ISI POMPASI DESTEKLİ GÜNEŞ ENERJİSİ İLE SU DAMITMA. Mustafa KETREZ YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNA EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ISI POMPASI DESTEKLİ GÜNEŞ ENERJİSİ İLE SU DAMITMA Mustafa KETREZ YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNA EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ocak 2010 ANKARA

2 Mustafa KETREZ tarafından hazırlanan ISI POMPASI DESTEKLİ GÜNEŞ ENERJİSİ İLE SU DAMITMA SİSTEMİ adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Yrd. Doç. Dr. Hüseyin USTA Tez Danışmanı, Makine Eğitimi Anabilim Dalı. Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Makine Eğitimi Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Doç. Dr Kurtuluş BORAN Makine Eğitimi AD., G.Ü.. Yrd. Doç. Dr. Hüseyin USTA Makine Eğitimi AD., G.Ü.. Yrd. Doç. Dr.Tayfun MENLİK Makine Eğitimi., AD G.Ü. Yrd. Doç. Dr.Yusuf ÇAY Makine Eğitimi AD., G.Ü... Yrd. Doç. Dr. Musa Galip ÖZKAYA Makine Mühendisliği AD., G.Ü.. Tarih: 25 /02/ 2010 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Bilal TOKLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü.

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Mustafa KETREZ

4 iv ISI POMPASI DESTEKLİ GÜNEŞ ENERJİSİ İLE SU DAMITMA SİSTEMİ (Yüksek Lisans Tezi) Mustafa KETREZ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ocak 2010 ÖZET Bu çalışmada, güneş enerjisinden yararlanılarak deniz suyunun kullanım suyu haline getirilmesi ve soğutulması amaçlanmıştır. Sisteme ısı pompası da eklenerek damıtma miktarı araştırılmıştır. Deneysel çalışma Haziran ve Temmuz aylarında Düzce ilinde gerçekleştirilmiştir. Sistemde, deniz suyu olarak Akçakoca dan temin edilen deniz suyu kullanılmıştır. Damıtma havuz yüzeyi 0,5m 2, kollektör eğimi 30 ve damıtılan su yüksekliği 1 cm seçilmiştir. Isı pompası için 1/6 HP lik bir kompresör, soğutucu akışkan olarak R134a kullanılmıştır. Damıtma sisteminin ve ısı pompasının belirlenen noktalardaki sıcaklıkları, buharlaşma ve damıtılan su miktarları ölçülerek elde edilen sonuçlar incelenmiştir. Isı pompası kullanımının sadece güneş enerjisiyle damıtmaya nazaran %35 daha fazla damıtma sağladığı tespit edilmiştir. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Damıtma, ısı pompası, güneş enerjisi Sayfa Adedi : 139 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. Hüseyin USTA

5 v DESALINATION OF SEA WATER USING SOLAR ENERGY AIDED HEAT PUMP SYSTEM (M. Sc. Thesis ) Mustafa KETREZ GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY January 2010 ABSTRACT In this study, it is aimed that the sea water is distilled by solar energy and cooled. Distilled water quantity was also increased by fixing a heat pump to the system. Experiments were performed in June and July in Düzce. Sea water provided from Akçakoca was used in the system. The area of distillation pool, the collector inclination and distilled water high were selected as 0,5 m 2, 30, and 1 cm respectively. A 1/6 HP compressor and R-134a refrigerant were used in the heat pump. The temperatures on the specified point on the distillation system and the heat pump, vaporization and distillated water quantities were measured and analyzed. In addition, it was determined that the distillation system with the heat pump indicates an improvement of 35 percent over the conventional solar energy distillation systems. Scientific code : Key Words : Desalination, heat pump, solar energy Page number : 139 Adviser : Asist. Prof.Dr. Hüseyin USTA

6 vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren hocam Yrd. Doç. Dr. Hüseyin USTA ya ve yine kıymetli tecrübelerinden faydalandığım Yrd. Doç. Dr. Yusuf ÇAY a, Yrd. Doç. Dr. Adem ÇİÇEK e, Öğr. Gör. Ali SARIBIYIK, Öğr. Gör. Zafer CİNGİZ e, Öğr. Gör. Dursun Göğşen e, hiçbir zaman desteklerini esirgemeyen aileme ve ismini sayamadığım arkadaşlarıma teşekkürü bir borç bilirim.

7 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... v TEŞEKKÜR... vi İÇİNDEKİLER...vii ŞEKİLLER LİSTESİ... x SİMGELER VE KISALTMALAR...xiii 1. GİRİŞ...Hata! Yer işareti tanımlanmamış. 2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI GÜNEŞ ENERJİSİ VE DAMITMA Güneş Enerjisi ve Önemi Türkiye de Güneş Enerjisi Potansiyeli Deniz Suyu Özellikleri ve İçme Suyu Kalitesi Bakımından Tuzlu Su Deniz suyunun tuzluluğu Deniz suyunun sıcaklığı Deniz suyunun yoğunluğu Güneş Enerjisiyle Su Damıtılması Güneş enerjisinden yararlanılarak suyun damıtılması Buharlaşmaya etki eden faktörler Suyun kalitesi ve bulunduğu ortam Güneş enerjili damıtıcılar ve damıtma sistemleri Bir güneş enerjili damıtma havuzunun çıktısının hesabı Güneş enerjili damıtma tesisi örneği... 52

8 viii Sayfa 4. ISI POMPASI VE ISI POMPASI DESTEKLİ DAMITMA SİSTEMİ Isı Pompalarının Sınıflandırılması Buhar Sıkıştırmalı Isı Pompası Buhar sıkıştırmalı ısı pompası çevrim hesapları Isı Pompası Verimi Hava kaynaklı buhar sıkıştırmalı ısı pompaları Su kaynaklı buhar sıkıştırmalı ısı pompaları Toprak kaynaklı buhar sıkıştırmalı ısı pompaları Güneş kaynaklı buhar sıkıştırmalı ısı pompaları Evsel Isı Pompası Uygulamaları Endüstriyel Isı Pompası Uygulamaları Kurutma, buharlaşma ve kaynatma prosesleri Diğer endüstriyel uygulama alanları MATERYAL VE METOD Materyal Damıtma havuzu Kompresör Metot SONUÇ ve ÖNERİLER Sonuçlar ve Tartışmalar Öneriler KAYNAKLAR EKLER... 97

9 ix Sayfa EK-1. Deneyler süresince ölçülen sıcaklık ve rüzgar değişimleri EK-2. Deney cihazından elde edilen sıcaklık değişimleri EK-3. Damıtılan su miktarı ÖZGEÇMİŞ

10 x ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 3.1. Dünya üzerindeki çeşitli denizlerin tuzluluk oranları Çizelge 3.2. Serbest su yüzeyinde buharlaşma miktarının enlemlere göre değişimi Çizelge 4.1. Isı pompalarında kullanılan ısı kaynakları ve sıcaklık aralıkları... 55

11 xi ŞEKİLLER LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 3.1. Deniz suyunun kimyasal bileşenleri Şekil 3.2. Hidrolojik çevrim Şekil 3.3. Tek havuzlu güneş enerjili damıtma sistemi Şekil 3.4. Tek havuzlu cam çatılı güneş damıtma sistemi Şekil 3.5. Havuz tipi güneş enerjili damıtıcı Şekil 3.6. Uygulamada bazı büyük güneş enerjili damıtıcılardan kesitler Şekil 3.7. Açılı cam örtülü güneş damıtıcısı Şekil 3 8. Yüksek sıcaklıklı sistemler Şekil 3.9. Cezayir de yapılmış olan sistem Şekil Aktif çalışan güneş enerjili damıtma havuzu ve düz yüzeyli kollektör Şekil Deneysel güneş enerjili damıtıcı Şekil Flatmodel Rosendahl damıtma sistemi Şekil Kanal şeklinde güneş çanağının kesiti Şekil Hindistan da yapılan ısı geri kazanımı damıtma sistemi Şekil Deniz suyunun damıtılması Şekil Deniz suyunun ısıtıcı kullanılarak damıtılması Şekil Çok etkili havuz tipi bir güneş çanağının kesiti Şekil Çoklu ani buharlaştırmalı damıtma ünitesinin diyagramı Şekil Asimetrik sera tipi güneş enerjili damıtıcı Şekil Güneş enerjili damıtıcı ile termosifonun birleştirilmesi Şekil Damıtma tesisi

12 xii Şekil Sayfa Şekil 5.1. Deneyde kullanılan güneş enerjili damıtıcı ve sıcaklık ölçüm noktaları Şekil 6.1. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları Şekil 6.2. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları Şekil 6.3. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları Şekil 6.4. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları Şekil 6.5. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları Şekil 6.6. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları Şekil 6.7. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları Şekil tarihleri arasında ölçülen ortalama sıcaklık değerleri değişimleri Şekil tarihleri arasında ölçülen ortalama sıcaklık değerleri değişimleri Şekil Günlük toplam damıtılan su miktarları ( Temmuz tarihlerinde ısı pompası aktif değildir.)... 89

13 xiii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklamalar A Alan (m 2 ) Cm Santimetre C Santigrat ( Derece Celsius) D Çap (m) E Toplam verim G Günlük ışınım miktarı (MJ/m 2 ), (kwh/m 2 ), (W/m 2 ), (kcal/m 2 ), (kwh/m 2,d) F Fransız sertliği hb Doymuş kuru buharın entalpisi (kcal/kg) hs Doymuş suyun buharın entalpisi (kcal/kg) kg Kilogram L Litre M Metre Mbar Milibar (Hava basıncı) Ml Mililitre m/s Saniyedeki metre mmss Milimetre su sütunu Q b Q y Q yi W k W ki M s η mk Buharlaşan ısı miktarı Yoğuşan ısı miktarı Yoğuşturucudan atılan ısı miktarı Gerçek kompresör işi İdeal kompresör işi Soğutucu akışkanın debisi Kompresörün mekanik verimi

14 xiv Simgeler Açıklamalar η ik η ip Kompresörün iç verimi Buhar sıkıştırmalı ısı pompasınınverimi

15 xv Kısaltmalar Açıklama TO MSF MED ED PCM MSFD VMD DCMD WHO HD DMD EPSEA NMSU SPMD ew ea AGMD SORÇ NaCl FV ITK SASA Ters kozmos Çok aşamalı flaş Çok etkili damıtma Elektrodiyaliz Faz değiştiren malzeme Çok katlı hızlı damıtma Vakumlu membran damıtma Direkt bağlantılı membranlı (zarlı) damıtma Dünya Sağlık Örgütü Nemlendirmeli venemlendirmesiz damıtma Dağıtmalı çok etkili damıtma El Paso Güneş Enerji Kurumu New Mexico Devlet Üniversitesi Güneş enerjisi kaynaklı membranlı (zarlı) damıtma Sudaki buhar basıncı Havadaki buhar basıncı Hava boşluklu zarlı damıtma Solar organik Rankine çevrimi Sodyum klorür Fotovoltaik Isıtma tesir katsayısı Sürekli akışlı sürekli açık sistem

16 1 1. GİRİŞ Küresel ısınma, iklim değişiklikleri, nüfus artışı, sanayileşme ve etkin tarım faaliyetlerinin dünyanın kısıtlı yeraltı ve yerüstü kaynaklarını tükettiği bir gerçektir. Sanayileşme ve gelişme hamlelerine paralel olarak ülkemizde de kaynak tüketimi hızla artmaktadır. Dünyada ve ülkemizde su kaynaklarının giderek tükenmesi ve mevcut su kaynaklarının kullanılamayacak duruma gelmesi, su temini konusunda çalışmaları zorunlu kılmaktadır. Özellikle, su gibi doğal bir kaynağın tüketilerek geriye dönüşünün mümkün olmaması, bizleri bu kaynakları koruyacak ve kurtaracak teknolojileri kullanmaya ve geliştirmeye mecbur kılmaktadır. İçme ve kullanma suyuna duyulan ihtiyacın artması, bilim adamlarını arayışlara ve bu konuda çalışmalar yapmaya zorlamıştır. Dünya üzerindeki su potansiyelinin yalnızca % 0,5 i içilebilecek nitelikte olup, % 97 si deniz suyu, % 2,5 i ise tuz içermesinden dolayı tuzlu yeraltı suyu olarak sınıflandırılmaktadır. Söz konusu tuzlu sular, içilebilecek nitelikte suya dönüştürülürse su temini açısından sınırsız bir potansiyel elde edileceği açıktır. Son yıllarda, çoğu kurak ve kıraç bölgelerde deniz suyundan içme suyu elde edilmiştir. Geleneksel damıtma işlemlerindeki [Ters ozmos (TO), Çok Aşamalı Flaş (MSF), Çok Etkili Damıtma (MED), Elektrodiyaliz (ED) vb.] yeni çalışmalar maliyetin azaltılmasına yöneliktir [1]. Güneş enerjisiyle damıtmadaki temel teori, doğada var olan su çevriminin minyatür olarak yeniden yapılandırılmasıdır. Küresel su çevriminde güneş, su kaynaklarını ve yüzey sularını buharlaştırır, hayvan ve bitkilerde solunuma sebep olur. Atmosferdeki nem arttıkça buhar bulutlarda yoğunlaşır ve uygun soğutma koşulları ile dünyaya yağmur olarak geri döner. Güneş enerjili havuzla damıtma işlemi dünyada doğal olarak gerçekleşmektedir [2]. İlk yapılan damıtıcıların mantığı bu çevrime dayanmaktadır. Geliştirilen damıtma sistemleri de bu prensibe göre çalışır. Damıtma havuzuna alınan tuzlu su, güneş enerjisiyle buharlaştırılır. Buharlaşan su, daha soğuk saydam örtüde yoğunlaşır. Yoğunlaşan su toplanarak içilebilir ve kullanılabilir su elde edilir.

17 2 Son yıllarda başta küresel ısınma olmak üzere birçok nedenden dolayı su çok değerli bir kaynak olmaktadır. Dünyamızda nüfusun sürekli artması ve su kaynaklarının azalması ile birlikte içme suyu sıkıntısı yaşanmaktadır. Günümüzde dünyada ciddi bir temiz su sıkıntısı yaşanmaktadır. Su kaynaklarının kirlenmesi ve nüfus artışı yüzünden 2025 li yıllarda nüfusun üçte ikisi temiz su sıkıntısı çekecektir. Su sıkıntısı daha çok kuzey Afrika ve güney Asya ülkeleri gibi kurak alanlarda yaşanmaktadır (15-35 Kuzey enlemlerinde). Bu durum karsısında en geçerli çözüm güneş enerjisiyle damıtma olarak görülmektedir. Temiz suya en çok ihtiyaç duyan yerler aynı zamanda yoğun güneş enerjisine sahip yerlerdir. Bu yüzden de termal güneş enerjili damıtma işlemi, uygulanabilecek en etkili yöntemdir[3]. Yapılan çalışmada; Düzce ili koşullarında, Karadeniz den (Akçakoca-Ereğli sahillerinden) temin edilen deniz suyundan ısı pompası ilave edilmiş basit bir güneş enerjili damıtıcı kullanarak, tatlı su elde edilmiştir. Isı pompasının güneş enerjili damıtma sistemine etkileri incelenmiştir. Damıtılan suyun miktarındaki değişmeler, soğutucu akışkanın yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıkları ölçülmüştür.

18 3 2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI İçilebilir ve kullanılabilir suya olan ihtiyacın artması ve diğer enerji kaynaklarının pahalanması ile güneş enerjisinden yararlanılarak deniz suyunun damıtılması sistemlerine olan ilgi artmıştır. Bu konuda içilebilecek ve kullanılacak suyun ihtiyacından dolayı bilim adamları tarafından yapılan birçok çalışmalardan bazıları aşağıda özetlenmiştir. Damıtıcıların güneş enerjili olanları 1872 de Kuzey Şili de Laf Salinas yakınlarında İsveçli Mühendis Charles Wilson tarafından büyük bir havuz tipi damıtıcının yapılmasıyla başlamıştır. Geniş ölçekli bu havuz, Şili deki maden çalışanlarına içecek su üretmek için kurulmuştur. Tasarlanmış olan 4700 m 2 lik cam kapaklı damıtıcı, uzun seneler boyunca nitrat işleme tesisi olarak hizmet vermiştir. Orijinal havuz tipi damıtıcı, 61 m uzunluğunda ve 1,4 m genişliğinde ahşap bölmelerden imal edilmiştir. Bu damıtıcı ile günde 1 m 2 buharlaşma yüzeyinden 5 lt su elde edildiği bilinmektedir. Bu da bir günde toplam litre suya karşılık gelmektedir[4]. Nebbia [5] tarafından 1953 yılında küçük ölçekli güneş enerjili damıtma havuzu inşa edilmiştir (0,18 m 2 taban alanlı). Bu havuz, plexiglas tabana ve plexiglas örtüye sahiptir. Bu modelde damlacıkların yoğunlaşması ile plastik kabın iç yüzeyindeki damıtılmış su miktarı test edilmiştir. Geliştirilmiş modeli Bari Ticaret fuarında (Eylül 1953) plexiglas tabanlı (0,25 m 2 ) ve camla kaplanmış bir damıtma havuzu sergilenmiştir. Diğer bir modelde ise damıtma havuzunun 2 m 2 lik alana sahip ahşaptan yapılmış bir tabanı, camdan üst yoğuşma örtüsü bulunmaktadır. Havuzun altına yerleştirilmiş mantar, ısı yalıtımı amacıyla kullanılmıştır. Damıtma havuzu ile yapılan çalışmalarda havuzdaki suyun kaybolduğu görülmüştür. Nedeni ise, yalıtımın iyi yapılmamış olmasından dolayı suyun sistemden kaçmasıdır. Bu çalışmalar sonucu, daha iyi bir model yapılmasına yardımcı olmuştur[5]. Öztürk [4] tarafından yapılan bilim uzmanlık tez çalışmasında basit bir güneş damıtıcısı imal edilmiş ve bu damıtıcının performansını etkileyen parametrelerden

19 4 rüzgâr hızı, ısınım şiddeti ve üst yoğuşma örtüsü incelenmiştir. Laboratuar ortamında güneş simülasyonu yapılmıştır. Bu çalışmanın sonunda İstanbul koşullarında basit bir damıtıcının üst yoğuşma örtü eğimi 33 olarak bulunmuştur. Damıtıcı üst yoğuşma örtüsü üzerinde değişik hızlarda hava akımı oluşturulmuş ve damıtılan su miktarlarındaki değişmeler incelenmiştir. İncelemeler sonunda 3 m/s lik rüzgâr hızında damıtılan su miktarı en fazla olmuştur. Çeşitli amaçlar için kullanılan düşük sıcaklıkta faz değiştiren malzemeler damıtıcının verimini artırmak için kullanılmıştır. Bu malzeme kullanılarak elde edilen damıtılmış su miktarından % 54,5 daha fazla damıtılmış su elde edilmiştir. Cingiz [6] tarafından yapılan bilim uzmanlık tez çalışmasında basit bir güneş damıtıcısı imal edilmiş ve üst yoğuşma örtüsü çeşitleri ve güneş kollektörü kullanarak deneyler yapmıştır. Bu deneyler için hazırlanan düzenekte üst yoğuşma örtüsü olarak tek eğimli, çift eğimli ve silindirik form verilmiş örtü ile birlikte damıtma sistemi güneş kollektörü ile birleştirilmiştir. Bu deneyler sırasında deneyi etkileyen parametreleri dikkate almıştır. Yapılan deneyler sonucunda, sistemin veriminin, iklim şartlarına, damıtma yöntemlerine, damıtıcının örtü şekillerine, tuzlu su derinliğine göre değişme olduğu sonucuna varmıştır. Garcia-Rodriguez ve Gomez-Camacho [7] tarafından yapılan çalışmada termal tuz arıtımı ve damıtma işleminde gelecekte de güneş enerjisinin önemli bir enerji kaynağı olduğunu göstermiştir. Burada güneş enerjisiyle çalışan damıtma sistemi iki cihazdan oluşturulmuştur; güneş kollektörü ve damıtıcı (arıtıcı) veya birleşik sistemlerdir. Bunlar; 1.durumda dolaylı güneş enerjisiyle damıtma işlemi ve 2.durumda direkt güneş enerjisiyle damıtma işlemleridir. Bu inceleme dolaylı işlemle ilgilidir ve onun gelecek mevcut damıtma sisteminin bir özeti verilmiş ve diğer damıtıcılarla karsılaştırılmışlardır. Ayrıca olabilir ilerlemelerle ilgili teknolojilerin analizleri verilmiştir. Nishikawa vd.[8] yeni, çok etkili güneş damıtıcısı yapmışlardır. Bu sistem deniz suyundan hiçbir dönüşümsüz enerji kaynağı kullanılmadan temiz su üretmek için

20 5 geliştirilmiştir. Kapalı çevrim olarak çalışan güneş panelinde, ısınan su bir tuzlu su tankından geçirilerek ısısıyla buradaki suyu ısıtmaktadır ve burada buharlaşan su tekrar alınarak ikinci tuzlu su tankından geçirilmekte, aynı süreç üçüncü tankta da meydana gelmektedir. Üçüncü tankta buharlaşan su, ısısını vermek üzere klasik tek eğimli güneş damıtıcısına gönderilmektedir. Sistem, bilgisayar kontrolü ile çalışmakta ve gerekli elektrik enerjisi güneş pilleriyle sağlanmaktadır. Güneş kollektörü 7,8 m 2, güneş pili de 3,7 m 2 alana sahiptir. Buharlaşmanın düşük sıcaklıkta gerçekleşmesi için tanklarda vakum oluşturulmuştur. Bu damıtma sistemde nominal performans günlük 100 lt olarak ölçülmüştür. Abdelrassou [9] Ortadoğu da, su damıtılması için kullanılan değişik damıtma sistemlerinin ekonomik olarak değerlendirmesini yapmış ve güneş enerjisinin damıtmada kullanılması ile damıtma maliyetinin düşürülebileceğini açıklamıştır. Güneş enerjisiyle damıtmanın çok basit ve direkt bir metot olduğu, yalnızca geniş alan gerektirdiği, enerji sarfiyatının az olduğu ve verimsiz toprakların bulunduğu yerler çok uygun bir yöntem olduğu belirtilmiştir. Çok katlı hızlı (MSF) damıtma işleminin çok enerji gerektirdiği fakat tersine ozmos (TO) un enerjiyi daha az kullandığı belirlenmiştir. Tersine ozmos ve elektrodiyalizin (ED) en uygun yöntemler olduğu görülmüştür. Boukar ve Harmim [10] Cezayir in temiz sudan uzak kurak alanları için güneş potansiyelinin ve güneş enerjisiyle damıtmanın iyi bir yöntem olduğu belirtilmiştir. İnsanlar yeraltı kaynaklarına bağımlıdır fakat bu sulardaki tuz yüzünden her zaman kullanılamamaktadır. Bu çalışma 2003 yılında yaz-sonbahar aylarında Cezayir in iklim koşullarında ve çölde yapılan tek eğimli dikey güneş enerjisiyle damıtma havuzu test edilmiş ve onunla ilgili çalışmalar anlaşılmıştır. Saatlik ve günlük ölçümler, suyun film ısısı, cam kapak, güneş havuzunda kalan tuz miktarı, hava sıcaklığı ve güneş radyasyonu kayıt edilmiştir. Kurulan sistem Adrar şehrinde test edilmiştir.(enlem ve yükseklik 0,28 ). Yapılan güneş enerjisiyle damıtma havuzu 0,817 m2 lik süngerimsi yüzeye sahiptir. Ölçümlerde kısa sürede havuzda

21 6 0,275 ile 1,31 l/m 2.d lık ürün, 8,42 ile 14,71 MJ lük enerji ile % 7,84 ile % 21,19 luk verim elde edilmiştir. Grater vd. [11] hafif tuzlu su ve deniz suyunun arıtılmasını, termal işlem laboratuarında kurulmuş olan dört etkili damıtma işlemiyle deneyler yaparak araştırmışlardır. Farklı çalışma metotları ve konfigürasyonları test edilmiştir. Isı dönüşümü ve damıtmanın üründe etkisinin az olduğunu; fakat hızı arttırdığını belirlemişlerdir. Ayrıca damıtıcının içerisine fan ve ince zar yerleştirerek verim üzerindeki etkilerini incelemişlerdir. Bu şekilde toplam ürün % 60 artmıştır. Ayrıca özel ısı gücü ihtiyacı azalmıştır. Ancak sistemin daha fazla güneş kollektörü ve ısı değiştirici kapasitesi gerektirdiği görülmüştür. Sow vd. [12] tarafından yapılan bu çalışmada alınan ve verilen enerjinin tekli, çiftli, üçlü damıtıcılardaki analizinin güneş enerjisi ile yapılması anlatılmıştır. Enerji analizi çalışmaları şu verilere göre açıklanmıştır: Su dağıtım limiti % 50, en fazla tuz limiti % 5,5 ve minimum enerji tüketimi olmaktadır. Bu analizin buharlaşma, yoğuşma ve toplam güç tüketimini de artırdığı belirtilmiştir. Dışa enerji verilerek yapılan analiz çalışması enerji kaybının yoğuşturucuya ve suyun temizlenmesinde olduğunu göstermiştir. Bunlar; % 19 - % 26 arasında üç etkili sistemle, % 17 - % 20 arasında çift etkili sistemde ve % 4 te tek etkili sistemde yerleştirilmiştir. Sonuç olarak en etkili sistemin ikili veya üçlü sistem olduğu izah edilmiştir. Dayem[13] bu çalışmada, çok etkili yoğuşma ve buharlaşma çevrimine dayalı basit güneş enerjili damıtıcıların nümerik ve deneysel performansını göstermektedir. Deney cihazı, Mısır da Mattarria Mühendislik Fakültesi (Kahire) ndeki laboratuarda kurulmuş ve test edilmiştir. Damıtma nemlendirici (buharlaştırıcı) ve nem alıcı (yoğuşturucu) ünitelerden oluşmuştur. Bu iki kısımdaki hava dolaşımı doğal konveksiyonla sağlanmıştır. Soğuk tuzlu su önceden içeride ısıtılmış ve daha sonra güneş kolektör çerçevesinde ısı değişimine maruz bırakılmıştır. Bu cihazda düz plakalı kollektör alanı 3,1 m 2 dir ve kapalı bir çerçevesi vardır. Ayrıca depolama tankı bulunmaktadır. Yıllık, farklı derecelerde elde edilecek ısı tahmin edilmiştir. Optimum kollektör alanı sistemin ömrünün maksimum olmasını sağlamıştır.

22 7 Nümerik ve deneysel sonuçlar karsılaştırılmıştır. Yıl içerisinde 241 gün su üretildiği tespit edilmiştir. Garcia-Rodriguez [14] bu çalışmada milyonlarca insanın temiz ve güvenilir su kaynağına sahip olmadığını belirtmiştir. Pek çok kurak alanın kıyı şeridinde olduğu, buralarda deniz suyunu damıtma ve arıtma işleminin uygun bir alternatif olduğu anlatılmıştır. Diğer taraftan, bu işlemler için büyük bir enerji gereksinimi duyulmaktadır. Küçük yerleşim yerleri için özellikle de elektrik enerjisi kullanılacak ise enerji bir sorun olabilecektir. Kurak alanlarda güneş enerjisinin kullanılabileceği önerilmiştir. Bu bölgelerde yenilenebilir enerji kaynakları tekrar gözden geçirilmelidir. Kumar ve Kumar [15] birlikte yaptıkları çalışmada, güneş enerjisinin damıtmada eşit dağıtılması için farklı bir yöntem uygulamışlardır. Tuzlu su deposundan gelen suyu, cam örtü üzerinden geçirerek ısınan suyu bir ısı değiştiricisine göndermişlerdir. Güneş kollektöründen gelen sıcak suyla ısı değiştiricisinde damıtıcıya giden tuzlu suyu ısıtmışlardır. Kollektörler kapalı bir çevrim olarak çalışmaktadır. Yaptıkları sistemde kızgın su sıcaklığının sürdürülmesinde yalıtımın etkilerini incelemişlerdir. Al-Hayek ve Bardan [16] bu çalışmada su damıtılmasında kullanılan farklı şekillerde tasarlanmış güneş damıtıcılarının etkilerini anlatmışlardır. Güneş enerjisinin güneş ışığı çok ama içme suyu az olan yerlerde çok büyük bütçelerle üretilebileceğini belirtmişlerdir. Güneş enerjisi 2 tip güneş damıtıcısında kullanılmıştır: Asimetrik sera tipli damıtıcılarda iç duvarına yansıtma için aynalar monte edilmiş ve bu aynalar sayesinde verimin simetrik olandan daha verimli olduğu görülmüştür. Su miktarının % 20 oranında artmış olduğu belirtilmiştir. Ayrıca asimetrik olan damıtıcının üst kısmına cam konulmuş bu camda 35 lik eğimle yerleştirilmiştir. Su derinliği 2 cm olarak ölçülmüştür. Bu damıtıcıların tabanları en fazla güneş ışığını emmek için siyaha boyanmıştır. Cam kapak sayesinde güneş ışığı sistemden içeri girmiş ve ışınlar siyaha boyalı taban tarafından absorbe edilmiştir. Su ısınmaya başlamış ve nem su yüzeyi ile cam arasında birikmeye başlamıştır (sera etkisi). Isınan su tabandan buharlaşmış ve böylece tuz ve mikroplar geride kalmıştır. Yoğuşan su,

23 8 damlalar şeklinde cam yüzeyinden aşağı doğru inmiş ve depolama şişesinde toplanmıştır. Damıtma havuzu her sabah doldurulmuş akşamları da damıtılan su toplanmıştır. Ayrıca taban ve kenarlar taş ve tahta ile izole edilmiştir. Bu şekilde ısı kaybı minimum duruma getirilmiştir. Bu iki damıtıcının karakteristik performansı su yüzeyindeki ısının güneş radyasyonuyla yakından ilgili olduğu, damıtıcının verimliliğinin artmasında su derinliğinin azaltılmasının ve boya maddesi eklenmesinin etkili olduğu anlaşılmıştır. Tripathi ve Tiwari [17] tarafından yapılan bu çalışmada farklı su derinlikleri için kullanılan aktif ve pasif güneş havuzları için güneş bölümlerinde kullanılan genel düşünce anlatılmıştır. Deneyler Yeni Delhi de 24 saat boyunca Kasım-Aralık aylarında farklı su derinliklerinde yapılmıştır. Havuzun taban yüzeyi siyaha boyanmış, böylece daha fazla güneş ışığı absorbe edilmesi planlanmıştır. Üzerine 3 mm kalınlığında cam kapak konulmuştur. Havuzun alanı 1 m 2 olacak şekilde imal edilmiştir. 2 adet düz plakalı toplam alanı 4 m 2 olan güneş kollektörleri sisteme ilave edilmiştir. Aktif damıtma işleminde kollektörden gelen sıcak su, havuzun tabanına pompalanır ki bu cam ve su yüzeyinin derece farkını artırmak içindir. Pompanın yalnızca güneş ışığında çalıştırılması düşünülmüştür (09:00-16:00 arası). Bu saatlerin dışında akım tersine olmaktadır. Pasif damıtma sisteminde pompa kullanılmamıştır. Depolama etkisi çalışılır, bu da farklı derinliklerde olmaktadır. Mesela; 0,05 m -0,10 m m. Deneyler sabah 09:00 dan diğer sabah 08:00 e kadar sürmüş ve 2003 Kasım-Aralık aylarında yapılmıştır. Pek çok parametreler örneğin su, iç cam, dış cam, buhar, ısı, toplam ve difuz eden radyasyon (cam kapak ve kollektör üzerindeki) ve bu sonuçta elde edilen su, değişik derinlik ve modlarda her saat ölçülmüştür. Eby vd. [18] bu çalışmada Amerika-Meksika sınırında 10 yıldır uygulanan güneş enerjisiyle damıtma uygulamasını anlatmışlardır. Dünyanın gelişmekte olan diğer yerlerindeki gibi Amerikanın kurak Meksika sınırlarında ciddi su sıkıntısıyla karşı karşıya kaldığı belirtilmiştir. Güneş enerjisiyle damıtma uygulaması sayesinde yalnızca su saflaştırılmakla kalınmamış aynı zamanda tuzundan da arındırılmıştır. Güneş enerjili damıtma havuzları etkili bir şekilde tuzu, ağır metalleri, bakteri ve

24 9 mikropları su kaynağından yok etmektedir. Bu sistemde genel havuzun çalıştırma işlemi basittir ve havuzun güneşe doğru konulması gerekir. Bir veya iki günde bir havuza su konur, havuzun tabanı temizlenir. Havuzlar modülerdir ve daha çok su üretimi için yan yana paralel olarak havuzlar birbirine bağlanabilir. Su havuzun tabanında buharlaştıkça geride tuz ve diğer maddeler kalır. Zaman geçtikse tuz iyi temizlenmezse birikir. Bu yüzden uygun bir şekilde çalıştırılması için her gün ortalama 3 kere su ilave edilmesi gerekir. Örneğin havuz 5 litre su üretiyorsa 15 litre su eklenmelidir, 10 litresi de havuzdan ayrılır. Bu ayrılan 10 litre su tuz birikmesini önlemek için kullanılır. Bu 10 litrelik su, iyi kalitede ise yıkama işlemlerinde (evde) kullanılabilir. Bu şekilde çalışan havuzlarda herhangi bir tortu birikmez. Eğer bu işlem unutulursa sirke ile havuz tabanı elle temizlenir. Arizona Üniversitesinden Dr. Andrew Veil bu suyun daha sağlıklı olduğunu savunmuştur. Nebbia [5] bu çalışmada yılları arasında İtalya da Bari Üniversitesi nde yapılmış güneş enerjisiyle damıtma çalışmalarını anlatmıştır. Kurak yerler için içecek su üretmekte kullanılan güneşe dayalı damıtma işleminde, güneş havuzları yerel ve basit materyallerle tasarlanmıştır. Çalışmada karşı karşıya gelinen problemleri anlatılmıştır. Bu problemler; malzeme korozyonu, havuzların bakımı, tepsilerin temizliği, suyun tadının iyileştirilmesi ve çıkan tuzun elden çıkarılmasıdır. Diğer güneş enerjisiyle yapılan çalışma ise biyolojik kütlelerin enerji kaynağı olarak kullanılmasıyla yapılmıştır. Özellikle de enerji kaynağı olarak etanol kullanılmıştır ile 70 yılları arasında 10 tane değişik güneş havuzu inşa edilmiş (105 ünitelik) ve bunlarda değişik tasarımlar ve materyaller kullanılmıştır. Güneş havuzlarının çalışıp çalışmadığına dair testler Bologna da Bari de ve Akdeniz adaları olan Tremiti ve Pantelleria da (45-35 Kuzey enlemleri) yapılmıştır. Deneysel çalışmaların çoğu Bari de 41 Kuzey enleminde (güney doğu İtalya da bir liman) açık bir gökyüzünde yılın pek çok ayında güneş radyasyonunun 24 MJ/ m 2 gün ve MJ/ m 2 yıl a ulaştığı yoğunlukta yapılmıştır. Schwarzer vd [19] tarafından yapılan sistem, düz yüzeyli güneş kollektörü ve ısı geri kazanım mekanizmalı arıtma kulesinden oluşmuştur. Düz yüzeyli güneş kollektörü direkt veya endirekt ısı şekli olarak kullanılabilir. Birincisinde su, kollektör

25 10 emicisinden geçerek yoğunlaşarak arıtma kulesinin altındaki temiz su tankına doğru akmaktadır. Tanktaki sıcak su buharlaşır ve birinci bölümün duvarlarında yoğunlaşır. Bu bölüm tuzlu suyun direkt ısıtıldığı bölümdür. Endirekt ısıtmada güneş radyasyonu kollektörde absorbe edilir ve ısıl yağ akışı ile transfer edilir. Burası da bu ısıyı arıtma kulesindeki tuzlu suyun olduğu yere transfer etmektedir. Isı transferi, ısı değiştiricisinin en alt seviyesinde ve arıtma kulesinin birinci seviyesinde olmaktadır. Damıtma kulesinde altı aşama ve su dolaşım sistemi bulunur. Aşamalar tuz konsantrasyonunu engellemek içindir. Sonuçlar ısıl performansının iyi bir sistem olduğunu ve çıkan ürün miktarının artırılabileceğini göstermiştir. Spinnler vd. [20] bu çalışmada küçük ölçekli sistemlerde deniz veya tuzlu suyun güneş enerjisiyle arıtılmasını anlatmışlardır. Batı Bengal de ve Bangladeş te köylüler arsenik içeren kuyulardan su çekmektedir. Bu olaylar, temiz su üretme teknolojilerine olan ilgiyi artırmaktadır. Standart metotlarla ile günde 100 ile m 3 arasında su üretilebilmektedir. Bu sistemlerin yüksek maliyet ve kurulum sorunları nedeniyle her yere kurulamadığı belirtilmiştir. Bu amaçla iki sistem geliştirilmiştir: İlkinde tek evreli flaş buharlaştırmalı üniteler, ikincisinde ise çok etkili nemlendirme ünitesi geliştirilmiş ve optimizasyonu yapılmıştır. Kurulan su temizleme sistemlerinin çalışma prensipleri, enerji tüketim oranları, kurulum ve bakım maliyetleri mukayese edilmiştir. Bu iki sistemde de sudan arseniği yok etmek amaçlanmıştır. Deneylerden olumlu sonuçlar elde edilmiştir[20]. Deniz suyu tuzunu arıtmada ters ozmos metodunun başlıca problemi mikroorganizma çoğalması ile ortaya çıkan biyolojik kirlenmedir. Aralıklı klor püskürtme metodu ile ters ozmos membranının doğrudan klor sterilizasyonu yapılarak biyolojik kirlenme problemi çözülmektedir. Fujiwara ve Matsuyama ağır metaller içeren deniz suyuna klor püskürtme durumunda selüloz triasetat bir membranın karakteristiklerinin değişimi, deneysel olarak nicelik bakımından belirlemiş ve selüloz triasetat membran için bir performans tahmin formülü geliştirmişlerdir. İlave olarak performans tahmin formülünün geçerliliği tuz arıtma tesislerindeki gerçek performans değişimi ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Son

26 11 olarak aralıklı klor püskürtme durumu yeni elde edilen tahmin formülü kullanılarak optimize edilmiştir[21]. Folley ve Whittaker [22] otonom dalga enerjili tuz arıtma tesisinin bir teknoekonomik modelini geliştirmiş ve 0.45/m 3 kadar az maliyetle temiz suyun üretilebileceğini göstermişlerdir. Aynı zamanda otonom dalga enerjili tuz arıtma tesisinin avantajları, sistemin gerçek değerinin yerleşme esnekliğinden ve azalan çevresel etkilerden dolayı arttığını göstererek tartışılmıştır. Modellenen tesis, Oyster dalga enerjisi dönüştürücüsü, konvansiyonel ters ozmos membranları ve enerji dönüşümü için bir basınç eşanjör, yükselticiden oluşmaktadır. Tesisin zaman alanı modeli, Oyster modelini, ters ozmos membranlarının modeli için üretici bilgisini ve basınç eşanjör yükselticinin bir hidrolik modelini kalibre etmek için dalga depolama deneyi kullanılarak oluşturulmuştur. Tesisin ekonomik modeli, suyun maliyetinin hesaplanmasını kolaylaştırmak için yıllık hesaplanan maliyetlere düşüren en iyi tahmin maliyet verisini kullanmaktadır. Son olarak bu teknolojinin yerleşmesini engelleyen olumsuzluklar tartışılmış fakat bu olumsuzlukların üstesinden gelinebilir nitelikte olduğu düşünülmüştür[21]. Kosmadakis, vd. [23] ters ozmos (TO) bir tuz arıtma ünitesini çalıştırmak için termodinamik süreç esnasında üretilen mekanik enerjiyi kullanarak iki kademeli bir Solar Organik Rankine Çevriminin (SORÇ) ekonomik değerlendirmesini sunmuşlardır. Geliştirilen bütünleşmiş sistem kısaca analiz edilmiş ve enerji maliyetinin yanı sıra özellikli temiz suyun maliyeti de hesaplanmıştır. Ekonomik değerlendirme sonuçları düşük sıcaklıklı SORÇ-TO ve fotovoltaik TO (FV-TO) sistemlerinin (bataryalı ve bataryasız) iki alternatif değişkeninden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Su maliyeti kritik maliyetten (ortalama 8 /m 3 ) çok az yüksek olduğunda, incelenmekte olan sistem için kritik temiz su maliyetinin 7.48 /m 3 olduğu ve enerji maliyetinin ise 2.74 /kwh e eşit olduğu bulunmuştur. Bu değerler, diğer otonom tuz arıtma teknolojileri ile karşılaştırıldığında oldukça tatmin edici bulunmuştur. İlave olarak geliştirilen teknolojinin özellikli temiz su maliyeti, FV-TO sistemlerinin değerlerine çok yakın olan 6.85 /m 3 olarak hesaplanmıştır. İki kademeli SORÇ değişkeni verimliliği önemli derecede iyileştirmekte ve mevcut

27 12 geliştirilen prototip sistemin (ters ozmos su arıtma için tek kademeli düşük sıcaklıklı SORÇ) maliyetini azaltmaktadır. Çünkü özellikli maliyetin çok düşük olduğu bulunmuştur ve bu güvenilirlik dikkate alınarak bu teknoloji tekno-ekonomik fizibilitenin temeli üzerine kurulmuş olan FV-TO ile rekabet eden alternatif bir tuz arıtma metodunun temelini teşkil edebilir[22]. Safavi ve Mohammadi[24] yüksek konsantrasyonlu NaCl sulu çözeltiler kullanarak vakumlu membran damıtma (VMD) üzerine yoğunlaşmışlardır. Yeni bir membran modülü tuzlu sudan tuzu arıtma işlemini iyileştirmek için araştırılmış ve deneyler 0,2µm boyutunda gözeneklere sahip olan ticari polipropilen bir membran kullanılarak yapılmıştır. Tuz arıtmada vakumlu membran damıtma(vmd) nin performansını artırmak ve daha iyi bir akı sağlamak için performans üzerine işletim parametrelerinin etkileri çalışılmıştır. Su akıları farklı besleme sıcaklıkları, besleme konsantrasyonları, vakum basınçları ve akış hızlarında ölçülmüştür. Yeni konfigürasyon daha iyi karışım sağlamakta ve bu da ısı ve kütle transfer katsayılarını artırmakta ve sonuç olarak sıcaklık ve konsantrasyon polarizasyon etkilerini azaltmaktadır [24]. Gude ve Nirmalakhandan[25] düşük sıcaklıklı faz dönüşümlü bir tuz arıtma süreç konfigürasyonu sunmuşlardır. Bu konfigürasyon herhangi bir mekanik enerji girdisi olmaksızın barometrik başlık tarafından oluşturulan vakum seviyesine yakın basınçlar altında ortam sıcaklığına yakın seviyelerde tuzlu suyun buharlaştırılmasını sağlamaktadır. Düşük sıcaklıklı faz dönüşümlü tuz arıtmanın termodinamik avantajları ve yararları tartışılmış ve prototip bir deney sisteminden elde edilen sonuçlar önerilen konfigürasyonun fizibilitesini göstermek için sunulmuştur. 40 C gibi düşük buharlaşma sıcaklıklarında 0,25 kg/h (6L/d) lik bir temiz su üretim hızı elde edilebileceğini bu çalışmanın sonuçları göstermiştir. Bu sürecin, 50 C gibi düşük sıcaklıklarda atık işleme ısı ve güneş kolektörleri gibi düşük ısı kaynakları ile çalıştırılabilme potansiyeli olduğunu bu sonuçlar göstermiştir[25].

28 13 3. GÜNEŞ ENERJİSİ VE DAMITMA 3.1. Güneş Enerjisi ve Önemi Güneş, dünyamıza ve diğer gezegenlere enerji veren sonsuz denilebilecek güce sahip tek enerji kaynağıdır. Güneş enerjisi, doğrusal yönde hareket eden güneş ısınlarıyla iletilir. Bir cisim üzerine gelen güneş ışınları dört kısma ayrılır. Bunların bir kısmı cismin içine girerek arka tarafa geçer, bir kısmı yansır, bir kısmı dağılım (diffuse) yoluyla yansır, geriye kalan kısmı ise, cisim tarafından soğurulur (absorbe edilir). Güneş enerjisinin tamamı, bu güneş ışınlarının toplamına eşittir. Bunların her birinin toplam enerjiye oranı o cismin geçirme, yansıtma, diffuz yansıtma ve soğurma özelliklerini gösterir. Güneş radyasyonu üç kısımdan oluşur, bunlar enfraruj radyasyon, görünür ışık ve ültraviyole radyasyondur. Güneş enerjisinin % 'ı enfraruj bölgededir. Güneş enerjisinin ısıtıcı etkisi, enfraruj radyasyondan ileri gelmektedir [26]. Güneşten gelen ışınlar atmosferin içine girdiği andan itibaren kırılıp yansıyıp yutulmakta, yön ve şekil değiştirmekte sonunda yine uzaya dönmektedir. Bulutlar ise ışık yönünü değiştirerek yansıtır. Güneş ışınları bir cisme çarptığı zaman dalga uzunluklarına göre farklı açılarda kırılır ve yansır, bu olaya ışık dağılması difüzyon denir [27]. Güneş ışınımı atmosferi geçerken bir kısmı yansıtılır, bir kısmı yutulur. Yeryüzüne ulaşan güneş ışınım miktarı, dünyanın, güneş etrafındaki yörüngesine (senenin günlerine), kendi etrafında dönmesine (günün saatine), atmosferik şartlara (bulutluluk, nem oranı, görünürlük v.s), coğrafik faktörlere (enlem, yükseklik) göre değişir. Yeryüzündeki birim yatay düzleme gelen güneş ışınımı ortalama 400 ile 800 W/gün m 2 mertebesindedir. Bütün yeryüzüne, bir senede gelen güneş ışınımı, dünya enerjisi ihtiyacının yaklaşık katıdır [28].

29 Türkiye de Güneş Enerjisi Potansiyeli Coğrafi konumu itibariyle, dünyanın güneş kuşağı içerisinde yer alan ülkemizin güneş enerjisi potansiyeli oldukça yeterli düzeydedir. Özellikle güney bölgelerimizde oldukça büyük bir güneş enerjisi potansiyelimiz mevcuttur [26]. Düzlemin maksimum güneş ışınımını alması için güneye döndürülmesi ve yatayla belli bir eğim yapması gerekir. Ülkemizde ve daha kuzeydeki ülkelerde güneye dönük olmayan toplayıcılardan yararlanma verimi daha düşüktür [28]. Kuzey yarımküre üzerinde paralelleri arasında bulunan ülkemiz güneş enerjisi açısından uygun konumda bulunmaktadır. Yıllık güneşlenme süresinin 2640 saat ve ortalama ısınım şiddetinin 3080 kcal/m 2 gün olduğu ülkemiz, güneşlenme bölgesi olarak dört farklı bölgeye ayrılabilir. 1. Güneydoğu Anadolu Bölgesi kcal/m 2 gün ışınım şiddeti 2. Akdeniz ve Ege Bölgesi nin İzmir e kadar uzanan bölümü kcal/m 2 gün 3. Çanakkale den başlayıp Orta Anadolu ve Doğu Anadolu ya uzanan bölge kcal/m 2 gün 4. Marmara ve Karadeniz Bölgesi kcal/m 2 gün [29] 3.3. Deniz Suyu Özellikleri ve İçme Suyu Kalitesi Bakımından Tuzlu Su Dünya üzerindeki denizlerin tuzluluk içerikleri Çizelge 3.1 de verilmiş olup tuz oranlarının % 0,7 - % 4,3 arasında değiştiği görülmektedir. Denizden denize, tuz içeriği büyük ölçüde farklılıklar gösterir. Denizlere olan tatlı su akışına bağlı olarak tuz içeriği yüksek ya da az olabilmektedir. Karadeniz, Marmara, Ege ve Akdeniz e göre daha az tuzlu bir denizdir. Bu, düşük tuzluluk oranlarında, Karadeniz e dökülen Tuna, Bug, Dinyester, Dinyeper, Don, Kızılırmak gibi büyük akarsuların önemli payı vardır. İstanbul ve Çanakkale boğazları aracılığıyla Karadeniz ile Ege Denizi arasında su alışverişi sağlayan Marmara Denizi nin yüzey suları Ege ve Akdeniz e

30 15 göre daha az Karadeniz e göre ise daha tuzludur m derinlikte yüzey katmanında % 2,2 olan tuzluluk oranı, 30 m.de % 3,7 ye, 150 m de ise % 3,85 e ulaşmaktadır [1]. Ege Denizi nin Karadeniz ve Marmara dan daha tuzlu olmasının nedeni, Karadeniz ve Marmara dan gelen yüzey sularının Ege Denizi nde saatte 2 km yi aşan bir üst akıntı oluşturmasıdır. Bu üst akıntı Yunanistan kıyılarını izleyerek güneyde Akdeniz e ulaşır. Tuzluluk oranı genelde % 3,8 olan Ege Denizi nin batı kesimindeki suların daha az tuzlu olmasının nedeni budur. Akdeniz, kavurucu yaz günlerinde buharlaşma ile yitirdiği suyun pek azını akarsu ve yağışlarla geri alabildiği için denizin tuzluluğu giderek artmaktadır [1]. Çizelge Dünya üzerindeki çeşitli denizlerin tuzluluk oranları [30]. Denizler Tuz konsantrasyonu ( % ) Standart deniz 35 suyu Baçtık denizi 7 Hazar Denizi 13 Pasifik okyanusu 34 Atlantik 36 okyanusu Kızıldeniz 43 Basra körfezi 43 Karadeniz 18 Marmara denizi 22 Ege denizi 38 Akdeniz 43 Deniz suyu normal de doğada mevcut bulunan bütün elementleri içermektedir. Denizlerde organik ve inorganik olarak bulunan bu bileşenler, deniz suyunun tuzunu

31 16 gideren sistemlerde birçok probleme sebebiyet vermektedir [30]. Bu sistemlerde zamanla oluşan yosun tabakalarının yanı sıra, yine bu sistemlerin iç çeperlerinde meydana gelen tortu halindeki kabuklaşma başlıca problemlerdir. Sistem içinde artan sıcaklık, tuzun çözünme kabiliyetini azaltır ve bu durum çökelmeye yol açar. Çökelme oluşumunun yüksek sıcaklıklarda meydana gelmesi sebebiyle çalışma sıcaklığının en fazla 120 C de tutulması çökelme oluşumunu engelleme açısından faydalıdır. Deniz suyunun bileşenleri Şekil 3.1 de açık olarak ifade edilmektedir ,80 Karışım Değeri % ,90 4,70 3,60 2,50 0,50 0 Sodyum Klorid Magnezyum Klorid Magnezyum Sülfat Kalsiyum Sülfat Potasyum Sülfat Karbonat Karışımın Cinsi Şekil 3.1. Deniz suyunun kimyasal bileşenleri Deniz suyunun tuzluluğu Deniz suyunun tuzluluğunu oluşturan belli başlı erimiş tuzlar sırasıyla klor, sodyum, sülfatlar, magnezyum, kalsiyum, potasyum bikarbonat ve bromdur. Bilinen tüm elementler deniz suyunda mevcuttur. İçindeki brom ve iyotların klor ile değiştirildiği 1 kg sudaki toplam klor, iyot ve bromun gram olarak miktarına tuzluluk denir ve aşağıdaki eşitlikle hesaplanır. S : Cl- (3.1)

32 17 Burada; S : Tuzluluk oranı (%) Cl- : klor miktarı (gr) dır. Son zamanlarda daha pratik ve güvenilir olduğu için tuzluluk tayini elektriksel iletkenlik ölçümleriyle yapılmaktadır. Tuzluluk denizlerde genel olarak derinlikle artar. Bu artış miktarı büyük değildir. Yazın ise buharlaşma nedeniyle tuzluluk artışı yüzeye doğrudur. Tuzluluğun derinliğe göre diğer kısımlara göre daha hızlı değiştiği bölgeye haloklin tabakası denir. Musluk suyu deniz suyundan kat daha az tuzludur. Tipik olarak % 0.08, şişe sularında ise % 0.03 civarındadır Deniz suyunun sıcaklığı Deniz yüzeyinde ve yüzeye yakın bölgelerde su sıcaklığı hem mevsimlik hem de günlük değişim gösterir. Su derinliğinin az olduğu kıyı kesimleri dışında, deniz tabanına yakın bölgelerde su sıcaklığı önemli bir değişiklik göstermez. Suyun yüzeyi ile deniz tabanı arasında sıcaklığın derinliğe göre diğer kısımlara nazaran çok daha hızlı değiştiği bölgeye termiklin tabaka denir. Termiklin bölgesinin üzerinde yer alan su tabakasının sıcaklığı yazın dipteki tabakanın sıcaklığından daha fazladır. Kış mevsiminde ise yazlara göre zıt bir durum gözlenir. Denizlerde üç çeşit termiklin bulunur. Birincisi daimidir ve oldukça derinlerde oluşur. İkincisi mevsimliktir, ilkbaharda oluşur ve sonbahar sonunda ortadan kalkar. Üçüncüsü ise günlüktür, sabah oluşup akşam ortadan kalkar Deniz suyunun yoğunluğu Yoğunluk, deniz suyunda tabakalaşmaya ve akıntıların oluşmasına etki eden önemli bir faktördür. Denize genellikle dipten deşarj edilen atık suların yoğunluğu deniz suyuna göre daha düşük olduğundan yüzeye doğru yükselir ve deniz suyu ile

33 18 karışarak seyrelirler. Bu arada mevcut tabakalaşmaya göre yüzeye çıkarlar ya da belli bir derinlikte kalırlar. Deniz suyunun yoğunluğu; basınca, derinliğe, tuzluluğa ve su sıcaklığına bağlı olarak değişiklik gösterir ve 4 C deki yoğunluğu 1000 kg/m 3 olan saf sudan fazladır. Yoğunluk, tuzluluk ve sıcaklık değişimlerine bağlı olarak derinlikle değişir. Genellikle az yoğun bir üst tabaka ve tabanda yoğun bir alt tabaka mevcuttur[1] Güneş Enerjisiyle Su Damıtılması Güneş enerjisinden yararlanılarak suyun damıtılması Su doğada çeşitli yerlerde ve çeşitli durumlarda (katı, sıvı, gaz) bulunmakta ve yer kürenin çeşitli kısımları arasında durmadan dönüp durmaktadır. Suyun bulunduğu depolardan çeşitli etkiler nedeniyle sıvı halden gaz haline geçenek atmosfere intikali ve oradan tekrar yoğunlaşarak yeryüzüne düşmesi sırasında takip ettiği olaylar zincirine Hidrolojik Çevrim adı verilir (Şekil 3.2). Şekil 3.2. Hidrolojik çevrim Damıtma ile temiz su üretimi basit ve etkili bir yöntemdir ve aynı zamanda güvenlidir. Bu işlem enerji gerektirir ve güneş enerjisi ısı kaynağı olarak

34 19 kullanılabilir. Bu işlem sırasında su buharlaşır, böylece içindeki maddelerden ayrılır ve saf su olarak yoğunlaşır. Güneş enerjili damıtma havuzları sudaki tuzu, ağır metalleri ve sudan kaynaklanan hastalıkları yok etmektedir. Güneş enerjisiyle damıtma elde edilen saf su pek çok şişelenmiş sudan çokta iyidir [27]. Güvenilir içme suyunun dağıtımı ve kullanılabilirliği ile ilgili durum, gelişmekte olan ve hatta gelişmiş ülkelerde bile ortadadır. Bu durum; gelecekte artan nüfusun baskısı, tarımsal koşullar, iklim değişiklikleri, karaların ve su kaynaklarının aşırı kullanımı yüzünden daha da kötüleşecektir. İnsanlar, su kaynağı olmadığı yerlerde yaşayamamaktadırlar. Arıtma ve damıtma, bu tip durumlarda en yaygın yöntemdir [32]. Özellikle tropik ve yarı tropik bölgelerde içecek su problemi çok fazladır. Bu problemler söyle sıralanabilir: Parazit veya mikropların su kaynaklarını kirletmeleri Arsenik ve madenlerin suları kirletmesi Aşırı orman kesimi ve çölleşme (su sterilizasyonu için ağaçların kesilmesi) Pet şişelerin birikmesi sonucu ortaya çıkan çöpler (özellikle küçük adalarda) Karbon miktarının azalması ve CO 2 miktarının artması (taşıma sistemi yüzünden) Artan nüfusun ihtiyacını karşılamak için sürekli su ithal etmek Yukarıdaki faktörler ve diğerleri her yıl binlerce insanın ölmesine veya hastalıklardan muzdarip olmasına ve çok miktarda para harcanmasına sebep olmaktadır[32]. Dünyadaki suyun % 97 si okyanus suyudur. Kalan % 3 ünün de % 80 i ya tuzludur ya da kullanıma uygun değildir. Ancak % 5 i içilebilecek sudur. Bu yüzden pek çok kişi içecek su bulamamaktadır. Bu durum, düşük yaşam standartlarına ve sağlık sorunlarına sebep olmaktadır. Temiz ve ucuz su elde etmek için pek çok teknolojiler

35 20 geliştirilmiştir. Bunlardan bir tanesi güneş enerjili bazlı teknolojidir. Güneş enerjisiyle arıtma ve damıtmada suyu temizlemek için direkt güneş ışınımı kullanılır. Kullanılan alete güneş havuzu denir. Pek çoğu, bir taban ve şeffaf kapaktan oluşur. Güneş, tabandaki suyu ısıtır ve bu da buharlaşmayı sağlar. Nem yükselir ve kapakta yoğunlaşır. Böylece, damıtılan su tuzu, mineralleri, mikropları geride bırakarak birikir. Kurulması pahalı olmasına rağmen çok uygun şekilde inşa edilir, çalıştırılır ve yürütülürse uygun bir fiyatla temiz su elde edilir [2]. Suyu buharlaştırmak için yaklaşık 540 kcal/kg enerji gerekmektedir ve büyük çaplı kullanım için damıtma işlemi çok pahalıya mal olmaktadır. Bu şu demektir: 1 litre su üretmek için gerekli ısı miktarı 540 kcal dir. Bununla birlikte, deniz suyunu buharlaştırmada harcanan ısının büyük bölümü, buhar yoğunlaşırken geri alınmaktadır. Dolayısıyla, daha az enerji tüketen bir damıtma cihazı tasarlamak olanaklı olabilecektir. Deniz suyunu alıp damıtmanın olduğu cihaza taşıyan pompalar, borular, kanallar gibi elemanların oluşturduğu kısma pompalama ünitesi, pompalama ünitesine gerekli enerjiyi sağlayan kısma güç ünitesi ve asıl damıtma olayının gerçekleştiği, güneş çanağı, toplayıcı, ısı değiştirici, taze su deposu gibi elemanların oluşturduğu kısmada damıtma ünitesi denir. Bir güneş enerjili damıtma sistemi, güneş çanağının bulunduğu damıtma ünitesi esas alınarak tasarlanmış ve hesaplamalar bu bölüm için yapılmıştır (Şekil 3.3). Güneş enerjili damıtma ünitelerinin en önemli elemanları güneş çanaklarıdır [4]. Güneş çanakları, işlevleri aynı olmasına rağmen, yapıldıkları malzeme, geometri, cam örtü ve sayısı, havuz tipi sayısı gibi özellikleri çok farklıdır. Ayrıca küçük kapasiteli güneş damıtıcıları da bulunmaktadır. Bunlar sadece güneş çanaklarından meydana geldiği gibi verimi arttıracak ek ısıtıcılar, pompalar da bulunabilir [4].

36 21 Şekil 3.3. Tek havuzlu güneş enerjili damıtma sistemi [4] Doğal dolaşımda, sıcak su, havuz suyu ve sıcak besleme suyu arasındaki basınç farkından dolayı kendiliğinden hareket eder. Cebri dolaşımda ise, pompa kullanılarak dolaşım sağlanır. Deniz suyunun aktif ve pasif yollarla ısıtılması sonucunda, deniz suyu buharlaşır ve su yüzeyinin hemen üzerinde havayla karışarak havayı nemlendirir. Bunun sonucunda, havanın yoğunluğunda farklılıklar ortaya çıkar. Bu farklılıklar sayesinde de hava-su buharı karışımı hareket ederek, çanak içinde dolaşır. Hareketli karışım, daha düşük sıcaklıktaki saydam örtüye ulaşıp temasa geçtiğinde, su buharı yüzey üzerinde yoğuşur. Oluşan taze su, saydam örtünün eğiminden dolayı alt kısımlara akar. Buradan da damlalar halinde yoğuşma oluğuna dökülür ve oradan da çanak dışındaki depoya iletilir. Isısını kaybetmiş çanak içerisindeki hava, nemlendirme olayının tekrarı için sıcak deniz suyunun yüzeyine geri döner [4]. Burada asıl amaçlanan tuzlu suyun ısıtılması olduğu için, diğer enerjilerden de yararlanılabilir. Ama güneş enerjisi diğer enerji kaynaklarına göre en iyi alternatif

37 22 ısıtma aracıdır. Çünkü bu enerji tükenmediği için dünyanın her yerinde rahatlıkla bulunabilir. Şu unutulmamalıdır ki, eğer güneş ısınlarından yararlanılıyor ise, verim güneş enerjisinin ışınım yoğunluğuna ve o bölgenin ne kadar güneş aldığına bağlıdır Buharlaşmaya etki eden faktörler Isının başlıca kaynağı güneşten gelen radyasyondur. Azalan veya artan ısı değişimleri, buharlaşma miktarı için önemli bir faktördür. Güneşten gelen enerji miktarı mevsime, günün saatine ve havanın bulutlu veya açık olmasına göre değişir. Radyasyon enerjisi, aynı zamanda enlem, yükseklik ve yöne göre de değişiklik gösterir. Buharlaşma, su yüzeyindeki buhar basıncı ile suyun üstündeki buhar basıncının arasındaki fark ile orantılıdır. Sudaki buhar basıncı (ew), havadaki buhar basıncından (ea) büyük olduğu müddetçe buharlaşma devam eder ve ew = ea olunca buharlaşma durur. Buna göre hava buhar basıncı arttıkça buharlaşma miktarı azalır. Doymuş buhar basıncı sıcaklığa bağlı olduğundan buharlaşma oranı, hava ve su sıcaklıklarından büyük miktarda etkilenir. Buharlaşmanın günlük ve yıllık değişmeleri, sıcaklığın günlük ve yıllık değişmelerine çok benzer. Gün esnasında buharlaşma sabah saatlerinde minimum, öğleden sonra 12:00-15:00 saatleri arasında ise maksimum değerine ulaşır. Yine sıcaklıkla ilgili olarak buharlaşma soğuk mevsimde az, sıcak mevsimde fazladır. Buharlaşmanın devam etmesi için difüzyon ve konveksiyon ile su buharının su yüzeyinden uzaklaşması gerekir. Bu durum havanın hareketi (rüzgâr) ile mümkündür. Rüzgâr hızı ne kadar fazla olursa buharlaşma o kadar fazla olur. Hava basıncı arttıkça birim hacimdeki molekül sayısı artar ve sudan havaya sıçrayan moleküllerin hava moleküllerine çarpıp yeniden suya dönmeleri ihtimali yükselmiş

38 23 olacağından buharlaşma azalır. Ancak bu etki diğerlerinin yanında önemsizdir. Yükseklikle basınç azaldığından, yüksek yerlerde buharlaşma fazlalaşır. Özellikle serbest su yüzeylerinden meydana gelen buharlaşma miktarının enlem derecelerine göre değişmekte olduğu tespit edilmiştir. Farklı enlem derecelerine sahip bölgelerde açık su yüzeyinde meydana gelen yıllık ortalama buharlaşma miktarları Çizelge 3.2 de verilmiştir. Çizelge 3.2. Serbest su yüzeyinde buharlaşma miktarının enlemlere göre değişimi Enlem Derecesi Ort. Buharlaşma(mm/yıl) 0-10 ( Ekvator Bölgesi ) ( Alize Bölgesinde ) arası arası arası 450 Diğer faktörler değişmediği takdir de yükseklik arttıkça buharlaşma miktarı artar. Çünkü yükseldikçe hava basıncı azalır. Diğer taraftan yükseldikçe havanın sıcaklığı azalacağından buharlaşma miktarı da azalır. Fakat bu azalma hava basıncından ileri gelen çoğalmayı telafi edemediğinden yükseldikçe buharlaşmanın az bir miktar arttığı kabul edilir. Güneye ve Batıya bakan yamaçlardaki sular güneş ışınlarına daha çok maruz olduklarından buharlaşma Kuzey ve Doğuya bakan yamaçlara göre daha fazla olur Suyun kalitesi ve bulunduğu ortam Su kütlesinin büyüklüğü, tuzluluk durumu, bulanıklılığı ve hareketliliği buharlaşma miktarı üzerinde etkilidir. Su derinliğinin fazla olması, hava sıcaklığındaki değişimlere yavaş tepki verir. Bu sebeple derin sularda buharlaşma, sığ su kütlelerine göre yazın daha az, kışın daha çok olur. Tuzlu sular, tatlı sulara göre daha az

39 24 buharlaşır. Çünkü suda erimiş tuzlar buhar basıncını azaltır. Durgun su yüzeyinde biriken yabancı maddeler toz veya yağ tabakaları, buharlaşma oranına olumsuz etki yapar. Akan sulardaki buharlaşmanın durgun sulardaki buharlaşmadan % 7 ile % 9 oranında yüksek olduğu araştırmalarla bulunmuştur [27] Güneş enerjili damıtıcılar ve damıtma sistemleri Havuz tipi damıtıcılar Genellikle güneş enerjili damıtma sistemlerinin kurulması ve çalıştırılması çok pahalı değildir. Fakat en önemli dezavantajı ısıl etkilerinin çok düşük olmasıdır. Bu yüzden iyi bir sonuç almak için büyük alanlara ihtiyaç vardır. Bu da ilk yatırım maliyetini çok artırmaktadır. Güneş enerjili damıtma havuzu yağmur suyu ile aynı prensiplerde çalışır. Buharlaşma ve yoğunlaşma. Okyanuslardaki su buharlaşır, soğur, yoğunlaşır ve yağmur olarak dünyaya geri döner. Su buharlaştığında saf su olarak buharlaşır ve tüm pislikler geride kalır. Damıtma havuzları bu doğal işlemi taklit eder. Damıtma havuzunun cam kapağı ve su geçirmeyen zarlı iç yüzeyi vardır. İç yüzeyde absorbe işleminin hızlanması için siyah malzeme kullanılır. Cam kapak, güneş radyasyonunu içeri geçirir (kısa dalga) ki bu, siyah taban sayesinde olmaktadır. Su ısınmaya başlar ve buhar miktarı artar. Taban aynı zamanda infra-red (uzun dalga) ışınlarını da geçirir ve bu, havuza yansıtılıp güneş enerjisi havuzun içinde hapsedilir (sera etkisi). Isıtılmış su buharlaşır ve camda yoğunlaşır. Yoğunlaşmış su, depolama tankına gider [27]. Güneş enerjili damıtma havuzu, temiz su elde etmek için en kolay çözümdür. Fakat kullanımı kurulumu yüzünden sıkıntı oluşturmaktadır. Ayrıca elde edilen temiz su miktarı azdır. Tropik bölgelerde, kollektörde m 2 de yaklaşık 1 m 3 /yıl ürün vermektedir. Elde edilen ürünün artırılması, maliyetin düşürülmesine ve kullanım kolaylığına bağlıdır.

40 25 Havuz tipi damıtıcıların çalışma prensibi Havuz her sabah veya her aksam doldurulur, birikmiş su havuzdan alınır. Havuz güneş battıktan sonra da ısısını kaybedene kadar su üretir. Her gün su ilave edilmelidir. İlave edilen su tuz birikmesine de engel olur. Normalde su, elle veya otomatik olarak günde bir kez ilave edilmelidir (Yazın en iyisi geceleyin, kısın ise sabahleyin). Ayrıca havuza su yavaş bir hızla eklenmelidir (Sekil 3.4). Güneş ışığı (A) cam veya plastik örtüden geçenek (D) absorbe edilir. Burada absorber, çanak ya da pis suyla doldurulmuş ve siyaha boyanmış tabandır (B). Aynen düzlem kolektör absorberlerindeki gibi bu absorber tabanı siyah olursa çok iyi çalışır. Bu tabanın siyah, mat boyalı olması istenilir. Mat, siyah olmasının nedeni daha iyi absorbe edici olması ve geriye yansımayı önlemesidir. Bu durum, özellikle su berraksa daha çok önem kazanır. Absorbe edilen güneş ışığı, tabanı ve kademeli olarak suyu ısıtır ve su buhar haline geçer. Bu işlemde güneş ışığı ısıya dönüşür ve bu ısı suya transfer edilir. Isı kaybını minimuma indirmek gerekmektedir. Bunun için damıtıcı tabanın ve saydam örtünün iyi izole edilmesi çok önemlidir. Eğer taban kuru bir yüzeye yerleştirilirse bu iyi bir yalıtım olarak düşünülebilir. Şekil 3.4.Tek havuzlu cam çatılı güneş damıtma sistemi [32] Su, havuzun tabanında ısınır, buharlaşır ve atıkları geride bırakır. Bu buhar cam örtüde (C) düşük ısıda yoğuşur ve çıkış yeri olarak gösterilen (D) su toplama

41 26 kanallarından dışarıya alınır. Cam örtünün ısısı düşüktür; çünkü hava ile temas halindedir. Tabi ki bu durumda ısının sudan ve buhardan az olması gerekir. Bu olay, rüzgâr soğutması ile de yapılabilir. Gece ısı düştüğünde de bu olay gerçekleşebilir. Eğer havuza konulmuş olan su tuzlu ise; tuz ve diğer atıklar buharlaşmaz ve tabanda kalır. Yoğunlaşmış sıvının tuzlusuyla karışmasını önlemek için havuza en az 10 yatay eğimle doldurma işlemi yapılmalıdır. Tüm damıtma işleminde hava koşulları dikkate alınmalıdır. En iyi sonucu elde etmek için havuzdaki kirliliği artan su günlük değiştirilmelidir. Ayrıca cam örtü uygun açı ile yerleştirilmelidir. Bu tip damıtma sistemlerinde üretilen temiz suya ait masraflar şunlardır. Havuzun yapım masrafları Havuzun kurulacağı arazinin masrafları Havuzun ömrü Havuzun işletme masrafları Havuza konulacak besleme suyunun masrafları Üretilen (damıtılan) suyun miktarı [39] Havuz tipi damıtıcıların genel yapısı Güneş enerjili havuz tipi damıtıcılar genel olarak güneş ışınlarının geçmesini sağlayan saydam örtü, suyun konulduğu havuz ve damıtılan suyun toplandığı oluklar olmak üzere üç kısımdan oluşmaktadır (Şekil 3.5).

42 27 Şekil 3.5.Havuz tipi güneş enerjili damıtıcı [33] Saydam örtünün özellikleri Damıtıcının performansını ve elde edilen damıtılmış suyun maliyeti ile sistemin verimini etkileyen en önemli elemandır. Saydam örtüde olması istenilen özellikler şunlardır. Saydam örtünün sıcaklığı, su sıcaklığından düşük olmalı ve yeterli sıcaklık farkını sağlayarak suyun yüzeyi ile örtünün arasında istenilen ısı iletim akımlarını oluşturmalıdır. Bu şekilde örtü yüzeyindeki yoğuşma istenilen seviyeye ulaşabilmelidir. Örtü, üzerine gelen güneş ışınımını yansıtmayarak tamamen geçirmelidir. Örtü, dış ortam şartlarına mümkün olduğu kadar uzun süre dayanabilecek malzemeden yapılmalı, dayanımı yüksek olmalı, 45 m/s lik rüzgâr hızlarına dayanabilmelidir. Güneş ışınları, örtünün fiziksel ve kimyasal yapısında olumsuz etkiler oluşturmamalıdır. Örtü, havuzdan buharlaşan suyun, kendi üstüne doğru yoğuşmasına ve bir film halinde akarak toplayıcı oluklara ulaşmasına imkân vermelidir. Örtü, özellikle damlacıkla bir yoğuşmaya neden olmamalıdır. Çünkü bu tür bir yoğuşma da,

43 28 damlalar halinde damıtıcıya gelen güneş ışınımının saçılmasına ve çoğunun geri yansıtılmasına neden olur. Ayrıca damlalar özellikle herhangi bir dış etkenle örtü ya da havuz sarsıldığında buharlaşan suyun toplayıcı oluklara ulaşamadan tekrar havuz içerisindeki damıtılmamış suyun içerisine düşerler. Bu iki durum, havuz tipi damıtıcının performansında düşüşe neden olur. Örtü malzemesi, uzun dalga boylu ışınımları yansıtmamalıdır. Böylece güneş ışınımı ile damıtıcıya gelen enerjinin, uzun dalga boylu ışınımlar ile dışarıya kaçışı engellenmiş ve sera etkisi oluşturularak ısı damıtıcı içerisinde hapsedilmiş olur. Örtü sıcaklığının düşük seviyede tutulabilmesi için, örtü malzemesinin ısı iletkenliği, mümkün olduğu kadar yüksek olmalıdır. Örtü, yüksek sıcaklıklara karşı dayanıklı olmalıdır. Örtü malzemesi, kolay bulunabilir, işlenmesi basit ucuz olmalıdır [4]. Saydam örtü için iki malzeme kullanılması önerilmiştir. Bunlar cam ve saydam plastik malzemelerdir. Havuz özellikleri Damıtılacak suyun buharlaştırılmak üzere toplandığı, damıtıcıya gelen güneş ışınımının absorbe edilerek buharlaşmanın sağlandığı bölümdür. Havuzun tabanı su ve ısıya karsı yalıtım yapıldıktan sonra, güneş ışınımının iyi bir şekilde absorbe edilebilmesi için siyah boya ile boyanır ya da üzerine siyah bir tabaka serilir. Havuzda olması istenilen özellikler şunlardır: Havuz tabanının güneş ışınımını absorbsiyonu, ortalama 0,95 seviyesinde olmalı, bu amaçla siyah renkli malzeme kullanılmalıdır. Malzemeler sudan özellikle tuzdan etkilenmemeli, özelliklerini kaybetmemelidir. Yüksek sıcaklıklara (60-80 C) dayanabilmelidir. Atmosferin korozif etkisinden etkilenmemelidir. Havuz tabanı gibi kenarlar da ısı ve suya karşı izole edilmelidir.

44 29 Havuz tabanındaki malzemeler, elde edilen damıtılmış suyun tadını veya özelliklerini bozabilecek herhangi bir gaz veya buhar yaymamalıdır. Havuzdaki suyun boşaltılabilmesi için gerekli tedbirler alınmalıdır. Havuz tabanı ısıya ve suya karşı yalıtılmalıdır. Yalıtım malzemeleri, hafif, kolay uygulanabilir olmalı, yüksek sıcaklıklardan etkilenmemelidir. Sistemde bulunan tüm birleşim yerleri, özellikle buhar kaçaklarına karşı sızdırmaz hale getirilmelidir. Stok tanklarının ve bina çatılarının kaplanmasında kullanılan asfalt esaslı kaplayıcılar, özellikle derin havuz tipi damıtıcıların havuz tabanı kaplamalarında kullanılmaktadır. Isı yalıtım malzemesi olarak, flexible, kapalı hücreli plastik malzemeler (polystren esaslı malzemeler vb.) kullanılmaktadır. Buhar kaçaklarına karşı kullanılan sızdırmazlık malzemelerinde ise, genellikle silikon kauçuk esaslı malzemeler kullanılmıştır [4]. Toplama oluklarının özellikleri Bu toplama oluklarının görevi saydam örtü üzerinde yoğuşarak örtüdeki eğim sayesinde kenarlara akan damıtılmış suyun damıtıcı dışına alınmasını sağlamaktır. Bu nedenle de damıtılmış suyun damıtıcı dışına alınması için suyun eğimle akmasını sağlamak üzere hafif bir eğim verilir. Toplama oluklarının mümkün olduğu kadar yüksek sıcaklıktan, sudan ve ortamın korozif şartlarından etkilenmemesi, kolay monte edilebilir, taşınabilir, ekonomik ve ucuz olması istenir. Burada dikkat edilmesi gereken önemli konulardan bir tanesi ise oluk içerisinde bulunan damıtılmış suyun yeniden buharlaşması ve sistemde performans düşüklüğü oluşturmasına engel olmaktır. Bu amaçla toplama olukları; direkt güneş ışınımlarından uzak tutulmalıdır. Yalıtımı yapılmalıdır. Toplama oluklarının boyları kısa tutulmalıdır. Nedeni ise, damıtılmış suyun toplama oluklarındaki durma süresini minimuma indirmektir. Değişik malzemelerden yapılabilmektedir. Yaygın olarak plastik ve paslanmaz çelik kullanılmıştır [4].

45 30 Havuz tipi damıtıcıların konstrüksiyonları Genel olarak damıtıcılar şu özelliklere sahip olmalıdır; Damıtıcı, arazide kolay olarak kurulabilmeli, pratik olmalıdır. Kolay uygulanabilir olmalıdır. Hafif olmalıdır. Diğer enerji kaynaklarından mümkün olduğu kadar az yararlanılmalıdır. İlk yatırım ve işletme maliyetleri mümkün olduğu kadar düşük olmalıdır. Güneş enerjili damıtıcılarla ilgili olarak bazı kesitler Şekil 3.6 de verilmiştir. Şekil 3.6.a'da gösterilen bir Avustralya dizaynıdır. Bu modelde yan elemanlar betondan yapılmıştır. Üzerinde oluşturulmuş oyuklar cam kapağın kenarlarının yerleştirilmesi içindir. Eskiden polietilen olan fakat şimdi butil kauçuktan yapılan havuz, ısı yalıtımı yapılmış bir yüzey üzerine oturmaktadır. Bu havuz damıtılan suyun toplanması için oluklar içerir ve cam kapak kenarları izole edilmiştir. Damıtılan suyun toplandığı oluklar, asbest çimentodan yapılmış ve yan duvarlar arasındaki boşluktan oluşmaktadır. Bu asbestli bölüm, beton kısımdan ayrılmıştır ve havuz tarafından kolonlarla desteklenmiştir. Çatı şeklindeki yapının tepe noktası iki karşılıklı cam kapak için mafsal vazifesi görecek şekilde silikon kauçuk keçeler kullanılarak şekillendirilmiştir. Bu tasarımda tuzlu su akışı sürekli olduğu için tabanın iyi eğimlendirilmesi gerekmektedir. Nispeten uzun damıtıcılarda, sistemin içinde 2-3 cm derinliğinde su bulunduğundan emin olmak için havuz içinde bir boydan bir boya l veya 1,5 m aralıkla setler oluşturulur. Öyleci, eğimli damıtıcının uzunluğu boyunca sürekli bir tuzlu su akısı vardır. Bu tasarım oldukça iyi sonuçlar vermiştir ve birkaç ufak değişiklikle Avustralya'da birçok uygulamada kullanılmıştır. Dizaynda maliyeti artıran en önemli sorun camın fiyatıdır. Sera camı en ucuz olanıdır, fakat her ebatta olmaması hücrelerin genişliğini sınırlar [4].

46 31 Şekil 3.6. Uygulamada bazı büyük güneş enerjili damıtıcılardan kesitler En yaygın şekilde kullanılan damıtıcılardan biri de genellikle Yunan adalarında uygulanan ve Şekil 3.6.b'de gösterilen damıtıcıdır. Bunlar alüminyum cam destekleri ve damıtılmış suyun toplandığı olukları olan cam örtü sistemleridir. Yan duvarları çiftler halinde 1,5 m genişlikte bölme bölme ayrılmış beton kirişlerdir. Havuz tabanı butil kauçuktan yapılmıştır. Bu damıtıcılar ekvatora doğru eğimli ve asimetriktirler. Şekil 3.6.c'de tek eğimli damıtıcı dizaynı gösterilmiştir. Bu tasarım Mc Gill Üniversitesi'nin Haiti'deki araştırma enstitüsü tarafından geliştirilmiştir. Bu damıtıcı çok az bir eğimi olacak şekilde yapılmıştır. Hücrelerin her biri bir öncekinden biraz daha aşağıda olacak şekilde merdiven basamakları gibi düzenlenmiştir. Damıtılan suyun ve yağmur suyunun toplandığı oluklar beton duvarlar içine açılmıştır. Butil kauçuktan yapılan havuz tabanı beton duvarlara yapıştırılmıştır, fakat cam kapağın kenarlarına kadar uzanmadığı için bazı problemlere neden olmuştur. Bu problemlerden en önemlisi havuzun altındaki kumun zamanla sıkışmasından dolayı butil kauçuğun havuz kenarlarından sıyrılmasıdır. Laf Marinam, İspanya'da kullanılan tasarım Şekil 3.6.d'de gösterilmiştir. Bu tasarım derin havuz prensibine göre yapılmıştır. Bu sistemde, ayrı ayrı hücreler yerine 28 m uzunluğunda 31 m genişliğinde sürekli bir havuz kullanılmıştır. Yapılan deneyler

47 32 sonucunda, damıtma havuzundaki su derinliğinin mümkün olduğu kadar az olması gerektiğine karar verilmiştir. Bu nedenle İspanya'da ki sistemde 10 cm.lik bir su derinliği uygulanmıştır. Havuz taban sistemini sızdırmaz hale getirmek için asfalt, şeritler halinde yüzeylere yapıştırılmıştır. Cam destekleri ve toplama olukları, prekast elemanlar içinde şekillendirilmiştir. Asfalt mastik malzeme, eklem yerlerindeki sızdırmazlığı sağlamak için kullanılmıştır. Şekil 3.6.e de gösterilmiş olan damıtıcı, 0,1 mm Tedlar Plastikle örtülmüştür. Örtü kenarları, butil kauçuk havuz tabanı ile beraber hava sızdırmaz bir ortam oluşturmak için beton havuz kenarlarının içine gömülür. Damıtıcı içindeki hava ufak bir fan yardımı ile 6 mmss basınç altında tutularak örtünün şişirilmesi sağlanır. Şişirilerek örtüye verilen silindirik formun sahip olduğu şekil avantajı ile sistem performansının artırılması yoluna gidilmiştir. Silindirik örtü formu ile aynı havuz alanı için damıtıcının güneşe maruz kaldığı örtü yüzey alanı artar. Şekil 3.6.f de gösterilen damıtıcıda toplama olukları, bölümlere boylamasına değil de enlemesine yerleştirilmiştir. Bölümler dar ve toplama olukları kısa olduğundan damıtılmış su akışının damıtıcı içerisindeki akış süresi kısaltılmış olur. Ayrıca damıtılmış suda oluşabilecek yeniden buharlaşma için daha az süre bırakılmış olur[4]. Yapılan bir karsılaştırmada ise, güneşin günlük ve mevsimsel hareketine göre, çift eğimli damıtma havuzu tek eğimli damıtma havuzundan daha fazla güneş ışınımı absorbe ettiği belirlenmiştir. Buna karşın tek eğimlide daha az güneş ışınımı ve taşınım kaybı olmuştur. Gölgeli olan bölüm, ek yoğunlaşma alanı olarak kullanılabilmektedir.(şekil 3.7) Tiwari, yaptığı araştırmada tek eğimli damıtma havuzlarının çift eğimli damıtma havuzlarından özellikle soğuk iklimlerde daha iyi verim alındığını savunmuştur. Bunun tam tersinin de sıcak iklimlerde iyi sonuç vereceğini belirtmiştir[3].

48 33 Şekil 3.7. Açılı cam örtülü güneş damıtıcısı [35] Havuz tipi damıtıcıların performansına etki eden faktörler Atmosferik ve iklim ile ilgili gerekli olan şartlar şunlardır: Birim zamanda damıtıcının birim alanına gelen güneş ışınımı Damıtma sisteminin kurulmuş olduğu yerin açık gün ve bulutluluk oranı Ortam sıcaklığındaki değişim Rüzgâr hızı Güneş ışınımını etkileyecek diğer atmosferik şartlar (enlem v.b.) Güneş enerjili havuz tipi damıtma sistemleri, atmosferik şartlardan önemli ölçüde etkilenirler. Bunlardan en önemlisi ise, sistemin asıl enerji kaynağı olan güneş ışınımıdır. Damıtma işlemi sırasında amaç suyun buharlaştırılması olduğu için güneş ışınımı çok önemlidir. Bu nedenle, damıtma sistemine bir enerji girişi olmaz ise, damıtma havuzunun içerisindeki su hızla soğur, buhar basıncı hızla düşer ve buna bağlı olarak da buharlaşma işlemi durur. Damıtma işleminde enerji transferi olmaktadır. Bu olay, damıtma havuzundaki suya ısının transfer edilmesi ve yoğuşan buharın ısısının çekilmesi ile gerçekleşir.

49 34 Ortam sıcaklığının ve rüzgârın özellikle damıtıcıdan çevreye olan ısı geççisinde etkisi olmaktadır. Ortam sıcaklığının düşük olması, ilk olarak yoğuşma örtüsü sıcaklığının düşmesine neden olur. Ayrıca damıtma havuzunun kenarlarından çevreye ısı kayıplarının artmasına neden olur. Yüksek ortam sıcaklığı damıtıcı performansına olumlu yönde etki etmektedir. Yüksek ortam sıcaklığı, asıl damıtma havuzu içi şartlarına etki etmektedir. Böylece havuzun içindeki su sıcaklığı artarak, diğer taraftan damıtıcıdan ortama olan kaçışı azaltılarak damıtıcının verimi artırılmaktadır. Rüzgâr, özellikle saydam örtüden çevreye olan ısı iletimini etkileyen, saydam örtü sıcaklığını kontrol eden önemli atmosferik faktörlerden biridir. Rüzgâr hızının artması, örtüden çevreye olan iletimle ısı geçisini artırarak, saydam örtü üstündeki yoğuşma oranını yükseltmekte, dolayısıyla damıtıcı veriminin artmasını sağlamaktadır. Ancak bu hızının belli seviyeleri aşmaması gerekmektedir. Çünkü daha yüksek seviyelerdeki rüzgâr hızları, örtü içindeki su sıcaklığının düşmesine, buharlaşma miktarının azalmasına neden olmakta ve damıtıcı verimini olumsuz yönde etkilemektedir[4]. Damıtma havuzundaki su derinliğinin artması havuzun ısıl kapasitesinin artmasına neden olmaktadır. Bu nedenle damıtıcıdan elde edilecek damıtılmış suyun elde edilme süresi uzamaktadır. Su derinliği az olan damıtma havuzlarında ise, havuz içerisindeki su miktarı az olduğundan, havuzdaki su kısa zamanda buharlaşma için gerekli sıcaklığa ulaşır ve buharlaşma başlar. Böylece damıtıcıya gelen enerjinin büyük bir kısmı, suyun sıcaklığının artırılmasından ziyade buharlaşma için harcanır ve damıtıcı çok kısa sürede devreye girer. Derin havuzlu damıtıcıların içerdikleri su miktarı fazla olduğu için, gelen enerjinin büyük bir bölümü, su sıcaklığının buharlaşma için gerekli olan seviyeye ulaştırılması için harcanır. Bu nedenle buharlaşma için harcanabilen enerji miktarı sığ havuzlara göre daha azdır ve damıtıcı daha geç devreye girer.

50 35 Su derinliği az olan damıtma havuzlarında su miktarı daha az olduğundan, damıtıcıdaki su sıcaklığı derin havuzlara göre daha yüksektir. Bu çeşit damıtıcıların derin olanlara göre daha verimli olmasının önemli nedenlerinden birisidir (derinliği az havuzlarda 70 C, derin havuzlarda maksimum 50 C). Derinliği az olan damıtma havuzlarında su miktarı az olduğundan sisteme gelen enerjiye bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Sabah saatlerinde su sıcaklığı hızla yükselir. Öğleden sonra maksimum seviyesine ulaşır ve akşam saatlerinde hızla düşer ve pratik olarak örtü sıcaklığına eşit bir değere ulaşır, dolayısıyla damıtma durur. Derinliği fazla olan damıtma havuzlarında ise, su sıcaklığının ve verimin gün boyunca değişimi derinliği az olan damıtma havuzlarına göre daha azdır. Derin havuzlu damıtıcılarda, sabah saatlerinde damıtma daha yavaş olur ve düşük de olsa maksimum sıcaklıklara geç ulaşırlar. İçerdeki yaklaşık 30 cm derinlikteki suyun kazandırdığı ısı depolama özelliği ile gündüz vakti yavaş olan damıtma güneş battıktan sonra akşam hatta gece vakitlerinde de devam eder. Bunda en büyük etkenlerden biride, geceleyin atmosferik şartlarla daha da düşen örtü sıcaklığıdır. Gündüz vakitlerinde havuzda depolanan ısı, akşam ve gece vakitlerinde suyun sıcaklığı örtü sıcaklığına düşünceye kadar damıtmanın sürmesine neden olur[4]. Derinliği az olan damıtma havuzlarında olması istenen su derinliği çok düşüktür (2-10 cm). Ancak bu su derinliğini istenen seviyede sabit tutmak son derece zordur. Bu nedenle, bu tip damıtıcılarda havuz tabanı ve eğim son derece düzgün bir şekilde yapılmalıdır. Eğer bu işleme dikkat edilmezse, su damıtma havuzunun içerisinde belli noktalarda toplanarak gölcükler oluşturur ve sudaki adacıklar gibi kuru noktaların oluşmasına neden olur. Bu kuru noktalar damıtıcı veriminin düşmesine neden olduğu gibi, bu bölgelerde havuz tabanı direk olarak güneş ışınımına ve yüksek sıcaklıklara maruz kaldığından deforme olur. Derinliği az olan damıtma havuzlarında, damıtıcıya su beslenmesi, boşaltılması v.b. havuzdaki su akışı çok dikkatli yapılmalıdır [4].

51 36 Bunların yanında besleme suyu olarak tabir ettiğimiz damıtma havuzundaki tuzlu suyun ısısının yüksek seviyelere çıkartılması ayrıca su özelliklerde çok önemlidir: Gelen güneş radyasyonunun (ışınımın) üst yoğuşma örtüsü tarafından büyük oranda absorbe edilmemesi gerekir. Zeminin ve duvarların çok iyi izole edilmesi gerekir. Su seviyesi çok olmazsa onu buharlaştırmak için çok ısı gerekmez. Damıtma havuzlarının özelliklerinin performansa etkisini şu şekilde sıralayabiliriz: Havuz konstrüksiyonu ısıl kapasitesi Havuz kayıpları, taban ve çevresinin yalıtımı Sistemde oluşacak buhar kaçakları, sızdırmazlık önlemleri Örtü formu Saydam örtünün eğim açısı Sistemin içerisindeki hava dolaşımı Havuz tabanının ısıyı absorbe etme yeteneği Damıtıcının yönlendirilmesi Yoğuşma örtüsünün eğim açısı, damıtıcının üzerine gelen ışınımı yansıtma oranını etkileyen en önemli unsurdur. Açının artması yansıtma oranını etkiler. Bu sebeple, sisteme giren enerji miktarı azalacağından sistemin verimi de düşecektir. Ayrıca örtünün eğim açısı, örtüde yoğuşacak olan suyun toplama kanallarına akışını kontrol eder. Eğim açısı küçük olursa, örtüde yoğuşan suyun damıtma havuzuna damlama durumu oluşabilir. Ayrıca eğimin küçük olması yoğuşan suyun toplama kanallarına akış süresinin ve aldığı yolunda kısa olmasını sağlar [4]. Güneş enerjili damıtma havuzları ile yapılan deneylerden elde edilen sonuçlar Güneş damıtıcılarında en verimli sonuç havuz tipi tasarımlarında elde edilmiştir. Bunlar, en yüksek miktarda temiz su üretimini gerçekleştirmiştir. Kurulması en kolay olan damıtma sistemidir.

52 37 Suyun damıtılması, güneş radyasyon yoğunluğunun damıtma havuzunun termal kapasitesini aşmasıyla başlar. Bu değer, yaklaşık olarak 3-4 MJ/m 2 dir. Çeşitli şekillerde imal edilmiş havuzlarda, damıtmanın güneş battıktan sonra da devam ettiği belirlenmiştir. Korozyonu önlemek için tuzlu su içeren havuz metalden (anotlanmış siyah alüminyum doymuş halde olmalıdır) veya plastikten yapılmalıdır. Tahtadan yapılmış havuzlar çok verimli değildir. Çünkü tahtaların çürümeye karşı bir işleme tabi tutulması gerekmektedir. Güneş radyasyonunun absorbe edilme gücünün yüksek olması için siyah renkli bir toplayıcı olması gerekir. Bu yüzden siyahlatılmış metal havuzlardan en iyi anodik işlem elde edilir. Damıtma havuzlarının siyaha boyanması kötü bir koku etkisi oluşturabilir. Suyun konulduğu havuzun boyama işleminden kaçınılmalıdır. Tuzlu suyun konulduğu havuzun siyahlığını artırmak için belki yeşil organik boya ilave edilebilir. Böyle bir solüsyon damıtma havuzlarında güneş radyasyonunun emilme miktarını artırmak için kullanılabilir. Havuzun tabanında su penceresi ve tüm havuzda hava penceresi bulunmalıdır (yalnızca tuzlu su girişi ve temiz su çıkışları haricinde). Temiz su şeffaf kapağın iç yüzeyinde yoğunlaşacağından havuzun alt tarafında bir delik içinde toplanmalıdır. Delikler aşağıya doğru % 1 lik eğimli olmalıdır. Taze suyun damıtılmış su çıkışlarına ve dışarıdaki toplama kabına doğru aktığına emin olunmalıdır Damıtılmış suyun tadı kötü olabilir (içmek amaçlı), damıtılmış su bir kireç parçası veya bir çeper aracılığıyla filtre edilmelidir (bu kireç taşı suya bir miktar kalsiyum tuzu ilave eder) ya da bu organik tadı ve kokuyu yok etmek için karbon tozu ilave edilebilir. Tuzlu su içeren tepsilerin tabanı ısı kaybını önlemek için izole edilmelidir. Çünkü güneş ışınlarıyla ısınan tuzlu su C ye ulaştığında mantarla yapılmış yalıtım yeterli gelmeyebilir. Daha iyi sonuç, esnek plastik kaplanarak elde edilebilir ki bu esnek plastik her yerden satın alınabilir. Küçük damıtma havuzları için esnek plastik kutu, mesela balıklar için kullanılan yiyecek ve diğer paketlemeler için kullanılan kutular güneş havuzlarına adapte

53 38 edilebilir. Bu adaptasyon cam ve plastik kapak ile az bir eğimle yapılabilir. Bu kutu kendi başına tuzlu su kabı olarak kullanılır ve bir çukur açılarak damıtılmış su toplanır. Günlük, yaklaşık 1 litre taze su üretimi 0,3-0,5 m 2 lik bir kutuyla yapılabilir. Şeffaf (cam veya plastik) kapaklar güneş radyasyonunun giriş noktası olmalıdır. İç yüzey, damıtılmış su için yoğunlaştırıcı gibi çalışır. Örtünün yaklaşık 20 bir eğimi ve hava penceresi olmalıdır. Silikon yada mastik ile yapılan sızdırmazlık iyi sonuç verebilir. Üst örtü damıtma havuzlarının periyodik temizliği için portatif olmalıdır. Tuzlu su damıtma havuzuna doldurulmalıdır. Yatay veya basamaklı eğimli üst damıtma havuzunda tuzlu su, havuzdan kaba yüksekten akmalıdır. Genelde tuzlu su böyle kaplara elle veya pompayla konulmaktadır. Buharlaşma sırasında tuzlu sudaki su konsantrasyonu artar, tuz konsantrasyonu başlangıçtaki değerinin iki katına çıktığında beyazlamış tuz birikmeye başlar. Bu tuz, kalsiyum sülfat ve karbonattır. Bu olay, güneş radyasyonunun emilmesinin azalmasına sebep olur. Bu yüzden havuza yeni tuzlu su ilave edilmelidir. Damıtma havuzlarından tuzlu suyu almak ve yeniden tuzlu su koymak önemli bir tasarım problemidir. Aslında çok fazla miktarda temiz su elde etmek, havuzdaki damıtılacak su oranının ve derinliğinin az olması ile mümkündür. Aynı zamanda tuzlu suyun buharlaşması sonrasında tuz birikintisi bırakır ki bunun temizlenmesi gerekir. Güneş enerjili damıtma havuzlarının başarısı iyi bir kuruluma, tuzlu su doğumuna, damıtıcının bakımına ve kalan tuzun temizlenmesine bağlıdır. Bu bazen çok su ihtiyacı olan yerlerde sorun yaratabilir. Aynı zamanda tasarım ile birlikte seçilen malzemenin de hitap edeceği kişi sayısına göre seçilmesi daha faydalı olacaktır [5]. Yüksek sıcaklıklı ve aktif çalışan damıtıcılar Havuz tipi bir güneş çanağında maksimum ürün elde etmenin en ekonomik yolu, bir ısı enerji kaynağı sayesinde elde edilen ısının, ilave ısı olarak çanağı beslemesiyle,

54 39 saydam örtü ile deniz suyu arasındaki sıcaklık farkını maksimum yapmaktır. Bu ilave enerji kaynağının, damıtma sisteminin çevresindeki bir termik santral olabileceği düşünülerek yeni sistemler geliştirilmiştir. Atık sıcak su, sabit bir debide çanağı beslerken, saydam örtü üzerinden su geçirilerek hareketli bir su filminin oluşturulması da düşünülmüş ve bu konu üzerinde de çalışmalar yapılmıştır.saydam örtü ile deniz suyu arasındaki sıcaklık farkını maksimum yapmak için, ya saydam örtü üzerinden su akışı oluşturularak, örtü sıcaklığı düşürülür, ya da havuz içerisine ısı değiştiricisi yerleştirilerek tuzlu deniz suyu sıcaklığı artırılır. Bunların her ikisi de aynı anda düşünülebilir. Şekil 3.8. Yüksek sıcaklıklı sistemler Bu amaçla yüksek sıcaklıklı damıtma sistemleri geliştirilmiştir. Sekil 3.8. Aynı koşullar altında, bu düzenekler denenmiş ve bunların verimlilikleri birbirleri ile ve klasik tek eğimli çatı tipindeki güneş çanağı ile mukayese edilmiştir [4]. Cezayir de bu çalışmaya benzer bir çalışma yapılmıştır (Şekil 3.9). Bu çalışmada güneş damıtıcısının verimini artırmak için sisteme güneş kolektörü ilave edilmiştir. Tuzlu su hem kolektörde hem de havuzda ısıtılmaktadır. Birleştirilmiş damıtma sisteminin veriminin basit güneş damıtıcısına göre dört katı olduğu bulunmuştur [10].

55 40 Şekil 3.9. Cezayir de yapılmış olan sistem [10] Bu tür sisteme örnek olarak; güneş kolektörü ile ek olarak kazanılan ısının, bir ısı değiştirici aracılığı ile güneş çanağının beslendiği damıtma sistemi verilebilir (Şekil 3.10). Bu damıtma sistemi; güneş kolektörü, kolektörde ısınan akışkanı damıtma havuzuna taşıyan borular ve havuzdaki suyun ısınmasını sağlayan ısı değiştirici, tek eğimli cam örtü ile tek havuzdan oluşmuştur. Isı değiştiricisine su akışını kolaylaştırmak için hafif meyil verilmiştir. Kollektör ile güneş çanağı arasındaki doğal iletimi sağlamak için, güneş çanağı toplayıcı çıkısının cm üzerine yerleştirilir. Isı değiştiricisi tamamen su altında kalacak şekilde, deniz suyu ile doldurulur.

56 41 Şekil Aktif çalışan güneş enerjili damıtma havuzu ve düz yüzeyli kollektör Bu sistemde güneş ışınları yine saydam örtüden geçim, siyah emici yüzey tarafından absorbe edilir. Kolektör içerisindeki ısıtıcı akışkan ısınır. Isınan bu akışkan yoğunluk farkından dolayı yükselir ve geride kalan boş kısım, meydana gelen basınç farkı sebebiyle soğuk akışkanla dolar. Isıtıcı akışkan güneş enerjisi sayesinde yüksek ısıya ulaşır ve damıtma havuzu içerisindeki ısı değiştiricisine gönderilir. Isı değiştirici, deniz suyuyla temas halinde olduğu için akışkanın ısısı deniz suyuna verilir ve tuzlu su ısıtılmış olur. Diğer taraftan havuzun içerisine direkt olarak gelen güneş ışınımı sayesinde de su buharlaşır. Oluşan buhar üst cam örtüde yoğuşarak sistem dışına alınır. Şekil 3.11 de görülen sistemde ise, güneş damıtıcıları tek tabanlı eğimli havuz şeklinde ve paslanmaz çelikten yapılmış buharlaştırıcıdan (0,208 m 2 alana sahip) oluşmaktadır. Elektriksel eleman, suyu ısıtma ve sabit ısı sağlama görevini yerine getirmek amacıyla kullanılmıştır. 2 litre su sisteme konulmuştur ve ısı 75 PC ye çıkarılmıştır. Isı, bu dereceye ulaştığında ve sabitlendiğinde 10 ml damıtılmış su toplanmış ve 50 ml lik cam bölüme konulmuş, hacmi ölçülmüştür. Damıtılmış sudaki kalsiyum konsantrasyonu göz ardı edilebilir; çünkü konsantrasyonu 1 MGK/litre den daha azdır[36].

57 42 Şekil Deneysel güneş enerjili damıtıcı Aşağıda şekli verilen (Şekil 3.12) diğer bir güneş enerjili damıtma sisteminde deniz suyu direkt olarak pompa vasıtasıyla ham su deposuna alınmıştır. Deniz suyunun giriş miktarı, ham su, yani işlenmemiş su deposundaki şamandıra sayesinde belirlenmiştir. Buradan işlenmemiş deniz suyu, damıtma görevini yerine getiren güneş kollektörünün içerisinden geçirilmiştir. Güneş ışınımı sayesinde ısısı artan su kollektörün üst örtüsünde yoğuşmuştur. Yoğuşan su, kollektördeki eğim vasıtasıyla da aşağı doğru akarak temiz su deposunda toplanmıştır. Damıtılmayan ve içinde tuz artıkları bulunan su ise ayrı bir kanalla dışarı alınmıştır. Bu işleyiş damıtma kollektörü ile ham su deposunun arasına yerleştirilmiş olan kontrol sistemi sayesinde sağlanmaktadır.

58 43 Şekil Flatmodel Rosendahl damıtma sistemi Şekil Kanal şeklinde güneş çanağının kesiti [4] Sistemde (Şekil 3.13), güneş çanağı olarak kullanılan kanalın duyarlılığı önemlidir. Kanal boyutları, rüzgâr hızı, hava debisi, su giriş sıcaklığı ve su debisi gibi parametreler kanalın verimliliğini etkileyen faktörlerdir. Tek cam örtü durumunda, artan rüzgâr hızı, çanağın verimliliğini çok hızlı bir şekilde düşürmektedir. Oysa hava debisi, 2500 kg/h ile sınırlandırmak şartı ile arttığında, çanağın verimliliğinin arttığı görülmektedir. Su giriş sıcaklığı ve debisinin çanak verimine olan etkisi oldukça azdır. Sistem verimine de etki eden faktörler vardır. Bunlardan en

59 44 önemlileri, hava debisi, deniz suyu debisi ve çevre sıcaklığıdır [4].Bu sisteme benzer bir başka sistem Şekil 3.15 da verilmiştir. Şekil Hindistan da yapılan ısı geri kazanımı damıtma sistemi [36] Bu sistem de, kollektör damıtma ünitesine sürekli sıcak su sağlamak için kullanılmıştır. Kollektörler 2 m 2 yüzey alanına sahiptir. Damıtma sistemi, nem alma ve nemlendirme kulelerinden oluşmuştur. Kuleler arasındaki hava akımı doğal konveksiyonla sağlanmıştır. 500 litre kapasiteli galvanize çelikten yapılmış depo tankı kullanılmıştır. Damıtma odasına 24 saat süreyle su üretilmiştir. Güneş enerjisiyle kollektördeki suyun ve bu şekilde de depodaki suyun ısıtılması sağlanmıştır. Isı değiştiricisinde ısınan su, damıtma odasına gitmektedir. Damıtma odası buharlaştırıcı ve boğuşturucu ünitelerinden oluşmuştur. Depodan gelen soğuk su, damıtma odasında yoğuşturucudan geçer. Buharlaştırma ünitesinde buharlaşan su, yoğuşma odasında depodan gelen suya ısısını vererek yoğuşur. Tuzlu su önceden ısıtılır, yoğuşturucuya geçer. Böylece ısı geri kazanılmış olur [37].

60 45 Şekil Deniz suyunun damıtılması [37] Şekil Deniz suyunun ısıtıcı kullanılarak damıtılması Şekil 3.15 ve Şekil 3.16 da gösterilen sistemde deniz suyu yoğuşturucu borularının içerisinden geçirilmiş sonra da ısıtıcıda ısısı arttırılarak damıtıcı ünitesine gönderilmiştir[37]. Kaba akan, ısısı artan deniz suyu buharlaşmaya başlamıştır. Daha sonra buharlaşan deniz suyu, yoğuşturucu borularının dış yüzeyi soğuk olduğu için

61 46 buraya yapışarak yoğuşması sağlanmıştır. Yoğuşan suyun alt taraftaki damıtılmış su bölmesine akması sağlanmıştır. Buradan da borularla ünitenin dışına alınmıştır. Çok etkili havuz tipi güneş çanaklı sistemler Bu sistemler, yetmişli yıllarda, klasik basamaklı, çanak şeklindeki güneş enerjili damıtma sistemlerinin yapısı ve çalışma prensiplerini fazla değiştirmeden, daha yüksek verim ve ürün sağlamak amacıyla geliştirilmiştir. Gerçekten de, günümüzde yaygın olarak kullanılan bu tip çanaklar, aynı basitliğe sahip olmalarına rağmen, çok özel tipteki çanaklar hariç, diğer çanaklardan yaklaşık % daha yüksek verime sahiptirler. Bu sistemlerin diğer sistemlerden farkı, saydam üst örtü ile havuz arasına yerleştirilmiş olan çift katlı havuz bölmeleridir. Sistemin çalışma şekli şöyledir(şekil 3.17). Ortada bulunan bölmelerdeki su, ya bölmeler arasında tutucu levhalar yardımıyla sabit olarak tutulmakta, ya da saydam bir plaka üzerinde sürekli olarak akmaktadır. Her iki durumda da, plakanın alt yüzeyi, film halinde yoğuşma elde etmek için, ıslak tutulmasına ve yoğuşan su buharının akış yönünde pürüzsüz olmasına dikkat edilir. Havuzların yan yüzeyleri, deniz suyu kaçaklarına karşı yalıtılmıştır. Şekil Çok etkili havuz tipi bir güneş çanağının kesiti

62 47 Ani buharlaştırmalı sistemler Bu tür sistemlerde, daha yüksek enerji verimleri elde etmek ve su buharının sıcak deniz suyu yüzeyinden ayrılması için gerekli enerjiyi en aza indirmek amacıyla geliştirilmiş ve güneş çanağı içermeyen sistemlerdir. Bu sistemde, tuzlu deniz suyunun ısıtıldığı toplayıcılar ve ısınan suyun ani olarak buharlaştırıldığı ve genellikle de çok kademeli olarak kullanılan ani buharlaştırıcı üniteleri vardır [4]. Çok kademeli ani buharlaştırıcıya giren soğuk su, ani buharlaşma ile oluşmuş buharı yoğuşturarak bir miktar ısınır. Daha sonra, bu deniz suyu toplayıcıya gönderilir. Burada, güneş ışınımının şiddetine, toplayıcı alanına, sayısına ve tasarımına bağlı olarak C arasında bir sıcaklığa kadar ısıtılan deniz suyu, çok kademeli ani buharlaştırıcıya yollanarak ani olarak buharlaştırılır. Oluşan buhar, soğuk deniz suyu yardımıyla taze su olarak yoğuşur. Geriye kalan tuzlu su, atık su borusuyla dışarı atılır (Şekil 3.198[4]. Şekil Çoklu ani buharlaştırmalı damıtma ünitesinin diyagramı

63 48 Açık ısı borulu sistemler Yoğuşma bölgesinde yoğuşamayan gazlar, ısı geçisini azaltır. Yoğuşamayan gazları bölgeden uzaklaştırmak için ısı boruları düşünülmüş ve sonuçta bu tip sistemler ortaya çıkmıştır. Açık ısı borulu sistemler, açık ısı borularının çalışma sisteminden yararlanılarak, klasik tipte güneş çanaklarında ısı geçisini iyileştirmek ve yoğuşma gizli ısısını değerlendirmek amacıyla geliştirilmişlerdir. Sistem, bir toplayıcı ve buharlaştırıcı bölgesi toplayıcıya bağlanmış bir açık ısı borusundan oluşmaktadır. Isı borusunun her iki ucu da açıktır ve havası boşaltılmıştır. Deniz suyu girişi ve aşırı tuzlu su çıkısı, ısı borusunun buharlaştırıcı kısmına bağlanmıştır. Borunun yoğuşturucu bölümü cam yünüyle yalıtılmıştır. Buharlaştırıcıdaki deniz suyu, güneş ışınları sayesinde ısınarak buharlaşır. Ortaya çıkan su buharı, yalıtımı yapılmış daha düşük sıcaklıktaki yoğuşturucu bölgesine giderek, gizli ısısını yoğuşturucu bölgesine bırakarak yoğuşur. Oluşan taze su ya yer çekimi, ya da fitil aracılığı ile geri dönerken, taze su çıkısından dışarı alınır. Yoğuşmamış gazlar yoğuşma bölgesinde kalır. Çevrim sırasında bu gaz miktarı devamlı artar. Toplanan gazlar dışarı alınır [4]. Güneş enerjili çok aşamalı ani buharlaştırmalı damıtıcı sistemler Havuz tipi güneş enerjili damıtıcılarda güneş ışınımı ile elde edilen enerji işlem sırasında sadece bir defa kullanılmakta, elde edilen suyun yoğuşma gizli ısısı sisteme geri döndürülmeyip, damıtıcı örtüsünden ışınım ve taşınım yolu ile atmosfere atılmaktadır. Bu sistem ekonomik olarak oldukça zayıf olduğu için kullanma suyu üretiminde ender kullanılan, ısı kaynağı olarak yakıt bulunan tek tesirli damıtıcılara benzer. Bu tip damıtıcı sistemlerle güneş enerjisinden daha rasyonel bir şekilde yararlanma yoluna gidilmiştir. Fakat sistemin karışık olması, fazla donanım gerektirmesi, ilk kuruluş ve işletim maliyetinin fazlalığı nedeniyle çıkış kapasitesindeki ve verimdeki artış, maliyetteki

64 49 artışı karşılayamamakta, sonuç olarak elde edilen suyun maliyeti havuz tipi damıtıcılara göre daha yüksek olmaktadır [4]. Asimetrik sera tipi damıtıcılar Bu tip damıtıcıların dizaynı havuz tipi damıtıcılara çok benzemektedir (Şekil 3.19). Bu tasarım da üst yoğuşma örtüsü olarak cam kullanılmıştır. Havuzun tabanı güneş ışınımından en üst seviyede faydalanmak için siyaha boyanmıştır. Havuz, ısı ve su kaybına karsı izole edilmiştir. Yoğuşma örtüsü damıtıcının üzerine belirli eğimle yerleştirilmiştir. Damıtma havuzundaki su derinliği 2 cm olarak ölçülmüştür. İç kısımdaki kenarlara, yansıma için aynalar yerleştirilmiştir. Cam örtüden güneş içeri girmekte ve siyah havuz tabanı tarafından absorbe edilmektedir. Böylece, içerideki su ısınarak buharlaşır ve cam örtüde yoğuşur. Yoğuşan bu su daha sonra da örtüdeki eğim sayesinde aşağı doğru akarak toplama kaplarında biriktirilir. Elde edilen günlük damıtılmış su miktarı 3-5,5 litre/m 3 olarak değişmektedir [16]. Şekil Asimetrik sera tipi güneş enerjili damıtıcı [15] Güneş enerjili damıtıcılar ile termosifonun birlikte kullanıldığı sistemler Şekil 3.20 de gösterilen sistemde güneş enerjisiyle su ısıtma ve damıtma işlemleri birleştirilmiştir. Bu sistemle ilgili çalışmaları Meksika Sağlık Sekreterliği yapmıştır.

65 50 Bu sistem, üniteye su besleyen su tankı, termosifon ve yoğunlaştırıcıdan oluşmaktadır. Sistem ılıman yörelerde faydalıdır. Bunun nedeni şudur; bu bölgelerde ısı, yoğunlaşmanın olabilmesi için yeterli değildir. Böyle durumlarda termosifon yoğunlaştırıcıya gitmeden önce suyu ısıtmaktadır. Şekil Güneş enerjili damıtıcı ile termosifonun birleştirilmesi [38] Güneş enerjili membranlı (zarlı) damıtma sistemleri Geleneksel yöntemlerin aksine bu sistem düşük dereceli ısılarda da çalışmaktadır. Son çalışmalarında Lawson ve Burgoyne bu zarlı teknolojinin başarısından bahsetmektedirler. Hogan, bu teknolojiyi güneş enerjisi sistemiyle eşleştiren ilk kişidir. Sidney de test edilen bu sistem, boşluklu fiber bir zar parçadan ve ısı geri kazanımlı değiştirici bölümünden oluşur ki bu da maliyeti düşürmektedir. diğer bir zarlı sistem 1994 yılında Bier tarafından kurulmuş fakat burada hava boşluklu zarlı damıtma parçası (AGMD), direkt bağlantılı zarlı damıtıcı (DCMD) ünitesi yerine, (SPMD) yi test etmek için Hogan tarafından kullanılmıştır. Isı geri kazanım işlemindeki ısı kaybını önlemek için spiral sarımlı zarlı parça, membranlı damıtıcı ile

66 51 birleştirilmiştir. Son zamanlarda Koschilkowski de, Bier le benzer zar parçasını kullanıp (SPMD) deneme sistemleri üzerinde çalışmıştır. Hesaplamalarına göre, ısı deposu olmadan deneme sistemi yaz mevsiminde ve güney ülkelerinde 150 litre/gün su üretmektedir. Banat, MD (zarlı arıtma) modülünü güneş enerjili damıtıcılara entegre ederek deniz suyundan temiz su üretmiştir. Onların yapmış olduğu çalışmada güneş enerjili damıtıcılar hem deniz suyunu ısıtmada hem de su üretiminde kullanılmıştır. Deneysel çalışmalar göstermektedir ki, damıtılmış su üretimindeki güneş enerjili damıtıcıların katkısı toplam akıştan % 20 daha fazla değildir [39]. Kübik kollektörlü sistemler Küçük ölçekli klasik düz kollektörlü damıtma sistemleri, özellikle tropik yerleşim yerlerinde bir yüzyıldan beri kullanılmaktadır. Fakat bu sistemler de enerji olarak güneş enerjisinin metrekareye düşen fonksiyonlarını kullanabilmektedirler. Burada amaçlanan; sistemin enerji verimini en üst düzeye çıkarmak ve mümkün olan en üst düzeyde taze su üretmektir. Buharlaşma ve yoğunlaşma bölümleri ayrıdır. Buharlaşma bölümü düzlem yüzey yerine kübik olmuştur. Ayrıca sisteme eklenen aynalarla güneş enerjisinin girişi arttırılmış ve bu aynalar rüzgârdan korunma amacıyla kullanılmıştır. Ünite 30 C de 40 litre su üretmiştir. Her ünite düşük maliyette ve çok miktarda su üretmektedir. Su ihtiyacı için herhangi bir kaynak olabilir [32]. Karışık dizayn edilmiş damıtma sistemi Bu sistemle ilgili olarak üç örnek verilmiştir. 1) Yağmur suyu toplama: Havuza bir ek yapılarak yağmur suyu da toplanır. 2) Sera tipi güneş damıtıcıları: Sera tipi damıtıcının çatısı damıtma havuzunun kapağı gibi kullanılır. 3) Ek ısı: Motorlardan, buzdolabından çıkan ısı bu iş için kullanılır [34].

67 Bir güneş enerjili damıtma havuzunun çıktısının hesabı Q=ExGxA/2.3 (3.2) Burada ; Q= Günlük yoğuşan su kapasitesi (litre/gün) E= Toplam verim G= Günlük güneş ışınım miktarı (MJ/m 2 ) A= Basit bir havuz için havuzun açıklık alanı (m 2 ) Bir ülkede ortalama günlük küresel güneş ışınım miktarı 18 MJ/m 2 (5 kwh/m 2 ) dir. Basit bir havuz toplam % 30 verimle çalışır. Bu yüzden m 2 ye düşen ürün; Günlük çıktı=0.3x18x1/2.3 =2,3 litre (metrekare başına) [34] Güneş enerjili damıtma tesisi örneği Şekil Damıtma tesisi

68 53 a. Amaç: Tuzlu suyu içme suyuna dönüştürme (Şekil 3.21). b. Temel: Alan- 15 metrekare, Beton 1:5:10, Aşınma tabakası 1:1.5:3, 7,5 cm mat siyah kaplamalı c. Yan Duvarlar: Tuğla duvar, çelik kirişler üzerine konulmuş eğimli 5 mm kalınlığında cam d. Damıtılmış su bağlantı kanalı: Alüminyum e. Tank: Tuğla duvardan yapılmış yapı f. Çalışma Prensibi: Bu tesis, havuzlu güneş enerjili damıtma tesisi olup, havuzun alanı 15 metrekare, cam örtünün alanı 15 metrekaredir. Damıtılmış su cam örtünün iç yüzeylerinde yoğuşarak damlacıklar halinde gelip, alüminyumdan yapılmış toplama kanallarına gelmektedir. Bu kanallar damıtılmış suyu ünitenin dışına taşımaktadır. g. Ünitenin maliyeti: 15 metre kare için Hindistan Rupisi (623 $-896 YTL) h. Çalışma maliyeti: Saatte 6 Hindistan Rupisi (0,1335 $ YTL) i. Göze çarpan özellikler: Havuzda bir günde metrekare başına 3-4 litre damıtılmış su üretilmektedir[40].

69 54 4. ISI POMPASI VE ISI POMPASI DESTEKLİ DAMITMA SİSTEMİ Isı pompası, ısı makinesinin tersi bir çevrime göre çalışan, iş yapılması ile ısıyı soğuk kaynaktan sıcak kaynağa ulaştıran bir makinedir. Isı pompası ve soğutma makineleri aynı termodinamik çevrime göre çalışırlar (Şekil 4.1). Soğutma makinesiyle bir mahallin soğutulması, ısı pompası ile ise bir mahallin ısıtılması amaçlanır. Şekil 4.1. Isı pompasının termodinamiği Isı pompası basit olarak ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama taşıyan ve elektrikle beslenen bir sistemdir. Bilindiği üzere enerji vardan yok, yoktan var edilemez, sadece ya biçim değiştirir ya da bir yerden bir yere taşınır. Isı pompası da adını, ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama pompalama veya taşıma kabiliyetinden alır. 4.1.Isı Pompalarının Sınıflandırılması Isı pompaları kullanım alanlarına göre evsel ve endüstriyel ısı pompaları olmak üzere iki sınıfa ayrılabilir. Evsel tip ısı pompalarında amaç; bir mahallin ısıtılması iken, endüstriyel ısı pompalarında ise, endüstride mevcut atık ısıdan yararlanarak, bir

70 55 prosesin gerçekleştirmesini sağlamaktır. Daha önce bahsettiğimiz gibi, ısı pompaları bir ısı kaynağından çektikleri ısıyı aktaran cihazlardır. Isı pompasının enerji çektiği ortamlara ısı kaynakları denir. Bu kaynakları maddeler halinde sıralayacak olursak; 1. Hava 2. Su (deniz, göl, nehir, dere, yeraltı suyu-jeotermal enerji) 3. Toprak 4. Güneş Enerjisi 5. Atık ısılar ve diğer ısı kaynakları(artık sıvılar, gazlar) Kullanılan ısı kaynakları arasında hava genel kullanım için, kolay elde edildiğinden dolayı en çok tercih edilen ısı kaynağıdır. Su, elde edilebildiği ortamlarda ısı kaynağı olarak kullanılabilir ve havaya göre bazı avantajları vardır. Topraktan ve yeraltı suyu kaynaklı ısı pompaları günümüzde çok önemli proje konularıdır ve Avrupa da toprak ve yeraltı suyu kaynaklı birçok ısı pompası projesi gerçekleştirilmektedir. Güneş de sonsuz ısı enerjisiyle çok önemli bir kaynaktır. Güneş kolektörü destekli ısı pompası uygulamaları da Avrupa da ve Kuzey Amerika da geniş kullanım alanı bulmaktadırlar. Çizelge de ısı pompalarında kullanılan ısı kaynaklarının sıcaklık aralıkları verilmiştir [41]. Çizelge 4.1. Isı pompalarında kullanılan ısı kaynakları ve sıcaklık aralıkları Isı Kaynağı Sıcaklık Aralığı ( 0 C) Dış Hava Atık Hava Yeraltı Suyu 4-10 Göl 0-10 Nehir 0-10 Deniz 3-8 Kayaçlar 0-5 Toprak 0-10 Atık Su ve ya Sıvılar >10 Isı pompası, harekete geçirmek için (tahrik etmek için)kullanılan enerjinin türüne göre aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir:

71 56 1) Elektrik enerjisi ile harekete geçirilen ısı pompaları 2) Termal enerji ile harekete geçirilen ısı pompaları Birincil enerjinin (kömür, fuel-oil, doğal gazın) elektrik enerjisine dönüşüm veriminin yüksek olmaması, elektrik enerjisine dayalı ısı pompalarının kısıtlı kullanımına neden olmaktadır. Elektrik enerjisinin ucuz olduğu ülkelerde, şehirlerin ısıtma ve soğutmaya yönelik merkezi sistemlerin uygulamasına karşılık (İsviçre, İsveç gibi) yakıt maliyetinin nispeten düşük olduğu ülkelerde (İngiltere gibi) binaların ısıtılmasında kullanım oldukça kısıtlıdır. Birincil enerjiden itibaren tüm enerji dönüşümlerinin irdelenmesi halinde; mekanik enerjiye dönüşümde verimin düşük olması nedeniyle doğrudan doğruya ısı enerjisinden yararlanan termal ısı pompaları, özellikle son yıllarda üzerinde geniş çapta araştırma yapılan bir konu haline gelmiştir. Isının, soğuk ısı kaynağından sıcak ısı kaynağına aktarılması çeşitli şekillerde gerçekleştirilebilir. Isının aktarılma şekline göre ısı pompası tipleri aşağıdaki gibidir: 1. Buhar sıkıştırmalı ısı pompası 2. Absorbsiyonlu ısı pompası 3. Gaz çevrimli ısı pompası 4. Jet buhar püskürtmeli ısı pompası 5. Stirling çevrimli ısı pompası 6. Adsorbsiyonlu ısı pompası 7. Resorbsiyonlu ısı pompası 8. Rankine /buhar sıkıştırmalı ısı pompası 9. Termoelektrik ısı pompası Genellikle daha yaygın olarak Buhar sıkıştırmalı ve Absorbsiyonlu ısı pompası çeşitleri kullanılır. Termal ısı pompaları arasında yer alan adsorbsiyon ve absorbsiyonlu ısı pompaları bu bağlamda avantajları olmakla birlikte bu tipin çalışma

72 57 maddesine dayalı farklı sorunları bulunmaktadır ve verimleri buhar sıkıştırmalı ısı pompalarına nazaran oldukça düşüktür. Bu bölümde yukarıda adı geçen ısı pompalarının tamamı incelenmeyecek olup, en sık karşılaşılan buhar sıkıştırmalı ve absorbsiyonlu tip ısı pompaları incelenecektir. 4.2.Buhar Sıkıştırmalı Isı Pompası Isı pompalarının büyük çoğunluğu buhar sıkıştırmalı çevrim prensibine göre çalışır. Buhar sıkıştırmalı basit bir ısı pompasının ana elemanları kompresör, genişleme vanası(kısılma vanası) ile buharlaştırıcı(evaporatör) ve yoğuşturucu (konderser) olarak (SASA) adlandırılan iki adet ısı değiştiricisidir.(şekil 4.2) Şekil 4.2. Buhar sıkıştırmalı ısı pompasına ait çevrim şeması Şekil 4.3. de ideal buhar sıkıştırmalı ısı pompasının çevrimi Basınç-entalpi diyagramında gösterilmiştir.

73 58 Şekil 4.3. İdeal ve gerçek buhar sıkıştırmalı ısı pompasına ait T-s ve P-h diyagramı Buhar sıkıştırmalı ısı pompası çevrim hesapları İdeal buhar sıkıştırmalı ısı pompası çevrim hesapları aynı soğutma çevrim hesapları gibi yapılır. Bir ısı pompası sisteminde, sistemi oluşturan her bir eleman açık sistem olarak incelenmektedir. İdeal ısı pompası çevriminde, S 1 kompresör girişindeki özgül entropi, S 2s ise kompresör çıkışındaki özgül entropi olmak üzere, termodinamiğin ikinci kanununa göre, S 1 =S 2s (4.1) İdeal ısı pompası kompresör işi W ki, gerçek kompresör işi W k olmak üzere, kompresör iç verimi; İdeal. kompresör. iş Wik ms ( h2s h1 ) η ik = = = (4.2) gerçek.. kompresör. iş W m ( h h ) k s 2 1 ile ifade edilir.

74 59 Gerçek ısı pompası çevriminde, kompresör çıkışında h 2 özgül entalpisi ise; h 2 h h 2s 1 = h1 + (4.3) ηik şeklinde ifade edilir. Burada; h 1, kompresör girişindeki özgül entalpi, h 2s tersinir adyabatik sıkıştırma sonucunda kompresör çıkışındaki özgül entalpidir. Yoğuşturucu (SASA) : Gerçek ısı pompasında, yoğuşturucudan atılan ısı ise; Q y = m ( h 2 h3) (4.4) s ile bulunur. Burada m ( kg / s) sistemde dolaşan soğutucu akışkan debisidir. Buharlaştırıcı : Gerçek ısı pompasında, buharlaştırıcının çektiği ısı da; Q b = m ( h 1 h4 ) (4.5) s ile hesaplanır. Kısılma vanası : h 4 =h 3 (4.6) yazılabilir. Kompresör: Gerçek ısı pompasında, kompresöre verilen iş; W k h2 h1 = m s (4.7) η mk şeklinde bulunur.

75 60 Isıtma tesir katsayısı (ITK): Birim iş başına yapılan ısıtma miktarı olarak tanımlanmaktadır. Genel olarak amaç, ortama ısı vermek ve ödediğimiz bedel de kompresöre verilen enerji olduğuna göre, ısı pompası için ısıtma tesir katsayısı (ITK);. AMAÇ Qy ITK = = (4.8) BEDEL W. k İdeal ısı pompasında, yoğuşturucudan atılan ısı, W ki kompresöre verilen iş olmak üzere ideal ısı pompası çevrimini ısıtma tesir katsayısı; ITK İ Q yi h = = (4.9) W h ki. h2 s. h olarak yazılabilir. Gerçek ısı pompası çevriminin ısıtma tesir katsayısı ise; Q. h h3 = (4.10) ) /η. ITK yi 2s =. W ( h h. ki 2 1 mk şeklinde ifade edilir. Burada η mk kompresörün mekanik verimidir. Gerçek ısı pompasının ısıtma tesir katsayısı ITK ile ideal ısı pompasının ısıtma tesir katsayısı ITK İ arasında 1 ITK = ( ITK İ ) + 1) ηikη mk (4.11) η ik

76 61 eşitliği yazılabilir. Buhar sıkıştırmalı ısı pompasının, yoğuşma sıcaklığı T y ve buharlaşma sıcaklığı T b yi kaynak olarak alan, Carnot ısı pompasının ısıtma tesir katsayısı ise; T T SIC y ITK C = = (4.12) TSIC TSOG Ty Tb olarak yazılabilir. Isı pompasının ısıtma tesir katsayılarının buharlaşma sıcaklığına bağlı değişimleri, (Şekil 4.4) de gösterilmiştir. Eğrilerin çiziminde, ısı pompası hesapları η =.75, η = 0.9, T y = 50 C ve soğutucu akışkan Freon-12 kabul edilerek ik 0 ik yapılmıştır. Şekil 4.4. Isıtma tesir katsayılarının buharlaşma sıcaklığına bağlı değişimleri

77 62 Şekilden de anlaşılacağı gibi buharlaşma sıcaklığı T b arttıkça ısıtma tesir katsayıları artmaktadır. T b buharlaşma sıcaklığı da, ısı çekilen kaynak sıcaklığına bağlıdır. Böylece yoğuşma (T y ) sabit olmak şartıyla, ısı çekilen kaynak sıcaklığı arttıkça (T b ), ısıtma tesir katsayıları artacaktır. Isı pompasının ısıtma tesir katsayılarının, yoğuşma sıcaklığına bağlı değişimleri, Şekil 4.5 de gösterilmiştir. Şekil 4.5 den görüldüğü gibi yoğuşma sıcaklığı T y arttıkça, buharlaşma sıcaklığı T b sabit olduğundan ısıtma tesir katsayıları azalmaktadır. Bu sebeple yoğuşma sıcaklığını gereğinden fazla arttırarak sistemi çalıştırmak, ısıtma tesir katsayılarının düşmesine sebep olur. Şekil 4.5. Isıtma tesir katsayılarının yoğuşma sıcaklığına bağlı

78 Isı Pompası Verimi Gerçek buhar sıkıştırmalı ısı pompasının verimi, gerçek buhar sıkıştırmalı ısı pompasının ısıtma tesir katsayısı ITK ve ısı pompasının yoğuşturucu ve buharlaştırıcı sıcaklıklarını kaynak kabul eden Carnot ısı pompasının ısıtma tesir katsayısı ITK C olmak üzere ITK η ip = (4.13) ITK C şeklinde yazılabilir. Bu eşitlik aşağıdaki şekilde düzenlenirse; h2 h3 Tb η ip = ηmk (1 ) (4.14) h h T 2 1 y elde edilir. Gerçek ısı pompasının veriminin, T b buharlaştırıcı sıcaklığına bağlı değişimi, (Şekil 4.6) da gösterilmiştir. Şekil 4.6 dan da görüldüğü gibi buharlaşma sıcaklığı arttıkça ısı pompasının verimi artmaktadır.

79 64 Şekil 4.6. Isı pompası veriminin buharlaştırıcı sıcaklığına bağlı değişimi Hava kaynaklı buhar sıkıştırmalı ısı pompaları Hava kolay elde edilebilmesinden dolayı en uygun ısı kaynağı olmakla beraber; sistem tasarımının, mekâna bağlı olarak çok dikkatli bir optimizasyonunun yapılmasını gerektirecek birçok dezavantajı mevcuttur. Bunun sebebi ise; 1. Dış havanın oldukça değişken bir sıcaklığa sahip olmasıdır. 2. Buzlanma problemidir. Kışın ısıtmaya ihtiyaç olduğu zaman havanın soğuk ve yazın soğutmaya ihtiyaç duyulduğu zaman ise, havanın çok sıcak olması ve sıcaklığın gün boyu değişmesi önemli bir dezavantajdır. Bu nedenden ötürü, kış ve yaz daha fazla havanın dış üniteden geçirilmesi gerekmektedir. Bu da, daha büyük fan kullanılması ve fanı çalıştırmak için de ilave enerji tüketmek anlamını taşır. Dışarıda sıcaklığın çok düşük olduğu durumlarda ek bir enerjiye ihtiyaç duyulacaktır. Bu gibi durumlarda, elektrikli ya da gazlı ek bir enerji kullanmak suretiyle ortamın ısıtılması sağlanabilir.

80 65 Bu durumda çevrim akışkanının sıcaklığı belli bir sıcaklığa kadar ısı pompası yardımı ile yükseltilecek, gerek duyulan ek enerji ise diğer kaynaktan sağlanacaktır. Eğer ısı pompasından soğutma da yapması isteniyorsa tasarımda soğutma yükünün de hesaba katılması gerekecektir. Eğer sistemin soğutma kapasitesi yeterli değilse, daha büyük bir ısı pompası koymaktan başka çare yoktur ve eğer soğutma kapasitesi çok fazla olursa nem kontrolü çok zayıf bir şekilde yapılabilecektir. Yine de soğutma ve ısıtma kapasite gereksinimleri arasında bir denge sağlanmalıdır. Şekil 4.7 de basit bir hava hava ısı pompası sistemi görülmektedir. Şekil 4.7. Basit hava-hava ısı pompası sistemi Havanın ısı kaynağı olarak kullanıldığı bir ısı pompasında dış hava vantilatörle, ısı geçişi alanını arttırmak için kanatlarla kaplı olan buharlaştırıcı boruları üzerine üflenir ve borular içindeki soğutucu akışkanla hava arasında 5-10 o C lik sıcaklık farkı

81 66 oluşturulur. Hava her zaman bulunduğu ve düşük işletme-bakım masraflarına sahip donanımla çalışma nedeniyle en çok tercih edilen ısı kaynaklarındandır. Havanın ısı kaynağı kullanılmasının en büyük mahsuru, sıcaklığın sürekli ve çabuk değişmesidir. Bir gün boyunca olduğu gibi mevsimden mevsime de çok büyük değişiklikler gösterir. Isı ihtiyacının en çok olduğu kış aylarında sıcaklığın iyice düşmesi çevrim verimini olumsuz yönde etkiler. Ayrıca hava içinde büyük miktarlarda su buharı, buharlaştırıcı üzerinde yoğuşur ve düşük hava sıcaklıklarında donar. Oluşan bu buz tabakasının buharlaştırıcı üzerinden bertaraf edilmesi gerekir. Bunun için defrost işlemi yapılır. Çünkü oluşan karlanma ve buz; ısı iletim katsayısını ve kanatlar arasını doldurması nedeni ile ısı geçişi alanını azaltılmasına sebebiyet verir. Buzun, buharlaştırıcı yüzeyleri üzerinde uzun süre birikmesi müsaade edildiği takdirde ısı geçişi engellenir. Bu durum ısı pompasının ısıtma tesir katsayısı ve kapasitesinin düşmesine neden olur Su kaynaklı buhar sıkıştırmalı ısı pompaları Kuyulardan, göllerden nehirlerden, şehir şebekesinden elde edilen su, ısı kaynağı olarak kullanılmaktadır. Eğer ısıtılacak veya soğutulacak mekânın yakınından ırmak, göl, deniz, yeraltı suları v.s var ise ısı taşıyıcı borular bahsettiğimiz bu kaynakların içine yerleştirilir. Şekil 4.8 de su ve toprak kaynaklı ısı pompası görülmektedir.[42] Su en çok kullanılan diğer bir ısı kaynağıdır. Avrupa da yeraltı ve yerüstü sularını kaynak olarak kullanan ısı pompalarını geliştirmek yönünde çok yönlü projeler yapılmaktadır. Yüzey sularının(nehir, göl, deniz, dere v.b) kullanılması halinde sıcaklığın mevsimlerle değişimi yeni bir sorun olarak karşımıza çıkar. Bu değişim havada meydana gelen sıcaklık dalgalanmalarından daha düşük değerdedir. Yeraltı sularını kaynak olarak kullanan ısı pompasında, yeraltı suyu buharlaştırıcıya pompayla taşına bileceği gibi, yeraltı sularının olduğu yere gömülerek de ısı çekilebilir. Yeraltı sularının en büyük avantajı, sıcaklığının yıl boyunca değişim göstermemesidir. Suyun ısı geçiş katsayısı havadan daha iyidir. Ek olarak da defrost problemi yoktur. Diğer taraftan, yeraltı suyu kullanan ısı pompasının maliyeti; ısı kaynağı olarak yerüstü suyu veya hava olan ısı pompasına göre daha fazladır. Ayrıca

82 67 belli bir bölge için en kötü atmosfer şartlarına göre ısı pompası tasarım edip seri üretime geçileceği halde, yeraltı suyu kullanan ısı pompalarında hesaplar ve imalat her tesis için farklıdır. Su kullanan sistemlerin en büyük sorunlarından biride korozyon ve sudaki canlıların buharlaştırıcıya yapışmasıdır. Şekil 4.8. Su ve toprak kaynaklı ısı pompası Birçok kaynaktan sürekli olarak temin edilebileceği, tipik olarak C sıcaklık aralığında olacağı için ve yüksek ısı kapasitesi ve ısı transferi nedeniyle su, ısı pompaları için iyi bir enerji kaynağıdır. Aynı zamanda sıcaklığı da donma noktasının altına asla düşmez. Fakat ne yazık ki suyun fiyatı, endüstriyelleşmiş ülkelerde devamlı artmakta ve bu da ısı pompaları için su sağlamayı oldukça pahalı ve pratik olmayan hale getirmektedir. Kaynak olarak kuyu suyundan yararlanıldığında, sıcaklığı düşmüş olarak buharlaştırıcıyı terk eden suyun kaynak sıcaklığını düşürmemesi için, genellikle bir

83 68 daha kullanılmamak üzere bir başka yere atılması gerekmektedir. Ayrıca kuyu suyundan yararlanabilmenin bir başka şartı da yüksek debilerde su elde etmenin mümkün olmasıdır. Dolayısıyla suyun bir defa kullanılması ve büyük miktarlarda gerekmesi, kuyu suyundan yararlanma olanaklarını kısıtlar. Gene de arazi yeteri derecede ve uygun özelliklerde suyun bulunma belirsizliği, sondaj ve bakım maliyetinin yüksek olması, kullanımı azaltmamıştır. Ancak kuyu suyunun maliyeti küçük tesisler için yinede pek uygun değildir. Suyu kaynak olarak kullanmanın bir başka avantajı ise, ısı değiştiricilerinde, ısı geçişinin daha yüksek olmasıdır. Ancak ısı değiştiricilerinin daha verimli ve kompakt yapılmaları gerekmektedir Toprak kaynaklı buhar sıkıştırmalı ısı pompaları Toprak kaynaklı ısı pompaları, buharlaştırıcısından topraktan çekilen ısıyı kullanan ısı pompalarıdır. Toprakla olan ısı alışverişi, toprağa yatay veya dikey olarak gömülmüş toprak ısı değiştiriciyle gerçekleştirilir. Toprak altına gömülen borulardan soğutucu akışkan veya daha ucuz olması bakımından genellikle salamura geçirilir. En büyük enerji kaynağımız olan güneş, diğer fuel-oil, gaz, kömür, bio-enerji ve rüzgâr gibi enerji kaynaklarının da ana kaynağıdır. Güneş enerjisinin yayılma ve kararsız yapısı nedeniyle, doğrudan tutulması pahalı ve güçtür. Toprak, masif (iri) bir yapıya sahip olduğu için yeryüzüne ulaşan güneş enerjisinin hemen hemen jeo kütlede yutulur ve depolanır. Toprak; ısıtma sezonunda dış havadan daha yüksek sıcaklıkta bir kaynak ve yazın soğutma için, havadan daha düşük bir sıcaklık sağlayarak, tüm yıl göreceli olarak sabit sıcaklıkta kalır. Toprak kaynaklı ısı pompalarının hava kaynaklı ısı pompalarına göre birçok avantajı vardır: 1. İşletilmesi için daha az enerji tüketirler. 2. Havadan daha kararlı bir enerji kaynağıdır.

84 69 3. Son derece düşük dış hava sıcaklığı süresince ilave ısı kaynağı gerektirmezler. 4. Daha az soğutucu akışkan kullanırlar (eğer toprak ısı değiştiricisinde salamura dolaştırılırsa) 5. Tasarımları daha basittir ve bunun sonucu daha az bakım gerektirirler. Bunun yanı sıra, ana sakıncası, hava kaynaklı makinelere göre%30 50 arasında daha pahalıdırlar. Bu, ısı değiştiricilerinin toprağa konulmasından kaynaklanmaktadır. Bununla beraber, toprak kaynaklı ısı pompaları bir kere kurudukları zaman, hava kaynaklı sistemlere göre ısıtma etki katsayılarının daha yüksek olması nedeniyle, sistemin ömrü boyunca daha az enerji harcarlar. Şekil 4.9. Yatay tip toprak ısı değiştirici Toprağı ısı kaynağı olarak kullanan ısı pompası sistemlerinin en önemli bileşeni; toprağa döşenen ısı değiştiricileridir. Boruların toprak altına yerleşiminde kullanılan ölçüler ve boru boyları bu tip ısıtma sisteminin en önemli parametreleridir ve sistemin ana maliyetlerini oluşturur. Bu borular toprağa, yatay ve dikey olmak üzere iki konstrüksiyon şeklinde yerleştirilebilirler. Bunlara ait örnekler Şekil 4.9 da gösterilmiştir.

85 70 Toprak kaynaklı ısı pompaları yazın ve kışın sırasıyla serinlemek ve ısınmak amacı ile kullanılabilmektedir. Yeraltına gömülen borular içinden geçen akışkan yazın serinlemek için yeraltına ısı verir. Yazın dışarıda ya da konut içinde hava sıcak olmasına rağmen toprak sıcaklığı hava sıcaklığından daha düşük sıcaklıktadır. Konut içinden çekilen ısı yeraltına verilir. Kışın ise sistem ters şekilde çalışır ve topraktan ısı çekerek ısıtmak istenilen ortama verir. Kışın ise, hava daha soğuk olmasına rağmen yeraltı sıcaklığı hava sıcaklığından daha yüksektir ve ısı topraktan çevrim akışına doğru olur Güneş kaynaklı buhar sıkıştırmalı ısı pompaları Isı kaynağı olarak güneş enerjisinden faydalanmanın en büyük avantajı, ısı pompası buharlaştırıcı sıcaklığının yüksek seçilebilmesine imkân vermesidir. Dolayısıyla ısıtma tesir katsayısı artmış olur. Güneş enerjisinden yararlanan ısı pompası sistemleri, daha düşük toplayıcı sıcaklığında çalıştıklarından, toplayıcı verimi diğer güneş enerjisi sistemlerinde olduğundan yüksektir. Kaynak olarak güneş enerjisinden yararlanıldığında iki temel sistem söz konusudur. Bunlar direkt ve endirekt sistemlerdir. Direkt sistemlerde toplayıcılar buharlaştırıcı görevi yapar. Endirekt sistemlerde ise toplayıcıdan su veya su buharı geçirilerek kaynak olarak bunlardan yararlanılır. Güneş enerjisiyle üretilen sıcak su bir depoda toplanır ve ısı pompasının buharlaştırıcısı depodaki sıcak su içine daldırılmıştır. Böyle bir sistem temel olarak güneş toplayıcıları, sıcak su deposu ve ısı pompasından meydana gelir. Sistemin çalışması; Atmosferin ısısı, güneş panellerinde yer alan soğutucu akışkanı buharlaştırır. Sonra buhar, kompresör tarafından sıkıştırılır ve bu sıcaklığın artmasına neden olur. Daha sonra yüksek sıcaklıkta buhar, kondensere doğru geçer. ( Su tankının dışından özel borular sarılmıştır) Soğutucu akışkan buhar halden sıvı hale gelirken, ısısını tank içerisindeki suya verir.

86 71 Sıvı haldeki soğutucu akışkan güneş paneline geri döner ve çevrim tekrarlanır. Şeklindedir. Ancak, hava kaynağında olduğu gibi, ısı ihtiyacının yüksek olduğu günlerde güneş enerjisi de az olduğundan ek bir ısıtma tesisatına veya ısının depolanmasına gerek vardır. Bu da zaten pahalı olan sistem maliyetinin artmasına neden olur Evsel Isı Pompası Uygulamaları Konutlarda en önemli enerji tüketimi hacim ısıtmada gerçekleşir. Daha sonra konutta sıcak su ihtiyacı (mutfak ve banyoda), gıdaların soğutulması-dondurulması, aydınlatma ve elektrikli cihazlar gelmektedir. Konutların (veya genel olarak binaların) ısıtılmasında ısı pompaları kullanılabilir. Bir ısı pompası, ısıtma ihtiyacını karşılayacak kapasite olmalıdır (veya ekonomik şartlar gerektiğinde ilave ısıtıcıların kısa süreli devreye girmesi şeklinde bir kullanım da mümkündür). En azından konutun sıcak su ihtiyacının bir bölümünü hazırlamak için ısı pompası kullanılabilir. Isı pompaları, soğutma amaçlı sistemlerle birleştirilebilir. Fakat bu durumda ısıtma amaçlı kullanımda yoğuşturucu da atılan ısı, konutun ısıtılmasında yetersiz kalabilir. Bununla birlikte ticari ve endüstriyel uygulamalarda göz önüne alınmalıdır. Çünkü bu uyum önemli ekonomik kazançlar sağlanabilir. Bir ısı pompası ısıtmayı, farklı sıcaklığa sahip ısı kaynaklarının kullanılmasıyla çekilen ısının yoğuşturucu da ısıtılacak ortama atılmasıyla sağlar. Bazı durumlarda sıvı veya katı ısı depolama üniteleri de kullanılabilir(şekil 4.10). Bu sistem aynı zamanda monovalent kullanıma bir örnektir.

87 72 Şekil En basit haliyle bir ısı pompasının konut ısıtmasında kullanımı Isı pompasının etkenliği (ITK), yoğuşma sıcaklığıyla yakından ilgilidir(genel olarak yüksek yoğuşma sıcaklıkları ITK 1 düşürür). Bu nedenle, yüzey alanları arttırılarak (veya alttan ısıtma kullanılarak) nispeten düşük sıcaklıktaki su (yaklaşık 50 0 C) ısıtma amaçlı kullanılabilir. Benzer şekildeki yoğuşturucu üzerinden geçen hava hızları da attırılarak sıcaklık 35 0 C mertebesine düşürülebilir. Bu konudaki gelişmeler, ısı pompasının kullanılabilirliğini önemli ölçüde arttıracaktır. Şekil Güneş enerjisi destekli ısı pompası Şekil 4.11 de güneş enerjili mekanik buhar sıkıştırmalı ısı pompası görülmektedir. Kollektör tarafından depolanan enerji bir depolama tankında tutulmakta ve bu ısı kullanılmaktadır. Güneş kollektörlerinden ısınmış olarak dönen su, ilk önce enerji

88 73 deposuna (depolama tankına) girerek enerjisinin bir kısmını, enerji deposundaki kimyasal maddeye bırakır. Isı pompası buharlaştırıcısına kaynak olarak kullanıldıktan sonra dolaşım pompası yardımı ile kollektöre gönderilir. Ancak gece ve güneş ışınımının olmadığı zamanlarda ısı pompası buharlaştırıcının diğer tarafından çıkan soğuk su güneş kollektörleri yerine enerji deposuna gönderilir. Böylece güneş olmadığı zamanlarda depolama tankında depolanan enerji, ısı pompasına kaynak olarak kullanılmaktadır. Depolama tankı ile ısı pompası arasındaki ikincil kullanılmadığı sistemlerde de mevcuttur(şekil 4.12). Bu tür sistemlerde güneş kollektörü seri ısı pompası sistemleri denmektedir. Bu sistem, güneş kollektörü ile su kaynaklı ısı pompasından oluşmaktadır. Isı pompası, kollektörlerden elde edilen sıcak suyu ısı kaynağı olarak kullanarak daha yüksek bir ısıtma performansı ile mahalli ısıtır. Isı ihtiyacını karşılamada sadece ısı pompasından yararlanıldığından movolent sistemdir. Şekil Güneş enerjisi kaynaklı seri ısı pompası sistemi Şekil 4.13 de güneş kollektörlü paralel tip bir ısı pompası sistemi verilmiştir. Bu sistem güneş kollektörlü ısı eşanjörü ile hava kaynaklı ısı pompasından meydana gelir. Paralel sistemde güneş enerjisi ve ısı pompası ayrı ayrı çalışarak dış

89 74 atmosferden aldıkları ısıyı ısıtma ortamına gönderir. Tüm sistemden elde edilen ısıtma yükü, iki ayrı sistemde oluşan ısıtma yüklerinin toplamıdır. Şekil Güneş kollektörlü paralel ısı pompası sistemi 4.5. Endüstriyel Isı Pompası Uygulamaları Gelişmiş ülkelerde endüstride başlıca enerji tüketimi, toplam enerji tüketiminin yaklaşık %30-40 ını oluşturmaktadır. Bunun yaklaşık %70-80 ini süreç ısısı oluşturmaktadır. Bu süreç ısısının ısıl değerinin bilinmesinde fayda vardır. Endüstriyel süreç çeşitliliği yüzünden her ülkedeki endüstriyel yapıya bağlı olarak biri diğerinden farklı olarak değerlendirilir. Bazı tahminlere göre, endüstriyel ısıl (termal) enerjinin % 60 ından fazlası 300 C in altında sıcaklıklarda ve yaklaşık %20-30 u 150 C in altında sıcaklıklarda gerçekleşmektedir. 150 C sıcaklık değeri, ısı pompaları için en üst değer olmasından dolayı, ısı pompalarının muhtemel uygulamaları bu kısım içinde yer almaktadır yılında yapılan bir araştırmaya göre; Avrupa da toplam kapasite yaklaşık 850 kuruluş için 2500 MW a ulaşmıştır. Her bir ünite kapasitesi ortalama 3 MW dir.

90 75 Bunun yanında, bin adet küçük tesis, (ünite kapasitesi 100 kw ın altında) balık yetiştirme ve kereste kurutma için Norveç ve Finlandiya da kurulmuştur. Endüstride ısı pompasının seçiminin ana sebebinin sadece enerji tasarrufu değildir. Bu, bir işletme problemini çözmek, bir süreçteki kontrolü mükemmelleştirmek, emisyon kirliliğini azaltmak, atık ısının sıcaklığını düşürmek veya soğutmada su kullanımını azaltmak ve bunun gibi nedenler olabilir. Genellikle, ekonomik olarak uygun enerji tasarrufu alımı sağlayan bir ısı pompası vasıtasıyla işletim problemi çözülmektedir. Fakat bu asla ana hedef değildir. Avrupa da ısı pompaları farklı endüstriyel sektörlere dağılmıştır[43](şekil 4.14). Gıda endüstrisinde baskın oluşu (%50 den fazlası mandıra ve bira sektörünü kapsamaktadır) bu sektörlerde ısı pompasının daha geçerli olduğu anlamına gelmez. Diğer bir değişle, gıda endüstrisinde erken kullanım kurulum sektörünü arttırmış, ilk tesislerden iyi sonuçlar elde edilmiştir. Şekil Avrupa da sektörel bazda endüstriyel ısı pompası dağılımı (1987 yılı) Endüstride atık ısısının miktarının büyük olması geri ödeme süresini çok kısaltarak cazipliğini arttırmıştır. Isı pompasının en önemli avantajı, diğer enerji geri kazanın sistemlerine göre daha fazla ısı çekebilmesidir.

91 76 Endüstride ısıtma ile soğutmayı aynı zamanda gereksinim gösteren tesislerden bazılarında, bir kısımda ısıtma, diğer kısımda da soğutma yapılmaktadır. Bunlara ait örnek aşağıda verilmektedir. Örneğin; Balık işleme ve konserve fabrikalarında temizleme için sıcak suya, pişirme için buhara veya diğer bir ısı kaynağına, muhafaza için de soğutmaya ve buz imaline gerek vardır. Mezbahalar ve et işleme fabrikalarında da durum aynıdır. Yalnız burada buz imaline pek gereksinim kalmaz. Zirai mahsul işleyen veya bu mahsullerden konserve veya diğer ticari mamul yapan fabrikaların, temizleme ve yıkama için sıcak suya pişirme için buhar veya diğer bir ısı kaynağına, soğuk depolama için de soğutma gereksinimi vardır. Süt fabrikaları ve sütlü madde ihmal fabrikalarında temizleme için sıcak su, pastörizasyon, üperizasyon ve süreç için buhar, depolama tesisleri için soğutma gerekmektedir. Soğuk hava depolarında, oturma mahallerinin ısıtmaya, depolar içinde soğutmaya ihtiyaç vardır. Isı pompalarının endüstriyel uygulamaları enerji, imalat ve endüstriyel süreçler gibi alanları kapsar. Bu uygulama alanlarını genel olarak söyle sıralayabiliriz: 1. Soğutmadan ısı geri kazanımı 2. Kurutma, buharlaştırma ve kaynatma süreçleri 3. Atılan akışkanlardan ısı geri kazanımı 4. Diğer uygulama alanları Tüm bu süreçler de ısı pompası kullanımında aşağıdaki kıstasların sağlanması gerekmektedir:

92 77 Isı pompalarının kullanıldığı süreçler de, atılan(sıcak) ve çekilen(soğuk) ısı kaynakları mevcut olmaktadır Sıcak ve soğuk ısı kaynakları arasındaki sıcaklık farkı küçük olmalıdır. Transfer edilen ısı miktarı büyük olmalıdır. Isı transferi uzun bir zaman aralığında gerçekleşmelidir. Sürekli operasyon tercih edilmelidir. Soğutma ve ısıtma işlemlerine ihtiyaç duyulmalıdır. Klasik mevcut sistemlerle gerçekleştirilen ısıtma ve soğutma maliyeti yüksek olmalıdır Kurutma, buharlaşma ve kaynatma prosesleri Isı pompalarının endüstriyel alanda ikinci büyük uyulma alanı kurutma, buharlaştırma ve kaynatma prosesleridir. Bu uygulamalarda ısı pompası tesisatı hem ısı geri kazanımı, hem de prosesi gerçekleştirmektedir. Günümüzde kurutma süreci, sanayinin her koluna girmiştir. En basit kurutma süreci, havanın ısıtılmak suretiyle bağıl neminin düşürülmesi ve böylece nem alma kabiliyetinin artmasının sağlanmasıdır. Islak ürün üzerine gönderilen bu hava, nemi bünyesine aldıktan sonra dışarı atılmakta veya bir kısmı geriye by-pass yapılmaktadır. Fakat by-pass edilen hava miktarı ne kadar arttırılırsa sistemin kurutma verimi de o kadar düşmektedir(şekil 4.15)[44].

93 78 Şekil Klasik geri dönüşümlü bir kurutucu Temelde iki çeşit kurutma veya nem almadan bahsedebilir. Bunlardan biri, havanın içinde doğal olarak bulunan su buharının yoğuşturularak alınmasıdır. Özellikle klima tesisleri ve yüzme havuzlarından etkenlik kazanır. Bu iki olay arasındaki fark açıktır. İlkinde herhangi bir yerden temin edilmiş olan ısıyla su buharlaştırılıp, havanın nemi arttırılmıştır; ikincisinde ise su zaten sıvı fazladır ve suyun alınabilmesi için ısıtmaya ihtiyaç vardır. Havanın neminin alınması üç işlemle gerçeklenebilir: 1. Absorbsiyon 2. Havanın sıkıştırılması 3. Soğutulması Absorbsiyon işlemi, zeolit, silikajel gibi nem alıcı maddeler tarafından gerçekleştirilir. Fakat nem alıcı maddenin tekrar nem alıcı olarak kullanılabilmesi, yani nem tutabilmesi için tekrar ısıtılarak topladığı suyu atması sağlanır. Bu yöntemde süreklilik, döner tamburlu ısı geri kazanım cihazı kullanılarak sağlanabilir. Bu ısı değiştirici gözenekli bir yapıya sahip olup, gözenekler içerisine nem tutucu madde yerleştirilir. Hava kanalının içinde kalan bölümü havadan nemi alırken, diğer kısımdaki nem tutucu madde, ısıtılarak nemi bünyesinden atar. Fakat bu sistemde çekilen her kg. su için harcanan güç çok fazla olduğundan pek tercih edilmeyen

94 79 yöntemdir. Bu tip nem alıcılar, çoğunlukla paketlenmiş cihazların korunmasında kullanılır. Kurutma işlemlerinde en etkili ısı pompası sistemi, Şekil 4.16 de görülen soğutularak nemi alınan hava ile soğutulmamış havanın kondensere girmeden önce karıştırılması ile gerçekleşen sistemdir.[45] Şekil Kurutma işlemlerinde en etkili ısı pompası sistemi Diğer endüstriyel uygulama alanları Isı pompası endüstriyel alanlarda kullanıldığı yerler: Balık üretimi, işleminde ısı pompası ile ısı geri kazanımı Süt endüstrisi ve hayvancılıkta ısı pompası kullanımı Seralarda ısı pompası kullanımı, olarak sıralanabilir[46].

95 80 5. MATERYAL VE METOD 5.1 Materyal Enerji ihtiyacını güneş enerjisinden ve ısı pompasından sağlayan havuz tipi damıtıcının performans deneyleri için imal edilen basit bir eğimli güneş enerjili havuz tipi damıtıcı, deniz suyu. gibi bazı diğer malzemeler kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan güneş ışınım miktarı, ortam sıcaklığı, hava basıncı, rüzgâr hızı, Düzce deki güneşlenme süresi, gibi veriler, Düzce Meteoroloji İstasyon Müdürlüğü nden temin edilmiştir. Bunun haricinde damıtma sistemindeki; dış ortam sıcaklığı, damıtılan su sıcaklığı, damıtılmış suyun sıcaklığı, soğutucu akışkan evaparatör çıkış sıcaklığı, soğutucu akışkan kompresör giriş sıcaklığı, soğutucu akışkan kompresör çıkış sıcaklığı, soğutucu akışkan genleşme vanası giriş sıcaklığı, soğutucu akışkan buharlaşma sıcaklığı, soğutucu akışkan yoğuşma sıcaklığı gibi parametrelerin ölçümü için 9 adet termokupl ve bağımsız çalışan model dijital termometre cihazları kullanılmıştır. Yapılan damıtma sonucunda elde edilen içilebilir suyun soğutulması sağlanmıştır. Tuzlu su, Batı Karadeniz (Akçakoca) sahillerinden temin edilmiştir Damıtma havuzu Damıtma havuzu 50x100x7 cm ölçülerinde yapılmıştır. Bu kısım içerisine deniz suyunun konulduğu kısımdır ve alüminyum malzemeden imal edilmiştir. Tabanı ve iç kısımları galvaniz astar ve siyah mat boya ile boyanmıştır. Galvaniz astar sayesinde, boyanın aşınması engellenmiştir. Damıtıcının çevresine straforla ısı yalıtımı yapılmıştır. Su toplama kanalı damıtma havuzunun iç kısmına monte edilecek şekilde galvaniz malzemeden yapılmıştır. Damıtıcının üst camında yoğuşan sular, kanala akmaktadır.

96 81 Eğimli yapılmasının nedeni ise bu kanallara gelen suyun tabii akışla akarak, damıtıcının dışındaki bir toplama kabında birikmesini sağlamaktadır. Bunun için, bu temiz su kanallarındaki suyun toplama kaplarına akabilmesi için de uç kısımlarında açıklık bırakılmıştır. Bu kanal da mat siyah boya ile boyanmıştır. Saydam yoğuşma örtüsü olarak 4 mm kalınlığında, eğimli tek cam yüzey kullanılmıştır. Örtü kenarları birbirine silikonla tutturulmuştur. Bu üst yoğuşma örtüleri damıtıcının yüksek kenarlarına oturtulacak şekilde imal edilmiştir. Deney düzeneğinin yapımında ayrıca 3 mm kalınlığında sunta, 20x20x2 mm demir profil, 8 mm çapında bakır borular kullanılmıştır. Borular tuzlu suyu taşımak amaçlı kullanılmıştır. Boruların etrafı straforla kaplanarak izole edilmiştir. Ayrıca soğutma çevrimi için bir adet 1/6 HP lik hermetik kompresör, 10 metrelik boru uzunluğuna sahip kondenser, 6 metrelik boru uzunluğuna sahip evaparatör ( 4 metresi hava soğutmalı, 2 metresi su soğutmalı), 2 adet fan kullanılmıştır Kompresör Sistemde kullanılan kompresörün özellikleri aşağıda verilmiştir. Soğutucu akışkan: R 12 HP : 1 / 6 Volt : 220v / Hz Soğutma Kapasitesi +7,2 / +54,4 C Soğutma Kapasitesi -23,3 / +54,4 C 5.2. Metot Bu konuyla ilgili çeşitli deneyler yapılmıştır. Yapılan deneylerde Düzce ili koşullarında bir güneş enerjili su damıtıcısının performansını etkileyen parametreler olan ortam sıcaklığı, rüzgâr hızı, havuz içerisindeki su derinliği, sisteme ilave edilen ısı pompası nın damıtma miktarı, üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu

97 82 deneylerin sonuçlarına dayanılarak, mevcut koşullardan daha fazla yararlanılabilecek, performansı daha fazla olabilecek yeni güneş damıtıcısı dizaynları için önerilerde bulunulmuştur. Şekil 5.1 de damıtıcının ön görünüşü ve elemanların isimleri verilmektedir. 1. Kompresör Dış Ortam Sıcaklığı 2. Kondenser T 2 Damıtılan Su Sıcaklığı 3. Genleşme Vanas T 3 Cam İç Yüzey Sıcaklığı 4. Evaporatör T 4 Cam Dış Yüzey Sıcaklığı 5. Tuzlu Su T 5 Damıtılmış Su Sıcaklığı 6. Damıtılmış Su Haznesi T 6 Soğ. Akışkan Evap. Çıkış Sıcaklığı 7. Tuzlu Su Girişi T 7 Soğ. Akışkan Komp. Giriş Sıcaklığı 8. Tuzlu Su Haznesi T 8 Soğ. Akışkan Komp. Çıkış Sıcaklığı 9. Tek Camlı Kollektör Yüzeyi T 9 Soğ. Akışkan G. Vanası Giriş Sıcaklığı 10. Damıtılan Su İletim Boruları Şekil 5.1. Deneyde kullanılan güneş enerjili damıtıcı ve sıcaklık ölçüm noktaları T 1

98 83 Çalışma Prensibi: Depoda sürekli olarak deniz suyu bulunmaktadır. Amaç, damıtma sistemine direkt denizden suyu alıp kullanmaktansa burada depolamanın ısı yönünden avantajlı olduğu görülmüştür. Bu deponun içerisinde sürekli deniz suyu bulunacağından havuzdaki su damıtıldıkça ve eksildikçe depodan su ilave edilmiştir. Böylece havuza alınan deniz suyunun ısısı, güneş ışınımı almış olduğu için artacaktır. Siyah mat renge boyanmış damıtma havuzundaki deniz suyu, güneş ışınımı vasıtasıyla ısınarak sıcaklığı yükselmiştir. Ayrıca sisteme ısı pompası ilave edildiği için yoğuşma havuzunun altında bulunan kondenser sayesinde güneş enerjisine ilave olarak kondenserde damıtılacak suyun sıcaklığını yükseltecek ve yoğuşmaya katkısı gözlemlenmiştir. Sıcaklığı yükseldikçe buharlaşmış üstteki cam örtüde yoğuşmuştur. Daha sonra üst yoğuşma örtüsündeki eğimden dolayı yoğuşan su, damlacıklar halinde aşağı doğru akmış ve damıtma havuzunun iç, yan kısımlarına yerleştirilmiş toplama kanallarına alınmıştır. Buradan da havuzun dışına taşınacak ve toplama kabında depolanmıştır. Depolanan su aynı zamanda evaparatör vasıtası ile soğutulması sağlanmıştır. Damıtma havuzu, sudan etkilenmemesi için epoksi astar ve onun üzeri de siyah mat boya ile boyanmıştır. Bu astar sayesinde su, yüzeyler üzerinde aşındırıcı bir özellik sergilemeyecek ve sistemin performansını etkilemeyecektir.

99 84 6.SONUÇ ve ÖNERİLER 6.1.Sonuçlar ve Tartışmalar Deneyler 21 Haziran - 5 Temmuz tarihlerinde 8:00 ile 20:00 saatleri arasında yapılmıştır. Bu süre içerisinde hem ısı pompası devredeyken hem de ısı pompası devrede olmadan ölçümler yapılmıştır. Deney esnasında sistem çalışırken çekilen fotoğraflar (Şekil Şekil 6.7) de görülmektedir. Şekil 6.1. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları

100 85 Şekil 6.2. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları. Şekil 6.3. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları

101 86 Şekil 6.4. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları. Şekil 6.5. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları

102 87 Şekil 6.6. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları. Şekil 6.7. Güneş enerjili ve ısı pompalı damıtıcının fotoğrafları.