Yıkama Cihazlarında Termal Enerji Depolamayla Enerji Verimliliğinin Artırılması. Proje No: 105M183

Yıkama Cihazlarında Termal Enerji Depolamayla Enerji Verimliliğinin Artırılması Proje No: 105M183 Prof.Dr. Halime Ö. PAKSOY Dr. Bekir TURGUT Özgül GÖK Metin Ö. YILMAZ KASIM 2008 ADANA

ÖNSÖZ Yıkama makineleri konutlarda yaygın olarak kullanılan beyaz eşyalardandır. Bu makinelerde her yıkamada en az iki kez sisteme alınan soğuk su ısıtılmakta ve işlem sonrasında sıcak olarak kanalizasyon sistemine atılmaktadır. Bu çalışmada amaç, bulaşık makinesinde atık ısıyı faz değiştiren maddelerde (FDM) depolayarak sistemde tekrar kullanarak enerji verimliliğini artırmaktır. Projenin gerçekleşmesiyle yıkama makinesi endüstrisine çevre dostu yöntemlerle enerji tasarrufu sağlayan bir teknoloji sağlanması hedeflenmiştir. Teknolojinin yaygınlık kazanması ise geniş ve yoğun bir kullanım alanı olan yıkama makinelerinden tüm kullanım noktalarında enerji tasarrufu sağlamayı mümkün hale getirecektir. Yıkama makinelerinin kullanım yaygınlığı göz önüne alındığında sağlanacak tasarrufun çok büyük miktarlara ulaşacağı öngörülebilir. Bu tasarruf çevre dostu sistemlerle elde edildiğinden tasarruf edilecek enerji yoğun kullanım saatlerinde elektrik santrallerine yüklenmeyi ve sera gazları emisyonlarını azaltmayı da sağlayabilir. Böylece küresel ısınmanın önlenmesine ve ülkemizin dış kaynaklara bağımlılığının azaltılmasına da katkıları olacaktır. Bunların yanı sıra ülkemizde üretilen enerji tasarrufu sağlayan yıkama makinelerinin uluslararası pazarlardaki rekabet gücünün artırılması beklenmektedir. Bu hedeflere yönelik hazırlanan bu proje kapsamında Çukurova Üniversitesi Arçelik A.Ş. işbirliğiyle bulaşık makinelerinde enerji verimliliğinin artırılması için FDM de gizli ısı depolamasının uygulandığı Ar-Ge faaliyetleri gerçekleştirilmiştir. 3 yıl süren proje sırasında yılda iki kere düzenlenen koordinasyon toplantıları ile Arçelik yetkili ve uzmanlarıyla Çukurova Üniversitesi proje ekibi arasında etkili bir üniversite sanayi işbirliği gerçekleştirilmiştir. Arçelik Çayırova tesislerindeki prototip üretim ve deneme faaliyetlerine Çukurova Üniversitesi proje ekibindeki bursiyer öğrencilerin katılımı ile deneyimlerin paylaşımı da sağlanmıştır. Üretilen prototipten elde edilen ilk sonuçlar enerji verimliliğinin artırılabildiğini göstermektedir. Ancak enerji verimliliği değerlerinin istenilen düzeye ulaşması ve maliyetin düşürülmesi için çalışmalara devam edilmesi gerektiği düşünülmektedir. Ayrıca bu projede bulaşık makinesi atık ısı geri kazanılmasında ilk defa FDM ile beraber grafit kullanılması beyaz eşya sektörü için yeni açılımlar sağlamıştır. Bu çalışma TÜBİTAK tarafından 105M183 No lu proje kapsamında desteklenmiştir. TÜBİTAK a verdiği bu destekten dolayı teşekkür ederiz. Ayrıca laboratuar olanaklarını, uzmanlarını bizimle paylaşarak ve projeye ekipman ve malzeme desteği sağlayan Arçelik A.Ş. ye de teşekkür etmek isteriz. I

İÇİNDEKİLER SAYFA ÖNSÖZ I İÇİNDEKİLER...II SİMGE VE KISALTMALAR..IV ÇİZELGELER DİZİNİ..V ŞEKİLLER DİZİNİ..VI ÖZET IX ABSTRACT...X 1. GİRİŞ..1 2. MATERYAL VE METOD.4 2.1. MATERYAL...4 2.1.1. Faz Değiştiren Maddeler...4 2.1.2. Termal Enerji Depolama Ünitesi..4 2.1.3. Analiz ve Ölçüm Cihazları 7 2.1.3.1. Isıtmalı ve Soğutmalı Su Banyosu.7 2.1.3.2. Veri Kayıt Cihazı (Data Logger) 7 2.1.3.3. Sıcaklık Sezicileri..8 2.1.3.4. Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) Cihazı.8 2.2. METOD.10 2.2.1. Faz Değiştiren Maddelerin Belirlenmesi 10 2.2.2. Faz Değiştiren Maddelerin Termofiziksel Özelliklerinin Belirlenmesi..11 2.2.3. Erime-Donma Termal Çevrim Deneyleri...11 2.2.4. Faz Değiştiren Maddelerin Isıl İletkenlik Özelliğinin İyileştirilmesi.12 2.2.5. Depolama ve Geri Kazanma Deneyleri..13 3. BULGULAR VE TARTIŞMA 15 3.1. FDM lerin Hazırlanması 15 3.2. Termal Çevrim Deneyleri..16 3.3. Depolama ve Geri Kazanma Deneyleri.24 3.4. Enerji Verimliliği Hesaplamaları...32 3.5. Maliyet Hesaplamaları...34 3.6. Çevresel Katkılar...36 3.7. Prototip Deneyleri..36 II

4. SONUÇLAR VE ÖNERİLER..43 KAYNAKLAR.46 III

SİMGE VE KISALTMALAR TED : Termal Enerji Depolama TES : Thermal Energy Storage FDM : Faz Değiştiren Madde PCM : Phase Change Material H : Erime Entalpisi (J/g) Te : Erime Sıcaklık Aralığı ( o C) DSC : Diferansiyel Taramalı Kalorimetre M : Toplam Maliyet M FDM : FDM nin maliyeti (YTL) M ID : Isı Değiştiricilerin Maliyeti (YTL) M m : Montaj Maliyeti (YTL) M T : Tasarruf Edilen Enerjinin Karşılığıdır (YTL) η : Enerji Verimliliğindeki Artış (%) n : Isı Depolama Ünitesinin Geri Ödeme Süresi (Yıl) Q p1 : Depolama ve Geri Kazanma Deneylerinde Kullanılan Pompanın Gücü (W) t 1 : Su Bulaşık Makinesinden Atıldıktan Sonra Isı Değiştiricilerde Isı Depolama Süresi (dk) t 2 : Geri Kazanma Süresi (dk) t 3 : Geri Kazanma Sonrası Isıtıcı Çalışma Süresi (dk) E t : Bulaşık Makinesinin Normal Çalışma Sürecinde ve Enerji Depolama ve Geri Kazanmada Harcadığı Toplam Enerji (Wh) E 1 : İkinci Yıkama Suyunun Klasik Yöntemle Isıtılması için Gerekli Enerji (Wh) E 2 : Enerji Depolama ve Geri Kazanma Süreçleri için Harcanan Enerji (Wh) E : Enerji Baz Durum ile Toplam Enerji Tüketimleri Arasındaki Fark (Wh) T FDM : İkinci Yıkama Giriş Suyunun FDM li Yöntemle Elde Edilen Sıcaklığı (ºC) T giriş : İkinci Yıkama Giriş Suyunun Klasik Yöntemdeki Sıcaklığı (ºC) T son : Suyun Son Sıcaklığı (ºC) C : Suyun Isı Kapasitesi (J/kg-ºC) m : Suyun Debisi (kg/s) IV

ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 2.1. Perkin Elmer Diamond DSC nin Teknik Özellikleri 9 Çizelge 3.1. Faz Değiştiren Maddelerin DSC Analiz Sonuçları.15 Çizelge 3.2. FDM lerin Başlangıç ve Termal Çevrimler Sonundaki DSC Analiz Sonuçları.16 Çizelge 3.3.Yeni FDM Numunelerinin Termal Çevrim Sonucunda Alınan DSC Analiz Sonuçları. Her numuneden 3 parelel örnekle çalışılmıştır...21 Çizelge 3.4. Depolama ve geri kazanma deneylerinde ikinci yıkama suyunda elde edilen sıcaklık farkları, K: ısı değiştirici 1, B: ısı değiştirici 2, KB: ısı değiştirici 1 ve 2..25 Çizelge 3.5. Maliyet Hesaplamaları 35 Çizelge 3.6. Bulaşık Makinesinde FDM nin Yaygın Olarak Kullanılmasıyla Elde Edilen Enerji Tasarrufunun Sağlayabileceği Çevresel Katkılar..36 Çizelge 3.7. Prototip deneylerinin sonuçları t 1 : Su bulaşık makinesinden atıldıktan sonra ısı değiştiricilerde ısı depolama süresi,t 2 : Geri kazanma süresi, t 3 : Geri kazanma sonrası ısıtıcı çalışma süresi, Et: Bulaşık makinesinin normal çalışma sürecinde ve enerji depolanma ve geri kazanımda harcadığı toplam enerji, E 2 : Enerji depolama ve geri kazanma süreçleri için harcanan enerji, E: Enerji baz durum ile toplam enerji tüketimleri arasındaki fark.38 V

ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 2.1. Isı Depolama ünitesi şematik görünüş...5 Şekil 2.2. (a) Isı değiştirici 1 (b) Isı değiştirici 2..5 Şekil 2.3. Klimaflex yalıtılmış ısı değiştirici 1..6 Şekil 2.4. Sirkülasyon pompası ve termostatlı su banyosu bağlantısı...6 Şekil 2.5. Huber CC3 marka termostatlı su banyosu.7 Şekil 2.6. Agilent Model No: 34970A veri kayıt cihazı (Data-Logger) 8 Şekil 2.7. N/N-24-TT tipi çift duyarlıklı ısıl çift (thermocouple).8 Şekil 2.8. Perkin Elmer Diamond DSC cihazı...9 Şekil 2.9. Bulaşık makinesi yıkama aşamaları sıcaklık-zaman grafiği, a, b: ısı depolama alternatifleri, c: geri kazanma..10 Şekil 2.10 Faz değiştiren madde emdirilmiş genişletilmiş yüzeyli grafit granül ve plaka örnekleri 12 Şekil 2.11. Grafit ve parafin ısıl iletkenlik karşılaştırılması (MEHLING ve CABEZA, 2007).....13 Şekil 2.12. Her iki ısı değiştiricinin deney sırasından bir görünümü...13 Şekil 2.13. Küçük ısı değiştiricisinin yalıtımlı ve yalıtımsız görünümü..14 Şekil 3.1. %20 P46 48 ve %80 P42 44 parafin karışımının 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: 800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim)...19 Şekil 3.2. E32 nin 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: 800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim)...19 Şekil 3.3. RT42 nin 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: 800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim)...20 Şekil 3.4. RT35 nin 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: 800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim)...20 Şekil 3.5. %20 P46 48 ve %80 P42 44 parafin karışımının 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Siyah: 0. termal çevrim, Pembe: 100. termal çevrim, kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: VI

800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim)...23 Şekil 3.6. Parafin 42-44 ün 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Siyah: 0. termal çevrim, Pembe: 100. termal çevrim, kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: 800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim)..23 Şekil 3.7. RT42 nin 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Siyah: 0. termal çevrim, Pembe: 100. termal çevrim, kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: 800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim)..24 Şekil 3.8. Parafin 42-44 için 52 C depolama sıcaklığında depolama ve geri kazanma için ısı değiştirici giriş ve çıkış sıcaklıkları, ke: ısı değiştirici 1, be: ısı değiştirici 2, ie: ısı değiştirici 1 ve 2, ke-y: yalıtımlı ısı değiştirici 1, be-y: yalıtımlı ısı değiştirici 2, ie-y: yalıtımlı ısı değiştirici 1 ve 2...26 Şekil 3.9. Parafin 42-44 için 42 C depolama sıcaklığında depolama ve geri kazanma için ısı değiştirici giriş ve çıkış sıcaklıkları, ke: ısı değiştirici 1, be: ısı değiştirici 2, ie: ısı değiştirici 1 ve 2, ke-y: yalıtımlı ısı değiştirici 1, be-y: yalıtımlı ısı değiştirici 2, ie-y: yalıtımlı ısı değiştirici 1 ve 2...27 Şekil 3.10. Granül grafitli FDM lerle yapılan depolama-geri kazanma deneylerinde elde edilen sıcaklık artışları (beyaz: grafitsiz FDM ler, siyah grafitli FDM ler).28 Şekil 3.11. RT 42 maddesinin küçük ısı değiştirici ile yalıtımlı ortamda plaka grafitlerle giriş sıcaklığı 52 o C olarak yapılan deneylerin ısınma-soğuma eğrisi.29 Şekil 3.12. RT 42 maddesinin büyük ısı değiştirici ile yalıtımlı ortamda plaka grafitlerle giriş sıcaklığı 52 o C olarak yapılan deneylerin ısınma-soğuma eğrisi.29 Şekil 3.13. RT 42 maddesinin büyük ve küçük ısı değiştiriciler ile yalıtımlı ortamda plaka grafitlerle giriş sıcaklığı 52 o C olarak yapılan deneylerin ısınma-soğuma eğrisi.30 Şekil 3.14. RT 42 nin 52 o C sıcaklıkta yalıtımlı ortamda farklı grafit şekillerinden sağlanan sıcaklık farkı karşılaştırılması. Mavi: Grafitsiz, Kırmızı: Granül grafit, Yeşil: Plaka grafit, KE: Küçük ısı değiştirici BE: Büyük ısı değiştirici BKE: Büyük ve küçük ısı değiştirici beraber...31 Şekil 3.15. Farklı FDM lerle depolanan ısının geri kazanılması sonucu elde edilen sıcaklık farkları (pg: plaka grafit, g:granül grafit, PK: parafin karışım) 32 Şekil 3.16. Giriş sıcaklığı 52 o C, yalıtımlı ortamda, büyük ve küçük ısı değiştiriciler beraber, plaka grafitli (pg), granül grafitli(g) ve grafitsiz yapılan deneylerin % enerji verimlilikleri artışları..34 VII

Şekil 3.17. Prototip olarak üretilen ısı depolama üniteli bulaşık makinesinin iç görünümü 37 Şekil 3.18. Bulaşık makinesinde gizli ısı depolama için prototip çalışması sıcaklık dağılımları.39 Şekil 3.19. Bulaşık makinesinde gizli ısı depolama için prototip çalışmasında küçük ve büyük ısı değiştiriciler su giriş ve çıkış sıcaklıkları.40 Şekil 3.20. Bulaşık makinesinde gizli ısı depolama için prototip çalışmasında küçük ve büyük ısı değiştiriciler su giriş ve çıkış sıcaklıkları.41 VIII

ÖZET Termal enerji depolama (TED) sistemleri yenilenebilir ve atık ısı kaynaklarını mevcut olduğu zamanlarda depolayarak, kaynakların kesintiye uğradığı zamanlarda kullanılmasına olanak vermektedir. Uygun sıcaklıklarda faz değiştiren maddelerin (FDM) gizli ısısından yararlanan TED sistemleri yüksek depolama kapasitesi ve izotermal davranışları ile birçok uygulama için tercih edilmektedir. Bulaşık makinelerinde birinci yıkama sonundaki atık suyun ısısı uygun bir FDM de gizli ısı şeklinde depolanabilir. Depolanan bu gizli ısı, makineye alınan ikinci yıkama suyunun ön-ısıtmasında geri kazanılabilir. Bu projede, bulaşık makinelerinde enerjinin daha verimli kullanılmasını sağlamak amacıyla atık ısı depolamaya uygun TED sisteminin tasarım, geliştirme, deneme ve prototipinin üretilme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Parafin içeren altı FDM ve değişik oranlarda hazırlanan, ikili 18 karışımın termofiziksel özellikleri ve termal kararlılıkları belirlenmiş, depolama geri-kazanma deneyleri yapılmıştır. Laboratuarda 52 o C de atık ısı depolamasında geri kazanmadaki en yüksek sıcaklık farkı ve enerji verimi RT42 ile, sırasıyla, 14,33 o C ve %24,19 olarak elde edilmiştir. Buna göre yapılan maliyet hesaplamalarında FDM li bulaşık makinesinin geri ödeme süresi 10,4 yıl olarak belirlenmiştir. Bu sonuçların bulaşık makinelerinde yaygın olarak uygulanabilmesi durumunda 226,4 GWh/yıl elektrik enerjisi tasarruf edilebilecektir. Emisyonlardaki azalma ton/yıl biriminde 245719 CO 2, 6701 SO 2 ve 716 NO x olarak hesaplanmıştır. Laboratuarda elde edilen sonuçlar Arçelik tarafından Çayırova tesislerinde üretilen prototip üzerinde denenmiştir. 52ºC deki atık ısıyı depolamak üzere Çukurova Üniversitesinde hazırlanan grafit-fdm karışımı ile prototip çalışmalarında beklenen verim artışı elde edilememiştir. Prototip denemelerinde 52ºC de atılan suyun ısı depolama ünitesine geldiğinde sıcaklığının 40ºC ye düşmesi, FDM nin erime aralığının 40ºC den yüksek olduğu için erimemesine ve gizli ısısının depolanamamasına neden olmuştur. Çözüm olarak daha düşük erime sıcaklığındaki E30 ile prototip denemeleri tekrarlanmış ve enerji verimliliği % 3,6 oranında artırılmıştır. Bu artış henüz prototipin seri üretiminin ekonomik olarak yapılabilmesi için yeterli olmayıp, daha fazla Ar-Ge faaliyetlerine ihtiyaç vardır. Anahtar Kelimeler: Enerji Verimliliği, Bulaşık Makinesi, Termal Enerji Depolama, Faz Değiştiren Madde, Atık Isı IX

ABSTRACT Thermal energy storage systems enable utilization of renewable energy resources and waste heat by storing energy produced when these resources are available. TES systems utilizing latent heat of phase change materials (PCM) with appropriate phase transition temperature are preferred in various applications because of their high storage capacities and isothermal behaviour. In dishwashers, waste heat from the discharge water of first washing cycle can be stored as latent heat in an appropriate PCM. The stored heat can later be recovered to preheat the second washing cycle water. In this project, activities to design, develop, test and build the prototype of a TES system suitable to store waste heat with the purpose of more efficient energy utilization in dishwashers were carried out. Thermophysical properties and thermal stabilities of six paraffin based PCMs and their 18 binary mixtures with different compositions were determined and storage and recovery experiments were carried out. In experiments with waste heat recovery at 52 o C highest temperature increase was obtained for RT42 as 14,33 o C and a corresponding increase in energy efficiency as %24,19. Pay-back time for dishwaher with PCM was calculated as 10,4 years based on the experimental results. With wide spread application of the experimental results in dishwashers 226,4 GWh/year electrical energy can be conserved. This corresponds to reduction in emissions in tons/year as 245719 CO 2, 6701 SO 2 and 716 NO x. The experimental results were tested in the prototype that was built by Arçelik in Çayırova. The prototype with PCM graphite mixture prepared by Çukurova University to store waste heat at 52ºC did not give the expected increase in energy efficiency. During prototype tests temperature of waste water discharged at 52ºC decreased to 40ºC before it reached the TES unit. PCM having a melting range higher than 40ºC could not melt and thus latent heat could not be stored. As solution, prototype tests were repeated for E30 with lower melting temperature and energy efficiency was increased by % 3,6. This increase is yet not enough for large scale economical production of the prototype. There is need for more R&D activities. Keywords: Energy Efficiency, Dishwashers, Thermal Energy Storage, Phase Change Material, Waste Heat X

1. GİRİŞ 105M183 1. GİRİŞ Günümüzde giderek artan enerji sorununa çevreci ve sürdürülebilir bir çözüm getirebilmek için çalışmalar yürütülmektedir. Mevcut kaynakları verimli kullanma ve yenilenebilir kaynaklara yönelme ülkemizin enerji politikalarının sürdürülebilirliği açısından önem taşımaktadır. Dünyada artan çevreci kaygılar mevcut kaynakların kullanımında sınırlamalar getirmeyi dayatırken Türkiye gibi enerji talebi hızla artan ve enerji üretimi ve kullanımında yabancı kaynaklara bağımlı ülkelerde çevre üzerindeki olumsuz etkilerin yanı sıra bu bağımlılık enerji verimliliği ve tasarrufu konularını daha da önemli hale getirmektedir. Enerji tüketimini azaltmak, yenilenebilir ve atık ısı kaynaklarını kullanmak için termal enerji depolama (TED) yöntemlerinden yararlanılır (DİNÇER ve ark., 2002; ZALBA ve ark., 2003). Termal enerji depolama iklim değişikliği ile mücadelede enerji tasarrufu ve verimliliğini artıran, ısıtma ve/veya soğutmaya yönelik esnek çözümler sunmaktadır. Ayrıca, yerel ve yenilenebilir kaynaklardan ve sanayideki atık ısıdan maksimum düzeyde yararlanılarak enerji talebi azaltılabilmektedir. Enerji yük eğrilerinde görülen günlük veya mevsimlik piklerin termal enerji depolama ile karşılanması ile düşük enerji bedeli, ani yüklere cevap ve ek kapasite imkânı gibi yararlar da sağlanabilmektedir. Termal enerji depolama sistemleriyle elektrik enerjisine duyulan gereksinim azalmakta ve elektriğe en çok ihtiyaç duyulan zamanlarda elektriğe aşırı yüklenme engellenebilmektedir. Ozon tabakasına zarar veren kloroflorokarbonlara (CFC) gereksinim duymadan doğrudan soğutma-ısıtma yapılabilmektedir. Böylece enerji santrallerine duyulan gereksinmeyi ve fosil yakıt kullanımını azaltarak çevreyi daha az kirleten ve iklim değişikliği yaratan sera gazlarının atılmadığı çözümler sunmaktadır. Enerji kaynakları bakımından dışa bağımlılığını henüz aşamamış olan Türkiye de her alandaki enerji tasarruf gelecek açısından büyük önem taşımaktadır. Kısa süreli uygulamalar için gizli ısı depolama; uzun süreli olanlar için ise duyulur ısı depolama önerilmektedir (ABHAT, 1983). Gizli ısı depolama sistemlerinde, maddelerin faz değişimi sırasında aldıkları ve verdikleri ısıdan yararlanır. Enerji alan madde erir ve tekrar donarken aldığı bu enerjiyi geri verir. Böylece ortam sıcaklığı faz değişim sıcaklığına çok yakın bir sıcaklık aralığında tutulmuş olur. Gizli ısı depolama uygulamalarında Faz Değiştiren Maddeler-FDM (Phase changing materials-pcm) olarak organik ve anorganik kimyasallar kullanılır. FDM lerin sabit sıcaklıkta faz değiştirebilmeleri ısı depolama ve geri kazanma için elverişlidir (KELEŞ, 2005; PASUPATHY, 2008). Gizli ısı depolama ile yüksek kapasiteli 1

1. GİRİŞ 105M183 depolama uygulamaları ile ısıtma ve soğutmada enerji tasarrufu yapılabilmektedir (ABHAT, 1983; DİNÇER ve ark., 2002; ZALBA ve ark., 2003). Değişik erime sıcaklıklarına sahip faz değiştiren maddeler TED amacıyla; tekstil ürünlerinde, yapı malzemelerinde, sıcaklığa duyarlı malzemelerin (tıbbi ürünler, gıda vb.) taşınması ve saklanmasında, elektronik cihazların korunmasında, aktif ve pasif ısıtma ve soğutma sistemlerinde kullanılabilmektedir. Güneş enerjili su ısıtma sistemlerinde suyun sıcaklığını daha uzun süre yüksek tutmak ve hızlı kullanımlarda soğuyan suyun ısıtılmasına katkıda bulunmak amacıyla depo tankında FDM kullanımıyla ilgili çalışmalar yapılmıştır (MAZMAN, 2003). FDM lerin beyaz eşya sektöründe kullanımı ile ilgili olarak çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar daha çok buzdolabı ve derin dondurucu üzerine yoğunlaşmıştır. Buna ek olarak bulaşık makinesi ve çamaşır makinelerinde FDM uygulaması ile ilgili olarak farklı firmalar tarafından alınan çeşitli patentler mevcuttur. Bu patentlerden biri Longardner tarafından alınmıştır. Tanımlanan sistem, bir yıkama cihazı için tasarlanan bir ısı değiştiricisini içermektedir. Isı değiştiricisi 2 adet silindirik hazne ve iç haznenin iç kısmında bulunan FDM konfigürasyonundan oluşmaktadır. Dış hazne üzerinde bulunan giriş ve çıkış kanallarından gönderilen soğuk/sıcak akışkanın, iç hazne dış yüzeyinden geçirilerek, iç hazne içerisindeki FDM in faz değiştirmesi dolayısı ile de akışkanın enerjisinin, FDM de gizli ısı şeklinde depolanması amaçlanmaktadır. (LONGARDNER, 1993) Bulaşık makinelerinde kurutma performansının iyileştirilmesine yönelik çalışma Zug AG tarafından yapılmıştır. Çalışmada, bulaşık makinesi çalışması son periyodunda kurutma işleminde kullanılan, havanın neminin alınmasını sağlayan sistem tasarımı mevcuttur. Sıcak ve nemli havanın, neminin alınması FDM li ısı değiştiricisi sayesinde olmakta ve havadaki nem azaldığı için bulaşıkların üzerindeki nemin yok edilmesi daha kısa sürede mümkün olmaktadır (WERNER, 2000). Bulaşık ve çamaşır makinelerinde enerji tüketiminin azaltılmasına yönelik bir çalışma BSHG firması tarafından yapılmıştır. Çalışmada, soğuk ve sıcak akışkanın FDM ile temasta olup birbirleri ile direk temasta olmadıkları ısı değiştiricisi konstrüksiyonu mevcuttur. Tasarımı gerçekleştirilen ısı değiştiricisi, özellikle bulaşık ve çamaşır makineleri için tasarlanmıştır. Buluşta, soğuk ve sıcak akışkanın arasında FDM bulunan bir ısı değiştiricisi, ısı değiştiricisinin uygulandığı makine üzerinde ise, kontrol ünitesi tarafından kontrol edilen, su hatları mevcuttur (YUKİTAKA, 1982). 2

1. GİRİŞ 105M183 Yıkama makinelerinde (çamaşır ve bulaşık makineleri) yıkama iki aşamada gerçekleşmektedir. Birinci aşamada sisteme gelen su ısıtılarak yıkama işlemi yapılmakta ve yıkamada kirlenen sıcak su doğrudan tahliye edilmektedir. İkinci aşamada sisteme tekrar su girişi olmakta ve alınan taze su da ısıtılarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, bulaşık makinesinde birinci aşamada sistemde ısıtılarak kullanıldıktan sonra atılan birinci aşama suyunun ısısını depolamak ve ikinci aşamada sisteme alınacak soğuk suyun sıcaklığını depolanan ısıyla artırmak hedeflenmiştir. Bu amaçla bulaşık makinesi atık ısı sıcaklığına uygun FDM geliştirme ve termal enerji depolama ünitesi tasarım çalışmaları yapılmıştır. Belirlenen FDM lerle laboratuarda birinci aşamada tahliye edilen suyun atık ısısının, FDM in erimesiyle depolanması ve sisteme alınan soğuk suyla etkileşimi sonucu FDM in donmasıyla depolanan ısının geri kazanılması deneyleri gerçekleştirilmiştir. Uygulanan yöntemle sisteme alınan soğuk suyun giriş sıcaklığındaki sağlanan sıcaklık artışları belirlenmiştir. Laboratuarda elde edilen çalışmalar üretilen prototipte denenerek, bulaşık makinesi enerji tüketim değerleri belirlenmiştir. Sonuçların çevresel ve ekonomik katkıları ile maliyet hesaplamaları yapılmıştır. 3

2. MATERYAL VE METOD 105M183 2. MATERYAL VE METOD 2.1. MATERYAL 2.1.1. Faz Değiştiren Maddeler Bulaşık makinesinin atık ısısını gizli ısı şeklinde depolama özelliklerine uygun faz değiştiren maddeler (FDM ler) arasında aşağıda verilen ticari ve saf maddeler bu çalışmada FDM olarak denenmiştir. Ticari Maddeler E32 (Erime Sıcaklığı 32 o C) EPS RT 42 (Erime Sıcaklığı 43 o C) Rubitherm RT 35 (Erime Sıcaklığı 35 o C) Rubitherm Saf Maddeler: Parafin (Erime Aralığı 42 44 o C) Merck Parafin (Erime Aralığı 46 48 o C) Merck Parafin (Erime Aralığı 56 58 o C) Merck E32 EPS Arçelik A.Ş. tarafından sağlanmıştır. Rubitherm ürünleri Uluslararası Enerji Ajansı Enerji Depolaması Uygulama Anlaşması kapsamında sürdürülen işbirliği kapsamında Leida Üniversitesi, İspanya dan sağlanmıştır. Tuz hidratları korozif etkisi ve erime donma sırasında aşırı soğuma, düzensiz (inkongruent) erime gibi sorunları nedeniyle FDM olarak seçilmemiştir. İstenilen erime noktasında FDM elde etmek için karışım oranları kütlece %10 - %90 arasında değişen aşağıda verilen maddelerden 9 ar tane karışım madde elde edilmiş ve bunların termofiziksel özellikleri incelenmiştir. Parafin (42 44 o C) - Parafin (56 58 o C) Parafin (42 44 o C) - Parafin (46 48 o C ) 2.1.2. Termal Enerji Depolama Ünitesi Termal enerji depolama ünitesi şematik olarak Şekil 2.1 de gösterilmiştir. Termostatlı 4

2. MATERYAL VE METOD 105M183 Termostatlı Su Banyosu P Isı değiştiricisi 1 Isı değiştiricisi 2 Su Haznesi 3 L Depolama, Tgiriş=42 C, 52 C, süre=10 dk Geri kazanma, Tgiriş=23 C, süre=15 dk Şekil 2.1. Isı Depolama ünitesi şematik görünüş Su banyosu depolama sırasında sabit sıcaklıkta atık ısı sağlamak için kullanılmaktadır. 3 L hacmindeki su haznesi ise bulaşık makinesinin ikinci yıkama aşamasında sisteme alınan soğuk su yerine geri kazanma sırasında kullanılmaktadır. Isı değiştirici 1 ve 2 su ve FDM arasında ısı alış-verişi için sitemde yer almaktadır. Kullanılan farklı boyuttaki, iki adet, bakır, boru tipi, kanatlı ve çok geçişli ısı değiştiriciler Şekil 2.2 de gösterilmiştir. Isı değiştiricilerin boyutlandırılması bulaşık makinesinin içindeki mevcut boş hacim ve ağırlık denge noktaları dikkate alınarak Arçelik A.Ş. tarafından yapılmıştır. (a) (b) Şekil 2.2. (a) Isı değiştirici 1 (b) Isı değiştirici 2 5

2. MATERYAL VE METOD 105M183 Faz değişiminin görsel izlenebilirliği açısından ısı değiştiriciler poliakrilamid kutu içine yerleştirilmiştir. Isı değiştirici 1 in yerleştirildiği kutunun ebatları 130x115x47 mm, ısı değiştirici 2 için kullanılan kutunun ebatları ise 470x52x52 mm dir. Isı değiştiriciler kutuya yerleştirildikten sonra FDM ile doldurulacak ve klimaflex malzemesi ile yalıtılacaktır. Şekil 2.3 de ısı değiştirici 1 in yalıtılmış hali görülmektedir. Şekil 2.3. Klimaflex yalıtılmış ısı değiştirici 1 Şekil 2.4 te ise Arçelik A.Ş. tarafından sağlanan bulaşık makinelerinde kullanılan sirkülasyon pompası (debi 0,17 L/s, çalışma aralığı 220 240 V AC 50Hz) ve termostatlı su banyosu bağlantısı görülmektedir. Depolama ve geri kazanma sırasında istenilen sabit sıcaklıkta su termostatlı banyodan temin edilmiştir. Şekil 2.4. Sirkülasyon pompası ve termostatlı su banyosu bağlantısı 6

2. MATERYAL VE METOD 105M183 2.1.3. Analiz ve Ölçüm Cihazları 2.1.3.1. Isıtmalı ve Soğutmalı Su Banyosu Faz değiştiren maddelerin termal kararlılıklarını belirlemek için yapılan erime-donma çevrimleri Şekil 2.5 de görülen Huber CC3 marka ısıtmalı soğutmalı su banyosu kullanılmıştır. Şekil 2.5. Huber CC3 marka termostatlı su banyosu 2.1.3.2. Veri Kayıt Cihazı (Data Logger) Proje kapsamında satın alınan Agilent 34970A marka veri kayıt cihazı ve 34901A 20 kanallı multiplekser ile 10 saniyede bir ölçüm alınarak, veriler özel veri tabanında kaydedilmiştir. Veri kayıt cihazı Şekil 2.6 da gösterilmiştir. Veri kayıt cihazı bilgisayar ile uyumlu olup, sıcaklık ölçümleri için cihaza bağlanarak kullanılan sıcaklık sezicilerinden oluşan veri toplama sistemidir. Üzerinde bulunan işletim sistemi sayesinde yapılacak ölçümlere göre farklı programlar hazırlanabilir. Veri kayıt cihazı, ölçüm kontrol modülü ve takıp çıkarılabilen kablo panelinden oluşmaktadır. 7

2. MATERYAL VE METOD 105M183 Şekil 2.6. Agilent Model No: 34970A veri kayıt cihazı (Data-Logger) 2.1.3.3. Sıcaklık Sezicileri Sıcaklık ölçümleri ısı değiştirici giriş ve çıkış, dış ortam, depo içinde farklı üç ayrı noktada olmak üzere altı ayrı noktada, proje kapsamında satın alınan N/N-24-TT tipi çift duyarlıklı ısıl çiftler (Bakır (+) ile Konstantan (-)) ile yapılmıştır (Şekil 2.7). Isıl çiftlerin çalışma sıcaklık aralığı 0 370 o C arasında olup, ±0,5 o C hassaiyette ölçüm yapabilmektedir. Şekil 2.7. N/N-24-TT tipi çift duyarlıklı ısıl çift (thermocouple) 2.1.3.4. Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) Cihazı Faz değiştiren maddelerin termofiziksel özelliklerini belirlemek için Çukurova Üniversitesi, Kimya Bölümü nde bulunan Perkin Elmer Diamond DSC cihazı kullanılmıştır. Şekil 2.8 de Diamond DSC ve bilgisayar bağlantısı görülmektedir. DSC nin teknik özellikleri Çizelge 2.1 de verilmiştir. 8

2. MATERYAL VE METOD 105M183 Şekil 2.8. Perkin Elmer Diamond DSC cihazı Çizelge 2.1. Perkin Elmer Diamond DSC nin Teknik Özellikleri Sıcaklık Aralığı -170 0 C ile 730 0 C Sıcaklık Doğruluğu ±0,1 0 C Sıcaklık Çözünürlüğü ±0,01 0 C Tarama Hızı 0,01 0 C/dak ile 500 0 C/dak Kalorimetre Doğruluğu < ± % 1 Kalorimetre Çözünürlüğü < ± % 0,1 Kalorimetre Duyarlılığı 0,2 m W Dinamik Aralık 0,2 mw ile 800 mw Eş Sıcaklık Kayması (10 dak.) -150/100 0 C <15 mw < 10mW Numune miktarı Maksimum 30mg 9

2. MATERYAL VE METOD 105M183 2.2. METOD 2.2.1. Faz Değiştiren Maddelerin Belirlenmesi Bulaşık makinelerinde ısı depolaması çalışma sıcaklığının belirlenmesi için Şekil 2.9 daki sıcaklık zaman grafiğinde şematik olarak gösterilen bulaşık makinelerinin yıkama aşamaları incelenmiştir. I. Yıkama aşamasında sisteme alınan 4 L su 52ºC ye kadar ısıtıldıktan sonra yıkama işlemi gerçekleştirilmekte ve 42ºC de tahliye edilmektedir. Bu aşamada ısı depolamanın yapılabileceği iki alternatif bölge belirlenmiştir: Şekil 2.9 da a ile gösterilen bölge, depolama sıcaklığı 52ºC Şekil 2.9 da b ile gösterilen bölge, depolama sıcaklığı 42ºC II. Yıkama aşamasında sisteme, her biri 3 er L olmak üzere iki ayrı su girişi olmaktadır. İkinci su girişinden sonra sıcaklığı 23ºC olan suyun ikinci yıkama için 60ºC ye ısıtılması gerekmektedir. Birinci aşamada depolanan ısının geri kazanma işlemi 23ºC suyla yapılarak, suyun sıcaklığının artırılması ve ısıtma işleminde harcanacak enerjinin azaltılması hedeflenmiştir. Geri kazanma işlemi yapılacak bölge Şekil 2.9 da c ile gösterilmiştir. I. Yıkama II. Yıkama + Kurutma T(C) 52 C a 60 C ısıtma ısıtma b 42 C c 22 C su girişi su girişi Şekil 2.9. Bulaşık makinesi yıkama aşamaları sıcaklık-zaman grafiği, a, b: ısı depolama alternatifleri, c: geri kazanma 10

2. MATERYAL VE METOD 105M183 Bulaşık makinelerinde atık suyun ısısını depolamak için uygun sıcaklık aralığında faz değiştiren, yüksek erime entalpisine (gizli ısı) sahip FDM lere ihtiyaç vardır. FDM ler saf bir madde olabildiği gibi birden fazla maddenin karışımından da meydana gelebilir. FDM seçimi yapılırken maddenin aşağıdaki özellikleri dikkate alınır: Erime noktası, Erime entalpisi, Toksik etki, Kimyasal kararlılık, Korozif etki, Termal kararlılık, Maliyet Bulaşık makinesinde ısı depolanmasının yapılacağı alternatiflere uygun FDM lerin 35 o C 50 o C arasında erime noktası veya erime aralığına sahip olması istenmektedir. Bu aralıkta erime noktası olan FDM ler parafinler, tuz hidratları ve ötektik karışımlardır. 2.2.2. Faz Değiştiren Maddelerin Termofiziksel Özelliklerinin Belirlenmesi Diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ile maddenin faz değiştirme sıcaklığı ve faz değiştirme entalpisi belirlenebilmektedir. Bu çalışmada kullanılan Çukurova Üniversitesi Kimya Bölümünde bulunan Perkin Elmer Diamond DSC de 20 ml/dak debide saf azot gazı ve soğutucu ortam olarak sıvı azot kullanılmaktadır. Her ornek için üç ayrı analiz yapılmıştır. 2.2.3. Erime-Donma Termal Çevrim Deneyleri FDM lerin ısı depolama geri kazanma işlemleri sırasında eritilip dondurulduğu çevrime termal çevrim denilmektedir. FDM uygulamasında termal çevrim sayısının artmasıyla maddenin termal ve kimyasal davranışının değişmemesi gerekmektedir. Bu nedenle FDM lerin kararlılıklarının değişen termal çevrim sayılarında belirlenmeleri gerekmektedir. Termal çevrim, FDM nin eritilip hemen arkasından dondurulmasından oluşan bir işlemdir. Proje kapsamında satın alınan programlanabilir ısıtmalı soğutmalı su banyosunda FDM örneklerinin 100, 200, 400, 600, 800 ve 1000 adet termal çevrimleri yapılarak DSC analizleri 11

2. MATERYAL VE METOD 105M183 ile erime aralıkları ve erime entalpileri belirlenmiştir. Böylece, örneklerin termal kararlılıklarında değişiklik olup olmadığı izlenmiştir. 2.2.4. Faz Değiştiren Maddelerin Isıl İletkenlik Özelliğinin İyileştirilmesi Bu çalışmada uygun olarak belirlenen FDM ler parafinler ve karışımlarından oluşmaktadır. Parafinlerin ısıl iletkenliklerinin düşük olmasına karşı önlem olarak grafitle beraber kullanılmaları daha önceki çalışmalarla belirlenmiştir (MEHLING ve CABEZA, 2007). Şekil 2.11 de gösterilen Leida Üniversitesi, İspanya ile olan işbirliği sonucu temin edilen genişletilmiş yüzeyli grafit, deneylerde FDM lerin ısıl iletkenliğini yükseltmek amacıyla kullanılmıştır. Burada kullanılan grafitin ısıl iletkenliği 25 W/mK ve porositesi %90 dır (http://www.sglcarbon.com/sgl_t/expanded/markets/energy/heat_storage_d.html). Şekil 2.12 de grafitin ve parafinin ısıl iletkenliklerinin karşılaştığı grafikte yaklaşık 100 kat daha iyileştirme olduğu görülebilir. Şekil 2.10 Faz değiştiren madde emdirilmiş genişletilmiş yüzeyli grafit granül ve plaka örnekleri 12

2. MATERYAL VE METOD 105M183 Şekil 2.11. Grafit ve parafin ısıl iletkenlik karşılaştırılması (MEHLING ve CABEZA, 2007) Depolama ve geri kazanma deneylerinde kullanılan FDM ler hem saf olarak hem de yüzeyi genişletilmiş grafit üzerine emdirilerek kullanılmıştır. FDM lerin grafit üzerine emdirme işlemi, yüzeyi genişletilmiş grafiti küp ve plaka şeklinde parçalara bölmek ve bu garfit parçalarını sıvı FDM içinde bekletmek suretiyle hazırlanmıştır. Yapılan denemeler sonucunda yüzeyi genişletilmiş grafitin parafini emme oranı % 400 olarak belirlenmiştir. 2.2.5. Depolama ve Geri Kazanma Deneyleri Depolama ve geri kazanma deneyleri tek büyük ısı değiştirici, tek küçük ısı değiştirici ve her ikisini birbiri ardına bağlayarak tekrarlanmıştır. Şekil 2.13 te her iki ısı değiştiricinin de kullanıldığı deney sırasında çekilmiş fotoğraf bulunmaktadır. Şekil 2.12. Her iki ısı değiştiricinin deney sırasından bir görünümü 13

2. MATERYAL VE METOD 105M183 Ayrıca deneyler yalıtımlı ve yalıtımsız olarak tekrarlanmış ve her iki durumda performanslar karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Küçük ısı değiştiricisinin yalıtımlı ve yalıtımsız görünümleri Şekil 2.14 te görülmektedir. Yalıtım malzemesi olarak klimaflex kullanılmıştır. Depolama deneylerinde ısı değiştirici giriş sıcaklıkları 42ºC ve 52ºC, geri kazanma deneylerinde ise 23ºC dir. Depolama 10 dak süreyle geri kazanma ise 15 dak süreyle yapılmıştır. Şekil 2.13. Küçük ısı değiştiricisinin yalıtımlı ve yalıtımsız görünümü 14

3. BULGULAR VE TARTIŞMA 105M183 3. BULGULAR VE TARTIŞMA 3.1. FDM lerin Hazırlanması Bulaşık makinesi atık ısı sıcaklığına uygun erime aralığına sahip FDM olarak aşağıdaki madde ve karışımlar denenmiştir: 1. Ticari Maddeler E32 (Erime Sıcaklığı 32 o C) EPS, İngiltere RT 42 (Erime Sıcaklığı 43 o C) Rubitherm, Almanya RT 35 (Erime Sıcaklığı 35 o C) Rubitherm, Almanya 2. Saf Maddeler: Parafin (Erime Aralığı 42 44 o C) Merck Parafin (Erime Aralığı 46 48 o C) Merck Parafin (Erime Aralığı 56 58 o C) Merck 3. Karışımlar: Oranları kütlece %10 - %90 arasında değişen aşağıda verilen maddelerden 9 ar tane karışım: Parafin (42 44 o C) - Parafin (56 58 o C) Parafin (42 44 o C) - Parafin (46 48 o C ) Bu maddelerin DSC ile belirlenen erime sıcaklık aralıkları, Te (ºC) ve erime entalpileri H(J/g) Çizelge 3.1 de verilmiştir. Çizelge 3.1. Faz Değiştiren Maddelerin DSC Analiz Sonuçları FDM Erime Entalpisi H (J/g) Erime Sıcaklık Aralığı Te ( o C) E32 102 33 43 Parafin42-44 137 39 47 Parafin46-48 135 41 49 RT-42 130 39 49 RT-35 120 27 37 %90 P46-48 - %10 P42-44 132 41 51 %80 P46-48 - %20 P42-44 131 40 49 %70 P46-48 - %30 P42-44 129 39 48 %60 P46-48 - %40 P42-44 130 39 47 %50 P46-48 - %50 P42-44 129 39 48 %40 P46-48 - %60 P42-44 135 39 47 %30 P46-48 - %70 P42-44 131 39 47 %20 P46-48 %80 P42-44 131 39 46 %10 P46-48 - %90 P42-44 131 39 47 15

3. BULGULAR VE TARTIŞMA 105M183 %90 P42-44- %10 P56-58 128 38 48 %80 P42-44 %20 P56-58 133 39 48 %70 P42-44- %30 P56-58 127 39 49 %60 P42-44- % 40 P56-58 127 39 52 %50 P42-44- %50 P56-58 128 39 53 %40 P42-44- %60 P56-58 119 40 55 %30 P42-44- %70 P56-58 117 42 57 %20 P42-44- %80 P56-58 118 45 58 %10 P42-44- %90 P56-58 125 47 59 Bu sonuçlar değerlendirildiğinde, saf ve ticari maddelerin yanı sıra dört adet karışım, erime aralıkları ve entalpilerinin uygunluğu nedeniyle bulaşık makinesi uygulaması için alternatif FDM olarak belirlenmiştir. Bu karışımlar şunlardır: %20 Parafin 46 48 %80 Parafin 42 44 %10 Parafin 46 48 %90 Parafin 42 44 %90 Parafin 42 44 %10 Parafin 56 58 %80 Parafin 42 44 %20 Parafin 56 58 3.2. Termal Çevrim Deneyleri Belirlenen FDM lerin erime-donma sayısı arttıkça termal davranışlarının değişimini izlemek için termal çevrim deneyleri yapılmıştır. Çizelge 3.2 de FDM lerin başlangıç ve 200.,400., 600., 800.ve 1000. termal çevrimler sonrası DSC sonuçları karşılaştırılmıştır. Çizelge 3.2. FDM lerin Başlangıç ve Termal Çevrimler Sonundaki DSC Analiz Sonuçları FDM Erime Entalpisi H (J/g) P42-44 (0) 137 39 47 P42-44 (100) 135 38 46 P42-44 (200) 140 38 44 P42-44 (400) 133 38 44 P42-44 (600) 126 37 44 P42-44 (800) 116 37 44 P42-44 (1000) 124 38 45 E32 (0) 102 33 43 E32 (100) 103 33 43 Erime Sıcaklık Aralığı Te ( O C) Ortalama Entalpi- Standart Sapma 130 J/g ± 8 16

3. BULGULAR VE TARTIŞMA 105M183 E32 (200) 105 33 42 E32 (400) 100 32 42 E32 (600) 74 33 43 E32 (800) 77 33 43 E32 (1000) 98 31 42 20 P46-48 80 P42-44 (0) 131 39 46 20 P46-48 80 P42-44 (100) 130 39 47 20 P46-48 80 P42-44 (200) 127 39 45 20 P 46-48 80 P442-44 (400) 135 38 45 20 P46-48 80 P42-44 (600) 102 38 45 20 P46-48 80 P42-44 (800) 92 38 45 20 P46-48 80 P42-44 (1000) 129 38 46 10 P46-48 90 P42-44 (0) 131 39 47 10 P46-48 90 P42-44 (100) 138 39 47 10 P46-48 90 P42-44 (200) 141 38 44 10 P46-48 90 P42-44 (400) 130 38 44 10 P46-48 90 P42-44 (600) 124 38 44 10 P46-48 90 P42-44 (800) 131 38 44 10 P46-48 90 P42-44 (1000) 131 38 45 20 P56-58 80 P42-44 (0) 133 39 48 20 P56-58 80 P42-44 (100) 127 38 48 20 P56-58 80 P42-44 (200) 133 38 46 20 P56-58 80 P42-44 (400) 139 38 46 20 P56-58 80 P42-44 (600) 124 38 47 20 P56-58 80 P42-44 (800) 112 38 46 20 P56-58 80 P42-44 (1000) 134 37 46 10 P56-58 90 P42-44 (0) 142 38 48 10 P56-58 90 P42-44 (100) 130 39 46 10 P56-58 90 P42-44 (200) 132 39 45 10 P56-58 90 P42-44 (400) 137 38 45 10 P56-58 90 P42-44 (600) 135 38 45 10 P56-58 90 P42-44 (800) 132 38 45 10 P56-58 90 P42-44 (1000) 137 38 45 RT-42 (0) 145 38 48 RT-42 (100) 126 38 48 RT-42 (200) 147 38 47 RT-42 (400) 145 38 47 RT-42 (600) 123 38 47 RT-42(800) 136 39 47 RT-42 (1000) 118 39 47 94 J/g ±12 120 J/g ±16 132 J/g ±5 128 J/g ±8 135 J/g ±4 134 J/g ±11 17

3. BULGULAR VE TARTIŞMA 105M183 P46-48 (0) 135 41 49 P46-48 (100) 136 41 51 P46-48 (200) 118 39 47 P46-48 (400) 136 40 49 P46-48 (600) 137 41 49 P46-48 (800) 137 41 49 P46-48 (1000) 124 40 49 RT-35 (0) 120 27 37 RT-35 (100) 117 27 38 RT-35 (200) 123 28 37 RT-35 (400) 93 27 38 RT-35 (600) 137 34 45 RT-35 (800) 118 37 48 131 J/g ±7 118 J/g ±14 Termal çevrimler sonucu tüm FDM örneklerinin erime aralıklarında görülen sapma en fazla ±1ºC olmuştur. Burada kullanılan FDM ler parafin temelli oldukları için 2-3ºC lik bir aralıkta erimeleri ve DSC ölçümlerinin duyarlılıkları göz önüne alınarak bu fark kabul edilebilir düzeydedir. Bu nedenle FDM lerin erime aralıklarının termal çevrim sonucu etkilenmedikleri söylenebilir. Çizelge 3.2 de gösterilen termal çevrimler sonucundaki erime entalpisi değerlerinin standart sapmaları %4 ile %16 aralığındadır. Standart sapmaları yüksek olan aşağıdaki FDM lerin DSC analizleri tekrarlanmıştır: E32 (EPS) %20 P46 48 %80 P42 44 (Çukurova Üniversitesinde belirlenen parafin karışım) RT42 (Rubitherm) RT35 (Rubitherm) Tekrarlanan faz değiştiren maddeler için DSC analiz sonuçları, termal çevrimler üstüste çakıştırılarak Şekil 3.1 Şekil 3.4 arasında verilmiştir. 18

3. BULGULAR VE TARTIŞMA 105M183 Şekil 3.1. %20 P46 48 ve %80 P42 44 parafin karışımının 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: 800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim) Şekil 3.2. E32 nin 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: 800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim) 19

3. BULGULAR VE TARTIŞMA 105M183 Şekil 3.3. RT42 nin 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: 800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim) Şekil 3.4. RT35 nin 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: 800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim) DSC analiz sonuçlarına göre E32 numunesinin düşük entalpiye sahip olması ve termal çevrimler sonucunda kararlılığının bozulması, RT 35 in de termal kararsızlığı belirlendiğinden bu maddeler uygun FDM olarak görülmemiştir. Bu sonuçlar Arçelik yetkilileriyle değerlendirilmiş, prototip çalışmaları için FDM olarak aşağıdaki maddeler 20

3. BULGULAR VE TARTIŞMA 105M183 üzerinde durulmasına ve bu maddeler için termal kararlılık deneylerinin tekrarlanmasına karar verilmiştir: P42 44 %20 P46 48 %80 P42 44 RT 42 Seçilen bu FDM lerin yeni numuneleri hazırlanıp toplam 1000 adet termal çevrim tekrar yapılmıştır. Bu FDM lerin her biri için 0., 100., 200., 400., 600., 800., 1000. termal çevrimleri sonunda, DSC analizleri yapılmıştır. Yapılan DSC analizlerinde önceki analizlerde olduğu gibi burada da 3 farklı numune alınarak paralel çalışma yöntemi uygulanmıştır. Analizler sonucunda elde edilen erime entalpileri ve erime aralıklarında görülen sapma en fazla ±1ºC olmuştur. Çizelge 3.3 de gösterilen termal çevrimler sonucundaki erime entalpisi değerlerinin standart sapmaları %5,8 ile %7,5 aralığındadır. 2006 da Mehling ve Schossig tarafından yapılan FDM lerin kalite kontrolü için standard yöntem geliştirme çalışmasında erime entalpilerindeki kabul edilebilir sapmanın ± %10 olarak belirlemiştir. Buna göre elde edilen DSC sonuçlarındaki sapmalar FDM lerin kararlılığını göstermektedir. Çizelge 3.3.Yeni FDM Numunelerinin Termal Çevrim Sonucunda Alınan DSC Analiz Sonuçları. Her numuneden 3 parelel örnekle çalışılmıştır. Madde Adı Erime Erime Sıcaklığı Ortalama Entalpisi (J/g) ( o C) Standart Sapma P42-44 126 J/g ±5,5 P42-44 (0-1) 126 38-44 P42-44 (0-2) 135 38-44 P42-44 (0-3) 135 37-45 P42-44 (100-1) 121 38-44 P42-44 (100-2) 123 38-44 P42-44 (100-3) 111 37-44 P42-44 (200-1) 126 37-44 P42-44 (200-2) 121 37-43 P42-44 (200-3) 125 37-44 P42-44 (400-1) 126 38-44 P42-44 (400-2) 128 38-44 P42-44 (400-3) 120 38-44 P42-44 (600-1) 131 38-44 P42-44 (600-2) 127 38-44 P42-44 (600-3) 128 38-44 P42-44 (800-1) 134 38-44 P42-44 (800-2) 128 38-45 P42-44 (800-3) 129 38-44 P42-44 (1000-1) 124 37-44 21

3. BULGULAR VE TARTIŞMA 105M183 P42-44 (1000-2) 119 38-44 P42-44 (1000-3) 127 38-44 20P46-48 80P42-44 20P46-48 80P42-44 (0-1) 133 37-45 20P46-48 80P42-44 (0-2) 128 38-45 20P46-48 80P42-44 (0-3) 128 38-45 20P46-48 80P42-44 (100-1) 114 38-45 20P46-48 80P42-44 (100-2) 124 38-45 20P46-48 80P42-44 (100-3) 108 38-44 20P46-48 80P42-44 (200-1) 128 37-45 20P46-48 80P42-44 (200-2) 132 38-45 20P46-48 80P42-44 (200-3) 127 38-45 20P46-48 80P42-44 (400-1) 115 38-45 20P46-48 80P42-44 (400-2) 131 38-45 20P46-48 80P42-44 (400-3) 134 38-44 20P46-48 80P42-44 (600-1) 129 38-44 20P46-48 80P42-44 (600-2) 134 38-45 20P46-48 80P42-44 (600-3) 128 38-45 20P46-48 80P42-44 (800-1) 115 38-45 20P46-48 80P42-44 (800-2) 128 38-45 20P46-48 80P42-44 (800-3) 136 38-45 20P46-48 80P42-44 (1000-1) 134 38-45 20P46-48 80P42-44 (1000-2) 130 38-45 20P46-48 80P42-44 (1000-3) 118 38-45 RT42 RT42 (0-1) 137 38-47 RT42 (0-2) 106 37-47 RT42 (0-3) 111 37-47 RT42 (100-1) 116 37-47 RT42 (100-2) 117 37-46 RT42 (100-3) 115 37-46 RT42 (200-1) 117 38-47 RT42 (200-2) 117 37-46 RT42 (200-3) 115 37-47 RT42 (400-1) 114 37-46 RT42 (400-2) 110 37-46 RT42 (400-3) 117 37-47 RT42 (600-1) 128 37-47 RT42 (600-2) 117 38-47 RT42 (600-3) 123 37-47 RT42 (800-1) 109 38-47 RT42 (800-2) 119 38-47 RT42 (800-3) 119 38-48 RT42 (1000-1) 119 37-47 RT42 (1000-2) 118 37-47 RT42 (1000-3) 112 38-47 126 J/g ±7,6 117 J/g± 6,5 22

3. BULGULAR VE TARTIŞMA 105M183 Faz değiştiren maddelerin DSC analizlerine ait termal grafikler de Şekil 3.5. Şekil 3.7 arasında verilmiştir. Termal çevrim sonuçlarının çakıştırıldığı bu şekillerde sonuçların Çizelge 3.3 deki sapmalarla uyumlu olduğu görülmektedir. Şekil 3.5. %20 P46 48 ve %80 P42 44 parafin karışımının 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Siyah: 0. termal çevrim, Pembe: 100. termal çevrim, kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: 800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim) Şekil 3.6. Parafin 42-44 ün 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Siyah: 0. termal çevrim, Pembe: 100. termal çevrim, kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. 23

3. BULGULAR VE TARTIŞMA 105M183 termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: 800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim) Şekil 3.7. RT42 nin 200., 400., 600., 800. ve 1000. termal çevrimlerin DSC sonuçları (Siyah: 0. termal çevrim, Pembe: 100. termal çevrim, kırmızı: 200. termal çevrim, Yeşil: 400. termal çevrim, turuncu: 600. termal çevrim, mavi: 800. termal çevrim, mor: 1000. termal çevrim) 3.3. Depolama ve Geri Kazanma Deneyleri Laboratuarda kurulan depolama ve geri kazanma düzeneğinde aşağıdaki farklı parametreler için 84 adet deney gerçekleştirilmiştir. Depolama giriş sıcaklığı: o 42 o C o 52 o C Depolama ortamı o Hava o Su o FDM ler: - % 80 Parafin42 44 ve % 20 Parafin46 48 karışımı - RT42 - RT35 - E32 24

3. BULGULAR VE TARTIŞMA 105M183 - Parafin 42 44 o Grafit eklenerek hazırlanan FDM ler - Grafitli % 80 Parafin 42 44 ve % 20 Parafin46 48 karışımı - Grafitli RT42 - Grafitli RT35 - Grafitli E32 - Grafitli Parafin42 44 İki ısı değiştiricisinden meydana gelen depolama ünitesinde toplam 1078 g FDM kullanılmıştır. Arçelik yetkilileriyle yapılan görüşmede depolama deneylerinin süresi 10 dak, geri kazanma deneylerinin ise 15 dak olarak belirlenmiştir. Deneyler küçük ve büyük ısı değiştiricilerle teker teker, iki ısı değiştirici seri bağlı olarak ve yalıtımlı ve yalıtımsız durumları için yapılmıştır. Deneylerde elde edilen depolama ünitesine giriş ve çıkış sıcaklıklarının depolama ve geri kazanma için zamana bağlı dağılımları elde edilmiştir. Bu deneylerde elde edilen ikinci yıkama suyunun sıcaklık artışını gösteren, geri kazanma giriş ve çıkış sıcaklıkları arasındaki fark Çizelge 3.4 de verilmiştir. Çizelge 3.4. Depolama ve geri kazanma deneylerinde ikinci yıkama suyunda elde edilen sıcaklık farkları, K: ısı değiştirici 1, B: ısı değiştirici 2, KB: ısı değiştirici 1 ve 2 T( C) Depolama sıcaklık 52 C T( C) Depolama sıcaklık 42 C Yalıtımlı Yalıtımsız Yalıtımlı Yalıtımsız K B KB K B KB K B KB K B KB RT42 4,22 5,57 12,23 - - - 4,90 7,81 7,77 - - - RT35 6,18 5,89 8,78 - - - 4,85 4,82 7,64 - - - Parafin 42-44 7,41 12,07 13,38 5,76 11,52 11,94 5,59 8,37 9,80 4,33 7,37 9,87 Karışım* 7,36 11,01 12,25 - - - 5,83 5,78 9,01 - - - E32 8,32 8,78 9,21 6,16 8,41 10,19 5,12 7,96 8,46 5,64 8,23 8,54 Hava 1,78 4,70 5,84-5,33-3,76 4,53 5,04-4,00 - Su 6,71 8,62 10,82-8,37-6,34 4,43 7,64-4,49 - Parafin42-44,grafitli 8,18 12,01 14,02 7,96 10,48 14,32 5,44 7,76 9,25 5,64 8,46 10,61 RT42, grafitli 4,63 11,17 12,78 - - - 5,49 4,71 8,43 - - - RT35, grafitli 5,64 8,41 9,33 - - - 5,52 7,18 7,68 - - - 25

3. BULGULAR VE TARTIŞMA 105M183 Karışım*,grafitli 7,13 11,32 13,38 - - - 5,39 9,21 10,94 - - - *Karışım: %20 P46 48 %80 P42 44 Şekil 3.8 3.9 da parafin 42-44 için 52 C ve 42 C de depolama sıcaklıklarında elde edilen sıcaklık dağılımları gösterilmektedir. Şekil 3.8 de görüldüğü gibi ikinci yıkama suyunda en yüksek sıcaklık farkı iki ısı değiştiricisinin beraber kullanıldığı yalıtımlı iken 14,06 C olarak elde edilmiştir. Isı değiştiricilerin yalıtımlı kullanılması durumunda elde edilen sıcaklık farkları 1 ile 2 C arasında artış göstermektedir. 60,00 Giriş 52C Parafin 42-44 Sıcaklık (C) 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 Tgiris ke-y (C) Tcıkıs ke-y (C) Tgiris be-y (C ) Tçıkış be-y (C ) Tgiriş ie-y (C ) Tçıkış ie-y (C ) Tgiriş ke (C ) Tçıkış ke (C ) Tgiriş be (C ) Tçıkış be (C ) Tgiriş ie (C ) Tçıkış ie (C ) 0,00 0 500 1000 1500 2000 Zaman (s) Şekil 3.8. Parafin 42-44 için 52 C depolama sıcaklığında depolama ve geri kazanma için ısı değiştirici giriş ve çıkış sıcaklıkları, ke: ısı değiştirici 1, be: ısı değiştirici 2, ie: ısı değiştirici 1 ve 2, ke-y: yalıtımlı ısı değiştirici 1, be-y: yalıtımlı ısı değiştirici 2, ie-y: yalıtımlı ısı değiştirici 1 ve 2 Şekil 3.9 gösterilen depolama sıcaklığı 42 C için verilen sıcaklık dağılımlarında ikinci yıkama suyunun sıcaklık farklarının 52 C depolama sıcaklığı için elde edilenden daha düşük olduğu görülmektedir. Burada elde edilen en yüksek sıcaklık farkı 9,53 C ile iki ısı değiştiricisinin beraber kullanıldığı yalıtımlı durum içindir. 26

3. BULGULAR VE TARTIŞMA 105M183 50,00 Giriş 42C Parafin42-44 Sıcaklık (C) 40,00 30,00 20,00 10,00 Tgiriş ke-y (C) Tçıkış ke-y (C) Tgiriş be-y (C) Tçıkış be-y (C) Tgiriş ie-y (C) Tçıkış ie-y (C) Tgiriş ke (C) Tçıkış ke (C) Tgiriş be (C) Tçıkış be (C) Tgiriş ie (C) Tçıkış ie (C) 0,00 0 500 1000 1500 2000 Zaman (s) Şekil 3.9. Parafin 42-44 için 42 C depolama sıcaklığında depolama ve geri kazanma için ısı değiştirici giriş ve çıkış sıcaklıkları, ke: ısı değiştirici 1, be: ısı değiştirici 2, ie: ısı değiştirici 1 ve 2, ke-y: yalıtımlı ısı değiştirici 1, be-y: yalıtımlı ısı değiştirici 2, ie-y: yalıtımlı ısı değiştirici 1 ve 2 Parafinlerin ısıl iletkenliklerini artırmak için RT42, RT35, Parafin 42 44 ve %20 P46 48 %80 P42 44 Parafin karışımına grafit eklenerek ısı depolama ve geri-kazanma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerde, grafit granül haline getirildikten sonra FDM emdirilerek ısı depolama ünitelerine yerleştirilmiştir. Şekil 3.10 da granül grafitli FDM lerle yapılan depolama-geri kazanma deneylerinde elde edilen sıcaklık artışları gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlarda granül grafit eklenmesinin, grafitsiz uygulamaya göre sıcaklık artışına etkisinin en fazla 0,55 o C olduğu gözlemlenmiştir. 27