalysis ad optimizatio of meltig temperature spa for a multiple PCM latet heat thermal eergy storage uit, Appl. Therm. Eg., 93, , Holma, J.P., Heat Trasfer, Nith Editio, McGraw- Hill, New York,

12