www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2006 (2) 45-50 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Kısa Makale Sıvıların la Isıtılması M.Necdet YILDIZ*, İrfan ALAN** *Ege Üniversitesi, Ege Meslek Yüksekokulu, Endüstriyel Elektronik Programı. Bornova / İZMİR **Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü. Bornova / İZMİR ÖZET Bu çalışma durgun veya akmakta olan sıvıların ısıtılmasında kullanılmakta olan rezistanslı ısıtma yöntemine alternatif olarak geliştirilen indüksiyonla sıvı ısıtma yöntemiyle ilgili bugüne kadar yapılmış ve yapılmakta olan çalışmaların gözden geçirildiği bir çalışmadır. Bu çalışmada; daha güvenli, daha hızlı ve daha verimli bir ısıtma yapabilmek amacıyla geliştirilmeye çalışılan indüksiyonla sıvı ısıtma yönteminin temel prensipleri ve bugüne kadar geliştirilen çeşitli indüksiyonlu ısıtma teknikleri ele alınmış, ve bu tekniklerle gerçekleştirilen sistemlerden alınan sonuçlar incelenerek yorumlanmış, ve yakın gelecekte alternatif bir ısıtma yöntemi olarak kullanılıp kullanılamayacağı konusu incelenmiştir. Anahtar kelimeler: la Isıtma, Sıvıların la Isıtılması. 1. GİRİŞ Gerek sanayide gerekse ev ve ofislerde sıvıların ısıtılmasında rezistanslı ısıtma yöntemi yoğun olarak kullanılmaktadır. Termosifonlardaki suyun ısıtılması, ani su ısıtıcılardaki suyun ısıtılması, elektrikli yağlı radyatörlerdeki sıvının ısıtılması hep bu yöntemle gerçekleştirilmektedir. Bu yöntemle sıvının içine yerleştirilen çeşitli güç, şekil ve boyutlardaki rezistans tüpleri doğrudan şebeke gerilimi ile enerjilendirilerek ısıtılmakta, ısıtılan rezistansın ısının sıvı tarafından alınmasıyla da istenilen sıvı ısınması sağlanmaktadır. Rezistanslı ısıtma yönteminde belli başlı üç temel problem bulunmaktadır. Bu problemlerden bir tanesi özellikle termosifon tipi uygulamalarda cevap süresinin çok yavaş olması, diğeri özellikle yine termosifon tipi uygulamalarda kireç bağlayan rezistansların zamanla yarılıp patlaması sonucu ısıtılan sıvıya direk elektrik kaçağı riski, ve bir diğeri de ısıtıcı rezistansın sıvı içine sıvı sızdırmazlığını temin edecek şekilde yerleştirilme problemidir. Bu yöntemde cevap süresinin kısaltılması için daha yüksek ısıtıcı gücü seçilmekte ve bu çözüm ani su ısıtıcı uygulamalarında daha da belirgin bir şekilde kendini göstermektedir. Direk elektrik kaçağı riskini minimuma indigemek için ısıtıcı rezistans etrafına arıza anında tahrip olmayacak çok katlı yalıtıcılar kaplanmakta fakat bu bile kireç bağlayan rezistansların yarılıp patlamasını engelleyememektedir. Sıvı sızdırma problemini engellemek için çeşitli conta vb. malzemeler kullanılmaktadır. Yukarıda açıklanan problemleri tamamen yok etmek ve daha yüksek performanslı bir ısıtma sistemi geliştirmek amacıyla, rezistanslı sıvı ısıtma yöntemine alternatif olarak indüksiyonlu sıvı ısıtma sistemleri geliştirilmeye çalışılmaktadır. Isıtılmak istenen sıvı içerisine geliştirilen çeşitli şekillerde ferromanyetik malzeme yüzer bir tarzda ve şebeke elektriği ile direk bir bağlantısı olmayacak şekilde yerleştirilmektedir.
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (2) 45-50 Sıvıların la Isıtılması Bu ferromanyetik malzeme daha sonra yüksek frekanslı yoğun bir manyetik alana maruz bırakılarak ısıtılmaktadır. Yoğun bir manyetik alana maruz bırakılan demir, çelik, nikel vb. ferromanyetik malzemelerde histerezis ve eddy (fuko) kayıpları oluşmaktadır. Ferromanyetik malzemelerde oluşan bu kayıplar ısıya dönüşmekte ve ısınan metal parça etrafından geçirilen sıvıya bu ısı aktarılarak sıvının ısıtılması temin edilmektedir. İlgili kayıplar artan frekansla artma eğiliminde olduğundan indüksiyonla ısıtma yönteminde genellikle yüksek frekanslar tercih edilmektedir. Fakat yüksek frekanslarda artan deri etkisi nedeniyle metal parça farklı frekanslarda farklı derinliğe kadar ısıtılmakta olduğundan istenilen derinlikteki bir ısıtma için uygun bir frekans tercih edilmektedir. İlerleyen bölümlerde indüksiyonla sıvı ısıtma konusunda bugüne kadar yapılmış olan çalışmalarda hangi frekansların kullanıldığı, hangi türferromanyetik malzemelerle çalışıldığı ve bu malzemelere nasıl şekiller verildiği ayrıntısıyla incelenmiş, çalışmalarda alınan sonuçlar karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. 2. İNDÜKSİYONLA SIVI ISITMA SİSTEMİNİN TEMEL YAPISI ve ÇALIŞMA PRENSİBİ la 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 lu Sıvı Isıtma Düzeneği Şebeke Enerji Girişi Isınan Sıvı Çıkışı Şekil 2.1 la 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 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 bobini halkalayacak tarzda yüksek yoğunluklu bir manyetik alan oluşturur. la ısıtmaya sebep olacak olan bu güçlü manyetik alanın etkin bir şekilde ısıtma işleminde kullanılabilmesi için ısıtılacak ferromanyetik metal parça indüksiyonla sıvı ısıtma düzeneğinde kullanılan rezonans tank devresi bobininin içerisine yerleştirilmektedir. Çeşitli şekillerde yerleştirilmiş ferromanyetik metal malzeme ve sıvı akış kanallarından oluşan indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği, ısıtılmak istenen sıvının indüksiyonla ısınan metal malzeme etrafından geçirilerek ısıtılması prensibine dayanmaktadır. Sistem enerjilendirildiğinde oluşan yüksek frekanslı güçlü manyetik alan, indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği içindeki metal malzemenin ısınmasını sağlamakta, bu da metal etrafından geçirilen sıvının metalin ısısını alarak ısınmasını sağlamaktadır. la sıvı ısıtma ile ilgili yapılan çalışmalarda yüksek frekanslı invertör devresi, yüksek frekanslı rezonans devresi, ve indüksiyonlu ısıtma düzeneği konusunda farklı uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Bu 46
Yıldız, N., M., Alan, İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (2) 45-50 çalışmada, Şekil 2.1 de görülen genel blok şemada son bloğu oluşturan indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği konusunda yapılan değişik uygulamalar ve sonuçları üzerinde durulacaktır. 3. DEĞİŞİK TÜRLERDEKİ İNDÜKSİYONLU SIVI ISITMA DÜZENEKLERİNİN YAPISI ve ALINAN SONUÇLAR Bugüne kadar yapılmış olan çalışmalarda, 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. 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 Şekil 3.1 Sıvıyı Taşıyan Borunun Isıtılması Yöntemi 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 (Curran and Featherstone, 1988). Curran ve Featherstone tarafından yapılan çalışmada yağ ısıtmak için yaklaşık 0,9kW lık bir deney düzeneği kurulmuştur. Kurulan düzenek çeşitli yağ akış hızlarında test edilmiş ve Tablo 3.1 de gösterilen sonuçlar elde edilmiştir. Curran ve Featherstone, yapılan çalışmada elde edilen sonuçları değerlendirmiş ve bu değerlendirme sonucunda bu yöntemin ısıl verimlilik açısından klasik rezistanslı ısıtma sistemine göre daha iyi olduğu belirtilmiştir. Tablo 3.1 Curran ve Fetherstone in Çalışmasında Alınan Sonuçlar Akış Hızı (gr/s) 10,8 13,4 15,0 16,8 18,4 Yağ Sıcaklığındaki Artış (ºC) 31,0 27,3 24,0 22,0 19,5 Isı Çıkışı (W) 673,5 734,1 723,0 739,0 717,4 Giriş Gücü (W) 888,0 888,0 888,0 888,0 888,0 Kararlı Durum Sıcaklığına Ulaşma Zamanı (s) 145,0 175,0 195,0 210,0 240,0 Boru Yüzey Sıcaklığı (ºC) 71,0 68,5 65,0 64,5 63,5 Genel Verimlilik (%) 75,8 82,7 81,4 83,3 81,0 Güç Faktörü (cosφ) 0,82 0,85 0,85 0,85 0,85 47
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (2) 45-50 Sıvıların la Isıtılması 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. Isıtılacak Sıvının Geçirildiği Manyetik Olmayan Kap Şekil 3.2 Sıvı İçindeki Metal Plakaların Isıtılması Yöntemi Şekil 3.2 de 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 (Kenada ve arkadaşları, 1999). Bu 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. Kenada ve arkadaşlarının çalışmasında, 10cm çapında ve 19cm uzunluğunda iki adet indüksiyonlu ısıtma tüpü hazırlanmış ve bu tüpler arka arkaya bağlanarak bir buhar üreteci yapılmaya çalışılmıştır. 4kW lık giriş gücü olan sistemle yapılan denemeler sonucunda, oda sıcaklığındaki suyun 220s lik bir sürede 100ºC sıcaklığa ulaşarak buharlaştığı gözlenmiştir. Yazarlar, aynı şartlarda klasik ısıtma kullanılarak yapılan denemede 100ºC sıcaklığa ancak 480s de ulaşıldığını belirtmektedirler. 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. Isıtılacak Sıvının Geçirildiği Manyetik Olmayan Kap Şekil 3.3 Sıvı İçindeki Delikli Blok Malzemenin Isıtılması Yöntemi Şekil 3.3 de 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 (Nakamizo ve arkadaşları, 1999). 48
Yıldız, N., M., Alan, İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (2) 45-50 Bu tüpün dışına sarılmış olan rezonans devresi bobininin (indüksiyon bobini) enerjilendirilmesiyle oluşan güçlü manyetik alan karbon seramik malzemenin indüksiyonla ısınmasını sağlamakta, bu da ısıtma parçasının içinde bulunduğu ve sürekli sirkülasyon halinde olan sıvının ısınmasını sağlamaktadır. Nakamizo ve arkadaşları bu yöntem kullanılarak çok yüksek sıcaklıklara (1200ºC gibi) çıkılabileceğini belirtmişler fakat bu yöntemle yapılmış olan herhangi bir deneysel sonuç vermemişlerdir. 3. 4. Sıvı İçindeki Rulo Şeklinde Sarılmış Metalin Isıtılması Bu uygulamada, Şekil 3.4 de görüldüğü gibi manyetik olmayan malzemeden yapılan bir tüp içine yerleştirilmiş olan rulo şeklinde sarılmış metal malzeme indüksiyonla ısıtılmaktadır. Isıtılacak Sıvının Geçirildiği Manyetik Olmayan Kap Şekil 3.4 Sıvı İçindeki Rulo Şeklinde Sarılmış İnce Metal Malzemenin Isıtılması Yöntemi Şekil 3.4 de 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 (Sadakata ve arkadaşları, 2002). Bu tüpün dışına sarılmış olan rezonans devresi bobininin (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. Sadakata ve arkadaşları bu yöntemi kullanılarak yaptıkları denemelerde oldukça önemli sonuçlar alınmıştır. 200V DC kaynaktan beslenen indüksiyonlu ısıtma deney düzeneği 20kHz anahtarlama frekansında çalıştırılmış ve etkin periyot yüzdesi yani dolgu oranı (duty cycle) değiştirilerek yaklaşık 4,5kW lık giriş gücüne kadar çıkılmıştır. Sabit su akış hızında, değişik etkin periyot yüzdelerinde yani değişik giriş güçlerinde yapılan çalışmalarda başlangıçtan yaklaşık 30s sonra alınan ölçüm sonuçları aşağıda Tablo-3.2 ile verilmiştir. Tablo 3.2 Sadakata ve Arkadaşlarının Çalışmasında Alınan Sonuçlar Akış Hızı (ml/dak.) 850 850 850 850 850 Giriş Gücü (W) 800 1200 2200 3400 4300 Etkin Peryot (%) 15 20 30 40 50 Su Sıcaklığındaki Artış (ºC) 10 20 35 50 75 4. SONUÇ ve DEĞERLENDİRME Durgun haldeki veya akmakta olan sıvıların daha hızlı, daha güvenli ve daha verimli bir şekilde ısıtılması amacıyla klasik ısıtma sistemlerine alternatif olarak geliştirilmeye çalışılan indüksiyonla sıvı ısıtma sistemiyle ilgili çalışmalar günümüzde laboratuvar aşamasında yoğun bir şekilde devam etmektedir. 49
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (2) 45-50 Sıvıların la Isıtılması Özellikle sıcak su ve buhar elde etmeye yönelik olarak yapılan bu çalışmalar aynı zamanda bitkisel ve bitkisel olmayan yağların işlenmesi sırasında da kullanılmaya imkan vermektedir. Bu çalışmada, bugüne kadar indüksiyonla sıvı ısıtma alanında yapılmış olan çalışmalar incelenerek sistemin genel yapısı ve çalışma prensipleri hakkında fikir verilmiştir. Bunun yanı sıra sistemin asıl önemli kısmı olan indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneğinin yapısı üzerinde ayrıntısıyla durulmuş ve bu konuda yapılan farklı uygulamalar ele alınmıştır. Genel olarak, sıvının akıtıldığı metal borunun doğrudan ısıtılması, metal olmayan bir kap içine yerleştirilmiş olan ince metal plakaların ısıtılması, yine metal olmayan bir kap içine yerleştirilmiş olan delikli bloğun ısıtılması ve rulo şeklinde sarılmış ince metal malzemenin ısıtılması olarak sıralanabilen indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği türleri ile yapılan deneysel çalışmalarda, sistemin gerek ısıtma hızı, gerekse ısıtma verimliliği açısından klasik sıvı ısıtma sistemlerine göre daha yüksek performans gösterdiği, ayrıca ısıtılan sıvıya elektrik kaçağı olma riski bulunmaması nedeniyle de bu sistemin daha güvenli olduğu araştırmacılar tarafından vurgulanmaktadır. la sıvı ısıtma sistemiyle ilgili bundan sonra yapılacak olan çalışmalarda, bugüne kadar yapılmış olan çalışmalar temel alınarak daha yüksek verimli ve daha düşük maliyetli düzenekler geliştirilmesi mümkün olabilecektir. Ayrıca laboratuar çalışmaları tamamlanan düzeneklerin profesyonel kullanıma uygun hale getirilebilmesi için çalışmalar yapılması gerekmektedir. 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. 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. 4. 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. 5. 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. 6. 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 50