1 1.GİRİŞ Günümüzde, birincil enerji kaynaklarının biteceği düşüncesi, zaman zaman ortaya çıkan enerji krizleri ve dünya nüfusunun sürekli olarak artması ile ortaya çıkan enerji ihtiyacı, bilim adamlarını alternatif enerji kaynakları bulmaya ve bu kaynakları ihtiyaç olan enerjiye çevirecek makineler üzerinde araştırmalar yapmaya yöneltmiştir. Ayrıca petrol ve türevi veya fosil yakıtların yakılması sonucu ortaya çıkan zararlı gazlar, çevre ve insan sağlığı üzerinde olumsuz etkiler oluşturmaktadır. Bu durumda güneş enerjisi, alternatif enerji kaynağı olarak gündeme gelmiştir. Özellikle 1973 yılındaki petrol ambargosu, güneş enerjisi teknolojisinin gelişiminde büyük etken olmuştur. Dünyadaki yaşamın kaynağı olan güneş, temiz enerjilerin ana kaynağıdır. Güneş enerjisi yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. İnsanlık için önemli bir sorun kaynağı olan çevreyi kirletici artıkların bulunmayışı, yerel olarak uygulanabilmesi ve karmaşık bir teknoloji gerektirmemesi gibi üstünlükleri sebebiyle son yıllarda üzerinde yoğun çalışmaların yapıldığı bir konu olmuştur. Diğer ülkelerde olduğu gibi ülkemizde de kullanılabilir enerji, ya birincil enerji kaynaklarından yada hidrolik enerji kaynaklarının ve rüzgar enerjisinin diğer enerji kaynaklarına dönüştürülmesi ile sağlanmaktadır. Yıllık petrol üretimimizin az olması, doğal kaynaklarımızın halihazırda yeterince çıkarılmamış olması ve verimli kullanılmayışı, ileriki yıllarda enerji problemimizin artacağını göstermektedir. Ülkemiz, güneş enerjisi potansiyeli yüksek olan ülkeler arasında yer almaktadır. Özellikle yaz aylarında birim alana düşen güneş enerjisi miktarı, ülke genelinde oldukça yüksektir. Binaların ısıtılması, soğutulması, endüstriyel bitkilerin kurutulması ve elektrik üretimi, güneş enerjisinin kullanıldığı alanlardır. Özellikle elektrik üretimi yaygın olarak uygulanmaktadır. Güneş enerjisinden elektrik üretimi direkt ve indirekt olarak iki yöntemle gerçekleştirilir. Direkt yöntem kapsamında fotovoltaik sistemler, güneş enerjisinin indirekt biçimde elektriğe dönüştürülmesinde ise güneşten yararlanılarak üretilen buhar ve bunu değerlendiren bir güç çevrimi yada güneş enerjili sıcak hava motoru ele alınmaktadır. Bunlardan en yaygın olarak kullanılan metot fotovoltaik metottur. Güneş enerjisini doğrudan elektriğe dönüştüren güneş pilleri, yüksek maliyetli ve düşük verimlidir. Son yıllarda güneş enerjisinden elektrik üretimi çalışmalarının
2 sıcak hava motorlarına doğru ilerlediği gözlemlenmektedir. Güneş enerjisinden elektrik üretiminde sıcak hava motorlarının kullanılmasında pek çok neden vardır. Her şeyden önce sıcak hava motoru, çok iyi bir termodinamik çevrime sahiptir; iki sıcaklık sınırı arasında teorik olarak en yüksek verim Carnot ve Ericsson çevrimleriyle beraber Stirling çevriminden elde edilmektedir. Yapılan çalışmalarda, sıcak hava motorlarından %30-40 verimle elektrik enerjisi üretildiği belirtilmektedir. Sessiz, çevre dostu bir makine ve düşük sıcaklık farklarında bile çalışabilmesi nedeniyle geniş bir uygulama alanı söz konusudur. 1.1. Stirling Motorlarının Tarihi Gelişimi İlk olarak İskoç lu papaz Robert STIRLING tarafından 1816 da imal edilmiştir ve 4081 orijinal patent numarası ile ilk üretimi gerçekleştirilmiştir. İlk patentte yalnızca motorun konstrüksiyonu tanımlanmamış, ilk olarak rejeneratör kullanılmış, aynı zamanda prensiplerin uygulanacağı önceden görülmüştür. Bu patent, buna ek olarak ilk kapalı çevrimli sıcak hava motorunun tanımını da içerir. Motorda güç pistonu ve yer değiştirme pistonu düzenlemesi kullanıldı. Kapalı çevrim olduğu için çalışma maddesi defalarca kullanılmaktadır. Finkelstein, 1959 e göre bu özellik, atmosfer üstü basınçlarda motorun çalışmasına imkan tanıdığından, çıkış gücü artmıştır. Güç pistonu tamamıyla soğuk tarafa çekilmiştir. Orijinal modelin geliştirilmesi Robert Stirling ve kardeşi James Stirling tarafından yapılmıştır. Sıcak hava motorları, 19. yüzyılın son zamanları boyunca değişik tiplerde imal edilerek mekanik güç elde etmek için kullanılmıştır. Güç elde etmek amacıyla buhar makineleri ile uzun süre rekabet etmesi düşünülmüş ve üzerinde uzun süreli araştırmalar yapılmıştır. Yüksek hızlı içten yanmalı motorların geliştirilmesi ve daha yüksek güç elde edilmesiyle, bu motorların kullanımı azalmıştır. 1828 de Parkinson ve Crossley kapalı çevrim bir Stirling motoru geliştirdiler. 1844 te Andraud sıcak hava motorunu lokomotife monte etmiştir. 1850 ye kadar daha çok iki veya üç silindirli yer değiştirme-güç pistonu tipi Stirling motorları geliştirilmiştir. Urieli,Rallis,1975 e göre bu motorlar temelinde Stirling motoru tipleri
3 arasında en başarılı olarak kabul edilen ilk tek silindirli motorlar kadar iyi değildi. Bunun en önemli nedeni tek silindirli modellerle karşılaştırıldığında ölü hacimlerin fazlalığı idi. 1853 yılında Franchot çift tesirli iki silindirli Stirling motoru yapmıştır. 1853 te W. E. Newton çift tesirli motorun patentini almıştır. 1853 yılında İsveç li John Ericsson un yaptığı motorlar, 19. Yüzyılda, dikkate değer sayıda imal edilmiş ve kullanılmıştır. Bu motorlar, açık sistemdi. 2200 tonluk bir gemi için yapılan dört adet motor, o güne kadar yapılan en büyük motorlardı. Bu motorların güç pistonlarının çapı 4,2 m ve kursu da 1,8 m kadardı. Motorların 478 kw indike güç vermeleri planlanmış, ancak yapılan denemelerde bunun ancak yarısını verebildikleri görülmüştür. Buna rağmen, yakıt tüketimleri o dönemlerde kullanılan denizcilik buhar motorlarına oranla önemli ölçüde daha az olmuştur. 1858 de Ericson yeni bir sanayi motoru yapmıştır. 1860 yılında Lehman Almanya da oldukça ilgi gören rejeneratörsüz yatay tek silindirli motoru tanıtmıştır. 1937 yılında Eindhoven da bulunan Philips araştırma laboratuarlarında, bilhassa Asya ve Afrika da sürekli ve düzenli enerji kaynağı bulunmayan bölgelerdeki radyo istasyonları için elektrik üreteçlerini çalıştırmak amacıyla küçük Stirling motorları üretilmiştir. Philips firması 16 Watt lık bu tasarımdan sonra günümüze kadar ulaşan 54 farklı tasarım yapmıştır. 1860 ta Leonir gaz motoru imal etmiştir. 1863 yılında Sir William Siemens çift etkili dört silindirli Stirling motoru yapmıştır. 1884 te Henrici bir Stirling motorunun üretimine başlamıştır. 20. yüzyılda içten yanmalı motorların hızla gelişimi, piyasayı küçük tip modellerle sınırlı tutmuştur. Urieli, Rallis,1975 e göre bu motorlarda görülen temel problem; sürekli yüksek dış sıcaklık ve iç basıncın, dökme demir ve bronz malzemelerin ömürlerini ve motor performansını sınırlamasıdır. 1923 itibari ilen iyi Stirling motorları yaklaşık 800 kg ağırlığında olup, 25 litrelik süpürme hacmi ve 1.5 kw lık çıkış gücüne erişirken yaklaşık %3 lük termal verime sahiptir. 1930 yılı ortalarında Stirling motorunun değişik bir düzenlemesi de Philips araştırma laboratuarında çalıştırılmıştır. Bu motorlar düzenli elektrik enerjisi
4 bulunmayan bölgelerde, radyolar için elektrik jeneratörü olarak kullanılmışlardır. Almanya da Stirling motoru üzerinde çalışmalar ikinci dünya savaşı süresince devam etmiş ve savaştan kısa süre sonra bir motor geliştirilmiştir. Brillant araştırma ve mühendislik jeneratör olarak küçük bir sıcak hava motoru yapılmıştır. 1938 de Profesör Holst Stirling motorlarının gerçek ve teorik verimliliği arasında büyük farklılıklar tespit etmiştir.. Bundan sonra Almanya nın Hollanda yı işgali sırasında araştırmalar H. Rinia nın kontrolü altında gizli yürütülmüştür. Farklı yakıtlar denenmiş, çalışma maddesi olarak değişik şarj basınçlarında hava kullanılmıştır. 1946 da Philips, Stirling motorlu elektrik jeneratörü yapmıştır. 1953 te Rhombic mekanizması ilk olarak R. J. Meijer tarafından Stirling motorlarına uygulanmıştır. Çınar,2001 e göre bu sistemlerde piston silindire yaslanmadığından sürtünme ve aşınmalar diğer modellere göre daha az olmaktadır. 1958 yılında yapılan bir anlaşma ile General motor firması Philips lisansı ile çalışmalar yapmıştır. General motor 1958 de, Rhombic mekanizmalı motorların geliştirilmesi için bir program yaptı. 1959 da Finkelstein ve Polanski Franchot Stirling motorunu ikinci kez yapmıştır. 1962 de W. T. Bale serbest pistonlu Stirling motorları üzerine çalışmalara başlamıştır. 1967 de Martini çalışma gazı olarak Helyum ve Argon gazların kullanmıştır. 1971 yılında General motor Philips firması ile olan anlaşmasını iptal etti ve Ford firması ile anlaşarak 1977 yılında otomobiller için bir sıcak hava motoru yapmıştır. 1976 da serbest pistonlu sıcak hava motoru jeneratörleri imal edilmiştir. 1977 yılında U.S. enerji bölümünde dıştan yanmalı 370 kw tan 1480 kw gücüne kadar çeşitli sıcak hava motorları yapılmıştır. Bu motorlarda alternatif yakıt kullanma imkanı sağlanmıştır. 1978 de Horace Rainbow Pendel-Stirling motorlarını tasarlamıştır. 1980 de İvon Kolin çok kolay yapılabilen sıcak hava motorlarını tasarlamıştır. 1982 yılında Dunn, 20 kw gücünde bir sıcak hava motorunun tasarımını yapmıştır. Bu motor yüksek basınçlı helyum ile alfa veya gama konfigurasyonlarında çalışabilmektedir.
5 198 yılında Lundholm, yaptığı çalışmada 40 kw gücünde olması istenilen bir Stirling motorunun tasarımını yapmıştır. 1984 te Profesör Senft sadece 7 C sıcaklık farkı ile çalışabilen yeni bir Stirling motoru yapmıştır. 1984 yılında Urieli ve Berchowitz, Stirling motorları için tasarım ve analiz metotlarını inceleyerek bu metotlar ile elde edilen performans değerlerini karşılaştırmışlardır. 1987 de Trukhov ve arkadaşları, Özbekistan Fizikoteknik Enstitüsü nde, Güneş enerjisi ünitelerinde kullanılmak amacıyla, 500 W lık çift silindirli bir sıcak hava motoru geliştirdiği ve denemelerden başarılı sonuçların alındığı bildirilmektedir. Geliştirilen prototipin ısıtıcı sıcaklığı 873 K, soğutucu sıcaklığı 293 K, faz açısı 90 ve motor devri 1000-1200d/d dır. 1989 yılında Eckhart Weber ilk düşük sıcaklıkta çalışan sıcak hava motorlu bir su pompası yapmış ve Alman buluş ödülünü almıştır. 1990 da Profesör Senft küçük sıcaklık farkı ile çalışan sıcak hava motorları ile rekor kırdı, bu motor 0,5 C sıcaklık farkı ile çalıştı. 1991 de Bomin, Solar Ecker le birlikte çalışarak Helyum ile çalışan 10-50 bar çalışma basınçlı serbest pistonlu sıcak hava motoru geliştirdi. 1991 yılında Organ, yaptığı çalışmada Stirling motorlarının gaz devresi için termodinamik benzerlik koşullarını aktararak bilgisayar programı yerine diyagram ve hesap makinesi kullanarak Stirling motoru tasarımını açıklamıştır. 1993 te D. Schager en küçük sıcak hava motorunu geliştirmiştir ( Uzunluğu 19.5 mm, genişliği 9 mm, yüksekliği 9.5mm, kütlesi 0.775g, maksimum çalışma zamanı 65.5 dakikadır ). 1995 yılında Rix, ısıma ve güç üretimi amaçlı bir sıcak hava motoru prototipi için termodinamik ve ayrıntılı tasarım kriterlerini açıklamıştır. 1996 da s. Yücesu V tipi sıcak hava motoru tasarlamış, güneş enerjisi kullanarak çalıştırmış ve atmosferik basınçta 15W güç elde etmiştir. 1996 yılında Schultz ve Schwending, sıcak hava motorları için matematiksel bir model oluşturmuşlardır. Bu model her tip sıcak hava motoru için tasarım kriterlerini kapsamaktadır. Bu çalışmada diferansiyel korunum denklemleri, kararlı integral algoritması kullanılarak çözülmüştür. Ayrıca ısı transferi ve basınç kayıpları yeni
6 eşitlikler kullanılarak hesaplanmıştır. Yapılan karşılaştırmada deneysel sonuçlarla hesaplamaların birbirine yakın olduğu gözlenmiştir. 1997 yılında Prieto, sıcak hava motorları için dinamik benzerlik ve izotermal analize dayanan ilk tasarım metodunu incelemiştir. Beale ve West bağıntılarını kullanarak geliştirilen bu metot ile indike güç değerlerine göre motor devirleri belirlenmektedir. 1997 de A. Koca beta tipi bir sıcak hava motor yapmış ve 650d/d motor hızı ile 7 W güç elde etmiştir. 1998 yılında Wu, yaptığı çalışmada tersinmez ısı transferi ve ideal olmayan rejenerasyon şartlarında sıcak hava motorları için performans analizi yapmıştır ve motorda alınan güç ile ısıl verim arasında bağıntı çıkarmıştır. 1999 yılında Makhkamov ve Ingham, 1 kw kapasiteli bir sıcak hava motoru için oluşturdukları matematiksel modeli kullanarak mekanik kayıpları belirlemeye çalışmışlardır. 1999 yılında Costea, tersinmezliklerin sıcak hava motorlarının performansları üzerindeki etkilerini incelemişlerdir. Oluşturdukları matematiksel model termodinamiğin birinci kanununa dayanmaktadır. Basınç ve sürtünme kayıpları mevcut deneysel verilere göre belirlenmiştir. 2000 de S. Üstün Çift ısıtıcılı V tipi bir sıcak hava motoru yapmış ve 1000 C ısıtıcı sıcaklığında 1,5 şarj basıncında 65 W güç elde etmiştir. 2000 de M. Demiralp tarafından gama tipi bir sıcak hava motorun tasarımı ve imalatı yapılmıştır. 2000 yılında Pireto, sıcak hava motorlarının performansının belirlenebilmesi için boyutsuz sıcaklık ve geometrik oranların kullanıldığı bir eşitlik oluşturmuşlardır. Bu eşitlik bilinen bütün Stirling motorları için performans hesaplarının yapılmasına imkan vermektedir. 2000 li yılların, çevre kirliliğine yol açmayan, sessiz çalışan, yüksek verime sahip, yenilenebilir enerji ile çalışabilen motorlar geliştirmek amacı ile yapılan çalışmaların artacağı yıllar olacağı düşünülmektedir. Araştırmalar, günümüzde, malzeme ve üretim tekniklerindeki önemli aşamaların yardımı ile sıcak hava motorlarının günlük yaşamın bir parçası haline geleceğini göstermektedir.
7 Türkiye de akademisyenler tarafından gerçekleştirilen, sıcak hava motorları konusunu kapsayan on iki adet tez çalışması bulunmaktadır. Demiralp, M., 1994 yılında yaptığı Güneş Enerjisinin Tarımsal Sulama ve Elektrik Üretiminde Kullanılabilmesi İçin Tasarlanan Serbest Displacerli Bir Stirling Motorunun Çizim Ve Prototip Hesapları adlı çalışmada teorik olarak serbest pistonlu bir Stirling motoru tasarlamıştır. Yay, K., 1995 yılında A. K. Dağsöz danışmanlığında Stirling Motoru başlığı altında yaptığı yüksek lisans tez çalışmasında literatür taramasına yer vermiştir. Yücesu, S., 1996 yılında B. Erdiller danışmanlığında yaptığı Küçük Güçlü Güneş Enerjili Bir Stirling Motoru Tasarımı başlıklı doktora tez çalışmasında, alfa tipi bir sıcak hava motoru tasarımı yapmıştır. Temel, M., 1996 da Stirling Çevrimi ile Çalışan Makinaların Rejeneratörlerinin Langrange Yöntemi ile Termodinamik Analizi konulu teorik bir yüksek lisans tez çalışması yapılmıştır. H. Karabulut danışmanlığında 1996 yılında Rejeneratörlü Stirling makineleri ve Gözenekli Metal Ortamdan Oluşan Rejeneratörlerin Isıl Karakteristiklerinin Araştırılması başlıklı yüksek lisans tez çalışması yapılmıştır. Koca, A., 1997 de B. Erdiler danışmanlığındaki V Tipi Stirling Motorunun Tasarımı ve İmali başlıklı doktora tez çalışmasında, alfa tipi bir sıcak hava motoru imal etmiştir. Yapılan deneysel çalışma sonucunda, 2 bar şarj basıncında 330 d/d ile 27.04 W maksimum güç elde edilmiştir. Ünüvar, E., 1998 yılında Z. Şaka danışmanlığında Serbest Pistonlu Stirling Motorunun Yer Değiştirici Yayının Dizaynı ve Analizi başlıklı teorik bir yüksek lisans tez çalışması gerçekleştirmiştir. Üstün, S., 2000 yılında S. Çetinkaya ve H. Karabulut danışmanlığındaki Çift Yer Değiştirme Pistonlu V Tipi Küçük Güçlü Bir Stirling Motorunun Tasarım ve İmali başlıklı doktora tezi kapsamında alfa tipi bir sıcak hava motoru imal etti. 2 bar şarj basıncında, 784 l/min devrinde elde edilen maksimum motor gücü 64.9 W tır. Demiralp, M., 2000 yılında Gama Tipi Bir Stirling Motorun Tasarımı ve İmalatı başlığı altında yaptığı doktora tezinde imal ettiği gama tipi motordan 920 d/d da 12,66 W güç elde etmiştir.
8 Fakı, A., 2001 yılında yaptığı H. Karabulut danışmanlığındaki Alfa Tipi V Modeli Bir Stirling Motorunun Tasarımı ve İmalatı başlıklı yüksek lisans tezi kapsamında imalat ettiği motor, 300 d/d da 8 W güç üretmektedir. Karataş, O., 2002 yılında Beta Tipi Bir Stirling Motoru İçin Rhombic Döndürme Mekanizmasının Tasarımı ve İmali başlıklı yüksek lisans tez çalışması yapmıştır. Pırasacı, T., 2002 yılında Güneş Enerjisi ile Çalışan, Stirling Motorlu Elektrik Enerjisi Üretim Sistemi başlıklı teorik bir yüksek lisans tez çalışması yapmıştır. Yukarıda belirtilen tez çalışmaları ve bu çalışmalardan kaynaklanan makale yayınları haricinde yüksek öğretim kurumlarınca yürütülen araştırma projeleri de yapılmıştır. B. Demir ve A. Güngör ün yapmış oldukları Küçük Güçlü Güneş Enerjili Bir Stirling Motoru Tasarımı ve İmali başlıklı çalışmada alfa tipi bir motor imal edilmiştir. Motorun, maksimum 1200 d/d de teorik olarak 20.351 J net iş üretileceği hesaplanmıştır. 2002 yılında C. Çınar ın Hava Şarjlı Küçük Güçlü Bir Stirling Motorunun Deneysel Olarak İncelenmesi başlıklı çalışmasında sıkıştırma oranı 1.82, çalışma maddesi hava olan gama tipi bir motordan 846d/d maksimum motor devrinde 58 W güç üretilmiştir. 2004 yılında C. Çınar, A. Koca ve H. Karabulut, Farklı Çalışma Gazlarının Stirling Motorunun Performansına Etkilerinin Deneysel Olarak İncelenmesi başlıklı çalışmayı yapmışlardır. 1.3. Sıcak Hava Motorlarına Genel Bir Bakış Sıcak hava motorları, farklı sıcaklıktaki iş akışkanının genişletilmesi ve sıkıştırılması işlemlerinin kapalı ve rejeneratif bir çevrim olan Stirling çevrimi boyunca tekrarlandığı termal sistemlerdir. Teorik olarak en yüksek verime sahip motorlardır. Ayrıca sessiz ve titreşimsiz çalışmaları, özel bir yakıta veya enerji kaynağına bağlı
9 kalmadan kullanılabilmeleri, yeterli tork ve özgül güç değerleri ve basit tasarımları ile bu motorlar araştırma konusu olarak gündeme gelmektedir. Sıcak hava motorlarının genel olarak üstünlükleri aşağıdaki gibi sıralanabilir: - Stirling motorlarında her türlü ısı kaynağı kullanılabilmektedir. - Termik verimi Carnot çevriminin verimine denktir ve sıkıştırma oranına bağlı değildir - Hareketli parçaların az olması üretim maliyetinin düşük olmasına neden olmaktadır. - Montajı ve bakımı diğer motorlara göre daha kolay ve ucuzdur. - Çok küçük ebatlarda yapılabileceği gibi, çok büyük boyutlarda da yapılabilmektedir. - İçten yanmalı motorlarda olduğu gibi gürültülü çalışmaz. -Silindir içerisinde yanmanın gerçekleşmemesi ve hareketli parçaların az olması, sıcak hava motorunun ömrünün uzun olmasını sağlamaktadır. - Yanma ürünü olan NO x, CO, yanmamış HC ve partikül emisyonları oluşmadığından, çevre kirliliğine neden olmamaktadır. Sıcak hava motorlarının olumsuz yanları - Piston malzemesinin ısı iletim katsayısı, silindirin et kalınlığı ve ısı transfer alanı gibi sistem özelliklerinin etkisi ile motorun çalışması için gerekli olan ısının silindir içerisindeki çalışma akışkanına transferi, zaman almaktadır. Bu nedenle motorun ilk hareketi, ani olarak gerçekleşememektedir. - Motor, kapalı sistemli olduğundan, çalışma akışkanı sürekli olarak silindir içerisinde yer almaktadır. Sızdırmazlık problemi çözülemez ise gaz kaçakları oluşmakta ve motor verimi azalmaktadır. - Ölü hacimlerin fazla olması, motor verimini düşürmektedir. - Motorun yavaşlaması ve hızlanması zaman almaktadır. Piston hızı kontrolü yapılması zordur. -Silindirin uç bölgesi kesintisiz olarak yüksek sıcaklığa maruz kaldığından, bu bölgede termal gerilmeleri önlemek için sıcaklığa dayanımı fazla, yüksek maliyetli malzemeler kullanılmaktadır. Sıcak hava motorları, geniş bir uygulama alanına sahiptir. Sıcak hava motorları denizcilikte yardımcı motor olarak kullanılabilmektedir. Su altı güç sistemlerinde, denizaltıların güç sistemleri için de cazip bir güç kaynağıdır. General Motor, denizaltı uygulamaları için termal enerji depolamalı gelişmiş bir Stirling motoru üzerine ciddi
10 çalışmalar yapmıştır. United Stirling, Malmo ve Sweden, yakıt olarak hidrojen peroksit kullanan su altı güç sistemleri geliştirmektedirler. Güneş enerjili sıcak hava motoru ilk olarak 1872 yılında John Ericson tarafından yapılmıştır. Motor güneş enerjisi ile çalıştığında, güneş ışınlarını odaklayıcı güneş kolektörleri veya dış bükey mercekler kullanılmaktadır. Güneş enerjisinin kullanılmasında bir başka düşünce de enerjiyi kuvars bir pencereye ışınlamak ve çalışma maddesi üzerinde doğrudan ısı oluşturmaktır. Bu durumda penceredeki yansıma kaybının dışında her hangi bir ısı kaybı olmayacaktır ve sağlanan enerji motorun dayanımı için müsaade edilen en üst sınırın üzerinde bir sıcaklık artışı sağlanabilecektir. Sıcak hava motorları yapay kalp uygulamalarında da kullanılmaktadır. Amerika Milli Kalp Enstitüsü, yapay kalp geliştirmektedir. Geliştirilenlerden birisi 1973 yılında bir buzağı üzerinde denenmiştir. Geniş membranlı ayna sistemi ile odaklama yapan, ısı tüplü ısıtıcılı, serbest pistonlu sıcak hava motorları ve bir lineer alternatörden oluşan sistemler ile elektrik üretimi sağlanmaktadır. Sıcak hava motoru, sıvı hava oluşturmada da kullanılmaktadır. Süper geçirgen malzemeler, mikro dalga ışınları gibi çok düşük sıcaklık ortamında üzerinde çalışılabilen durumlar için kullanılmaktadır. Atmosferik şartlara yakın Stirling çevrim soğutucusuna pek rastlanmamakla beraber basit üniteli kompakt bir Stirling çevrim soğutucusu uygulanabilmektedir. Sıcak hava motorları uzay roketlerinde ve uydu enerji sistemlerinde de kullanılmaktadır. General Motors, Allison Division, özellikle uzay uygulamaları için Rhombic sürücü mekanizmalı güneş enerjili bir sıcak hava motoru üretmiştir. Sıcak hava motorlarının bugün için içten yanmalı motorlarla rekabet etmesi şüpheli görülmektedir. Ancak sessiz çalışması, düşük eksoz emisyonu, her hangi bir yakıtla çalışabilmesi veya ısıya kolayca dönüşebilen her hangi bir ısı kaynağını kullanabilmesi onun bu çekiciliğini arttırmaktadır. Büyüklük olarak içten yanmalı motorlar kadardır. Ancak soğutma için sıcak hava motorlarda kullanılan radyötörün kapasitesi üç kat daha büyük olmalıdır. Otomotiv uygulaması için dizayn edilen ilk sıcak hava motoru MOD 1 dir. Bu motorun test edilmesi sırasında bir çok mekanik olumsuzluklar ortaya çıkmıştır. Simetkosky,1985 e göre belirgin olumsuzluklardan bazıları; gaz yakıcı, segmanlar ve
11 ısıtma kafası bölgelerinde görülmüştür. NASA araştırma merkezi tarafından yeni yapılan düzenlemelerde bu olumsuzlukların giderilme çalışmalarının yanı sıra fiyat/ağırlık azaltılması ve performansın iyileştirilmesi üzerinde durulmuştur. Siemens-Renia çift etkili modeli esas alınarak 4 silindirli bu motorun tasarımı yapılmıştır. Motorun silindir hacmi 123 cm 3, çalışma gazı olarak şarj basıncı 190 bar dır. Motorda çalışma akışkanı olarak Hidrojen kullanılmıştır. Motorun hareket sistemi çelik alaşımlar, dökme demir ve alüminyum malzeme kullanılmıştır. Sistem alüminyum gövde içerisine yerleştirilmiştir. Piston rodu dökme demirden, diğer parçalar çelikten imal edilmiştir. Rod sızdırmazlık segmanı teflon esaslı malzemeden yapılmıştır. Biyel kolu ise dövme çeliktir. Soğutucu gövde içerisine yerleştirilen 400 adet paslanmaz çelik borudan oluşmuştur. Rejeneratör ise çelik gövde içerisine yerleştirilen çok sayıda çelik telden yapılmıştır. Isıtıcı gövdesi, paslanmaz çelik alaşımlardan imal edilmiştir. Mod I motorunun ısıtıcı kafası sıcaklığı 1000 C ye varan sıcaklıklara ulaşırken, çalışma maddesi sıcaklığı 750 C olmaktadır. Mod I motorunun geliştirilmesi ile dört silindirli, V tipi MOD II motoru imal edilmiştir. Bu motorda çift etkili pistonun her birinin çevresinde soğutucu ve rejeneratör bulunmaktadır. 1983 teki dizayn, düşük hız ve yüksek torkla çalışmaktadır. Richey,1987 e göre güç, çalışma gazının basıncı kontrol edilerek ayarlanmıştır. En yüksek güç 68.6 kw ölçülmüş ve en iyi yakıt ekonomisi 60 kw ta elde edilmiştir. 1960 lı yıllarda General Motors, otomotiv alanında kullanılmak üzere sıcak hava motoru üretimi yapmıştır. Bunu Siemens çift etkili sıcak hava motoru takip etmiştir. General Motors, sıcak hava motor çalışmalarına 1970 yılında son vermeden önce 4 silindirli bir otobüs motoru yapmıştır. 1968 de Philips firması sıcak hava motoru geliştirmiş ve bu motorları DAF ve MAN otobüslerde kullanmıştır. United Stirling, geliştirdiği Siemens çift etkili motoru, Ford Taunus Station da ve dağıtım araçlarında kullanmıştır. Philips Ford ile ortaklaşa Siemens çift etkili 125 kw gücündeki 4 silindirli sıcak hava motorlarını Ford Torino larda denemiştir. Araştırma motoru olarak imal edilen diğer bir sıcak hava motorunun silindir çapı 73 mm, kursu 54 mm, motor devri 3000 d/d ve gücü 9 kw tır. Ortalama 69 bar basınçta helyum gazı ile çalışmaktadır.
12 1.4.Tezin Amacı ve Kapsamı Bu tezin amacı, güneş enerjisinden ısı ve elektrik enerjisi üretimi yapabilecek bir sıcak hava motoru tasarlamak ve bu tasarımın performans değerlendirmesi için bir ön inceleme yapmaktır. Çalışma esas olarak üç aşamayı kapsamaktadır. Birinci aşamada genel olarak sıcak hava motorlarında karşılaşılan balans, sızdırmazlık, ölü hacim, sürtünme kayıpları, doldurma basıncı gibi sorunları çözebilmek için özgün bir tasarımın yapılması amaçlanmaktadır. Çalışmanın ikinci aşamasında yapılan tasarımın üretim süreci yer almaktadır. Günümüzde sıcak hava motorlarının önündeki en önemli engellerden birisi motor boyutları için gerekli olan hassasiyetlerin sağlanmasıdır. Bu bakımdan bir sıcak hava motorunun hem tasarım süreci hem de üretim süreci aynı öneme sahiptir. Genel olarak bir tasarımın ürüne dönüşmesi çok uzun bir süreçten oluşur. Tasarımcının fikirleri ile üretim mühendislerin bakışı arasındaki farklılıklar tasarımın ilk yapıldığı gibi ürüne dönüşmesini engelleyen unsurlardan birisidir. Bu çerçevede, güneş enerjisinden ısı ve elektrik enerjisi üretimi yapabilecek bir sıcak hava motorunun tasarımdan üretime geçiş süreci de tez kapsamında bulunmaktadır. Çalışmanın son aşamasında imal edilmiş olan motorun performansı için bir ön inceleme yapılmaktadır. Bu ön inceleme çerçevesinde motorun termodinamik analizi yapılarak karakteristikleri belirlenmektedir. İmal edilen motorda performansı etkileyen parametreler ayarlanabilir olarak tasarlanmıştır. Bu çerçevede ayarlanabilir motor boyutlarının sistem performansına etkisinin incelemesi, tez kapsamında bulunmaktadır.
13 2. SICAK HAVA MOTORLARININ TERMODİNAMİĞİ 2.1.Termodinamik Çevrimler Güç üreten makinelerin çoğu bir termodinamik çevrime göre çalışmaktadır. Termodinamik analiz yaparken güç çevrimlerinin çözümlemesini yapmak zordur. Sistemin denge haline ulaşmasının zaman alması, sürtünme ve benzer nedenlerin hesaba katılması gerekmektedir. Bu durumda güç çevriminin çözümlemesini yapabilmek için bazı kabuller yapılmaktadır. Tersinir hal değişimi, Çengel, vd.,1996 e göre, bir yönde gerçekleştikten sonra, çevre üzerinde hiçbir iz bırakmadan ters yönde de gerçekleşebilen hal değişimidir ve doğada tersinir hal değişimine rastlanmaz. Çevrim çözümlemesini kolaylaştırmak için hal değişimleri tersinir olarak kabul edilmektedir. 2.1.1.Carnot Çevrimi İşin diğer enerji biçimlerine dönüştürülmesi kolaydır. Fakat ısıl enerjinin işe dönüşebilmesi için özel düzenlemeler gerekmektedir. Isı makineleri diğer enerji biçimini işe dönüştüren makinelerdir. Bu makinelerin çalışmaları, ısıl verim ile değerlendirilir. T H ve T L sıcaklıkları arasında çalışan bir ısı makinesi ele alınsın. Çengel, vd.,1996 a göre, ısı makinesi çevriminin tümden tersinir olabilmesi için, herhangi bir ısı geçişi sırasında çevrim akışkanının sıcaklığıyla ısıl enerji deposunun sıcaklığı arasındaki fark diferansiyel dt değerini geçmemelidir. Başka bir deyişle, sisteme ve sistemden olan ısı geçişleri, biri T H diğeri T L olmak üzere sabit sıcaklıkta gerçekleşmek zorundadır. Carnot çevriminde olan ısı geçişleri böyledir. 1824 yılında Fransız mühendis ve bilim adamı Sadi Carnot tarafından ortaya atılan Carnot çevrimi ikisi sabit sıcaklıkta, ikisi de adyabatik olmak üzere dört hal değişiminden oluşur. Carnot çevriminin P-V ve T-S diyagramları Şekil 2.1 de gösterilmiştir.
14 1-2 Tersinir sabit sıcaklıkta sıkıştırma 2-3 Tersinir adyabatik sıkıştırma 3-4 Tersinir sabit sıcaklıkta genişleme 4-1 Tersinir adyabatik genişleme P 3 Q g T Q g 3 4 T 2 4 2 T 1 2 1 Q ç 1 Q ç V S Şekil 2.1. Carnot çevrimi P-V ve T-S diyagramları İdeal Carnot çevrimini gerçekleştiren bir motorun çalışmasını incelemek için bir silindir ve bu silindir içinde sürtünmesiz hareket eden piston mekanizması ele alınmaktadır. Silindirin yalıtımı yapılmıştır ve piston sürtünmesiz olarak hareket etmektedir. Silindir kafası iletkendir. Başlangıç konumunda piston alt ölü noktadadır, böylece piston ve silindir arasındaki ölü hacim maksimum olmaktadır. Çalışma akışkanının basınç ve sıcaklığı minimum değerdedir. Pistonun silindir kafasına doğru hareketine müsaade ettiğimizde, silindir içindeki hacimde sıkıştırma olayı gerçekleşmektedir. Bu işlem için silindir kafasının tamamıyla iletken olduğu kabul edilmektedir, böylelikle işlem izotermal (sabit sıcaklık) bir şekilde gerçekleşir. Sıcaklığın T 2 sıcaklığında sabit kalması için silindir kafasındaki izolasyon kaldırılıp buraya T 2 sıcaklığında büyük bir soğuk kaynak yaklaştırılır ve bu kaynağa ısı atılır. 2 noktasına gelindiğinde soğuk kaynak çekilip silindir kafası tekrar izole edilir. 2-3 hal değişimi, izentropik sıkıştırma işlemidir. Silindir kafası tamamıyla yalıtılmıştır. Piston, silindir kafasına doğru hareketine devam ettiği zaman, hacimdeki azala azalma ve hem basınç hem de sıcaklıktaki artma ile sonuçlanır. Bu hal değişiminde entropi sabit kalmaktadır.
15 3-4 hal değişimi, tersinir sabit sıcaklıkta genişleme işlemidir. Piston üst ölü noktadan alt ölü noktaya doğru hareket ederken silindir içindeki gaz genişleyerek soğumaktadır. Sıcaklığı T 1 de sabit tutmak için silindirin alt kısmındaki izolasyon kaldırılmakta ve buraya sonsuz büyüklükte T 1 sıcaklığında sıcak kaynak yaklaştırılarak silindir içerisine ısı aktarılmaktadır. Piston 4 noktasına geldiğinde silindir kafası tekrar izole edilmekte ve sıcak kaynak çekilmektedir. 4-1 hal değişiminde, pistonun hareketine bağlı olarak üst ölü noktaya kadar izentropik sıkıştırma yapılır ve çevrim tamamlanır. Çevrimin ısıl verimi; T L η th, Carnot =1, (2.1) TH olarak ifade edilmektedir. Pratikte Carnot çevriminin uygulamaya geçirilmesi mümkün değildir. Çünkü büyük ısı değiştiricileri ve uzun sürelere gerek vardır. Oysa motorda çevrim çok kısa sürede gerçekleşir. Bu nedenle Carnot çevrimi uygulanamaz. Carnot çevriminin önemi, gerçek ve diğer ideal çevrimlerin karşılaştırılacağı bir standart oluşturmasıdır. Carnot çevrimi verimi, sisteme verilen ve sistemden alınan sıcaklıkların fonksiyonudur. (2.1) numaralı denkleme göre ısıl verim, sisteme verilen sıcaklık yükseldikçe veya sistemden atılan sıcaklık düşürüldükçe artar. 2.1.2.Ericsson Çevrimi Carnot çevrimi haricinde, çevrime ısı geçişinin T H sabit sıcaklığında, çevreden ısı geçişinin T L sabit sıcaklığında olduğu iki çevrim daha vardır. Bunlardan biri Ericsson çevrimidir. Diğeri ise bir sonraki başlık altında anlatılacak olan Stirling çevrimidir. Ericsson çevrimi, Stirling çevrimine benzerdir. Stirling çevriminde yer alan sabit hacimde ısı geçişleri, bu çevrimde sabit basınçta gerçekleşir. Ericsson çevriminin, T-S ve P-V diyagramları Şekil 2.2 de gösterilmiştir.
16 1-2 İzotermal (Sabit sıcaklık) sıkıştırma (sistemden dış ortama ısı geçişi) 2-3 Sabit basınçta rejenerasyon (rejeneratörden aracı akışkana sistem içi ısı transferi) 3-4 İzotermal (Sabit sıcaklık) genişleme (sisteme dış kaynaktan ısı geçişi) 4-1 Sabit basınçta rejenerasyon (aracı akışkandan rejeneratöre sistem içi ısı geçişi) P 3 4 Q g T Q g 3 4 rejenerasyon Q ç rejenerasyon 2 1 2 Q ç 1 V S Şekil 2.2. Ericsson çevrimi P-V ve T-S diyagramları Ericsson çevrimde izentropik sıkıştırma ve genişleme sırasıyla kompresör ve türbinde gerçekleşmektedir. Ters akışlı bir ısı değiştiricisi rejeneratör görevini üstlenmiştir. Kuramsal olarak, sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki sıcaklık farkı hiçbir noktada dt diferansiyel miktarını geçmemektedir. Soğuk akışkanın giriş sıcaklığı, sıcak akışkanın giriş sıcaklığına eşit olmaktadır. Çevrimin ısıl verimi; T L η th, Ericsson = 1 (2.2) TH olarak ifade edilmektedir. 2.1.3.Stirling Çevrimi Stirling çevrimine göre çalışan bir sıcak hava motoru temel olarak iki pistondan oluşmaktadır. Pistonlardan bir tanesi yer değiştirme pistonu olarak adlandırılır ve görevi
17 çevrim akışkanını sıcak ve soğuk bölge arasında nakletmektir. Diğer piston güç pistonu olarak adlandırılır ve motordaki gücü üreten pistondur. Carnot çevriminden bilindiği üzere sıcak ve soğuk ısı kaynaklarının sıcaklıkları arasındaki fark arttıkça ısıl verimin arttığı bilinmektedir. Dolayısıyla bu sıcaklık farkını arttırmak için Stirling çevriminde sistem içi ısı geçişi yapılır; bu sistem içi ısı geçişine literatürde rejenerasyon adı verilir. Stirling çevrimi sıcak hava motorları için ideal bir çevrimdir. Dört tümden tersinir hal değişiminden oluşan Stirling çevriminin P-V ve T-S diyagramları Şekil 2.3 de görülmektedir. Bu hal değişimleri aşağıda sıralanmıştır: 1-2 İzotermal (Sabit sıcaklık) sıkıştırma (sistemden dış ortama ısı geçişi) 2-3 Sabit hacimde rejenerasyon (rejeneratörden aracı akışkana sistem içi ısı transferi) 3-4 İzotermal (Sabit sıcaklık) genişleme (sisteme dış kaynaktan ısı geçişi) 4-1 Sabit hacimde rejenerasyon (aracı akışkandan rejeneratöre sistem içi ısı geçişi) P 3 Q g T Q g 3 4 4 2 Q ç 1 rejenerasyon 2 1 rejenerasyon V S Şekil 2.3. Stirling çevrimi P-V ve T-S diyagramı Stirling çevriminin nasıl gerçekleştiği, Şekil 2.4 te de görüldüğü gibi aralarında bir rejeneratör bulunan karşılıklı olarak yerleştirilmiş iki pistondan oluşan bir sistem ile anlatılmaktadır. Rejeneratör, tel veya seramik bir örgü veya ısıl kütlesi yüksek gözenekli bir tapadır. Rejeneratörde, akışkanın ısıl enerjisi geçici olarak depolanmaktadır. Rejeneratör ve pistonlar arasındaki hacimlerden biri en yüksek sıcaklığa ulaşılan genişleme hacmi, diğeri en düşük sıcaklık değerinin elde edildiği sıkıştırma hacmidir. Çevrim başlangıcında, genişleme hacmindeki pistonun rejeneratöre bitişik bir konumda üst ölü noktada, sıkıştırma bölgesindeki pistonun ise alt ölü noktada olduğu
18 kabulü yapılmaktadır. İş akışkanının tamamı sıkıştırma hacminde bulunmaktadır. Bu konumda hacim maksimum değerine ulaştığından basınç ve sıcaklık en düşük değere sahip olmaktadır. Sıkıştırma süresince (1-2 hal değişimi), sıkıştırma pistonu üst ölü noktaya doğru hareket ederken, genişleme hacmindeki piston sabit kalarak, konum değiştirmemektedir. İş akışkanının sıkıştırma hacminde sıkıştırılması, basıncın artmasına neden olmaktadır. Bu esnada yapılan soğutmanın etkisi ile sıcaklık sabit kalmaktadır. Yer Değiştirme Pistonu Rejeneratör Sıkıştırma Hacmi T min (1) Soğutma Bölgesi (2) Güç Pistonu Genişleme Hacmi (3) T max Isıtma Bölgesi (4) Şekil 2.4. Stirling çevrimi işleyişi 2-3 hal değişiminde, sıkıştırma pistonu rejeneratöre doğru ilerlemesi, genişleme pistonu rejeneratörden uzaklaşması ile iki piston eş zamanlı olarak hareket etmektedir. Bu esnada çalışma akışkanı rejeneratörden geçerek, sıkıştırma hacminden genişleme hacmine dolmaktadır. Bu geçiş esnasında rejeneratörde depolanan ısı, iş akışkanına
19 transfer edilerek, iş akışkanının sıcaklık değeri en düşük değerden en yüksek değere ulaşmaktadır. Sabit hacimde sıcaklığın artması, basıncında artmasına neden olmaktadır. 3-4 hal değişiminde, genişleme pistonu rejeneratörden uzaklaşarak AÖN ya doğru hareketine devam etmektedir. Bu esnada sıkıştırma pistonu rejeneratör ile bitişik bir konumda ÜÖN da yer almaktadır. Genişleme işleminde, artan hacmin etkisi ile basınç düşmektedir. Dış kaynaklardan sisteme transfer edilen ısı etkisi ile sıcaklık sabit değerdedir. Çevrimdeki son işlem olan 4-1 işleminde, iki piston, sabit hacimde çalışma akışkanının rejeneratörden geçerek, genişleme hacminden sıkıştırma hacmine dolması için iki piston eş zamanlı olarak hareket etmektedir. Rejeneratörden geçiş esnasında ısı, çalışma akışkandan rejeneratöre transfer edilmektedir. Böylece çalışma akışkanının sıcaklığı azalmakta ve minimum sıcaklık değerindeki akışkan sıkıştırma hacmine dolmaktadır. Bu işlem esnasında rejeneratörde depolanan ısı, bir sonraki çevrimin 2-3 hal değişiminde çalışma akışkanına transfer edilecektir. Stirling çevrimli sistemlerin termodinamik analizi yapılırken aşağıda yer alan varsayımlar yapılmıştır. 1. Çalışma akışkanı mükemmel gazdır ve hesaplamalarda mükemmel gaz denklemi olarak P. V = m. R. T denklemi kullanılmıştır. 2. Çevrim boyunca çalışma akışkanı kütlesi sabittir. 3. Gerçekte politropik hal değişimi olan sıkıştırma ve genişleme işlemleri, izotermal hal değişimi olarak analizde yer almaktadır. 4. Gerçekte ısıtma ve soğutma işlemleri anlık olarak sabit hacimde yapılmaktadır. 5. Pompalama ve akış kayıpları ihmal edilmektedir. 6. Silindir duvarı ve piston sıcaklıkları sabittir. 7. Rejeneratör %100 verim ile çalışmaktadır. 1-2 sabit sıcaklıkta sıkıştırma işlemi : Bu işlemde sıcaklığı sabit tutabilmek için sistemden çevreye ısı verilmektedir. Bu hal değişiminde yapılan iş, gerçekleştirilen ısı transferine eşit olmaktadır. Sıcaklık sabit olduğundan iç enerji değişimi oluşmaz ve entropi azalmaktadır. 1. ve 2. durum için mükemmel gaz denklemi yazılıp, orantılandığında, sabit terimler sadeleştirildikten sonra basınçlar ve hacimler arasındaki bağıntı elde edilmektedir.
20 P T P 2 P 1 =P min 2 1 2 1 T 1 =T 2 =T min V2=V min V1=V max V S 2 S 1 S Şekil 2.5. 1-2 hal değişimine ait P-V, T-S diyagramları P1. V P. V 2 1 2 m. R. T m. R. T 1 = (2.3) 2 P. V = sabit (2,4) V 2 = V min, 1 Vmax V = (2.5) V P = V 1 max 2 = P1. P1. (2.6) V2 Vmin T = = (2.7) 2 T1 Tmin Isı Transferi (Q 1-2 ) = yapılan iş (W 1-2 ), Q (2.8) 1 2 = U1 2 + W1 2 U = U U 0 (2.9) 1 2 2 1 = Q = W (2.10) 1 2 1 2