Yrd. Doç. Dr. Mesut ABUŞKA GÜNEŞ ENERJİLİ SU ISITMA SİSTEM PROJELENDİRMESİ

Transkript

1 GÜNEŞ ENERJİSİ ve UYGULAMALARI DERS NOTLARI - III Yrd. Doç. Dr. Mesut ABUŞKA GÜNEŞ ENERJİLİ SU ISITMA SİSTEM PROJELENDİRMESİ Hesaplanacak Ayın Belirlenmesi: Mevsimler değiştiği için şehirlerin her ay sabit bir şebeke su sıcaklıkları yoktur. Bunun önüne geçmek için, eğer sistem sadece yazın çalışacaksa Temmuz veya Haziran, sistem sadece kışın çalışacaksa Aralık ya da Ocak, sistem dört mevsim çalışacaksa Nisan ayı baz alınarak şehir şebeke suları belirlenir. Toplam Su İhtiyacının Belirlenmesi: Harcanacak toplam su ihtiyacını belirlemek için mahalde yaşayan toplam kişi sayısını belirlemek gerekmektedir. Bunu belirledikten sonra kişi başına harcanabilecek günlük su tüketim miktarı ile kişi sayısı çarpılarak toplam tüketim miktarı bulunur. Çeşitli yerler için su tüketim miktarları, lt/günkişi Dahili sıcak su kullanımı olan birimlerde, sıcak su tüketim miktarı, tüketim birimindeki insanların hayat standartları, alışkanlıkları, kültür ve eğitim düzeyleri ile ilişkili olmakla birlikte en önemli gösterge ekonomik gelir seviyesidir. Ekonomik gelir seviyesi Kişi başına sıcak su tüketimi (lt/günkişi) Dar gelir grubu Orta gelir grubu Üst gelir grubu En üst gelir grubu

2 Kollektör yüzeyinin belirlenmesi: Kollektör yüzeyinin belirlenmesinde; sistemden faydalanma zamanı (ay), istenen günlük sıcak su miktarı, suyun sisteme giriş ve ulaşılması istenen üst sıcaklığı rol oynar. Sistemden hangi aylarda faydalanılması düşünülüyorsa, bu aylardan yeryüzü radyasyon değeri (YYRA) en düşük olanı Çizelge III.1 den bulunur. Bu aya ait eğik yüzeye (kollektör yüzeyine) gelen toplam radyasyon (TRA) değeri hesaplanır. Sıcak su enerji, ihtiyacı belirlendikten sonra, kollektör yüzeyi bulunur. Sıcak su enerji ihtiyacı; Q sı = m x c x Δt kcal/gün Formülde; Q sı Sıcak su enerji ihtiyacı (kcal/gün) m Isıtılacak su miktarı (l/gün) Isıtılacak su miktarı, konutlarda 45 C sıcaklık olmak üzere, 50 l/günkişi alınabilir. Endüstriyel sistemler için işin özelliğine göre tespit edilir. c Suyun ısınma ısısı (kcal/kg C), 1 alınabilir. Δt Kullanım suyu sıcaklığı ile suyun sisteme giriş sıcaklığı arasındaki fark ( C) Kollektör yüzeyi: F k = Q sı / TRA x η (m 2 ) F k Kollektör yüzeyi (m 2 ) Q sı Sıcak su enerji ihtiyacı (kcal/gün) TRA Kollektör yüzeyine gelen güneş enerjisi miktarı (kcal/m 2 gün) η - Kollektör verimi (%). Kollektörlerde ortalama verim %55-65 arasında alınabilir veya üretici verileri kullanılabilir. 2

3 3

4 4

5 5

6 6

7 Örnek: Ankara da 5 kişilik bir ailenin kullanım sıcak suyu, tabii sirkülasyonlu güneş enerjisi istemi ile karşılanmak istenmektedir. Nisan ayından itibaren faydalanma düşünülen kollektörler binanın çatısına konacaktır. Kollektör verimini %60 alarak gerekli kollektör yüzeyini belirleyiniz. Çözüm: Önce kollektör yüzeyinin 1 m 2 sine gelen güneş enerjisi miktarı bulunmalıdır. Bunun için aşağıdaki adımlar izlenecektir. 1. Kollektör eğimi belirlenmelidir. Kollektörün yatay düzlemle yaptığı eğim açısı yaz uygulaması için (Enlem-15) derecedir. Ankara nın enlem derecesi yaklaşık 40 dir. Buna göre kollektörün eğim açısı (40-15) = 25 olur. 2. Aylık ortalama atmosfer öncesi (AÖRA) ve yeryüzü radyasyon (YYRA) değerleri, Nisan ayı için Çizelge 3.1 den alınır. AÖRA = 8222 kcal/m 2 gün, YYRA = 4138 kcal/m 2 gün bulunur. 3. Bulanıklık faktörü (BUF) tespit edilir. BUF = YYRA/AÖRA = 4138/8222 = 0,503 dür. 4. (YYRA) değerinin difüz (DİF) ve direkt (DİR) miktarları hesaplanır. DİF = (1 1,097 x BUF ) x YYRA = (1 1,097 x 0,503) x 4138 = 1854 kcal/m 2 gün DİR = YYRA DİF = = 2283 kcal/m 2 gün 5. Açı faktörleri tespit edilir. Direkt radyasyon açı faktörü (DİRAF) çizelge 3.2. den bulunur. Kollektör eğim açısı (Enlem-15) olduğundan; DİRAF = 1,1 bulunur. Difüz ve yansıtılmış açı faktörleri (DİFAF ve YAF) çizelge 3.3 den alınır. Kollektör eğimi 25 olduğu için, DİFAF = 0,95 YAF = 0,05 dir. 6. Yansıtma oranı (YAO) çizelge 3.4 den bulunur. Kollektör binanın çatısındadır. Buna göre; YAO = 0,27 dir. 25 eğimli kollektör yüzeyine Nisan ayında gelen toplam radyasyon miktarı; TRA = DİR x DİRAF + DİF x DİFAF + YYRA x YAO x YAF kcal/m 2 gün TRA = 2283 x 1, x 0, x 0,27 x 0,05 = 4828 kcal/m 2 gün 7

8 Kollektör eğimi enlem derecesine eşit olsaydı TRA = 4185, (Enlem+15) olsaydı TRA = 3864 kcal/m 2 gün bulunurdu. Kollektör yüzeyinin bulunabilmesi için sıcak su enerji ihtiyacı belirlenmelidir. Q sı = n x m x c x Δt = 5 x 50 x 1 x 30 = 7500 kcal/gün Şebeke suyu sıcaklığı 15 C, kullanım suyu sıcaklığı 45 C, kişi başına günlük sıcak su tüketimi 50 litre kabul edilmiştir. F k = Q sı / TRA x η = 7500 / 4328 x 0,6 = 2,88 m 2 Nisan ayı için hesaplanan kollektör yüzeyi diğer aylar için de hesaplanmış ve toplu halde aşağıda verilmiştir. Ay 2,88 m 2 koll. Yüzeyi ile faydalanma oranı (%) %100 faydalanma istenirse gerekli kollektör yüzeyi, m 2 Nisan 100 2,88 Mayıs 118 2,42 Haziran 127 2,25 Temmuz 134 2,13 Ağustos 128 2,23 Eylül 112 2,55 Ekim 86 3,34 Kasım 58 4,93 Aralık 32 8,72 Ocak 39 7,34 Şubat 58 4,93 Mart 82 3,5 Çizelgeden de görüldüğü gibi, nisan ayı için tesis edilen 2,88 m 2 lik kollektör yüzeyi ile yılın altı ayında faydalanma oranı %100 ve üzerindedir. Bütün aylarda %100 ve üzerinde faydalanma oranı istenirse kollektör yüzeyleri çizelgedeki değerlerde olmalıdır. Kollektör yüzeyinin, birçok hesaplama yapılmadan daha pratik bir biçimde belirlenmesinde, bulunan yerin enlem derecesine göre aşağıdaki şekillerden faydalanılabilir. Şekiller sıcak su ihtiyacı lt/günkişi kabul edilerek hazırlanmışlardır. Kollektörler tam güneye yönlendirilmiş olup eğim açıları enlem derecesine eşittir. 8

9 9

10 Depolama Tankı Hacmi: Depolama tankının hacminin hesaplanmasında günlük sıcak su tüketimi, tüketilen suyun sıcaklığı, şebeke suyu sıcaklığı ve tanktaki maksimum su sıcaklığı rol oynar. Sayılan faktörlere bağlı olarak, tankın hacminin hesaplanmasında aşağıdaki eşitlik kullanılır: V de = M (t k - t ş ) / (t ü - t k ) + (t k - t ş ) Formülde; V de M t k t ş t ü : Depolama tankının hacmi (lt) : (t k ) sıcaklığında kullanma sıcak suyu ihtiyacı (l/gün) : Kullanım suyu sıcaklığı ( C) : Şebeke suyu sıcaklığı ( C) : Suyun depolama tankında yükseldiği üst sıcaklık ( C). Bu sıcaklık 70 C kabul edilebilir. Kollektör yüzeyinin hesaplanması örneğinde 5 kişilik aile için depolama tankı hacmi; M : 250 lt/gün t k : 45 C t ş : 15 C t ü : 70 C V de = M (t k - t ş ) / (t ü - t k ) + (t k - t ş ) = 250 (45-15) / (70-45) + (45-15) = 136 lt Diyagram yardımı ile sıcak su depolama hacminin belirlenmesi: Isıtılan suyu depolamak için boyler veya akümülasyon tankı denilen depolama tankları kullanılmaktadır. Boyler hesabı, kullanılan güneş kolektörü net ışınım alanı ile doğrudan orantılıdır. Boyler hacmi kullanılacak güneş kolektörü tipine göre değişmektedir. Depolama tanklarının kapasiteleri kollektör tipine ve kollektörün m 2 sine göre belirlenir; Bakır üzerine selektif yüzeyli; 60 litre/ m 2 Bakır üzerine siyah boyalı; 55 litre/ m 2 Alüminyum üzerine siyah boyalı; 50 litre/ m 2 Galvanizli sac üzerine siyah boyalı; 40 litre/ m 2 Sıcak su depolama hacminin belirlenmesi için aşağıda verilen diyagramlar da kullanılmaktadır. 10

11 11

12 Genleşme Deposu Hacmi: Endirekt ısıtma sistemlerinde, kollektör devresinde genleşen suyun alınarak sistemin güvenliğinin sağlanması gerekir. Bu amaçla açık genleşme deposu kullanılır. Genleşme deposunun hacminin belirlenmesinde 1 m 2 kollektör yüzeyi için yaklaşık 4 lt depo hacmi esas alınır. Kapalı genleşme deposunun kullanıldığı sistemlerde deneysel olarak kollektör adedi x 3 lt hacim seçilebilir. Solar sıvı kullanıldığında ise kollektör adedi x 2,5 lt alınabilir. Pompa Gücü: Güneş enerjili su ısıtma sistemlerinde kullanılan pompanın iki karakteristiği belirlenmelidir. Bunlar; a- Pompanın debisi: pompanın debisi kollektörlerin 1m 2 yüzeyinden saatte lt suyu devrettirecek kapasitede seçilebilir. b- Pompanın gücü: Pompanın gücünü etkileyen başlıca faktörler; - Kollektörler ile depolama tankı arasındaki yükseklik (m) - Pompanın debisi (lt/s) - Kritik devredeki kollektör, boru ve bağlantı elemanlarındaki sürtünme kayıpları (mss) Bu faktörlere bağlı olarak pompanın gücü aşağıdaki eşitlikten; N = H m x Q p x g / η Watt N : Pompanın gücü (Watt) H m : Toplam manometrik yükseklik (mss) Toplam manometrik yükseklik, depolama tankı ile kritik devredeki kollektör arasındaki yükseklik ve sürütünme kayıplarının toplamıdır. Kritik devredeki sürtünme kayıpları toplam yüksekliğin %10-15 i alınabilir. Q p : Pompa debisi (lt/s) g : Yerçekimi ivmesi (9,81 m/s 2 ) η : Pompa verimi (%70-80 alınabilir) güneşli sistemlerde, pompanın çalışması kollektör yüzey sıcaklığına bağlıdır. Pompanın çalışmasına ilişkin diyagram şekil 5.18 de görülmektedir. Geceleri ve güneşin etkisinin olmadığı gündüzleri, kollektör yüzey sıcaklığı, depolama tankındaki su sıcaklığından daha düşüktür. Bu durumda pompa çalışmaz. Kollektör güneş gördüğünde, kollektör yüzey sıcaklığı yükselir ve pompa çalışır (şekilde 1 noktası). Pompa çalışır çalışmaz kollektör yüzey sıcaklığı ani bir düşme gösterir (2 noktası). 2 noktasındaki kollektör yüzey sıcaklığı ile depolama tankındaki su sıcaklığı farkı (Δt off ) büyük olduğundan pompa durmaz. Bu noktadan sonra kollektör emici plaka sıcaklığı ve depolama tankı su 12

13 sıcaklığı birlikte yükselir. Güneş etkisini kaybetmeye başladığında kollektör yüzey sıcaklığı 3 noktasına düşer ve pompa bu sıcaklıkta durur. Pompa durduğunda kollektör yüzey sıcaklığı 4 noktasına ulaşır. Bu nokta ile depolama tankı su sıcaklığı arasındaki fark aralığından (Δt on ) küçük olduğundan pompa çalışmaz. 4 noktasından sonra kollektör yüzey sıcaklığı sürekli düşer ve pompa devre dışı kalır. Ana Boru Çapları: Ana boru çaplarının hesabında temel alınacak başlıca faktörler; borulardan geçecek su debisi (lt/s), boru sürtünme kayıp katsayısı (yaklaşık 0,025) ve borulardaki basınç kaybı (mss/m) dir. Bu faktörler dikkate alınarak ana boru çapları aşağıdaki eşitlikten yaklaşık olarak bulunabilir. d = 60 x mm Formülde; d : Ana boruların çapı (mm) Q p : Pompa debisi (lt/s) Örnek: Endüstriyel bir kuruluşun güneşli sıcak su hazırlama tesisi kollektör yüzeyi 10m 2 dir. Depolama tankı ile kollektörler arasında 15m yükseklik farkı bulunmaktadır. Buna göre; pompanın debisini, gücünü ve ana boru çapını hesaplayınız. Çözüm: a. Pompanın debisi (Q p ): Pompanın debisi kollektörlerin 1 m 2 sinden saatte lt suyu devrettirecek kapasitede olacaktır. Bu değer 70 lt/m 2 h alınırsa; Q p = 70 x 10 = 700 lt/h = 700 / 3600 = 0,194 lt/s Toplam manometrik yükseklik (Hm) = x 0,15 = 17,25 mss dur (boru sürtünme dirençleri toplam yüksekliğin %15 i alınmıştır). Bu değerlere göre; b. Pompanın gücü N = H m x Q p x g / η = 17,25 x 0,194 x 9,81 / 0,7 = W c. d = 60 x = 60 x 0,194 0,4 = 31,13 32 mm (1 ¼ ) 13

14 PRATİK HESAP Otel projelerinde oda başı 1 kollektör alınmaktadır. Kollektör başına lt/gün sıcak su üretimi kabul alınabilir (kollektör verimi dikkate alınmalıdır). Kişi başı 80 lt/gün alınabilir. Havuz projelerinde; kapalı ise kollektör alanı havuz alanına eşit alınmakta, açık ise kollektör alanı havuz alnının 1,5 katı alınmaktadır. Kollektör başına 3 m 2 alan ihtiyacı kabul edilmektedir. Su hızı 2 m/s alınabilir. Örnek: 400 yataklı bir otelin; lt/günkişi x 400 kişi = lt Bir kollektörün 165lt sıcak su üretimi yaptığı kabul edilirse 193 adet kollektöre ihtiyaç vardır. Dikkate alınan kollektörün (marka/modeline göre) 2 m 2 olduğu kabul edilirse 386 m 2 kollektör alanı tespit edilir. Pompa hesabı için kollektör birim yüzey debisi 45 lt/h alınabilir. Toplam kollektör alanı x 45 = 386 m 2 x 45 lt/h x 10-3 = 17,37 m 3 /h (sistem debisi) Basma yüksekliği için (20*25*18 m bina ölçülerinde) H m = 0,03 (a+b+c) + 1 (mss) A: Binanın eni B: Binanın Boyu C: Binanın yüksekliği H m = 0,03 ( ) + 1 = 2,89 3 mss 14

15 Wilo-Star-STG Yapı türü: Rakor bağlantılı ıslak rotorlu sirkülasyon pompası. Güç uyarlaması için önceden seçilebilir devir hızı kademeleri Uygulama: Solar ve jeotermal tesislerinde birincil devreler Özellikler / ürün avantajları Güneş enerjisi ve jeotermik sistemlerde kullanım için özel hidrolik Montaj anahtarı yeri olan pompa gövdesi Yoğuşma suyu oluşumunda korozyonu önlemek için, kataforez (KTL) kaplama pompa gövdesine sahiptir Teknik özellikler İzin verilen ısı aralığı -10 C ila +110 C, kısa süreli işletimde (2 saat) azami +120 C Elektrik şebekesi bağlantısı 1~230 V, 50 Hz Koruma sınıfı IP44 Rakor bağlantısı Rp ½, Rp 1 ve Rp 1¼ Maks. işletme basıncı 10 bar Wilo-Stratos Wilo-Stratos-Z 15

16 ISI BORUSU: Isı borusunun ilk ortaya çıkışı, Perkins tarafından bulunan ve onun adıyla Perkins tübü olarak adlandırılan sistemdir. Bu cihaz ilk defa on sekizinci yüzyıl ortalarında (1836) İngiltere de yapılmış, fitilsiz, yerçekimi destekli bir ısı borusudur. Buradaki ısı transferi, faz dönüşümü ile sağlanmaktadır.isı borusu fikri ilk olarak R.S.Gaugler tarafından 1942 yılında yapılan ısı transfer cihazı çalışması sonucu ortaya çıkmıştır. Bu çalışmada ısı borusu terimi kullanılmasa da ısı borusunun temeli bu çalışmaya dayanmaktadır. Gaugler yaptığı çalışmada ısı transfer cihazının başlıca amacının ısıyı absorbe etmesi bir başka deyişle buharlaşan sıvının yukarıdaki bir noktada yoğuşması ya da çıkan ısıyı alarak sıvı üzerinde ek olarak hiç iş uygulamadan daha yukarıda bulunan yoğuşacağı bölgeye taşımak olduğunu belirtmiştir. Bu cihaz 1964 e kadar çok az ilgi görmüş olup, Grover ve meslektaşlarının Las Alamos National Laboratories nda yaptıkları bir araştırmanın sonucunda çıkardıkları yayınla birlikte ilk kez ısı borusu terimi de literatüre girmiştir. Bu çalışmada Grover ısı borusunu yüksek ısıl iletkenliğe sahip yapılar, daha önemlisi, büyük miktarda ısı transfer edebilen düşük sıcaklık düşümlü cihazlar olarak tanımlamıştır. Isı boruları kapalı iki fazlı çevrim olarak çalıştıklarından ısı transfer kapasiteleri iyi iletkenlerle karşılaştırıldığında çok daha fazladır. Isı borularında, buharlaştırıcıda ısı akışının artması sonucunda çalışma akışkanı buharlaşır ve bu işlem sonucunda çalışma sıcaklığında bir değişim görülmez. Böylece ısı borusu neredeyse izotermal bir cihaz gibi çalışır. Isı borularında bulunan buharlaştırıcı ve yoğuşturucu bölümleri ısı borusundan bağımsız birer bölge şeklinde çalışırlar. Bu yüzden ısının alındığı alan ısının atıldığı ortamdan farklı boyutlarda ve şekillerde olabilir. Burada önemli olan husus buharlaştırılan sıvının yoğuşturulan sıvı oranını geçmemesidir. Bu özellik sayesinde ısı borusu aracılığı ile çok küçük alanlardan çok büyük alanlara ısı akısı sağlanabilir. Buda elektronik parçalarda ve sistemlerde ısı borusunun önemini artıran bir özelliktir. Son olarak termal tepkime zamanı diğer ısı transfer cihazlarına göre çok daha düşüktür. Isı borularında ise termosifondan farklı olarak fitil yapısı bulunur. Fitil yapısı sayesinde ısı borusu içerisinde kapiler bir kuvvet oluşur ve oluşan bu kuvvet sonucunda yoğuşan buharın buharlaştırıcıya dönmesi sağlanır. Bu sayede ısı boruları buharlaştırıcının pozisyonuna bağlı olmaksızın farklı şekillerde çalışabilir. Isı Borusu Çalışma Şekli Isı boruları genel olarak; iç yüzeyinde kapiler fitil yapısı bulunan kapalı bir boru ya da farklı şekillerde kapalı bölümlerden oluşur. Fitil yapısı başlangıçta sıvı fazda bulunan çalışma akışkanı ile doymuş haldedir. Borunun kalan hacmi ise buhar fazında çalışma akışkanı içerir. Isı borusunun 16

17 buharlaştırıcı kısmından ısı girişi başladığında çalışma akışkanı buharlaşmaya başlar. Oluşan basınç farkı sonucunda buhar buharlaştırıcıdan yoğuşturucuya doğru hareket eder. Borunun yoğuşturucu kısmında çalışma akışkanı buharlaşma gizli ısısını düşük sıcaklıktaki ısı kaynağına bırakır. Buharlaşma sonucu azalan çalışma akışkanı buharlaştırıcıdaki fitil yapısı üzerinde sıvı buhar ara yüzü oluşmasına sebep olur. Oluşan bu ara yüzde kapiler basınç ortaya çıkar. Kapiler basınç yoğuşturucuda yoğuşan çalışma akışkanını buharlaştırıcıya geri taşır. Böylece ısı boruları çalışma akışkanının buharlaşma gizli ısısını buharlaştırıcıdan yoğuşturucuya sürekli olarak iletir. Bu döngü ancak fitilin kuruması halinde son bulur. Isı borusunun çalışma prensibinin temeli, çalışma akışkanın buharlaşması ve yoğuşmasına dayanmaktadır. Bu bakımdan çalışma akışkanın uygun seçilmesi büyük önem taşır. Çalışma akışkanının seçimi belirli kriterler göz önünde bulundurularak yapılmalıdır. Bunlar; çalışma sıcaklığı aralığı, buhar basıncı, ısıl iletkenlik, fitil ve boru malzemesiyle uyumlu çalışabilme, zehirli ve yanıcı olmama, kimyasal yapısında sıcaklıktan dolayı herhangi bir değişiklik olmaması ve uzun dönemli çalışabilmesidir. Uygulamada çalışma sıcaklıklarına göre ısı boruları üç sınıfa ayrılabilir. Bunlar: a. Kriyojenik (çok soğuk) ısı boruları, b. Oda (düşük) sıcaklık ısı boruları, c. Yüksek (sıvı-metal) sıcaklık ısı boruları. a) Kriyojenik (çok Soğuk) ısı boruları: K sıcaklıları arasında çalışmak üzere tasarlanmış ısı borularıdır. Çalışma akışkanı olarak Helyum, Argon, Neon, Nitrojen ve Oksijen kullanılmaktadır. Bu tipte kullanılan çalışma akışkanının buharlaşma gizli ısısının ve yüzey geriliminin düşük olmasından dolayı oldukça düşük ısı transferi kapasitesine sahiptirler. b) Oda (düşük) sıcaklık ısı boruları: K sıcaklıkları arasında çalışmaktadır. Çalışma akışkanı olarak etanol, metanol, amonyak, su ve aseton kullanılmaktadır. c) Yüksek (sıvı-metal) sıcaklık ısı boruları: 700 K ve üzeri sıcaklıklar arasında çalışmaktadır. Likit metalin geniş yüzey gerilimi ve yüksek buharlaşma gizli ısısı özelliklerine bağlı olarak çok yüksek ısı akışı elde edilmektedir. Yaygın olarak kullanılan sıvı metaller potasyum, gümüş ve sodyumdur. Isı borularında kullanılan boru malzemesinin görevi çalışma akışkanını ve fitil yapısını dış ortamdan ayırmaktır. Bu yalıtım sebebi ile boru çeperlerinde basınç farklılıkları oluşmakta ve çalışma akışkanı tarafından ısı transfer edilebilmektedir. Boru malzemesi seçilirken aşağıdaki hususlara dikkat edilmelidir; a) Uyumluluk (çalışma akışkanı ve çalıştığı çevre şartlarına olan uyumluluğu) b) Isıl iletkenlik c) Kolay üretilebilirlik d) Gözeneklilik 17

18 FİTİLLER Isı borusunda kullanılan çalışma akışkanının kondenserden, evaporatöre geri getirilmesini sağlayacak kapilar basıncın oluşturulması gerekmektedir. Isı borularında bu işlem ısı borusu iç cidarına yerleştirilen gözenekli yapı ile sağlanabilmektedir. Bu gözenekli yapı, bakır, pirinç, nikel, alüminyum, paslanmaz çelik gibi ayrı bir malzemeden örülmüş, dokunmuş malzemeler olabileceği gibi, pamuksu iplerden dokunmuş lifli malzemelerde olabilmektedir. Ayrıca, ısı borusu iç yüzeyine mekanik olarak oluşturulmuş yiv seklinde veya toz metalürjisi ile üretilmiş gözenekli bir yapıda fitil görevini yapabilmektedir. Fitil malzemesinin basta çalışma akışkanı ile uyumlu olması yanında, çalışma akışkanını kısa zaman aralığında evaporatör bölgesine taşıyabilecek nitelikte olması istenir. Fitil malzemesinden aranan özellikler şunlardır: a. Yoğuşan iş akışkanının geri dönüsü için gerekli akış kesitini sağlaması, b. Gerekli kılcal pompalama basıncının sağlanması için sıvı-buhar ara yüzeyinde gözeneklerin oluşmasına imkân vermesi, c. Sıvı-buhar ara yüzeyi ve ısı borusu iç yüzeyi arasında iyi bir ısı akısı sağlayabilmesi seklinde sıralanabilir. Boru malzemesinin gözeneksiz yapıya sahip olması durumunda ısı borusu içerisinde çalışma akışkanının yayılması engellenir. Yüksek ısıl iletkenlik ise, ısı kaynağı ile fitil arasında minimum sıcaklık düşümü olmasını sağlar. Aşağıda bazı çalışma akışkanları ile fitil ve boru malzemeleri arasındaki uyumluluk bilgileri verilmektedir. Çalışma akışkanı, fitil ve boru malzemesi uyumluluk bilgileri RU: deneyimlere dayanarak tavsiye edilen; RL: literatüre göre tavsiye edilen; PC: muhtemelen uyumlu; NR: tavsiye edilmez; NU: kullanılmaz; UK: bilinmiyor; GN: tüm sıcaklıklarda gaz oluşumu; GNT: oksit oluştuğunda yüksek sıcaklıklarda gaz oluşumu Isı borularında kullanılan fitil yapılarının temel olarak iki görevi vardır. Bunlardan birincisi yoğuşturucuda yoğuşan çalışma akışkanın buharlaştırıcıya dönüşünün sağlanmasıdır. Fitil yapısının diğer görevi ise çalışma akışkanın tüm buharlaştırıcı yüzeyine çevresel olarak dağıtılmasını sağlamasıdır. Genel olarak etkin bir fitil yapısında olması gereken özellikler aşağıda belirtilmiştir. 1) Yüksek Kapiler Basınç: Etkili bir fitil yapısı küçük yüzey gözenekliliğini sağlayarak yüksek kapiler basınç oluşturmalıdır. 2) Geçirgenlik: Sıvı akışına dik yönde geniş iç gözenekliliği sağlayarak sıvı akış direnci düşürülmelidir. 3) Yüksek Isıl İletkenlik: Isı akışının gerçekleştiği fitil kalınlığı boyunca küçük sıcaklık düşümü için aralıksız olarak ısıl iletkenliğin sağlanması gerekmektedir 18

19 Tüm bu gereksinimler göz önünde bulundurularak birçok çeşitte fitil yapısı geliştirilmiştir. Fitil yapıları genel olarak iki sınıfa ayrılmıştır. Bunlar bir cins malzemeden üretilen homojen fitil yapıları ve iki veya daha fazla malzemeden üretilen kompozit fitil yapılarıdır. Homojen fitil yapıları: Elek teli (gözenekli) yapısı: En yaygın kullanılan fitil yapısıdır. Yüzey gözenekliliğinin büyüklüğü mesh sayısıyla ters orantılıdır. Mesh sayısı inch başına düşen gözenek sayısıdır. Sinterlenmiş metal: Bu fitil yapısı, toz halindeki metal parçalarının ısı borusunun iç duvarına çelik maça ile sıkıştırılmasıyla oluşmaktadır. Oluşturulan bu düzenek metal parçacıklar birbirlerine ve ısı borusunun iç duvarına sinterlenene kadar ısıtılarak devam eder. Sinterlenmiş metal fitil yapısı Aksiyal yiv fitil yapısı Aksiyal yiv: Aksiyal yivli fitil yapısı, ısı borusu iç yüzeyine ekstrüzyon ya da diş açma yoluyla oluşmaktadır. Yiv yapısı olarak kullanılan ya da önerilen birkaç farklı form bulunmaktadır. Bunlar dikdörtgen, üçgen, ikizkenar yamuk veya yaklaşık olarak dairesel kesit alanına sahip olan formlardır. Aksiyal yiv yapısı, yüksekliğin çok fazla olmadığı uygulamalarda oldukça verimlidir Paralel ve yarım ay şeklinde fitil yapıları: Bu yapılar sıvı akışı için düşük direnç gösterirler fakat ısı akışı için yüksek dirence sahiptirler. Çalışma akışkanı sıvı fazdayken ısıl iletkenlikleri düşüktür. Arter fitil yapısı: Arter fitil yapısında ısı borusunun iç yüzeyi elek teli veya sinterlenmiş metal yapısı ile kaplanmıştır. Bunun yanında içi boş olarak şekil verilmiş, fitil boyunca devam eden ve fitile temas eden bir fitil yapısı daha bulunmaktadır. Yoğuşan çalışma akışkanı bu içi boş olan fitil yapısında toplanarak buharlaştırıcıya geri döner. Homojen fitil yapıları 19

20 Kompozit fitil yapıları: Kompozit gözenek fitil yapısı: Bu fitil yapıları farklı gözenek büyüklüğüne sahip iki elek teli yapısının bir araya gelmesiyle oluşur Böylece yoğuşturucuda yoğuşan sıvı bu fitil yapısından geri döner. Elek teli kaplı yiv yapısı: Bu fitil yapısı, homojen fitil yapılarında bulunan aksiyal yivli fitil yapısına, tek sarımlı ve küçük yüzey gözenekliliğine sahip elek teli yapısı ile kaplanması sonucu meydana gelir. Levha fitil yapıları: Levha fitil yapısını oluşturan iki farklı fitil yapısı bulunmaktadır. Bunlardan keçe ya da birkaç katlı elek teli yapısının birleşmesiyle meydana gelen şekil olarak dikdörtgen kesit alanına sahip çubuk şeklinde olan ve genişliği buhar akış kanalının çapına eşit olan yapı borunun dairesel kesit alanın ortasına gelecek şekilde yerleştirilmiştir. Tünel fitil yapısı: Tünel fitil yapısında da keçe ya da birkaç katmandan oluşan ve çapı ısı borusunun iç çapından daha küçük olan boru şekli verilmiş yapı bulunmaktadır. Boru şeklindeki bu yapı levha şeklindeki fitiller ile desteklenerek ısı borusunun eksenine yerleştirilir. Kompozit fitil yapılar ISI BORUSU ÇEŞİTLERİ: Isı borusunun en basit olarak bilinen formu boru şeklinde olanıdır. Bununla birlikte boru formundan farklı olarak çok çeşitli yapılarda ısı boruları da bulunmaktadır. Çalışma koşulları dikkate alınarak farklı dizaynlar gerçekleştirmek mümkün olmaktadır. Farklı tipteki bu ısı borularını aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür. I. Konvansiyonel ısı boruları II. Mikro ısı boruları III. Atımlı ısı boruları IV. Dönen ısı boruları V. Döngü şeklinde çalışan ısı boruları VI. Sorpsiyonlu ısı boruları VII. Değişken iletkenlikli ısı boruları 20

21 Atımlı ısı borusu Dönen ısı borusu Döngüsel ısı borusu 21

22 Isı borulu fotovoltaik PV-T (photo voltaic termal) kollektör 22

23 Isı borusunda sıcaklık dağılımı Isı borusunda sıvı ve buhar basınç dağılımı ISI BORUSUNA KONULACAK AKIŞKAN MİKTARI Isı borusu içerisine konulacak akışkan miktarının oranı çok önemlidir. Eğer gereğinden az akışkan konulursa, sistemin çalışması sürecinde akışkanın tamamı buharlaşıp kabın içerisini doldurur. Bu durumda evaporatör kısmında sıvı kalmayacağı için sistemin çalışması kesintiye uğrar. Isı borusu yüzeyi de aşırı ısınıp zarar görebilir. Fitilli ısı borularında bu olay fitilin kuruması olarak ifade edilir. Gereğinden fazla akışkan konulması durumunda ise özellikle yerçekimi destekli ısı borularında karşılaşılan taşma limiti ile karşılaşılır. Termosifon tipi ısı borularında, ısı borusuna konulacak akışkan miktarı hakkında birçok araştırmada değişik göstermekle birlikte toplam hacmin % si oranında olabileceği veya evaporatör hacminin %50 si oranında akışkan konulması uygun görülmektedir. 23

24 ISI BORUSUNUN PERFORMANSI: Isı borusunun performansı, çoğunlukla, eşdeğer ısı iletkenliği cinsinden ifade edilir. İyi bir ısı borusunun, aynı çaptaki dolu bakır çubuğun boyunca iletebildiği ısının birkaç bin mislini, aynı yönde iletebildiği belirtilmektedir. Isı borusunun güç iletme kapasitesi çok yüksektir C de çalışan ve akışkan olarak lityum kullanan ısı boruları, eksenel olarak 10 ile 20 kw/cm2 lik ısı taşırlar. Isıtma akışkanın ve kap malzemelerinin uygun seçilmesi ile 4 K ile 2300 K arasındaki sıcaklıklardaki kullanım için ısı borusu imal edilebilir. Birçok uygulamalar için, silindirik şekilli ısı boruları kullanılır. Özel şartları karşılamak için de farklı ısı boruları geliştirilebilir. ISI BORULARININ ÇALISMASINI SINIRLAYAN FAKTÖRLER Isı borusu tasarımındaki en önemli kriter, ısı borusunun transfer edebileceği ısı miktarıdır. Isı borusu birkaç W tan birkaç KW a kadar ısı taşıyabilecek şekilde tasarlanabilir. Ancak ısı borularının da taşıyabilecekleri ısı yükü sınırlıdır. Bu limitler; viskoz, ses, kılcal pompalama, köpürme ve kaynama limitleri olarak sıralanmaktadır. Bu limitlerin her biri fitil yapısına, iş akışkanına, sıcaklığa, ısı borusunun konumuna ve boyutlarına bağlıdır. Isı borularının çalışmalarını kısıtlayan bu faktörlerle ilgili olarak çok sayıda çalışma yapılmıştır. ISI BORUSUNUN UYGULAMA ALANLARI a. Uzay araçlarında sıcaklık kontrolü, b. Elektronik cihazların soğutulması, c. Boru sisteminin stabilize edilmesi, d. Atık ısıların tekrar kullanılmasında, e. Jeotermal enerjinin kullanılması, f. Enerji depolama, g. Makine elemanlarının soğutulması, h. Taşıtlarda iç ısıtma, i. Gaz türbini jeneratörlerinde ısı transfer elemanı olarak kullanılması, j. Taşıtların iç ısıtmalarında egzozdan faydalanılması, k. Uçakların fren sistemlerinin soğutulması, l. Elektronik cihazların soğutulmasında, m. Otoyol ve köprülerin ton tehlikesine karsı korunmasında, n. Bacalardaki atık ısının geri kazanılmasında, o. Nükleer santrallerin soğutulmasında, p. Lazer aynalarının soğutulmasında, q. Fırınların ısıtılmasında, tava ve tencerelerin homojen ısıtılmasında, r. Güneş enerjisinde ve birçok alanlarda uygulanmaktadır. ISI BORUSUNUN AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLARI a) Avantajları a. Hareketli parçaları yoktur, bundan dolayı sessiz çalışırlar. b. Her iki gaz tarafında da genişletilmiş yüzeyler kullanılabilir. c. Konstrüksiyonu basittir. d. Kullanım esnekliğine sahiptir. e. Düşük sıcaklık düşümüyle önemli mesafeye yüksek miktarda ısı transfer kabiliyetine sahiptir. f. Kontrol edilebilirliği iyidir. g. Dış pompa gücü gerektirmez. b) Dezavantajları a. Düşük basınçlı gazlar için uygundur. 24