Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi Pamukkale University Journal of Engineering Sciences

Transkript

1 Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi Pamukkale University Journal of Engineering Sciences Kabul Edilmiş Araştırma Makalesi (Düzenlenmemiş Sürüm) Accepted Research Article (Uncorrected Version) Makale Başlığı / Title Egzoz atık ısı geri kazanım sistemlerindeki ısıl enerji depoları için farklı faz değişim malzemelerinin analizi Analysis of various phase change materials for thermal energy storage in exhaust waste heat recovery systems Yazarlar / Authors Referans No / Reference No DOI Numan YÜKSEL, Atakan AVCI PAJES /pajes Bu PDF dosyası yukarıda bilgileri verilen kabul edilmiş araştırma makalesini içermektedir. Sayfa düzeni, dizgileme ve son inceleme işlemleri henüz tamamlanmamış olduğundan, bu düzenlenmemiş sürüm bazı üretim ve dizgi hataları içerebilir. This PDF file contains the accepted research article whose information given above. Since copyediting, typesetting and final review processes are not completed yet, this uncorrected version may include some production and typesetting errors.

2 Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi Pamukkale University Journal of Engineering Sciences Egzoz atık ısı geri kazanım sistemlerindeki ısıl enerji depoları için farklı faz değişim malzemelerinin analizi Analysis of various phase change materials for thermal energy storage in exhaust waste heat recovery systems Numan YÜKSEL 1*, Atakan AVCI 2 1Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Mimarlık-Mühendislik Fakültesi, Bursa Teknik Üniversitesi, Bursa, Türkiye. numan.yuksel@btu.edu.tr 2Makine Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Fakültesi, Uludağ Üniversitesi, Bursa, Türkiye. atakan@uludag.edu.tr Geliş Tarihi/Received: , Kabul Tarihi/Accepted: * Yazışılan yazar/corresponding author doi: /pajes Araştırma Makalesi/Research Article Öz Bu çalışmada, bir atık ısı geri kazanımı araştırılmış ve motora integre edilmiş ısı değiştirici ve ısı depolama tankında farklı faz değişim malzemeleri (Parafin, Acetamide, Palmitic, Myristic, Stearic, Na2S203 5H20, Na2HPO4 12H2O) açısından ele alınmıştır. Bu birleşik sistemde atık ısı, ısı değiştirici vasıtasıyla ısı depolama tankındaki silindirik kapsüllü faz değişim malzemesinde (FDM) depolanmaktadır. Bu sistemin yükleme süreleri, farklı egzoz giriş sıcaklıkları (175 o C, 220 o C, 275 o C, 325 o C) altında farklı faz değişim malzemeleri için teorik olarak belirlenmiştir. Bunun için, FDM li ısıl enerji depolamayı ele alan model kullanılarak hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. FDM li sistemin performansı, yükleme süresi ve oranı, geri kazanılan enerji oranı ve ısıl verimlilik gibi parametreler açısından farklı egzoz giriş sıcaklıklarında analiz edilmiştir. İntegre edilmiş sistemde atık enerji ısısının depolanmasıyla % aralığında enerji kazanılmıştır. Asitli FDM lerin yükleme süreleri, parafinle karşılaştırıldığı zaman %-36.86~3.35 daha az bulunmaktadır. Sistemde bu FDM lerin (Palmitic, Myristic, Stearic acids) kullanılmasıyla % aralığında ısıl veriminin farkının arttığı bulunmuştur. Buna karşılık acetamide ve Na2S203 5H20 kullanıldığında bu aralığın dışında değiştiği görülmüştür. Araştırma, bileşik sistemde yükleme süresinin ve oranının farklı faz değişim malzemeleri ile önemli oranda etkilendiği ve bu sürenin, FDM nin değiştirilmesiyle azaltılabileceği görülmüştür. Anahtar kelimeler: Egzoz atık ısısı, Faz değişim malzemesi, Egzoz giriş sıcaklığı, Enerji depolama Abstract In this study, the waste heat recovery was investigated and discussed in terms of different phase change materials (Paraffin, Acetamide, Palmitic, Myristic, Stearic, Na2S203 5H20, Na2HPO4 12H2O) on the heat storage tank and heat exchanger integrated into the engine. The waste heat of the combined system was stored in the phase change material (PCM) of the cylindrical capsules into the heat storage tank by means of heat exchanger. The charging times of this system were theoretically determined for the different phase change materials under the different exhaust inlet temperatures (175 o C, 220 o C, 275 o C, 325 o C). For this, the calculations were performed using the model of PCM. The system s performance of the PCM was analyzed with respect to the parameters, such as the energy rate of heat recovered, charging time and rate, and thermal efficiency, under different exhaust temperatures. The energy in the range of % is gained by storing of the waste heat in the integrated system. The charging times of PCMs of acid are around ~3.35% less when compared to that of paraffin. It is found that, by using these PCMs into the system, the difference of the thermal efficiency increases in the range of %. However, it is observed that by using acetamide and Na2S203 5H20, it changes out of the range. The investigation showed that the charging time and rate are significantly affected by different PCMs and the time can be reduced by changing the PCM. Keywords: Exhaust waste heat, Phase change material, Inlet temperature, Energy storage 1 Giriş Enerji depolama kullanımı günlük hayatın her kademesinde gün geçtikçe enerji kullanımıyla artmaktadır. Bu, sınırlı enerji kaynaklarına çözüm sağlayabilecek unsurlardan biridir. Ayrıca kirletici salınımları ve yerel, küresel ısıl problemlere de katkı sağlayabilecektir. Bunun yanında sürdürülebilir bir enerji sağlayabilmek için enerjinin verimli kullanımını ön plana çıkarmaktadır. Bu kapsamda yapılan çalışmalar arasında, sistemde gerekli olmayan veya fazla olan enerjinin farklı zamanlarda duyulur veya gizli olarak depolanması gösterilebilir. Çeşitli kaynaklar arasından egzoz gazı atık ısısı olarak atılmakta ve artan yakıt tüketimi, emisyonlara ve küresel ısınmaya sebep olarak ozon tabakasının bozulmasına neden olmaktadır. Bu gazın enerjisini, bu depolama sistemleriyle muhafaza edilebilmek ve bu şekilde ısıl verimliliği arttırılabilmek mümkündür. Bu konuda, literatürde absorbsiyonlu, ısı değiştiricili ve ikincil yanma gibi alternatif çözümler sunulmaktadır. İki ayrı çevrimde farklı sıcaklık ve basınçta iki farklı akışkanı kullanarak egzoz gazı ve soğutma için atık ısı geri kazanımı üzerine çalışılmıştır [1]. Atık ısı geri kazanımı için gövde boru tipli ısı değiştiricinin performansı araştırılmıştır [2]. Ayrıca, bir dizel motoruna absorbsiyonlu soğutma sistemini integre ederek performansı termodinamik analizle belirlenmiştir [3]. Yine, bir absorbsiyonlu soğutma ünitesi ile birlikte dizel motoru çalışmıştır [4]. Buna karşın atık ısı geri kazanımı için kullanılabilecek otomobil klimasına yönlendirilen bir prototipte yapılmıştır [5]. Ayrıca egzoz gazından atık ısı çıkarmak için gövde boru tipli bir ısı değiştiriciyi deneysel olarak çalışılmıştır [6]. Bir dizel motorun egzoz atık ısı geri kazanımında ise emisyon ve verimlilikleri üzerine ikincil yanmanın etkileri incelenmiştir [7]. İkincil yanma ve ısı değiştirici kullanımıyla karbonmonoksit (CO), NOx ve partikül (PM) ün %80, %35 ve %90 azaldığını göstermişlerdir. Bu çalışmalarla birlikte faz değişim malzemesini gizli ısı depolamalı FDM yi esas alan çalışmalar ise, ısı değiştirici tipi, enerji kazanımı ve emisyonlar açısından değerlendirilmektedir. Gizli ısı depolama sistemleri duyulur 1

3 ısıya göre enerji yoğunluğunun yüksek ve sabit faz dönüşüm sıcaklığında yüksek enerji sağlaması nedeniyle önemli hale gelmektedir. FDM olarak baryum hidroksit kullanan bir gizli ısı deposunda yapılan testlerde yanmamış hidrokarbonlarda ve CO de %40 ve %50 azaldığı bildirilmiştir [8]. Ayrıca, FDM olarak Mg(NO3) H2O ve LiNO3 tuz karışımını kullanılarak BMW için bir gizli ısı depolama sistemi geliştirilmiştir. Burada, yapılan testlerde yanmamış hidrokarbonlarda ve CO de %30 azalma olduğunu bildirmişlerdir [9]. Ayrıca, FDM ile desteklenmiş bir katalitik konvektör aracılığıyla motorun emisyonlarının azaltılması deneysel olarak araştırılmıştır [10]. Egzoz gazının ısıl enerjisi FDM de depolanarak maksimum katalitik konvektör verimliliği hedeflenmiştir. Bunun yanısıra, başlangıçta motorun yada kış şartlarında bir otobüs petrol motorun ön ısıtması için ısı depolama sistemi modellenmiş ve deneysel araştırılmıştır [11]-[12]. 5 farklı ısı değiştiricide FDM nin performansı, yükleme ve boşaltma esnasında deneysel olarak araştırılmıştır [13]. Basit bir egzoz ısı geri kazanım sistemiyle soğuk iklim şartlarında aracın >70 o C üzerindeki sıcaklıklarda dizel motorun sıcaklığı sürdürülmeye çalışmıştır [14]. Sistemde FDM tuzu kullanılarak araç test edilmiştir [14]. Farklı bir çalışma olarak, soğutucu kamyonlar için FDM kullanılan bir soğutma sistemi önerilmiştir [15]. Bu çalışmadan farklı olarak, bir FDM depolama ünitesi ve ısı değiştirici kullanan bir dizel motorunun egzoz gazından kazanılan atık ısının, enerji ve ekserji analizleri yapılmıştır [16]-[17]. Küresel kapsüllü FDM kullanarak benzer bir çalışma yapılmış ve yakıt gücünün yaklaşık %15 integre sistemde depolandığı bulunmuştur [18]. Isı değiştirici akışkanı olarak suyun kullanıldığı benzer bir çalışmayı deneysel olarak araştırılmıştır [19]. Burada yakıtın toplam enerjisinin %6.13 depolama ile geri kazanılabileceğini bildirilmiştir. Ayrıca integre edilen sistemin verimliliğinin %3.19 ve %34.15 arasında değiştiği bulunmuştur. Ayrıca bir dizel motoruna integre edilmiş ısı değiştirici ve parafin depolama tankı deneysel olarak araştırılmıştır [20]. Burada egzoz atık ısısında %6-%7 geri kazanılabileceği sonucuna varılmıştır. Farklı olarak, LPG li araçlarda buharlaştırıcı ve basınç regülâtöründeki soğuk başlama sorununu çözmek için FDM (Na2HPO4.12H2O) ile çevrilerek ısıl enerji depolanmıştır [21]. 15 saatlik soğutma periyodu sonrası, LPG li motor sorunsuz çalışabilmekte ve HC ve CO emisyonlarının %17.32 ve %28.71 azaldığı bulunmuştur. Motorun ön ısıtması için farklı bir FDM (Na2SO4.10H2O) ile ısıl enerji depolanmış ve sonuçta CO ve HC emisyonlarının %64 ve %15 azaldığı bulunmuştur [22]. Literatürdeki çalışmalarda belirli faz değişim malzemesine göre ısıl enerji depolama sistemleri deneysel olarak incelenmiş ancak farklı FDM lerin farklı egzoz gazı giriş sıcaklıkları altında etkisi ele alınmamıştır. Bu FDM ler, Parafin, Acetamide, Palmitic, Myristic, Stearic, Na2S203 5H20, Na2HPO4 12H2O dir. Bu çalışmada, bir dizel motorunda kullanılan bir ısı depolama tankı ve silindirik FDM kapsülleri kullanılarak farklı FDM lerinin yükleme süreleri teorik olarak tespit edilmiştir. Bunun için FDM depolama süresini ele alan bir model yardımıyla, 175 o C, 220 o C, 275 o C, 325 o C altında incelenmiştir. Bu depolama süreleri ile FDM nin yükleme oranı, ısı geri kazanım enerji oranı, ve sistemin ısıl verimliliği belirlenmiştir. 2 Egzoz sistemi Egzoz sistemi, dizel motoru, ısı değiştirici ve ısı depolama tankından meydana gelmektedir. Bu integre edilmiş sistem deneysel olarak farklı çalışmalarda [16],[17] araştırılmış ve Şekil 1 de gösterilmiştir. Dizel motoru, su soğutmalı, 4 stroklu, çift silindirli, 1500 rpm deki gücü 7.4 kw ve 87.5x110 mm (bore ve strok) boyutlarındadır. Sistemde egzoz gazı, bir valf vasıtasıyla ya havaya ya da ısı değiştiricisindeki castor yağına ısıl enerjisini aktarmaktadır. Yağ ise, bir pompa vasıtasıyla ısıl enerji depolama tankında sirküle etmektedir. Şekil 2 de ısı depolama tankının boyutları verilmiştir. Depolama tankı çıkışındaki kontrol valfi ise, yağın debisini kontrol etmek için kullanılmaktadır. Tank paslanmaz çelikten yapılmış olup iç boyutları 450x720 mm dir. Burada faz değişim malzemesi olarak 15 kg lık parafin ve ısı transfer akışkanı olarak 55 kg lık castor yağı kullanılmaktadır. Parafin, 320 gramlık 48 adet kapsül içerisine yerleştirmiştir. Şekil 1 ve 2 de görüldüğü üzere silindirik kapsüller, 80 mmx100 mm boyutlarında ve 4 katlı ve her bir katta 12 adet olarak yerleştirilmiştir. Isıl enerji kaybını önlemek amacıyla tank, camyünü ile yalıtılmıştır. Şekil 1: Atık egzoz sistemin şematik gösterimi [16],[17]. Şekil 2: Isı depolama tankından Ta sıcaklığındaki yağ depodan geçerken enerjinin depolanması. Bu egzoz atıklı integre sistem, motorun farklı çalışma yüklerinde (%25, %50, %75 ve %100) test edilmiştir [16],[17]. Çalışma prensibi olarak başlangıçta atmosfere bırakan egzoz gazı, motorun çalışmasından belirli süre sonra ısı değiştiricisinde dolaşmaktadır. Bu sırada motordaki yük değişimi elektrik dinamometresiyle sağlanırken diğer yandan gücü tespit edilerek belirlenmiştir. Motor hızı, 1500 rpm hızı takometre ile ölçülerek sağlanmıştır. Ayrıca yakıt tüketimi, sabit bir yakıt kütlesi (0.042 kg) için gerekli olan zaman hesaplanarak belirlenmiştir [16],[17]. Bu deneysel ölçümlerle, Sistemde egzoz gazı atık ısısı, ısı depolama tankında parafinin kullanıldığı birleşik sistem için değerlendirmiştir. Isı depolama tankında kullanılan parafinin teknik özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 2 de bu egzoz atık ısıyla oluşan yükleme oranı, ısıl verimliliği, kazanılan enerji oranı, yükleme süresi ve ısı değiştiricisindeki egzoz gazı ve yağın giriş çıkış sıcaklıkları verilmiştir. 2

4 Tablo 1: FDM olarak parafinin teknik özellikleri [16],[17]. Özellikler Değeri Ergime gizli ısısı L 214 kj/kg Özgül ısı (katı) Cpk 1.85 kj/kgk Özgül ısı (sıvı) Cps kj/kgk Isıl iletkenlik (katı) kk 0.4 W/m K Isıl iletkenlik (sıvı) ks 0.15 W/m K Yoğunluk (katı) ρk 856 kg/m 3 Yoğunluk (sıvı) ρs 775 kg/m 3 Faz dönüşüm sıcaklığı Tf o C Tablo 2: Egzoz giriş sıcaklığına bağlı parafinli birleşik sistemden alınan veriler [16],[17]. Veriler Egzoz giriş sıcaklığı Teg1 ( o C) Teg2 ( o C) Egzoz çıkış sıcaklığı Tyağ1( o C) Yağ giriş sıcaklığı Tyağ2( o C) Yağ çıkış sıcaklığı t(dk) Yükleme süresi Ey (kw) Giren yakıt enerjisi Wd (kw) Güç Eeg(kW) Egzoz ile atılan enerji EID(kW) Isı değiş. ile kazanılan Elt(kW) Isı değiş. ile kayıp Ey,t(kW) egzoz Yükleme oranı Et(kW) Toplam faydalı enerji Es(%) Kazanılan enerji ηd (%) Dizel motor verimi ηi (%) Birleşik sistem verimi To( o C) Atmosfer sıcaklığı Isıl enerji depolama modeli Bu entegre sistemde ısıl depolama tankında, yükleme sırasında kullanılan akışkan ile FDM nin özelliklerine ve depo geometrisine bağlı olarak yükleme süreleri tespit edilebilir ve sıcaklık değişimi hakkında kabul edilebilir sonuçlara ulaşabilmek mümkündür. Bununla birlikte depolamanın performansı ve/veya etkinliği ile ilgili değerlendirme yapılabilir. Bu amaçla ısı veya soğu depolama için literatürde verilen ve oluşturulan model [23]-[25] aşağıdaki varsayımlar altında kullanılabilir; Homojen bir sıcaklıkta FDM sinin olduğu, Akışkan ve FDM arasında hem iç hem de dış yüzeyde taşınım direncinin bulunduğu ve FDM cidarının direncinin malzemeye bağlı olarak önemli olacağı, Isı transferinin akışkanın depoya giriş sıcaklığında gerçekleştirdiği veya depolama tankı boyunca sıcaklık farkının sabit kaldığı, FDM deki gizli ve duyulur toplam enerji, duyulur enerji depolayan sistem olarak kabul edilerek aynı sıcaklıklar arasında sanal bir özgül ısı tanımının yapıldığı, Tank boyunca faz dönüşümü gerçekleşirken sıcaklığın sabit kaldığı, Depodan olan ısı kayıplarının ihmal edildiği, Akışkan ve FDM özelliklerinin ortalama sıcaklıklar için sabit alınabildiği. kabul edilmiştir. Bu kabuller altında problem, her bir eleman benzer durumda olduğundan ısıl gradyeni olmayan bir cismin ısınması haline dönüşmektedir. Bu modellemede silindirik elemanlı FDM içeren bir depolama tankı modeli ve sistemi, Şekil 2 deki gibi ele alınmıştır. FDM içeren elemanda FDM sıcaklığı T, akışkan sıcaklığı Ta, elemanın yüzey alanı Ay ve buna bağlı olarak akışkandan FDM ye ısı geçişi de h ortalama taşınım katsayısı olarak belirlenmiştir. Birim elemanda depolanan ısı/soğu miktarı için toplam yükleme süresi (saat), t Q m.c..ln T T m t port i a Qd h.a y T Ta ile ifade edilir [23]-[25]. Bu sistem için mt depodaki toplam silindirik kapsülün kütlesi, Ay toplam silindirik kapsülün temas yüzey alanıdır. Çarpan Qm/Qd, yükleme veya boşaltma için geçen zamanın elde edilmesi olarak kabul edilirse gerekli maksimum ısının sıvı ve katı fazlardaki toplam duyulur ısıya oranı olarak hesaplanır. Burada, Qm, FDM nin duyulur ve gizli ısısı ile elemanın duyulur ısısını, Qd FDM nin duyulur ısısını göstermektedir. Ortalama özgül ısı (Cport) ise toplam kütlenin FDM sıcaklığından akışkan sıcaklığına ulaşması için gerekli toplam ısının toplam kütle ve maksimum sıcaklık farkına oranı olarak aşağıdaki gibi, c port m. T T m f. c pfi. Ti Ta L mm. c pm. Ti Ta t i a tanımlanmıştır [23]-[25]. Burada alt indislerde belirtilen f, m, t, sırasıyla faz değişim malzemesi, kapsül malzemesi ve toplamı ifade etmektedir. Ti ve L, FDM nin başlangıç sıcaklığını ve ergime veya katılaşma gizli ısısını göstermektedir. Bu model, depolamada akışkan sıcaklığı faz değişim malzemesinin sıcaklığından (Ta>Tf) yüksekse yani ısı depolama yapılıyorsa kullanılır. Bu model ile FDM nin belli bir katılaşması veya ergimesi sırasında sürecin bölümü için gerekli sürede hesaplanabilir. Bu durumda hesaplamada, Qm ilgili bölüm için gerekli toplam ısı kabul edilerek çözümleme yapılır. Ayrıca bu ısıl enerji depolama modeliyle depolama sırasındaki yaklaşık olarak sıcaklık değişimi de tespit edilebilir. Bu model, zamana bağlı sıcaklığın değişimi olarak hem ısı hem de soğu depolama sistemlerinin deneysel çalışmalarıyla ele alınarak test edilmiştir [23]-[25]. Enerji depolama tankı ve buna bağlı olarak giriş ve çıkış enerjilerinden yararlanılarak birleşik sistemin performansı ve verimliliği bulunabilir. Burada, potansiyel, kinetik enerjilerdeki değişimler ihmal edilerek aşağıdaki bağıntılar yardımıyla tespit edilebilir. Dizel motora giren yakıtın ısıl enerjisi, yakıtın debisine ve altı ısıl değere bağlı olarak, (1) (2) Ey m y.hu (3) hesaplanabilir. Egzoz gazı ile taşınan ısıl enerji, 3

5 eg eg eg eg1 o E m.cp. T T (4) ısı değiştirici ile kazanılan ısıl enerji, ID eg eg eg1 eg2 E m.cp. T T (5) Sistemin yükleme oranı ise, E y,t m y.cp y. Ty1 Ty2 m f. Cp fi. Ti Ta L (6) t ifade edilebilir [16],[17]. Bu oran, ısı depolama tankında depolanan ısının yükleme süresine oranıdır. Isı depolama tankında yağda, faz değişim malzemesinde depolanan duyulur ve gizli ısı enerji olarak depolanmaktadır. Bu orandan toplam faydalı enerjiye ve birleşik sistemin verimine aşağıdaki gibi geçiş yapılabilir [16],[17]; Et Wd Ey,t (7) W E (8) d d y E E (9) id t y Burada, atmosfer sıcaklığı ve basıncı, deneysel çalışmada 34 o C ve 1 bar olarak verilmiştir. Ayrıca ısı değiştiricide ısı kayıpları ihmal edilmektedir. Motor ve ısı depolama tankının çevrimi boyunca akışkan sürekli hal akışı olarak ele alınmıştır. Akışkan sıcaklığı, maksimum 120 o C dir. 4 Araştırma sonuçları Farklı faz değişim malzemeleri yer alan silindirik kapsüllü ısı depolama tankının yükleme süreleri tespit edilmiştir. Bu faz değişim malzemeleri, parafin, acetamide, palmitic, myristic, stearic, Na2S203 5H20, Na2HPO4 12H2O olup bu FDM lerin teknik özellikleri Tablo 3 te aşağıdaki gibi verilmiştir. Bu kapsüllere FDM ler aynı miktarda yerleştirilmiş ve kapsülün paslanmaz çelikten yapılmış halde birleşik motorun farklı egzoz giriş sıcaklıklarında (175 o C, 220 o C, 275 o C ve 325 o C) yükleme süreleri tespit edilmiştir. Bu paslanmaz çelik kapsüllerin, fatty asit olarak bilinen bazı faz değişim malzemelerine karşı dirençli olduğu belirlenmiştir [32]. Yükleme süreleri, model denklem (1) ve (2) de faz değişim malzemelerinin Tablo 3 teki ve silindirik kapsülün Tablo 4 teki özellikleri kullanılarak tespit edilmiştir. Bu sürelerden, parafin içeren deneysel çalışma [16],[17] için belirlenmiş sürenin %±1 aralığında sonuçlar verdiği görülmüştür. Bu süreler, farklı egzoz giriş sıcaklıklarında farklı malzemeler için Şekil 3 te verilmiştir. Şekil 3 incelendiğinde acetamide kullanımı yükleme süresini arttırırken Na2HPO4 12H2O kullanımı yükleme süresini azalttığı görülmektedir. Bu değişimin faz dönüşüm sıcaklıklarından kaynaklandığı actematide (82 o C) Stearic asit (55.1 o C ve 57 o C) ve Na2HPO4 12H2O (36 o C) malzemeleriden ve sistemin sıcaklığına bağlı olarak ele alınması gerektiği anlaşılmıştır. Elde edilen bu ısı yükleme sürelerine bağlı olarak denklem (6), (8) ve (9) kullanılarak ısı değiştiricili ve ısı depolamalı dizel motorun diğer parametreleri bulunabilir. Bu bağıntılar yardımıyla farklı egzoz giriş sıcaklıklarına göre elde edilen yükleme oranları, enerji kazanım yüzdeleri ve ısıl verimler Şekil 4, 5 ve 6 da gösterilmiştir. Şekil 4 incelendiğinde integre edilmiş sistemin yükleme oranları farklı FDM ler azabileceği gibi artabilmektedir. Kullanılan asitli FDM ler ile benzer ve yakın oranlar elde edilebilirken acetamide daha az ve diğer FDM ler (Na2S203 5H20, Na2HPO4 12H2O) daha fazla yükleme oranları göstermektedir. Na2HPO4 12H2O kullanımında, bu malzemenin düşük faz dönüşüm sıcaklığı nedeniyle yükleme süresi azalmış ve dolayısıyla da yükleme oranı sıra dışı (14.82 kw kw arası) artmıştır. Egzoz giriş sıcaklıkları ise her bir malzemenin yükleme oranlarını arttırarak farklı bir etkide bulunmaktadır. Duyulur ısının etkisiyle bir önceki sıcaklığa göre %37 ve %82 aralığında yükleme oranları gerçekleşmektedir. Kazanılan enerji, birleşik sistemde atık enerji ısısının depolanmasıyla sadece bazı asitlerle % aralığında enerji kazanılmıştır [34]. Ancak, Stearic asit ve diğer FDM ler (Na2S203 5H20) kullanıldığında Şekil 5 teki gibi bu aralık genişlemiştir. Aynı şekilde Na2HPO4 12H2O malzemesinin kullanımı faz dönüşüm sıcaklığı ve buna bağlı enerji yüzdesine farklı etkileri nedeniyle ele alınmamıştır. Tablo 3: Farklı FDM ler ve termofiziksel özellikleri. Özellikler FDM acetamide myristic asit palmitic asit Ergime gizli ısısı J/kg J/kg J/kg Özgül ısı (katı) 1940 J/kg K 2800 J/kg 2200 J/kg K Özgül ısı (sıvı) 1940 J/kg K 2400 J/kg 2500 J/kg K Isıl iletkenlik 0.43 W/mK 0.2 W/mK 0.22 W/mK (katı) Isıl iletkenlik 0.25 W/mK 0.2 W/mK 0.16 W/mK (sıvı) Faz D. Sıcaklığı 82 o C 54 o C 61 o C Yoğunluk (katı) 1159 kg/m kg/m 3 - Yoğunluk (sıvı) 998 kg/m kg/m 3 - Kaynaklar [26],[27] [27],[28] [28],[29] Na2HPO4 12H2O Stearic asit Stearic 2 asit Na2S203 5H J/kg J/kg J/kg J/kg 1690 J/kg K 2800 J/kg K 1600 J/kg 1460 J/kg K 1940 J/kg K 2400 J/kg K 2200 J/kg 2400 J/kgK a W/mK 0.2 W/mK 0.172W/mK 0.6 W/mK W/mK 0.2 W/mK 0.172W/mK 0.6 W/mK 36 o C 57 o C 55.1 o C 48 o C 1520 kg/m kg/m kg/m kg/m kg/m kg/m kg/m kg/m 3 [30] [28] [26] [31] a: 3050 J/kg K ile birlikte verilmiş ancak diğeri kullanılmıştır. Tablo 4: Silindirik paslanmaz çelik kapsülün özellikleri. Termofiziksel Değerler Boyutlar Değerleri Yoğunluk 8000 kg/m 3 mm kg Özgül ısı 500 J/kg K Ay m 2 Isıl iletkenlik 15.8 W/mK Dxh 0.08x0.1 m Not: Malzeme özellikleri, kaynaklardan [16],[17],[33] alınmıştır. 4

6 Kazanılan Enerji (%) Yükleme Oranı (kw) Isıl Verimlilik (%) Yükleme Süresi (dk) Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, XX(X), XX-XX, 20XX Egzos Giriş 220 Sıcaklıkları 275 ( o C) 325 Şekil 3: Farklı egzoz giriş sıcaklıklarına göre depolama tankında farklı FDM lerin yükleme süreleri. 10 Parafin Acetamide Parafin Acetamide Palmitic asit Şekil 5 incelendiğinde birleşik sistemin atık ısıyla kazandırdığı enerji oranları, farklı FDM li ve 275 o C sonrası şartlar olarak ele alınabilir. Buna göre kazanılan enerji değişimi bir önceki sıcaklığa göre o C aralığında daha az görülebilir. Bu farklılık, asitli ve parafinli FDM ler ile kazanılan enerji yüzdelerinde de %10-16 aralığında göstermektedir. 275 o C egzoz giriş sıcaklık etkisiyle bu farklılık %22 ye kadar çıkmaktadır. Buna karşılık acetamide kullanımında % aralığında değişirken Na2S203 5H20 FDM yle %21.5-%33.5 aralığında veya daha fazla etkide bulunmaktadır. Isıl verimlik değerleri incelendiğinde, katkısının oransal olarak farklılıklar Şekil 6 da görülebilecektir. Birleşik sistemde atık enerji ısısının depolanmasıyla farklı egzoz giriş sıcaklıklarının bir önceki sıcaklığa göre % aralığında (acetamide ve Na2S203 5H20 FDM ler dışında) ısıl verimlilik değişimi gözlenmektedir. Bu değişim, acetamide kullanımında % iken diğer FDM kullanımıyla % tir. Aynı egzoz giriş sıcaklığında FDM siz sisteme göre ısıl verimlilik farkları, en az %3.5 ve en fazla %33.5 ye ulaşmaktadır. 100 Parafin Acetamide 5 Palmitic asit Myristic asit Stearic asit Egzos Giriş Sıcaklıkları ( o C) Şekil 4: Farklı egzoz giriş sıcaklıklarına göre ısı depolama tankında farklı FDM lerin yükleme oranları Parafin Acetamide Palmitic asit Myristic asit Stearic asit Egzos Giriş Sıcaklıkları ( o C) Şekil 5: Farklı egzoz giriş sıcaklıklarına ve FDM lere göre birleşik sistemden kazanılan enerji yüzdesi Egzos Giriş 220 Sıcaklıkları 275 ( o C) 325 Şekil 6: Farklı egzoz giriş sıcaklıklarına ve FDM lere göre birleşik sistemin verimliliği Birleşik sistemde FDM olarak parafin yerine asitli FDM lerin kullanılmasıyla %-6.82~ aralığında yükleme oranı artarken %-36.82~%3.35 yükleme süresinin azaldığı bulunmuştur. Bu oranların Na2S203 5H20 ile daha da arttığı buna karşılık acetamide kullanıldığında ters olarak etki ettiği görülmüştür. Isıl verimliliklerin, her bir FDM için arttığı görülebilmektedir. Bu grafiklerden parafin yanında palmitic asit, myristic asit, stearic asit kullanımın dizel motordaki ısıl depolama tankında uygun faz değişim malzemeleri olabileceği görülmektedir. Bu durum, kazanılan enerji oranları ve ısıl verimin artışı açısından da görülebilir. Ayrıca yapılan referans kaynaklara [8]-[10],[21],[22] göre farklı faz değişim depolama sistemleri kullanımıyla HC ve CO emisyonlarının azalabileceği söylenebilir. Diğer FDM lerin teorik değerlerin yüksekliği deneysel ve depolama malzemesiyle uyumluluğu test edilmesiyle netliği görülebilir. Acetamide kullanımı, yükleme oranlarını azaltması ve süreleri arttırması nedeniyle farklı sistemlerde ele alınabilir. Büyük kapasite ve güçteki motora bağlı ısıl geri kazanım uygulamalarında [16],[17] ısıl ve enerji verimlilikleri yanında ısıl enerji geri kazanım miktarları (%10-15) artarken aynı sıcaklığa ulaşma zamanları azalmaktadır. Buna karşın soğuk motor problemli sistemlerde ön ısıtma ısıl geri kazanımlarla 5

7 yapılarak aşılabilir [21]. Soğuk depolu kapasiteli araçlarda enerji maliyetlerinin azaldığı gözlenmiştir [15]. Bununla beraber FDM li deponun enerji yükünün yanında kütlesel ağırlığın önem kazandığı yerlerde (araçlar gibi) ağırlıkla HC ve CO değerlerinin değişebilmesi nedeniyle dikkatli ele alınması gerekmektedir [21]. 5 Sonuç Bu çalışmada, ısı değiştiricili ve ısı depolama tanklı dizel motorunda atık ısının farklı faz değişim malzemeleri ile depolanması ele alınmıştır. Bu sistemin, çevresel etkinin yanında kazanılan enerjiyle birlikte enerjinin verimli kullanımı açısından önemli bir etkisinin olacağı anlaşılmıştır. Sonuç olarak parafin, myristic asit, palmitic asit, stearic faz değişim malzemeleri, birleşik sisteme %10.06-%22.82 aralığında enerji kazandırdığı ve ısıl verimin arttığı bulunmuştur. Yükleme süreleri %-36.82~%3.35 azalmaktadır. Bununla birlikte faz dönüşüm sıcaklığı ve akışkan sıcaklığı farkının azalmasıyla yükleme süresi (acetamide) artmıştır. Bu sistemde Na2S203 5H20 yükleme süresini azaltması, yükleme oranı, kazanılan enerji yüzdesini ve birleşik sistem ısıl verimi arttırması nedeniyle uygun bir malzemedir. Bu yükleme süresinin, FDM nin faz dönüşüm sıcaklığına bağlı olarak değiştiği ve FDM nin sistem sıcaklığı dikkate alınarak seçilmesinin uygun olduğu görülmüştür. Ancak birleşik sistem, doğrudan enerji üretimi için büyük oranda yükleme süresi gerektirmektedir. Bu süre ise, FDM nin değiştirilmesiyle ve depolama tankının direkt olarak kullanılmasıyla azaltılabilir. 6 Kaynaklar [1] Anderson LZ, Robert Nation H. Waste Heat Recovery System for an Internal Combustion Engine. United States Patent, 4351, 155, [2] Morcos VH. Performance of shell-and-dimpled-tube heat exchangers for waste heat recovery. Heat Recovery Systems and CHP, 8(4), , [3] Mostafavi M, Agnew B. Thermodynamic analysis of combined diesel engine and absorption refrigeration unitnaturally aspirated diesel engine. Applied Thermal Engineering, 17(5), , [4] Talbi M, Agnew B. Energy recovery from diesel engine exhaust gases for performance enhancement and air conditioning. Applied Thermal Engineering, 22(6), , [5] Zhang LZ. Design and testing of an automobile waste heat adsorption cooling system. Applied Thermal Engineering, 20(1), , [6] Desai AD, Bannur PV. Design, fabrication and testing of heat recovery system from diesel engine exhaust. Journal of the Institution of Engineers, 82, , [7] Lee DH, Lee JS, Park JS. Effects of secondary combustion on efficiencies and emission reduction in the diesel engine exhaust heat recovery system. Applied Energy, 87(5), , [8] Schatz O. Cold start improvement by use of latent heat stores. Automotive Engineering Journal, , [9] Bridgegate Ltd. Internal Technology Document. Authorized dealership of BMW (GB) Ltd, Chesterfield, 1-4, [10] Korin E, Reshef R, Tshernichovsky D, Sher E. Reducing cold start emission from internal combustion engines by means of a catalytic converter embedded in a phase change material. Proc. Inst. Engrs., 213(6), , [11] Vasiliev LL, Burak VS, Kulakov AG, Mishkinis DA, Bohan PV. Heat storage device for pre-heating internal combustion engines at start-up. International Journal Thermal Sciences., 38(1), , [12] Vasiliev LL, Burak VS, Kulakov AG, Mishkinis DA, Bohan PV. Latent heat storage modules for preheating internal combustion engines: Application to bus petrol engine. Applied Thermal Engineering, 20(10), , [13] Medrano M, Yilmaz MO, Nogues M, Martorell I, Roca J, Cabeza LF. Experimental evaluation of commercial heat exchangers for use as PCM thermal storage systems. Applied Energy, 86(10), , [14] Kauranen P, Elonen T, Wikström L, Heikkinen J, Laurikko J. Temperature optimisation of a diesel engine using exhaust gas heat recovery and thermal energy storage (Diesel Engine with Thermal Energy Storage). Applied Thermal Engineering, 30(6-7), , [15] Liu M, Saman W, Bruno F. Development of a novel refrigeration system for refrigerated trucks incorporating phase change material. Applied Energy, 92, , [16] Pandiyarajan V, Chinna Pandian M, Malan E, Velraj R, Seeniraj RV. Experimental investigation on heat recovery from diesel engine exhaust using finned shell and tube heat exchanger and thermal storage system. Applied Energy, 88(1), 77-87, [17] Pandiyarajan V, Chinnappandian M, Raghavan V, Velraj R. Second law analysis of a diesel engine waste heat recovery with a combined sensible and latent heat storage system. Energy Policy, 39(10), , [18] Subramanian SP, Pandiyarajan V, Velraj R. Experimental analysis of a PCM based I.C. engine exhaust waste heat recovery system. International Energy Journal, 5(2), 81-92, [19] Gopal KN, Subbarao R, Pandiyarajan V, and Velraj R. Thermodynamic analysis of a diesel engine integrated with a PCM based energy storage system. International Journal of Thermodynamics, 13(1), 15-21, [20] Bibin C, Seenikannan P. Experimental investigation on exhaust waste heat recovery from IC engines. International Conference on Intelligent Science & Technology (SUN IIST-2011), Sun College of Engineering and Technology, Sun Nagar, Nagercoil, India, [21] Gumus M, Ugurlu A. Application of phase change materials to pre-heating of evaporator and pressure regulator of a gaseous sequential injection system. Applied Energy, 88(12), , [22] Gumus M. Reducing cold-start emission from internal combustion engines by means of thermal energy storage system. Applied Thermal Engineering, 29(4), , [23] Yüksel N. Enerji Depolama Sistemlerinin Modellenmesi ve Optimizasyonu. Yüksek Lisans Tezi, Uludağ Üniversitesi, Bursa, Türkiye, [24] Yüksel N, Avcı A. Enerji depolama sisteminin modellenmesi. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 2(23), 66-74, [25] Yüksel N, Avci A, Kilic M. A model for latent heat energy storage systems. International Journal of Energy Research, 30(14), , [26] Sharma A, Chen CR, Murty VVS, Shukla A. Solar cooker with latent heat storage systems: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(6-7), ,

8 [27] Xia L, Zhang P. Thermal property measurement and heat transfer analysis of acetamide and acetamide/expanded graphite composite phase change material for solar heat storage. Solar Energy Materials and Solar Cells, 95(8), , [28] Kaygusuz K, Sari A. Thermal energy storage performance of fatty acids as a phase change material. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization and Environmental Effects, 28, , [29] Wang J, Xie H, Xin Z, Li Y, Chen L. Enhancing thermal conductivity of palmitic acid based phase change materials with carbon nanotubes as fillers. Solar Energy, 84(2), , [30] Thermal-Fluids Central. Thermophysical Properties: Phase Change Materials. Na2HPO4 12H2O. x.php/thermophysical_properties:_phase_change_materi als ( ). [31] Bajnóczy G, Gagyi Pálffy E, Prépostffy E, Zöld A. Thermal properties of a heat storage device containing sodium acetate trihydrate. Periodica Polytechnica Chemical Engineering, 39(2), , [32] Sarı A, Kaygusuz K. Some fatty acids used for latent heat storage: Thermal stability and corrosion of metals with respect to thermal cycling. Renewable Energy, 28(6), , [33] Mills KC. Recommended Values of Thermophysical Properties For Selected Commercial Alloys. 1 st ed. Abington Cambridge, England, Woodhead Publishing, [34] Yüksel N, Avcı A. "Bir dizel motorun egzoz atık ısı geri kazanımında faz değişim malzemesi nin etkisi". 6. Otomotiv Teknolojileri Kongresi, Bursa, Türkiye, Haziran