TÜBİTAK-BİDEB LİSE ÖĞRETMENLERİ FİZİK, KİMYA, BİYOLOJİ VE MATEMATİK PROJE DANIŞMANLIĞI EĞİTİMİ ÇALIŞTAYLARI LİSE 1 (ÇALIŞTAY 2011) GRUP ASO ÇATI ISITMALI ÇEVRECİ BACA PROJE EKİBİ Ayten TAŞ Seda ERBİL Oğuz ÖZCAN PROJE DANIŞMANLARI Prof. Dr. Hakan KÖÇKAR Prof. Dr. Bilal GÜNEŞ KEPEZ/ ÇANAKKALE TEMMUZ 2011
1 PROJE ADI: ÇATI ISITMALI ÇEVRECİ BACA PROJENİN AMACI: 1. Fosil yakıtların kullanımından doğan hava kirliliğini önlemek. 2. Yan ürün olarak çıkan sıcak suyu çatı ısı yalıtımında kullanmak. GİRİŞ: İnsanlar tarafından gerek ısınma amaçlı gerekse sanayide fosil yakıtlar kullanılmaktadır. Fosil yakıtların yanması sonucu havayı kirleterek canlıların sağlığını tehdit eden gazlar ve partiküller ortaya çıkmaktadır [1]. Katı yakıtlı, özellikle kömür yakıtlı kazanlarda yanma sonucu oluşan duman gazları, yakıtın içerdiği kül oranına bağlı olarak oldukça kirlidir. Bu kül her ne kadar kazan içinde alınan konstrüktif tedbirler ile azaltılsa da kısmen duman gazları tarafından sürüklenerek kazan arkasından uçucu kül olarak bacaya verilmek üzere çıkar. Literatür taraması yapıldığında kuru ve sulu sistem olmak üzere iki tip baca filtresi bulunduğu görülür [2-4]. Genel olarak sulu filtre sistemlerinde su aracılığı ile dumanın toksik partiküllerden arınması amaçlanır. Farklı yöntemlerle partiküllerden arınma gerçekleşebilir. Bunlardan biri dumanı su içinden geçirirken basınç farkı ile duman içindeki toksik maddelerin çözündürülmesi esasına dayanır. Bu yöntemle toksik maddeler su içinde tutulurken aynı zamanda suyun sıcaklığından yararlanmak mümkündür. Isı yalıtımında da etkin olacak bir sulu filtre sistemi bu projede geliştirilecektir. Duman içindeki zararlı maddelerin sebep olduğu hava kirliliği, bacaya giden dumanın sulu filtreden geçirilmesi ile engellenebilir. Sulu filtreden geçirilen duman partiküllerden arınırken termodinamik yasalarına göre de filtredeki suyun sıcaklığı artar. Bu bilgi ışığında çatıya uygun bir şekilde yerleştirilen sulu baca filtresi ile çatıda ısı yalıtımı sağlanması da gerçekleşebilir. Aynı zamanda kış aylarında yoğun kar yağışı alan bölgelerde çatılarda kar birikmesi de önlenebilir. Böylece sulu baca filtresi kullanarak hava kirliliği önlenirken çatılardan ısı enerjisi kaybına da bir çözüm yolu bulunmuş olur. KURAMSAL TEMELLER: Günümüzde çok önemli bir çevre problemi olan, gezegenimiz üzerindeki canlıların sağlığını dolayısı ile gezegenimizin geleceğini etkileyen hava kirliliği atmosfer bileşikliklerinin değişmesi ile başlamaktadır. Atmosfer, yapısı gereği içerisine karışan toksinli maddeleri eriterek etkisiz hale getirmesine rağmen meteorolojik ve topoğrafik şartlara bağlı olarak sürekli bir şekilde kirlenmektedir. Kirleticilerin kaynaklarına göre hava kirliliği, doğal kaynaklardan meydana gelen ve insan faaliyetleri sonucu meydana gelen kirlilik olmak üzere iki sınıfa ayrılır. 1
Doğal kaynaklardan oluşan hava kirliliğini yaratanlar arasında deniz yosunlarının ortama verdiği gazlar, yanardağ ve orman yangınlarından atmosfere yayılan zararlı bileşikler, doğadaki biyolojik değişimler sırasında açığa çıkan karbon oksitler, metan vb gazlar sayılabilir. İnsan tarafından oluşturulan kaynaklardan oluşan hava kirliliği, bulunan bölgenin endüstriyel gelişimi, nüfusu, şehirleşme durumu gibi faktörlere bağlı olarak değişir. Bu tür kirliliğe neden olan kirleticiler olarak fosil kaynaklı yakıtların yanması sonucu ortaya çıkan partiküller ( toz, duman, kül, karbon, kurşun, asbest, yağ ve asitler), kükürt dioksit, azot oksitleri, karbon oksitleri, kurşun, hidrokarbonlar vb maddeler sıralanabilir[5, 6]. Şekil-1:Baca dumanı kaynaklı hava kirliliğine bir örnek [5]. Hava kirliliğine karşı alınabilecek önlemler, kirlilik kaynağına göre (fabrika, termik santral, konutlar, taşıt araçları) çok çeşitlidir. Bu önlemler başta eğitim alınmak üzere teknik, hukuksal önlemler olarak başlıca 3 grupta toplanabilir [7]. Eğitim ve teknik kaynaklı önlemlerden biri bacalara arıtıcı filtre takmaktır. Bacalara arıtıcı filtre takılması, öncelikle sanayide gelişmiş ülkelerde yaşanmaya başlayan hava kirliliği sorununa bir çözüm olarak üretilmiştir. Hava kirliliğinin sağlığı tehdit edici boyutlara geldiği bölgelerde baca filtresi kullanımı yasalarla zorunlu hale getirilmiştir. Aynı süreç içinde baca filtreleri üretilmesi ihtiyacı doğmuştur. Farklı yöntemlerle üretilen filtreler kuru ve sulu sistem olarak sınıflandırılmaktadır. Sulu baca filtrelerinde suyun küçük moleküllü olması süzme için idealdir, aynı zamanda ekonomiktir. Baca filtrelerin kullanılması ile temizlenen duman dışında yan ürünler de elde edilir. Özellikle sulu baca filtrelerinde elde edilen yan ürün olan sıcak su, binalarda ısı kayıplarını önlemede kullanılabilir [8]. Teknik olarak ısı yalıtımında kullanılabileceği gibi bir ortamın sıcaklığını arttırmak, bir ısı enerjisi elde etmek için de faydalanılabilir. Baca filtrelerinin temel çalışma prensibi Bernoulli İlkesi ne dayanmaktadır [9]. Bernoulli, sıvıların akışını incelemiş ve kendi adı ile anılan; Akış boyunca her noktada, sıvıların statik basıncı ve akış hızı ters orantılıdır. prensibini formüle etmiştir. Bu ifade daha sonra tüm akışkanlara uyarlanmıştır. Bu prensibin uygulaması Şekil-2 de gösterilmiştir. P 1 v 1 P 1 > P 2 ve v 2 > v 1 P 2 v 2 Şekil-2 Bernoulli prensibinin şematik gösterimi [9] 2
Burada, v ile hız ve P ile basınç ifade edilmek üzere P 1.v 1 =P 2.v 2 dir. Bir başka ifade ile Hız azaldığında Statik basınç yükselir Hız yükseldiğinde Statik basınç düşer Akışkan maddeler basınç farkından dolayı akarlar ve akma yönü basıncın büyük olduğu yerden küçük olduğu yere doğrudur [10]. Filtre sistemine dahil edilen bir vakum pompası basıncı yükseltilmek veya düşürmek için kullanılabilir. Basınç değişimi ayarlanarak su içinden geçirilen duman, suda katı partiküllerden arındırılarak temizlenmiş olarak havaya verilir. Yine Bernoulli ilkesine göre çalışan su trompu vakum pompası bulunmadığı durumlarda deneylerde kullanılır. YÖNTEM VE MATERYAL: Fosil yakıtların yanma sırasında çıkardığı dumanın toksik maddelerden arındırılması için kurulacak sistemde nargilenin çalışma prensibi kullanılabilir[11,12]. Bu sistemin büyük boyutlardaki hali baca ile birleştirilip çatıya yerleştirilebileceği gibi, daha küçük boyutlardaki hali doğrudan soba borusuna bir aparat ile birleştirilebilir. Filtrenin su haznesinin üst yüzeyi ısı yalıtım maddesi ile kaplanacak ve tabanı da ısı iletkenliği yüksek olan bir metalden olacak şekilde tasarlanır. Böylece arıtma sırasında sıcaklığı artan su ile temas halinde olan metal tabanın vereceği ısı, ortamın sıcaklığını da arttıracaktır. Şekil-3.1 de bu sistemin şeması verilmiştir. Şekil-3.1: Sistemin çalışma şeması 3
Kirlilik sınırını aşan ve iletkenlik ölçer ile kirlendiği tespit edilen su binanın biyolojik arıtma sistemine verilerek, bahçe sulamasında kullanılması farklı bir proje konusu olabilir. DENEYİN YAPILIŞI : Aşağıdaki malzemelerden yararlanarak filtre modeli oluşturuldu. Sıra Malzemeler: 1. 1 adet küçük boy nargile 2. 1 adet su trompu (vakum pompası yerine kullanılmak üzere) 3. 5 litre saf su 4. 1 kutu kibrit 5. 5 içimlik nargile kömürü 6. 5 içimlik nargile tütünü (aromalı) 7. Sigara tütünü 8. 1 adet koli bantı 9. 1 adet Makas 10. 1 adet maket bıçağı 11. 1 adet iletkenlik ölçer 12. 1 adet ph ölçer 13. 10 adet kürdan 14. 5 m uzatma kablosu 15. 1 rulo alüminyum folyo Planlanan sistemin istenen amaca hizmet ettiğini göstermek için bir model sistem nargile yardımı ile oluşturuldu. Nargile içindeki basınç değişimini kontrol etmek için vakum pompası ilave edilip, suyun kirlilik sınırı da iletkenlik ölçer ile tespit edildi. 4
Duman kaynağı Su trompu Filtre edilmiş dumanın atıldığı boru Su seviyesi Kirli duman borusu Su haznesi Şekil-3: Deney düzeneği Nargilenin kullanımı sırasında çıkan kirli dumanın su içinden geçirilerek temizlenmesi için gerekli olan vakumu sağlamak için nargileye vakum pompası yerine su trompu bağlandı. Şekil-4:İletkenliğin ölçülmesi Nargilenin içine saf su konuldu ve suyun iletkenliği, sıcaklığı ve ph değeri ölçüldü.
Deney düzeneği aşağıdaki gibi kontrol edilip hazırlandı.kullanılan yakıtlar hassas terazi ile ölçüldü. 5 a b c d e Fosil yakıt hazneye yerleştirilip yakılarak açığa çıkan duman, sulu filtreden geçirilerek dışarıya atıldı Şekil-5 a) Kirli dumanın su içinden geçiş b) Yakıt haznesinin hazırlanışı c) Yakıt örneklerinin tartılması d) Yakıtın yanması e) Suda süzülen dumanın birikmesi 6
Şekil-6 : Düzeneğin çalışması Her ölçümden önce ölçüm aletleri saf su ile temizlendi. Şekil-7: İletkenlik cihazının saf su ile temizlenmesi Şekil-8: İletkenlik cihazı 7
SONUÇLAR VE TARTIŞMA Modelde vakum pompası yerine su trompu kullanıldı. Su trompundaki vakum hakkında bilgi edinmek için tromptan akan suyun basıncının alabileceği en küçük değeri hesaplandı. Akan suyun sıcaklığına karşılık gelen basınç değeri literatürde bulunan[13] su buhar basıncı - sıcaklık tablosundan faydalanılarak bulundu. Akan suyun sıcaklığı, sabit değerini bulana kadar ölçüldü ve 21 0 C olarak belirlendi. Su buharı basıncı - sıcaklık grafiğinden bulunan suyun buhar basıncı (P) değeri : P= 18,6 mmhg = = 0,0245 atm Akan suyun basınç değeri en küçük 0,0245 atm değerini alabilir. Her defasında musluk aynı miktarda açılarak, debisi aynı değerde tutulmaya çalışıldı. Aynı sıcaklıktaki saf ve kirli suyun iletkenlik, dolayısıyla kirlilik oranlarının karşılaştırılması amaçlandı. Projede iletkenliği düşük olan saf su kullanıldı. Su içindeki kirlilik ve partiküller arttıkça iletkenliğin artması model sulu filtrenin, süzme işlemi yaptığını gösterecektir. Önce nargilenin haznesi saf su ile doldurup iletkenlik ölçer ile iletkenliği ve sıcaklığı ölçüldü (her ölçümden önce iletkenlik ölçer saf su ile temizlendi). Daha sonra m=18,491g meyve aromalı tütün dumanı filtreden geçirildi ve tütünün yanması bitince iletkenliği ve sıcaklığı tekrar ölçüldü. Tütünün yanmasıyla açığa çıkan dumanın sudan geçirilmesiyle oluşan kirli suyun ölçümleri aşağıdaki gibi belli aralıklarla (saf suyun başlangıç sıcaklığına düşünceye kadar) yapıldı. Suyun aynı sıcaklıktaki iletkenliğinin değişimi gözlendi. Bunun yanında yan ürün olarak ısı enerjisi elde edebilmek için kirli suyun sıcaklığının değişimi takip edildi. Düzeneğe yerleştirilen tütün örneği 30 dakikada yanarak tükendi. Alınan ölçümler sonucunda elde edilen değerler Tablo-1 de listelenmiştir. Tablo-1: m=18,49 g aromalı tütün yanması sonucu iletkenlik ve oluşan sıcaklık değişimi ölçümleri SICAKLIK ( 0 C) İLETKENLİK ( S /cm ) Saf su başlangıçta 28,0 6 Kirli su Tütünün yanması bittiği anda 29,6 51 Kirli su 5 dak. sonra 29,4 51 Kirli su 10 dak. sonra 29,2 52 Kirli su 15 dak. sonra (Hazne soğuk suya tutuldu) 28,2 52 Kirli su 20 dak. sonra 27,8 52 8
Tablo -1 in Analizi: İletkenlik değerinin 6 S /cm den 52 S /cm ye çıkması süzme işleminin gerçekleştiğini gösterdi. Sıcaklık değeri 28 0 C den 29,6 0 C ye yükseldi. Bu yükseliş kullanılabilinecek bir ısı enerjisi açığa çıktığını gösterdi. İkinci olarak, aynı deney düzeneğinde yakıt olarak kibrit ve kürdan parçalarının yanması sonucu ortaya çıkan duman filtreden geçirildi. Yakıt miktarı m=1,20 g olarak alındı. Yanma işlemi 5 dakika sürdü. Elde edilen sonuçlar Tablo-2 listelendi. Tablo-2: m=1,20 g kibrit ve kürdan parçalarının yanması sonucu iletkenlik ve oluşan sıcaklık değişimi ölçümleri SICAKLIK ( 0 C) İLETKENLİK ( S /cm ) Saf su başlangıçta 27,7 7 Kirli su yakıtın yanması bittiğinde 28,2 20 Kirli su 5 dak.sonra 27,9 20 Kirli su 10 dak. sonra 27,8 20 Kirli su 15 dak. sonra 27,7 20 Tablo -2 nin Analizi : Suyun iletkenliği 7 S /cm den 20 S /cm ye çıktı. Yine süzme işleminin gerçekleştiği görüldü. Sıcaklık, 27,7 0 C den 28,2 0 C ye yükseldi. Bu sıcaklık artışı, sistemden ısı enerjisi de elde edebileceğimizi göstermiş oldu. Bir sıvıda ph değeri düştükçe sıvıda karbondioksit çözündüğünün göstergesidir bilgisine dayanarak ph değeri de ölçüldü.saf suyun ph değeri 6,70 (27,7 0 C), kirli suyun ise 5,60 (27,6 0 C) olduğu görüldü.bu da bize karbondioksiti de süzebildiğimizi gösterdi. Daha sonra kütle miktarını sabit tutup, m=1,19 g Light Mentollü sigara tütünü dumanı filtreden geçirilerek deney tekrarlandı. Yanma işlemi 10 dakika sürdü.aşağıdaki değerler elde edildi. Tablo-3: m=1,19g aromalı tütün dumanının iletkenliğini ve oluşan sıcaklık değişimini göstermektedir. SICAKLIK ( 0 C) İLETKENLİK ( S /cm ) Saf su başlangıçta 28,2 7 Kirli su yakıtın yanması bittiğinde 28,6 34 Kirli su 5 dak. sonra 28,5 33 Kirli su 10 dak. sonra 28,4 34 Kirli su 15 dak. sonra 28,3 34 Kirli su 20 dak. sonra 28,2 34 Tablo -3 ün Analizi: Suyun iletkenliğinin 7 S /cm den 34 S /cm ye çıkması süzme işleminin gerçekleştiğini gösterdi. 9
Sıcaklığın 28,2 0 C den 28,6 0 C ye yükselmesi ısı enerjisini kullanabileceğimizi gösterdi. Saf suyun ph değeri 6,70 iken kirli suyun ise 5,89 olarak ölçüldü. Değerin düşmesi karbondioksitin süzüldüğünü gösterdi. Yine kütle miktarını sabit tutup yani m=1,26 g meyve aromalı nargile tütünü dumanı filtreden geçirilerek deney tekrarlandı. Yanma işlemi 15 dakika sürdü. Aşağıdaki Tablo-4 te sıralanan değerler elde edildi. Tablo-4 m=1,26g aromalı tütün dumanının iletkenliği ve oluşan sıcaklık değişimi SICAKLIK ( 0 C) İLETKENLİK ( S /cm ) Saf su başlangıçta 28,2 7 Kirli su yakıtın yanması bittiğinde 28,5 21 Kirli su 5 dak. sonra 28,4 22 Kirli su 10 dak. sonra 28,3 22 Kirli su 15 dak. sonra 28,2 22 Tablo -4 ün Analizi: Suyun iletkenliği 7 S /cm den 22 S /cm ye yükseldiği gözlendi ve süzme işleminin gerçekleştiği görüldü. Sıcaklığın 28,2 o C iken 28,5 o C ye yükselmesi, ısı enerjisi elde edebileceğimizi gösterdi. Saf suyun ph değeri 6,70 kirli suyun ise 6,55 olarak ölçüldü. Bu da karbondioksitin de süzüldüğünü gösterdi. Farklı değişkenleri sabit tutarak yaptığımız kontrollü deneylerle elde edilen sonuçlar incelendiğinde iletkenlik ve sıcaklık değerlerinde artış, ph değerlerinde azalma tespit edildi. Bunların detaylı açıklamaları aşağıdaki gibidir. A).Filtredeki saf suyun kütlesi ve direnci sabit tutulup, m=1,20 g lık farklı cins maddelerin yanması sonucu ortaya çıkan duman filtreden geçirildiğinde; Suyun iletkenliği bakımından incelendiğinde: Kibrit ve kürdan dumanı için : 7 S /cm den 20 S /cm ye yükseldi. Light mentollü sigara tütünü dumanı için : 7 S /cm den 34 S /cm ye yükseldi. Meyve aromalı tütün dumanı için : 7 S /cm den 22 S /cm ye yükseldi. Suyun sıcaklığı bakımından incelendiğinde : Kirbit ve kürdan dumanı için : 27,7 0 C den 28,2 0 C ye çıktı. Light mentollü sigara tütünü dumanı için : 28,2 0 C den 28,6 0 C ye çıktı. Meyve aromalı tütün dumanı için : 28,2 0 C den 28,5 0 C ye çıktı. Suyun ph değeri bakımından incelendiğinde: Kirbit ve kürdan dumanı için : 6,70 den 5,60 a düştü Light mentollü sigara tütünü dumanı için : 6,70 den 5,89 a düştü. Meyve aromalı tütün dumanı için : 6,70 den 6,55 e düştü. 10
B) Filtredeki saf suyun kütlesi ve direnci sabit tutulup, aynı cins, farklı kütleli yakıtların yanması sonucu ortaya çıkan dumanlar filtreden geçirildiğinde; m=1,26 g meyve aromalı tütün dumanı filtreden geçirilince; suyun iletkenliği 7 S /cm den 21 S /cm ye çıktı.suyun sıcaklığı 28,2 0 C den 28,5 0 C ye yükseldi. m= 18,49 g meyve aromalı nargile tütünü dumanı filtreden geçirilince;suyun iletkenliği 6 S /cm den 52 S /cm ye yükseldi.suyun sıcaklığı 28,0 0 C den 29,6 0 C ye yükseldi. Yanan maddenin cinsi sabit tutulup kütlesi artırıldığında, ortaya çıkan duman miktarı da arttığından hem iletkenlik artışının hem de sıcaklık artışının daha fazla olduğu gözlendi. C) Filtredeki saf suyun kütlesi ve direnci sabit tutulup, aynı sıcaklık değerinde, her duman geçiş işlemi için suyun iletkenliği karşılaştırıldığında: m=18,4912 g meyve aromalı tütün dumanı filtreden geçirilince; 28,0 0 C deki saf suyun iletkenliği 6 S /cm iken kirli suyun iletkenliğinin 52 S/cm olduğu görülmüştür. m=1,20 g kibrit ve kürdanın yanması sonucu ortaya çıkan duman filtreden geçirilince ; 27,7 o C deki saf suyun iletkenliği 7 S/cm iken kirli suyun iletkenliğinin 20 S/cm olduğu görülmüştür. m=1,19 g light mentollü sigara tütünü dumanı filtreden geçirilince; 28,2 o C deki saf suyun iletkenliği 7 S/cm iken kirli suyun iletkenliğinin 34 S/cm olduğu görülmüştür. m=1,26 g meyve aromalı nargile tütünü dumanı sulu filtreden geçirilince; 28,2 o C deki saf suyun iletkenliği 7 S/cm iken kirli suyun iletkenliğinin 22 S/cm olduğu görülmüştür. Bu sonuçlara göre aynı sıcaklıkta suyun iletkenliğindeki artış, suyun süzme işlemini gerçekleştirdiğini gösterdi. Filtreden değişik maddelerin yanması sonucu ortaya çıkan dumanlar geçirildiğinde, farklı iletkenlik değerleri ile karşılaşılması, kirlilik oluşturma oranlarının da farklı olduğunu gösterdi. DEĞERLENDİRME Projenin amacına uygun olarak tasarlanan deneyler sonucunda filtre işleminin ve sıcaklık değişiminin beklendiği şekilde gerçekleştiği görülmüştür. Yapılabilirliği, kullanabilirliği ve geliştirilebilirliği görülmüştür. Modelini kurduğumuz sulu baca filtresi projesi, suyun küçük moleküllere sahip olmasından dolayı hava kirliliğini önlemede ideal bir araçtır. Benzerlerinden farklı olarak çatıya yerleştirildiği için çatının ısıtılması ve yalıtımında kullanılabilmektedir. Böylece hem çevre kirliliği önlenmiş hem de enerji tasarrufu gerçekleşmiş olur. 11
Sistem geliştirilerek elde edilen sıcak su kalorifer sistemlerinde kullanılabilir yada arıtmadan geçirilerek bahçe sulamada kullanılabilir. Bu sistem sadece çatıda değil küçültülerek binanın herhangi bir bölümünde de kullanılabilir. Sistemin geliştirilmesi durumunda ülke ekonomisine büyük katkılar sağlayacağı düşünülmektedir. KAYNAKLAR: [1] http://www.rshm.saglik.gov.tr/hki/pdf/hava.pdf [2] http://www.gismap.com.tr [3]http://www.bacafiltreleri.com [4]http://www.ekotekkazan.com.tr [5]http://www.etoplum.com/hava-kirliliginin-nedenleri-sebepleri-onleme-yollari.html [6]http://www.webhatti.com/kultur/29954-hava-kirliligi-nedenleri-ve-onlemleri.html [7] http://baol-biyo.blogcu.com/cevre-kirliligi/7222913 [8]http://www.ode.com.tr/page.tr/yalitimsozluk.ses.html [9] http://www.nedirturk.com/icatlar/bernoulli-prensibi-nedir.html [10] http://www.fizik.us/basinc/akiskanlarin-basinci.html [11]http://www.webhatti.com/genel-sohbet/56383-nargile-hakkinda-hersey.html [12]http://tr.wikipedia.org/wiki/Nargile [13] teacher.shaker.k12.nh.us/.../water%20vapor%20pressure%20table.doc Çalıştay koordinatörümüz Prof.Dr. Mehmet Ay a Danışmanlarımız; Prof. Dr. Hakan KÖÇKAR ve Prof. Dr. Bilal GÜNEŞ e Teknisyenimiz Emine GÜNDÜZ e Kimya Laboratuarındaki çalışmalarımızda bize yardımlarını esirgemeyen Doç. Dr. Yusuf DİLGİN e ve Tüm Çalıştay Ekibine Teşekkür ederiz. 12