TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 PARABOLİK OLUK TOPLAYICILARDA KULLANILAN ISI İLETİM YAĞLARININ AHP YÖNTEMİ İLE İNCELENMESİ Utkucan ŞAHİN 1, Asude ELTEZ 2, Muhammed ELTEZ 2 1 Muğla Üniversitesi Ula Ali Koçman Meslek Yüksek Okulu 48000 Ula, Muğla, utkucansahin@hotmailcom 2 Muğla Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Müh Böl 48000 Kötekli/Muğla, aeltez@muedutr ÖZET Bu çalışmada, parabolik oluk kollektörlerde kullanılan Dowtherm A, Syltherm 800, Marlotherm LH, Therminol VP-1 ve Paratherm OR ısı iletim yağları çok kriterli bir seçme yöntemi olan Analitik Hiyerarşi Süreci (AHS) kullanılarak karşılaştırılmıştır Parabolik oluk kollektördeki emici tüpten belirli bir debide ve sıcaklıkta geçen ısı iletim yağının boru çıkışındaki sıcaklığının hesaplanması için geliştirilen bir model çerçevesinde elde edilen sonuçlar grafikte gösterilmiştir Analitik Hiyerarşi Süreci (AHS) yöntemi ikili karşılaştırma prensibine dayanmaktadır ve bu yöntemde seçenekler arasından yapılan seçimler matematiksel verilere dayanmaktadır Değerlendirmede maliyet, verimlilik, çalışma şartı ölçütleri göz önüne alınmıştır Analitik Hiyerarşi Süreci (AHS) hesaplamaları için Expert Choice yazılımından faydalanılmıştır Anahtar Kelimeler: Parabolik oluk kolektör, Analitik Hiyerarşi Süreci, Isı iletim yağı ABSTRACT In the present study, Dowtherm A, Syltherm 800, Marlotherm LH, Therminol VP-1 and Paratherm OR heat transfer fluids which are used inside parabolic through concentrator have been evaluated and compared by using a multicriteria decision method, Analytical Hierarchy Process (AHP) A mathematical model is developed in order to calculate the exit temperature of the heat transfer fluid from receiver tube, the results are shown in the graphical form The principle of the AHP is based on the pairwise comparision and evaluations of alternatives are also based on mathematical outputs During the selection of the best alternative, cost, efficiency and operation conditions were regarded Expert choice program software was used for AHP calculations Keywords: Parabolic through concentrator, Analytical Hierarchy Process, Heat transfer fluid 34
GİRİŞ Fosil yakıtların tüketiminden kaynaklanan zararlı emisyonlar tüm canlıların yaşamını tehdit etmekte ve bu durum yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını kaçınılmaz hale getirmektedir Bu nedenle yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji kaynaklarından biri olan güneş enerjisinin kullanımı doğal yaşam için önem arz etmektedir Güneş enerjisinden elektrik üretiminde yararlanmak için kullanılan temel sistemlerden birisi parabolik oluk toplayıcılardır Bu sistemin temel çalışma prensibi, parabol biçimindeki yansıtıcıya gelen güneş ışınımının, yansıtıcının odağı boyunca uzanan borunun üzerine yoğunlaştırılmasıyla, boru içinden geçen akışkan sıcaklığının arttırılmasıdır Odak çizgisi boyunca uzanan alıcı borunun içerisinde yüksek ısıl iletkenliğine sahip malzemeden yapılmış bir boru vardır Alıcı borunun çevresi, ısı transfer kayıplarının azaltılması için koruyucu malzeme ile kaplıdır (Goswami vd, 2000) Bu boru üzerine yoğunlaştırılan güneş ışınımı, bakır boru içerisinden geçen ısı iletim yağının sıcaklığını arttırır Bu sistemde kullanılacak olan ısı iletim yağlarının sıcaklık değişimine bağlı olarak, ısı iletim katsayısı, yoğunluğu, özgül ısı değeri, ısı yayılma katsayısı gibi termofiziksel özellikleri değişmektedir Bunun yanında, sistemde kullanılacak olan yansıtıcının malzemesi, sistemin yoğunlaştırma oranı ve yansıtıcıya gelen ışınım şiddeti akışkan sıcaklığının değişmesinde önemli rol oynamaktadır Bu çalışmada Dowtherm A, Syltherm 800, Marlotherm LH, Therminol VP-1, Paratherm OR ısı iletim yağları; yüksek sıcaklığa bağlı olarak hal değişiminin çalışma şartları açısından etkileri, boru çıkışında elde edilecek sıcaklık farkından kaynaklanan verimlilikleri ve maliyetten oluşan kriterler çerçevesinde incelenmiş ve sonuçlar AHP ( Analitik Hiyerarşi Süreci) analizine tabi tutularak değerlendirilmiştir 1 ANALİTİK HİYERARŞİ SÜRECİNİN GENEL YAPISI İlk kez Saaty tarafından geliştirilen Analitik Hiyerarşi Süreci (AHS), çok kriterli uygulamalarda bir karar verme yöntemidir Analitik Hiyerarşi Sürecinde önce amaç belirlenir ve bu amaç doğrultusunda kriterler ve alt kriterler oluşturularak alternatifler belirlenir Hiyerarşik bir yapı oluşturulduktan sonra kriterlerin kendi aralarında karşılaştırılması için ikili karşılaştırma matrisi oluşturulur İkili karşılaştırma matrisinde Tablo 1 de görülen 1-9 temel ölçeği kullanılır (Öztürk vd, 2006) Tablo 1 Temel ölçeği Önem Değerleri Değer Tanımları 1 Her iki faktörün eşit öneme sahip olması durumu 3 1 Faktörün 2 faktörden daha önemli olması durumu 5 1 Faktörün 2 faktörden çok önemli olması durumu 7 1 Faktörün 2 faktöre nazaran çok güçlü bir öneme sahip olması durumu 9 1 Faktörün 2 faktöre nazaran mutlak üstün bir öneme sahip olması durumu 2,4,6,8 Ara değerler Oluşturulan ikili karşılaştırma matrislerinden sonra gerek kriterlerin gerekse alternatiflerin ağırlıkları belirlenerek amaca uygun alternatif belirlenir 2 HİYERARŞİK YAPI Parabolik oluk kolektörde kullanılan 5 farklı ısı iletim yağının 3 kriter açısından en uygun olanının bulunması için Şekil 1 de görülen hiyerarşik yapı oluşturulmuştur Bu hiyerarşik yapıda en üstte amaç ve bu amaca uygun 3 adet kriter belirlenmiştir Amaç; parabolik oluk kollektör için kullanılacak ısı iletim yağının, oluşturulan kriterler açısından en iyisinin 35
belirlenmesidir Bu kriterler çalışma şartı, verimlilik ve maliyet tir (Singh, 1985) Isı iletim yağları arasından seçilen alternatifler ise Dowtherm A, Marlotherm LH, Syltherm 800, Therminol VP-1 ve Paratherm OR dir AMAÇ ÇALIŞMA ŞARTI VERİMLİLİK MALİYET Dowtherm A Marlotherm LH Syltherm 800 Therminol VP-1 Paratherm OR Şekil 1 Hiyerarşik yapı 21 ÇALIŞMA ŞARTLARI Parabolik oluk kolektördeki emici tüpün içerisinde bulunan bakır borudan geçen akışkanlar, yüksek ve düşük sıcaklıklarda sıvı halde bulunabilen, özgül ısı değerleri yüksek olan sıvılar olmalıdır Bu sistemde kullanılan ısı iletim yağlarına ait çalışma sıcaklığı aralıkları Tablo 2 de verilmiştir Tablo 2 Akışkanlara Ait Çalışma Sıcaklığı Aralıkları Isı Transfer Yağı Donma Noktası ( ºC ) Buharlaşma Noktası ( ºC ) Dowtherm A 12 2571 Syltherm 800-60 3670 Marlotherm LH -20 3600 Therminol VP-1 12 2570 Paratherm OR -10 3330 Kaynak : wwwsolutiacom Sistemden geçen akışkan, pompa vasıtasıyla bakır boruya basıldığı için pompaya gelen akışkanın sıvı fazında olması gerekir Aksi durumda buhar halindeki akışkanın pompada kavitasyona neden olacağı bilinmektedir Bu sebeple sistemde kullanılacak olan 5 farklı akışkanın çalışma şartı, kavitasyon etkisine göre değerlendirilerek, önem değeri buharlaşma sıcaklığının yüksekliğine göre belirlenmiştir 22 MALİYET Maliyet, yapılan yatırımda önemli bir unsurdur Bu hiyerarşide kullanılan maliyet değerlendirmesi varsayımı şudur; birim fiyatı düşük olan akışkan, daha yüksek önem değerine sahiptir Bu bağlamda parabolik oluk kolektörde kullanılan 5 farklı ısı iletim yağına ait birim fiyatları Tablo 3 de verilmiştir Tablo 3 Isı Transfer Yağlarına Ait Birim Fiyat Tablosu Isı Transfer Yağı Birim Fiyat ( Euro/kg ) Dowtherm A 8,37 Syltherm 800 20,75 Marlotherm LH 35,42 Therminol VP-1 43,30 Paratherm OR 22,15 Kaynak : wwwsolutiacom 36
23 VERİMLİLİK Parabolik oluk kolektörde emici tüpün içinden geçen akışkanın, parabolik aynaya gelen ışınımların emici boru üzerine yoğunlaştırılması sebebiyle sıcaklığı artmakta ve güç elde edilmektedir Bu gücün, parabolik yansıtıcıya gelen toplam ışınım şiddetinden elde edilen güce bölünmesiyle, ısı iletim yağının verimliliği hesaplanmaktadır (Duffie ve Beckman, 2006) Parabolik oluk kollektöre gelen güneş ışınımından elde edilen gücün hesaplanabilmesi için parabolik oluk kolektöre ait fiziksel özelliklerin bilinmesi gerekmektedir Parabolik oluk kolektöre ait bu özellikler Tablo 4 de belirtilmiştir Tablo 4 Parabolik oluk kolektöre ait fiziksel özellikler Değişkenler Sembol Birim Değer Parabolik yansıtıcının genişliği w m 129 Konsantrasyon oranı C / 134 Odak uzaklığı f m 0292 Cam tüpün dış çapı D co m 006 Cam tüpün iç çapı D ci m 005 Bakır borunun dış çapı D o m 003 Bakır borunun iç çapı D m 0028 Siyah bakır borunun yayma oranı Cam tüpün yayma oranı Siyah bakır borunun yutma oranı Cam tüpün yutma oranı Cam tüpün geçirme oranı Parabolik aynanın yansıtma oranı Camın ısı iletim katsayısı Bakırın ısı iletim katsayısı Kaynak: Eltez ve Aydın, 1993 i ε r / 085 ε / 088 c α r / 085 α / 0025 c τ / 0875 c ρ / 088 m K W/mK 105 c K W/mK 385 cu Emici tüpten geçen ısı iletim yağından elde edilen gücün hesaplanabilmesi için Tablo 5 de ısı iletim yağına ait giriş koşulları ve çevre sıcaklığına ait veriler belirtilmiştir Tablo 5 Isı iletim yağına ve çevre şartlarına ait veriler Değişkenler Sembol Birim Değer Rüzgar hızı V m/s 15 Çevre sıcaklığı T C 30 Isı iletim yağının giriş sıcaklığı Isı iletim yağının kütlesel debisi Kaynak: Eltez ve Aydın, 1993 a T C 25 giris m kg/s 003 Parabolik oluk kollektördeki emici tüpten geçen belli bir debideki ve sıcaklıktaki ısı iletim yağının boru çıkışındaki sıcaklığının hesaplanması için bir model geliştirilmiştir (Duffie ve Beckman, 2006) Bu modelde cam borunun çevresinde oluşan ısıl kayıplar U L olarak tariflenmiş ve denklem 1 deki gibi belirtilmiştir 37
U A 1 1 r L = + h hc h h A w c r r c r c c r a (1) + + Denklem 1 deki bakır borunun yanal alanı yüzeyinde oluşan taşınım katsayısı borudan cam tüpe olan ışınım katsayısı katsayısı h c r c olarak ifade edilmektedir A r, cam tüpün yanal alanı h, cam tüpten çevreye olan ışınım katsayısı w h r r c A c, cam tüpün dış, bakır h r c a, bakır boru ile cam tüp arasında oluşan taşınım Bu modelde emici tüpten geçen akışkandan dış çevreye kadar olan toplam ısı iletim katsayısı U o, 1 1 D ln( / ) o Do Do Di U o = + + (2) U L h fi Di 2K cu biçiminde ifade edilir Denklem 2 de h fi, emici tüpten geçen akışkanın ısı iletim katsayısıdır Isı iletim katsayısı, emici tüpten geçen akışkanın sıcaklığının artmasına bağlı olarak değişmektedir Denklem 1 ve 2 deki eşitliklerin çözülebilmesi için; o Gökyüzü sıcaklığı çevre sıcaklığından 6 ºC daha düşüktür (Hsieh, 1981) o Kollektör 1 mm uzunluğundaki kesitlere bölünmüştür o Her kesitteki akışkanın giriş sıcaklığı bir önceki kesitteki akışkanın çıkış sıcaklığıdır 3 adet kabul yapılmıştır Yapılan kabullere bağlı olarak sistemin enerji verimliliği, v ( T T ) Q m Cp e cikis giris η = = (3) Q Gdnτ cα r ρ m Aa biçiminde ifade edilebilir Denklem 3 de T giris akışkanın giriş sıcaklığı, m kütlesel debi, Cp akışkanın ortalama özgül ısı değeri, T cikis akışkanın çıkış sıcaklığıdır Kollektöre gelen ışınım 2 şiddeti 700 W / m olarak kabul edilmiştir Yapılan kabullere bağlı olarak denklemlerin çözümünde Visual Basic 60 bilgisayar programından faydalanılmıştır İterasyon yöntemiyle Dowtherm A, Marlotherm LH, Therminol VP-1, Syltherm 800 ve Paratherm OR ısı iletim yağlarının farklı uzunluktaki köllektörden çıkış sıcaklık değerleri, elde edilen güç ve verimlilik değerleri hesaplanmış ve elde edilen sonuçlar Tablo 6 da verilmiştir 38
Tablo 6 L = 3,6, 9 metre uzunluğundaki kollektörden elde edilen ısı iletim yağına ait çıkış sıcaklığı, ortalama özgül ısı değeri, elde edilen güç, verilen güç ve verimlilik değerleri L = 3 m Isı İletim Yağı o Tgiris = 25 C, m = 003 kg / s T cikis [ C ] Cp [ J/kgK ] Q e [ watt ] Q v [ watt ] η [ % ] Dowtherm A 5449 163102 144296 169057 8535 Marlotherm LH 5334 167987 142823 169057 8448 Paratherm OR 3905 198098 83498 169057 4939 Therminol VP-1 5543 159923 145994 169057 8636 Syltherm 800 5299 164068 137768 169057 8149 L = 6 m L = 9 m Dowtherm A 8210 166972 286023 338115 8459 Marlotherm LH 7989 172429 283939 338115 8398 Paratherm OR 5497 201268 180960 338115 5352 Therminol VP-1 8365 163916 288410 338115 8530 Syltherm 800 7969 166350 272930 338115 8072 Dowtherm A 10755 170539 422340 507172 8327 Marlotherm LH 10439 176501 420372 507172 8289 Paratherm OR 7201 204682 288663 507172 5692 Therminol VP-1 10952 167567 424883 507172 8377 Syltherm 800 10480 168491 403368 507172 7953 Tablo 6 daki veriler göz önüne alınarak verimliliği en yüksek olan akışkanın Therminol VP-1, en düşük olan akışkanın Paratherm OR olduğu söylenebilir Şekil 2 de 5 farklı ısı iletim yağı kullanılarak elde edilen parabolik oluk köllektörün verimlilik değeri gösterilmiştir 100 90 80 Verim ( % ) 70 60 50 40 0 3 6 9 12 Kollektör Uzunluğu ( m ) DOWTHERM A Marlotherm LH Paratherm OR Therminol VP-1 Syltherm 800 Şekil 2 Isı iletim yağlarının verimlilik grafiği 39
Şekil 2 de akışkanların verimlilik değerlerinin farklılık göstermesinin sebebi her akışkanın kendine ait termofiziksel özelliklerinin sıcaklık değişimine bağlı olarak değişkenlik göstermesidir 3 DUYARLILIK ANALİZİ Parabolik oluk toplayıcıda kullanılan en iyi ısı iletim yağının seçimi için oluşturulan hiyerarşide, kriterler ve seçenekler belirlendikten sonra, çalışma şartı, verimlilik ve maliyet kriterlerine ait veriler normalize edilmiştir Seçeneklerin, maliyet kriterindeki yüksek değerinin olumsuz yöndeki etkisi göz önünde bulundurularak, Tablo 7 de seçeneklerin kriterlere göre normalize edilmiş değerleri oluşturulmuştur Tablo 7 Seçeneklerin kriterlere göre normalize edilmiş değerleri Çalışma Şartı Verimlilik Maliyet Seçenekler Tablo Değeri Normalize Edilmiş Tablo Değeri Normalize Edilmiş Tablo Değeri Normalize Edilmiş Dowtherm A 2571 163 8459 0218 837 0234 Marlotherm LH 3600 229 8398 0216 3542 0182 Syltherm 800 3670 233 8072 0208 2075 0210 Therminol VP-1 2570 163 8530 0220 4330 0167 Paratherm OR 3330 212 5352 0138 2215 0207 Kriterlerin ağırlık oranları 4 farklı biçimde oluşturularak duyarlılık analizi yapılmış, seçeneklerin kriterlere göre ağırlık oranları Expert Choice 115 programında çözülerek Tablo 8 de gösterilmiştir Duyarlılık analizi sonucunda; kriterler eşit derecede önem sahibi olduğunda, seçenekler arasından en yüksek orana sahip ısı iletim yağı Syltherm 800 olmaktadır Isı iletim yağları sadece çalışma şartı kriteri açısından değerlendirildiğinde en yüksek orana sahip ısı iletim yağı Syltherm 800, verimlilik kriteri açısından değerlendirildiğinde en yüksek orana sahip ısı iletim yağı Therminol VP-1, maliyet kriteri açısından değerlendirildiğinde ise en yüksek orana sahip ısı iletim yağı Dowtherm A olmaktadır Tablo 8 Kriterlerin duyarlılık analizi ÇŞ (% 333), ÇŞ (% 100), ÇŞ (% 0), ÇŞ (% 0), Seçenekler V (% 333), V (% 0), V (% 100), V (% 0), M (% 333) M (% 0) M (% 0) M (% 100) Oran (%) Sıra Oran (%) Sıra Oran (%) Sıra Oran (%) Sıra Dowtherm A 205 3 163 4 218 2 234 1 Marlotherm LH 209 2 229 2 216 3 182 4 Syltherm 800 217 1 233 1 208 4 210 2 Therminol VP-1 184 5 163 5 220 1 167 5 Paratherm OR 185 4 212 3 138 5 207 3 40
4 TARTIŞMA VE SONUÇLAR Bir seçme yöntemi olan Analitik Hiyerarşi Süreci yöntemiyle yapılan duyarlılık analiziyle birlikte, parabolik oluk kollektörde kullanılan 5 farklı ısı iletim yağı, çalışma şartı, maliyet ve verimlilik kriterleri açısından değerlendirilmiştir Kriterler, kendi aralarında farklı oranlarda ağırlıklandırılarak, seçeneklerin hangi kriterde, ne kadar ağırlık oranına sahip olduğu saptanmıştır Bu bağlamda, çalışma şartları %100 lük bir orana sahip iken Syltherm 800 en iyi ısı iletim yağıdır Seçenekler sadece verimlilik kriteri açısından değerlendirildiğinde, Syltherm 800 ısı iletim yağının ağırlık oranı azalmakta, Therminol VP-1 ısı iletim yağının ağırlık oranı artmaktadır Maliyet kriterinin ağırlık oranının artması Therminol VP-1 ısı iletim yağının önem değerini azaltmakta, Dowtherm A ısı iletim yağının önemini arttırmaktadır Eğer kirterler eşit derecede öneme sahip ise Syltherm 800 diğer ısı iletim yağları arasından en yüksek orana sahip olmaktadır Bu nedenle, parabolik oluk kollektörde kullanılan ısı iletim yağlarının seçiminde tek bir kriter belirlenmemelidir Ayrıca, kriterlerin duyarlılık analizinin yapılmasıyla kullanılacak akışkanların tercihi konusunda daha doğru kararlar verilebilir 41
5 KAYNAKLAR 1 Duffie, JA, Beckman, WA, 2006 Solar Engineering Of Thermal Processes, third ed John Wiley & Sons, New Jersey, syf 149-331 2 Eltez, M, Aydın M, 1993 Theoretical and experimental analysis of a parabolic through collector for steam and hot water production in textile industry under aegean climatic conditions University of Malta 3 Goswami, DY, Kreith, F, Kreider, JF, 2000 Principles Of Solar Engineering, second ed Taylor and Francis, Philadelphia, syf 130-131 4 Hsieh, C K, Thermal Analysis of CPC collectors, Solar Energy, 1981, 27, 19 5 Öztürk, G, Dönmez, N, Sünerin, S, 2006 Analitik Ağ Süreci (ANP) Anahtar, 209, syf 16-17 6 Singh, J, 1985 Heat Transfer Fluids and Systems for Process and Energy Applications, Material, syf 5-7 7 wwwsolutiacom 42