TÜBĠTAK-BĠDEB KĠMYAGERLĠK, KĠMYA ÖĞRETMENLĠĞĠ VE KĠMYA MÜHENDĠSLĠĞĠ KĠMYA LĠSANS ÖĞRENCĠLERĠ ARAġTIRMA PROJESĠ EĞĠTĠMĠ ÇALIġTAYI (KĠMYA-2 ÇALIġTAY 2011) PROJE RAPORU Parafin ve Stearik Asit Kullanılarak Elde Edilen Bardak Grup Adı Sabit Sıcaklık PROJE ADI Akıllı Bardak Proje Ekibi Melisa NALLAR Hamdi TEKELĠOĞLU Cansu ALTAY Prof. Dr. Mehmet AY PROJE DANIġMANLARI Prof. Dr. Ahmet SARI KEPEZ/ÇANAKKALE 20-28 TEMMUZ-2011
ĠÇĠNDEKĠLER: SAYFA NO Proje kapağı 1 Ġçindekiler 2 Özet 3 GiriĢ 3 Deneysel ÇalıĢma 5 Bulgular ve TartıĢma 7 Sonuçların Değerlendirilmesi ve Öneriler 10 Kaynaklar 11 Katkıda Bulunanlar 12 ÖzgeçmiĢler 13
ÖZET Bu çalıģmada ısıl enerji depolama malzemelerinin kullanmaya baģlanmasını sağlayacak yeni ve ekonomik bir uygulama alanı oluģturulması amacıyla bardaklarda ısıl enerji depolanarak bardaktaki sıcak içeceğin geç soğuması sağlandı. 1.GĠRĠġ Faz değiģim maddeleri gizli ısı depolama özelliğine sahip maddelerdir. Gizli ısı, maddenin faz değiģim prosesi boyunca depolanan/yayılan ısıdır. Katı-sıvı faz değiģim maddeleri, ortam sıcaklığı maddenin erime sıcaklığına yükseldiğinde, erimeye baģlayan ve erime prosesi boyunca ortamdan ısı absorbe edebilen, tam tersi durumda sıcaklık maddenin katılaģma noktasına kadar düģtüğünde ise katılaģma prosesi boyunca depoladığı bu ısıyı ortama geri verebilen maddelerdir. Faz değiģim teknolojisinin kullanımı 1970 lı yıllarda, NASA (National Aeronautics and Space Administration) tarafından yürütülen bir araģtırma programına dayanmaktadır. Bu programdaki asıl amaç, astronot giysilerine uzaydaki aģırı sıcaklık dalgalanmalarına karģı ısıl koruma etkinliğinin kazandırılmasıdır. NASA nın 1971 yılında yayınladığı Phase Change Materials Handbook isimli raporunda 500 den fazla faz değiģim maddesi kaydedilmiģtir ve bunlar faz değiģtirme sıcaklıklarına ve ısı depolama kapasitelerine göre farklı kategorilere ayrılmıģtır. Faz değiģim maddeleri organik ve inorganik olmak üzere iki temel gruba ayrılırlar. Ġnorganik faz değiģim maddeleri yapılarında su molekülü bulunduran tuzlardır. Parafinler ve yağ asitleri gibi maddeler ise organik faz değiģim maddeleridir. Tuz Hidratlar: Tuz hidratlar M.nH 2O formülü ile karakterize edilirler ve M burada bir inorganik bileģiktir. Tuz hidratlar ısı depolama yoğunluklarından dolayı ısı depolama maddelerinin önemli bir sınıfını oluģtururlar. Bu maddelerin FDM olarak kullanılmaları sırasında karģılaģılan en büyük problem düzensiz erime davranıģı göstermeleridir. Erime esnasında yoğunluk farkından dolayı katı faz depolama kabının alt kısmında birikir. Bu nedenle özel önlemler alınmazsa katılaģma iģlemi süresince katı faz gerçek tuz hidratı oluģturmak için doygun çözelti ile birleģemez. Tuz hidratların kullanımı sırasında karģılaģılan diğer bir
problem, sıvı tuz hidratın aģırı soğumasına neden olan düģük çekirdekleģebilme özelliğidir. Uygun önlemler alınarak aģırı soğuma önlenebilir ya da azaltılabilir. Parafinler: Parafinler, oda sıcaklığında wax kıvamına sahip büyük oranda ağır hidrokarbonlardan oluģan maddelerdir. Kimyasal olarak parafin wax lar baģlıca zincir sonlarında 2-metil grupları gibi düģük miktarda kuvvetli zincire sahip hidrokarbonlardan oluģurlar. Parafinler, yüksek erime gizli ısısına sahip olmaları ve geniģ bir sıcaklık aralığı içinde bulunmalarından dolayı gizli ısı depolama maddeleri olarak nitelendirilirler. FDM olarak parafinlerin sahip oldukları üstün özellikler Ģöyle sıralanabilir: Erime esnasında faz ayrıģması göstermezler. Kimyasal olarak kararlıdırlar. Erime noktaları geniģ bir sıcaklık aralığı içindedir. Erime gizli ısıları yüksektir. Korozif ve toksik özellik göstermezler. DüĢük buhar basıncına sahiptirler. AĢırı soğuma davranıģı göstermezler ve bu nedenle çekirdekleģtirici gerektirmezler. DüĢük maliyete sahiptirler. Kolay temin edilebilirler. DüĢük yoğunluğa sahiptirler. Erime esnasında küçük hacim değiģimi gösterirler. Parafin wax lar yüksek erime ısısına sahiptirler.aģırı soğuma eğilimi göstermedikleri için çekirdekleģtirici madde ilavesi gerektirmezler. Metal kaplar üzerinde korozyona neden olmazlar ve bu sebeple de GIED sistemlerinde tuz hidratlara göre tercih edilirler. Yağ Asitleri: Yağ asitleri, kimyasal formülleri CH 3(CH 2) 2nCOOH Ģeklinde gösterilen ve parafinler gibi çok benzer karakteristiklere sahip olan organik FDM lerdir. Yağ asitleri,
trigliserit adı verilen yağlardan elde edildiklerinden dolayı bu adı taģırlar. Yağ asitleri, özellikle tuz hidratlarda görülen problemlerin hiç birini taģımazlar. Ayrıca, enerji depolama için gerekli tüm termodinamik, kinetik, kimyasal ve ısıl kriterlere sahiptirler. Diğer FDM ler ile mukayese edildiklerinde sahip oldukları bazı avantajları aģağıdaki gibi sıralanabilir: Avantajları; Düzenli erime ve katılaģma davranıģı gösterirler. Yüksek erime gizli ısısına sahiptirler. Kendiliğinden çekirdekleģebilme özelliğine sahiptirler. DüĢük buhar basıncı gösterirler. Erime esnasında faz ayrımı göstermezler. GIED için uygun bir faz değiģim sıcaklığına sahiptirler. Faz değiģimi esnasında düģük hacim değiģimi gösterirler. Tekrarlanan erime/katılaģma dönüģümlerinden sonra iyi ısıl ve kimyasal kararlılık gösterirler Zehirli değildirler ve kolay temin edilebilirler. FDM lerin kullanıldığı bazı alanlar Ģunlardır; -Sıcak gıda ürünlerinin taģınmasında ve muhafazasında -Elektronik cihazların soğutulmasında -ÇeĢitli tekstil ürünlerinde -Sağlık uygulamalarında kan numunelerinin ve organ taģımacılığında -Ameliyat masalarında sıcak ve soğuk terapilerinde -Binaların ısıtılmasında ve soğutulması iģlemlerinde -ĠnĢaat sektöründe yalıtım amacıyla -Seraların iklimlendirilmesinde Bu kullanım alanlarından ve maddelerden yola çıkarak bu sistemin bardaklardaki kullanabilirliğinin incelenmesi hedeflendi.
2. DENEYSEL ÇALIġMA Kullanılan malzemeler: Alüminyum folyo, parafin, 50ml ve 100ml lik beherler, cam yünü, spatül, pens, dijital termometre, ısıtıcı ve bıçak. Ġlk olarak deney için gerekli düzenekler kuruldu. Bunun için üç ayrı özellikte olan bardaklar hazırlandı. 1.bardak: Referans olarak kabul edildi. 50 ml lik beher alındı. DıĢ kısmı alüminyum folyo ile kaplandı. Daha sonra ısı yalıtımını sağlayabilmek için dıģ kısım cam yünü ve alüminyum ile kaplanarak bardak hazırlandı. 2.bardak: 50 ml lik ve 100 ml lik iki beher alındı. 50 ml lik beherin dıģ kısmı alüminyum folyo ile kaplandı. Daha sonra ağız kısmına cam yünü sarıldı ve 100 ml lik beherin içine yerleģtirilip cam köpüğü ile iki beherin ağız kısımları birleģtirildi. Bu bardakta da ısı yalıtımını sağlamak için en dıģta olan 100 ml lik beherin dıģ kısmı ilk olarak cam yününün üstü alüminyum folyo ile sarıldı. 3.bardak: 50 ml lik ve 100 ml lik iki beher alındı. 50 ml lik beherin dıģ kısmı alüminyum folyo ile kaplandı. Sonra ağız kısmı cam yünü ile sarıldı ve içinde erimiģ parafin bulunan 100 ml lik beherin içine yerleģtirilip bu bardakta da ağız kısımları cam köpüğü ile birleģtirildi. Isı yalıtımı için 100 ml lik beherin dıģ kısmı cam yünü ve alüminyum folyo ile sarıldı. Bardakların hazırlanıģından sonra referans bardağına 40 ml sıcak su konularak soğuma sıcaklıkları 3 dakika aralıklarla kaydedildi. Aynı iģlem diğer iki bardak içinde uygulanarak değerler birbirleriyle karģılaģtırıldı.
3. BULGULAR VE TARTIġMA 1) Arasında hava olan beherdeki suyun soğuma süresinin referans beherine göre daha uzun olduğu görüldü. 2) Arasında parafin olan beherdeki suyun soğuma süresinin referans ve arasında hava bulunan beherlere göre daha uzun olduğu görüldü. 3) Ġlk dakikalarda arasında hava bulunan beherin ısıyı alarak daha hızlı soğuduğu ilerleyen dakikalarda ise bu soğumanın azaldığı görüldü. 4) Ġlk dakikalarda arasında parafin olan beherin ısıyı alarak diğer beherlere göre daha hızlı soğuduğu ama ilerleyen dakikalarda soğumanın azaldığı görüldü. ġekil 1. Referans olarak alınan beher ile FDM li beherdeki sıcak suyun soğuma-zaman grafiği
ġekil 2. Hava yalıtımlı ile hava yalıtımsız beherlerdeki suyun soğuma-zaman grafiği
ġekil 3. 0-27 dakikalar arasındaki referans ve FDM li beher arasındaki sıcaklık farkı-zaman grafiği ġekil 4. 27-117 dakikalar arasındaki FDM li ve referans beheri arasındaki sıcaklık farkı-zaman grafiği
4. SONUÇLARIN DEĞERLENDĠRĠLMESĠ VE ÖNERĠLER 1) Faz değiģim maddelerinin bardaklarda kullanılabileceği görüldü. 2) Bardaklardaki sıcak içeceğin daha geç sürede soğuyacağı görüldü. 3) Bunun için parafinin kullanılabileceği görüldü. 4) Bu maddeler saklama kaplarında da kullanılabilir.
KAYNAKLAR 1. SARI A., 2000. Bazı Yağ Asitleri ve ötektik KarıĢımlarının Enerji Depolayıcı Madde Olarak Kullanılabilirliğinin Ġncelenmesi, Doktora Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Gazi Osman Pasa Üniversitesi, Tokat 2. SARI A., KAYGUSUZ K., 2001a. Thermal energy storage system using some fatty acids as latent heat energy storage materials, Energy Sources 23, 275-285 3. SARI A., KAYGUSUZ K., 2001b. Thermal Performance of Myristic Acid as a Phase Change Material for Energy Storage Aplication, Renewable Energy, 303-317, 24 4. SARI A., KAYGUSUZ K., 2002, Thermal performance of palmitic acid as phase change energy storage material, Energy Conversion &. Management 43, 863-876 5. SARI A., 2003. Thermal Characteristics of a Eutectic Mixture of Myristic and Palmitic Acids as Phase Change Material for Heating Applications, Applied Thermal Engineering, 23, pp. 1005-1017 6. MAZMAN M., PAKSOY, H.Ö. VE EVLIYA H., 2002. GüneĢ Enerjisinin Yağ Asitlerinde Gizli Isı ġeklinde Depolanması (Solar Energy Storage in Fatty Acids as Latent Heat ), Proceedings of the Fourth GAP Engineering Congress, 06-08 June, ġanlıurfa,turkey 7. SHARMA A., SHARMA S.D., BUDDHĠ D., 2002. Accelerated thermal cycle test of acetamide, stearic acid and paraffin wax for solar thermal latent heat storage applications, Energy Conversion and Management, 43, 1923-193 8. Beyza Beyhan, 2010. Sera Uygulamalari Icin Faz Degistiren Maddelerde Termal Enerji Depolama C.Ü. Fen Bil. Enst. 9. Ali Karaipek, 2006. Faz Degisimli Enerji Depolama Maddelerinde Isil Iletkenligin Zenginlestirilmesi G.O.Ü. Fen Bil. Enst. 10. PY X., R. OLIVES, S. MAURAN, 2001. Paraffin/porous-graphite-matrix composite as a high and constant power thermal storage material, Int. J. Heat and Mass Transfer 44, 2727-273
KATKIDA BULUNANLAR ÇalıĢtay süresince projelendirmemize yardımcı olan tüm proje ekibine, Diğdem ERDENER e, Emre SEFER e, Memduh BĠLMEZ e ve danıģmanlarımıza teģekkür ederiz. Ayrıca deney süresince yardımlarını bizden eksik etmeyen değerli hocamız Prof. Dr. Ahmet SARI ya teģekkürlerimizi bir borç bileriz.
ÖZGEÇMĠġLER Hamdi TEKELĠOĞLU 1990 yılında Muğla da doğdu. Ġlkokulunu Cumhuriyet Ġlköğretim Okulu nda, orta okulu ise Atatürk Ġlköğretim Okulu nda tamamladı. Lise öğrenimini Yatağan Yabancı Dil Ağırlıklı Lise de bitirdikten sonra Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Kimya Bölümünü kazandı. 2009-2010 yılları arasında Fen-Edebiyat Fakültesi temsilciliği görevinde bulundu. Halen lisans eğitimini Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Kimya Bölümü 4. sınıf öğrencisi olarak devam etmektedir. Cansu ALTAY 1989 yılında Bursa da doğdu. Ġlköğrenimini Ahmet Uyar Ġlköğretim Okulu nda tamamladı. Lise öğrenimini Bursa Atatürk Anadolu Lisesi nde bitirdikten sonra Dokuz Eylül Üniversitesi Kimya Bölümünü kazandı. 2010 yılında Eğitim Fakültesinde formasyon eğitimi almaya baģladı. Halen lisans eğitimini Dokuz Eylül Üniversitesi Kimya Bölümü 4. sınıf öğrencisi olarak devam etmektedir. Melisa NALLAR 1989 yılında Ġstanbul da doğdu. Ġlköğrenimini Ataköy Ġlköğretim Okulu nda tamamladı. Lise öğrenimini BeĢiktaĢ Atatürk Anadolu Lisesi nde bitirdikten sonra 2008 yılında Ġstanbul Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü nü kazandı. Ġkinci üniversite olarak 2009 yılında Anadolu Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi ĠĢletme Lisans Bölümüne kabul edildi. 2010 yılında Ġstanbul Üniversitesi Kimya Bölümü çift anadal programına girmeye hak kazandı. 2008-2011 yılları arasında Ġstanbul Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü 1, 2 ve 3. sınıf temsilciliği görevinde bulundu. Halen lisans eğitimine Ġstanbul Üniversitesi Kimya Mühendisliği ve Kimya Bölümü 4. sınıf öğrencisi ve Anadolu Üniversitesi ĠĢletme 3. sınıf öğrencisi olarak devam etmektedir.