Ebat: px
Şu sayfadan göstermeyi başlat:



1 5 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 09), May 13-15, 2009, Karabuk, Turkey ADVANCED TECHNOLOGIES IN RECIPROCATING COMPRESSOR WITH RESPECT TO PERFORMANCE AND RELIABILITY Amin ALMASI a, * a, * Tecnicas Reunidas S.A., Madrid, Spain, Abstract Reciprocating compressors are most common type of compressor and most flexible machine to handle wide capacity and condition swings. They offer a most efficient method of gas compressing. They are vital machines in various units of industrial plants. In this paper advanced technologies and latest configurations and methods regarding condition monitoring, performance, flow management, capacity control system, inter-stage arrangement, low suction pressure opertaion, lubricated cylinder, machine optimum speed, compressor valve, lubrication system, piston rod coating, liner material, barring device, pressure drops, rod load, pin reversal, discharge temperature, cylinder coolant system, coupling, flywheel, special tools, commercial points, delivery, pulsation and acoustic conditions are presented. Keywords: Reciprocating Compressor, Performance, Reliability. 1. Introduction In this paper latest and advanced technologies in reciprocating compressor design, component selection and performance monitoring and management are presented and discussed. Reciprocating compressors are the most common type of compressors [1,2,3,4]. Reciprocating compressors can generate high head independent of density. They are only option for many applications such as very high pressure and light gases (for example hydrogen, etc). Worldwide installed reciprocating compressor horsepower is approximately three times that of centrifugal compressors. Maintenance costs of reciprocating compressors are approximately three and half times greater than those for centrifugal compressors [3]. Design, evaluation, selection and purchasing a reciprocating compressor shall be done with respect to latest available technologies. Otherwise purchased reciprocating compressor may not be suitable machine for expected performance, safety and reliability level. 2. Performance 2.1. Load Step Curvature Advanced design technology recommendation is to avoid steep load curve. A review of the steepness of the load curves can quickly identify which load steps (and where) are quite steep in nature, and thus small changes in pressure can have significant changes in load and flow. Often, steep load curves may indicate improper sizing of cylinders. Units with steep load step curves can also prove difficult to automate and tune [1] Advances in Machine Shop Run Test Shop mechanical run test is the first test after manufacturing of machine and last test before delivery. Shop test results, including vibration, may seem to have limited usefulness because supporting structure and operating condition of the machine are different with final site installation. However this test is a unique opportunity to find defects in design and manufacturing phases while machine is still in fabrication shop. Generally the lager the power per compressor throw leads to higher the dynamic forces and 370 KW or more per throw is a high risk machine. Latest method is to record and analyze shop run test measurements (Kalman Filter can be used to optimally evaluate machine dynamic characteristics based on measured data) Advances in Pressure Drop Prediction Latest recommendation for prediction of pressure drop values for basic design stage is as follows: pulsation dampeners: 1% pressure, intercooler: 0,70 bar. The use of orifice plates, especially on high-speed single-act, can contribute to significant pressure drops [1] Rod load and Pin Reversal Details Maximum Rod Load is recommended be less than 80% of allowable rod load. Duration and peak magnitude load of rod reversal shall not less than 15º of crank angle and 3% of the actual combined load in the opposite direction, respectively and shall be checked for all possible operating cases [1] (especially low suction and part load) Highest Expected Discharge Temperature High discharge temperatures cause problems with lubrication cooking and valve deterioration. It shall be reviewed at least for average and maximum suction temperatures [1]. The maximum predicted discharge temperature [1,2,3,4] shall not exceed 150ºC and not exceed 135ºC for hydrogen rich service (MW of 12 or less). Latest technology is to limit gas discharge temperatures below 118ºC to extend life of wearing parts Performance Curves Required performance curves for latest control system design to safely and reliably control the unit across its defined operating range [1] are as follows: 1- Suction Pressure vs. Load. 2- Suction Pressure vs. Flow. 3- Discharge Pressure vs. Load. 4- Discharge Pressure vs. Flow 5- Suction Pressure vs. Discharge Pressure, per load step Advances in Flow Performance Management Latest flow management methods require flow details as flow curves from unit s minimum achievable flow rate to its IATS 09, Karabük University, Karabük, Turkey 1683

2 Almasi, A. maximum achievable, in specified increments [1]. Alternative may be flow versus discharge pressure plots of specific suction pressures (more compact and common when suction pressure variation is limited). 3. Advances in Compressor Design 3.1. Advances in Inter-stage Pressure Arrangement Discharge pressure of each stage is normally protected by pressure relief valves, high pressure discharge switches are seldom seen [2]. Based on latest optimization methods and experiences, inter-stage pressures can be obtained by formulation and optimization of performance and investment for compressor and inter-stage facilities. Some vendors are intended to change inter-stage pressures, generally higher pressures at early stages and lower pressure ratio at last stages. Vendor offered inter-stage pressures based on just compressor without respect to inter-stage facilities, are not justified. Inter-stage pressures are going to increase during part load operation and high suction pressure. If not tolerate-able, additional clearance pocket on first stage cylinder and part load operation inhabitation by the controlling logic can be studied. Generally it is compromise to fix inter-stage facility design pressure based on vendor recommended PRV set points (around 10-15% higher due to common ranges of part load operation and suction pressure variations) Advances in Low Suction Pressure Design Sometimes, due to process requirements, reciprocating compressors shall be capable to operate at lowest suction pressure and full design flow at normal discharge pressure. It can have strong effect on compressor sizing especially frame rating and motor power (more than 35% power increase for 20% suction below normal). Latest experiences recommend respecting this condition as design point in basic design to avoid costly future changes Advances in Capacity Control System Step-less capacity control system uses finger type unloader, is pneumatically actuated, and unloads the suction valve for only a portion of compression cycle to achieve adjusted capacity [2]. Finger type unloaders have potential for damaging the valve sealing elements and require more care for maintenance [2]. Valves and unloaders cause around 44% of unscheduled reciprocating shut down [5,6] and this selection has a strong effect on reliability [5,6,7,8]. For small machine, 100% spill back is latest recommended solution, because power is low. For big machine best and latest configuration is selection of part load steps based on plug/port unloader and clearance pocket Advanced Condition Monitoring Condition monitoring [9,10,11,12,13] shall be particularly cost effective and include necessary items to identify malfunctions at an early stage (lower maintenance costs and lower risk of accidents). Advanced vibration monitoring: 1- Vibration continuous monitoring (Shut down). Velocity transducers are preferred over accelerometers due to better signal to noise ratio [9]. Advanced configuration: each end of the crankcase about halfway up from the base plate in line with a main bearing [9]. 2- Each cross head accelerometer (Alarm). 3- Electric motor vibration (Shut down). Advanced temperature monitoring: 1- High gas discharge temperature - each cylinder (Alarm and Shutdown). 2- Pressure packing case - piston rod temperature (Alarm). 3- High cross head pin temperature (Alarm). 4- High main and motor bearing temperature (Alarm). 5- Valve temperature (Monitoring). 6- Oil temperature out of frame (Alarm). 7- High jacket water temperature - each cylinder (Alarm). Optimum implementation is properly set trip levels that are just high enough over the normal operating levels to reach to mechanical failures, but not so high as to miss the failure prior to catastrophic release [9]. Proximity probes are typically located under the piston rods [9] and used to measure the rod position and determine wear of the piston and rider bands, malfunction e.g. cracked piston rod attachment, a broken crosshead shoe, or even a liquid carryover to a cylinder. Latest method: just for alarm and not for shut down. Latest operation experiences recommend cold run outs and normal conditions operating run outs are about 50 microns (2 mils) and on the order of 50 to 150 microns (2 to 6 mils) peak to peak, respectively [9]. All shutdown functions shall be 2 out of 3 voting to avoid unnecessary trip. Usually it can be deviated for compressor frame vibration and temperature related trips Advance Technology in Valve Selection Cylinder valves are the most critical components of reciprocating compressors and strongly influence the reliability and efficiency [5-8,10]. Valve defects are obviously responsible for most of the unscheduled maintenance events [5-8,10]. Three main valve types: ring type, ported plate and poppet. For big machines (generally low speed and high pressure ratios) and small machines (relatively higher speeds) ring type valves and plate type valves are best choice respectively. Optimum valve size shall be obtained with respect to efficiency, reliability and performance requirements including minimum clearance volume. Lift is the distance travelled by the valves moving elements. The higher the lift, the higher the valve flow area, lower the valve pressure drop, less consumed power, higher moving elements impact velocities and lower valve durability. Acceptable compromise should be found. Optimum valve spring stiffness is also important. Too stiff spring can lead to valve flutter (more compressor power and considerable wear rate) or early closing of valve (reduce capacity). Too light spring cause valve late closing and the reverse flow (higher velocity, less reliability and reducing capacity). Nonlinear partial differential equations describing the valve differential pressure and the valve element motion (such as [14]) can be used in optimization process to estimate optimum valve lift, spring stiffness and gas velocity for each machine and application Advances in Piston Rod Coating Piston rod seal is second important area for reliability of reciprocating compressor and most likely path for potentially hazardous process gas leakage [8]. Packing life could be improved three times by adding the proper tungsten carbide piston rod coating [10]. It is latest technology. 1684

3 Almasi, A Advances in Cylinder Liner Material Cylinder liner is used to provide a renewable surface to the wearing. The liners made by Ni-Resist cast iron (high Nickel content) are not recommended due to problems such as permanent distortions. Latest researches recommend grey cast iron [8] for all applications except very high pressure or extremely high corrosive applications Advanced Passive Vibration Reduction System Sometimes odd number of cylinders is avoidable. In this case dummy crosshead shall be used to reduce vibration. Also state of art spring-mass-spring system shall be studied for passive force counter balance and more reduction in vibration, where dummy crosshead is, on the one hand, attached to a movable piston assembly by flexible member and on the other hand, to the stationary compressor casing using auxiliary mechanical springs Future Expansion Future expansion planning can save money and time if process changes (capacity increase, molecular weight increase due to catalyst change, etc) are foreseen [12]. Optimum selection is sizing cylinders for economical operation at the present rate. The frame can be sized for future applications. When the future conditions become a reality, the cylinders can be changed while keeping the same frame. Latest design method is to over size the journal diameter include margins for future development, thus ensuring that crankshaft size would never become the first important limitation of the design [15] Minimum speed lubricated Cylinder Reliable machine is involved low speed (around 350 RPM) and lubricated cylinder. Optimum piston speed is m/s. Most advanced configuration: horizontal cylinder(s), discharge nozzle on the bottom side. For small compressors some vendors intend to deviate lubricated cylinder or low speed. Optimum option is lubricated cylinder with available lowest speed machines. Probably less than 20% of all reciprocating compressors are designed for non-lubricated operation just because of process demands (oxygen, high pressure air, etc) [2]. 4. Advances in Commercial Management 4.1. Commercial Conditions and Negotiations It is absolutely necessary to receive at least three proposals and have minimum two technically accepted machines. It is completely justified to extend proposal dead time, clarification time, accept optimum configuration, reasonable deviations and attend extensive clarification meetings to have at least two clarified and technically accepted proposals Advances in Delivery Methods Small and medium machines shall be delivered fully fabricated as one skid mounted package. For very big machine, latest and optimum figure is to deliver machine prefabricated (including crankcase, distance pieces, etc) while cylinders are dismantled. Assembled cylinders are delivered to site separately and installed. Vendor to advice to offer all site supervision work for cylinder installation as closed price. 5. Advances in Compressor Auxiliaries and Packaging 5.1. Advances in Flywheel and Irregularity For all reciprocating compressors, flywheel is mandatory to regulate variable reciprocating torques. Irregularity degree for mechanical component reliable operation is maximum 2%. This value is minimum requirement for all compressors. Generally in accordance with specific requirements of driver (especially current pulsation for electric motors), torsional vibration results, etc, lower irregularity value is required. It is recommended to obtain 1% for special purpose units. Latest studies and designs recommend irregularity value between 1-1.5% Barring Device When compressor stopped for an extended time, turn it around a quarter turn every week by barring device. Manual barring device is for small compressor. Pneumatic is for compressor rated over 750 KW, without area classification problem or intermittent power availability and preferred technically [11] Special Tools Latest recommended check list for special tools [11] for big machines: 1- bearing extractor 2- piston extractor 3- valve extractor 4- piston fit up tool 5- hydraulic tightening system 6- crosshead assembling tool, 7- special lifting tools 8- partition plate assembling tools 9- mandrels for wear bands. For special tools, tool boxes required and they shall be delivered with main machines, in separate and tagged boxes Advanced Lubrication System API 614 is typically applied only to reciprocating compressor trains involving a large turbine driver and gear unit [11]. Optimum oil system shall include two oil pump (for special purpose machine as per API 676), both sized at least 20% over (Two motor driven identical with run down tank, or well known crank shaft driven main oil pump, supplying UPS power for one pump is not acceptable alternative), dual removable bundle shell and tube oil coolers (TEMA C) and double oil filters with removable element and stainless steel piping Advances in Coupling Selection For reciprocating machine because of special design, the potential exits for torsional resonance and torsional fatigue failure [2]. Coupling is best available option for modification to tune the system. Coupling configurations: 1- high torsional stiffness coupling (it is best option if allowed by torsional analysis). 2- flexible coupling (more elasticity and damping and more maintenance). 3- direct forged flanged rigid connection (no coupling), with single bearing motor. Coupling for big machines shall be as per API

4 Almasi, A Advanced Coolant System Liquids should never form inside the cylinder [10,11,12]. Liquid contributes to poor reliability, can cause high impact velocities, can lead to stressing of valve moving elements (slugging) and reduce the lubrication effectiveness. For any application, a good sized suction drum with a drain provision shall be in order [12]. It may be a part of pulsation control, if properly done. Cylinder cooling system must be monitored and controlled. Coolant inlet temperature between 6 ºC and 16 ºC above inlet gas temperature [12]. For exotic gases or operations near critical areas, much care needs to be taken. Also make sure the thermodynamic model is proper Advances in Pulsation Control Advanced technique trends to dissipate less energy than reliance on special solutions such as orifices to control pulsation levels [16]. Acoustic reviews shall be performed for design and guarantee points as well as all other operating cases and combinations of pressures, speeds and load steps. Pulsation can also alter the timing of the valve motion and decrease efficiency and reliability [5]. Based on latest optimization processes, for design stage, pulsation limit is recommended around 95%-85% of API 618 (Approach 3) limits to have some margin (around 5-15%) to mitigate risk during construction and installation periods as well as unpredicted deviations and problems Pulsation Shaking Forces Reduction of pressure pulsation can be accompanied by an increase in shaking forces (or unbalanced forces) [17]. It illustrates that shaking forces shall be determined and controlled and piping and vessels properly supported. The margin of separation between the mechanical natural frequency (MNF) of system (including piping and bottles) and excitation frequency is 20% and MNF shall be greater than 2.4 times maximum run speed [11,18]. If not meet limits, the force response (including stress analysis) is required. The cylinder gas forces (also called frame stretch or cylinder stretch force) can be significant source of excitation (can cause high frequency vibration on the bottles and piping close to the compressor) and lead to excessive pulsation bottle vibration even if the pulsation shaking forces meet limits. Flow induced pulsation is rarely seen [17]. API 618 Design Approach 3 and less rigorous analysis, to control pulsation and shaking (unbalanced) force levels and avoiding mechanical resonance can result in an optimized design [17]. Pulsation and vibration analysis report shall include Time Domain (TD) and Frequency Domain (FD) simulations, Time Domain (TD) plots of key forces and pressure pulsation, dynamic pressure drop, models including mounting details (mounting plate, bolts, localized skid, etc) and shell flexibility (nozzle connection flexibility), calculated cylinder stretch forces, mode shape of bottles and piping and compressor stiffness assumption (compressor frame modelled as flexible support) [18] Advances in Inter-state Facilities Inter-stage facilities and coolers and after coolers shall be sized carefully. Undersized lines, facilities and coolers can cause excessive pressure drop and power loss. Pulsation and shaking force studies are necessary to avoid vibration problem in inter-state facilities. Increased cross section area, especially in coolers, to decrease pressure drop can cause significant increase of shaking force and equipment (cooler) vibration. Secondary volumes may be studied to reduce this vibration however in some cases this solution can not reduce vibration and modifications to recycle line are required to significantly lower shaking [17] Advances in Torsional Analysis Typically, for reciprocating compressor, lateral natural frequencies will be positioned well above significant torsional natural frequencies, so lateral critical studies are not required. A stress analysis shall be performed if the torsional excitation falls close to the torsional natural frequency to ensure that the resonance will not be harmful for the system [18,19]. The torsional vibration analysis report shall include data used in mass elastic system, display of force vs. speed, torsional critical speeds, deflection (mode shape diagram), worst case design, upset condition results (such as valve failure, start up, short circuit, electrical network faults, etc) and how the input data variance will affect the results (sensitivity analysis) [18]. Continuous operation at torsional resonance shall be avoided. Changing the load sequence could help reduce torsional vibration. Avoid full load shutdowns. Measure and verify torsional vibration during performance test. Synchronous motor or system started on a frequency basis need more care (definitely need a transient torsional start up analysis). Electric machine (driver) shaft diameter to be equal to or greater than the reciprocating compressor crankshaft diameter Advances in Dynamic Package Analysis The dynamic package analysis shall include modeling and simulation of the foundation at the same time. The accuracy of this analysis is strongly influenced by the design of the foundation especially for pile installation [18]. It is even more important for packages mounted on offshore platforms, FPSO (Floating Production Storage Offloading Vessels) [20], modules mounted on steel structure, new and unproven skid design and where the local soil conditions are suspect. Skid lifting study (including lifting lug details and calculations review) is necessary. Transit study and environmental loading analysis are also recommended [18] Advances in Package General Arrangement Layout is often complex and compromise must be made between the support requirements, process requirements, vibration/pulsation conditions, access and maintenance. Optimum configuration is to install local panel near compressor package (around 200 mm away from package) but on separate skid (frame) which is installed on foundation, to avoid vibration damage. For maintenance, consider spool removal and avoid support removal. Access required in front of cylinder for cylinder piston dismantling and non-drive end of compressor. Pay attention to minimum elevation requirement of pulsation bottle suction flange to keep suction line, no pocket. 1686

5 Almasi, A Advances in Piping Analysis The thermal piping design often requires that flexibility be added to the system which is counter to requirement for more support and increase stiffness to meet vibration design. These analyses shall be conducted by same party to optimize design iteration and result in an overall optimized system. Piping thermal analysis is necessary [18] especially when the coolers are off-skid, multiple compressors on a common header, extremely cold ambient temperature, or operation over a very wide range of conditions Advanced Cylinder Lubrication System Using the proper type of lubricant as well as establishing the proper lubricant rates to the cylinder and packing can be most important for machine reliability [10]. The life of the compressor valves, piston rings, rider bands, and pressure packing can all be significantly affected by the type and quality of lubrication used. Too much or wrong type of lubrication can increase the effects of valve stiction (viscous adhesion) and reduction in reliability. Reliable lubrication system with optimum type and rate of lubrication shall be selected [10]. 6. Conclusion Latest technologies, recommendations and configurations for reciprocating compressors regarding component design and selection, commercial points, auxiliary and accessories, performance and reliability are addressed in this paper. References [1] Dwayne Hickman, Specifying Required Performance When Purchasing Reciprocating Compressor Part I, II, Compressor Tech Two, August September- October [2] Heinz P. Bloch, A Practical Guide To Compressor Technology, Second Edition, John Wiley and Sons, [3] W. A. Griffith, E. B. Flanagan, Online Continuous Monitoring of Mechanical Condition and Performance For Critical Reciprocating Compressors, Proceeding of the 30th Turbo-machinery Symposium, Texas A&M University, Houston, TX, [4] Heinz P. Bloch and John J. Hoefner, Reciprocating Compressors Operation & Maintenance, Gulf Publishing Company, [5] S. Foreman, Compressor Valves and Unloaders for Reciprocating Compressors An OEM's Perspective, Dresser-Rand Technology Paper, [6] Steve Chaykosky, Resolution of a Compressor Valve Failure: A Case Study, Dresser-Rand Technology Report, Dresser-Rand Technology Paper, [7] Massimo Schiavone, Evaluation of The Flow Coefficient of Cylinder Valves, Compressor Tech Two, pp , April [8] Robin S. Wilson, Reciprocating Compressor: Reliability Improvement Focusing on Compressor Valves, Piston and Sealing Technology, Compressor Optimization Conference, Aberdeen, January [9] Steven M. Schultheis, Charles A. Lickteig, Robert Parchewsky, Reciprocating Compressor Condition Monitoring, Proceeding of the Thirty Sixth Turbomachinery, pp , [10] Stephen M. Leonard, Increasing the Increase Reliability of Reciprocating Hydrogen Compressors, Hydrocarbon Processing, pp , January [11] Reciprocating Compressor for Petroleum, Chemical and Gas Service Industries, API 618 5th edition, December [12] Royce N. Brown, Compressors Selection and Sizing, Third Edition, Gulf Publishing, [13] Heinz P. Bloch, Compressor and Modern Process Application, John Wiley and Sons, [14] Enzo Giacomelli, Fabio Falciani, Guido Volterrani, Riccardo Fani, Leonardo Galli, Simulation of Cylinder Valves For Reciprocating Compressors, Proceeding of ESDA 2006, 8th Biennial ASME Conference on Engineering Systems Design and Analysis, July 4-7, 2006, Torino, Italy. [15] Ian Cameron, Thomassen Prescience Pays Dividends, Compressor Tech Two, pp 12-13, November [16] A. Eijk, J.P.M. Smeulers, L.E. Blodgett, A.J. Smalley, Improvements And Extensive to API 618 Related To Pulsation And Mechanical Response Studies, The Resip A State of Art Compressor, European Forum for Reciprocating Compressor, Dresden, 4-5 Nov [17] Brain C. Howes, Shelley D. Greenfield, Guideline in Pulsation Studies for Reciprocating Compressors, Proceeding of IPC 02, 4th International Pipeline Conference, Calgery, Alberta, Canada, Sep. 29 Oct.3, [18] Shelley Greenfeld and Kelly Eberle, New API Standard 618 (5 TH ED.) And Its Impact on Reciprocating Compressor Package Design Part I, II and III, Compressor Tech Two, June July August [19] Alberto Guilherme Fagundes, Nelmo Furtado Fernandes, Jose Eduardo Caux, On-line Monitoring of Reciprocating Compressors, NPRA Maintenance Conference, San Antonio, May 25-28, [20] Kelly Eberle and Chris Harper, Dynamic Analysis Of Reciprocating Compressors On FPSO Topside Modules Part I & II,, Compressor Tech Two, pp and pp 42-48, April & May

6 5 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 09), May 13-15, 2009, Karabuk, Turkey ANALYSIS OF COLUMN COLLAPSE FOR ADVANCED OFFSHORE DESIGN Amin ALMASI Tecnicas Reunidas S.A., Madrid, SPAIN, Abstract In modern offshore installations, thin walled columns are used for energy absorption in accident situation. When this advanced offshore shock absorber is subjected to axial compressive load, plastic hinges are developed on the sides of column and the column crushes with repeatable patterns. It can absorb considerable impact energy due to large and continuous plastic deformation. This paper develops a new closed form, energy based, solution for prediction of accurate collapse curves of square section column under axial impact load. New formulations for square section tube collapse with respect to contributions from hinge curvature, strain hardening, second force oscillation and sensitivity to imperfection are presented. The behavior of a column in dynamic load is investigated using a simplified model of an offshore impact with dynamic corrections including strain rate modeling. Good agreement between experimental and theoretical loaddisplacement and velocity-time curves verifies the accuracy of the proposed formulation Keywords: Offshore, Collapse, Column. 1. Introduction Design of offshore shock absorbers has great effects on reliability of ships and offshore structures. When a relatively short thin-walled closed section column is subjected to an axial compressive load, horizontal and inclined yield lines are developed along the sides of the column and the column crushes with a repeatable pattern [1,2]. Fig. 1 shows the collapse of a square tube [2]. The corresponding experimental load-deflection curve oscillates between an upper and a lower limit wherein the maximum axial force corresponds to the initiation of each cycle of folding. Due to the large and continuous plastic deformation of the tube, it can absorb considerable energy. A major issue in the design of offshore shock absorber is its energy absorbing capability so that during a crash, the integrity of offshore structure is ensured and only minimum forces are applied to the systems. Various analytical and numerical simulation techniques have been proposed. Numerical techniques such as the finite elements method are highly sensitive to the topology and density of the mesh, and require continual re-meshing of the structure. Furthermore, the results of these simulations cannot be readily generalized and hence do not support parametric studies. Analytical methods, on the other hand, use individual elements with explicit formulation derived from the kinematics of the structure. These methods systematically rely on careful observations of the actual plastic deformation process in their derivation of the relations and verification of their results. In the 1980 s a number of theories were postulated to predict the mean force of collapse of square tubes. It was reported [3] that the majority of tubes crushed symmetrically. Also, for the first time, two asymmetric modes of square tube plastic folding (asymmetric modes A and B ) were identified. Researchers published their theoretical results and experimental observations about crushing of tapered sheet metal tubes [4,5], foam-filled square tubes [6] and multi-corner sheet metal columns [7]. Magnitude of force oscillations can be as large as half the average crush load [8]. In a design situation, if such a structure is used to absorb energy, or to resist a minimum load over a large range of plastic deformations, it is necessary to estimate the force-displacement and the force-time behaviors of the shock absorber under dynamic conditions. Analytical formulation for the load-deformation of round stocky tubes in plastic folding was reported in [8]. It was based on concentrated plastic hinge and rigidplastic model" assumptions and predicts load much lower than experimental data. An alternative method for determining the behavior of round stocky tubes was presented based on a model that included the plastic hinge curvature [9]. The formulation, however, was derived for two special cases, namely those of the plastic hinge curvature length being equal to one third and one half of the folding wavelength and as noted just for cylinders. Figure 1. Collapse of Column. In this paper a new analytical formulation for plastic folding of square section tube is presented which takes into account the effects of plastic hinge curvature, strain hardening, strain rate, second oscillation of force and sensitivity to imperfections. In addition a dynamic model for the prediction of the plastic folding behavior is presented. IATS 09, Karabük University, Karabük, Turkey 1688

7 Almasi, A. Analytical results are compared with experimental data for both quasi-static and dynamic loading. 2. Advanced Model for Column Collapse Experimental observations show four different mechanisms for the collapse of square tubes [1,3]. The first mechanism is the well-known symmetric mode which two opposite sides of each layer move inwards, and the other two move outwards. Each formed layer is oriented at 90 degrees to the previous one. The Symmetric mode is the most common folding mechanism for the crushing of square tubes. This mode is quasi-inextensional, as no extension of the area or the plastic hinge length occurs in the process except for a minor extension of the toroidal surface. In the practical geometrical range of thin-walled square tubes, the crushing of square tubes under axial impact is theoretically governed by symmetric mode [1,3]. Two asymmetric modes of deformation named type A and type B were also identified [1,3]. Both modes predict a similar symmetric mode for the first layer. Beyond the first layer, the asymmetric mixed mode A has a layer with three individual lobes deforming outwards and one deforming inwards. The asymmetric mixed mode B has two adjacent lobes deforming outwards with the other two adjacent lobes deforming inwards [1]. Based on previous observations, the collapse of thick wall square tubes is controlled by the extensional mode [3]. In extensional mode all four sides of each layer move outwards. A thorough discussion of the aforementioned collapse modes is included in [1,3]. Various known folding mechanisms can be modeled by mixing two basic folding elements, quasi-inextensible and extensible. They are building blocks for various plastic folding mechanisms of square tubes. Characteristics of these two elements are elaborated in [1,3,10]. Quasi-inextensible folding element has two types of plastic hinges. First type is the horizontal (or fixed) plastic hinge, which appears in the upper and lower limits of the element as well as the midpoint between the two limits. Second type is the inclined (or moving) plastic hinge. As the deformation process proceeds, one of the sides between the horizontal hinges folds inwards and the other folds outwards and a toroidal surface is thus developed. The extensional folding element has horizontal plastic hinges which means that during the folding process the sides between hinges move outwards. The idealized symmetric collapse mode for a square tube consists of four quasi-inextensible elements [1,3]. The asymmetric mixed deformation modes A and B consists of six quasiinextensible plus two extensible elements, and seven quasi-inextensible plus one extensible folding element, respectively [1]. Both asymmetric patterns consist of two folding layers. The extensional folding mode consists of one layer with four extensible elements. A second smaller peak load is observed in the majority of experimental load-displacement curves (two peak loads in each cycle of plastic folding). This phenomenon is attributed to the non-simultaneous proceeding of the upper and the lower folding sides [9]. Experimental curves show that the first load cycle is different from the rest of the deformation process and peaks at a higher value. The imperfections produced as a result of the initial elasticplastic deformation of the first loading are depicted in [9]. Once the first load cycle is completed, subsequent load cycles start on a portion of the tube which already has an initial imperfection. Comparisons show that the analytical methods based on concentrated plastic hinges tend to underestimate the actual collapse load [8]. A significant part of the energy absorbed by the collapse mechanism can not be modeled properly in the concentrated hinges approaches. Furthermore, detailed observations of the folding mechanism shows that a larger region around the hinge is experiencing plastic deformation because the material in the immediate vicinity of the plastic hinge is strain-hardened and yielding shifts to an immediate neighbouring region. Second oscillation of force, initial imperfection, hinge curvature and strain hardening are modeled in this paper to represent realistic behavior of force-displacement and force-time of plastic folding. Fig. 2 shows model of a collapse including the plastic hinge curvature. Figure 2. Model for Collapse (Folding). 3. Advanced Formulation of Collapse The folding wavelength (H) and the hinge curvature length (r) are both assumed to be constant. Based on formulations of quasi-inextensible and extensible elements (including horizontal and inclined hinges, toroidal surface and extension of the sides), the governing equation for the crush load of the symmetric collapse of a square tube is as (1). The governing equations for the crush load in asymmetric mode A and mode B and the extensional mode can be obtained in the same manner. 1689

8 Almasi, A. σ fb1 h H b + 2σ b ξ ( 2 H c (1 ( c P h Where: sin( α ) ξ = 2 r + ( H 2r ) cos( α ) α 1 1 ξ γ = tan ( 2 tan( β)) β = cos ( ) = ξ (1 + sin ft ( ( γ P P fb1 P P cos( α ) sin( α ) ( H 2 r ) + 8 r + 4 r ( H 2 r ) 2 α α dβ J M 2M J = ) dα 2 2M M J ft 0 2 σ 2 fi ) ) h c + ( 2 ( β )) 1 2 ) cos( α ) + dφ ) 1 + cos ( φ ) 2 dβ dα dβ dα 1 ( P 4 3 ( P P 4 3 ( P sin( α ) cos( α ) [2 r 2r + ( H 2r ) sin( α )] = 0 2 α α sin( α) 2 J = 2r + ( H 2r)cos( α), M = ( H 2r) α 2 (1 cos( α)) sin( α) + 8r + 4r ( H 2r) 2 α α α cos( α) sin( α) J = 2r ( H 2r)sin( α) 2 α 2 (1 cos( α)) sin( α) + α cos( α) M = 16 r + 4r ( H 2r)( ) 3 2 α α The relationship between the axial folding distance and the inclination angle of the folding side (α) can be written as (2). The locking angle (αf) of the folding mechanism is obtained by solving (3). This angle determines the maximum deflection of the layer and defines the end point of each folding cycle. The angle lies within the range of 90 to 180 degrees. sin( α ) δ = 2 H 4 r (2 H 4 r ) cos( α ) α h r sin( α ) + 2 r ( H 2r ) cos( α ) = 0 2 α α Expressions for the mean effective strain are derived based on the principle of incompressibility. Different mean effective strain expressions are derived for the horizontal and inclined hinge plastic zones, boundary and middle horizontal hinge plastic zones, toroidal surface plastic zones, extension of side plastic zones to incorporate strain effect in model. By integrating axial load over a cycle of collapse, and making the same simplification as [1,3,10], the mean crushing load can be formulated. Minimizing this load with respect to folding parameters (H and b) lead to determine the folding parameters. The mean folding load, folding wavelength and radius of toroidal surface are represented by (4), (5) and (6) respectively. ft P P ) 2 fi H c fi ) cos( α ) ) 2 cos cos 2 2 ( α ) ) ( α ) ) (1) (2) (3) P M k b h 11 H h m p = = k Where: Using a similar approach, the mean force and the folding parameters of asymmetric mode A and B and extensional folding mechanism can be determined. Three coefficients of these equations are presented below as (7) to (9). Other coefficients can be obtained with similar approach. Where: = k = ( I k c h 32 J k 13 c h c h , 1 3 I k, k 8 J k I I 12 Factors "Fft", "Ffi" and "Ffb1" are strain rate factor expressions. In an offshore accident, the kinetic energy of the ship is transformed to the plastic deformation of shock absorber members. Elastic-plastic behavior governs the initial loading of plastic folding [11,12,13] as well as the transition from minimum load to maximum load in each load cycle. The equation of motion can be expressed as (10). To introduce the strain rate effects to the model, the empirical "Cowper-Symons" uni-axial constitutive is used [1,3]. k k I = ) I = I I 11 =, I 12 =, I 13 = J 3 J 3 J J J = = = α 0 α 0 α 0 f f f F ( α) f F ft ( α) dα ( α) f F ( α) f ( α) f fi fb ( α) f ( α ) f ( k I 8 J J 12 3 ( α) f 13 ( α) dα ) 2 ( α ) dα cos( α ) sin( α ) f1( α ) = (1 2k ) + 8k ( ) + 4 k (1 2k ) 2 α α sin( α ) f 2 ( α ) = 2 k + (1 2 k ) cos( α ) α dβ f ( 3 α ) = dα 1 2 ( ) 2 1 f 2 α f 4 ( α ) = (1 + sin ( β )), β = cos 1 ( α ) f f ( α ) = 5 α f γ dφ dα 1 + cos ( φ ) γ = tan ( 2 tan( β )) 1 cos( α ) f 6 ( α ) = 2 k + (1 2 k ) sin( α ) α sin( α ) cos( α ) f 7 ( α ) = 2 k 2 k + (1 2 k)sin( α ) 2 α α 2 d x( t) F [ x( t)] = M 2 dt (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) 1690

9 Almasi, A. 4. Comparison with Experimental Results Fig. 3 shows the experimental load-displacement curve from [1] being compared with three theoretical curves. 2 C=37.1mm h=1.15mm M=73.6kg Vo=10.3m/s Symmetric c=49.3mm h=1.63mm angle=145degree Lf/L=0.23 (8-4-2) P(r=0) P(r=H/2) P(r=H/2,Strain) P(Experimental) P/Py 1 P(kN) tvo/(2h1) Figure 5. Theoretical load-time curve for dynamic collapse x(mm) Figure 3. Comparison of theoretical and experimental loaddisplacement curves. Fig. 5 shows the theoretical load-time curves corresponding to Fig. 4. A decrease in the velocity would cause the time of each plastic folding cycle to increase. Force peaks are more than yielding force due to strain rate and strain effects. V(m/s) C=37.1mm h=1.15mm M=73.6kg Vo=10.3m/s Analitycal Experimental 5. Conclusions New method for analysis of collapse of square section column is presented. Dynamic collapse of square section tube is formulated taking into account contributions from hinge curvature, strain hardening, strain rate, second force oscillation and sensitivity to imperfections. Good agreement between experimental and theoretical loaddisplacement and velocity-time curves verifies the accuracy of the proposed formulation time(ms) Figure 4. Theoretical versus experimental prediction of the velocity-time behavior of dynamic collapse. The experimental curve belongs to the quasi-static symmetric crushing of a square section steel tube [1]. The solid curves are plotted according to (1). The dash-dotted curve represents the load-displacement behavior without the strain hardening effect and the dashed curve represents the same behavior without the hinge curvature and strain hardening effects. Fig. 3 shows how each refinement of the analysis brings the solution closer to the actual collapse curve of the column. Experimental and theoretical velocity-time curves are plotted in Fig. 4. The theoretical curve represents the velocity-time behavior of the dynamic model considering the plastic hinge curvature, strain hardening, second oscillation of the force and sensitivity to imperfections. There is good agreement between theoretical results and experimental data. References [1] W. Abramowitz and N. Jones, Dynamic Axial Crushing of Square Tubes, Int. J. of Impact Eng., Vol. 2, pp , [2] M. Lanseth and O. S. Hopers tad, Local Buckling of Square Thin-Walled Aluminum Extrusions, J. of Thin- Walled Structures, Vol. 27, No. 1, pp , [3] W. Abramowitz and N. Jones, Dynamic Progressive Buckling of Circular and Square Tubes, Int. J. Impact Eng., Vol. 4, No. 4, pp , [4] S. R. Reid, T. Y. Reddy, Static and Dynamic Crushing of Tapered Sheet Metal Tubes of Rectangular Cross- Section, Int. J. Mech. Sci., Vol. 28, No. 9, pp , [5] A. G. Mamalis, D. E. Melonakos, G. L. Vigilant, The Axial Crushing of Thin PVC Tubes and Frusta of Square Cross-Section, Int. J. Impact Eng., Vol. 8, No. 3, pp , [6] W. Abramowitz and T. Wierzbicki, Axial Crushing of Foam Filled Columns, Int. J. Mech. Sci., Vol. 30, No.3/4, pp , [7] W. Abramowitz, T. Wierzbicki, Axial Crushing of Multicorner Sheet Metal Columns, J. Applied Mech., Vol. 56, pp , [8] R. H. Grzebieta and N. W. Murray, Rigid-Plastic Collapse Behavior of an Axially Crushed Stocky 1691

10 Almasi, A. Tubes, Recent Advances in Impact Dynamics of Engineering Structures, [9] R. H. Grzbieta, An Alternative Method for Determining the Behavior of Round Stocky Tubes Subjected to an Axial Crush Load, Thin walled Structures, Vol. 9, pp , [10] W. Abramowicz, The Macro Element Approach in Crash Calculations, Proceeding of the Natal-ASI on Crashworthness of Transportation Systems Structural Impact and Occupant Protection, July 7-19, Troia, Portugal, [11] Paulius Griskevicuis, Antanas Ziliukas, The Crash Energy Absorption of The Vehicle Front Structures, Transport, Vol XVIII, No2, , [12] C. B. W. Pedersen, Topology Optimization of Energy Absorbing Frames, Fifth World Congress on Computational Mechanics, Vienna, Austria, July 7-12, [13] Denzil G. Vaughn, James M. Canning, John W. Hutchinson, Coupled Plastic Wave Propagation and Column Buckling, Journal of Applied Mechanics, Vol. 72, January

11 5 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 09), May 13-15, 2009, Karabuk, Turkey ADVANCED TORSIONAL STUDY METHOD AND COUPLING SELECTION FOR RECIPROCATING MACHINES Amin ALMASI Tecnicas Reunidas S.A., Madrid, SPAIN, Abstract Trains including reciprocating machines are subject to the most varied and often most severe torsional disturbances in comparison to other machinery classes. If crankshaft or rotating component failures occur as a result of shaft torsional oscillations, the consequences can be catastrophic. In this paper a new comprehensive model and solution method using analytical formulations are developed to study both steady state and transient response of complex reciprocating trains. Analytical results are presented and recommendations for torsional reliable trains are addressed. Couplings being the more accessible components within the train are often modified to tune the overall system. Recommendations for coupling: High torsional stiffness coupling (best option if allowed by torsional analysis), or flexible coupling (more elasticity and damping and more maintenance) or integral rigid forged flange connection (rugged train, less elasticity and damping) with single bearing electric machine. Keywords: Torsional Study, Coupling, Reciprocating Machine. 1. Introduction Reciprocating machines (reciprocating compressors, reciprocating pumps, gas and diesel reciprocating engines, reciprocating expanders, etc) are most efficient available machines. They are flexible to handle wide capacity and condition swings [1,2]. The expected level of reliability and availability of reciprocating machine train is very high and it presents a real challenge to machine designers and operators [3,4]. Advanced methods shall be applied in order to obtain the highest level of safety and reliability. Reciprocating trains have a complex crankshaft, flywheel, electric machine rotor(s) and relatively flexible shaft extensions and coupling. It may also include gear unit(s) or turbo expander in special cases. Since connected machines function as spring systems in series, the potential exits for torsional resonance and torsional fatigue damage. If shaft and rotating component failures occur on reciprocating trains as a result of shaft torsional oscillations, the consequences can be catastrophic. There is also potential for vast damage and loss of human life. For these reasons great attention is generally taken to ensure that rotating machine trains have the required torsional capacity. 2. Advanced Analytical Model Torsional vibration involves angular oscillation of the rotors of machines. Each rotor or crankshaft in the system will oscillate following a torsional disturbance to the train. The design of train shall include optimization for dynamic loads acting on foundation, pulsation and shaking forces, irregularity degree and torsional stresses. All these factors need detailed torsional analysis to ensure proper design and reliability. The torsional behavior is key determinant of reliable operation of train [3]. It is vital for ensuring reliable machine operation due to machine stimuli that range from rarely occurring high level transients to continuous relatively low levels of excitation. Correct application of torsional analysis practice and improved transmission system design and operating practices can generally rendered train robust to the effects of stimuli from the electrical transmission network, or from problems within the electric machine (such as short circuits or faults), or fault in electrical, mechanical or process systems to which the train is connected (such as transformer, etc). It is of paramount importance to avoid torsional resonance (particularly at or near the lower harmonics of train operating speed frequency) and to ensure that shafts and other components are suitably sized to avoid failure or significant damage during possible sever transient disturbances. The procedure for torsoinal analysis include following steps. Modeling of train, calculation of undamped natural frequencies, harmonic components calculation and forced vibration calculation. Trains usually consist of a large crankshaft, electric machine rotor, flywheel and relatively flexible shaft extensions and coupling. Typically, lateral critical studies are not required for reciprocating machine train applications. Lateral natural frequencies will be positioned well above significant torsional natural frequencies of train [5]. The model must be accurate enough to simulate the real system behavior at least for frequencies below the 20th multiple of the maximum rotating speed. Only a model with enough details and large number of elements make it possible to evaluate higher number of vibration modes. In the other hand very high frequency additional modes ( such as frequencies more than 20th multiple of the maximum rotating speed) have no effect since no resonance is foreseen and they are related to low amplitude exciting harmonics [4]. Basically the model is represented by a number of rotating masses connected to each other by means of mass-less shaft intervals with appropriate torsional stiffness. Rotating masses can represent both the crankshaft and the connected components (connecting rod, piston rod, crosshead, etc). The mass elastic model of crankshaft is created by lumping the inertia at each throw and calculation the equivalent torsional stiffness between throws. The coupling is modeled as a single torsional spring (coupling sub-vendor supplied torsional stiffness) IATS 09, Karabük University, Karabük, Turkey 1693

12 Almasi, A. with the inertia of the associated coupling halves at each end. These inertias are added to elements of both sides of coupling. Proper dedicated lumped masses for all accessories (such as flywheel, gear wheel, exciter, connecting flange, etc) are added to model. Parameters in model and formulations are as follows: θi Torsional displacement of mass i (rad). Ji Polar moment of inertia of mass i (kg s3/m). Ki Torsional stiffness of the shaft internal i (N m). Ci Damping coefficient for shaft interval i (kg s2/m). CMi Damping coefficient for the mass i (kg s2/m). n Model lumped mass total number. m Maximum reciprocating torque harmonic order. ω Torsional natural frequency (rad/s). Mi Applied torque to mass i (N m). 3. Advanced Torsional Study The next step is calculation of the train undamped torsional natural frequencies. The goal is to locate natural frequencies away (usually by 10%) from potential excitation frequencies that might come from train machines [6,7,8,9,10,11]. In addition, it is recommended that natural frequencies be placed 10% outside of electrical net frequency and 5% outside of its second multiple [4]. Natural torsional frequencies reach higher values as their order increases and in practice the first three modes of vibration usually need to be investigated. Torsional natural frequencies come from solution of equations (1). The calculation of the undamped natural frequencies is a problem of eigenvalues and eigenvectors which represent natural frequencies and mode shapes respectively. J && 1θ 1 + K J && iθ i + K J && θ + K n n 1( θ1 θ 2 ) = 0 i 1( θi θi 1) + Ki ( θ i θ i+ 1) ( θ θ ) = 0 n 1 n n 1 = 0, i = 2,..., n 1 Generally reciprocating equipment and other rotating machines including electric machines have a low level of torsional damping [3,4,8]. It is found that the amount of torsional damping in turbomachinery is very low unless special provisions are made. For heavy duty machines, it is impractical and uneconomical to employ mechanical damping devices to substantially reduce peak vibration response levels following severe torsional vibration [3]. Because of low damping level, undamped natural frequencies can represent natural frequencies of real train [4]. Observations are in agreement with this assumption and the torsional mechanical response will generally be multimodal with a slow decay rate because of the light damping [3,7,8]. The main concern is for first torsional natural frequency position because higher natural frequency orders are associated with high harmonics which have little effects. In case the torsional natural frequencies do not meet mentioned margins (10% away from potential excitation frequencies) individual train component can be modified. Parametric study of presented natural frequency calculation method can provide information on how to tune rotating machine train if natural frequency separation margins are discovered to be unacceptable for reliable (1) performance. Modification of coupling torsional stiffness by an appropriate tuning of the coupling type or space diameter is primary and easiest solution. Generally the coupling is the most flexible shaft interval in train and has a strong influence on first torsional natural frequency. Range of available coupling options is vast, from flexible coupling to rigid forged flanged connection (without coupling). However If coupling modification is not sufficient and further modification required (mainly in case of more torsional stiffness required to raise first torsional natural frequency) modification of electric machine shaft geometry can be studied jointly with electric machine sub-vendor. In any case the modification of reciprocating crankshaft geometry is very difficult and in most cases it is never modified to accommodate torsional application requirements. The frequency spectrum of shaft torsional oscillations will usually show most response in the lower order torsional modes with some components at the harmonics of electrical system frequency (the first and second harmonics generally are the most pronounced). Cylinder arrangement (especially number of cylinders) has strong effects on excitation of certain torsional harmonics [3,4,9,10,11]. For example in case of 4 cylinders frame, (2x harmonics) are significantly exited and in cases of 6 and 8 cylinders frame (3x harmonics) and (4x harmonics) are significantly excited, respectively. If there is interference between torsional natural frequencies and excitation harmonics and modification is not desired or possible, it is necessary to make torsional stress analysis. Stress analysis shall be performed to ensure that the resonance will not be harmful for the train [5]. First step is steady state torsional analysis. The analysis should be performed for all possible operating conditions including all possible speeds and capacities. The governing equations of system to calculate the damped forced torsional vibration are as (2). J && 1θ 1 J && θ i n i + Ci J && θ + K ( θ θ ) + C (& θ & θ ) + C & M1θ 1 = M1 + Ki ( θi θi ) + Ki ( θ i θ i ) + Ci (& + θi & θi 1) (& θi & θi+ ) + C & 1 Miθi = M i, i = 2,..., n 1 + K n ( θ n θ n ) + Cn (& θ n & θ n ) + C & Mnθ n = M n n The general expression of the steady state applied torques (Mi) includes a vibrating component superimposed on an average torque level as per (3). Train load torques can be decomposed, through a Fourier Analysis, into series of sinusoidal curves which frequencies are multiple of machine running speed and modulus generally decreases as the harmonic order increases. The higher the number of harmonics considered, the closer the results to real torque. Optimum solution suggested as calculation of 25 harmonics (m=1 to 25). M m i = p= 0 M i, p sin ( pω t + α ) p The torsional dampening is assumed to be the hysteretic [4,6,7,8]. Each applied torque must be properly phased with respect to relatively crankshaft angular position. The electric machine torque supposed to be constant during steady state load however there are relatively small fluctuating torque component due to interactions between the current pulsation of electrical elements (such as 1 (2) (3) 1694

13 Almasi, A. winding) and electrical machine shaft mechanical irregularity degree. These fluctuations generally can be neglected for steady state response. Solution of (2) can be obtained based on Principle of Linear Superposition. The system is composed of (n) linear differential equations with (n) parameters, tri-diagonal and symmetrical. Its solution can be transferred to the solution of (m) differential equation system (each equation related to different harmonic of the exciting forces). A sensitively analysis should be always carried out to take into account all possible variances affecting the model especially those due to fluctuations of running speed (such as net frequencies, etc) which can shift the harmonics of the running speed. Variations of the mass elastic data (i.e. coupling stiffness, rotor inertia, etc) can shift the torsional natural frequencies. Alternative option of considering the relative position of the harmonics and natural frequencies, is to calculate the torques and stresses over a range of 10% of the rated speed. The highest values within that range can be comparable to correspondence endurance limit for torsional fatigue. For a train, torsional stress is function of related position of torsional natural frequencies and exciting harmonics. There are usually many cases of transient disturbance which should be modeled. The transient torsional analysis requires a different and more time consuming calculation method since it requires a direct integration of the motion equations. In this case the solution is time dependent. The differential equations of motions are similar to those of the steady state (2), but they have different exciting torques. In this case reciprocating machine torques (Mi) can be given in Fourier Series. Inertia and gas pressure components of reciprocating cylinders can be separately calculated since it can be assumed that train speed variations affect only the inertia components where as the cylinder fluid cycle contributions is assumed without considerable changes when speed changes. However for trains which include electric machine, electric machine torque can not be given in Fourier Series since transient excitation is not periodic. The transient analysis out put is generally represents by the torque and stress plots for each rotor as a function of time. However the main results of the transient analysis can be given in terms of peak shear stress in machines and peak torque on couplings. The highest stress / torque amplitudes acting on rotating machines and coupling shall be compared to the endurance limits of each of the respective components. In case the alternative torques and stresses are not within the allowable endurance limits a redesign must be carried out in order to achieve a wider separation margin between torsional natural vibration and high amplitude harmonics to obtain lower stresses.the fact that the damping of the train is low can lead to the generation of extremely high transient torques in train shafts as a result of response compounding if torsional disturbances occur in rapid succession. The resulted alternating stresses in the train shafts and other components need to be below the fatigue endurance limit of the material involved. This is because of the very high number of stress cycles that will be experienced over the life of the machine as the cycles are being accumulated continuously. 4. Electrical Effects on Reciprocating Machine Trains It is most important to study problems from electrical events that can produce pulsating torques and torsional vibration in train. There are wide varieties of incidents that can cause electrical current oscillations in the electrical transmission to which the electric machine is connected. In each case, the incident results in an oscillating torque applied to the train, which can stimulate twisting oscillations in the machine shafts and vibration of various rotating and non rotating components. Electrical transient disturbance can be planned or unplanned (emergency) transmission line switch incidence, electrical faults in the transmission network such as electrical circuit breaker actions or fault caused by storms, electric machine internal faults or terminal short circuits. In case of power generation (reciprocating engine coupled to electric generator) transient disturbance can be malsynchronization of the generator to the electrical network. These transient oscillations generally include a step change in torque (impulse) and discrete frequency torque components at the first or second harmonics of the power system frequency, with generally low levels at the higher harmonics. The step change torque component decays quite slowly (order of seconds) however the lower harmonics of the power system frequency decay rapidly in comparison (order of tenth of seconds) [3]. An example of this is with the use of some forms of high speed reclosing of electric transmission line circuit breakers following the electrical faults in network. As discussed electrical line fault can result from either temporary or permanent electrical transients (for example electrical lighting strike, transmission line break, a tree fall into a transmission line causing long term transmission line phase to phase or phase to ground fault, etc ). Following any type of electrical fault in the transmission line with one form of high speed reclosing, the power circuit breakers automatically open after a few electrical cycles (1/50 of seconds) to isolate the fault and then automatically reclose after only several tenths of second. If the fault has cleared during this period then no significant shaft torque compound occurs. However high percentage of severe multiphase faults are permanent and thus may not benefit from high speed reclosing. In case of permanent fault then a second major torsional event will be experienced by the magnitude approximately equal to that of the first one. As the damping of the torsional modes is very light the response amplitudes in the shafts from the first electrical disturbance will be decayed only slightly when the circuit breakers reclose into the fault for the second time. If the timing of this reclosure is at its most unfavorable, the shaft torques could approximately double as a result of response compounding. There is potential for torsional insatiability on trains connected to electrical networks that have series capacitor compensated lines to reduce power transmission losses (sub-synchronous resonance or SSR). Machines connected to direct current transmission lines can also be affected with instability in this case due, for example, to incorrect operation or mal-adjustment of rectifier and inverter control equipment. In such these cases, torque pulsations are produced by electric machine due to current 1695

14 Almasi, A. pulsation and magnetic fields interactions. In general these torque pulsations do not cause any harm unless their frequency (resistance, inductance and capacitance circuit introduces an electrical resonance frequency) coincides with, or is close to, one of the torsoinal natural frequencies of the train. Under these conditions the shaft response torque could build up to extremely high level. Recommended corrective actions for SSR problem included installation of large filters to remove the harmful current frequency components from entering the electric machine, installing electrical damping devices, and addition of protective monitoring and relaying equipment [3]. The rectifiers, inverters, high voltage direct current (HVDC) transmission system or large nonlinear electrical systems feed significant harmonics of the fundamental power frequency into electrical network. Train is subjected to significant high order harmonic currents entering the armature of the electric machine which produce pulsating torques on the rotor, causing torsional vibration. These pulsating torques are at (6n) harmonic frequencies (6, 12, 18, etc) and would be of concern only if they became resonant with a train torsional natural frequency. The lowest harmonic torque frequency and the one that generally has the highest amplitude is the sixth harmonic. Higher order harmonic torques are therefore rarely of concern [3]. Certain harmonic effects arise when an electric machine is started. Usually the main concern is with torque dips in induction motors, which affect motor's ability to reach full speed. But there are some effects that can result in torque pulsations. These are due to interactions between various sources of harmonics in machine magnetomotive forces and fluxes. The main sources of harmonics are distribution nature of the stator winding, distribution nature of rotor currents, slotting on the stator (or rotor) which produces a permanent variation at slot pitch frequency and pulsation of main flux because the average permeance of the air gap fluctuates as the rotor moves relative to the stator. The interaction between all these different harmonic sources can produce torques that rise and fall with speed, sometimes accelerating the shaft, sometimes slowing down the shaft. Torque pulsation frequency will vary as the machine speed changes. These torques and their magnitudes depend on the relative number of stator and rotor slots, the use of open and closed slots, the rotor slot skew, and the electric machine reactance and resistances. There have been reported cases [3] of torques large enough to cause chatter and damages. 5. Advances in Flywheel and Train Irregularities For all reciprocating trains, flywheel is mandatory to regulate variable reciprocating torques. Irregularity degree for mechanical component reliable operation is maximum 2%. This value is minimum requirement for all trains. Generally in accordance with specific requirements of electric network, electric machine (especially current pulsation), reciprocating equipment, operation, torsional vibration results, etc, lower irregularity value is required. It is recommended to obtain 1% for special purpose units in petroleum and petrochemical plants. Irregularity values between 1-1.5% are in common use. 6. New Technology of Variable Speed Machines Variable frequency motor drives are becoming more popular [9]. For variable speed reciprocating machine trains, complex issues of torsional response and feedback due to torque pulsation shall be addressed. Because of the complexity of the reciprocating and electrical machine train, the system is limited in its turn down by torsional problems. Torsional analysis is vital for development of relatively new technology of variable speed reciprocating trains. In variable frequency drive (VFD), the inverter converts the AC power to a series of DC voltages, and then varies the frequency of DC pulses to approximate a sinusoidal waveform at the desired frequency. The AC waveform produced by this process is rich in harmonics because the fast switching creates voltage spikes. This results high order harmonic torques to electric machine and potential for mechanical damage. It is because during the frequency run up and run down there are large number of potential operating speeds and hold points. There are significant risks of the development of resonant mechanical response. It is important that torsional natural frequencies be calculated and modified as required to avoid resonances. In addition operational strategies include rapid acceleration through defined critical speeds and avoidance of operating hold points near critical speeds shall be carefully respected. Due to wide operating speed range, maintaining 10% margins between all possible excitation frequencies and natural frequencies is very difficult and usually impossible. For variable speed drives comprehensive torsional and stress analysis are necessary. Torque harmonics generated by variable speed drive can excite the resonance during start up, and therefore must be evaluated. In addition the ramp rate or frequency at which the variable speed drive controls the speed of the units should not coincide with torsional natural frequencies. A variable speed reciprocating compressor or pump may have several damaging torsional resonances within the speed range due to the reciprocating machine excitation harmonics intersecting the first torsional natural frequency. With the use of soft coupling, the first tosional natural frequency can be tuned below minimum speed. In many instances this is the only way to achieve the full desired speed range. Otherwise the speed range has to be limited or certain speed bands have to be avoided. Soft coupling in variable speed train can add damping to the system. However Dynamic torque should be calculated and compare with coupling limits. In addition limited soft coupling life can be a problem. High tensional stiffness coupling can reduce maintenance but large portion of speed range should be avoided. Comprehensive torsional analysis and study must be used to obtain optimum solution. 7. Simulation Results Analytical results are presented for a four throw and three cylinders heavy duty reciprocating compressors. Train speed is 327 rpm. Four step capacity control, %, using fixed volume pocket at cylinder head end and suction valve unloaders are provided. Total motor power of each train is 6.5 MW. Driver is direct coupled eighteen (18) poles induction electric motor. Based on experience available coupling options are: High torsional stiffness 1696

15 Almasi, A. coupling (if allowed by torsional analysis), flexible coupling or integral rigid forged flange connection with single bearing electric machine. Extensive simulations show for this train regarding natural frequency interfaces and all possible transient cases, flexible coupling is acceptable option due to more elasticity and damping effects which help to obtain acceptable frequency margins and reduce transient stresses. Coupling selection implies an adequate separation with respect to compressor exciting harmonics, and in particular with the most adverse one (2 x) with respect to cylinder arrangement. Simulations show a coupling stiffness variance of about 35% would be required for the train to reach resonance. Compressor train integrity must be assessed during a three phase short circuit of the electric motor. The transient event assumed to last about 0.5 seconds. In this case the electric motor is subjected to a high frequency and high amplitude oscillating torque. Motor peak torque is around 3.3 times the normal value. Simulations show that torsional transient response is strongly reduced by train damping from flexible coupling selection. The peak torques and stresses are about 1.6 times their average values. Simulations show electric machine has a high frequency response at the early stage of train start. The peak stresses do not reach significant amplitudes. A local amplification occurs several second after start when the electric machine variable frequency pulsating component crosses the first torsional natural frequency. Compressor Brake Torque / Rated Electric Motor Torque Normal Full Load Unloaded(50%) Crank Angle(Degree) Figure 1. Reciprocating Compressor Brake Torque vs. Crank Angel. Fig. 1 shows reciprocating compressor brake torque vs. crank angel for one revolution of crankshaft in steady state conditions. Compressor brake torques are dimensionless by rated electric motor torque. The solid and dasheddotted curves represent compressor torque for normal full load and (50%) unloaded conditions respspectively. This figure show how compressor brake torque varies considerably in one shaft revolution (from less than 20% of motor rated torque to around 170% of motor rated torque). It shows importance of flywheel to regulate train torque requirements and strong effects of torsional irregular torques on train torsional behavior. Different unloaded conditions show completely different torsional loading behavior. Simulations show unloaded (50%) condition represents highest irregularity in train among steady state conditions. It proves necessity to evaluate torsional behavior of all operating conditions including all unloaded stages, high and low suctions, possible process changes and all foreseen transient situations. 8. Coupling Selection Many operators and vendors prefer high torsional stiffness coupling because it results to more rugged train and higher natural frequencies. Also it decreases maintenance. The soft couplings can protect the electric machine components by absorbing the dynamic torque generated by reciprocating machines. Rubber coupling usually increase maintenance since the rubber degrades over the time due to heat and environmental factors. Actual rubber coupling life may be significantly less than coupling manufacture stated life, if the coupling is subject to heat or harsh condition (such as oil mist, ozone, etc). Special silicon block may improve life for high temperature applications [12]. For coupling an appropriate service factor should be used to allow for possible transient conditions. The vibratory torque and heat dissipation must be reviewed carefully. The allowable vibratory torque is typically 20% to 30% of the coupling rated torque. The heat dissipation is a function of the vibratory torque and frequency and is normally specified in terms of power loss (Watts). Other factors such as end float and allowable misalignment should also be addressed. The torsional stiffness of the rubber elements can vary with temperature and torque. The actual coupling stiffness can vary by as much as 20% from catalogue values. Also some coupling (such as coupling with rubber elements) have nonlinear stiffness which depends upon the actual transmitted torque. As a system starts, the speed increase can result in a load increase, natural frequencies will change (coupling stiffness can increase and cause natural frequencies to slightly increase). In these cases coupling are usually modeled linear and special attention is required for elastic data sensitivity analysis. Comprehensive torsional analysis and study, machine arrangement, all possible steady state and transient conditions, operation and maintenance must be considered for optimum coupling selection. 9. Electric Machine Considerations and Practical Recommendations Experiences have shown that only accurate modeling of all rotating machines and elements in (especially electrical machine) can result to accurate torsional analysis of train. Observations show that natural frequencies of reciprocating trains are sensitive to torsional model of other machines in train especially electric machine model. Flexibility and inertial distribution through the electric machine core shall be modeled accurately otherwise it can result in missed torsioal natural frequency, inaccurate torsional analysis and torsional problems. Stiffness of electric machine shaft can be influenced by the various types of construction. Machined or welded webs can add significant stiffness (typically 10-40% more) while keyed or laminations typically add minimum stiffness. Only a detailed Finite Element Analysis (F.E.A.) of the electric machine shaft can provide accurate results. Comparison showed more than 30% error in shaft stiffness between detailed Finite Element Analysis (F.E.A.) and simplified method [12]. 1697

16 Almasi, A. Experiences have shown that many electric machines have been designed to couple to non-reciprocating rotating equipment and may not be adequately sized for reciprocating equipment. An indication can be shaft size. Crankshafts are often constructed with higher strength material and have lower strength concentration factors. As rule-of-thumb electric machine shaft diameter to be equal to or greater than the reciprocating machine crankshaft diameter. Numerous torsional vibration problems continue to occur in reciprocating trains. Main reasons are lack of comprehensive torsional vibration analysis and study, improper application and maintenance of coupling (mainly flexible couplings), using of electric machines traditionally used in non-reciprocating application (such as variable speed motor) and lack of monitoring. Shaft materials should be high strength steel. If welds are required on shaft, a weldable shaft material should be used. Proper weld procedures and material compatibility must be considered. Fabrication details such as the electric machine pole bolt torque, etc should consider loads due to torsional vibration. Continuous operation at torsional resonance shall be avoided. Coupling, flywheel and electric machine torsional characteristics have strong influence on reciprocating train torsional vibration and can be modified to tune system. Changing the load sequence could help reduce torsional vibration in reciprocating compressor and pump. Avoid full load shutdowns for reciprocating compressor and pump specially in train with torque sensitive equipment. Some vendors intended to use stiff system with short flanged connection (no coupling) and single bearing electric machine. These trains have much lower damping however higher natural frequencies. These trains may be acceptable after careful review of torsional analysis including all possible operating steady state and transient torsional situations.reciprocating machines generate a torque excitation due to reciprocating inertia and gas forces acting on the crankshaft. This can consist of multiple integer torque harmonics. Half order excitation (0.5X, 1.5X, etc) can also occur in four stroke reciprocating engine. In reciprocating machine each throw can create significant primary (1X) and secondary (2X) harmonic torques. For reciprocating compressor and pump, valve failure, fluid pulsation and load steps shall be considered. For reciprocating engines, engine misfire, pressure imbalance, ignition problem and leaks (leaks in fuel valves or compression pressure) shall be respected. It is important to measure and verify torsional vibration during performance test. Based on site observations following transient events are critical and shall be respected in details: synchronous electric machine start up, short circuit, reciprocating engine misfire, valve failure and loaded shut down of compressor and pump. A train which passes through a torsional natural frequency during start up may produce significant transient shaft stresses. If the system is started on a frequency basis, a start up analysis should be performed to determine if low cycle fatigue is a potential problem. Synchronous machines need more care (than induction machines) in this regard and they definitely need a transient torsional start up analysis. Coupling torque is usually chosen on the basis of mean requirements for full load. It must have a sufficient service factor to handle and likely overload (such as electrical faults). 10. Conclusion Reciprocating equipment are very efficient, flexible and have wide range of application. A comprehensive model and solutions using analytical formulations are developed to study both steady state and transient response of complex reciprocating trains. The torsional vibration analysis report shall include data used in mass elastic system, torsional natural frequencies, display of torques vs. speed, torsional critical speed, mode shape diagrams, interface diagrams, definition of coincidence of the excitation frequencies with the torsional natural frequencies, all possible steady state cases (normal and all unloded cases), all possible transient cases (start up, shut down cases, especially loaded shut down, short circuit, electrical faults, etc ), non-ideal cases (such as engine misfire or compressor valve failure), worst case design, dynamic torsional stresses (based on dynamic torque modulations, stress concentration factors, and amplification factors), comparison to determine compliance (with regard to separation margin, stresses, loading, and coupling dynamic torque), parametric analysis to determine possible coupling modification (when separation margin, stress level or coupling torque are not acceptable). The report should also consider how the input data variance will affect the results (sensitivity analysis). References [1] Heinz P. Bloch, Compressor and Modern Process Application, John Wiley and Sons, [2] Heinz P. Bloch, A Practical Guide To Compressor Technology, Second Edition, John Wiley and Sons, [3] Duncan N. Walker, Torsional Vibration of Turbomachinery, McGraw-Hill, [4] Enzo Giacomelli, Carlo Mazzali, Nicola Campo, Paolo Battagli, Fabio Falciani, Torsional Analysis of A-20 Cylinder Hyper compressor Train, Proceeding of ESDA2006, Engineering System and Analysis, Torino, Italy, 4-7 July, [5] Shelley Greenfeld and Kelly Eberle, New API Standard 618 (5 TH ED.) And Its Impact on Reciprocating Compressor Package Design Part I, II and III, Compressor Tech Two, June July August [6] Vibration in Reciprocating Machinery and Piping Systems, Engineering Dynamics Incorporated, Engineering Dynamic Incorporated (EDI), San Antonio, Texas, June 2007, [7] A. S. Rangwala, Reciprocating Machinery Dynamics, First Edition, New Age International (P) Limited Publishers, [8] Cyril M. Harris, Allan G. Piersol, Harris Shock and Vibration Handbook, Fifth Edition, McGraw-Hill, [9] Royce N. Brown, Compressors Selection and Sizing, Third Edition, Gulf Publishing, [10] Positive Displacement Pumps - Reciprocating, API 674 2th edition, June [11] Reciprocating Compressor for Petroleum, Chemical and Gas Service Industries, API 618 5th edition, December [12] Troy Feese and Charles Hill, Guidelines for Improving Reliability of Reciprocating Machinery By Avoiding Torsional Vibration Problems, Gas Machinery Conference, Austin, Texas, October

17 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye DALGIÇ POMPA PERFORMANS TESTLERİNDE KULLANILAN YENİ TEKNOLOJİLER NEW TECHNOLOGIES USED IN THE PERFORMANCE TESTING OF SUBMERSIBLE PUMPS Ergün KORKMAZ a,*, Mustafa GÖLCÜ b, Cahit KURBANOĞLU c a,* Süleyman Demirel Üni. Teknik Eğitim Fak., Isparta, Türkiye, E-posta: b Pamukkale Üni. Teknik Eğitim Fak., Denizli, Türkiye, E-posta: c Süleyman Demirel Üni. Müh. Mim. Fak., Isparta, Türkiye, E-posta: Özet Pompa performans testleri, tasarımı gerçekleştirilen pompaların performanslarının tespiti veya pompa performansı üzerinde etkili olduğu düşünülen parametrelerin pompa karakteristiklerine etkilerinin incelenmesinde oldukça önem arz etmektedir. Bu nedenle testlerde kullanılacak ölçüm yöntemleri ve ölçme cihazlarının belirlenmesinde gerekli hassasiyet gösterilmelidir. Bu çalışmada; dalgıç pompa karakteristiklerinin belirlenmesi için basma yüksekliği, debi, efektif güç ve motor dönme hızı ölçüm ve kontrolünde kullanılan yeni teknolojiler incelenmiştir. Bu amaçla yüksek hassasiyetli ölçme ve kontrol cihazlarının kullanıldığı dalgıç pompa test ünitesi kurulmuştur. Kullanılan bir program sayesinde pompa karakteristikleri bilgisayar destekli olarak elde edilmiştir. Ayrıca, şebeke gerilimi ve motor devrindeki değişimlerin pompa karakteristikleri üzerindeki olumsuz etkilerinin nasıl giderilebileceği de ortaya konulmuştur. Anahtar kelimeler: Dalgıç pompa, Pompa performansı, Pompa karakteristikleri. çıkartılmasında; basınçlı hava sistemleri, düşey türbin pompaları ve yaygın olarak da dalgıç pompalar kullanılmaktadır. Dalgıç pompalar; montaj kolaylığı, derinlik sınırının olmaması, yüksek verim, enerji tasarrufu ve ekonomikliği nedeniyle teknolojik gelişmelere paralel olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Dalgıç pompalar, çok kademeli bir santrifüj pompanın su altında çalışmaya elverişli elektrik motoruna monte edilmesiyle meydana gelmektedir. Pompa miline güç; eksenel yükleri taşıyabilecek yapıda yataklara sahip, özel olarak tasarlanmış dalgıç motor aracılığı ile aktarılmaktadır. Bir santrifüj pompa deniz seviyesinde atmosferik koşullarda teorik olarak yaklaşık 10 m den, pratikte ise 6-8 m derinlikten su çekebilmektedir. Bu nedenle yeraltı sularının yeryüzüne çıkartılmasında çok kademeli santrifüj pompalar olarak bilinen derin kuyu pompaları kullanılmaktadır [1-2]. Dalgıç pompalar genellikle anma çaplarına göre; 4", 6", 8", 10" ve 14" lik seriler halinde imal edilmektedir. Şekil 1 de dalgıç pompa ve ana parçaları gösterilmiştir. Abstract Pump performance tests are considerably important for the assessment of the performance of pumps designed or study of the effects on the pump characteristics of parameters believed to be affecting pump performance. Therefore, due care should be employed when determining the measurement methods and measurement devices for use in such tests. This study examines new technologies used in the measurement and control of head, flow rate, brake horsepower and rotation speed of the motor. For this purpose, a submersible pump testing unit has been assembled using highly sensitive measurement and control devices. The pump characteristics have been obtained in a computer-aided manner using software. It has been further figured out how negative impacts of changes in the mains voltage and motor rotation speed on pump characteristics could be eliminated. Keywords: Submersible pump, Pump performance, Pump charecteristics. 1. Giriş Tüketilebilir su potansiyelimizin %13 üne yakın bir kısmını oluşturan yeraltı su kaynaklarının yeryüzüne a) b) Şekil 1. a) Dalgıç pompa [3] b) Ana parçaları (standart konstrüksiyon) [4] IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1699

18 Korkmaz, E., Gölcü, M. ve Kurbanoğlu, C. Elektronik ve bilgisayar teknolojisindeki gelişmeler her sektörde olduğu gibi pompa sektörünü de yeni arayışlara itmiştir. Bu sayede yüksek hassasiyetli ölçme ve kontrol cihazlarının kullanıldığı bilgisayar destekli pompa test üniteleri yaygınlaşmaya başlamış ve bu konuda çeşitli çalışmalar yapılmıştır [5-8]. Bu çalışmada, dalgıç pompa karakteristiklerinin belirlenmesi için basma yüksekliği, debi, efektif güç ve motor dönme hızı ölçüm ve kontrolünde kullanılan yeni teknolojiler incelenmiştir. Bu amaçla yüksek hassasiyetli ölçme ve kontrol cihazlarının kullanıldığı dalgıç pompa test ünitesi kurulmuştur. basınç transmitteri, debimetre ve sürgülü vana montajları tamamlanmıştır (Şekil 2 ve Şekil 3). 2. Dalgıç Pompa Deney Düzeneği Dalgıç pompa deneylerinin gerçekleştirilebilmesi için öncelikle 3x2x2 m 3 boyutlarında depo imalatı yapılmış ve depo üzerine pompa grubunun montajı gerçekleştirilmiştir. Pompa çarklarının kolaylıkla değiştirilebilmesi için düzenek üzerine kg kapasiteli bir vinç monte edilmiştir. Pompa çıkış çapında (4") boru bağlantıları yapılarak Şekil 2. Dalgıç pompa deney düzeneği Şekil 3. Dalgıç pompa deney düzeneğinde kullanılan ölçme aletleri ve bağlantı noktaları (ölçeksiz). 3. Pompa Karakteristiklerinin Belirlenmesi Rotadinamik pompalar, çoğu volumetrik pompalardan farklı olarak, proje değerlerine ve emme koşullarına bağlı olarak değişken debide akışkan basabilirler. Burada debi üzerinde en önemli etken pompanın manometrik basma yüksekliğidir. Manometrik basma yüksekliğine bağlı olarak debideki bu değişim, efektif güç (fren beygirgücü veya toplam aktif güç) ve verim değerlerinin de değişmesine neden olur. Çeşitli debi değerlerine göre manometrik basma yüksekliği, efektif güç ve verim değerlerinin değişimini ifade eden bu eğrilere pompa karakteristik eğrileri adı verilmektedir. Özellikle pompanın en iyi verim noktasının (E.V.N.) tespiti açısından pompa karakteristik eğrilerinin çizimi oldukça önem taşımaktadır [9]. Pompa karakteristiklerinin belirlenmesinde daha önce kullanılan TS ISO 2548 [10] ve TS ISO 3555 [11] standartları geri çekilmiş, yerine TS EN ISO 9906 [12] kullanılmaya başlanmıştır. Her ne kadar en yeni standart TS EN ISO 9906 olsa da bu standartta dahi yeni teknoloji ölçüm cihazlarının kullanımına (basınç transmitterleri, ultrasonik debimetreler, manyetik debimetreler, Laser Doppler Anemometer (LDA) ve Laser Doppler Velocimeter (LDV) gibi) çok fazla yer verilmemiştir. Burada, bu standarda özellikle basma yüksekliği ve debi ölçümleri konusunda yeni teknoloji ölçüm cihazlarının kullanımı ile ilgili eklemeler yapılması gerektiğini vurgulamakta fayda vardır Basınç Ölçümleri Basınç ölçümleri için kullanılan statik basınç ölçme ağızlarının (basınç prizlerinin) açılmasında TS EN ISO 9906 [12] referans alınmıştır (Şekil 4). Şekil 4. TS EN ISO 9906 ya göre statik basınç ölçme ağızlarının özellikleri [12]. 1700

19 Korkmaz, E., Gölcü, M. ve Kurbanoğlu, C. Dalgıç pompa sistemlerinde toplam manometrik basma yüksekliği, emme yüksekliği ile düzeltilmiş basma yüksekliğinin toplamı şeklindedir. Emme yüksekliği değeri vakum transmitteri yardımıyla, basma yüksekliği değeri ise pozitif basınç transmitteri yardımıyla ölçülmüştür. Transmitterin bağlı olduğu boru ekseni ile pompa emme kutusu arasındaki düşey uzaklığın, transmitterde okunan basınç yüküne eklenmesiyle düzeltilmiş basma yüksekliği değeri bulunmuş olur. Toplam basma yüksekliği, emme ve düzeltilmiş basma yüksekliklerinin toplamı olarak ortaya çıkar (Şekil 5). Anemometer (LDA) ve Laser Doppler Velocimeter (LDV) gibi oldukça yüksek hasiyete sahip cihazların kullanımı da gittikçe yaygınlaşmakta ancak özellikle küçük ve orta ölçekli tesisler için oldukça yüksek maliyetleri nedeniyle cazibesini yitirmektedir [14]. Deney düzeneğinde kullanılan ultrasonik ve manyetik debimetreler Şekil 7 de gösterilmiştir. (a) (b) Şekil 7. Ultrasonik (a) ve manyetik (b) debimetreler [9]. Şekil 5. TS EN ISO 9906 ya göre dalgıç pompalar için basma yüksekliğinin ölçülmesi [12]. Klasik pompa test sistemlerinde basınç ölçümleri için genellikle manometreler kullanılmaktadır. Oysa son zamanlarda ölçüm hassasiyetleri nedeniyle basınç transdüserleri veya basınç transmitterleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Basınç ölçümleri için; 24 V DC beslemeli, 2 telli bağlantılı, 4~20 ma çıkışlı, -1~0 bar basınç aralığına sahip vakum basınç transmitteri (Şekil 6a) ve 0~10 bar ölçüm aralığına sahip pozitif basınç transmitterleri (Şekil 6b) kullanılmıştır. Transmitterlerden elde edilen 4~20 ma çıkış sinyalleri modül kanallardan geçirilerek kullanılan yazılım sayesinde bir ara yüze aktarılmıştır. Burada hem ultrasonik, hem de manyetik tip debimetre kullanımındaki amaç her iki debimetrenin de kıyaslanmasına imkan tanımaktır. Debimetrelerin doğru ve hassas ölçüm yapabilmesi için düzenek üzerinde bağlanacakları yerlerin tespiti oldukça önemlidir. Ultrasonik debi ölçüm cihazının doğru ve hassas ölçüm yapabilmesi için (akışın tam gelişmiş ve üniform olabilmesi için) sistemde kullanılan debimetrenin kelepçe sensöründen önce boru çapının (4") en az 10 katı, kelepçe sensöründen sonra ise kullanılan boru çapının en az 5 katı kadar boru boyuna ihtiyaç duyulmaktadır (Şekil 8). Şekil 8. Ultrasonik debimetre sensörü bağlantı şartları [15]. Manyetik debimetre için ise; manyetik debimetreden önce kullanılan boru çapının en az 5 katı, debimetreden sonra da kullanılan boru çapının en az 2 katı mesafe gerekmektedir (Şekil 9). (a) (b) Şekil 6. Vakum ve pozitif basınç transmitteri [13] Debi Ölçümleri Rotadinamik pompalar için çok değişik hacimsel debi ölçüm metotlarının kullanımı mümkündür. Savak, orifismetre, venturimetre, su sayaçları ve sabit hacim tankları ile hacimsel debi ölçümleri yapılabilir. Ancak son zamanlarda özellikle montaj kolaylığı ve yüksek hassasiyetleri nedeniyle ultrasonik (ölçülen değerin ±%1 i) ve manyetik (ölçülen değerin ±%0.15 i) tip debi ölçerlerin kullanımı yaygınlaşmaktadır. Bunun dışında Laser Doppler Şekil 9. Manyetik debimetre bağlantı şartları [16]. TS EN ISO 6817 de [17], debi ölçerin sıvı giriş veya sıvı çıkış tarafına yerleştirilen boru montaj parçalarının (dirsekler, vanalar, redüksiyon parçaları vb.), hız profili ve debi ölçer performansı üzerinde olumsuz etkilere neden olabileceği ifade edilmiştir. Bu etkileri en aza indirmek için, debi ölçer imalatçısının montajla ilgili önerilerine uyulması gerektiği belirtilmiştir. TS EN ISO te [18] de debi ölçer imalatçısının montaj talimatlarına uyulması gerektiği belirtilmiş, imalatçının montaj talimatları yoksa debimetre giriş ağzının herhangi bir türbülans meydana gelen 1701

20 Korkmaz, E., Gölcü, M. ve Kurbanoğlu, C. noktadan, boru anma çapının 10 katı (10 DN) mesafede ve debimetre çıkış ağzının da, herhangi bir türbülans meydana gelen noktaya, çıkıştan itibaren, boru anma çapının en az 5 katı (5 DN) mesafede olacak şekilde yerleştirilmesi gerektiği ifade edilmiştir. şeklinde gösterilir [20]. Bu kayma motorun sargısı, nüve yapısı gibi çeşitli motora özgü faktörlere bağlı olarak değişkenlik göstererek motor miline devir kaybı olarak yansıyacaktır. Şekil 11 de bir asenkron motor karakteristik eğrisi görülmektedir Efektif Güç Ölçümleri Pompanın çalışma noktasındaki verimini tespit edebilmek için pompanın şebekeden çekeceği aktif gücün tespit edilmesi gerekir. Bu amaçla; elektrik sayacı, penswattmetre, voltmetre, ampermetre ve cosφmetre kullanılabilir. Daha etkin bir yöntem ise şebekeye ait akım, gerilim, güç faktörü, akım ve gerilim harmonikleri, aktif, reaktif ve görünür güçler gibi bir çok bilgiyi bir arada bulma imkanı veren şebeke analizörü kullanmaktır. Bu nedenle deneylerde aktif güç ölçümleri için Şekil 10 da gösterilen ±%1 hassasiyete sahip Entes marka MPR-60S model şebeke analizörü kullanılmıştır. Şekil 10. Aktif güç ölçümlerinde kullanılan şebeke analizörü [19]. Elektrik motorları, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürürken şebekeden aktif güç çekerken aynı zamanda gerekli manyetik alanları oluşturabilmek için de reaktif güç çekmektedir. Pompa motorunun şebekeden çekeceği güç efektif yani aktif güçtür. Reaktif gücün önlenmesi için sistemde kompanzasyon yapılabilir. Bunun için elektrik panosuna, elektrik motoru kapasitesine göre kondansatör bağlantısının yapılması gereklidir Motor Devri Ölçümleri ve Kontrolü Asenkron motor çalışma prensibi gereğince yük altında iken belirli bir kayma değerine sahiptir. Bu kayma değeri, asenkron motorda stator devri ile rotor devri arasındaki fark (rotorun statoru takibindeki gecikme) olarak ifade edilir. Statorun toplam kutup sayısı (P) ve stator sargılarına uygulanan gerilimin frekansı (f s) ise statorun senkron hızı; Şekil 11. Asenkron motor devir-tork karakteristiği. Şekil 11 de görüldüğü gibi, tork arttıkça motor sargıları bir aşamadan sonra bu torku yenebilmek için gerekli elektrik akısını sağlayamayacak ve motor devri azalacaktır. Bizim çalışma bölgemiz motorun saturasyona (doyuma) uğradığı bölgede değil, motorun hız ve torkunun orantılı olarak değiştiği bölgededir. Bu bölgede tork arttıkça hız azalmaktadır. Bu durum aslında asenkron motor kullanılarak yapılan birçok deneyde önemli bir faktördür. Nitekim dalgıç pompa çarklarının test edilmesinde de pompa çarklarının değişik vana pozisyonlarında (değişik yük değerlerinde) test edilmesi söz konusudur. Özellikle E.V.N. üzerindeki vana pozisyonlarında motor devrinde büyük düşmeler söz konusu olabilmektedir. Pompa karakteristiklerinin boyutsuz sayılarla ifadesi dikkate alınırsa motor devrinin; debi sayısı ile lineer, basınç sayısı ile ikinci dereceden ve güç sayısı ile üçüncü dereceden ilişkili olduğu, dolayısıyla pompayı tahrik eden motor devrindeki değişimlerin pompa karakteristikleri üzerinde ne kadar etkili olduğu daha iyi anlaşılabilir. Motor devrindeki düşüş, yalnız yük artışından değil aynı zamanda şebeke gerilimindeki aşırı düşmelerden de kaynaklanabilmektedir. Şebeke gerilimi, motor devri üzerinde (dolayısıyla pompa karakteristik değerleri üzerinde) önemli bir etkiye sahiptir. Bu durumun çark karakteristiklerinin karşılaştırılmasında olumsuz etkiye neden olmaması için deney düzeneğinde Saba marka, 30 kva gücünde Trifaze servo voltaj regülatörü kullanılmıştır. Şekil 12 de deneylerde kullanılan servo voltaj regülatörü gösterilmiştir. ( f ) 120 s d ns = (1) P d olarak ifade edilir. Motorun rotoruna tork etki ettiği zaman rotora bir kuvvet uygulanmış olacak ve rotor artık stator frekansını yakalayamayacaktır. Bu durum kaymaya neden olacaktır. Rotor hızı (n r) olmak üzere, stator ve rotor arasındaki kayma (S), S n n ω ω s r s r = = (2) ns ωs Şekil 12. Voltaj regülatörü [9] 1702

21 Korkmaz, E., Gölcü, M. ve Kurbanoğlu, C. Her ne kadar voltaj regülatörü şebeke gerilimindeki değişimleri azaltsa da voltaj regülatörünün de hassasiyetine bağlı olarak (şebeke geriliminin ±%2 si kadar) belirli bir çalışma aralığı bulunmaktadır. Bu nedenle özellikle şebeke geriliminin çok değişken olduğu yerlerde kullanımı yeterli olmayabilir. Deneylerin devir sayısı açısından stabilizasyonunda kesin çözüm ise motor devrinin ölçülerek, bir sürücü ve PLC (Programmable Logic Controller) ünitesi kullanılarak motor devrinin geri beslemeli kontrolünden geçmektedir. Deneylerde kullanılan dalgıç motoru 2850 d/d motor devrinde kullanılmıştır d/d motor devrini elde etmek için frekans invertörü (Şekil 13), kontrolü için de PLC ünitesi ve PLC ile kullanıcı temasını sağlayan kontrol paneli (Şekil 14) kullanılmıştır. Şekil 13. Frekans invertörü [21]. Şekil 16. Endüktif yaklaşım sensörünün algılamasında kullanılan zincir dişli çark Endüktif sensör 0-4 mm mesafe aralığında, önünden geçen metal elemanları görebilmektedir. Motor miline tespit edilmiş olan zincir dişli mil ile beraber dönerken, bu esnada sensör önünden geçen diş sayıları sayılmakta ve PLC ünitesine gönderilmektedir. PLC kontrol panelinden girilen devir sayısını okuyarak sensörden aldığı devir bilgisi ile karşılaştırır. PLC karşılaştırmanın sonucu doğrultusunda frekans invertörüne 0-10 V DC sinyal göndererek sürücüyü kontrol eder. Burada asıl kontrol elemanı olan PLC, sürücüyü ara eleman olarak kullanmak suretiyle motorun sabit devirde kalmasını sağlamaktadır. PLC 0 ile 10 V DC arasındaki analog bilgiyi sürücüye gönderdikten sonra sürücü 0-10 V DC sinyali, 0-50 Hz arasında derecelendirerek gelen sinyale göre motoru bu frekansta sürmektedir. Örnek olarak, eğer PLC karşılaştırma sonucunda sürücüye 5 V DC sinyal göndermiş ise frekans invertörü pompa motorunu 25 Hz de sürer. Yalnız motorun sürülmesi sırasında değerlendirme, sensörden geri besleme olarak her an devam ettiği için PLC anlık olarak 1.75 sn cevap zamanı ile motor frekansını kontrol etmektedir. Haliyle motor yüksüz halden yüklü hale geçtiği sırada (vana açıldığı zaman) milden alınan devir bilgisi aracılığıyla devir azalması tespit edilerek, PLC tarafından anında müdahale edilir. PLC devirdeki azalma miktarıyla orantılı olarak frekans değerini artırarak istenilen devir sayısının sabit kalmasını sağlamaktadır Verim Ölçümleri Şekil 14. PLC ve kontrol paneli [9]. Motor devri ölçümlerinde yaygın olarak takogeneratör kullanımı söz konusudur. Ancak dalgıç motorlarının su içerisinde çalışması nedeniyle takogeneratör kullanımı uygun değildir. Bu nedenle motor devir sayısının tespiti için, endüktif yaklaşım sensörü (proximity switch) kullanılmıştır (Şekil 15). Şekil 15. Devir sayısı ölçümlerinde kullanılan endüktif yaklaşım sensörü [22]. Pompa genel verimi, pompanın akışkana verdiği gücün (P 0), efektif (aktif) güce (P e) oranıdır. P 0 η g = (3) Pe Pompanın akışkana verdiği güç (P 0) ise; P = ρ g Q (W) (4) 0 H m şeklinde hesaplanır. Burada; ρ akışkanın yoğunluğu (kg/m 3 ), g yer çekimi ivmesi (m/s 2 ), Q debi (m 3 /s) ve H m toplam manometrik basma yüksekliği (m) olarak ifade edilmiştir. Deneyler esnasında değişik vana pozisyonları için; vakum basıncı, basma yüksekliği, debi ve toplam aktif (efektif) güç bilgileri kullanılan arayüz programı ile kaydedilmiştir (Şekil 17). Bu sayede her bir çark için, tüm çalışma noktası değerleri tespit edilmiştir. Endüktif yaklaşım sensörleri metal elemanlara duyarlı oldukları için motor mili üzerine Şekil 16 da gösterilen 8 diş sayısına sahip zincir dişli tespit edilmiştir. 1703

22 Korkmaz, E., Gölcü, M. ve Kurbanoğlu, C. Şekil 17. Deney düzeneğinde kullanılan arayüz programı. 4. Sonuçlar Her ne kadar pompa tasarımları, temel tasarım kitaplarında yer alan ampirik denklemelere dayalı olarak gerçekleştirilse de tasarımı gerçekleştirilen pompanın deneylerle desteklenmesi gerekmektedir. Bu nedenle pompa deneylerinde kullanılan cihaz ve ekipmanların hassasiyetleri de oldukça önem taşımaktadır. Özellikle pompayı karakterize eden manometrik basma yüksekliği ve debi parametrelerinin hassas bir şekilde ölçülmesi gerekmektedir. Basınç ölçümlerinde manometreler yerine basınç transducerlerinin veya transmitterlerinin, debi ölçümlerinde ise sabit hacim tankları, savak, orifismetre ve venturimetre yerine ultrasonik veya manyetik tip debi ölçer kullanımı önerilebilir. Şebeke bilgilerinin tespiti için de ampermetre, voltmetre, cosφmetre yerine, penswattmetre veya şebeke analizörü kullanmanın faydalı olacağı söylenebilir. Pompa karakteristik değerleri üzerinde, şebeke gerilimi ve kullanılan motor devrinin oldukça etkili olduğu görülmüştür. Bu nedenle pompa performans testlerinde; şebeke gerilimindeki dalgalanmaları azaltmak için trifaze servo voltaj regülatörü, motor devrinin sabit tutulabilmesi için de frekans invertörlü devir kontrolü yapılması, elde edilen sonuçların tutarlılığı ve geçerliliği açısından oldukça önemlidir. Teşekkür Çalışmanın tamamlanmasındaki katkılarından dolayı Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimine ve Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) a teşekkür ederiz. Kaynaklar [1] Gölcü, M., Dalgıç pompalarda çarka ara kanatçık ilavesinin verime etkisinin analizi, Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 127s, Denizli, [2] Korkmaz, E. Kurbanoğlu, C. ve Gölcü, M., Dalgıç pompalarda kullanılan çarklar, kavitasyon oluşumu ve önleme çareleri. VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Mayıs, Isparta, , [3] Anonim, Grundfos internet sitesi. htm, Erişim Tarihi: [4] Anonim, Alarko Carrier Sanayi ve Ticaret A.Ş. internet sitesi. ompa_brs.pdf, Erişim Tarihi: [5] Sungur, C., Bilgisayar kontrollü yüksek hassasiyetli santrifüj pompa deney ünitesinin gerçekleştirilmesi, Selçuk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 17, 32, 39-46, [6] Sungur, C. ve Bal, G., Yüksek güvenirlikli ve hassasiyetli bir santrifüj pompa deney standının bilgisayar kontrollü olarak geliştirilmesi, 3. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu, Ağustos, , Ankara, [7] Ertöz, A.Ö. Değer, T. ve Karamanoğlu, Y., Pompa deney standı modernizasyonu, 5. Pompa - Vana Kongresi ve Sergisi, Hilton Convention&Exhibition Center, İstanbul, Kasım [8] Değer, T. ve Ertöz, A.Ö., Bilgisayar destekli pompa tasarımı, 5. Pompa - Vana Kongresi ve Sergisi, Hilton Convention&Exhibition Center, İstanbul, Kasım [9] Korkmaz, E., Farklı kanat çıkış açılarında ara kanatçık uzunluğunun ve çevresel pozisyonunun dalgıç pompa performansına etkisinin analizi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 208s, Isparta, [10] Anonim, TSE ISO 2548, Santrifüj pompalar - Karışık akışlı ve eksenel pompalar kabul deneyi esasları Sınıf C,Türk Standartları Enstitüsü, 47s, Ankara, [11] Anonim, TSE ISO 3555, Santrifüj pompalar - Karışık akışlı ve eksenel pompalar kabul deneyi esasları - Sınıf B, Türk Standartları Enstitüsü, 47s, Ankara, [12] Anonim, TSE EN ISO 9906, Rotodinamik pompalar - Hidrolik performans kabul deneyleri - Sınıf 1 ve Sınıf 2, Türk Standartları Enstitüsü, 60s, Ankara, [13] Anonim, Wika Instrument Corporation internet sitesi. 11.pdf, Erişim Tarihi: [14] Korkmaz, E. Kurbanoğlu, C. ve Gölcü, M., Dalgıç pompa deney düzeneği ve ölçüm sistemleri, 15. Yıl Mühendislik-Mimarlık Sempozyumu, Kasım, Isparta, Bildiriler Kitabı Cilt 1 1-9, [15] Anonim, Krohne Optisonic 6300 Ultrasonic clamp-on flowmeter, Manual, 75p, Germany, [16] Anonim, Krohne Optiflux 1000/5000 Electromagnetic flow sensor, sandwich versions, for volumetric flow rate measurement electrically conductive liquids, Quick start, 8p, Germany, [17] Anonim, TSE EN ISO 6817, Borulardaki iletken sıvı akışının ölçülmesi-elektromanyetik debi ölçerlerin kullanım metodu, Türk Standartları Enstitüsü, 20s, Ankara, [18] Anonim, TSE EN ISO 29104, Borularda akışkan akışının ölçümü - Sıvılar için - Elektromanyetik debi ölçerin performansını değerlendirme metotları, Türk Standartları Enstitüsü, 21s, Ankara, [19] Anonim, Entes MPR-60S Elektronik şebeke analizörü kullanma kılavuzu, 37s, İstanbul, [20] Çolak, İ., Asenkron Motorlar, Seçkin Yayıncılık, 174s, Ankara, [21] Anonim, Moeller-Drives internet sitesi. ucts_id=53, Erişim Tarihi: [22] Anonim, Balluff Sensors Worldwide internet sitesi. rch/ceddc9845ebded16c e831d?op endocument, Erişim Tarihi:

23 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye MEKANİK BESLEMELİ KAZANLARIN OTOMATİK KONTROLÜ AUTOMATIC CONTROL OF STOKER FIRED BOILERS Ali KEÇEBAŞ a, * ve Muhammet KAYFECİ b a, * Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknik Eğitim Fak., Afyon, Türkiye, E-posta: b Karabük Üniversitesi, Meslek Yüksek Okulu, Karabük, Türkiye, E-posta: Özet Konutlarda ısınma ihtiyacı; katı, sıvı, gaz yakıtların bireysel veya merkezi ısıtma sistemlerde kullanımı ile sağlanır. Sıvı yakıtın işletilmesi kolaydır fakat pahalıdır. Gaz yakıt ise büyük yerleşim merkezleri dışında yaygın olmamasından dolayı Türkiye de ısıtmanın en geçerli yöntemi katı yakıttan (kömür) oluşan ısıtmadır. Merkezi ısıtma sistemlerinde kömürün yakılmasıyla ısıtılan su ev içine radyatörler ile ısı iletilir. Bu yöntem şehir merkezlerinde yoğun olarak kullanılmaktadır. Kömürün yakılması ile ısıtma esnasında yakıcı cihazın özelliğinden ve ayrıca yakma tekniğinden dolayı işletme masrafları ve çevre kirliliği problemleri ortaya çıkmaktadır. Merkezi ısıtma sistemlerinin kömür besleme mekanizmaları teknolojinin gelişmesi ile otomatikleştirilmiş ve sonra ısıtmanın daha kolay olması sağlanmıştır. Merkezi ısıtma sistemlerinde otomatik yükleyici mekanizmaları (stoker) çeşitli kontrol elemanları ve elektrik-elektronik devre kartları içeren birçok tekniklerle kontrol edilir. Ancak sistem çalışma şartlarında çeşitli aksaklıklar yaşanmaktadır. Bu çalışmada; fan, kömür besleme, kül yıkama, yedek doldurma ve sirkülasyon pompası motoru gibi işlemlere sahip mekanik beslemeli kazanı otomatik olarak kontrol ettirilecek ve ayrıca termik koruma, anormal sıcaklık, güç hatası, sensör arıza ve yakıt bitti gibi emniyet tedbirler alınacaktır. Sonuç olarak mekanik beslemeli kazanların klasik katı yakıt kazanlarından daha kolay ve daha güvenli kontrol edilecektir. Anahtar kelimeler: Stoker; Yakma; Otomatik kontrol Abstract The heat requirement in houses have been supplied by using solid, liquid and gas fuels in individual or central heating systems. The operating of liquid fuel is easy, but it is expensive. Since gas fuel is not widespread in rural areas, the most popular way for heating in Turkey is obtaining heat from solid fuel (coal). By the burning of the coal in the central heating systems, the boiled water transfers the heat by the radiators to the houses. This way is very popular in the urban places. The coal loading mechanisms of the central heating systems are automated by the growth of the technology and then heating gets easier. Automatic loader mechanisms (stoker) in the central heating systems are controlled by several techniques including the various control component and electric-electronic circuit boards. But in runtime, too many problems have occurred. In this study, the stoker fired boiler which has processes like fan, coal supply, ash wasting, reserve filling and fluid cycling motors will be controlled as automatic and besides the measures of precaution like the thermic protection, abnormal temperature sensing, power failure, sensor malfunction and out of coal alarms will be taken. Finally the stoker fired boilers will be controlled easier and more security than the traditional solid fuel boilers. Keywords: Stoker; Combustion; Automatic control 1. Giriş Dünya nüfusunun sürekli arttığı, teknolojinin hızla geliştiği ve bu gelişmelere paralel olarak enerji tüketiminde de büyük bir artış olduğu görülmektedir. Günümüzde fosil kökenli enerji kaynaklarının sınırlı olması, tüketimin sürekli artması ve bu kaynakların gittikçe azalması enerji fiyatlarının sürekli artmasına neden olmaktadır. Ayrıca bu enerji kaynaklarının bilinçsiz kullanılması çevre problemlerinin oluşmasına neden olmaktadır. Fosil yakıtların sınırlı olması ve çevreye olan etkileri, insanları fosil yakıtların verimliliğini arttırma ve onların çevreye olan etkilerini azaltmak için çeşitli araştırma ve çalışmalara yönlendirmektedir. Katı yakıt olarak kullanılan kömür, en yaygın olarak bulunan fosil yakıt ve enerji üretmek için de en çok kullanılan yakıttır. Konutlarda kullanılan enerji türleri içerisinde kömüre dayalı enerji tüketimi %28 dir. Özellikle ülkemizde zengin kömür yatakları ve ekonomik olmaları nedeniyle konutların ısıtılmasında öncelikle kömür yakan kazanlar kullanılmaktadır. Konutların ısıtılmasında uygulama şekline göre bireysel, merkezi ve bölgesel ısıtma sistemleri kullanılmaktadır. Hızlı ve plansız kentleşme nedeni ile Türkiye de bölgesel ısıtma yaygınlaşamamakta ayrıca konut ısıtılmasında verimsiz ve kontrolü zor olan küçük kapasiteli bireysel ısıtma sistemleri (sıcak su kazanları ve sobalar) kullanılmaktadır [2]. Bu çalışmada merkezi ısıtma sistemlerinde kullanılan mekanik beslemeli kazanlar ele alınacaktır. Isıtma sistemlerinde otomatik kontrol sistemleri ile yönetilmesi durumunda dış hava ve iç ortam sıcaklığına göre kazan çıkış suyunun, yani tesisata giden suyun sıcaklığı otomatik olarak belirlenir. Akıllı binalar adı verilen yüksek otomasyonlu sistemlerle de (güvenlik, yangın alarm vs.) entegrasyonu mümkün olabilmektedir. Katı yakıt olarak kullanılan kömür, yakıcı cihazın özelliğinden ve ayrıca yakma tekniğinin doğru uygulanmamasından dolayı verimi düşük olmasına ve çevre kirliliği problemlerini ortaya çıkmaktadır. Son yıllarda enerji verimliliğini artırmak için çok önemli çalışmalar yapılmaktadır. Türkiye ye yüksek verimli kazanlar 1965 yılında girmiştir [3]. Ayçık (1986), yarım silindirik elle yükleme yaptığı kazandaki çalışmada, kazan ısıl veriminin, yükleme zamanı aralığı azaldıkça arttığını gözlemiştir. Çalışma sonunda kazan yükleme zaman aralığının iki saat olmasının gerektiğini önermiştir [4]. Atalay (1995), yarım IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1705

24 Keçebaş, A. ve Kayfeci, M. silindirik alev duman borulu kazanda ithal kömür yakmıştır. Yaptığı çalışmada, kazana değişik miktarlarda kömür yüklemesi yapmış ve tam yüklemede kazan verimi %73.97 olarak bulmuştur [5]. Öner ve arkadaşları (1999), yakma sistemi olarak özel bir hava dağıtım ünitesi bulunan 40kW lık döner yakma sistemi tasarlamışlardır. Bu çalışmada kömür yakma kamarası ekseni etrafında sabit bir devirle döndürülmektedir. Kömür bir bunkerden dönen yanma kamarasının arkasına bir helezon taşıyıcı ile sürekli beslenmektedir. Helezonun eksen borusu kamara içine uzanmaktadır. Bu kısım üzeri delikli ve helezonsuz bir haldedir. Bu deliklerden kamara içindeki kömüre hava üflenmiştir. Kül döner kamaranın diğer ağzından küllüğe boşaltılmıştır. Kömürün bu sistemle yakılması ve tüm kirlilik standartlarına uygun toz ve baca gazı emisyonları elde edilmiştir [6]. Böke ve diğerleri (2000), otomatik yüklemeli ithal kazanda yaptığı çalışmada, değişik tipte kömür kullanmış ve kurutulmuş kömürlerle yaptığı deneylerde maksimum kazan verimini %76 olarak saptamıştır [7]. Stokerli yakma kazanları kömür ve katı atıkların yakılmasında kullanılmaktadır. Avantajları basit yapıları, basit işletilmesi ve çok iyi esnekliğidir [8]. Merkezi ısıtma sistemlerindeki otomatik yükleyiciler çeşitli sitemler ve devre kartlarıyla kontrol edilirler. Li ve Chang, istenilen şartlarda sürekli buhar sağlamak için stokerli yakma kazanlarında bulanık sinir ağı denetleyicileri kullanmışlar ve iyi sonuçlar elde etmişlerdir [9]. Yine Li ve Chang yaptığı çalışmada stokerli yakma kazanlarının yanma kontrolü için karma bulanık mantık oransal artı geleneksel türevsel-integral denetleyici ile istenilen şartlarda buhar üretilmesi için kullanmıştır [10]. Rusinowski ve diğerleri, stokerli bir kazanın kontrol siteminde geliştirdiği yöntemle kazan ısıl verimini %7 artırarak %85 değerine ulaşmasını sağlamışlardır [8]. Schnelle ve arkadaşları, stokerli kömür yakma kazanlarında otomatik kontrol sistemini optimizasyon yaparak NOx ve CO emisyonlarını düşürmüşlerdir [11]. Thai ve arkadaşları, stokerli yakma sıcak su kazanı için sinir ağı tabanlı kontrol sistemi geliştirmişlerdir. Burada istenilen seviyelerde fazlalık hava seviyesinde tutarken sıcak su sıcaklığı kontrol edilmiş ve düşük kirletici madde emisyonları elde edilmiştir [12]. Klasik kontrol sistemlerinde birçok parçalar motorların kontrolünde gereklidir. Bazı kontrol kartlarında fan sirkülasyon pompaları ve yükleme motoru yeterince düşünülmelidir. Ancak çalışmada, aşırı ısınma, kömürsüz çalışma, sensörlerin bozulması gibi birçok problemler oluşmaktadır. Bu çalışmada; stokerli kazanda otomatik kontrol yapılmıştır. Bu kazanda; fan, kömür besleme, kül alma, bunker yükleme ve sirkülasyon pompası motoru olmak üzere toplam beş adet motor çıkışı kumanda ettirilmiş, kazanın çalışma sırasında oluşabilecek muhtemel aksaklıklar için ise termik koruma, anormal sıcaklık, güç hatası, sensor arıza ve yakıt bitti gibi çeşitli emniyet tedbirleri alınmıştır. Kazanın otomatik kontrolü yapılarak sistemde olan aksaklıklar giderilecektir. 2. Isıtma Sistemi Dağsöz (1998), bir sıcak su sisteminin genel olarak sıcak su kazanı, su taşıyıcı borular, ısıtıcı elemanlar, sirkülasyon pompası, genleşme tankı, otomatik kontrol ekipmanları ve çeşitli donatım ve ara parçalardan oluştuğunu belirtmiştir. Isıtıcı akışkan olarak sıcaklığı 110 C değerinin altında olan sıcak su kullanılır ancak uygulamalarda genellikle 90 C değeri aşılmaz. Sıcak su kazanında üretilen sıcak su borularla, ısıtılacak hacimlere yerleştirilmiş radyatör, konvektör, hava apareyi gibi ısıtıcı elemanlara taşınır. Bu ortamda ısısını oda hacmine bırakan sıcak su soğuyarak kazana geri döner [13]. Sistemde suyun dolaşımı sirkülasyon pompaları ile sağlanır. Sirkülasyon pompalarının gidişe takılması tavsiye edilir. Tesisatta mevcut suyun ısıtılması sırasında artan hacim genleşme tankı adı verilen kaplarda depolanır ve suyun soğumasını takiben genleşme tankında depolanan su tekrar tesisata verilir. Kazanda katı yakıt (kömür) ise sürekli olarak yakıt besleme ve kül yıkama yapan bir ızgara üzerinde yanar. Kazan çalışma basıncı, kazan tipi, yakıt çeşidi ve yapısına göre farklı çeşitlerde sınıflandırılabilinir. Izgara üzerinde kömür yanması elle beslemeli ve mekanik beslemeli olarak olur. Kömürün otomatik (mekanik) beslemeli ızgaralı ocaklarda kömür besleme şekillerine göre üç temel yakma sistemi görülmektedir. Bunlar; a) üstten besleme, b) alttan besleme c) çapraz besleme. Bu yöntemler arasındaki fark esas olarak, yakıt yatağında yakıtın ve havanın birbirlerine göre akış yönlerindeki farklılıktır. Üstten beslemede taze kömür yanmakta olan kömür tabakasının üzerine atılmakta ve hava ters yönde alttan verilmektedir. Alttan beslemede ızgara üzerine yerleştirilmiş kömür yandıkça alttan beslenir ve havada aynı yönde alttan verilir. Çapraz beslemede ise ocak içinde kömür yatay hareket ederken hava buna dik ve alttan yukarı doğru verilmektedir [14]. Manüel beslemeli kazan işletilmesi için bazı kullanım zorlukları vardır. Özellikle büyük apartmanlarda çalışma aşırı zaman alabilmekte ve bazı zamanlar işletmeler yeterince kömür sağlayamamaktadır. Manüel kazanın kullanımı becerili ve deneyimli operatörlere bağlıdır. Günümüzde otomatik beslemelide ise operatör eksikliklerini ortadan kaldırmak ve verimi arttırmak için Türkiye de kiralık evlerde dahi kullanılmamaktadır. Özellikle mahal ısıtması için stokerli kazanların kullanımı sıcaklık değişimlerini kontrol etme, kontrollü yanma ve kolay kullanım sağlamaktadır. Stokerli sistemler geçen yüzyıllar boyunca küçük kazanlar üzerinde kullanılmaktadır. Günümüzde büyük kazanlarda da kullanılmaktadır. 3. Otomatik Kontrol Otomatik kontrol sisteminin gerek duymamızın sebepleri enerji gereksinimi ve emisyonlardır. Bu nedenle çevre kirliliği ve daha verimli sistemlerin gereksinimini arttırmaktadır. Aşağıda stokerli kömür yakma kazanında kontrol edilen yerler ve çalışmaları anlatılmıştır Kontrol Edilen Yerler Yakıt Verme Motoru: Bu motor kazan içindeki potaya kömürü süren helezon milini döndüren redüktörlü motordur. Kazanın ısıtılması sırasında, kalorifercinin kömür yanmasını takip etmesi sonucu belirlenen zaman aralıklarıyla devreye girip-çıkacaktır. Fabrikasyon stokerli kat kaloriferlerinde bu çalışma-durma periyodu 3-4 dk bekleme (durma), 5-10 sn kömür verme (çalışma) şeklindedir. Yukarıdaki çalışma-durma tolerans aralığı 1706

25 Keçebaş, A. ve Kayfeci, M. kumanda kontrol kartları ile hem küçük stokerli hem de büyük stokerli kazanlarında kullanılacak şekilde arttırılmaktadır. Fan Motoru: Pota içersindeki kömürün yanması için gerekli debi ve basınçtaki havayı sağlayan fan pervanelerini döndüren motordur. Bu motor kazanın ısıtılması sırasında sürekli çalışacak, kazan istenen sıcaklığa ulaşana kadar potada hızlı bir yanma sağlayacak ve kazan istenen ısıya ulaştığında duracaktır. Yani bu motorun çalışması tamamen kazan sıcaklığına bağlıdır. Çalışmada her hangi bir zamanlama yoktur. Sirkülasyon Pompası Motoru: Kazan içinde ısıtılan suyun ısıtıcı donanımlara gönderilerek devir daim sağlayan pompadır. Bu motor kullanıcı tarafından direkt olarak bir anahtarla devreye sokulup çıkartılabilinir. Ancak pompa motorunun kumandası kumanda kartıyla yapılırsa istenen kazan sıcaklığından daha düşük bir sıcaklığa ayarlanır ve bu motorun çalışması kazan sıcaklığına bağımlı hale getirecektir. Bu şekilde yapılması kazanların ilk ısıtılması sırasında gerçekleşen kazan terleme olayı minimum zaman aralığında tutulacaktır. Kül Alma Motoru: Pota etrafına yerleştirilen bir düzenek yardımıyla, kazan cehennemliğinde yanmış olan kömür artıkları (küller) kazan dışına çıkartılabilmektedir. Bu düzeneğin hareketini sağlayan motorun belirli zaman aralıklarında çalışması ve yanma artıklarını kazan dışına çıkarması gerekir. Kumanda kartı ile bu otomatikleştirilir. Bunker Yükleyici Motor: Özellikle büyük kapasiteli kazanların kömür tüketimleri çok fazladır. Bu miktar kazanın stokerli olması durumunda bile kazancıya büyük zorluklar getirmekte ve çalışma verimini düşürmektedir. Bu zorluğu ortadan kaldırmak için kömürün stoker bunkerine doldurulması işlemini gerçekleştirecek helezon sistemleri veya döner bandlar kullanılır. temel nedeni motoru besleyen üç fazdan birinin veya ikisinin voltajının düşmesi veya kesilmesidir. Bu problemi ortadan kaldırmanın yolu faz koruma röleleri kullanmaktır. Yakıt Bitti Uyarısı: Stokerin kazanı beslemesi sırasında kazan sıcaklığının artmayıp belirlenen bir değerin altına düştüğü durumlarda sisteme yakıt bitti uyarı verilmesi gereklidir. Yakıt bitti sıcaklığı sirkülasyon pompasının çalışma sıcaklığı olmalıdır. Yani kazan normal olarak ısıtıldıktan sonra yakıtın bitmesi veya sıkışması sonucu potada yanma azalacaktır. Böylece kazan sıcaklığı düşerek sirkülasyon pompası devre dışı kalacaktır. Bu anda kullanılan kumanda kartı yakıt bitti uyarısı vererek motorları durduracaktır. Kullanıcıya görüntülü ve seli uyarı verdirilebilinir. Sensör Arızalı Uyarısı: Isı sensörü kazanın kumanda kartıyla bağlantısını sağlayan algılayıcı elemanlardır. Bu sensörün arızalanması veya kabloların kopması kumanda kartının yanlış değerler okumasına veya hiç okuyamamasına neden olur. Sensörden anormal bir sinyal gelmesi veya hiç sinyal gelmemesi durumunda bu uyarı ile sistem tamamen kapatılacaktır. Yüksek Basınç Uyarısı: Kumanda kartının sıcak su kazanları yerine buhar kazanlarında kullanılması durumunda kazan ile kumanda kartı arası bağlantı iki tane basınç presostatı (birincisi çalışma basıncı ve ikincisi emniyet basıncı için) ile sağlanmaktadır. 4. Otomatik Kontrollü Stokerli Kazan Bir stoker; kömür bunkeri, helisel taşıyıcı, redüktör ve salyangoz fandan oluşmaktadır. Helisel taşıyıcı kömür deposu ile kazanın altındaki ocak arasındaki irtibatta çalışır. Stokerin genel görünüşü Şekil 1 de verilmiştir Güvenlik Önlemleri Kazanların çalışmaları sırasında birçok risk ortaya çıkmaktadır. Gerekli önlemlerin alınmaması sonucu bu riskler ciddi arızalara hatta patlamalara neden olabilmektedir. Daha sorunsuz ve emniyetli çalışma için kontrol sistemleri yapılması gerekmektedir. Aşırı Sıcaklık Koruması: Kazan kumanda panolarında limit termostat olarak bilinen ve ısı algılayıcı ucu 90 C (sadece sıcak sulu sistemler) ve üzerinde ısındığında otomatik olarak sistem kapanmaktadır. Bu durumda sirkülasyon pompası dışındaki tüm motor çıkışları kumanda sistemleri yoluyla otomatik olarak kapatılmaktadır. Bu sayede kazan kaynaması ve patlaması gibi riskler ortadan kalkmış olacaktır. (a) Motor Koruma: Üzerlerinden ayarlanan akım değerinden daha fazla akım geçtiği durumlarda kontaklarına konum değiştiren motor koruma elemanı olarak termik röleler kullanılır. Motorun normal yükte çalışırken çekebileceği maksimum akım değerine ayarlanır ve motor herhangi bir nedenle bu değerden fazla akım çekerse kontaklar konum değiştirerek kumanda sistemine bilgi verir. Güç Koruması: 380 V AC trifaze elektrik ile çalışan motorların bobinlerinin yanması sonucu arızalanmasının 1707

26 Keçebaş, A. ve Kayfeci, M. (b) Şekil 1. Stokerin genel görünüşü (a ve b). Günümüzde elektronik kontrol sistemleri elektromekanik kumanda sistemlerinin yerine tercih edilmektedir. Mekanik kontrol elemanlarının tam kararlı çalışmamaları, her işlem için ayrı bir kontrol elemanının gereksinimi, sistem çalışması sırasında sıcaklığın ve motor çalışmalarının takipleri için yardımcı eleman kullanımının gerekliliği gibi bazı dezavantajları vardır. Halbuki bunun yerine mikro denetleyiciler kullanımıyla problemlerin birçoğu ortadan kaldırılır ve kolaylık sağlanır. Örneğin sıcaklığa bağlı olarak yapılacak kontrollerin her birisi için ayrı termostat kullanımı yerine bir sensör sayesinde onlarca çeşit kumanda işlemi mikro denetleyicide yapılabilmektedir. Bunun sonucu olarak kontrolün hassasiyeti ve kararlılığı yüksek seviyelere çıkartılmaktadır. Mekan ısıtmak için kömür yakan stokerli kazanların kontrol sistemi genellikle; termometre LED ekranında 0-90 o C göstermekte, termostat potansiyometresi o C çalışma sıcaklığı sağlamakta, fan termostata bağımlı olarak çalışır ve ısıtma esnasında redüktör sür potu değeri kadar çalışacak ve bekle potu değeri kadar durmakta, pompa 35 o C üzerinde çalışır ve 30 o C de durmaktadır. Sistemin çalıştırılması için bir tane çift zaman ayarlı zaman rölesi ve iki mekanik termostata ihtiyaç duyulur. Ancak güvenlik için sisteme sigorta, kontaktör ve termik eklenilmelidir. Sistemin ısıl algılayıcısı olan ve kazan üzerinde buluna mekanik termostattan gelen elektriksel sinyal ısıtma sırasında fan motorunu direk devreye sokacaktır ve fan çalışmaya başlayacaktır. Aynı anda redüktör motoru da devreye girecek ve helezon milini döndürmeye başlayacaktır. Redüktör motorunun elektrik hattında seri halde bulunan çift zaman ayarlı zaman rölesi ayarlanan çalışma süresince motoru çalıştıracak, daha sonra yine ayarlanan süre kadar beklemede kalacaktır. Redüktör ve fanın bu çalışma işlemi termostattan gelecek kazan ısındı sinyalini alıncaya kadar devam edecektir. Redüktör motorunun çalışma ve bekleme sürelerini kullanılan kömürün yanma hızı belirlemektedir. Ayrıca kazan sıcaklığına bağlı olarak sirkülasyon pompasının da kumandası başka bir mekanik termostatla sağlanır. Şekil 2 te ise bu stokerin mekanik termostat ile kumanda edilmesi için gerekli kontrol devresi gösterilmektedir. Şekil 2. Stokerin mekanik termostatla kumanda edilmesi için tek fazlı kontrol devre şeması. 5. Sonuç Merkezi ısıtma sistemlerinin kömür besleme mekanizmaları teknolojinin gelişmesi ile otomatikleştirilmiş ve sonra ısıtmanın daha kolay olması sağlanmıştır. Merkezi ısıtma sistemlerinde otomatik yükleyici mekanizmaları (stoker) çeşitli kontrol elemanları ve elektrik-elektronik devre kartları içeren birçok tekniklerle kontrol edilir. Ancak sistem çalışma şartlarında aksaklıklar yaşanmaktadır. Bu çalışmada merkezi ısıtma sistemlerinde kazan otomatik kontrolünün geliştirilmesi sunuldu ve bu aksaklıklar giderildi. Çalışmada yapılan bu kontrolün en önemli avantajlarından biri güvenlik önlemleridir. Diğer ise kullanıcıya görsel ve duysal bağlantılardır. Sonuç olarak mekanik beslemeli kazanların klasik katı yakıt kazanlarından daha kolay ve daha güvenli kontrol edilecektir. Kaynaklar [1] Basol, K., Doğal Kaynaklar Ekonomisi, Anadolu Matbaası, , İzmir, [2] Yıldız, A. ve Günarhan, H., Katı yakıtlı kazan tasarımı ve kazan ısıl kapasite verimlilik değerinin deneysel olarak belirlenmesi, Tesisat Mühendisliği Dergisi, 89, 50-57, [3] Ağar, T., Yüksek verimli çelik kazanlar-gelişme yönleri, Mühendis ve Makina, 13 (146), 4-8, [4] Ayçık, H., Elle yüklemeli kömürlü kazanlarda ısıl verimin yükleme zaman aralığı ile değişimi, MTA Genel Müdürlüğü Maden Analizleri ve Teknolojisi Daire Başkanlığı, , [5] Atalay, Y., Tasarım standardlarının oluşturulmasına yönelik olarak katı yakıt yakan kazanların incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Gazi Üniversitesi, Ankara, [6] Öner, C., Tanyılmaz, V. ve Pehlivan, D., Döner kamaralı bir kömür yakma sisteminde devir sayısının emisyon ve sistem performansına etkisi, 6. Uluslararası Yanma Sempozyumu, , İstanbul, [7] Böke, E., Erdöl, N., Öztürk, A., Arısoy, A., Ekinci, E. ve Okutan, H., Kömür nem içeriğinin emisyonlarına ve verime etkisinin incelenmesi, 12. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, , Sakarya,

27 Keçebaş, A. ve Kayfeci, M. [8] Rusinowski, H., Szega Marcin, Szlek, A. and Ryszard, W., Methods of choosing the optimal parameters for solid fuel combustion in stoker-fired boilers, Energy Conversion and Management, 43, , [9] Li, W. Ve Chang, X.G., A neuro-fuzzy controller for a stoker-fired boiler, based on behavior modelling, Control Engineering Practice, 7 (4), , [10] Li, W. And Chang, X, Application of hybrid fuzzy logic proportional plus conventional integral-derivative controller to combustion control of stoker-fired boilers, Fuzzy Sets and Systems, 111, , [11] Schnelle, K.B., Laungphairojana, A. ve Debelak, K.A., Emission reduction of NOx and CO by optimization of the automatic control system in a coal-fired stoker boiler, Environmental Progress, 25 (2), , [12] Thai, S.M., Wilcox, S.J., Chong, A.Z.S. and Ward, J., Development of a neural network based control system for a stoker fired hot water boiler, Journal of the Energy Institute, 80 (3), , [13] Dağsöz, A.K., Sıcak sulu kalorifer tesisatı, Demir Döküm Teknik Yayınlar No:6, 80, İstanbul, [14] Uralcan İ.Y. ve Böke, Y.E., Kömür yakan kalorifer kazanlarında ısıl verimin iyileştirilmesi, 6. Uluslararası Yanma Sempozyumu, , İstanbul,

28 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye RÜZGAR-DİESEL HİBRİT GÜÇ SİSTEMİNİN SİMULASYONU VE GÜÇ AKIŞI KONTROLÜ SIMULATION AND POWER FLOW CONTROL OF WIND-DIESEL HYBRID POWER SYSTEM Mehmet YUMURTACI a,* Seçil VARBAK NEŞE b ve Yüksel OĞUZ c a, * Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakül., Afyonkarahisar,Türkiye, E-posta: b Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakül., Afyonkarahisar,Türkiye, E-posta: c Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakül., Afyonkarahisar,Türkiye, E-posta: Özet Bu çalışmada şebekeden yalıtılmış rüzgar-diesel güç üretim sisteminin birbirine bağlantısı sonucunda oluşturulmuş hibrit güç üretim sisteminin Matlab-Simulink programında dinamik simülasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Rüzgar-Diesel hibrit güç üretim sistemi ile üretilen elektrik genellikle şebekeden uzak alanlar için kullanılmaktadır. Kesintisiz yüksek kaliteli elektrik enerjisi için, kesintili rüzgar kaynağı sıkıntısı diesel generatör kullanılarak çözülmektedir. Rüzgar-Diesel güç sistemi bileşenleri modüllerle gösterilmektedir. Hibrit güç üretim sisteminin farklı yük durumlarında elektriksel çıkış büyüklüklerindeki (güç, gerilim ve frekans) değişimler grafiklerle gösterilmiştir. Anahtar kelimeler: Hibrit Güç Sistemi, Simülasyon, Matlab-Simulink Abstract In this study, dynamic simulation study of hybrid power generation system formed from interconnection of Wind- Diesel power generation system isolated from network is performed in Matlab-Simulink. Electric generated with Wind-Diesel hybrid power generation system is usually used for areas which are far from network. For uninterrupted high quality electric energy, difficulty of discontinuous wind source is dissolved using diesel generator. Wind-Diesel power system components are shown by modules. Output quantities (power, voltage and frequency) of hybrid power generation system under different load conditions are shown by graphics. Key words: Hybrid Power System, Simulation, Matlab- Simulink 1. Giriş Rüzgar gibi yenilenebilir enerjiden yararlanma 1970 lerin ortalarından beri büyük ivme kazandı ve fosil yakıttan üretilen enerji ile geniş ölçüde yer değiştirmeye başladı [1]. Rüzgar hızında zamanla meydana gelen keskin rüzgar hızı değişimleri rüzgar şebekelerinde kararsız giriş momentine neden olabilir. Bu yüzden bu enerji kaynağından uygun şekilde yararlanmak regüleli enerji kaynağı gerektirir [2]. Hibrit güç sistemlerinin avantajı, sürekli elde edilebilen diesel gücü ve yerel kullanılabilen yenilebilir enerjisi kaynaklarının kombinasyonudur [3]. Hibrit güç sistemi ile yıllık diesel yakıt tüketimi azaltılabilir ve aynı zamanda kirlilik seviyesi minimize edilebilir [4]. Mufti ve diğerleri Rüzgar-Diesel-Süper iletici manyetik enerji depolama birimi için geliştirdikleri matematiksel modelde çok girişli çok çıkışlı kendinden ayarlamalı regülatör çalışmışlardır [5]. Bialasiewicz ve diğerleri Rüzgar-Diesel güç sistemleri için sistem dinamikleri çalışmak amacıyla modüler simülasyon aracı sunmuşlardır [4]. Bialasiewicz ve diğerleri yalıtılmış diesel ve rüzgar üretimli hibrit sistemin dinamiklerini çalışmak için Vissim kullanarak modüler simülasyon sistemi geliştirmişlerdir [2]. Chedid ve diğerleri Rüzgar-Diesel güç sistemi için üyelik fonksiyonlarını ve kontrol kurallarını ANFİS kullanarak ürettikleri uyarlamalı bulanık mantık kontrolör geliştirmişlerdir [6]. Bowen ve diğerleri bir sahil çiftliğinde ayrık ve küçük bir Rüzgar-Diesel güç sisteminden altı ay boyunca verileri sürekli kaydetmişler ve analiz etmişlerdir [7]. Ko ve diğerleri çalışmalarında Rüzgar-Diesel güç sistemi için neural network temelli akıllı kontrolör geliştirmişlerdir [8]. Elhadidy ve Shaahid Dhahran ın yılları için saat başı rüzgar hızı bilgilerini güneş radyasyonu ve meteoroloji istasyonunda kaydedilen 1991 yılı bilgilerini incelemişler ve yüz tane iki odalı konutun yük gereksinimlerini karşılamaları için araştırmışlardır [1]. Kaldellis mikro-rüzgar konvertörü, küçük bir diesel-elektrik generatörü ve kurşun asitli bataryadan oluşan bir hibrit sistemin ayrıntılı matematiksel modelini geliştirmiş ve bu sistemin değişik konfigrasyonlarının enerjisini tahmin etmek amacıyla tümleşik sayısal algoritma geliştirmiştir [9]. Ko ve diğerleri Rüzgar-Diesel güç üretim sisteminde rüzgar türbininin kanat eğim açısını kontrol etmek amacıyla fuzzyneural hibrit kontrolör tasarlamışlardır [10]. Yapılan çalışmada, Matlab-Simulink programı içersinde yer alan SimPowerSystems kullanılarak Rüzgar-Diesel hibrit güç üretim sisteminin temel bileşenleri oluşturulmuştur. Burada gerçekleştirilen hibrit güç üretim sisteminde temel bileşen elemanlarının dinamik modelleri kullanılmıştır. Değişik tüketici yük durumlarında Rüzgar Güç Üretim Sisteminden (RGÜS) ve Diesel Güç Üretim Sisteminden (DGÜS) elde edilen elektriksel güç, yük gerilimi ve frekansı işletme şartları için önem taşımaktadır. 2. Rüzgar-Diesel Enerji Üretim Sistemi Hibrit güç üretim sistemleri iki veya daha fazla klasik ve yenilebilir enerji üretim sistemlerinin birbirlerine paralel bağlantısı sonucu oluşturulan güç üretim sistemleridir. Hibrit güç üretim sistemleri enerji üretim ve dağıtım merkezlerinden uzak mini şebekelerin ve küçük yerleşim birimlerinin elektrik enerjisi ihtiyacını karşılamak için en iyi çözüm yöntemlerinden birisidir [11]. Şekil 1 de gösterilen Rüzgâr Diesel güç üretim sistemi güvenilir, verimli, çevresel ve ekonomik işletimi etkin bir şekilde başarmak IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1710

29 Yumurtacı, M., Varbak Neşe, S., Oğuz, Y. amacıyla tesis edilir. Burada DGÜS şebekeden yalıtılmış olarak çalışan hibrit güç üretim sistemlerinde elektrik enerjisinin sürekliliğini sağlamak amacıyla kullanılır. Yenilenebilir alternatif enerji kaynakları kullanılarak oluşturulmuş hibrit güç üretim sistemlerinden istenilen oranda güç üretimi sağlandığı zaman fosil yakıtlara olan gereksinim azalır. oldukça yüksektir. Bunun nedeni ise küçük güçlü şebekelerde elektrik enerjisi üretiminde diesel generatörler kullanılmaktadır. Enerji gereksinimini en ekonomik biçimde sağlamak amacıyla yenilebilir güç üretim sistemlerinden optimal bir şekilde faydalanarak birim enerji maliyeti aşağı çekilmeye çalışılmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının en büyük dezavantajı üretim gücündeki düzensizliktir. Rüzgar-Diesel güç üretim sistemi uygulamalarının ana dağıtım şebekelerinden uzak yerleşim birimlerinde, yenilebilir enerji potansiyelinin fazla olduğu yerlerde kullanılması enerjinin verimli ve optimal kullanılması açısından çok büyük önem arz etmektedir. 3. Hibrit Güç Üretim Sisteminin Modellemesi Şekil 1. Rüzgar-Diesel güç üretim sisteminin basit blok diyagramı. Küçük güçlü yalıtılmış şebekelerde enerji maliyeti ana şebekelerde üretilen elektrik enerjisinin birim fiyatından Bu çalışmada, 250 kw lık RGÜS ile 2000 kw lık DGÜS ün birleşiminden oluşan hibrit güç üretim sisteminin dinamik modellemesi Şekil 2 de görüldüğü gibi Matlab-Simulink, SimPowerSystems programı kullanılarak dizaynı gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, RGÜS nin ve DGÜS nin gerilimlerinin ve frekansının farklı olması durumları göz önüne alınarak iki güç üretim sisteminin birbirine enterkonnekte biçimde bağlandığında sorun yaşanmaması için frekans ve gerilim değerlerinin birbirine eşit duruma getirilmesi gerekir. A A a a A A B B b b B B C C c c C C DIESEL ENERJI URETIM SISTEMI RUZGAR ENERJI URETIM SISTEMI RUZGAR ENJ.URT.SISTEMI DIESEL ENJ.URT.SIST. TUKETICI A a B b C c Yuk YUK GERILIMI YUK FREKANSI ÖLÇÜM ÜNİTESİ DISPLAY TUKETICI RUZGAR DIESEL TUKETICI YUK GERILIMI YUK FREKANSI Şekil 2. Hibrit Rüzgar-Diesel Güç Üretim Sisteminin Matlab-Simulink Programındaki Simülasyon Blok Diyagramı 1711

30 Yumurtacı, M., Varbak Neşe, S., Oğuz, Y. Şekil 2 de görülen hibrit güç üretim sistemini oluşturan rüzgar ve diesel güç üretim sistemlerinin alt bileşenleri tek bir blok halinde ayrı ayrı verilmiştir. RGÜS nin temel bileşenleri; değişken hızlı rüzgar türbini, asenkron makina, senkron kondansatördür. DGÜS nin temel bileşenleri ise; senkron generatör, diesel makina ve hız regülatörüdür. İki güç üretim sistemine ait bu bileşenlerin Matlab-Simulink programı içerinde yer alan SimPowerSystems deki modülleri kullanılmıştır. Her bir üretim sistemindeki enerji akışına uygun şekilde birbirleri ile bağlantısı gerçekleştirilerek bilgisayar ortamında gerçek sistemdeki davranışına uygun çalıştırılmıştır. Rüzgar ve diesel güç üretim sistemlerinin her biri ayrı ayrı çalıştırılarak her birinin gerilim ve frekans değerleri birbirine eşit olacak duruma getirilmiştir. Daha sonra bu iki güç üretim sistemi birbirine paralel bağlanarak hibrit güç üretim sistemi oluşturulmuştur. Matlab-Simulink programında oluşturulan hibrit güç üretim sistemini farklı tüketici yükleri ile yükleyerek sistemin elektriksel çıkış büyüklüklerindeki (güç, gerilim ve frekans) değişmeler simule edilmiştir. Bütün güç üretim sistemlerinde güç kalitesi çok büyük önem arz etmektedir. Bu nedenle işletme gerilimi ve frekansı arzu edilen değer aralığında olması istenir. 4. Hibrit Güç Üretim Sisteminde Gerilim ve Frekans Kontrolü Rüzgar türbinlerinde güç çıkışı rüzgar hızındaki değişimlere göre gün boyunca değişiklik gösterir. Büyük güçlü şebekelerde rüzgar gücündeki bu değişimler ve dalgalanmalar güçlü şebeke tarafından yutulur. Bu yüzden frekans ve gerilim kontrolü ile küçük güçlü ve yalıtılmış bir şebekede üretim ve tüketim arasındaki denge korunmalıdır. Üretim ve tüketim gücü arasında denge frekans ve gerilimin önceden belirlenen alt ve üst sınır değerleri arasında tutulur. Rüzgar gücünün sürekliliği sağlanamadığından tüketim, dalgalanan rüzgar gücü ve diesel güç arasındaki güç dengesi, diesel generatör çıkış gücünü regüle ederek ya da aşırı rüzgar gücü dump yük ya da ek yüklerle regüle ederek sürdürülmelidir [12-13]. Yalıtılmış şebekelerdeki enerji üretim sistemlerinin kurulu güçleri genellikle küçük güçlü sistemlerden oluşur. Bu küçük üretim sistemleri çıkış gücünün regülasyonundaki esnekliği sağlar. Örneğin diesel generatör 2 saniyeden daha az sürede çalıştırılabilir, senkronize edilebilir ve şebekeye bağlanabilir. Bundan başka, diesel generatörün hızlı otomatik denetleyicisinin çalışması süresince şebeke frekansındaki ve gerilimindeki değişimlere tepki gösterir böylece dalgalanmalar ihmal edilebilir. Yeterli rüzgar gücünün olduğu zamanlarda elektrik şebekesi sadece rüzgar güç üretim sisteminden beslenir. Diesel güç üretim sistemi ise üretim barasından ayrılır. Bu işletme durumunda diesel güç üretim sisteminin yakıt tüketimi yoktur. Bu işletme süresinde diesel yakıttan tasarruf edilmektedir Frekans Kontrolü Şebeke frekansının kontrolü dalgalanan rüzgar gücü, dump yük/ek-yükler (elektriksel ısıtma elemanları) ve tüketici yükü arasındaki güç dengesinin hızlı kontrolü ile sürdürülür. Diesel makinanın çalıştığı periyotlarda frekans diesel makina denetleyicisi tarafından kontrol edilir. %100 RGÜS nin devrede olduğu periyotlarda frekans aşırı rüzgar enerjisi dump yük (anahtarlamalı yük) ve ek yüklerde tüketilerek kontrol edilir Gerilim Kontrolü Şebeke gerilimi kontrolü, rüzgar türbini vasıtasıyla tahrik edilen asenkron generatörün güç üretimini gerçekleştirmek için reaktif güç de sağlayan senkron generatörün otomatik gerilim regülatörü ile sağlanır. Artan yük ve azalan rüzgar gücünde, rüzgar gücü tüm tüketimi karşılayamaz. RGÜS ni destekleyen DGÜS otomatik olarak devreye alınarak artan güç talebi sağlanarak gerilim de regüle edilmiş olur. 5. Simülasyon Sonuçları Yapılan simülasyon çalışmasında, hibrit rüzgar-diesel güç üretim sisteminin elektriksel çıkış büyüklüklerinin arzu edilen değerde ve kalitede olması için klasik PID kontrolör kullanılmıştır. Klasik PID kontrolör ile her iki güç üretim sistemi için hız denetimi sağlanmıştır. Tüketici tarafından incelediğimizde, yüksek frekans ve gerilimde çalışan döner alan makinaları hissedilebilir oranda zarar görmektedir. İşletmenin izin verdiği gerilim ve frekans değerleri için tanınan tolerans sınır değerleri aşılmadan güç üretimi ve tüketimi simülasyon çalışmasında gerçekleştirilmiştir. Yapılan simülasyon çalışmasında, hibrit rüzgar-diesel güç üretim sistemini 0 kw ile 2250 kw arasında değişen tüketicinin yük taleplerini karşıladığı işletme durumlarında çıkış büyüklükleri ayrı ayrı grafiklerle elde edilebilir. Bu çalışmada fazla yer kaplamaması amacıyla üç farklı yükleme durumu için alınan simülasyon sonuçları gösterilmiştir. Rüzgar ve diesel güç üretim sistemlerinin toplam üretim gücü en az tüketim gücüne eşit olmalıdır. Yapılan simülasyon çalışması sonucunda elde edilen sonuçlarda bu durumu açık bir şekilde göstermektedir. Aşağıda verilen bağıntılarla üretim ve tüketim gücü arasındaki ilişkiler ifade edilmektedir. P üretim P tüketim (1) P rüzgar + Pdiesel Ptüketici + Psenk _ kond + Pkayiplar (2) Hibrit güç üretim sisteminin çıkış elektriksel büyüklükleri incelendiğinde işletme frekansı arzu edilen 50Hz ± %1 f işletme değerine yaklaşık 1 saniye ile 1.5 saniye arasında ulaştığı görülmüştür. Türkiye için kabul edilen işletme frekansı (f işl) 50 Hz dir. Simülasyon çalışmasında, elde edilen gerilimin değeri maksimum (peak) değerdir. Nominal gerilim değeri 400 Volt tur. Bu gerilimin maksimum değeri U max= U 2 = 400x 2=565 Volt olarak simülasyon çalışmasından elde edilmiştir. Hibrit rüzgar-diesel güç üretim sistemi sonucu elde edilen simülasyon sonuçları Şekil 3, Şekil 4 ve Şekil 5 te gösterilmiştir. Şekil 3 te ise tüketici gücü 225 kw tır. Bu yükleme durumunda 225 kw lık gücün tamamı RGÜS den karşılanmaktadır. Şekil 4 de toplam tüketici gücü 600 kw tır. Bu gücün yaklaşık 200 kw ı RGÜS den 400 kw lık bölümü ise DGÜS den karşılanmaktadır. Şekil 5 te ise toplam tüketici gücü 2100 kw tır. Bu gücün 1940 kw ı DGÜS den, geriye kalan kısmı da RGÜS den 1712

31 Yumurtacı, M., Varbak Neşe, S., Oğuz, Y. karşılanmaktadır. Neticede, tüketicinin talep ettiği güç miktarı RGÜS nin üretim gücüne eşit olana kadar DGÜS den herhangi bir güç harcaması gerçekleşmemektedir. Tüketici gücü RGÜS nin üretim gücünün üzerinde ise DGÜS den de güç harcamasında bulunur. Yapılan hibrit güç üretim sisteminin simülasyon çalışması sonucunda bu durum açık bir şekilde görülmüştür. Şekil 4. Hibrit güç üretim sisteminin 225 kw lık tüketici yükü ile yüklenmesi durumunda güç, gerilim ve frekanstaki değişim eğrileri Şekil 3. Hibrit güç üretim sisteminin 600 kw lık tüketici yükü ile yüklenmesi durumunda güç, gerilim ve frekanstaki değişim eğrileri 1713

32 Yumurtacı, M., Varbak Neşe, S., Oğuz, Y. Terminal geriliminin ve işletme frekansının arzu edilen değerde olması gücün kalitesini de ifade etmektedir. Kaynaklar Şekil 5. Hibrit güç üretim sisteminin 2100 kw lık tüketici yükü ile yüklenmesi durumunda güç, gerilim ve frekanstaki değişim eğrileri 6. Sonuçlar Yapılan çalışmada 250 kw lık RGÜS ve 2000 kw lık DGÜS den oluşan hibrit güç üretim sisteminin dinamik davranışı simülasyon çalışması ile incelenmiştir. Matlab- Simulink programında oluşturulan simülasyon çalışmasında, gerçek işletmedeki rüzgar-diesel üretim ünitelerinin dinamik davranışına çok benzer elektriksel çıkış büyüklükleri gözlemlenmiştir. Gerçekleştirilen simülasyon çalışması, hibrit rüzgar-diesel güç üretim sistemlerinde uygulanabilirliği olan farklı kontrol stratejilerinin gelişmesine yardımcı olur. Aynı zamanda güç akışı analizleri, frekans ve gerilim kontrolü rahatlıkla yapılabilir. Hibrit güç üretim sisteminin bütün elektriksel çıkış büyüklük değerleri sürekli işletme durumundaki istenilen değerelere1.5-2 saniye gibi zaman aralığında oturmuşlardır. Hibrit güç üretim sisteminden elde edilen faz-nötr gerilimin maksimum değeri yaklaşık 326 Volt ve sinüzoidal biçimdedir. İşletme frekansı ise izin verilen tolerans sınırlar dahilinde 50Hz ±%1 f işl gerçekleşmiştir. [1] Elhadidy, M.A. and Shaahid, S.M., Decentralized/stand-alone Hybrid Wind-Diesel Power Systems to Meet Residential Loads of Hot Coastal Regions, Energy Conversion and Management, vol.46, pp ,2005. [2] Bialasiewicz, J.T., Muljadi, E., Drouilhet, S., Nix, G., Hybrid Power Systems with Diesel and Wind Turbine Generation, Proceedings of the American Control Conference, Haziran, vol.3, pp , [3] Valenciaga, F., Puleston, P.F., Battaiotto, P.E., Power Control of a Solar/Wind Generation System Without Wind Measurement: A Passivity/Sliding Mode Approach, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol.18, no.4, pp , [4] Bialasiewicz, J.T., Muljadi, E., Drouilhet, S., Nix, G., Modular Simulation of a Hybrid Power Systems with Diesel and Wind Turbine Generation, Windpower 98, 27 Nisan-1 Mayıs, Bakersfield, CA, [5] Mufti, M.D., Balasubramanian, R., Tripathy, S.C., Self tuning control of wind-diesel power systems, Power Electronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth Conference, 8-11 Haziran, vol.1, pp , [6] Chedid, R.B., Karaki, S.H., El-Chamali, C., Adaptive Fuzzy Control for Wind-Diesel Weak Power Systems, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol.15, no.1, pp.71-77, [7] Bowen, A.J., Cowie, M., Zakay, N., The performance of a remote wind-diesel power system, Renewable Energy, vol.22, pp , [8] Ko, H.S., Njimura, T., Lee, K.Y., An Intelligent Controller for a Remote Wind-Diesel Power System- Design and Dynamic Performance Analysis, [9] Kaldellis, J.K., An integrated model for performance simulation of hybrid wind-diesel systems, Renewable Energy, vol.32, pp , [10] Ko, H.S., Lee, K.Y., Kang, M.J., Kim, H.C., Power quality control of an autonomous wind-diesel power system based on hybrid intelligent controller, Neural Networks, vol.21, pp , [11] M.A. Elhadidy, S.M. Shaahid, Decentralized/standalone hybrid Wind Diesel power systems to meet residential loads of hot coastal regions, Energy Conversion and Management, Volume 46, Issues 15-16, September 2005, Pages [12] T. S. Bhatti, A. A. F. Al-Ademi and N. K. Bansal, Load frequency control of isolated wind diesel hybrid power systems, Energy Conversion and Management, Volume 38, Issue 9, June 1997, Pages [13] Thanaa F. El-Shater a ; Mona N. Eskander a ; Mohsen T. El-Hagry, Energy flow and management of a hybrid wind/pv/fuel cell generation system, International Journal of Sustainable Energy, Volume 25, Issue 2 June 2006, pages

33 5 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 09), May 13-15, 2009, Karabuk, Turkey WIND ENERGY POTENTIAL IN TURKEY AND CASE STUDY OF THREE PROJECTS Çetin GENÇER a, * Sibel AKKAYA b Serkan GÜRKAN c a, * Faculty of Technical Education, Firat University, Elazig, Turkey, b Faculty of Technical Education, Firat University, Elazig, Turkey, c Turkish Army Forces NCO Professional School, Balıkesir, Turkey, Abstract Renewable energy is accepted as a key source for the future, not only for Turkey, but also for the world. Turkey has a considerably high level of renewable energy resources that can be a part of the total energy network in the country. In particular, wind energy has received a lot of attention lately in world and Turkey as one of the most promising and economically feasible technologies for clean power generation. Taking into account the present applications, it may be concluded that wind energy in Turkey is a promising alternative. As the public recognizes the projects, the progress will continue. This study supplies brief sector information and investigates investment possibility of chosen three different sites in Turkey. It is calculated that a minimum of MWh/year wind can be generated in those sites. Key Words: Renewable energy, wind energy, power generation, wind turbine. 1. Introduction Energy demand is increasing rapidly in developing countries at a rate which is highly coupled to economic growth. If things continue at current rate; many developing countries would suffer major constrains of energy demand security. The inadequate access of energy sources is a major challenge to development process in many developing countries [1]. Therefore the energy sources are vital. The current increase in interest in the renewable sector relates to its privileged position in the energyenvironment relation since it is seen as a solution, albeit on a partial and contributory basis. Three core dilemmas faced by contemporary societies are the provision of energy supply, the assurance of energy security and the reduction of environmental externalities, notably atmospheric emissions [2-4]. Renewable energy sources are abundant worldwide. It is estimated that 1000 times more energy reaches the surface of the earth from the sun than is released today by all fossil fuels consumed [5]. Wind energy is one of the most prominent renewable sources. It was used in the past for turning windmills and pumping water but was superseded by the use of petroleum. Recently, wind energy became popular again as it was in the past as a clean energy source. Wind energy was the fastest growing energy technology in the 90s [6, 7]. The countries with the highest total installed capacity are Germany ( MW), Spain ( MW), the USA (9149 MW), and India (4430 MW). India overtook Denmark (3122 MW) to become the fourth largest wind market in the world. A number of other countries, including Italy, the UK, the Netherlands, China, Japan and Portugal, have reached 1000 MW (The 1000 MW mark is often said to be critical for sustained market growth). In terms of new installed capacity in 2005, the USA came top with 2431 MW, followed by Germany (1808 MW), Spain (1764 MW), India (1430 MW), followed by new players Portugal (500 MW) and China (498 MW). Europe is still leading the global market with over MW of installed capacity. Asia has also experienced strong growth; over 49% of installed capacity, accounting for 20% of new installations in The strongest market expansion occurs in India. The Chinese market has been boosted in anticipation of the country s new Renewable Energy Law, which entered into force on 1 January 2006 [8]. Turkey has also recently enacted its first renewable energy law, namely Law No Concerning the Use of Renewable Energy Resources for the Generation of Electrical Energy which entered into force on 18 May 2005 [9]. The new era for Turkish wind energy has been heralded by an expanding economy s demand for power. Demand has been growing nearly 9% each year, making it essential that Turkey harnesses all the resources available. Before an investment in wind turbines takes place a feasibility study should be carried out, which gives information to potential investors about costs and economical aspects of a planned wind energy project [10]. Accurate, properly designed measurements are extremely valuable, if they are available in time to support decisions. A lot of money is wasted when decisions are made without information. The main purpose of this paper is to examine wind power potential sites in Turkey. The paper also will present a preliminary examination of wind power potential of three sites located in Çanakkale, Balıkesir and Manisa districts in Turkey. 2. Wind Energy Potential in Turkey and Current Status Due to its geographic position Turkey is under the influence of different air masses that give rise to potential wind energy generation possibilities in different areas. Especially, northerly winds over the Balkan Peninsula and Black Sea provide strong winds during the winter period. However, the geomorphologic surface features shape the particular locations of the wind power generation sites. For instance, along the Black Sea coast, locations with flat hinterland coasts are the most suitable areas for the sitting of wind turbines. Unfortunately, most of the Black Sea coast is composed of sudden hills, escarpments and cliffs IATS 09, Karabük University, Karabük, Turkey 1715

34 Gençer, Ç., Akkaya, S. and Gürkan, S. in the hinterland that prevent possible wind generation potential areas [11]. The most attractive sites are the Marmara Sea region, Mediterranean Coast, Agean Sea Coast, and the Anatolia inland [12, 13]. The highest wind speed values given in the literature are m/s in Bandırma, m/s in Bozcaada, 6.4 m/s in Karaburun and Karabiga 7.1 m/s in Nurdağı, 7 m/s in Senköy. While the average density of wind power is below the 40 W/m 2 in 89.3% of Turkey s total domain, it is over 40 W/m 2 in 10.7% and it exceeds 100 W/m 2 in 0.8%. There are also some regions of Turkey where average density of wind power reaches W/m 2 level [14, 15]. The wind energy potential of Turkey over various regions shown in Table 1. Table 1. Wind energy potential of turkey over various regions [16]. Region Annual average wind density speed (W/m 2 ) Mediterranean region Middle Anatolia region Aegean region Black Sea region Eastern Anatolia region South-Eastern Anatolia region Marmara region Turkey has a considerable potential for electricity generation from wind. A study carried out in 2002 concluded that Turkey has a theoretical wind energy potential of nearly MW and an economical wind energy potential of about MW [17, 18]. Although Turkey has large amount of wind potential, the installed wind energy capacity is only MW at present. The first Turkish wind turbine was constructed in Çeşme at the Golden Dolphin Hotel by Vestas in 1985 (55 kw), the development of modern Turkish wind power engineering began from 21st of November 1998 when the first 3 Enercon E-40 wind turbines of 500 kw each began to operate at Alaçatı, Izmir and established power is 1.5 MW. The first Build-Operate-Transfer model power plant in Turkey which was established by utilising wind energy is the one which was opened to operate on 28th November 1998, in Alaçatı, Çeşme. Total installed power is 7.2 MW and it consists of 12 turbines. The third wind farm in Turkey which had a capacity of 10.2 MW commissioned in June 2000, in Bozcaada and 17 wind turbines which have a power of 600 kw [19-21]. In Bandırma, a wind power station with a power of 30 MW also started to be operated in 2006 [22]. There are 7 wind power plants under operation in Turkey and can be seen in Table 2. Table 2. Wind power plants (WPP) in Turkey. Name Location Capacity (MW) Ares WPP Cesme/IZMIR 7.2 Delta WPP Cesme/IZMIR 1.5 Sunjit WPP Hadimkoy/ISTANBUL 1.2 Bores WPP Bozcaada/CANAKKALE 10.5 Bares WPP Bandirma/ BALIKESIR 30.0 Tepe WPP Silivri/ISTANBUL 0.85 Mazi WPP Çeşme-IZMİR TOTAL The environmental impacts of wind energy production include site selection of the wind turbines in or near the flyways of migrating birds and wildlife refuges, electromagnetic interference with television and radio signals within 2 3 km of large installations, and noise of rotating blades [23]. Wind farms should be located away from wildlife refuges and residential areas. Since the turbines themselves occupy only approximately 2% of the area, most of the land can be used for a type of farming such as vegetables, nursery stock, and cattle that is practical without the use of the heavy equipment between the turbines [24]. 3. Data and Methodology This paper analyses the sites from Çanakkale, Balıkesir and Manisa. The wind measurements contain average speed, the standard deviation, the atmospheric pressure and the average temperature data. The height of the measurements 30 m and hourly averaged frequency is applied. Table 3 shows summary of used data. Location Tablo 3. Summary data used in the paper. Annual average wind speed (m/s) Standart deviation Average pressure (kpa) Annual average temperature ( C) Çanakkale Balıkesir Manisa As shown in the table, it can be said that the site in Çanakkale has the highest wind potential, because, among the studied data, the highest wind speed (7.92 m/s) belongs to the site in Çanakkale. As the lowest wind speed (6.34 m/s) was measured in Manisa, it can be said that this site has the lowest wind power potential. With respect to the wind speed time series and the wind rose in these sites are shown in the figures below. The time series of the wind speed in the site can be seen in Figure 1. Wind Speed (m/s) Number of Observation Figure 1. Balıkesir wind speed time series. The wind rose of the same site can be seen in Figure 2.As it can be seen, the dominant wind direction is north-west. 1716

35 Gençer, Ç., Akkaya, S. and Gürkan, S Figure 2. Balıkesir wind rose at 30 m. The time series of the wind speed for Çanakkale site is can be seen in Figure 3. Wind Speed (m/s) Number of Observation Figure 3. Çanakkale wind speed time series. The wind rose of Çanakkale site shown in Figure 4. As it can be seen, the wind has blown more often towards north-west and south-east Figure 4. Çanakkale wind rose at 30 m. The time series of the wind speed of the site in Manisa which is the third site which was studied in the study is given in Figure 5. Wind Speedı (m/s) Number of Observation Figure 5. Manisa wind speed time series. The wind rose of the site in Manisa can be seen in Figure 6.Similar to the site in Çanakkale, the dominant wind directions are north-west and south-east. Figure 6. Manisa wind rose at 30 m. The wind turbine which was studied is the one which belonged to Suzlon Energy in India and 1 MW machine. The characteristic features of this turbine are shown in Table 4. Table 4. Wind turbine characteristics. Rated power (kw) 1000 Hub height (m) 65 Rotor diameter (m) 60 Swept area (m 2 ) 2826 Power curve of wind turbine shown in Table 5. Wind speed (m/s) Table 5. Power curves. Power output (kw) Wind speed (m/s) Power output (kw) Internationally recognized RETScreen program has been used for the financial analysis of the wind power plant projects in the sites [25]. Inputting the necessary data, some results can be reached for the application. The values in Table 6 have been found with respect to the wind data and the wind turbine values which were input into RETScreen program. Although there is a great deal of output data as a result of this application, the results related to the three most effective decision criteria has given. 20 MW installed capacity for each site is considered. Here it s especially focused on the annual energy production, capacity factor and the internal rate of return (IRR).When the values in the table are studied, it can easily be understood that the project site in Çanakkale is most suitable. The site in Balıkesir is the second best and the site in Manisa, which was last studied, is the least suitable. Location Table 6. Summary of results. Annual energy production (MWh) Capacity factor (%) Internal Rate of Return- IRR (%) Çanakkale

36 Gençer, Ç., Akkaya, S. and Gürkan, S. Balıkesir Manisa As it can be seen in Table 6, with an annual energy production of MWh, Çanakkale is the most suitable site for the application of the project. As for the wind electricity power stations in these three sites which were studied in this study, the total investment expense and the financial values of this investment below have been found.the total value has been found as USD. An important point to take into consideration here is that the price of the wind turbine used is neither the price in January 2007 nor the price which is specially determined for the project, but the price in the schedule of prices. Table 7. Total project cost and breakdown. Description Amount (USD) Wind turbine (spare parts transportation) Civil works Other equipment (Balance of Plant-BoP) (Transformer, switchgear, cables, etc) Project development Engineering Unforeseen Total Conclusions Depending on the increase of the technological developments, the consumption of energy has also increased. Conventional sources are being used to a great extent in order to meet energy need. This causes a decrease in the resources in time. In addition, the use of these sources causes environmental damage. In so doing, recently, there has been a serious tendency to use renewable energy sources. Because of its geographical location, Turkey has lots of energy types. Among these sources, wind energy has an important place. With respect to the wind data which belongs to the three sites in Balıkesir, Çanakkale and Manisa; by analysing with the help of RETScreen program, which is commonly and internationally used, some results related to the wind electricity power stations which can be established in these sites have been reached. According to this, among the studied site with its annual energy production of MWh, the site in Çanakkale is the most suitable one with respect to the current market. Secondly, the sşte in Balıkesir, with its annual energy production of MWh, is a suitable project. Lastly, it can be decided that the site in Manisa, with its annual energy production of MWh, is also a suitable site for the project. References [1] Khatib, H., Renewable energy in developing countries, Conference Publication, IEEE, 385, 1-7,1993. [2] Szarka, J., Wind power policy learning and paradigm change, Energy Policy, 34, , [3] Bull, S.R., Renewable Energy today and tomorrow, Proceedings of IEEE, 89, , [4] Dincer, I., Renewable energy and sustainable development: A crucial review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 4, , [5] H. Chum., Two decades of progress in research, development, and commercialization of renewable energy, In The Enduring Nuclear Fuel Cycle, C. E. Walter, Ed: Amer. Nuclear Soc. Winter Meeting, [6] Karsli, V. and Gecit, C., An investigation on wind power potential of Nurdağı-Gaziantep, Renewable Energy, 28, , [7] Ackermann, T., Lutz, R. and Hobohm, J., Worldwide offshore wind potential and European projects, Proceedings of the IEEE, 89, , [8] Jacob, A., Another record year for wind energy, Reinforced plastics, 50 (4), 26-27, [9] Law No. 5346: Concerning the Use of Renewable Energy Resources for Generation of Electrical Energy. [10] Noll EM, Wind/Solar Energy , 45 96, [11] Durak, M. and Sen, S., Wind power potential in Turkey and Akhisar Case Study, Renewable Energy, 25 (3), , [12] Bilgen, S., Keleş, S., Kaygusuz, A., Sarı, A., Kaygusuz, K., Global warming and renewable energy sources for sustainable development: A Case Study in Turkey, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 361, 1-25, [13] Incecik, S. and Erdogmus, F., An Investigation of wind power potential in western cost of Anatolia, Renewable Energy, 6, , [14] Aras, H., Wind Energy Status and its assessment in Turkey, Renewable Energy, 28, , [15] Sen, Z. and Sahin, A.D., Regional wind energy evaluation in some parts of Turkey. Journal of Wind Engineer and Industrial Aerodyn, 37 (7), , [16] Hepbaslı, A., Ozdamar, A. and Ozalp, N., Present status and potential of renewable energy sources in Turkey. Energy Source, 23(7), , [17] Ozerdem, B., Ozer, S. and Tosun, M., Feasibilitty of wind Farms: A Case study for Izmir, Turkey, Journal Of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 94, , [18] Ozgener, O., A Small wind turbine system (SWTS) application and its performance analysis, Energy Conversion and Management, 47, , [19] Kenisarin, M., Karsli, V.M. ve Caglar, M., Wind power engineering in the world and perspectives of its development in Turkey, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 10 (4), , [20] Demirbas, A., Turkey s renewable energy facilities in the near future, Energy Sources, 28, , [21] Kaygusuz, K. and Kaygusuz, A., Renewable energy and sustainable development in Turkey. Renewable Energy, 25, , [22] Akkaya, S. and Gencer, C.,Türkiye de rüzgar enerjisi projelerinin son durumu, 3e Electrotech Rewiev 2007 in Turkey, 154, , [23] Keller, J., The Environmental impacts of wind energy developments, Town Plann Review, 91, , [24] Evrendilek, F. and Ertekin, C., Assessing the potential of renewable energy sources in Turkey, Renewable Energy, 28, , [25] RETscreen software 1718

37 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye BATMAN İLİNİN DOĞAL GAZ TAHMİNİ TÜKETİMİNİN MATEMATİKSEL YÖNTEMLERLE MODELLENMESİ MATHEMATICAL MODELING FOR FORECASTING NATURAL GAS CONSUMPTION IN BATMAN CITY Fevzi YAŞAR a,, Hüseyin AYDIN b *, Aliosman EROL c ve Özlem BEZEK d a, Batman Üniversitesi Meslek Yüksekokulu, Batman,Türkiye, b* Batman Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Batman, Türkiye, c Batman TPAO, Bakım Onarım Müdürlüğü, Batman, Türkiye, d Batman Üniversitesi Sağlık Meslek Yüksekokulu, Batman, Türkiye, Özet Batman ilimizde sanayi tesislerinin emisyonları, motorlu taşıtların egzoz emisyonları ve özellikle kışın ısınma amaçlı kullanılan yakıtların yanması sonucu önemli ölçüde hava kirliliği oluşmaktadır. Bu çalışma, Batman ili için önümüzdeki yıllarda uygulanması planlanan doğal gaz ile ısınma ve enerji kaynağının gerekliliğini belirlemek için yapılan bir matematiksel ve istatistiksel modelinin oluşturulmasını içermektedir. Çok değişkenli regresyon analizi kullanarak geliştirilen modellerde önceki senelerin rakamsal verilerine dayalı doğal gaz tüketimi tahmini için model oluşturulmuştur. Çalışmada, Batman için en uygun model oluşturulduktan sonra önümüzdeki 1,5 yıl için, doğal gaz tüketim tahmini yapılmıştır. Sonuç olarak Batman ilinde kullanılması planlanan doğal gaz tüketimini görebileceğimiz bir matematiksel denklem elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Doğal Gaz; Batman; Kirlilik; Emisyon; Abstract The air pollution in Batman city has become a major problem since emissions of industrial power plants; vehicle engines and especially heating are significantly increased. This study deals with forecasting the natural gas consumption with probable implementation in Batman city for next 16 months and contains a statistical model. The factors affecting gas demand are explained by using multivariable regression analysis. The data relating analysis are collected from value of different 1000 homes in Batman city. After a statistical demand model was developed in this study for forecasting the gas consumption. Finally at the end of the study an equation was gained for forecasting natural gas demand in next years for Batman city. Keywords: Natural Gas; Batman; Pollution; Emission 1.Giriş Modern yaşamın getirdiği en önemli sorunlardan biri de hava kirliliğidir. Hava kirliliğinin küresel etkilerinin yanı sıra yerel ölçekte, ihtiva ettiği SO 2, Partiküller madde (PM), CO, Ozon ve NO x gibi kirleticiler ile canlı yaşamı üzerinde olumsuz etkiler meydana getirmektedir. Hava kirliliğinin ana kaynağı yanma olayları olup genel olarak; kalitesiz yakıtların ısıtmada kullandığı konutlardan, çeşitli endüstriyel tesislerden, motorlu araçlardan ve atmosferik şartlardan kaynaklanmaktadır. Ülkemizde kömür rezervlerinin zengin olmasına rağmen düşük vasıflı olması ve hiçbir iyileştirme işlemi yapılmadan kullanılması bunun yanında yakma tekniklerine uygun olmayan yöntemlerle sanayide ve konutlarda yakılması, hava kirliliğinin en önemli sebeplerinden birini oluşturmaktadır. Bununla beraber fueloil gibi petrol türevi yakıtların enerji ve ısınma talebini karşılamakta çok miktarda kullanılması da hava kirliliğinin başlıca nedenlerinden biridir. Bu nedenle gerek konutlarda gerekse sanayide hava kirliliği açısından olumsuz etkileri daha az olan alternatif enerji kaynaklarının kullanılması gün geçtikçe artmaktadır. Bu yeni kaynakların en önemlilerinden biride daha az kirletici özelliğe sahip doğal gazdır. Partikül madde emisyonunun, önemli ölçüde kış aylarında ısınmada kullanılan ısıl değeri düşük, kükürt, uçucu madde ve kül oranı yüksek kalitesiz katı yakıtların yanması sonucunda meydana geldiği belirtilen bir araştırmada, ısınma amacı ile kurulan soba ve kazan bacalarının yılda en az bir defa temizlenmediğinde önemli miktarda partikül madde emisyonuna neden olduğu ifade edilmiştir. Araştırmada, partikül madde kirliliği bakımından hava kirliliğinin en yoğun olduğu ilin Denizli olduğu belirtilirken, Denizli'yi Batman, Konya, Kütahya, Karabük, Kahramanmaraş, Van ve Erzurum'un izlediği bildirilmiştir[1]. Günümüzde dünyanın enerji talebinin %85 kadarı fosil yakıtlardan geri kalan %15 i ise hidrolik, nükleer ve diğer yenilenebilir enerji kaynakları tarafından karşılanmaktadır. Halen hidrolik dışındaki yenilebilir enerji kaynaklarından yakın bir gelecekte daha önemli bir katkı beklenmektedir. Tablo 1 de dünyanın geçmişteki enerji tüketiminde kaynakların rolü ile gelecekteki kaynaklara göre enerji arzı tahminleri verilmiştir. Tablo 1 incelendiğinde Doğal gazın 1980 deki payının %17 ye çıktığı; bu payın yaklaşık olarak değerini muhafaza edeceği görülmektedir. Ülkemizde doğal gaz tüketimi gün geçtikçe artmaktadır. Bu durum son zamanlarda yayımlanan ilgili kuruluşların raporlarından da görülebilmektedir. Bunun başlıca sebepleri doğal gazın çevre için kirletici özeliğinin az olması, kullanımının rahat olması ve diğer yakıtlara nazaran ekonomik olmasıdır. Doğal gaz talebinin ülkemizde önümüzdeki yıllarda da artması beklenmektedir[4]. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1719

38 Yaşar, F., Aydın, H., Erol, A.O. ve Bezek, Ö Çizelge 1. Kaynaklara Göre Dünya Enerji Arzı Tahminleri [3] TEP % 10 9 TEP % 10 9 TEP % 10 9 TEP % Kömür Petrol Doğal gaz Hidrolik Nükleer Ticari olmayan Yeni Enerji Toplam Batman ve çevresinde doğal gaz çoğunlukla konut ve işyerlerinde ısınma amaçlı olarak kullanılması beklenmektedir. Ayrıca Batman da bulunan küçük ve büyük sanayi kuruluşlarının da endüstriyel kazan sistemleri ve ısınma sistemlerinin de doğal gazın kullanılması beklenmektedir. Batman kentinin sosyal ekonomik koşulları göz önünde bulundurulduğunda kentin sürekli olarak göç alması dolayısıyla tüketici sayısı önemli bir değişkendir. Ancak daha önceden doğal gaz kullanımı olmadığı için belirli bir sayıda konutun incelenmesi ile model geliştirilmeye çalışılmıştır. Diğer taraftan kent halkının ekonomik koşulları göz önüne alındığında döviz kuru ile doğal gaz fiyatını etkileyeceğinden, tüketimi de doğrudan etkilemektedir. Dolayısı ile doğal gaz fiyatı ve döviz kuru da modelimize bağımsız değişkenler olarak girmiştir[3, 6, 7]. Bununla beraber mevsimlere göre ortalama sıcaklık dağılımı da doğal gaz tüketimini doğrudan etkileyeceğinden modelde değişken olarak ele alınmıştır. sayısı ve gaz fiyatı da arz talep dengesini açıklaması açısından modelimize değişken olarak girmiştir. Ancak tüketici sayısı belirli bir kuruluş tarafından denetim altında olmayışı nedeniyle net olarak bilinememektedir. Bundan dolayı modelimizde kullanıcı sayısı olarak 1000 eşdeğer konut sayısı üzerinden sabit bir değer ile göz önünde bulundurulacaktır. Ayrıca gaz tüketim miktarı şu an Batman kentinde doğal gaz tüketimi olmadığından ve çoğunlukla ısınma ve endüstriyel amaçla yakıt olarak fueloil kullanıldığından dolayı fueloil in yakıt eşdeğeri olarak doğal gaza çevrilmiş değerleri modelimizde değişken olarak kullanılmıştır. Son değişken olarak ta, ülkemize gelen doğal gazın çoğunluğu yurt dışından döviz olarak satın alındığından, döviz kuru da halkın alım gücünü göstermesi nedeni ile modelimizde değişken olarak seçilmiştir. Modelimizde en önemli değişken olarak karşımıza çıkan hava sıcaklığı meteoroloji müdürlüğünün verilerinden yola çıkılarak yıllık ortalama sıcaklık dağılımı tahmini Şekil 1 deki gibi yapılmıştır[5]. Yukarıda açıklandığı gibi modelin geliştirilmesinde bağımsız değişkenlerin birden fazla olduğundan çoklu regresyon analizi kullanılmıştır. Modelin geliştirilmesinde verilerin çeşitliliğinden dolayı bir bilgisayar programı olan Minitab istatistik programı kullanılmıştır[7]. 2. Materyal ve metot sıcaklık Bir bağımlı değişken ve X 1, X 2, X 3 gibi bağımsız değişkenler olmak üzere; değişkenler arasındaki sebep sonuç ilişkisini matematiksel bir denklem olarak modelleyen yönteme çoklu regresyon analizi adı verilir. Bir bağımlı değişken ile bu değişkenin değişimi üzerinde etkide bulunan bağımsız değişken arasındaki ilişkin düzeyini belirleyen yönteme korelasyon analizi denmektedir[2]. Çoklu regresyon analizi; Y= b 0 + b 1x 1 + b 2x 2 +.+b px p [2] Sıcaklık ( o C) Haz-08 Ara-08 Tem-09 Oca-10 Ağu-10 Aylar Biçiminde ele alınan bir doğrusal modelde parametre tahmini yapmayı amaçlar. Bundan dolayı analizde açıklanan değişkeni daha iyi tahmin ettirecek açıklayıcı değişkenlerin modele seçilmesi ve kötü tahmin ettirecek açıklayıcı değişkenlerin modelden çıkarılması gerekmektedir[2,3]. Doğal gaz tüketimi büyük çoğunlukla kışın kullanılacağından hava sıcaklığı gaz tüketimini etkileyecek en önemli bir faktör olarak karşımıza çıkmaktadır [2,3]. Bununla birlikte doğal gaz tüketimi üzerinde kullanıcı konut Şekil 1. Sıcaklığın aylara göre değişimi tahmini Diğer bir değişken olan döviz kurunda bu çalışma süresince incelendiğinde çok fazla bir şekilde dalgalanma görülmediği ama çalışmanın son aylarındaki aşırı dalgalanma neticesinde yaklaşık olarak %20 bir artış oluştuğu gözlenmiştir[6]. Buna bağlı olarak bu dalgalanma gaz satış fiyatına da artış olarak yansımaktadır. Dövizdeki aşırı dalgalanmalar gaz satış fiyatını da ekileceğinden 1720

39 Yaşar, F., Aydın, H., Erol, A.O. ve Bezek, Ö. tüketim miktarında bir düşüş olması gözlenebilecektir. Bunun başlıca nedeni halkın alım gücünün düşük olmasıdır. Bundan dolayı ısınma amaçlı olarak kullanılan yakıtlar içerisinde kömüre yönelme görülebilir. Ancak model oluşturulurken iyimser senaryolar göz önüne alınmıştır. Son değişken olarak Batman da gaz satış fiyatı oluşturmak için Ankara da doğal gaz dağıtım şirketi tarafından uygulanan fiyatlar temel alınmıştır[6]. Çünkü doğal gaz çoğunlukla ithal bir yakıt türü olduğu için ülke içerisinde hemen her yerde paralel bir fiyattan satışa sunulmaktadır. Sonuç olarak gaz tüketim modelini açıklayan değişkenler olarak; aylık sıcaklık değişimi, gaz satış fiyatı ve döviz kuru modelimize alınmıştır. 3. Modelin geliştirilmesi Model son 16 ay içerisinde elde edilen veriler kullanılarak geliştirilmiştir. tm = b 0+b 1*dk + b 2 gsf + b 3*t TM = ,25*DK - 0,03*GSF - 20,2*T (1) Burada; TM: tüketim miktarı DK: döviz kuru T: sıcaklık GSF: gaz satış fiyatı miktarının belirlenmesinde tüketimindeki değişimlerin yüzde 73,9 nun regresyon ile açıklandığını geriye kalan yüzde 26,1 lik kısmın ise diğer faktörlerden kaynaklandığını göstermektedir. Tüketici sayısının tüm Batman genelinde ele alınamayıp sadece 1000 eşdeğer konut sayısı gibi belirli bir tüketici sayısının tüketimlerinin incelenmesi başlıca nedendir. Diğer bir faktör de incelenme zamanının kısıtlılığından dolayıdır. Model oluşturulurken son iki yıl içerisinde on yedi ayın tüketimleri ele alınmasından kaynaklanmaktadır. On yıllık bir geçmiş zaman değerleri kullanarak yapılan modellerde verilerin çokluğundan dolayı tutarlılık oranı artmaktadır. Modelin oluşturulması ile elde edilen tahmini tüketim verileri Tablo 2 de gösterilmektedir. Bu tablodaki doğal gaz tüketim miktarı 1000 eşdeğer konutun toplam bir günlük ortalama tüketimidir. Bu tüketim miktarlarının eşdeğer konut sayısına göre günlük ortalama tüketimleri hesaplanmıştır. Sıcaklık değişiminin etkinliği modelde görülebilmektedir. Hava sıcaklılarının yüksek olduğu dönemlerde doğal gaz tüketiminde önemli düşüşler olduğu görülebilmektedir. Sıcaklık ile tüketim miktarı arasındaki ilişkiyi şekil 4 te görülmektedir. Modelde bulunan katsayılara göre açıklanan değişken ile açıklayıcı değişkenler arasındaki bağıntının istatistiksel açıdan anlamlılığını sınamak için gereken regresyon katsayısı R 2 görüldüğü gibi % 73,9 dur. Bu değer bize şunu açıklamaktadır. Modelimizdeki verilere dayanarak tüketim Çizelge 2. Modelin oluşturulması ile elde edilen tahmini tüketim verileri Tüketilen Döviz kuru (TL) Gaz satış fiyatı(tl) Tüketici sayısı (konut eşdeğeri) Ortalama Sıcaklık ( C 0 ) gaz miktarı (m3 /gün (1000 konut için ortalama ) Oca.09 1,57 0, , Şub.09 1,56 0, , Mar.09 1,655 0, , Nis.09 1,665 0, , May.09 1,68 0, Haz.09 1,65 0, , Tem.09 1,655 0, , Ağu.09 1,66 0, , Eyl.09 1,655 0, , Eki.09 1,655 0, , Kas.09 1,657 0, , Ara.09 1,66 0, , Oca.10 1,633 0, , Şub.10 1,64 0, , Mar.10 1,635 0, , Nis.10 1,638 0, ,

40 Yaşar, F., Aydın, H., Erol, A.O. ve Bezek, Ö S ıc a k lık ( o C * 1 0 ) T ü k e tile n G a z M ik t a r ı(m 3 * 1 0 /G ü n ) Sıcaklık Tüketilen Gaz Miktarı Aylar Analysis of Variance Source DF SS MS F P Regression , 26 0,000 Residual Error Total Source DF Seq SS dk gsf t Unusual Observations Obs dk tm Fit SE Fit Residual St Resid , , 6 59, 0 284, 4 2,16R R denotes an observation with a large standardized residual. Correlations: t; tm Pearson correlation of t and tm = -0,834 P-Value = 0,000 Şekil 4. sıcaklık ile doğal gaz tüketimi arasındaki ilişki 4. Sonuçlar Bu çalışmada Batman da önümüzdeki yıllarda kullanılması planlanan doğal gaz için tüketim tahmini bir bilgisayar istatistik programı olan Minitab kullanarak yapılmıştır. Bu tüketim tahminini yaparken bir istatistik analizi olan birden fazla değişkene bağlı olan çoklu regresyon analizi ile bir denklem elde edilmiştir. Çalışma Batman ilinde son 16 ay içerisinde 1000 eşdeğer konut sayısı üzerinde yapılan tahmine dayanmaktadır. Yukarıda elde edilen denklemler ile doğal gaz tüketimini hata payları içerisinde tahmini değerler verebileceği düşünülmektedir. Bu çalışmanın sadece 1000 eşdeğer konut sayısı üzerinden yapılması hata payını da yükseltmektedir. Bunlara rağmen yüzde 73,9 gibi güvenirlilik vermesi iyi değişkenlerin oluşturulduğunu göstermektedir. Elde edilen bu denklem ile Batman ilinde yapılması planlanan doğal gaz dağıtım çalışmalarında tahmini ve istatistiksel olarak yatırım açısından fikir verebilir. Ayrıca doğal gazın gelmesi düşünülen 2009 ve 2010 yılları için tahmini tüketim değerleri elde edilebilir. Model için minitab programından çıkan sonuçlar Regression Analysis: tm versus dk; gsf; t The regression equation is tm = ,25 dk - 0,03 gsf - 20,2 t Correlations: t; tm; dk; gsf t tm dk tm -0,834 0,000 dk 0,381-0,511 0,131 0,036 gsf -0,170 0,027 0,432 0,513 0,918 0,084 Cell Contents: Pearson correlation P-Value Kaynaklar [1] Öztürk, M. Partikül Madde Kirliliği'nin İnsan Sağlığı Üzerine Etkisi, [2] Gümrah, F. Çobanoğlu, M. ve Özsavaşçı, E. Ankara için doğalgaz tüketiminin projeksiyonu çalışması, 8. Petrol ve doğal gaz kongresi bildiriler kitabı, pp:70 82 [3] TÜBİTAK, Bilim ve Teknoloji Dergisi, Cilt:3, Sayı:35, Kasım,1994 [4] Görücü, F.B., Gümrah, F., Doğal Gaz Tüketiminin İstatiksel Yöntemlerle Modellenmesi, 14.Petrol ve doğal gaz kongresi bildiriler kitabı, pp: [5] Türkiye Cumhuriyeti Merkez Bankası web sayfası [6] Türkiye Boru Hatları Petrol Taşıma AŞ. Web sayfası ve Ankara doğal gaz dağıtım şirketi EGO web sayfası [7] Özdamar, K. Minitab ve SPSS ile İstatistik, 1 Bölüm 1 16, 4.Baskı 2002 Predictor Coef SE Coef T P Constant ,52 0,025 dk -1,247 1,017-1,23 0,242 gsf -0,027 1,341-0,02 0,984 t -20,190 4,515-4, 47 0,001 S = 144,453 R-Sq = 73, 9% R-Sq (adj) = 67, 9% 1722

41 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye BATI KARADENİZ SULARI HAVZASINDAKİ YÜZEY SUYU KALİTESİ PARAMETRELERİNDEKİ DEĞİŞİMİN İNCELENMESİ VE CLUSTER ANALİZİ İLE İSTASYONLARIN SINIFLANDIRILMASI INVESTIGATION OF VARIATION OF SURFACE WATER QUALITY PARAMETERS IN WESTERN BLACK SEA BASIN AND CLASSIFICATION OF STATIONS USING CLUSTER ANALYSIS Volkan YILMAZ a ve Meral BÜYÜKYILDIZ b,* a, Selçuk Ü. Müh. Mim. Fak., Konya, Türkiye, E-posta: b * Selçuk Ü. Müh. Mim. Fak. Konya, Türkiye, E-posta: Özet Ülkemizin su kaynaklarının geliştirilip çok iyi korunması büyük önem taşımakta olup, son yıllarda su kalitesi gözlemleri, çevre ve su kirliliği üzerindeki yoğun endişeler üzerine daha da önem kazanmaktadır. Nehir suyu kalite gözlem programlarının en önemli amacı, kirlilik kaynaklarındaki/seviyelerindeki değişimleri ve su kalitesini etkileyen faktörleri belirlemek, modelleme yapmak, ileriye yönelik tahminlerde bulunmak ve sağlıklı bir izleme sistemi oluşturmaktır. Su kalitesi izleme çalışmalarında doğru parametrelerin seçimi, gözlemleme programının teknik ve mali fizibilitesinin önemli bir ayağını oluşturmaktadır. Parametrelerin seçimi, gözlemleme programının amacına bağlı olarak önem kazanır. Bu çalışmada Batı Karadeniz Havzasında Elektrik İşleri Etüt İdaresi (EİE) tarafından işletilen 6 adet yüzey suyu kalitesi gözlem istasyonuna ait 14 tane parametre (debi, su sıcaklığı, ph, EC (x10 6 ), Na +, K +, Ca ++ + Mg ++, CO -- 3, HCO - 3, Cl -, SO -- 4, bor, sertlik) kullanılmıştır. Parametrelerde Cluster analizi kullanılarak indirgeme yapılmıştır. Öklit benzerlik ölçütü kullanılarak parametrelerin benzerlik matrisleri oluşturulmuş ve Tek Bağlantılı Kümeleme Tekniği ile de Toplayıcı Kümeler belirlenmiştir. Ayrıca incelenen 6 istasyona ait su kalitesi parametrelerinin değişimi parametrik olmayan yöntemlerle incelenerek bölgedeki yüzey sularındaki kirlilik profili belirlenmeye çalışılmıştır. İncelenen 14 adet yüzey suyu kalitesi parametresinin 2 tanesi (akım ve bor) hariç diğer tüm istasyonlarda 0.05 önem seviyesinde anlamlı trendler belirlenmiştir. K + parametresindeki belirlenen trendler genellikle azalma yönünde iken diğer parametrelerin hepsinde artış yönünde bir değişim söz konusudur. Anahtar kelimeler: Cluster analizi, trend, su kalitesi, su kirliliği, su kaynakları Abstract The development and protection of water resources of our country has great importance that water quality observations became significant in recent years due to intense anxieties about environmental and water contamination problems. The main objective of river water quality observation programs is to determine the changes in contamination sources/levels, obtain the factors affecting water quality, make models and future predictions and build an accurate observation system. The selection of correct parameters during the observation studies of water quality produces one of the most important step of technical and financial feasibility of the observation program. The selection of parameters becomes important depending on the goal of the observation program. In this study, 14 parameters (discharge, water temperature, ph, EC (x10 6 ), Na +, K +, Ca ++ + Mg ++, CO -- 3, HCO - 3, Cl -, SO -- 4, boron, hardness) for 6 surface water quality observation stations operated by Electrical Power Resources Survey and Development Administration at Western Black Sea Basin. The parameters were reduced by using the Cluster Analysis. The similarity matrices were formed for the parameters using Euclidian Similarity Criterion, and Collector Sets were determined using the Single-Link Clustering Technique. Additionally, investigating the changes in water quality parameters of considered 6 stations by using non-parametric methods, the contamination profile of the regional surface waters was obtained. Considerable trends at 0.05 significance level were obtained in all the stations for the aforementioned 14 surface water quality parameters except discharge and boron. Although the trends obtained for K + parameter usually displayed the decreasing behavior, the trends for the other parameters presented increasing behavior. Keywords: Cluster analysis, trend, water quality, water contamination, water resources 1. Giriş Çevre kirliliğinden etkilenen en geniş alan su kaynaklarıdır. Su kaynaklarından en verimli bir şekilde yararlanabilmek ve akarsu havzalarındaki çeşitli etkiler sonucu ortaya çıkan kirlilik durumunu belirlemek amacıyla, su kalitesinin bilinmesi gereklidir. Akarsu su kalitesinin ölçülmesinin uzun vadeli hedeflerinden biri; belirli bir zaman dilimi içerisinde kirliliğin derecesindeki değişimi incelemek, değişimi etkileyen önemli faktörleri tanımlamak ve uygun tedbirleri almak olarak özetlenebilir. 2. Veri ve Yöntem Su kalitesini temsil eden parametrelerin çok fazla sayıda olması ve değişkenlik arz etmesi, bir taraftan gözlemlerin daha sık periyotlarla yapılmasını gerektirirken, diğer taraftan da bu verilerin değerlendirilmesini güçleştirmektedir. Su kalitesi gözlem istasyonlarında ölçülen kalite değerlerinin içerdiği bilgiyi ortaya çıkarmak için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Bu yöntemlerin çoğunluğu istatistiksel metodlara dayanmaktadır. Değişken sayısının ikiden fazla olması durumunda, gözlenmiş IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1723

42 Yılmaz, V. ve Büyükyıldız, M. mevcut verilerin değerlendirilmesi için, çok değişkenli analizlerin (multivariate analysis) kullanılması sayesinde, daha basit ve kolay yorumlanabilir sonuçlar elde edilebilmektedir. Çok değişkenli istatistiksel teknikler, çok bileşenli kimyasal ve fiziksel ölçümlerin yorumu ve anlamlı veri azaltımı için uygun bir araçtır. Cluster analizi, değişkenleri sayısı ile karakterize edilen objelerin büyük guruplar içindeki benzerlikleri yada farklılıkları kontrol etmenin mümkün olduğu bir patern tanıma metodudur [1]. Bu çalışmada Batı Karadeniz Havzasında bulunan 6 adet su kalitesi gözlem istasyonuna ait, periyotları arasında ölçülen 14 adet su kalitesi parametresinin (akım, sıcaklık, ph, elektriksel iletkenlik, Na +, K +, Ca ++ + Mg ++, CO 3 -, HCO 3 -, Cl -, SO 4 -, tuzluluk, sertlik, bor konsantrasyonu) yıllık ortalama değerleri kullanılmıştır (Şekil 1). Kullanılan istasyonlara ilişkin bazı bilgiler Çizelge 1 de verilmiştir. Çalışmada kullanılan istasyonlara ait su kalitesi parametrelerinin değişimi parametrik olmayan yöntemler kullanılarak incelenmiştir. Bunun için, normalite, lineerlik ve bağımsızlık gibi şartların sağlanmasını gerektirmeyen testlerden Sen in T ve Mann-Kendall testleri dikkate alınmıştır. Şekil 1. Batı Karadeniz Suları Havzası nın Türkiye deki ve kullanılan istasyonların havzadaki konumları [2] Çizelge 1. Kullanılan istasyonlara ait bazı bilgiler İstasyon No İstasyon Adı Yağış Alanı (km 2 ) Yükseltisi (m) Gözlem Yılları 1307 Devrekani Çayı-Azdavay Soğanlı Çayı-Karabük Karasu-Hacılar Köprüsü Bolu Çayı-Beşdeğirmenler Filyos Çayı-Derecikviran Korubaşı Deresi-Arak Cluster analizi gibi çok değişkenli istatistiksel teknikler su kalitesi analizlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle bu çalışmada da 6 istasyon arasındaki benzerlik ve farklılıkları belirlemek amacıyla, cluster analizi ile her bir parametre için istasyonlar gruplanmaya çalışılmıştır. Cluster analizi gruplanmamış verileri benzerliklerine göre gruplayarak, araştırmacıya uygun, işe yarar, özetleyici bilgiler elde etmesinde yardımcı olmaktadır. Uygun cluster analizinin seçimi aslında metodun başlangıç kısmını oluşturmaktadır. Bu tip ve buna benzer çalışmalar için hiyerarşik küme analizi kullanılmaktadır. Genellikle yaygın olarak kullanılan yedi çeşit hiyerarşik küme analizi bulunmaktadır. Bunlar; single linkage, complete linkage, centroid teknik, ward minimum varyans tekniği ve average linkage metodlarıdır. Bu metodların bazılarının zincirleme problemlerine sahip olması ve bazılarının yine eşit sayıda gruplamaya gitmesi gibi çeşitli problemlerle birlikte, yapılan araştırmalarda Ward Varyans Tekniği metodu yaklaşımının klimatolojik 1724

43 Yılmaz, V. ve Büyükyıldız, M. araştırmalar için en realistik sonuçları verdiği görülmüştür [3]. Hiyerarşik tekniklerin tümü şu dört temel adımı izlemektedir. I. Öklit uzaklığı adı verilen ve tüm veriler arasındaki mesafeyi hesaplayan formül tüm istasyonlar için uygulanmaktadır, II. En yakın iki sonuç yeni bir küme olarak birleştirilmektedir, III. Bütün istasyonlar arasındaki mesafeler tekrar hesaplanmaktadır, IV. İkinci ve üçüncü adımlar tüm istasyonlar tek bir küme oluncaya kadar devam etmektedir [4]. Kümeleme analizinin en büyük problemi uygun küme sayısının belirlenmesidir. Uygun küme sayısının belirlenmesini sağlayan kesin bir ifade bulunmamakla birlikte bir takım yardımcı testler mevcuttur. Bunlardan en önemlisi ağaç yapısı şeklindeki Dendogram adı verilen geometridir. Dendogramda görsel olarak da uygun küme sayısının belirlenmesi sağlanabilmektedir. Bunun yanında Pseudo F, Pseudo t 2, R 2, SPRSQ, RMSSTD ve Kübik Kümeleme Kriteri (Cubic Clustering Criterion; CCC) gibi testlerle uygun küme sayısının kontrol edilmesi önerilmektedir [5]. Bu çalışmada kümeleme analizinde Öklit uzaklık ölçütü kullanılarak tek bağlantılı kümeleme yöntemi tercih edilmiştir. Kümeleme sonuçları yorumlanırken Pseudo F ve Pseudo t 2 istatistiklerinden faydalanılmıştır. Pseudo F istatistiği kümeler arasındaki varyansın kümeler içindeki varyansa oranıdır [6]. Burada oranın büyük çıkması hedeflenmektedir. Pseudo t 2, birleşen iki küme elemanlarının birleşme öncesi ve sonrası kareleri toplamının birbirine oranlarıdır. Küme sayısına karar verirken Pseudo t 2 istatistiğindeki ani sıçramalarla biten yerel tepe noktalarına bakılması önerilmektedir [7]. 3. Araştırma Sonuçları 3.1. Trend Analiz Sonuçları Batı Karadeniz Suları Havzası nda bulunan 6 adet istasyonda ölçülen, 14 su kalitesi parametresinde, dikkate alınan gözlem sürelerinde meydana gelen değişimi belirlemek amacıyla kullanılan parametrik olmayan yöntemlerden elde edilen sonuçlar Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge 2 de verilen sonuçlara göre; 6 istasyonun her birindeki 14 adet su kalitesi parametresinde %56 oranında 0.05 önem seviyesinde anlamlı trendler belirlenmiştir. Bu anlamlı trendlerin yaklaşık %10 u negatif, buna karşılık %90 gibi büyük bir oranı ise pozitif yönde değişim göstermektedir. Akım parametresinde hiçbir istasyonda 0.05 önem seviyesinde anlamlı bir değişim belirlenememiştir. Akım parametresinde bir değişim gözlenmemesine karşın diğer parametrelerde elde edilen %56 lık değişim ve bunun %90 ının pozitif yönde olması, ilgili istasyonlarda dolayısıyla havzaya ait yüzey sularında bir kirlilik göstergesi olarak karşımıza çıkmaktadır. Bor parametresi de akımdan sonra en az trend belirlenen parametredir. Sadece 1343 numaralı istasyonda bor konsantrasyonunda bir artış belirlenmiş, diğer istasyonlarda anlamlı bir değişime rastlanamamıştır. En fazla değişim 1334 numaralı istasyonda belirlenmiştir. Bu istasyonda akım ve bor hariç diğer 12 su kalitesi parametresinin hepsinde trend belirlenmiş olup, değişimin hepsi pozitif yöndedir numaralı istasyon 1334 ten sonra en çok trend belirlenen istasyondur. Burada da - akım, bor ve CO 3 parametrelerinde anlamlı bir değişime rastlanamazken, K + parametresinde belirlenen trend negatif yönde, diğer su kalitesi parametrelerinin hepsinde ise belirlenen trendler pozitif yöndedir. Mann Kendal l Çizelge 2. Trend analiz sonuçları Sen i n T Mann Kendal l Sen i n T Mann Kendal l Sen i n T Mann Kendal l Sen i n T Mann Kendal l Sen i n T Mann Kendal l Akım 0,27-0,17-0,66 0,78-1,36 1,54-0,13 0,13 0,27-0,15-0,58 0,63 Sıcaklık 2,62-2,43 4,00-3,85 1,75-1,69 2,05-1,96 3,10-3,03 0,82-0,67 ph 4,54-5,16 5,01-5,78 2,45-3,09 5,65-6,34 4,63-6,19 2,28-3,11 EC -1,03 1,06 4,88-4,59-0,10 0,13 6,69-6,25 4,42-4,38-1,40 1,42 Na + 3,20-3,39 5,84-5,38 4,06-3,85 7,37-6,94 3,77-3,80-0,31 0,05 K + 1,06-1,07-0,47 0,46-0,57 0,60 4,66-4,51-3,14 3,04-2,66 2,52 Ca ++ +Mg ,13 1,13 2,42-2,29-0,45 0,43 5,66-5,29 3,72-3,56-0,46 0,51 CO 3 - HCO 3-0,45-0,48-0,75 0,76-3,17 3,29 3,14-3,08 0,29-0,12-3,80 3,71-0,73 0,79 1,81-1,68-0,25 0,20 3,68-3,52 2,88-2,89-0,20 0,23 Cl - 4,96-5,06 9,81-8,80 1,47-1,50 10,34-9,44 6,70-6,97-2,87 2,85 SO ,18 0,25 1,91-1,79 3,67-3,60 6,23-5,93 3,05-2,94 2,92-3,14 Tuzluluk 3,72-3,90 4,91-4,46 4,14-4,03 5,68-5,20 2,97-2,86-0,23 0,03 Sertlik -1,13 1,13 2,42-2,29-0,45 0,43 5,66-5,29 3,72-3,56-0,46 0,51 Bor 0,21-0,18-1,36 1,66 0,29-0,11 0,35-0,15-0,50 0,62 6,68-6,56 Sen i n T 1725

44 Yılmaz, V. ve Büyükyıldız, M. Sıcaklık, ph, EC, Na +, Ca ++ +Mg ++, HCO 3 -, SO 4 -, tuzluluk, sertlik ve bor parametrelerinde elde edilen trendlerin hepsi artış yönünde bir değişim göstermektedir. Sıcaklık ve ph taki artış, yüzeysel sularda bu çalışmada incelenmeyen parametrelerden olan NH 3 te de bir artış anlamına gelmektedir. NH 3 parametresindeki artış ve incelediğimiz parametrelerden olan Cl - da 1343 numaralı istasyondaki azalma hariç, diğer istasyonlarda elde edilen artış, su canlıları için zararlı bir etkiye neden olabilir. ph parametresindeki artışın sulardaki alg gelişiminden kaynaklanmış olabileceği düşünülmektedir. Klorür iyonlarının topraktan drenaj suları ve ayrıca kentsel atık suları ile su kaynaklarına ulaştığı dolayısıyla nehir sularında kirlenmeye neden olduğu söylenebilir. Ca ++ +Mg ++ konsantrasyonundaki artış trendi, EC (x10 6 ) değerlerinde de bir artışa neden olmaktadır. EC (x10 6 ) değerlerindeki bu artışın ilgili istasyonların bulunduğu bölgelerde atıksu deşarjının yanı sıra dere boyunca yapılan tarımsal sulamadan, nehirlere dönen drenaj sularından kaynaklandığı düşünülebilir. Sıcaklık artışı ile suların elektriksel iletkenlikleri de artar. Elde edilen sonuçlarda bu durumu desteklemektedir. Evsel ve endüstriyel atık suların yüzeysel deşarjı sonucunda bu sulardaki klor (Cl), sodyum (Na), nitrat (NO 3) ve bor (B) miktarları yükselebilir. Bu çalışmada da Cl - ve Na + parametrelerinde elde edilen sonuçlardaki genellikle artış trendleri tespit edilmiş olup, bitki gelişimine doğrudan toksik etki yapan bu iyonlar sulama sularının kullanımını kısıtlayan önemli etkenlerdir Cluster Analiz Sonuçları Yapılan çalışmada kullanılan 6 adet istasyonun, kullanılmış olan 14 su kalitesi parametresi için ayrı ayrı Cluster Analizi ile gruplaması gerçekleştirilmiştir. Cluster analizinde Öklit Uzaklık Ölçütü kullanılarak tek bağlantılı kümeleme yöntemi tercih edilmiştir. Kümeleme sonuçları yorumlanırken Pseudo F ve Pseudo t 2 istatistiklerinden faydalanılmıştır. Cluster analizi uygulanırken 14 farklı parametrenin bazıları için kümeleme sonuçları daha rahat gözlemlenebilirken bazı parametreler için aynı şeyden söz edilememektedir. Örnek olarak varyansı 0,11 olan Na + parametresinde ve 0,0005 olan K + parametresinden elde edilen dendogramlar Şekil 2 de gösterilmiştir. Şekil 2 den de anlaşılacağı gibi varyansı düşük olan parametrelerde karar vermek daha zordur. Bunun gibi parametrelerde diğer istatistiki yardımcı testlere de (Pseudo F, Pseudo t 2 gibi) başvurulmalıdır. Şekil 3. ve Şekil 4 de, K + (potasyum) parametresi için elde edilen Pseudo F, Pseudo t 2 testlerine ait grafiklere yer verilmiştir. Bu göstergeler yardımıyla K + parametresi için küme sayısına karar verirken ani sıçramalarla biten yerel tepe noktalarına bakılarak iki kümenin uygun olacağına karar verilmiştir. Yalancı F. Şekil 2. Na + ve K + parametresine ait dendogram 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Küme Sayısı Şekil 3. K + parametresi için elde edilmiş olan Pseudo F değerleri Yalancı t 2 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, ,05 Küme Sayısı Şekil 4. K + parametresi için elde edilmiş olan Pseudo t 2 değerleri Diğer parametreler de bu şekilde ayrı ayrı kümelenmiş ve her biri için dendogramlar ve yardımcı istatistiki testler uygulanmıştır ve uygun küme sayıları belirlenmiştir. Bütün parametreler için istasyonların gruplanması amacıyla çizilen dendogramlar Şekil 5 de verilmiştir. 1726

45 Yılmaz, V. ve Büyükyıldız, M. Bu parametrelere bakarak tüm değerler arasından ortak bir sonuç çıkarmak amacıyla istasyonların aynı kümede olmalarını bir benzerlik ölçütü gibi değerlendirerek sonuç kümelenme elde edilmiştir. Bu kümelemeye ait dendogram Şekil 6 da, elde edilen kümelerin bölge haritası üzerindeki konumları ise Şekil 7 de gösterilmiştir. Şekil 7 de de görüldüğü gibi 1307, 1332 ve 1343 numaralı istasyonlar 1. kümeyi oluştururken, 1314 ve 1335 numaralı istasyonlar 2. kümeyi oluşturmuşlardır. 3. kümeyi ise 1334 numaralı istasyon tek başına oluşturmuştur. Şekil 5. Su kalitesi parametrelerine ait dendogram Şekil 6. Sonuç Dendogramı 1727

46 Yılmaz, V. ve Büyükyıldız, M. Şekil 7. Sonuçta oluşan kümelerin bölge haritası üzerindeki konumları 4. Sonuçlar Batı Karadeniz Suları Havzasında, EİE tarafından işletilen 6 adet su kalitesi gözlem istasyonunda gözlenen, 14 adet parametrenin gözlem periyodundaki değişiminin incelendiği ve Cluster Analizi ile istasyonların gruplandırılmasının yapıldığı bu çalışmada akım ve bor hariç diğer tüm parametrelerde bir artış trendi belirlenmiştir. İncelenen istasyonlarda akım parametresinde istatistiksel olarak anlamlı bir değişim olmamasına karşın diğer parametrelerde büyük oranda artış trendinin belirlenmesi nehirlerdeki kirlenmenin göstergesi olarak değerlendirilebilir. Bu kirlilik; kanalizasyon, çöp ve atıklar, erozyon, bölgedeki sanayi tesislerinin atıklarının olumsuz etkisinin yansıması olabilir. Çalışmada ayrıca her bir parametre için ayrı ayrı istasyonların Cluster Analizi ile sınflandırılması, Euclidean uzaklık ölçütü ve Tek Bağlantılı Kümeleme Tekniği kullanılarak yapılmıştır. Yine aynı teknikle istasyonların aynı kümede olmalarını bir benzerlik ölçütü gibi değerlendirerek sonuç kümelenme elde edilmiştir. Şekil 7 deki sonuç dendogramı ile Çizelge 2 deki trend analiz sonuçları arasında bir değerlendirme yapılacak olursa; sonuç dendogramında en fazla benzerlik ölçütüne sahip olan 1334 numaralı istasyon, trend analiz sonuçlarına göre de 14 parametrenin 12 sinde anlamlı trend belirlenmesiyle değişimin en çok gözlendiği istasyon olarak karşımıza çıkmaktadır. Sonuç dendogramına göre; 1334 numaralı istasyondan sonra benzerlik ölçütünün en fazla olduğu istasyonlar 1314 ve 1335 numaralı istasyonlardır. Çizelge 2 den de 1334 numaralı istasyondan sonra değişimin en fazla gözlendiği istasyonların 1314 ve 1335 numaralı istasyonlar olduğu görülmektedir. Su kalitesi parametrelerinde en az değişim tespit edilen istasyonlar Çizelge 2 ye göre 1307, 1332 ve 1343 numaralı istasyonlardır. Sonuç dendogramına göre de benzerlik ölçütü en az bu istasyonlarda tespit edilmiştir. Sonuç dendogramı ve trend analiz sonuçları arasında yapılan bu değerlendirme birbirini desteklemektedir. sağlıklı ve yeterli miktarda suyun bırakılabilmesi için kaynaklarının çok iyi korunup akılcı bir şekilde kullanılması, ayrıca evsel, endüstriyel ve tarımsal atık suların arıtılmadan akarsulara verilmesi önlenerek arıtma tesislerinin de verimli ve sürekli olarak işletilmesi sağlanmalıdır. Havzalarda planlanan faaliyetlerin çevresel etkilerinin değerlendirilmesi, bu kapsamda, alıcı ortam özelliklerinin de dikkate alınması, özellikle kritik nehir bölümlerinde üretimde ve arıtımda ileri teknolojiler kullanılması yoluyla alıcı ortam özelliklerini bozmayacak kalitede su verilmesi havza yönetiminin en önemli unsurlarından biri olarak değerlendirilmektedir. Su kaynaklarına boşaltılan kirletici miktarının denetlenmesinin sağlanması havza su kalitesinin korunmasında büyük önem taşımaktadır. Kaynaklar [1] Simeonov, V., Einax, J. W., Stanimirova, I., & Kraft, J., Environmetric modeling and interpretation of river water monitoring data. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 374, , [2] EİE, Türkiye Akarsularında Su Kalitesi Gözlemleri, Yayın:28, Eylül, Ankara, [3] Ünal, Y., Kindap, T., and Karaca, M., Redefining Climate Zones of Turkey using Cluster Analysis, Int. Jour. Climatol, [5] Ünal Y., Karaca, M., Küme Analizi İle Türkiye de İklim Bölgelerinin Yeniden Belirlenmesi, Kuvaterner Çalıştayı IV, İTÜ Avrasya Yerbilimleri Enstitüsü 133, 2003, [6] Hair, J.F., Anderson R.E., Tahtam, R.L., Multivariate Data Analysis. USA, [7] Fovell, R.G. and Fovell, M.Y.C., Climate Zones of the Conterminous United States Defined Using Cluster Analysis. Journal Of Climate. 6, , [8] SAS Institute, Sas User s Guide: Statistics, 268, USA, İklim değişimi ve küresel ısınma söylemlerinin hız kazandığı bu dönemde, Türkiye nin gelecek nesillerine 1728

47 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye ISI DEĞİŞTİRİCİSİNE YERLEŞTİRİLEN PERVANE TİPİ TÜRBÜLATÖRÜN ISI TRANSFERİ ÜZERİNDEKİ ETKİSİ THE EFFECT OF A PROPELLER TYPE TURBULATOR ON HEAT TRANSFER WHICH MOUNTED ON HEAT EXCHANGER Rasim BEHÇET a, *, Cumali İLKILIÇ b ve Hüseyin AYDIN c a, * Batman Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Batman, Türkiye, E-posta: b Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Elazığ, Türkiye, E-posta: c Batman Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Batman, Türkiye, E-posta: Özet Bu çalışmada, boru içi akışlarda ısı transferinin iyileştirilmesi amacıyla ısı değiştiricinin giriş kısmına dönmeli hava akışını gerçekleştirmek için pervane tipi bir türbülatör yerleştirilerek türbülatörün ısı transferi ve basınç kaybı üzerindeki etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Deney düzeneğinde ısı transfer edilen akışkan olarak su ve suya ısı transfer eden akışkan olarak da hava kullanılmıştır. Deneylerde yapılan ölçümlerle elde edilen veriler kullanılarak gerekli bağıntılar yardımıyla ısı transferi ve basınç kaybı etkileri 8000 ile arasında değişen Reynolds sayıları için hesaplanmıştır. Türbülatürlü boru ile boş boru değerleri karşılaştırıldığında; ortalama olarak ısı transferindeki 4.25 kat artışa karşılık basınç kayıplarında da 5.15 kat civarında artış olmuştur. Ayrıca sistemin ekserji analizi yapılarak iyileştirme tekniğinin termodinamik açıdan avantajlı olup olmadığı incelemek için boyutsuz ekserji kaybının Reynolds sayısına bağlı değişimi çizilmiştir. Yaklaşık aynı Reynolds sayılarında boş boru ile türbülatörlü borudaki ekserji kaybı mukayese edildiğinde boş borudaki ekserji kaybı türbülatörlü boruya nazaran 3 kat daha fazla olmuştur. Böylece iyileştirme tekniğinin termodinamik açıdan da avantajlı olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Dönmeli akış, Isı değiştirici, Isı transferi, Basınç düşümü, Ekserji Abstract In this study, the effects of a propeller type turbulator which was mounted at the entrance of heat exchanger to obtain turbulence flow for the aim of improve heat transfer by flow in pipes on pressure loss and heat transfer were experimentally investigated. In the experiments air was used as a fluid which transfers heat to the water. The effects of heat transfer and pressure loss for Reynolds numbers between 8000 and was calculated from experimental results and by equations. When the values of flow in pipe with turbulator and without turbulator were compared, heat transfer was increased about 4.25 times while pressure loss was about 5.15 times higher. Besides, exergy analysis was made to realize whether this method was thermodynamically was advantageous by non-dimensional exergy losses versus Reynolds number. For almost the same Reynolds number, the exergy loss without turbulator was 3 times higher than that for a propeller turbulator mounted systems. Thus, it was concluded that the improvement method was thermodynamically advantageous. Keywords: Swirl flow, Heat Exchanger, Heat transfer, Pressure drop, Exergy 1. Giriş Son zamanlarda belirli tekniklerin kullanılmasıyla ısı transferinin arttırılması konusunda birçok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmaların bir kısmı da ısı değiştiricisinin iç borusuna değişik tip elemanlar yerleştirme ile ilgilidir. Bu amaçla birçok iyileştirme tekniği geliştirilmiştir. En genel halde konveksiyonla ısı transferinde kullanılan iyileştirme tekniği ısı transfer katsayısının artırılmasına yardımcı olan dizayn değişimidir. Isı transferini iyileştirici teknikler olarak; ısı değiştirici boyutlarının azaltılması, sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki sıcaklık farkının düşürülmesi, ısı üretim hızının sabit olduğu durumlarda ısı transferi etkinliğinin arttırılması ve akışkana dönme hareketi vermek amacıyla borular içerisine türbülatör yerleştirilerek dönmeli akışların meydana getirilmesi çalışmalarıdır. Dönmeli akışlar; sarımlı teller, spiral kanatçıklar, bükülmüş şeritler ve pervaneler gibi cisimlerin akış ortamına yerleştirilmesiyle meydana getirilmektedir. Sönümleme özelliğine göre dönmeli akışlar; sürekli dönmeli akış ve azalan dönmeli akış olmak üzere iki kısımda incelenmektedir. Sürekli dönmeli akışta dönmeyi meydana getiren eleman kanal içerisine boydan boya yerleştirilmekte azalan dönmeli akışta ise dönmede etkili olan eleman kanalın girişine yerleştirilmektedir. Dönmeli akış oluşturarak ısı transferini artırmak amacıyla helisel olarak bükülmüş şeritler kullanılarak değişik Reynolds sayılarında yapılan deneysel çalışmalarda ortalama ısı transferindeki artış % civarında gerçekleşirken basınç düşümünü de % artırmıştır[1, 2]. Sürekli ve azalan dönmeli akışın ısı transferi ve basınç kaybına etkisi Blackwelder ve Kerith[3] tarafından incelenmiştir. Seban ve Hunsbedt[4], annular bir boru içerisinde akan suya dönmeli akış kazandırmak için helisel olarak bükülmüş kanatcık kullanarak sürekli dönmeli akış elde edip sürtünme ve ısı transferi karakteristiklerini deneysel olarak incelemişlerdir. Kreith ve Sonju[5]' nun çalışması tam gelişmiş türbülanslı dönme azalmasının teorik ve deneysel incelenmesini içermektedir. Radyal kanatlı bir türbülatör ile oluşturulan azlan dönmeli akış üzerine bir deneysel çalışma da Zaherzadeh ve Jagadish[6]] tarafından yapılmıştır. Çalışmada, türbülatör genişliği, çapı ve kanat sayısının ortalama Nusselt sayısına etkileri araştırılmıştır. Algifri ve arkadaşları[7] IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1729

48 Behçet, R, İlkılıç C. ve Aydın, H. tarafından yapılan çalışmada da sabit ısı akısı altında ısıtılan bir boru boyunca, hava için azalan dönmeli akışta ısı transfer katsayıları belirlenmiştir. Change ve Dhir[8]'in çalışma ise dönmeli akış elde etmek amacıyla borunun girişine yerleştirdikleri enjektörler ile hava göndererek boru boyunca türbülanslı akımda, hız alanı ve dönme yoğunluğunun incelenmesi ile ilgilidir. Yılmaz ve arkadaşları[9], dönmeli akış elde etmek için radyal kanatlı dönmeli akış üreteci kullanarak azalan dönmeli akışın ısı transferi, sürtünme ve performans karakteristiklerine olan etkisini deneysel olarak incelemiştir. Azalan dönmeli akışı sağlamak için boru içerisine döner tip türbülatör yerleştirerek türbülatörün ısı transferi ve basınç kaybı etkileri deneysel olarak farklı araştırmacılar tarafında incelenmiştir[10-12]. Isı transferi işlemleri doğal olarak tersinmez(sürekli entropi üreten) ve yararlı enerjiyi yok eden işlemlerdir. Bu nedenle ısı transferi işlemlerinin yararlı enerjiyi nasıl israf ettiğini ve bu israfı en aza indirmek için nelerin yapılması gerektiğinin bilinmesi gerekir[13]. Bu israfı azaltmanın yolu da konveksiyonla ısı transferinde entropi üretimini en aza indirmektir. Isıl sistemlerde optimum imalat şartlarına sistemlerdeki entropi üretiminin minimizasyonu ile ulaşılabilir[14]. Bu nedenle ısıl sistemlerin dizaynında ikinci kanun analizi yapılarak entropi üretimi ve onun minimizasyonu kavramıyla ilişkilendirilmelidir. Entropi üretiminin minimize edilme yöntemi son zamanlarda ısı değiştiricileri, enerji depolama sistemleri ve elektronik soğutma araçları gibi alanlarda uygulanmaya başlanmıştır. Isı transfer işlemlerinin entropi üretimine bağlı olarak termodinamik tersinmezlik ile değerlendirilmesi gerekir. İşlemin tersinmezliği ile işlemde kaybolan faydalı işin miktarı arasında doğrudan bir ilişki söz konusudur[15]. Bu çalışmada da ısı transferinin iyileştirilmesi amacıyla ısı değiştiricinin giriş kısmına yerleştirilen türbülatör ile dönmeli hava akışı gerçekleştirilerek türbülatörün ısı transferi ve basınç kaybına yaptığı etkiler deneysel olarak incelenmiştir. 2. Deney Düzeneği ve Deneysel Yöntem Şekil 1 de deney düzeneğinin şematik görünümü verilmiştir. Şekil 1. de görüleceği gibi Isı değiştirici, içinden sıcak hava geçen, iç çapı 54.7mm, ve dış çapı 60.3mm ve uzunluğu 2m olan bir alüminyum boruya, soğutma amacıyla dıştan spiral bir şekilde 6.2mm iç çaplı bakır borudan meydana gelmiştir. Isı transfer uzunluğu 1.978m dir. Soğutma, bakır borunun içinden geçen ve şebekeden gelen soğutma suyu ile sağlanmaktadır. Şekil 1. Deney düzeneğinin şematik görünümü Soğutmanın homojen olmasını sağlamak amacıyla sarımlı bakır boru bir yağ banyosu içinde tutulmaktadır. Isı değiştirici, iç çapı 81.5mm olan bir galvanizli boru içine yerleştirilmiş ve giriş-çıkış flanşları arasında merkezlenmiştir. Bu dış boru üzerinde yağ koymaya yarayan ve sıcaklık arttığında yağın genleşmesine imkân sağlayan atmosfere açık bir yağ tapası mevcuttur. Isı değiştirici çevreye ısı kaybının önlenmesi amacıyla cam yünü ile izole edilmiştir. Giriş ve çıkışta kullanılan fiber flanşlar yardımıyla da eksenel ısı kaybı en aza indirilmiştir. Fiber flanşlara açılan basınç prizlerinden giriş ve çıkışta statik basınçlar ve boru boyunca basınç kaybı 0.1mmSS hassasiyetli etil alkollü manometre yardımıyla ölçülmektedir. Deney düzeneğinde ısı transfer edilen akışkan olarak su ve suya ısı transfer eden akışkan olarak da hava kullanılmıştır. Hava, sistemde kullanılan hava fanı tarafından ortamdan emilerek hava ısıtıcısına gönderilmektedir. Sistem kararlı rejim haline geldikten sonra değişik Reynolds sayılarında ölçümler alınmıştır. Deneylerde tüm sıcaklıklar NiCr-NiAl termokupl çiftleriyle ölçülmüştür. Alüminyum boru üzerine 100mm aralıkla 21 adet termokupul yerleştirilmiş olup bu termokupulların diğer uçları da bir Data-Loger vasıtasıyla bilgisayara bağlanmıştır. Boruya giren havanın sıcaklığı ve debisi kullanılan varyak ile ayarlanabilmektedir. Böylece kararlı rejim durumu için değişik Reynolds sayılarında deneyler yapılarak gerekli ölçümler alındıktan sonra kullanılan bilgisayar programı vasıtasıyla belirli zaman aralıklarında boru üzerindeki 21 noktada cidar sıcaklıkları, havanın boruya giriş-çıkış sıcaklıkları, soğutma suyunun giriş-çıkış sıcaklıkları ve çevre sıcaklık verileri aynı anda okunup bilgisayara kaydedilmiştir. Deneyler, önce boş boru için daha sonra da boru girişine pervane tip türbülatör yerleştirilerek yapılmıştır. Deneylerde yapılan ölçümlerle elde edilen veriler kullanılarak gerekli bağıntılar yardımıyla ısı transferi ve basınç kaybı etkileri 8000 ile arasında değişen Reynolds sayıları için hesaplanmıştır. 1730

49 Behçet, R, İlkılıç C. ve Aydın, H. Ayrıca sistemin ekserji analizi yapılarak iyileştirme tekniğinin termodinamik açıdan avantajlı olup olmadığıı incelemiştir. 3. Hesaplama Yöntemi Isı transfer hesaplamalarında, ince cidar yaklaşımından boru kalınlığının ısıl direnci ihmal edilerek yalnızca akışkan sıcaklığından yararlanılmış olup kullanılan havanın fiziksel özellikleri, ısı değiştiricisine giren-çıkan havanın aritmetik ortalama sıcaklıklarına göre alınmıştır. Her bir durum için, havanın suya verdiği ısı miktarı, hava için Reynolds sayısı, logaritmik ortalama sıcaklık farkı, havanın ısı taşınım katsayısı, Nusselt sayısı, basınç kayıp katsayısı ve ekserji kaybı değerleri için hesaplamalar yapılmıştır. Termodinamiğin birinci kanununa göre; sıcak akışkanın verdiği ısı soğuk akışkan tarafından transfer edildiği kabul edilerek paralel akışlı ısı değiştiricisi için alınan veya verilen ısı miktarı, = m C ( T T ) = m C ( T T ) (1) Q h Ph hg hç s Ps sg sç bağıntısı ile hesaplanmıştır. Hava için Reynolds sayısı U m.d e Re = (2) ν eşitliği ile hesaplanmıştır. Ortalama ısı transferi katsayısı, akışkanlar arasında transfer edilen ısı miktarının akış kesiti ve logaritmik ortalama sıcaklık farkına bölünmesi ile bulunmuştur. h m Q = (3) A T m Buradaki A, sıcak akışkanın geçtiği kesit alanını ve T m ise hava ile duvar arasındaki logaritmik ortalama sıcaklık farkı olup şu şekilde ifade edilmektedir. ( Tw Thg ) ( Tw Thç ) T (4) m ( Tw Thg ) ln ( T T ) w hç Ortalama Nusselt sayısı, ince cidar yaklaşımından boru kalınlığının ısıl direnci ihmal edilerek ve yalnızca akışkan sıcaklığından faydalanılmak suretiyle h Nu md e m = (5) ν eşitliği ile hesaplanmıştır. Boş boruda soğutma durumu için Nusselt sayısı, Gnielinski[16] tarafından aşağıdaki şekilde verilmiş olan bağıntı ile hesaplanmıştır Tcm ( f / 2)(Re 1000) Pr Nu = (6) Thm ( f / 2) (Pr 1) Burada f, Filonenko sürtünme faktörü olup aşağıdaki şekilde verilmektedir[17]. 2 f = (1.58ln Re (7) 3.28) Deneysel olarak sürtünme faktörü ise, ölçülen basınç düşüşü Ρ 'nin momentum değişimi dolayısıyla düzeltildiği f d mh P ( ) ( ) A ρ hç ρ hg = (8) 4L ρ hu m D 2 eşitliği ile verilmektedir[17]. Bu eşitlikteki m h, havanın kütlesel debisini; ρ, akışkan yoğunluğunu; A, boru kesit alanını ve U m, ortalama akışkan hızını göstermektedir. Isı değiştiricilerinin iç borusuna türbülatör yerleştirmek suretiyle bu cihazların etkinliği incelenirken yalnızca enerji bilançosu açısından değil aynı zamanda enerjinin kullanılabilirliliği de dikkate alınmalıdır. Bu da ısıl sistemlerin Termodinamiğin II. Kanununa göre analiz edilmesiyle mümkündür. Bu nedenle boyutsuz ekserji kaybı, γl ( 1 e ) 1+ τe f ReSBr 1+ τe ln (9) 1+ τ 8Nu ( 1+ τ ) e γl γl Ψ = τ + ln + γl bağıntısı yardımıyla hesaplanmıştır[18]. Burada SBr,τ ve µ U 2 T γ değerleri sırasıyla SBr = 1 hw τ =, γ = λt w T w mc P bağıntılarıyla tanımlanmaktadır. 4.Sonuçlar ve Değerlendirme Nusselt Sayısı Glieniski[16] Boş Boru Türbülatörlü Boru Reynolds Sayısı Şekil 2. Nusselt sayısının Reynolds sayısına bağlı olarak değişimi 1731

50 Behçet, R, İlkılıç C. ve Aydın, H. Şekil 2 de ortalama Nusselt sayısının Reynolds sayısına bağlı değişimi gösterilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi pervane tipi türbülatörün kullanılması sonucu oluşturulan dönmeli akış ve türbülans nedeniyle sınır tabaka incelerek ısı transferinde içi boş ısı değiştiricisine göre; ortalama olarak 4.25 kat artış sağlanmıştır. Düşük Reynolds sayılarında türbülatörün ısı transferi üzerindeki etkisi az olmakta ancak bu etki giderek artmakta yüksek Reynolds sayılarında bu etki maksimum değere ulaşmaktadır. Sürtünme Faktörü(f) 0,05 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 Flinenko[17] Boş Boru Türbülatörlü boru Reynolds Sayısı Şekil 3. Sürtünme Faktörünün Reynolds sayısı ile değişimi Şekil 3 de Reynolds sayısının fonksiyonu olarak türbülatörün ısı değiştiricisi boyunca sürtünme katsayısında meydana getirdiği artış çizilmiştir. Tütbülatörlü boru ile türbülatörsüz borunun basınç kayıpları karşılaştırıldığında, aynı Reynolds sayılarında basınç kayıplarında ortalama olarak 5.15 kat artış olmuştur Ekserji Kaybı 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Boş Boru Türbülatörlü Boru Reynolds Sayısı Şekil 4. Boyutsuz Ekserji Kaybının Reynolds sayısı ile değişimi Bir ısı değiştiricisi incelenirken ikinci kanuna dayanan entropi üretimi ve ekserji kaybı birimleri ile açıklanması, enerjinin verimli bir şekilde kullanılması açısından yararlı olur. Şekil 4'de ekserji kaybının Reynolds sayısına bağlı olarak değişimi çizilmiştir. Düşük Reynolds sayılarında ekserji kaybı fazla olup Reynolds sayısının artmasıyla ekserji kaybı da azalmakta ve den sonraki Reynolds sayılarında minimum seviyede bir ekserji kaybı olmaktadır. Türbülatörlü boru ile boş boru karşılaştırıldığında, türbülatörlü borudaki ekseji(kullanılabilir enerji) başlangıçta(re=8000 de ) boş boruya göre 3 kat daha fazla olmakta ve Reynolds sayısının artmasıyla aradaki bu fark giderek azalıp Re=24000 de birbirine eşit hale gelmektedir Sonuç olarak; Isı değiştiricisinin iç borusu içerisine pervane tip türbülatör yerleştirilerek yapılan deneysel çalışma sonucunda elde edilen verilerle Reynolds sayısına bağlı olarak çizilmiş olan grafikler (Şekil 2, 3, 4 ) incelendiğinde, boş boruya göre ısı transferinde 4,25 kat bir artış sağlanmıştır. Bu iyileşme, boru içerisine yerleştirilen türbülatörün meydana getirmiş olduğu türbülans etkisi ile sınır tabaka kalınlığı parçalanmak suretiyle ısı transfer katsayısının artırılması ile sağlanmıştır. Bununla birlikte sürtünme kayıplarında da 5,15 artış olmuştur. Sistemin ekserji kaybı dikkate alındığında yapılan iyileştirme tekniği termodinamik olarak avantajlı olduğu söylenebilir. 5. Semboller C p Sabit basınçtaki özgül ısı(j/kgk) d e Eşdeğer boru çapı (mm) D Boru çapı(mm) T m Logaritmik ortalama sıcaklık farkı ( C) f Sürtünme katsayısı h m Ortalama ısı transfer katsyısı (W/m2 K) k Isı iletim katsayısı (W/mK) L Isı değiştiricisi boyu(m) m Kütlesel debisi (kg/s) Nu Nusselt number P Basınç düşümü (mmss) Q Transfer olan ısı (W) Pr Prandtl sayısı Re Reynolds sayısı T Akışkan sıcaklığı ( C) U Ortalama akışkan hızı(m/s) ν Kinematik viskozite(m2/s) Ψ Boyutsuz Ekseji kaybı İndisler ç Çıkış g giriş h Hava s Su d deneysel m ortalama w duvar Kaynaklar [1] Eiamsa, S., and Promvonge, P., Enhancement of heat transfer in a tube with regularly-spaced helical tape swirl generators, İnternational Journal of Thermal Sciences, Solar Energy, Vol. 78, pp , [2] Yıldız, C., Biçer, Y., and Pehlivan, D., Effect of twisted strips on heat transfer and pressure drop in heat exchanger, Energy Conversion and Manegement, Vol. 39, pp , [3] Blacwelder, R. and Kreith, F., "An Experimental Investigation of Heat Transfer Pressure Drop in a Decaying Swirl Flow" Augmentation of Convective Heat and Mass Transfer ASME, pp ,

51 Behçet, R, İlkılıç C. ve Aydın, H. [4] Seban, R.A., and Hunsbedt, A., "Friction and Heat Transfer in the Swirl Flow of Water in an Annulus" Int. J. Heat&Mass Transfer, Vol. 16, pp , [5] Kreith, F. and Sonju, O.K., "The Decay of a Turbulent Swirl in a pipe" J. Fluid Mechanic, Vol. 28, pp , [6] Zaherzadeh, N.H. and Jagadish, B.S., "Heat Transfer in a Decaying Swirl Flows" Int. J. Heat&Mass Transfer, Vol. 8, pp , [7] Algifri, A.H., Bhardwaj, R.K. and Rao, Y.V.N., "Heat Transfer in a Turbulent Decaying Swirl Flow in a Circular Pipe" Int. J. Heat&Mass Transfer, Vol. 31, pp , [8] Chang, F. and Dhir, V.K., "Turbulent FlovField in Tangentially Injected Swirl Flows in Tubes" Int. J. Heat&Mass Transfer, Vol. 15, pp , [9] M. Yilmaz, O. Comakli, S. Yapici, O.N. Sara, Heat transfer and friction characteristics in decaying swirl flow generated by different radial guide vane swirl generators, Energy Convers. Management 44(2003) [10] Ayhan S. B., and Bali, T., An experimental study on heat transfer and pressure drop characteristics of decaying swirl flow through a circular pipe with a vortex generator Experimental Thermal and Fluid Science 32 (2007) [11] Bali, T., and Ayhan, T., Experimental investigation of propeller type swirl generator for a circular pipe flow, Int. Commun. Heat Mass Transfer 26 (1) (1999) [12] Kurtbaş, I., Durmuş, A., Eren H. and Turgut, E. Effect of propeller type swirl generators on the entropy generation and efficiency of heat exchangers, International Journal of Thermal Sciences 46 (2007) [13] Behçet, R., ve İlkılıç, C., İç İçe Borulu Isı Değiştiricisine Yerleştirilen Helisel Yayların Isı Transferi ve Basınç Düşümü Üzerindeki Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi, Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi, 18 (4), , 2006 [14] Bejan, A. The Concept of Irreversibility in Heat Exchanger Design: Counterflow Heat Exchanger for Gas-Gas Aplications, J. Heat Transfer, 99, , [15] Çakmak, G., ve Yıldız, Cengiz, Boru Girişinde Enjektörlü Türbülans Üreticisi Bulunan Isı Değiştirgecinde II. Kanun Analizi, 8. Uluslar arası Yanma Sempozyumu, 8-9 Eylül, 2004 [16] Gnielinski, V., "New Equations for Heat and Mass Transfer in Turbulent Pipe and Channel Flow" Int. Chemical Engng., Vol. 16, pp , [17] Junkhan, G.H., Bergles, A.E., Nirmalan, V. and Ravigururajan, T.," Investigation of Turbulators for Fire Tube Boilers" ASME J. of Heat Transfer, Vol. 107, pp , [18] Prasad, R.C. and Shen, J., "Performance Evaluation of Convective Heat Transfer Enhancement Devices Using Exergy Analysis" Int. J. Heat&Mass Transfer, Vol. 36, pp ,

52 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye YOĞUNLAŞTIRICILI GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ VE TERMOELEKTRİK JENERATÖRLER KULLANARAK ELEKTRİK ÜRETİMİ POWER GENERATION USING CONCENTRATION SOLAR COLLECTORS AND THERMOELECTRIC GENERATORS Serbülent GÜR a, * Kemal ATİK b a, * Karabük, Türkiye, E-posta: b Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük Universitesi, Karabük, Türkiye, E-posta: Özet Bu çalışmada, yoğunlaştırmalı güneş enerjisi sistemi ve Termoelektrik (TE) jeneratör kullanılarak elektrik üretimi yapılmıştır. Güneş enerjisinden yüksek sıcaklık elde etmek amacıyla aynalarla odaklama yapılarak ışınım şiddeti yoğunlaştırılmıştır. TE modüllerin bir yüzeyi yoğunlaştırılan ışınımla ısıtılmakta, diğer yüzeyi ise doğal sirkülâsyonla dolaşan su tarafından soğutulmaktadır. Dört adet aynı tip TE modülün seri olarak bağlandığı sistemde üretilen elektriğin devreye bağlanan bir dış direnç üzerindeki gerilimi ölçülerek güç değeri hesaplanmıştır. Anahtar kelimeler: Yoğunlaştırma, Güneş enerjisi, Termoelektrik jeneratör. Abstract This paper is a power generation is done by using concentration solar energy sources system and thermoelectric generators. In order to obtain a high level of heat from solar energy, the degree of solar energy has been multiplied by focusing the mirrors. One side of the thermoelectric modules is heated by this multiplied beam while the other side is cooled by the water circulating naturally. In this system where 4 thermoelectric modules are connected serially, the power value is measured by measuring the voltage on the outer resistance connected to the circuit. Keywords: Concentration, Solar energy, Thermoelectric generator. 1. Giriş Ülkemizin birçok yerinde, özellikle güneş ışınım şiddetinin yüksek olduğu şehirlerimizde, güneş enerjisinden sıcak su elde etmede kullanımı git gide yaygınlaşmaktadır. Güneş ışınımından yararlanmanın diğer bir yolu ise elektrik enerjisi üretmede kullanılmasıdır. Bu sistemin uygulamaları yeni yeni yaygınlaşmaktadır. Teknolojinin gelişmesi, sanayinin ilerlemesi, dünya nüfusun artışı beraberinde enerjiye olan ihtiyacı artırmakta ve Türkiye'nin ve dünyanın enerji ihtiyacı sürekli olarak artmaktadır. Enerjiye talebin sürekli artması sonucu özellikle fosil yakıt (petrol, kömür, doğal gaz, LPG) kullanımını artırmaktadır. Güneş enerjisinin uzaydan geçerek dünyaya ulaşması elektromanyetik radyasyon ile olmaktadır. Isıtma ve soğutma işlemlerinde kullanılabilmesi için bu enerjinin ısıya dönüştürülmesi gerekmektedir. Birim yüzeye düşen güneş enerjisinin azlığı nedeniyle, ısı enerjisi elde etmede geniş yüzeylere ihtiyaç vardır. Güneş enerjisi kolektörleri, güneş radyasyonunu ısı enerjisine dönüştüren aygıtlar, güneş radyasyonunu emer ve radyasyonu ısıya dönüştürürler. 2. Yoğunlaştırıcılı Güneş Enerji Sistemleri Güneş enerjili sistemler genel anlamda düzlemsel ve yoğunlaştırıcılı sistemler olarak sınıflandırılabilir. Özellikle Elektrik enerjisi gibi yoğun güneş ışınımına ihtiyaç duyulan sistemlerde yoğunlaştırıcı sistemlere ihtiyaç duyulur. Parabolik oluk kolektörler kesitleri parabol oluk biçiminde oluşundan dolayı bu isimle anılmaktadır. Noktasal yoğunlaştırıcılar ise üzerlerine gelen güneş ışınımını tek noktaya odaklayan sistemlerdir [1]. Diğer bir kolektör yapısı ise kolektör yapısının değiştirilerek sabit kolektörlerin kullanılmasıdır. Sabit kolektörlerde güneşi takip eden sistemlerin getirdiği ek maliyetlerin olmaması ve bu kolektörlerin bakım ihtiyacının en aza indirgenmiş olması bu kolektörlerin en büyük avantajıdır [2]. Bugüne kadar güneş enerjisi ile elektrik üretiminde başlıca iki sistem kullanılmıştır. Birincisi, güneş enerjisini direkt olarak elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik sistemlerdir. Fakat geçen 20 yıl içerisinde fotovoltaik sistem uygulamalarının artışına rağmen, teknolojisinin karmaşıklığı ve maliyetinin yüksek oluşu, geniş çapta elektrik üretimi için yetersiz olduğunu ortaya çıkarmıştır. İkinci seçenek ise, güneş enerjisinin yoğunlaştırıcı sistemler kullanılarak odaklanması sonucunda elde edilen kızgın buhardan, konvansiyonel yöntemlerle elektrik üretimidir. 3. Termoelektrik Modüller Bir yüzeyi P-tipi yarı iletken malzemeden, diğer yüzeyi ise N-tipi yarı iletken malzemeden oluşan bir yarı iletken sistemidir. Elektriksel olarak seri bağlı, ısıl olarak paralel bağlıdır. İçyapısı şekilde görüldüğü gibidir. Modülün alt ve üst yüzeyi Şekil 1. de görüldüğü gibidir. Yüzeylerde kullanılan seramik ısıl olarak iletken elektriksel olarak yalıtkan olduğu için tercih sebebidir. TE modül düşük soğutma-ısıtma verimliliğine rağmen sessiz çalışma olanağı sunduğu için birçok uygulamada tercih edilmektedir. Örneğin son zamanlarda yaygınlaşan araç tipi buzdolapları ve CPU soğutucuları TE kullanımının en yaygın örneklerindendir [3]. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1734

53 Gür,S. ve Atik,K. Q U A T = (6) U: Isı iletim katsayısı (Watt/m 2 K), A: Kesit alanı (m 2 ), T : Sıcaklık farkı (K) Bütün bu etkiler bir arada yazılırsa; N adet çiftten oluşan bir termoelektrik jeneratörde sıcak yüzeyden emilen ısı miktarı [5]: Q si ( IT I 2 ρ / G + k TG ) = 2 N α 2 (7) si soğuk yüzeyden atılan ısı miktarı: Q so ( IT + I 2 ρ / G + k TG ) = 2N α 2 (8) so Şekil 1. Termoelektrik modülün içyapısı. TE modülün yüzeyleri arasında, Joule etkisi; Fourier etkisi, Peltier etkisi ve Seebeck etkisi geçerlidir [4]. Seebeck etkisi; farklı iki malzemeden oluşan bir devrede, iki jonksiyon (birleşme) farklı sıcaklıklarda olduğunda malzeme uçlarında ölçülen gerilimin sıcaklık farkıyla orantılı olduğunu ifade eder. V = α T (1) V: Devrede oluşan gerilim (Volt), α: Seebeck katsayısı (Volt/K), T: Sıcaklık farkı(k). Peltier etkisi; termoelemanda soğuk ve sıcak yüzeyde ortaya çıkan ısının devreden geçen akımla orantılı olduğunu gösterir. Q p = π I (2) Q p: Peltier ısısı (Watt), π: Peltier sabiti (Volt), I: Devreden geçen akım(amper). Burada, π = αt (3) Thomson Etkisi: Seebeck ve Peltier etkileri arasındaki ilişkiyi verir. Böyle bir devrede oluşan ısı hem elektrik akımına hem de sıcaklık gradyenine bağlıdır. Burada: N: Termoelektrik çift sayısı, α: Seebeck katsayısı (Volt/K), T soğuk: soğuk yüzey sıcaklığı (K), T sıcak: sıcak yüzey sıcaklığı (K), G: Şekil faktörü (Alan/Uzunluk, cm), ρ: Elektriksel Direnç (Ω cm) Devredeki gerilim: V = 2 Nα T (9) Elde edilen akım: I = VG / 2ρN (10) Termoelektrik modülün ürettiği elektrik enerjisi: P = Q si Q so (11) Veya P = VI (12) V I = ise R 2 V yazılabilir. (13) P = I eşitliğiyle bulunur. TE jeneratörün verimi ise alınan elektriksel gücün; harcanan ısıl güce oranıdır. η = P / (14) Q si Q t = t T I (4) 4. Materyal ve Metot t: Thomson katsayısı (V/K), T : İletkenin uçları arasındaki sıcaklık farkı (K), I : İletken üzerinden geçen akım şiddeti (Amper) Jeul etkisi: devreden geçen akım sonucu ortaya çıkan ısı enerjisidir. Q j 2 = I R (5) R: Termoelemanın direnci (Ω), I : Devreden geçen akım (Amper) Fourier etkisi; ise iki yüzey arasındaki sıcaklık farkından dolayı iletimle olan ısı geçişini ifade eder. Bu çalışmamızda noktasal yoğunlaştırıcı grubundan olan merkezi alıcılı sistemin bir minyatürünü kurduk. Sistem için kullanılan elemanlar ve teknik özellikleri aşağıda verilmiştir. 60 cm x70 cm dikdörtgen 3 cm kalınlıktaki sunta levha üzerine 5cm x 5 cm ölçülerindeki 98 adet ayna yerleştirilmiştir. Bu aynaların pozisyonları, levhaya dik gelen ışınımı odak noktasına düşürecek şekilde sabitlenmiştir. Odak noktasına yerleştirilecek TE modülleri tutmak için 50 cm uzunluğunda bir çelik profil kullanılmıştır. Kullanılan TE modülün teknik özellikleri çizelge 1 de verilmiştir [6]. 1735

54 Gür,S. ve Atik,K. Çizelge 1 Sistemde kullanılan TE modülün teknik özellikleri Model Çift sayısı U max V I max A t max C Q max W R (Ω) TEC T TE modüller kabloları dışa gelecek şekilde yerleştirilmiştir. Isınacak yüzeye güneş enerjisinden yüksek oranda faydalanabilmek için siyah mat renkte bir metalle arasına termal silikon sürülerek bitiştirilmiştir. Böylelikle güneş enerjisini odaklayacağımız yüzeyimiz elde edilmiştir. TE modüllerin soğutulmak istenen yüzeyleri içerisinden su akışının olduğu bakırdan yapılmış bir parçadır. TE modüllerin bu yüzeyleri de yine termal silikon sürülerek birleştirilmiştir. Sistemden daha yüksek voltaj elde edebilmek için seri bağlantı tercih edilmiştir. Seri bağlanılmış dört adet TE modül ün bir dirence bağlanması ve bu dirençten ne kadar akım geçtiğini ölçülmesi Şekil 2. de görünmektedir. 5. Sonuçlar Şekil 4. Deney sırasında sistemin görünümü 14 Aralık 2008, 12:30 da yapılan deneyde TEC T125 modülden 4 adet kullanılmıştır. En büyük gücü elde etmek amacıyla dış direnç değeri iç dirence eşit olacak şekilde 8 Ω olarak seçilmiştir. Ölçüm değerleri ve ilgili eşitlikler kullanılarak elde edilen sonuçlar Çizelge 2de verilmiştir. Çizelge 2. Deneyde yapılan ölçümler ve hesaplamalar Şekil 2. TE modüllerin yerleşimi ve elektrik bağlantısı Her bir ayna parçası için bu odaklama işlemi yapılır. Lazer ışını odakta görünür görünmez silikon ile ayna o yön ve açıda sabitlenir. Böylece 98 adet ayna tek bir noktaya odaklanmış olur. Soğuk yüzeyin soğutulmasında enerji sarf etmeden doğal sirkülâsyonla soğutma yapılmıştır. Sistem soğuması gereken kısmı plastik esnek hortumlar vasıtası ile bir depoya bağlanmıştır. Sistem içinde dolaşan su ısındıkça yükselip depoya gitmekte ve soğuyan su geri dönmektedir. Böylelikle iki yüzey arasında sıcaklık farkı oluşturularak elektrik üretimi gerçekleşmiştir. Yapılan sisteme ait fotoğraflar Şekil 3 ve Şekil 4. te görülmektedir. Modül Adı: TEC T125 Modül Sayısı: 4 Işınım Şiddeti: (W/m²) 557 Yoğunlaştırılmış Işınım Şiddeti: (W) 4720 Ortam Sıcaklığı: ( C) 21.5 Suyun Depoya Giriş Sıcaklığı: ( C) 11.5 Suyun Depodan Çıkış Sıcaklığı: ( C) 7.3 Çıkışa Bağlanan Direnç: (Ω) 8.0 Elde Edilen Gerilim: (V) 2.70 Üretilen Güç: (W) Gelen Toplam Işınım Gücü (W) Sistemin Verimi: (%) Yoğunlaştırma Oranı: (YO) Sonuç ve Öneriler Yapılan sistemle, havanın çok açık olmadığı; yani ışınım şiddetinin düşük olduğu günde yapılan ölçümlerde elde edilen verim değerleri % 1,043 olarak hesaplanmıştır. Bu değer güneş pillerinin veriminden düşük olmasına rağmen ümit vericidir. Sıcak yüzeyin ısı kaybının önlenmesi, güneş takip sistemi eklenmesi, soğuk yüzeyin daha iyi soğutulması, daha büyük aynalar ve yoğunlaştırma oranı kullanılması gibi yapılacak bazı iyileştirmelerle bu verim daha da arttırılabilecektir. Semboller Şekil 3. TE modüllerin yerleştirildiği bölüm. A Alan (m 2 ) G TE elemanı için alan/uzunluk (m) I Akım (A) 1736

55 Gür,S. ve Atik,K. N P Q Çift sayısı Güç (W) Isı (W) R Direnç (Ω T TE Sıcaklık (K, C) Termoelektrik U Isı iletim katsayısı (Watt/m 2 K) V Gerilim (V) α Seebeck katsayısı (VK -1 ) Π ρ η Alt indisler so sı j p t Peltier sabiti (V) Elektriki direnç (Ωm) Verim Soğuk Elektrik Jeul Peltier Thomson Kaynaklar [1] EİE Elektrik İşleri Etüt İdaresi, Yoğunlaştırıcılı sistemler, yogunlastiricilar, [2] Pırasacı, T., Sivrioğlu M., Yüksek konsantrasyonlu, sabit, üç yansıtıcılı güneş kolektörü, Mühendis ve makine, 46 (549), 35 (20..) [3] Thomas, J. P., Quidwai, M. A., Kellogg, J. C., Energy scavenging for small-scale unmaned systems, Journal of power, , 7, [4] Riffat, S.B., Qiu, G., Comperative İnvestigation of Thermoelectric Air-Conditioners Versus Vapour Compression and Absorption Air-Conditioners, Applied Thermal Engineering, 24, , [5] [6],

56 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye. GÜNEŞ PANELLERİ İLE ÇALIŞAN TAŞIT KLİMASININ DİNAMİK PERFORMANSI: KONYA ÖRNEĞİ DYNAMIC PERFORMANCE OF AUTOMOTIVE AIR CONDITIONER WORKED BY SOLAR PANELS: EXAMPLE OF KONYA Muammer ÖZGÖREN a, *, Özgür SOLMAZ b, Ali KAHRAMAN c a, * Selçuk Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fak., Konya, Türkiye, E-posta: b Selçuk Üniversitesi Teknik Eğitim Fak., Konya, Türkiye, E-posta: c Selçuk Üniversitesi Teknik Eğitim Fak., Konya, Türkiye, E-posta: Özet Günümüzde teknolojinin gelişmesiyle enerji tüketen cihazların sayısı ve yaygın kullanımı hızla artmaktadır. Bir yandan iklim değişiklikleri diğer yandan toplumun refah düzeyinin artması yaşam ortamlarının konforunu muhafaza etmek için klima kullanımını hem konutlarda hem de taşıtlarda kaçınılmaz hale getirmektedir. Bu da yaz aylarında klimaların tükettiği enerjiden dolayı kümülatif enerji tüketimini önemli oranda arttırmaktadır. Özellikle klimaların çalıştırılma gereksinim zamanlarının çoğu, güneş ışınım şiddetinin yüksek olduğu zaman dilimiyle çakışmaktadır. Bu ortak özellikten faydalanmak amacıyla; bu çalışmada, öncelikle bir otomobilin Konya ili için Meteorolojik verileri kullanılarak dinamik ısı kazancı yükü saatlik olarak 23 Temmuz günü boyunca belirlenmiştir. İkinci etapta ise ısı yükünü karşılamak için soğutucu akışkan olarak R134a nın kullanıldığı buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine göre çalışan bir otomobil kliması kompresörünün ihtiyacı olan elektrik enerjisinin, verimleri %10, %20 ve %42.8 arasında değişen ve araç üzerine yerleştirileceği düşünülen fotovoltaik güneş panellerinden üretildiği durumlar için, geliştirilen MATLAB bilgisayar programı ile araştırılmıştır. Model seçilen otomobil için güneş enerjisi ile çalışan klima sisteminin termodinamik analizi yapılmıştır. Taşıtın ısı kazancı yükü hesaplamasında transmisyondan, ışınımdan, insanlardan, cihazlardan, taşıt içindeki cisimlerin rejim haline gelmesinden ve havalandırmadan gelen ısı kazançları dâhil edilmiştir. Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde araç üzerine yerleştirilecek güneş panellerinden 6:00-18:00 saatleri arasında üretilen ve/veya depolanan elektrik enerjisi klimanın soğutma yükünü panel verimlerine bağlı olarak minimum verim %10 durumunda ~4.12 saat süreyle, maksimum verim durumunda ise fazlasıyla karşılayabildiği görülmüştür. Güneş panelleri teknolojisinin gelişmesi ve ekonomik olması ile önerilen sistemin ileride, taşıtlarda klima yükünü karşılamak amacıyla kullanılabileceği söylenebilir. Anahtar kelimeler: PV piller, güneş enerjisi, taşıt kliması, soğutma yükü, dinamik modelleme. Abstract Today, as the technology being developed, common use and number of the energy consuming devices have been increasing rapidly. In one hand change in climate condition and in the other hand increasing welfare level of the community, utilization of the air conditioning system becomes a compulsory option not only in the buildings but also in the vehicles to keep comfort condition of the living ambiance. Cumulative energy consumption due to energy usage of the air conditioning system in summer time is also considerably increased. Specially, most of the working time period for the need of the air conditioning system and high level of solar radiation intensity are overlapped. In order to benefit from this mutual feature, in this study, hourly dynamic cooling load capacity of an automotive for Konya province along the day of July 23 is determined by using Meteorological Data. Then, in order to meet the cooling load, compressor power need of the automotive air-conditioning that works according to vapor compressed refrigeration cycle and use refrigerant R134a are investigated under the condition that electric energy requirement of the cooling system generated by photovoltaic panels which will be placed on the automotive body and can have efficiency values of 10%, 20% and 42.8%, in terms of a developed MATLAB computer program. Thermodynamic analysis of the air-conditioning system driven by solar energy (PV) for the selected automotive model are carried out. During the calculation of the heat gain coming from transmitting, radiation, people, devices, and inside air ventilation of the automotive as well as objects placed in the vehicle reaching steady-state condition is taken into account. Evaluation of the electric energy produced and/or stored from PV panels located on the automotive body along the hours 6:00 18:00 demonstrated that cooling load need of the air-conditioning system can meet from the PVs depending on its efficiency. The air-conditioning system driven by the PV can operate as along as ~4.12h for the case of minimum PV efficiency value of 10% and also it can adequately be satisfactory for the case of maximum efficiency value of 42.8%. It can be expressed that as the Photovoltaic Panels has technologically been developed and become more economic, the proposed system can be used for the purpose of the meeting cooling load need of the vehicle in future. Keywords: Photovoltaic panel, solar energy, vehicle airconditioning, cooling load, dynamic model 1. Giriş Gelişen teknolojinin günlük yaşam içerisinde gün geçtikçe artan bir şekilde yer alması insanların konfor ihtiyaçlarını ve yaşam standartlarını önemli oranda etkilemektedir. Bu da insanların fert başına tükettikleri enerji oranını arttırmaktadır. İnsanlar gününün bir kısmını, en az iki IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1738

57 Özgören, M, Solmaz Ö Kahraman A.. saatini, gerek işe gidiş dönüş süreleri ve gerekse günlük ihtiyaçlarını karşılamak için özel ve/veya toplu taşıma araçları içerisinde geçirmektedirler. Aynı zamanda insanlar yaz aylarında iş yerleri ve evlerinde mevcut klimatize edilmiş şartların, iş performansları ve sağlık yönünden sağlanması için seyahatleri esnasında da klimalı araçları tercih etmektedirler. Özellikle taşıtlarda yaz aylarında aktif olan klima, taşıtın yakıt tüketimini yaklaşık %28 mertebelerinde arttırabilmektedir. Bu çalışmada, bu yakıt tüketimindeki artışı ortadan kaldırma amaçlı önerilen PV paneller ile çalışan taşıt klima sistemi üzerine yapılan ön analiz ve sonuçları hakkında bilgi verilmiştir. Taşıtlarda buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine göre çalışan bir iklimlendirme sistemi mevcuttur ve kompresör gücünü direkt içten yanmalı motordan almaktadır. Bu ise Amerika Birleşik Devletleri SC03 sürüş şatlarına göre yapılan bir çalışmada taşıtın yakıt tüketiminde %28, CO 2, NOx ve HC emisyonlarında sırasıyla %71, %81 ve %30 seviyelerinde bir artış göstermektedir [1]. Taşıt klima sistemlerindeki kayıpların ve emisyonların azaltılmasına yönelik birçok çalışma yapılmaktadır. Literatürde, taşıt kliması üzerine yapılan çalışmalar genellikle sürücü konfor şartlarının iyileştirilmesi, farklı soğutucu akışkan kullanılması, klima elemanlarının ve çalışma şartlarının optimizasyonu üzerine yoğunlaşmıştır. Son zamanlarda Kiatsiriroat ve Euakit (1997) [2], Jung ve ark. (1999) [3], Lee ve Yoo (2000) [4], Al-Rabghi ve Niyaz (2000) [5], Jabardo ve ark. (2002) [6], Kaynaklı ve Horuz (2003) [7], Hoşöz ve Direk (2006) [8], Hoşöz ve Ertunç (2006) [9], Wongwises ve ark. (2006) [10], Akyol ve Kılıç (2008) [11], tarafından yapılan araştırmalar bunlardan bazılarıdır. Yapılan literatür araştırmasında, taşıt kliması için gerekli olan soğutma yükünün saatlik hesabı ve modellemesi üzerine bir araştırmaya rastlanmamıştır. Bunun yanında taşıt klima sisteminin çalışması için alternatif bir enerji kaynağından faydalanılması üzerine hemen hemen hiçbir çalışmanın olmadığı görülmektedir. Bu amaçla, bu çalışmada, taşıtın dinamik ısı kazancı ve soğutma yükü Konya ili için meteorolojik veriler kullanılarak saatlik belirlenmiştir. Daha sonra hesaplanan soğutma yükünü karşılamak için soğutucu akışkan olarak R134a nın kullanıldığı buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine göre çalışan bir taşıt kliması kompresörünün ihtiyacı olan elektrik enerjisinin kısmen veya tamamen taşıt üzerine yerleştirilmiş fotovoltaik güneş panellerinden üretildiği durumlar teorik olarak incelenmiştir. 2. Materyal Metot Bu çalışmada, 1997 model Renault Safrane marka otomobilin saatlik olarak soğutma yükü hesabı, ideal buhar sıkıştırmalı çevrime göre soğutma çevrimi ve PV panellerden elektrik üretimi analizleri yapılmıştır Isı Kazancı (Soğutma Yükü) Hesaplamaları Taşıt klimasının toplam ısı kazancının aşağıdaki bölümlerden meydana geldiği dikkate alınmış olup, hesaplama detayları verilmiştir. a)transmisyonla gelen ısı kazancı; Q =A *U *(T -T ) (1) trk,j k k d,j i,j Burada, Q tr,k,j: k yüzeyinin j. saatteki transmisyonla ısı kazancı (W); A k: k yüzeyinin alanı (m 2 ); U k: k yüzeyinin toplam ısı transfer katsayısı (W/m 2o C); T d,j: günün j. saatindeki dış hava sıcaklığı ve T i,j: günün j. saatindeki konforu sağlayan iç hava sıcaklığını göstermektedir. Şekil 2 de gösterilen model taşıtın A, B, C, D, E, F, G, I yüzeyleri k indisi ile temsil edilmiştir. Taşıt iç sıcaklığı burada yapılan hesaplamalarda 23 o C alınmıştır. b)taşıtın bagaj kısmından transmisyonla gelen ısı kazancı; Q k,j=a k*u k*(td,j-t i,j+10) (2) eşitliği ile hesaplanmıştır. Burada, bagaj iç sıcaklığı dış ortam sıcaklığından 10 o C fazla alınmıştır. c)taşıtın motor bölümünden transmisyonla gelen ısı kazancı; Q k,j=a k*u k*(60-t i,j) (3) eşitliği ile hesaplanmıştır. Burada, 60 o C değeri yaklaşık sabit kabul edilen aracın motor kısmının ortam sıcaklığıdır. d) Opak ve cam yüzeylerden ışınımla oluşan ısı kazancı; Q =A *k *I (4) Ik,j k y k,j eşitliği ile hesaplanmıştır. Burada, k yüzeyinin günün j. saatindeki ışınımla ısı kazancı Q Ik,j (W) ile, k yüzeyinin alanı A k (m 2 ) ile, güneş ışınımı iletim katsayısı (cam=0.7, opak=0.5) k y ve k yüzeyinin günün j. saatindeki güneş ışınımı ise I k,j (W/m 2 ) ile gösterilmiştir. Eğik yüzeye düşen toplam güneş ışınımının, yatay yüzeye düşen toplam güneş ışınımına oranı (R); I b d R= *R b + *R d I0 I0 I olarak tanımlanmıştır [12]. Burada, I o, yeryüzünde birim yatay düzlem yüzeye gelen toplam güneş ışınımı; I b, yatay yüzeye düşen direk güneş ışınımı; I d, yatay yüzeye düşen yaygın güneş ışınımı; R d, eğik yüzeye düşen yaygın güneş ışınımının yatay yüzeye düşen yaygın güneş ışınımına oranı ve R b ise eğik yüzeye düşen direk güneş ışınımının yatay yüzeye düşen direk güneş ışınımına oranıdır. Temiz ve bulutsuz bir gökyüzü durumunda R d dikkate alınmayabilir [12]. Bu durumda yatay yüzeye gelen direk güneş ışınımı da toplam güneş ışınımına eşit kabul edilmiş olacaktır. Buna göre 5 nolu eşitlik; (5) R = R b (6) olur. Saatlik güneş ışınımı değeri ise I k,j=i y,j*r b,j (7) eşitliği elde edilir. Eşitlik 7 deki I y,j günün j. saatindeki yatay güneş ışınımıdır. Burada R b,j ise günün j. saatindeki dönüşüm faktörü olup aşağıdaki eşitlikten hesaplanır. 1739

58 Özgören, M, Solmaz Ö Kahraman A.. R cosθ cosθ b = (8) z Burada, θ ve θ z sırasıyla geliş açısını ve zenit açısını göstermektedir. Ayrıca, cosθ nın hesabı için aşağıdaki ifade kullanılır: cos θ= sin δ*sin φ*cos β sin δ*cos φ*sin β*cos γ... + cos δ*cos φ*cos β*cos ω+ cos δ*sin φ*sin β*cos γ*cos ω... + cos δ*sin β* sin γ*sin ω Burada, deklinasyon açısı δ, enlem açısı Φ, yüzeyin eğim açısı β, azimut açısı γ ve saat açısı ω dır. Konya için Φ=38, 23 Temmuz için δ=20.03, β=ön cam için 30, arka cam için -45, yan camlar için 90, γ=güney için 0, kuzey için 180, doğu için -90, batı için 90 alınmıştır. ω ise saat açısı olup, aşağıdaki eşitlikle hesaplanmaktadır. (9) ω = (12 t )*15 (10) j j t j yerel saati göstermektedir. e) İnsanlardan kaynaklanan ısı kazancı; ve 5 o C, yoğuşturucu sıcaklığı ise dış ortam sıcaklığından 10 o C, 15 o C ve 20 o C fazla alınmıştır (T k=t d, j+10 o C, T k=t d, j+15 o C ve T k=t d, j+20 o C). Kompresörün izentropik verimi Brunin ve ark. (1999) yaptığı çalışmada kullandığı 17 nolu eşitlik kullanılarak hesap edilmiştir [13]. Ayrıca, hesaplamalarda 5 o C aşırı ısıtma, 5 o C aşırı soğutma olduğu, evaporatördeki ve yoğuşturucudaki basınç kayıplar ise göz önüne alınmamıştır. Hesaplamalar MATLAB programında geliştirilen program kullanılarak yapılmıştır. Soğutma tesir katsayısı STK, kompresörün ihtiyaç duyduğu güç W net ve izentropik verim değerleri aşağıdaki eşitliklerden hesaplanmıştır. STK W Q W L = (15) net Q STK L net = (16) η = * YB / EB (17) s Burada, YB ve EB yoğuşturucu ve evaparatör basınçlarını göstermektedir. Q = Z *( Q + Q ) (11) insan,j duy giz Burada, araç içindeki insan sayısı Z, bir kişinin oluşturduğu duyulur ve gizli ısılar Q duy ve Q giz ile gösterilmiştir. Bu değerler Q duy = Q giz olup, 58 (W/kişi) olarak alınmıştır. f) Araç içindeki cihazlardan kaynaklanan ısı kazancı; Q = 25. W (12) cihaz, j. olarak alınmıştır. g) Havalandırmadan kaynaklanan ısı kazancı;. Q = ρ *V*c *Z*(T -T ) (13) enf,j p d,j i,j Burada, günün j. saatindeki enfiltrasyondan oluşan ısı kazancı Q enf,j (W), havanın yoğunluğu ρ (kg/m 3 ), bir kişi için saatte gerekli taze hava miktarı V & ve havanın özgül ısısı C p dir. Yapılan hesaplamalarda V & =30 ((m 3 /h)/kişi) alınmıştır. Eşitlik 1-13 hesaplamaların gerçekleştirilmesi ile taşıtın toplam ısı kazancı değeri Q = Q + Q + Q + Q + Q (14) T,j trk,j Ik,j cihaz,j insan,j enf,j şeklinde özetlenir. Burada, günün j. saatindeki toplam ısı kazancı Q T,j ile gösterilmiştir Soğutma Çevrimi Hesaplamaları Soğutma sisteminin ideal buhar sıkıştırmalı çevrime göre çalıştığı kabul edilmiştir. Konya ili için meteorolojik veriler kullanılarak, Şekil 1 de gösterilen hava kaynaklı (havahava) ısı pompası hesaplamasında, R134a soğutucu akışkan kullanılmıştır. Buharlaştırıcı sıcaklığı -5 o C, 0 o C Şekil 1. Buhar Sıkıştırmalı Mekanik Soğutma Çevriminin T-s diyagramında gösterimi [14] 2.3. Fotovoltaik Panel Hesaplamaları Fotovoltaik panel endüstrisindeki gelişmeler ve yenilebilir enerji uygulamalarındaki artışlar dikkate alındığında PV lerin hücre verimleri önemli oranda yükselmiştir. Özellikle nanoteknoloji ve silikon içerikli pillerin kullanımı üzerine yapılan araştırma sonuçlarında, son zamanlardaki verim değerlerinin laboratuar ortamında %42.8 mertebesine ulaştığı belirtilmiştir [15]. Bu çalışmada geçmiş yıllarda yaygın olarak kullanarak PV sistem verimi %10, günümüzde üretilen PV sistem verimleri %20 ve yakın gelecekte yaygınlaşacağına inanılan PV sistem verimi %42.8 için hesaplamalar yapılarak karşılaştırılmıştır. PV nin üreteceği güç için aşağıdaki eşitlik kullanılmıştır. W η * I * A = (18) PV SV y PV Burada W PV panelden elde edilebilecek güç (W), η SV PV sistemi verimi ve A PV ise araç üzerine konulacak panel alanıdır. 1740

59 Özgören, M, Solmaz Ö Kahraman A Model Taşıt ve Önerilen Sistem Bu çalışma da teorik olarak incelenecek model taşıt Şekil 2 de gösterilmiştir. Taşıt üzerinde gösterilen harfler yüzeyleri göstermekte olup, bunlar soğutma yükü hesaplamalarında kullanılan parametrelerdir ve Çizelge 1 de değerleri verilmiştir. Taşıt üzerine fotovoltaik panellerin konabileceği yatay yüzey alanları A, H, ve L yüzeyleri olup, toplamı 3.5 m 2 dir. Sistem araç içerisine yerleştiren evaporatörün ortamdan ısı çekerek buharlaşan düşük basınçtaki R134a akışkanının, dış ortama ısısını vererek tekrar sıvı hale dönüşebilmesi için dış ortam sıcaklığı üzerindeki bir sıcaklığa karşılık gelen basınç olan yoğuşturucu basıncına çıkarılması kompresöre dışardan enerji verilmesi ile olur. Kompresörün enerji ihtiyacı güneş enerjisinden PV panelleri ile üretilen elektrik enerjisi ile direk olarak veya aküde depolanan enerji ile karşılanmaktadır. Böylelikle taşıt klimasının çalıştırılması için motora herhangi bir yük yüklenmediği için motor performansında bir değişiklik olmayacaktır. Yakıt tüketiminde de bir artış olmayacağı için emisyon değerlerinde de bir değişim söz konusu olmayacaktır. Sistemin otomatik kontrol devresinin hem elektrik üretimi hem de kompresörü istenilen soğutma kapasitesinde çalıştıracağı varsayılmıştır. Şekil 3. Tasarlanan PV destekli çalışan taşıt klimasının şematik gösterimi. 3. Araştırma Bulguları ve Tartışma Şekil 4 de dış ortam sıcaklığı ve yatay yüzeye gelen ışınım değerlerinin 23 Temmuz günü boyunca değişimi verilmiştir. Sıcaklık değeri minimum saat 6:00 da yaklaşık 16 o C iken maksimum değer ise saat 16:00 da yaklaşık 30 o C dir. Güneş ışınım değeri saat 4:00 den sonra etkisini göstermeye başlamış, yatay yüzeye gelen ışınım saat 12:00 sıralarında yaklaşık 850 W/m 2 değeri ile maksimuma ulaşmış daha sonra azalarak saat 19:00 civarında sıfırlanmıştır. Bu grafikte yatay yüzeye gelen ışınım değerleri 6:00-18:00 arasında soğutma ihtiyacı oluşturacak şekilde etkili olacağı için hesaplamalar bu zaman aralığında gerçekleştirilmiştir. Şekil 2. Model taşıt(renault Safrane) Çizelge1. Model taşıtın yaklaşık yüzey alanları Yüzey Alan m 2 A Tavan 1.44 B Ön cam 1.22 C Arka cam 1.17 D Sağ yan cam (toplam) 0.91 E Sol yan cam (toplam) 0.91 F Sağ yan kapı (toplam) 1.30 G Sol yan kapı (toplam) 1.30 H Ön kaporta 1.76 I Taban alanı 2.69 J Motor böl. ile iç taraf arasındaki yüzey 1.00 K Bagaj ile iç taraf arasındaki yüzey 0.93 L Arka kaporta 0.30 Şekil 3 de önerilen klima sistemi şematik olarak gösterilmiştir. Şekil 4. Meteorolojik dataların Konya ili için 23 temmuz günü boyunca dış ortam sıcaklığı ve yatay yüzeye gelen ışınımın değişimi ( yılları ortalaması). Şekil 5 de taşıtın 2.1 bölümünde anlatılan hesaplama metodolojisine göre hesaplanan soğutma yükünün gün boyunca saatlik dinamik değişimi verilmiştir. Aracın ön yüzeyinin güneye doğru yönlendirildiği kabul edilmiştir. Saat 6:00 sıralarında hem ışınım hem de dış sıcaklık değerinin düşük olmasından dolayı soğutma yükü yaklaşık 500 W olup, en düşük değerindedir. Zamanın ilerlemesi ile soğutma yükü sıcaklık ve ışınımın etkisinin artmasından dolayı saat 11:00 e kadar yaklaşık 3000 W mertebesine kadar artmaktadır. Tam öğleyin saat 12:00 de dikey yüzeylere gelen ışınımın etkisinin azalmasından dolayı bir miktar azalma ile soğutma yükü yaklaşık 2700 W a düşmüştür. Saat 12:00 den itibaren Şekil 4 de görüldüğü gibi ışınım değeri azalmakta ancak sıcaklıktaki artıştan 1741

60 Özgören, M, Solmaz Ö Kahraman A.. dolayı eşitlik 1-13 deki iç ortam ile dış ortam arasındaki sıcaklık farkı arttığı için soğutma yükü değeri yaklaşık 3300 W a kadar artmıştır. Daha sonra sıcaklık ve ışınımdaki azalmadan dolayı saat 18:00 de 2200 W a kadar düşmektedir. Şekil 6 da geliştirilen soğutma çevrimi programına göre bölüm 2.2 de belirtilen şartlara göre evaporatör sıcaklığı T e=0 C ve kondenser sıcaklığının T k=td+15 C iken elde edilen hesaplama sonuçlarından toplam soğutma yükü Q T, STK, kompresör gücü W net ve kondenser kapasitesi Q K nın gün boyunca değişimi verilmiştir. STK, dış ortam sıcaklığının düşük olduğu sabah saatlerinde 6.5 gibi oldukça yüksek bir değerde iken sıcaklığın artmasıyla, maksimum sıcaklık değerinin oluştuğu saat 16:00 da minimum değeri olan 4.1 değerine düşmekte ve daha sonra ortam sıcaklığındaki azalmaya paralel olarak tekrar artmaya başlamıştır. Soğutma yükünün en düşük ve STK katsayının en yüksek olduğu saat 6:00 da kompresör gücü minimum olup, yaklaşık 80 W dır. Dış ortam sıcaklığı, ışınım ve soğutma yükündeki artışa göre ve STK nın azalışı dikkate alındığında, kompresör gücü saat 11:00 e kadar 500 W a kadar artmış, saat 12:00 de soğutma yükündeki azalmadan dolayı çok az düşmüş ve saat 16:00 da ise yaklaşık 600 W değeri olan en yüksek değerine ulaşmıştır. Saat 18:00 de, STK daki artış oranına göre W net 400 W a kadar düşmüştür. Kondenser kapasitesi, soğutma yüküne paralel bir değişimle saat 6:00-18:00 arasında W net in saatlik değişimi kadar artmış ve maksimum değeri saat 15:00 da yaklaşık 4000 W olmuştur. Gün boyunca (12 h) taşıt klimasının soğutma yükü, kompresörün ihtiyaç duyduğu enerji ve kondenserden dışarı atılan ısı eğrilerin altındaki alanların Simphson kuralına göre integre edilmesi ile sırasıyla ΣQ T= kwh, ΣW net=7.349 kwh ve ΣQ L= kwh olarak bulunmuştur. QT (W) QT h Şekil Temmuz günü boyunca taşıtın ihtiyacı olan soğutma yükünün saatlik değişimi. QT, QK, Wnet (W) QT Wnet QK STK h Şekil 6. Evaporatör sıcaklığı T e=0 C ve kondenser sıcaklığının T k=td+15 C için toplam soğutma yükü Q T, STK, kompresör gücü W net ve kondenser kapasitesi Q K nın gün boyunda değişimi. Şekil 7 de, gün boyunca yatay yüzeye gelen ışınım I Y (W/m 2 ), kompresör gücü W net in evaparatör sıcaklığı T e=0 o C, kondenser sıcaklığı T k=t d+15 o C, değişen izentropik verime göre değişimi ve farklı PV sistemi verimleri (%10, %20 ve %42.8) ile üretilebilecek elektrik enerjisi W PV nin değerleri gösterilmiştir. PV verimlerinin %10 ve %20 değerleri, günün hiçbir saatinde kompresörün ihtiyaç duyduğu elektrik enerjisini üretememektedir. Yakın gelecekte tiçarileşme potansiyeli yüksek olan %42.8 lik PV verimi ise saat 16:00 ya kadar kompresörün ihtiyacı olan enerjiyi ziyadesiyle üretebilmektedir. Gün boyunca taşıt kliması kompresörünün ihtiyaç duyduğu enerji, %10, %20 ve %42.8 PV verimleri üretilebilecek elektrik enerjisi miktarlarının toplamı eğrilerin altındaki alanların Simphson kuralına göre integre edilmesi ile sırasıyla ΣW net=7.349 kwh ve ΣW PV,%10=2.522 kwh ΣW PV,%20=5.044 kwh, ΣW PV,%42.8= kwh olarak hesaplanmıştır. Buradan taşıt klimasının günlük ortalama ihtiyaç duyduğu güç kwh/12=0.612 kw dır. Bu güç için %10 PV verimli taşıt kliması yaklaşık 2.522kWh/0.612kW=4.12h, %20 PV verimi ile 5.044kWh/0.612kW=8.24h ve %42.8 PV verimi ile ise kWh/0.612kW=17.63h lik süresince kompresörün ihtiyaç duyduğu gücü üretebilmektedir. Şekil 4 de yatay ışınım değişimi Saat 18:00 dan sonra sıfıra yaklaşmaktadır ve bu zamandan sonra PV sistemi elektrik üretememektedir. Ancak, burada hesaplaması verilmemesine rağmen ışınım hariç eşitlik 2-13 de verilen eşitliklerden görüleceği gibi taşıtın soğutma yükü oluşmaya devam etmektedir. Gelecekte %42.8 lik PV verimlerine ulaşılması durumunda bu durumla oluşacak toplam ( =3.445 kwh) elektrik enerjisi ile oluşan soğutma yüklerinin karşılanması da söz konusu olabilecektir STK 1742

61 Özgören, M, Solmaz Ö Kahraman A.. Wpv, Wnet (W) Wnet Wpv, %10 Wpv, %20 Wpv, %42.8 Iy h Şekil Temmuz günü boyunca I Y (W/m 2 ) Te=0 o C, Tk=Td+15 o C, değişen izentropik verime göre kompresör gücü W net ve değişik PV sistemi verimleri (%10, %20, %42.8) ile üretilebilecek elektrik enerjisi W PV nin değişimi. Şekil 7 de verilen değişimlerin farklı evaporatör, kondenser sıcaklıkları ve izentropik verime göre gün boyunca toplam 0 Iy (W/m2) değişimi Çizelge 2 de ilk sütunda verilen şartlardaki çalışma durumları için ayrıca hesaplanmış ve liste halinde verilmiştir. Kompresörün ihtiyaç duyduğu enerji ihtiyaçları Çizelge 2 de verilen M, N, P ve R durumlarında hesaplanmış ve kwh/gün özet olarak verilmiştir. Burada verilen η so değerleri 17 nolu eşitlikten günün saatine göre değişen dış sıcaklık, evaparatör ve kondenser basıncına göre değişen oniki saatlik değişimin ortalamalarıdır. M durumu bu şartlarda %42.8 PV verimi bütün şartlarda oluşan soğutma yükünü karşılamakla birlikte %20 PV verimi ise T e=5 o C, T k=t d, j+10 o C şartlarında hemen hemen toplam soğutma yükünü karşılayabilecek enerji üretmektedir. N ve P durumları gerçekte bir özel otomobilin kullanılabileceği zaman dilimini göstermekte olup, bütün şartlarda ihtiyaç olan soğutma yükü %10 PV verimli bir sistemle bile mevcut model taşıt için rahatlıkla karşılanmaktadır. R durumu ise çoğunlukla günümüzde ticari olarak yaygın kullanılan %20 lik PV verimi ile kolaylıkla sağlanabilmektedir. Çizelge 2. Farklı çalışma şartlarında 23 Temmuz günü tasarlanan sistemin değerlendirilmesi. Toplam Soğutma ihtiyacı M durumu: Gün boyunca(12h), N durumu: Saat 8:00-9:00 ve 17:00-18:00 arası toplam 2h, P durumu: Saat 8:00-9:00, 12:00-13:00 ve 17:00-18:00 arası toplam 3h, R durumu: Saat 8:00-10:00, 12:00-13:00 ve 17:00-18:00 arası toplam 4h. Gün boyunca PV nin üretebileceği toplam güç I) η SV =%10, II)η SV =%20 ve III) η SV =%42.8. Şartlar W net (kwh/gün) PV nin ürettiği W PV(kWh/gün) M N P R I II III 1)T e=-5 o C, T k=t d, j+10 o C, η so = )T e=0 o C, T k=t d, j+10 o C, η so = )T e=5 o C, T k=t d, j+10 o C, η so = )T e=-5 o C, T k=t d, j+15 o C, η so = )T e=0 o C, T k=t d, j+15 o C, η so = )T e=5 o C, T k=t d, j+15 o C, η so = )T e=-5 o C, T k=t d, j+20 o C, η so = )T e=0 o C, T k=t d, j+20 o C, η so = )T e=5 o C, T k=t d, j+20 o C, η so = Sonuç Analiz ve yorumlaması yapılan PV panelli taşıt klima sisteminin dinamik olarak saatlik analizi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlardan, günümüzde yaygın olarak kullanılan %20 verimli bir PV ile sadece taşıtın üzerine konulacak A=1.44 m 2 alanı ile toplam 2.1 kwh lık elektrik enerjisi üretilebileceği için çizelge 2 de çoğu otomobil kullanıcıları için verilen P durumundaki şartların hemen hemen hepsi için sistemin fizibil olacağı anlaşılmaktadır. İleride yapılacak daha detaylı analiz ve deneylerle sistemin deneysel performans araştırması da gerçekleştirilecektir. Böylece, sıfır emisyon üreten temiz enerji kaynağının taşıtlarda klima yükünün karşılanabilmesi amaçlı kullanılabileceği gösterilecek ve uygulamacılar teşvik edici faydalı bilgiler oluşturulacaktır. 5. Teşekkür Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü ne, analizlerimizi gerçekleştirmek için verdiği datalar için teşekkür ederiz. Kaynaklar [1] Hendricks, T.J., Optimization of Vehicle Air Conditioning Systems Using Transient Air Conditioning Performance Analysis, SAE Technical Paper # [2] Kiatsiriroat, T. ve Euakit, T., Performance Analyses of An Automobile Air Conditioning System with R/22/R124/R152A Refrigerant, Applied Thermal Engineering, Volume 17, Issue 11, Pages , November [3] Jung, D., Park, B. ve Lee, H., Evaluation of Supplementary/Retrofit Refrigerants for Automobile Air-Conditioners Charged with CFC12, Int. J. Refrigeration, Volume 22, Pages , [4] Lee, G.H. ve Yoo, J.Y., Performance Analysis and Simulation of Automobile Air Conditioning System, Int. J. Refrigeration, Volume 23, Pages ,

62 Özgören, M, Solmaz Ö Kahraman A.. [5] Al-Rabghi, O. ve Niyaz, A.A., Retrofitting R-12 Car Air Conditioner with R-134a Refrigerant, Int. J. Energy Research, Volume 24, Pages , [6] Jabardo, J.M.S., Mamani, W.G. ve Ianella, M.R., Modelling and Experimental Evaluation of an Automotive Air Conditioning System with a Variable Capacitiy Compressor, Int. J. Refrigeration, Volume 25, Issue 8, Pages , December [7] Kaynaklı, O. and Horuz, I., An Experimental Analysis of Automotive Air Conditioning System, Int. Com. Heat and Mass Transfer, Volume 30, Issue 2, Pages , March [8] Hoşöz, M. ve Direk M., Performance Evaluation of an Integrated Automotive Air Conditioning and Heat Pump System, Energy Conversion and Management, Volume 47, , [9] Hoşöz, M. ve Ertunç, H.M., Artificial Neural Network Analysis of an Automotive Air Conditioning System, Energy Conversion and Management, Volume 47, Issues 11-12, Pages , July [10] Wongwises S., Kamboon A., Orachon B., Experimental Investigation of Hydrocarbon Mixtures to Replace HFC-134a in an Automotive Air Conditioning System, Energy Conversion and Management Volume 47, Issues 11-12, Pages , July [11] Akyol, Ş.M., Kılıç, M., Dynamic Simulation of HVAC System Thermal Loads in an Automotive Compartment, 4th.Automotive Technologies Congress, June 01-04, Bursa, [12] Duffie, J.A., Beckman, W.A., Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley and Sons, ISBN: , Inc. Canada, [13] Brunin, O.,Feidth, M. and Hivet, B., Comparison of The Working Domains of Some Compression Heat Pumps and A Compression-Absorption Heat Pump, lntj. Refrig. Vol. 20, No. 5, pp , [14] Çengel, A.Y., Boles, A.M, Thermodynamics: An Engineering Approach, McGraw-Hill, New York, U.S., [15] ( ) 1744

63 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISITMA VE ABSORBSİYONLU SOĞUTMA UYGULAMASI SOLAR ASSISTED ABSORPTION APPLICATIONS FOR HEATING AND COOLING E. Fuad KENT a, * ve İ. Necmi KAPTAN b a, * İTÜ Makina Fak, Gümüşsuyu, İstanbul, Türkiye, E-posta: b İTÜ Makina Fak, Gümüşsuyu, İstanbul, Türkiye, E-posta: Özet Bu çalışmada güneş enerjisi destekli ısıtma ve absorbsiyonlu soğutma uygulamasıyla Antalya ilindeki elli yataklı bir otelin yaz ve kış şartlarında iklimlendirilmesi ve sıcak su ihtiyacının karşılanması incelenmiştir. Öncelikle Antalya ili için güneş ışınımı ve meteorolojik veriler ile otelin ısıtma, soğutma ve sıcak su ısıl yük değerleri hesaplanarak sunulmuştur. Isıtma çevrimi için sıvı dolaşımlı aktif güneş enerjili ısıtma sistemi, soğutma için ise Lityum bromür-su akışkan çifti kullanan soğutma sistemi kullanılmıştır. Bu sayede güneş enerjisinden ısıtma ve soğutmada yararlanılarak yakıt maliyeti açısından tasarruf sağlanmıştır. Bu sistemlere ek olarak otelin sıcak su ihtiyacını karşılayan güneş enerjili su ısıtma sistemi de bu sistemlerin yanında yer almaktadır. Sistemin bütünü bir solar combined system, diğer bir değişle ısıtma ve soğutmanın birlikte yapıldığı güneş enerjili bütünleşik bir sistem olmaktadır. Toplam toplayıcı alanı, toplayıcı alanına göre yıllık faydalanma oranının değişimi verilmiştir. Ayrıca güneş enerjisi tesisatının toplam maliyeti ve geri ödeme süresi hesaplanmıştır. Anahtar kelimeler: Güneş enerjisi, Absorbsiyonlu sistemler, Isıtma, Soğutma Abstract In this paper solar assisted heating and absorption cooling system and domestic hot water needs for a hotel having fifty rooms in Antalya have been investigated. First of all, solar radiation and meteorological data for Antalya and heating and cooling loads of the hotel building are given. For the heating cycle, active systems using liquid as the working fluid; and for the cooling cycle, solar-powered absorption cooling system with the absorption pair of lithium bromide and water are used. In this way, solar energy is used to provide both heating and cooling requirements in the building which causes energy (fuel) savings. Domestic hot water needs are also supplied by solar energy heating system. The overall system comprises a solar combined system. Total collector area and the annual rate of heating and cooling load requirements of the hotel building met by the solar system are given. Moreover, total cost of the solar system and pay back period of it are also presented. Keywords: Solar energy, Absorption systems, Heating, Cooling 1. Giriş Isı kaynağı olarak güneş enerjisinden yararlanan absorbsiyonlu sistemler, hem sistem verimlilikleri, hem de işletme giderleri açısından sağladığı faydalar nedeniyle, alternatif sistemlerden çok daha umut vaat etmektedir. Ayrıca ozon tabakasına zarar verme ve küresel ısınma açısından ekolojik sisteme zarar vermeyen çevre dostu sistemlerdir. Güneş enerjisi kaynaklı ısıtma ve absorbsiyonlu soğutma sistemi uygulamalarının tanıtılması, çalışma prensibi, kullanımının önemi ve sistem performansına etki eden faktörleri ile farklı sistem tasarımı ve uygulama örnekleri [1] ve [2] de detaylı olarak verilmiştir. Lityum bromür-su akışkan çifti kullanan güneş enerjisi kaynaklı tek kademeli absorbsiyonlu soğutma sisteminin deneysel uygulaması, 2003 yılının yaz dönemi için Madrid de gerçekleştirilmiştir [3]. Lityum bromür-su akışkan çifti kullanan güneş enerjisi kaynaklı ısıtmasoğutma sistemleri üzerinde yapılan çalışmalar geniş olarak [4] de verilmiştir. Güneş enerjili absorbsiyonlu sistemlerin simülasyonu [5], [6] ve [7] de anlatılmıştır. Absorpsiyonlu soğutma sistemlerinin ikinci kanun analizleri ise [8], [9], [10] ve [11] de verilmiştir. Türkiye de sektörlere göre enerji tüketim değerleri profiline bakıldığında % 40 sanayi, % 30 binalar, % 19 ulaşım, % 4,6 tarım ve %5.4 diğer sektörler gelmektedir. Görüldüğü gibi binaların ısıtma-soğutma sistemleri için gereken enerjinin payı toplam tüketim değeri içinde son derece yüksek ve önemlidir. Bu nedenle ısıtma-soğutma sistemleri için gereken enerjinin yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanması, enerji tasarrufu yönünden çok önemli olup, temiz enerji kaynakları kullanması nedeniyle de enerji kullanımı ile ilgili sorunlara çözüm getirecektir. Bu çalışmada, temiz ve yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisi destekli ısıtma ve absorbsiyonlu soğutma uygulamasıyla Antalya ilindeki elli yataklı bir otelin yaz ve kış şartlarında iklimlendirilmesi ve sıcak su ihtiyacının karşılanması incelenmiştir. Bu amaçla öncelikle Antalya ili için güneş ışınımı ve meteorolojik veriler ile otelin ısıtma, soğutma ve sıcak su ısıl yük değerleri hesaplanarak sunulmuştur. Isıtma çevrimi için sıvı dolaşımlı aktif güneş enerjili ısıtma sistemi, soğutma için ise Lityum bromür-su akışkan çifti kullanan soğutma sistemi kullanılmıştır. Bu sistemlere ek olarak otelin sıcak su ihtiyacını karşılayan güneş enerjili su ısıtma sistemi de bu sistemlerin yanında yer almaktadır. Sistemin tesisat şeması verildikten sonra, kurulan bu sistemden ısıl yüklerin karşılanmasında hangi oranlarda faydalanıldığı belirtilmiş ve faydalanma durumunun yıl içindeki dağılımı verilmiştir. Ayrıca sistemin yatırım maliyeti, karlılık durumu ve geri ödeme süresi bilgilerini içeren ekonomik analizi yapılmıştır. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1745

64 Kent, E.F., ve Kaptan, İ.N. 2. Güneş Enerjisi Destekli Klima Tesisatının Tasarımı Bu çalışmada Antalya daki 50 kişilik bir otelin sıcak su, ısıtma ve soğutma ihtiyacı için gerekli olan enerjinin belirli bölümünü güneş enerjisinden karşılayacak bir klima tesisatının tasarımı yapılmıştır. Tesisat şeması Şekil 1 de görülmektedir Binanın Isıtma ve Soğutma Yükü Otel binası 1 bodrum, 1 zemin ve 3 normal kat olmak üzere 5 kattan oluşmaktadır. Çatı katı düz teras şeklindedir. Kat alanı (15 m x 11m) 165 m 2 dir. Yapı elemanlarının ısı geçiş katsayıları sırasıyla, dış duvar için 1.03 W/m 2 -K, çift camlı pencere için 2.6 W/m 2 -K, dış kapı için 4.0 W/m 2 -K, döşeme için 0.58 W/m 2 -K ve tavan için 0.44 W/m 2 -K dir. İç tasarım şartları otel odaları için 20 C alınmıştır. Antalya ili için, dış tasarım şartları kış için +3 C; yaz için 39 C KT ve 28 C YT olarak alınmıştır. Binanın ısıtma ve soğutma yükleri, [12-14] nolu referanslardaki bilgiler yardımıyla hesaplanmıştır. Buna göre binanın ısıtma yükü W; soğutma yükü ise W duyulur ve W gizli olmak üzere toplam W olarak bulunmuştur Aylık Isıl Yüklerin Hesabı Bu kısımdaki hesaplamalarda [15-20] nolu referanslardan yararlanılmıştır. Antalya ili için şebeke suyu sıcaklığı T ş, çevre sıcaklığı T çev ve güneye dönük 30 eğik düzleme gelen günlük toplam güneş ışınımı değerleri H T aşağıdaki Çizelge 1 de verilmektedir. [15]. Güneye dönük 30 eğik düzleme gelen aylık toplam güneş ışınımı değerleri ise, n i göz önüne alınan aydaki gün sayısı olmak üzere (H T n i) şeklinde hesaplanmıştır. Çizelge 1 Antalya için sıcaklıklar ve güneye dönük 30 eğik düzleme gelen toplam güneş ışınımı değerleri [12] Aylar Gün sayısı n i T ş ( C) T çev ( C) H T MJ/m 2 -gün H T n i MJ/m 2 -ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık Şekil 1. Tesisat şeması. 1746

65 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye Otelin günlük sıcak su ihtiyacı 3500 litre olarak belirlenmiş ve aylık sıcak su ısıl yükleri, Q yi, ss = my cp, su( Ty Tşi ) ni. (1) bağıntısı yardımıyla hesaplanmıştır. Burada Q yi,ss aylık sıcak su ısıl yükü, m y günlük sıcak sıcak su ihtiyaç miktarı (3500 kg/gün olarak belirlenmiştir), c p,su suyun özgül ısısı (4.186 kj/kg-c), T y kullanım suyu sıcaklığı (50 C olarak alınmıştır) ve T şi aylık ortalama günlük şebeke suyu sıcaklığıdır. Bina için (UA) h değeri 1961 W/ C olarak belirlenmiş ve aylık ısıtma ısıl yükleri, Q yi, ısıtma = ( UA) h ( Tiç Tçev ) ni ( ). (2) bağıntısı yardımıyla hesaplanmıştır. Lityum bromür-su akışkan çifti kullanan absorbsiyonlu soğutma makinasının analizi [18] nolu referanstakine benzer şekilde yapılmıştır. Bu makine 74 kw soğutma yapabilecek kapasitede olup, buharlaştırıcı sıcaklığı 5 C, absorber çıkış sıcaklığı 32 C ve yoğuşturucu sıcaklığı 43 C dır. Kaynatıcı sıcaklığı ise 90 C dır. Bu şartlarda kaynatıcıya verilmesi gerekli ısı miktarı 91.7 kw ve soğutma tesir katsayısı COP SM=0.81 olmaktadır. Daha sonra aylık soğutma yükleri belirlenmiş ve buharlaştırıcı yükü (Q buh) ve soğutma tesir katsayısı (COP SM) yardımıyla aylık kaynatıcı ısıl yükleri (Q kaynatıcı=q buh/cop SM) hesaplanmıştır. Sıcak su, bina ısıtması ve soğutma makinesinin kaynatıcısı için aylık ısıl yük değerleri Çizelge 2 de verilmektedir. Çizelge 2 Sıcak su, bina ısıtması ve soğutma makinesinin kaynatıcısı için aylık ısıl yük değerleri Aylar Sıcak Su Isıl Yükü Q yi,ss (MJ/ay) Isıtma Isıl Yükü Q yi,ısıtma (MJ/ay) Kaynatıcı Isıl Yükü Q yi,kaynatıcı (MJ/ay Toplam Isıl Yük Q yi,toplam (MJ/ay) Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık Yıllık denklemiyle hesaplanmaktadır. X ve Y parametreleri aşağıdaki şekilde verilmektedir: FR Ac X = FRUL ( Tref Tçev ) t. (4) FR Qyi FR ( τα ) Ac Y = FR ( τα ) n HT ni. (5) FR ( τα ) n Qyi Burada F R toplayıcı ısı kazanç faktörü, F R/F R ısı değiştiricisinin toplayıcı ısı kazanç faktörüne etkisi, U L toplayıcı toplam ısı kayıp katsayısı (W/m 2 -C), t göz önüne alınan aydaki toplam saniye sayısı, T çev aylık ortalama çevre sıcaklığı, T ref referans sıcaklık (100 C), A c toplam toplayıcı alanı (m 2 ), Q yi aylık toplam ısıl yük (J), H T toplayıcı üzerine gelen aylık ortalama günlük toplam güneş ışınımı (J/m 2 ), n i göz önüne alınan aydaki gün sayısı, (τα ) n normal doğrultuda gelen güneş ışınımı için toplayıcı yutma geçirme çarpımı ve ( τ α ) aylık ortalama toplayıcı yutma-geçirme çarpımıdır. Tesisatta düz toplayıcıların kullanıldığı ve binanın terasında güneye dönük olarak 30 eğimle yerleştirildiği varsayılmıştır. Verim parametreleri, 2 FR ( τα ) n = 0.72 FRU L = 4.5 W/ m C olan 1.9 m 2 lik seçici yüzeyli düz-toplayıcılar göz önüne alınmıştır. Ayrıca, hesaplarda ısı değiştirici etkenliği 0.7, FR = 0.96 FR ( τα ) = 0.94 ( τα ) n Vt 2 = 75 litre / m Ac alınmıştır. Burada, V t depo hacmidir. Toplayıcı devresinde birim toplayıcı alanı başına 50 kg/h-m 2 debide antifrizli-su (c p=3.64 kj/kg-c) dolaştırıldığı kabul edilmiştir. Güneş toplayıcıları ile güneş enerjisi depolama tankı arasında yer alan ısı değiştiricinden geçen suyun debisi ise birim toplayıcı alanı başına 100 kg/h-m 2 olarak alınmıştır. Toplayıcı alanı A c=102 m 2 için f-chart yöntemiyle hesaplanan aylık faydalanma oranları f i, Çizelge 3 de verilmektedir. y i, aylık ısıl yükün (Q yi) yıllık ısıl yüke (Q y) oranıdır. X ve Y ise f-chart yönteminde kullanılan parametrelerdir Aylık Faydalanma Oranlarının Hesabı Aylık güneş enerjisinden faydalanma oranları, f-chart yöntemi yaklaşımıyla hesaplanmıştır. f-chart yönteminde sıvılı tip sistemler için aylık faydalanma oranı, f i f i = 1.029Y 0.065X 0.245Y X Y (3) IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1747

66 Kent, E.F., ve Kaptan, İ.N. Çizelge 3 Aylık faydalanma oranları (f i) Aylar y i X Y f i f i y i Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık Yıllık faydalanma oranı, f f = f i y i. (6) bağıntısı yardımıyla hesaplanmıştır. A c=102 m 2 için, yıllık faydalanma oranı, f=0.30 olarak bulunmuştur. Benzer hesaplamalar farklı toplayıcı alanları için yapılmış ve sırasıyla 31 m 2, 65 m 2, 144 m 2, 191 m 2, 247 m 2, 313 m 2, 400 m 2, toplayıcı alanları için yıllık faydalanma oranları 0.1, 0.2, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 olarak bulunmuştur. Toplayıcı alanına göre yıllık faydalanma oranının değişimi Şekil 2 de verilmektedir. f Ac Şekil 2. Toplayıcı alanına göre yıllık faydalanma oranının değişimi 2.4. Güneş Enerjisi Tesisatının Geri Ödeme Süresi Yıllık faydalanma oranı %30 seçildiğinde 102 m 2 lik toplam toplayıcı alanı bulunmuştur. Bu durumda 1.9 m 2 lik toplayıcılardan 54 adet gereklidir. 1.9 m 2 lik toplayıcı maliyetinin 700 YTL olduğu kabul edilirse toplam toplayıcı maliyeti YTL olacaktır. Güneş enerjisi tesisatındaki toplayıcı ve diğer elemanların tahmini maliyeti Çizelge 4 de verilmektedir. Çizelge 4. Güneş Enerjisi Tesisatındaki Elemanların Tahmini Fiyatları Adet Birim Maliyet (YTL) Toplam Maliyet (YTL) Toplayıcı Boyler (4000 litre) Isı Eşanjörü Genleşme Tankı 3500 Pompalar Vanalar Muh Diğer TOPLAM Binanın yıllık ısıl enerji ihtiyacının %30 unu karşılayacak güneş enerjisi tesisatının toplam maliyeti YTL olarak bulunmuştur. Bu sadece güneş enerjisi ile ilgili kısımdaki tesisatta yer alan elemanların toplam tahmini maliyetidir. Dolayısıyla bu değer, ısıtma ve soğutma ile ilgili tüm tesisatın toplam maliyeti değildir. Güneş enerjisi tesisatının kurulu olması halinde kazanda yakıttan belirli oranda tasarruf sağlanacaktır. Antalya da Fuel-oil 4 yakıtının birim fiyatı 1.45 YTL/kg [21] olarak göz önüne alınmıştır. Alt ısıl değeri 9700 kcal/kg, verim %81 alınırsa Fuel-oil 4 yakıtının birim enerji maliyeti 44.1 YTL/GJ olmaktadır. Yakıttaki tahmini yıllık fiyat artışı %27 olduğu kabul edilecektir. Otelin yıllık ısı ihtiyacı Kısım 2.2 de GJ olarak bulunmuştu. Buna göre otelin yıllık ısıl enerji ihtiyacının %30 unu karşılayacak güneş enerjisi tesisatının geri ödeme süresi Cs i F ln + 1 f Qy CF1 N p =. (7) ln( 1+ if ) formülü [17] yardımıyla 3.7 yıl olarak hesaplanmıştır. Burada, N p geri ödeme süresi, C s güneş enerjisi tesisatının toplam (ilk yatırım) maliyeti (YTL), i F yakıt fiyatındaki enflasyon oranı, f güneş enerjisinden yıllık faydalanma oranı, Q y yıllık toplam ısıl yük (GJ), C F1 yakıtın birim enerji maliyeti (YTL/GJ) dir. 3. Sonuç Bu çalışmada temiz ve yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisi destekli ısıtma ve absorbsiyonlu soğutma uygulamasıyla Antalya ilindeki elli yataklı bir otelin yaz ve kış şartlarında iklimlendirilmesi ve sıcak su ihtiyacının karşılanması incelenmiştir. Bu amaçla öncelikle Antalya ili için güneş ışınımı ve meteorolojik veriler ile otelin ısıtma, soğutma ve sıcak su ısıl yük değerleri hesaplanarak sunulmuştur. Isıtma çevrimi için sıvı dolaşımlı aktif güneş enerjili ısıtma sistemi, soğutma için ise Lityum bromür-su akışkan çifti kullanan soğutma sistemi kullanılmıştır. Bu sistemlere ek olarak otelin sıcak su ihtiyacını karşılayan güneş enerjili su ısıtma sistemi de bu sistemlerin yanında yer almaktadır. Yıllık faydalanma oranı %30 seçildiğinde 102 m 2 lik toplam toplayıcı alanı bulunmuştur. Bu durumda 1748

67 Kent, E.F., ve Kaptan, İ.N. 1.9 m 2 lik toplayıcılardan 54 adet gereklidir. Toplayıcı alanına göre yıllık faydalanma oranının değişimi verilmiştir. Ayrıca otel binasının yıllık ısıl enerji ihtiyacının %30 unu güneş enerjisinden karşılayacak güneş enerjisi tesisatının toplam maliyeti YTL ve geri ödeme süresi yaklaşık 4 yıl olarak bulunmuştur. [20] SERI (Solar Energy Research Institute), Engineering Principles and Concepts for Active Solar Systems, Hemisphere Publishing Corporation, [21] Kaynaklar [1] Pastakkaya, B., Ünlü, K. ve Yamankaradeniz, R., Isıtma ve soğutma uygulamalarında güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemler, TTMD Dergisi, 57, 25-32, [2] Yamankaradeniz, R., Horuz, İ. ve Coşkun, S., Soğutma tekniği ve uygulamaları, Vipaş A.Ş., Bursa, [3] Syed, A., Izquierdo, M., Rodriguez, P., Maidment, G., Missenden, J., Lecuona, A. ve Tozer, R., A novel experimental investigation of a solar cooling system in Madrid, International Journal of Refrigeration, vol. 28, , [4] Li, Z. F. ve Sumathy, K., Technology development in the solar absorption air-conditioning systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 4, , [5] Butz, L. W., Beckman, W. A. ve Duffie, J. A., Simulation of a solar heating and cooling system, Solar Energy, vol. 16, , [6] Egrican, N. ve Yigit, A. Simulation of an absorption cooling system, Energy, vol. 17, , [7] Li, Z. F. ve Sumathy, K., Simulation of a solar absorption air conditioning system, Energy Conversion and Management, vol. 42, , [8] Eğrican, N., The second law analysis of absorption cooling cycles, Heat Recovery Systems and CHP, vol. 8, , [9] Karakaş, A., Eğrican, N. ve Uygur, S., Second law analysis of solar absorption-cooling cycles using lithium bromide/water and ammonia/water as working fluids, Applied Energy, vol. 37, , [10] Kaynaklı, O. ve Yamankaradeniz, R., Thermodynamic analysis of absorption refrigeration system based on entropy generation, Current Science, vol. 92, , [11] Kılıç, M. ve Kaynaklı, O., Second law based thermodynamic analysis of water-lithium bromide absorption refrigeration system, Energy, vol. 32, , [12] ASHRAE Temel El Kitabı (Fundamentals), Editör O.F. Genceli, Tesisat Mühendisleri Derneği, [13] Carrier Hava Koşullandırma Sistem Tasarımı, Cilt 1, Alarko Yayınları, [14] Karakoç, T. H., KTH Kalorifer Tesisatı Hesabı, Demirdöküm Teknik Yayınları, [15] Kılıç, A. ve Öztürk, A., Güneş Işınımı ve Düz Toplayıcılar, SEGEM, [16] Kılıç, A. ve Öztürk, A., Güneş Enerjisi, Kipaş Dağıtımcılık, [17] Duffie, J. A. ve Beckman, W. A., Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley&Sons, Inc., [18] Goswami, D. Y., Kreith, F. ve Kreider, J. F., Principles of Solar Engineering, Taylor&Francis, [19] ASHRAE, Active Solar Heating Systems Design Manual,

68 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye FINDIK YAĞI VE D2 YAKITI KARIŞIMININ PERFORMANS VE EMİSYONUNA SERAMİK KAPLAMANIN ETKİLERİ THE EFFECTS OF CERAMIC COATING IN A DIESEL ENGINE ON PERFORMANCE AND EMISSIONS OF HAZELNUT OIL AND D2 FUEL MIXTURES a, * Hanbey HAZAR a, * ve Uğur ÖZTÜRK b Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Elazığ,Türkiye, E-posta: b Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Elazığ,Türkiye, E-posta: Özet Bugün, dizel motorlarda birçok alternatif yakıt kullanılmaktadır. Dizel yakıtına önemli bir alternatif de bitkisel yağlardır. Yanma odası elemanlarının seramik bir malzemeyle kaplanması No.2D yakıtı ile karşılaştırıldığında daha düşük kalitede olan bu yakıtların performans ve egzoz emisyon değerlerini iyileştirmek için önemli bir çözüm olarak görülmektedir. LHR olarak adlandırılan bu motorlar daha yüksek sıcaklıklarda çalıştığı için bitkisel kökenli yakıtların hem performans hem de egzoz emisyon değerleri iyileşmektedir. Bu çalışmada, bir dizel motorun piston-silindir kafası, egzoz ve emme supaplarının yüzeyleri plazma sprey yöntemiyle Al 2O 3-TiO 2 ile kaplanmıştır. Böylece bu parçalara termal bariyer özellik kazandırılmıştır. No.2D yakıtı ve fındık yağı karışımı yakıtlar, seramik kaplanmış ve kaplanmamış motorlarda aynı şartlar altında test edilmiştir. Kaplanmamış motora göre kaplanmış motorda, test yakıtının performans ve emisyon değerleri iyileşmiştir. Kaplanmış motor daha yüksek sıcaklıkta çalıştığı için test yakıtlarının NO x değerinde artış tespit edilmiştir. Pistonun yüzey yapısındaki değişimler de incelenmiştir. SEM (Scanning Electron Microscopy), optik mikroskop analizleriyle yüzeyler üzerindeki termal ve mekaniksel şoklar incelenmiştir. Test sonuçlarından kaplanan malzemenin hasar görmediği ve ömrünün uzadığı söylenebilir. Anahtar Kelimeler: Termal bariyer, dizel motor, bitkisel yağ, egzoz emisyonu Abstract Today, many alternative fuel types are being employed in diesel engines. An important alternative for diesel fuel is vegetable oils. Coating combustion chamber elements with a ceramic material seems an effective solution for improving performance of these lower-quality fuels compared with No.2D and also exhaust emission values. Because these engines called as LHR run at higher working temperatures, both performance of vegetable fuels and also emission values will improve. In the present study, surfaces of cylinder head, piston, exhaust and inlet valve of a diesel engine were coated with Al 2O 3-TiO 2 by plasma spray method. Thus, thermal barrier characteristic was brought to these parts. Variances in performance and emission values of crude hazelnut oil and No.2D fuel mixtures were studied in the ceramic coated and uncoated engines under the same running conditions. Performance and emission values of the test fuels were improved in the coated engine compared with the uncoated engine. However, because the coated engine ran at higher temperatures compared with the uncoated engine, an increase was seen in NO x emission in cases of test fuels. Changing the surface modifications of the piston was investigated. With SEM (Scanning Electron Microscopy), EDS (Energy Dispersive Spectrograph) analysis, the structural changes on the surface due to thermal and mechanical shocks were examined. The test results evidenced that, main materials (substrates) are not damaged and the lifetime of these parts increases. Keywords: Thermal barrier, Diesel engine, Vegetable oils, Exhaust Emissions 1. Giriş İçten yanmalı motorlarda hem petrole dayalı yakıt tüketimini hem de egzoz gazlarındaki zararlı maddeleri azaltmak için motorlu taşıtlarda kullanılabilecek yeni yakıt türlerinin geliştirilmesi çalışmaları yapılmaktadır. Bilimsel çalışmalar büyük ölçüde konvansiyonel olmayan yakıtların ekonomik olarak elde edilmesi ve yakıt kalitelerinin iyileştirilmesiyle ilgili teknolojik arayışları içermektedir [1]. Bitkisel yağların kaynağını oluşturan bitkilerin yetişmeleri yani yenilenebilir olmaları, enerjilerinin dizel yakıtına yakın olması ve kirletici egzoz gazlarının nispeten düşük olması [2-5] nedeniyle bitkisel yağların dizel motorlarda yakıt olarak kullanılmaları gündeme gelmiştir. Dizel motorlarında bitkisel yağların herhangi bir işlem yapılmadan direkt kullanımı, hem performans hem de parçalar üzerinde olumsuz etki yapmaktadır [6,7]. Yanma odasında daha iyi yanma verimi elde edilmesi, sistemde kullanılacak yakıtın atomizasyonunun iyi olmasına bağlıdır. Bu amaçla; bitkisel yağların direkt kullanımında en büyük problem birikintilerin oluşması ve segmanların yapışmasıdır [8]. Motorlardaki yakıtın verimli bir şekilde yakılması ve egzoz gazları içindeki kirletici emisyonların azaltılması ile ilgili motor malzemesi ve tasarımı konularında araştırmalar büyük bir hızla devam etmektedir. Bu alanda yapılan çalışmalardan bir tanesi de yanma odası elemanlarının seramik bir malzeme ile kaplanmasıdır. Adyabatik veya düşük ısı kayıplı motorlar olarak adlandırılan bu motorlarda yanma odası elemanlarının bir kısmının veya tamamının ısı iletkenliği düşük bir malzeme ile kaplanması sonucu yanma sıcaklığı artmaktadır. Böylece hem yanma daha verimli olmakta hem de kirletici emisyonlar iyileşmektedir [9]. Günümüzde tam adyabatik olmasa bile düşük ısı kayıplı motor dizaynı, özellikle motor parçalarının normal çalışması için soğutma sistemine giden ısı kayıplarını minimuma indirmekte, soğutma sistemi yükünü ve buna harcanan gücü azaltmakta, sonuçta motor verimini IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1750

69 Hazar, H. ve Öztürk, U. yükseltmektedir [10]. Seramik kaplı motorların yanma odası sıcaklığının kaplanmamış motora göre yüksek olması daha geniş damıtma aralığında ve daha az kaliteli yakıt kullanılmasına imkan vermektedir. Ayrıca soğutma sistemine giden ısı kayıplarının azaltılması sebebiyle, dizel motorlarında sıkıştırma sonu gaz sıcaklığı artacağından soğuk havalarda ilk hareket (çalışma) daha kolay olmakta, kontrolsüz yanmadan kaynaklanan vuruntu ve gürültülü çalışma azalmaktadır [11]. Yanma odası elamanlarının tamamı veya bir kısmı seramik kaplanmış dizel motorlarında kullanılan fosil kökenli yakıtlarda motor performansı ve egzoz emisyonlarının iyileştiği çeşitli çalışmalarda [12,13] bildirilmiştir. Bitkisel yağların viskozite değeri dizel yakıtına göre yüksektir. Bitkisel yağların bu olumsuz etkisini azaltmak için ısıtıldıktan sonra yanma odasına verilmekte, böylece dizel motorlarında daha verimli bir şekilde kullanılabilmektedir. Ancak seramik kaplanmış dizel motorlarında yanma odası elamanlarının izolasyonu yanma sonu sıcaklığını arttırdığından, bu motorlarda bitkisel yağların kullanımı daha verimli olmaktadır. Böylece herhangi bir ön ısıtma olmaksızın bitkisel yağların kullanılabilmektedir. Literatür tarandığında yanma odası elemanlarının bir kısmı kaplanmış dizel motorlarında bitkisel yağların kullanımı ile ilgili çok az çalışmaya rastlanmıştır. Bizim yapacağımız bu çalışmada, yanma odası elemanlarından silindir yüzeyi hariç bütün parçalar seramik kaplanacağı için büyük oranda yanma odası yalıtılmış olan motorda bitkisel yağ ve dizel yakıtı (D2) çalışılmış olacaktır. Böylece bu alana bir katkı sağlanacağı düşünülmektedir. Bu çalışmanın amacı; piston, silindir kafası, egzoz ve emme supabı seramik kaplanmış bir dizel motorunda, önemli bir değişiklik yapılmadan alternatif yakıt olarak fındık yağı + ASTM NO. 2D karışımı kullanımının performans ve egzoz emisyonları üzerindeki etkilerini incelemektir. Fındık yağı + NO. 2D karışımı ve referans yakıt No. 2D (D2) nin etkileri tek silindirli, direkt püskürtmeli, tabii emişli bir dizel motorunda tam yük-farklı hız şartlarında incelenmiştir Deneylerde kullanılan plazma sprey yöntemi ve Al 2O 3-TiO 2 kompozit kaplamalar Plazma sprey yöntemi modern endüstri tarafından talep edilen yüksek performanslı yüzeylerin üretilmesi ve değişik endüstri alanlarında kullanılan önemli teknolojilerden biridir. Bu metotla üretilen plazmanın yüksek sıcaklığı bütün sprey malzemelerinin (seramik, metal, plastik ve diğer bileşimleri) kısa bir zaman içerisinde kaplanmasını sağlamaktadır. Bu metod, sprey tozu, soğutma ve ergime süreçlerini tek bir işlem altında toplar. Al 2O 3-TiO 2 kompozit kaplamaları, Al 2O 3 matris fazı ve TiO 2 destekleyici fazdan meydana gelir. Matrisin görevi gerilimleri homojen olarak kompozit malzemenin içine dağıtmaktır. İkinci fazın görevi ise malzemenin mekanik özelliklerine yardımcı olmaktır. Bu tip kaplamalar matris tozla destekleyici tozun harmanlanarak, plazma sprey vasıtasıyla püskürtülmesi sonucu oluşturulur. Al 2O 3-TiO 2 kompozit kaplamadaki titanya miktarının artmasının adhesiv gerilimlerin artmasına neden olduğu kabul gören bir gerçektir [14]. Ayrıca dinamometre üzerinde kullanılan yakıt miktarını belirlemek için hacimsel tipte mekanik kontrollü 10 ml ve 20 ml lik iki cam tüpten yapılmış silindirik bir parça bulunmaktadır. Bu düzenekle harcanan yakıt miktarı belirlenmiştir. Yakıt ölçeğinin başlangıç ve bitiş noktalarını belirlemek için piyasada mevcut olan zaman kronometresi kullanılmıştır. Egzoz gazı içerisindeki CO (ppm) ve NO x (ppm) emisyonları madur GA-21 Plus gaz analizi cihazı, duman yoğunluğu (%) ise Protech opax 2000 II cihazı ile ölçülmüştür. Egzoz gazı sıcaklığı elektrikli dinamometre üzerindeki K tipi termokupul ile ölçülmüştür. Deneylerde 4 zamanlı, tek silindirli, direkt püskürtmeli, tabii emişli, hava soğutmalı 6LD 400 Lombardini marka bir dizel motoru kullanılmıştır. Çizelge 1 de deney motorunun teknik özellikleri görülmektedir. Bu çalışmada, % 50 ham fındık yağı + % 50 dizel yakıtı alternatif yakıt olarak kullanılmıştır. No. 2D (D2) yakıtı Elazığ/Türkiye deki ticari gaz istasyonlarından, ham fındık yağı ise ticari satış yapan marketlerden temin edilmiştir. Çizelge 2 de test yakıtlarının fiziksel ve kimyasal özellikleri görülmektedir. D2 dizel yakıtıyla fındık yağı hacimsel olarak %50 oranında karıştırılmıştır Deneylerde ayrıca referans yakıt olan D2 yakıtı da kullanılmıştır. Karışımlar deneylerden hemen önce hazırlanmıştır. Testlerde kullanılan dizel motorun piston, silindir kafası, egzoz ve emme supabı, plazma sprey yöntemiyle 0.05 mm kalınlığındaki NiAl ara malzemesi üzerine seramik bir malzeme olan Al 2O 3-TiO 2 ile 0.20 mm kalınlığında kaplama yapılmıştır. Piston, egzoz ve emme supabının sadece yanma odasına bakan yüzeyleri kaplanmıştır. Silindir kafası, piston, egzoz ve emme supaplarının yaklaşık 0.25 mm kalınlığında kaplanması sonucu bu motorun sıkıştırma oranının değişeceği düşünülerek bu parçalarda standart motordaki sıkıştırma oranını elde etmek için yapılan kaplama kalınlığında malzeme (talaş) kaldırılmış ve çift conta eklenerek standart sıkıştırma oranı sağlanmıştır. Böylece kaplama yapılmış ve yapılmamış motor aynı sıkıştırma oranına getirilmiştir. Testler tam yük şartında yapılmıştır. Motor, normal çalışma sıcaklığına ulaşması için D2 yakıtı ile 30 dk. çalıştırılmıştır. Deneylerde önce kaplanmamış motor test edilerek sonuçlar alınmış daha sonra aynı motorun; piston yüzeyi, silindir kafası, egzoz ve emme supabı kaplanarak aynı şartlar altında testler tekrarlanmıştır. Her hızda motor bir süre bekletilmiş ve daha sonra ölçüm sonuçları kaydedilmiştir. Bütün ölçümler her hızda en az 3 kez tekrarlanmıştır. 2. Materyal ve Metod Testler şekil 1 de gösterildiği gibi Cusson P8160 marka bir elektrikli dinamometre düzeneği üzerinde yapılmıştır. Elektrikli dinamometre üzerindeki dijital ekrandan yapılan yüklemeler, motor devri, egzoz gaz sıcaklığı okunmaktadır. Şekil 1. Deney düzeneği. (1) Motor; (2) Elektrik yük ünitesi; (3) Kontrol paneli; (4) Hava filtresi; (5) Hava ölçüm ünitesi; (6) Yakıt tankı; (7) Cam tüp; (8) Duman ölçer; (9) Egzoz emisyon cihazı. 1751

70 Hazar, H. ve Öztürk, U. Çizelge 1. Deney Motorunun Teknik Özellikleri Motorun Markası ve Tipi Strok sayısı 4 Silindir sayısı 1 Silindir çapı Strok Motor gücü Yakıtı Çizelge 2. Test yakıtlarına ait fiziksel ve kimyasal özellikler Yakıt Türü Çizelge 3. Kaplama işleminde kullanılan sprey parametreleri 3.Deney Sonuçları ve Değerlendirilmesi 3.1. Duman Yoğunluğu 6LD 400 Lombardini 86 mm 68 mm 6.25/8.5 (kw/ hp) Dizel motorini Püskürtme şekli Direkt enjeksiyonlu Püskürtme basıncı 200 kg/cm 2 Soğutma şekli Hava soğutmalı Sıkıştırma Oranı 18:1 Devir 3600 min -1 Fındık yağı (FY) No.2D (2D) Yoğunlu k 20 o C (kg/dm 3 ) Viskozite (mm 2 /s) 3.3 (37.8 o C) 4. 3 (27 o C) Setan sayısı Alevlenm e noktası ( o C) Isıl değer (kj/kg) Plazma tabancası Metco 3MB Akım (Amper) 500 Voltaj (Volt) 62 Sprey mesafesi (mm) 70 Gaz basıncı (psi) (Ar/H 2) 80/15 Uygulanan kaplama kalınlığı 200µm (Al 2O 3-TiO 2)+ (µm) 50µm (NiAl)=250µm Ara malzeme (50 µm) NiAl Kaplama malzemesi Al 2O 3-TiO 2 Dizel motorlarında oluşan duman yoğunluğu, eksik yanma ürünüdür. Duman yoğunluğunun yapısı, alevdeki yerine göre kimyasal ve fiziksel olarak değişmektedir [15,16]. Şekil 2 de her iki motor için duman yoğunluğunun motor devriyle değişimi görülmektedir. Şekil 2 ye bakıldığında her iki motor için de düşük devirlerde bütün test yakıtlarında duman yoğunluğunun düşük olduğu görülmektedir. Düşük devirlerde yanma odasındaki hava hareketliliğinin ve yanma odası sıcaklığının düşük olmasından dolayı bu durumun oluştuğu düşünülmektedir. Şekil 2 ye göre hem SM hem de KM motorlarda kullanılan bütün test yakıtları için artan motor devriyle birlikte duman yoğunluğunun arttığı görülmektedir. Yüksek devirlerde; yetersiz süre, düşük yanma verimi ve artan motor devriyle birlikte zengin karışım oluşumunun duman yoğunluğunu arttırdığı düşünülmektedir. Yüksek devirlerde yakıt miktarının püskürtülmesi her çevrimde arttığı için gerekli hava sağlanamamaktadır, bu da duman miktarının yüksek devirlerde artmasına neden olmuştur. SM motora göre KM motorda bütün çalışma devir aralıklarında FY yakıtı için ortalama %12 lik bir azalma tespit edilmiştir. D2 için SM ve KM motorlardaki duman yoğunluğu kıyaslandığında ortalama %11 lik bir azalma tespit edilmiştir. KM motorda kullanılan bütün test yakıtlarındaki bu azalma, yanma odası elemanları üzerinde oluşturulan termal bariyer etkisiyle yanma sıcaklığının yükselmesi, böylece daha fazla karbon parçacığının reaksiyona girmesiyle açıklanabilir. İçten yanmalı motorlarda viskozite küçüldükçe püskürtme ile oluşan yakıt demeti içindeki yakıt damlacık çapları küçülür ve yanma iyileşir. Bu açıdan viskozite yanmayı etkileyen faktörler arasındadır. Sıcaklık, viskoziteye önemli derecede etki ettiğinden, viskozite her zaman sıcaklıkla birlikte azalmaktadır. FY yakıtının yüksek viskoziteye sahip olmasının negatif etkisinin KM motorda azaltıldığı düşünülmektedir CO Emisyonu Yanma odasında CO emisyonunun oluşumu yakıtın tam yanmamasından kaynaklanmaktadır. Yakıtın tam yanması durumunda yakıt içerisinde bulunan karbon atomlarının tamamı CO 2 ye dönüşür. İçten yanmalı motorlarda karbon monoksit (CO) emisyonu genellikle yakıt/hava oranıyla kontrol edilebilmektedir [17]. Dizel motorlarında yanma olayını etkileyen ve yanmayı devam ettiren; yanma bölgesindeki sıcaklık, basınç, karışım oranı ve oksijen miktarını belirleyen yerel koşullardır [18]. Şekil 3 de CO emisyonunun motor devriyle değişimi görülmektedir. Şekil 2. Farklı motor hızlarında test yakıtların duman yoğunluğunun mukayesesi. Şekil 3. Farklı motor hızlarında test yakıtların CO mukayesesi. 1752

71 Hazar, H. ve Öztürk, U. Şekil 3 de hem SM hem de KM motorunda bütün test yakıtları için düşük devirlerde CO emisyonun yüksek olduğu, orta devirlerde düştüğü, orta devirden sonra ise artmaya başladığı görülmektedir. SM motoruna göre KM motorunun CO emisyonunda D2 yakıtı için %19, FY yakıtı için %20 lik bir azalma meydana gelmiştir. Her iki motor için referans yakıt D2 e göre en düşük CO emisyonu KM motorunda FY de (2300 d/dk.)) elde edilmiştir. KM motorunda CO emisyonundaki azalma; seramik kaplama neticesinde soğutmaya ve dış ortama giden ısı kaybının azaltılmasıyla yanma sonu sıcaklığının artması ve böylece daha fazla HC nin yanmaya iştirak etmesiyle [19] izah edilebilir Motor Gücü (Pe) Şekil 5 de motor gücünün devirle değişimi görülmektedir NO X Emisyonu NO x emisyonu yanma odası içerisinde bulunan azotun oksitlenmesi ile oluşur. Temel kaynağı atmosferik azotun oksidasyonudur. Nitrik oksit (NO) ve nitrojen dioksit (NO 2), NO x emisyonu olarak birlikte gruplandırılırken, NO, motor silindiri içerisinde üretilen nitrojenin baskın (etken) oksididir. NO nun esas kaynağı atmosferik nitrojenin oksidasyonudur. Ancak yakıt içerisinde önemli miktarda nitrojen varsa bu da ilave bir NO kaynağı olmaktadır. NO x emisyonu genellikle 1800 o K nin üzerindeki sıcaklıklarda oluşur. Özellikle O 2 in bulunduğu bölgelerdeki sıcaklığın yüksekliği ve bu sıcaklıkta kalma süresi oldukça etkilidir [17]. Şekil 4 de NO x emisyonun motor devriyle değişimi görülmektedir. Şekil 5. Farklı motor hızlarında test yakıtların motor gücü mukayesesi. Şekil 5 de hem SM hem de KM motorları için genel olarak artan motor devriyle birlikte bütün test yakıtları için motor gücünün arttığı görülmektedir. Bu da devir sayısının artması ile birim zamandaki çevrim sayısının artmasının doğal bir sonucudur. Devir sayısının artışı, hava türbülansı ve daha homojen bir karışım oluşumu üzerinde önemli bir etkisi vardır. SM motoruna göre KM motorunda bütün test yakıtları için ortalama motor gücü artışı; D2 de %2.3, FY de %2.6 olarak tespit edilmiştir. KM motorundaki genel olarak motor gücü artışı, seramik kaplamanın oluşturduğu termal bariyer etkisi sonucu yanma veriminin iyileşmesiyle açıklanabilir Özgül Yakıt Tüketimi (SFC) Özgül yakıt tüketimi üzerinde; yanma verimi, yakıtın fiziksel ve kimyasal özellikleri önemli bir etkiye sahiptir. Şekil 6 da SFC nin motor devriyle değişimi görülmektedir. Şekil 4. Farklı motor hızlarında test yakıtların NO x mukayesesi. Şekil 4 e bakıldığında SM ve KM motoru için düşük motor devrinden orta devire kadar NO x emisyonun arttığı, orta devirden sonra azaldığı görülmektedir. NO x emisyonun düşük devirlerde düşük çıkması, yanma odası sıcaklığının düşük olmasının bir sonucu olduğu düşünülmektedir [21]. Bütün test yakıtlarında yüksek devirlerde her iki motor için NO x emisyonunun yüksek çıkması, artan sıcaklığa rağmen NO x oluşumu için yeterli zamanın kalmamasıyla izah edilebilir. SM motora göre KM motorunda NO x emisyonunda D2 yakıtında %8, FY de %9 luk bir artış tespit edilmiştir. KM motorunda kullanılan bütün test yakıtlarında SM motoruna göre NO x emisyonunda artış görülmüştür. KM motorundaki NO x emisyonu artışı, seramik kaplamanın oluşturduğu termal bariyer etkisiyle yanma odası elamanlarının sıcaklığının artması ve böylece yanma sıcaklığının artışı ile açıklanabilir. Şekil 6. Farklı motor hızlarında test yakıtların be mukayesesi. Şekil 6 da hem SM hem de KM motorunda bütün test yakıtları için SFC nin düşük devirlerde arttığı, orta devirlerde düştüğü ve yüksek devirlerde ise tekrar arttığı görülmektedir. SM motoruna göre KM motorunda SFC deki azalma D2 yakıtında %3.6, FY yakıtında %3.4 olarak tespit edilmiştir. FY yakıtının D2 yakıtına göre kalorifik değerinin düşük, viskozitesinin yüksek olması, her iki motor içinde FY yakıtının daha yüksek SFC ye sahip 1753

72 Hazar, H. ve Öztürk, U. olmasına neden olmuştur. Şekil 6 ya bakıldığında yapılan kaplama neticesinde KM motorunda kullanılan test yakıtların SFC sinde azalma meydana gelmiştir. Elde edilen bu sonuç çeşitli çalışmalarla [11,13] paralellik göstermektedir. ömrünün artması sağlanmaktadır. Şekil 8 de uygulanan seramik kaplamanın optik mikroskopla çekilen fotoğrafı görülmektedir. Şekil 9 da ise pistonların çalışma sonrası SEM (Scanning Electron Microscopy) fotoğrafları görülmektedir Egzoz Gaz Sıcaklığı Şekil 7 de egzoz gaz sıcaklığının motor devriyle değişimi görülmektedir Şekil 7. Farklı motor hızlarında test yakıtların egzoz gazı sıcaklıklarının mukayesesi. Şekil 7 de her iki motorda kullanılan test yakıtları için artan motor devriyle birlikte egzoz gazı sıcaklıklarının yükseldiği görülmektedir. Bu da artan motor devriyle birlikte birim zamanda motorda yakılan yakıt miktarının artması ve buna bağlı olarak üretilen ısı enerjisinin yükselmesiyle açıklanabilir. Çünkü devir artışı ile birlikte egzoz gazı debisi ve sıcaklığının artışı, egzoz gaz sıcaklığını da arttırır. SM motoruna göre KM motorunda egzoz gaz sıcaklık artışı D2 yakıtında %11, FY yakıtında %12 olarak tespit edilmiştir. SM motoruna göre KM motorunda kullanılan bütün test yakıtların egzoz gaz sıcaklığının artması, yapılan kaplama neticesinde soğutmaya ve dış ortama giden ısının azaltılması ve bu ısının egzoz gazına geçmesinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Yapılan çeşitli çalışmalarda [21-22] benzer sonuçlar elde edilmiştir Malzemelerin Yüzey Yapılarındaki Değişimler İçten yanmalı motorlarda yanma odası parçaları aşırı sıcaklık, termal şok gibi olumsuz etkiler altında çalışır. Sıkıştırma zamanı sonunda yanma odasında, yanma başladığı zaman alev cephesi her zaman üniform bir şekilde yayılmaz. Yanma odasında alev cephesinin düzensiz yayılması, kısmi alev çarpışmaları ve vuruntu gibi olumsuz etkiler meydana getirmektedir. Böylece yanma odası parçaları termal gerilmelere ve termal şoklara maruz kalmaktadır. Bu yanma olumsuzlukları, yanma odasını oluşturan parçaların düzensiz gerilmesine ve normalden daha fazla yük altında çalışmasına sebep olmaktadır. Seramikler, mükemmel korozyon direnci ve yüksek erime noktalarına sahip olmalarından dolayı yüksek sıcaklık altında çalışan malzemeler için alternatif olarak görülmektedir. Yanma odası parçalarının yüzey modifikasyonun değiştirilmesi, bu olumsuz etkileri kaplamanın karşılamasına neden olacaktır. Böylece ana malzemeler (substrate) zarar görmemekte ve bu parçaların Şekil 8. Uygulanan seramik kaplamanın kesitten alınmış optik fotoğrafı (x100µm) (a) (b) Şekil 9. Çalışma sonrası kaplanmamış (a) ve kaplanmış (b) pistonların SEM fotoğrafı (x500µm) Fotoğraflardan da görüldüğü gibi kaplama yapılmış pistona göre modifikasyon yapılmamış piston üzerinde daha fazla deformasyonların oluştuğu görülmektedir. Yanma odasında yanma zamanında meydana gelen termal şok, aşırı sıcaklık, düzensiz termal gerilme gibi olumsuzlukları uygulanan seramik kaplama karşılayıp üzerine almıştır. Böylece bu parçaların bu olumsuz etkilerden minimum düzeyde etkilendiği düşünülmektedir. 4. Sonuçlar Bir dizel motorun yanma odası elamanları olan piston yüzeyi, silindir kafası, egzoz-emme supapları seramik bir malzeme ile kaplanmış ve bu motorda yakıt olarak fındık yağı + dizel yakıtı karışımı kullanılmıştır. Yanma odası elamanları seramik kaplanan dizel motorda ısı transfer olayının azaldığı, böylece yanmayı iyileştirerek motorun performans ve emisyon değerlerini olumlu yönde etkilediği görülmüştür. Yapılan deney sonuçlarına göre: 1754

73 Hazar, H. ve Öztürk, U. 1. FY yakıtının yüksek viskozite ve düşük kalorifik değere sahip olmasından dolayı her iki motorda D2 yakıtına göre daha düşük motor gücü elde edilmiştir. Ancak KM motorunda kullanılan bütün test yakıtlarının motor gücü değerinde artış olmuştur. Bu artış FY yakıtı için % 2.6, D2 yakıtı için %2.3 olmuştur. 2. SM motoruna göre KM motorunda test yakıtları için SFC değerinde azalma tespit edilmiştir. SFC değerindeki azalma D2 yakıtı için %3.6 olurken FY yakıtında %3.4 olarak tespit edilmiştir. Termal bariyer kaplamanın yanmayı iyileştirerek SFC yi olumlu yönde etkilediği söylenebilir. 3. SM motoruna göre KM motorunda CO emisyonunda, D2 yakıtı için %19, FY yakıtında % 20 lik azalma meydana gelmiştir. 4. Duman yoğunluğu SM motoruna göre KM motorunda FY yakıtı için %12 azalma meydana gelirken D2 yakıtı için %11 azalma meydana gelmiştir. Duman yoğunluğunun yanmamış yakıtın bir sonucu oluştuğu düşünülürse, KM motordaki termal bariyerin etkisinin duman yoğunluğunu azaltması beklenen bir sonuçtur. 5. Oluşturulan termal bariyer sonucu SM motoruna göre KM motorda NO x emisyonunda D2 yakıtı için %8 lik bir artış meydana gelirken, FY yakıtında %9 luk bir artış meydana gelmiştir. KM motorunda bütün test yakıtlarındaki NO x emisyonu artışı, yüksek gaz sıcaklığından dolayı meydana geldiği düşünülmektedir. Kaynaklar [1] Borat, O., Balcı, M., ve Sürmen, A., İçten Yanmalı Motorlar, Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi Yayınları,Ankara. [2] Lapuerta, M., Fernandez, J.R. and Audelo, J.R., Diesel particulate emissions from used cooking oil biodiesel, Bioresource Technology. /j.biortech [3] Sahoo, P.K., Das, L.M., Babu, M.K.G. and Naik, S.N., Biodiesel development from high acid value polanga seed oil and performance evaluation in a CI engine, Fuel. vol. 86, , [4] Bouaid, A., Martinez, M. and Aracil J., A comparative study of the production of ethyl esters from vegetable oils as a biodiesel fuel optimization by factorial design, Chem Eng J. /j.cej [5] Lin, Y.F., Wu, Y.G. and Chang, C.T., Combustion characteristics of waste-oil produced biodiesel/diesel fuel blends, Fuel. vol. 86, , [6] Nwafor, O.M.L. and Rice, G., Performance of rapeseed oil blends in diesel engines, Applied Energy. vol. 54, , [7] Canakci, M., Combustion characteristics of a turbocharged DI compression ignition engine fueled with petroleum diesel fuels and biodiesel, Bioresource Technology. vol. 98, , [8] Altın, R., An experimental investigation on use of vegetable oils as diesel engine fuels, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, [9] Qiu, X. and Hamdi, A., Development of bench test methods for the evaluation of ion-implanted materials: piston/bore application, Surface and Coating Technology. vol. 88, , [10] Wacker, E. and Sander, W., Piston design for high combustion pressure and reduced heat rejection to coolant, SAE Technical Paper, No , [11] Hejwowski, T. and Weronski, A., The effect of thermal barrier coatings on diesel engine performance, Vacuum. Vol. 65, , [12] Sudhakar, V., Performance analysis of adiabatic engine, SAE Technical Paper, No , [13] Miyairi, Y., Matsuhisa, T. and Ozawq, T., Selective heat insulation of combustion chamber wall for a DI diesel engine with manolithic ceramics, SAE Technical Paper, No , [14] Salman, S., Köse, R., Urtekin, L. and Fındık F., An investigation of different ceramic coating thermal properties, Materials and Design. Vol. 27, , [15] Boran, E., Dizel motorlarında bazı işletme parametrelerinin is oluşumu ve motor performansına etkileri üzerine bir araştırma, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, [16] Tree, D.R., and Svensson, K., Soot progresses in compression ignition engines, Progress in Energy and Combustion Science, vol. 33, , [17] Heywood, J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, New York, [18] Morel, T., Keribar, Blumberg, P.N. and Fort, E.F., Examination of key issues in low heat rejection engines, SAE Technical Paper, No , [19] Zhang, H. and Wang, J., Combustion characteristics of a diesel engine operated with diesel and burning oil of biomass, Renewable Energy. vol. 31, , [20] Stone, R., Introduction to Internal Combustion Engines, Macmillan, London, [21] French, C.C.J., Ceramics in reciprocating internal combustion engines, SAE Technical Paper, No , [22] Thring, R.H., Low heat rejection engines, SAE Technical Paper, No ,

74 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye TİCARİ BASF KATALİZÖRÜ İLE SABİT YATAKLI BİR REAKTÖRDE C 2 H 5 OH-REFORMİNG PROSESİ İLE HİDROJEN ÜRETİMİ HYDROGEN PRODUCTION BY C 2 H 5 OH-STEAM REFORMING PROCESS IN A FIXED-BED REACTOR WITH COMMERCIAL BASF CATALYST Menderes LEVENT a,*, Murat AĞBABA b, Yusuf ŞAHİN c a,* Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Kimya Müh. Böl., Erzurum, Türkiye, E-Posta: b Atatürk Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü, Erzurum,Türkiye, E-Posta: c Atatürk Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü, Erzurum,Türkiye, E-Posta: Özet Bu çalışmada, etanolün buharla reforming prosesi ile hidrojen üretimi yapılmaktadır. Bu amaç için BASF firmasından 700 C ye kadar kullanılabilecek ticari bir katalizör (NiO/SiO 2,MgO,CaO,Cr 2O 3) temin edilmiştir. Bu ticari katalizörün laboratuvarda test çalışmaları yapılmıştır. Daha önceki bir proje çalışmasında, hidrokarbon buhar reforming çalışmaları için dizayn edilen bir deney seti ile, bu prosese ait deneysel ölçümler gerçekleştirilmiştir. Çalışmalarda, ticari katalizör H 2 akımında 600 C de şartlandırılmıştır. Farklı sıcaklıklarda ve farklı etanol/su oranlarında ve farklı tanecik büyüklüklerinde, hidrojenin reaktör çıkış gaz karışımındaki yüzde bileşimleri ölçülmüştür. Gaz karışımının analizi için bir Mini GC kullanılmıştır. GC de birinci seri deneylerde, Azor (N 2) gazı taşıyıcı olarak kullanılarak sistem çıkışında yüksek oranlarda H 2 tayinleri yapılmıştır. GC de ikinci seri deneylerde He taşıyıcı olarak kullanılarak reaksiyonun diğer ürünleri de tayin edilmiştir. Su/etanol hacim oranları, 1/10, 1/8, 1/6, 1/4 ve 1/2 alınarak deneysel ölçümler 300 C -700 C sıcaklık aralığında alınmıştır. Etanol/su Besleme debileri 0-4 bar lık bir perilstatik pompa ile sisteme yapılmıştır. Deneysel çalışmalar için reaktöre 5 gram katalizör yüklenerek devam edilmiş olup, yapılan analizler neticesinde hidrojen verimi % 70- %80 civarında bulunmuştur. Her bir deney için toplanan kondensat daki etanol bileşimleri araştırıldı, ancak etanolün tamamına yakınının ürüne dönüştüğü görülmüştür. Deneysel çalışma sıcaklığı arttıkça etanol dönüşümü ve hidrojen verimlerinde belirgin artışlar kayd edilmiştir. Elde edilen ölçümlerden yararlanarak bu prosesin optimum operasyon parametreleri, reaksiyona ait kinetik parametreler hesaplanmaya çalışıldı. Ticari BASF katalizörü kullanılarak farklı etanol/su oranları için üretilen hidrojen miktarları ölçüldü ve elde edilen deneysel verilerden etanol-buhar reforming reaksiyonuna ait bazı kinetik parametreler hesaplanmıştır. Anahtar kelimeler : etanol buhar reforming, ticari katalizör, hidrojen üretimi, kinetik parametreler Abstract In this study, hydrogen production has been realised with ethanol-steam reforming process. For this purpose, a commercial catalyst (NiO/SiO 2, MgO, CaO, Cr 2O 3) with uses up to 700 C has been provided from BASF company. Testing studies of this commercial catalyst have been carried out in Laboratory. From a previous Project study, with an designed experimental setup for hydrocarbon steam reforming, the experimental measurements of this study were conducted. For these studies, the commercial catalyst was reconditioned with H 2 stream at 600 C. At different temperatures and at different ethanol/water ratios and with different particle sizes, hydrogen percentages of composition in gas mixture were measured at the reactor exit. For analyses of gas mixture a Mini GC has been used. At first series of experiments with GC, by using Nitrogen(N 2) as carrier, higher ratios(contents) of H 2 were determined in the exit of the system. By using He as carrier in second series of experiments with GC, other products of reaction were determined. By taking ethanol/water volume ratios as 1/10, 1/8, 1/6, 1/4 and 1/2 at 300 C-700 C temperature range, the experimental measurements were carried out. With a perilstatic pump of 0-4 bar pressure, Ethanol/water feed flowrates were supplied for the system. For this experimental study, by loading a 5 gr of catalyst to the system, hydrogen yield was obtained around 70%-80% as a result of conducted analysis. Ethanol composition in collected condensat was investigated for each experiment, however, it has been observed that nearly all of the ethanol was converted. When experimental operation temperature was increased, it has been seen that ethanol conversion and hydrogen yield are significantly increased as recorded. By beneficial of obtained(collected) measurements, the optimum operation parameters of this process, and kinetic parameters of the reaction have been attempted to calculate. By using commercial BASF catalyst, for different ethanol/water ratios, produced hydrogen quantities measured and from obtained experimental data, some kinetic parameters have been calculated for the ethanol-steam reforming reaction. Keywords: ethanol steam reforming, commercial catalyst, hydrogen production, kinetic parameters 1. Giriş Etanol ün buhar reformingi ile Ir/CeO 2 katalizörü üzerinde hidrojen üretimi, reaksiyon mekanizması ve katalizör kararlılığı Zhang ve arkadaşları[1] tarafından çalışılmıştır. Etanol ün asetaldehite dehidrojenasyonunun birincil reaksiyon olduğunu belirtmektedirler ve düşük sıcaklıklarda asetaldehitin metan ve CO ya bozunduğunu belirtmektedirler. Metanın daha sonra H 2 ve CO ya reforme olduğunu ve asetonun doğrudan H 2 ve CO 2 ye dönüştüğüne işaret etmektedirler. CO,CO 2 ve CH 4 e ilaveten su/etanol karışımı, yüksek sıcaklıklarda, buharmetan reforming ve su-gaz değişimini sağlayan en büyük IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1756

75 Levent,M. Ağbaba, M. Şahin, Y. reaksiyonlar olduğunu beyan etmektedirler. Su/etanol ün stokiyometrik bir besleme bileşimi ile 650 C de dahi etanolün buhar reforminginde Ir/CeO 2 katalizörünün kararlı bir performans sağladığını ve çıkış gaz bileşiminin 300 saat lik bir işletme zamanı için değişmeden kaldığını beyan etmektedirler. Liguras ve arkadaşları[2], destekli yeni metal katalizörler üzerinde etanolün buhar reformingi ile yakıt hücreleri için hidrojen üretimini çalışmışlardır. Çalışmlarında etanolün buhar reformingi(sr) için destekli yeni metal katalizörlerin katalitik performansını metal yüklemesi(%0-5 ağırlık oranında) ve destek doğası(al 2O 3, MgO, TiO 2) aktif metalik fazın doğasına(rh,ru,pt,pd) binaen C sıcaklık aralığında araştırmışlardır. Çalışmalarında Rh bileşimli katalizörlerin, benzer metal bileşimine sahip Pt, Ru ve Pd katalizörlerine göre, etanol buhar reformingi için önemli derecede daha aktif ve seçici olduğunu gözlemlemişlerdir. Co, Ir ve Ni katalizörler üzerinde hidrojen üretimi için biyoetanolün buhar reformingi Zhang ve arkadaşları[3] tarafından çalışılmıştır. Belirtilen katalizör ile C aralığında etanol-buhar reforming reaksiyonunu incelemişlerdir. Düşük sıcaklıklarda aset aldehite etanol dehidrojenasyonu ve metan ve karbon diokside etanol bozunmasının birincil reaksiyonlar olduğunu belirtmektedirler. Yüksek sıcaklıklarda, aset aldehit ve aseton gibi tüm etanol ve ara ürünlerin tamamının hidrojene, karbon oksitleri ve metana dönüştüğü, metan buhar reformingi ve tersinir su-gaz değişim reaksiyonları en büyük reaksiyonlar olduğunu çıkış gaz bileşiminde tayin etmişlerdir. Daha önemlisi, uzun dönem kararlılık testlerinde Ir/CeO 2 katalizörünün hiçbir deaktivasyon olmaksızın 300 saat işletme süresi boyunca kararlılıklarından herhangi bir değişim olmadığını belirtmişlerdir. Ni/CeO 2-ZrO 2 katalizörü üzerinde etanolün oksidatif buhar reformingi Biswas ve Kunzru[4] tarafından çalışılmıştır. Dönüşüm ve ürün seçicilikleri üzerine oksijen ilavesi ve boşluk zamanının etkisi C lik bir sıcaklık aralığında 1/8 etanol/su molar oranı ile atmosfer basıncında aşağı akışlı borusal sabit yataklı bir reaktörde incelemişlerdir. O 2/EtOH molar oranı 0,5 den 1,5 a kadar değiştirilmiştir. Oksijen varlığında, katalitik aktivite önemli derecede yüksek ve etkisinin düşük sıcaklıklarda(<450 C) fazla olduğunu belirtmektedirler. Hidrojen verimleri, seçiciliklerin ve karbon oluşumunda oksijen ilaveleri ile önemli ölçüde etkilendiğini belirtmektedirler. 500 C den küçük bir sıcaklıkta hidrojen veriminin O 2/EtOH ın 0,5 lik bir molar oranında en yüksek olduğunu belirtmektedirler. Buna ilaveten yüksek sıcaklıklarda, daha yüksek hidrojen verimleri oksijen yokluğunda elde edildiği rapor edilmektedir. Beslemede(O 2/EtOH 0,5) yüksek oksijen varlığında hidrojen veriminin düştüğü belirtilmektedir. Bir hibrid elektrik aracında hidrojen üretimi için etanol reformingi ve proses optimizasyonu Klouz ve arkadaşları[5] tarafından çalışılmıştır. Çalışmalarında, bir katı polimer yakıt hücresine(spfc) beslemek için hidrojence zengin bir akım üretmek için bir Ni/Cu katalizör üzerinde bir etanol reforming prosesinin optimizasyonuna odaklanmışlardır. Reformere H 2O/EtOH ve O 2/EtOH besleme molar oranları, etanol reformerinin çıkışında hidrojen ve CO 2/CO x molar oranlarını maksimize etmek için seyreltilmiş şartlar altında çalışmışlardır. Deneysel sonuçlar temeli üzerinde sıcaklığın bir fonksiyonu olarak etanol reforminginin detaylı bir kinetik mekanizmasını müzakere etmişlerdir. Reaksiyon seçiciliği ve karbon oluşumu üzerine oksijenin rolüne özel bir itina harcamışlardır. Yakıt hücresi uygulamları için hidrojenin oluşumu için Ni/destekli katalizörler üzerinde etanolün buhar reformingini Denis ve arkadaşları[6] tarafından çalışılmıştır. Makalede, aktiviteler üzerine nikel katalizörün destek doğalarının (TiO 2, ZnO, Al 2O 3 ve Al 2O 3 -Fe 2O 3) etkisi düşünülmüş ve deney sonuçları rapor edilmiştir. Katalizör destek üzerinde görünen etanolün kimyasal transformasyonu, prosesin üretebilirliği ve seçiciliğine etki eden kimyasal doğasının önemli bir faktörünü oluşturur. Çalışmalarında, biyoetanolün buhar reformingi için dizayn edilen nikel katalizörde en uygun desteğin ZnO ve TiO 2 olduğunu belirtmektedirler. Uygun fazlalıktaki su miktarının(4/1 den daha yüksek H 2O/EtOH) reaksiyon karışımında olmasının katalizörde karbon çökmesini sınırladığı belirtilmektedir Reaksiyonun Kinetik ve Termodinamik Analizi Etanol-buhar reformingi, H 2, CO 2, CO ve CH 4 oluşumunu hesaba katarak üç ana reaksiyondan oluşur[7] : C 2H 5OH + 3H 2O 2CO2 + 6H 2 (1) C 2H 5OH + H 2O 2CO + 4H 2 (2) C2H 5OH + 2 H 2 2CH 4 + H 2O (3) Belirtilen reaksiyonlar endotermik reaksiyonlardır. Bu nedenle rekasiyonların oluşabilmesi için reaksiyon ortamı sürekli olarak uygun reaksiyon sıcaklığına ısıtılmalıdır. Diğer dört reaksiyon da oluşur : aset aldehite etanol dehidrojenasyonu, etilene etanol dehidrojenasyonu, ve karbon dioksit ve metana etanol krakingi, yada etanolden karbon monoksit, metan ve hidrojen oluşumu[7]. Yapılan kinetik hesaplamalar ile aktivasyon enerjisinin 4,5x10 3-7,5x10 3 kj/kmol aralığında değiştiği ve literatürle de[12] bire bir örtüştüğü görülmektedir. Aynı zamanda ortalama reaksiyon hız sabitinin de k = 3,28x10-2 dak -1 olduğu bulunmuştur. Bu çalışmada, Etanol-Buhar Reaksiyonuna ait değşik sıcaklıklardaki hız sabitleri ve Aktivasyon Enerjileri Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Reaksiyona ait bazı kinetik parametreler Sıcaklıklar( C) k (dak -1 ) 3,33x10-2 4,16x10-2 5,50x C Sıcaklık Aralığı için Aktivasyon Enerjisi, E (kj/kmol) C Sıcaklık Aralığı İçin Aktivasyon Enerjisi, E (kj/kmol) 4,4341x10 3 5,768x10 3 Aktivasyon Enerjilerinin hesaplandığı korelasyon : E= R(T 1(ort)* T 2(ort))/( T 2(ort)- T 1(ort))*(ln(k 2(ort)/ k 1(ort)) Çeşitli sıcaklıklarda Barin ve diğerleri [8] kitabından alınan 300K, 500K, 800K ve 1000K sıcaklığındaki verilerden ampirik formül üretme yöntemiyle üretilen birkaç formül yardımıyla elde edilen C p, H f, G f nin 673K deki diğerleri Çizelge verilmiştir. 1757

76 Levent,M. Ağbaba, M. Şahin, Y. Çizelge 2. Reaksiyona ait Termodinamik Parametreler T( K) (673 K) C p [J/(mol)(K)] H f [kj/(mol)] G f [kj/(mol)] CH4 56,41-84,69-14,85 CH3OH 71,82-212,04-107,85 C2H5OH 114,77-249,14-77,04 CO 31,04-110,71-170,93 CO2 48,88-393,92-395,29 H2 29, H20 37,39-245,37-210,34 N2 30, O2 32, C Reaksiyonu yardımıyla hesaplanan 673K deki H r, G r ve K p değerleri, Smith vd. [9] den : T( K) 2. Deneysel H r [kj/(mol)] G r [kj/(mol)] 2.1. Deney Sistemi ve Deneysel Metod Deney sistemi başlıca dört kısımdan meydana gelmektedir(şekil 1). 1). Akış sistemi : 4 adet rotametre den oluşmakta ve her biri ml/dak lık ölçüm kapasitesine sahiptir. 2). buhar sistemi : 0-4 bar işletme basıncı şartlarında çalıştırılabilen, 0-6 ml/dak su besleme kapasitesine sahip olan bir adet perilstatik pompa, bir adet krom-nikel alaşımlı çelikten yapılmış, 1,5 metre uzunluğundaki dikey bir boru, ve bu borunun reaktöre ve pompaya bağlandığı ilgili bağlantı elemanları, buhar emniyet vanası ve bir adet basınç göstergesinden oluşmaktadır. Perilsatik pompa sistemin alt kısmında yer almaktadır. Su, buradan ters yönde fırın içerisine pompalanmakta ve fırının tepesinden reaktör içine buharlaşarak akmaktadır. 3). Krom nikel alaşımlı yüksek sıcaklığa dayanıklı iki adet sabit yataklı reaktör, her biri 2 cm dış, 1,5 cm iç çapında, 96 ve 83,5 cm yüksekliğindedir. Borusal fırın, dış kısmı küp şeklinde olup sıcaklık kayıplarına karşı tamamen izole edilmiş olup, iç çapı 5 cm ve yüksekliği 80 cm olan seramik boru kısımı tamamen direnç telleri ile sarılmış durumdadır. Bu fırın, ateş çimentosu ile kaplanmış olup, 380 Voltluk sanayi şebekesi ile ısıtılabilmekte ve 1200 C sıcaklığa ısıtılabilmektedir. 4). gaz analiz sistemi, iki kısımdan oluşmaktadır. A). Değişik gaz karışımlarının oluşturulabildiği, Gas karıştırma sistemi, bu sistem, 4 adet rotametre den oluşmakta, her bir rotametrenin kapasitesi ml/dakikadır. Bu rotametrelerin her biri ayrı ayrı saf H2, CH4, CO ve CO2 gazları ile kalibre edildi. B) Midi GC analiz cihazı 15 kg ağırlığında olup kübik bir ciahazdır. Cihazın ön kısmında lokal bir kontrol paneli mevcutdur. Cihazın içinde bir adet TCD detektörü mevcuttur. Cihaz içinde iki adet dolgulu kolon mevcut olup bunlardan birisi Porapak Q ve diğeri de Molecular sieve kolonlarıdır. Cihazın konfügrasyonu, hidrokarbon reforming prosesindeki çıkış gazlarının analizini yapabilme amacı için ayarlandı. Cihazın yan tarafında iki adet otomatik valf mevcut olup bunlardan birisi komütasyon vanası ve diğeri de denge vanasıdır[8,9]. Deneysel çalışmalara başlamadan evvel reaktöre 5 gram katalizör yüklenmiştir. Katalizör yüzeyine karbon çökmesini önlemek amacı ile, katalizör 100ml/dak lık H 2 akımında K p 500 C de 6 saat süresince indirgenmiştir. Böylece, katalizördeki NiO, metalik nikele indirgenerek, katalizörün aktifliği sağlanmıştır. Deney başlangıcında sisteme 200 ml/dak lık N 2 gazı beslenmiştir. Sistem sıcaklığı 250 C ye ulaşınca Azot ve Hidrojen akımları kesilmiştir. Katalizör yüzeyinde karbon çökmesini engellemek için katalizörü indirgeme deneyleri her gün belirli süreler için yapıldı. Katalizör deformasyonunu önlemek amacı ile katalizör yatağına su zerreciklerinin geçişi, EtOH/Su karışımını yüksek sıcaklıklara ısıtarak önlenmiştir. Katalizörü H 2 ile indirgeme sonrası, karbon çökmesinin olmaması için hemen her gün deneylere devam edilmiştir. Katalizör, deneyler için hazır hale getirildikten sonra, sisteme 0,5-1 ml/dak lık EtOH/Su karışımı beslenmiştir. Sıcaklık kademeli olarak yüksetilmiş ve değişik sıcaklıklara karşılık sistem çıkışındaki gaz karışımı analiz edilmiştir. Sistem, mevcut çalışmadaki tüm gazları analiz edebilme özelliğine sahiptir. GC için Helyum ve Azot gazları taşıyıcı olarak kullanılmıştır. GC analiz cihazının çıkış voltajları bir ADC kartı ile sürekli olarak okundu ve Dizge Analitik Ltd. tarafından geliştirilen bir çizim programı ile bir Pentyum-IV bilgisayarı ekranında sürekli olarak gözlendi ve her bir deneye ait tüm çıkış pikleri bilgisayarda depolanmıştır. Daha sonra, bilinmeyen numunelerin içindeki her bir gazın pik alanları GC ile tespit edildi ve bilgisayara kayıt edildi. Bilinmeyen numunenin pikleri saf gazların pikleri ile karşılaştırılarak, bilinmeyen numune içindeki her bir gazın bileşimi tayin edildi. Gaz kromatoğrafisine taşıyıcı gazın giriş basıncı 2,1 bar ve analizin yapıldığı GC fırınının sıcaklığı 80 ºC dir. Helyum ile analiz yapılırken detektör akımı 150 ma ve hassaslık 10 a ayarlanmıştır. Azot ile gaz karışımları analiz edilirken dedektör akımı 60 ma e ayarlandı ve hassaslık(gain) 10 olarak ayarlanmıştır. GC hassaslık ayarları 1 ile 10 arasında değişmektedir. 10 değeri GC nin en hassas ayarı olup 1 ise en az hassas olan ayarlarından birisidir[8,9]. Şekil 1. Deney Sistemi nin Akış Şeması (Bu Deney Sistemi Sonuçlandırılmış olan 106M162 Nolu TÜBİTAK- MAG ve 2004/101 Nolu AÜ-BAP Proje çalışmaları için M. Levent tarafından dizayn edilmiştir)[10,11] 1758

77 Levent,M. Ağbaba, M. Şahin, Y Katalizör Bileşimi ve Katalizör Test Çalışmları : Bu çalışmada, kullanılan Ticari BASF katalizörü yüksek oranda NiO ihtiva etmektedir. Katalizördeki NiO, % 52 oranında olup destek maddeleri, SiO 2, MgO, CaO ve Cr 2O 3 dür. Katalizör tabletler şeklinde olup 3 mm yüksekliğinde ve 3 mm çapında silindirik peletlerden oluşmaktadır. Katalizörün yoğunluğu 1006 kg/m 3 olup C lik işletme sıcaklığına sahiptir. Katalizörün spesifik yüzey alanı 247 m 2 /gr dır. Çalışma öncesi ve sonrasında BASF firmasından izin alınarak katalizörün bileşik ve eser element analizi XRD ve WDXRF cihazları ile yapıldı. Deney öncesi yapılan testlerde, katalizör bileşiminde karbon görülmemiştir. Bir aylık çalışma sonrasında, kullanılmış katalizör bileşiminde bir miktar karbon görülmüştür. Bu da, her deney süresince, katalizör yüzeyinde eser miktarda karbon çökmesinin gerçekleştiğini gösterir. Ancak, karbon çökmesi çok yavaş olmaktadır ve bir ay boyunca katalizör kullanılabilmekte, ve hidrojen verimlerinde önemli bir düşüş görülmemiştir. Katalizör yüzeyinde karbon çökmesini minimum seviyede tutabilmek için reaksiyon ortamı sürekli olarak indirgen şartlarda muhafaza edilmektedir. Bu da, reaksiyon ortamından sürekli olarak bir miktar hidrojen geçirerek veya hidrojen bulundurarak sağlanmaktadır. 3. Sonuçlar ve Tartışma : Bu çalışmada farklı EtOH/Su oranlarında ve farklı sıcaklıklarda Etanol-su buharı reforming prosesi ile bir ticari BASF katalizörü eşliğinde hidrojen üretim verimleri incelenmiştir. Deneysel çalışmada hacimce 1/10, 1/8, 1/6, 1/4 ve 1/2 Etil alkol/su oranlarında ve farklı sıcaklıklarda (300, 400, 500, 600, 700 C) elde edilen hidrojen pik alanları ve üretilen gaz karışımındaki % H 2 değerleri hesaplanmıştır. 1/10 luk hacimce EtOH/H 2O oranı ve 250 C-700 C sıcaklık aralığına karşılık gelen H 2 pik alanları Şekil 2 de verilmiştir. Şekil 2 den görüldüğü gibi H 2 pik alanı 250 C de sıfıra yakın çıkmış olup sıcaklığın 300 C ye yükselmesi ile H 2 pik alanında hızlı bir artış gözlemlenmiştir. H 2 pik alanı 300 C de 4200 mvs civarında okunmuş olup sıcaklık yükseldikçe H 2 pik alanı 5000 mvs ye yaklaşmıştır. H 2 pik alanı reaktörden elde edilen hidrojen verimi ile doğru orantılıdır. H 2 pik alanı yüksek sıcaklıklarda( 700 C) en yüksek bulunmuştur. Bu da yüksek sıcaklıklarda( C) uygun bir katalizör ile daha yüksek hidrojen verimleri elde edilebileceğini göstermektedir. Sıcaklığa karşılık hacimce 1/10 luk EtOH/Su değeri için reaktör çıkışındaki %H 2 konsantrasyonu Şekil 3 de gösterilmiştir. Şekilden görüldüğü gibi, % H 2 konsantrasyonu 300 C de % 70 değeri üzerine hızlı bir artış göstermiştir. Bu da EtOH/Su reaksiyonunun BASF ticari katalizörü üzerinde 300 C den itibaren hızla oluşmaya başladığını göstermektedir C aralığında %H 2 verimi artış eğilimi göstererek % 80 değerine kadar yükselmiştir. Farklı Etil alkol/su oranlarına karşılık değişik sıcaklıklardaki H 2 pik alanları Şekil 4 de gösterilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi en yüksek H 2 pik alanları 1/10 luk EtOH/Su oranı ve 700 C sıcaklıklarda elde edilmiştir. En düşük H 2 pik alanları 1/2 lik EtOH/Su oranları için elde edilmiştir. Şekil 5 de sıcaklığa karşılık değişik EtOH/H 2O oranları için % H 2 konsantrasyonları gösterilmiştir. Şekil den de görüldüğü gibi en yüksek konsantrasyonu, 1/10 luk EtOH/H 2O değeri için elde edilmiştir. %H 2 değerleri yüksek sıcaklıklarda %80 civarında bulunmuştur. Sıcaklığa karşılık hacimce 1/8 lik EtOH/H 2O oranı için çıkış gaz karışımındaki diğer gazlar(co 2, CO, CH 4) tespit edilmiş olup Şekil 6 da gösterilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi CO 2 yüzdesi, sıcaklıkla önce artmış ve daha sonra azalmıştır. CO 2 yüzdesi, CO ve CH 4 e göre daha yüksek çıkmış, ancak H 2 yüzdesine göre oldukça düşük çıkmıştır. Şekil 7 de toplam gaz karışımındaki tüm gazlar değişik EtOH/Su oranları ve değişik sıcaklıklar için gösterilmiş olup, H 2 yüzdelerinin diğer gazlara göre(co 2, CO ve CH 4) belirgin bir şekilde daha yüksek olduğu görülmüştür. Tüm bu şekillerden de görüldüğü gibi H 2 yüzdesi, düşük EtOH/H 2O oranlarında(1/10) en yüksek olup, EtOH/H 2O oranının düşürülmesi ile(1/2), H 2 verimlerinin de düştüğü görülmüştür. Bu çalışmada, bulunan sonuçlara göre reaksiyonun birinci mertebeden endotermik bir reaksiyon olduğu görülmüştür. Aktivasyon Enerjilerinin düşük çıkması, difüzyon direncinin reaksiyon hızı üzerine önemli bir etkisinin olmadığını göstermektedir. Kullanılan katalizör miktarları(5gr) düşük seviyede tutularak reaksiyonun izotermal sıcaklık dağılımı muhafaza edilmiştir. Böylece, gerçek(intrinsic) reaksiyon kinetiği ölçülmeye çalışıldı. Deneysel çalışmalar, farklı sıcaklıklarda ( C) farklı EtOH / Su oranlarında, farklı deneysel çalışma sürelerinde(0-240daika) ve farklı katalizör boyutlarında gerçekleştirilmektedir. Reaksiyonun Aktivasyon enerjisi değerlerinin düşük çıkması (4,5x10 3-7,5x10 3 kj/kmol aralığında), reaksiyonun kimyasal reaksiyon kontrollü olduğunu göstermektedir. Bulunan aktivasyon enerjisi değerleri Literatürde benzer bileşime sahip katalizörlerle yapılan çalışmalarla uyum içindedir [12]. Sonuç olarak, farklı Etanol/Su oranlarında ve farklı sıcaklıklarda deneyler yapılarak hidrojen verimleri hesaplanmıştır. Çıkış gaz karışımında, en yüksek hidrojen konsantrasyonuna düşük EtOH/H 2O oranlarında ve yüksek sıcaklıklarda erişilmiştir. Deneysel çalışma halen devam etmektedir. Bundan sonraki deneylere, farklı katalizör boyutları ve farklı EtOH/H 2O oranları ile değişik zamanlar için devam edilecektir. Laboratuvar şartlarında bir katalizör hazırlanmaya çalışılacaktır, aynı deneysel şartlarda yapılacak çalışmalarda kullanılacaktır. Bulunan hidrojen verimleri, mevcut ticari katalizörle bulunan hidrojen verimleri ile karşılaştırılacaktır. Bu reaksiyonun detaylı kinetik ve termodinamik parametre hesaplamaları, tüm deneysel ölçümler yapıldıktan sonra gerçekleştirilecektir. Reaksiyona ait kinetik parametreler integral metoduna göre literatürden bir reaksiyon hız ifadesi seçilerek yapılacaktır. 1759

78 Levent,M. Ağbaba, M. Şahin, Y /10 V C2 H 5 OH / V H 2 O C C C C C H 2 pik alanı,(mvs) H 2 pik alanı, (mvs) Sıcaklık, ( 0 C) Su/Alkol Şekil 2. Sıcaklığa karşılık 1/10 luk EtOH değeri için H 2 pik alanı Şekil 4. Farklı Su/Alkol oranlarına karşılık değişik sıcaklıklardaki H 2 Pik Alanı 1/10 V C2 H 5 OH / V H 2 O % H % H /10 V / V C2 H 5 OH H 2 O 1/8 V / V C2 H 5 OH H 2 O 1/6 V / V C2 H 5 OH H 2 O 1/4 V / V C2 H 5 OH H 2 O 1/2 V / V C2 H 5 OH H 2 O Sıcaklık, ( 0 C) sıcaklık, ( 0 C) Şekil 3. Sıcaklığa karşılık 1/10 luk EtOH/H 2O değeri için %H 2 Şekil 5. Sıcaklığa karşılık değişik EtOH/H 2O oranları için % H

79 Levent,M. Ağbaba, M. Şahin, Y. Toplam gaz yüzdesi Sıcaklık, ( 0 C) CO 2 CO CH 4 Şekil 6. Sıcaklığa karşılık 1/8 lik EtOH/H 2O oranı için diğer gazların(co 2, CO ve CH 4) karışımdaki yüzdeleri Toplam gaz karışım yüzdesi Sıcaklık, ( 0 C) 1/10V C2 H 5 OH / V H 2 O H 2 1/8 V C2 H 5 OH / V H 2 O H 2 1/6 V C2 H 5 OH / V H 2 O H 2 1/4 V C2 H 5 OH / V H 2 O H 2 1/2 V C2 H 5 OH / V H 2 O H 2 1/ 6 V C2 H 5 OH / V H 2 O CO 1/ 6 V C2 H 5 OH / V H 2 O CH 4 1/ 6 V C2 H 5 OH / V H 2 O CO 2 1/ 8 V C2 H 5 OH / V H 2 O CO 1/ 8 V C2 H 5 OH / V H 2 O CH 4 1/ 8 V C2 H 5 OH / V H 2 O CO 2 Kaynaklar [1] Zhang, B., Cai, W., Li, Y., Xu, Y., Shen, W., Hydrogen production by steam reforming of ethanol over an Ir/CeO 2 catalyst: Reaction mechanism and stability of the catalyst, Int. J. Of Hydrogen Energy, Vol.33, , [2] Liguras,D.K., Kondarides, D.I., Verykios, X.E., Production of hydrogen for fuel cells by steam reforming of ethanol over supported noble metal catalysts, Applied Catalysis B : Environmental, , Vol.43, [3] Zhang, B., Tang, X., Li, Y., Cai, W., Xu, Y., Shen, W., Steam reforming of bio-ethanol fort he production of hydrogen over ceria-supported Co, Ir and Ni catalysts, Catalysis Communications, Vol.7, , [4] Biswas, P., Kunzru, D., Oxidative steam reforming of ethanol over Ni/CeO 2-ZrO 2 catalyst, Chemical Engineering Journal, Vol.136, 41-49, [5] Klouz, V., Fierro, V., Denton, P., Katz, H., Lise, J.P., Bouvot-Mauduit, S., Mirodatos, C., Ethanol reforming for hydrogen production in a hybrid electric vehicle: process optimisation, Journal of Power Sources, Vol.105, 26-34, [6] Denis, A., Grzegorczyk, W., Gac, W., Machocki, A., Steam reforming of ethanol over Ni/support catalysts for generation of hydrogen for fuel cell applications, Catalysis Today, Vol. 137, , [7] Aupretre, F., Descorme, C., Duprez, D., Casanave, D., Uzio, D., Ethanol steam reforming over Mg xni 1-x Al 2O 3. spinel oxide-supported Rh catalysts, Journal of Catalysis, Vol.233, , 2005 [8] Barin, I., Sauert, F., Schultze-Rhonhof, E., Wang, S.S., Thermochemical Data of Pure Substances, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, Germany, [9] Smith, J.M., Vanness, H.C. and Abbott, M.M., Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 5th. Edition, McGraw-Hill, Inc., [10]Levent, M., Küçük, O., Çalban, T.,Katalitik Kömür Gazlaştırma Prosesi ile Hidrojen Üretimi, VII. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu(UTES 2008), Aralık 2008, İstanbul,Türkiye [11 Levent, M, Küçük, O., Çalban, T., Hidrokarbon Reforming Prosesi ile Hidrojen Üretimi, TÜBİTAK- MAG Projesi(No: 106M162 TÜBİTAK-MAG) Sonuç Raporu(3 Eylül 2007) ve Atatürk Üniversitesi BAP Projesi (No: 2004/101) Sonuç Raporu(Mayıs 2008). [12] Akande,A.J.,MSc Thesis, Production of Hydrogen by Reforming of Crude Ethanol, Department of Chemical. Engineering, University of Saskatchewan, Saskatchewan, Canada, 2005 Şekil 7. Sıcaklığa karşılık değişik EtOH/H 2O oranları için Toplam gaz karışımı yüzdesi 1761

80 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye ISI GERİ KAZANIMLI AKIŞKAN YATAK SÜREKLİ KURUTUCU TASARIMI, İMALATI VE TUZ KURUTMASINDA İNCELENMESİ DESIGNING AND MANUFACTURING OF HEAT RECOVERY FLUID BED CONTINUOUS DRIED AND INVESTIGATED AT DRYING SALT M.Ali ERSÖZ a * Hikmet DOĞAN b a * Mamak Ortaköy 80. Yıl Endüstri Meslek Lisesi, Ankara, Türkiye, E-posta: b, Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Ankara, Türkiye, E-posta: Özet Bu çalışmada, ısı geri kazanımlı akışkan yataklı sürekli kurutucu (IGKAYSK) tasarımı yapılarak imalatı gerçekleştirilmiştir. Bu kurutucu, gıdadan kimya endüstrisine kadar birçok alanda kullanılan tuzun, kurutulmasında deneysel olarak incelenmiştir. IGKAYSK'da kurutma havasından kazanılan enerji kurutma havası sıcaklığı yükseldikçe artmıştır. 94 o C yapılan deneyde geri kazanılan enerji 0,37 kw, 126 o C kurutma havası sıcaklığında 0,64 kw ve 171 o C kurutma havası sıcaklığında 1,10 kw olarak tespit edilmiştir. IGKAYSK da ısı geri kazanım ünitesinin kurutma havasından geri kazanılan enerji miktarı 94 o C kurutma havası sıcaklığı için % 7, 126 o C kurutma havası sıcaklığı için % 8 ve 171 o C kurutma havası sıcaklığı için ise % 10 olmuştur. Sisteme kazandırılan enerji ile kurutma havası sıcaklığı yükseltilerek tuzdan daha fazla nem atılması sağlanmıştır. Böylece aynı miktarda enerji kullanılarak daha kısa sürede ve daha kuru olan tuz elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler : Kurutma, Tuz, Isı geri kazanım Abstract In this study, heat recovery fluidized bed continuous dryer (HRFBCD) has been designed and manufactured. This apparatus was experimentally used for drying of salt which is used in various areas from food to chemistry. In HRFBCD, the rate of obtained energy in air of drying increased when air of drying increased. Recovered energy achieved at 94 o C, 126 o C and 171 o C were determined 0,37 KW, 0,64 KW and 1,1 KW, respectively. In HRFBCD, the rate of recovered energy acquired from drying air of heat recovery unit for 94 o C, 126 o C and 171 o C were % 7, % 8 and % 10, respectively. Putting out more moisture from salt by increasing the temperature of drying air was provided with recovery energy for system. So, more dry salt in sort time were acquired by using equal quantity of energy. Keywords: Drying, Salt, Heat recovery. 1. Giriş Bugün herkes tarafından kabul edilmektedir ki; en ucuz enerji, verimli kullanım sonucu tasarruf edilen enerjidir. Bu nedenle; enerji atıklarının değerlendirilmesi, enerji verimliliğinin arttırılması ve mevcut enerji kayıplarının önlenmesi son derece önemlidir. Bunun sonucu, sosyal refahı engellemeden yapılacak enerji tasarrufunun, kısa ve orta dönemde, ülkelerin enerji teminiyle ilgili sorunlarının çözümüne küçümsenemeyecek katkıları olacaktır. Endüstriyel süreçlerde enerjinin etkin ve verimli kullanılması, sadece ülke ekonomisine katkı sağlamayacak, ayrıca üretilen ürünün birim maliyeti de azalacaktır. Böylece, sanayi kuruluşlarının iç ve dış pazardaki rekabet gücünü arttıracaktır. Endüstride kurutma işlemi uygulayan firmaların kurutma fırınlarıyla ilgili temel beklentileri; fırının teknik açıdan uygulanabilirliği, karmaşık kontrol sisteminden uzak olması ve enerji tasarrufu sağlamasıdır. İlk yatırım maliyetleri yüksek olsa da bilgisayar kontrollü otomasyon tekniğinin gelişmesi ile kontrol sistemleri çok basitleşmiştir. Böylece, kurutma fırını tasarımında geriye kalan en önemli iki husus; fırının teknik özellikleri ve enerji maliyeti olmaktadır. Bu çalışmada, ısı geri kazanımlı akışkan yataklı sürekli kurutucu tasarımı yapılarak imalatı gerçekleştirilmiştir. Sürekli kurutucunun soğutma evresine yerleştirilen ısı değiştirici ile kurutma evresinde yüksek ısı ile yüklenen tuzun ısısı ve sistem içi ortamın ısısı çekilmektedir. Yine, fan çıkışına yerleştirilen ısı değiştirici ile çekilen ısı, kurutma havasına aktarılmaktadır. Böylece, hem tuzun soğuması sağlanmakta hem de atılan ısı, kurutma sistemine geri kazandırılmaktadır. Ayrıca sisteme kazandırılan enerji ile kurutma havası sıcaklığı yükseltilerek tuzdan daha fazla nem atılması sağlanmıştır. Böylece aynı miktarda enerji kullanılarak daha kısa sürede ve daha kuru olan tuz elde edilmiştir. 2. Literatür Araştırması Zamanımıza kadar kurutma tekniği konusunda değişik çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalardan olarak; Nitz ve Taranto (2007) tarafından taze cari oca çekirdeklerini kurutmak için titreşimli akışkan yatak kurutucu tasarlanmıştır. Yapılan bu çalışmada, Page eşitliğinin kinetik parametreleri olan hava giriş sıcaklığı, hava akımı oranı ve titreşim frekansının sürece etkileri analiz edilerek geliştirilmiştir [1]. Jaros ve Pabis (2006) tarafından deneylerden önce yapılan havuç ve kereviz parçalarının kurutulmasının ölçümlerinin sonuçları üzerine kurulan, sunulmuş modelin deneysel doğrulanmasıyla bu varsayımın bir dereceye kadar mantıksal doğrulanması sağlanmıştır. Ayrıca, tasarımlanan akışkan yatak kurutucularındaki kurutma odası kapasitesinin hesaplanmasına imkân veren teorik modeller ortaya atılmıştır [2]. Yüzgeç (2005) tarafından biyolojik bir ürün olan ekmek mayasının (Saccharomyces cerevisiae) kesikli bir akışkan yataklı kurutma süreci için iki model geliştiril- IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1762

81 Ersöz, M.A., Doğan, H.. miştir [3]. Vitor ve ark. (2004) tarafından tapioca biyolojik ürününün kesikli bir akışkan yatak kurutucusundaki kurutma sürecinin, gaz ve katı fazlarına bağlı olarak ısı ve kütle aktarma katsayılarının bulunması amaçlanmıştır [4]. Topuz ve ark. (2004), fındığın akışkan yatakta kurutulmasının sayısal ve deneysel çalışmasını yapmışlardır. Yapmış oldukları çalışmada, sayısal ve deneysel sonuçları karşılaştırmışlar, sayısal değerlerin deneysel sonuçlara yakın olduğunu belirlemişlerdir [5]. Romero ve ark. (2004), akışkan yatak ve ısı taşınımlı tepsi kurutucuda mangonun viskoelastik parametrelerini ve rehidrasyon kapasitelerini incelemişlerdir [6]. Robbins ve ark. (2003) tarafından yüksek sıcaklıklardaki püskürtmeli yatakta arpanın kurutulması süreci için sıcaklık ve nem öngörü modelleri geliştirilmiştir. Yapılan benzetim çalışmalarında değişik hava besleme sıcaklıkları için yatak sıcaklığı ve nem eğilimleri bulunmuştur [7]. Topuz (2002), akışkan yatakta fındık kurutma sürecinde ısı ve kütle geçişini incelemiştir. Deneysel çalışmanın yanında konu ile ilgili matematiksel modelleri incelemiş ve yeni üç fazlı bir modeli fındığa uygulayarak, deney sonuçları ile model değerlerini karşılaştırmıştır [8]. Kanarya (2002), akışkan yataklı kurutma sürecinin matematiksel modeli üzerine çalışma yapmıştır. Bu modelleme çalışması; kütle ve enerji denkliği esasına dayanmaktadır [9]. Soponronnarit (1999) tarafından yapılan çalışmada Tayland daki akışkan yatakta pirinç kurutulması tanımlanmıştır. Bu çalışma deneysel yığın kurutucusu ile başlar ve bir ticari sürekli akış kurutucusu ile devam eder [10]. Yalçın ve Ertem (1997), yaptığı çalışmada Türkiye deki tuz rezervlerini, üretim yöntemlerini ve buralardan yapılan üretim miktarlarını karşılaştırmış, deniz tuzlalarının Türkiye tuz potansiyelindeki yerini incelemişlerdir [11]. Ergin (1988), yaptığı çalışmada genel olarak tuzun üretimi, teknolojisi, kullanım alanları ve sağlığımız için önemini anlatmaya çalışmıştır. Ayrıca, günlük hayatımızda çok kullanılan Rafine tuz, İyotlu tuz, Fluorürlü tuz kavramlarına açıklık getirmiştir [12]. 3. Kurutma Kurutma; bir maddenin bünyesindeki sıvıların alınması anlamına gelir. Başka bir ifadeyle kurutma; katı maddelerden ısıl yöntemlerle su veya uçucu diğer maddelerin buharlaştırılması ve sonra da bunların ortamdan uzaklaştırılması işlemlerini ifade etmektedir. Kurutma öncesi ısıl yöntemler dışında başka yöntemlerle katı maddeden suyun mümkün olduğunca uzaklaştırılması daha ekonomik bir kurutma işleminin olmasını sağlar. Ürünlerin mekanik yöntemler olarak tanımlanan filtreleme, presleme, santrifüjleme, çökeltme, eleme gibi işlemlerle kurutulması daha az enerji ihtiyacı ve uzaklaştırılan birim miktar su için, daha az maliyet gerektirmektedir. Kurutulacak ürün bu tip yöntemlere uygun değilse, ürüne gaz akımı ile ısı transferi uygulanarak, buharlaştırma yolu ile kurutma sağlanır. Transfer edilen ısı ürün içerisindeki nemin buharlaşmasına ve ortamdan uzaklaştırılmasına harcanır. Bu kurutma işleminde ısı ve kütle transferi aynı anda gerçekleşir. Kurutmada, kurutma gazı olarak, genellikle hava kullanılır. Kurutma havası hızının ya da sıcaklığının artması; kullanılan enerji miktarının artmasına sebep olur. Ürün içerisindeki nemin buharlaştırılması için verilmesi gereken enerjinin, daha kısa sürede kurutma sistemine verilmesi; kurutma süresini azaltır. Kurutma havasının sıcaklığı; nemi ve ürün içerisindeki nem ise; kuruma hızını belirler. Kurutma havasının neminin azaltılması da bu kurutma hızını artırarak kurutma süresini kısaltır. Bir kurutma sisteminde harcanan enerji; herhangi bir yakıtın yanmasıyla, alternatif enerji kaynaklarıyla (güneş, rüzgar vb.) jeotermal enerjiyle, elektrik enerjisi ya da daha başka bir enerji kaynağı ile sağlanır. Kurutma için gerekli olan ısı, bu enerji kaynaklarından karşılanır ve böylece kurutma işlemi gerçekleşir. Sistemde aynı havanın dolaştırılması sonucunda, bağıl nemi zamanla yükselecek ve nem alma kabiliyeti azalacaktır. Bu da; istenmeyen durum olarak karşımıza çıkmaktadır. Tamamen taze hava ile çalışan sistemlerde, kurutma havası ürün üzerinden geçirildikten sonra egzozdan atıldığından, sistemde enerji tüketimini arttırmaktadır [3]. 4. Tuz Eski çağlardan beri besin maddesi olarak kullanılan tuz, çağımız kimya sanayinin en önemli girdilerinden biridir. Kübik sistemde kristalleşen tuz, Na (Sodyum) ve Cl (Klor) iyonlarından oluşmakta ve NaCl (Sodyum Klorür) sembolü ile ifade edilmektedir [11]. Tuz, havadaki nemi kapacak kadar higroskopiktir; suda kolayca çözünmesi bu özelliğini yansıtır. Tuzdaki yabancı maddeler ve kil, tuza değişik renkler verir. Tuz beyaz, gri, koyu gri ve siyaha yakın renklerde görülmektedir. Molekül ağırlığı 58,454 g/mol olan tuz, ağırlık olarak % 39,34 sodyum, % 60,66 da klor içerir. Tuzun suda erime miktarı sıcaklık ile değişir. Tuz, 0 C de 100 g suda 36 g eriyerek doymuş tuzlu çözelti oluşturulduğu halde, 100 C de bu miktar 40 g olmaktadır. Yüksek basınç altında tuz plastik özellik gösterir [13]. Rutubet miktarı sofra tuzlarında kütlece en çok % 0,5, gıda sanayinde kullanılan tuzlarda ise; en çok % 2 olmalıdır. Sodyum klorür miktarı; katkı maddeleri hariç olmak üzere, sofra tuzunda kuru maddede en az % 98, gıda sanayi tuzunda kuru maddede en az % 97 olmalıdır [14]. Tuz, kimya sanayinde, insan gıdasında, muhtelif gıda sanayinde, tekstil-boyama sektöründe ve diğer bazı sanayi sektörlerinde yıkanmış veya rafine tuz olarak, diğer bazı alanlarda ise; ham tuz olarak kullanılmaktadır [15] yılında sektörlere göre tuz kullanımı; Çizelge 4.1 de verilmiştir. Çizelge yılı sektörlere göre tuz kullanımı Sektörler Bin ton % Ekmek ve Unlu Mamuller ,23 Süt Ürünleri Sanayi 68 3,49 Margarin Sanayi 7 0,36 Zeytincilik 84 4,31 Et Ürünleri Sanayi 3 0,15 Diğer Gıda Sanayi 70 3,59 Sabun Deterjan Sanayi 98 5,02 Tekstil Sanayi 144 7,38 Dericilik Sanayi ,97 Kağıt Sanayi 26 1,33 Maden Metalurji Sanayi 43 2,20 Kimya Sanayi ,27 Su Yumuşatma 55 2,82 Hayvancılık 137 7,02 Yem Sanayii (Kanatlı Hayv.) 33 1,69 Diğer Sanayii Dalları 15 0,77 Tüketim Tuzu (Rafine tuz için) 114 5,84 Tüketim Tuzu (Yıkama tuz için) 151 7,74 Karayolları Kar ve Buz Mücadelesi 55 2,82 Toplam ,

82 Ersöz, M.A., Doğan, H.. Yılda kişi başına tüketilmesi gereken tuz miktarı; 7 kg dır. İnsan, bu miktardaki tuzu çeşitli yollardan almaktadır. Genel olarak Türkiye de yılda büyük baş hayvanların 4 kg, küçükbaş hayvanların 2 kg tuz tüketimi vardır. Yollarda kar ve buza karşı kullanılan tek madde tuz olup, Türkiye de buzlanma için kullanılan tuz miktarı bin ton civarındadır [16]. 5. Deney setinin hazırlanması Akışkan yatak sürekli kurutucuda ısı geri kazanımının araştırılması için laboratuar ölçülerinde bir deney seti kurulmuştur. Bu setin şeması Şekil 5.1 de görülmektedir. Çizelge 5.1. Kullanılan ekipmanların özellikleri Ekipmanın adı Kurutma havası fanı Isı değiştirici Özellikleri Fanın giriş ağız çapı 125 mm ve çıkış ağzı 90x100 mm dikdörtgen kesitlidir. Fana ait diğer özellikler; DEMSAN Havalandırma San. Tic. Ltd. Şti., 750 m 3 /h, 2483 dev/dak., 180 Watt, 0,8 A, 50 Hz, 130 C, 63 dba, 4 kg, V, 5/400 MF dir. 0,6 HP (441,6 W) Soğutma davlumbazında ve ısı geri kazanım ünitesinde 1 er adet Titreşim motoru Taşıyıcı yaylar Devir-daim pompası Elektrik motorunun milinin her iki ucuna 10 mm kalınlığında 80 mm çapında alüminyum disk bağlanarak (ağırlık merkezi değiştirilerek) titreşim motoruna dönüştürülmüştür. Elektrik motoru JIAN, 220 V,50 Hz,120 W, 1,5 Amps. TOFAŞ Şahin marka otomobillerin motorlarında kullanılan supap yayları GRUNDFOS, Type UPS 15-50, No: HRF 310, 220 V, I: 042 A, P: 95 Watt, n: 1700 min -1, Class F Şekil 5.1. Isı geri kazanımlı akışkan yatak sürekli kurutma sistemi şeması 1. Fan, 2. Isı geri kazanım ünitesi, 3. Isı üreteci, 4. Kontrol panosu, 5. Silo, 6. Akışkan yatak sürekli kurutucu, 7. Devir-daim pompası Kurutma sistemi; silo, kurutma ve soğutma evresinden oluşan akışkan yatak sürekli kurutucu, ısı geri kazanım ünitesi, kurutma havası emiş fanı, ısı üreteci, sistem kumanda panosu, akışkan yataklı kurutucu üzerinde egzoz tesisatı ve taşıyıcı sistemden oluşmaktadır. Tuz, metaller üzerinde yüksek oranda korozyon etkisi yarattığından, sistemin tüm devre elemanları krom-nikel alaşımlı malzemelerden yapılması tercih edilmektedir. Ancak bu set, deney amaçlı olacağından ve sürekli sistem çalıştırması yapılmayacağından, sistem kurma maliyetlerini asgaride tutmak için farklı malzemeler kullanılmıştır. Şekil 5.1 de verilen ısı geri kazanımlı akışkan yatak sürekli endüstriyel kurutma sistemi deney seti, Ankara Gölbaşı Endüstri Meslek Lisesi Metal Teknolojisi Alanı atölyelerinde yapılmıştır. İmalatı gerçekleştirilen kurutucu, uzun bir süre test edildikten sonra deneylerin yapımına hazır hale getirilmiştir. Isı geri kazanımlı akışkan yatak sürekli kurutma sisteminin imalatında kullanılan ekipmanların özellikleri Çizelge 5.1'de verilmiştir. Isı üreteci 6. Deneylerin yapılışı Her bir rezistans gücü 410 W olan 25 adet boru tipi rezistans üretece bağlanmıştır. Boru tipi rezistanslar 3 adet 6 lı, 1 adet 7 li olmak üzere gruplandırılmıştır. Her bir 6 lı grubun gücü 2460 W, 7 li grubun gücü ise 2870 W tır. 6 lı gruplardan, 1. grup 1 no lu, 2. grup 2 no lu, 3. grup 3 no lu, 7 li grup 4 no lu anahtar tarafından kontrol edilmektedir Deney materyallerinin hazırlanışı Bu çalışmada kullanılan tuz, Koçhisar Tuz Gölü nden alınan göl tuzu olup, Ankara Cad. No:124 Şereflikoçhisar/Ankara adresinde bulunan Tekin Tuz Nak. Paz. San. Tic. Ltd. Şti. den temin edilmiştir. Deneylerde kurutmaya tabi tutulan tuz ham tuz olmayıp, belirtilen işletmede belirli işlemlerden (ön işlemler, evaparasyon, öğütme, yıkama, merkezkaç vb.) geçirilerek kurutma şartlarına getirilen tuzdur. Tuz, genelde farklı tane büyüklüklerinde olup, içerisinde zerrecikler halinde de bulunmaktadır. Tuz, işletmeden 10 kg lık plastik bidonlarla silme doldurularak çevre havasının nemini almayacak şekilde kapatılarak, deney setinin bulunduğu yere taşınmış ve deneyler yapılıncaya kadar bu bidonlarda muhafaza edilmiştir. 1764

83 Ersöz, M.A., Doğan, H Tuzun Tam Kuru Ağırlığının Bulunması Tuz kurutma deneyleri yapılmadan önce bazı ön deneyler yapılarak, tuzun tam kuru ağırlığı bulunmuştur. Tam kuru ağırlığı bulmak için tuz numuneleri, her birine 50 g ıslak tuz konulan 4 ayrı çay tabağı halinde hazırlanmıştır. Tuz konulmadan her bir çelik çay tabağının boş ağırlıkları tespit edilmiştir. Numuneler, 103 ±2 C de etüvde birinci aşamada 6 saat süre ile bekletilmiş, daha sonra desikatörde soğumaya bırakılmıştır. Soğuyan numuneler 0,001 g duyarlıklı dijital ölçüm cihazında tartılarak sonuçlar alınmıştır. İkinci aşamada numuneler, 6 saat etüvde bekletilmiş ve aynı yöntemle sonuçlar alınmıştır. Üçüncü aşamada da numuneler tekrar 6 saat etüvde bekletilmiş ve aynı yöntemle sonuçlar alınmıştır. Numunelere ait sonuçlar Çizelge 6,1 de verilmiştir. Tuz numunelerinin kuru baza göre nem miktarı % 4,4 g su/g kuru madde olarak bulunmuştur. Çizelge 6.1. Tam kuru ağırlığın bulunması için hazırlanan numunelere ait kuruma değerleri 1. Örnek 2. Örnek 3. Örnek 4. Örnek Dara (g) 57,8 57,8 57,7 57,8 Ürün Miktarı (g) 50,0 50,0 50,0 50,0 Toplam Miktar (g) 107,8 107,8 107,7 107,8 İlk 6 saat sonunda ürün miktarı (g) 105,7 105,8 105,6 105,7 İkinci 6 saat sonunda ürün miktarı (g) 105,7 105,7 105,6 105,6 Üçüncü 6 saat sonunda ürün miktarı (g) 105,7 105,7 105,6 105,6 % (g su/g kuru madde) 4,3 4,3 4,3 4,6 Elektrikli ısıtıcı; 1. kademe 4920 W, 2. kademe 7380 W ve 3. kademe W olmak üzere üç kademede kullanılmıştır. Deneyler, her bir ısıtıcı gücü için ayrı ayrı yapılmış ve bütün deneyler için kurutma süresi, sistemin çalışmaya başlangıcından sürecin tamamlanmasına kadar 120 dakika ile sınırlandırılmıştır. Yine tüm deneylerde kurutma havası hızı 4,5 m/s olup, kurutma süreçleri boyunca sabit tutulmuştur. Ayrıca kurutucunun titreşim frekansı tüm deneylerde sabittir. Bu nedenle; yapılan deneylerde kurutma sürecini etkilemeyeceği için titreşim frekansının ölçülmesine ihtiyaç duyulmamıştır Deneylerde kullanılan ölçme cihazları Deneyler yapılırken kullanılan ölçme cihazları ve özellikleri Çizelge 6.3 de verilmiştir. Çizelge 6.3. Kullanılan ölçme cihazları ve özellikleri Ölçme Cihazları Hava hızı ve sıcaklık ölçüm cihazı Dijital tartı Sıcaklık ölçme cihazı* Özellikleri Testo, sıcaklık -20,+70 C, hız 0-20 m/s, ölçüm hassasiyeti 0,01 m/s, 0,1 C, heated wire, NTC sensör. Metler Toledo, Excellence XS6002S model, en yüksek ölçülebilecek miktar 6100 g, ölçme hassasiyeti 0,001g. Elimko, tip E , tip J, ölçüm aralığı C, 12 kanallı elektronik sıcaklık ölçüm cihazı Deney planı Yapılan deneylerin planı Çizelge 6.2 de verilmiştir. Sıcaklık ölçme cihazı** TFA, art. No: , ölçme aralığı (- 20) (+200) C ve (-40) (+392) F, ölçüm hassasiyeti 0,1 C, batarya 1,5 V. Deneyler Çizelge 6.2. Deney planı Boru tipi elektrikli ısıtıcı gücü (Watt) Sisteme hava giriş hızı (m/s) Isı taşıma akışkanı 1. Deney ,5 Su 2. Deney ,5 Su 3. Deney ,5 Su Yapılan bütün deneylerde akışkan yataklı sürekli kurutucuya tuz yüklemesi; sistem çalıştırılıp, kurutma havası sıcaklığı denge haline ulaştıktan sonra, yani; sistemin çalışmaya başlamasından 30 dakika sonra ve eşit miktarlarda yapılmıştır. Kuru ürün numuneleri, tuzun akışkan yatağa yüklenmesinden 90 dakika sonra, kuru ürün toplama kabında biriken tuzdan, cam kavanozlara silme doldurulup, kavanoz kapakları kapatılarak alınmıştır. Her iki kurutucu modelinde de enerji kaynağı olarak, boru tipi elektrikli ısıtıcılardan yararlanılmıştır. Isı geri kazanımlı akışkan yatak sürekli kurutucuda (IGKASYK) yapılan deneylerde sıcaklık ölçümlerinin yapıldığı noktalar Şekil 5.1 de görülmektedir. * Isı geri kazanım devresindeki ölçümlerde kullanılmıştır. **Akışkan yatak sürekli kurutucudaki ölçümlerde kullanılmıştır. 7. Araştırma bulgularının değerlendirilmesi IGKAYSK da her bir kademedeki ısıtıcı güçleri için elde edilen kurutma havası sıcaklığının zamana bağlı değişimi Şekil 7.1 de görülmektedir. Kurutma havası sıcaklığı ( C) KADEME 2. KADEME 3. KADEME Kurutma zamanı (dakika) Şekil 7.1. IGKAYSK da kurutma havası sıcaklığının zamana bağlı olarak değişimi 1765

84 Ersöz, M.A., Doğan, H.. Şekil 7.1 de görüldüğü üzere; her kademede sistemin çalışmaya başlamasından ilk 30 dakika kurutma havası sıcaklık değişimleri yüksek miktarlarda olmaktadır. Ancak, bu süreden sonra sistem denge haline kavuşmaktadır. Kurutma havası sıcaklığı değişimi birinci kademede 97,7 C - 101,3 C aralığında artan bir değişim göstermektedir. İkinci kademede bu değişim 132,3 C 137,6 C aralığında, üçüncü kademede 183,4 C 189,3 C aralığında olmuştur. IGKAYSK da her bir kademedeki ısıtıcı gücü için kurutma havasına verilen enerji elde edilen deneysel sonuçlara göre Şekil 7.2 de verilmiştir. Kurutma havasına verilen enerji (kj/s) KADEME 2. KADEME 3. KADEME Kurutma zamanı (dakika) Şekil 7.2. IGKAYSK da tuz kurutması yapılırken kurutma havasına verilen enerjinin zamana bağlı olarak değişimi IGKAYSK da her bir kademe ısıtıcı gücü için tuz kurutması yapılırken ısı geri kazanım ünitesinde kazanılan enerjinin zamana bağlı değişimi Şekil 7.3 de verilmiştir. IGK ünitesinde kazanılan enerji (kj/s) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 1. KADEME 2. KADEME 3.KADEME Kurutma zamanı (dakika) Şekil 7.3. IGKAYSK da ısı geri kazanım ünitesinde kazanılan enerjinin zamana bağlı olarak değişimi Şekil 7.3 de görüldüğü gibi; ısı geri kazanım ünitesinde kurutma süreci sonunda, yani; 120 dakika sonunda kazanılan enerji, birinci kademede 0,45 kj/s, ikinci kademede 0,64 kj/s üçüncü kademede 0,84 kj/s olmuştur. Isı geri kazanım ünitesindeki ısı değiştiriciler arasında ısı taşıyan akışkanı ileten borular izoleli olduğundan, ısı kayıpları ihmal edilebilir seviyededir. Bu durumda, kurutucunun soğutma evresinde tuzu soğutmak için kullanılan enerji ısı geri kazanım ünitesi ile kurutma havasına kazandırılan enerjiye eşittir. Dolayısıyla; ısı geri kazanım ünitesiyle bütün sistemde kazanılan enerji, tuzun soğutulmasıyla kazanılan enerji ile kurutma havasına kazandırılan enerjinin toplamıdır. Buna göre; kazanılan toplam enerji birinci kademede 0,90 kj/s, ikinci kademede 1,28 kj/s ve üçüncü kademede 1,68 kj/s dir. IGKAYSK da tuz kurutması yapılırken yararlanılan enerjinin zamana bağlı olarak değişimi Şekil 7.4 de görülmektedir. Yararlanılan enerji (kj/s) 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 1. KADEME 2. KADEME 3. KADEME Kurutma zamanı (dakika) Şekil 7.4. IGKAYSK da yararlanılan enerjinin zamana bağlı olarak değişimi Şekil 7.4 de görüldüğü üzere kurutmanın başlangıcında ilk 30 dakikada yüksek oranda enerji kullanımı gerçekleşmiştir. Daha sonra kullanılan enerji miktarı, zamana bağlı olarak azalmakta ve daha sonra denge haline ulaşmaktadır. Kurutma işleminin başlangıcında kullanılan enerjinin önemli bir miktarı akışkan yatağın ısıtılmasında harcandığından enerji kullanımı yüksek miktarda olmaktadır. Kurutma sistemi sürekli bir sistem olup akışkan yatağa sürekli olarak nemli tuz girişi sağlanmaktadır. Bu nedenle yararlanılan enerji bir süre sonra küçük değişim miktarları ile denge haline ulaşmaktadır. 8. Sonuç ve öneriler IGKAYSK da her bir kademede yapılan deneylerle 90 dakika sonunda kuru ürün toplama kabında toplanan kurutulmuş tuzdan numuneler, alınıp etüvde 50 şer gram tuz tam kurutmaya tabi tutularak nem içeriği değerleri bulunmuştur. Birinci kademede yapılan deneyde kuru olarak alınan numunenin nem içeriği % 3,1; ikinci kademede yapılan deneyde kuru olarak alınan numunenin nem içeriği % 1,9; üçüncü kademede yapılan deneyde kuru olarak alınan numunenin nem içeriği de % 0,4 olarak tespit edilmiştir. Yapılan deneylerde, kurutma havası sıcaklığının 94 o C olmasında geri kazanılan enerji 0,37 kw, 126 o C sıcaklığında 0,64 kw ve 171 o C sıcaklığında da 1,10 kw olarak tespit edilmiştir. Bu durumda IGKAYSK da ısı geri kazanım ünitesi ile kurutma havasından geri kazanılan enerji miktarı 94 o C sıcaklığı için % 7, 126 o C sıcaklığı için % 8 ve 171 o C kurutma havası sıcaklığı için ise % 10 olmuştur. Deney sonuçları verilerinden de anlaşılacağı gibi; tarafımızdan tasarlanıp yapılan bu deneylerde %10 kadar enerji tasarrufuna ulaşılmıştır ki, büyük sistemler için bu çok büyük bir değerdir. Öneri olarak, sistemin yalıtımının daha iyi yapılması ve ısı geri kazanım ünitesinde plaka tipi ısı dönüştürücülerin kullanılması tavsiye edilir. Bu deney için, budurumda verimin daha da artacağı kanaati oluşmuştur 1766

85 Ersöz, M.A., Doğan, H.. Kaynaklar [1] Nitz, M., Taranto, O.P., Drying of beans in a pulsed fluid bed dryer: Drying kinetics, fluid-dynamic study and comparisons with conventional fluidization, Journal of Food Engineering, 80: , [2] Jaros, M., Pabis, S., Theoretical models for fluid bed drying of cut vegetables, Biosystems Engineering, 93 (1): 45-55, [3] Yüzgeç, U., Kurutma sürecinin modellenmesi ve akıllı öngörülü denetimi, Doktora Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli, 1-35, [4] Vitor, J.F.A., Biscaria Jr., E.C., Massarini, G., Modeling of biomass drying in fluidized bed, Drying 2004 Proceedings of the 14th International Drying Symposium, Sao Paulo, Brazil, , [5] Topuz, A., Gür, M., Gül, M. Z., An experimental and numerical study of fluidized bed drying of hazelnuts, Applied Thermal Engineering, 24: , [6] Romero, T.J., Gabas, A.L., Sobral, P.J.A., Osmoconvective drying of mango cubes in fluidized bed and tray dryer, Drying 2004-Proceedings Of The 14th International Drying Symposium, Sao Paulo, Brazil, C: , [7] Robbins, P.T., Fryer, P.J., The spouted-bed roasting of barley: development of a predictive model for moisture and temperature, in: Journal of Food Engineering, 59: , [8] Topuz, A., Akışkan yatakta fındık kurutma prosesinde ısı ve kütle geçişinin incelenmesi, Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 1-93, [9] Kanarya, A., Akışkan yataklı kurutma prosesinin matematiksel modellemesi Yüksek Lisans Tezi, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Kocaeli, 2-66, [10] Soponronnarit, S., Fludised-bed paddy drying Science Asia, 25, 51-56, [11] Yalçın, E., Ertem, M. E., Deniz tuzlalarının Türkiye tuz potansiyelindeki yeri, 2. Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu, İzmir, , [12] Ergin, Z., Tuzun üretim teknolojisi ve insan sağlığındaki yeri, Madencilik Dergisi, 27 (1): 9-30, [13] Ersoy, A., Yünsel, T. Y., Çözelti madenciliği ile tuz üretimi, 4. Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu, İzmir, , [14] İnternet: Tarım ve Köyişleri Bakanlığı Türk gıda kodeksi sofra ve gıda sanayi tuz tebliği., ht m. T.C., Resmi Gazete, 25699, [15] Parlak, H., Özkan, S. M., Ertem, H. İ., Sekizinci beş yıllık kalkınma planı, Madencilik ÖİK Raporu Endüstriyel Hammaddeler Alt Komisyonu Kimya Sanayii Hammaddeleri,(Bor Tuzları - Trona - Kaya Tuzu - Sodyum Sülfat - Stronsiyum) Çalışma Grubu Raporu, Ankara, 2: , [16] Van Ballegooijen, W.G.E., Van Loon, A.M., Zanden, V.D., Modeling diffusion-limited drying behaviour in a batch fludized bed dryer, Drying Technology, 15 (3,4): ,

86 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye AKIŞKAN YATAK SÜREKLİ KURUTUCUDA TUZ KURUTULMASININ DENEYSEL İNCELENMESİ FLUID BED CONTINUOUS DRYER INVESTIGATED BY EXPERIMENTALLY FOR DRYING SALT (NaCl) Hikmet DOĞAN a, *, M. Ali ERSÖZ b, a, * Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Ankara, Türkiye, E-posta: b Mamak Ortaköy 80. Yıl Endüstri Meslek Lisesi, Ankara, Türkiye, E-posta: Özet Bu çalışmada, akışkan yataklı sürekli kurutucu ile (AYSK) birçok alanda kullanılan tuzun (NaCl) kurutulması deneysel olarak analiz edilmiştir. Kurutucudaki kurutma havası hızı 4,5 m/s olarak uygulanmıştır. Deneylerde kullanılan tuzun başlangıç nem miktarı 0,044 g su/g kuru madde olarak belirlenmiştir. Bu tuz; kurutma havası sıcaklıkları m 2 o C hassasiyetle, 94 o C, 126 o C ve 171 o C gibi üç farklı sıcaklıkta 90 dakikalık kurutma işlemlerine tabii tutulmuştur. Sistemde 94 o C sıcaklıkta yapılan kurutma işlemi sonrası tuzun nem muhtevası 0,033 g su/g kuru maddeye, 126 o C sıcaklıkta yapılan kurutma işlemi sonrası 0,024 g su/g kuru maddeye ve 171 o C sıcaklıkta yapılan kurutma işlemi sonrası ise 0,009 g su/g kuru maddeye indirgenmiştir. Anahtar kelimeler: Kurutma, Tuz, Akışkan yataklı kurutucu Abstract In this study drying of salt (NaCl) used at various areas has been investigated experimentally in fluidized bed continuous dryer. Drying air velocity at dryer is about 4.5 m/s. At the beginning of the drying process humidity amount of the salt was g water/g; applied drying air temperatures were 94ºC, 126ºC and 171ºC with accuracy ± 2ºC, and duration of the drying period was about 90 minutes. After the drying period humidity content of the salt were reduced to g water/g at 94ºC; g water/g at 126ºC and g water/g at 171ºC dry substance respectively. Keywords: Drying, Salt, Fluid bed dryer 1. Giriş Kurutma, genel olarak bir maddenin bünyesindeki sıvıların alınması anlamına gelir. Bununla birlikte kurutma, katı maddelerden ısıl yöntemlerle su veya uçucu diğer maddelerin buharlaştırılması ve sonra da bunların ortamdan uzaklaştırılması işlemlerini tanımlamaktadır. Kurutma öncesi ısıl yöntemler dışında başka yöntemlerle katı maddeden suyun mümkün olduğunca uzaklaştırılması, kurutmada daha ekonomik bir kurutma sağlar. Ürünlerin mekanik yöntemler olarak tanımlanan filtreleme, sıkıştırma, santrifüjleme, çökeltme ve eleme gibi işlemlerle kurutulması daha az enerji ihtiyacı ve uzaklaştırılan birim miktar su için daha az maliyet gerektirir. Kurutulacak ürün bu tip yöntemlere uygun değilse; ürüne gaz akımı ile ısı transferi uygulanarak buharlaştırma yolu ile kurutma sağlanır. Transfer edilen ısı, ürün içerisindeki nemin buharlaşması ve ortamdan uzaklaştırılmasında harcanır. Bu kurutma işleminde ısı ve kütle transferi aynı anda gerçekleşir. Kurutmada, kurutma gazı olarak genellikle hava kullanılır. Kurutma havası hızının ya da sıcaklığın artması; kullanılan enerji miktarının artmasına sebep olur. Ürün içerisindeki nemin buharlaştırılması için, verilmesi gereken enerjinin daha kısa sürede kurutma sistemine verilmesi ise; kurutma süresini azaltır. Kurutma havasının sıcaklığı nemi, ürün içerisindeki nem ise; kuruma hızını belirler. Kurutma havasının neminin azaltılması da bu kurutma hızını artırarak kurutma süresini kısaltır. Eski çağlardan beri besin maddesi olarak kullanılan tuz, çağımız kimya sanayinin en önemli girdilerinden biridir. Kübik sistemde kristalleşen tuz, Na (Sodyum) ve Cl (Klor) iyonlarından oluşmakta ve NaCl (Sodyum Klorür) sembolü ile ifade edilmektedir. Yüksek basınç altında plastik özellik gösteren tuzun sertliği 2-2,5 olup, özgül ağırlığı 2,1-2,55 g/cm 3 arasında değişir. Erime noktası 800,8 C, kaynama noktası ise 1412 C dir [1]. Tuz, havadaki nemi kapacak kadar higroskopiktir; suda kolayca çözünmesi bu özelliğini yansıtır. Tuzdaki yabancı maddeler ve kil, tuza değişik renkler verir. Tuz beyaz, gri, koyu gri ve siyaha yakın renklerde görülmektedir. Molekül ağırlığı 58,454 g/mol olan tuzun ağırlık olarak % 39,34 ü sodyum, % 60,66 sı klor içerir. Tuzun suda erime miktarı sıcaklık ile değişir. Tuz, 0 C deki 100 g suda 36 g eriyerek doymuş tuzlu çözelti oluşturulduğu halde, 100 C de bu miktar 40 g olmaktadır. Yüksek basınç altında tuz plastik özellik gösterir [2]. Rutubet miktarı sofra tuzlarında kütlece en çok % 0,5, gıda sanayinde kullanılan tuzlarda ise en çok % 2 olmalıdır. Sodyum klorür miktarı; katkı maddeleri hariç olmak üzere sofra tuzunda kuru maddede en az % 98, gıda sanayi tuzunda en az % 97 olmalıdır. Sofra tuzuna mg/kg oranında potasyum iyodür veya mg/kg oranında potasyumiyodat katılması zorunludur. Bunun yanında, iyot eklenmesi, gıda sanayi tuzunda zorunlu değildir. Tuzda asitte çözünmeyen madde miktarı, asitte çözünmeyen katkı maddeleri hariç olmak üzere, kütlece en çok % 0,5 olmalıdır. Tuzda suda çözünmeyen madde miktarı, suda çözünmeyen katkı maddeleri hariç olmak üzere kütlece en çok % 0,5 olmalıdır [3]. Kimya sanayinde, insan gıdasında, muhtelif gıda IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1768

87 Doğan, H.,ve Ersöz, M. A. sanayinde, tekstil-boyama sektöründe ve diğer bazı sanayi sektörlerinde yıkanmış veya rafine tuz olarak, bazı alanlarda ise; ham tuz olarak kullanılmaktadır [4]. Yılda kişi başına tüketilmesi gereken tuz miktarı 7 kg dır. İnsan bu miktardaki tuzu çeşitli yollardan almaktadır. Genel olarak Türkiye de yılda büyük baş hayvanların 4 kg, küçükbaş hayvanların 2 kg tuz tüketimi vardır. Kışın yollarda kar ve buza karşı kullanılan tek madde tuz olup, Türkiye de buzlanma için kullanılan tuz miktarı bin ton civarındadır [5]. Kurutma sistemi; silo, kurutma ve soğutma evresinden oluşan akışkan yatak sürekli kurutucu, kurutma havası emiş fanı, ısı üreteci, sistem kumanda panosu, akışkan yataklı kurutucu üzerinde egzoz tesisatı ve taşıyıcı sistemden oluşmaktadır. 2. Akışkan Yatak Kurutucular Küçük katı taneciklerinin, gaz veya sıvı ile temas ettirilerek akışkanların özelliklerine benzer özellikler kazandırma işlemine akışkanlaştırma denir [6]. Modern kurutma yöntemleri arasında akışkan yataklı kurutma tekniği önemli bir yere sahiptir [7]. Akışkan yataklı kurutucularda, ürünün silindirik veya küresel tanecik biçiminde olabilmesi için kurutulacak malzeme bir elekten geçirilerek kurutucuya yüklenir. Tanecikli malzeme bu süre içinde akışkanlaştırılmıştır ve malzemenin nemi bir kurutma gazı (genellikle havadır) ile uzaklaştırılır [8]. Akışkan yatakta gaz hızı çok önemlidir ve dikkatli ayarlanmalıdır. Toz veya taneli yapıdaki kurutulan malzeme ile akışkanlaştırma gazı arasında temas çok iyi olmaktadır. Bu nedenle kurutma havası ve tanecikler arasında ısı transferi de etkin şekilde gerçekleşir. Bu kurutma sistemi ile büyük sıcaklık farklarında malzemelerin sakınca olmaksızın kurutulması mümkündür. Otomatik yükleme ve boşaltmanın mümkün olduğu bu sistemin en önemli üstünlüğü kurutma işleminin kısa sürede tamamlanmasıdır [9]. Akışkan yatak kurutucular, biyolojik ürünlerin kurutulmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sistemlerin en önemli üstünlüğü yatak içinde tanecik karışımının yüksek seviyede olması ve bu nedenle kurutma için daha homojen bir sürecin meydana gelmesidir. Ürünün aşırı ısınmaması da sistemin diğer bir üstünlüğüdür. Bundan dolayı ısıya karşı hassas maddelerin kurutulmaları için çok uygundurlar. Ürün taneciklerinin mekanik olarak zarara uğrama riski, şeklinin değişmesi ve taneciklerin topaklaşıp akışkanlığı zorlaştırmaları ise akışkan yataklar için sakınca teşkil etmektedirler [10]. Akışkan yataklı sistemlerde kurutulan malzemelere; kömür, kireç taşı, çimento, kabuklar, dökümhane kumu, fosfat kayası, tuz, bor, plastik, tıbbi malzeme ve hububat örnek olarak verilebilir. 3. Deney Setinin Hazırlanması Akışkan yatak sürekli kurutucuda tuzun kurutulması için Şekil 1. deki şemada görüldüğü gibi, laboratuvar ölçülerinde bir deney seti kurulmuştur. Kurutma sistemi; silo, kurutma ve soğutma evresinden oluşan akışkan yatak sürekli kurutucu, kurutma havası emiş fanı, ısı üreteci, sistem kumanda panosu, akışkan yataklı kurutucu üzerinde egzoz tesisatı ve taşıyıcı sistemden oluşmaktadır Şekil 1. Akışkan yatak sürekli kurutma sistemi şeması 1. Fan, 2. Isı üreteci, 3. Kontrol panosu, 4. Silo, 5. Akışkan yatak sürekli kurutucu Kurutma sistemi; silo, kurutma ve soğutma evresinden oluşan akışkan yatak sürekli kurutucu, kurutma havası emiş fanı, ısı üreteci, sistem kumanda panosu, akışkan yataklı kurutucu üzerinde egzoz tesisatı ve taşıyıcı sistemden oluşmaktadır. Tuz, metaller üzerinde yüksek oranda aşınma (korozyon) etkisine sebep olduğundan, sistemin bütün devre elemanları krom-nikel alaşımlı malzemelerden yapılması tercih edilmektedir. Ancak bu set, deney amaçlı olacağından ve sürekli sistem çalıştırması yapılmayacağından sistemde, kurma maliyetlerini asgaride tutabilmek için, farklı malzemeler kullanılmıştır. İmalatı gerçekleştirilen kurutucu, uzun bir süre test edildikten sonra deneylerin yapımına hazır hale getirilmiştir Silo Silo 30x30x50 cm ebatlarında 1 mm lik siyah saçtan imal edilmiştir. Silo dikdörtgen prizma şeklinde olup, ürün boşaltma bölümü ürün akışını kolaylaştırmak için konik olarak tasarlanmış ve imal edilmiştir. Ürün akış miktarını değiştirebilmek amacıyla boşaltma ağzına kapak konulmuştur. Siloya, belirli süreçlerden (ön işlemler, buharlaştırma, öğütme, yıkama, santrifüj vb.) geçtikten sonra % 6-7 nem oranına ve belirli tane büyüklüğüne getirilen tuz (NaCl) konulur Akışkan Yatak Sürekli Kurutucu 1769

88 Doğan, H.,ve Ersöz, M. A. Akışkan yataklı sürekli kurutucu (AYSK), gövde, elek, kurutma davlumbazı, soğutma davlumbazı, titreşim (vibrasyon) motoru, taşıyıcı yaylar ve taşıyıcı sistemden olmak üzere yedi bölümden oluşmaktadır. Akışkan yataklı sürekli kurutucunun elemanları ve kurutma süreci Şekil 2 de görülmektedir Kurutma davlumbazı Şekil 3. Elek in yapısı Şekil 2. Akışkan yatak sürekli kurutucu şeması 1. Silo, 2. Kurutma davlumbazı, 3. Soğutma davlumbazı, 4. Ürün boşaltması, 5. Titreşim motoru, 6. Akışkan yatak sürekli kurutucu gövdesi, 7. Taşıyıcı yay, 8. Taşıyıcı sistem, 9. Kuru ürün toplama kabı, 10.Egzoz, 11. Elek Akışkan yatak sürekli kurutucu gövdesi Akışkan yataklı sürekli kurutucu gövdesi, 2 mm lik siyah saçtan imal edilmiştir. Elek üzerinde akan tuzun elek altına geçenlerini gövdenin bir bölümünde toplayabilmek için eğimli olarak ve gövdede toplanan tuz zerreciklerinin (pudra) dönemler halinde temizlemek amacıyla, temizleme kapağı yapılmıştır. Pudranın temizlenmemesi halinde gövdede yüksek oranda korozyon meydana gelmektedir. Sistem yüksek sıcaklıklarda çalışacağından, gövdenin olumsuz etkilenmemesi için, gövde içerisine iki farklı noktadan çekme bağlantıları yapılmıştır. Ayrıca, gövde içerisi kurutma ve soğutma evreleri için perdelenerek bölünmüştür. Gövdenin 1/3 ü soğutma evresi için ayrılmıştır (Şekil 2). Akışkan yataklı sürekli kurutucu gövdesi, % 2 eğimle taşıyıcı sistem üzerine monte edilmiştir Elek Elek, krom-nikel alaşımı bir malzeme olup, bir dış alım ürünüdür. Uygulamada farklı elek yapıları ile karşılaşılmaktadır. Bu çalışma için seçilen elek tipi şeması Şekil 3. te görülmektedir. Bu yapı kurutma havasının dik çıkışını sağlamakta ve tuzu hafiften kaldırarak hava yastığı oluşturmaktadır. Eleğin gövde üzerine yerleştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Elek, akış yönüne dik olarak konulmaktadır. Bu durum, tuzun akışını yavaşlatmakta ve daha uzun süre kurutma havasına maruz kalmasını sağlamaktadır. Elek 20 x 66 cm boyutlarında hazırlanarak gövde üzerine yerleştirilmiştir. Kurutma davlumbazı, 1 mm lik siyah saçtan imal edilmiştir. Kurutma davlumbazı Şekil 3.2 de görüldüğü gibi tasarımlanmıştır. Bu tasarım, kurutma havasının daha uzun süre içeride kalmasını ve kurutma havasının etkin kullanımını sağlamak için yapılmıştır. Ayrıca, yapılan bu davlumbaz, tuz zerreciklerinin çökeltilmesini sağlayarak daha az tuz pudrasının egzoz edilmesine sebep olmaktadır. Şekil 2. de görüldüğü üzere, davlumbaza ürün girişi yapılmaktadır. Davlumbaza ürün girişinin yavaş ve elek üzerine yayılarak dökülmesini sağlamak için perdeleme yapılmıştır. Tuzun, kurutma davlumbazından soğutma davlumbazına geçişi için aralık bırakılmış olup, bu aralık ayarlanabilirdir Soğutma davlumbazı Soğutma davlumbazı, 1 mm lik siyah saçtan imal edilmiştir. Kuruyan tuzun yataktan dağılmadan alınabilmesi için boşaltma kanalı yapılmıştır Titreşim motoru Temin edilen bir elektrikli zımpara motorunun milinin her iki ucuna 10 mm kalınlığında 80 mm çapında alüminyum disk bağlanarak (ağırlık merkezi değiştirilerek) titreşim motoruna dönüştürülmüştür. Elektrik motoru JIAN, 220 V,50 Hz,120 W, 1,5 amps. özelliklerine sahiptir. Ayrıca motor devri ayarlanabilmektedir. Bu motor, Şekil 2 de görüldüğü gibi de kurutucuya monte edilmiştir Taşıyıcı yaylar Taşıyıcı yay olarak TOFAŞ Şahin marka otomobillerin motorlarında kullanılan supap yaylarından 4 adet kullanılmış ve Şekil 2 de görüldüğü gibi taşıyıcı sistem üzerinde konumlandırılmıştır Taşıyıcı sistem Taşıyıcı sistem, akışkan yatak kurutucuyu taşıyacak ve sistemin titreşimini olumsuz etkilemeyecek bir şekilde tasarlanarak imal edilmiştir Kurutma Havası Emiş Fanı Kurutma için ihtiyaç duyulan havanın sağlanması için uygun fan seçimi yapılarak sisteme monte edilmiştir. Fanın giriş ağız çapı 125 mm ve çıkış ağzı 90x100 mm dikdörtgen kesitlidir. Fana ait diğer özellikler; DEMSAN Havalandırma San. Tic. Ltd. Şti., 750 m 3 /h, 2483 dev/dak, 1770

89 Doğan, H.,ve Ersöz, M. A. 180 Watt, 0,8 A, 50 Hz, 130 C, 63 dba, 4 kg, V, 5/400 MF dir Isı Üreteci Isı üreteci, 1 mm lik siyah saçtan Şekil 4 te görüldüğü gibi imal edilmiştir. kurutucuda ihtiyaç duyulacak olan enerji miktarı hesaplanmalıdır. Hesaplanan bu enerjiyi, sistemin ısı kaynağı (ısı pompası, güneş enerjisi, elektrikli ısıtıcı, çeşitli yakıtların kullanıldığı kazanlar gibi.) sağlamalıdır. Akışkan yatak kurutucuda tuzun kurutulması için gerekli olan toplam enerji miktarı; Q = q 1 + q 2 + q 3 + q 4 + q 5 (4.1) olarak kurutucuda harcanan ya da kaybolan ısıların toplanması ile bulunur ve kaybolan ya da harcanan bu ısılara ait eşitlikler aşağıda sırası ile verilmiştir. Kurutucu yüzeylerinin ısıtılması için gerekli enerji; q 1 = m y c y T (4.2) Kurutma havasının ısıtılması için gerekli enerji; q 2 = V c p,h ρ T (4.3) Şekil 4. Isı üreteci Her bir rezistans gücü 410 W olan 25 adet boru tipi rezistans üretece bağlanmıştır. Boru tipi rezistanslar 3 adet 6 lı, 1 adet 7 li olmak üzere gruplandırılmıştır. Her bir 6 lı grubun gücü 2460 W, 7 li grubun gücü ise 2870 W tır. 6 lı gruplardan, 1. grup 1 no lu, 2. grup 2 no lu, 3. grup 3 no lu, 7 li grup 4 no lu anahtar tarafından kontrol edilmektedir. Anahtar grubunun her bir anahtarında 820 W, ancak 4. grup anhtarın 3. anahtarında 1230 W kontrol edilmektedir Sistem Kumanda Panosu Sistem kumanda panosunun Şekil 5. de görüldüğü üzere tasarımı yapılarak imalatı gerçekleştirilmiştir. Kumanda panosu üzerinde P ile gösterilen anahtar devir-daim (sirkülasyon) pompasını, V ile gösterilen anahtar titreşim (vibrasyon) motorunu ve F ile gösterilen anahtar emiş fanını kumanda etmektedir. Tuzun ısıtılması için gerekli enerji; q 3 = m t c p,t T (4.4) Tuzdaki nemin buharlaştırılması için gerekli enerji; q 4 =S a q 4 a (4.5) '' ' q 4 = [ ] a h (4.6) ss h s Eş. 4.5 de kg başına verilen ısı bulunarak Eş. 4.6 dan da gerekli olan enerji hesaplanabilir. Kurutucudan çevre havasına olan ısı kayıplarını karşılamak için gerekli enerji; q 5 = K A ( T T ) k 2 iç T d Z (4.7) = + + K α iy α dy d 1 d 2 d n λ 1 λ 2 λ n (4.8) ile bulunur Tam Kuru Ağırlığın Bulunması Şekil 5. Sistem kumanda paneli V. Titreşim (vibrasyon) motoru 1. Birinci grup anahtar 2. İkinci grup anahtar 3. Üçüncü grup anahtar 4. Dördüncü grup anahtar 1S. Birinci sigorta 2S. İkinci sigorta 3S. Üçüncü sigorta F. Fan PR. Priz 4. Teorik Çözümleme 4.1. Kurutma sistemi İçin Enerji Miktarının Hesaplanması Kurutma uygulamalarında sistem kapasitesi belirlenirken, Islak tuzun tam kuru ağırlığının bulunması; sıcaklığı kontrol edilebilen bir etüvde 103 ±2 C da, çevre basıncında 6 saat süre ile kurutulması sonunda meydana gelen kütle kaybına bağlı olarak nem içeriğinin belirlenmesidir. Etüv, elektrikle ısıtılan ve sıcaklığı kontrol edilebilen hava dolaşımına sahip, sıcaklığı 103 ±2 C da tutabilen bir cihaz olmalıdır. Desikatör ise; etkili bir nem çekici olup, örneğin Kalsiyum Klorür (CaCl) ihtiva eden ve tartım kaplarının soğumalarını kolaylaştıran bir metal veya porselen plakalardan olmalıdır. Her biri yaklaşık 50 g olan 4 deney numunesinde tuzun nem içeriği tespit edilir. Boş kuru madde kapları ve kapakları (M 0) 0,001 yaklaşımla tartılır. Tartım kabında 50 g kadar deney numunesi 0,001 g hassasiyetle tartılır. Numune kuru madde (M 1) kabının tabanı yüzeyine yayılır. Bu işlemler mümkün olduğu kadar 1771

90 Doğan, H.,ve Ersöz, M. A. çabuk gerçekleştirilir. Numuneler etüve yerleştirilerek kapağı kapatılır. Numuneler 6 saat süre ile kurumaya terk edilir. Bu sürenin sonunda etüvün kapağı açılır. Numuneler etüvden alınarak soğuması için çabucak desikatöre yerleştirilir. Desikatörde numuneler, dış ortam sıcaklığına kadar soğutulur. Numuneler kap ve içeriği ile birlikte 0,001 g yaklaşımla tartılır. Birbirini izleyen iki ağırlık ölçümü arasında kütle farkının her bir numune için % 1 den az olması halinde tam kuru ağırlığa ulaşılmış kabul edilir. Numunenin nem içeriği % de olarak, aşağıdaki eşitlikle hesaplanır: M M ( ) 1 2 Rutubet muhtevası (%)= M M 0 (4.9) Deney yapılan dört numuneden elde edilen değerlerin ortalaması alınır. Tuzdaki kuru esasa göre hesaplanan su oranı için; YA KA SO KA = KA Tuzdaki yaş esasa göre hesaplanan su oranı için; YA KA SO YA = YA eşitlikleri kullanılır [11]. 5. Deneylerin Yapılışı 5.1. Deney Materyallerinin Hazırlanışı (4.10) (4.11) Bu çalışmada kullanılan tuz, Koçhisar Tuz Gölü nden alınan göl tuzu olup, Ankara Cad. No:124 Şereflikoçhisar/Ankara adresinde bulunan Tekin Tuz Nak. Paz. San. Tic. Ltd. Şti. den temin edilmiştir. Deneylerde kurutmaya tabi tutulan tuz ham tuz olmayıp, belirtilen işletmede, belirli işlemlerden (ön işlemler, evaporasyon, öğütme, yıkama, santrifüj vb.) geçirilerek kurutma şartlarına getirilen tuzdur. Tuz, genelde farklı tane büyüklüklerinde olup, zerrecikler halinde de bulunmaktadır. Tuz, işletmeden 10 kg lık plastik bidonlarla silme doldurularak çevre havasının nemini almayacak şekilde kapatılarak deney setinin bulunduğu yere taşınmış ve deneyler yapılıncaya kadar bu bidonlarda muhafaza edilmiştir Tuzun Tam Kuru Ağırlığının Bulunması Tuz kurutma deneyleri yapılmadan önce bazı ön deneyler yapılarak tuzun tam kuru ağırlığı bulunmuştur. Tam kuru ağırlığı bulmak için tuz numuneleri, her birine 50 g ıslak tuz konulan 4 ayrı çay tabağı halinde hazırlanmıştır. Tuz konulmadan her bir çelik çay tabağının boş ağırlıkları tespit edilmiştir. Numuneler, 103 ±2 C de etüvde birinci aşamada 6 saat süre ile bekletilmiş, daha sonra desikatörde soğumaya bırakılmıştır. Soğuyan numuneler 0,001 g duyarlıklı dijital ölçüm cihazında tartılarak sonuçlar alınmıştır. İkinci aşamada numuneler, 6 saat etüvde bekletilmiş ve aynı yöntemle sonuçlar alınmıştır. Üçüncü aşamada da numuneler tekrar 6 saat etüvde bekletilmiş ve aynı yöntemle sonuçlar alınmıştır. Numunelere ait sonuçlar Çizelge 1. de verilmiştir. Tuz numunelerinin kuru baza göre nem miktarı Eş den hesaplanarak % 4,4 g su/g kuru madde olarak bulunmuştur. Çizelge 1. Tam kuru ağırlığın bulunması için hazırlanan numunelere ait kuruma değerleri Numuneler Dara (g) 57,8 57,8 57,7 57,8 Ürün Miktarı (g) 50,0 50,0 50,0 50,0 Toplam Miktar (g) 107,8 107,8 107,7 107,8 İlk 6 saat sonunda ürün miktarı 105,7 105,8 105,6 105,7 İkinci 6 saat sonunda ürün miktarı 105,7 105,7 105,6 105,6 Üçüncü 6 saat sonunda ürün 105,7 105,7 105,6 105,6 miktarı % (g su/g kuru madde) 4,3 4,3 4,3 4, Deney planı Yapılan deneylerin planı Çizelge 2 de verilmiştir. Deneyler Çizelge 2. Deney planı Boru tipi elektrikli ısıtıcı gücü (Watt) Sisteme hava giriş hızı (m/s) Titreşim frekansı 1. Deney Sabit Sabit 2. Deney Sabit Sabit 3. Deney Sabit Sabit Tuz kurutmalı bütün deneylerde akışkan yataklı sürekli kurutucuya tuz yüklemesi; sistem çalıştırılıp, kurutma havası sıcaklığı denge haline ulaştıktan sonra, yani; sistemin çalışmaya başlamasından 30 dakika sonra ve eşit miktarlarda yapılmıştır. Kuru ürün numuneleri, tuzun akışkan yatağa yüklenmesinden 90 dakika sonra kuru ürün toplama kabında biriken tuzdan, cam kavanozlara silme doldurulup, kavanoz kapakları kapatılarak alınmıştır. Her iki kurutucu modelinde de enerji kaynağı olarak, boru tipi elektrikli ısıtıcılardan yararlanılmıştır. Elektrikli ısıtıcı, 1. kademe 4920 W, 2. kademe 7380 W ve 3. kademe W olmak üzere üç kademede kullanılmıştır. Deneyler her bir ısıtıcı gücü için ayrı ayrı yapılmış ve tüm deneyler için kurutma süresi, sistemin çalışmaya başlangıcından sürecin tamamlanmasına kadar 120 dakika ile sınırlandırılmıştır. Akışkan yatak sürekli kurutucuda (AYSK) yapılan deneylerde sıcaklık ölçümlerinin yapıldığı noktalar Şekil 6 da görülmektedir. Yine tüm deneylerde kurutma havası hızı 4,5 m/s olup, kurutma süreçlerinde sabit tutulmuştur. Ayrıca kurutucunun titreşim frekansı tüm deneylerde sabittir. Bu nedenle; yapılan deneylerde kurutma sürecini etkilemeyeceği için titreşim frekansının ölçülmesine ihtiyaç duyulmamıştır Deneylerde Kullanılan Ölçme Cihazları Deneyler yapılırken kullanılan ölçme cihazları ve özellikleri Çizelge 3 de verilmiştir. 1772

91 Doğan, H.,ve Ersöz, M. A. Her bir kademedeki ısıtıcı gücü için kurutma havasına verilen enerji elde edilen deneysel verilere göre Eş.4.3 den hesaplanarak Şekil 8. de verilmiştir KADEME 2. KADEME 3. KADEME Kurutma havası sıcaklığı ( C) Kurutma zamanı (dakika) Şekil 7. AYSK da tuz kurutması yapılırken kurutma havası sıcaklığının zamana bağlı olarak değişimi KADEME 2. KADEME 3. KADEME 10 Şekil 6. Akışkan yataklı sürekli kurutma sistemi 1. Fan 2. Isı üreteci 3. Kontrol panosu 4. Silo 5. Akışkan yatak sürekli kurutucu Çizelge 3. Kullanılan ölçme cihazları ve özellikleri Ölçme Cihazları Hava hızı ve sıcaklık ölçüm cihazı Dijital tartı Sıcaklık ölçme cihazı 6. Sonuç ve değerlendirme Özellikleri Testo, sıcaklık -20,+70 C, hız 0-20 m/s, ölçüm hassasiyeti 0,01 m/s, 0,1 C, heated wire, NTC sensör. Metler Toledo, Excellence XS6002S model, en yüksek ölçülebilecek miktar 6100 g, ölçme hassasiyeti 0,001g. TFA, art. No: , ölçme aralığı (-20) (+200) C ve (- 40) (+392) F, ölçüm hassasiyeti 0,1 C, batarya 1,5 V. AYSK da her bir kademedeki ısıtıcı gücü için elde edilen kurutma havası sıcaklığının zamana bağlı değişimi Şekil 6.1 de görülmektedir. Tuz, her bir ısıtıcı gücünde ayrı ayrı kurutmaya tabi tutulmuştur. Akışkan yatak sürekli kurutucuda tuzdaki nemin buharlaştırılması için yararlanılan enerji Eş.4.3 den hesaplanmıştır. Kurutma zamanına bağlı olarak yararlanılan enerjinin değişimi Şekil 6.3 de görülmektedir. Şekil 7. de görüldüğü gibi her kademede sistemin çalışmaya başlamasından ilk 30 dakika kurutma havası sıcaklık değişimleri yüksek miktarlarda olmaktadır. Yükselme süresinden sonra sistem denge haline kavuşarak, kurutma havası sıcaklığı değişimi 1. kademede 93,2 C - 95,4 C aralığında artan bir değişim göstermektedir. 2. kademede bu değişim 123,6 C - 127,8 C aralığında, 3. kademde 169,2 C 172,6 C aralığında olmaktadır. Kurutma havasına verilen enerji (kj/s) Kurutma zamanı (dakika) Şekil 8. AYSK da tuz kurutması yapılırken kurutma havasına verilen enerjinin zamana bağlı olarak değişimi Yararlanılan enerji (kj/s) 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 1. KADEME 2. KADEME 3.KADEME Kurutma zamanı (dakika) Şekil 9. AYSK da tuz kurutması yapılırken yararlanılan enerjinin zamana bağlı olarak değişimi Şekil 9 da görüldüğü üzere kurutmanın başlangıcında ilk 30 dakikada yüksek oranda enerji kullanımı gerçekleşmiştir. Daha sonra kullanılan enerji miktarı, zamana bağlı olarak azalmakta ve daha sonra denge haline ulaşmaktadır. Kurutma işleminin başlangıcında kullanılan enerjinin önemli bir miktarı akışkan yatağın ısıtılmasında harcandığından enerji kullanımı yüksek oranda olmaktadır. Kurutma sistemi sürekli bir sistem olup, akışkan yatağa sürekli nemli tuz girişi sağlanmaktadır. Bu nedenle yararlanılan enerji bir süre sonra küçük değişim miktarları ile denge haline ulaşmaktadır. 1773

92 Doğan, H.,ve Ersöz, M. A. AYSK da her bir kademede yapılan deneylerle 90 dakika sonunda kuru ürün toplama kabında toplanan kurutulmuş tuzdan numuneler alınıp, etüvde 50 şer gram tuz tam kurutmaya tabi tutularak nem içeriği değerleri bulunmuştur. Birinci kademede yapılan deneyde kuru olarak alınan numunenin nem içeriği % 3,3, ikinci kademede yapılan deneyde kuru olarak alınan numunenin nem içeriği % 2,4 üçüncü kademede yapılan deneyde kuru olarak alınan numunenin nem içeriği % 0,9 olarak tespit edilmiştir. Daha önce belirtildiği üzere kurutulacak tuzun nem içeriği (kuru bazda) % 4,4 tür. Benzer bir kurutucuda kurutma konusu üzerine çalışmak isteyenler; Aynı kurutucuda farklı ürünleri de kurutma işlemine tabi tutabilirler. Kurutma havasının giriş neminin, yatak malzemesinin miktarının nasıl bir etki gösterdiğini de inceleyebilirler. Aynı sistemde kurutmanın aksine bir nemlendirme sürecine ilişkin araştırmalar yapabilirler. Kurutma havasının ısıtılması için elektrik enerjisine kıyasla güneş enerjisi veya katı yakıt yanma enerjisi kullanılırsa maliyet açısından ve sürece uygunluk açısından nasıl sonuçlar elde edileceğini araştırabilirler. Kurutma sisteminden egzoz edilen havanın kazanılması için değişik atık enerji kazanım sistemleri tasarımlanarak sistem verimindeki artışın ne kadar olabileceğini inceleyebilirler. [9] Güngör, A., Özbalta, N., Endüstriyel kurutma sistemleri, III. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi Bildiriler Kitabı, İzmir, 2: , (1997). [10] Kanarya, A., Akışkan yataklı kurutma prosesinin matematiksel modellemesi Yüksek Lisans Tezi, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Kocaeli, 2-66, (2002). [11] Ceylan, İ., "Programlanabilir (PLC) Isı Pompalı Kurutucunun Tasarımı, İmalatı ve Kereste Kurutma İşleminde Deneysel İncelenmesi", Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 13-33, (2007) Kaynaklar [1] Yalçın, E., Ertem, M. E., Deniz tuzlalarının Türkiye tuz potansiyelindeki yeri, 2. Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu, İzmir, , (1997). [2] Ersoy, A., Yünsel, T. Y., Çözelti madenciliği ile tuz üretimi, 4. Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu, İzmir, , (2001). [3] İnternet: Tarım ve Köyişleri Bakanlığı Türk gıda kodeksi sofra ve gıda sanayi tuz tebliği., html. T.C., Resmi Gazete, 25699, ( ). [4] Parlak, H., Özkan, S. M., Ertem, H. İ., Sekizinci beş yıllık kalkınma planı, Madencilik ÖİK Raporu Endüstriyel Hammaddeler Alt Komisyonu Kimya Sanayii Hammaddeleri,(Bor Tuzları - Trona - Kaya Tuzu - Sodyum Sülfat - Stronsiyum) Çalışma Grubu Raporu, Ankara, 2: , (2001). [5] Van Ballegooijen, W.G.E., Van Loon, A.M., Zanden, V.D., Modeling diffusion-limited drying behaviour in a batch fludized bed dryer, Drying Technology, 15 (3,4): , (1997). [6] Topuz, A., Akışkan yatakta fındık kurutma prosesinde ısı ve kütle geçişinin incelenmesi, Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 1-93, (2002). [7] Yüzgeç, U., Kurutma sürecinin modellenmesi ve akıllı öngörülü denetimi, Doktora Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli, 1-35, (2005). [8] Bayrock, D., Ingledew, W.M., Mechanism of viability loss during fluidized bed drying of baker s yeast, in: Food Research International, 30 (6): , (1997a). 1774

93 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye TERMOELEKTRİK SOĞUTUCU TASARIMINDA TERMOEKONOMİK OPTİMİZASYON THERMOECONOMIC OPTIMIZATION IN THE DESIGN OF THERMOELECTRIC COOLER Kemal ATİK a, * a, * Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük Universitesi, Karabük, Türkiye E-posta: Özet Bu çalışmada Termoelektrik (TE) soğutucu tasarımının enerji ve ekonomik yönden analizi yapılmıştır. Bu amaçla tasarlanan sistem eşit sıcaklık farkı altında eşit soğutma gücünü sağlamaktadır. 7 farklı tipte TE modül kullanılan çalışmada modül sayıları dolayısıyla modüllerin çalışma şartları değiştirilmiş; ayrıca elektrik enerjisi fiyatının değişimi de düşünülmüştür. Bütün çalışma durumlarında birim soğutma gücü için yatırım, enerji ve toplam maliyet değerleri hesaplanılarak karşılaştırılmıştır. Termoekonomik olarak en uygun (optimum) çalışma şartı her modül tipi ile değişmekle beraber, maksimum gücün elde edildiği maksimum akım değeri ile optimum akım değerleri arasında bir değere denk gelmektedir. Termodinamik optimum nokta ile termoekonomik optimum noktanın farklı olduğu görülmektedir. Anahtar kelimeler: Maliyet, Termoekonomik, Optimizasyon, Termoelektrik, Soğutma. Abstract This study presents the energy and economic analysis of Thermoelectric (TE) cooler design. The system designed for this purpose provides equal cooling power under equal temperature difference. In the study, seven different types of TE modules were used, operating conditions of the modules were changed due to module numbers. In addition, the variation in the cost of electric power was taken into account. In all cases, investment, energy and total cost values per unit cooling power were estimated and compared. While the most appropriate (optimum) operating condition in thermoeconomic terms varies for each module type, it corresponds to a value between maximum current value, where maximum power is generated, and optimum current values. It is seen that thermodynamic optimum point and thermoeconomic optimum point differ from each other. Keywords: Cost; Thermoeconomic; Optimization; Thermoelectric; Cooling. 1. Giriş Dünyanın enerji kaynaklarının sınırlı olması bilim adamlarını enerji dönüşüm araçlarını yeniden değerlendirmeye ve varolan sınırlı enerji kaynaklarından daha çok yararlanabilmek için yeni yöntemler geliştirmeye yönlendirmiştir. Isıtma, soğutma ve enerji üretim sitemlerinde de enerjinin verimli kullanılması önemlidir. Bu alanda termodinamik analizin yanında ekonomik analizinde yapılması gerekmektedir. Bu konuda yapılan çalışmalar birim enerji maliyetini düşürmeye yöneliktir ve bunlardan bazıları şu şekildedir. Hepbaşlı ve Utlu [1], konut ve ticaret sektöründe enerji kullanımının termoekonomik analizini yapmışlardır. Ekserji ve termoekonomik analizin çok önemli olduğu, Türkiye de enerji kullanımında iyileştirmeler yapılma potansiyeli olduğu ve yüksek kaliteli enerji kaynaklarının daha dikkatli kullanılması gerektiğini vurgulamışlardır. Kanoğlu ve Abuşoğlu [2, 3], iki bölümden oluşan çalışmalarında dizel motorlu kojenerasyon sisteminde ekserji ve termoekonomik analiz yapmışlar. Çalışmalarının 1.bölümünde çalışmada böyle bir sistemde enerji, ekserji ve maliyetle ilgili eşitlikleri ortaya koymuşlardır. Bu çalışmanın 2. bölümünde ise belirli bir elektrik gücü ve buhar kapasitesi için hesaplamalar yapmışlardır. Sistemin bütün bileşenleri için ekserji kayıplarını, maliyet değerlerini hesaplamışlardır. Franzoni ve diğerleri [4], 3 farklı şekildeki çevrimin birim elektrik maliyetinin optimizasyonunu yapmışlardır. Söylemez [5], kanatçıklı boru ile atık ısı geri kazanım sisteminde optimum boru boyunu hesaplamıştır. Bakan ve ark. [6], soğuk termal depolamanın ekserjo-ekonomik analizini yapmışlardır. Zamana göre sıcaklıklar, soğutma güçleri, enerji ve ekserjileri hesaplamışlardır. Huangfu ve ark. [7], kombine ısıtma-soğutma sisteminin geliştirilmesi ve analizini yapmışlardır. Ekonomiklik analizi yaparak doğalgaz fiyatına göre sistemin geri ödeme süresi hesaplanmış. Wang ve ark. [8], atık ısıdan güce dönüşümün ekonomik fizibilitesi yapmışlardır. Gaz türbin ve absorbsiyonlu soğutma sisteminden oluşan tesisin bilgisayar modellemesi yaparak yapım fiyatları, yakıt fiyatları ve elektrik fiyatlarıyla edilen kar grafikleri çizilmiş. Egzost NO x emisyonu ve ekserji kayıplarında azalmalar elde etmiş. Hepbasli ve ark [9], ev tipi buzdolabında ortam sıcaklığını 0-20 C arası değiştirerek enerji, ekserji kaybı ve ekonomik analiz yapmış, elemanların tersinmezliğe olan etkilerini belirlenmiş, ortam sıcaklığı ile ekserji kayıpları arasındaki ilişkiyi çıkartılmıştır. Mansour ve ark. [10], kanatçıklı evaporatörlü otobüs tavan klimasının termoekonomik optimizasyonu yapmışlardır. Shuja ve ark. [11], elektronik sistemlerde kullanılan kanatçıklı ısı atıcının termoekonomik optimizasyonu yapmışlardır. Nu ve Re sayılarına bağlı olarak maliyet i grafikte göstermiş, maliyetin farklı bakımlardan hassasiyetini incelemişlerdir. Selbaş ve ark. [12], aşırı soğutma ve aşırı ısıtma yapılan bir soğutma çevriminde Termoekonomik optimizasyon yapmışlardır. Termodinamik özelliklerin ANN ile hesaplandığı üç farklı soğutucu akışkan için optimum ısı eşanşör alanı hesaplanmıştır. Temir ve Bilge [13], kombine bir sistemin ekserji analizi ve termoekonomik incelemesini yapmışlardır. Her birim için ekserji kayıpları, yatırım ve işletme maliyetleri ile ekserjoekonomik verimlerini hesaplamışlardır. Dingeç ve İleri [14], basit IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1775

94 Atik, K. soğutucunun Termoekonomik optimizasyonunu yapmışlar. Evaporatör ve kondenser yüzey alanları, kompresör etkinliğini seçerek ekserji tersinmezliklerini hesaplamışlardır. Sonuçta soğutma yükü ve operasyon sıcaklıklarına göre termoekonomik optimum soğutma sistemini seçmişlerdir. Çetin [15], kompresör basınç oranı, gaz türbin giriş sıcaklığı, türbin ve kompresör izentropik verimleri, değişken parametre olarak alınarak, kombine güç sistemindeki gaz türbin dizayn parametrelerinin birim elektrik enerjisi üretim maliyetine etkisi, yüksek güç ve yüksek verim elde edilen noktaların bulunması için tavsiyeler yapılmış. Termodinamik ve termoekonomik verimlerin yüksek olduğu noktalar karşılaştırılmış. TE soğutmada performans analizi ve optimizasyon konusunda da birçok çalışma yapılmıştır [16, 17, 18]. Bu çalışmada TE modül ile soğutmanın termoekonomik analizi yapılmıştır. Özellikleri üretici firmadan alınmış 7 farklı TE modül tipi için, eşit soğutma yükünün farklı modül sayılarında sağlandığı alternatifler için birim soğutma maliyeti hesaplamaları yapılmıştır. 2. Termoelektrik Modüller Termoelektrik modüller elektrik enerjisi kullanarak ısıyı düşük sıcaklıktan yüksek sıcaklığa pompalarlar. Termoelektrik soğutmanın avantajları; hareketli parçalarının olmaması, titreşim ve ses yapmamaları, aynı modülle hem ısıtma hem soğutma yapabilmeleri, çevreye zararsız olmaları, kontrol edebilme kolaylığı vb. dir. En önemli sakıncaları ise verimlerinin düşük olması ve pahalı olmalarıdır. Askeri ve uzay çalışmalarında, fieber optik ve laser uygulamalarında, bilgisayarlarda, laboratuar ve bilimsel deneylerde, düşük güçlü ticari soğutma uygulamalarında ve tıp alanlarında kullanılmaktadırlar [19]. Bir termoelektrik modülün yapısı ve karakteristik değerleri Şekil 1. de gösterilmiştir. Uçlarına uygulanan doğru akımın etkisinde soğuk kaynaktan sıcak kaynağa doğru ısı akışı oluşturmaktadırlar. eşitliğiyle bulunur. Burada α: Seebeck katsayısı, T c soğuk yüzey sıcaklığı, T: yüzeyler arası sıcaklık farkı, ρ: Isıl direnç, G: şekil faktörü, I devreden geçen akımdır. TE modülde harcanan elektrik enerjisi: P = IU (2) Eşitliğiyle bulunur. Burada U; devredeki gerilimdir. Soğutma etkinlik katsayısı (STK): Q c STK = (3) P eşitliğiyle bulunur. 3. Ekonomik Analiz Termoekonomik analiz ısıl sistemlerin termodinamik ve ekonomik açıdan analiz edilmesidir. Üretim maliyetinin minimize edilmesi amacıyla kullanılır. Toplam maliyet; yatırım ve işletme maliyeti olmak üzere iki bileşenden oluşmaktadır. C t = C inv + C op (4) Burada C inv sermaye maliyeti, C op işletme maliyetidir. Birim soğutma maliyetindeki sermaye maliyeti hesaplayabilmek için, toplam yatırım maliyetinin yıllık sermaye maliyetine dönüştürülmesi gerekir. Bu çalışmada sabit yıllık sermaye maliyeti metodu kullanılmıştır. CRF C Cinv = (5) Q 8760 c Burada C sistem kurulum maliyeti,, Q c soğutma gücü ve (CRF) sermaye geri ödeme faktörüdür. CRF Eşitlik 6 kullanılarak hesaplanır; n i(1 + i) CRF = n (1 + i) 1 (6) Burada i yıllık faiz, n sistemin çalışma süresidir. Elektrik enerjisi maliyeti birim soğutma gücü için harcanan elektrik enerjisi fiyatıdır ve şöyle hesaplanır: Şekil 1. Bir termoelektrik modülün yapısı. Termoelektrik modüller; İki farklı metalden oluşan, birleşme noktaları farklı sıcaklıklarda bulunan kapalı bir devreden oluşmaktadırlar. TE modüllerin yüzeyleri arasında geçerli olan etkiler Seebeck etkisi, Peltier etkisi, Thomson Etkisi, Jeul etkisi ve Feuer etkisidir [20]. Bütün bu etkiler bir arada yazılırsa; N adet çiftten oluşan bir TE modülde soğuk yüzeyden emilen ısı miktarı [21] : 2 ( αit I ρ/2g k TG ) Q c = 2N c + (1) C C P el inp op = = Q c Cel COP Burada C el birim elektrik fiyatı, P inp harcanan güç, Q c soğutma gücüdür. 4. Yapılan Uygulama Bu çalışmada TE soğutma sisteminin 40 C sıcaklık farkında çalışması ve 100 W soğutma yapması düşünülmüştür. Hesaplamalarda kullanılan 7 tip TE modülün özellikleri ilgili firma kataloglarından alınarak Çizelge 1 de verilmiştir [21]. Burada A ve B TE modülün ölçüleridir. Her bir TE modül tipi önce maksimum akım yani (7) 1776

95 Atik, K. maksimum güçte çalıştırılması durumuna göre modül sayısı belirlenmiştir. Daha sonra modül sayısı sırayla birer arttırılarak modül başına düşen akım ve güç değeri azaltılarak, yine 100 W soğutma gücü sağlanmaktadır. Bu işlem her modül tipi için yapılmıştır. İlk yatırım maliyeti hesaplamasında sistem ömrü 15 yıl, yıllık faiz oranı 0.10 olarak alınmıştır. Modül fiyatları tiple çok fazla değişmediği için sabit kabul edilmiş, bileşenleriyle beraber modül fiyatı 50 $, sistem kurulumu ve diğer elemanlar 30 $ olarak alınmıştır. Çizelge 1. Kullanılan TE modüllerin Özellikleri Tip Q max I max V max N A B G (W) (A) (V) adet mm mm cm a b c d e f g Sonuç Farklı TE modüllerin farklı şartlarda çalışması durumları için elektrik enerjisi, satınalma ve toplam maliyetler hesaplanmıştır. Harcanan elektriksel güç (Eş. 2) yardımıyla, soğutma güçleri (Eş. 1) satınalma maliyetleri (Eş. 5 ve Eş.6) ve enerji maliyetleri (Eş. 7) yardımıyla hesaplanmıştır. Şekil 2. de modül sayısı ile COP un değişimi gösterilmiştir. COP değerleri modül sayısı ile önce artmakta, maksimum noktadan sonra düşmektedir. En büyük COP değeri ile a tipi TE modülün 9 adet kullanımında elde edilmiştir. 0,9 0,8 C e $/kwh 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 a b c d e f g 0, Modül Sayısı (n) Şekil 3. Elektrik enerjisi maliyetinin modül sayısı ve tipiyle değişimi. Satın alma maliyetinin modül sayısıyla değişimi Şekil 4 de gösterilmiştir. Bütün modül tipleri için doğrusal olarak değişmektedir. C c $/kwh 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0, Modül Sayısı (n) Şekil 4. Satın alma maliyetinin modül sayısıyla değişimi. Toplam maliyetin modül sayısı ve tipiyle değişimi Şekil 5. de gösterilmiştir. Toplam maliyet değeri en küçük değeri ise $/kwh ile 2 adet g tipi modülün kullanılması durumuna karşılık gelmektedir. COP 0,7 0,6 a b 0,5 c 0,4 d e 0,3 f g 0, Modül Sayısı (n) C t [$/kwh] 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 a b c d e f g Şekil 2. Farklı modüller için modül sayısına bağlı olarak COP un değişimi. Şekil 3. de modül sayısı ve tipi ile birim soğutmadaki enerji maliyeti bileşeni gösterilmiştir. Bu değerlerin COP ile ters orantılı olduğu görülmektedir. Buna bağlı olarak en düşük enerji maliyeti de COP un maksimum olduğu değere karşılık gelen noktada $/kwh olarak elde edilmiştir. 0, Modül Sayısı (n) Şekil $/kwh elektrik fiyatı için birim soğutma maliyetlerinin değişimleri. Toplam maliyetin elektrik fiyatına ve modül tipine göre değişimi Şekil 6. de gösterilmiştir. Burada elektrik fiyatları 0.20 $, 0.30 $ ve 0.40 $ olması durumları için hesaplamalar yapılmıştır. Burada elektrik fiyatının birim soğutma maliyetine etkisinin önemi görülmektedir. 1777

96 Atik, K. C t [$/kwh] 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 g 0,25 0,2 0,3 0,4 $/kwh Şekil 6. En küçük soğutma maliyetinin elektrik fiyatıyla değişimi 6. Tartışma Bu çalışmada TE soğutucu tasarımının enerji ve ekonomik yönden analizi yapılmıştır. Bu amaçla tasarlanan sistemler eşit sıcaklık farkı altında eşit soğutma gücünü sağlamaktadır. 7 farklı tipte TE modülün için yapılan hesaplamalarda, çalışma şartları, dolayısıyla modül sayıları değiştirilerek hesaplamalar yapılmıştır. Her bir durum için birim soğutma maliyeti; yatırım ve enerji maliyet değerleri toplanarak bulunmuştur. En uygun (optimum) çalışma şartı her modül tipi ile değişmekle beraber, maksimum akım değeri ile optimum akım değerleri arasında bir değere karşılık gelmektedir. COP un en yüksek olduğu sistem olan a tipi modülün 9 adet kullanılması durumunda birim soğutma maliyeti $/kwh dir. Birim soğutma maliyetinin en düşük olduğu sistem ise g tipi modülün 2 adet kullanılmasında $/kwh olmaktadır. Bu maliyet değeri termodinamik açıdan en verimli sistemden yaklaşık %20 daha ucuzdur. Isıl sistemlerde termodinamik analizlerin yapılmasının yanında ekonomiklik analizinin de yapılması gereklidir. Termodinamik açıdan verimli olan bir çalışma noktası ekonomik olarak iyi olmayabileceği görülmektedir. Semboller A, B TE modül boyutları C Maliyet ($kw -1 h -1 ) STK CRF G i I Soğutma tesir katsayısı Sermaye geri ödeme faktörü TE elemanı için alan/uzunluk (m) Yıllık faiz Akım (A) k Isıl iletkenlik (Wm -1 K -1 ) n N P Q T TE Sistemin ömrü Çift sayısı Güç (W) Isı (W) Sıcaklık (K, C) Termoelektrik a a b c d e f U Gerilim (V) α Seebeck katsayısı (VK -1 ) ρ Alt indisler c el h inp inv max op t Elektriki direnç (Ωm) Soğuk Elektrik Sıcak Giriş Kaynaklar Yatırım Maksimum Operasyon Toplam [1] Utlu, Z., Hepbasli, A., Thermoeconomic analysis of energy utilization in the residential commercial sector: An application, Building and Environment, vol , [2] Abusoglu, A., Kanoglu, M., Exergetic and thermoeconomic analyses of diesel engine powered cogeneration: Part 1 Formulations,, Applied Thermal Engineering Vol. 29 (2-3), , [3] Abusoglu, A., Kanoglu, M., Exergetic and thermoeconomic analyses of diesel engine powered cogeneration: Part 2 Application, Applied Thermal Engineering Vol. 29 (2-3), , [4] Franzoni, A., Magistri, Traverso, L. A., Massardo, A.F., Thermoeconomic analysis of pressurized hybrid SOFC systems with CO2 separation, Energy, vol 33, , [5] Söylemez, M.S., Optimum length of finned pipe for waste heat recovery Energy Conversion and Management, vol 49, , [6] Bakan, K. Dincer, I. and Rosen, M. A, Exergoeconomic analysis of glycol cold thermal energy storage systems, Int. J. Energy Res., Vol. 32, , [7] Huangfu,Y., Wu, J.Y., Wang, R.Z. Kong, X.Q. and Wei, B.H., Evaluation and analysis of novel micro-scale combined cooling, heating and power (MCCHP) system, Energy Conversion and Management, Vol. 48 (5), , [8] Wang, F.J., Chiou, J.S., Wu, P.C. Economic feasibility of waste heat to power conversion, Applied Energy, vol 84, , [9] Hepbasli, A., Thermoeconomic analysis of household refrigerators, Int. J. Energy Res. Vol 31, , [10] Mansour, M. K., Musa, Md Nor and Hassan, Mat Nawi Wan, Thermoeconomic optimization for a finned-tube evaporator configuration of a roof-top bus airconditioning system, Int. J. Energy Res., vol 221, , [11] Shuja, S. Z., Zubair, S. M. and Shazli, S. Z., Optimization of a finned heat sink array based on thermoeconomic analysis, Int. J. Energy Res., vol 31, ,

97 Atik, K. [12] Selbaş, R. Kızılkan, Ö., Şencan, A., Thermoeconomic optimization of subcooled and superheated vapor compression refrigeration cycle, Energy, vol 31, , [13] Temir, G., Bilge, D., Thermoeconomic analysis of a trigeneration system, Applied Thermal Engineering, Vol. 24 (17-18), , [14] Dıngec, H. And Ilerı, A., Thermoeconomıc Optımızatıon Of Sımple Refrıgerators, Internatıonal Journal Of Energy Research Int. J. Energy Res., vol 23, , [15] Çetin, B., The Effect Of Gas Turbıne Desıgn Parameters On Cost Of Electrıcıty For Combıned Cycle Systems, Journal Of Engineering And Natural Sciences Sigma, vol 3, [16] Cheng, Y.H., Shih, C.,Maximizing the cooling capacity and COP of two-stage thermoelectric coolers through genetic algorithm, Applied Thermal Engineering, Vol 26,(8-9), , [17] Chen, L., Li, J., Sun, F., Wu, C., Performance Optimization of a Two-Stage Semiconductor Thermoelectric- Generator, Applied Energy, vol 82, , [18] Pan, Y., Lin, B. and Chen, J., Performance analysis and parametric optimal design of an irreversible multicouple thermoelectric refrigerator under various operating conditions Applied Energy, Vol. 84 (9), , [19] Boztepe, M., Güneş Pilleri İle Çalışan Peltier Elemanlı Bir Soğutucu Sistemin Geliştirilmesi, Y.Lisans Tezi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir,1995. [20] Riffat, S.B., Qiu, G., Comperative İnvestigation of Thermoelectric Air-Conditioners Versus Vapour Compression and Absorption Air-Conditioners, Applied Thermal Engineering vol 24, , [21] Melcor web sitesi 1779

98 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye VAKUM KORUMALI SICAK PLAKA CİHAZI İMALATI VE ÇALIŞMA ÖZELLİKLERİNİN DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ MANUFACTURE OF VACUUM GUARDED HOT PLATE APPARATUS AND EXPERIMENTAL INVESTIGATE OF WORKING CHARACTERISTICS Emrah DENİZ a, * Abdulcelil BUĞUTEKİN b, Ahmet Korhan BİNARK c a, * Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye, E-posta: b Adıyaman Üniversitesi, M.Y.O., Adıyaman, Türkiye, E-posta: c Marmara Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, İstanbul, Türkiye, E-posta: Özet Vakum ortamı, ısı iletiminin en az olduğu ortam olarak bilinmektedir. Benzer bir yaklaşımla, yalıtım özelliğine sahip malzemelerin bünyelerinde bulunan havanın vakumlanarak kullanılabilmesi halinde bu malzemelerin ısı iletim katsayılarında önemli ölçüde düşüş sağlanabilecektir. Bu yapıya sahip malzemelere vakumlu yalıtım panelleri (VYP) adı verilmektedir. Bu çalışmada, literatürde VYP i konulu çalışmalardaki ısı iletim katsayısı ölçümlerinde ve ASTM C standardında özellikle korumalı sıcak plaka cihazının kullanılması ve referans ölçüm metodu olarak gösterilmesinden dolayı ASTM C ve ISO 8302 standartlarına göre çift numunenin ısı iletim katsayısını ölçebilecek yapıya sahip bir vakum korumalı sıcak plaka cihazı (VGHP) tasarlanmış ve imal edilmiştir. İmalatı tamamlanan ölçüm cihazı literatürde yapılan benzer çalışmalarda kullanılan yalıtım malzemeleri kullanılarak denenmiştir. Hazırlanan ölçüm sistemi vakum ortamında denenme fırsatı bulunamamış malzemelerin ısı iletim katsayılarının ölçümlerinde kullanılabilme özelliğine sahiptir. Deneyler sırasında, özellikle cam yünü üzerinde durularak farklı vakum seviyelerinde ısı iletim katsayısı değerleri belirlenmiş ve grafikler halinde verilmiştir. conditions. Especially the glass wool is tested under various vacuum levels in the experiments and the heat transfer coefficients were presented as graphs. Keywords: Vacuum Insulation Panel, Thermal Conductivity, Measurement Apparatus. 1. Giriş Genel olarak, günümüzde kullanılan geleneksel yalıtım malzemelerinde yalıtımı sağlayan havadır. Dolayısıyla, yalıtım malzemesinin performansı, havanın ısı iletim katsayısı olan 25 mw/mk değeri ile sınırlıdır [1]. Yalıtım malzemelerinde daha düşük seviyelerde ısı iletim katsayılarına ulaşılması, malzeme bünyesinde yer alan gözeneklerdeki gazın boşaltılması ile mümkün olabilmektedir. Bu yöntemle üretilen malzemelere VYP adı verilmektedir. VYP ler geleneksel yalıtım malzemelerinden yaklaşık on kat daha düşük ısı iletim katsayısı değerine sahip olabildikleri için cazip bir araştırma alanı haline gelmiştir. Şekil 1 de geleneksel bir yalıtım malzemesi ve VYP görülmektedir. Son yıllarda VYP ler üzerine yapılan çalışmalarda iç dolgu malzemeleri ön plana çıkmaktadır. Anahtar Kelimeler: Vakumlu Yalıtım Paneli, Isı İletim Katsayısı, Ölçüm Cihazı. Abstract Vacuum environment is known as the environment with the lowest heat transfer rate. With a similar approach, heat transfer rate of the materials with insulation properties can be significantly lowered by evacuating the air inside these materials. The materials having such a structure are known as Vacuum Insulation Panels (VIP). Because the Vacuum Guarded Hot Plate (VGHP) Apparatus is used and referenced in the literature and the ASTM C Standard as the measurement method for the measurements of the heat transfer coefficient of VIPs, a VGHP apparatus which can measure the heat transfer coefficient of dual sample according to the ASTM C and ISO 8302 Standards was designed and produced in this study. This apparatus was tested with the insulation materials that have already been tested in the literature. This apparatus provides the opportunity to measure the heat transfer coefficients of the materials under vacuum which haven't been tested under vacuum Şekil 1. Geleneksel Bir Yalıtım Malzemesi ve Vakumlu Yalıtım Paneli [2]. VYP iç dolgu malzemeleri konusunda çalışmalar yapılabilmesinin ön şartlarından birisi ve en önemlisi kullanılan malzemelerin hem atmosferik şartlarda hem de farklı seviyelerdeki vakum şartlarında ısı iletim katsayılarının belirlenebilmesidir. Bu ön şartın yerine getirilebilmesi amacıyla standardlarda belirtilen kurallar ve çeşitli çalışma grupları tarafından imal edilmiş cihazlar örnek alınarak bir VGHP cihazı tasarlanarak imal edilmiştir. İmal edilen cihazın literatürde benzer amaçlarla kullanılan cihazlar ile test edilen malzemeler tekrar test edilerek güvenilir sonuçlar elde edileceği gösterilmiştir. 2. Genel IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1780

99 Deniz, E., Buğutekin, A. ve Binark, A. K. Literatürde VYP lerin ısı iletim katsayılarının belirlenmesine yönelik çeşitli yapı ve özelliklerde cihazlar geliştirilmiştir. Zweig ve arkadaşlarının çalışmasında VYP lerin ısı iletim katsayılarını ölçebilmek amacıyla Şekil 2 de gösterilen vakum korumalı ısı iletim katsayısı ölçüm cihazı geliştirilmiştir. Bu cihaz 10 K ile 300 K sıcaklık aralığı ve 10-2 ile 10-8 torr vakum aralığında ölçüm yapabilme kapasitesine sahiptir ve çeşitli yalıtım malzemeleri kullanılarak kalibre edilmiştir [3]. 280 mm çapında malzemelerin ısı iletim katsayılarını belirlemek amacıyla kullanılabilmektedir [4]. Kanada Ulusal Araştırma Kurulu nun (NRC) Yapı Araştırma Enstitüsü (IRC), açık gözenekli yalıtım malzemelerinin 1 Pa'dan Pa'ya kadar farklı basınç seviyelerindeki ısı iletim karakteristiğini incelemek üzere, bir VGHP cihazı geliştirmiştir. Geliştirilen cihaz Şekil 3 de gösterilmiştir. 1. Sıcak Plaka 2. Soğuk Plaka 3. Isı Ölçer 4. Kenar Destek Sütunu 5. Işınım Muhafazası 6. Montaj Destek Sütunu 7. Dış Koruma 8. Vakum Hacmi 9. Hidrolik Silindir 10. Soğutma Kafası Şekil 2. Zweig ve Arkadaşlarının Geliştirdiği Vakumlu Isı İletim Katsayısı Ölçüm Cihazı [3]. Şekil 3 deki VGHP kullanılarak, geleneksel mineral oksit fiber plakalar ve yüksek yoğunluklu fiber plakaları, kolay temin edilebilen geleneksel yalıtım malzemelerini ve VIP üretim maliyetlerini gözle görülür ölçüde düşürebilecek ucuz dolgu malzemeleri kullanılarak geliştirilen yalıtım malzemelerinin ısı iletim katsayıları ölçülmüştür [2]. Şekil 3. NRC-IRC nın VGHP Cihazı [2] Heineman VYP lerin ısı iletim katsayılarını belirlemek amacıyla Şekil 4 te gösterilen VGHP cihazını kullanmıştır. Bu cihaz -200 ile 400 C sıcaklık aralığında, 1000 mbar-10-5 mbar basınç aralığı ve 1 mm ile 28 mm kalınlıklarında 1. Vakum Ortamı 5. Yalıtım 8. Seramik Destekler Numuneleri 2. Isıtıcı Plaka 6. Isı Yutucular 9. Sabitleme Çubuğu 3 ve 4. Soğutucu Plaka 7. Yalıtım 10. Kalınlık Ölçüm Sensörü Şekil 4. Heineman ın Kullandığı VGHP Cihazı [4]. 3. Hazırlanan Deney Cihazı Yapılan çalışmada, VYP lerin ısı iletim katsayılarını ölçebilmek amacıyla, VGHP cihazı tasarlanarak imal edilmiştir. İmalatı yapılan cihaz literatürde benzer amaçlar ile hazırlanarak test edilmiş cihazlarla aynı şartlarda denenmiş ve bu cihazlarla uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Yapılan çalışmada, literatürde VYP konulu çalışmalarda ısı iletim katsayısı ölçümlerinde ve ASTM C standardında özellikle korumalı sıcak plaka cihazının kullanılması ve referans ölçüm metodu olarak gösterilmesinden dolayı ASTM C ve ISO 8302 standardlarına göre çift numunenin ısı iletim katsayısını ölçebilecek yapıya sahip bir ısı iletim katsayısı ölçüm cihazı tasarlanmış ve imal edilmiştir [5-7]. Hazırlanan VGHP cihazı Şekil 5 de gösterilmiştir. İmalatı tamamlanan ısı iletim katsayısı ölçüm cihazı 200 mm x 200 mm boyutlarında 1 mm-50 mm kalınlığındaki malzemelerin ısı iletim katsayılarını ölçebilecek yapıya sahiptir. Sistem çift numune esasına göre çalışmaktadır. Sistemin çalışması esnasında numunelerin kalınlıkları, ısıtıcı levhanın gücü, ısıtıcı ve soğutucu levhaların yüzey sıcaklıkları, ısıtıcı ve soğutucu levhaların yüzey sıcaklık farkları ve vakum hacminde oluşturulan vakum seviyesinin ölçülmesi işlemleri toplam %0.3 hata ile yapılmaktadır. Ölçüm sistemini oluşturan bütün elemanlar TSE Kalibrasyon İşleri Müdürlüğü tarafından kalibre edilmiştir. Yapılacak olan her türlü ölçüm Advantech marka Adam 4018 ve Adam model veri alış veriş kartları yardımıyla bilgisayara aktarılarak gerekli işlemlere tabi tutulmaktadır. 1781

100 Deniz, E., Buğutekin, A. ve Binark, A. K. 4. Güvenilirlik Testleri Kaganer tarafından yapılan çalışmalarda bazı dolgu malzemelerinin vakum şartlarında yoğunlukları arttırıldığında ısı iletimlerinde gözle görülür oranda iyileşme olduğu belirlenmiştir. Şekil 8 de Kaganer tarafından yapılan çalışmalar sonucunda elde edilen sonuçlara yer verilmiştir. 1. Vakum Ortamı 5. Kontrol Paneli 8. Bilgisayar 2. Vakum Pompası 6. Soğutma Sistemi 9. Vakum Sensörü 3 ve 4. Dolaşım Pompaları 7. Soğutucu Akışkan Deposu 10. Kalınlık Ölçüm Sensörü Şekil 5. Tasarlanarak İmal Edilen VGHP Cihazı VGHP cihazında hassas ölçümler sağlayabilmek amacıyla sıcaklık ölçümlerinde nikel krom-nikel (K tipi) ısıl çiftler kullanılmış ve ısıl çiftler ile iki yüzey arasındaki sıcaklık farkını belirlemek için termopil devresi oluşturulmuştur. Böylelikle kullanılan ısıl çiftlerin hassasiyetleri de önemli ölçüde arttırılmıştır. Hazırlanan termopil devresi şematik olarak Şekil 6 da gösterilmiştir. Şekil 8. Çeşitli Yoğunluklardaki Örneklerin Vakum Şartlarında Isı İletimlerinin Değişimi (1=Aerojel, 2=Genleştirilmiş Perlit, 3=Mipora, 4=Cam Yünü [9]. Şekil 6. Deneylerde Kullanılan Termopil Devresinin Şematik Gösterimi [8]. VGHP cihazının hassas çalışmasını sağlayacak bir diğer unsur ise, ASTM de belirtilen soğutucu yüzey geometrisine uygun olarak hazırlanan soğutucu levhalarda dolaşacak olan soğutucu akışkanın istenen sıcaklıklarda sabit ayarlanabilmesi ve buna bağlı olarak soğutucu levha yüzey sıcaklıklarının sabit değerlerde tutulabilmesidir. Soğutma sisteminde istenen sabit sıcaklık değerlerini sağlayabilmek için Şekil 7 de devre şeması verilen termostat imal edilmiştir. Şekil 8 de görüldüğü gibi malzeme yoğunluğu yaklaşık olarak 200 kg/m 3 olduğunda ısı iletim katsayısı minimum değere ulaşmaktadır. Malzemenin yoğunluğunun artmasıyla ışınım yoluyla meydana gelen ısı iletimi büyük ölçüde azalmaktadır. Malzeme yoğunluğu yaklaşık 200 kg/m 3 değerinin üzerine çıktığında ise malzemeyi oluşturan katı aracılığıyla meydana gelen ısı iletim miktarı büyük ölçüde artmakta ve bu durum toplam ısı iletiminin artmasına neden olmaktadır. Şekil 9 da geleneksel yalıtım malzemeleri (mineral oksit ve yüksek yoğunluklu cam yünü) için NRC-IRC nın VGHP cihazı kullanılarak elde edilmiş test sonuçları verilmiştir. Test sonuçlarında özellikle yüksek yoğunluklu cam yünü için deney sonuçları, Kaganer tarafından belirtilen sonuçları desteklemektedir. Şekil 7. Soğutma Sisteminde Kullanılan Termostat Devresi. 1782

101 Deniz, E., Buğutekin, A. ve Binark, A. K. Şekil 9. Geleneksel Yalıtım Malzemeleri İçin NRC-IRC nın VGHP Cihazının Test Sonuçları [2]. Tarafımızdan tasarım ve imalatı tamamlanan VGHP cihazının tüm bileşenleri ile birlikte ölçümlerin doğruluğunu desteklemek amacıyla öncelikle alışılagelmiş yalıtım malzemeleri atmosferik basınç şartlarında denenmiştir. Atmosferik basınç şartlarında geleneksel yalıtım malzemeleri için üretici firmalar tarafından beyan edilen ve tarafımızdan yapılan deneylerden elde edilen sonuçlar Tablo IV.2 de verilmiştir. Şekil 11. Cam Yününün SEM Görüntüsü ve Fiberlerin Çaplarının Gösterimi. Hazırlanan VGHP cihazı kullanılarak 50 kg/m 3 yoğunluktaki cam yünü için yapılan testlerden elde edilen sonuçlar ile NRC-IRC nin aynı vakum seviyelerine denk gelen yaklaşık ısı iletim katsayısı değerleri Şekil 12 de gösterilmiştir. Çizelge 1. VGHP Cihazı ile Isı İletim Katsayıları Ölçülen Geleneksel Yalıtım Malzemeleri ve Elde Edilen Sonuçlar Malzeme Beyan Edilen Isı İletim Katsayısı (W/mK) Ölçülen Isı İletim Katsayısı (W/mK) Cam Köpüğü ±%0.3 XPS ±%0.3 EPS ±%0.3 Güvenilirlik testlerinin ikinci aşamasında, Kaganer ve NRC- IRC tarafından kullanılan malzeme olan cam yünü aynı şartlar altında test edilmiştir. Deneylerde kullanılan cam yününün taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri Şekil 10 ve Şekil 11 de verilmiştir. Şekil 10 ve Şekil 11 deki SEM görüntüleri deneylerde kullanılan cam yününün çeşitli çap ve yapılardaki liflerden oluştuğunu göstermektedir. Şekil 12. NRC-IRC nın VGHP Cihazı ve İmal Edilen Cihazda Cam Yününe Ait Isı İletim Katsayıları. 5. Sonuç ve Öneriler VYP lerin ısı iletim katsayılarının ölçülmesi amacıyla tasarlanarak imal edilen VGHP cihazı öncelikle, geleneksel yalıtım malzemeleri kullanılarak, atmosferik basınç şartları altında test edilmiş ve üretici firmalar tarafından beyan edilen ısı iletim katsayısı değerlerine ulaşılmıştır. Güvenilirlik testlerinin ikinci aşamasında ise, cam yünü farklı vakum şartlarında denenmiş ve literatürdeki değerler ile uyumlu sonuçlara ulaşılmıştır. Hazırlanan cihaz VYP iç dolgu malzemesi araştırmalarında malzemelerin hem atmosferik basınç şartlarında hem de çeşitli vakum şartları altında ısı iletim katsayılarının ölçülmesi amacıyla güvenilir bir biçimde kullanılabilecektir. Kaynaklar Şekil 10. Cam Yününün SEM Görüntüsü. [1] Deniz, E., Binark, A. K., Vakumlu Yalıtım Panelleri, VII. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu (UTES 2008), Sayfa: , Aralık 2008, İstanbul. 1783

102 Deniz, E., Buğutekin, A. ve Binark, A. K. [2] Mukhopadhyaya P.: High Performance Vacuum Insulation Panel Research Update From Canada, Global Insulation Magazine, (2006), [3] Zweig, J.L.; Boroski, W.N.; Hart, F.R.: Overview Of A Test Facility Designed To Guide Innovations In The Development of Advenced Thermal Insulation Materials and Systems, Cryogenics, ICEC 15 Proceedings, 34 (1994) [4] Heineman, U.: Influece of Water on The Total Heat Transfer in Evacuated Insulations, 7th International Vacuum Insulation Symposium, Empa, Duebendorf / Zurich, Switzerland, September, (2005) 28-29,. [5] ASTM C : Standard Specification for Vacuum Insulation Panels, The Standard Society for Testing and Materials, USA, (2005). [6] ASTM C Standard Test Method for Steady- State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded- Hot-Plate Apparatus, USA, (2004). [7] ISO 8302.: Thermal Insulation-Determination of Steady-State Thermal Resistance and Related Properties-Guarded Hot Plate Apparatus, ISO, (1991). [8] Binark, A.K.; Uslu, A.: Sıcaklık Ölçümlerinde Termopil Uygulamaları, 3. Soğutma ve İklimlendirme Kongresi, Adana, Türkiye, Mayıs, (1994) [9] M. G. Kaganer, Thermal Insulation in Cryogenic Engineering, Mashinostroenie, (1966),

103 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye SIKIŞTIRILAMAZ BİR AKIŞTA GEÇİRGEN BİR YÜZEYDEN YAPILAN YAYILI ÜFLEMENİN ISI GEÇİŞİ ÜZERİNDEKİ ETKİSİNİN İNCELENMESİ AN ANALYSIS OF THE EFFECT OF UNIFORM INJECTION THROUGH A POROUS SURFACE ON HEAT TRANSFER IN A INCOMPRESSIBLE FLOW Osman TURAN a, * ve Burhan ÇUHADAROĞLU b a, * KTÜ Makine Mühendisliği Bölümü, Trabzon, Türkiye, E-posta: b KTÜ Makine Mühendisliği Bölümü, Trabzon, Türkiye, E-posta: Özet Bu çalışmada; geçirgen ve sabit yüzey sıcaklığına sahip düzlem levha üzerindeki gelişmiş sınır tabaka akışında hidrodinamik ve ısıl duvar fonksiyonları teorik olarak elde edilmiş, üfleme-emme hızı ve viskoz yutulmanın boyutsuz sıcaklık üzerindeki etkisi analitik olarak incelenmiştir. Çalışmada viskoz yutulmanın etkisi Brinkman sayısının farklı bir şekli olan boyutsuz B = u τ 3 ρ / q w sayısı ile tanımlanmıştır. Sınır tabaka içerisindeki boyutsuz sıcaklık dağılımının, viskoz yutulma ve yüzeyden yapılan üflemeemme uygulamasından önemli ölçüde etkilendiği belirlenmiştir. Çeşitli teknolojik uygulamalarda karşılaşılan viskoz yutulma kaynaklı ısı üretiminin, yüzeyden yapılan üfleme-emme uygulaması ile denetim altına alınabileceği görülmüştür. Anahtar kelimeler: Viskoz yutulma, üfleme, emme, sınır tabaka, duvar fonksiyonu Abstract In the present study; the hydrodynamic and the thermal wall functions on a permeable wall with constant temperature in the boundary layer flow were obtained theoretically and the effect of injection-suction velocity and the viscous dissipation on the dimensionless temperature was investigated. The effect of viscous dissipation was defined as a dimensionless number of B = uτ 3 ρ / qw which is a modified Brinkman number. It was noted that the dimensionless temperature distribution in the thermal boundary layer was substantially influenced by the viscous dissipation and the injection-suction through permeable wall. In addition, It was seen that the viscous heating which appears in some technological applications can be controlled by the injection-suction through permeable wall. Keywords: Viscous dissipation, injection, suction, boundary layer, wall function 1. Giriş Günümüzde; geçirgen bir yüzey üzerindeki türbülanslı akışın incelenmesi akışkanlar mekaniği ve ısı transferinin ilgi çeken konuları arasında yer almaktadır. Bilindiği üzere; cisimler etrafındaki akışta ortaya çıkan sınır tabakanın denetimi için birçok yöntem uygulanmaktadır. Yüzeyden üfleme-emme yapılarak hidrodinamik ve ısıl sınır tabakanın denetimi, uçak kanadı etrafındaki akışın kontrolü ve elektronik donanımların soğutulması gibi çeşitli mühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır. Sınır tabakaya yüzeyden yapılan üfleme ile akışa momentum ve ısı transferi yapılmakta ve bu sayede akışın istenilen yapıya dönüştürülmesi amaçlanmaktadır. Örneğin; geçirgen yüzeyli bir cisim üzerinden yapılan üfleme ile akışın momentum dengesi değiştirilerek, cisim üzerindeki direnç kuvvetini belirli ölçüde denetim altına alma olanağı vardır. Üfleme uygulaması ayrıca, film soğutma sağlayarak uzay taşıtları ve gaz türbin kanatçıkları gibi yüksek hızlı sistemlerde ortaya çıkan aşırı ısınma problemini belirli ölçüde çözmede kullanılmaktadır. Emme uygulaması ise; cisim üzerinden sınır tabaka ayrılmasını geciktirerek basınç farkı kaynaklı direncin düşürülmesi konusunda yardımcı olmaktadır. Ayrıca yüzeyden yapılan yayılı emme ile küçülen sınır tabaka kalınlığına bağlı olarak ısı geçişinde önemli ölçüde artışlar ortaya çıkmaktadır. Geçirgen bir yüzey üzerinden yapılan üfleme veya emme ile sınır tabakanın denetlenmesi konusundaki temel teknikler ve konunun matematiksel esasları Schlichting ve Gersten de [1] verilmiştir. Bu kaynakta; geçirgen yüzey üzerindeki üfleme veya emmeli laminer sınır tabakanın belirli sınır koşulları altında yapılmış baz analitik çözümleri verilmiştir. Burada hız ve sıcaklık profilleri formüle edilmiş ve sürekli emme-üflemeli yatay düz levhadan olan ısı geçişi incelenmiştir. Sumitani ve Kasagi [2] karşılıklı üflemeli ve emmeli yüzeylere sahip bir kanal için Doğrudan Sayısal Benzeşim (DNS) yöntemi ile yapmış oldukları sayısal incelemede, üflemenin hız ve sıcaklık çalkantılarını, Reynolds kayma gerilmelerini ve türbülanslı ısı akılarını artırmakta olduğunu, emmenin ise azaltmakta olduğunu göstermişlerdir. Bellettre ve diğ. [3] artan üfleme debisine bağlı olarak sürtünme faktörü ve ısı geçişinin önemli ölçüde düşmekte olduğunu gözlemişlerdir. Bu çalışmanın sonuçları deneysel veriler ile kıyaslanmış ve iyi bir uyum elde edilmiştir. Hwang ve Lin [4] geçirgen duvarlı bir kanal akışında belirli bir türbülans modeli kullanarak dinamik ve ısıl alanlar için sayısal bir inceleme yapmışlar ve iyi bir uyum elde etmişlerdir. Meinert ve diğ. [5] geçirgen bir duvardan türbülanslı bir akışa farklı bir gaz ile yapılan üflemenin duvar ve akış arasındaki ıs geçişi üzerinde önemli bir etkisi olduğunu göstermişlerdir. Çuhadaroğlu [6] yüzeyden belirli bir açı ile yapılan üfleme veya emmenin türbülanslı sınır tabaka üzerindeki etkilerini sayısal olarak incelemiştir. Bu çalışmaya göre; yerel sürtünme katsayısı ve ısıl sınır tabaka kalınlığı üfleme hızı ve açısından önemli bir şekilde etkilenmektedir. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1785

104 Turan. O.. ve Çuhadaroğlu. B. Bu çalışmanın amacı; geçirgen yüzeyli düzlem levha üzerindeki türbülanslı sınır tabaka akışında viskoz alt tabakaya ait duvar fonksiyonları üzerinde üfleme-emmenin ve viskoz yutulmanın etkisini analitik olarak incelemektir. 2. Teorik Çalışma Geçirgen bir yüzey üzerindeki iki boyutlu sıkıştırılamaz ve sıfır basınç gradyanlı sınır tabaka akışında duvar fonksiyonlarını elde etmek üzere momentum denkleminden yola çıkılacak olursa. u u u u + v = υ (1) x y y y Duvar yakınında u / x türevi küçük değerler alacağı için göz ardı edilirse momentum denklemi; du d du v = υ (2) dy dy dy şekline dönüşür. (2) denkleminin y=0 dan herhangi bir y noktasına kadar aşağıdaki sınır koşulları için integrali alınırsa; 0 ) V w (3.a) v ( = du υ dy 2 τ u y= 0 τ w = = u ρ du = υ uv w dy 2 τ (3.b) + denklemi elde edilir. Bu denklem u = u / uτ + Vw = Vw / u τ ve y + = yu τ / υ boyutsuzlaştırma parametreleri kullanılarak boyutsuzlaştırılacak olursa: du dy = 1 + u V + w (5) boyutsuz hız gradyanı elde edilir. Bu ifadenin y + =0 dan herhangi bir boyutsuz y + değerine kadar integrali alınırsa; u exp( y Vw ) = + Vw 1 yüzeyden üfleme veya emme yapılan sınır tabaka için boyutsuz hız dağılımını veren duvar fonksiyonu elde edilir. Üstel yapıda olan bu bağıntı geçirgen olmayan yüzey için V = 0 yazıldığında laminer sınır tabaka için geçerli olan + w u + = y + şekline dönüşür. Geçirgen yüzeyden yapılan üfleme veya emmenin ısıl sınır tabaka üzerindeki etkisi hidrodinamik sınır tabaka üzerindeki etkisine oldukça benzerdir [6]. Sabit yüzey sıcaklığına sahip geçirgen bir yüzey üzerindeki iki boyutlu (4) (6) sıkıştırılamaz sınır tabaka akışında viskoz yutulma etkisinin de dikkate alındığı enerji denklemi dt v dy = d dy k ρc dt υ + Φ dy p c p şeklinde ifade edilir. Bu denklemde viskoz yutulma etkisini 2 gösteren Φ = ( du / dy ) olarak dikkate alınmıştır. (7) denkleminin geçirgen yüzey için (3) ile verilen sınır koşulları ve ısıl büyüklükler için aşağıda ifade edilen koşullar altında y=0 dan herhangi bir y mesafesine kadar integrali alınırsa; T = T y=0 w dt k = qw dy y=0 sınır tabaka boyunca sıcaklık gradyanı elde edilir; dt dy = V (T T ) + q /ρc w w w p υ Pr υ c p y 2 du dy dy y= 0 (8.a) (7) (8.b) + Bu denklem T = (T Tw )( ρc puz ) / qw boyutsuz sıcaklık tanımı kullanılarak boyutsuzlaştırılırsa; dt dy + + y + 2 du Vw T B dy + 0 dy + = 1 Pr (9) (10) olarak sınır tabakadaki boyutsuz sıcaklık gradyanı elde edilir. Bu ifadede yer alan B boyutsuz sayısı B 3 uτ ρ = (11) q w şeklinde tanımlanmış olup, viskoz sürtünmeden kaynaklanan ısı üretiminin bir ölçüsünü ifade etmektedir. Boyutsuz B sayısı viskoz kaynaklı ısı üretiminin yüzeydeki 2 ısı iletimine olan oranını ifade eden ve Br = µ u /( k T ) şeklinde tanımlanan Brinkman sayısının farklı bir formda yazılmış şeklidir. Pr; Prandtl sayısına karşılık gelmekte olup, burada standart koşullardaki hava için 0,7 olarak göz önüne alınmıştır. Bu bağıntıdaki boyutsuz hız gradyanı için verilmiş olan (6) eşitliğinin yerine yazılması ve elde edilen bağıntının y + =0 dan herhangi bir y + değerine kadar integre edilmesi ile; 1786

105 Turan. O.. ve Çuhadaroğlu. B. T + exp = V + + ( PrV y ) w + w Pr exp w Pr 2 B + 2V ( 2V y ) 2 exp( PrV y ) + 2 w w Pr 2 1 (12) ısıl sınır tabaka boyunca boyutsuz sıcaklık için üflemeemme ve viskoz yutulma etkisini içeren duvar fonksiyonu + elde edilir. V = 0 özel durumunda bu bağıntı hız için elde w edilmiş olan duvar fonksiyonuna benzer şekilde bilinen T + = Pr. y + bağıntısına dönüşür. (12) ile tanımlanmış + + olan boyutsuz sıcaklık, V w, y boyutsuz parametrelerinin yanı sıra, viskoz yutulmanın bir ölçüsü olan B sayısına da bağlıdır. Bu çalışmada sınır tabaka içerisindeki boyutsuz + sıcaklığın V w üfleme-emme hızının yanı sıra B ile olan ilişkisi de incelenmiştir. davranışı; yüzeydeki ısı akısındaki artışın, sıcaklık farkına (T-T w) oranla daha fazla olmaya başladığını göstermektedir. Diğer bir deyişle T + da ortaya çıkan düşme, yüzey yakınındaki viskoz yutulma nedeniyle akışkandan yüzeye olan q w ısı akısında ortaya çıkan artışın, sıcaklıktaki artıştan daha fazla olmasından kaynaklanmaktadır. 3. Bulgular Bu çalışmada geçirgen yüzeyli ve sabit yüzey sıcaklığına sahip bir düzlem levha üzerindeki akışta ortaya çıkan sınır tabakada (Şekil 1), üfleme-emmenin ve viskoz yutulmanın sıcaklık dağılımı üzerindeki etkisi analitik olarak incelenmiştir. Viskoz yutulma sıcaklık dağılımını önemli ölçüde etkileyen bir iç ısı kaynağıdır. Bu çalışmada boyutsuz üfleme-emme hızının yanı sıra, viskoz yutulma ile sıcaklık dağılımı arasındaki oransal ilişki için tanımlanmış olan B sayısı da temel parametre olarak göz önüne alınmıştır. + Şekil 2. Üflemesiz-emmesiz ( V = 0 ) durumda viskoz w yutulmanın boyutsuz sıcaklık üzerindeki etkisi. B kr değerinden daha yüksek değere sahip viskoz yutulmanın olduğu durumlarda, yüzeyden belirli uzaklıklarda boyutsuz sıcaklık negatif değerler almaya başlamaktadır (Şekil 2). Yüzeydeki akışkan sıcaklığının, akışkan sıcaklığının üzerine çıkması (T w,f>t) anlamına gelen bu davranış viskoz yutulmanın yüzeydeki akışkan sıcaklığı üzerindeki etkisinden kaynaklanmaktadır. B kr değerinin üzerine çıkıldığında viskoz yutulma kaynaklı iç ısı üretimi nedeni ile yüzeydeki akışkan sıcaklığında sıçrama meydana gelerek buradaki akışkan sıcaklığı hem duvar hem de cidardan uzaktaki akışkanın sıcaklığının üzerine çıkmaktadır. Şekil 1. Geçirgen yüzey üzerinde üfleme ve sınır tabakalar Yüzeyden olan boyutsuz uzaklık ve boyutsuz sıcaklık için (12) bağıntısı ile verilmiş olan analitik ilişkiye ait farklı B değerlerindeki değişimler, geçirgen olmayan yüzey + ( V = 0 ) durumunda, Şekil 2 de görülmektedir. Burada da w görüldüğü gibi; belirli bir B kr değeri için (şekilde B kr=0,1 olarak görülmektedir) yüzeyden uzaklaşıldıkça boyutsuz sıcaklıktaki değişim azalmakta ve nihayet yüzeyden itibaren belirli bir y değerinde değişim durmakta, daha + kr + yüksek y değerlerinde ise boyutsuz sıcaklık düşme davranışı göstermektedir. Yüzey yakınında viskoz yutulma etkisinin artması ile doğal olarak bu bölgede sıcaklık farkı da (T-T w) artmaktadır. Buna bağlı olarak da akışkandan yüzeye geçen ısı akısı artar. Yüksek B değerlerinde ve + aynı y mesafelerinde T + da ortaya çıkan düşme Şekil 3. Yüzeyden yapılan üfleme-emme uygulamasının farklı B değerlerinde boyutsuz sıcaklık üzerindeki etkisi Üfleme-emme uygulamasının farklı B değerlerinde boyutsuz sıcaklık üzerindeki etkisi Şekil 3 te görülmektedir. 1787

106 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye (a) (b) Şekil 4. Üfleme-emmenin (a) B = 0,03 ve (b) B=0,1 değerlerinde boyutsuz sıcaklık profili üzerindeki etkisi. Düşük viskoz yutulma değerlerinde (şekilde 0,05 B 0 aralığındaki değişimler) üfleme uygulamasının viskoz yutulmanın etkisini azalttığı, emme uygulamasının ise akış alanındaki viskoz yutulma etkisini desteklemektedir. Viskoz yutulmanın yüksek değerlerinde (B 0,1) ise üfleme ile viskoz yutulma etkisi artarken emme ile azalmaktadır. Düşük ve yüksek B değerlerinde üfleme-emmenin viskoz yutulma ve sıcaklık üzerindeki detaylı etkisi Şekil 4 teki grafiklerde görülmektedir. Düşük ve yüksek viskoz yutulma durumlarında üfleme ve emmenin sıcaklık değişimi üzerinde farklı etkiler ortaya çıkarması, üfleme ve emmenin hidrodinamik ve ısıl sınır tabakalar üzerindeki farklı etkilerinden kaynaklanmaktadır. Zira düşük değerli viskoz yutulma; yüzey yakınında düşük hız gradyanı (düşük sürtme hızı) anlamına gelmektedir. Bu durumda yüzeyden yapılan üfleme hız gradyanını daha da düşüreceğinden yüzey yakınındaki viskoz yutulma etkisi azalacak ve dolayısıyla viskoz yutulma kaynaklı ısı üretimi de azalacağından akışkandan yüzeye olan ısı akısı azalacaktır. Bu durumda doğal olarak yüzey yakınında boyutsuz akışkan sıcaklığı az da olsa bir artış gösterecektir. Benzer şekilde yüzeyden emme uygulaması bunun tersi bir etki yaparak (hız gradyanının büyümesi ve yüzeye ısı akısının artması) boyutsuz sıcaklıkta az da olsa bir azalmaya neden olacaktır (Şekil 4.a). Ancak yüksek değerli viskoz yutulma durumlarında yüzey yakınlarında yukarıdakine benzer davranış gözlenmesine rağmen, yüzeyden uzaklaşıldıkça üflemenin viskoz yutulma etkisini artırmakta olduğu ve dolayısıyla boyutsuz sıcaklıkta düşüşe neden olduğu görülmektedir. Burada ise yüzeyden yapılan üflemenin hız gradyanı üzerinde fazla etkili olmadığı ve yüksek viskoz yutulma nedeniyle üretilen ısının arttığı ve dolayısıyla yüzeye ısı akısının da artması nedeniyle boyutsuz sıcaklığın düştüğü anlaşılmaktadır. 4. Sonuçlar Bu çalışmada; geçirgen yüzeyli ve sabit yüzey sıcaklığına sahip düzlem levha üzerindeki gelişmiş sınır tabaka akışında hidrodinamik ve ısıl duvar fonksiyonları elde edilmiş, boyutsuz sıcaklık üzerinde üfleme-emme hızı ve viskoz yutulmanın etkisi analitik olarak incelenmiştir. Viskoz yutulma etkisi ile ortaya çıkan ısının sınır tabaka içerisindeki sıcaklık dağılımını önemli ölçüde etkilediği görülmüştür. Viskoz yutulma akışkandan yüzeye olan ısı geçişini etkilemekte ve yüzey sabit sıcaklıkta tutuluyor olsa bile artan viskoz etkiler nedeniyle ortaya çıkan ısı yüzeydeki akışkanın sıcaklığında bir sıçramanın oluşmasına ve üretilen ısının hem yüzeye doğru hem de akışkana doğru geçmesine neden olmaktadır. Elde edilen sonuçlar göstermektedir ki; yüzey yakınlarında ortaya çıkan yüksek gradyanlı akışlarda etkili olan viskoz yutulma, yüzeyden yapılan üfeme-emme uygulaması ile belirli ölçüde denetim altına alınabilir. Semboller u τ Kayma hızı (m/s) ρ Yoğunluk (kg/m 3 ) q w Isı akısı (W/m 2 ) υ Kinematik viskozite (m 2 /s) T Sıcaklık (K) V w Üfleme-emme hızı (m/s) u,v Hız bileşenleri (m/s) c p Özgül ısı ( kj/(kgk ) Üst indisler + Boyutsuz parametreler Alt indisler w Yüzeyde tanımlı büyüklükler Serbest akış büyüklükleri Kaynaklar [1] Schlichting, H. and Gersten, K., Boundary-Layer Theory, Springer, Berlin, [2] Sumitani, Y. Kasagi, N., Direct numerical simulation of turbulent transport with uniform wal injection and suction. AIAA Journal 33, , [3] Bellettre, J., Bataille, F. and Lallemand A., A new approach for the study of turbulent boundary layers IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1788

107 Turan. O.. ve Çuhadaroğlu. B. with blowing, Int. J. Heat and Mass Transfer, 42, , [4] Hwang, C.B. and Lin, C.A., Low-Reynolds number k- ~ ε modeling of flows with transpiration, Int. J. for Numerical Methods in Fluids, 32, , [5] Meinert, J., Huhn, J., Serbest, E. and Haidn, O.J., Turbulent boundary layers with foreign gas transpiration, J. Spacecraft and Rockets, 38, , [6] Çuhadaroğlu, B., Numerical study of turbulent boundary layers with heat transfer and tangential transpiration, Int. J. Numerical Methods for Heat and Fluid Flow, vol. 14, no. 6, ,

108 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye ELEKTRİK VE MANYETİK ALANLARIN AKIŞKAN HAREKETLERİNE BİRLİKTE ETKİLERİNİN İNCELENMESİ INVESTIGATION OF THE EFFECTS OF ELECTRIC AND MAGNETIC FIELDS TOGETHER TO THE FLUID FLOW Ziyaddin RECEBLİ* a, Mehmet ÖZKAYMAK b, Metin KAYA c * a Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye, E-posta: b Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye, E-posta: c Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye, E-posta: Özet Çalışmada birbirine ve akışa dik uygulanan elektrik ve manyetik alanların akışa birlikte gösterdikleri etkiler teorik olarak incelenmiştir. Bu amaçla elektromanyetik kuvvet içeren momentum denklemi ve süreklilik denkleminden oluşturulan kısmi diferansiyel denklem sistemi, basınç değişimi, akışkanın fiziksel özellikleri ve boru çapının sabit kaldığı kabul edilerek Laplace dönüşümü yöntemi ile çözülmüştür. Neticede yerel akış hızı için analitik formül elde edilmiştir. Bu formüle göre farklı elektrik alan şiddeti ve manyetik alan indüksiyonu için yerel hız değerleri hesaplanmış ve grafikleri çizilmiştir. Akışkan olarak tuzlu su kullanılmıştır. Yapılan incelemeden elde edilen sonuçlara göre, elektrik alanın akışı etkilemediği, manyetik alan ile birlikte uygulanan elektrik alanın ise uygulanma yönüne bağlı olarak akış hızındaki düşüşü etkilediği tespit edilmiştir. Anahtar kelimeler: Manyetik alan, elektrik alan, boruda tek fazlı akış, yerel hız. Abstract In this study the effect of electric and magnetic field which are perpendicular each other and the flow line together investigated theoretically. With this aim the equation that produced from the equation of momentum and equation of continuous is used as a method to solve the problem with called Laplace transformation method which pressure change, physical specifications of flows and pipe diameter to be accepted to constant. As a result analytic equation for local flow velocity achieved. According to the equation of intensity of the different electric field and magnetic field induction has been calculated and drawn the graphs for the local velocity. Salted water was used as a fluid. From the results that has been collected from the investigations that individually electric field not effected to the flow but if the electric field applied with magnetic field together, they effected to the flow velocity depends on the applied direction has been determined. Keywords: Magnetic field, electric field, single phase flow in pipe, local velocity 1. Giriş bilim adamı tarafından incelenmiş [1-7] ve akışkanların akış hızlarının alan etkisiyle azaldığı görülmüştür. Bronover ve ark. [1] ergimiş metal akışlarına manyetik alan etkilerini teorik ve deneysel olarak incelemişler. Metallerin elektriksel özelliklerinin akışkanlara göre çok büyük olduklarından dolayı manyetik alandan daha çok etkilendiklerini göstermişlerdir. Ryabinin A.G ve Hojainov A.İ [2] MHD makinelerinde sabit manyetik alanın etkisinden laminer hareketlerde bulunan sıvı metallerin akış hızlarındaki azalmaları gösteren teorik ve deneysel çalışma sonuçlarını vermişlerdir. Racabov Z [3] iletken akışkanın silindirik borudaki hareketlerine sabit manyetik alan etkisini deneysel ve teorik olarak incelemiş, manyetik alan etkisinden ham iletken akışkanın yerel hızının azaldığını göstermiştir. Tashtoush B, Al-Odat, ve Jı. H.C, Gardner R.A [6,7] çalışmalarında akışkan olarak cıva, galyum ve ergimiş metaller kullanılmışlar. Genellikle deneyleri kanalda yapılmışlardır. Manyetik alanın sabit basınç altındaki akışkan hareketlerine etkilerini incelenmiş ve zayıf manyetik ve elektriksel özellikli akışkanların akış hızlarının alan etkisiyle azaldığı görülmüşlerdir. Literatürde akışkan hareketlerine elektrik ve manyetik alanların birlikte gösterdikleri etkilerin incelenmiş olduğu makalelere az rastlanmaktadır. Bu çalışmada konunun teorik olarak incelenmesi amaçlanmıştır. 2. Materyal ve metot Birbirine ve akışa dik olarak yöneltilen, E şiddetli elektrik alanı ve B indüksiyonlu manyetik alanı içerisine yerleştirilen R yarıçaplı silindirik, bakır veya plastik boruda viskoziteli bir akışkanın hareket ettiği düşünülsün (Şekil 1). Sabit fiziksel özellikli iletken bir akışkanın akış hızının birlikte uygulanan elektrik ve manyetik alanlarından nasıl etkileneceğinin incelenmesi istensin. Problemin çözümü için kullanılacak elektromanyetik kuvvet içeren Navier- Stokes denklemi ve akışın sürekliliği denkleminin vektör şeklindeki ifadeleri aşağıda verilmiştir. Manyetik alanın akışkan hareketlerini etkilediği birçok IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1790

109 Recebli, Z, Özkaymak, M. ve Kaya, M. r = R olduğunda, u ( R, t) = 0 olacaktır. (8) (6) diferansiyel denklemi Laplace dönüşümü yöntemi ile çözülmüştür. Zamana bağlı olan düz Laplace dönüşümü formülü aşağıda verilmiştir[8,9]. 0 ( r) = u( r, t) U s st, e dt (9) (7) başlangıç şartı için, (6) denkleminin düz dönüşüm ifadesi, Şekil 1. Manyetik ve Elektrik alanların etkisinde yerleştirilen yatay boru. Navier-Stokes denklemi: U + ρ + ( U ) U = P + η U J B (1) t 2 d U dr ( r s) 1 du( r, s), 2 2 ( r s) + m U, r dr şeklinde olacaktır. Burada, P N = ; z m 2 2 N σeb = sµ σb s σb = + = µ ν 2 + sρ µ (10) (11) Burada, J = σ E+ U B ; div J = 0 ; div B = 0 ; (2) Süreklilik denklemi: U div = 0 (3) Akışın tek boyutlu (yatay z ekseni boyunca), kararsız ve simetrik olduğu düşünülürse, aşağıdakiler yazılabilir. u r ( r, t) = 0 ; ( r, t) = 0 ( r, ) 0 u = uz t ; u ϕ ; ( r, t) Bu durumda süreklilik denklemi ( r, t) u r = 0 (4) ϕ u z u = = 0 ; (5) z z şekillerinde yazılacaktır. Yapılan kabullerden sonra (1)-(3) denklemleri birleştirilerek silindirik sistemde aşağıda gösterildiği gibi yazılabileceklerdir. 2 ( r, t) 1 u( r, t) ( r t) u σb ρ u + u( r, t), 2 r r r µ µ t (6) denkleminin çözümü için başlangıç şart: t olduğunda, ( 0) 0; = 0 Sınır şartı ise: 2 N σeb = µ (6) u r, = (7) (10) denkleminin (8) sınır şartını sağlayan çözümü, yani yerel akış hızının düz dönüşüm ifadesi, U ( r, s) ( mr) ( ) mr N σeb I 0 = ( ) 1 2 s σb + sρ I o (12) şeklinde olacaktır. Burada, I 0 ( mr) Modifiye edilmiş Bessel fonksiyonudur: I 0 ( mr) = 1+ ( mr) + ( mr) +... (13) 4 64 Çok küçük olacakları gerekçesiyle yüksek dereceli terimlerinin tamamı ihmal edilerek, Bessel fonksiyonunun seriye açılım ifadesinin ilk iki terimi kullanıldığında (12) ifadesi, U ( r s) σeb N [ ( ) ] ( 2 2 R ) 2 2 4µ + σb + sρ R, = s r (14) şekline dönüştürülebilecektir. Yerel akış hızının ters dönüşüm ifadesi, yani yerel akış hızının zaman ve koordinata bağlı ifadesi ise, u N σeb 2 2 st ( r, t) = ( R r ) ( e 1) 4µ + σb R olacaktır. Burada, s 2 2 (15) 2 2 4µ +σb R = (16) 2 ρr (15) ifadesinden kararlı akış durumunda yerel hız grafiklerinin parabol şeklinde olacağı görülmektedir. 1791

110 Recebli, Z, Özkaymak, M. ve Kaya, M. (15) ve (16) ifadeleri kullanılarak, 3 2 µ = 10 kg s / m ; σ = 12[ Ohm m] 1 ; R = 10 2 m ; ρ = 10 kg / m ; t = ( 0 200)s ; N = N / m ; 3 ( ) V m E = / ; B = ( 0 2)T ; Akış hızı (m/s) 3,00E-03 2,50E-03 2,00E-03 1,50E-03 1,00E-03 E=0, B=2 E=0,002, B=2 E=0,004, B=2 E= -0,002, B=2 E= -0,004, B=2 değerleri için akışın yerel hızları hesaplanmıştır. Kararlı akış için farklı B, E değerlerinde hesaplama sonuçlarına göre yerel akış hızlarının değişim grafikleri Şekil 2-Şekil 5 de verilmiştir. 5,00E-04 0,00E ,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 Akış yarıçapı (m) Akış hızı (m/s) 0,0035 0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0, ,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 Akış yarıçapı (m) E=0, B=0 E=0, B=1 E=0, B=2 E=0,002, B=1 E=0,002, B=2 E=0,004, B=1 E=0,004, B=2 E= -0,002, B=1 E= -0,002, B=2 E= -0,004, B=1 E= -0,004, B=2 Şekil 5. E=0, B=2; E=0,002, B=2; E= -0,002, B=2; E=0,004, B=2; E= -0,004, B=2 değerleri için yerel akış hız grafikleri. Akış Hızı (m/s) 0,0035 0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 E=0, B=0 E=0, B=2 E= 0,002, B=2 E= 0,004, B=2 E= -0,002, B=2 E= -0,004, B=2 Şekil 2. E ve B nin farklı sabit değerleri için yerel akış hız grafikleri. 0, Zaman (s) 0,0035 Akış Hızı (m/s) 0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0, ,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 Akış Yarıçapı (m) E=0, B=0 E=0, B=1 E=0, B=2 Şekil 3. E=0,B=0; E=0,B=1; E=0,B=2 değerleri için yerel akış hız grafikleri. Akış hızı (m/s) 3,50E-03 3,00E-03 2,50E-03 2,00E-03 1,50E-03 1,00E-03 5,00E-04 0,00E ,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 Akış yarıçapı (m) E=0, B=1 E=0,002, B=1 E=0,004, B=1 E= -0,002, B=1 E= -0,004, B=1 Şekil 4. E=0, B=1; E=0,002, B=1; E= -0,002, B=1; E=0,004, B=1; E= -0,004, B=1 değerleri için yerel akış hız grafikleri. Şekil 6. E=0, B=0; E=0, B=2; E=0,002, B=2; E= -0,002, B=2; E=0,004, B=2; E= -0,004, B=2 değerleri için r=0 noktasındaki akış hızlarının zamana bağlı değişim grafikleri. (15) nolu ifadeden anlaşılacağı gibi, akışa sadece elektrik alanı etkidiğinde (B=0 T), yerel akış hızlarında hiç bir değişiklik olmayacaktır. Şekil 3 ten görülüğü gibi, akışa sadece manyetik alanı etkidiğinde ise B değerinin artması ile yerel akış hızları azalacaktır. r=0 noktasında bu düşüş B=1 T olduğunda % 23.3, B=2 T olduğunda ise % 54.6 olmuştur. Şekil 2-Şekil 4 den B=1 T için elektrik alan şiddetinin E=0 V/m den E= V/m ve E= V/m ye yükseltildiğinde r=0 noktasında yerel akış hızının sırası ile %16.6 ve % 28.5 arttığı, elektrik alan şiddetinin E=0 V/m den E= V/m ve E= V/m ye yükseltildiğinde ise r=0 noktasında yerel akış hızının sırası ile % 20 ve % 40 azaldığı, B=2T için elektrik alan şiddetinin E=0 V/m den E= V/m ve E= V/m ye yükseltildiğinde r=0 noktasında yerel akış hızının sırası ile % 28.8 ve % 44.5 arttığı, elektrik alan şiddetinin E=0 V/m den E= V/m ve E= V/m ye yükseltildiğinde ise r=0 noktasında yerel akış hızının sırası ile % 39.8 ve % 80 azaldığı tespit edilmiştir. Görüldüğü gibi, manyetik alanı ile aynı anda uygulanan elektrik alanı yön değiştirdiğinde akışı farklı şekilde etkileyecektir. Elektrik alanı bir yönde etkidiğinde akış hızı arttığı halde, ters yönde etkidiğinde akış hızı azalacaktır. 1792

111 Recebli, Z, Özkaymak, M. ve Kaya, M. Bu tür değişim, uygulanan elektrik ve manyetik alanların karşılıklı etkileşiminden meydana gelen elektromanyetik kuvvetin akış yönünde veya akışa ters yönde yönelmesi ile izah edilebilmektedir. Şekil 6 dan akışkanın kararsız akış halinden kararlı akışa T elektrik ve manyetik alanlardan nasıl geçiş süresinin ( ) g etkilendikleri görülmektedir. E=0 V/m, B=0 T olduğunda T g = 150s, E=0 V/m, B=2 T olduğunda ise T g = 100s olmuştur. Yani, akışa sadece manyetik alanı etkidiğinde kararlı akışa geçiş süresi kısalacaktır. B nin sabit tutularak E nin pozitif yönde artırıldığı halde E=O V/m hali ile kıyaslandığında T g nin arttığı, E nin negatif yönde artırıldığı halde ise T g nin azaldığı görülmüştür. B=2 T, E= V/m olduğunda T g = 110s ; B=2 T, E= V/m olduğunda T g = 120s ; B=2 T, E= V/m olduğunda T g = 90s ; B=2 T, E= V/m olduğunda T g = 80s oldukları tespit edilmiştir. 3. Tartışma ve sonuç Silindirik yatay bir borudaki laminer akışa elektrik ve manyetik alanların birlikte etkisi teorik olarak incelenmiştir. Neticede akışın yerel hızlarının akışkan ve borunun fiziksel parametrelerine, manyetik alan indüksiyonuna, elektrik alan şiddetine ve zamana bağlı olan değişim ifadeleri elde edilmiştir. Akış yönüne dik olarak yöneltilen manyetik alanın etkisinden yerel akış hızlarının ve akışın kararlı duruma geçiş süresinin azaldığı, akış yönüne dik olarak yöneltilen elektrik alanından ise yerel akış hızlarında ve akışın kararlı duruma geçiş süresinde hiç bir değişikliğin olmadığı görülmüştür. J : Elektrik akım yoğunluğu (A/m), N : Basınç gradyanı N = P / z (N/m 3 ), R : Borunun yarıçapı (m), ν : Akışkanın kinematik viskozitesi (m 2 /s), η : Akışkanın dinamik viskozitesi (kg.s/m 2 ), ρ : Akışkanın yoğunluğu (kg/m 3 ), σ : Akışkanın özgül elektriksel iletkenliği ( 1 / Ohm. m ), t : Zaman (s), s : Laplace operatörü, u, uϕ, : Hız bileşenleri (m/s), r u z ϕ, z, r : Silindirik koordinatlardır. Kaynaklar [1] Bronover,G.G, Çinober,A.B., Magnitnaya Gidrodinamika Nesjimayemıh Sred, İzd. Nauka, Moskova, [2] RyabininA.G., HojainovA.İ., Nestaçionarnoye teçeniya jidkih metallov b MHD ystroystvah, Leningrad, İzd. Maşinostroeniye, [3] Kauling, T., Magnitnaya Gidrodinamika, Moskova, [4] Çebes, A.O, Magnitnaya Gidrodinamika, Moskova, [5] Racabov, Z.A., İssledovaniya vliyaniye magnitnogo polya na dvijeniye jidkostey s çelyu sozdaniye elektromagnitnoy ustanovki dlya otseçki neftegazovıh fontanov, Doktora Tezi, Bakü, [6] Ji, H.C., Gardner, R.A., Numerical Analysis of Turbulent Pipe Flow in a Transverse Magnetic Field, İnt. J. Heat Mass Transfer, 40 (8): , [7] Tastoush, B:, Al-Odat, M., Magnetic Field Effect on Heat and Fluid Flow Over a Wavy Surface With a Variable Heat Flux. J. of Magnetism and Magnetic Materials, 268, , [8] Karsloy, H., Eger, D., Operaçionnıye Metodı b Prikladnoy Matematike, Moskova, IL, [9] Fogiel, M., Handbook of Mathematical, Scientific, and Engineering Formulas, Tables, Functions, Graphs, Transforms, New Jersey, 1030, Akışkanın yerel akış hızlarının ve akışın kararlı duruma geçiş süresinin birlikte uygulanan manyetik ve elektrik alanlarından elektrik alanın yönüne bağlı olarak farklı şekilde etkilendikleri tespit edilmiştir. Manyetik alanı ile aynı anda uygulanan elektrik alanı pozitif yönde artırıldığında, E=0 V/m ve B 0 T haline göre, yerel akış hızlarının ve kararlı akış durumuna geçiş süresinin arttığı, elektrik alanın yön değiştirerek negatif yönde artırıldığı sırada ise yerel akış hızlarının ve kararlı akış durumuna geçiş süresinin azaldığı görülmüştür. 4. Semboller U : Akışkanın yerel akış hızı (m/s), E : Elektrik alan şiddeti (V/m), B : Manyetik alan indüksiyonu (T), P : Basınç (N/m 2 ), 1793

112 5 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 09), May 13-15, 2009, Karabuk, Turkey NEURAL NETWORK APPROACH FOR PERFORMANCE PREDICTION OF A SOLID OXIDE FUEL CELL Ali Volkan Akkaya Yıldız Technical University, Department of Mechanical Engineering, Istanbul, Turkey, Abstract In this study, we develop a neural network (NN) based model for performance prediction of a single tubular solid oxide fuel cell (SOFC). This model utilizes the backpropagation (BP) algorithm to predict the cell voltage and electrical power. Levenberg-Marquardt back-propagation algorithm based neural network has been used to develop the prediction model. The required data for learning process of the neural network model have been obtained from simulation results of a validated nonlinear physical SOFC model under wide operation range of the input variables. After neural network model development, comparisons of the simulation results of neural network model and the nonlinear physical model at the trained and untrained conditions have been carried out. As a result, it has been seen that the neural network model developed in this study is able to make good predictions in performance behavior of the considered fuel cell due to the training strategy and the topology of the neural network adopted. Keywords: Solid oxide fuel cell; Performance prediction; neural network model 1. Introduction In recent years, solid oxide fuel cell (SOFC) has been considered as a highly promising candidate technology for near future distributed power applications from the viewpoints of energy and environment [1,2]. Solid oxide fuel cell has some unique advantages such fuel flexibility, high-energy conversion efficiency, low emissions, and useful waste heat for cogeneration and trigeneration applications [3-5]. The performance of the system depends on many factors, such as physical, chemical, electrochemical and thermodynamic processes. Modeling studies of solid oxide fuel cell plays a significant role in the evaluation and prognostication of system performance, and in search of improvements in design, operating procedures and control strategies. Especially, modeling solid oxide fuel cell committed to distributed applications is crucial stage in the integration of these power sources into energy market. The application of solid oxide fuel cell in power generation entails a full knowledge of its behavior and therefore a highly efficient model. Hence, detailed and complex modelling is required for predicting the performance of the fuel cell and for use in various systems engineering activities considering all the above factors. Although physical models present comprehensive analysis of the performance, they are very time-consuming to develop and run. The computations become quite complex, especially when models dimensions are twothree level. Therefore, there has been recent interest in building neural network (NN) models. Neural Network have been used in a wide range of engineering applications such as, pattern recognition, behavior prediction and function approximations [6-8]. In this study, we develop a neural network based model for performance prediction of a single tubular solid oxide fuel cell. This model utilizes the back-propagation (BP) algorithm to predict the cell voltage and electrical power of the solid oxide fuel cell. After neural network model development, the prediction of the neural network model are given and evaluated with those of physical nonlinear model. As a result, it has been concluded that the Levenberg-Marquardt back-propagation algorithm based neural network structure have been very appropriate to model the nonlinear dependence of SOFC performance. 2. Development of Neural Network Model 2.1 Neural Network Structure Neural networks are considered to be sophisticated modeling techniques capable of modeling extremely complex nonlinear functions, which consists of links connected nodes. Their structure is analogous to that of neural system in human brain by which nodes correspond to neurons and links correspond to synapses that transmit signals between neurons. One of the major features of a neural network is its learning capability [9]. Artificial neural networks try to mimic this biological network in order to learn the solution to a physical problem from a given set of training sets. Important issues in neural network structure include specification of the number of hidden layers and the number of units in these layers. The number of input and output units is defined by the problem. This point requires some knowledge about the behavior of the system to model and especially about the factors that condition the system output. The most significant parameters have been maintained in order to obtain an excellent model requiring as low number of measurements as possible. Figure 1 shows the neural network structure considered in this study. A three-layer neural network with tan-sigmoid transfer function at first hidden layer, linear transfer function at second hidden layer and a linear transfer function at output layer has been used. This neural network structure has three inputs and two output variables. IATS 09, Karabük University, Karabük, Turkey 1794

113 Akkaya, A.V. Current density Cell temperature Pressure 1 2 n-1 n Voltage Power INPUTS 1.HIDDEN LAYER 2. HIDDEN LAYER OUTPUT LAYER Figure 1 Neural network structure for SOFC performance prediction The data used in this paper have been gathered from the simulation of tubular solid oxide fuel cell physical model for the wide range of its operation The detailed information for the solid oxide fuel cell physical model can be found author s previous studies [10,11]. Using the mentioned physical model, the performance values such as voltage and electrical power have been gathered for wide operation range of the input variables, and the values have been used to train the neural network prediction model Input and Output Parameters 1 2 n-1 n 2.3. Training Neural Network In the training stage, input and output values of the 700 sample data for training have been supplied. Using these values, the network tries to learn the system by adjusting the weights. This is adapted by the back propagation algorithms. Gathered data obtained from physical model have been used to train the network. Once the network is trained, it moves to the testing stage. In the testing stage also, both input and output values were supplied. The only difference between the testing and training stage is that there is no adjustment of weights in the testing stage. Adjustment of weights, in other words learning, takes place only in the training stage. Neuron numbers at the hidden layers for Levenberg- Marquardt algorithm has been decided by trial-error studies. They have been determined as 8 and 25 neurons for first and second hidden layers, respectively in this study. 3. Modeling Results and Discussion Figure 2 shows training mean square error for Levenberg- Marquardt algorithm. The training stopped after 73 iterations because the mean square error on a performance estimation set reaches a minimum value ( ). Table 1 shows the input and output variables of the solid oxide fuel cell used for the development of the neural network performance prediction model. The three input variables have been selected for modeling of the performance of solid oxide fuel cell. They are cell temperature, operating pressure and current density. The characteristics of these input parameters help to explain mainly the solid oxide fuel cell performance. These variable ranges have been given in Table 1. The outputs of neural network model considered are the cell voltage and electrical power, which are the indicators of solid oxide fuel cell performance. The performance data (cell voltage and electrical power) have been obtained from physical model simulation through the variation of current density in its possible entire range at the certain cell temperature and operating pressure. The base case values of cell temperature and operating pressure have been considered as 1273 o C and 1.08 bar, respectively. A number of performance data have been gathered at the different temperature and pressure. By means of this way, 700 sample data have been obtained for neural network training. Table 1. Input and output variables for the NN-PM model Variables Value Input variables Current density (A/m 2 ) Cell temperature ( o C) 1073, 1173, 1273, 1373 Operating pressure (bar) 1.08, 3, 5, 10 Output variables Voltage (V) Power (kw) Figure 2 Training mean squared errors for Levenberg- Marquardt algorithm Figure 3 illustrates the prediction results for cell voltage and electrical power versus current density at the P=1.08 bar, T=1273 o C (trained conditions). There is very good agreements on the trends between gathered data from solid oxide fuel cell physical model and estimated from neural network model for both cell voltage and electrical power except the end of current density values. The voltage and power errors at the current density of approximately 6000 A/m 2 increase rapidly. This situation can be explained that although there is rapid variation in the performance values, a limited training data samples are used in comparison to the lower current density conditions. If it could be possible to give more data at these conditions, the error values of neural network model would be smaller. 1795

114 Akkaya, A.V. relatively higher at the pressure of 8 bar condition However, it is clearly seen from these figures that the developed NN model can enable to capture the general characteristics of the fuel cell performance, even untrained conditions. Figure 3 Comparison of predicted and gathered data for cell voltage and power (P=1.08 bar, T=1273 o C) Figure 4 shows the prediction results of the developed neural network model for cell voltage and electrical power versus current density at untrained cell temperature condition (P=1.08 bar, T=1223 o C). The errors of both voltage and power show similar characteristics with those of trained temperature condition (Figure 3). Figure 5 Comparison of predicted and gathered data for cell voltage and power (P=10 bar, T=1273 o C) It can be noted that although this temperature condition (1123 o C) is untrained, the errors are smaller at the higher current density conditions (approximately 6000 A/m 2 ). These behaviors prove the prediction capability of the developed neural network model. Figure 6 Comparison of predicted and gathered data for cell voltage and power (P=8 bar, T=1273 o C) 4. Conclusions Figure 4 Comparison of predicted and gathered data for cell voltage and power (P=1.08 bar, T=1223 o C) Figure 5 and Figure 6 depict the prediction performance of the developed neural network model for trained pressure (P=10 bar, T=1273 o C) and untrained pressure conditions (P=8 bar, T=1273 o C). Since the neural network model is trained at the pressure of 10 bar condition, the prediction performance is very well. The prediction errors are This study presents neural network model for performance prediction of a solid oxide fuel cell by considering the operating conditions as input parameters such as current density, operating pressure and cell temperature. The results of neural network model have been compared with the gathered data obtained from simulation results of the physical model of solid oxide fuel cell. It is seen that Levenberg-Marquardt back-propagation algorithm is a robust learning technique that capture the characteristics of the fuel cell performance. This paper indicates that the values predicted with the neural network can be used to 1796

115 Akkaya, A.V. predict the performance of the solid oxide fuel cell quite accurately for given conditions. References [1] Larminie J, Dicks A. Fuel cell system explained. New York :Wiley& Sons Ltd; [2] Singhal SC, Kendal K. High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamental, Design and Applications. UK: Elsevier; [3] Singhal SC. Advances in solid oxide fuel cell technology. Solid State Ionics 2000; 135: [4] George RA. Status of tubular SOFC field unit demonstrations. Journal of Power Sources 2000; 186: [5] Campanari S. Thermodynamic model and parametric analysis of a tubular SOFC module. J Power Sources [6] Hagan M.T., Demuth H.B., Beale M.H Neural network design. PWS Publishing, Boston. [7] Haykin S.S Neural Networks: A Comprehensive Foundation. Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ. 2001; 92: [8] Patterson J.M Introduction to Artificial Neural Systems, second ed. Jaico Publishing House, New Delhi. [9] Anderson J.A Introduction to neural networks, Cambridge, MA: MIT Press, USA. [10] Akkaya AV. Performance analysis of solid oxide fuel cell based energy generation systems with alternative criteria. PhD Thesis. Yildiz Technical University, Turkey, [11] Akkaya A.V. Electrochemical model for performance analysis of a tubular SOFC. Int J Energy Res 2007; 31: [12] Akkaya A.V, Sahin B, Erdem H.H. Exergetic performance analysis of a simple fuel cell system. International Journal of Hydrogen Energy

116 5 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 09), May 13-15, 2009, Karabuk, Turkey ENERGY CONTENT ESTIMATION OF MUNICIPAL SOLID WASTE BY MULTIPLE REGRESSION ANALYSIS Ebru AKKAYA a, *, Ahmet DEMIR b a, * Yildiz Technical University, Istanbul, Turkey, b Yildiz Technical University, Istanbul, Turkey, Abstract Municipal solid waste (MSW) is produced and accumulated due to human activities. The waste will bring about severe ecological contamination unless an appropriate solid waste management system is applied. In this context, it is reasonable to recover energy from municipal solid waste through a variety of processes such as combustion, pyrolysis and gasification. In the design of these processes, it is important to estimation the energy content of municipal solid waste in order to achieve optimal system performance. Therefore, in this study, a model for estimation of municipal solid waste energy content is developed using input parameters of the municipal solid waste compositions. Based on the results of regression analysis, the coefficients of the model equation are determined. As a conclusion, it is seen that that the developed model in this study can give accurate prediction of municipal solid waste energy content. Keywords: Municipal solid waste, Energy content, Regression analysis 1. Introduction Due to human activities in the cities municipal solid waste (MSW) is produced which may result in various environmental problems [1,2]. Application of a convenient management for municipal solid waste is therefore critical to achieve sustainable living conditions. In this context, landfilling is a widespread method in the world for disposal of municipal solid waste. Although landfilling method has capability to control the wastes, there are several disadvantages such as hazardous gas emissions and leachate production arisen from landfilled wastes [1,2]. In addition, finding lanfilling areas is another important difficulty. For these reasons, it is necessity to consider alternative municipal solid waste management strategies. Municipal solid wastes, collected continuously from cities, have recently thought as one of the important renewable energy resources. Recovering energy from municipal solid waste is feasible by means of a number of energy generation processes such as combustion, pyrolysis and gasification [1]. Design and operation of the mentioned energy systems based on municipal solid waste are highly related to heating value of the used municipal solid waste materials. Thus, determining heating value of municipal solid waste is a key work to perform the efficient design and operation of the waste to energy conversion based technologies. and manual laboratory work. In this situation, model development for accurate estimation of heating value has become a necessity in order to not only save the time but also decrease the cost in the design and operation of the municipal solid waste based engineering application. For these reasons, there are a number of multiple regression modeling studies in the literature for predicting heating value from physical content, proximate analysis and ultimate analysis of municipal solid waste [3-9]. The aim of this work is to develop an empirical model for estimation of energy content, which is represented by higher heating value, of municipal solid waste using their contents of water, carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, and sulfur. In order to find the equation coefficients of the developed model equation, the method of multiple nonlinear regression analysis has been used. The development phases of the model equation have been presented. The prediction performances of the developed model have been evaluated by means of regression and error analyses. 2. Heating value estimation approach 2.1. Characteristics of municipal solid waste data The data of 100 different waste samples, taken from the study of Meraz et al. [10], are considered to develop an empirical model in this work. The major categories of the waste samples involve food, paper, plastics, textiles, wood, yard, glass, metals, ash, rock, and dirt. In this study, the ultimate analysis components such as carbon (C), hydrogen (H), nitrogen (N), oxygen (O), sulfur (S) (mass percentages on a dry basis), and water content (H 2O, mass percentages as discarded) are used as input variables. Experimental higher heating values (MJ/kg) are taken into account as output (target) variable in the empirical model development. The data ranges and statistical analysis of both ultimate analysis and HHV of the considered samples are given in Table 1. Usually, the heating value is experimentally determined by a bomb calorimeter. However, determination of heating values by calorimetric methods requires time-consuming IATS 09, Karabük University, Karabük, Turkey 1798

117 Akkaya, E. and Demir, A. Table 1 Data statistics of the model variables Data statistics Variables Min Max Average Std.Dev. n 1 AAE = Y a Y p n i= 1 (3) Input variables H 2O (%) C (%) H (%) O (%) N (%) S (%) Output variables HHV (MJ/kg) Method of multiple regression analysis The method of multiple regression analysis has been used for higher heating value estimation of municipal solid waste based materials. This method assists us in modeling the relationship between two or more input variables and a target variable by fitting an equation to the observed data [11]. Each independent (input) variable (x) is related to a value of the dependent variable (Y). The fundamental equation for the multiple regression for observation is given as following [11]: Y = a + b x1 + c x2 + L+ z x p + β (1) where a, b, c and z are the regression coefficient. The best possible values of the regression coefficients in the equation are determined by the Levenberg Marquardt method with double precision. In this work, the investigated equation for higher heating value estimation of municipal solid waste is given as following: x1 Y = 1 ( a x2 + b x3 + c x4 + d x5 + e x6 ) (2) 100 where, x 1, x 2, x 3, x 4, x 5 and x 6 represent water (H2O), carbon (C), hydrogen (H), nitrogen (N), oxygen (O), sulfur (S) Performance Criteria The fitting performance of the considered equation are assessed with four statistical criteria, average absolute error (AAE), sum of square error (SSE), standard error of the estimate (SEE) and coefficient of multiple determination (R 2 ). Average absolute error can be expressed as following: where, Y a and Y p denote actual data point and predicted values, respectively. n represents the number of data points. Sum of square error can be given as following equations: n SSE = ( Y a Y p ) i= 1 2 Standard error of the estimate can be written as below: SEE = n ( Ya Yp ) i=1 n p 2 where, p is number of parameters in the regression model. Coefficient of multiple determination can be expressed as follows: R 2 i= 1 = n n ( Yp Y ) ( Ya Y ) i= where, Y is the arithmetic mean of the observed data. 3. Results and discussion Multiple nonlinear regression analysis is carried out for the considered equation structure using DataFit scientific software [12]. The values of the regression coefficient are given in Table 2. Table 2. Regression coefficient results Variable Value Stand. Error t-ratio Prob(t) a 0, ,90E-02 17, b 1, ,40E-01 8, c -0, ,75E-03-10, d -2,60E-01 8,39E-02-3, ,00252 e 0, ,20E-01 0, ,81588 According to these regression coefficient values, the obtained equation for HHV prediction can be formed as following: (4) (5) (6) 1799

118 Akkaya, E. and Demir, A. + x = x x x4 Y 1 (7) x x6 When the estimation model variables are written, the final structure of the model equation can be expressed as follows: + H = 2O 0.327C 1.241H 0.089O HHV N S (8) In Table 3, the results of performance criteria such as average absolute error (AAE), sum of square error (SSE), standard error of the estimate (SEE) and coefficient of multiple determination (R 2 ) are summarized. Figure 1 gives the coefficient of multiple determination of the model equation. It is seen from Figure 1 that the considered model equation gives coefficient of multiple determination (R 2 ) as These results show that the regression between the considered model outputs and corresponding targets (actual higher heating values) has been showed to be acceptable with a high correlation. Figure 2. Comparison of actual higher heating values with those estimated by the model equation Figure 2 demonstrates the graphical of the model equation estimation outputs plotted versus the actual higher heating value data. Figure 3 shows the residuals between model prediction results and the corresponding actual data for all considered municipal solid waste based material samples. These obtained results indicate clearly the agreement between model outputs and actual higher heating values. Thus, it can be said that the developed model can be excellently used to estimate higher heating values of municipal solid waste based materials. Predicted HHV ( MJ/kg) y = 0,9954x R 2 = 0, Actual HHV ( MJ/kg) Figure 1. Correlation between the actual and estimated higher heating values of MSW Figure 3. Residual errors between actual and estimated higher heating values Table 3. Detailed descriptive statics of the model equation results Residual statistics Value Average Absolute Error (AAE) Sum of Square Error (SSE) Standard Error of the Estimate (SEE) Coefficient of Multiple Determination (R 2 ) Especially, this model may allow the engineer to take some measures to overcome possible process upsets caused by unpredicted changes in the incoming municipal solid waste conditions in the design and operation of municipal solid waste based energy production systems. Using the model equation predictions, pre-treatments for related applications can also be used to maintain good process performance during the abnormal periods. 1800

119 Akkaya, E. and Demir, A. 4. Conclusions The estimation of the energy content of municipal solid waste can be practical interest in the design and operation of the related energy conversion systems. Model development for accurate estimation of heating value is a necessity in order to not only save the time but also decrease the cost in the design and operation of municipal solid waste based engineering application. In this article, a multiple regression analysis based model has been developed to estimate the higher heating value of municipal solid waste using their contents of water, carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen and sulfur. The results of this study show that the developed model equation shows high estimation performance. The coefficient of multiple determinations (R 2 ) between actual and estimated higher heating value has been found as In addition, the average absolute error of the model results has been about 0.73 MJ/kg. It can be concluded from this study results that the developed model equation is a good heating value predictor tool for municipal solid waste based materials. [9] Chang Y.F., Lin C.J., Chyan J.M., Chen I.M., Chang J.E Multiple regression models for the lower heating value of municipal solid waste in Taiwan. Journal of Environmental Management 85: [10] Meraz A., Dominguez A., Kornhauser I., Rosas F A thermochemical concept-based equation to estimate waste combustion enthalpy from elemental composition. Fuel 82: [11] Majumder A.K, Jain R., Banerjee P., Barnwal J.P., Development of a new proximate analysis based correlation to predict calorific value of coal, Fuel 87 (2008) [12]DataFit scientific software, Oakdale Engineering, PA, USA. The equation obtained from this study will provide a new reference for other studies related to determination of higher heating value of municipal solid waste, and be helpful for engineers and researchers associated with MSW fuelled energy conversion systems. References [1] Dong C., Jin B., Li D Predicting the heating value of MSW with a feed forward neural network. Waste Management 23: Abu-Qudais M, Abu- Qdais H.A Energy content of municipal solid waste in Jordan and its potential utilization. Energy Conversion & Management 41: [2] Shu H-Y, Lu H-C, Fan H-J, Chang M-C; Chen J-C Prediction for energy content of Taiwan municipal solid waste using multilayer perceptron neural networks. Journal of the Air & Waste Management Association 56(6): [3] Wilson D.L Prediction of heat of combustion of solid wastes from ultimate analysis. Environmental Science & Technology 6 (13): [4] Khan A.M.Z., Abu Ghrarah Z.H New approach for estimating energy content of municipal solid waste. Journal of Environmental Engineering 117(3): [5] Liu J.I., Paod R.D., Holsen T.M Modelling the energy content of municipal solid waste using multiple regression analyses. Journal of the Air & Waste Management Association 46 (7): [6] Cooper C.D., Kim B., MacDonald J Estimating the lower heating values of hazardous and solid wastes. J. Air & Waste Manage. Assoc. 49: [7] Abu-Qudais M, Abu-Qdais H.A Energy content of municipal solid waste in Jordan and its potential utilization. Energy Conversion & Management 41: [8] Kathiravale S., Ynus M.N.M., Samsuddin H.A., Rahman A.R., Modelling the heating value of municipal solid waste. Fuel 82:

120 5 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 09), May 13-15, 2009, Karabuk, Turkey COMPUTER-AIDED DESIGN AND PERFORMANCE ANALYSIS OF HAWT BLADES Emrah KULUNK a, * and Nadir YILMAZ b a, * New Mexico Institute of Mining and Technology, Socorro, USA, b New Mexico Institute of Mining and Technology, Socorro, USA, Abstract In this paper, a design method based on blade element momentum (BEM) theory is explained for horizontal-axis wind turbine (HAWT) blades. The method is used to optimize the chord and twist distributions of the blades. Applying this method a 100kW HAWT rotor is designed. Also a computer program is written to estimate the aerodynamic performance of the existing HAWT blades and used for the performance analysis of the designed 100kW HAWT rotor. Keywords: HAWT Design, Blade Element Momentum Theory, Wind Energy, Aerodynamics Nomenclature : Power coefficient of wind turbine rotor : Thrust coefficient of wind turbine rotor : Local thrust coef. of each annular rotor section P: Power output from wind turbine rotor : Air mass flow rate through rotor plane : Free stream velocity of wind : Relative wind velocity : Uniform wind velocity at rotor plane A : Area of wind turbine rotor R : Radius of wind turbine rotor r : Radial coordinate at rotor plane : Blade radius for the i th blade element p : Pressure drop across rotor plane : Bernoulli s constant T : rotor thrust Q : rotor torque : Drag force on an annular blade element : Lift force on an annular blade element : Drag coefficient of an airfoil : Lift coefficient of an airfoil : Tip-loss factor : Tip-loss factor for the i th blade element N : Number of blade elements B : Number of blades of a rotor a : Axial induction factor at rotor plane a : Angular induction factor λ : Tip-speed ratio of rotor : Design tip-speed ratio : Local tip-speed ratio : Local tip-speed ratio for the i th blade element :: Blade chord length for the i th blade element ρ : Air density Ω : Angular velocity of wind turbine rotor α : Angle of attack : Pitch angle for the i th blade element : Optimum relative wind angle for the i th blade element σ: Solidity ratio ν: Kinematic viscosity of air γ: Glide ratio Re: Reynolds number HAWT: Horizontal-axis wind turbine BEM: Blade element momentum 1. Introduction The objectives of this study are to develop a method using BEM theory for aerodynamic design of the HAWT blades and performance analysis of the existing blades, also to build a computer program using this method and to design a 100kW HAWT rotor performing the program, finally to determine the aerodynamic characteristics and to create the performance curves of the designed rotor. The scope of the study is restricted to aerodynamics of HAWTs, blade design procedure for an optimum rotor using BEM theory and performance analysis of the designed rotor. 2. Blade Design Procedure BEM theory refers to the determination of a wind turbine blade performance by combining the equations of general momentum theory and blade element theory. At the tip of the turbine blade losses are introduced. These can be accounted for in BEM theory by means of a correction factor, which varies from 0 to 1 and characterizes the reduction in forces along the blade. An approximate method of estimating the effect of tip losses has been given by L. Prandtl and the expression obtained by Prandtl for tip-loss factor is given by the following equation [1] The application of this equation for the losses at the blade tips is to provide an approximate correction to the system of equations for predicting rotor performance and blade design. Carrying the tip-loss factor through the calculations, the changes will be as following: (1) (2) (3) IATS 09, Karabük University, Karabük, Turkey 1802

121 Kulunk, E. and Yilmaz, N. (4) (5) (6) Dividing the blade length into N elements, the local tipspeed ratio for each blade element can then be calculated as (12) Then rewriting the equation 11 for each blade element gives (13) Also the tip loss correction factor for each element can be calculated as (7) (14) Chord-length distribution can then be calculated for each blade element by using the equation below [1] (8) (15) The aerodynamic design of optimum rotor blades from a known airfoil type means determining the geometric parameters such as chord length distribution and twist distribution along the blade length for a certain tip-speed ratio at which the power coefficient of the rotor is maximum. For this reason firstly the change of the power coefficient of the rotor with respect to tip-speed ratio should be figured out in order to determine the design tipspeed ratio, corresponding to which the rotor has a maximum power coefficient. The blade design parameters will then be according to this design tip-speed ratio. Examining the plots between relative wind angle and local tip-speed ratio for a wide range of glide ratios gives us a unique relationship when the maximum elemental power coefficient is considered. And this relationship can be found to be nearly independent of glide ratio and tip-loss factor. Therefore a general relationship can be obtained between optimum relative wind angle and local tip-speed ratio which will be applicable for any airfoil type. Equation 10 reveals after some algebra [2]; (9) (10) (11) Having found the solution of determining the optimum relative wind angle for a certain local tip-speed ratio, the rest is nothing but to apply the equations from equation 6 to 9, which were derived from the blade-element momentum theory and modified including the tip loss factor, to define the blade shape and to find out the maximum power coefficient for a selected airfoil type. where is chosen such that the glide ratio is minimum at each blade element. The twist distribution can easily be determined by using equation 16. where is obtained. (16) is again the design angle of attack at which Now the parameters such as chord-length and twist distribution along the blade length are known and in this case lift coefficient and angle of attack have to be determined from the known blade geometry parameters. This requires an iterative solution in which for each blade element the axial and angular induction factors are firstly taken as the values which were found for the corresponding designed blade elements and then determined within an acceptable tolerance of the previous guesses of induction factors during iteration. Applying the design procedure explained a computer program is written to design new blades and to estimate the aerodynamic performance of the existing blades. A detailed flow chart of the program is given in Figure Results The geometry and configuration of the designed rotor is summarized in Table 1. As it can be seen clearly from Table 1 the rotor employs an NREL S809 airfoil profile at inboard, mid-span and outboard stations of the blades. The S809 profile is also uniquely defined by its coordinates which appear in Table 2 below and also shown graphically in Figure 2. Lift and Drag coefficients for S809 aerofoil are shown in Figure 3. This plot shows that for low values of angle of attack the aerofoil successfully produces a large amount of lift with little drag. At around α = 16 a phenomenon known 1803

122 Kulunk, E. and Yilmaz, N. as stall occurs where there is a massive increase in drag and a sharp reduction in lift. Figure 1. Computer Program Flow Chart Also the variation of glide ratio of S809 airfoil with different angle of attacks is illustrated in Figure 4. As it is stated before, there is clearly a significant reduction in maximum achievable power as the airfoil drag increases. Since it clearly benefits the blade designer to use or design airfoils with low glide ratio, α and values which corresponds to the minimum glide ratio is chosen as and using the airfoil data file. Table 1 Properties of the Designed Blades Property Value Blade Length (m) Hub Radius (m) Tip Radius (m) Total Blade Twist Angle 6.82 deg Operational Pitch Setting -1.0 deg Tested Rotational Speed rpm Blade Coning Angle 7.00 deg Root (inboard) Airfoil S809 Mid-span Airfoil S809 Tip (outboard) Airfoil S809 Maximum Chord (m) Maximum Chord Station (m) Tip Chord (m) Root Chord (m) Number of Blades 3 Rotor Radius (m) Hub Radius (m) Pre-cone Angle (deg) 6.0 Shaft Tilt Angle (deg) 0.0 Hub Height (m)

123 Kulunk, E. and Yilmaz, N. Figure 2. S809 Aerofoil [3] Table 2 Coordinates of the S809 Airfoil [2] Upper Surface Lower Surface x/c y/c x/c y/c Figure 3. Lift and Drag Coefficients for S809 Aerofoil Table 3 contains the local twist distribution and chord distribution schedules for the designed rotor blades. Also the twist and chord distribution schedules are presented graphically in Figure 5 and 6 respectively. Figure 4. Glide Ratio vs. α for S809 Aerofoil Table 3 Geometric properties of the designed blades r/r Station twist chord [m] [deg] [m] c/r

124 Kulunk, E. and Yilmaz, N Figure 7. Power vs. Wind Speed for the Designed Rotor Figure 5. Twist Angle Distribution of the Designed Blades Figure 8. vs. Wind Speed for the Designed Rotor Figure 6. Chord-Length Distribution of the designed blades The change of the performance parameters of the designed rotor such as power, bending moment, thrust with respect to the wind speed is given in Figure 7, Figure 8, Figure 9 and Figure 10 respectively. As it can be seen from the figures the analysis has been repeated for different values of the pitch angle at the rotational speed of 70 rpm. Figure 9. Bending Moment vs. Wind Speed for the Designed Rotor 1806

125 Kulunk, E. and Yilmaz, N. Figure 10. Thrust vs. Wind Speed for the Designed Rotor Also the 3-D views of the designed blades and rotor are given in the Figure 11, 12, 13 and Figure 14, 15 respectively. The dimensions and the geometric properties with the configuration of the rotor are given in Table 1 and Table 3. Figure 14. 3D View of the Designed Rotor Figure 11. Views of Blade Elements from Root towards Tip REFERENCES Figure 15. Side View of the Designed Rotor Figure 12. 3D View of the Designed Blade [1] Burton, T. and Sharpe, D., Wind Energy Handbook. John Wiley & Sons Ltd, Chichester, [2] Hau, E., Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Krailling, Springer, [3] Bertagnolio, F., Niels Sorensen, N., Johansen, J. Fuglsang, P., Wind Turbine Airfoil Catalogue. Riso National Laboratory, Roskilde, Figure 13. 3D view of the designed blade 1807

126 5 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 09), May 13-15, 2009, Karabuk, Turkey AN INVESTIGATION OF TRANSONIC FLOW OVER AXISYMMETRIC RIGID BODY İbrahim TÜRKYILMAZ a, * a, * Çanakkale Onsekiz Mart University, Çanakkale, Turkey, Abstract The main purpose of this study is to investigate transonic flow over an axisymmetric rigid body of revolution using matched asymptotic theory of high Reynolds number flow. To achieve this goal, triple-deck structure was constructed over the rigid body. It is found that in the axisymmetric transonic flow the interaction region is governed by the viscous-inviscid interaction process and the properties of the flow field was studied in detail using asymptotic expansions. It was found that the flow in the interaction region is governed by the Karman-Guderley equation in the axisymmetric form and Prandtl boundary layer equations. As a result, the coupled governing equations of the interaction region were solved using a semi direct numerical method considering proper boundary conditions. Numerical results imply that incipience of separation may appear over the axisymmetric rigid body subject to body shape and transonic axisymmetric nature makes the flow much less prone to separation. Keywords: Boundary Layer Separation, Transonic Flow, Asymptotic Analysis. 1. Introduction The analysis of high Reynolds number laminar flow considering viscous-inviscid interaction processes has been one of the fundamental concepts in fluid dynamics over the past four decades (see, [1]). After the discovery of the matched asymptotic theory, understanding of such fluid phenomena has been presented in a well mannered way by [2]. In particular, by the help of this theory it was shown that an interacting laminar boundary layer locally generates a multilayered asymptotic structure, such as a triple-deck one (see [3], [4], [5], [6], [7]). It was reported that viscous effects are of importance only inside a narrow region adjacent to the body surface called sublayer where the flow is governed by the Prandtl boundary layer equations. Additionally, constructing the interaction, the pressure distribution was related to the displacement effects. Most studies of local interaction problems have dealt with two-dimensional flow field considering complicated pressure-displacement relationship (see [8], [9], [10]). Numerical solution of the interaction problem firstly appeared in the work of [11] and the numerical solution of the unsteady interaction problem for the supersonic flow separation was given by [12]. In order to consider some of three dimensional effects, axisymmetric flows can be studied to yield certain characteristics of the flow field. The characteristics of laminar boundary layer over axisymmetric body of revolution in a supersonic flow when body radius is of the 3 8 order Re / were studied by [13]. It was found that the governing equations of the flow field inside the boundary layer are of the same form as in the two dimensional case to the leading order. The axisymmetric characteristics of the flow appeared in the relationship between the induced pressure distribution and the displacement thickness. As a result of this analysis, they showed that the size of interaction region decreases as the body radius decreases, and in fact it vanishes using their scaling. They also presented that the pressure goes to zero far downstream, in contrast with two dimensional cases. In addition, the numerical computations show that for compressive interactions, the incipient separation angle is significantly bigger for the flared cone than for the ramp problem. In the work of [16], freely-interacting boundary layers on axisymmetric bodies were studied for different values of the scaled body radius. It was found that compressive free interactions were initiated by imposing a small positive disturbance on the incoming boundary layer. The resulting solutions were summarized by an increase in pressure and a decrease in skin friction in the direction of the flow which ultimately causes boundary layer separation. It was also found that for all cases under their consideration, continuation of the solutions beyond the separation point showed the formation of a plateau region with the pressure becoming constant and skin friction approaching zero which is similar to that found in the two dimensional case. For expansive free interactions, it was demonstrated that characteristics of the flow field are exactly the same in the two dimensional case to leading order. In most of the works mentioned above, it has been considered that the external flow field is either supersonic or subsonic. In contrast to previous works, in the current work we have considered transonic external flow over a axisymmetric body of revolution. Using the matched asymptotic expansions, we studied the boundary layer separation for different values of the shape parameter. It was found that the axisymmetric flow field has a triple-deck structure in which the interaction process is generated by viscous sublayer and transonic inviscid external flow, while main-deck plays a passive role as in the two dimensional case. In contrast to the supersonic and subsonic cases, for the transonic interaction problem it is not possible to find an interaction law between pressure and displacement effects. As a result, in order to describe the interaction problem, the governing equations obtained from sublayer and external flow, namely Prandtl equations and Karman- Guderley equation in the axisymmetric form, respectively, have to be coupled. These coupled governing equations were solved using a semi-direct method described by [15] subject to proper boundary conditions. The results exhibit the generation of the boundary layer separation for axisymmetric body of revolutions subject to certain values of the shape parameter. Since the boundary layer is considered over the axisymmetric rigid body surface under the assumption that IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1808

127 Turkyılmaz, I. the external flow exhibits real transonic flow characteristics, it is convenient to introduce cylindrical polar coordinates x%, r% as indicated in Figure 1. The corresponding velocity components are u%, v%. In this work, the radius of the axisymmetric rigid body a% is assumed to be of the same order of the lower deck, that yields a% 1/ 5 a = and a = Re a L where a denotes the nondimensional radius of the axisymmetric rigid body. Figure 1 Boundary layer flow past an axisymmetric rigid body. Furthermore, p%, % ρ, % ν, L % and r % b( x% ) denote, respectively, the pressure, the density, the kinematic viscosity, the length of body and the local radius of body. Nondimensional quantities may be defined as follows: x% r% v% u% x =, r =, v =, u =, L% L% U% U% % ρ p% p% % µ h% ρ =, p =, µ =, h =, U% U% U% U% 2 2 % ρ where the subscript is used to characterize the freestream values of the velocity and pressure at large distance from the body. Non-dimensional equations, e.g. the axisymmetric version of the Navier-Stokes equations for the compressible fluid, are in the form of 1 ( ρu) + ( ρrv) = 0 x r r (2) u u p 1 1 v u ρ u + v = rµ ( ) x r x Re r r + x r u 2 1 u + µ (2 ( ( rv) + )) x x 3 r r x v v p 1 u v ρ u + v = ( ) x r r Re x µ + r x 1 v 2 1 u + rµ (2 ( ( rv) + )) r r r 3 r r x (1) (3) (4) h h p p ρ u + v = u + v x r x r u v v + µ Re x x r (5) u 2 v 2 1 u v 2 v µ ( ) + ( ) + ( + ) + ( ) x r 2 r x r 1 h h µ h + ( µ ) ( µ ) Pr + + x x r r r r where the Reynolds number is Re = ρ U% L% / µ and Prandtl number is Pr = Cp µ / k where C p is the specific heat and k is the thermal conductivity and enthalpy h may be written as 1 γ p h = + (6) 2 ( γ 1) M ρ γ 1 ρ Equations (2) to (5) have to be supplemented with the boundary conditions u = v = 0, on r = F( x), u 1, p 0, for r, for all x expressing the no-slip condition on the body surface and the requirements that the velocity and pressure disturbances vanish at large distance from the body. 2. Analysis of the Triple-Deck Structure Asymptotic analysis of the Navier-Stokes equations was fulfilled using the scalings obtained from the so-called inspection analysis given by [15]. Asymptotic form of the gas dynamics functions is given in detail as follows. Substitution of these forms into the Navier-Stokes equations and making proper simplifications leads to the interaction problem. For the full description of the interaction problem, one needs to consider corresponding boundary conditions deduced from the characteristics of the flow field Analysis of the Lower Deck Asymptotic analysis of the Navier-Stokes equations in the lower deck (namely, viscous sublayer) may be dealt with the following limit procedure as Re 3/ 10 1/ 5 3/ 5 x Re X r Re a Re R 1 =, = +. Gas dynamics functions may be represented in this region by the asymptotic expansions 1/ 10 u( x, r) = Re U1( X, R1 ) + L, ρ( x, r) = ρ1( X, R1 ) + L, 2/ 5 v( x, r) = Re V1 ( X, R1 ) + L, µ ( x, r) = µ 1( X, R1 ) + L. (8) 1/ 5 p( x, r) = Re P( X, R1 ) + L, h( x, r) = h1 ( X, R1 ) + L, 2.2. Analysis of the Main-Deck Asymptotic analysis of the Navier-Stokes equations in the main part of the boundary layer is based on the following limit procedure as Re =, = + (9) x Re 3/ 10 X r Re 1/ 5 a Re 1/ 2 R. 2 (7) 1809

128 Turkyılmaz, I. The asymptotic solution of the Navier-Stokes equations in the main part of the boundary layer may be written in the following form u( x, r) = U ( R ) + Re U ( X, R ) + L, 3 10 v( x, r) = Re V ( X, R ) + L, , =, 2 + L, L p( x r) Re P( X R ) ρ( x, r) = ρ + Re ρ ( X, R ) +, 1 10 h( x, r) = h20 ( R2 ) + Re h21( X, R2 ) + L, 1 10 µ ( x, r) = µ 20 + Re µ 21( X, R2 ) + L Analysis of the Upper-Deck In this region, according to the triple-deck theory, the flow field is assumed to be inviscid and irrotational. Asymptotic analysis of the Navier-Stokes equations may be fulfilled based on the following limit procedure as Re x = Re X, r = Re ( a + Y ) = Re R. (10) 3/ 10 1/ 5 1/ 5 3 Gas dynamics functions may be represented in the following asymptotic form u( x, r) = 1+ Re U + Re U + L, v( x, r) = Re V + L, p( x, r) = Re P + Re P + L ρ( x, r) = 1+ Re ρ + Re ρ + L, h( x, r) = + Re h1 + Re h2 + L. γ 1 3. Formulation of the Interaction Problem After the analysis of the triple-deck structure, the flow field over axisymmetric body of revolution is governed by the interaction between viscous sublayer and external inviscid axisymmetric transonic flow. The intermediate layer lying between viscous sublayer and external inviscid flow plays a passive role in the interaction process as was in the two dimensional case. It simply transmits the streamline slope angle generated in the viscous sublayer to the external inviscid flow region, and also transmits the pressure generated in the external flow region to the viscous sublayer without causing any change. Since the axisymmetric Karman-Guderley equation governing the inviscid external flow is not linear, it may not be possible to drive a simple interaction law as was in the case of subsonic and supersonic flows or in the work of [16] corresponding to supercritical flows. However, we can solve the Prandtl equations with the corresponding boundary conditions for the viscous sublayer, and the Karman-Guderley equations for the inviscid external part of the triple-deck separately for a given displacement function to calculate the pressure at each part as given by [15]. After that, the displacement function can be corrected using generalized Newton-Raphson method in order to adjust pressure distributions in the inviscid and viscous parts of the flow field. It is convenient to scale out the constants λ, ρ 1, µ 1 from the interaction problem by using the affine transformations belove df = µ ρ λ, = µ ρ λ ( + ), 1/ 7 9/ 14 1/ 7 4/ 7 15/ 14 4/ 7 U1 1 1 U V1 1 1 V U dx P = µ ρ λ P, Y = µ ρ λ ( y + f ( x)), 2/ 7 2/ 7 2/ 7 1/ 7 9/ 14 8/ U = µ ρ λ U, A = µ ρ λ ( A f ( x)), 2/ 7 2/ 7 2/ 7 1/ 7 9/ 14 1/ V = µ ρ λ V, f ( X ) = µ ρ λ f ( x). 3/ 7 3/ 7 3/ 7 1/ 7 9/ 14 8/ X = µ ρ λ x, Y = µ ρ λ y, 2/ 7 3/ 14 5/ 7 4/ 7 1/ 14 3/ As a result, transonic viscous-inviscid interaction problem takes the following canonical form. For the viscous sublayer, we have U 2 U U P U + V = +, 2 x y x y U V + = 0 x y which should be solved with the boundary conditions U = y + L at x, U = y + A( x) + L at y, U = V = 0 at y = 0. (11) (12) For the inviscid external flow U V V ( γ + 1) U + + = 0, x y y (13) U V = 0, y x and corresponding boundary conditions at y = 0 are P = U, V = A ( x) + f ( x) + L and in the far field, disturbances diminish, thus we have (14) 2 2 U = V = 0 as x + y. (15) Taking the second equation in (14) into consideration, the function of f ( x ) represents the shape of the axisymmetric rigid body. In order to avoid the occurrence of numerical difficulties in the interaction problem, it is convenient to choose f ( x ) to be 2 2 f ( x) = β ( x + x + α ). (16) In equation (16), α is the smoothing parameter and chosen to be 0.5 for the numerical calculations. The flow characteristics for different axisymmetric rigid bodies may be investigated choosing the corresponding values of f ( x ). In equation (16), β is considered to be a shape parameter for the axisymmetric body under consideration. 4. Numerical Results and Discussion Numerical solution of the interaction problem may be obtained using semi-direct method. This method is mesh independent and validated for the different values of the parameters of the interaction problem. The details of this method are given by [15]. Numerical calculations have been initialized from the relatively small values of the 1810

129 Turkyılmaz, I. shape parameter. Uniform flow properties have been applied as initial values of the unknown quantities. Converged solutions of the interaction problem have been used as an initial value for the subsequent iterations. The numerical procedure has been repeated several times to get converged solution for different values of the shape parameter. Three or four iterations are enough for the converged solutions at each iteration. The results show that incipient separation may appear in the axisymmetric transonic flow when the shape parameter becomes approximately Minimum skin friction distribution for the various values of the shape parameter is presented in Figure 2. It can be seen that axisymmetric flows are much less prone to separation comparing with the result of our work and the work which was presented for the two dimensional case by [15]. Figure 4 The skin friction distribution. The results demonstrate that the flow decelerates before x = 0 and then increases as the shape parameter increases. The skin friction, τ ( x) = u / y at y = 0, first decreases and then increases. Minimum values of the skin friction are obtained just before x = 0 and then rapid increase has been observed. For the far downstream skin friction tries to store unperturbed value τ = 1. Nevertheless the results show that skin friction takes nonzero values at the far downstream. After the separation, reattachment of the separated streamline has been observed in the boundary layer, see Figure 3 and 5. Maximum values of the skin friction are observed nearby x = 2 after downstream of the separation region. Figure 2 Minimum values of the skin friction for different values of the shape parameter. In Figure 3, the recirculation region appearing in the flow field is smaller than one in two dimensional cases given by [15]. The pressure distribution indicates that the flow is subcritical (slightly less than speed of sound) over the axisymmetric rigid body according to the linearized Bernoulli equation (see, Figure 4). The distribution of the displacement function is given in Figure 6. Figure 5 The skin friction distribution. Figure 3 The streamline pattern of a flow separation. Using the semi-direct method proposed by [15] calculations inevitably become divergent as the recirculation region becomes sufficiently lager. Unfortunately we have not been able to obtain convergent numerical solutions for very high values of the shape parameter such as the values bigger than We think that there are two reasons behind this difficulty. The first, the solution of the axisymmetric transonic viscous-inviscid interaction problem is non-unique. The second, bigger 1811

130 Turkyılmaz, I. computational area is needed in order to get convergent calculations. Figure 6 The displacement function distribution. 5. Conclusion The detailed investigation of the interaction region using triple-deck theory has been presented for the transonic axisymmetric flow field. It is shown that the interaction process has been driven by the viscous-inviscid interactions as was in the two dimensional case given. However, in the upper-deck Karman-Guderley equation appears in the form of axisymmetric form which inevitably changes flow structure as opposed to the two dimensional case. The numerical solution of the interaction problem has been fulfilled using the semi-direct method. The results show that incipient separation has been observed for the high values of the shape parameter. As a conclusion, it is found that the transonic axisymmetric nature makes the flow much less prone to separation in contrast to supersonic case. Acknowledgements [6] V. Y. Neiland, The asymptotic theory of the interaction of a supersonic flow with a boundary layer, Fluid Dynamics 1971; 6 (4): [7] A. I. Ruban, On the theory of laminar flow separation of a fluid from a corner point on a solid surface, Uch. Zap. TsAGI 1976; 7 (4): [8] K. Stewartson, Multistructured boundary layers on flat plates and related bodies, Adv. Applied Mech. 1974; 14: [9] K. Stewartson, High Reynolds number flows, In Approximation Methods for Navier-Stokes Problems (Ed. R. Rautmann), Springer, [10] K. Stewartson, D Alambert s Paradox, SIAM Rev. 1981; 23: [11] R. Jenson, O. Burggraf, D. Rizzetta, Asymptotic solution for supersonic viscous flow past a compression corner, Lecture Notes in Physics 1975; 35: [12] A. I. Ruban, Numerical solution of the local asymptotic problem of the unsteady separation of a laminar boundary layer in a supersonic flow, USSR Comput. Math. and Math. Phys. 1978; 18 (5): [13] A. Kluwick, P. Gittler and R.J. Bodonyi, Viscousinviscid interactions on axisymmetric bodies of revolution in supersonic flow, J. Fluid Mech. 1984; 140: [14] A. Kluwick, P. Gittler and R.J. Bodonyi, Freely interacting axisymmetric boundary layers on bodies of revolution, Q. Jl. Mech. appl. Math. 1985; 38, Pt. 4: [15] I. Turkyilmaz, An investigation of separation near corner points in transonic flow, J. Fluid Mech. 2004; 508: [16] R. J. Bodonyi, Transonic laminar boundary-layer flow near convex corners, Q. J. Mech. Appl. Math. 1979; 32: [17] P. Gittler and A. Kluwick, Viscous-inviscid interactions on a slender axisymmetric trailing tip, Proc. R. Soc. Lond. A 1997; 453: The author thanks to the A.I. Ruban for his invaluable suggestions. Some part of this work has been generated in the short visit funded by Tubitak-Royal Society Scientific Exchange Programme to The University of Manchester, Department of Mathematics. The author gratefully acknowledges the hospitality of the department during his visit. References [1] V. V. Sychev, A. I. Ruban, Vic. V. Sychev, and G. L. Korolev, Asymptotic Theory of Separated Flows, Cambridge University Press, [2] M. Van Dyke, Perturbation methods in fluid dynamics, Academic Press, New York, [3] K. Stewartson and P.G. Williams, Self-induced separation, Proc. R. Soc. Lond. A 1969; 312 : [4] K. Stewartson, On the flow near the trailing edge of a flat plate II, Mathematika 16 (1969); [5] A.F. Messiter, Boundary layer flow near the trailing edge of a flat plate, SIAM J. Appl. Maths. 1970; 18:

131 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye METAN-HAVA JET ALEVLERİNDE SAYISAL SİMÜLASYON VE AKIŞ KARAKTERİSTİKLERİ NUMERICAL SIMULATION OF METHANE-AIR JET FLAMES AND FLOW CHARACTERISTICS M. A. YAVUZ a, * ve A. KODAL b Istanbul Technical University, Department of Aerospace Engineering, Istanbul, Turkey, E-posta: Özet Türbülans ve yanma akışlarında, en önemli amaç takip edilebilir derinlemesine teori veya model ile pratik öneme sahip büyüklüklerin hesaplanarak elde edilmesidir. Türbülans probleminin karmaşıklığı sebebiyle, türbülanslı akışlara hesaplamalı yaklaşımlar araştırma konusu olmuştur. Bu amaçla, Doğrudan Sayısal Simülasyon (Direct Numerical Simulation, DNS) metodu ile Navier- Stokes denklemlerinin akışa uygun başlangıç ve sınır şartlarında çözümü göz önüne alınmıştır. Son yıllarda, DNS metodunun türbülanslı, reaksiyonlu akışlara uygulaması çok önemli bir araştırma alanı olmuştur. DNS çalışmaları deney ile zor elde edilebilecek türbülans karakterini tamamlayıcı değerli bilgiler sunmuştur. Önkarışımsız metan-hava ayrık alev akışına DNS uygulamak için uygun reaksiyon içeren hareket denklemleri belirlenen model göz önüne alınarak çalışılmıştır. Çalışmalar başarılı bir şekilde tamamlanmıştır. Çalışma kapsamında bir ramjet motoru yanma odası basitçe modellenmiş, alev tutuculu ve tutucusuz durumlar dikkate alınmıştır. Yapılan çalışmalar ticari Fluent yazılımı ile karşılaştırılmış ve oldukça tatmin edici sonuçlar elde edilmiştir. Anahtar kelimeler: Yanma, türbülans, akış simülasyonu, alev-tutucu. Abstract Main purpose of a turbulent, combustion flow is to be able to calculate practical quantities either by theoretical pursuable deeply studies or modeling. Because of the complexity of the turbulent problem, computational approaches became a subject in turbulent flow. Therefore, Direct Numerical Simulation (DNS), employed to solve N-S equations with proper inlet and boundary conditions. Turbulent flow with reaction calculations by DNS method became an important research area of late years. DNS method serves up precious turbulent characteristic data, which can t be acquire easily from experiments. Applying DNS method to the non-premixed methane-air separated flame flow is studied with proper reaction included equation of motion model. And studies finished successfully. During the studies, RAMJET combustion chamber with and without flame-holder geometries simply analyzed. Self developed Fortran code had been compare with the commercial code FLUENT and result found satisfactory. Keywords: Combustion, turbulence, flow simulation, flame-holder. 1. Giriş Uçak motorlarında olan yanma olaylarının deneysel olarak incelenmesi zor ve pahalı bir problem teşkil etmektedir. Bilgisayar teknolojisinin gelişmesiyle sayısal hesaplama yöntemleri ivme kazanmıştır. Türbülanslı akışların Navier- Stokes denklemlerinin çözümünde değişik yeni sayısal teknikler geliştirilmiştir[1]. Bu yöntemlerin belli başlıları Büyük Ölçek Simülasyon yöntemi ( Large Eddy Simulation, LES), Doğrudan Sayısal Simülasyon yöntemi (Direct Numerical Simulation, DNS), Türbülas Viskozite modelleme yöntemleri, Olasılık Yoğunluk Fonksiyonu yöntemleri (Probability Density Function, PDF) sayılabilir. Bu çalışmada önkarışımlı metan-hava jet alev akışlarına DNS uygulamak için uygun reaksiyon içeren hareket denklemleri belirlenen model altında göz önüne alınarak DNS çalışması gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar ticari yazılımlar ile karşılaştırılmıştır. Deneysel çalışmalar ve karşılaştırmalar öne sürülen proje bütçesinin karşılanmaması nedeni ile iptal edilmiştir. 2. Literatür özeti DNS yöntemleri son yıllarda türbülans ve yanmanın birlikte göz önüne alındığı problemlere uygulanmış ve önemli katkılar elde edilmiştir [1-8]. Yanmanın içermediği türbülanslı akış deneysel verilerine analiz amaçlı faz ortalaması (phase averaging), uygun ortoganal ayrıklaştırma (POD) ve türbülans filtresi gibi değişik yöntemler bilinmektedir [9-15]. Jakirlic ve diğerleri [2] eksenel dönel sıkıştırılmış silindir içi akışlara DNS metodu uygulamış ve deney ile karşılaştırmışlardır. Veynante ve Vervisch [3] değişik türbülans modelleme ve sayısal yöntemleri hakkında detaylı bir çalışma sunmuşlardır. Echekki ve Chen [16] homojen olmayan hidrojen-hava karışımlarında kendiliğinden alevlenmeler için DNS çalışması gerçekleştirmişlerdir. Domingo ve diğerleri [4] kısmi önkarışımlı türbülans gaz sprey alev yanmalarının sıcak hava içerisinde stabilize olduğu şartlarda DNS analizi yapmışlardır. Hauguel ve diğerleri [17] önkarışımlı türbülanslı V-alevlerinde spektral ve sonlu fark methodlarının dahil edildiği DNS çalışması yapmışlardır. Laverdant ve Thevenin [18] DNS metodu ile Gaussian akustik dalga etkileşiminde türbülanslı önkarışımlı alevlerde inceleme yapmıştır. Sankaran ve Menon [19] üç boyutlu önkarışımlı alevlerin ince reaksiyon bölgesi için yanma alt-grid modellemesi yapmışlardır. Thevenin [20] üç boyutlu DNS çalışmasını yayılan türbülanslı metan alevleri için gerçekleştirmiştir. Vervisch ve Domingo [6] önkarışımlı türbülans alevlerinde sayısal simülasyonlarında iki yeni gelişmeyi rapor etmişlerdir. Hawkes ve Chen [21] önkarışımlı fakir metan-hava alevlerinde DNS ve gerilmeli IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1813

132 Yavuz, M.A. ve Kodal,A. laminer alev hesaplaması karşılaştırması yapmışlardır. Domingo ve Vervisch [5] kısmi önkarışımlı alevlerin türbülanslı dönel akışlar içinde yayılması hakkında DNS çalışması yapmışlardır. Sreedhara ve Huh [7] DNS ile reaksiyonlu ve reaksiyonsuz sprey türbülanslı akışlarında şartlı istatikleme gerçekleştirmiştir. Hilbert ve Thevenin [22] türbülanslı ön karışımsız hidrojen-hava alevlerinde diferansiyel difüzyonun maksimum alev sıcaklığına etkisini DNS yöntemiyle araştırmışlardır. Kodal [9] yeni bir ortogonal ayrıklaştırma yöntemini türbülanslı akışlar için geliştirmiştir. Brereton ve Kodal [10, 11] frekans bölgesinde filtreleme ile daimi olmayan türbülanslı akışların üçlü ayrıklaştırmasını yapmışlar ve bu filtrenin adaptifliğini irdelemişlerdir. Yilmaz ve Kodal [12] eş-eksenel jet akışlarında bir çok ayrıklaştırma yöntemini uygulamış ve karşılaştırmışlardır. Yilmaz ve Kodal [13] bir çok ayrıklaştırma yöntemi kullanarak zorlanmış türbülanslı jet akışlarındaki yapıları araştırmışlardır. Kodal ve diğerleri [14] türbülans filtresi ve uygun ortogonal ayrıklaştırma (Proper Orthogonal Decomposition, POD) yöntemi kullanarak CH 4-Hava ayrık düfüzyon alevlerinde çalışma yapmışlardır. Erdil ve Kodal [15] POD ve faz ortalaması yöntemlerini kullanarak içten yanmalı motorlarda piston geometrisinin etkisini incelemişlerdir. 3. Yöntem Sayısal çalışmaya tabi tutulacak hareket ve korunum denklemleri şu şekilde verilebilir: Kütle korunumu: Momentum korunumu: (1) (2). (6) Akı-vektör formülasyon denklemi çok basamaklı Runge- Kutta zamanı-adımı yöntemi (5 mertebe) ile doğrudan nümerik olarak çözülür. Bu amaçla akı-vektör formülasyon denklemindeki kısmi zaman türevi terimi denklemin sol tarafında ve diğer tüm terimler sağ tarafda toplanarak basit olarak şu şekilde yazılabilir: Sayısal çözümlerde uygulanan sonlu farklar ve aralıklar kararlılık, uygunluk ve yakınsama için çok önemlidir. Bu çalışmada türev hesaplamalarında merkezi farklar (central differencing) seçilmişdir ve bu sebeble sınır boylarında özel önlemler alınması gerekebilir. Bu takip edilecek nümerik yöntemin doğru sonuçlar verebilmesi için akış, ısı ve kimyasal reaksiyon modellerinde seçilen veya değişken parametrelerin (viskozite, ısı iletim, düfüzyon, enerji aktivasyon vb) aldığı değerler büyük öneme haizdir. Bir çok parametrenin etki etmesi ve olayın karmaşıklığı sebebiyle yapılan modelleme sonuçları doğrudan etkileyecektir. Bu çalışmada bir ramjet motoru yanma odası içi simülasyonu hedefi esas alındığı için seçilen model bu doğrultuda olunmuştur. Yatay x-ekseni ve düşey y-ekseni olarak alınırsa, y=0 hava ve önkarışımlı metan-hava jeti giriş bölgesi alınmıştır. Yanma odası genişliği L ve uzunluğu H olarak alınmış ve bir çok denemelerde L=H kabul edilmiştir. Yan kenarlar katı cisim sınır şartı olup x=0 ve x=l de hızlar sıfır olmaktadır. Alev tutuculu durumda yapılan çalışmalarda da, alev tutucu kenarlarında hızlar sıfır olmakta, ısı geçişi yönünden kısıt konmamaktadır. Dış akış sınır şartları y=h için lineer interpolasyon kullanarak verilmiş ve bu sayede gerçekçi olmayan sınır yığılmasının önüne geçilmiştir. (7) Toplam enerji: Bileşen korunumu: (3) Bu çalışmada teorik hava fazlası %20 kabul edilmiştir. Basit analiz için kimyasal reaksiyon tek basamaklı, metan gazının oksijen ile reaksiyonu sonucu oluşan karbondioksit ve su buharı olarak dikkate alınmıştır. Azot reaksiyonda inert davranarak reaksiyona iştirak etmemekte fakat sonuçları dolaylı olarak etkilemektedir. 4. Sayısal çalışmalar (k=1,...,n s) İdeal gaz denklemi: DNS metodunda kimyasal reaksiyon içeren Navier-Stokes denklemleri sonlu farklar yöntemi ile doğrudan iteratif çözümü gerçekleştirmek için denklemler konzervatif formda akı-vektör (flux vector) formülasyonunda yazılır. Takip edilecek nümerik yöntemin anlaşılması için reaksiyon olmadığı durumda basit formülasyon şu şekilde verilir: (4) (5) Geliştirilecek DNS yazılımına ışık tutması amacıyla ilk önce mevcut ticari yazılım ile ön sonuçlar elde edilmiştir. Bu amaçla İTÜ bilgisayar laboratuarlarında bulunan lisanslı FLUENT yazılım programı tercih edilmiştir. Metan-hava karışımı öngörülen deney düzeneği şartlarında alevtutuculu ve alev-tutucu olmadığı durumlar için FLUENT ile incelenmiştir. Çözümlerde basınç denklemini temel alan çözdürme metodu uygulanmıştır. İki boyutlu ve eksenelsimetrik çözümler (zamandan bağımsız ) implisit bir çözümdür. Gradyan seçeneği olarak Green-Gauss hücre temelli denklemi kullanılmıştır. Türbülans modeli olarak k-epsilon ( 2 denklemli) gerçeklenebilir geliştirilmiş duvar işlemleri (enhanced wall treatment) kullanılmaktadır. Viskoz ısınmalarının yok sayılamadığı bir çözüm yapılmıştır. 1814

133 Yavuz, M.A. ve Kodal,A. Frame Feb V4 V V1 Frame Feb V4 V V1 Frame Feb V4 V V1 Frame Feb V4 V V1 Şekil 1. Geliştirilen DNS programının vermiş olduğu hız vektör dağılımımları gelişimlerinin (solda) Fluent hız genlikleri grafikleri ile karşılaştırılması. 1815

134 Yavuz, M.A. ve Kodal,A Şekil 2. Sıcaklık dağılım gelişimlerinin DNS sonuçları

135 Yavuz, M.A. ve Kodal,A. Geliştirilen programın vermiş olduğu sonuçlar Fluent sonuçları ile karşılaştırılarak detaylı bir şekilde incelenmiştir. İlk olarak alev tutucunun ve kimyasal reaksiyonun olmadığı durumda akış gelişimi incelenmiştir. Şekil 1 de geliştirilen DNS programının vermiş olduğu hız vektör dağılımımları gelişimlerinin Fluent hız genlikleri grafikleri ile karşılaştırılması sunulmuştur. Şekilden görüleceği üzere geliştirilen program oldukça gerçekçi değerler vermektedir. Daha sonrasında kimyasal reaksiyonun olduğu durum incelenmiştir. Çizelge 1 de her iki metod için seçilen akış özellikleri örnek bir durum için verilmiştir. Birçok denemeler yapıldığı ve çeşitli akış durumları incelendiği için bazı parametreler akış durumuna göre değişiklik arzetmektedir. Şekil 2 de yanma durumunda sıcaklık dağılım gelişimlerinin DNS sonuçları verilmiştir. Sıcaklık ve diğer parametre değişimlerinin Fluent sonuçları ile büyük ölçüde örtüştüğü gözlemlenmiştir. Çizelge 1. DNS yöntemi ve Fluent te seçilen bazı özellikler. DNS FLUENT Jet Çıkış hızı (m/s) Giriş Hava hızı (m/s) Uzunluk (m) Dinamik vizkozite (Kg/ms) Zaman adımı R, gaz sabiti (J/kg. K) D, bileşen düfüzyon kats k, ısı iletim katsayısı (W/m.K) Cp, özgül ısı (J/KgK) Hava fazlası %20 %20 Yoğunluk (Kg/m 3 ) Hava Sıcaklığı (K) Türbülans şiddeti (intensity) Şekil 3. Sıcaklık dağılımları kontörlerinin alev tutucusu etrafında şekillenmesi Daha sonraki aşamada yanma ve alev tutuculu durumlarda hız, sıcaklık, yoğunluk, basınç ve bileşen kütle fraksiyonları incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Alev tutucunun geometrisi deneylerde yapılması planlanan kenarları tıraşlanmış üçgen şeklinde ve akış kesitinin yanma kararlılığı ve alev tutunması açısından olması gereken % kapsamasında alınmıştır. Kenarların tıraşlanmadığı saf üçgen durumunda yapılan çalışmalarda uç noktalarda akışın ani dönme gerçekleştirebilmek için aşırı hızlandığı ve bunun kararsızlıklara yol açtığı görülmüştür. Daha değişik alev tutucu durumları için arkası oyuk alev tutucu geometrilerinde de denemeler ve uygun çözümler elde edilmiştir. Değişik geometriler arasında en uygunu olarak kenarları tıraşlanmış üçgen geometrisi tercih edilmiştir. Şekil 3 te sıcaklık dağılımları konturlarının alev tutucusu etrafında şekillenmesi sunulmuştur Şekil 4 te alev tutuculu durumda yoğunluk değişimlerinin yaklaşık aynı şartlar altında çalışan Fluent sonucu ile karşılaştırılması verilmiştir. DNS programı kısa ve öz olması nedeniyle Fluent ticari yazılımına göre daha az parametre değerlerine gereksinim duymaktadır. Buna rağmen DNS programı çok daha yerel değişimleri yakalayabilmektedir. Şekil 4. Alev tutuculu durumda yoğunluk değişimlerinin Fluent sonucu ile karşılaştırılması. 1817

136 Yavuz, M.A. ve Kodal,A. Şekil 5 te 64x64 grid nodlarında zaman adımından sonra 0.01 saniyedeki akış hız dağılımı ve oluşan girdapların benzer şartlardaki Fluent sonucu ile karşılaştırılması sunulmuştur. DNS programında akım yönünde hücre Reynolds sayısı 38 alınmıştır, bu değerin kararlı çözüm açısından 40 dan küçük olması gerekmektedir. Hücre Reynolds sayısı Re H=ρV y/µ olarak tanımlanmıştır. Frame Feb değerleri oluşan reaksiyon ve ısı geçişi ile düzenli şekilde artmaktadır. Alev tutucunun gerisinde oluşan girdapla beraber kopma başlangıcı gözlemlenmektedir. Çözümde kullanılan bilgisayar kapasitesi daha iyi çözüm alınabilmesini sınırlamaktadır. Çözümde kullanılan grid sayısı arttıkça daha kaliteli sonuçlar alınabileceği aşikardır. Mevcut olanaklar altında grid sayısı artması ile çözümlerin nasıl değiştiği de incelemeye tabi tutulmuştur. Grid sayısının 128x128 olması durumunda alev tutucu aynı oranda büyütülmüş ve jet çıkış kesiti iki katına çıkartılmıştır. Seçilen grid sayısının artması ile daha hassas ve yoğun sonuçlar elde edilebileceği görülmüştür. V V1 V Şekil x128 grid DNS çözümü ile elde edilen basınç dağılımının Fluent çözümü karşılaştırılması. Şekil 5. 64x64 grid DNS çözümde 0.01 saniye sonunda akış hız dağılımı ve oluşan girdapların Fluent sonucu ile karşılaştırılması. DNS programının vermiş olduğu hız ve sıcaklık dağılımlarının alev tutucu etrafında gelişimi incelenmiş ve jetin alev tutucuya ulaşmadan önce girdapların oluştuğu ve uç noktalarda hızların yükseldiği görülmüştür. Bozuntuların ses hızı ile yayıldığı dikkate alınırsa bu beklenen bir sonuçtur. Alevin adım adım alev tutucu etrafında geliştiği ve alev tutucunun gerisinde girdap oluşturarak akım altı yönünde ilerlediği görülmüştür. Aynı zamanda sıcaklık Şekil 6 da 128x128 grid seçilerek yapılan DNS çözümü ile elde edilen basınç dağılımının Fluent çözümü karşılaştırılması sunulmuştur. Daha önce 64x64 grid ile yapılan sonuçlar ile karşılaştırıldığında çok daha iyi sonuç elde edildiği açıkça görülmüştür. Daha büyük ölçekte, örneğin 100x200 veya 256x256 grid sayılarında denemeler yapılmış ve sunuçların iyileşmesi gözlemlenmiştir. Yapılan sayısal çalışmalar ve geliştirilen DNS programı eksplisit yöntemi ardışık çok kısa zaman aralıklarında çözümler vermektedir. Eksplisit yöntemlerin doğası gereği gerçekci hız, vizkozite, ısı kondüksiyon katsayısı ve bileşen düfüzyon katsayısı değerleri için oldukça küçük zaman adımını gerekli kılmaktadır. Bu nedenle eksplisit yöntemler daimi çözüm eldesinde implisit yöntemlere göre dezavantajlıdır. Fakat kısa zaman aralıklarında daimi olmayan durumlarda ardışık çözümler eldesinde avantajlı 1818

137 Yavuz, M.A. ve Kodal,A. duruma geçebilir. Eksplisit yöntemlerin uçak yanma odalarında kısa aralıklı ardışık çözümler eldesinde kullanabileceği bu çalışma ile ortaya konulmuştur. Öncelikli olarak çözüm elde etmek ve bunu ticari yazılım vasıtası ile doğrulamak bu çalışmanın hedefi olmuştur. 5. Sonuçlar Bu çalışmada, Doğrudan Sayısal Simülasyon (Direct Numerical Simulation, DNS) metodu ile kimyasal reaksiyon içeren Navier-Stokes denklemlerinin akışa uygun başlangıç ve sınır şartları ile çözümü gerçekleştirilmiştir. Önkarışımlı metan hava karışımlarında ayrık alev akışını DNS ile incelemek, uçak motorları yanma odasında gerçekleşen olayları kısa zaman aralıklarında çözmek ve bu amaçla DNS programı geliştirmek bu çalışmanın temel hedefi olmuştur. Bu amaçla ilk önce yanma ve alev tutucunun olmadığı durumlar incelenmiş, sonrasında yanmanın olduğu alev tutucunun olmadığı durumlar ve nihayetinde alev tutuculu ve yanmalı gerçekçi yanma odası şartları incelenmiştir. Yapılan çalışmalar ve DNS sonuçları ticari Fluent yazılımı sonuçları ile karşılaştırılmış ve oldukça yakın sonuçlar elde edilmiştir. Seçilen grid sayısının artması ile sonuçların iyileştirilebilceği gösterilmiştir. Daha ileriki çalışmalarda akış özelliklerinin, sınır türevleri ve çok basamaklı reaksiyon modellemelerinde iyileştirmeler yaparak çok daha iyi sonuçlar alınması mümkün görünmektedir. Bilgisayar teknolojisinde olacak gelişmeler eksplisit yöntem ile yapılan DNS çalışmalarını ve bu sayede çok kısa zaman aralıklarında yanma ve alev incelemelerini oldukça önemli kılmaktadır. Kaynaklar [1] Pope S. B. Turbulent Flows, Cambridge University Press, [2] Jakirlic S., Volkert J., Pascal H., Hanjalic K., Tropea C., DNS, experimental and modelling study of axially compressed in-cylinder swirling flow, International J. of Heat and Fluid Flow 21, , [3] Veynante D, Vervisch L., Turbulent Combustion modelling, Progress in Energy and Combustion Science, 28, , [4] Domingo P., Vervisch L., Reveillon J., DNS analysis of partially premixed combustion in spray and gaseous turbulent flame-bases stabilized in hot air, Combustion and Flame 140, , [5] Domingo P, Vervisch L, DNS of partially premixed flame propagating in a turbulent rotating flow, Proc. of the Combustion Ins., 31, , [6] Vervisch L., Domingo P., Two recent developments in numerical simulation of premixed and partially premixed turbulent flames, C. R. Mecanique, 334, , [7] Sreedhara S., Huh K. Y., Conditional statistics of nonreacting and reacting sprays in turbulent flows by direct numerical simulation, Proc. of the Combustion Ins., 31, , [8] Boersma B. J., A staggered compact finite difference formulation for the compressible Navier Stokes equations, Journal of Computational Physics 208, , [9] Kodal A. A New Orthogonal Decomposition Method for Turbulent Flows, Doktora tezi, The University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA, May 1993 [10] Brereton G. J. and Kodal A., A Frequency Domain Filtering Technique for Triple Decomposition of Unsteady Turbulent Flow Journal of Fluid Engineering, Vol. 114, 45-51, March, 1992 [11] Brereton G. J. and Kodal A., An Adaptive Turbulence Filter for Decomposition of Organized Turbulent Flows, Physics of Fluids 6 (5), , 1994 [12] Yilmaz T., and Kodal A., An Analysis On Coaxial Jet Flows Using Different Decomposition Techniques, Journal of Fluids and Structures, 14, 3, , 2000 [13] Yilmaz T., and Kodal A., An Investigation Of Forced Structures In Turbulent Jet Flows, Experiments in Fluids, 29, 6, , 2000 [14] Kodal A., Watson K. A., Roberts W. L. and Lyons K. M. Turbulence filter and POD analysis for velocity fields in lifted CH 4-Air diffusion flames, Flow, Turbulence and Combustion, 70, 21-41, [15] Erdil A and Kodal A, A Comparative Study of Turbulent Velocity Fields in an internal combustion Engine with Shrouded Valve and Flat/Bowl Piston Configurations, Journal of Mechanical Engineering Science, 221, (12), , [16] Echekki T., Chen J. H., Direct numerical simulation of autoignition in non-homogeneous hydrogen-air mixtures, Combustion and Flame, 134, , [17] Hauguel R., Vervisch L., Domingo P., DNS of premixed turbulent V-flame: coupling spectral and finite difference methods, C. R. Mecanique, 333, , [18] Laverdant A., Thevenin D., Direct numerical simulation of a Gaussian acoustic wave interaction with a turbulent premixed flame, C. R. Mecanique, 333, 29-37, [19] Sankaran V., Menon S., Subgrid combustion modelling of 3-D premixed flames in the thin-reactionzone regime, Proc. of the Combustion Inst., 30, , [20] Thevenin D., Three-dimensional direct simulations and structure of expanding turbulent methane flames, Proc. of the Combustion Inst., 30, , [21] Hawkes E. R., Chen J. H., Comparion of direct numerical simulation of lean premixed methane-air flames with strained laminar flame calculations, Combustion and Flame, 144, , [22] Hilbert R., Thevenin D., Influence of differential diffusion on maximum flame temperature in turbulent nonpremixed hydrogen/air flames, Combustion and Flame 138, ,

138 5. Uluslar arası İleri Teknolojiler Sempozyumu (İATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye SIVI VE GAZ YAKITLARA DAYALI ENERJİ TÜKETEN SİSTEMLERİN ENERJİ VERİMLİLİĞİNİN YÖNETİMİ VE KONTROLÜ THE MANAGEMENT AND CONTROL OF ENERGY PRODUCTIVITY OF SYSTEMS CONSUMING ENERGY BASED ON LIQUID AND GAS FUELS Osman İPEK a,* Volkan ŞAHİN b Mehmet Erhan ŞAHİN c a, * Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, E-posta: b Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, E-posta: c Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, E-posta: Özet Mal ve hizmet üreten işletmeler genellikle farkında olmadan ihtiyacından fazla enerji tüketmektedir. Öte yandan, bu tüketimi basit birtakım önlemlerle azaltabileceklerinin farkında değildirler. Yönetilmeden ve bilinçsizce tüketilen enerjinin işletmeye getireceği ek mali yük düşünüldüğünde, tüketilen enerjinin yönetimine duyulan ihtiyaç belirgin bir şekilde kendini göstermektedir. Enerji yönetiminden amaç enerji tüketimini azaltmak değil onu en verimli biçimde kullanmaktır. Etkin bir enerji yönetimi sayesinde, hem enerjinin verimli kullanımı, hem enerji giderlerinin düşürülebilmesi, hem de mevcut enerji kaynaklarının kullanım ömrünün uzatılması suretiyle ekonomik olarak tasarruf sağlanmış olacaktır. Anahtar kelimeler: Enerji yönetimi, mikrokontrol Abstract Companies producing property and service generally consume more energy than they do really need to without being aware of it. On the other hand, many companies also are not aware of the fact that this consumption can be reduced by a simple series of precautions. Taking into account the supplementary financial burden of the energy to be loaded on the company consumed unconsciously and without being managed, the need for the management of the energy consumed shows itself clearly. The aim for the management of energy is not to reduce but to utilize it in the most effective way. Through an effective energy management, both a poductive usage way of energy, reducing the expenditures of energy and prolonging the expiry date of available energy sources will be provided and in conclusion, a great amount of energy saving is to be obtained. Keywords: Energy management, microcontroller 1. Giriş Dünyada bugüne kadar ortaya çıkan enerji krizleri, enerjinin her türünün en verimli bir şekilde kullanılmasını gerektirmektedir. Bu durum, endüstriyel gelişmelere bağlı olarak bu alanlarda artan enerji talebinin karşılanması için değişik enerji türlerinin ortaya çıkmasını ve bunların en verimli bir şekilde kullanılmasının gerekliliğini doğurmuştur. Bu bağlamda enerjinin en verimli biçimde kullanılması için nelerin yapılabileceği hususu dünyada en çok tartışılan konuların başında gelmektedir. Dolayısıyla enerjinin üretiminin kendine özgü zorluklarının olabildiği gibi onun en verimli biçimde tüketimi de ayrı zorluklar içermektedir [1,2,4]. Her işletmenin, mal ve hizmet maliyetlendirmelerinde önemli bir yer tutan enerjinin ekonomik kullanımı, her geçen gün biraz daha önem kazanmaktadır. Enerji Çevre ilişkisinin yanı sıra, kaynakların hızla tükeniyor olması, Enerji Yönetimi konusunun önemini daha da arttırmaktadır [5]. Kalkınmakta olan ve nüfusu artan bir ülke olması nedeniyle Türkiye'nin enerji tüketimi hızla artmaktadır. Bu da doğal kaynakların verimsiz ve büyük bir hızla tüketilmekte olduğu sonucunu ortaya çıkarmaktadır [6]. Enerji kaynaklarının verimli kullanımını, bilinçli enerji tüketimi konusunu gündeme getirdiği gibi, enerji tüketiminden kaynaklanan her türlü katı, sıvı ve gaz atıkların neden olduğu ve hızla artan çevresel problemlerin önlenmesi konusunda ciddi arayışları da beraberinde getirmektedir [7,8,9]. Uluslararası finansman desteğiyle sürdürülen proje çalışmalarına göre; üretilen enerjinin yaklaşık üçte biri sanayi alanında tüketilmekte olduğu ifade edilmektedir. Aynı şekilde bu enerjinin önemli bir kısmının, ileri teknoloji ürünlerinin kullanıldığı enerji tasarruf önlemleriyle geri kazanılabileceği öngörülmektedir. Bu gerçekler ışığında tüketilmekte olan enerjinin tüketim profilinin bilinmesi ve enerji tüketiminin yönetilmesinin gerekliliğine işaret etmektedir. Sağlıklı veri akışı enerji yönetiminde oldukça önemli bir faktördür. Enerjinin yönetimi onun verimli kullanımı anlamına da gelmektedir. Bu anlamda enerji tasarrufu kullanılan enerji miktarının değil, ürün başına tüketilen enerji miktarının azaltılmasıdır. Enerji tasarrufu sayesinde hem ülkenin enerji darboğazından kurtulmasına katkı sağlanacak, hem de sanayicinin aynı ürünü daha düşük bir maliyetle elde ederek rekabet gücünü artırması sağlanmış olacaktır [10,11]. Böyle bir çalışma ile, seçilmiş pilot bölgelerdeki ısı, nem, basınç ölçülen parametre durumlarına göre, sistemin kullandığı enerjinin miktarı incelenerek, optimum verimli sistemlerin tükettiği enerji miktarının uzaktan ölçülebilmesi ve sisteme yüklenecek verilere göre sistemin en verimli şekilde enerjiyi kullanması sağlanmıştır. Ayrıca sistemin sıcaklık, nem ölçüm değerleri arasından en uygun olanına göre çalışması, özellikle ısıtma enerjisinin en ekonomik biçimde kullanılması açısından büyük önem arz etmektedir 2. Ölçüm Sistemi Bu çalışmada ilk olarak, enerji tüketen bir sistemin öncelikle bir ısıtma sisteminin daha verimli çalışabilmesi IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1820

139 İpek, O.,Şahin, V. ve Şahin, M.E. için, seçilen pilot bölgelerdeki nem, sıcaklık, sistem basıncı değerlerinin dikkate alınarak sistemin yaktığı yakıt miktarını ayarlayabilen ve bunları kablosuz olarak uzaktan algılama ile sisteme müdahale edilebilen bir düzenek oluşturulmuştur. Yazılan bilgisayar programı yardımıyla anlık veya belirli periyotlarla bu verilerin kumanda bilgisayarına aktarılmaktadır [3]. Ölçüm sistem için geliştirilen deney düzeneği 3 verici, 1 alıcı üniteden oluşmaktadır. Üniteler arası haberleşme sistemi ise UFM-A12WPA RF modem ve mikroişlemci ile gerçekleştirilmektedir. UFM-A12WPA radyo frekansı ile haberleşme sağlayan alıcı verici ünitesidir. Bu ünite bir mikroişlemci ile birlikte çalışmaktadır. Şekil 1 de de şematik olarak gösterilmektedir. Bu mikroişlemci de PIC 16F877 dir [12]. Şekil 3. Birinci verici ünitesi İkinci verici ünitesi kazanımıza bağlı bulunan peteğin su girişine bağlı bulunan valf kontrol edilerek peteği açıp kapatmaktadır. Aynı zamanda üzerinde bulunan sıcaklık sensörleri sayesinde ortamın nemini, sıcaklığını ve peteğin sıcaklığını ölçmektedir (Bkz. Şekil 4). Şekil 1. UFM-A12WPA RF modem Microcontroller bağlantısı Verici devresi istenilen bilgileri bize radyo frekansı olarak aktarmaktadır. Alıcı devresi ise gelen dataları bilgisayara RS 232 yardımıyla aktarmakta ve kayıt yapmaktadır (Bkz. Şekil 2). Şekil 4. İkinci verici ünitesi Üçüncü verici ünitesi ise aynı ikinci ünitede olduğu gibi petek kontrolü yapmaktadır. Uzaktan alınan verileri görebilmek ve sisteme müdahale edebilmek için Şekil 5 de arayüzü görülen bilgisayar yazılımı geliştirilmiştir. Şekil 2. Alıcı ünitesi Birinci verici ünitesi ısıtma sistemini kontrol etmek için sıvı yakıt kazanın yanına monte edilmiştir. Bu ünite ile kazanın iç sıcaklığı, dış sıcaklığı, basıncı ve yaktığı yakıt debimetre ile ölçülmektedir. Aynı zamanda kazanın açma kapama kontrolü gerçekleştirilmektedir. Şekil 3 de 1. ünitenin şematik gösterimi yer almaktadır. Şekil 5. Bilgisayar yazılımı arayüzü 1821

140 İpek, O.,Şahin, V. ve Şahin, M.E. Bu yazılım ile sistem manuel veya otomatik olarak kontrol edilebilmektedir. Set Ayar butonu ile belirtilen sıcaklık aralıklarında 3 ayrı verici ünitesinin kontrolü yapılabilmektedir. Ayrıca algılanan veriler bilgisayara kayıt edilerek analizi gerçekleştirilebilmektedir. Burada Sıcaklık1, Nem1 ve Sıcaklık2, Nem2 değerleri iç hava değerlerini, Sıcaklık3, Nem3 ve Sıcaklık4, Nem4 değerleri dış hava değerlerini göstermektedir. 3. Bulgular Gerçekleştirilen sistem ile sıvı yakıt kazanı bir gün boyunca yakıldı ve sıcaklık, nem, basınç ve kazanın yaktığı yakıt miktarları kayıt edildi. Tablo 1 de kayıt edilen veri örneği görülmektedir. Verilere ait grafik de Şekil 6 da verilmiştir. Tablo 1. Vanaların sürekli AÇIK pozisyonda olduğu durumda elde edilen veri örneği Ünite 1 Ünite 2 Ünite 3 İç hava nemi (%Rh) 53,3 53,7 54 Dış hava nemi (%Rh) 67,9 67,2 65,2 İç hava sıcaklığı (C 0 ) 18,4 18,2 18,1 Dış hava sıcaklığı (C 0 ) 13,1 12,9 13,5 Valf ACIK ACIK KAPALI Basınç 1,235 Akış (Lt) 6,3 Tablo 2. Vanaların 15 ºC a ayarlı pozisyonda olduğu durumda elde edilen veri örneği Ünite 1 Ünite 2 Ünite 3 İç hava nemi (%Rh) 58,8 58,2 59,7 Dış hava nemi (%Rh) 75,1 74,9 71,9 İç hava sıcaklığı (C 0 ) 16,4 16,6 16,1 Dış hava sıcaklığı (C 0 ) 11,5 11,6 11,9 Valf KAPALI KAPALI KAPALI Basınç 1,176 Akış 4,0 Şekil 7. Vanaların 15 ºC a ayarlı pozisyonda olduğu durumda 2. deneye ait grafik. Elde edilen veriler sonucunda görüldüğü üzere geliştirilen bilgisayar kontrollü sistem kullanımı yakıt tasarrufu sağlamıştır. 4. Sonuç ve Tartışma Şekil 6. Vanaların sürekli AÇIK pozisyonda olduğu durumda 1. deneye ait grafik. Bir gün sonra kazanı yazılan program yardımıyla ünitelerin üzerindeki valfi açıp kapaması için oda sıcaklığı 15 C o aralığında olacak şekilde set edildi. Bu durumda sıcaklık, nem, basınç ve kazanın yaktığı yakıt miktarları kayıt edilmiştir. Bu verilerden bir örnek Tablo 2 de verilmiştir. Grafik gösterimi de Şekil 7 de görülmektedir. Burada görüldüğü üzere sistem belirlenen sıcaklık aralığında sistemi tutabilmek için vanaları kapalı konuma getirmiştir. Eğer bu sıcaklık değerinin altına düşerse kazan otomatik olarak çalışmaya başlayacaktır. Alınan tüm verileri burada gösteremeyeceğimiz için gün sonundaki değerleri görmekteyiz. Tasarlanan bu sistemle sıvı yakıt kazanının çalışması uzaktan kontrol edilebilmekte ve istenildiği zaman kazana müdahale edilebilmektedir. Debimetre yardımıyla kazanın yaktığı yakıt görülerek kontrollü çalışması sonucu yaktığı yakıt düşürülerek ekonomi sağlanmaktadır. Ayrıca ikinci ve üçüncü ünitelerde bulunan sıcaklık sensörleri ile ortam sıcaklığı algılanarak vanalar otomatik olarak açılıp kapanabilmekte bu sayede kazanın fazladan çalışması önlenmektedir. Bu sayede üretilen enerji verimli bir şekilde kullanılmaktadır. Bu sistem geliştirilerek bir binanın girişine vanalar konularak binanın sıcak kısımlarına az, soğuk kısımlarına çok sıcak su girişi sağlanarak dengeli bir ısı dağılımı sağlayarak üretilen enerji yönetilerek verimlilik sağlanması düşünülmektedir. Kaynaklar [1] Christoffersen, L. B., Larsen, A., Togeby, M., Empirical analysis of energy management in Danish industry Journal of Cleaner Production, 14, [2] Chen,W. H., Chung, Y.C., Liu, J.L.,2005. Analysis on energy consumption and performance of reheating furnaces in a hot strip mill International Communications in Heat and Mass Transfer, 32, [3] Fong, K.F., Hanby, V.I., Chow, T.T., HVAC system optimization for energy management by evolutionary programming Energy and Buildings, 38,

141 İpek, O.,Şahin, V. ve Şahin, M.E. [4] Kolokotsa, D.,Kalaitzakis, K., Antonidakis, E.,Stravrakakis, G.S., Interconnecting smart card system with PLC controller in a local operating network to form a distributed energy management and control system for buildings Energy Conversation and Management, 43, [5] Hepbasli, A., Ozalp, N., Development of energy efficiency and management implementation in the Turkish industrial sector Energy Conversion and Management, 44, [6] Ardehali, M.M., Saboori, M., Teshnelab, M., Numerical simulation and analysis of fuzzy PID and PSD control methodologies as dynamic energy efficiency measures Energy Conversion and Management 45, [7] Zhelev, T. K., Water conservation through energy management Journal of Cleaner Production 13, [8] Karagiorgasa, M., Tsoutsosb, T., Drosoua, V., Pouffaryc, S., Paganod, T., Larae, G.L., Mendes, J. M. M., HOTRES: renewable energies in the extensive technical tool for the hotel industry Renewable and Sustainable Energy Reviews 10, [9] Huang, W. Z, Zaheeruddin, M., Cho, S.H., Dynamic simulation of energy management control functions for HVAC systems in buildings Energy Conversion and Management 47, [10] Curtis, M., Khare, A., Energy conservation in electric utilities: an opportunity for restorative economics at SaskPower Technovation 24, [11] Önüt, S., Soner, S., Energy efficiency assessment for the Antalya Region hotels in Turkey Energy and Buildings 38, [12] 1823

142 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye KARŞIT AKIŞLI RANQUE-HiLSCH VORTEKS TÜPÜNÜN PERFORMANSINA TAPA HAREKETİNİN ETKİSİNİN YAPAY SİNİR AĞLARI YÖNTEMİ İLE MODELLENMESİ MODELING OF THE PERFORMANCE OF A COUNTERFLOW RANQUE- HILSCH VORTEX TUBE REGARDING PLUG MOVEMENT USING ARTIFICIAL NEURAL NETWORKS Kevser DİNCER a, * Ali ATEŞ b Şenol BAŞKAYA c a, * Selçuk Üniversitesi, Müh. Mim. Fak., Makine Müh. Böl., Konya, Türkiye, E-posta: b Selçuk Üniversitesi, Teknik Eğitim Fak., Otomotiv Böl., Konya, Türkiye, E-posta: c Gazi Üniversitesi, Müh. Mim. Fak., Makine Müh. Böl., Ankara, Türkiye, E-posta: Özet Bu çalışmada, deneysel verilerden yararlanılarak, karşıt akışlı Ranque-Hilsch vorteks tüpü (RHVT) nün sıcak çıkış tarafındaki tapanın hareketinin performansa etkisi yapay sinir ağı (YSA) ile modellenmiştir. Modellemede laboratuar ortamında yapılan deneysel çalışmalar sonucunda elde edilen veriler kullanılmıştır. Geliştirilen sistemde YSA uygulanan giriş parametreleri P, L ve ξ, çıkış parametresi ise T dir. YSA dan elde edilen sonuçlar ile deneysel verilerin istatiksel analizleri yapılıp mukayese edildiğinde, iki grup verinin uyumlu olduğu tespit edilmiş ve aralarında anlamca fark olmadığı görülmüştür. Sonuç olarak, bu çalışmayla YSA nın RHVT lerde güvenli bir şekilde kullanılabileceği ve çok sayıda deneysel dezavantajı minimuma indireceği gösterilmiştir. Anahtar kelimeler: Ranque Hilsch vorteks tüp, Performans, Yapay sinir ağları Abstract akışa ayıran cihazlardır. Karşıt akışlı RHVT ün çalışma prensibi şu şekilde tarif edilebilir (Bkz. Şekil 1). Nozullardan vorteks tüpe teğetsel olarak giren sıkıştırılabilir akışkan, vorteks tüpün silindirik yapısından dolayı, girişteki basınca ve hıza bağlı olarak, vorteks tüp içerisinde yüksek hızlarda dönmeye başlar. Yüksek hızlarda dönen akışkanın tüp cidarındaki sürtünmeden dolayı, tüp cidarı ve tüp merkezindeki akışkan arasında basınç farkı oluşur. Tüp cidarı yakınlarındaki akışkanın hızı, tüp cidarındaki sürtünmenin etkisi ile tüp merkezindeki akışkanın hızına göre daha düşüktür ve merkezdeki akışkan tüp cidarındaki akışkanı ivmelendirmeye çalışır. Bu nedenle merkezdeki akışkan tüp cidarındaki akışkana enerji transfer eder ve vorteks tüpün geometrik yapısına bağımlı olarak bir durma noktasından sonra ters yönde hareket ederek soğuk çıkış tarafından vorteks tüpü terk eder. Enerji transfer eden soğuk akışkan, enerji transfer edilen akışkan ise sıcak akışkandır. RHVT ler soğutma, ısıtma, kurutma ve kar yapımında kullanılmaktadırlar.[1]. Vorteks tüplerin termodinamik modellenmesi ve analizleriyle ilgili değişik çalışmalar bulunmaktadır [2-6]. In this study, by making use of experimental data, the effect of plug movement at the hot outlet section of a counter flow Ranque-Hilsch vortex tube (RHVT), on the performance has been modeled using artificial neural network (ANN). In the modeling, data which were obtained from experimental studies in a laboratory environment have been used. In the system developed, applied ANN input parameters are P, L and ξ and, the output parameter is T. Results obtained from ANN and statistical analyses of experimental data have been compared. It has been determined that the two groups of data are coherent, and that there is no significant difference between them. As a result, this study indicates that ANN can be safely used for RHVTs and thus it can decrease many experimental disadvantages to a minimum level. Keywords: Ranque Hilsch vortex tube, Performance, Artificial neural network 1. Giriş G. Ranque tarafından keşfedilen ve detayları R. Hilsch tarafından geliştirilen Ranque-Hilsch vorteks tüpü (RHVT), basınçlandırılmış bir gaz akışını, biri soğuk diğeri sıcak iki Şekil 1. Karşıt akışlı RHVT ündeki akış [7] Beynin kompleks özellikleri, bilim adamlarının dikkatini çekmiş ve beynin nörofiziksel yapısını dikkate alarak farklı IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1824

143 Dincer, K. Ateş, A. ve Başkaya, Ş. bir bilim alanı ortaya çıkarmışlardır. Bu bilim alanında YSA olarak tanımlamışlardır. Bir deneysel çalışmanın yapılabilmesi için öncelikle bir deney ortamı oluşturmak gereklidir. Ayrıca bu konuda bir uzmana, özel araç ve gereçlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bununla birlikte oldukça fazla zamana ve maliyete de gereksinim vardır. YSA klasik yöntemlerle zor çözülebilen, matematiksel olarak formüliüze edilemeyen veya çözülmesi mümkün olmayan karmaşık, lineer olmayan problemleri çok kolay çözebilmekte ve dezavantajları elimine etmesi konusunda oldukça başarılıdır [8]. gövdesinin uzunluğu (L) 15D dir. Nozul kesit alanı 0,002*0,002 m 2 dir ve nozul sayısı 6 dır. Sıcak çıkış kesit alanı 3,53*10-5 m 2, soğuk çıkış kesit alanı 1,96x10-5 m 2 dir. Sistem, kütlesel akışı sıcak çıkış tarafından ayarlanabilir bir vorteks tüp olarak imal edilmiştir. YSA nın arzu edilen davranışı gösterebilmesi için amaca uygun olarak düzenlenmesi gerekir. YSA nın karmaşık yapısı nedeniyle bağlantılar ve ağırlıklar önceden ayarlı olarak verilemez ya da tasarlanamaz. Bu nedenle YSA, istenen davranışı göstermesi için çözümünü gerçekleştireceği problemden aldığı eğitim örneklerini kullanarak problemi öğrenmelidir. YSA, ilgilendiği problemi öğrendikten sonra eğitim sırasında karşılaşmadığı test örnekleri için de arzu edilen sonucu üretebilir. Örneğin, karakter tanıma amacıyla eğitilmiş bir YSA, bozuk karakter girişlerinde de doğru karakterleri verebilir ya da bir sistemin eğitilmiş YSA modeli, eğitim sürecinde verilmeyen giriş sinyalleri için de sistemle aynı davranışı gösterebilir. YSA, ilgilendiği problemdeki değişikliklere göre ağırlıklarını ayarlar. Yani, belirli bir problemi çözmek amacıyla eğitilen YSA, problemdeki değişimlere göre tekrar eğitilebilir ve değişimler eğitime devam edilebilir. Bu özelliği ile YSA, uyarlamalı örnek tanıma, sinyal işleme, sistem tanılama ve denetim gibi alanlarda etkin olarak kullanılır [9]. YSA'nın öğrenebilmesi için örneklerin belirlenmesi, bu örneklerin ağa gösterilerek istenen çıktılara göre ağın eğitilmesi gerekmektedir. Ağın başarısı, seçilen örnekler ile doğru orantılıdır. Ağa olay bütün yönleri ile gösterilemezse ağ yanlış çıktılar üretebilir. YSA eğitimleri sırasında kendilerine verilen örneklerden genellemeler çıkarır ve bu genellemeler ile yeni örnekler hakkında bilgi üretebilir.[10]. YSA günümüzde, çeşitli alanlarda karmaşık problemlerin çözümünde başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. YSA, amonyak sulu soğutma sistemlerinin termodinamik değerlendirilmesinde [11] katmanlara ayrılmış metal plakaların sıcaklık dağılımlarının tahmininde [12], ısıtma ve soğutma potansiyelinde [13], buharlaştırma ile ilgili yoğuşma soğutma olaylarının modellenmesinde, kontrolünde [14] ve ısı transferin modellenmesinde [15] yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, L/D=15; N=6 sıcak çıkış tarafındaki tapa hareketinin, RHVT ün performansına etkisi deneysel olarak incelenmiş ve bu verilerden yararlanılarak, tapa hareketinin, RHVT ün performansına etkisi YSA yöntemiyle modellenmiştir. İlk olarak deneysel sistem ve donanımı tanıtılmıştır. Sonra, YSA sunulmuştur. Daha sonra, karşıt akışlı RHVT ün performansına tapa hareketinin etkisinin YSA yöntemi ile analizi yapılmıştır. Sonuçlar ve öneriler bölümünde de, RHVT de tapa hareketinin YSA ile modellenmesine ait bulgular sunulmuştur. 2. Deneysel Çalışma Bu çalışmada kullanılan RHVT e ait sistem Şekil 2 de sunulmuştur. RHVT ün çapı (D) 9 mm dir ve RHVT Şekil 2. Deneysel Sistem 1. Kompresör 2. Basınç tankı 3. Basınç göstergesi 4. Vana 5. Soğutma ve nem giderme ünitesi 6. Filitre 7. Basınç düzenleyicisi 8. Isıl çift 9. Nozul 10. Karşıt akışlı Ranque- Hilsch vorteks tüp 11. Tapa 12. Manometre 13. Soğuk çıkış 14. Sıcak çıkış Deneysel çalışmada, tapa sıcak çıkıştan itibaren 1 er cm soğuk çıkış tarafına doğru hareket ettirilerek, en iyi performans gösteren tapa konumu incelenmiştir. Deneyler yapılırken, sistemin öncelikle ısıl dengeye gelmesi sağlanmıştır. Çalışma basıncı 200 kpa dan başlayarak 20 kpa aralıklarla 280 kpa a kadar yükseltilmiş. Sıcak çıkış tarafındaki küresel vana tam açık konumdan kademeli olarak tam kapalı konuma getirilerek deneysel veriler alınmıştır. Böylece akım soğuk kısma yönlendirilmiştir [16]. Deneysel sonuçların güvenirliğini tespit etmek için belirsizlik analizi yapılmıştır. Belirsizlik analizi yapılırken literaraturdeki [17, 20] standart prosedürler dikkate alınmıştır. T, Pgir ve ξ ye ait belirsizlik analizleri %±3, %± 2 and %±5 nin altında olduğu görülmüştür. 3. Yapay Sinir Ağları Yapay zeka alanının bir alt dalını oluşturan YSA teknolojisi öğrenebilen sistemlerin temelini oluşturmaktadır. İnsan beyninin temel işlev elemanı olan nöronu şekilsel ve işlevsel olarak basit bir şekilde taklit eden YSA, bu yolla biyolojik sinir sisteminin basit bir simülasyonu için oluşturulan programlardır. Simüle edilen sinir hücrelerini içeren programlarla nöronlar, çeşitli şekillerde birbirlerine bağlanarak bir ağ oluşturur. Bu ağlar öğrenme, hafızaya alma ve veriler arasındaki çeşitli ilişkileri ortaya çıkarma kapasitesine sahiptir. Diğer bir ifadeyle YSA lar, normalde bir insanın düşünme ve gözlemlemeye yönelik doğal yeteneklerini gerektiren problemlere çözüm üretmektedir. 1825

144 Dincer, K. Ateş, A. ve Başkaya, Ş. Biyolojik sistemlerde öğrenme, nöronlar arasındaki sinaptik bağlantıların ayarlanması ile olur. Öğrenme, eğitme yoluyla örnekler kullanarak olur. Bir başka deyişle, gerçekleşme girdi/çıktı verilerinin işlenmesiyle, yani eğitme algoritmasının bu verileri kullanarak bağlantı ağırlıklarını bir yakınsama sağlanana kadar, tekrar tekrar ayarlamasıyla olur. YSA lar, ağırlıklandırılmış şekilde birbirlerine bağlanmış bir çok nörondan oluşan matematiksel sistemlerdir. YSA nın ana öğesi olan matematiksel fonksiyon, ağın mimarisi tarafından şekillendirilir. Daha açık bir şekilde ifade etmek gerekirse, fonksiyonun temel yapısını ağırlıkların büyüklüğü ve işlem elemanlarının nöronları belirler. YSA ların davranışları, yani girdi veriyi çıktı veriye nasıl ilişkilendirdikleri, ilk olarak nöronların transfer fonksiyonlarından, nasıl birbirlerine bağlandıklarından ve bu bağlantıların ağırlıklarından etkilenir [21]. YSA nın yapısına bağlı olarak kullanılan, threshold, step activation, sigmoid ve hyperbolic tangent adında değişik aktivasyon fonksiyonu mevcuttur. En yaygın olarak kullanılan sigmoid aktivasyon fonksiyonudur ve Denklem 1, 2 de sunulmuştur. k k 1, k k 1 j = ij i (1) i net w o ve Denklem 3 de, X N bir parametredeki normalize değeri, X bir parametredeki gerçek değeri, X maks ve X min bir parametredeki maksimum ve minimum değerlerini ifade etmektedir. Tasarlanan YSA modeli 3 giriş, 1 çıkış ve 1 gizli katmandan oluşmaktadır. Giriş parametreleri olarak, basınç (Pgir), tapa konumu (L), soğuk akım kesri (ξ), çıkış parametresi olarak da, sıcak akımın sıcaklığı ile soğuk akımın sıcaklıkları arasındaki fark olan ( T) belirlenmiştir. Gizli katmandaki 3, 5, 6, 7 nöron sayıları için sırasıyla denenmiş ve en uygun sonucu veren 5 nöronlu gizli katmana sahip ağ seçilmiştir (Şekil 3). Şekil 3. Tasarlanan YSA ağ yapısı (5 neron için) Matlab yazılımında epok işleminden sonra elde edilen performans hata grafiği Şekil 4 de sunulmuştur. Oluşturulan ağda epok sonucunda eğitim hatası 0, değeri elde edilmiştir. k k 1 o j = f ( net j ) = k k net j θ j 1+ exp( ) θ o (2) k 1 Bu formüllerde; o i (k-1). katmanın i. neuron un çıkışıdır. k 1, k w ij ise (k-1). katmanın i. neuron unu k. katmanın j. neuron una bağlayan ağırlıktır, k net j ve k θ j sırasıyla k. katmanın j. neuron un giriş ve eşik değerleridir. θ o ise sigmoid fonksiyonunun ateşlemesidir [8, 22, 23]. 4. Karşıt Akışlı RHVT ün Sıcak Çıkış Tarafında Bulunan Tapanın RHVT Performansına Etkisinin YSA ile Modellenmesi Bu çalışmada, YSA için, Pentium 4, 2.4 GHz intel işlemci, 512 MB RAM donanımsal özelliklerine sahip kişisel bir bilgisayarın, Matlab programının 6.5 versiyonunun Toolbox ı bölümü kullanılmıştır. YSA veri setleri deneysel çalışma sonucu elde edilen 115 veri setinden oluşmaktadır. Rasgele seçilen bu 115 veriden 76 tanesi eğitim, 39 tanesi de test işleminde kullanılmıştır. YSA da öğrenme algoritması Levenberg-Marquardt tercih edilmiştir. YSA veri setindeki verilerin tümü Denklem 3 den yararlanılarak 0-1 arasında normalize edilmiştir. X X X X X min N = (3) maks min Şekil epok için test hata grafiği (5 neron için) 5. Bulgular ve Tartışma Bu çalışmada, basınçlandırılmış havayı biri sıcak diğeri soğuk iki farklı akışa ayıran RHVT de ki sıcak çıkışta bulunan tapanın hareketinin RHVT ün performansına olan etkisi YSA ile modellenmiştir. Bu amaçla, çapı 9 mm, uzunluğu çapının 15 katı olan RHVT te 60 o lik konik uca sahip 6 mm çapındaki tapa, vorteks tüpün tam sıcak çıkış konumundan soğuk çıkışa doğru 1 er cm hareket ettirilmiştir. Deneylerde, soğuk çıkış tarafındaki vana tam açık konumunda bırakılmış, sıcak çıkış tarafındaki vana tam açık konumdan kademeli olarak tam kapalı konuma getirilerek, basınç, sıcaklık ve hız ölçümleri alınmıştır. Bu ölçümlerden yararlanılarak hesaplamalar yapılmış ve bu hesaplamalar dikkate alınarak RHVT lerde tapa hareketine 1826

145 Dincer, K. Ateş, A. ve Başkaya, Ş. ait ξ ye bağımlı olarak performans belirlenmiştir. Performans sıcak akımın sıcaklığı ile soğuk akımın sıcaklığı arasındaki fark T=(Tsck-Tsğk) dir. ξ ise soğuk akımın kütle debisinin girişteki akımın kütle debisine oranıdır ve Denklem 4 deki gibi tanımlanmıştır. ξ = m soğ / m gir (4) Çalışma basıncı 200 kpa dan başlayarak 20 kpa aralıklarla 280 kpa a kadar yükseltilerek, T=(Tsck-Tsğk) ın girişteki basınca bağımlı olarak, ξ ye göre değişimleri dikkate alınarak Şekil 5 oluşturulmuştur. Şekil 6. ξ nin farklı değerlerinde T nin Pgir ile değişimi, Deneysel: L/D=15; N=6; tapa konumu=l, YSA: L/D=15; N=6; tapa konumu=l-4 Deneysel verilerle, YSA verileri mukayese edildiğinde sonuçların oldukça uyumlu olduğu görülmüştür (Şekil 7, Şekil 8 ve Tablo 1). T -YSA eğitim için 92,72-97,39 %, T -YSA test için 94,51-98,57 % güven değerleri elde edilmiştir (Çizelge 1). Çizelge 1 Farklı neron sayılarındaki T nin istatiksel değerleri Şekil 5. ξ nin farklı değerlerinde T nin Pgir ile değişimi, Deneysel, YSA: L/D=15; N=6; d=6 mm; tapa konumu=l, L-1, L-2, L-3 R 2 (eğitim) R 2 (test) Ortalama hata (eğitim, %) Ortalama hata (test, %) LM-3 0,9272 0,9456 0,01 0,53 LM-5 0,9739 0,9857 0,03 0,40 LM-6 0,9440 0,9451 0,03 0,90 LM-7 0,9432 0,9589 0,01 1,55 Deneylerle yapılmamış olan ara değerlerin hesaplanabilmesi hususunda, YSA önemli bir özelliğe sahiptir. Bu çalışmada da deneylerle yapılmamış olan ara değerler, N=6; d=6mm; Pgir= kpa; L=4 YSA ile tahmin ettirilmiştir (Şekil 6). YSA ile tahmin sonuçları, tapanın hareketinin en iyi performansının tam sıcak çıkış konumu olan L de olduğunu göstermiştir. Şekil 7. Deneysel ve YSA sonuçlarının eğitim verileri için mukayesesi (5 neron için) 1827

146 Dincer, K. Ateş, A. ve Başkaya, Ş. görüşüne sahip olunmuştur. Ayrıca diğer yapay zeka teknikleri ile birlikte kullanılarak daha başarılı sonuçlar elde edilebileceği kanısına varılmıştır. Teşekkür Bu çalışma, Selçuk Üniversitesi (BAP 2002/124 no lu proje) tarafından desteklenmiştir. Simgeler d D L Tapa çapı (m) Vorteks tüpün iç çapı (m) Vorteks tüpün uzunluğu ve tapa konumu (m) m gir Girişteki akımın kütlesel debisi (kg/s) m sck Sıcak akımın kütlesel debisi (kg/s) Şekil 8. Deneysel ve YSA sonuçlarının test verileri için mukayesesi (5 neron için) 6. Sonuçlar ve Öneriler Bu çalışmada, RHVT sisteminin deneysel çalışma verileri kullanılarak, YSA metoduyla karşıt akışlı RHVT ün tapa hareketinin, RHV performansına olan etkisi modellenmiş ve elde edilen sonuçlar aşağıda özetlenmiştir. Deneysel çalışmada, iç çapı 9 mm ve uzunluğunun çapa oranı 15 olan Ranque-Hilsch vorteks tüpü imal edilmiş ve hava girişi 6 nozul ile sağlanmıştır. Vorteks tüpü girişindeki hava basıncı, 200 kpa ile 280 kpa arasında 20 kpa aralıklarla değiştirilmiştir. Giriş akımının ve çıkış akımlarının hız ve sıcaklık ölçümleri kullanılarak vorteks tüpün sıcak çıkış tarafındaki tapa konumunun vorteks tüpü performansı ve etkinliği deneysel olarak incelenmiştir. En iyi performans değerleri tapa hareketinin tam sıcak çıkış konumunda (L) olduğu deneysel olarak tespit edilmiştir ve 280 kpa giriş basıncında, ξ=0,8 de 45 K dir. Bu çalışma için tasarlanan YSA nın eğitim ve testi için Matlab programının 6.5 versiyonunun Toolbox ı bölümü kullanılmıştır. YSA model 3 giriş, 1 çıkış ve 1 gizli katmandan oluşmaktadır. YSA, gizli katmanda 3, 5, 6, 7 neron sayılarında denenmiş ve en uygun sonucu veren 5 nöronlu gizli katmana sahip ağ seçilmiştir. Deneysel sonuçlar ile YSA dan elde edilen sonuçların karşılaştırılması ve istatistiksel analizi yapıldığında, YSA dan elde edilen sonuçların deney sonuçlara yakın değerler verdiği ve YSA nın güvenle kullanılabileceği görülmüştür. Bu çalışmada, deneylerde yapılmayan Pgir= kpa; N=6; L=4 değerleri YSA ile tespit ettirilmiştir (Şekil 6). Sonuç olarak; bu çalışmayla, karşıt akışlı RHVT ün performanslarının, YSA ile modellenmesinden etkin sonuçlar alınabileceği sunulmuştur. Yapılan bu çalışma diğer bu tür çalışmalar için temel alınarak uygulanabileceği m soğ Soğuk akımın kütlesel debisi (kg/s) N Nozul sayısı P Basınç (Pa) Pgir Giriş basıncı (Pa) Psck Sıcak akım basıncı (Pa) Psoğ Soğuk akımın basıncı (Pa) T Sıcaklık (K) Tgir Vorteks tüpün giriş sıcaklığı (K) Tsck Sıcak akımın sıcaklığı (K) Tsoğ Soğuk akım sıcaklığı (K) T Sıcak akımın sıcaklığı ile soğuk akımın sıcaklığı arasındaki fark (=(Tsck-Tsoğ), K) X X parametrenin gerçek değeri X N X parametresinin normalize edilmiş değeri X maks X parametresinin maksimum değeri X min Yunan harfleri X parametresinin minimum değeri m soğ m ξ Soğuk akım kesri (= / gir ) α Tapa uç açısı Kaynaklar [1] Dincer, K., Baskaya, S., Uysal, B. Z. ve Ucgul, I., Experimental investigation of the performance of a Ranque-Hilsch vortex tube with regard to a plug located at the hot outlet, Int. J. of Refrigeration. 32, 87-94, [2] Khodorkov, I.L., Poshernev, N.V., Zhidkov ve M.A., The vortex tube a universal device for heating, cooling, cleaning, and drying gases and separating gas mixtures. Chemical and Petroleum Engineering. 39 (7-8), , [3] Dincer, K., Tasdemir, S., Baskaya, S., Ucgul, I. ve Uysal, B. Z., Fuzzy modeling of performance of counterflow Ranque-Hilsch vortex tubes with different geometric constructions, Numerical Heat Transfer Part B: Fundamentals. 54, , [4] Harnett, J.P ve Eckert E.R.G., Experimental study of the velocity and temperature distribution in a high velocity vortex type flow, Transaction of ACME. 79, ,

147 Dincer, K. Ateş, A. ve Başkaya, Ş. [5] Ahlborn, B.K. ve Gordon, J.M., The vortex tube as a classic thermodynamic refrigeration cycle, J. Applied Physics. 88(6), , [6] Saidi, M.H. ve Yazdi, M.R., Exergy model of a vortex tube system with experimental result, Exergy. 24, , [7] Cockerill, T., The Ranque-Hilsch vortex tube, PhD thesis, Cambridge University, Engineering Department, Sunderland [8] Dincer, K., Tasdemir, S., Baskaya, S., Uysal ve B. Z., Karşıt akışlı Ranque-Hilsch vorteks tüpünün performansına tapa açısı etkisinin yapay sinir ağları yöntemi ile modellenmesi, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi. 28, 1-7, [9] [10] [11] Şencan, A., Artificial intelligent methods for thermodynamic evaluation of ammonia water refrigeration systems, Energy Conversion and Management. 47, , [12] Ayata, T., Çavuşoğlu, A. ve Arcaklıoğlu, E., Predictions of temperature distributions on layered metal plates using artificial neural Networks, Energy Conversion and Management. 47, , [13] Rakesh K., Kaushikb S.C. ve Gargb S.N., Heating and cooling potential of an earth-to-air heat exchanger using artificial neural network, Renewable Energy. 31(8), , [14] Islamoglu, Y. ve Kurt, A., Heat transfer analysis using ANNs with experimental data for air flowing in corrugated channels, International Journal of Heat and Mass Transfer, 47, , [15] Şcalabrin, G., Condosta, M. ve Marchi, P., Mixtures flow boiling: modeling heat transfer through artificial neural Networks, International Journal of Thermal Sciences. 45 (7), , [16] Dincer, K., Karşıt Akışlı Ranque-Hilsch Vorteks Tüpün Performansının İncelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bil. Enst., Ankara, s , [17] Moffat, R.F., Contributions to the theory of singlesample uncertainty analysis, J Fluids Engineering. 104, , [18] Moffat, R.F., Using Uncertainty Analysis in the Planning of an Experiment, J Fluids Engineering. 107,173-8, [19] Kline, S.J., The Purposes of Uncertainty Analysis, J. Fluids Engineering. 107,153-60, [20] Smith, Jr. R.E. ve Wehofer, S., From Measurement Uncertainty to Measurement Communications, Credibility, and Cost Control in Propulsion Ground Test Facilities, J Fluids Engineering. 107, , [21] Sattari, M. T., Fakher-Fard, A., Docherkhesaz, M. ve Öztürk, F., Tarım bilimleri dergisi. Cilt 13, Sayı , [22] Lee, C.S., Hwang, W., Park, Han, K.S., Failure of carbon/epoxy composite tubes under combined axial and torsional loading 1. Experimental results and prediction of biaxial strength by the use of neural networks, Composites Science and Technology, 59(12), , [23] Şcalabrin, G., Condosta, M. ve Marchi, P., Mixtures flow boiling: modeling heat transfer through artificial neural Networks, International Journal of Thermal Sciences, 45(7), ,

148 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye FARKLI HIZLARDA VE ISI AKILARINDA KANATLI YÜZEYLERDE ISI TRANSFERİNİN DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ AN EXPERIMENTAL STUDY OF HEAT TRANSFER IN FINNED SURFACES FOR DIFFERENT VALUES OF AIR VELOCITY AND HEAT FLUX Seçil ŞİRİN a, *, Kemal ALTINIŞIK b, Ali ATEŞ c * a, * S. Ü., Müh.-Mim. Fak., Makina Müh. Böl., Konya, Türkiye, b S. Ü., Müh.-Mim. Fak., Makina Müh. Böl., Konya, Türkiye, c S. Ü., Teknik Eğitim Fak., Makina Eğitimi Böl., Konya, Türkiye, Özet Deneysel olarak gerçekleştirilen bu çalışmada, bilgisayar soğutucuları esas alınarak silindirik bir boru içerisine yerleştirilen kanatçık dizilerinde; zorlanmış taşınım ile ısı transferi incelendi. Bilgisayar soğutucularında olduğu gibi bakır bir boru çevresine, etrafında radyal yönde kanatçıklı yüzeyler bulunan alüminyum boru sıkı geçme ile geçirildi. Bu şekilde oluşturulan konstrüksiyon deney borusunun içerisine eş-eksenli olacak biçimde yerleştirildi. Bakır ve alüminyum borularla kanatların, eni 30 mm ve kanat et kalınlıkları 5 mm olarak seçildi. Bakır borunun iç yüzeyine gücü W/m 2 arasında değişebilen bir elektrikli ısıtıcı yerleştirilerek, sabit yüzey ısı akısı ile ısı transferi şartları oluşturuldu. Kanatçıklara giriş ve çıkış konumundaki hava sıcaklıkları ve kanat dibindeki sıcaklık termo elemanlarla ölçüldü. Isıl güç W/m 2 arasında 5 er W/m 2 aralıklarla, hava hızları ise 0,5-5 m/s arasında 0,5 m/s aralıklarla değiştirilerek, deneyler yapıldı. Her bir ısı akısı ve hız değeri için, elde edilen deneysel sonuçlar kaydedildi. Bu değerlerden faydalanarak, kanatçıklardan transfer edilen ısı miktarı, kanat verimi ve kanat etkenliği hesaplandı. Yapılan değerlendirmede, hava hızının 2 m/s ve ısıtıcının W/m 2 arasındaki tüm değerleri için, kanatçıklardan taşınımla transfer edilen ısının; optimum değerde olduğu görüldü. Ayrıca 15 W/m 2 den küçük ısıl güç değerleri ve 5 m/s den büyük hava hızları için uygun değerler elde edilemedi. Anahtar kelimeler: Kanatcıklı yüzeyler, Etkenlik, Zorlanmış taşınım Abstract In this experimentally conducted study, heat transfer through forced transmission in the fin series placed in a cylindrical pipe was investigated on the basis of computer coolants. As in the computer coolants, an aluminum pipe having finned superficies in radial direction was placed round a cupper pipe through tight fitting. The pipe was placed in equiaxed way into the construction experiment pipe created in this way. Cupper and aluminum pipes and fin width were selected to be 30 mm while fin at thickness were selected to be 5 mm. By placing an electrical heater, the power of which could range from 15 to 70 W/m 2, into inner superficies of the cupper pipe, constant surface heat current and heat transfer conditions were created. Air temperatures in the position of entrance and exit to fins and those in fin bottoms were measured by thermo elements. Experiments were conducted by changing thermal power in 5 W/m 2 intervals from 15 W/m 2 to 70 W/m 2 and weather speed in 0,5m/s intervals between 0,5 and 5 m/s. Experiment results of each data couple observed were recorded. In the light of the experiment results, the amount of heat transferred from the fins, fin efficiency, and fin effectiveness were calculated. In the evaluation, the heat transferred from fins for all values between air current velocity being 2 m/s and heater being W/m 2 was observed to be in optimum level. Moreover, for the thermal values lower than 15 W/m 2 and air current velocity higher than 5 m/s, accurate levels couldn t be obtained. Keywords: surfaces with fins, fin factors. 1. Giriş Elektronik teknolojisindeki gelişmeler elektronik cihazların kullanım sahalarının giderek yaygınlaşmasına neden oldu. Bilindiği gibi elektronik sistemler çalışmaları esnasında ısı yayarlar. Yayılan bu ısı nedeniyle, sistemin sıcaklığı artar. Elektronik sistemlerin çalışma performansları sıcaklıkla çok yakından ilişkilidir. Bu nedenle, soğutulmaları büyük önem taşır. Soğutma işlemi için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Soğutucu akışkan olarak genellikle hava tercih edilir. Genelde, doğal veya fan destekli olarak hava ile soğutma, elektronik parçaların soğutulması için tercih edilen bir yöntemdir. Elektronik bir devreyi doğal ortamda soğutmak yetersiz kalıyorsa, soğutma yüzeyini arttırmak amacıyla elektronik parça üzerine soğutucu kanatlar; ya da pimli yüzeyler eklenebilir. Bazı durumlarda bu yöntem yeterli soğutma sağlamayabilir. Bu durumda elektronik devrenin bir fan aracılığı ile zorlanmış taşınımla soğutulması yönüne gidilir. Bu çalışmada, bir fan aracılığı ile sisteme hava gönderilerek, zorlanmış taşınımla kanat yüzeyinden ısı transferi gerçekleştirildi. 2. Literatür Taraması Juncu, G., (2007), arda arda iki silindir etrafında zorlanmış konveksiyonla olan ısı transferini sayısal olarak inceledi ve Silindir etrafındaki akışın kararlı ve laminer akış olduğu kabul edildi. Bhowmik, H., Tso, C.P., Tou, K.W., (2005), yaptıkları deneysel çalışmada, Duvarlardan birine, 4 adet elektronik çip yerleştirilerek, düşey dikdörtgen kesitli bir kanalda ısı transferini incelediler. Sultan G.I., (2000), yaptıkları deneysel çalışmada, yatay bir kanalda çıkıntı şeklinde yerleştirilen ısı kaynaklarının zorlanmış taşınımla IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1830

149 Şirin, S., Altınışık, K. ve Ateş, A. olan ısı transferini inceledi. Sezai, I., Mohamad, A.A., (2000), çalışmalarında yatay durumda olan kapalı bir kutunun tabanına gömülen dikdörtgen kesitli ayrık ısı kaynağından, doğal taşınımla olan ısı transferini kararlı rejimde sayısal olarak incelediler. Linhui, C., Hauizhang, T., Yanzhong, L., Dongbin, Z., (2006), yaptıkları deneysel çalışmada üzerine ayrık ısıtıcılar yerleştirilerek, çelik bir plakada doğal taşınımla olan ısı transferini incelediler. Avelar, A.C., Ganzarolli, M.M., (2004), yaptıkları deneysel çalışmada, içinde açık paralel kanallar bulunan ve bu kanalların bir duvarında çıkıntı şeklinde ısıtıcılar bulunan dikey bir ortam kullanarak,kanat yüzeyinde sıcaklık dağılımını deneysel ve sayısal olarak incelediler. Jin, L.F., Peles, Y., Koşar, A., Mishra C., (2005), çalışmalarında bir yığın iğne kanatçığın üzerindeki ısı transferini ve basınç düşümü olayını araştırdılar. Zhao, C. Y., Lu, T. J., (2002), çalışmalarında mikro kanal ısı alıcı boyunca zorlanmış konveksiyonla ısı transferini analitik ve sayısal olarak incelediler. 3. Deneysel çalışma Bu çalışmada, bir masaüstü bilgisayar işlemcisinin soğutulması için, kanatçıklı yüzeylerden oluşan soğutma elemanı kullanıldı. Üzerinde radyal doğrultuda kanatçıklar bulunan alüminyum bir boru, aynı uzunlukta ve bir tarafı kapatılmış bakır boru üzerine sıkıca geçirildi. Bakır boru içerisine, gücü bir varyak aracılığı ile ayarlanabilen ısıtıcı rezistans yerleştirildi. Oluşturulan bu konstrüksiyon uzun bir boru içerisine uygun bir şekilde konuldu. Bir fan aracılığı ile boru içerisine hava gönderilerek, zorlanmış taşınım şartları oluşturuldu. Fanın devir sayısı ayarlanarak borudaki hava hızı 0.5 m/s den 5 m/s ye kadar 0.5 m/s aralıklarla arttırıldı. Isı kaynağı W/m 2 aralıklarında, her bir 5 W/m 2 için, ısıl sensörler aracılığıyla kanatcıklara havanın giriş ve hava çıkış sıcaklıkları ve kanat dibi sıcaklığı ölçüldü. Hazırlanan Paskal programı yardımı ile ortalama sıcaklıklar hesaplandı. Atmosfer basıncında kuru havaya ait yoğunluk, ısı iletim katsayısı, dinamik viskozite ve Prandtl sayısı doğrudan tablodan alındı. Çalışmada kullanılan deney düzeneği şematik olarak Şekil 1 de gösterilmiştir. Deney düzeneği iki kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısım hız kontrol ünitesidir. İkinci kısım ise ölçüm değerlerinin alındığı ve termo elemanların yerleştirildiği dairesel kesitli alüminyum bir borudan oluşmaktadır. Borunun uzunluğu 130 cm, çapı 90 mm dir. Kanatçıklı yüzeylerin bulunduğu eleman bu boru içerisine yerleştirildi. Kanatçıklı yüzeylerin ısıtıldığı rezistansın ısı gücü ayarlanabilen bir varyak tarafından sağlanmakdı. Üzerinde kanatçıklı yüzeylerin bulunduğu taşıyıcı elemanın deney borusu içerisine yerleştirilmiş hali Şekil 2 de görülmektedir. Şekil 1. Deney düzeneğinin şematik gösterimi Şekil 2. Alüminyum boru içerisine yerleştirilmiş olan kanatçıklı yüzeyler ve ısıtıcı. Isı transferinin sadece radyal yönde olması amacıyla üzerinde kanatcıklı yüzeylerin bulunduğu konstrüksiyonun göbek kısmındaki ısıtıcının giriş ve çıkış bölümleri, içine cam yünü yerleştirilmiş fiber malzeme ile yalıtıldı (Şekil 3). Isı transferi, iç kısımdaki bakır borudan, onu çevreleyen alüminyum kanatçıklara doğru gerçekleşmektedir. Transformatör, varyak aracılığıyla 0-90 W değerlerinde çalıştırılabilmektedir. Bu devre ile ısı akısı istenen şekilde ayarlanabilmektedir. Şekil 3. Kanatcıklı yüzeyler Devri ayarlanabilen bir fan tarafından dış boru aracılığı ile kanatçıklara doğru hava gönderildi. Alüminyum dış borunun çıkış bölümünde bulunan bir anemometre ile hava hızı ölçüldü. Kanatlara girişte ve kanatlardan çıkışta hava sıcaklıkları ile kanat dibi sıcaklığı sıcaklık sensörleri aracılığı ile ölçülerek kaydedildi. Sensörlerden gelen anolog sinyal işlem bölümüne ve daha sonra anolog/sayısal çevirici kartlara iletilmektedir. Çevirici kartlar bilgiyi sayısal hale getirerek bilgisayara aktarmaktadır. Bilgisayar veriler doğrultusunda yapılan bilgisayar programına uygun olarak hesaplama ve mantıksal işlemleri yaparak sonuçları istenilen şekilde vermektedir. 3. Genişletilmiş yüzeylerde ısı transferi Isı transferi istenen yerlerde T sıcaklık farkı ve toplam ısı transfer katsayısının artırılması bazen sınırlı kalır. Birim hacim başına ısı transferini artırmak için hacimsel boyutları büyütmeden ısı transferi yüzeyini artırmak sık uygulanan başka bir yöntemdir. Bu amaçla yüzeyler üzerine çeşitli formlarda kanatcıklar yerleştirilerek ısı transferi yüzeyi artırılır. Kullanılan kanatcıkların bir boyutu diğer iki boyutuna göre küçüktür. Kanatcıkların kesit alanları farklı olabilir. Bazı durumlarda kanatcık ile yüzey malzemesi farklı iki malzemeden oluşabilir. Farklı iki malzeme kullanıldığı takdirde, ek bir ısıl direnç oluşturmaması için 1831

150 Şirin, S., Altınışık, K. ve Ateş, A. malzeme yüzeyle çok iyi bir şekilde kontakt durumuna getirilmelidir. Kanat yüzeyinden transfer edilen ısı miktarını bulabilmek için kanatcık tipinin iyi belirlenmesi gerekir. Bu çalışmada Şekil 4 te gösterilen form kullanılmıştır. Bakır ısının radyal yönde daha çabuk yayılması için tercih edilmiştir. Kanatların nispeten paralel konumda olmasını sağlamak için kanat geometrisi eğri formda seçilmiştir. Kanatlar zorlanmış taşınımla soğutulmaktadır ve kanat uçlarında da taşınım ile ısı transferi gerçekleşmektedir. Şekil 5. Kanat geometrisi Buna göre denklem (1) in sadeleşmiş hali eşitlik (4) te gösterilmiştir. 2 d T 2 dx hp ka c ( T T ) = 0 s (4) Eşitlik (5), (6) ve (7) de çözümü basitleştirmek için yapılan değişken dönüşümleri görülmektedir. Şekil 4. Kanatcık ve ısıtıcı kesiti 3.1. Sabit kesit alanlı kanatlarda taşınım ve iletimle ısı geçişi Her bir kanat T ( 0 ) = Tb sıcaklığındaki taban yüzeyine oturtulmuş olup, bulunmaktadır. T sıcaklığındaki bir akışkan içinde Genişletilmiş bir yüzeyde bir boyutlu enerji denkleminin genel gösterimi eşitlik (1) de gösterilmektedir. 2 d T 2 dx 1 da 1 c dt h das Ac dx dx As k dx ( T T ) = 0 + s İncelenen kanat için A c sabit ve A s = Px (1) olup, A s tabandan x e kadar olan yüzey alanı ve P kanadın çevre uzunluğudur. Buna göre, 0 da c / dx = ve da s / dx = P olmaktadır. P ve A c Şekil 5 e göre, eşitlik (2) ve (3) te gösterilmektedir. P 2 t + 2z z t = (2) A c = (3) θ 0 = T 0 T f (5) θ = Ts T f (6) 2 hp m = ka c (7) Eşitlik (5), (6) ve (7), eşitlik (4) te yerine konulursa eşitlik (8) ifadesi bulunur. 2 d θ 2 m θ = 0 (8) 2 dx Burada T o kanat dibi sıcaklığı, T f akışkan sıcaklığı ve k kanat malzemesinin ısı iletim katsayısıdır. Diferansiyel denklemin genel çözümü için ax θ = e (9) olduğu kabul edilsin. Eşitlik (9) da θ nın x e göre iki defa türevi alınır ve eşitlik (8) de yerine yazılırsa eşitlik (10) elde edilir. 2 2 ax ( m ) e = 0 a (10) Buradan da, a = ± m yazılabilir. Buna göre (8) diferansiyel denkleminin genel çözümü eşitlik (11) de gösterilmektedir. mx mx θ = C1e + C2e (11) Burada C 1 ve C 2 katsayıları sınır şartlarından yararlanılarak hesaplanır. Burada, kanat ucundan taşınım ile ısı geçişi vardır. Bu durumda sınır şartları eşitlik (12) ve (13) te gösterilmektedir. 1832

151 Şirin, S., Altınışık, K. ve Ateş, A. 1. sınır şartı; x = 0 için T0 2. sınır şartı; x = L için, dt h = dx k x= L T = ve 0 = T 0 T f θ (12) ( T T ) s f (13) Böylece, Şekil 6 da gösterildiği gibi taşınım uçlu dikdörtgen bir kanadın verimi L 3 / 2 ( / ) 1/ 2 c h kap parametresinin bir fonksiyonu olarak gösterilebilir. Buradan; cosh m L = θ o cosh h km h km ( x) + sinh m( L x) θ (14) ( ml) + sinh( ml) elde edilir. Kanat ucundan akışkana geçen toplam ısı eşitlik (15) te gösterilmiştir. h sinh ( ml) cosh ( ml) q = h k P Aθ km (15) 0 h cosh ( ml) + sinh ( ml) km 3.2. Kanat etkenliği Kanat kullanımı, bir yüzeyden ısı geçişini artırmak için etkin yüzey alanını artırmayı amaçlar. Bununla birlikte, kanatın kendisi orijinal yüzeyden ısı geçişine bir iletim direnci gösterir. Bu nedenle, kanat kullanımının ısı geçişini mutlaka artıracağı önceden söylenemez. Bu husus kanat etkenliği tanımlanarak değerlendirilebilir. Kanat etkenliği, ε f, kanatlı halde geçen ısının kanatsız halde geçebilecek ısıya oranı olarak tanımlanır ve eşitlik (16) ile gösterilmiştir. ε q f f = (16) hac, bθ b 3.3. Kanat verimi Taşınım için en yüksek sıcaklık farkı, kanat dibi (x=0) sıcaklığı ile akışkan arasındaki sıcaklık farkıdır, θ b = T b T. Bu nedenle bir kanatın yayabileceği enerjinin en yüksek değeri bütün kanat yüzeyi taban sıcaklığında olduğu zaman gerçekleşecektir. Ancak bu ideal bir durumdur ve kanat içinde bir sıcaklık değişimi her zaman vardır. Bu düşünceden yola çıkarak kanat verimi eşitlik (17) ve (18) de gösterilmiştir. tanh = ( ml ) c η f (17) mlc ml 2h 1/ 2 3/ 2 c = Lc (18) ka p Şekil 6 Dikdörtgen profilli düz kanatların verimleri (Incropera, F. P, 2000) 3.4. Taşınım katsayısının belirlenmesi Kanat yüzeyi boyunca ortalama ısı transfer katsayısını bulmak için kanat, tabandan kanat yüzeyi boyunca sabit sıcaklıkta ısıtıldığı kabul edilebilir. Buna göre, laminer akışta lokal Nusselt sayısı eşitlik (19) da gösterilmektedir. 1/ 2 1/ 3 Nu = Re Pr (19) Burada Nu ve Re sayıları yerlerine yazılırsa eşitlik (20) elde edilir. 1/ 2 hx x = Nu k Buradan; h x x u ρ x = Pr µ 1/ 2 u ρ x k = Pr µ x 1/ 3 1/ 3 (20) (21) Levha yüzeyi boyunca ortalama taşınım katsayısı eşitlik (22) ile ifade edilmiştir. L 1 h = L h x dx (22) 0 (22) bağıntısında hx yerine (21) ifadesi yazılır ve gerekli ara işlemler yapılırsa eşitlik (23) elde edilir. 1/ 2 k u ρ L 1/ 3 h Pr (23) = L µ 4. Bulgular ve tartışma Verilen her bir ısı akısı değeri için, bu değer sabit kalmak kaydıyla hava hızının 0,5 m/s den 5 m/s ye kadar 0,5 m/s aralıklarla artan on farklı değeriyle çalışıldı ve sonuçlar buna göre yorumlandı. 5 m/s yi geçen hızlar için uygun değerler tespit edilemedi. 1833

152 Şirin, S., Altınışık, K. ve Ateş, A. Elde edilen deney verilerinden yola çıkılarak, Reynolds sayısı, Nusselt sayısı, ısı taşınım katsayısı, kanatsız bölgelerden transfer edilen ısı, bir kanatcıktan transfer edilen ısı ve kanatcıklardan toplam transfer edilen ısı, kanat etkenliği ve kanat verimi her bir deney için hesaplandı. Hesaplanan kanatcıksız ve kanatcıklı yüzeylerden olan ısı transferi değerleri ile farklı ısı akılarında ve hızlara göre karşılaştırma yapıldı. Şekil 7 ve 8 de görüldüğü gibi, kanatlardan ve kanatsız alandan transfer edilen ısı, verilen her bir ısı akısı için, 2 m/s ye kadar artmaktadır. Ancak 2 m/s den sonra azaldığı ve 5 m/s hıza kadar azalarak devam ettiği görülmektedir. Aynı durum, Şekil 9 ve 10 da Reynolds sayısının 2700 ve 3500 aralığı için de geçerlidir. q (W) hız (m/s) 15 W 20 W 25 W 30 W 35 W 40 W 45 W 50 W 55 W 60 W 65 W 70 W Şekil 7. Kanatlardan transfer edilen ısının hıza göre değişimi q (W) 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, hız (m/s) 15 W 20 W 25 W 30 W 35 W 40 W 45 W 50 W 55 W 60 W 65 W 70 W Şekil 8. Kanatsız bölgelerden transfer edilen ısının hıza göre değişimi q(kanatlı), W Re 15 W 20 W 25 W 30 W 35 W 40 W 45 W 50 W 55 W 60 W 65 W 70 W Şekil 9. Kanatcıklardan transfer edilen ısının Reynolds sayısına göre değişimi q (kanatsız), W Re 15 W 20 W 25 W 30 W 35 W 40 W 45 W 50 W 55 W 60 W 65 W 70 W Şekil 10. Kanatcıksız alandan transfer edilen ısının Reynolds sayısına göre değişimi Akışkan ile katı cisim arasındaki ısı transferinde etken olan faktörler zaman, ısı transfer yüzeyi, ısı taşınım katsayısı, akışkan hızı, ısı iletim katsayısı ve akışkan sıcaklığıdır. Bu çalışmada kanat yüzeyi sabit kalmaktadır. Isı transferi akışkan moleküllerinin ısı transfer yüzeyi ile teması sonucu gerçekleşir. Bu moleküllerin yoğunluğu akışkan hızına bağlı olarak artmaktadır. Ancak belli bir hız değerinden sonra temas süresi kısalacağından, hava molekülleri ve katı cisim arasındaki ısı transferi miktarı azalır. Bu sonuç, ısı transferinin en fazla 2 m/s hızda gerçekleştiğini göstermektedir. Genişletilmiş yüzeylerde temel amaç, yüzey ve çevresindeki akışkan arasında ısı geçişini arttırmaktır. 2 m/s hızda, hem kanatcıklardan transfer edilen ısı, hem de kanatsız bölgelerden transfer edilen ısı maksimumdur. Bu ise, optimum çalışma hızı olarak nitelendirilebilir. Toplam ısı transferinin, verilen ısı akısından farklı ve daha küçük olduğu görülmektedir. Bu durum, beklenen bir sonuçtur. Bunun nedeni, ısı kayıpları olarak açıklanabilir. Isıtıcıya verilen ısı akısının bir bölümü içinde bulunduğu alüminyum borudan dışarıya doğru geçmektedir. 1/ 2 3/ 2 Kanatcık verimi, ml c = ( 2h / kap ) Lc parametresinin bir fonksiyonudur. Şekil 11 de kanatcık veriminin ml c ile değişimi gösterilmektedir. Şekil 6 da gösterilen dikdörtgen profilli düz kanatların veriminin bu parametreye göre değişimiyle uyumlu olduğu görüldü. Ancak bu çalışmada ml c değeri, oldukça küçüktür. Bunun nedeni, kanatcık boyutlarının çok küçük olmasıdır. ml c değeri 0,19-0,34 aralığındadır ve bu aralık için, verim 0,98 den başlamakta ve azalarak devam etmektedir. Bu aralıkta, bütün ısı akıları için yaklaşık aynı değişim olduğu görüldü. Bu da, Şekil 6 ile uyum içinde olduğunu göstermektedir. 1834

153 Şirin, S., Altınışık, K. ve Ateş, A. T Akışkan sıcaklığı, ºC t Kanat kalınlığı, m u Akışkanın ortalama hızı, m/s Kanat genişliği,m z µ Dinamik viskozite, kg/ms ρ Yoğunluk, kg/m 3 ε f Kanat etkenliği η f Kanat verimi Şekil 11. Kanatcık veriminin ml c ile değişimi 5. Sonuç ve öneriler Deneysel olarak gerçekleştirilen bu çalışmada, bilgisayar soğutucuları esas alınarak silindirik bir boru içerisine yerleştirilen kanatçık dizilerinde; zorlanmış taşınım ile ısı transferi incelendi ve elde edilen sonuçlar aşağıda özetlendi. Her bir ısı akısı için, hava hızının 0,5 m/s den 5 m/s ye kadar 0,5 m/s aralıklarla artan farklı değerleriyle çalışıldı. Kanatcıksız ve kanatcıklı yüzeylerden olan ısı transferi hesaplandı, farklı ısı akıları ve hızlara göre mukayese edildi. Kanatlardan ve kanatsız alandan transfer edilen ısı, verilen her bir ısı akısı için, 2 m/s ye kadar artarken 2 m/s den sonra azaldığı ve 5 m/s hıza kadar azalarak devam ettiği görülmektedir (Şekil 7-10). Bu çalışmanın verileri ile literatürdeki benzer çalışmalar mukayese edildiğinde sonuçların uyumlu olduğu görüldü (Şekil 11). Sonuç olarak; bu deneysel çalışmayla elektronik cihazların soğutulmasında kullanılan kanatcıklı yüzeylerde ısı transferinin belli bir hız değerine kadar arttığı, daha sonra ise azaldığı görüldü. Yapılan bu çalışma diğer bu tür çalışmalar için temel alınarak uygulanabileceği görüşüne sahip olundu. 6. Sembol ve kısaltmalar A c Kanat dibi alanı, m 2 A p Kanat profil alanı, m 2 h Isı taşınım katsayısı, W/m 2 ºC h Ortalama taşınım katsayısı, W/m 2 ºC h x Yerel taşınım katsayısı, W/m 2 ºC k L Nu Nusselt sayısı Re Reynolds sayısı P Isı iletkenlik katsayısı, W/mºC Kanat genişliği, m Kanadın çevre uzunluğu, m Pr Prandtl sayısı q Isı akısı, W T b Kanat dibi sıcaklığı, ºC Kaynaklar [1] Juncu, G., A Numerical Study of Momentum and Forced Convection Heat Transfer Around Two Tandem Circular Cylinders at Low Reynolds Numbers. Part II: Forced Convection Heat Transfer, International Journal of Heat and Mass Transfer, 50, , [2] Bhowmik, H., Tso, C.P., Tou, K.W., Tan, F.L., Convection Heat Transfer From Discrete Heat Sources in A Liquid Cooled Rectangular Channel, Applied Thermal Engineering, 25, , [3] Sultan, G.I., Enhancing Forced Convection Heat Transfer From Multiple Protruding Heat Sources Simulating Electronic Components in a Horizontal Channel by Passive Cooling, Microelectronics Journal, 31, , [4] Sezai, I., Mohamad, A.A., Natural Convection From a Discrete Heat Source on The Bottom of a Horizontal Enclosure, International Journal of Heat and Mass Transfer, 43, , [5] Tou, S.K.W., Zhang, X.F., Three-Dimensional Numerical Simulation of Natural Convection in an Inclined Liquid-Filled Enclosure With an Array of Discrete Heaters, International Journal of Heat and Mass Transfer, 46, , [6] Avelar, A.C., Ganzarolli, M.M., Natural Convection in an Array of Vertical Channels with Two-Dimensional Heat Sources: Uniform and Non-Uniform Plate Heating, Heat Transfer Engineering, 25(7):46 56, [7] Peles, Y., Koşar, A., Mishra C., Kuo, C. J., Schneider, B., Forced Convective Heat Transfer Across a Pin Fin Micro Heat Sink, International Journal of Heat and Mass Transfer, 48, , [8] Zhao, C. Y., Lu, T. J., Analysis of Microchannel Heat Sinks For Electronics Cooling, International Journal of Heat and Mass Transfer, 45, , [9] Altınışık, K., Isı Transferi, Nobel Yayın, Ankara, 2003 [10] Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri, Literatür Yayıncılık, [11]Azar, K., Thermal Measurements In Electronics Cooling, Crc Pres, New York,

154 5 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 09), May 13-15, 2009, Karabuk, Turkey A COMPARISON OF ENERGY AND POWER CONVERSION EFFICIENCIES OF m-si AND p-si PV CELLS IN TRABZON Erdem CÜCE a, *, Tülin BALİ b a, * Karadeniz Technical University, Mechanical Engineering Department, Trabzon, Turkey, b Karadeniz Technical University, Mechanical Engineering Department, Trabzon, Turkey, Abstract In this study, energy and power conversion efficiencies of m-si and p-si PV cells were compared for the subtropical climate of Trabzon. The experiments were carried out for both indoor and outdoor operating conditions. Current-voltage (I-V) and power-voltage (P-V) characteristic curves were plotted for each cell and performance results of the PV cells were evaluated. Keywords: Energy, PV cells, Efficiency, m-si, p-si 1. Introduction Solar energy which is produced by the photons from the sun is one of the most important renewable energy sources due to it provides an unlimited, clean and environment friendly energy. Conversion of sunlight directly into electricity by PV cells is a significant and rapidly developing solar energy application. In literature many researchers emphasize the importance of studies concerning performance evaluation of PV cells [1-12]. Determination of the most appropriate operating conditions for any PV cell requires a performance analysis including energy and power conversion efficiencies. For a PV cell, efficiency measures the ability to convert radiative energy into electrical energy. There are two efficiency expressions which characterize the performance evaluation of PV cells. First one is the energy efficiency and it is calculated using the ratio of the theoretical electrical power output of PV cell divided by the input illumination intensity. The second one is the power conversion efficiency and it is determined from the ratio of the maximum power output of PV cell divided by the input illumination intensity. The variation of these efficiencies with different illumination intensities and cell temperatures is quite important to specify the performance characteristics of PV cells at a particular location. Trabzon, located on the northeast of Turkey, has humid subtropical climate. Although many studies were performed concerning performance evaluation of PV cells at high temperatures [1], in tropical [2,3,4,5] and desert climates [6,7] there is no analysis in literature which was carried out in this climate. This study consists of indoor and outdoor experiments of m-si and p-si PV cells. It is well-known fact that dry-bulb temperature does not vary in a humidification process. Thus, the surface temperature of a PV cell remains constant for different relative humidity concentrations of environment. The outdoor experiments were performed to examine the humidity effect on illumination intensity. Since the linear relation between short circuit current and illumination intensity did not vary with different relative humidity concentrations, indoor experiments were carried out for a specific operating condition ( T a = 25 o C and φ = 90 % ) which characterize the subtropical climate of Trabzon. A solar simulator which uses tungsten-halogen bulbs was manufactured to obtain different illumination intensities in indoor operating conditions and it was placed on the ceiling of the control room. Finally, current-voltage (I-V) and power-voltage (P-V) curves of m-si and p-si PV cells were plotted. Energy and power conversion efficiencies of these PV cells were compared. 2. Theoretical Investigation The current-voltage characteristic of a PV cell can be presented by either a two diode model or by a single diode model. However, the single diode model is the most popular one for PV cells. Under constant illumination intensity, the current-voltage relation for a PV cell is given by I = I ph Id I p β = I ph Is exp V + R si 1 Gsh V + R si n where I ph, I d and ( ) ( ) current and the shunt current; I s, n, (1) I p being the photocurrent, the diode R s and G sh are the diode saturation current, the diode ideality factor, the series resistance and the shunt conductance respectively. β is the usual inverse thermal voltage [8]. PV cell parameters are quite important due to they affect the energy and power conversion efficiencies of a PV cell. The power conversion efficiency of a PV cell is determined by η pce V oc = I( V ) dv / G A (2) V = 0 which is illustrated in Figure 1. If the effect of series ( R ) and shunt resistance ( R sh ) on the I-V characteristic of the PV cell is neglected, the ideal power rectangle is obtained as can be seen in Figure 2 and the energy efficiency of the cell is calculated by η = I V / G A (3) e sc oc s IATS 09, Karabük University, Karabük, Turkey 1836

155 Cüce, E. and Bali, T I sc Irreversibilities intensity. A control room with air conditioning system was projected to be able to carry out the experiments under different relative humidity concentrations. A LUXOR 10 W p-si and an ALFASOLAR 10 W p m-si PV module were examined in the study. The experimental setup is illustrated in Figure 4. p I (A) Power output V oc V (V) Figure 1. Power output of a PV cell with the effects of ıııııııınııjııı R and R. s sh Figure 3. Illumination system consists of 12 tungstennııııııııııığğiihalogen bulbs I sc I (A) 0.04 Ideal Power Rectangle V oc V (V) Figure 4. The experimental setup and the control room. A LUTRON AM 4204HA hot wire anemometer was preferred to determine the wind speed for outdoor measurements. The measurement devices can be seen in Figure 5. Figure 2. Power output of a PV cell without the effects of ıııııııııııııııı R and R. s 3. Experimental Study sh In this experimental study, a solar simulator which uses 12 tungsten-halogen bulbs was manufactured to obtain the different illumination intensities in indoor operating conditions. Each bulb provides energy at the rate of 1000W. The illumination system can be seen in Figure 3. The electrical parameters of the PV modules were evaluated using FLUKE 87V multimeters with a measuring error of 0.2% for DC current and 0.06% for DC voltage. A rheostat was used to vary the resistance of the circuit. A LUTRON HT 3006HA humidity/temperature meter was utilized for temperature and humidity measurements for the control room. A CMP 11 Pyranometer with high linearity and low tilt error was used to measure illumination Figure 5. The measurement devices for the electrical nııııııııjşiuiıiiparameters. 4. Results and Discussion In order to examine the performance characteristics of m-si and p-si PV modules in the subtropical climate of Trabzon, the temperature and the relative humidity of the 1837

156 Cüce, E. and Bali, T. control room were adjusted to 25 o C and 90%, respectively. I-V and P-V curves of the PV cells were plotted for four different illumination intensities which are illustrated in Figure [6-9] W/m W/m W/m I (A) W/m W/m W/m 2 I (A) W/m W/m V (V) V (V) Figure 8. The comparison of I-V curves of p-si PV yııııııııııııııı ımodule. 5 Figure 6. The comparison of I-V curves of m-si PV yıııııııııııııııımodule W/m W/m W/m W/m 2 P (W ) W/m P (W ) W/m W/m W/m V (V) V (V) Figure 7. The comparison of P-V curves of m-si PV yııııııııııııııiıımodule. Figure 9. The comparison of P-V curves of p-si PV yıııııııııııııııımodule. Due to the linear growth of short circuit current and exponential increase of open circuit voltage, energy and power conversion efficiencies of m-si and p-si PV modules increased exponentially as can be seen in Figure 11. As it is seen in Figure 10, A linear variation of short circuit current and maximum current was observed with increasing illumination intensity for both m-si and p-si PV modules. On the contrary, open circuit voltages of the PV modules increased exponentially. The exponential term of current-voltage characteristic is more dominant for m-si in comparison to p-si. 1838

157 Cüce, E. and Bali, T. Nomenclature I (A ) I sc (m-si) I sc (p-si) I m (m-si) I m (p-si) Figure 10. Variation of G (W/m 2 ) I sc and m ııııııııııııniiiiiiipv modules with different G. η (% ) G (W/m 2 ) I of m-si and p-si η e m-si η pce m-si η e p-si η pce p-si Figure 11. Variation of ηe and ııııııııııııniiiiiiıpv modules with different G. η pce of m-si and p-si In indoor experiments, η e and η pce of m-si PV module were seen to vary 12.95% to 17.85% and 11.31% to 15.84%, respectively. Otherwise, η e and η pce of p-si PV module were lower ranging from 10.38% to 14.85% and 9.07% to 13.14%, respectively. For the conditions of experimental study, the result of m-si PV modules are more appropriate than p-si PV modules was observed. I V P I V I V m m sc oc ph Current Voltage Power Maximum current Maximum voltage Short circuit current Open circuit voltage I Photocurrent I d I p I s n R s Diode current Shunt current Diode saturation current Ideality factor Series resistance G sh Shunt conductance G Illumination intensity A Surface area of PV module η Power conversion efficiency η e pce Conclusion Energy efficiency In this experimental study, the linear relation between short circuit current and illumination intensity did not vary with different relative humidity concentrations. Therefore, the experiments were carried out for one relative humidity concentration at the rate of 90% in indoor operating conditions. Regarding to the results, the energy and the power conversion efficiencies of m-si PV modules are better than those of p-si PV modules. In future studies, it is suggested to be investigated of the performance of PV modules for different cell temperatures. References [1] Yuri V. Vorobiev et al. Photovoltaic solar cells performance at elevated temperatures, Solar Energy 78 (2005) [2] A.J. Carr, T.L. Pryor, A comparison of the performance of different PV module types in temperate climates, Solar Energy 76 (2004) [3] A.Q. Malik, Salmi Jan Bin Haji Damit, Outdoor testing of single crystal silicon solar cells, Renewable Energy 28 (2003) [4] Akhmad, K., Kitamura, A., Yamamoto, F., Okamoto, H., Takakura, H., Hamakawa, Y., Outdoor performance of a-si and p-si modules. Solar Energy Materials & Solar Cells 46, [5] Ikisawa, M., Outdoor exposure tests of photovoltaic modules in Japan and Overseas. In: Scheers, H., (Eds.), Proceedings of 16 th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Glasgow, UK. pp [6] Mohammed Sadok, Ahmed Mehdaoui, Outdoor testing of photovoltaic arrays in the Saharan region, Renewable Energy 33 (2008) [7] H.M.S. Hussein, G.E. Ahmad, H.H. El-Ghetany, Performance evaluation of photovoltaic modules 1839

158 Cüce, E. and Bali, T. at different tilt angles and orientations, Energy Conversion & Management 45 (2004) [8] K. Bouzidi, M. Chegaar, A. Bouhemadou, Solar cells parameters evaluation considering the series and shunt resistance, Solar Energy Materials & Solar Cells 91 (2007) [9] G.E. Ahmad, H.M.S. Hussein, H.H. El-Ghetany, Theoretical analysis and experimental verification of PV modules, Renewable Energy 28 (2003) [10] Ahmet Duran Sahin, Ibrahim Dincer, Marc A. Rosen, Thermodynamic analysis of solar photovoltaic cell systems, Solar Energy Materials & Solar Cells 91 (2007) [11] E. Radziemska, The effect of temperature on the power drop in crystalline silicon solar cells, Renewable Energy 28 (2003) [12] R.M. Mehra et al. Effect of illumination intensity and temperature on the I-V characteristics of n-c/p-si heterojunction, Solar Energy Materials & Solar Cells 73 (2002) [13] Tom Markvart, Luis Castaner, Practical Handbook of Photovoltaics: Fundamentals and Applications, Elsevier, UK, [14] A. Luque, S. Hegedus, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley, UK,

159 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye TARIMSAL ATIK BİLEŞENLERİNDEN KİMYASAL VE ENERJİ ÜRETİMİNDE FAYDALANMA USING AGRICULTURAL WASTES TO PRODUCE CHEMICAL PRODUCTS AND ENERGY Ayhan TOZOĞLU a* Halil İbrahim ŞAHİN b, İlter BEKAR c a* Düzce Üniversitesi, Orman Fakültesi, Düzce, Türkiye, E-Posta: b Düzce Üniversitesi, Orman Fakültesi, Düzce, Türkiye, E-Posta: c Düzce Üniversitesi, Orman Fakültesi, Düzce, Türkiye, E-Posta: Özet Katma değeri düşük olan odunsu atıklar, kolay ve az masrafla, direk yakılarak evlerde ve işyerlerinde gerekli olan enerjinin en azından bir kısmının elde edilmesinde kullanılabilir. Fakat bu ürünler kimyasal içerik bakımından taze odunlardan fazla farklı değildir ve yüksek sıcaklıkta termal bozunmasıyla odun katranı, kömür ve gazlardan oluşan birçok ürün elde edilebilir. Son yıllarda giderek artan fiyatlar ve özellikle petrol gereksinimini dış alım yolu ile karşılayan ülkeler için değişik bir enerji kaynağı olarak lignoselülozik maddelerden yararlanmak üzere, biyokütle miktarının yükseltilmesine, kimyasal maddelere dönüştürmeye ve uygun işleme olanaklarına yönelik çalışmalar hızla devam etmektedir. Bu çalışmada ise mevcut potansiyeli ile kimyasal ve enerji sektörü için önemli bir hammadde kaynağı olan yıllık bitkilerden enerji ve farklı kimyasalların üretimine yönelik bilgiler son yıllarda yapılan literatür çalışmaları da dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Etanol, fermantasyon, sakkarifikasyon, yıllık bitki, termal degradasyon. Abstract Low value-added woody wastes can be used to obtain some of the required energy at living and working places by directly burning these wastes easily. However these products are not very different from new and young woods so that thermal degradation under high temperatures may cause to extract products like wooden tar, coal and various types of gases. In recent years, due to the increasing oil prices, countries which supply required amount of oil by importation are looking for ways to benefit from ligno cellulosic materials. Accordingly activities such as increasing biomass amount, transforming them into chemicals and finding process for production are highly valuable. In this study existing potential of annual plants as raw materials to produce various chemicals and obtain energy is significantly evaluated concerning recent related literature. Key words: Ethanol, fermentation, saccarification, annual plants, thermal degradation. 1. Giriş Fosil kökenli yakıt kaynakları yıllardır dünyanın her yerinde enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Ham petrolün, dünya enerji kaynaklarının %38 ini, kömürün %25 ini ve doğal gazın da %22 sini oluşturmasıyla, dünya enerji gereksiniminin %85 i fosil kökenli yakıt kaynaklarından sağlanmaktadır. Dünya petrolünün ise yaklaşık olarak %75 i Orta Doğu ülkelerinde bulunmakta olup, ülkemiz gibi petrol fakiri ülkeler yakıt teminindeki aksamalardan ve fiyat artışlarının neden olduğu ekonomik ve stratejik aksaklıklardan oldukça etkilenmektedirler [1]. Bu nedenle de 1970 li yıllardaki petrol krizinden sonra ülkeler kendi öz kaynaklarını kullanarak dışa bağımlılıklarını azaltabilmek için yeni alternatif enerji kaynakları bulma ve yararlanma zorunluluğunu algılamışlardır. Son yıllarda çeşitli ülkelerde biyoyakıt üretim programları uygulanmakta olup, bu programların kısa vadedeki amaçları alternatif taşıt yakıtları, katkı maddeleri ve çeşitli yağların düşük maliyetli biyokütlelerden üretimi için gerekli teknolojileri üretmek; orta ve uzun vadeli programlarda ise enerji amaçlı bitkiler yetiştirmektir. Daha temiz ve yaşanılabilir bir dünya için çevre ile dost, yüksek miktarda elde edilebilen bölgelerde biyokütlenin enerji üretmek için kullanılması, teknolojilerdeki ilerlemeler ve çevresel ihtiyaçlar ile beraber önem kazanmıştır. Bu noktada, yenilenebilir doğal kaynaklardan kimyasal ve biyolojik yolla elde edilen yakıt değeri yüksek etanolün kullanılması birçok araştırmacı tarafından önerilmektedir [1]. Ayrıca etanolün yanması sonucu, petrol ürünlerine göre daha düşük oranlarda CO, CO 2 ile yanıcı olmayan hidrokarbonlar, azot oksitler ve uçucu organik bileşiklerin oluşması bu konunun önemini daha da çok artırmaktadır [2]. Günümüzde dünyada yapılan çalışmaların büyük bir kısmı ise yenilenebilir tarım bitkilerinden etanol ve biyodizel üretimidir. Özellikle son zamanlarda odun hammaddesi yerine yıllık bitki ve tarımsal atıkların bu amaç için kullanılmasıyla hem ormanlara olan talebin azaltılması amaçlanmakta hem de var olan bir potansiyeli ile orman endüstrisinde ve enerji üretimi amaçlı kullanım alanlarında bir boşluğu doldurması amaçlanmaktadır [3]. Biyokütlenin bol ve ucuz bulunduğu Brezilya ve Amerika Birleşik Devletlerinde, şeker kamışı, mısır ve buğday gibi tarımsal atıklardan etanol üretilerek ticari olarak araçlarda motor yakıtı olarak kullanılmaktadır. Lignoselülozik hammadde kaynaklarının oldukça fazla bulunduğu ülkemizde de bu tarz çalışmalara gereken önemimin verilmesiyle önemli IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1841

160 Tozluoğlu, A., Şahin, H. İ., Bekar,İ. miktardaki biyokütle potansiyelinin değerlendirilebileceği ve böylece var olan enerji sıkıntısının giderilebileceği düşünülmektedir. Her ne kadar lignoselülozik biyokütlenin enerji amaçlı kullanımı son yıllarda çok daha fazla önem arz etmekte ise de son yıllarda yapılan çalışmalar tarımsal atık selüloz ve polyozlarından farklı kimyasal ürünlerin üretilebilirliği üzerine de yoğunlaşmış durumdadır. Bu çalışmada lignoselülozik maddelerden enerji ve kimyasal ürünlerin üretimi hakkında genel bilgiler verilecek ve bu sektörler için alternatif hammadde kaynaklarından biri sayılabilecek tarımsal atıkların endüstriyel kullanımına dönük çalışmalara son yıllarda bilim adamlarının sağladığı katkılardan bahsedilecektir. 2. Biyokütlenin Termal Degradasyonu Biyokütlenin termal degradasyonunda farklı işlemler uygulanır Piroliz Organik maddeler oksijensiz ortamda ısıtılırsa ortaya çıkan termal parçalanma sürecine piroliz adı verilir. Oksijensiz ortamda o C a kadar yapılan ısıtmada; gaz bileşenleri, uçucu yoğuşabilir maddeler, mangal kömürü ve kül açığa çıkar. Yüksek sıcaklığa çıkıldığında ise gaz bileşenleri açığa çıkar [4] Karbonlaştırma Karbonlaştırmada; biyokütle havasız ortamda kimyasal parçalanmaya uğrar. Bu işlem de farklı sıcaklık bölgelerinde gerçekleşir. Yaklaşık 170 o C a kadar suyun buharlaşması tamamlanır. 180 o C den yüksek sıcaklıklarda biyokütle polimerlerinin parçalanma tepkimeleri açığa o çıkmaya başlar C sıcaklıklar arasında eksotermik boşalma reaksiyonları meydana gelerek metanol, asetik asit, katran, CO ve su açığa çıkar. 350 o C nin üzerindeki sıcaklıklarda ek katran ürünleri oluşur. 500 o C dan daha yüksek sıcaklıklarda çatlama süreci ve dehidrasyon tepkimeleri oluşur [4] Gazlaştırma Organik maddelerin gazlaştırılmasın da yaklaşık 500 o C sıcaklığa kadar olan süreç piroliz safhası olup burada; karbon, gazlar ve katran elde edilir. Isıtma 1000 o C a kadar çıkıldığında karbon da su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H 2 üretilir. Gasifikasyonda önemli olan biyokütlenin nem oranının % 30 u geçmemesidir. Nem oranı arttıkça gazın kalorifik değeri düşmektedir. Ayrıca hacimsel olarak yanabilir gaz olan CO miktarı düşerken CO 2 miktarı da artmaktadır [4] Sıvılaştırma Biyokütlenin sıvılaştırılması işleminde amaç gazlı bileşiklerin yanında yüksek verimlerde hidrokarbon ve fenoller ile yüksek dereceli petrol ürünlerinin üretimini de sağlamaktır. Biyokütlenin sıvılaştırılmasında çözücü olarak su, yağ, aseton veya yüksek basınç ve sıcaklık kademelerinde ise alkol-su karışımları kullanılabilmektedir [5]. Odunun sıvılaştırılması işlemi sayesinde polisakkaritler monosakkaritlere ve monosakkaritlerde furfural ve fenolik lignin gibi degradasyon ürünlerine dönüşebilmektedir [6] Yakma Biyokütleyi yakma prosesi kullanan yakma sistemine bağlı olarak farklı verimlerde ısı üretimine sebebiyet vermektedir. Biyokütleden yakma prosesiyle ısı enerjisi elde etmede en önemli kısmı kabuk içeriği oluşturmaktadır. Kabuk içerdiği daha fazla ekstraktif madde nedeniyle daha fazla enerji yaymaktadır [5]. 3. Biyokütlenin Sakkarifikasyonu (Şekerleştirilmesi) Biyokütleyi oluşturan polisakkaritlerin (selüloz, polyozlar) şekerlere hidrolizi sakkarifikasyon yöntemlerinin temelini oluşturmaktadır. Sakkarifikasyon işleminin ana ürünü selüloz ve kısmen mannandan elde edilen glukozdur [5]. Sakkarifikasyon işleminde kullanılan kimyasallar daha çok sülfürik ve hidroklorik asit konsantrasyonlarıdır. Sakkarifikasyon işlemlerinde seyreltik asit belirli sıcaklıklarda uygulanabiliyor olmasına karşın, konsantre asit oda sıcaklığında uygulanmaktadır. Bununla birlikte, konsantre asit kullanımı düşük reaksiyon sıcaklıklarında çalışmayı avantajlı kılarken diğer yandan sistemde korozyonu önleyici maliyetlerin artmasına neden olmaktadır. Birçok sakkarifikasyon metodunda selülozun hidrolizinden önce kolayca hidrolize olabilen polyozların uzaklaştırılmasını sağlamak amacıyla ön hidroliz işlemi uygulanmaktadır. Bu durum özellikle yüksek ksilan içeriğine sahip olan yıllık bitkilerin sakkarifikasyon işlemine tabi tutulması sırasında önem arz etmektedir. Bu ön hidroliz işlemleri ile odundan furfural, metanol, aseton, asetik asit, ksilitol ve sorbitol gibi yan ürünlerin elde edilmesi mümkün olmaktadır [7]. 4. Selülozdan Kimyasal Ürünlerin Üretimi Selülozun glukoza dönüşümü asit katalizörü, enzimatik veya mikrobiyal hidroliz yoluyla olabilmektedir. Çözünmüş ve ya amorf selüloz içindeki glukosidik bağlar asit ve enzimatik hidroliz işlemlerinin bütün çeşitleriyle kolayca hidrolize olabilmesine rağmen selüloz hidrolizini engelleyen iki önemli faktör bulunmaktadır. Birinci sınırlayıcı faktör lignoselülozik materyaller içindeki lignin varlığı olup, lignin selüloz hidrolizinde enzimatik atağı minimum seviyeye düşürerek hidrolizi engellemeye çalışmaktadır. Diğer taraftan selüloz kristal yapısı nedeniyle enzimatik hidrolize olduğu kadar farklı kimyasalların hidrolizine de dayanıklıdır [5]. Öte yandan ideal şartlar altında selülozun glukoza dönüştürülmesinde enzimatik hidroliz işlemi yeterli görülse de verim yalnızca %20-40 lara ulaşmaktadır. Enzimatik hidrolizde sınırlayıcı bu etkiden başka uzun reaksiyon süresi, enzimlerin inhibisyon ve inaktivasyonu ve enzimlerin yüksek maliyeti diğer sınırlayıcı faktörler olarak göze çarpmaktadır [8]. Odun sakkarifikasyonuyla ilgili olarak yukarda bahsedilen ön hidroliz işlemlerinden başka selüloz materyelini hidroliz işlemine karşı daha duyarlı hale getirebilecek diğer 1842

161 Tozluoğlu, A., Şahin, H. İ., Bekar,İ. kimyasal ön muamele işlemleri uygulanabilmektedir. Bu yöntemler buhar, gaz veya sulu sülfür dioksit muameleleri kadar iyi olan amonyum ve alkali solüsyonları ile şişme sağlayan işlemleri kapsamaktadır. Tarımsal selülozik materyallerin ve sert ağaçların hidrolizinde bahsedilen bu muamele işlemleri etkin olmakta ve hidroliz sonucu elde edilen lifsel materyallerin hayvan yemi olarak kullanılabileceği yapılan çalışmalarda gösterilmiştir [9]. Bunun dışında öğütme parçalama defibrasyon veya elektron ışın radyasyonu gibi mekanik ve fiziksel ön muamele işlemlerinin ise selülozu dekristalize ve depolimerize ettiği ve bu yöntemlerde hidroliz oranının ve veriminin genellikle daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Ancak bu yöntemlerdeki yüksek enerji kullanımının gerekliliği bu yöntemlerin fabrika ölçekli kullanımını sınırlamaktadır. Diğer teknikler kadoksen veya demir sodyum tetrahidrat gibi selüloz çözücülerde selülozun çözündürülmesi ve reaktif olan ve enzimler tarafından kolaylıkla hidrolize olan amorf selülozun çökeltilmesini kapsamaktadır [5]. Şekil 1 de gösterildiği gibi glukozun kullanımında en başarılı rol fermantasyondur. Şeker substratının saflığına ve mayanın tipine bağlı olarak fermantasyon yoluyla etanol, hayvan yemi (tek hücreli protein, SCP) organik asitler, alkol ve aseton üretimi sağlanabilir. Glukoz ve heksozların (6C lu şekerler) etanole fermantasyonu çok iyi bilinen bir yöntem olmakta olup Embden-Meyerhof-Parnas şemasıyla daha iyi bir şekilde tanıtılmaktadır [9]. Biyokütleyi oluşturan şekerlerin etanole fermantasyonunda en önemli konulardan birisi ise pentozların (5 karbonlu şeker) etanole fermantasyonu üzerine olmaktadır. Bu konuda yapılan ilk çalışmalar Viikari ve ark. [10] tarafından yürütülmekte olup, fusarium türü mantarların fermantasyonuonu yoluyla, iki anaerobik termofilik bakteri (Clostridium thermorellum ve Thermoanaero bacterethanolicus) kullanarak ksilozun ethanole fermantasyonu sağlanmıştır. Günümüzde ise daha yüksek verimlerde pentozların etanole fermantasyonu üzerine çalışmalar yoğun bir şekilde devam etmektedir. Biyoetanol buğday sapı, sebze atıkları, mısır, patates, şeker kamışı gibi biyokütlelerden elde edilmekte ve benzin ile kullanıldığında oktan sayını artırıp, CO ve hidrokarbonlar gibi zararlı gazların emisyonlarını azaltarak tam yanma sağlamaktadır. Etanol veya etil alkol temiz renksiz bir sıvı olup, biyolojik olarak bozunur ve çevre açısından bir tehdit oluşturmaz. Etanol yüksek oktanlı bir yakıt olup, petrolde oktan artırıcı olarak kullanılır. Etanol ile benzin karıştırılarak emisyonu azaltmak ve tam bir yanma sağlamak mümkündür. Yaygın olarak karıştırılan kullanma oranları %10 etanol ve %90 petrol şeklindedir [11]. Etanol sıvı fuel olarak kullanılmakta ise de kimyada önemli bir solvent olarak ve eten ve bütadien üretiminde önemli bir hammadde kaynağı olarak kullanılmaktadır. Etanolden %96 verimle ethen ve %70 verimle bütadien üretimi sağlanabilmektedir [12]. Selüloz türevleri Rejenere selüloz SELÜLOZ Kağıt Hidroliz Levulinik asit Poliamidler Poliesterler Polikarbonatlar Epoksitler Hidroksi metil furfural Asit muamelesi GLUKOZ Sorbitol Vitamin C Fermentasyon Hidrojenasyon Aseton Alkoller Etanol Maya Asitler Bütanol İzopraponol Gliserol 2,3-bütanediol Eten bütadien Polieten Polistyren Polivinil klorit Sentetik lastik Proteinler Vitaminler Yağlar Amino asitler Asetik asit Laktik asit Sitrik asit Butyrik asit Glukonik asit Şekil 1. Selülozlardan elde edilen kimyasal ürünler (Fengel ve Wegener, 1984). Glukoz fermentasyonu hayvan yemi (tek hücreli protein) veya protein, amino asit ve vitamin sağlayıcı tatlandırıcı olarak kullanılabilmektedir. Torula mayası (Torula utilis) şeker solüsyonlarında fermantasyona yardımcı olarak başarıyla kullanılmaktadır. Glukozun fermantasyonuyla eten, glisol gliserol gibi poliollerin dışında bütanol ve 1843

162 Tozluoğlu, A., Şahin, H. İ., Bekar,İ. izopropanol üretimi gerçekleştirilebilmektedir. Bundan başka fermantasyon yoluyla laktik asit, butyrik asit, sitrik asit, asetik asit gibi organik asitler ile aseton gibi kimyasalların üretimi de sağlanabilmektedir [9]. Öte yandan gukoz, katalitik alkalin hidrojenasyon yoluyla sorbitole dönüştürülebilir. Sorbitol ise dietik tatlandırıcı olarak veya askorbik asitlerin (C vitamini) sentezini başlatıcı olarak kullanılabilmektedir. Bununla birlikte glukozun farklı koşullarda asit katalizörü muamelesiyle bir diğer sakkarifikasyon ürünü olan 5-hidroksimetil furfural (Şekil 1) elde edilmektedir. Bu yapı sayısız reaksiyona neden olarak poliester, poliamit, polikarbonat, epoksit furan reçinesi ve naylon gibi ara ürünlerin oluşumuna neden olmaktadır [5]. 5. Polyozlardan Kimyasal Ürünlerin Üretimi Polyozlar biyokütlenin ikinci polisakkarit kısmı olup, odun biyokütlesinde yumuşak ağaçlarda %15-25, sert ağaçlarda ise %25-35 dolaylarında bulunmaktadırlar. Sert ağaçlarda daha baskın olan polyozlar pentozlar (başlıca ksilanlar) iken, yumuşak ağaçlarda heksozlar (başlıca mananlar) olmaktadırlar. Ksilanlar mannanlara nazaran daha kolay POLYOZLAR hidrolize olabilmektedir. Bu etkiden sakkarifikasyonunun ön hidroliz yöntemlerinde, çözünebilir hamur üretiminde veya buhar ekstraksiyonu gibi işlemler sırasında yararlanılır [5]. Şekil 2 de polyozlardan elde edilen ürünler genel olarak gösterilmektedir. Kristalin ksiloz katalitik hidrojenasyon yoluyla ksilitole dönüştürülmektedir. Tatlandırıcı glikoz ile karşılaştırıldığında ksilitolün non-karyojenik tatlandırıcı olarak şeker hastaları tarafından kullanabileceği belirtilmiştir. Diğer ilgi çekici odun şekeri polyolü ise mannitol olup, ticari sorbitol üretiminde yan ürün olarak %20 verimle üretilmektedir [13]. Ksilandan elde edilen, ksilozun bir hidrojenasyon ürünü olan furfural diğer önemli kimyasallardan biridir. Ksilandan furfuralın üretiminde gerekli olan iki adım hidroliz ve asit katalizörlü hidrojenasyondur (Şekil 2). Tarımsal atıklardan %15 23 verimle furfural elde edilebileceği (tam kuru materyale oranla) belirtilmiştir. Yumuşak ve sert odunlardan elde edilen furfural verimi ise nispeten daha düşük olup %6 11 civarındadır [5]. Kağıt üretiminde kullanılan ek kimyasallar İleri İşlemler Ksilanlar Hidroliz Mannanlar Maya Fermentasyon Hidrojenasyon Ksiloz Asit muamelesi Esterifikasyon Mannoz Fermentasyon Etanol Maya İleri İşlemler Ksilitol Furfural Emulsifier Mannitol Furan Tetra hidrofuran Ester Furfuryl alkol Furan reçinesi Furan Karbonik asit Nylon 5 Furfuryl Akrilik asit Akrilatlar Maleik asit Reçineler Polimerler Poli üretan Nylon 6,6 Şekil 2. Polyozlardan elde edilen kimyasal ürünler (Fengel ve Wegener, 1984). Furfuralın sayısız ardışık bileşiklerinden biride furfuryl alkol olup, hidrojenasyon yoluyla elde edilmektedir. Bu ürünler ise değişik viskozitelere sahip sıvılar olup direnç özellikleri arttırılmış plastiklerin üretiminde kullanılmaktadır. Bunun dışında furfuraldan poliüretan ve naylon 6,6 furan ve tetra hidrofuran (THF) elde edilebilir. THF özellikle polivinil klorit (PVC) için değerli bir solvent olup çeşitli furan bileşiklerinin üretiminde tercih edilmektedir. Tetrahidrafurfuryl alkol ve dihidropyran ise polyester ve poliamit üretiminde başlangıç materyali olarak kullanılmaktadır [5].Ksilozca zengin şeker solisyonları ise buhar ekstraksiyonu yoluyla oluşturulmaktadır. Nispeten basit bir teknolojiyle parçalara 1844

163 Tozluoğlu, A., Şahin, H. İ., Bekar,İ. bölünmüş yıllık bitki veya bitki atıkları C de doymuş buharla muamele edilmektedir. Elde edilen materyal daha sonra liflendirilmekte ve suyla veya sulu alkali solüsyonuyla yıkanmaktadır. Elde edilen bu metaller yüksek kimyasal veya biokimyasal reaktiviteye sahiptir. Bu malzeme selülozlu yiyecek olarak (kaba yem) veya lif levha üretiminde kullanılabileceği gibi asetik veya enzimatik hidroliz için de kullanılabilir [13]. 6. Tarımsal Atıkların Kimysal ve Enerji Üretim Amaçlı Kullanımı Fosil yakıt kaynaklarının neden olduğu olumsuz etkileri ortadan kaldırması, tarım ürünleri için yeni bir pazar oluşturması ve buna benzer diğer birçok avantajıyla özellikle enerji sektöründe ilgi odağı haline gelen biyoetanol, günümüzde bilim adamlarının çalışmalarına daha fazla konu olmaktadır. Yapılan literatür çalışmaları incelendiğinde farklı hammadde kaynakları kullanılarak yada üretimde farklı yöntemler denenerek biyoetanol üretiminin gerçekleştirildiği ve bu çalışmaların o ülkelerin sanayi ve hükümetlerince bizzat desteklendiği görülmektedir. Günümüzde tarımsal atıklardan biyoetanol üretiminde seyreltik asit hidrolizi en fazla tercih edilen ön muamele işlemidir [14]. Seyreltik asit ile ön muamele işleminde bugün birçok fabrika aslında kendi teknolojisini kullanmaktadır. Örneğin Raven Biofuel I.C. [15] iki kademeli seyreltik asit hidrolizi ile kendi teknolojisini kurmuş ve odun yongaları, mısır sapları ve şeker kamışı gibi tarımsal atıklardan başarılı bir şekilde biyoetanol üretimi gerçekleştirmektedir. Bu işlemde selülozik hammadde fine (çok küçük lifçik) haline dönüştürülmekte ve ilk adımda zayıf sülfürik asit solüsyonuyla muamele edilerek atık ksiloz (C5 şekerleri) kısmı ayrıştırılmaktadır. Elde edilen ksiloz kısmının etanole fermantasyonu zor olduğundan [16] bu ürün furfural haline dönüştürülerek petrokimya ve biyoteknoloji kullanan endüstrilere etanolden daha yüksek fiyatlara satılmaktadır. Arta kalan hammadde ise sülfürik asit solüsyonuyla tekrar muamele edilmek suretiyle selüloz yapı taşı olan glukoza (C6 şekerleri) dönüştürülmekte ve bu şekerlerin fermantasyonuyla da etanol üretimi gerçekleştirilmektedir. Öte yandan selülozik atık maddelerin yaklaşık %15 ini oluşturan lignin %80 ısı enerjisi içeriğine sahip olup, ikinci seyreltik asit hidroliziyle hammaddeden ayrıştırılmakta ve böylece üretimde yakılarak fabrikanın enerji maliyetleri azaltılabilmektedir (Şekil 3). Yapılan bir çalışmada Karimi ve ark. [17] pirinç saplarından iki kademeli seyreltik sülfürik asit hidroliziyle (asit konsantrasyonu:%0-1, süre:3-10 dak., basınç:10-35 bar) glukoz ve ksiloz şeker verimini incelemişler ve I.kademe hidroliz sonunda (%0.5 H 2SO 4, 10 dak., 15 bar) %80.8 ksiloz ve %25.8 glukoz; II. Kademe hidroliz sonunda ise (%0.5 H 2SO 4 ilavesi, 3 dak., 30 bar) %78.9 ksiloz, %46.6 glukoz verimi elde etmişlerdir. Etanol üretiminde seyreltik asit hidrolizi yöntemi kullanılarak yapılan çalışmalar günümüzde birçok modifikasyonu beraberinde getirmiştir. Hammadde Asit Hidrolizi I. Kademe Asit Hidrolizi II. Kademe Ksiloz Glukoz Lignin Hidrojenasyon Fermentasyon FURFURAL Distilasyon Güç Üretimi ETANOL BUHAR Şekil 3. İki kademeli seyreltik asit hidrolizi yöntemi [15]. Yapılan birçok çalışmada iki kademeli asit ön muamelesinden sonra glikoz+ksiloz şeker verimini artırmak amacıyla enzim uygulamalarının yer aldığı da görülmektedir. Benzer bir çalışmada [18] mısır saplarından etanol üretiminde iki kademeli seyreltik sülfürik asit+selülaz enzim muamelesini denemiş ve kademeler arasında en yüksek glikoz+ksiloz şeker verimini elde etmeye çalışmışlardır. %0.22, 0.49 ve 0.98 sülfürik asit (w/w) konsantrasyonunda; 140, 160, 180 ve C lerde yaptıkları çalışmalarda asit+enzim hidroliziyle %92.5 un üzerinde glikoz+ksiloz şeker verimi elde edilebileceğini ve asit ön muamelesi süresince glukozun %15 inden fazlasının ayrıştırılabileceğini, ksikozun ise enzim muamelesi öncesinde %15-90 oranında hammaddede kalabileceğini gözlemlemişlerdir. Enzim muamelesinde ise selülaz aktivitesi yerine hemiselülaz aktivitesi kullanılması durumunda ksiloz veriminin artırılabileceğini belirtmişlerdir. Rodriguez Chong ve ark. [19] ise yapmış oldukları çalışmalarda farklı nitrik asit konsantrasyonlarında (%2-6), farklı sıcaklıklarda ( C) ve farklı reaksiyon sürelerinde (0-300 dak.) bagasseden ksiloz, glukoz ve arabinoz gibi şekerler ile asetik asit ve furfural gibi degradasyon ürünlerinin üretilebilirliğini kullandıkları matematiksel bir modelleme ile optimize etmeye çalışmışlar ve C, %6 HNO 3 ve 9.3 dak. optimum sürede 18.6 g. ksiloz/l, 2.04 g. arabinoz/l, 2.87 g. glukoz/l, 1845

164 Tozluoğlu, A., Şahin, H. İ., Bekar,İ. 0.9 g. asetik asit/l ve 1.32 g. furfural/l elde etmişlerdir. Ayrıca hidroliz işleminde nitrik asidin sülfürük asit ve hidroklorik aside nazaran daha etkin olduğunu gözlemlemişlerdir. Benzer bir çalışmada ise Lavarack ve ark. [20] bagasseden hidoklorik asit ve sülfürik asit hidroliziyle ( C sıcaklık, bagasse/çözelti oranı:1/20-1/5, asit konsantrasyonu: %) şeker ve diğer degradasyon ürünlerinin üretiminde (kslioz, arabinoz, glukoz, çözünür lignin ve furfural) sülfürik asidi hidroklorik aside nazaran daha etkin bulmuşlardır. Roberto ve ark. [21] ise yüksek pentozan içeriğine sahip olduğu bilinen pirinç saplarının farklı sürelerde ve konsantrasyonlarda seyreltik sülfürik asitle hidroliziyle ksiloz, arabinoz, glukoz gibi şekerler ile furfural hidroksimetilfurfural (HMF) ve asetik asit gibi yan ürünlerin üretilebilirliğini çalışmışlar ve 27 dak. süre ve %1 H 2SO 4 konsantrasyonunda %77 ksiloz verimi tespit etmişlerdir. Bunun dışında Sun ve Cheng [22] pirinç sapı ve bermuda grassdan seyreltik sülfürik asit ön muamelesi+selülaz enzimi hidroliziyle etanol üretimini çalışmış ve bu amaçla asit ön hidrolizinde hammadde %0.6, 0.9, 1.2 ve 1.5 asit konsantrasyonlarında ve C de 30, 60 ve 90 dak. süreyle muamele edilmiştir. Ön asit muamelesinde pirinç sapı için glukoz verimi sülfürik asit konsantrasyonu ve süreden pek etkilenmezken, bermuda grassda muamelenin şiddeti arttıkça artmıştır. Ksiloz, arabinoz ve galaktoz verimi ise her iki hammadde kaynağı içinde asit konsantrasyonu artmıştır. Asit muamelesi süresince çoğu arabinan, galaktan ve ksilanın hidrolize olduğu ve böylece kalıntı selülozun sindiriminin selülaz enzimince daha da kolay olduğu görülmüştür. 7. Sonuç ve Öneriler Biyokimya ve biyoenerji sektörü ülkemiz için ekonomik ve sosyal anlamda büyük bir fırsat taşımakta olup, bu sektörün gelişmesiyle ülkemizde yenilenebilir hammadde kaynaklarına ve dolayısıyla tarım alanlarına daha fazla yönelim gerçekleşecek ve bu sayede hem kimya/enerji sektörü hem de tarım ve ormancılık sektörüne büyük katkı sağlanacaktır. Son zamanlarda yapılan çalışmalarda odun biyokütlesi yerine faklı hammadde kaynaklarından (nişasta içerikli tüm bitkisel kaynaklar-tarımsal atık, yıllık bitki vb.) biyoetanol üretimi üzerine birçok çalışma yapıldığı ve bu çalışmaların o ülkelerin hükümetleri tarafından dahi desteklendiği ve biyoyakıt pazarını genişletmek için yasal çalışmalar sürdürdükleri görülmektedir. Ülkemiz ise biyoyakıt üretimi bakımından şanslı ülkelerden biridir. Her ne kadar Brezilya gibi tropikal bir ürün olan şeker kamışına sahip değilse de biyoyakıt üretimi yapabileceği farklı birçok hammadde kaynağına sahiptir. Petrolde büyük oranda dışa bağımlı olan ülkemiz, bu avantajlı konumunu daha iyi değerlendirecek olursa, önemli döviz tasarrufu yapmış olacak ve bu sayede stratejik açıdan dışa bağımlılık oranını azaltmış olacaktır. Fosil kökenli yakıt kaynaklarının yerine günümüzde sağladığı avantajlarıyla özellikle enerji sektöründe bir devrim haline gelen biyoetanol üretiminin odun biyokütlesi yerine farklı yenilenebilir hammadde kaynaklarından sağlanabiliyor olması özellikle bu sektör ve ülke ekonomisi için ikinci büyük devrimdir. Yıllık bitki ve tarımsal atıkların bu sektörde değerlendirilmesiyle hem ormanlara olan talebin azalacağı hem de var olan potansiyelleri ile orman endüstrisinde ve enerji üretimi amaçlı kullanım alanlarında önemli bir boşluğu dolduracakları kesindir. Öte yandan her ne kadar günümüzde yıllık bitki ve/veya odun biyokütlesinden çeşitli kimyasallar üretilmekte ise de bu ürünler yağ türevli kimyasallarla günümüzde rekabet edecek düzeyde değildir. Bu yüzden bu ürünlerin üretiminde sağlanacak yeni teknolojik gelişmeler bu ürünlerin kullanımını ilerleyen dönemlerde daha da çok artıracaktır. 8. Kaynaklar [1] Zerbe, J.I., Biofuel Potential and productions, Forum for Applied Research and Public Policy, Madison-WI, USA, 1988 [2] Galbe M. And Zacchi, G. A review of the production of Ethanol from softwood. Appl. Microbiol. Biotechnol, 59: [3] Akgül, M., Güler, C. ve Çetin, N.S., Enerji Kaynağı Olarak Lignoselülozik Maddelerden Yararlanma, IV. Ulusal Ekoloji ve Çevre Kongresi, 5-8 Ekim, , [4] Olgun, H., Doğru, M., and Howarth, C.R., Katı Atıkların Enerji Dönüşümünde Kullanılması Ve Gazlaştırıcılar, IV. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi, [5] Fengel D. and Wegener, G., Wood Chemistry, Ultrastructure, Reactions Volume I., Walter de Gruyter, Berlin-New York, [6] Bobleter, O., Binder, H., Dynamischer hydrothermaler Abbau yon Holz. Holzforschung. 34: [7] Stenzenberger, H.D., Utilization of lignocellulosic products for the production of chemical base materials. Pt.2 Disengagement of 5- Hydroxymethylfurfurole and 5-Acetoxymethyl furfurole Papier 35, No. 10A, V9-V18. [8] Fanrich, P., Irrgang, K., Rütten, B., Schimz, K.L., Papier 35, No. 10A, V1-V9 [9] Hajny, G.J., Biological Utilization of Wood for Production of Chemicals and Foodstuffs. For. Prod. Lab. Res. Paper FPL 385, USDA [10] Viikari, L., Linko, M., Enari, T.M., Ethanol from Cellulosic Materials. In: The Ekman Days Int. Symp. Wood Pulp. Chem. Stockholm, Vol. 4., 18-22, [11] Ballesteros, I., Ballesteros, M., Cabanas, A., Carrasco, J., Martin, C. and Negro, J.M., Selection of thermotolerant yeasts for simultaneous saccharification and fermentation process (SSF) of cellulose to ethanol. Appl. Biochem. Biotechnol, 28-29:307-15, [12] Goldstein, E.S., New technology for new uses of wood, Tapi, 63.(2): [13] Dietrichs, H.H., Wege zur biochemischen Nutzung von Holz. In: Mitt. Der BHF, No.118. Hamburg, Reinbek, , [14] Mosier, N., Wyman, C., Dale, B., Elander, R., Lee, Y.Y., Holtzapple, M. and Ladischa, M., Features of promissing Technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology 96, , [15] Anon., [16] Zerbe, J.I., Energy properties of wood. İn: Fuelwood management and utilization seminar: Proceedings. East Lansing, MI; 6-13, USA,

165 Tozluoğlu, A., Şahin, H. İ., Bekar,İ. [17] Karimi, K., Shauker, K. and Taherzadeh, M.J., Conversion of rice straw to sugars by dilute-acid hydrolysis, Biomas and Bioenergy, Volume 30 (3), March, , [18] Lloyd, T.A. and Wyman, C.E., Combined sugar yields for dilute sulfuric acid pretreatment of corn stover followed by enzymatic hydrolysis of the remaining solids, Bioresource Technology, Volume 96 (18), December, , [19] Chong, R, A., Ramirez, J.A., Garrote, G. and Vazquez, M., Hydrolysis of sugar cane bagasse using nitric acid: a kinetic assessment, Journal of Food Engineering, Volume 61 (2), February, , [20] Lavarack, B.P., Griffin, G.J. and Romdan D., The acid hydrolysis of sugarcane bagasse hemicellulose to produce xylose, arabinose, glucose and other products, Biomass and Bioenergy, Volume 23 (5), November, , [21] Roberto I.C., Mussatto, S.I. and Rodrigues, R.C.L.B., Dilute-acid hydrolysis for optimization of xylose recovery from rice straw in a semi-pilot reactor, Industrial Crops, and Products, Volume 17 (2), May, , [22] Sun, Y. and Cheng J.J., Dilute acid pretreatment of rye straw and bermudagrass for ethanol production, Bioresource Technology, Volume 96 (14), September, ,

166 5. Uluslaarası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARININ YAPILARDA KULLANIM OLANAKLARI USAGE OPPORTUNITIES OF RENEWABLE ENERGY RESOURCE IN BUILDINGS İzzet YÜKSEK a, * ve Tülay ESİN b a, * Kırklareli Üniversitesi, Kırklareli, Türkiye, b Gebze İleri teknoloji Enstitüsü, Kocaeli, Türkiye, Özet Günümüzde enerji kullanımının çeşitli nedenlerle gittikçe artması, çevre kirliliği ve doğal kaynakların azalması/tüketilmesi gibi önemli çevre sorunlarına neden olmaktadır. Özellikle yenilemeyen enerji türlerinin diğerlerine göre daha kirletici ve kaynaklarının sınırlı olması bu sorunu önemli hale getirmektedir. Çevre kirlenmesi ile ilgili yapılan araştırmalar, en önemli kirletici kaynağının fosil tabanlı enerjiler olduğunu ortaya koymaktadır Bunlara karşı, dünyadaki toplam enerji tüketiminin yaklaşık % 86 sını fosil tabanlı enerjiler oluşturmaktadır. Yenilenebilir ve nükleer kaynaklardan elde edilen enerjiler ise sadece birincil enerji tüketimi içinde % 7,8 ve % 6,5 lik paylara sahiptir. Türkiye de, kullandığı enerji türü ve miktarıyla ilgili olumsuz bir durum göstermektedir. Yapılaşma faaliyetleri, her yıl küresel olarak kullanılan enerjinin % 40 ını tüketmektedir. Türkiye de de konut/ hizmet sektörünün enerji tüketimindeki payı, yüksektir. Bu enerjinin genel olarak fosil kaynaklı olması sorunu artırmakta ve yapı sektörüne büyük sorumluluklar yüklemektedir. Bu nedenlerle, enerji kullanan her sektör gibi yapı sektörünün de enerjiyi etkin kullanma zorunluluğunu ortaya çıkarmaktadır. Yapılarda enerji korunumu sağlamanın etkili yöntemlerinden biri de, sınırlı kaynaklar yerine yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerjiyi kullanmaktır. Bu çalışmada, yapılarda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılma olanakları tartışılmıştır. Yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerjiler çok çeşitlidir ve değişik alanlarda kullanılmaktadır. Yapılarda kullanılabilecek en uygun yenilenebilir enerji olarak güneş enerjisi görülmektedir. Çünkü Türkiye güneşlenme açısından uygun bir konumdadır. Özellikle güneş enerjisinden yararlanmak için basit sistemlerin kullanıldığı pasif yöntemlerin uygulanması, yapılarda enerji etkinliği açısından önemli bir çevresel yaklaşım olmaktadır. Çünkü bu yöntemlerde, tasarım kararlarıyla sadece yapının kendi elemanları kullanılmakta ek donanımlara genellikle gereksinim duyulmamaktadır. Anahtar kelimeler: Yenilenebilir enerji, sürdürülebilir mimarlık Abstract Gradual increase in the energy use due to various reasons results in important environmental problems such as environmental pollution and exploitation/depletion of natural resources. The fact that particularly nonrenewable energies are more polluting and limited when compared to other types of energy turns this problem into a serious one. Studies on environmental pollution show that fossil-based energies are the most important pollutants. However, fossil-based energies constitute nearly 86% of the total energy consumption in the world. Renewable and nuclear energies, on the other hand, have a share of 7.8% and 6.5% share, respectively, in the primary energy consumption. Turkey is in a negative position in terms of the type and amount of the energy used. 40% of the annual global energy consumption results from construction activities. Turkish housing/service sector has an important share in energy consumption as well. The energy consumed for this purposes is mainly fossil-based, which worsens the problem and lays a heavy burden on the construction sector. Therefore, as any sector that uses energy, construction sector has to use energy in an efficient manner. One of the most effective methods of ensuring energy conservation in buildings is to prefer the energy produced from renewable resources rather than the energy produced from limited resources. This study aimed at discussing the possibility of the use of renewable energy resources in buildings. There are various renewable energy resources, which can be used in various areas. Solar energy is deemed the most appropriate renewable energy for buildings since Turkey has a good location in terms of sunshine. Implementation of passive methods -which are developed by using simple systems- to utilize solar energy is an important environmental approach in terms of energy efficiency of buildings as the design of such methods requires use of only the own elements of the buildings and does not necessitate use of extra equipment. Keywords: Renewable energy, sustainable architecture 1. Giriş Günümüzde enerji kullanımın çeşitli nedenlerle gittikçe artması, çevre kirliliği ve doğal kaynakların azalması/tüketilmesi gibi önemli çevre sorunlarına neden olmaktadır. Özellikle yenilemeyen enerji türlerinin diğerlerine göre daha kirletici ve kaynaklarının sınırlı olması bu sorunu önemli hale getirmektedir. Fosil tabanlı enerjiler en önemli çevre kirletici kaynağıdır. Bununla birlikte dünyadaki toplam enerji tüketiminin yaklaşık IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1848

167 Yüksek, İ. ve Esin,T. %86 sını fosil tabanlı enerjiler kapsamaktadır. Yenilenebilir ve nükleer kaynaklardan elde edilen enerjiler ise, sadece birincil enerji tüketimi içinde % 7,8 ve % 6,5 lik paylara sahiptir [1]. Türkiye de kullandığı enerji türü ve miktarıyla ilgili olarak olumsuz bir durum göstermektedir. British Petroleum (BP) tarafından her yıl yayınlanan Dünya Enerji Raporu verilerine göre, 2007 yılında dünya enerji tüketiminde bir yıl önceye göre ortalama % 2,4 oranında artış olurken Türkiye de bu oran % 5 olmuştur [2]. Dünyada olduğu gibi Türkiye de de enerji bağlantılı CO 2 emisyonlarının 20 yıllık periyotta arttığı izlenmektedir [3]. Ayrıca Türkiye de tüketilen toplam enerjinin yaklaşık % 70 i ithal edilmekte ve bu oran gittikçe artmaktadır. Türkiye nin enerji ithalatının 2010 da % 73 e, 2020 de ise % 78 e yükselmesi beklenmektedir [4]. Bu durum ülkemizi çeşitli açılardan olumsuz etkilemektedir. Bu bilinçle, enerji türünün doğru seçimi ve etkin kullanımının benimsenmesi, ülkemiz için ekonomik, sosyal, çevresel açıdan birçok yarar sağlayacaktır. Yapılaşma faaliyetleri, her yıl küresel olarak kullanılan enerjinin % 40 ını tüketmektedir. Türkiye nin de üyesi olduğu IEA (International Energy Agency) ülkeleri arasında yapılan bir çalışmada, yapılar önemli bir enerji tüketici olarak görülmekte ve toplam tüketilen elektriğin yarısının, doğal gazın üçte birinin yapılarda tüketildiğini açıklanmaktadır. Yine bu çalışmada dünyada oluşan sera gazlarının üçte birinden yapılaşma faaliyetleri sorumlu tutulmaktadır [5]. Türkiye de yapılarda enerji tüketimi oldukça fazladır ve konut/ hizmet sektörünün enerji tüketimindeki payı, yılları arasında ortalama % 2.7 oranında büyüyerek, 2001 yılında % 34.5 oranına ulaşmıştır [4]. Bu enerjinin genel olarak fosil kaynaklı olması sorunu artırmakta ve yapı sektörüne büyük sorumluluklar yüklemektedir. Bu nedenlerle, enerji kullanan her sektör gibi yapı sektörünün de enerjiyi etkin kullanma zorunluluğunu ortaya çıkarmaktadır. Türkiye de enerji etkinliği ile ilgili olarak AB (Avrupa Birliği) ye giriş sürecinde 2007 yılında Enerji Verimliliği Yasası kabul edilmiştir [6]. Mevcut yasa ve yönetmeliklerin dışında 2009 yılında yürürlüğe girmek üzere, binaların enerji verimliliğini arttırmaya yönelik geniş kapsamlı bir yönetmelik Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği hazırlanmıştır [7]. Yapılarda enerji tasarrufu sağlamanın etkili yöntemlerinden biri de sınırlı kaynaklar yerine yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerjiyi kullanmaktır. Bu şekilde hem tükenebilir kaynaklar korunarak gelecek nesillerin de kullanımına olanak sağlanmakta, hem de çevresel değerlere zarar verilmemektedir. Çünkü bu tür enerjilerin kullanımının doğa ve insan sağlığı üzerinde olumsuz bir etkisi yoktur. Bu çalışmanın amacı, yapılarda yenilenebilir enerji kullanılmasının önemini vurgulamak ve kullanılma olanaklarını araştırmaktır. Bunun için yenilenebilir enerji türlerinin yapılarda kullanım şekilleri ve yararları tartışılarak uygun çözümler önerilmiştir. 2. Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Yapılarda Kullanım Olanakları Yapı yaşam döngüsü boyunca çeşitli nedenlerle enerji kullanılmaktadır. Bu aşamalarda kullanılan toplam enerjinin %94,4 ü kullanım sırasında yapı içi konfor koşullarını sağlayan HVAC (ısıtma/havalandırma/iklimlendirme) sistemleri için tüketilmektedir [8]. Bu oranı düşürmek için konfor koşullarının mekanik sistemler yerine doğal yöntemlerle ve yenilenebilir enerjiler kullanılarak karşılanması etkili bir yöntem olmaktadır. Bu şekilde, yapı içinde insan sağlığı için daha uygun fiziksel koşullar oluşurken aynı zamanda, yaygın olarak kullanılan fosil tabanlı enerji gereksinimini azaldığı için ekonomik ve çevresel yararlar da sağlanmaktadır. Bu nedenle yapıların enerji tüketimi yönünden doğru olarak tasarlanmaları, doğal kaynakların sürdürülebilir şekilde işletilmesi, çevre kirliliği kontrolü ve sınırlı enerji kaynaklarının tüketilmesinin azaltılması yaklaşımları ön plana çıkmalıdır. Burada, yapıda kullanılan enerjinin türü de önemli olmakta ve yenilenebilir enerji kullanmaya yönelik tasarımlar önemli bir enerji etkinliği sağlamaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları, sürekli devam eden doğal proseslerdeki var olan enerji akışından elde edilen enerjidir. Genel olarak, yenilenebilir enerji kaynağı; enerji kaynağından alınan enerjiye eşit oranda veya kaynağın tükenme hızından daha çabuk bir şekilde kendini yenileyebilmesi ile tanımlanır [9]. Su Enerjisi, rüzgar enerjisi, güneş enerjisi, dalga ve gelgit enerjisi, biyo (Organik) yakıt, jeotermal enerji, hidrojen enerjisi, okyanus enerjisi yenilenebilir enerji kaynaklarıdır. Kömür ve petrol gibi günümüzde ağırlıklı olarak kullanılan enerjilerin tükenme olasılığı, insanlığı yeni enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Enerji kaynakları seçilirken çevreye zarar vermeyen, yüksek ısıl değerli, güvenli, temiz, ekonomik ve en önemlisi yenilenebilir kaynaklı olmasına dikkat edilmektedir. Bu tür enerjiler özelliklerine göre çeşitli alanlarda kullanılabilirler. Yapılarda da bu tür enerjilerin kullanılması, diğer tükenebilir kaynaklı enerjilere olan gereksinimi azalttığı gibi aynı zamanda enerji kullanımından kaynaklanan çevre sorunlarının azalmasına önemli katkılarda bulunmaktadır. Çünkü yapılarda enerji tüketim oranı daha önceki bölümlerde de belirtildiği gibi küresel ve bölgesel olarak oldukça yüksektir. Aşağıdaki bölümlerde yenilenebilir enerji türlerinin yapılarda kullanılma şekilleri irdelenmektedir Yapılarda Güneş enerjisi kullanımı Güneş, sınırsız ışık ve ısı enerjisi kaynağıdır. Yapılarda güneş enerjisi kullanmaya yönelik tasarımlarda ana prensip olarak, ısısal enerjisinin iletim (kondüksiyon), taşınım (konveksiyon) ve ışınım (radyasyon) yoluyla akışı kullanılmaktadır. Bu doğal süreçler yapının ısınmasına ve soğutulmasına yardım eden bir yapı tasarımı aracılığıyla yönetilmektedir. Yapı yüzeyine gelen güneş ışınları yapı malzemesi tarafından yansıtılır, geçirilir veya emilir. Ayrıca güneş tarafından üretilen ısı, tasarlanmış alanlar içinde önceden tahmin edilebilir hava hareketlerine neden olmaktadır. Güneş ısısının bu temel etkisi, yapının içinde ısınma ve soğutma etkisi sağlayan malzeme seçimi ve yapı elemanı tasarımına öncülük eder. Bu tasarımlarda uygun yapı 1849

168 Yüksek, İ. ve Esin,T. malzeme seçiminde malzemelerin kalınlığı, yoğunluğu (δ) (g/cm 3 ), ısı iletim katsayısı (λ) (W/m 0 K) özgül ısısı (c) (Wh/m 3 0 K), yüzeyinin ışığı emme ve yansıtma katsayısı, yüzeyin düzlüğü veya pürüzlülüğü, boşluk ve doluluğu göz önünde bulundurulmalıdır. Güneş enerjisinden mimaride tasarımda alınan önlemlerle etken (aktif) ve edilgen (pasif) olarak yararlanmak olanaklıdır Yapılarda pasif sistemlerle güneş enerjisi kullanımı Pasif güneş sistemlerine yönelik tasarım uygulamaları ile, güneş enerjisinden kış ayları boyunca güneş ısı kazançlarını artırma, yaz ayları boyunca soğutma - havalandırma ve doğal aydınlatma için yararlanılabilir. Güneş enerjisini ısıtma amaçlı kullanmada temel prensip, yapı kabuğunu oluşturan elemanların bu amaca yönelik tasarlanarak güneş ışınımından mümkün olduğu kadar çok yararlanmayı sağlamaktır. Sistemde kullanılan üç temel öğe vardır. Bunlar, toplaçlar (kolektörler), depolayıcılar ve dağıtıcılardır. Toplaçlar, güneş enerjisini toplamakta ve ısıya dönüştürmektedir. Depolayıcılar güneş enerjisi olmadığı durumlarda ısıdan yararlanmayı sağlamaktadır. Dağıtıcıların görevi ise toplaçlar aracılığıyla toplanan enerjiyi depolama elemanlarına ve gereksinim duyulan mekânlara aktarmaktır. Sıcak nemli iklimlerde soğutma-havalandırma için güneş enerjisinden yine pasif sistemler kullanılarak yararlanılabilir. Pasif yapı soğutmasında başlıca strateji doğal havalandırma sağlamaktır. Isı kazancı sağlama amacıyla düzenlenen ısısal kütle duvar ve güneş odası düzenlemeleri, farklı şekillerde kullanılarak havalandırma ve soğutma sağlayabilmektedir. Isısal baca (thermal chimney) tasarımlarıyla da güneş enerjisinden pasif yöntemle havalandırma ve soğutma amaçlı yararlanmak mümkün olmaktadır. Isısal bacalar, yapının güney cephesinde düzenlenmiş ve çatı seviyesinde sona eren dar bir baca konumundadır. Güneş alan yüzeyinde cam kaplama ve camın arkasında siyah renkli metal malzemeden güneş ışınlarını emen bir tabaka bulunmaktadır. Bu tabakanın arkasında bulunan baca içindeki hava kolayca yüksek sıcaklıklara ulaşabilmektedir. Rüzgar hızı düşük olduğu zaman baca içindeki ısınmış havanın dışarı çıkışını hızlandırmak için üst kısma dönen metal bir kepçe yerleştirilebilir (Şekil 1) [10]. Isısal bacadan yükselerek dışarı çıkan hava, bacanın alt kısmında bulunan ve iç mekânla bağlantılı olan havalandırma deliğinden iç mekândaki havayı çekerek burada bir hava hareketi oluşturur. Baca tarafından çekilen iç havanın yerine yapının soğuk tarafındaki pencereden serin havanın içeri dolmasını sağlayarak, içeride hem havalandırma hem de soğutma meydana getirmektedir. Şekil 1. Isısal baca ile havalandırma ve soğutma sağlanması [10] Güneş enerjisini soğutma amaçlı kullanmada yararlanılarak başka bir yöntem ise, 180 dereceye kadar güneş enerjisi ile ısıtılan suyun 144 derecede ve 4 barlık basınçta buhar halini alması ve bunun daha sonra iki kademeli makinede soğuğa dönüştürülmesidir [11]. Dünyada kullanılan tüm enerjinin %17 si aydınlatma amaçlı tüketilmektedir. Doğru bir tasarımla aydınlatma ihtiyacının %70 ini güneşten sağlanabilir. Sıradan binalarda bu oran %25 dir. Yapılarda mekânların aydınlatılmasında, görsel konfor ihtiyaçlarına göre mümkün olduğunca günışığından yararlanılması, yapay aydınlatma gereksinimini azaltarak, yapıların kullanım sürecinde daha az enerji tüketmesini sağlamaktadır. Doğal aydınlatma yapı kabuğunda bırakılan açıklıklar aracılığıyla sağlanabileceği gibi, güneş ışığını dış mekândan iç mekâna aktarabilen ışık tüpleri aracılığıyla da sağlanabilir (Şekil 2) [12]. Şekil 2. Bir ışık tüpünün çalışma prensibi [12] Yapılarda aktif sistemlerle güneş enerjisi kullanımı Güneş enerjisinin kullanıldığı aktif sistemler, amaca göre üretilmiş toplaçlar aracılığıyla yutulan güneş ışınımını, istenen biçimdeki enerjiye dönüştürüp bunun yapıda kullanımına olanak veren mekanik ve/ya elektronik elemanların bütününden oluşan sistemlerdir. Bu sistemler 1850

169 Yüksek, İ. ve Esin,T. aracılığı ile güneş ışınımı ısı ve elektrik enerjisine dönüşebilmektedir [13]. Güneş ışınımlarını enerjiye dönüştüren bu sistemler ürettikleri enerjilere göre; Isı enerjisi üreten, güneş enerjili ısıtma sistemleri (Solar Thermal systems), ve elektrik enerjisi üreten, ısıl elektrik (Fotovoltaik) sistemler (PV systems) olarak ikiye ayrılır. Bu sistemler aşağıda kısaca açıklanmaktadır. Güneş enerjili ısıtma sistemleri: Güneş ışınımlarını toplaçlarla ısı enerjisine dönüştürüp; bu ısıyı su, hava vb bir akışkan ile doğrudan; ya da bir depolama ünitesinde değerlendirerek kullanımını sağlayan mekanik ve/veya elektronik sistemlerin bütününe, Güneş Enerjili Isıtma Sistemleri (etken güneş ısıtma sistemleri denir. Güneş enerjili etken ısıtma sistemleri yapılarda, kullanımı / havuz suyunun ısıtılması, İklimlendirme havasının ön ısıtılması ve mekân ısıtması için kullanılmaktadır[13]. Isıtma sistemlerinin genel çalışma ilkesi, ısının toplaçlar aracılığı ile toplanması, gerekli durumlarda toplanan ısı enerjisinin daha sonra da kullanılabilmesi için depolanması ve ilgili alanlara dağıtılması esasına dayanır [14]. Güneş enerjili su ısıtma sistemleri: Bu sistemler, güneş ışınımını ısı enerjisine dönüştürüp, bu ısıyı su ortamında saklayan ve dağıtan elemanlardan oluşmaktadır. Gereksinimin karmaşıklığına ve büyüklüğüne bağlı olarak sistemlerin ayrım göstermesine karşın, tüm güneş enerjili su ısıtma sistemleri, suyun ısıtılması, depolanması ve dağıtılması temeline dayanır. Güneş enerjisinin dönüşümü ile üretilen sıcak su, sistemin özelliklerine bağlı olarak, yıkanma, çamaşır, bulaşık gibi kullanıcı gereksinimlerinin karşılanması için doğrudan kullanılabildiği gibi geleneksel ısıtma sisteminin desteklenmesi için de kullanılabilir [13]. Fotovoltaik Sistemler: Güneş ışınımından toplaçlar aracılığı ile elektrik enerjisi üretip, bu enerjinin kullanımına olanak sağlayan bileşenlerin tümüne fotovoltaik (PV) sistemler denir. PV sistemler, basit ya da karmaşık değişik yapılanmalarla, yol aydınlatması, deniz fenerleri, taşıt araçları, yapılar, elektrik santralleri, gibi birçok ayrı alanda elektrik üretimi için kullanılmaktadır. Bir fotovoltaik sistem, elektrik enerjisi üretir, üretilen enerjiyi gerekli durumlarda saklar ve bu enerjiyi kullanım alanlarına güvenilir biçimde aktarır. Fotovoltaik piller yapılarda cephe ve çatılara yerleştirilerek bu yüzeylere gelen güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmektedir (Şekil 3). Evsel amaçlı kullanılan güneş pilleri bir inverter aracılığı ile elektrik şebekesine bağlanmakta, böylece üretilen elektriğin akülerde depolanmasından tasarruf edilmektedir Yapılarda rüzgar enerjisi kullanımı Pasif sistemlerle rüzgâr enerjilerinden etkin bir şekilde yararlanabilmek için çeşitli tasarım parametrelerinin dikkate alınması gerekir. Bu parametreler yapının yeri, diğer yapılara olan mesafesi ve konumlandırılış durumu, yönü, biçimi, kabuk elemanlarının ısı geçişini etkileyen fiziksel özellikleri, güneş kontrol ve doğal havalandırma sistemleri olarak sayılabilir. Güneş enerjisi kullanımında olduğu gibi, rüzgâr enerjisinden de pasif ve aktif sistemler kullanılarak yararlanmak mümkündür Yapılarda pasif sistemlerle rüzgar enerjisi kullanımı Sıcak nemli iklimlerdeki pasif yapı soğutmasında başlıca strateji doğal havalandırma sağlamaktır. Doğal havalandırma için açılabilir pencerelerin kullanımı en yaygın olanıdır. Ayrıca planlama aşamasında yapı içerisinde hâkim rüzgâr yönünde olacak şekilde bir iç avlu tasarlanabilir. İç avluyu saran hacimler pencereler yoluyla soğuk havayla dolarken, avlu sıcak havayı toplayarak dışarı taşır. Soğutma yükünün fazla olduğu Ortadoğu ülkelerindeki geleneksel yapılarda, yaygın olarak kullanılan ve badgir olarak isimlendirilen rüzgâr bacaları da, rüzgâr enerjisinden pasif sistemlerle yararlanmaya örnek olarak gösterilebilir Yapılarda aktif sistemlerle rüzgar enerjisi kullanımı Dünya yüzeyinin %27 sinde rüzgârdan elektrik elde etmek mümkündür yılında tüm dünyanın, enerjinin %40 ını rüzgârdan elde etmesi öngörülmektedir. Ülkemizde ekonomik rüzgâr potansiyeli yıllık MW olarak hesaplanmıştır [12]. Aktif rüzgâr enerjisi kullanım sistemleri rüzgâr tribünleridir. Binalarda orta ve küçük ölçekli rüzgâr tribünleri kullanılmaktadır. Bu tribünler bahçede uygun bir noktaya konulabildiği gibi çatılara konulabilmektedir. Çok katlı yüksek yapılarda ise yapıya entegre rüzgar tribünlerinin kullanım örnekleri vardır (Şekil 4). Şekil 4. Yapıya entegre edilmiş rüzgar tribünleri [16] 3.3. Yapılarda jeotermal enerji kullanımı Şekil 3. Yapıya entegre edilmiş fotovoltaik paneller [15] 1851

170 Yüksek, İ. ve Esin,T. Jeotermal enerji, yeraltında olağandışı birikmiş olarak bulunan ısının çatlaklardan yeryüzüne su veya su buharı olarak çıkması ile elde edilir. Bazen de sondaj çalışmaları ile yeraltından sıcak su, sıcak su ve su buharı karışımı ya da buhar olarak çıkartılabilir. Kaynaklarının sadece %3 ünü kullanabilen Türkiye, dünyanın 7 inci Jeotermal gücüne sahiptir. Buna göre, Türkiye de ev ısıtma ihtiyacının % 30 gibi çok büyük bir bölümü jeotermal kaynaklardan karşılanabilir. Jeotermal enerji konutlarda ısıtma ve soğutmada, seracılıkta, tarımda kullanılmaktadır. Jeotermal akışkanın uygulama yöntemlerine göre jeotermal enerji sistemleri, ısı pompaları, kuyu içi eşanjörler ve ısı boruları olarak üç farklı şekilde uygulanmaktadır. Yapılarda yaygın kullanım ısı boruları şeklindedir. Jeotermal enerjinin bir başka kullanım şekli ise toprak sıcaklığının kullanıldığı yöntemlerdir. Yeryüzünün bir miktar altında sıcaklık enleme de bağlı olarak sürekli F (7.22 C C) arasındadır [17]. Toprağın bu sıcaklığından hava yoluyla veya su yoluyla yararlanılabilmektedir. Toprağın çeşitli derinliklerinde açılmış bacalar aracılığıyla alınan hava yapı içerisine aktarılır ve iç hacmin toprak sıcaklığı ile aynı seviyeye gelmesi sağlanır. Bu uygulama kışın ısıtma yazın ise soğutma yönünde yarar sağlar. Benzer uygulama yeraltı sularının sıcaklığından faydalanmak için de yapılmakta, borular aracılığıyla yapı içerisinde dolaştırılan su, sahip olduğu ısıyı iç hacimlere yaymaktadır. Aşağıda bu uygulamaları gösteren şematik şekil verilmiştir (Şekil 5). Güneş-Hidrojen Evi enerji düzeneğinde sistemin işleyişi şu şekildedir[19]; - PV paneller ile güneş enerjisinden elektrik üretilir, - elektrolizör ile H 2ve O 2üretilir, - gazlar yer ve su ısıtımı için depolama tankına alınır, -kışın katalitik hidrojen yakıcısı (1.5 kw) ile hidrojen alevsiz yakılarak havalandırma sistemindeki hava ısıtılır, - ilave elektriğe ihtiyaç varsa yakıt pili devreye girer, -yakıt pilinde açığa çıkan ısının bir kısmı suyu ısıtmada da kullanılır Yapılarda biyokütle enerjisi kullanımı Biyo enerjiye canlılık enerjisi de denebilir. Bütün canlılar güneş enerjisi kullanırlar. Bu nedenle her türlü biyolojik madde enerji içermekte, yakılınca bu enerji açığa çıkmaktadır. Bitkiler fotosentez yaparak güneş enerjisini kimyasal enerjiye çevirir ve depolar, böylelikle biyolojik kütle ve organik madde kaynağı oluşur, buna biyokütle denir [20]. Biyokütle enerji teknolojisi kapsamında; odun (enerji ormanları, ağaç artıkları), yağlı tohum bitkileri (ayçiçek, kolza, soya v.b), karbo-hidrat bitkileri (patates, buğday, mısır, pancar, v.b), elyaf bitkileri (keten, kenaf, kenevir, sorgum, vb.), bitkisel artıklar (dal, sap, saman, kök, kabuk v.b), hayvansal atıklar ile şehirsel ve endüstriyel atıklar değerlendirilmektedir. Biyokütle yenilenebilir, her yerde yetiştirilebilen, sosyo-ekonomik gelişme sağlayan, çevre dostu, elektrik üretilebilen, taşıtlar için yakıt elde edilebilen stratejik bir enerji kaynağıdır. Biyokütle doğrudan yakılarak veya çeşitli süreçlerle yakıt kalitesi arttırılıp, mevcut yakıtlara eşdeğer özelliklerde alternatif biyoyakıtlar (kolay taşınabilir, depolanabilir ve kullanılabilir yakıtlar) elde edilerek enerji teknolojisinde değerlendirilmektedir. Biyokütleden; fiziksel süreçler (boyut küçültme-kırma ve öğütme, kurutma, filtrasyon, ekstraksiyon ve biriketleme) ve dönüşüm süreçleri (biyokimyasal ve termokimyasal süreçler) ile yakıt elde edilmektedir [21]. Konutlarda biyokütle kaynağından; havasız çürütme yöntemi ile elde edilen biyogaz elektrik üretiminde, piroliz yöntemi ile elde edilen etanol ısınma amaçlı, doğrudan yakma yöntemi ile elde edilen hidrojen su ısıtma amaçlı kullanılmaktadır [13]. 4. Sonuç ve Tartışma Şekil 5. Toprak kaynaklı ısı pompası kullanım şekilleri [18] 3.4.Yapılarda hidrojen enerjisi kullanımı Hidrojen enerjisi, konutları ısıtmada, sıcak su temininde, yemek pişirmede ve elektrik ihtiyacını karşılamak amacıyla kullanılabilir. Hidrojeni buralarda kullanmak için önce onun üretilmesine, depolanmasına ve nakledilmesine ihtiyaç vardır. Hidrojen güneş, hidroelektrik, rüzgâr, jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilebilir. Günümüzde yenilenebilir enerji kaynakları arasında güneşhidrojen hibrid sistemi en verimli sistem olarak göze çarpmaktadır. Böyle bir sistemde fotovoltaik paneller, elektrolizör, yakıt pili, Hidrojen (H 2) depolama tankı, akü grubu, inverter (dönüştürücü) gibi bileşenlere ihtiyaç vardır. Yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerjiler çok çeşitlidir ve değişik alanlarda kullanılmaktadır. Bu tür enerjilerin kullanılması, diğer enerji türlerine göre çevreyi çok daha az kirlettiği ve sınırlı kaynaklara olan gereksinimi azalttığı için çok çevresel bir yaklaşım olmaktadır. Küresel ve bölgesel boyutta önemli enerji tüketim payına sahip olan, dolayısıyla enerji kullanımdan kaynaklanan sorunların ortaya çıkmasından da sorumluluğu olan yapılarda, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasının çevresel ve ekonomik açıdan yararlar sağlayacağı açıktır. Türkiye nin taraf olduğu 1994 yılında İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi, 2005 yılında yürürlüğe giren Kyoto Protokolü, Enerji Verimliliği Yasası ve Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği gereği her alanda olduğu gibi yapılarda da enerji etkinliği sağlamak gerekmektedir. Özellikle yapı yaşam döngüsünün kullanım aşamasında yapı içi konfor koşullarını sağlamak için çok enerji 1852

171 Yüksek, İ. ve Esin,T. tüketilmektedir. Bu enerji miktarının mümkün olduğu kadar azaltılması kadar yenilenebilir kaynaklardan elde edilmesi de yapılara enerji etkinliği ve ekolojik özellik sağlayan etkili yöntemlerden biridir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından güneşten aktif ve pasif yöntemlerle, ısıtma, soğutma, havalandırma, doğal aydınlatma ve sıcak su elde etmede, rüzgâr enerjisinden yine aktif ve pasif sistemlerle havalandırma ve soğutmada, Jeotermal enerjiden ısıtma ve soğutmada, hidrojen enerjisinden ısıtma ve sıcak su temininde, yemek pişirmede ve elektrik ihtiyacını karşılamada, biyokütle enerjisinden ısınmada ve sıcak su temininde yararlanmak mümkündür. Bunların uygun olduğu durumlarda bir arada kullanılmaları da gerçekleşebilir. Bu yenilenebilir enerji türlerinden yapılarda kullanılabilecek en uygunu güneş enerjisi görülmektedir. Çünkü Türkiye güneşlenme açısından çok uygun bir konumdadır. Özellikle güneş enerjisinden yararlanmak için basit sistemlerin kullanıldığı pasif yöntemlerin uygulanması yapılarda enerji etkinliği için önemli bir çevresel yaklaşım olmaktadır. Çünkü bu yöntemlerde, tasarım kararlarıyla sadece yapının kendi elemanları kullanılmakta ek donanımlara genellikle gereksinim duyulmamaktadır. Bu nedenle öncelikle daha basit ve düşük maliyetli pasif sistemler denenmeli, pasif sistemlerin yetersiz kaldığı durumlarda aktif sistemlerle desteklenmelidir. Ülkemiz yenilenebilir enerji kaynakları yönünden zengindir. Bu nedenle yapılarda sadece güneş enerjisi kullanımı ile sınırlı kalınmamalı, biyokütle enerjisi rüzgâr enerjisi, jeotermal enerji, hidrojen enerjisi gibi farklı alternatifler arasından bölgeye uygun olan sistemler tercih edilmelidir. Yapılarda kullanım aşamasında ısınma, soğutma, havalandırma, doğal aydınlatma gibi konfor koşullarının sağlanmasında önemli miktarlarda enerji tüketilmektedir. Bu koşulların mümkün olduğu yenilenebilir enerjilerle sağlanması, sınırlı ve kirletici enerji enerjilerin kullanımını azalttığı için birçok çevresel ve ekonomik yararlar sağlayacaktır. Ancak yenilenebilir enerji kaynaklarının yapılarda kullanılmasının yaygınlaşması için yönetimler tarafından gerekli yasaların ve düzenlemelerin hazırlanması, bunların uygulanmaları için de yaptırımların ve teşviklerin olması gerekli ve önemli görülmektedir. [8] Scheuer, C., Gregory, A., Reppe, P., Life cycle energy and environmental performance of a new university building: modeling challenges and design implictions, Enerji and Building Volume 35, Issue 10, pp , [9] [10] Esin, T., Yapılarda Pasif Tasarım Yöntemleriyle Yenilenebilir Enerji Kullanımı, İzolasyon Dünyası, Sayı 61, s.68-72, Eylül-Ekim İstanbul. [11] [12] Enerji Yolculuğunda Önemli Bir Durak, Bilgilendirme Kitabı, Diyarbakır Güneş Evi, Diyarbakır, [13] Sakınç, E., Sürdürülebilirlik Bağlamında Mimaride Güneş Enerjili Etken Sistemlerin Tasarım Öğesi Olarak Değerlendirilmesine Yönelik Bir Yaklaşım, YTÜ, FBE, Doktora Tezi, İstanbul, [14] Şerefhanoğlu, M., Güneş Işınımlarından Yararlanma ve Korunma, YTÜ Basımevi, İstanbul, [15] rehau.jpg [16] 4866d.jpg [17] [ [18] pg [19] Tabakoğlu, Ö., Hidrojen Enerjisi & Hidrojenin Binalarda Kullanımı, F. Öznur Tabakoğlu, Enerji- Ekoloji Paneli, Diyarbakır, [20] Göksu, Ç., Güneş Kent- Güneş Enerjili Yerleşim Modeli, Güneş Kitapları, Ankara, [21] Karaosmanoğlu, F., Yenilenebilir Enerji Kaynakları ve Türkiye, Görüş Dergisi, İstanbul, Mart-Nisan Kaynaklar [1] [Altın, V. Enerji Dosyamız, Bilim ve Teknik Dergisi,Sayı: 470, Yeni Ufuklara Eki, [2] BP Statistical Review of World Energy, June Available at [3] Anonim, Energy Information Administration (EIA) Turkey: Environmental Issues. [4] Anonim, Vizyon 2023 Teknoloji Öngörüsü Projesi Enerji ve Doğal Kaynaklar Paneli Ön Rapor, Tübitak, Ankara, [5] Anonim, INTERNATIONAL ENERGY AGENY, Online Kaynak, [6] Anonim, 5627 Sayılı Enerji Verimliliği Kanunu, [7] Anonim, Sayılı, Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği, Ankara,

172 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye ALIŞVERİŞ MERKEZLERİNDEKİ GÜRÜLTÜ SEVİYELERİNİN ÖLÇÜLMESİ TO MEASURE NOISE LEVELS IN SHOPPING CENTERS Sezgin ERSOY a, * Oğuz GİRİT b a,* Marmara Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, E:posta: b Marmara Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, E:posta: Özet Yoğunlaşan ve hızlanan günümüz yaşantısında gürültünün birey ve toplum üzerindeki olumsuz etkileri giderek artmaktadır. Gerek çevresel faktörlerden kaynaklanan gerekse eğlence uğruna yapılan aktivitelerden kaynaklanan gürültü fizyolojik ve psikolojik etkiler yaratabilen bir olgudur. Yapılan bu çalışmada, Alışveriş merkezlerinde ölçümlerler yapılmıştır. Ölçümler için IEC 651 standardını destekleyen el tipi bir ses seviye ölçeri kullanılmıştır. Alışveriş süresince ISO 1996:2003 standardına göre farklı noktalardan ses ölçümleri yapılmış, ölçümlerin ortalamaları hesaplanmış, karşılaştırmaları yapılmış ve grafikleri çizilmiştir. Bu çalışmanın sonuçları, sosyal aktiviteler sırasında açığa çıkan gürültü miktarlarının ölçümü ve etkileri ile ilgili gelecek çalışmalar için yararlı olacaktır. Anahtar kelimeler: Gürültü, Sosyal aktiviteler, Gürültü Ölçümü Abstract In today's life, which is becoming more crowded and faster, the bothering effects of noise on individual and society are increasing. The noise arriving from whether environmental elements or social activities are a phenomenon that has physiological and psychological effects. In this paper, noise level is measured during a shopping in Shop Center. A hand-type sound level meter, which supports IEC 651 standard, is used for measurement. Sound measurements are made from different points of shop center area before and during the shopping according to the ISO 1996:2003 standard, the mean of the measurements are calculated, results are compared and graphs are drawn. The results of this study are useful for the future studies on measurement of noise during social activities and its effects subjects. Keywords: Noise, Social activities, Noise Measurement 1.Giriş Gürültü istenmeyen sestir. Bu açıdan gürültü ses ve titreşime göre göreceli bir tanımdır. Gürültü, sadece insanı rahatsız etmekle kalmayıp, aynı zamanda fizyolojik ve psikolojik sorunlar yaratabilen, insan ve toplum sağlığını ciddi biçimde tehdit edebilecek bir olgudur. Yapılan araştırmalar, gürültünün insanların organik, sinirsel ve psikolojik yapılarında olumsuz etkiler yaptığını belirtmektedir. [1] 1.1. Gürültünün İnsan Fizyolojisine Etkileri Gürültünün İnsan Sağlığı Üzerindeki Etkilerini Şu Başlıklar Altında Toplayabiliriz : Psikolojik Etkiler: Davranış bozuklukları, öfkelenme, genel rahatsızlık duygusu, sıkılma Fiziksel Etkiler: Geçici veya kalıcı işitme hasarları Fizyolojik Etkiler: Vücut aktivitesinde değişiklikler, kan basıncında artış, dolaşım bozuklukları, solunumda hızlanma, kalp atışlarında hızlanma, ani refleksler. Performans Etkileri: İş veriminde azalma, yoğunlaşma bozukluğu, hareketlerin engellenmesi. Araştırmalar, geçici işitme kayıplarında gürültünün kesilmesinden iki dakika kadar sonra 25dB ya da daha az işitme kaybının ortaya çıktığını göstermektedir. Ayrıca günde 8 saat, haftada 5 gün bir bağırma sesinden daha yüksek şiddette olmayan durağan gürültüye yıllarca maruz kalan kişilerde ise kalıcı işitme kayıpları olabileceği şaşırtıcı gelebilir. Ancak araştırmalar bu tür kayıplarla, ani patlamalar tarzındaki gürültüye maruz kalma sonucu ortaya çıkan işitme kayıplarının benzer özellikler taşıdığını göstermektedir.[2] Bunlara ek olarak, gürültü kişilerde bitkinliğin kronikleşmesini ve vücudun direncini azaltarak hastalıklara yakalanma ihtimalini artırmaktadır. Son araştırma sonuçlarına göre fetus ve prematüre doğumlar üzerinde gürültünün olumsuz etkileri olduğu anlaşılmaktadır. Meydana getirdiği olumsuz etkilere bağlı olarak gürültü seviyeleri bazı araştırmacılar tarafından Çizelgedeki gibi derecelendirilmektedir. Çizelge 1. Gürültü seviyelerinin fizyolojik etkileri [2] 1. Derece 2. Derece 3. Derece 4. Derece 5. Derece 2.Yöntem db db db db konforsuzluk, rahatsızlık, öfke, uyku düzensizliği ve konsantrasyonsuzluk kan basıncı artışı ve atışlarında hızlanma, ani refleksler fizyolojik reaksiyonların artması iç kulakta kalıcı hasar, dengenin bozulması 140 db ciddi beyin tahribatı Gürültü ölçümleri için kullanılan ses seviye ölçeri (Sound Level Meter) IEC 651 standardına uygun özellikte, ISO 9001, CE ve IEC1010 sertifikalı olup (Uluslararası Elektroteknik Komisyonu), el tipi SL 4001 type 2 ses seviye IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1854

173 Ersoy, S. ve Girit, O. ölçeridir. ISO standardı ile ölçüm yapmaya uygundur.[3] 3.2. Alışveriş Merkezlerinde yapılmış gürültü ölçümleri Çizelge 2. Gürültü seviyelerine ait renk skalası Şekil 1. Ses seviye ölçeri 3.Sosyal Ortamlarda Gürültü Gürültü insanların var olduğu her yerde az ya da çok mevcuttur. Çalışma hayatında maruz kaldığımız gürültüler sosyal yaşantıdakine nazaran daha yüksektir ve sağlık riskleri de buna göre daha ağırdır. Sosyal yaşantıdaki gürültüler endüstrideki kadar ağır etkileri olmasa da zamanımızın hastalığı stresin, başta gelen nedenlerinden biri olmaktadır. Gürültünün motivasyon ve konsantrasyonun azalmasına, baş ağrısına ve yorgunluğa neden olduğu bilinmektedir. Bunlar ise yaşamın kalitesinin düşmesine neden olur. Çalışma ortamlarında gürültünün denetimi yönetmelik ve yasalar ile düzenlenmiştir. Sosyal hayatta da düzenlemeler vardır, bu düzenlemeler Çevre ve Orman Bakanlığının Çevresel Gürültünün Değerlendirilmesi ve Yönetimi Yönetmeliğinde (2002/49/EC) belirtilmiştir. Ancak şahısların bahsi geçen stres unsurlarından kendini korumasında yönetmeliklerin ötesinde kendi çabası gerekebilir.[4] Sosyal ortamlarda ki gürültünün süresini belirleyen şahıslara özel bir yönetmelik yoktur. Alışveriş merkezlerinin ölçüm günü baz alınarak gürültü haritası çıkarılmıştır. İki dakikada bir ölçüm değeri alınmış, ölçümler mağazaların dışında ortak kullanım alanlarında gerçekleştirilmiştir. Gürültü seviyelerine ilişkin renk skalası Çizelge.2.. de gösterilmiştir. 4. Bulgular 4.1.Birinci Ölçüm Noktasına İlişkin Sonuçlar Birinci ölçüm noktasına ilişkin gürültü seviyesi ölçümü tarihinde yapılmıştır. ö lç ü le n d eğ e rle r 90,0 85,0 80,0 75,0 70,0 65,0 60,0-1. Kat Ortalama değeri 73,0 ölçümler 3.1. Alışveriş Merkezleri Alışveriş merkezleri gürültünün yüksek olmamasına rağmen sürekli sesin olduğu yerlerdir. Alışveriş yorgunluğu denen olgunun içinde alışveriş boyunca maruz kalınan gürültünün de etkisi vardır. Mağazalar çalışma saatlerinde müşterilere orta düzey seste müzik dinletir. Gününün birkaç saatini alışverişle geçiren bir insan, fiziksel olarak iyi hissetse dahi zihinsel bir yorgunluk hisseder, bunun nedeni alışveriş merkezlerindeki mağaza müzik sesleri ve insan kalabalığının oluşturduğu gürültüdür. Büyük alışveriş merkezlerinin mimarisi gürültüyü en uygun biçimde insanlardan uzaklaştıracak biçimde tasarlanır. Katlar birbirinden tamamı ile ayrılmaz, asma katlar kullanılarak sesin rahatça ilerleyip boşluklarda azalması sağlanır. Alışveriş merkezlerinde en yüksek gürültü eğlence merkezlerinde ve restoran bulunduğu katlarda oluşur. Şekil 2. Birinci ölçüm noktasına ait -1. kat gürültü ölçümü ve gürültü haritası Ölçüm değerlerinden çıkarılan grafikler aşağıda verilmiştir. Gürültü sevileri renklerle ifade edilmiştir. 1855

174 Ersoy, S. ve Girit, O. ölçülen değerler Zemin. Kat 80,0 75,0 70,0 65,0 60,0 55, ölçümler Ortalama değeri 69,1 ölçülen değerler 78,0 76,0 74,0 72,0 70,0 68,0 66,0 64,0 62,0 60,0 2. Kat Ortalama değeri 70,6 ölçümler Şekil 3. Birinci ölçüm noktasına ait zemin kat gürültü ölçümü ve gürültü haritası Şekil 5. Birinci ölçüm noktasına ait 2. kat gürültü ölçümü ve gürültü haritası ö lç ü le n d eğ e rle r 1. Kat 75,0 70,0 65,0 60,0 55, ölçümler Ortalama değeri 67,5 ölçülen değerler 78,0 77,0 76,0 75,0 74,0 73,0 72,0 71,0 70,0 3. Kat Ortalama değeri 74,6 ölçümler Şekil 4. Birinci ölçüm noktasına ait 1. kat gürültü ölçümü ve gürültü haritası Şekil 6. Birinci ölçüm noktasına ait 3. kat gürültü ölçümü ve gürültü haritası 1856

175 Ersoy, S. ve Girit, O. ölçülen değ erler 4. Kat 80,0 78,0 76,0 74,0 72,0 70, ölçümler Ortalama değeri 74,6-1. kat 74,0 73,0 72,0 71,0 70,0 69,0 68,0 67,0 66,0 65, ö l ç ü l e n d eğ e r l e r ölçümler Şekil kat gürültü ölçümü ortalama değer 71,1 Zemin. kat ö lç ü l e n d eğ e r l e r 78,0 77,0 76,0 75,0 74,0 73,0 72,0 71,0 70, ölçümler ortalama değer 74,1 Şekil.9. Zemin kat gürültü ölçümü 1. kat Şekil 7. Birinci ölçüm noktasına ait 4. kat gürültü ölçümü ve gürültü haritası Alışveriş merkezine ait toplam gürültü seviye ortalaması 71,6 db (A) olarak saptanmıştır. Kat krokilerine baktığımızda orta bölümler ve belli noktalarda yapı içi balkonlar oluşturularak katların birbiri ile fiziksel bağlantısı sadece merdiven boşlukları ile sınırlı kalmamıştır. Bu da katlarda oluşan sesin bu boşluklar aracılığı ile yayılmasını ve azalmasını sağlamaktadır. Ölçümlerde en yüksek değerler 3. ve 4. katta ortalama 74,6 db olarak restoran katında ve bodrum katta kattaki eğlence merkezinde 73,0 db olarak ölçülmüştür. Ölçülen değerlerin ortalaması insan işitme sağlığını 2.derecede olumsuz yönde etki düzeyinde bulunmaktadır. Uzun süre bu ortamlarda bulunmadığı takdirde sağlığı olumsuz yönde etkilemeyeceği söylenebilir İkinci Ölçüm Noktasına İlişkin Sonuçlar İkinci Ölçüm Noktasına alışveriş merkezi gürültü seviyesi ölçümü tarihinde yapılmıştır. Ölçüm değerlerinden çıkarılan grafikler aşağıda verilmiştir. Ölçümlerde en yüksek değerler restoran katında ve birinci kattaki sinema bölümünde ölçülmüştür. En yüksek değer zemin katta (74,1 db) izlenmiştir. Ölçülen değerlerin ortalaması insan işitme sağlığını olumsuz yönde etkileyecek düzeyde değildir. Alışveriş merkezi toplam gürültü ortalaması 72,2 db(a) olarak saptanmıştır. ö l ç ü l e n d eğ e r l e r 75,0 74,0 73,0 72,0 71,0 70,0 69,0 68, ölçümler Şekil kat gürültü ölçümü 2. kat ortalama değer 71,5 77,0 76,0 75,0 74,0 73,0 72,0 71,0 70,0 69,0 68, ö l ç ü l e n d eğ e r l e r ölçümler Şekil kat gürültü ölçümü ortalama değer 72, Üçüncü Ölçüm Noktasına İlişkin Sonuçlar Üçüncü Ölçüm Noktasına alışveriş merkezi gürültü seviyesi ölçümü tarihinde yapılmıştır. Ölçüm değerlerinden çıkarılan grafikler aşağıda verilmiştir. 1857

176 Ersoy, S. ve Girit, O. -1.Kat 1.Kat ö l ç ü l e n d eğ e r l e r 74,0 72,0 70,0 68,0 66,0 64,0 62,0 60, ölçümler Ortalama 67,9 ö l ç ü l e n d eğer l e r 75,0 73,0 71,0 69,0 67,0 65,0 63,0 61,0 59,0 57,0 55, ölçümler Ortalama 63,7 Şekil kat gürültü ölçümü ve gürültü haritası Zemin.Kat ö l ç ü l e n d eğ e r l e r 73,0 71,0 69,0 67,0 65,0 63,0 61,0 59, ölçümler Ortalama 66,9 Şekil kat gürültü ölçümü ve gürültü haritası Ölçümlerde en yüksek değerler restoran katında ölçülmüştür. Ölçülen değerlerin ortalaması insan işitme sağlığını olumsuz yönde etkileyecek düzeyde değildir. Alışveriş merkezi toplam gürültü ortalaması 67,4 db (A) olarak saptanmıştır. ö l ç ü l e n d eğ e r l e r 74,0 72,0 70,0 68,0 66,0 64,0 62,0 60,0 2.Kat ölçümler Ortalama 67,0 Şekil.13. Zemin kat gürültü ölçümü ve gürültü haritası Şekil kat gürültü ölçümü ve gürültü haritası 1858

177 Ersoy, S. ve Girit, O. Ölçümlerde Üçüncü Ölçüm Noktasına gürültü ortalaması diğer alışveriş merkezlerinden daha düşük çıkmıştır. Yapılan gözlemde ölçüm yapılan tarihte buradaki insan yoğunluğunun diğer alışveriş merkezlerinden az olduğu Mimari yapıda her kat iki kattan oluşmaktadır, tüm katların birbirine fiziksel olarak bağlandığı boşluklar diğer alışveriş merkezlerine göre daha azdır. Ayrıca bu noktalarda Üçüncü Ölçüm Noktasında bol miktarda saksı bitkileri bulunmaktadır. Bu da sesin katlar arasında rahat bir şekilde ilerlemesini engellemektedir. görülmüştür. Ayrıca Üçüncü Ölçüm Noktasının mimari yapısının diğerlerinden daha farklı olduğu gözlenmiştir. 5.Sonuçlar Sonuçlar irdelendiğinde mevcut olan gürültü oranın insan sağlığını tehdit etmeyeceği söylenebilir. Ancak ortamda uzun süre bulunan kişilerin ve çalışan personelin durumları göz önüne alındığında gürültünün kontrol edilmesi gerektiği sonucuna ulaşabiliriz. Alışveriş merkezlerinin uluslararası standartlara uygun mimari yapısı gürültünün yüksek seviyelere ulaşmasını engellemektedir. Ancak ölçüm yapılan noktalar arasında ve yine bu noktalara ait katlarda değişik sonuçlara ulaşıldığı da görülmektedir. Bunun nedeni katlarda farklı tip işletmelerin olduğu söylenebilir. Alışveriş merkezlerinde bulunan ses yutan yapısal faktörler ile bu alanlarda bulundurulabilecek saksı, resimler, v.b. gibi unsurlar gürültü seviyesinin çıkışını engelleyebilecektir. Kaynaklar [1] İncir Gülten.(1981/2) Gürültü ve Zararlı Etkilerinden Korunma Yolları.Verimlilik dergisi. MPM yayınları. [2] İşyeri hekimliği ders notları, Türk Tabipleri Birliği 5.Ders Notları; Prof. Dr. İ.Hızalan [3] [4] Çevre ve Orman Bakanlığı Çevresel Gürültünün Değerlendirilmesi ve Yönetimi Yönetmeliği (2002/49/E 1859

178 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye ÇEVREYE DOST MEZARLIK (EKOLOJİK MEZARLIK) PLANLAMA YAKLAŞIMLARI VE DÜNYA KENTLERİNDEN ÖRNEKLER ENVIRONMENTALLY FRIENDLY (ECO-CEMETERY) CEMETERY PLANNING APPROACHES AND CEMETERY SAMPLES OF WORLD CITIES: Aysel USLU a, * a, * Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi, Ankara, Türkiye, E-posta: Özet Dünya, artan nüfus, hızlı kentleşme ve buna bağlı olarak çevresel bozunumun yaşandığı rahatsız edici bir süreci yaşamaktadır. Günümüzde her geçen gün daha fazla hissedilen çevre kirliliği, doğal kaynakların kaybı gibi problemlerin çözümü için, günlük yaşamın her alanında yeni yaklaşımlar ve kavramlar kentlerin gündeminde öncelik kazanmaktadır. Çevresel etkileri en aza indirgemek amacı ile, yeşil hareket, ekolojik yaklaşım, sürdürülebilir gelişim, yeşil kentleşme gibi pek çok benzer kavramlar tamaman farklı alanlarda oldukça önemli bir rol oynamaktadır. Doğal kaynakların kaybı ve çevre kirliliği gibi problemlerin azaltılması ya da önlenmesinde oldukça önemli role sahip olan yeşil, ya da ekolojik yaklaşımlar kent planlama ve tasarımı gündeminde öncelikli konulardır. Gelişmiş ülkelerde, yerleşim alanlarında kaçınılmaz bir alan kullanım biçimi olan mezarlıklar da ekolojik, çevreyi (hava, toprak, su kaynakları vb.) daha az kirleten alanlar olarak görüldüğü planlama yaklaşımları eğilimi artmaktadır. Bu çalışmada, son yıllarda özellikle Amerika Birleşik Devletleri, Kanada ve Avrupa dan bazı kentlerde görülen çevreye dost ekolojik mezarlık planlama, ve yönetim yaklaşımlarını açıklanmaktadır. Çalışma genel olarak çevreye duyarlı daha az kirletici mezarlık yaklaşımlarından örnekler vermektedir. Çalışmada özellikle farklı dinlere ait mezarlıklardan örnekler verilmekte ve sağlıklı yaşam ortamı olarak kentlerde mezarlık alanları için çevreye duyarlı yaklaşımlar tartışılmaktadır. Anahtar kelimeler: Çevreye dost mezarlık, ekolojik mezarlık, yeşil mezarlık, kirleticiler, kent planlama Abstract The world is living a disturbing period because of growing population, rapid urbanization and environmental degradation. Nowadays, the new approaches and terms in the field of daily life which will be the solution of environmental problems, the loss of natural resources etc. are getting priority in the agenda of cities. Many similar terms such as green movement, ecological approaches, sustainable development, green urbanization play an increasingly important role in the purpose of minimizing environmental degradation in totally different areas. Green (ecological) movements or approaches in the field of urban planning, which are playing crucial important role the minimizing or preventing of the loss of natural resources and environmental problems, are the priority subjects in the urban planning and design agenda. In the developed countries, cemeteries as the inevitable form of land use in cities are planned with ecological approaches. In this study; environmentally friendly cemetery planning and management approaches, which are seen especially USA, Canada and some cities from Europe are clarified. Generally, this study gives some samples of eco-cemetery, environmentally friendly and has less pollutant. The study especially gives some cemetery samples from different religions and discusses environmentally friendly approaches for cemeteries in the cities as healthy urban habitats. Keywords: environmentally friendly cemeteries, eco cemetery, green burial, pollutants, urban planning 1. Giriş Mezarlıkların temel işlevi, ölü bedenlerin kamu sağlığını tehlikeye atmadan toprağa dönüşümün sağlandığı depolama alanları olmasıdır. Ayırca, geride kalanlar için ziyaret, hatırlama ve sembol alanlarıdır. Ancak, mezarlıklar, ilahiyat, sanat tarihi, antropoloji gibi disiplinler için dini, sembolik, ruhani anlam içermekle birlikte kent planlama yada ekoloji ile ilgilenen bilim dalları için önemli ekolojik reserv alanlar yada potansiyel yeşil alan olarak ilgi görmektedir[1]. Her yönü ile ele alındığında bu alanlar, aslında yaşam alanları olarak yerleşim alanları için vazgeçilmez alan kullanım biçimidir. Artan ekoloji bilgileri ve çevre sorunları karşısında çözüm arayışı içerisinde olan plancı, mezarlık yöneticileri ve çevreye karşı daha sorumluluk hisseden kentliler, mezarlık alanlarında da çevreye daha duyarlı yaklaşımları barındıran ekolojik mezarlıkları gündeme getirmektedirler. Çevre kirliliği konusunda duyarlılığın artışı kaynak kullanımı, enerji üretimi gibi yaşamın her alanında ekolojik kaygılarla hareket edilmesini gerektirmektedir.çağdaş kentlerde, alan kullanımı, planlama, ekolojik yerleşimler, yeşil kentler, enerji etkin kullanımı gibi konular, çevreye dost ürünlerin kişisel bakım ürünlerinden kent- bölge ölçeğine kadar her planlama alanınında kendine yer bulmuştur. Ekolojik kaygıların etkin olduğu alanlardan birisi de mezarlık alanlarıdır. 2. Mezarlık ve Çevre İlişkisi IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1860

179 Uslu, A. Mezarlıklar, ölü bedenlerin yaşam mekanından ayrı bir yerde tutulması gerekliliğinden doğmuştur. Açıkta kalan ve uygun şekilde gömülmeyen ölüler belirli süre sonra çürümeye başlar ve koku salarak, mikrop üremesine neden olabilir. Ölüm anından saat sonra anaerob bakterilerin ve vücuttaki sindirici bir takım enzimlerin etkisiyle yumuşak vücut bölümleri erimeye başlar. Kokuşma süreci sırasında oluşan bir takım gazlar, çevreye yayılır. Bu gazların içerisinde indol, skodol, hidrojen sülfür, değişik karbon bileşikleri sayılabilir. Bu evre 3-4 ay sürmektedir. Bu evreden sonra aerob mikroorganizmaların etkisi başlar. Söz konusu mikroorganizmaların etkisi, toprağın özelliklerine, nem oranına, topraktaki oksijen miktarına bağlıdır. Topraktaki böcek ve solucanlarda söz konusu parçalanmayı hızlandırır.tabanı nemli mezarlarda, seroadipoz değişiklikler meydana gelir ve beden uzun süre bozulmadan kalabilir. Cesetlerin su altında kalmaları durumun da da aynı etki ortaya çıkar[2]. Canlı vücudu ölümden sonra üzerinde kolayca pek çok hastalık etkeninin üreyebileceği ortam haline geldiğinden ölülerin, yaşayanlardan farklı mekanlarda depolanmalarını gerektirmiştir. Çok eski çağlardan beri ölülerin saklanması coğrafik koşullar, iklim, dini inançlar, geleneksel ve toplumsal davranış özellikleri, sağlık kaygıları ve kentsel koşullara bağlı olarak biçimlenmiştir. Gömü biçimlerine ve daha sonra mezarlıklarda yapılacak uygulamalara bağlı olarak mezarlık alanları bazen çevre sağlığını tehdit eden, yer altı su kaynaklarının kirlenmesine neden olan, fauna ve flora üzerinde olumsuz etkiler neden olan alanlar haline gelebilir. Oysa, uygun yöntem ve doğru yer seçimi ilkeleri uygulandığında mezarlık alanları, barındırdıkları fauna ve flora ile özel ekolojik alanlardır. Kentlerdeki diğer arazi kullanım biçimlerinden farklı olarak, kentsel rantın yüksek olduğu alanlarda bile özellikle felsefi ve dini anlamları nedeni ile kolaylıkla farklı işlevlere dönüştürülemezler. Dinsel, ekolojik, folklorik ve rekreasyonel işlevleri başta olmak üzere çok sayıda işlevi bulunan mezarlıklar, özellikle büyük kentlerde giderek azalan yeşil alanlar içinde önemli bir parçayı oluşturmaktadır[3]. Önceleri kent dışında kalan mezarlıklar, zamanla kentsel yerleşim alanları arasında kalmış ve yaşama mekanları ile iç içe girmiştir. Kent mekanı içinde veya yakın çevresindeki bu alanlar kentin yeşil alanlarını ve ekolojik koridorlarını da birbirine bağlayan organik bağları oluşturmaktadır. Mezarlık için yeterli büyüklükte ve uygun özelliklere sahip yer seçimi en önemli çevresel konudur. Mezarlık büyüklüğünün saptanmasında kentin nüfus projeksiyonu, ölüm oranı gibi demografik veriler ile bir mezar yapısı için gerekli alan büyüklüğü dikkate alınır. Artan nüfusa paralel olarak mezarlık alanı gereksinimi de her geçen gün artması ise en önemli sorundur. Mezarlık alanı toprağı su tutmamalı, geçirgen yapı da ve mikroorganizma faliyetleri yeterli düzeyde olmalıdır. Çok gevşek zeminli araziler, kayalık ve çok sert zeminli araziler uygun değildir. Toprak özellikleri mezarların kazılması ve ölünün çözülmesi yönünden önem kazanmaktadır. Ayrıca, mezarlıklar yer altı su havzaları, ve içme suyu kaynaklarından uzak olmalıdır. Bu amaçla, andezit, topraksız zeminler seçilmemelidir.bu tür zeminlerde; cesedin çürüyüp toprağa karışmasının kolaylığı sağlanmaldır. Bu nedenle; toprak zeminler, kum, çakıl, karışımı olan alüvyon zeminler mezarlık için uygundur. Eğim; %0-10 arasında olmalıdır. Genel bir ilke olarak eğimi % 15 in üzerinde olan alanlar mezarlık yeri olarak seçilmemelidir. Yönlenme kuzey bakarlı alanlarda cesedin çürümesi daha zaman alacağı düşüncesi ile güney bakarlı alanlar seçilmelidir[4]. Çok düz araziler drenaj sorunları nedeniyle mezarlık yeri olarak uygun değildir. Kazı ve dolgu gerektirecek kadar eğimli alanlar da tercih edilmemelidir. Ölü bedenin ayrışması ile potansiyel kirletici (karbon, amonyak, klor, sülfat, sodyum ve potasyum esaslı elementler) kimyasal açığa çıkabilir. İnsan vücudunda bulunan elementler çizelge 1 de verilmektedir[5]. Çizelge 1 İnsan vücudunda bulunan temel elementler ( ortalama 70 kg.ağırlığında bir insan için standart kompozisyon). Element Kütle (gr.) Oksijen Karbon Hidrojen 7000 Nitrojen 1800 Kalsiyum 1100 Fosfor 500 Sülfür 140 Potasyum 140 Sodyum 100 Klor 95 Magnezyum 19 Demir 4.2 Bakır 0.07 Kurşun 0.12 Kadminyum 0.05 Nikel 0.01 Uranyum Toplam vücut kütlesi Çizelge 2 de ise, insan vücudundaki doku ve ağırlıkları verilmektedir. (Ortalama 70 kg.ağırlığında bir insan için). Doku Kütle (gr.) Toplam vücut kütlesi İskelet Kası Adipose doku Kemik 5000 Kıkırdak 1100 Periartikular doku 900 İlik 3000 Deri 4900 Ciğer 1800 Beyin 1400 Doku ve organların ayrışması ile açığa taban suları ya da toprak kirliliği sözkonusu olabilir Ayrışma faktörleri Mezarlık planlama ve yönetiminde çevresel konuları doğrudan ilgilendiren bir başka faktör ölü bedenin ayrışma( çürüme) ve toprağa karışma süresine doğrudan ya da dolaylı etkileyen faktörlerin varlığıdır. Ölü bedenin ayrışmasını belirleyen dışsal faktörler ; 1861

180 Uslu, A. Toprağın özellikle mikrobiyolojik yapısı ile fiziksel özellikleri (tekstür, strüktür, porpzite, havalandırma koşulları gibi) Toprağın PH derecesi( özellikle nötral topraklarda ideal ayrışma süreci olmaktadır), Gömü derinliği (vücutta ayrışma aktivitesini yapacak olan omurgalı ve omurgasızların erişimi için ), Toprak nemi (nem yüksek olduğunda ayrışma hızı kesilir) Mevsimsel yer altı su seviyesi İklimsel faktörler Tabutun yapıldığı ya da boyandığı malzemeler, tekstil ürüleri(tabutla gömüde ). Ölü bedenin ayrışmasını belirleyen içsel faktörler ise aşağıda sıralanmıştır, Ayrışmayı başlatacak bakteriyel faliyetleri elimine edecek beden özellikleri( otopsi sonrası gibi), Koruyucu uyugulamalar( formaldehid bazlı maddelerle yapılan mumyalama gibi) Yine bakteriel aktiviteyi engelleyecek ilaç ve kimyasalların uygulanması (antibiyotik, kemoterapi gibi) Ayrışmanın hızlı ve kolay olması toğrağa dönüşümü sağlayacaktır. 3. Mezarlık Ve Din İlişkisi Tarih boyunca toplumlar farklı nedenlerle (dini, arazi kıtlığı, gelenekler vb) ölülerini, yakma, doğrudan yada mumyalayarak toprağa gömme, doğaya olduğu gibi terk etme, gibi farklı teknikleri uygulayarak yaşam alanlarından farklı alanlara hatta ilk çağlarda yaşam mekanlarında depolanmışlardır.yerleşim alanlarında oluşturulan düzenli mezarlıkların geçmişi, antik döneme kadar uzanmaktadır. Mezarlık biçimlenmesinde; gömü biçimleri en önemli etkendir. Gömü biçimleri ise büyük oranda dini inançların getirdiği kurallar ve yönlendirmelerle belirlenmiştir. Dünya genelinde; ölü, dinin izin verdiği yada yasakladığı yöntemlere göre yakılmakta yada doğrudan toprağa gömülmektedir. İslam dinine göre ölü doğrudan toprağa, en kısa zamanda toprağa karışmasına olanak verecek şekilde gömülmelidir. Kur an da açık ve kesin bir hüküm bulunmamakla birlikte İslamiyet te süslü ve dikkat çekici mezarlar yapılması hoş görülmemiştir. Belli başlı fıkıh kitaplarında ölünün nasıl gömüleceği ve mezarlarının nasıl yapılacağı belirtilmiştir. Buna göre; ölü toprağa kıble yönünde konulduktan sonra mezarın üzeri kerpiç veya kamış ile örtülür, toprak verilir. Mezarı taş, tahta gibi maddelerle örtmek; köşeli olarak tuğla, kireç, tahta vs. gibi şeylerle inşa etmek uygundur. Mezar, toprak seviyesinden bir karıştan fazla olmamalıdır[6]. Mezar üzerine yapı yapılmaması ve mezarlıklarda bulunun ağaç ve bitkilere zarar verilmemesi istenir. Bir islam mezar yapısı ortalama 200 cm. boyunda, 100 cm. derinliğinde ve 80 cm. eninde bir lahitdir. Lahit üzerine serilen kapak 80 cm.boyunda, 40 cm. eninde ve 10 cm. kalınlığındadır. Toplam çıkarılan toprak miktarı 1.6 m³, beton miktarı= 0.878m³ dü gömü yapıldıktan sonra lahit içine konan toprak miktarı 0.9m³, kapak üstü toprak kalınlığı ise ortalama 50 cm. cir.bunun üzerine mezar taşı konulmaktadır. Toprağa herhangi bir ilaçlama uygulanmamaktadır. Ancak Mezarlık alanındaki yol ağaçları vb. bitkilere ilaçlama yapılmaktadır. Mezarlık projelendirilmesinde; ada, parsel ve sirkülasyon sisteminin tesisinde kıble yönü (mezarların kısa kenarlarının kıble doğrultusunda olması gereklidir) belirleyicidir. İslam dini mezarlara saygıyı ve yeşil dokuca zengin mezarlıkları önermektedir. Eski İslam mezarlıklarının bu açıdan bakıldığında bitkisel doku açısından zengin olduğu dikkat çeker. İslam mezarlıklarında doğal olarak yetişen türler yanında Cupressus sp.(servi) başta olmak üzere, pek çok ağaç, çalı ve çiçek türlerine yer verilmektedir[7]. Hristiyanlık ta doğrudan toprağa (tabut içinde) gömü yapılabildiği gibi, yakma yöntemi ile de ölü toprağa gömülmektedir. Gömü tercihleri, bireylere, inançlara, ekonomik faktörlere bağlı olarak farklılık göstermektedir. Örneğin Batı ülkelerinde gömü ve katholizm arasında güçlü bir ilişki vardır.katholik İtalya, İrlanda ve Fransa da diğer Avrupa ülkelerine göre yakma daha az tercih edilmektedir[8]. 4. Ekolojik Mezar Kavramı ve Örnekleri Hızlı kentleşme, çevresel kaygılar mezarlık alanında da yeni yaklaşımları gündeme getirmiştir. Ekolojik mezarlık ya da diğer isimleri ile yeşil mezarlık, doğal gömü alanı kavramları, batı medeniyetlerinde öne çıkmıştır. Bu kavram, ekolojik döngü içerisinde yer alan ve çevresel dönüşümü destekleyen bir yaklaşımdır. Ekolojik mezarlık, ölü bedenlerin doğaya dönüşümü en kısa zamanda sağlayacak ve kirletici unsurları içermeyecek gömü yöntemleri ve mezarlık planlama anlayışını ifade etmektedir. Eko mezarlıklar başta gömü tipleri olmak üzere çevresel açıdan sürdürülebilirliği sağlayan, doğal yollardan geri dönüşümü kapsayan yaklaşımdır.tabut yapımında kullanılan odun, çelik yada diğer metallerin azaltılması ve gömü sırasında ölüye uygulanan kimyasal işlemlerin çevreye vereceği kirletici unsurlar nedeni ile yeni yöntemler önermektedir. Mezarlıkların yer seçiminde ve planlanmasında doğal peyzaj özelliklerinin en yüksek oranda korunmasını ve fauna ve floranın geliştirilmesini özendirmektedir. Ekolojik mezarlıklarda temek amaç, mezarlıkların, bulundukları alan içinde yer altı suları, doğal bitki örtüsü, faunaya daha az olumsuz etki yapması, doğada daha hızlı çözünen malzemelerin kullanılması ve bireyin ekolojik ayak izini daha küçültmesi esasına dayanır. Ekolojik ayak izi, bireyin gıda, konut yada enerji gereksinimleri için kullandığı toprak, su, orman vb. doğal kaynaklarla gezegende yarattığı izi ifade eder. Ekolojik ayak izinin büyüklüğü, doğa da yapılan tahribatın da büyüklüğünü ifade etmektedir[9]. Ekolojik ayak izinin küçültülmesini hedefleyen ekolojik mezarlık yaklaşımı için, mezarlığın yer seçimi, gömü biçimleri, mezar yapıları, ve mezarlıkta yapısal ve bitkisel tasarımı konuları ele alınmaktadır. 1862

181 Uslu, A. Yakma yada tabut içerisinde toprağa yapılan gömü ile çevreye olan etkiler nedeni ile gündeme getirilmiştir. Örneğin Amerika Birleşik Devletlerinde her yıl yapılan gömü işlemi ( her yıl mezarlıkta ve 2.5 milyondan fazla insanın gömülmesi sonucunda) sırasında; 30 milyon kereste( m³) tabut için, ton çelik ( yine tabut için), ton çelik ( mezar için), ton bakır ve bronz (tabut için), ton beton (mezar için), gallon (3.130m³) mumyalama sıvısı formaldehit kullanılmaktadır. Koruyucu kimyasal olarak formeldehid kullanımının kanserojen olabileceği de bildirilmektedir[10]. işlemi sırasında formaldehid in okside olarak formik asite dönüştüğü ve atmosfere verildiği de beliritlmektedir. Ayrıca yakma işlemi ile yüksek oranda enerji harcanması da bu yöntemein ekolojik unsurları içermediği vurgulanmaktadır. Bu gömü yöntemleri yerine, kanserojen madde kullanımının olmadığı ve enerji tüketilmeyen bir yöntem olarak, ekolojik mezarlık ve eko-defin önerilmektedir. Modern bir görüş olarak doğal gömü kavramı ilk defa İngiltere de 1993 yılında (Carlisle Cemetery) başlamış ve daha sonra diğer ülkelerde yaygınlaşmıştır. Amerika Birleşik devletlerinde, ilk eko-mezarlık 1998 yılında Ramsey Creek mezarlığı ile kurulmuştur [11]. Doğal Gömü Merkezine (Center for Natural Burial) göre İngiltere de yüzlerce ekolojik mezarlık vardır, bunu Amerika Birleşik Devletlerinde ve daha sonra Kanada, Yeni Zelanda, Güney Afrika ve hatta Çin de de planlan ekolojik mezarlıklar izlemektedir. Oysaki, kırsal mezarlık hareketleri ve ölünün doğal bir döngü içerisinde ve doğal bir peyzajda gömülmesi geleneğinin başlangıcı henüz 1803 de Paris te Pere-Lachaise mezarlığında başlamış,1831 yılında da Amerika Birleşik Devletleri nde görülmüştür (Massachusett de Mount Aubern mezarlığı ile) [12]. Mount Aubern mezarlık planlamasında; mimarlar, plancılar, hidrojeolojist, grafik tasarımcısı, peyzaj mimarı ve yaban yaşamı ile ilgilenen biylojist gibi pek çok disiplinin dahil olduğu bir grup tarafından çağımız koşulları için yeniden master plan hazırlanmış, peyzaj özellikleri ve biyolojik çeşitliliği ile önem kazanmıştır[13]. Ekolojik mezarlıklarda tabut ile toprağa gömü yapılması durumunda geleneksel tabutlar kullanılmamaktadır.bunun yerine mukavva gibi geri dönüşümlü materyaller tercih edilmektedir. Gömü yapılma sırasında ölü bedene mumyalama yapılmaması, çözünebilir malzemeden tabut kullanılması ve mezarlık alanındaki biyolojik çeşitliliğin korunması yaklaşımı öncelik kazanmaktadır. Ekolojik mezarlık anlayışında yakma yönteminin de çevreye karşı kirletici unsurlar içerdiği ve yakma işlemi için kullanılan enerji ile atmosfere kirletici verildiği savunulmaktadır. Habitat sağlaması koşulu ile (kuşya da diğer hayvanlara gıda, barınak temini için) yerli olmayan bitki türlerine yer verilmekte, aksi takdirde doğal bitki örtüsüne ait yerli türlere ağırlık verilmektedir. Bazı ekolojik mezarlarda mezar taşları bile kullanılmamış, doğal bir alan içinde mezarlar ancak ziyaretçilere verilen GPS (Ground Positioning System-Küresel Konumlandırma Sistemi ya da Küresel Yer Belirleme Sistemi olarak da bilinen) ile koordinatları önceden girilmiş mezar yapılarının yerleri tespit edilmektedir[14]. Bir başka ekolojik mezarlıkta ( Spring Vale Cemetery La Fayatte) yaklaşık 200 adet çevreye dost gömü alanı bulunmaktadır. Ölüler tabut ile gömüldüğünde; çözünebilir malzemeden bambu, mukavva tabut kullanılmakta ya da tabutsuz olarak doğrudan toprağa gömü yapılmaktadır. Bazı ekolojik mezarlık uygalamaların da ise; doğal bir alan içerisinde yer alan mezarların kime ait oldukları yalnızca metal levhalarla belirtilmiştir. Ziyaretçiler metal dedaktörler ile mezarları bulabilmektedirler. 5. Sonuç ve Tartışma Mezarlıklar özel alan kullanım biçimi olarak, yer seçimi, planlama, tasarım ve yönetimi konularında çevresel konularla birlikte ele alınmalıdır. Gömü özellikleri kadar, mezar yapıları, mezar alanında kullanılacak yapısal ve bitkisel tasarım bütün olarak düşünülmelidir. Mezarlıkların peyzaj özellikleri ve çevrsesel etkileri ele alınmalıdır. Yeni mezarlıklarla birlikte eski mezarlıkların korunması, tarihi, sembolik anlamları ile birlikte ekolojik önemi ile de vurgulanmalıdır[15]. Farklı türleri destekleyen habitatların varlığı, yaban yaşam koridorlarının korunması çabaları, ekolojik alan olarak mezarlıklara getirilecek çevreci yaklaşımın temelini oluşturur. Yurtdışında yaygın olan ekolojik mezarlık yaklaşımları, gömü biçimlerinden doğan nedenlerle özellikle ortaya çıkmıştır. Ancak islam mezar geleneğinde, gömü biçimi nedeni ile (tabutsuz gömü yapılması, yakmanın yasaklanması, kimyasal işlemlerin uygulanmaması gibi) doğasından gelen bir ekolojik anlayış içinde olduğu dikkati çekmektedir. Mezarlık ziyaretlerinde Coğrafi Bilgi Sistemleri gibi teknolojik olanaklardan ülkemiz mezarlıkların da da yararlanılmaktadır. Nitekim Ankara da, 3 büyük mezarlığa Coğrafi Bilgi İstasyonu olarak konulan kiosklarda mezarların konumları, mezarlıktaki yeri ziyaretçilere verilmektedir [16]. Ölü kimliği, ölüm tarihi gb.veriler sisteme girilerek ölüye ait mezarın yeri, bulunulan konumdan en kısa ulaşım güzergahı gibi bilgiler ekranda ziyaretçilere sunulmaktadır [17]. Ancak, ülkemizde mezarlıkların uygun yer seçimi, mezarlık yönetimi, mezarlık peyzajının önemle ele alınması konularında eksiklikler göze çarpmaktadır. Mezarlıklarda, yoğunluk, mezar yapılarında katlı yapılara kadar artış (anıtsal mezar yapıları gibi) bitkisel dokunun kontrolsüz ve rastgele bırakılması gibi konular da eksiklikler söz konusudur. Mezarlıklar, fauna ve florası ile özel ekolojik ve yeşil alanlar olarak planlama ve yönetilmesi zorunlu olan kentsel alan tipleridir. Rekreasyonel ve yeşil alanlar olarak ele alındıklarında sosyal olarak da kabul gören alanlar olacak (korku veren yaygın kanının aksine) yeşil strüktüre de katkı veren kentsel sürdürülebilirliğin bir parçası olacaktır. Ayrıca mezarlıklara bağlı olarak gelişen mezar yapıları imal yerleri (mermer atölyeleri vb.), bitkisel materyal sağlayan fidanlıklar, demir atölyeleri ve ulaşım araçlarının da yerleri, büyüklükleri (otobüs, araba, otopark) mezarlık planlaması içinde ekolojik kaygılarla planlanması gereken diğer yan alanlardır. 1863

182 Uslu, A. Özel öneme sahip olan mezarlık alanları planlama, yönetim ve tasarım konularında yaşamın her alanında olduğu gibi ekolojik kaygıların öncelikli olduğu alanlar olarak görülmeleri halinde kentlerin sağlıklı, estetik ve yaşanabilir mekanlar olmaları için önemli birer kaynak olacaktır. Kaynaklar [1] Uslu, (Odabaş), A.,Tarihi Süreç İçerisinde Anadolu Mezarlıkları Ve çağdaş Bir Yaklaşımla Ankara Kenti İçin Örnek Bir Mezarlık Planlaması Üzerine Bir Araştırma. Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Peyzaj Mimarlığı Ana Bilim Dalı Basılmamış Doktora Tezi, Ankara, [2] Güler, Ç., Çobanoğlu, Z., Mezarlıklar Tesisi, Ölü Defin ve Nakil İşleri, Çevre Sağlığı Temel Kaynak Dizisi, Cilt: 20, s.2-16, Ankara, [3] Uslu, A., Hasgüler, A., Ölüler Kentinden Sağlıklı Kentlere Dönüşümü Sağlayacak Peyzaj Tasarımı Üzerine Düşünceler. Kent ve Sağlık Sempozyumu Bildiri Özetleri, Bursa, [4] Özkan, B., Küçükerbaş, E., Kaplan A., Aslan, N., Açık- Yeşil Alan Ve Rekreasyon Alanı Olarak Mezarlıkların Planlama ve Tasarım Sorunları İle Çözüm Olanaklarının İzmir Kenti Örneğinde Araştırılması. Ege Üniversitesi Araştırma Fonu Araştırma Raporu, Proje No: 1994/006, Bornova, İzmir, [5] Fogli, D. Techniques of Decomposition of Bodies Adopted in Cemeteries and Their Relations with The Environment,., /effs/docs/shangai_Ing.pdf son erişim tarihi [6] Karamağaralı, B., Ahlat Mezar Taşları. Kültür Bakanlığı Yayınları/1394, Sanat Tarihi Dizisi/19, Türk Tarih Kurumu Basımevi, Ankara, [7] Keleş, R., Kentsel Yeşil Doku Olarak Mezarlıklar. Bilgi Hazinesi, 2007 [8] Walter, T., 1993.Dust Not Ashes.The American Preference For Burial.Landscape, Volume 32, Number 1, p [9] Wackernagel, M., and Rees, E. W., Our Ecological Footprint. Reducing Human Impact On the Earth. New Society Publishers, Canada, 1996 [10] http: // www. green son erişim tarihi: [11] ttp:// son erişim tarihi 28 aralık 2008 [12] Walter, T.,.Dust Not Ashes.The American Preference For Burial.Landscape, Volume 32, Number Berkeley, California, [13] Landscape Architecture, The International Magazine of Landscape Design, Planning and Management- ASLA ( THA American Society of Landscape Architects) Awards, november 1993 USA). [14] http: // [15] Rugg, J., and Dunk, J:,. Conserving Cemeteries. Landscape Design- Journal of The Landscape Institute, No:235, November 1994-p-24-27, Norman Printing Ltd.London, [16] [17] Erçetin, Y.Ö.,Yarının Kentleri İçin Kentsel Hizmetlerde Gösteri İstasyonların Kullanımı t_bildiri.doc son erişim tarihi

183 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye ENERJİ PİYASASI İÇERİSİNDE YENİLENEBİLİR (TEMİZ) ENERJİ KAYNAKLARININ YERİ VE ÖNEMİ THE ROLE AND IMPORTANCE OF RENEWABLE ENERGY SOURCES IN THE MARKET Ahmet GÜRBÜZ a, * a, * Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye, E-posta: Özet Kentleşmenin ve nüfusun her geçen gün arttığı dünyamızda, bu artışa paralel olarak ihtiyaçlar artmasının yanı sıra, tüketim alışkanlığı da çeşitlenmektedir. Çeşitlenen bu ihtiyaçları karşılamak amacıyla sanayi alanında da hızlı bir gelişim yaşanmaktadır. Sanayileşmenin hızlı gelişiminin yanı sıra teknoloji alanında yaşanan gelişmelerin üretim alanına uygulanması sonucunda çok yüksek seviyede üretim kapasitesine sahip makineler ortaya çıkmıştır. İnsanların ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla büyük çapta üretim yapan bu makinelerin kullanımıyla birlikte her geçen gün enerjiye duyulan ihtiyaç artmaktadır. İhtiyaç duyulan enerjinin önemli bir kısmı fosil yakıt olarak tanımlanan kömür, petrol, doğal gaz vb. kaynaklardan sağlamaktadır. Ancak enerjiye olan ihtiyacın her geçen gün artmasına karşın fosil yakıtlardan elde edilen enerjinin sınırlı oluşu, enerji kaynaklarının güvenliğinin sağlanmasındaki zorluklar ve bu kaynakların çevreye verdiği zararlar nedeniyle enerji çeşitlendirmesi yapmak amacıyla yeni enerji kaynaklarına yönelim başlamıştır. Bütün bu sebepleri değerlendiren ülkeler hem enerji kaynaklarının sürekliliğini sağlamak hem de çevre kirliliğini önlemek amacıyla alternatif enerji kaynaklarına yönelmiştir. Yenilenebilir ve temiz enerji kaynakları olarak tanımlanan bu kaynakların başlıcaları hidrolik, rüzgar, güneş, jeotermal, biyokütle enerji kaynaklarıdır. Bütün dünyada olduğu gibi ülkemizde de enerjiye güvenli ve sürekli bir şekilde ulaşmanın yolları aranmıştır. Bu çerçevede çeşitli kuruluşlar tarafından çalışmalar yapılmış ve Türkiye için alternatif enerji kaynakları tespit edilmiştir. Halen ülkemizde alternatif enerji kaynakları üzerine çalışmalar yürütülmektedir. Mevcut enerji kaynakları içerisinde enerji ekonomi çevre üçlüsünün işleyişine en iyi cevap veren kaynak yenilenebilir enerji kaynakları olup, yerli kaynak olması, istihdam imkanı sağlaması ve ülke ekonomisine canlılık getirmesi gibi olumlu etkileri dikkate alınarak bu tür tesislerin yapımını teşvik edici yasal düzenlemelerin ve teşvik mekanizmalarının bir an önce oluşturulmasına öncelik verilmelidir. Anahtar Kelimeler: Enerji, Enerji Güvenliği, Yenilenebilir Enerji Abstract As the world population continues to grow and quickly becomes urbanized, the needs parallel to this growth and the habit of consumption also increase in variety. In order to meet the significant changes in the consumption habits in the course of time, a fast industrial development is realized in the field of industry. In addition to the boom of the industry, technology has maintained a robust growth momentum, so high capacity machines are producted.the usage of these machines raised the demand of energy.most of the energy needed is supplied by the sources called fossil fuel, such as coal, petrol, natural gas etc. On the other hand the increase in the requirment of the energy, the difficulties of providing the security of the energy sources, the limited sources of fossil fuel and the environmental damage caused by fossil fuel, direct people to the new energy sources in order to increase the variety of energy. The countries who evaluated the situation tended to the alternative energy sources to provide the continuousness of energy sources and to avoid environmental pollution. The leading samples of the sources described as renewable and clean energy sources are hydroulic, wind, sun, geotermics and biomass. Such as global approaches, our country is also searching the safe and everlasting way to reach the energy. In this context many institutions are started studies to establish alternative energy sources for Turkey. Currently studies on alternative energy sources is kept going. Renewable energy sources are the best solution among the existing energy sources. It answers the running of the trio of energy-economy and environment, because as a local source it has many positive effects on employment and provides activity to the economy of the country. Consequently all these positive effects must be considered and the foundation of institutions must be promoted.the legal arrangements and encouragement policy must be prioritized and formed. Keywords: Energy, Security of Energy, Renewable Energy 1. Giriş Dünyada nüfusun, kentleşmenin büyük bir artış göstermesi, sanayileşmenin hızlı gelişimine bağlı olarak, yeni teknolojilerin kullanıma soktuğu makine ve araç IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1865

184 Gürbüz, A. çeşitlenmesi gibi faktörler her geçen gün enerjiye duyulan ihtiyacı artırmaktadır. İhtiyaç duyulan enerjinin büyük bir kısmı bu gün dahi fosil yakıtlardan (kömür, petrol, doğal gaz vb.) sağlanmaktadır.[1] Konvansiyonel enerji kaynakları olan bu yakıtlar, modern yaşamın her alanında kullanılmaktadır. Bu alanlardan başlıcaları; elektrik, ulaşım, endüstri, bina olup, bahse konu alanlarda değişik maksatlarla (üretim/tüketim) ağırlıklı olarak enerji kullanılmaktadır. Fosil kökenli yakıtlar özellikle son iki yüzyıl içerisinde, üretim teknolojilerinin gelişmesi ve ucuz olması nedeniyle yaygın olarak kullanılması sonucu yenilenebilir enerji kaynakları karşısında önemli bir üstünlük sağlamıştır. Petrol ve kömür egemenliğine dayanan enerji çağı, uzun yıllar sorunsuz devam etmiş, ancak 1973 Petrol Krizi ilk kez enerji kaynakları konusunda bir güvensizlik ortamı yaratmıştır. Bu güvensizlik ortamı, bütün dünyada temiz (yeni ve yenilenebilir kaynaklara) karşı yoğun bir ilgiye yol açmıştır. Yenilenebilir ve temiz enerji kaynaklarının başlıcaları hidrolik, rüzgar, güneş, jeotermal, biyokütle ve dalga olarak söylenilebilir.[2] 1980'lerin ortalarında petrol fiyatları düşmüş ancak, petrol krizi sonucu gündeme gelen "enerji güvenliği" sorunu kalıcı ve önemini koruyucu olmuş, bunun sonucunda da "enerjinin çeşitlendirilmesi" konusu, enerji politikalarının vazgeçilmez unsurlarından biri haline gelmiştir. 2. Yenilenebilir Enerji Kaynakların Gelişimini Sağlayan Sebepler Enerji güvenliğinin sağlanması ve kaynak çeşitliliğine gitme mecburiyetinin doğması, yenilenebilir enerji kaynaklarının da enerji yelpazesinde yer almasına yol açmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının gelişimini destekleyen bir başka gelişme de Haziran 1972 de Stockholm de yapılan İnsan Çevresi Konferansı sırasında biçimlenmiştir. Stockholm Bildirgesi nde, çevrenin taşıma kapasitesine dikkat çeken, kaynak kullanımında kuşaklararası hakkaniyeti gözeten, ekonomik ve sosyal gelişmenin çevre ile bağlantısını kuran ve kalkınma ile çevrenin birlikteliğini vurgulayan ilkeler, sürdürülebilir gelişme kavramının temel dayanaklarını ortaya koymuştur. 1990'lı yıllarda ise temiz çevre bilinci daha da gelişmiştir. Bu bilinç, geleneksel enerji üretim ve tüketiminin çevre ve doğal kaynaklar üzerinde yerel, bölgesel ve küresel seviyede doğrudan olumsuz etkilere neden olduğunun anlaşılmasına ve atmosfere kirlilik yaratıcı emisyon vermeyen yenilenebilir enerji kaynaklarının "temiz enerjiler" olarak destek görmesine yol açmıştır. İnsanoğlunun günlük yaşamı için vazgeçilmez temel ihtiyaç kaynaklarından biri haline gelen enerji, temin edilirken veya bir başka değişle enerji kaynaklarından yararlanılırken, gelecek nesillerin de yaşanılabilir ortamlarının bozulmamasına yönelik gerekli çaba gösterilmeli, önlemler alınmalıdır. Geçmişte bahsedilen ortamların sağlanmasına yönelik gerekli çabanın gösterilmemesi veya konunun öneminin geç fark edilmesi ve fosil kaynakların kullanımı nedeniyle, dünyadaki sıcaklık son bin yılın en yüksek seviyesine ulaşmıştır. Bunun yanı sıra iklim değişikliği sonucunda kuraklık, sel, fırtına gibi doğal afetler meydana gelmiş/gelmekte, can ve milyarlarca dolarlık mal kayıplarına sebep olmanın yanısıra insan sağlığını da olumsuz yönde etkilemiştir/etkilemektedir. Şekil 1 de Küresel Sıcaklık Değişimi verilmiştir.[3] Şekil 1. Küresel Sıcaklık Değişimi Bu olumsuzlukların görülmesi sonucunda, insanoğlunun ihtiyacı olan enerjinin, ekonomik ve çevreye zarar verilmeden sağlanması amacı ön plana çıkmıştır. Bu durum uluslararası işbirliği ihtiyacını doğurması nedeniyle, Birleşmiş Milletler tarafından geniş bir katılımla "İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi (İDÇS)", 1992 yılında Rio'da düzenlenen Çevre ve Kalkınma Konferansı'nda üye ülkelerin imzasına açılmıştır. İDÇS ile gelişmiş ülkelere, 2000 yılında sera gazı emisyonunu 1990 yılı düzeylerine indirme yükümlülüğü getirilmiştir yılında, İDÇS çerçevesinde hazırlanan Kyoto Protokolü ile de imza sahibi ülkelere yılları arasındaki dönem için sera gazı salımlarını 1990 yılı seviyesine göre en az %5 azaltma yükümlülüğü getirilmiştir. Bu doğrultuda Avrupa Birliği (AB), hem birlik olarak hem de üye ülkeler açısından %8'lik bir azaltma sağlayacağını kabul etmiştir. Bu kapsamda, 2002 yılında Johannesburg da düzenlenen Dünya Sürdürülebilir Kalkınma Zirvesi nde 170 den fazla ülke temsilcisinin katılımı ve konsensüsü ile yayımlanan bir deklarasyon sonucu tüm hidroelektriğin yenilenebilir ve uluslararası desteğe layık olduğu, ardından 2003 yılında Koyoto da, düzenlenen 3. Dünya Su Forumu nda ve 2004 yılında Bonn da düzenlenen 154 ülke temsilcisinin katılımı ile gerçekleşen 21. Yüzyıl için Yenilenebilir Enerji Politika Ağı (REN21) Konferansı nda da bu görüşe sadık kalınmıştır.[4] Ayrıca İklim değişikliğine sebep olan olumsuzlukların önüne geçilmesi amacıyla, 2005 yılında Kanada da düzenlenen İklim Değişikliği Taraflar Konferansı nda (Conference of the Parties (CoP12)) Enerji Verimliliği, Yenilenebilir Enerji, Ormanlaştırma ve karbon dioksit (CO2) yakalama ve depolama konularına öncelik verilmesi kararı alınmıştır. Burada alınan kararla da yenilenebilir özellikli enerji kaynaklarının önünü açmıştır. Sürdürülebilir kalkınma için yenilenebilir enerji kaynakları ve enerji verimliliği çalışmalarının entegre bir şekilde yürütülmesi daha başarılı sonuçların elde edilmesini sağlayacaktır. Nitekim tüm dünyadaki çalışmalarda bu paralelde yürütülmektedir. İnsanoğlunun günlük yaşamı için vazgeçilmez temel ihtiyaç kaynaklarından biri haline 1866

185 Gürbüz, A. gelen enerji, temin edilirken veya bir başka değişle enerji kaynaklarından yararlanılırken, gelecek nesillerin de yaşanılabilir ortamlarının bozulmamasına yönelik gerekli çaba gösterilmeli, önlemler alınmalıdır Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından Sağlanan Bileşik Faydalar Birleşmiş Milletler ve Avrupa Birliği gibi örgütlerin bölgesel, ulusal ve küresel düzeyde sürdürülebilir bir kalkınmanın sağlanması, çevrenin korunması ve fosil yakıt kaynaklı enerji tesislerinin atmosfere yaydığı CO 2 gibi zararlı gazların etkisinin minimuma indirilmesi yönünde aldığı kararlar da dikkate alındığında, temiz enerji kaynakları; Sınırlı olan fosil yakıt rezervlerinin korunması, Fosil yakıt arzında aksama ve buna bağlı fiyat istikrarsızlığı risklerini azaltılması, Ulusal nitelikli olması ve enerjide arz güvenliğine katkı sağlaması, Kaynak çeşitlendirilmesine katkı sağlaması, Ekonomik ömrünün uzun olması, İşletme ve bakım giderlerinin düşük olması, Çevre kirliliği yaratmaması, Yenilenebilir enerji kaynağı olması, Yakıt giderlerinin olmaması, Sera gazı emisyonu yaratmaması ve çevre ile uyumlu olması, İstihdam, sosyal ve ekonomik kalkınmaya katkı sağlaması, Sürdürülebilir kalkınmaya katkı sağlaması, gibi avantajları dikkate alındığında, tercih ve teşvik edilmelesi gereken bir enerji kaynağıdır. 3. Türkiye nin yenilenebilir enerji kaynakları potansiyelinin, dünya potansiyeli ile mukayesesi ve kullanım durumu 3.1. Hidroelektrik Hidroelektrik potansiyel tespitleri üç değişik açıdan ele alınarak yapılır. Bunlardan birincisi brüt potansiyeldir ki, burada teknik ve ekonomik yapılabilirlik dikkate alınmaz. İkinci potansiyel tespiti, teknik yapılabilirlik açısındandır. Burada da ekonomik yapılabilirlik dikkate alınmaz. Üçüncü potansiyel tespiti ise, ekonomik yapılabilir potansiyeldir ki, bu potansiyel teknolojik gelişmelere ve enerji politikalarındaki yaklaşımlara bağlı olarak değişiklikler gösterebilir.[5] Buna göre, Türkiye nin brüt teorik hidroelektrik potansiyeli 433 Milyar kwh olup bu değer, tablo 1 de kıta bazında verilen teorik hidroelektrik potansiyelin toplamı olan dünyadaki toplam teorik hidroelektrik potansiyelin yaklaşık %1 ine, Avrupa daki potansiyelin ise yaklaşık %14 tekabül etmektedir. Teknik yapılabilirliği bulunan potansiyel ise, brüt potansiyelin %50 mertebesinde (216 Milyar kwh) kalmaktadır. Mevcut şartlarda ekonomik olarak kullanılabilir potansiyel ise, tablo 2 de detaylı olarak verilmiş olup, teorik potansiyelin %30 u (130 Milyar kwh ) civarındadır. Bazı mükerrerliklerin yanı sıra, net olmasa da özel sektörce geliştirilen projeler de dikkate alındığında, bu değer %35 (150 Milyar kwh) mertebesine ulaşmaktadır (Şekil 2). Çizelge 1 Dünya Hidroelektrik Potansiyeli Ve Yararlanma Durumu. AÇIKLAMA Teorik Potansiyel Teknik Ekonomik Potansiyel Potansiyel İşletmede Olan Potansiyel (GWh/Yıl) (GWh/Yıl) (GWh/Yıl) (GWh/Yıl) Afrika Asya Avustralya/Okyanusya Avrupa Orta ve Kuzey America Güney Amerika DÜNYA TOPLAMI TÜRKİYE Türkiye Hidroelektik Enerji Potansiyelinin Gelisme Durumu (GWh, 2007) Çeşitli Prj. Sev iy esinde 54% İnşaa Halinde 11% Yıllık Enerji Üretim Potansiyeli: GWh İşletmede 35% Şekil 2- Türkiye Hidroelektrik Enerji Potansiyelinin Gelişme Durumu Petrol 34% Dünya'da kaynaklar bazında birincil enerji arzı 2006, ( MTEP) Gaz 21% Kömür 26% Nükleer 6% Yenilenebilir 13% Hidro 2% Bİyokütle 10% Diğer 1% Şekil 3. Kaynaklar bazında dünya birincil enerji arzı. Şekil 3 de detaylı olarak görüleceği üzere, 2006 yılı dünya enerji üterimi Milton tona eşdeğer petrol (MTEP) olmuştur. Bu enerjinin % 13 lük kısmı yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanmıştır. Şekil 4 de ise kaynaklar bazında elektrik üretimi yüzdeleri verilmiştir. 1867

186 Gürbüz, A. Hidrolik kaynaklı enerji üretimi yerine, fosil kaynaklar kullanılarak 2006 yılındaki miktarda elektrik üretimi gerçekleştirilmiş olsa idi, atmosfere 2,4 Milyar ton daha fazla CO2 emisyonu salınmış olacaktı. Eğer dünya ekonomik hidroelektrik potansiyelinin tamamı işletmeye alınmış olsa atmosfere salınan CO2 emisyon miktarı 7 milyar ton daha az olacaktı.[6] Diğer taraftan Şekil 5 de, Türkiye de kaynaklar bazında elektrik üretiminin gelişimi verilmiş olup ekonomik kriz dönemlerinde bir miktar düşüşler olsa da uzun yıllar ortalama artışı %7-8 ler mertebesindedir Rüzgar Türkiye nin rüzgar enerjisi potansiyeli; rüzgar hızına ve rüzgarın sürekliliğine bağlı olarak bölgeler bazında farklılık göstermekte olup, özellikle Türkiye nin batısında (Trakya ve Ege) ve güneyinde (Hatay ve civarı) büyük bir potansiyel bulunmaktadır. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı- Elektrik İşleri Etüt İdaresi nin yapmış olduğu Rüzgar Enerjisi Potansiyel Atlası çalışması sonucunda Türkiye de rüzgar hızı 6,8 m/s üzerindeki potansiyel dikkate alındığında Türkiye nin rüzgar enerjisi potansiyeli MW civarındadır. Hali hazırda bu potansiyelin 393 MW lık kısmından enerj üretilebilmektedir. Küresel ısınma ve sera gazı emisyonlarına bağlı olarak, dünyada ve özellikle Avrupa Birliği ülkelerinde 1990 lı yıllardan sonra rüzgar enerjisinden elektrik üretimine yönelik önemli yatırımlar yapılmıştır. Şekil 7 de Dünya Karbon Emisyonları nın durumu verilmiştir. Şekil 7 de de görüleceği üzere Avrupa da karbon emisyonlarında bir azalma görülmekte olup bunun ana nedeni de, Şekil 8 de verilen grafikten de görüleceği üzere Avrupa ülkelerinde özellikle de Almanya da her geçen gün yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının artması ile sağlandığı söylenebilir.[7] Şekil 4. Kaynaklar bazında dünya elektrik üretimi. Şekil 7. Dünya Karbon Emisyonu Durumu Şekil 5. Türkiye nin 2007 yılında Kaynaklar Bazındaki Kurulu Güç Dağılımı. Şekil 6. Türkiye nin 2007 yılında Kaynaklar Bazındaki Kurulu Güç Dağılımı. Şekil 8. Almanya da Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Üretiminde Kullanımının Gelişimi 1868

187 Gürbüz, A. Şekil 9 da Dünya Rüzgar Enerjisi Kurulu Kapasitesi nin gelişimi, Şekil 10 da ise bölgeler bazında 2007 Yılı Rüzgar Enerjisi Kurulu Kapasitesi nin durumu verilmiştir. oluşmuş olmamakla birlikte her geçen gün maliyetlerdeki düşüşe paralel olarak bu kaynak türünden de elektrik üretimine yönelik yatırımlar yapılmakta olup dünyada güneş pilleri vasıtasıyla elektrik üretim kapasitesinin gelişim durumu şekil 11 de verilmiştir.[8] Şekil 9. Dünya Rüzgar Enerjisi Kurulu Kapasitesi nin gelişimi. Şekil 10. Bölgeler bazında 2007 yılı Dünya Rüzgar Enerjisi Kurulu Kapasitesi nin durumu 3.3. Güneş Türkiye nin güneş enerjisi potansiyeli; yıllık ortalama güneşlenme süresi 2640 saat, günlük ise 7,2 saattir. Günlük ortalama radyasyon 3.6 kwh/m2, yıllık ortalama radyasyon değeri ise 1311 kwh/m2 dir. Hali hazırda güneş enerjisinden çoğunlukla sıcak su temini amacıyla 11,5 milyon m2 lik güneş kolektörlerinden istifade edilmekte olup her yıl ortalama bu kapasiteye 1 milyon m2 ilave gelmektedir. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı- Elektrik İşleri Etüt İdaresi nin yapmış olduğu Güneş Enerjisi Potansiyel Atlası çalışması sonucunda Türkiye de MW termik santral kapasitesine eşdeğere güneş enerji kapasitesi bulunduğu ve bu potansiyelden yararlanılması durumunda yıllık ortalama 380 milyar kwh elektrik enerjisi üretim imkanının olduğu belirlenmiştir. Oysaki bu potansiyelden çok az miktarda yararlanılmakta olup hali hazırda Türkiye deki toplam güneş pili (PV) kapasitesi 1000 KW mertebesindedir. Güneş enerjisinden elektrik üretimi konusu, güneş pillerinin üretiminde yüksek teknoloji gerekmesi ve maliyetlerinin diğer enerji kaynakları üretim maliyetlerinin üzerinde olması nedeniyle henüz büyük bir üretim kapasitesi Şekil 11. Dünyada güneş pilleri kapasitesinin gelişimi 3.4. Jeotermal Türkiye nin jeotermal enerji potansiyeli; MW termik potansiyel bulunmakta (20 MTEP) olup, hali hazırda bu potansiyelin ancak 500 MW lık bölümü elektrik üretimi için uygundur. Elektrik üretimi olarak 27 MW ı işletmede, 25 MW ı yapım aşamasındadır. Toplam potansiyelin 1229 MWt e denk gelen kısmı kullanılmaktadır Biyoenerji Tarım Bakanlığı ve TÜBİTAK-MAM tarafından yapılan çalışmaya göre 8.6 milyon TEP potansiyel mevcut, 5.1 milyon TEP doğrudan yakma şeklinde kullanılmaktadır. Ayrıca 1.9 milyon hektar kullanılmayan tarım arazisinden 1.5 MTEP biyodizel ve hektarlık pancar ekim alanından 3.5 MTEP biyoetanol üretim potansiyeli mevcuttur. 4. Yenilenebilir enerji kaynakları için uygulanan teşvik politikaları 4.1. Avrupa Birliği Ülkelerinde Uygulanan Teşvik Politikaları AB Komisyonu, yenilenebilir enerji kaynaklarının öncelikli olarak geliştirilmesini gerekli görmektedir. Bu öncelik ana hatları ile "Yenilenebilir Enerji Kaynakları Beyaz Bildiri"de belirtilmiş ve AB ülkelerinin ulusal, genel enerji tüketimi içindeki ortalama yenilenebilir enerji oranının 2010 yılına kadar iki katına çıkarılarak %12'ye ulaşması öngörülmüştür. Orta dönemde, yenilenebilir enerji üretiminde bu hedefe ulaşılmasını sağlamak için AB Komisyonu iç elektrik piyasasında yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik üretimini teşvik eden 2001/77/EC sayılı Yenilenebilir Enerji Direktifi ni yayımlamıştır. Söz konusu direktif, 2010 yılına kadar topluluğun tamamında yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen elektriğin toplam elektrik tüketiminin %22.1'ine ulaşmasını hedeflemektedir. 1869

188 Gürbüz, A. Avrupa Birliği ülke liderlerinin 8-9 Mart 2007 tarihinde Bürüksel de yaptıkları toplantıda, daha önce Kyoto Protokolü ile öngörülen seragazı emisyonlarını 2012 yılılna kadar 1990 yılı seviyesine göre %8 azaltma taahhüdüne ilaveten 2020 yılına kadar seragazı emisyonlarını %20 azaltmayı, 2010 yılı genel enerji tüketiminin içindeki yenilenebilir enerji kaynaklarının payının 2020 yılında %20 çıkarılmasını, ayrıca 2010 yılı için %5,75 olarak öngörülen ulaşımda tüketilen biyoyakıtların payının 2020 yılına kadar en az %10 çıkarılması yönünde kararlar almışlardır.[9] Çizelge 2. Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından Elektrik Üretimini Teşvik eden 2001/77/EC Sayılı Direktif Referans Değerleri ÜLKE YEK-E ÜRETİMİ 1997(TWh) YEK-E 1997 (%) YEK-E 2010 (%) BELÇİKA 0,86 1,1 6 DANİMARKA 3,21 8,7 29 ALMANYA 24,91 4,5 12,5 YUNANİSTAN 3,94 8,6 20,1 İSPANYA 37,15 19,9 29,4 FRANSA İRLANDA 0,84 3,6 13,2 İTALYA 46, LÜKSENBURG 0,14 2,1 5,7 HOLLANDA 3,45 3,5 9 AVUSTURYA 39, ,1 PORTEKİZ 14,3 38,5 39 FİLLANDİYA 19,03 24,7 31,5 İSVEÇ 72,03 49,1 60 İNGİLTERE 7,04 1,7 10 AB 338,41 13,9 22 AB ye üye ülkeler 1980'li yılların sonlarından itibaren yenilenebilir enerji üretimi, A&G programları, örnek projelerin desteklenmesi, yatırım maliyetlerine yapılan doğrudan destekler, finansal ve vergi teşvikleri, yenilenebilir santrallardan üretilen elektrik enerjisinin teşvikli fiyatla satın alınması vb. yöntemlerini ya tek tek ya da karma bir şekilde kullanarak desteklemektedir.[10, 11] AB ülkelerinde yenilenebilir kaynakların desteklenmesinde araştırma ve geliştirme çok önemli rol oynamaktadır. Araştırma ve teknolojik geliştirme önemli maliyet düşüşleri sağlamıştır. AB ülkelerinde yenilenebilir kaynaklı elektrik üretimi konusunda uygulanan sistemler; Sabit Fiyat Sistemi Teklif Sistemi / Kota Tabanlı Sistem Yeşil Sertifika Sistemidir 4.2. Türkiye de Uygulanan Teşvik Politikaları 2005 tarihinde sayılı Resmi Gazete de yayımlanarak yürürlüğe giren 5346 sayılı Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Amaçlı Kullanımına İlişkin Kanun ile yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilecek enerjiye taban fiyat garantisi (5 Eurocent/kWh) ve belli bir süre (10yıl) alım garantisi getirilmiştir. Ayrıca bu tesislerin kurulacağı yerlerdeki hazine ve orman arazilerinde kolaylık sağlanması, yenilenebilir özellikte olması sebebiyle YEK belgesi verilmesi ve aynı kanunla 4628 sayılı yasada yapılan değişiklik ile kendi ihtiyaçlarını karşılamak üzere 500 kw ta kadar tesis kuranlar şirket olma ve lisans almadan muaf tutulmuşlardır. Kanunun temel ilkeleri ise; Yeni ve yenilenebilir kaynak kullanımının ülke düzeyinde yaygınlaştırılmasında ve bu kaynakların verimli kullanılmasında toplumsal maliyetleri dikkate alan bir fiyat mekanizması ile serbest pazar gelişimini engellemeyen stratejik bakışlı tedbirlere öncelik vermek. Yaygınlaştırma sürecinde temiz çevre gerekleri doğrultusunda bu kaynakların kullanımının artırılması için gerekli maliyetler öncelikle çevreyi kirletenler tarafından ödenmesini sağlamak. Kaynakların yönlendirilmesinde, ulusal teknoloji düzeyini yükseltici AR-GE çalışmalarının desteklenmesine ve yerli üretim imkanlarının artırılmasına öncelik tanımaktır. YEK Kanunu ile başta elektrik enerjisi üretimi olmak üzere diğer enerji üretim alanlarında yeni ve yenilenebilir kaynaklarının (hidrolik, rüzgar, jeotermal, güneş, biyokütle, hidrojen vb.) kullanımı, teşviği, yurt içi imalat olanaklarının geliştirilmesi ve teşvik için gerekli kaynakların sağlanması ve kullanımı ile ilgili hususları içermektedir. Liberalleşen ekonomik yapı içerisinde dünya pazarlarında rekabet etmenin birinci şartının üretim maliyetlerinin minimum seviyeye çekilmesi gerektiği göz önüne alındığında, enerji girdi maliyetinin düşürülmesi için üretimde ihtiyaç duyulan enerjinin güvenli ve ekonomik şekilde karşılanması önem arz etmektedir. Bir kısım özel sektör bu amaçla, bir kısmı ise mal üretmekten ziyade zor olanın üretilen ürünün veya malın pazarlanmasının olduğunu dikkate alarak, ülkemizin elektrik enerjisi talebinin her yıl ortalama %7-8 lere varan artışı sebebiyle enerjide pazar arama derdinin olmaması, girişimcilerin enerji sektörüne girmesinde önemli rol oynamıştır. 5. Sonuç Enerji sektörünün yeniden yapılandırılması ve serbest piyasa düzeninin kurularak sektrörün rekabete açılmasının ilk yıllarında; mevcut enerji kaynakları içerisinde enerji ekonomi çevre üçlüsünün işleyişine en iyi cevap veren kaynak yenilenebilir enerji kaynakları olup, yerli kaynak olması, istihdam imkanı sağlaması ve ülke ekonomisine canlılık getirmesi gibi olumlu etkileri dikkate alınarak bu tür tesislerin yapımını teşvik edici yasal düzenlemelerin ve teşvik mekanizmalarının bir an önce oluşturulmasına öncelik verilmelidir. Türkiye gerek nüfusundaki, sanayisindeki, şehirleşmesindeki artış, gerekse ekonomik refah seviyesindeki artışa paralel olarak elektrik tüketim artışı uzun yıllar ortalaması %7-8 mertebesinde olup, gelecekte 1870

189 Gürbüz, A. de bu artış oranının uzun yıllar devam edeceği beklenmektedir. Türkiye tüketmiş olduğu enerjisinin %75 lik kısmını ithal ederek karşılamaktadır. Her geçen gün artan petrol ve doğalgaz fiyatlarından dolayı ödemiş olduğu döviz miktarı artmakta buna paralel olarak dış ticaret açığı büyümektedir. Oysa ki; yenilenebilir enerji kaynakları yerli kaynak olması itibariyle bu kaynaklardan üretilecek enerjinin artırılması, arz güvenliği açısından sağladığı avantajın yanısıra enerji ithalatının bir nebze de olsa azaltılmasına katkı sağlayacak, ithal edilen enerji giderlerinin önüne geçilerektir. Ayrıca, çevresel olumsuzluk yaratmaması, istihdam yaratarak ekonominin canlanmasına katkı sağlaması gibi avantajları dikkate alındığında Türkiye nin yenilenebilir enerji kaynaklarının tamamının bir an önce işletmeye alınmasında büyük faydalar bulunmaktadır. Bu bağlamda, ülkemizin ana enerji politika ve stratejileri içerisinde; yerli ve temiz enerji kaynakların kullanımı ve geliştirilmesine öncelik vermesi ve her aşamada çevresel etkileri göz önünde bulundurması bir zorunluluk gibi görülmelidir. Kaynaklar [1] World Energy Outlook, Executive Summary, 2OO7 [2] Renewables For Heating And Cooling, Renewable Energy Technology Deployment, International Energy Agency, 2007 [3] Measuring progress towards a more sustainable Europe 2007 monitoring report of the EU sustainable development strategy, Eurostat Statisticalbooks. [4] MARTINOT, E., Renewables Galobal Status Report 2006 Update, Renewable Energy Policy Network for the 21st Century. [5] GÜRBÜZ, A., Sürdürülebilir Enerji Temini Kapsamında Hidrolik Kaynaklı Enerjinin Önemi, YEKS'2007, Kasım 2007, Kayseri [6] TAYLOR, R. M., Future Power Systems Where does Hydro fit? F.E.I., IHA,UK, [7] BP Statistical Review of World Energy, June 2008 [8] Large-Scale Photovoltaic Power Plants, Annual Report 2007, April 2008 [9] Measuring Progress Towards A More Sustainable Europe 2007 Monitoring Report of the EU Sustainable Development Strategy, 2007 Eurostat Statisticalbooks [10] HAAS R., Promotion Strategies For Electricity From Renewable Energy Sources in EU Countries, June [11] LUMIJÄRVI, A., Renewable energy promotion instruments, Stream Green Network, 2007 [12] Renewable Energy Targets, World Energy Council, WEC Statement 2003 [13] 5346 sayılı Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Amaçlı Kullanımına İlişkin Kanun [14] 5627 sayılı Enerji Verimliliği Kanunu 1871

190 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye UZAY UYGULAMALARINDA KULLANILAN TEKSTİLLER THE TEXTILES USED IN SPACE APPLICATIONS Hatice Aylin KARAHAN a, Emine UTKUN b, *, Ozan TOPRAKÇI c a North Carolina State University Fiber and Polymer Science Department, NC, E:Posta: USA b, * Pamukkale Üniversitesi Buldan Meslek Yüksekokulu, Türkiye, E:Posta: c North Carolina State University Fiber and Polymer Science Department, NC, USA, E:Posta: Özet: Keşfetme ve merak duyguları insanoğlunun ilk olarak çevresini sonrasında dünyayı ve uzayı algılamasına, tanımasına, tanımlamasına neden olan en önemli sebeplerdendir. Uzayla ilgili ilk çalışmalar uzayın yapısının anlaşılması ve canlıların uzaya gönderilebilmesi üzerine iken, günümüzde ikinci çağını yasayan uzay teknolojisi, fizik, matematik, kimya, malzeme bilimi, bilgisayar, mekanik, elektronik, biyoloji ve tekstil gibi birçok farklı disiplini arkasına alarak uzayda yeni konstrüksiyonların kurulabilirliği ve canlıların biyolojik adaptasyonu üzerinde yoğunlaşmıştır. Uzay uygulamalarında kullanılan materyallerin temelde hafiflik, yüksek dayanım, yüksek aşınma direnci, yüksek korozyon direnci, güç tutuşurluk, yüksek dinamik deformasyon özellikleri sergilemeleri gerekmektedir. Bu özelliklerin tek bir materyalle elde edilebilmesi hem teknik hem de ekonomik sebepler yüzünden oldukça zordur. Bu yüzden, kompozitler, braiding, kaplama ve laminasyon gibi farklı tekniklerle elde edilmiş yapılar kullanılmaktadır. Bu noktada esnek ve dayanıklı olması yanında istenilen formlarda üretilebilme gibi avantajları sayesinde tekstil materyallerinin önemi her gecen gün artmaktadır. Tekstil yapıları (lif, dokuma, örme, nonwoven, braiding) her türlü kompozit-lamine yapıda destek, takviye bileşeni olarak kullanılabilse de en önemli uzay tekstilleri EMU (Extravehicular Mobility Unit) olarak adlandırılan astronot kıyafetleri ve Mars ın kesif projelerindeki iniş sistemlerinde kullanılan paraşüt ve airbaglerdir. Bu çalışmada uzay uygulamalarında kullanılan tekstil yapıları ve bu alanda gerçekleşen son çalışmalar hakkında bilgi verilecektir. Abstract: The feelings of discovery and curiosity are the most important reasons to have the humans perceive, know and define first his environment and then the world and the space. While the first studies about space are on understanding the structure of it and being sent the living to space, the space technology which is experiencing its second era today is focused on establishments of new constructions and the biological adaptation of living thing by getting some different disciplines like physics, maths, chemistry, science of materials, computer, mechanics, electronicsi biology and textile to its back. It is required for some materials used in space applications to display the features of lightness, high endurance, resistance to erosion, corrosion, hard ignition and high dinamic deformation at base. It is rather difficult to obtain these features with only one material because of both technical and economical reasons. For this reason, different structures made from different techniques like composites, braiding, covering and lamination are used. At this point, textile materials are becoming important day by day thanks to being produced in desired shapes besides to their flexibility and endurance. Although textile structures (fiber, weaving, knitting, nonwoven, braiding) are used as a support and reinforcement component in every kind of composite laminated structure, the most important space textiles are the astronaut clothes called EMU (Extravehicular Mobility Unit) and the parachutes and airbags used in landing systems of discovery projects in Mars. In this study, there will be given some information about the textile structures used in space applications and the last researches made in this field. 1. Giriş Uzay kavramı çok disiplinli bir alanda incelendiği için, tanımı da değişken olabilmektedir. Fakat uzay genellikle dünya atmosferi dışında kalan her şey olarak tanımlanmaktadır. Bilindiği gibi atmosfer farklı özellikteki katmanlardan oluşmaktadır. Her katmanın kendine has özellikleri bulunmaktadır. Dünya merkezinden uzaklaşıp, atmosferin dışına çıkıldıkça aşırı sıcaklık değişiklikleri, yüksek vakum, mikrogravity, plazma (iyonlar, elektronlar, nötral türler, uyarılmış atomlar, atomik oksijen, yüksek enerji yüklü parçacıklar), zararlı kozmik ışınlar, uçuşan cisimler, mikro-makrometeroidler gibi birçok dış faktörle karşılaşma ve bu faktörlerden zarar görme olasılığı artmaktadır. Bu faktörlerden birisinin veya bir kaçının sinerjik etkileşimi sonucunda materyallerde aşınma, kütle kaybı, yapısal modifikasyon, degradasyon gibi geri dönüşümü olmayan değişimler meydana gelebilmektedir. Bu nedenle uzayda canlı veya cansız varlıkların herhangi bir aktivitede bulunabilmesi veya fonksiyon gösterebilmesi için uzay koşullarına adapte olabilmesi ve bu zararlı etkilerden korunması gerekmektedir. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1872

191 Karahan,H.A., Utkun E., Toprakçı O. 2. EMU (Extravehicular Mobility Unit) Astronotlar bulundukları ortama ve görevlerine göre farklı giysiler giymektedirler. Uzay istasyonunda çalışan bir astronot, günlük antrenmanları sırasında dünyada giyilen günlük spor giysileri tercih ederken, uzay mekiğinde teknik işlerden sorumlu bir astronot bakım sırasında kendisine maksimum faydayı sağlayan, kullandığı ekipmanları üzerinde kolayca taşıyabilecek fazla sayıda cep ve cırt cırt içeren teknik giysiler tercih etmektedir. Uzay mekiğinin inişi ve kalkışı sırasında ise LES (Launch and Entry Suits) olarak adlandırılan basınç ayarlaması olan giysileri giymektedirler. Uzay mekiğinin dışında veya uzayda görev yapan astronotlar ise diğer giysilerden oldukça farklı olan EMU (Extravehicular Mobility Unit - Mekik Dışı Hareketlilik Birimi ) olarak adlandırılan birçok komponentten oluşan dünyanın en pahalı ve teknik giysilerinden birisi olan giysileri giymektedirler. EMU kendi içinde değişebilen parçalara sahip modüler bir yapıdadır. Temelde üst gövde, alt gövde, kollar, kask ve eldivenlerden oluşmaktadır. Parçalar ayrı ayrı olup, her bedene göre uygun bir şekilde entegre edilmektedir. Bu sayede tekrar kullanılabilirlik ve maliyet açısından avantaj sağlamaktadır [6]. Şekil 1. EMU uzay giysisi ve kisimlari [6] EMU farklı katmanlardan ve komponentlerden oluşmaktadır. Her katmanın ve komponentin temel fonksiyonu, astronotların uzaydaki zor şartlardan etkilenmemesini sağlamaktır. EMU nun sağlaması gereken temel fonksiyonlar [6-9]: Düşük iç basınç, Dünya atmosferi deniz seviyesinden 120 kadar % 20 oksijen ve % 80 nitrojenden oluşmaktadır. 5,500 m de, atmosfer yerde olduğunun yarısı oranında yoğundur ve m. nin üstündeki yüksekliklerde havadaki oksijen miktarı öyle azdır ki basınçlı oksijen maskeleri işe yaramaz m eşiğinin üzerinde, insanlar nefes almak için gerekli oksijeni sağlayan ve vücut sıvılarını likit durumda tutmak için vücut etrafında basınç oluşturan uzay giysileri giymelidir. Çünkü bu yükseklikte toplam hava basıncı, vücut sıvılarının aşırı ısınmasını engellemeye yetmemektedir. Yüksek gerilme kuvveti, Hava geçirmezlik, Hareketlilik, Solunabilir oksijen, Isı regülâsyonu, Bir uzay giysisi astronotu ayrıca uzayın aşırı ısısından da korumaktadır. Uzayda ısı her yerde sabit değildir. Bu durumda, giysinin yaşam destek sistemi çalışan ve terlemekte olan astronotun ürettiği ısı ve nemin transferini sağlamalıdır. Bu olay genelde astronotun hemen cildinin üzerine geçirilen bir iç giysi içinde dolaşan soğuk su ile sağlanmaktadır. Ultraviyole radyasyonuna karşı koruma, Partikül radyasyonuna karşı koruma, Küçük mikrometeroidlere karşı koruma, Fizyolojik atıkların depolaması EMU nun Parçaları EMU on üç tabakadan oluşmaktadır; iç soğutma giysisi (iki kat), basınç giysisi (iki kat) termal mikrometeroid giysi (sekiz kat) ve dış kaplamadır (bir kat). Bu tabakalarda naylon tricot, spandex, üretan-kaplı naylon, dakron, neopren-kaplı naylon, mylar, gortex, kevlar, nomex gibi dayanıklı malzemeler kullanılmaktadır. 1873

192 Karahan,H.A., Utkun E., Toprakçı O Termal Mikrometeroid Giysi (TMG- Thermal Micrometeoroid Garment) Termal mikrometeroid giysi (TMG) uzay giysisinin dış tabakasıdır. TMG nin üç fonksiyonu vardır; yalıtım, zararlı güneş radyasyonundan ve mikrometeroidlerden korumak [10]. Şekil 2. Uzay giysisini oluşturan tabakaların kesiti [6] TMG neopren kaplı naylon ripstopdan oluşan bir tabaka ile başlar. Bu mikrometeroidlere karşı korumanın en iç tabakasıdır. Ardından, termal radyasyon koruması için beş tabaka alüminyum kaplı Mylar;, dört tabaka dokunmamış Dakron onu takip eder ki bunlar termal boşluk yaratmaktadır, bunu iki tabaka alüminyum kaplı Kapton film ve Beta kumaşı izler. Teflon kaplı Beta kumaşının en dış tabakası yanmaz özelliktedir ve aşındırıcı olarak bilinen ay tozuna karşı yüksek direnç göstermektedir. Bu tabaka dizler ve diğer bölgelerde Teflon yamaları ile desteklenmiştir EMU için TMG yedi tabaka alüminyum kaplı Dakron ile lamine edilmiş Mylar içerir ve Kapton kullanılmaz. En dış tabaka beyaz Ortho kumaşıdır, Goretex, Kevlar ve Nomex in kombinasyonu ile yapılmıştır. Bu tabaka -300 den +300 Fahrenayt a kadar dayanıklıdır. Dış tabaka güneşin zararlı termal radyasyonunun çoğunu yansıtarak hem mikrometeroid hem de termal koruma sağlamaktadır [10-12] Soğutma ve Havalandırma Giysisi (LCVG- Liquid Cooling and Ventilation Garment) Şekil 3. Sıvı soğutma ve havalandırma giysisi ve yapısı [14, 15] EEH- EMU Elektrikli Kayış EEH astronot tarafından giysi içine giyilen bir takım iletişim kablosundan oluşan bir donanımdır. Giysinin çantasında bulunan radyo ve enstrümanlarla bağlantı ile iletişim ve astronotun yaşamsal işaretlerinin kontrolünü sağlar (solunum oranı, kalp hızı, ateş, vs.) [14, 15] İletişim Taşıyıcısı (CCA- Communications Carrier Assembly) CCA astronot tarafından giyilen kumaş bir beredir. İletişimin sağlanması için mikrofonlar ve hoparlörler içermektedir. Giysi içinde hands-free radyo iletişimini mümkün kılmaktadır [14, 15]. Uzay yürüyüşleri esnasındaki hareketlilik astronotun ürettiği vücut ısısını artırır. Uzay tamamen bir boşluktur, ısı iletim yolu ile kaybedilemez ve yalnızca termal radyasyon yoluyla dağıtılabilir ki bu çok daha yavaş bir süreçtir. Böylelikle, uzay çok soğuk olsa dahi aşırı ısı yükselmesi mümkün değildir Şekil 3 de gösterildiği gibi LCVG tüm vücudu saran bir iç çamaşırı gibidir ve amacı mekik dışı aktivitelerde stabil bir vücut ısısı sağlamaktır. Esnek tüplerden dolasan soğuk su vücudun ısısını almakta ve ısının aşırı derecede artmasına engel olmakta, astronotun daha konforlu bir şekilde çalışabilmesini sağlamaktadır. Su daha sonra öncül yaşam destek sistemine veya PLSS ye döner ve ısıyı uzaya yansıtır ve yeniden dolaşıma girmeden önce soğumaktadır [6, 11]. NASA nın mekik dışı hareketlilik biriminde kullanılan LCVG, ilk olarak naylon bir tricot ve spandex ile yapılmıştır. Suyun taşındığı tüpler ise polivinil klorürdür [13]. 1874

193 Karahan,H.A., Utkun E., Toprakçı O Kollar Kol birimleri omuz, üst kol ve dirsek bağlantı dönüşlerini içerir böylece astronot kollarını pek çok yöne hareket ettirebilir. Kol birimleri pek çok ölçüdedir böylelikle EMU farklı astronotlarca kullanılabilir. Kol birimleri Şekil 5 de görüldüğü gibi bağlantı halkaları ile birleştirilmektedir Bacaklar Şekil 4. İletişim taşıyıcısı [15] Alt Gövde (LTA- Lower Torso Assembly) Alt gövde tek parçalı bir birimdir ve EMU nun alt yarısını içerir, bunlar pantolon, diz, bilek, botlar ve alt bel kısmıdır. EMU nun üst kısmına metal bir birleşim halkası ile bitişmektedir [15] Üst Gövde (HUT- Hard Upper Torso) Üst gövde yelek şeklinde sert fiberglas malzemeden yapılmış bir kabuktur. Kollar, alt gövde, kask, yaşamdestek çantası ve kontrol modülünü içeren pek çok yapıyı desteklemektedir. Ayrıca mini bir alet taşıyıcısını da tutabilir. Parçalar üst gövdeye halkalar ile bağlanmaktadır [15, 16] Absorpsiyon Giysisi (MAG- Maximum Absorption Garment) Uzay yürüyüşü yapan astronotlar yaklaşık olarak yedi saate kadar uzay yürüyüşü yapabilmektedir. Bu zaman içinde, vücutları idrar üretir fakat hem uzay giysilerini hem de hava kilitlerini ve uzay gemisini basınçlı hale getirmek ve basınçsız hale geri çevirmek o kadar çok zaman alır ki, astronotlar geminin içine girip tuvaleti kullanamazlar. Bu nedenle, her yürüyüşe çıkan astronot geniş, emici bir çocuk bezini idrar ve dışkıyı toplaması için giysisinin içine giymektedir [15]. Bacaklar; pantolon ve bot montajlarından oluşur. Botlar bot bağlantıları ile pantolona, pantolon yelek büklümü ile yelek montajına ve yelek montajı da vücut kapanışına bağlıdır Eldivenler Eldivenler astronot ile yapılan iş arasındaki aktif ara yüzdür. Bu yüzden, yüksek oranda dokunma yeteneğini muhafaza ederken pek çok fonksiyonu da yerine getirmelidirler. Eldivenler ayrıca doğal çevreye ve iş yeri tehlikelerine karşı koruyucu bir bariyer oluşturmalıdır. Her bir eldiven iç lastik, koruyucu dış tabaka ve ısı dengeleyici ara katman olmak üzere üç farklı yapıdan oluşmaktadır. Eldivenlerde ayrıca parmak uçları ve avuç içleri kauçuk ile kaplanmaktadır. Bu sayede hem yalıtım hem koruma sağlanmakta hem de kullanılan teçhizatın kayması önlenmektedir. Eldivenler kollara monte edilmektedir. Standart boyutta oldukları gibi özel astronotlar için ölçüye göre yapılabilmektedir. Bunların dışında eldivenin üzerine yerleştirilen kontrol düğmeleri ile kıyafetin diğer bölgeleri de kontrol edilebilmektedir [15, 19]. Tüm kol birimleri gibi, eldivenlerde de hareket olayı için el bileği mil yataklarına sahiptir. Astronotlar ayrıca daha rahat etmek için dış eldivenlerin içine ince kumaştan eldivenler giyerler. Dış eldivenler üzerlerinde aletleri bağlamak için halkalar barındırmaktadır [15, 19, 20]. Şekil 7 de mekik EVA eldivenleri katmanlı olarak görülmektedir. Parmak uçları dört farklı malzeme içermektedir. RTV 157 aşındırma dayanıklılığı için kullanılan bir dış kaplamadır. Nomex kumaşı çok güçlü ve dayanıklı bir kumaştır ve RTV ye bağlıdır. Nomex keçe hem termal koruma hem sıyrılma koruması için kullanılmıştır. Son olarak, parmak başlığı RTV 630 astronotun parmak uçlarının, dokunma duygusunun ve korunmasının artırılması için kullanılmıştır. Parmak ardındaki tabaka dört farklı malzemeye sahiptir. Teflon, sıyrılma ve termal koruma sağlamakta, mylar ise güneşten gelen radyasyonu yansıtmaktadır. Üç mylar tabakasının her birinin arasında bulunan ince tabaka çift camlarda olduğu gibi bir yalıtım sağlamaktadır. Şifon malzeme eldivenin kısıtlanmasına karşı yıpranmadan mylar tabakayı korumaktadır. Parmakların önü RTV 157 ile kaplıdır, bunun amacı kavrama ve dokunmayı artırmak ve termal dayanıklılık sağlamaktır. Nomex kumaşı ayrıca üstün yapışma ve giyim özellikleri sebebiyle kullanılmaktadır [21]. Şekil 5. Maksimum emici giysi [15], Üst gövde [16], Kollar [17], Bacaklar [18] 1875

194 Karahan,H.A., Utkun E., Toprakçı O. Şekil 8. Mekik Dışı Görüş Sistemi(EVA)[15, 22] Besin çantası (IDB- In-suit Drink Bag) Şekil 6. İç, orta ve dış eldivenler [20] Uzay giysisi içinde yedi saate kadar çalışan astronotlar suya ve besine ihtiyaç duymaktadır. Bu nedenle uzay giysisinin içine monte edilmiş plastik bir kese bulunmaktadır. Bu kese astronotun ağzının yanında yer alan küçük bir tüp ya da kamışa sahiptir. Ayrıca, kask içinde bir bölmede astronotun uzay yürüyüşünde acıkma ihtimaline karşın pirinç, meyve ve gevrek içeren bir gofret bulunmaktadır [23, 24] Kask Şekil 7. EVA eldiveni [21] Öncül Yaşam-Destek Sistemi (PLSS- Primary Life-Support Subsystem) PLSS astronot tarafından kullanılan sırt çantasıdır; oksijen tankları, karbondioksit filtreleri, su soğutma, radyo teçhizatı, elektrik gücü, havalandırma fanları ve uyarı sistemleri içerir [116]. PLSS yedi saate kadar oksijen desteği ve karbondioksit atımı sağlar. EMU batarya 11 çinko pilin birleşiminden oluşmaktadır. Batarya yaklaşık 27 amp-saat elektrik akımı sağlamakta ve mekik içinde yeniden şarj edilebilmektedir [25]. Kask saydam, darbeye dayanıklı polikarbonat malzemeden imal edilmiştir, bağlantı halkası ile üst gövdeye birleştirilmektedir. Kask astronotun başı ile beraber hareket etmek yerine sabit kalmaktadır bu yüzden kaskın arkasında konfor sağlayan pedler bulunmaktadır. Kaskın ön kısmı, yürüyüş sırasında görüntü netliğinin kaybedilmemesi için özel bir yüzey işlemine tabi tutulur. Kaskın içinde oksijen, astronotun başının üstünden yüzüne doğru akmaktadır. Karbondioksit atımını sağlamak için de bir arıtma valfi vardır [15] Mekik Dışı Görüş Sistemi (EVA- Extravehicular Visor Assembly) VA kaskın üzerinde bulunmakta ve astronotu parlak güneş ışınlarına karşı korumaktadır. Bununla beraber şu parçalara sahiptir; güneş ışınlarını filtrelemek için metalikaltın visor, termal koruma sağlayan kaplama, ayarlanabilir siper, dört adet baş lambası ve kamera. Şekil 9. Giyecek-içi içecek çantası [23, 24]. Şekil 10. Öncül yaşam destek alt sistemi [25]. 1876

195 Karahan,H.A., Utkun E., Toprakçı O İkincil Oksijen Çantası (SOP- Secondary Oxygen Pack) SOP bir acil durum oksijen çantasıdır ve sırt çantasındaki PLSS nin altında bulunmaktadır. 408 atm tank basıncında toplam 2,6 lb (1,2 kg) taşıyan iki oksijen tankı içermektedir. Bu 30 dakikalık oksijendir ve astronotun mekiğe geri dönmesi için yeterlidir. Bu oksijen kaynağı giysi içindeki oksijen basıncı 0,23 atm nin altına düştüğünde otomatik olarak açılmaktadır [15] Görüntüleme ve Kontrol Modülü (DCM- Display and Control Module) DCM göğüste yer alan bir parçadır. PLSS yi çalıştırmak için gerekli tüm düğmeleri, ölçme aletlerini, valfları ve LCD görüntülemelerini içerir. DCM bazen kol ucuna yerleştirilmiş bir ayna yardımı ile astronot tarafından görülebilir [15] Uzay Giysisi Nasıl Giyilir? Uzay giysisi giymek karmaşık bir süreçtir. Şekil 11 de görülebileceği gibi giymeden önce astronotlar likit soğutma ve havalandırma giysisini, iletişim aletlerini, eldivenleri giymektedirler. Uzay görevi başlamadan önce bu giysilerin yanında astronotlar uzay ortamına uygun olarak vücutlarını alıştırmalıdırlar. 3. Paraşütler Şekil 11. EMU giyen bir astronot [26] Şekil 12. Orion paraşüt sistemi [30] Paraşütler sistemin özelliklerine bağlı olarak tekli, ikili ya da üçlü olabilmektedir. Şekil 12 de Ares 1 paraşüt sistemi görülmektedir. Sistem, birincil ve ikincil paraşütlerden oluşmaktadır. Öncül paraşütlerin görevi hızın yavaşlatılıp, diğer paraşütlerin daha dengeli bir şekilde açılması ve çalışmasını sağlamaktır [31]. Paraşütler için en önemli kriterler hafiflik, stabilite ve kumaşın hava geçirgenlik özellikleridir. Stabiliteyi artırması acısından dokuma ripsop kumaşlar tercih edilmektedir. Paraşütlerde genellikle PET (Dacron), UHMWPE (Spectra), aramid lifleri (Kevlar) ve aromatik polyester (Vectran) lifleri kullanılmaktadır. Uzay paraşütlerinde genellikle polyester ve naylon dayanıklı baz kumaş olarak kullanılırken, paraşütün ipleri için Kevlar kullanılmaktadır [32]. Uzay paraşütlerinde en önemli kriterlerden birisi de uzun süren paketleme sonrasında özelliklerin bozulmaması ve strelizasyon sonunda özelliklerinin değişmemesidir [33]. Bir paraşütün verimliliği, bulunduğu atmosferin yoğunluğuna, rüzgârın hızına, uyguladığı kuvvete, paraşütün boyutuna ve taşıdığı yüke bağlıdır. Şekil 12 de görülen paraşütler 280 m² lik bir alandan daha fazla hava hapsedebilme yeteneğine ve kilogramlık yükü taşıyabilme kapasitesine sahiptir [34]. Paraşüt, atmosferde düşen objenin hareketini yavaşlatmak veya frenlemek için kullanılan bir araç olarak tanımlanabilmektedir. Paraşütler, atmosferdeki objeyi veya kişiyi yavaşlatmak için kullanılabileceği gibi, roketlerde, uzay araçlarında, uçaklarda veya yüksek hızlı yüzey taşıtlarının frenleme sistemlerine de entegre edilebilmektedir Paraşüt; yavaş düşüşü sağlamalı, kumaş ve dikiş iplikleri yeterli mukavemete sahip olmalı, mümkün olduğu kadar hafif ve düşük alana sahip olmalı, şeklini kaybetmemeli, düşüş esnasında dengesini yitirmemelidir [27-29]. Şekil 13. Mars ın kesif projelerinde kullanılan paraşütler (test sırasında) [33, 35] 1877

196 Karahan,H.A., Utkun E., Toprakçı O. Paraşütler dikildikten sonra, dünyada bulunan mikroorganizmaların uzaya taşınmaması için dezenfekte edilmekte ve daha sonra sisteme monte edilmektedir. Sistemde bulunan sensör ve yazılımlar sayesinde belli yükseklikte açılarak hızı yavaşlatmaktadırlar. Hava yastıklarının daha etkin bir iniş sağlaması ise cihazın zarar görmesini engellemektedir. Mars Pathfinder (MPF) and Mars Exploration Rover (MER) Projelerinde Kullanılan Hava Yastıklarının Yapıları Sekil 15 de görüldüğü gibi, hava yastıkları tetrahedron seklinde donanımın dört yanını sarmaktadır. Hava yastıkları birbirlerine hava kanalları ile bağlıdır. Yapılan hesaplalar ve deneyler sonunda en stabil ve koruyucu yapı altı loplu yapı ile elde edilmiştir. Bu sayede kullanılan madde miktarında azalma olmuş, minimum ağırlık elde edilmiştir. Sistem üç adet gaz jeneratörü içermektedir [40-42]. Şekil 14. Paraşütlerin entegrasyonu [36] 4. Hava Yastıkları Hava yastığı, otomobillerde çarpışma anında saniyenin 1/10'undan kısa sürede açılıp bir gaz ile şişerek yolcunun yaralanmasını önleyen, esnek malzemeden yapılmış bir koruma sistemidir [37, 38]. Hava yastıkları otomobil endüstrisi dışında, uzay projelerinde de kullanılmaktadır. İlk olarak Ay projelerinden olan Luna 9 ve Luna 13 için hava yastıklı iniş sitemleri tasarlanmıştır. Bu iniş sistemi aerobrake, paraşüt, roket ve hava yastıklarından oluşmaktaydı. Hava yastıkları aynı şekilde Mars keşif projelerinde de kullanılmıştır. Mars atmosferine giren Pathfinderin paraşütler sayesinde hızı yavaşlamakta, frenleme sistemi ve hava yastıkları sayesinde de güvenli bir şekilde inişi tamamlamaktadır [39]. Hava yastıkları için kullanılan malzemelerde aranılan temel özellikler [38]: Yüksek yırtılma, dikiş-kayma mukavemeti, Gaz oluşumu için kullanılan kimyasal maddelere dayanım, Kontrol edilebilir hava geçirgenliği, Sıkıştırılabilirlik, Yastık açıldıktan sonra içindeki gazların difüzyonuna olanak sağlayacak yapı, Yastığın şişmesi sırasında ortaya çıkacak olan ısıya karşı yeterli termal dayanım, Kesim ve dikim kolaylığı, Şekil 15. Hava yastıkları ve geometrisi [40] Hava yastıklarının üretiminde kullanılan kumaşlar çok katlı lamine yapılardır [40, 41]: Baz kumaş, Gazın dışarı çıkmasını engelleyen kaplanmış kumaş, Aşınma, patlama ve yırtılmaya karsı dayanıklı kaplanmış kumaş. Bunlara ilave olarak uzay uygulamalarında kullanılan hava yastıklarında başka özellikler de aranmaktadır [40, 41]: Hafiflik, Düşük sıcaklıkta elastikiyet gösterme, Uzun sure paketli kaldıktan sonra kolayca eski haline dönebilme, Düşük sürtünme katsayısı 1878

197 Karahan,H.A., Utkun E., Toprakçı O. Aktif karbondioksit ve nem aktarımını birleştiren giysi duvarı Bukalemun giysisi ortaya çıkmakta olan bilgi teknolojisi, malzeme teknolojisi ve biyomimetik dizayn kavram ve yaklaşımları arasında bir bağdır. Bukalemun giysisi için gerekli olan araçlar [44]: Şekil 16. Paketlenmiş hava yastıkları [41] Baz kumaş olarak kullanılan Vectran HS aromatik bir polyester lifi olup, sıvı kristalin yapıya sahiptir. Vectran HS yüksek sıcaklık-sterilizasyon dayanımı, yüksek kimyasal stabilite, 330 C nin üzerindeki erime noktası, yüksek UV dayanımı ve yüksek aşınma direnci ile bu tür uygulamalar için oldukça uygundur [40, 41, 43]. Gazın dışarıya çıkmasını önleyen tabaka silikon kaplı Vectran kumaştır. Kaplama malzemesi olarak silikon kauçuk kullanılmaktadır [40, 41]. Aşınma, patlama ve yırtılmaya dayanıklı tabaka olarak da Vectran kumaş kullanılmıştır. Yapılan simülasyon çalışmaları sonucunda hangi bölgelerin maksimum aşınmaya maruz kalacağı belirlenmiş ve bu bölgelere destek kumaşlar entegre edilmiştir [40, 41]. Sekil 16 dan görüldüğü gibi, hava yastıklarının panele monte edilmesi ve birbirlerine bağlanması için tendon adı verilen ipler kullanılmıştır. Dış tendonlarda Vectran HS, iç tendonlarda ise Kevlar 129 kullanılmıştır [40, 41]. 5. Uzay Tekstilleri İçin Gelecek Trendleri 5.1 Uzay Giysileri İçin Gelecek Trendleri Uzay giysileri için planlanan en önemli gelişmelerin amacı uzay ortamına uygun, adapte olabilen yeni polimerler, sistemler kullanarak bu giysileri daha rahat ve fonksiyonel hale getirmektir. Bukalemun Giysisi Bukalemun giysi (EVA) konsepti, uzay giysisini çevresel koşullara adapte olabilen ve tepki verebilen bir sisteme dönüştürür. Bu sistem giyen kişiyi yalnızca uzay ortamından izole etmekle kalmaz, aynı zamanda çevre ile ilişki kurmasını da sağlamaktadır [44]. EVA, soğutma sistemi, basınçlı yapı, yaşam destek sistemi, nefes alan gaz ve diğerleri gibi koruyucu tabakalara sahiptir. Tüm bunlar boyut ve kütleyi artırmakta, konfor ve hareket kabiliyetini azaltmakta, çalışma zamanını sınırlamaktadır. Bukalemun giysisi şunları amaçlamaktadır: [44]: Entegre ısı pompalama, yönlendirilebilir gölgeleme ve enerji toplama, Aktif giysi uyumu, Pasif karbondioksit ve nem kontrolü sağlayan giysi duvarı, Çevresel yetenekleri artırmak için mikro ısı pompaları, Giysi korumasını ve hareket performansını artırmak için mekanik-aktif malzemeler, Metabolik CO2 ve H2O ziyanını engelleyecek kimyasal destekli iletim, Metabolik ve güneş enerjisini yakalamak için enerji toplama donanımları, Atık ısının değerlendirilmesi için gerekli yapılar, Enerji depolama teknikleri, Yapay fotosentezden esaslı biyomimetik kimyasal dönüşüm mekanizmaları, Metabolik atık ürünlerden solunabilir oksijen eldesi için gerekli sistemler. Yukarıda belirtilen yenilikler şu şekilde elde edilecektir [44]: Nano-Kompozitler, Dizayn metodolojileri, Fabrikasyon teknolojileri, Aktif şekil değiştiren malzemeler, Enerji toplama malzemeleri, Kimyasal olarak aktif materyaller, Sistem bütünleşmesi ve kontrol teknolojileri. Biyo-Giysi Gelecekte kullanılacak uzay giysileri için bir başka yaklaşım da biyo-giysidir. Bu giysi geleneksel uzay giysilerinde standart olduğu gibi iç basıncın gaz ile elde edilmesinin aksine elastik yapılar yoluyla mekanik basınç sağlamayı hedeflemektedir. Biyo-Giysi Profesör Dava Newman yönetiminde Massachusetts Teknoloji Enstitüsünde gerçekleştirilen deneysel bir uzay aktivite giysisidir. Çalışma NASA İleri Kavramlar Enstitüsünce desteklenmektedir [45-47]. Biyo-giysinin temel yapısı bir hat boyunca yerleştirilen elastik bir şerit ile meydana getirilmiştir. Şerit bu hat boyunca esnemeyeceğinden, en azından normal hareketlerde, giysiyi giyen kişi hareket ettiğinde dahi uygulanan basınç sabit olacaktır. Bu şekilde giysi tarafından uygulanan karşı basıncı etkin olarak kontrol edilebilmektedir. Biyo-giysi takımında şimdiye dek naylonspandex, elastik ve ürethan gibi farklı malzemeler kullanarak alt bacak prototipleri oluşturulmuştur. Bir deneysel tasarımda, şeritler arasında Kevlar kumaşı kullanılmıştır, bunlar esnemenin sınırlandığı alanlardadır [45-47]. Biyo-giyside temel hedefler; daha hafif, esnek, gelişmiş bir yapı elde etmek, kolay giyip çıkarmayı sağlamaktır [48,49]. Biyo-giysi [48,49]: 1. Basınç ayarlayıcı tabaka, 2. Basınçlı kask, 1879

198 Karahan,H.A., Utkun E., Toprakçı O. 3. Eldivenler ve botlar, 4. Sert gövde kabuğu, 5. Yaşam destek sırt çantasından oluşmaktadır. Şekil 18 de Mars taki bir astronot rahat elastik biyo-giysiyi giyerken gösterilmiştir [47]. Şekil 17. Biyo-giysinin İllüstrasyonu[48] 6. Sonuç Şekil 19. Şişirilebilir iniş sistemi [53] Şekil 18. Biyo-giysi giyen bir astronotun İllüstrasyonu [47] 5.2 İniş Sistemleri İçin Gelecek Trendleri Yukarıda bahsedilen uzay paraşütleri ve hava yastıkları Mars ın kesif projelerinde başarılı bir şekilde kullanılmış olsa da yük taşıma kapasiteleri açısından yeterli değildir (Yaklaşık 600 kg). İnsanoğlunun Mars ın keşfi ve inşa edilmesi üzerine çalışmaları göz önünde bulundurulursa, bu sistemlerin yeterli olmayacağı aşikârdır. Bu yüzden son yapılan çalışmalar, yük tasıma kapasitesi yüksek iniş sistemleri üzerine yoğunlaşmıştır. Gelişme aşamasında olan bu sistemler paraşüt ve hava yastıklarının bir çeşit kombinasyonudur. Bu yavaşlatıcı sistemlerin hipersonik veya supersonik hızlarda açılabilen-şişebilen ve stabilitesini kolaylıkla sağlayabilen sistemler olması hedeflenmektedir. Literaturde inflatable aeroshell şişirilebilen koruyucu kalkan olarak gecen bu sistemler belli bir mesafede şişmekte ve stabil bir iniş sağlamaktadır. Bu alanda yapılan çalışmalar halen devam etmektedir [50-52]. İnsanın keşif arzusu uzaya yapılan yolculukların asıl nedenidir. İnsanlar uzay hakkında daha çok şey öğrenmek için 1950 lerden beri çalışmaktadır. Bu dönemdeki en önemli nokta uygulanabilir, uzay ile uyumlu aletlerin ve yapıların tasarımıdır. Diğer malzemeler ile karşılaştırıldığında, tekstil yapıları esnek, güçlü yapısı, aşırı şartlara dayanma yeteneği ve farklı formlara uyumluluğu nedeniyle uzay uygulamalarında avantaja sahiptir. Yukarıda belirtilen son sistemler başarı ile kullanılmıştır, fakat konfor özelliklerindeki eksiklikler, yüksek enerji gereksinimi ve düşük kapasite gibi bazı dezavantajlara sahiptir. Şişirilebilir koruma kalkanları, biyogiysi ve bukalemun giysisi gibi son gelişmeler yenilikçi konseptlerdir fakat uygulanabilmeleri için uzun çalışmalar gerekmektedir. Bu sistemlerin başarıya ulaşması uzay teknolojisinde yeni bir çağın başlaması anlamına gelmektedir. Kaynaklar [1] Grossman, E., Gouzman, I., Viel-Inguimbert, V., and Diguirard, M., Journal of Space Craft and Rockets 40, 110, (2003). [2] Houdayer, A., Cerny, G., Klemberg-Sapieha, J.E., Czeremuszkin, G., Wertheimer, M.R. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research p , [3] Verker, R., Grossman, E., Eliaz, N., Gouzman, I., Eliezer, S., Frankel, M., Maman, S., Ground Simulation of Hypervelocity Space Debris Impact on Polymers, Protection of Materials and Structures from the Space Environment, ICPMSE-7, Springer, ISBN , p , [4] _0.html [5] rameset.exclude.html [6] Space Suit Evolution From Custom Tailored To Off- The-Rack [7] Personal communication, James Skipper, NASA/JSC Crew Systems Division, December 14, [8] [9] 1880

199 Karahan,H.A., Utkun E., Toprakçı O. [10] Garment [11] Carson, M., A., Rouen, M., N., Lutz, C., C., McBarron, J., W. II. Biomedical Results of Apollo - Section VI - Chapter 6 - Extravehicular Mobility Unit. Lyndon B. Johnson Space Center. [12] [13] Freudenrich, C., C.,How Spacesuits Work, [14] s/longund.jpg [15] [16] [17] Arms.html [18] egs.html [19] Gloves.html [20] html [21] [22] pollo/astronautes/scaphandre/ g [23] [24] [25] [26] nning.jpg [27] ogy [28] [29] [30] on_sequence.jpg [31] hute.htm [32] arachute.html [33] arachute.html [34] html [35] n7_cropbrowse.html [36] [37] [38] Walter Fung, Mike Hardcastle, Textiles in Automotive Engineering, The textile Ins., Woodhead Publishing, Cambiridge, England, 2001 [39] pbag.html [40] Cadogan, D., Sandy, C., Grahne, M., Development and Evaluation of the Mars Pathfinder Inflatable Airbag Landing System, Acta Astronautica Vol. 50, No. 10, pp , [41] Stein, J., Sandy C., Recent Developments in Inflatable Airbag Impact Attenuation Systems for Mars Exploration AAAF-061 ILC Dover, Inc. supportfiles/merairbagarcachon2003.pdf [42] [43] [44] Hodgson E., W., Bender, A., Goldfarb, J., Hansen, H., Quinn, G., Sribnik, F., Thibaud-Erkey, C., A Chameleon Suit to Liberate Human Exploration of Space Environments, NASA Institute for Advanced Concepts, Contract # , Hamilton Sundstrand Space Systems International, Hodgson.pdf [45] [46] [47] stss.html [48] Newman, D., J., Hoffman, J., Bethke, K., Blaya, J., Carr, C., Marquez, J., Pitts B., An Astronaut Bio-Suit System for Exploration Missions, MIDÉ Technologies, Trotti & Associates, Inc., 23 April rkshopdjn.pdf [49] Brensinger, C., Carr, C., Pitts, B., Saleh, J., Newman, D., J., An Astronaut Bio-Suit System:Exploration- Class Missions MIT Department of Aeronautics and Astronautics Harvard-MIT Division of Health Science and Technology oct01/630newman.pdf [50] Coen, P., Povinelli, L., Civinskas, K., C., Fundamental Aeronautics Program Supersonics Project Entry, Descent, and Landing Overview, June 22, _edl.pdf [51] Witkowski, A., Brown, G., Mars Deployable Decelerators, Capability Roadmap Summary, IEEEAC paper No: 1585, Version 7, Jan 5, 2006 [52] Carrera, E., Montefiore, L., Beruto, E., Augello, G., Adami, M., Hromadkova, A., Gabellini, E., Design, Analysis and Manufacturing of a Re-Entry Capsule made by Inflatable Structures [53] _eng.pdf 1881

200 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye TAŞIT İKLİMLENDİRMESİNDE ALTERNATİF KLİMA SİSTEMLERİNİN KULLANIMININ ARAŞTIRILMASI INVESTIGATION OF USING ALTERNATIVE AIR CONDITIONING SYSTEMS IN VEHICLE AIR CONDITIONING Muhammet KAYFECİ a *, Engin GEDİK b, Selami SAĞIROĞLU c ve Hüseyin KURT d a* Karabük Üniversitesi, M.Y.O., Karabük, Türkiye, E:posta: b Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye, E:posta: c Karabük Üniversitesi, M.Y.O., Karabük, Türkiye, E:posta: d Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye, E:posta: Özet Bu çalışmada klasik buhar sıkıştırmalı taşıt klimasına alternatif klima sistemlerinin kullanılabilirliği, çevresel etkileri, sistemlerin çalışma prensipleri ve soğutma performansları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Çevresel etkileri nedeniyle otomobillerde; buhar sıkıştırmalı(bsip) taşıt klimaları yerine çeşitli klima sistemlerinin kullanımları konusunda yapılan çalışmalar her geçen gün artarak devam etmektedir. Bunlar absorpsiyonlu(aip), CO 2 (R-744) soğutucu akışkanlı ve metal hidrid(mh) esaslı taşıt klimalarıdır. Absorpsiyonlu klimalar, atık ısı kaynağını kullanarak çalışabilmesi, düşük çalışma maliyetine sahip olmaları gibi avantajları yanında ağır ve hantal olması gibi dezavantajlara sahiptirler. CO 2 soğutucu akışkanlı klima sistemlerinde ise karbondioksitin yüksek basınçlara sıkıştırılması neticesinde soğutma işlemi gerçekleşmektedir. Düşük kabin sıcaklıklarına çabuk ulaşılması ve yüksek performanslarına rağmen çalışma basınçlarının ( bar) yüksek olması, CO 2 soğutucu akışkanlı klimaların yaygın olarak kullanımını sınırlamaktadır. Metal hidrid esaslı taşıt klimalarında hidrid tarafından hidrojen absorpsiyon/desorpsiyon esnasında oluşan ekzotermik ve endotermik reaksiyonlar sonucu ısıtma ve soğutma elde edilir. Yenilenebilir enerji kullanması ve çevreci bir sistem olmasına karşın maliyetinin yüksek olması nedeniyle kullanımları henüz yaygınlaşmamıştır. Anahtar kelimeler: Taşıt kliması, Absorpsiyon, CO 2 (R- 744), Metal-hidrid, COP. Abstract In this study, It has been researched and compared to employability of alternative air containing to classical vapor compressed vehicle air containing, environmental effects, principles of work of systems and performances of cooling. For environmental effects in automobiles; workings in subject of usages of various air containing systems instead of vapor compressed vehicle air containing is to attend more and more increasingly. These are absorption vehicle air containing, CO 2 vehicle air containing and metal hydrate vehicle air continuing. Absorption vehicle air containing have disadvantage as heavy and awkward in addition to advantage such as capable of work with use waste heat resource and low-cost work. In CO 2 cooling fluid vehicle air containing systems, cooling process accomplishes with to be compressed in high pressure of carbon dioxide. In spite of to low cabin temperatures and high performance, to be high of study pressures ( bar) limits to be use widely of CO 2 cooling fluid vehicle air containing systems. For Metal hydrate vehicle air containing have high-cost in spite of high performance, their usages haven t widely yet. Keywords: Auto air condition, Absorption, CO 2, Metal hydride, COP. 1. Giriş Otomobillerde klima sistemlerinin kullanımı 1960 lı yıllarda ABD de başlamıştır. Başlarda lüks bir eşya gibi görülen klimalar günümüzde vazgeçilmez bir donanım haline gelmiştir. Klasik taşıt klimaları buhar sıkıştırmalı çevrim prensibine göre çalışmaktadır. Kompresör hareketini, motordan alan bu sistemlerde ısı taşıyıcı akışkan olarak kloroflorokarbon (CFC) ve hidrokloroflorokarbon (HCFC) türevi gazlar kullanılmaktadır. Son yıllarda ozon tabakasının incelmesi, küresel ısıtma potansiyelleri ve sera etkisi gibi nedenlerle bu gazların kullanımının azaltılması yönünde birçok çalışmalar yapılmaktadır. Bunlardan en önemlileri, klasik taşıt klimasına alternatif klima sistemleri olan absorpsiyonlu, CO 2 (R-744) soğutucu akışkanlı ve metal hidrid esaslı klima sistemleridir. Alternatif klima sistemlerinin en önemli özellikleri, çevresel zararlarının çok düşük olması ve atık ısı ile çalışabilmeleridir. Bazı taşıt klima sistemlerinin çevresel özellikleri Çizelge 1 de gösterilmiştir. Çizelge 1. Bazı soğutucu akışkanların çevresel etkileri Sistem Çevreye Ozon Küresel Taşıt zararlı tüketme ısıtma emisyonu madde potansiyeli potansiyeli arttırma miktarı BSIP Yüksek Yüksek Yüksek Orta AIP Düşük Düşük Orta Düşük MH Düşük Düşük Düşük Düşük CO 2 Düşük Düşük Düşük Düşük Yapılan bu çalışmada, klasik buhar sıkıştırmalı taşıt klimasına alternatif klima sistemlerinin kullanılabilirliği, çevresel etkileri, sistemlerin çalışma prensipleri ve soğutma performansları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Klasik klima sistemi, alternatif klima sistemlerinin performans değerleri, maliyetleri ve çevresel etkileri yönünden avantajları ve dezavantajları karşılaştırmalı olarak verilmiştir. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 1882

201 Kayfeci, M., Gedik, E., Sağıroğlu, S. ve Kurt,H Taşıt Klima Sistemleri 2.1 Buhar Sıkıştırmalı Taşıt Kliması Taşıt klima sistemi, prensip olarak buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimini temel alarak çalışır. Buharlaşan soğutucu akışkanın buharlaşma esnasında çevreden çektiği ısıdan yararlanılarak soğutma işlemi gerçekleşir. Soğutucu akışkan üzerindeki basıncı kontrol altına almak suretiyle kaynaması, yoğuşması veya ısı alıp dışarı atması sağlanır. Şekil 1 de bir taşıt kliması şematik olarak gösterilmiştir. kullanılabilir. Ayrıca bu tip soğutma sistemlerinde kloroflorokarbon (CFC) içeren akışkanlar kullanılmadığından çevre dostu bir soğutma sistemidir. Sistemin yapısı diğer soğutma sistemlerine göre daha karmaşık ve soğutma tesir katsayısının da daha küçük olması dezavantaj olurken, atık enerjilerin değerlendirilmesinde en uygun yöntem olması avantaj sağlamaktadır. Şekil 2. Absorpsiyonlu Taşıt klima sistemi Şekil 1. Klasik buhar sıkıştırmalı taşıt Kliması [1] Klima kompresörü, hareketini kayış vasıtasıyla motordan alır. Motor çalışır durumda iken kompresör çalışmaya başlayarak soğutucu gazı kondensere gönderir. Kompresör-genleşme valfi arasında sıkıştırılan gaz, yüksek basınç, soğutucu fanlar ve araç hızından kaynaklanan hava akışı ile üzerindeki ısıyı kondenserden çevre havasına bırakır. Üzerindeki ısıyı atan soğutucu akışkan yoğuşarak sıvı hale gelir. Genleşme valfinden geçerken basıncı düşürülen ve tamamen sıvı hale geçen soğutucu akışkan evaporatöre gelir. Evaporatör içersinde düşük basınçtaki soğutucu akışkan buharlaşır ve buharlaşma esnasında yolcu kabininden ısı çeker. Evaporatör petekleri üzerine fan aracılığıyla üflenen havanın ısısı, evaporatör tarafından alınarak sistemde dolaşan soğutucu akışkanı buharlaştırır. Böylece evaporatörden geçerken ısısı alınmış hava soğumuş olur. Soğutulmuş hava, araç içerisine yönlendirilerek soğutma işlemi gerçekleşmiş olur. Buharlaşmış ve tümüyle gaz haline gelmiş soğutucu akışkan kompresör tarafından emilerek çevrim tamamlanır. Bu işlemler, ortam istenilen konfor şartlarına gelinceye kadar tekrarlanır Absorpsiyonlu Taşıt Kliması Absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde, kullanılan ısı enerjisi yüksek olmasına karşılık mekanik enerji ihtiyacı çok daha düşüktür. Bu nedenle sistemde atık ısı enerjisi, jeotermal enerji ve güneş enerjisi gibi ucuz enerji kaynakları Şekil 2'de taşıt egzozundan atılan ısıdan yararlanarak çalışan bir absorpsiyonlu sistemin temel hatları gösterilmektedir. Absorbsiyonlu sistemlerde çalışma akışkanı, genellikle iki farklı akışkandan (Amonyak-su, LiBr-su vb.) oluşmaktadır. Çalışma akışkanı yüksek basınç ve sıcaklıkta jeneratörde ısıtılmakta, buharlaşma sıcaklığı düşük olan akışkan (Amonyak, LiBr) buharlaşarak kondensere aktarılmaktadır. Kondenserde yoğuşan buhar, genleşme valfinde genleşerek evaporatöre aktarılarak düşük sıcaklık ve basınçta tekrar buharlaşmaktadır. Evaporatörde buharlaşan akışkan (Amonyak, LiBr) absorberde jeneratörden gelen zayıf uçucu madde çözeltisi (amonyakça fakir su çözeltisi) içinde absorplanmaktadır. Elde edilen kuvvetli çözelti ise jeneratöre geri pompalanmakta ve çevrim tamamlanmaktadır CO 2 (R-744) Soğutucu Akışkanlı Taşıt Kliması Klima çevriminde, soğutucu akışkan olarak CO 2 (R-744) kullanılmaktadır. CO 2 nin termofiziksel özelliklerinden dolayı çevrim kritik noktanın üzerinde gerçekleşmektedir. Yaygın soğutucu akışkanlar ile karşılaştırıldığında CO 2 nin en önemli özelliği 31.1 C olan düşük kritik sıcaklık noktasıdır. Normal ortam sıcaklıklarında CO 2 ile çalışan buhar sıkıştırmalı sistemlerde sıcaklık bu değere çok yaklaşmakta ve dolayısıyla basınç 73.8 bar ın üzerine çıkmaktadır. Bundan dolayı klima çevrimi, kritik basınç üstü CO 2 soğutma çevrimi olarak ifade edilmektedir. CO 2 nin bu özelliğinden dolayı, soğutucu akışkan olarak CO 2 nin kullanıldığı klima sistemlerinde, kompresör ve diğer elemanların klasik klima sistemlerindekine göre çok daha sağlam olması gerekir [3]. 1883

202 Kayfeci, M., Gedik, E., Sağıroğlu, S. ve Kurt,H... Şekil 3. CO 2 soğutucu akışkanlı taşıt kliması[8] Kritik basınç üstü CO 2 soğutucu akışkanlı soğutma çevriminin temel elemanları kompresör, gaz soğutucu (kondenser yerine), evaporatör, iç ısı değiştirici ve genleşme valfidir. Sistemin emniyetli çalışabilmesi ve iyi bir soğutma tesir katsayısı elde edebilmek için elektrik/elektronik kontrollü genleşme valfi kullanılmalıdır. Şekil 3 de taşıt kliması olarak kullanılan, kritik basınç üstü CO 2 soğutucu akışkanlı soğutma çevrimi gösterilmiştir Sıcak CO 2 kritik basınçta gaz soğutucusuna girer, ve burada ısısını çevre havasına verir. Şekil 1 de gösterildiği gibi sabit sıcaklıkta ısı atma işlevi gören kondenserin yerine gaz soğutucu kullanılmaktadır. İç ısı değiştiricisinde, evaporatörden gelen yüksek basınçlı CO 2, gaz soğutucudan gelen düşük basınçlı CO 2 tarafından soğutulur. Soğutulmuş CO 2 genleşme valfinden geçerken kısılarak düşük basınç ve düşük sıcaklığa sahip soğutucu akışkan haline dönüşür ve evaporatöre doğru akar. Evaporatörde, ortam havasının ısısını alarak ortamı soğutur ve evaporatörden buharlaşarak çıkar. Düşük basınçtaki CO 2 iç ısı değiştiriciden geçtikten sonra, gaz soğutucuya girmeden kompresörde kritik basınca kadar sıkıştırılır ve çevrim tamamlanır. Bu işlem, ortam sıcaklığının istenilen değerine gelinceye kadar devam eder[4] Metal Hidrid Esaslı Taşıt Kliması Metal hidrid esaslı klima sistemi çalışması Şekil 4 te gösterildiği gibi iki adımda gerçekleşir. Birinci adımda hidrojen sağ taraftan sol tarafa doğru pompalanır. Hidrojenin pompalanması sol tarafın basıncını düşürür ve serbest kalan hidrojen nedeniyle sıcaklık düşer ve kabin havası soğur. Hidrojen sağ taraftaki yatağa pompalandığında bu yataktaki sıcaklık artar ve dış ortama ısı atılır. Bu esnada bütün hidrojen sağ taraftaki yatağa pompalanmıştır. Sistemde, hidrojenin akış yönleri 4 yollu vana ile gerçekleştirilir. İkinci adımda ise hidrojen sağ taraftaki yataktan sol tarafa doğru pompalanır ve birinci adımdaki olaylar tekrarlanır. Her bir adım yarım çevrim olarak adlandırılır. Her bir ısı değiştirici, değişimli olarak soğutma ve ısıtma için kullanılır. Klimada her iki çevrimde bir soğutma sağlanır. Sürekli soğutma için hava kanalları kullanılır. Şekil 4. Metal-Hidrid esaslı taşıt kliması 3. Otomobil İklimlendirme Sistemlerinin Karşılaştırılması 3.1. Klasik buhar sıkıştırmalı taşıt kliması Avantajları; COP değerlerinin yüksek olması Kompakt bir yapıya sahip olması İstenilen değerlere hızlı bir şekilde ulaşılması Yaygın bir şekilde kullanılması Mekanik enerji (taşıtlarda) ve elektrik enerjisi ile çalıştırılabilir. Maliyetinin düşük olması Kontrol sistemlerinin gelişmiş olması ve kolay kontrol edilebilmesi Dezavantajları; HCFC içeren gazlar kullanıldığı için ozon tabakasının incelmesine, sera etkisine ve küresel ısınmaya neden olması Gürültülü ve sarsıntılı çalışması Sık periyotlarla bakım ve servise ihtiyaç duyması Kompresör kapasitesi büyük olduğundan dolayı taşıt emisyonunu arttırması Birçok hareketli parçaya sahiptir. Bakım gerektirmektedir Absorpsiyonlu taşıt kliması Avantajları; Hareketli parçaların az olmasından dolayı sessiz çalışması 1884

203 Kayfeci, M., Gedik, E., Sağıroğlu, S. ve Kurt,H... Kolay ayarlanabilir, kontrol edilebilir ve uzun ömürlü olması % arasında değişebilen soğutma yükü sağlayabilmesi Sıcaklık değişimlerinin genleşme valfindeki küçük değişimlerle korunabilir olması Buharlaştırıcı basınç ve sıcaklıklarında düşme olduğunda, soğutma kapasitesinde çok az bir düşme olması Hızlı bir soğutma yükü sağlaması Buhar sıkıştırmalı sistemlerde kullanılan elektrik enerjisinin % 2-9 kadarının kullanılması Atık ısı kaynaklarını kullanarak çalışabilmesi Dezavantajları; İlk yatırım maliyetlerinin yüksek olması COP değerlerinin düşük olması Sistemin ağır ve hantal olması Soğutma modunda istenilen yeni değere çok yavaş ulaşması Korozyona neden olan kimyasallar kullanıldığından cihaz ömrünün sınırlı olması Absorbent ömrünün kısa olması 3.3. CO 2 soğutucu akışkanlı taşıt kliması Avantajları; HCFC ve CFC soğutucu akışkanlara göre soğutma modunda daha yüksek COP değerlerinin elde edilmesi HCFC ve CFC soğutucu akışkanlar gibi ozon tabakasına ve küresel ısınmaya neden olmaması Kompresör sıkıştırma oranları düşük olduğundan kompresör verimleri yüksek olması Yüksek basınçlarda çalıştığından dolayı verilen bir soğutma kapasitesi için %80-90 daha küçük kompresör süpürme hacmi gerektirmesi Daha küçük kompresör kullanıldığından dolayı taşıt yakıt tüketiminin düşük olması Düşük kabin sıcaklıklarına daha çabuk ulaşabilmesi Dezavantajları; Yüksek basınçlarda çalıştığından dolayı ( bar) sistem elemanlarının yüksek basınçta çalışmaya imkan verecek şekilde tasarlanması CO 2 nin kritik nokta değerleri sebebiyle ısı atımının kritik noktanın üstünde gerçekleşmesi Sistem tasarımının yeterli COP ve kapasite değerini elde edebilmek için yüksek tarafın basıncının sürekli kontrol edilmesi Yüksek kompresör giriş ve çıkış sıcaklığı nedeniyle kompresör yağ ömrünün düşük olması Sistem elamanlarının yüksek basınçlarda emniyetli çalışabilecek şekilde tasarlanması gerektiğinden maliyetlerinin yüksek olması 3.4. Metal-Hidrid esaslı taşıt kliması Avantajları; Hidrid klima sistemlerinin bakım maliyetlerinin klasik sistemlere oranla daha düşük olması Sistemin boyutlarının küçük olmasından dolayı daha az yer kaplaması Sistemin daha az hareketli parçaya sahip olması Ozon tabakasına zarar veren soğutucu akışkanlar kullanılmaması Atık ısı (egzoz gazı) enerjisi ile çalışabilmesi Dezavantajları; COP değerlerinin düşük olması, Mevcut metal hidrid kompozisyonlarının düşük hidrojen depolama kapasitelerine sahip olması, Metal hidrid alaşımlarının yüksek absorpsiyon ve desorpsiyon sıcaklıklarına sahip olması Hidrojen absorpsiyon ve desorpsiyon basınçlarının yüksek olması Çevrim süresinin uzun olması 4. Sonuçlar ve Öneriler Buhar sıkıştırmalı taşıt klima sistemleri, geçmişten günümüze atmosferdeki HCFC ve CFC içeren soğutucu akışkan emisyonlarının en etkili kaynağıdır. Buhar sıkıştırmalı klima sistemlerinin ozon tabakasına ve küresel ısınmaya verdiği zararlardan dolayı alternatif klima sistemleri üzerine çeşitli çalışmalar başlatılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda, buhar sıkıştırmalı klima sistemine alternatif olabilecek taşıt egzoz ısısını kullanarak çalışabilen absorbsiyonlu ve metal hidrid esaslı taşıt klimaları yanında ozon tabakası ve sera etkisi yönünden birçok avantaja sahip CO 2 soğutucu akışkanlı taşıt klimasının kullanılabileceği ortaya konmuştur. Çizelge bazı iklimlendirme sistemlerinin performans değerlerinin karşılaştırması verilmiştir. Çizelge 2. Buhar sıkıştırmalı Taşıt klimaları ile Alternatif taşıt klimalarının karşılaştırılması Parametre BSIP AIP MH CO 2 Soğutma 15 2,5 4,5 kapasitesi (kw) 2x ,4 Elektrik tüketimi 0,75 (kw) 1,67 1,8 54-0,485 COP soğ 2,6 3 0,6 0,7 1,67 2,83 Çalışma sıcaklıkları ( C) Isıtma kapasitesi (kw) 4,4x Elektrik tüketimi 0,75 (kw) 2,9 N/A - - COP sıc 2,6 3 0,8 0,9 - - Çalışma sıcaklıkları Çevre ( C) sıc. - - Gürültü (Db) Düşük Boyutları Orta Büyük Orta Orta Toplam çalışma ömrü (Yıl) ~10 12 ~15 ~12-10 Maliyet Düşük Yüksek Yüksek Yüksek Yapılan bu çalışmada, klasik buhar sıkıştırmalı, absorpsiyonlu, CO 2 soğutucu akışkanlı ve metal hidrid esaslı taşıt klima sistemlerinin çalışma prensipleri, avantaj ve dezavantajları ekonomik ve çevresel yönden karşılaştırmaları yapılmıştır. Bu karşılaştırmalara göre; Klasik buhar sıkıştırmalı taşıt kliması 2,6-3 aralığında performans katsayısı ile en yüksek COP değerine sahiptir. Bunu 1,8 ile CO 2 soğutucu akışkanlı klima, 1,67 ile metal hidrid esaslı klima 1885

204 Kayfeci, M., Gedik, E., Sağıroğlu, S. ve Kurt,H... ve 0,6-0,7 ile absorpsiyonlu taşıt kliması takip etmektedir. Apsorpsiyonlu ve metal hidrid esaslı taşıt klimaları atık ısıdan faydalanılarak çalışabilirler. Kompresör ve fanları çok düşük elektrik tükettiğinden dolayı çalışma maliyetleri diğerlerine göre daha düşüktür. Gürültü seviyeleri bütün sistemlerde kompresör ve fanlar kullanıldığı için yaklaşık olarak aynıdır. Fakat absorpsiyonlu ve metal hidrid esaslı klimalar atık ısı kullanılarak çalıştırıldığında ses seviyeleri daha düşük olmaktadır. Buhar sıkıştırmalı taşıt klimaları, yüksek performans katsayısına ve düşük maliyete sahip olmalarına karşın çevresel faktörler göz önüne alındığında, çevresel şüpheleri arttırması nedeniyle yanmaz ve zehirsiz özelliklere sahip CO 2 soğutucu akışkanlı klima sistemlerine ilgiyi arttırmıştır. CO 2 soğutucu akışkanlı klimaların performans katsayıları yüksek olmasına karşın yüksek basınçlarda çalışması nedeniyle güvenlik problemleri yönünden dezavantajları bulunmaktadır. Absorpsiyonlu sistemler çalışma maliyeti bakımından kullanılabilirdir fakat ağır ve hantal olmaları, istenilen sıcaklığa geç ulaşmaları gibi dezavantajları vardır. Metal hidrid esaslı taşıt klimaları hidrojen depolama problemlerinin ortaya çıkmasından sonra geliştirilmiş sistemlerdir. Teknolojisi son derece yeni olduğundan yaygın olarak bilinmemektedir. Ancak performans katsayıları bakımından kullanılabilirlikleri oldukça yüksektir. [4] Fartaj, A., Ting, D.S.K. and Yang, W.W. Second law analysis of the transcritical CO 2 refrigeration cycle, Energy Conversion and Management, 45, , [5] Riffat, S.B. and Qiu, G., Comparative investigation of thermoelectric air-conditioners versus vapour compression and absorption air-conditioners, Applied Thermal Engineering 24, , [6] Usta, H. ve Kırmacı, V., Termoelektrik Etkiler ve Soğutma Etkinliğinin Uygulanması, Teknoloji, 3-4, 65-71, [7] Mathur, G.D., Carbon Dioxide As An Alternative Refrigerant For Automotive Air Conditioning Systems, American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA , [8] tarihinde erişildi. [9] Zoontjens, L., Howard, C., Zander, A. and Cazzolato, B., Feasibility Study of an Automotive Thermoacoustic Refrigerator, Proceedings of ACOUSTICS, [10] Ramanathan, A. and Gunasekaran, P., Simulation Of Absorption Refrigeration System For Automobile Application, Thermal Science: Vol. 12, No. 3, pp. 5-13, [11] Bulgurcu, H. ve Uslu, T., Taşıt İklimlendirme Sistemlerinde Soğutucu Akışkan Olarak Karbondioksit (CO2) Kullanımı, Mühendis ve Makine Dergisi, Cilt:49, Sayı:578, Alternatif taşıt klima sistemlerinin performans katsayıları, buhar sıkıştırmalı klimaların performans katsayılarına yakın değerlere ulaştırıldığı taktirde yaygın olarak kullanılabilirler. Yapılacak çalışmaların alternatif klima sistemlerinin performans katsayılarını arttırılması ve bazı dezavantajlarına çözüm bulacak yönde olmalıdır. Absorpsiyonlu klima sistemlerinde sistem boyutunu küçültmek, performans katsayısını sistemin kullanım ömrünü arttırmak, ilk yatırım maliyetini düşürmek; CO 2 soğutucu akışkanlı klima sistemlerinde maliyetin düşürmek, performans katsayılarının arttırmak; metal hidrid esaslı klima sistemlerinde ise mevcut metal hidrid kompozisyonlarının düşük hidrojen depolama kapasitelerini arttırmak, hidrojen absorpsiyon/desorpsiyon basınçlarının düşürmek ve çevrim sürelerinin kısaltmak yönünde çözümler üretecek çalışmalar yapılmalıdır. Bu çalışmalardan elde edilecek olumlu sonuçlar, alternatif taşıt klima sistemlerinin ticari olarak kullanımını yaygınlaştıracaktır. Kaynaklar [1] Kocatürk, M. ve Salman, M.S., Otomobil Klima Sisteminde Fan Devri ve Giriş Havası Sıcaklığının Performansa Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi, Politeknik Dergisi, 9;1, 7-12, [2] Pettersen, J., Refrigerating, air conditioning and heat pump systems based on CO 2, IEA Annex 22 workshop on compression systems with natural working fluids, Trondheim, Norway, [3] Afonso, C.F.A. Recent advances in building air conditioning systems, Applied Thermal Engineering 26, ,

205 5 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 09), May 13-15, 2009, Karabuk, Turkey MAGNETIC REFRIGERATION TECHNOLOGY APPLICATIONS ON NEAR- ROOM TEMPARATURE Engin GEDİK a, * Muhammet KAYFECİ b Ali KEÇEBAŞ c Hüseyin KURT d a, * Karabük University, Faculty of Technical Education, Karabük, Turkey, b Karabük University, Vocational School of Karabük, Karabük, Turkey, c Afyon Kocatepe University, Faculty of Technical Education, Afyon, Turkey, d Karabük University, Faculty of Technical Education, Karabük, Turkey, Abstract In this study as a new refrigeration technology interested and Magnetic Refrigeration based on the magneto-caloric effect (MCE) has become a promising competitive technology for the conventional gascompression/expansion technique contributed climate change occured negative environmental effect due to increasing energy consumption is invastigated. Magnetic Referigeration is a refrigeration type based on magnetocaloric effect (MCE). It is well know Gd element is a magnetic materials given the best magnetocaloric effect and Gd 5Si 2Ge 2, MnAs 1_ xsb x, (Mn,Fe) 2 (P,As), andla(fe,si) 13 compounds have been used magnetic materials on magnetic refrigeration technology. It is possible to make refrigeration under 1K temparatures with the magnetic refrigeration and liquefaction of hydrogen and helium. Recently, there have been two breakthroughs in magnetic-refrigeration researchs: one is that the magnetic refrigerators on near room temperature,; the other one is that to discover a new magnetic materials for roomtemperature applications. The new materials are manganese iron phosphorus and arsenic (MnFe(P,As)) alloys. Nowadays rotory and reciprocating type magnetic refrigerators are exist and studies is going on for the developments of this refrigeraors. Keywords: Magmetic refrigeration, magnetocaloric effect, magnetic materials 1. Introduction Refrigeration is the process of removing heat from matter which may be a solid, a liquid, or a gas. Removing heat from the matter cools it, or lowers its temperature. In the mechanical refrigeration a refrigerant is a substance capable of transferring heat that it absorbs at low temperatures and pressures to a condensing medium; in the region of transfer, the refrigerant is at higher temperatures and pressures. By means of expansion, compression, and a cooling medium, such as air or water, the refrigerant removes heat from a substance and transfers it to the cooling medium [1]. It is well known that the efficiency of the conventional gascompression/expansion refrigeration system cannot significantly be improved. Also, for the conventional refrigeration system, there exist serious concerns for the environment. Thus, it is necessary and important to explore other alternative cooling technologies. The magnetic refrigerator, which has advantages in refrigeration efficiency, reliability, low noise and environmental friendliness with respect to the conventional gas refrigerators, is becoming a promising technology to replace the conventional technique [2]. The study of magnetic refrigeration was started with the discovery of magnetocaloric effect (MCE) 120 years ago [3]. It was first discovered by Warburg in In1890 Tesla [4] and in 1892 Edison independently and unsuccessfully tried to benefit from this effect by running heat engines. In1918 Weissand Piccard explained the magnetocaloric effect. Later Debye and Giauque proposed a method of magnetic refrigeration for low-temperature physics in order to obtain sub-kelvin temperatures. In1933 Giauque and MacDougall successfully verified the method by experiment. Then it has been used in cryogenic refrigeration since 1930s. It is maturely used in liquefaction of hydrogen and helium. In 1976, at Lewis Research Center of American National Aeronautics and Space Administration, Brown first applied the magnetic refrigeration in a room-temperature range [5]. The first room temperature magnetic refrigerator containing permanent magnets was designed and built in 2001 in the USA by the Astronautics Corporation [6]. The early prototypes were able to reach high magnetic flux densities in the magnetocaloric material only if superconducting magnets were applied. Research today is focused on improvements of magnetocaloric materials, magnets and an optimal design of magnetic refrigerator devices for room temparature applications [7]. In this study, the concept of magnetocaloric effect is explained. The development of the magnetic material, magnetic refrigeration cycles, magnetic field and the refrigerator of room temperature magnetic refrigeration is introduced. Finally some typical room temperature magnetic refrigeration prototypes are reviewed and showed the best magnetocaloric effect materials are presented and some important points for room temparature applications of magnetic refrigeration technologies are given. 2. Magnetocaloric effect Warburg first discovered the thermal effect of metal iron when applying it in a varying magnetic field in Debye and Giauque explained the nature of MCE later and suggested achieving an ultra-low temperature by adiabatic demagnetization cooling. In recent years, magnetic refrigeration on the basis of MCE has been greatly developed in the room temperature range [5]. IATS 09, Karabük University, Karabük, Turkey 1887

206 Gedik, E. Kayfeci, M. Keçebaş, A. ve Kurt, H. Magnetic refrigeration relies upon the reversible temperature change some materials exhibit when exposed to a changing magnetic field the magnetocaloric effect (MCE.) In these materials, a significant change in entropy can be effected by the application or removal of a magnetic field, and an adiabatic field change is analogous to an adiabatic pressure change on a gas. By varying the magnetic field, work is performed and the internal energy of the system changes. Thus, a differential variation in internal energy can be accomplished by a magnetic work interaction given by the product of the applied magnetic field, H, and the variation in magnetization, m [9] δw m = Hdm (1) Sometimes the magnetocaloric effect is indirectly reported by isothermal magnetic entropy changes. Researchers can determine the magnetic entropy change from magnetization measurements and, using Maxwell s relations for exact differentials of thermodynamic properties, estimate the magnetocaloric effect. For a material that has a simple magnetic work mode, the total entropy can be written as a function of temperature, T, s=s(t,h). A differential change in entropy can be written, s ds ds = dt + dh (2) T dh H T where s is the entropy per unit mass. Using the definition of heat capacity, the above can be rewritten as, [9] c H ( T, H) s ds(t, H) = dt + dh (3) T H If an isentropic field change is produced, the temperature change is, [9] T magnetocaloric effect is modest even near the transition temperature. Near room temperatures, a material with an adiabatic temperature change larger than 2 K/Tesla is unusual. For example, a sample of gadolinium near room temperature will exhibit a temperature change of approximately 10 K with the application of a 5 Tesla magnetic field. Gadolinium is considered one of the bestknown magnetocaloric materials. Until recently, because the MCE increases with field strength, superconducting magnets were used almost exclusively in MR devices. Figure 1 shows experimental data for Gd with a field change from 0 to 2 Tesla [8]. When a magnetocaloric material is subjected to a strong magnetic field (measured in Tesla, T), the electron spins within the material are forced into alignment with the magnetic field. That is, the magnetic field does work to align the electron spins into what is, thermodynamically, a more highly ordered, lower energy state. The energy released during this process causes the temperature of the material to rise. When the magnetic field is lowered, the electron spins return to their more random, higher energy state, absorbing heat from the material and causing the temperature to fall. Figure 1 gives an example of the magnitude of this effect with Gadolinium, a rare-earth material that exhibits a strong effect and has a Curie temperature near typical room temperatures. Up to at least moderately strong magnetic fields, the magnetocaloric temperature increases linearly with the strength of the applied magnetic field. In addition to Gadolinium, other materials exhibiting this effect (including Gadolinium alloys) have been discovered with Curie temperatures covering the range of temperatures usually associated with conventional refrigeration and space cooling applications [10]. T s dt = dh (4) c ( T, H) H H T and using Maxwell s relations for the equivalence of the second derivatives, the partial derivative in parentheses can be replaced to give, [9] ( H) T m T, dt = dh (5) c ( T, H) T H H From this simple explanation, one can deduce that a material with no significant work modes other than magnetic should have a high ratio of magnetic entropy change to total entropy to produce a large adiabatic temperature change. The MCE for a change in magnetic field from 0 to H is related to Eqn. (5) by, [9] ( H) = H T m T, MCE dh (6) 0 c ( T, H) T H In contemporary materials, the magnetocaloric effect is a strong non-linear function of temperature. In addition, it is a function of the magnitude of the field change and the initial field strength. For most magnetic materials, the H Figure 1. Magnetocaloric effect with gadolinium [10]. In Figure 1, the maximum temperature change induced by a 2 T magnetic field is only 5 C (9 F). Stronger magnetic fi elds induce a larger temperature change, at 10 T, the maximum temperature change equals approximately 25 C. This level of magnetic field strength is, however, only obtained in superconducting electromagnets (such as those used in magnetic resonant imaging [MRI] systems). For a practical, efficient magnetic refrigeration cycle, the cycle needs to operate with magnetic field strengths that 1888

207 Gedik, E. Kayfeci, M. Keçebaş, A. ve Kurt, H. attainable by permanent magnets that provide the magnetic field without parasitic energy consumption. As the best high energy permanent magnets can provide fi elds in the range of 1 to 2 T, achieving the temperature lifts needed for air conditioning and refrigeration requires the use of a regenerative cycle. In essence, the sensible heat cycling of the magnetocaloric material needs be provided by regenerative heat transfer and the magnetic fieldinduced temperature changes are used to remove heat from the cooling load and reject heat to the heat sink [10]. 3. Magnetic refrigeration Magnetic refrigeration is based on a fundamental thermodynamic property of magnetic materials: the socalled magnetocaloric effect, which causes a temperature change if the material is subject to an applied magnetic field under adiabatic conditions. The magnetocaloric effect was discovered in 1881 in iron by the German physicist Emil Warburg. Usually the temperature increases when the field is applied and decreases when the field is removed and the process is reversible. Magnetic refrigeration has been recognized as being an alternative technology to the conventional vaporcompression technology [ ]. The reason for this is its comparatively high efficiency and the fact that it is an environmentally friendly cooling techniques, avoiding ozone-depleting or global-warming gases. In practice, magnetic refrigeration requires the combination of a magnetic field source with high strength and a material with a sufficiently high magnetocaloric effect [15]. expansion of the gas, and injection of heat. The two process steps extraction of heat and expansion are responsible for a cooling process in two steps. The main cooling usually occurs through the expansion of the gas. The steps of a magnetic refrigeration process are analogous. By comparing a with b, in Figure.2 one can see that instead of compression of a gas, a magnetocaloric material is moved into a magnetic field and that instead of expansion it is moved out of the field. As explained in the previous section, these processes change the temperature of the material and heat may be extracted, respectively injected just as in the conventional process. There are some differences between the two processes. The heat injection and rejection in a gaseous refrigerant is a rather fast process, because turbulent motion transports heat very fast. Unfortunately, this is not the case in the solid magnetocaloric materials. Here, the transport mechanism for heat is slow molecular diffusion. Therefore, at present fi ligree porous structures are considered to be the best solution to overcome this problem. The small distances from the central regions of the material to an adjacent fluid domain, where a heat transport fluid captures the heat and transports it out of the material, are ideal to make the magnetic cooling process faster. Furthermore, the not very large adiabatic temperature differences of magnetocaloric materials will require more often a design of cascade or regenerative magnetic refrigerators than in conventional refrigerators and hence require additional heat transfer steps. In the Figure.2 (a) is the conventional gascompression process is driven by continuously repeating the four different basic processes shown and (b) is the magnetic refrigeration cycle comparison. Compression is replaced by adiabatic magnetization and expansion by adiabatic demagnetization. It is seen that obviously the efficiency of the room temperature magnetic refrigeration depends strongly on two essential points: a material with the large MCE and high magnetic field created by magnetic field source. In recent years, magnetic refrigeration based on the magnetocaloric effect has attracted attention as a candidate technology for minimizing impact to the Earth environment and minimizing global warming. A key advantage of magnetic refrigeration is that it does not use chlorofluorocarbons that can negatively influence ozone layer depletion. Operation near room temperature places new demands on magnetic refrigeration that may be fulfilled by the Active Magnetic Refrigerator (AMR) cycle, as this cycle is expected to be able to expand the working temperature region from low temperature to room temperature. Over the past few years there have been many studies of magnetic refrigeration using superconducting magnets or permanent magnets in the AMR cycle in the room temperature region.[ ] (a) (b) 3.1. Magnetic Refrigeration Cycle In Figure 2 the four basic steps of a conventional gascompression/expansion refrigeration process are shown. These are a compression of a gas, extraction of heat, Figure 2. Refrigeration cycles for conventional gascompression and magnetic refrigeration [19 20] Advantages and drawbacks 1889

Summer Practice Report concerning the practice done in Eser Project and Engineering Office in Ankara

Summer Practice Report concerning the practice done in Eser Project and Engineering Office in Ankara Summer Practice Report concerning the practice done in Eser Project and Engineering Office in Ankara Name : Kadir Can Surname : Erkmen Student Number : 0111935 Date of Completion of Report : 09.10.014



INTEGRATING POVERTY IN UTILITIES GOVERNANCE United Nations Development Programme Hacettepe University Center for Market Economics and Entrepreneurship INTEGRATING POVERTY IN UTILITIES GOVERNANCE Necmiddin BAĞDADİOĞLU Hacettepe University Alparslan








Blu-ray Home Entertainment System

Blu-ray Home Entertainment System HT-H7500WM HT-H7750WM Blu-ray Home Entertainment System user manual imagine the possibilities Thank you for purchasing this Samsung product. To receive more complete service, please register your product






SOLAR FUTURE 2010 BİLDİRİLER KİTABI PROCEEDINGS BOOK Bu kitapta yayınlanan yazı ve grafiklerin her hakkı mahfuzdur. Sektörel Fuarcılık Ltd. Şti nin yazılı izni alınmadan, kaynak gösterilerek de olsa iktibas edilemez. Bildirilerin bütün sorumluluğu yazarlarına


THE TURKISH ONLINE JOURNAL OF EDUCATIONAL TECHNOLOGY JANUARY 2005. Volume 4 - Issue 1. Assoc. Prof. Dr. Aytekin İşman Editor-in-Chief

THE TURKISH ONLINE JOURNAL OF EDUCATIONAL TECHNOLOGY JANUARY 2005. Volume 4 - Issue 1. Assoc. Prof. Dr. Aytekin İşman Editor-in-Chief THE TURKISH ONLINE JOURNAL OF EDUCATIONAL TECHNOLOGY JANUARY 2005 Volume 4 - Issue 1 Assoc. Prof. Dr. Aytekin İşman Editor-in-Chief Prof. Dr. Jerry Willis Editor Fahme Dabaj Associate Editor ISSN: 1303-6521


Journal of Business Research - Türk

Journal of Business Research - Türk İŞLETME ARAŞTIRMALARI DERGİSİ Journal of Business Research - Türk ISSN: 1309-0712 Cilt: 6 Sayı:3 2014 Vol.6 No.3 / DERGİ HAKKINDA (Journal of Business Research-Türk) online





Proceedings of the International New Media Conference 2012

Proceedings of the International New Media Conference 2012 ~1~ Proceedings of the International New Media Conference 2012 17-19 October 2012 İstanbul Published by ISBN: 978-605-87873-3-9 Program Committee Hononary Prof. Dr. Yunus SÖYLET-Istanbul


3D AND 4D SONOGRAPHIC ASSESSMENT OF MULTIPLES Asim Kurjak, Wiku Andonotopo 1, Nenad Vecek Department of Obstetrics and Gynecology, Medical School University of Zagreb, Sveti Duh Hospital, Zagreb, Croatia





Lifelong Learning and its Reflections on Turkish Elementary Education Curricula *

Lifelong Learning and its Reflections on Turkish Elementary Education Curricula * Lifelong Learning and its Reflections on Turkish Elementary Education Curricula * Yaşam Boyu Öğrenme ve Türkiye deki İlköğretim Programlarına Yansımaları Abstract Melek DEMİREL ** Hacettepe University



İZOCAM TİCARET VE SANAYİ A.Ş. CORPORATE GOVERNANCE COMPLIANCE REPORT SECTION I CORPORATE GOVERNANCE PRINCIPLES CONFORMANCE STATEMENT Compliance with the principles stated in Communique on the Determination and Practice of Corporate Governance Principles number II-17.1 of


LUFKIN 1902 den bu yana

LUFKIN 1902 den bu yana LUFKIN 1902 den bu yana -redüktör imalatç 98 de günümüzde LUFKIN-FRANCE olarak ü ve test üniteleri oldukça tan bir isme sahip COMELOR yüksek kaliteli oynak- kaplinleri ile de bilinmektedir.lufkin FRANCE,A






SAKARYA İKTİSAT DERGİSİ THE SAKARYA JOURNAL OF ECONOMICS SAKARYA İKTİSAT DERGİSİ THE SAKARYA JOURNAL OF ECONOMICS 2013 1, ISSN 2147-0790 Sahibi(Owner) Sakarya Üniversitesi Rektörü Prof. Dr. Muzaffer Elmas Adına Prof. Dr. Aziz Kutlar Editör(Editor) Doç. Dr. Ekrem


ISBN: 978-975-8789-49-8. İzmir University of Economics Print No: 050

ISBN: 978-975-8789-49-8. İzmir University of Economics Print No: 050 Agrindustrial Design: 2nd International Product and Service Design Congress and Exhibition on Agricultural Industries - Mediterranean / Food / Design Proceedings. Tarıma Dayalı Sanayilerde Tasarım: 2.



ÇEVRE STANDARTLARINI KARŞILAMAK VERGİ ÖDEMEK VE GÜMRÜK BİRLİĞİNDEN İSTİFADE ETMEK AB-Türkiye Odalar Forumu (ETCF) projesi Avrupa Birliği tarafından finanse edilmektedir Türk İş Dünyası İçİn AB Mevzuatı 1 2 3 4 5 6 Ortak Pazarda TicareT ETKİN REKABET ETMEK ÇEVRE STANDARTLARINI KARŞILAMAK


Tel : (90-312) 210 25 29 Tele-Fax : (90-312) 210 25 18, E-mail :

Tel : (90-312) 210 25 29 Tele-Fax : (90-312) 210 25 18, E-mail : MİLLİ GELİRDEN ÖNEMLİ BİR KAYBIMIZ! KOROZYON DERGİSİ Derginin amacı, korozyonu önlemenin bilimsel ve teknolojik altyapısına ilişkin gelişmelerin izlendiği ve bunların özümlenmesi ve uygulamaya aktarılması



VOLUME 4 NUMBER 1 JANUARY, 2009 VOLUME 4 NUMBER 1 JANUARY, 2009 A Journal Sponsored by International Association of Educators (INASED) 2 EDUCATIONAL POLICY ANALYSIS AND STRATEGIC RESEARCH 2009 Subscription Rates $35 Association Member


The Turkish Military s Perception of Instability as an External Threat and Terrorism

The Turkish Military s Perception of Instability as an External Threat and Terrorism Defence Against Terrorism Review Vol. 2, No. 1, Spring 2009, pp. 73-99 Copyright COE-DAT ISSN: 1307-9190 The Turkish Military s Perception of Instability as an External Threat and Terrorism Itır TOKSÖZ






ŞEBEKEDEN BAĞIMSIZ YEDEKLEME VE ADA SİSTEMLERİ. Enerji, her zaman, her yerde ŞEBEKEDEN BAĞIMSIZ YEDEKLEME VE ADA SİSTEMLERİ Şebekeden bağımsız İşlevsel bir elektrik şebekesinin varlığı her zaman göründüğü kadar bariz değildir. Güvenilmez bir şebekenin



ŞEBEKEDEN BAĞIMSIZ YEDEKLEME VE ADA SİSTEMLERİ ŞEBEKEDEN BAĞIMSIZ YEDEKLEME VE ADA SİSTEMLERİ Enerji, her zaman, her yerde Şebekeden bağımsız İşlevsel bir elektrik şebekesinin varlığı her zaman göründüğü kadar bariz değildir. Güvenilmez bir şebekenin


The Effectiveness of Instruction on Mand Model One of the Milieu Teaching Techniques

The Effectiveness of Instruction on Mand Model One of the Milieu Teaching Techniques Eurasian Journal of Educational Research, Issue 38, Winter 2010, 198-215 The Effectiveness of Instruction on Mand Model One of the Milieu Teaching Techniques Bülent Toğram * Dilek Erbaş ** Suggested Citation:


English-medium Instruction in Higher Education: A Case Study in a Turkish University Context

English-medium Instruction in Higher Education: A Case Study in a Turkish University Context English-medium Instruction in Higher Education: A Case Study in a Turkish University Context İsmail Erkan Arkın Submitted to the Institute of Graduate Studies and Research in partial fulfillment of the


Training of Pedagogues in Russia: A Retrospective Analysis. Rusya da Pedagogların Eğitimi: Geçmişe Yönelik Bir Analiz

Training of Pedagogues in Russia: A Retrospective Analysis. Rusya da Pedagogların Eğitimi: Geçmişe Yönelik Bir Analiz Journal of Teacher Education and Educators Öğretmen Eğitimi ve Eğitimcileri Dergisi Cilt 1, Sayı 1, 2012, 59-80 59 Training of Pedagogues in Russia: A Retrospective Analysis Rusya da Pedagogların Eğitimi:


The Needs of Inclusive Preschool Teachers about Inclusive Practices

The Needs of Inclusive Preschool Teachers about Inclusive Practices Eurasian Journal of Educational Research, Issue 54, 2014, 39-60 The Needs of Inclusive Preschool Teachers about Inclusive Practices Suggested Citation: Selma AKALIN** Şeyda DEMİR*** Bülbin SUCUOĞLU****