TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2006 (3) 11-23 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Makale M.Necdet YILDIZ*, İrfan ALAN** *Ege Üniversitesi, Ege MYO, Endüstriyel Elektronik Programı, 35100-Bornova / İZMİR **Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, 35100-Bornova / İZMİR ÖZET Bu makale, durgun veya akmakta olan sıvıların ısıtılmasında kullanılmakta olan rezistanslı ısıtma yöntemine alternatif olarak daha güvenli, daha hızlı ve daha verimli bir ısıtma yapabilmek amacıyla geliştirilmekte olan indüksiyonla sıvı ısıtma yöntemiyle ilgili yapmış olduğumuz deneysel bir çalışmanın ayrıntılarını ve ilk sonuçlarını içermektedir. Bu deneysel çalışmada, doğrudan ve hızlı su ısıtmak amacıyla, 220V-50Hz şehir şebekesinde çalışan 2,2kW lık bir indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği kurulmuş ve çeşitli sıvı akış debilerinde denenmiştir. Elde edilen ilk sonuçlar indüksiyonla sıvı ısıtma yönteminin klasik yötemlere alternatif olarak su ve farklı sıvıların ısıtılmasında ve işlenmesinde rahatlıkla kullanılabileceğini göstermektedir. Anahtar Kelimeler: İndüksiyonla Isıtma, Sıvıların İndüksiyonla Isıtılması. 1. GİRİŞ Gerek sanayide gerekse sanayi dışı uygulamalarda sıvıların ısıtılması için rezistanslı ısıtma yöntemi yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu yöntemde ısıtılmak istenen sıvının içine veya sıvının geçtiği hata yerleştirilen çeşitli güç, şekil ve boyutlardaki rezistans tüpleri genellikle doğrudan ac gerilimle enerjilendirilerek ısıtılmakta, bu sayede de rezistansın içinde bulunduğu sıvının ısınması sağlanmaktadır. Rezistanslı sıvı ısıtma yönteminde belli başlı üç temel problem bulunmaktadır. Bu problemlerden bir tanesi özellikle durgun suyun ısıtılması uygulamalarında cevap süresinin çok yavaş olmasıdır. Diğer problem, özellikle su ısıtma uygulamalarında rezistans yüzeyinin kireç bağlaması bu nedenle de hem cevap süresinin daha da uzaması hem de rezistans tüpünün kolayca patlaması sonucu ısıtılan sıvıya direk elektrik kaçağı riskinin oluşmasıdır. Başka bir problem ise rezistansın ısıtılacak sıvının içine veya geçtiği hatta uygun şekilde yerleştirilme problemidir. Yukarıda açıklanan problemleri tamamen yok etmek, daha güvenli, daha hızlı ve daha yüksek performanslı bir ısıtma sistemi geliştirmek amacıyla, rezistanslı sıvı ısıtma yöntemine alternatif olarak indüksiyonlu sıvı ısıtma yöntemi geliştirilmeye çalışılmaktadır. Bu yöntemde, ısıtılmak istenen sıvı içerisine, kullanılacak yere göre geliştirilen, çeşitli şekillerde ferromanyetik malzeme yüzer bir tarzda ve şebeke elektriği ile doğrudan bir bağlantısı olmayacak şekilde yerleştirilmektedir. Sıvı içine yerleştirilen ferromanyetik malzeme, sıvı kabının dışında oluşturulan ve sıvının içinden yoğun olarak geçmesi sağlanan, yüksek frekanslı yoğun bir manyetik alana maruz bırakılarak ısıtılmaktadır. Yoğun manyetik alana maruz bırakılan demir, çelik, nikel vb. ferromanyetik malzemelerde histerezis ve eddy kayıpları oluşmaktadır. Ferromanyetik malzemelerde oluşan bu kayıplar ısıya dönüşmekte ve malzemenin çok hızı

Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) 11-23 bir şekilde ısınmasına yol açmaktadır. Ferromanyetik malzeme etrafında bulunan veya etrafından geçirilen sıvı, bu malzeme üzerinde oluşan ısıyı alarak ısınmaktadır. Ferromanyetik malzeme üzerinde oluşan ve malzemenin ısınmasını sağlayan kayıplar, malzemenin maruz kaldığı manyetik alanın frekansıyla doğru orantılı olarak değişmektedir. Bu nedenle indüksiyonla sıvı ısıtma yönteminde genellikle yüksek frekanslar tercih edilmektedir. Fakat yüksek frekanslarda artan deri etkisi nedeniyle ısınma derinliğinin değişmesi, sıvı içine yerleştirilen malzemenin şekline bağlı olarak farklı frekanslarda çalışmaya olanak tanımaktadır. İlerleyen bölümlerde indüksiyonla sıvı ısıtma konusunda temel bilgiler verildikten sonra hızlı sıvı ısıtma amacıyla kurulan deney düzeneğinin yapısı ve deneysel çalışmalarda alınan sonuçlar değerlendirilmiştir. 2. İNDÜKSİYONLA SIVI ISITMA SİSTEMİNİN TEMEL YAPISI ve ÇALIŞMA PRENSİBİ İndüksiyonla sıvı ısıtma işlemini gerçekleştirebilmek için kurulması gereken sistemin genel blok şeması Şekil 2.1 de gösterilmiştir. Isıtılacak Sıvı Girişi Doğrultucu ve Filtre Devresi Yüksek Frekanslı İnvertör Devresi Yüksek Frekanslı Rezonans Devresi İndüksiyonlu Sıvı Isıtma Düzeneği Şebeke Enerji Girişi Isınan Sıvı Çıkışı Şekil 2.1 İndüksiyonla Sıvı Isıtma Sisteminin Genel Blok Şeması Şekil 2.1 den de görüleceği üzere sistem doğrudan şehir şebekesiyle beslenmektedir. Şebekeden alınan alternatif gerilim, doğrultucu ve filtre devresi yardımıyla düzgün bir doğru gerilime dönüştürülmektedir. Elde edilen bu düzgün doğru gerilim, yüksek frekanslı invertör devresi aracılığı ile seçilen rezonans frekansında rezonansa gelecek olan rezonans tank devresi üzerine anahtarlanmaktadır. Bu şekilde yüksek frekanslı rezonans tank devresi yüksek frekanslı invertör devresi tarafından rezonans frekansında uyarılır. Rezonans tank devresinin bobini içerisine ferromanyetik malzemeyi kabul edecek boyuttaki sarımlardan oluşturulur. Rezonans frekansında uyarılan tank devresi bobin ve kapasitesinden akan rezonans devresi akımı bobin etrafında ve bobini halkalayacak tarzda yüksek yoğunluklu bir manyetik alan oluşturur. İndüksiyonla ısıtmaya sağlayacak olan bu güçlü manyetik alanın etkin bir şekilde ısıtma işleminde kullanılabilmesi için, ısıtılacak ferromanyetik metal malzemenin, rezonans tank devresi bobininin içerisine yerleştirilmesi gerekmektedir. Bu nedenle rezonans tank devresi bobini, ferromanyetik metal malzemenin içine yerleştirildiği sıvı kabının veya kanalının üzerine sarılmalıdır. Bu sayede ısıtılmak istenen sıvı, indüksiyonla ısınan metal malzeme etrafından geçirilerek ısıtılmış olur. 3. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İndüksiyonla sıvı ısıtmayla ilgili çalışmalar 1980 li yıllarda yoğunluğu fazla olan sıvıların boru içinde rahat akışını sağlamak amacıyla başlamıştır. Bugüne kadar indüksiyonla sıvı ısıtma ile ilgili yapılan çeşitli deneysel çalışmalarda yüksek frekanslı invertör devresi, yüksek frekanslı rezonans devresi ve 12

Yıldız, M.N., Alan, İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (3) 11-23 indüksiyonlu ısıtma düzeneği konusunda farklı uygulamalar gerçekleştirilmiş, bu uygulamalarda su, yağ vb. sıvıların indüksiyonla ısıtılması sağlanmış ve oluşturulan bu sistemlerin performans testleri yapılmaya çalışılmıştır. Yapılmış olan değişik araştırma çalışmalarında, indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği olarak dört farklı uygulama ön plana çıkmaktadır. Bu uygulamalar, sıvının geçtiği boruyu doğrudan ısıtma, bir tüp içine yerleştirilmiş metal plakaları ısıtma, bir tüp içine yerleştirilmiş delikli bloğun ısıtılması ve bir tüp içine yerleştirilmiş rulo şeklindeki metalin ısıtılması uygulamalarıdır. Bu farklı uygulamalar aşağıda kısaca açıklanmaya çalışılmıştır. 3. 1. Sıvıyı Taşıyan Borunun Isıtılması Bu uygulamada, Şekil 3.1 de görüldüğü gibi ayrıca başka bir ısıtma parçası kullanılmaksızın, ısıtılmak istenen sıvının içinden geçirildiği metal boru indüksiyonla ısıtılmaktadır. Isıtılacak Sıvıyı Taşıyan Metal Boru İndüksiyon Bobini Şekil 3.1 Sıvıyı Taşıyan Borunun Isıtılması Yöntemi Şekilden görüldüğü gibi, paslanmaz çelik malzemeden yapılmış olan ve ısıtılmak istenen sıvıyı taşıyan borunun etrafına sarılan rezonans devresi bobininin oluşturduğu güçlü manyetik alan metal borunun indüksiyonla ısınmasını sağlamakta, boruda oluşan bu ısının, boru içinden geçen sıvı tarafından alınmasıyla da sıvı ısıtılmaktadır[1]. Bu çalışma, indüksiyonla ısıtmayı daha çok yüksek yoğunluklu sıvıların boruyla taşınması sırasında ısıtılarak akışkanlığının arttırlması amacıyla yapılmıştır. 3. 2. Sıvı İçindeki Metal Plakaların Isıtılması Bu uygulamada, Şekil 3.2 de görüldüğü gibi manyetik olmayan malzemeden yapılan bir tüp içine yerleştirilmiş olan metal plakalar indüksiyonla ısıtılmaktadır. Şekilden görüldüğü gibi, paslanmaz çelik malzemeden yapılmış olan ince metal plakalar, aralarında boşluklar kalacak şekilde paketlenerek bir ısıtma parçası oluşturulmuş ve bu parça manyetik olmayan fakat ısıya dayanıklı olan seramik, teflon vb. gibi bir malzemeden yapılmış olan bir tüp içine yerleştirilmiştir[2]. Tüpün dışına sarılmış olan rezonans devresi bobininin (indüksiyon bobini) enerjilendirilmesiyle oluşan güçlü manyetik alan metal plakalardan oluşan ısıtma parçasının indüksiyonla ısınmasını sağlamakta, ısıtma parçası da içinde bulunduğu ve sürekli sirkülasyon halinde olan sıvının ısınmasını sağlamaktadır. 3. 3. Sıvı İçindeki Delikli Bloğun Isıtılması Bu uygulamada, Şekil 3.3 de görüldüğü gibi manyetik olmayan malzemeden yapılan bir tüp içine yerleştirilmiş olan delikli blok malzeme indüksiyonla ısıtılmaktadır. 13

Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) 11-23 Isıtılacak Sıvının Geçirildiği Manyetik Olmayan Kap İndüksiyon Bobini Şekil 3.2 Sıvı İçindeki Metal Plakaların Isıtılması Yöntemi Isıtılacak Sıvının Geçirildiği Manyetik Olmayan Kap İndüksiyon Bobini Şekil 3.3 Sıvı İçindeki Delikli Blok Malzemenin Isıtılması Yöntemi Şekilden görüldüğü gibi, karbon seramik malzemeden yapılmış olan silindir şeklindeki blok üzerinde delikler açılmasıyla oluşturulan ısıtma parçası, manyetik olmayan fakat yüksek ısıya dayanıklı olan bir malzemeden yapılmış olan bir tüp içine yerleştirilmiştir[3,4,5]. Bu çalışmada da yine tüpün dışına sarılmış olan rezonans devresi bobininin (indüksiyon bobini) enerjilendirilmesiyle oluşan güçlü manyetik alan bu defa karbon malzemenin indüksiyonla ısınmasını sağlamakta, ısıtma parçası da içinde bulunduğu sıvının ısınmasını sağlamaktadır. 3. 4. Sıvı İçindeki Rulo Şeklinde Sarılmış Metalin Isıtılması Bu uygulamada, Şekil 3.4 de görüldüğü gibi yine manyetik olmayan malzemeden yapılan bir tüp içine bu defa rulo şeklinde sarılmış metal malzeme yerleştirilmiştir. Isıtılacak Sıvının Geçirildiği Manyetik Olmayan Kap İndüksiyon Bobini Şekil 3.4 Sıvı İçindeki Rulo Şeklinde Sarılmış İnce Metal Malzemenin Isıtılması Yöntemi Şekilden görüldüğü gibi, ince metal malzemenin rulo şeklinde sarılmasıyla oluşturulan silindir şeklindeki ısıtma parçası, manyetik olmayan fakat yüksek ısıya dayanıklı olan polikarbonat malzemeden yapılmış olan bir tüp içine yerleştirilmiştir[6]. Bu tüpün dışına sarılmış olan rezonans devresi bobininin 14

Yıldız, M.N., Alan, İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (3) 11-23 (indüksiyon bobini) enerjilendirilmesiyle oluşan güçlü manyetik alan rulo şeklinde sarılmış ince paslanmaz çelik malzemenin indüksiyonla ısınmasını sağlamakta, bu da ısıtma parçasının içinde bulunduğu ve sürekli sirkülasyon halinde olan sıvının ısınmasını sağlamaktadır. 4. İNDÜKSİYONLA SU ISITMA İÇİN KURULAN DENEY DÜZENEĞİ Bizim çalışmalarımız sırasında kurulan ve şebeke üzerinden beslenebilen indüksiyonla su ısıtma düzeneğinin ayrıntılı blok yapısı Şekil-4.1 de görülmektedir[7]. Su Girişi Doğrultucu ve Filtre Devresi Yüksek Fr. İnvertör İndüksiyonlu Su Isıtıcı 220V-50Hz Şebeke Su Çıkışı Şekil 4.1 İndüksiyonla Ani Su Isıtma Düzeneğinin Blok Yapısı. Düzenekte, şebeke veya hibrid güç kaynağından gelen AC gerilim doğrultucu ve filtre devresinde DC gerilime dönüştürülmektedir. Buradan elde edilen DC gerilim yüksek frekanslı (13,43kHz) köprü invertör tarafından yüksek frekanslı manyetik alan oluşturmak üzere bu frekansta rezone olacak şekilde tasarlanmış olan paralel rezonans devresi üzerine anahtarlanmaktadır. Rezonans devresi bobini üzerinde oluşan yüksek frekanslı manyetik akı, indüksiyonlu su ısıtıcı düzeneği içine yerleştirilmiş olan ferromanyetik metal malzemeyi ısıtmakta dolayısıyla da düzenek içinden geçirilen suyun ısınmasını sağlamaktadır. Doğrultucu ve Filtre Devresi İndüksiyonlu ısıtma düzeneğinin girişinde bulunan ve şebekeden gelen 220V-50Hz gerilimi doğrultup filtre eden devre Şekil-4.2 de görülmektedir. Şekilden görüldüğü gibi devre girişine gelen 220V-50Hz gerilim bir köprü doğrultucuda doğrultulduktan sonra bir LC filtreden geçirilerek dalgalılık miktarı azaltılmıştır. Doğrultucu ve filtre devresinin gücü 2,2kW lık indüksiyonlu ısıtıcının ihtiyacını karşılayacak şekilde 2,75kW olarak seçilmiştir. L 220V 50Hz Giriş Köprü Diyot C + - Şekil 4.2 Doğrultucu ve Filtre Devresi Yapısı. 15

Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) 11-23 Yüksek Frekanslı İnvertör Devresi Yüksek frekanslı invertör devresi, girişine uygulanan DC gerilimi istenilen frekansta (13,43kHz) anahtarlayarak AC gerilime dönüştüren bir devredir. Rezonanslı devrelerde rezonans frekansında anahtarlama yapılarak yüksek frekanslı manyetik akı üretilebilmektedir. Devrenin ayrıntılı blok yapısı Şekil-4.3 de görülmektedir. Şekilden görüldüğü gibi güç devresi olarak bir köprü invertör kullanılmıştır. Köprü invertörü uyarmak için ise bir PWM üreteci ve sürücü devresi kullanılmıştır. PWM üreteci kullanıcıdan gelen kontrol bilgilerine ve geribesleme hattından gelen sıcaklık, akım ve gerilim bilgilerine göre köprü invertörü kontrol etmektedir. Kontrol Girişi PWM Üreteci ve Sürücü Devresi Köprü İnvertör Paralel Rezonans Devresi Geribesleme Girişi DC Besleme Girişi Manyetik Akı Çıkışı Şekil 4.3 Yüksek Frekanslı İnvertör Devresi Blok Yapısı. Doğrultucu ve filtre devresinden elde edilen DC gerilimle beslenen köprü invertör çıkışına ise bir paralel rezonans devresi bağlanmıştır. Köprü invertör devresinin yükü konumundaki paralel rezonans devresi bobini etrafında indüksiyonla ısıtmayı sağlayacak olan yüksek frekanslı manyetik akı elde edilmektedir. Yüksek frekanslı invertör devresinin bir fotoğrafı Şekil-4.4 de görülmektedir. Şekil 4.4 Yüksek Frekanslı İnvertör Devresinin Fotoğrafı. Yüksek frekanslı invertörün güç devresi olan ve girişine verilen doğrultulmuş gerilimi paralel rezonans devresi üzerine anahtarlayan köprü invertör bağlantısı ise Şekil-4.5 de görülmektedir. Şekilden görüldüğü gibi köprü invertör yapısında anahtarlama elemanı olarak ler kullanılmıştır. Yüksek akım seviyelerinde düşük iletim kayıpları ve yine yüksek anahtarlama frekanslarında düşük anahtarlama kayıpları nedeniyle bu devrede IXYS firmasına ait IXDN 75N120 kod numaralı ve DSEI60 hızlı diyot tercih edilmiştir. Köprü invertörün uyardığı ve yüksek frekanslı manyetik akıyı üretmek için kullanılan paralel rezonans devresi de Şekil-4.6 da görülmektedir. Şekilden görüldüğü gibi C kapasitesi ve L endüktansından oluşan paralel rezonans devresi köprü invertör çıkışına yük olarak bağlanmaktadır. Bu durumda köprü invertör, çıkışına bağlı olan paralel rezonans devresinin rezonans frekansında uyarıldığı takdirde devre rezonansa gelecek ve Şekil-4.6 da görüldüğü gibi bir çıkış gerilimi ve manyetik akı oluşacaktır. 16

Yıldız, M.N., Alan, İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (3) 11-23 DC Kaynak Girişi 1 AC Çıkış 3 4 2 Şekil 4.5 Köprü İnvertör Devresi Bağlantısı. Köprü İnvertör Çıkışından C L Φ Şekil 4.6 Paralel Rezonans Devresi. Şekil-4.6 da görülen paralel rezonans devresi içinde yüksek seviyeli ve yüksek frekanslı bir sirkülasyon akımı dolaşmaktadır. Bu akımı taşıyabilmek amacıyla devrede kullanılan endüktans ve kapasitansın akım seviyesine ve frekansına göre seçilmesi gerekmektedir. Rezonans devresindeki L endüktansı bakır boru veya litz kablosundan yapılabilmektedir. Daha önceden paralel rezonans devresinin performansı ile ilgili yaptığımız çalışmalarda bakır borunun daha ucuz fakat performansının daha düşük olduğu gözlenmiş olduğu için bu çalışmada malzeme olarak litz kablosu seçilmiştir. Litz kablosu, temelde 0,10mm (AWG-36) emaye (yalıtkan kaplanmış) tellerden çok sayıda biraraya getirilip örülerek elde edilmiş olan bir yüksek frekanslı enerji kablosudur. Yüksek frekanslı akım, deri etkisi (skin effect) nedeniyle iletkenin dış yüzeyinden gitmeyi tercih edecektir. Bu nedenle yüksek frekaslı akımları iletecek olan kabloların yüzey alanlarının mümkün olduğunca geniş olması gereklidir. Litz kablosunda da birbirinden yalıtılmış çok ince iletkenlerden çok sayıda bulunduğu için yüksek frekanslı akımda çok iyi performans göstermektedir. Deney düzeneğinde kullanılan paralel rezonans devresinde, içinde 3360 adet 0,1mm tel bulunan AWG-1 litz kablosu kullanılarak 10 sipir ve 20,7µH değerinde bir endüktans kullanılmıştır. Deney düzeneğinin paralel rezonans devresinde kullanılan C kapasitesi de tıpkı endüktans gibi yüksek frekanslı akım ve gerilimde çalışabilmelidir. Bu nedenle uygulama sırasında 145 adet 47nF-1000V değerli kapasite paralel bağlanarak 6,78µF-1000V-200A değerinde kutupsuz bir kapasite elde edilmiştir. İndüksiyonlu Su Isıtıcı Deney düzeneğinde, indüksiyonlu ani su ısıtıcı içine yerleştirilen ferromanyatik metal ısıtma parçası, Şekil-4.7 de görüldüğü gibi 0,30mm Krom-Nikel saç malzemenin rulo halinde sarılmasıyla elde edilmiştir. Isıtma parçasının boyu 12cm, çapı ise 4cm olarak imal edilmiştir. 17

Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) 11-23 Şekil 4.7 Rulo Şeklinde Sarılmış İndüksiyonla Isıtma Parçası. Şekil-4.7 den görüldüğü gibi parçanın rulo şeklinde olması sebebiyle etrafındaki sıvıyla temas yüzeyi levhanın yüzey alanlarının toplamı kadar olcaktır ve bu şekilde etrafındaki sıvıya ısı geçişi daha hızlı gerçekleşecektir. Bu şekilde oluşturulan ferromanyetik metal malzeme, ani su ısıtma denemelerinde kullanılabilmesi için aşağıdaki Şekil-4.8 de görüldüğü gibi ısıya dayanıklı plastik bir hazne içine yerleştirilmiş ve bu hazneye plastik borularla su giriş-çıkış hatları eklenmiştir. Şekil 4.8 Deneyde Kullanılan İndüksiyonlu Isıtıcı. Şekil-4.8 de görüldüğü gibi hazırlanan indüksiyonlu su ısıtıcı düzeneğinin yoğun bir manyetik alan içinde kalabilmesi için indüksiyon bobininin içine yerleştirilmesi gerekmektedir. Çalışma sırasında, sökme ve takma kolaylığı olduğu için imal edilen indüksiyonlu ısıtıcı düzeneği Şekil-4.9 daki fotoğrafta görüldüğü gibi parelel rezonans devresi bobini içerisine yerleştirilmiş ve bir vana ile su şebekesine bağlanmıştır. Şekil-4.9 dan görüldüğü gibi indüksiyon bobini, kontrol devreleriyle birlikte bir pano içine yerleştirilmiş böylelikle elektrik-elektronik devrelerin sıvı hatlarıyla ilişkisi tamamen kesilmiştir. Tasarlanan indüksiyonlu ısıtıcı ise pano içinde oluşturulan hazneye kolaylıkla yerleştirilip sıvı hattına bağlanabilmektedir. Sisteme giren sıvının debisi ise manuel yada otomatik olarak kontrol edilebilmektedir. 18

Yıldız, M.N., Alan, İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (3) 11-23 5. BULGULAR Şekil 4.9 İndüksiyonlu Isıtıcının Bobin İçine Yerleştirlmesi. Bu bölümde, önceki bölümlerde tanıtımı ve matematiksel modellemesi yapılan indüksiyonlu ısıtma sistemi üzerinde yapılan çeşitli elektriksel ve sıcaklık ölçümleri verilmiştir. 5.1 Elektriksel Bulgular Sistemdeki elektriksel bulgular, indüksiyonlu ısıtıcıyı sürmekte olan yüksek frekanslı invertör güç devresi üzerinde yapılmıştır. Ölçümler sırasında yerel şebeke gerilim değeri olan 220V-50Hz de çalışılmıştır. Elektriksel ölçümler, Şekil-5.1 de gösterildiği gibi gate-emiter arasından alınan uyarma sinyali, kollektör-emiter arasından alınan anahtar gerilimi, paralel rezonans devresi üzerinden alınan çıkış gerilimi ve paralel rezonans devresi girişinden alınan çıkış akımıdır. Ölçümler sırasında invertörün anahtarlama frekansı parelel rezonans devresinin rezonans frekansına uygun olarak 13kHz olarak seçilmiştir. Bu ölçümler sayesinde invertörde anahtar olarak kullanılan lerin performansın ve paralel rezonans devresi performansı gözlemlenebilmektedir. + V CE + V GE 1 + V o - 3 - - DC Kaynak Girişi 4 I o 2 Şekil 5.1 Köprü İnvertör Devresi Üzerindeki Ölçüm Noktaları. 19

Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) 11-23 220V-50Hz giriş geriliminde çalıştırılan ve Şekil-5.1 deki köprü invertör üzerinden ölçülen uyarma sinyali olan, V GE gerilimini ve -1 in üzerindeki anahtar gerilimi olan V CE gerilimini bir arada gösteren osilaskop çıktısı Şekil-5.2 de verilmiştir. Şekil 5.2-1 Üzerindeki V CE ve V GE Gerilimlerinin Dalga Şekilleri. ( Ch1: V CE Gerilimi, 100V/div. Ch2: V GE Gerilimi, 10V/div. - 20µs/div.) Şekil-5.2 den görüldüğü gibi 17V genlikli ve devrenin rezonans ferekansı olan 13kHz frekanslı ve %15 etkin peryotlu palslerle uyarılan -1 in üzerinde yine rezonans devresi geriliminden dolayı sinüsoidal formda bir gerilim görülmektedir. nin anahtarlanması V CE geriliminin sıfır seviyesine yaklaştığı sırada gerçekleşmektedir. Şekil-5.3 de ise -1 in kolektör-emiter gerilimi (V CE ) ile invertör çıkışından paralel rezonans devresinin çektiği akım olan I o ın osilaskop çıktıları görülmektedir. Şekil-5.2 den görüldüğü gibi rezonans ferekansı olan 13kHz frekanslı ve %15 etkin peryotlu palslerle uyarılan -1 in iletime geçmesiyle üzerindeki gerilim sıfıra yaklaşmakta bu arada rezonans devresinin çektiği akım yükselmektedir. Önce -1 ve -2 nin aynı anda uyarılması, daha sonra da -3 ve -4 ün aynı anda uyarılmasıyla paralel rezonans devresine hem pozitif alternansta hemde negatif alternansta şarj yapılmaktadır. Böylelikle devrenin invertörden çektiği akımın dalga şeklinin de seçilen etkin peryot genişliğinde pozitif ve negatif palsler halinde gerçekleştiği görülmektedir. Şekil 5.3-1 Üzerindeki V CE Gerilimi ve Çıkış Akımının Dalga Şekilleri. ( Ch1: V CE Gerilimi, 100V/div. Ch2: I 0 Akımı, 20A/div. - 20µs/div.) 20

Yıldız, M.N., Alan, İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (3) 11-23 Şekil-5.4 de ise paralel rezonans devesi üzerinden ölçülen çıkış gerilimi V o ve invertör devresinin çıkış akımı I 0 ın osilaskop çıktısı görülmektedir. Burada görülen çıkış akım ve gerilim dalga şekilleri gerçek çalışma geriliminde, paralel rezonans devresine dolayısıyla da indüksiyonlu ısıtıcıya aktarılan ani gücü göstermektedir. Şekil 5.4 Köprü İnvertör Çıkış Gerilimi ve Çıkış Akımının Dalga Şekilleri. ( Ch1: V 0 Gerilimi, 200V/div. Ch2: I 0 Akımı, 20A/div. - 20µs/div.) Şekil-5.4 den görüldüğü gibi rezonans ferekansı olan 13kHz frekanslı ve toplamda %30 etkin peryotlu palslerle, köprü invertördeki anahtarlardan önce -1 ve -2 daha sonra da -3 ve -4 ün sırasıyla uyarılması sonucunda paralel rezonans devresinin üzerinde oluşan gerilimin dc kaynak gerilimi tepe değerli ve tam bir sinüs olduğu gözlenmekte, invertörden indüksiyonlu ısıtıcı tarafından çekilen akımın dalga şeklinin ise yine seçilen etkin peryot genişliğinde palsler halinde gerçekleştiği görülmektedir. Son olarak, Şekil-5.5 de tüm sistemin 220V-50Hz kaynaktan çekmiş olduğu akım ile kaynak geriliminin osilaskop çıktıları görülmektedir. Şekil-5.5 den görüldüğü gibi AC kaynak ferekansı olan 50Hz de doğrudan AC şebekeden çekilen akım, kaynak gerilimiyle aynı fazda fakat yaklaşık etkin peryot genişliğinde palsler halinde gerçekleşmektedir. Şekil 5.5 AC Şebeke Gerilimi ve Kaynaktan Çekilen Akımın Dalga Şekilleri. ( Ch1: V S Gerilimi, 200V/div. Ch2: I S Akımı, 20A/div. 5ms/div.) 21

Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) 11-23 5.2 Sıcaklık Bulguları Bu testler sırasında indüksiyonlu ısıtma sisteminin sıvı girişi, bir debi kontrol vanası üzerinden şehir su şebekesine bağlanmıştır. Kurulan sistem yardımıyla farklı debilerde su ısıtma testleri aynı şartlarda pek çok kez yapılmış ve kararlı durumda alınan sonuçların ortalaması Çizelge-5.1 ve Şekil-5.6 da gösterilmiştir. Çizelge-5.1 Farklı Akış Debilerinde Oluşan Su Sıcaklıkları. Suyun Debisi Şebekeden Gelen Suyun Isıtıcıdan Çıkan Suyun (lt/dak.) Sıcaklığı ( C) Sıcaklığı ( C) 0,8 (1) 13,0 52,43 1,6 (2) 13,0 33,17 2,4 (3) 13,0 26,11 3,2 (4) 13,0 22,68 4,0 (5) 13,0 20,55 Çizelge ve grafikten görüldüğü gibi %30 etkin peryotla uyarmada ve aynı başlangıç şartlarında, farklı su akış debilerinde test edilen indüksiyonlu ısıtıcıda sıvı çıkış sıcaklığı akış debisiyle ters olarak değişim göstermektedir. Debiye Göre Sıcaklık Değişimi Sıvı Çıkış Sıcaklığı (C) 60 50 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 Debi (lt/dak.) 6. SONUÇ Şekil 5.6 İndüksiyonlu Isıtıcıdan Geçirilen Suyun Debisine Göre Çıkış Sıcaklığının Değişimi Bu çalışmada, rezistanslı sıvı ısıtma yöntemine alternatif olarak geliştirmeye çalışılan bir indüksiyonlu ısıtma sistemi tasarlanarak bir deney düzeneği halinde gerçekleştirilmiştir. Düzenek üzerinde yapılan ilk testlerde ısıtılacak sıvı olarak sürekli akmakta olan su seçilmiş ve debi kontrol edilerek çıkış suyunun sıcaklığı belirlenmeye çalışılmıştır. İlk testlerden alınan sonuçlar, indüksiyonla sıvı ısıtmanın klasik yöntemlere bir alternatif olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Bu çalışmada, indüksiyonla sıvı ısıtmanın çok önemli iki avantajı görülmüştür ki bu avantajlar yüzünden indüksiyonla ısıtmanın, özellikle rezistanslı ısıtma yöntemlerin kullanılamadığı veya kullanılmasının tehlikeli olduğu pek çok ortamda rahatlıkla kullanılabileceğini göstermektedir. Söz konusu önemli avantajlar, Isıtılan sıvıya elektriki olarak herhangi bir temas ihtimalinin kesinlikle bulunmaması. Sistemin cevap süresinin çok hızlı olmasıdır. 22

Yıldız, M.N., Alan, İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (3) 11-23 Bu özelliklerden dolayı indüksiyonla ısıtma sistemi su dışındaki sıvıların güvenli olarak ve hızlı bir şekilde ısıtılmasında, inceltilmesinde ve işlenmesinde rahatlıkla kullanılabilecektir. Gıda sektöründe sıvı gıdaların ısıl işlemden geçirilerek işlenmesi sırasında indüksiyonla sıvı ısıtma yönteminin kullanılmasının oldukça uygun olacağı düşünülmektedir. Bundan sonraki çalışmalarda sistemin modellenmesi tamamlanarak simülasyon çalışmaları yapılacaktır. Ayrıca farklı yapıda, boyutta ve şekilde ısıtma parçaları hazırlanarak bu parçalarla ısıtma testleri yapılacaktır. Bunun yanısıra farklı pals genişlikleri ve farklı frekanslarda da denemeler tekrarlanacaktır. Tüm bu denemeler yapılırken bir yandan da aynı şartlarda klasik ısıtma düzenekleriyle çalışılacak ve performas karşılaştırmaları yapılacaktır. KAYNAKLAR 1. Curran, J.S., Featherstone, A.M., 1988, Electric-Induction Fluid Heaters, Power Engineering Journal, May.1988, pp. 157-160 2. Kenada, M., Hishikawa, S., Tanaka, T., Bin Guo, Nakaoka, M., 1999, Innovative Electromagnetic Induction Eddy Current-Based Dual Packs Heater Using Voltage-Fed High- Frequency PWM Resonant Inverter for Continuous Fluid Processing in Pipeline, IEEE Engineering Technologies, Mar. 1999, pp. 797-802. 1. 3.Nakamizo, T., Bin Guo, Nakaoka, M., 1999, New Generation Electromagnetic Induction- Based Fluid-Heating Energy Processing Appliance Using Voltage-Fed PWM Resonant Inverter, Proceeding of PCIM-Tokyo, Japan, 1999, pp.597-607. 3. Nakamizo, M., Kenada, M., Hishikawa, S., Bin Guo, Iwamoto, H., Nakaoka, M., 1999, New Generation Fluid Heating Appliance Using High-Frequency Load Resonant Inverter, Proceeding of PEDS Hong Kong, 1999, pp. 309-314. 4. Nakamizo, T., Kenada, M., Hishikawa, S, Bin Guo, Iwamoto, H., Nakaoka, M., 1999, New Generation Fluid Heating Appliance Using High Frequency Load Resonant Inverter, IEEE 1999 International Conference on Power Electronics and Drive Systems, PEDS 99, July 1999, Hong Kong, pp. 309-314. 5. Sadakata, H., Nakaoka, M., Yamashita, H., Omori, H., Terai, H., 2002, Development of Induction Heated Hot Water Producer Using Soft Switching PWM High Frequency Inverter, IEEE, PCC-Osaka, Sept. 2002, pp. 452-455 6. Yıldız, M.N., 2005, Hibrid Kaynaktan Beslenebilen İndüksiyonla Su ve Bina Isıtma Sisteminin Tasarımı ve Performans Analizi, Doktora Tezi, E.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü. 23