KİMYA LİSANS ÖĞRENCİLERİ (KİMYAGERLİK, KİMYA ÖĞRETMENLİĞİ VE KİMYA MÜHENDİSLİĞİ) ARAŞTIRMA PROJESİ EĞİTİMİ ÇALIŞTAYI Kimya-2 (Çalıştay 2011) 20-28 Temmuz 2011 - Çanakkale BİDEB BİLİM İNSANI DESTEKLEME DAİRE BAŞKANLIĞI FAZ DEĞİŞİMİ YOLUYLA ISIL ENERJİNİN DEPOLANMASI VE BU ALANDA YAPILAN ÇALIŞMALAR PROF. DR. AHMET SARI Gaziosmanpaşa Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümü
Enerji Depolama Niçin Önemlidir? Günümüzde, artan nüfus ve sanayileşmeden kaynaklanan enerji ihtiyacı ülkemizin kısıtlı kaynaklarıyla karşılanamamakta, enerji üretimi ve tüketimi arasındaki fark hızla büyümektedir. Bu durumda, mevcut enerji kaynaklarımızdan daha etkili bir biçimde yararlanmak giderek artan bir önem kazanmaktadır. Enerji talebindeki hızlı artışın karşılanması için, yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin verimli bir şekilde depolanması ve ihtiyacı karşılayacak en uygun dönüşümlerin geliştirilmesi yararlı olacaktır.
Enerji depolamanın amacı nedir? Bir yandan enerjinin kullanıldığı alanlarda oluşan atık enerjiyi depolama (örneğin sanayi ve endüstrideki atık ısının depolanması gibi), Diğer yandan, yalnız belirli zamanlarda enerji verebilen (örneğin; güneş enerjisi gibi) yenilenebilir enerji kaynaklarının enerjisini depolayarak, enerji temin zamanı ile talebi arasında doğabilecek farkı gidermeye amaçlamaktadır.
Enerji depolamanın faydaları nelerdir? Enerji sistemlerinin verimi artırılır. Bu sayede enerji tasarrufu sağlanır. Örneğin; kış aylarında ısıl enerjinin depolanarak yeniden kullanılması; ısıtma sistemlerinde % 22 yaz aylarında aynı yöntemle iklimlendirme sistemlerinde ise % 40 a varan oranda bir enerji tasarrufu sağlayabilmektedir. Yardımcı enerji kaynağına duyulan ihtiyaç azaltılır. Böylece, değerli olan fosil yakıt rezervleri (kömür, petrol ve doğal gaz gibi) muhafaza edilmiş olur.
Enerji depolamanın faydaları nelerdir? Enerji üretimi için kullanılan yakıtların çevreye verdiği zararın önüne geçilmesinde önemli rol oynar. Daha az fosil yakıt tüketilmesine bağlı olarak çevreye yayılan sera gazı miktarının azalması sağlancak ve böylece daha temiz bir hava solunmuş olacaktır. Ayrıca bu sayede küresel ısınmaya karşı önemli ölçüde destek sağlanmış olacaktır.
Enerji depolamanın faydaları nelerdir? Elektrikle ısıtılan evlerde gece boyunca tüketilen enerjinin fazlasının depo edilerek gündüz saatlerinde ısıtma sistemlerinin daha az kullanılması, gündüz kullanılan enerjinin gece kullanılandan daha pahalı olmasından dolayı bireysel ekonomiye de katkı sağlayabilir. Ülkemizin fosil yakıtlar bakımından dışa bağımlılığı da düşünüldüğünde, enerji depolamayla sağlanacak enerji tasarrufunun ülke ekonomisine de ciddi katkılar sağlayacağı aşikârdır. Enerji depolama konusundaki çalışmalar yalnızca bizim gibi enerji ihtiyacında dışa bağımlı ülkelerde değil, çok sayıda gelişmiş ülkelerde de rağbet görmektedir.
Başlıca Enerji Depolama Yöntemleri Nelerdir? Enerji depolama yöntemleri arasında en verimli ve ekonomik olanı Isıl Enerji Depolama (IED) yöntemidir. Bu yöntem; duyulur ve gizli ısı depolama olmak üzere ikiye ayrılır.
Duyulur Isı Depolama Nedir? Enerjinin; katı ya da sıvı haldeki bir maddenin ısı depolama kapasitesinden yararlanılarak depolanmasıdır. Isı depolama maddesinin sıcaklığı arttırılarak enerji duyulur şekilde depolanır. Duyulur ısı depolama süresince ortamının sıcaklığı değişir. Depolanan ısıl enerji miktarı; ortamın özgül ısısına Cp, sıcaklık değişimine ΔT ve depolama maddesinin miktarına (m) bağlıdır.
Gizli Isı Depolama Nedir? Enerjinin; sabit bir faz geçiş sıcaklığında faz değişimi yoluyla madde içerisinde depolanmasına Gizli Isı Depolama (GID) denir.
Faz Değişim Maddesi (FDM) nedir? İşlevi Nedir? FDM: Isıl enerji depolama için kullanılan sabit bir faz değiştirme sıcaklığında ortamdaki ısı enerjisini soğurup yaymak suretiyle ısı regülasyonu sağlayan maddelerdir. Bu tip maddeler Gizli adlandırılırlar. ısı depolayıcı maddeler olarak da
Duyulur ve Gizli Isı Depolama
Gizli Isı Depolamanın Duyulur ısı depolamaya kıyasla avantajları nelerdir? FDM nin birim kütlesi veya birim hacmi başına ısı depolama kapasitesi duyulur ısı depolama maddelerine kıyasla daha yüksektir. Duyulur ısı depolama sistemlerine nispeten kullanılacak ısı deposunun hacmi daha küçüktür. Enerji depolama süresince FDM nin sıcaklığı hemen hemen sabit kaldığından sabit sıcaklıkta enerji depolama ve geri kazanım uygulamaları için oldukça uygundur.
Duyulur ısı depolayan bazı maddelerin FDM nin birim ünite başına enerji depolama kapasitelerinin karşılaştırılması
Gizli Isı Depolamada Kullanılan FDM ler Kaç Gruba Ayrılır?
FDM Seçiminde Dikkate alınması Gereken Kriterler Nelerdir? Isıl-Fiziksel Kriterler İstenilen sıcaklık aralığında erime sıcaklığına sahip olmalıdır, Birim hacim ya da kütle başına depoladığı faz değişim ısısı yüksek olmalıdır, Yüksek ısıl iletkenliğe sahip olmalıdır, Düşük buhar basıncına sahip olmalı ve faz değişimi esnasında küçük hacim değişimi göstermelidir, Düzenli erime ve katılaşma davranışı göstermelidir. page 15
Kinetik Özellikler Sıvı fazın aşırı soğumasını önlemek için çekirdekleşme hızı yüksek olmalıdır Isının hızlı geri kazanımı için kristal büyüme hızı yüksek olmalıdır. Kimyasal Özellikler Çok sayıda erime/katılaşma dönüşümünden sonra kimyasal kararlılık göstermelidir, Yapı malzemelerine karşı korozif olmamalıdır, Toksik, yanıcı ve patlayıcı olmamalıdır. Ekonomik Özellikler Kolay temin edilebilir olmalıdır, Düşük maliyete sahip olmalıdır.
İnorganik FDM Olarak; Tuz Hidratlar Tuz hidratlar M.nH 2 O formülü ile karakterize edilirler ve M burada bir inorganik bileşiktir. Tuz hidratlar yüksek ısı depolama yoğunluklarından dolayı ısı depolama maddelerinin önemli bir sınıfını oluştururlar.
FDM Olarak kullanılan Bazı Tuz Hidratlar
Organik FDM Olarak; Parafinler Parafinler, oda sıcaklığında wax kıvamına sahip büyük oranda ağır hidrokarbonlardan oluşan maddelerdir. Alkanların erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları karbon sayısının artmasıyla artar. C14-C40 aralığındaki alkanların erime noktaları; 6-80 o C sıcaklık aralığındadır ve bu alkanlar genellikle parafinler olarak adlandırılırlar.
FDM Olarak Kullanılan Bazı Parafinler
Parafin olmayan Organik FDM ler
FDM Olarak Kullanılan Yağ Asitleri
FDM Olarak Kullanılan Yağ Asitleri ve Yağ Asidi Esterleri
FDM Olarak Kullanılan Ötektik Karışımlar Ötektik karışım; kristallenme süresince bileşen kristallerinin bir karışım oluşturduğu, her birinin düzenli olarak eridiği ve katılaştığı iki veya daha fazla bileşenin minimum erime noktalı karışımıdır. Bu tip bir karışım; molekül ağırlığı küçük olan bir FDM nin molekül ağırlığı yüksek olan FDM ye belirli mol ya da kütle oranında katılarak hazırlanabilir. Saf bileşenlerden ayrı olarak, spesifik iklim şartlarına uygun erime sıcaklığına sahip ötektikler GID uygulamaları için kullanılabilirler
FDM Olarak Kullanılan Bazı Tuz Hidrat Ötektik Karışımları
FDM Olarak Kullanılan Bazı Yağ Asidi Ötektik Karışımları
Bazı Ticari FDM ler
FDM ler Nerelerde ya da Ne Amaçla Kullanılabilirler? Sıcak gıda ürünlerinin taşınmasında ve muhafazasında Elektronik cihazların Soğutulmasında
Çeşitli tekstil ürünlerinde Sağlık uygulamalarında kan numuneleri ve organ taşımacılığı Ameliyat masalarında sıcak- soğuk terapilerde
Binaların ısıtılması ve soğutulması işlemlerinde İnşaat sektöründe yalıtım amacıyla Seraların iklimlendirilmesinde
Bu alanda ne gibi çalışmalar yapılmaktadır? Yeni katı-sıvı faz değişim özellikli FDM lerin sentezi ve karakterizasyonu Ötektik FDM lerin geliştirilmesi FDM lerin makro ve mikro ölçekte kapsüllenmesi Yapıca kararlı FDM/Polimer karışımlarının hazırlanması ve karakterizasyonu FDM/Bina yapı malzemesi kompozitlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu FDM lerin ya da kompozit FDM lerin ısıl iletkenliklerinin iyileştirilmesi FDM lerin binalarda kullanımına ilişkin küçük ölçekli pilot uygulamalar
Yeni katı-sıvı faz değişim özellikli FDM lerin sentezi ve karakterizasyonu Bazı polialkollerin veya yağ asitlerinin esterleri sentezlenerek, ısıl enerji depolama özellikleri ölçülmüştür: Suppes et al. (2003) tarafından bazı yağ asiti esterleri Li and Ding (2007a; 2007b) tarafından butanediol di-stearate and diol di-stearates ester serileri, Canik and Alkan (2010) prepared hexamethylene dilauroyl, dimyristoyl, and dipalmytoyl amides, Alkan ve Sarı (2008) etlen glikol ün stearik, palmitik, miristik ve laurik asitlerle olan esterleri, Sarı ve ark., (2010), n-butyl alkol isopropil alkol ve gliserin in stearik, palmitik, miristik ve laurik asitlerle olan esterleri, Sarı ve ark., (2010), eritritol polialkolü ile stearik ve palmitik asit esterleri, Sarı ve ark., (2010), galaktitol (dulcitol) polialkolü ile stearik ve palmitik asit esterleri, Sentezlenenen bu yeni FDM lerin erime sıcaklık aralığı; 20-50 C Faz değişim entalpileri ise;120-250 kj/kg aralığındadır.
Bu yeni FDM lerin karakterizasyonunda hangi teknikler Kullanılmıştır? Kimyasal yapı karakterizasyonunda: 1HNMR ve FT-IR spektroskopi teknikleri Enerji depolama özellikleri (Erime-katılaşma faz değişim sıcaklıkları ve entalpilerinin ölçümünde: DSC analiz tekniği Isıl kararlılıklarının belirlemesinde: TG analiz tekniği Enerji depolama ömrünün belirlenmesinde: Isıl Döngü testi ve ardından DSC ve FT-IR analizleri Isıl iletim katsayılarının arttırılmasında: Isıl iletkenlik zenginleştirme metodu
Genellikle, Yağ asidi, Tuz hidrat Parafinlerin Ötektik FDM lerin geliştirilmesi ötektik karışımları hazırlanmıştır. Amaç: (1)Farklı iklim şartlarına ugun faz değişim sıcaklığına sahip (genellikle düşük sıcaklıklarda;10-30 C aralığında) yeni ötektik FDM ler geliştirmek. (2) Faz değişim sıcaklığı yüksek FDM lerin daha düşük değere çekerek enerji depolama amaçlı kullanım alanlarını arttırmak. Ötektik bileşim oranları faz diyagramı ve enerji depolama özellikleri DSC analiz tekniği ile belirlenmiştir.
Ötektik Karışımların Hazırlanması (1) Deneysel olarak belirlenmeden önce karışımı oluşturacak bileşenlerin ötektik geçiş sıcaklığı Schroder in eşitliğine göre teorik olarak hesaplanır. ln x B H R B 1 T 1 T B ΔH MA : B nin erime entalpisi X MA : B nin mol kesri T: Karışımın erime sıcaklığı T MA : B nin erime sıcaklığı (2) Schroder in eşitliğine göre hesaplanan teorik bileşim oranna yakın bileşim oranlarında bir seri karşım hazırlanır. A-B ikili % bileşim- katılaşma sıcaklık eğrileri page 36
Ötektik Karışımlara ilişkin örnek bir Faz Diyagramı (Sarı ve ark., 2008) Kaprik asit (KA)-Stearik asit (SA) ötektik faz diyagramı
FDM lerin Makro Ölçekte Kapsüllemesi
FDM lerin Mikro Ölçekte Kapsüllemesi
Mikro kapsülleme tekniği nedir? FDM lerin mikro ölçekte kapsüllenmesi enerji depolama konusunda son yıllarda yaygın biçimde kabul edilen bir tekniktir. Oluşturulan Mikrokapsüller; çekirdek-kabuk yapısında fonksiyonel malzemeyi uzun süre dış etkilerden korumak ya da dış faza geçmesini engellemek için oluşturulurlar. Genellikle mikrokapsüllerin kabuk malzemesi olarak, farklı morfolojik ya da fizikokimyasal özellikleri bulunan doğal yada sentetik polimerler kullanılır.
FDM içerikli Mikrokasülllerin özellikleri ve avantajları nelerdir? Gün ışığını geçirebilme Yeterli ısı transfer oranını sağlayabilecek parçacık büyüklüğünde hazırlanabilme Yükse yüzey alanı/hacim oranı sağlayarak ısıl iletkenliği arttırabilme Düzgün dağılımlı olma Yüksek FDM kapsülleme oranına sahip olma özelliği Erime esnasında akma göstermeme Uzun kullanım ömrü Kullanım sıcaklığının oldukça üzerindeki sıcaklıklarda bozunmama Enerji depolama ortamında ısıyı transfer eden akışkan (su, hava gibi) ile direkt temas ettiğinden dolayı hızlı enerji depolayabilme ve salıverebilme Ek bir depolama kabı gerektirmediğinden düşük maliyetli, küçük hacimli ve hafif enerji depolama sistemlerinin dizaynına imkan verme FDM nin korozif etkisini önleme FDM nin kokusunu maskeleme
MikroFDM lerin üretiminde kullanılan teknikler nelerdir? Emultion polimerization In-Situ Polimerization Spray-Drying Complex coacervation Interfacial polycondensation
MikroFDM ler nerelerde kullanılabilirler? Teknik Uygulamalarda Binalarda sıcaklık dalgalanmalarını azaltmak amacıyla beton ya da sıva malzemesi içine sızdırmaz mikrokapsüller içeren yapı malzemeleri şeklinde Elektronik parçaların soğutulması ve yüksek hız makineleri için sıvı soğutma sistemlerinde Zemin ve tavan yüzeylerinde bina iklimlendirilmesinde Otomobillerin tavanlarında Gıda taşınması için ısıtılmış kaplarda Yüksek Teknoloji Uygulamalarında Bitki ve tohumlar için mikro iklim kontrollü çevreye sahip sıvı sistemlerinde, bitkiler üzerine mantar ve bakteri etkisinin arttırılmasında veya düşük sıcaklıkta dona karşı koruma sağlanmasında Dizüstü bilgisayarlar gibi elektronik cihazlar için ısı absorplayan boyalarda Hassas elektronik parçalar ve diğer teknik cihazlar için aktif soğutma sistemlerinde Uçak fren disklerinde kullanılan ve yüksek oranda enerji absorplayan gözenekli karbon maddelerde
Sağlık Alanında Mikrokapsüllenmiş FDM içeren ortopedik destek maddelerde Sıcaklığa duyarlı ilaçların taşınması için mikro gözenekli köpük kompozitlerde Travmaya maruz kalan bölgelerin körelmesine karşı korumayı arttırmak için vücut zırhlarında Yaraların iyileşmesini hızlandırmak için sıcak bandajlar ve soğutucu vücut sargılarında Yatalak hastaların uzun zaman yatmalarından ileri gelen yatak yarasını azaltmak ve derinin serinletilmesi için destek yüzeylerde Tekstil Ürünlerinde Tekstil uygulamalarında mikrokapsüllenmiş FDM ler, kumaşların içerisine katılarak soğuğa karşı ısıtma sıcağa karşı serinletme amaçlı Yangın giysileri, dalış kıyafetleri, özel çalışma elbiseleri, askeri üniformalar, eldivenler ve ayakkabılar Elektrik dirençli ısıtıcı tekstil ürünleri elektrikli ısıtıcı devre içeren özel tekstil ürünleri
Üretilen MikroFDM örnekleri
Yapıca kararlı FDM/Polimer karışımlarının hazırlanması ve karakterizasyonu Yapıca ya da şekilce kararlı polimer/fdm kompozit dört önemli avantaja sahiptir: 1) FDM polimer örgü yapısı içerisine hapsedildiği için, karışımın sıcaklığı FDM nin erime sıcaklığının üzerinde iken, herhangi bir FDM sızıntısı gözlenmez. Bu nedenle bu karışımlar yapıca kararlı FDM ler olarak adlandırılırlar. 2) Bu tip karışımlar pratikte kullanılacakları zaman ek bir depolama kabı gerektirmezler. 3) Isı depolama ünitesinde ısı transfer ısı iletim hızını arttırdıklarından enerji depolama sistemlerinin verimliliğini arttırırlar. 4) Bu tip karışımlar istenilen boyutlarda kolaylıkla ve düşük maliyetle hazırlanabilir.
Yapıca kararlı FDM/Polimer karışımların hazırlanmasında kullanılan metodlar FDM ve Polimerin eriyik hallerinin ekstrüzyon metoduyla karışım haline getirilmesi FDM ve Polimerin her ikisini de çözebilen bir çözücüde çözülüp sonra homojen olarak karıştırılması ve sonrasında çözücünün uçurulması
FDM/Bina yapı malzemesi kompozitleri (1) Yapı malzemesin içerisine erimiş haldeki FDM nin direkt olarak emdirilmesi (2) Vakumla emdirme yöntemi FDM nin önce mikro ölçekte kapsülleyip sonra bu mikrofdm lerin yapı malzemesine katılması Kullanılan FDM ler: Düşük sıcaklıkta (10-30 C) katısıvı faz değişimine sahip olanlar Kullanılan bina yapı malzemeleri: Alçı, çimento, perlite diatomite, vermikulite gibi killer Elde edilen kompozit FDM türleri: Çimonto sıva, alçı sıva, kartonpiyer, tuğla, beton ve diğer şekillerde
En etkili method:vakumla Emdirme Metodu Sıvı FDM Vakum pompası Gözenekli yapı malzemesi Isıtıcı Şekil 6. Vakum emdirme düzeneğinin şematik görüntüsü Şekil 7. Vakum emdirme düzeneğinin fotoğraf görüntüsü page 53
Kompozit FDM ler
Literatürde üretimi ve karakterizasyonu çalışılmış bazı komposit FDM örnekleri
Kompozit FDM ler Binalarda Nasıl Kullanılabilirler?
Experimental study of under-floor electric heating system with shape-stabilized PCM plates Kunping Lin a, Yinping Zhang a,,, Xu Xu a, Hongfa Di a, Rui Yang b and Penghua Qin a Energy and Buildings Volume 37, Issue 3, March 2005, Pages 215-220
Çalışma Grubumuz tarafından hazırlanan ve karakterize edilen bazı yapıca kararlı kompozit FDM örnekleri SEM Analizleri Şekil 12. KA-SA emdirilmeden önce ve sonra GP nin fotoğraf ve SEM görüntüleri Şekil 13. KA-SA emdirilmeden önce ve sonra Alçı nın fotoğraf ve SEM görüntüleri page 59
Şekil 14. KA-SA emdirilmeden önce ve sonra VMT nin fotoğraf ve SEM görüntüleri
Isıl Enerji Depolama Özelliklerinin Belirlenmesi Şekil 22. KA-SA ötektik karışımının DSC termogramı Şekil 23. Yapıca kararlı KA-SA/GP kompozit karışımının DSC termogramı Şekil 24. Yapıca kararlı KA-SA/Alçı kompozit karışımının DSC termogramı Şekil 25. Yapıca kararlı KA-SA/VMT kompozit karışımının DSC termogramı page 61
Tablo 7. KA-SA ve KA-SA/GP nin ölçülen ısıl-fiziksel özellikleri. FDM Erime sıcaklığı, o C Erime entalpisi, kj/kg Katılaşma sıcaklığı, o C Katılaşma entalpisi, kj/kg KA-SA 25.39 188.15 25.20 184.11 KA-SA/GP 24.82 102.75 23.34 100.41 KA-SA/Alçı 25.64 50.80 24.37 49.51 KA-SA/VMT 25.64 71.53 24.90 69.64
Hazırlanan Kompozitlerin Isıl Depolama Performansları Şekil 10. Isıl performans ölçüm düzeneğinin fotoğraf görüntüsü Şekil 11. Faz değişimli kompozit duvarlardan yapılı test hücresinin fotoğraf görüntüsü
KA-SA ötektik karışımı erimiş halde akma davranışı göstermeksizin Yüzeyi Genilşletilmiş Perlit (GP) içerisinde ağırlıkça maksimum hapsedilme oranı oran % 55, 27.5 27 26.5 KA-SA/GP'li hücrenin iç sıcaklığı Saf GP'li hücrenin iç sıcaklığı 26 Sıcaklık, o C 25.5 25 24.5 24 23.5 23 22.5 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Zaman, sn
KA-SA ötektik karışımı erimiş halde akma davranışı göstermeksizin alçı içerisinde ağırlıkça maksimum hapsedilme oranı oran % 25, 30 Saf Alçı'lı hücrenin iç sıcaklığı 28 KA-SA/Alçı'lı hücrenin iç sıcaklığı 26 Sıcaklık, o C 24 22 20 18 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Zaman, sn
KA-SA ötektik karışımı erimiş halde akma davranışı göstermeksizin Vermikulit (VMT) içerisinde ağırlıkça maksimum hapsedilme oranı oran % 40, 27.5 27 26.5 KA-SA/VMT'li hücrenin iç sıcaklığı Saf VMT'li hücrenin iç sıcaklığı 26 Sıcaklık, o C 25.5 25 24.5 24 23.5 23 22.5 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Zaman, sn
Teşekkürler page 68