KURUTMADA KONİK YOĞUNLAŞTIRICILI BİR GÜNEŞ ENERJİSİ SİSTEMİNİN KULLANILMASI

Abstract

Doktora Tezi KURUTMADA KONİK YOGUNLAŞTIRICILI BİR GÜNEŞ ENERJİSİ SİSTEMİNİN KULLANILMASI inci TURK TOĞRUL Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı 2001, Sayfa:264 Güneş enerjisi, yeni ve yenilenebilir bir enerji kaynağı oluşu yanında bir sorun olan çevreyi kirletici atıklarının bulunmayışı, yerel olarak uzun ve karmaşık bir teknoloji gerektirmemesi gibi üstünlükleri sebebiyle son yıllarda yoğun çalışmaların yapıldığı bir konu olmuştur. Binaların ısıtılması, endüstriyel ürünlerin kurutulması ve elektrik üretimi güneş enerjisinin kullanıldığı alanlardır. Yüksek sıcaklık uygulamalarında güneş yoğunlaştırıcılarının kullanılması gerekir. Düz toplayıcılarla aynı açıklık alanına düşen güneş ışınımından, yoğunlaştırıcılı toplayıcılardan daha fazla miktarda faydalanabilir, fakat yoğunlaştırıcılı toplayıcılarla daha yüksek sıcaklıklara ulaşılabilir. Türkiye güneş enerjisi açısından zengin bir ülkedir ve bugün 90°C nin altındaki sıcaklık uygulamalarında düzlem yüzeyli güneş toplayıcıları yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Güneş enerjisi uygulama teknolojilerinin geliştirilmesi konusunda bugün çok sayıda araştırma yapılmaktadır. Ancak hava ısıtma söz konusu olduğunda yüksek sıcaklıklara çıkabilen sistemlerin olmaması eksiklik olarak görülmektedir.IV Bu çalışmada yüksek sıcaklıklara çıkabilmek amacıyla konik yoğunlaştırıcılı bir hava ısıtıcının tasannu yapıldı, kuruldu ve temel sistem parametreleri yönünden performansı incelendi. Şimdiye kadar kullanılan sistemlerden farklı olarak dizayn edilen ve yoğunlaştırıcı kısmı konik şekilli olan yansıtıcının odak noktasına silindirik bir absorber yerleştirildi. Koninin güneşi doğuşundan batışına sürekli izlemesi sağlanarak güneş ışınlarının günün her saatinde absorbere dik olarak yansıtılması sağlandı. Yeni tasarlanan bu konik yoğunlaştırıcılı hava ısıtma sisteminin doğal ve zorlanmış akış şartlarında performansı incelendi. Bu sırada üç ayrı eğim açısında yerleştirilen toplayıcının optimum eğimi belirlendi. 28.4°, 33.4° ve 38.4° açılarında yerleştirilen toplayıcıdan en yüksek sıcaklık ve verim değerleri 28.4° eğim açısında elde edildi. Sistem doğal akış şartlarında çalıştırıldığında çok yüksek sıcaklıklara (155°C) çıkabilmesine rağmen hava akış debisinin düşük olması nedeniyle verim %11 seviyesinde kalmıştır. 30 kg/saat-70 kg/saat aralığında 5 ayrı hava debisinde yürütülen zorlanmış akış deneylerinde ise en yüksek sıcaklıklar 30 kg/saat' te en yüksek verim (%50) değerleri ise 70 kg/saat hava debisinde elde edildi. Konik yoğunlaştırıcılı hava ısıtma sisteminin verimini artırmak için seçici yüzeyli absorber denendi. Bakır üzerine nikel kaplanmış yüzeye siyah krom ile renklendirme yapılarak elde edilen seçici yüzeyli absorber kullanımı ile sistemin doğal konveksiyon verimi %3.6, zorlanmış konveksiyon verimi %6 oranında artırıldı. Hava ısıtıcıların verimini artırmak için yaygın olarak kullanılan bir diğer yöntem de hava akış kanalına dolgu malzemesi yerleştirerek ısı transfer alanını artırmaktır. Bu amaçla absorber altındaki hava akış kanalına değişik sargı sayılarında katlanmış alüminyum sinek teli absorberle temas edecek şekilde yerleştirildi. 6,10 ve 14 kat sayılarında dolgu kullanılması ile genel olarak sistemin doğal konveksiyon veriminde düşüş, zorlanmış konveksiyon veriminde ise artış görüldü. Havanın doğal konveksiyonla sistemden geçtiği durumda akış kanalına yerleştirilen dolgu malzemesi havanın hareketine ilave bir direnç oluşturduğu için sargı sayısına bağlı olarak sistem verimi %31.5-%36.2 oranında düşmektedir. Zorlanmış akış şartlarında ise dolgu malzemesi kullanımıyla absorber altından akan havaya ısının aktarıldığı yüzey alanıarttığından sargı sayısına bağlı olarak verim %60-%80 değerlerine çıkmaktadır. Dolgulu ve dolgusuz durumda ısı transfer katsayıları hesaplandığında ise yaklaşık 10 kat artış olduğu görüldü. Hava akış kanalına dolgu malzemesi yerleştirildiği durumda seçici yüzeyli absorber kullanımında ise sistem verimi %85' e çıkarak, %68' e varan iyileşme elde edildi. Konik yoğunlaştırıcılı hava ısıtma sistemini verimini artırmak için ayrıca siyah boyalı absorber üzerine siyah boyalı alüminyum sinek teli sarılarak elde edilen absorber yüzey kullanıldı. Yapay olarak pürüzlendirilen absorber yüzeyinin doğal ve zorlanmış akış şartlarında sistemin verimini düşürdüğü görüldü. Pürüzlerden dolayı güneş ışımasını daha fazla absorblayarak verimi artırması beklenen yüzeyin absorbladığı ısıyı, absorber altından geçen havaya etkili bir şekilde iletemediği gibi konveksiyon ve radyasyonla çevreye olan ısı kaybım da artırdığı görüldü. Konik yoğunlaştırmalı hava ısıtma sistemine ait karakteristik özellikler olan Fr ve Ul değerleri incelendiğinde ise doğal akış şartlarında Fr' nin 0.2, zorlanmış akış şartlarında 0.9 mertebesinde olduğu görüldü. Isı kayıp katsayısı Ul ise absorber boru ile cam arasındaki yüzeyin vakumlanmamış olması nedeniyle, genel olarak, özellikle zorlanmış akış şartlarında yüksek değerlerdedir, ancak dolgu malzemesi ve seçici yüzey kullanımlarıyla bu değer düşürülebilmiştir. Konik yoğunlaştırıcılı sistemden havanın dolaştırılması için, dolgusuz durumda 0.7 W, dolgulu durumda ise 1.5 W pompalama gücüne ihtiyaç duyulmaktadır. Konik yoğunlaştırıcılı güneş enerjili sistemden elde edilen hava kayısı kurutmada kullanıldı. Farklı hava debilerinde yürütülen kurutma işlemi ile kurutma süresi güneşte kurutmaya kıyasla iki gün kısaltılarak Türkiye ve bölge ekonomisinde önemli yere sahip olan kayısının kurutulmasında etkili ve verimli bir şekilde kullanılabileceği görüldü. Güneş enerjili sistemde kurutulan önceden kükürt dioksit ile işleme sokulmuş kayısının yatışkın ve sürekli şartlarda kuruma kinetiğini araştırmak amacıyla laboratuarV] ortamında tek tane deneyleri yapıldı. Tek tane kayısı kurumasında hava sıcaklığından çok hava hızının önemli olduğu, kurumanın azalan kuruma hızı periyodunda gerçekleştiği, zamanla nem oranındaki değişimin en iyi MR = a.exp(-kt ) şeklinde üstel bir fonksiyonla ifâde edilebildiği ve difüzyon katsayısının sıcaklık ve hava hızı ile artarak 2.86xl0"7-4.99xl0"7 m2/saat arasında değişen değerler aldığı görüldü. Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, konik yoğunlaştırıcı, hava ısıtma, kurutma, kayısı kurutma.