1

“GÜNEŞ ENERJİSİ ve UYGULAMALARI” DERS NOTLARI - III

Yrd. Doç. Dr. Mesut ABUŞKA

GÜNEŞ ENERJİLİ SU ISITMA SİSTEM PROJELENDİRMESİ

Hesaplanacak Ayın Belirlenmesi: Mevsimler değiştiği için şehirlerin her ay sabit bir şebeke su

sıcaklıkları yoktur. Bunun önüne geçmek için, eğer sistem sadece yazın çalışacaksa Temmuz veya

Haziran, sistem sadece kışın çalışacaksa Aralık ya da Ocak, sistem dört mevsim çalışacaksa Nisan

ayı baz alınarak şehir şebeke suları belirlenir.

Toplam Su İhtiyacının Belirlenmesi: Harcanacak toplam su ihtiyacını belirlemek için mahalde

yaşayan toplam kişi sayısını belirlemek gerekmektedir. Bunu belirledikten sonra kişi başına

harcanabilecek günlük su tüketim miktarı ile kişi sayısı çarpılarak toplam tüketim miktarı bulunur.

Çeşitli yerler için su tüketim miktarları, lt/günkişi

Dahili sıcak su kullanımı olan birimlerde, sıcak su tüketim miktarı, tüketim birimindeki insanların

hayat standartları, alışkanlıkları, kültür ve eğitim düzeyleri ile ilişkili olmakla birlikte en önemli

gösterge ekonomik gelir seviyesidir.

Ekonomik gelir seviyesi Kişi başına sıcak su tüketimi (lt/günkişi)

Dar gelir grubu 30-50

Orta gelir grubu 50-70

Üst gelir grubu 70-90

En üst gelir grubu 90-150

2

Kollektör yüzeyinin belirlenmesi:

Kollektör yüzeyinin belirlenmesinde; sistemden faydalanma zamanı (ay), istenen günlük sıcak su

miktarı, suyun sisteme giriş ve ulaşılması istenen üst sıcaklığı rol oynar. Sistemden hangi aylarda

faydalanılması düşünülüyorsa, bu aylardan yeryüzü radyasyon değeri (YYRA) en düşük olanı

Çizelge III.1’den bulunur. Bu aya ait eğik yüzeye (kollektör yüzeyine) gelen toplam radyasyon

(TRA) değeri hesaplanır.

Sıcak su enerji, ihtiyacı belirlendikten sonra, kollektör yüzeyi bulunur. Sıcak su enerji ihtiyacı;

Qsı = m x c x Δt kcal/gün

Formülde;

Qsı – Sıcak su enerji ihtiyacı (kcal/gün)

m – Isıtılacak su miktarı (l/gün)

Isıtılacak su miktarı, konutlarda 45 °C sıcaklık olmak üzere, 50 l/günkişi alınabilir. Endüstriyel

sistemler için işin özelliğine göre tespit edilir.

c – Suyun ısınma ısısı (kcal/kg°C), 1 alınabilir.

Δt – Kullanım suyu sıcaklığı ile suyun sisteme giriş sıcaklığı arasındaki fark (°C)

Kollektör yüzeyi: Fk = Qsı / TRA x η (m2)

Fk – Kollektör yüzeyi (m2)

Qsı – Sıcak su enerji ihtiyacı (kcal/gün)

TRA – Kollektör yüzeyine gelen güneş enerjisi miktarı (kcal/m2gün)

η - Kollektör verimi (%). Kollektörlerde ortalama verim %55-65 arasında alınabilir veya üretici

verileri kullanılabilir.

3

4

5

6

7

Örnek: Ankara’da 5 kişilik bir ailenin kullanım sıcak suyu, tabii sirkülasyonlu güneş enerjisi istemi

ile karşılanmak istenmektedir. Nisan ayından itibaren faydalanma düşünülen kollektörler binanın

çatısına konacaktır. Kollektör verimini %60 alarak gerekli kollektör yüzeyini belirleyiniz.

Çözüm: Önce kollektör yüzeyinin 1 m2’sine gelen güneş enerjisi miktarı bulunmalıdır. Bunun için

aşağıdaki adımlar izlenecektir.

1. Kollektör eğimi belirlenmelidir. Kollektörün yatay düzlemle yaptığı eğim açısı yaz

uygulaması için (Enlem-15) derecedir. Ankara’nın enlem derecesi yaklaşık 40°’dir. Buna

göre kollektörün eğim açısı (40-15) = 25° olur.

2. Aylık ortalama atmosfer öncesi (AÖRA) ve yeryüzü radyasyon (YYRA) değerleri, Nisan

ayı için Çizelge 3.1’den alınır.

AÖRA = 8222 kcal/m2gün, YYRA = 4138 kcal/m

2gün bulunur.

3. Bulanıklık faktörü (BUF) tespit edilir.

BUF = YYRA/AÖRA = 4138/8222 = 0,503’dür.

4. (YYRA) değerinin difüz (DİF) ve direkt (DİR) miktarları hesaplanır.

DİF = (1 – 1,097 x BUF ) x YYRA = (1 – 1,097 x 0,503) x 4138 = 1854 kcal/m2gün

DİR = YYRA – DİF = 4138 – 1854 = 2283 kcal/m2gün

5. Açı faktörleri tespit edilir. Direkt radyasyon açı faktörü (DİRAF) çizelge 3.2.’den bulunur.

Kollektör eğim açısı (Enlem-15) olduğundan;

DİRAF = 1,1 bulunur.

Difüz ve yansıtılmış açı faktörleri (DİFAF ve YAF) çizelge 3.3’den alınır. Kollektör eğimi

25° olduğu için,

DİFAF = 0,95 YAF = 0,05 ‘dir.

6. Yansıtma oranı (YAO) çizelge 3.4’den bulunur. Kollektör binanın çatısındadır. Buna göre;

YAO = 0,27’dir.

25° eğimli kollektör yüzeyine Nisan ayında gelen toplam radyasyon miktarı;

TRA = DİR x DİRAF + DİF x DİFAF + YYRA x YAO x YAF kcal/m2gün

TRA = 2283 x 1,1 + 1854 x 0,95 + 4138 x 0,27 x 0,05 = 4828 kcal/m2gün

8

Kollektör eğimi enlem derecesine eşit olsaydı TRA = 4185,

(Enlem+15) olsaydı TRA = 3864 kcal/m2gün bulunurdu.

Kollektör yüzeyinin bulunabilmesi için sıcak su enerji ihtiyacı belirlenmelidir.

Qsı = n x m x c x Δt = 5 x 50 x 1 x 30 = 7500 kcal/gün

Şebeke suyu sıcaklığı 15°C, kullanım suyu sıcaklığı 45°C, kişi başına günlük sıcak su

tüketimi 50 litre kabul edilmiştir.

Fk = Qsı / TRA x η = 7500 / 4328 x 0,6 = 2,88 m2

Nisan ayı için hesaplanan kollektör yüzeyi diğer aylar için de hesaplanmış ve toplu halde

aşağıda verilmiştir.

Ay 2,88 m2 koll. Yüzeyi ile

faydalanma oranı (%)

%100 faydalanma istenirse

gerekli kollektör yüzeyi, m2

Nisan 100 2,88

Mayıs 118 2,42

Haziran 127 2,25

Temmuz 134 2,13

Ağustos 128 2,23

Eylül 112 2,55

Ekim 86 3,34

Kasım 58 4,93

Aralık 32 8,72

Ocak 39 7,34

Şubat 58 4,93

Mart 82 3,5

Çizelgeden de görüldüğü gibi, nisan ayı için tesis edilen 2,88 m2’lik kollektör yüzeyi ile yılın altı

ayında faydalanma oranı %100 ve üzerindedir. Bütün aylarda %100 ve üzerinde faydalanma oranı

istenirse kollektör yüzeyleri çizelgedeki değerlerde olmalıdır.

Kollektör yüzeyinin, birçok hesaplama yapılmadan daha pratik bir biçimde belirlenmesinde,

bulunan yerin enlem derecesine göre aşağıdaki şekillerden faydalanılabilir. Şekiller sıcak su ihtiyacı

50-60 lt/günkişi kabul edilerek hazırlanmışlardır. Kollektörler tam güneye yönlendirilmiş olup eğim

açıları enlem derecesine eşittir.

9

10

Depolama Tankı Hacmi:

Depolama tankının hacminin hesaplanmasında günlük sıcak su tüketimi, tüketilen suyun sıcaklığı,

şebeke suyu sıcaklığı ve tanktaki maksimum su sıcaklığı rol oynar. Sayılan faktörlere bağlı olarak,

tankın hacminin hesaplanmasında aşağıdaki eşitlik kullanılır:

Vde = M (tk - tş) / (tü - tk) + (tk - tş)

Formülde;

Vde : Depolama tankının hacmi (lt)

M : (tk) sıcaklığında kullanma sıcak suyu ihtiyacı (l/gün)

tk : Kullanım suyu sıcaklığı (°C)

tş : Şebeke suyu sıcaklığı (°C)

tü : Suyun depolama tankında yükseldiği üst sıcaklık (°C). Bu sıcaklık 70°C kabul edilebilir.

Kollektör yüzeyinin hesaplanması örneğinde 5 kişilik aile için depolama tankı hacmi;

M : 250 lt/gün tk : 45°C tş : 15°C tü : 70°C

Vde = M (tk - tş) / (tü - tk) + (tk - tş) = 250 (45-15) / (70-45) + (45-15) = 136 lt

Diyagram yardımı ile sıcak su depolama hacminin belirlenmesi:

Isıtılan suyu depolamak için boyler veya akümülasyon tankı denilen depolama tankları

kullanılmaktadır. Boyler hesabı, kullanılan güneş kolektörü net ışınım alanı ile doğrudan orantılıdır.

Boyler hacmi kullanılacak güneş kolektörü tipine göre değişmektedir. Depolama tanklarının

kapasiteleri kollektör tipine ve kollektörün m2 sine göre belirlenir;

Bakır üzerine selektif yüzeyli; 60 litre/ m2

Bakır üzerine siyah boyalı; 55 litre/ m2

Alüminyum üzerine siyah boyalı; 50 litre/ m2

Galvanizli sac üzerine siyah boyalı; 40 litre/ m2

Sıcak su depolama hacminin belirlenmesi için aşağıda verilen diyagramlar da kullanılmaktadır.

11

12

Genleşme Deposu Hacmi:

Endirekt ısıtma sistemlerinde, kollektör devresinde genleşen suyun alınarak sistemin güvenliğinin

sağlanması gerekir. Bu amaçla açık genleşme deposu kullanılır. Genleşme deposunun hacminin

belirlenmesinde 1 m2 kollektör yüzeyi için yaklaşık 4 lt depo hacmi esas alınır. Kapalı genleşme

deposunun kullanıldığı sistemlerde deneysel olarak kollektör adedi x 3 lt hacim seçilebilir. Solar

sıvı kullanıldığında ise kollektör adedi x 2,5 lt alınabilir.

Pompa Gücü:

Güneş enerjili su ısıtma sistemlerinde kullanılan pompanın iki karakteristiği belirlenmelidir. Bunlar;

a- Pompanın debisi: pompanın debisi kollektörlerin 1m2 yüzeyinden saatte 60-80 lt suyu

devrettirecek kapasitede seçilebilir.

b- Pompanın gücü: Pompanın gücünü etkileyen başlıca faktörler;

- Kollektörler ile depolama tankı arasındaki yükseklik (m)

- Pompanın debisi (lt/s)

- Kritik devredeki kollektör, boru ve bağlantı elemanlarındaki sürtünme kayıpları (mSS)

Bu faktörlere bağlı olarak pompanın gücü aşağıdaki eşitlikten;

N = Hm x Qp x g / η Watt

N : Pompanın gücü (Watt)

Hm : Toplam manometrik yükseklik (mSS)

Toplam manometrik yükseklik, depolama tankı ile kritik devredeki kollektör arasındaki yükseklik

ve sürütünme kayıplarının toplamıdır. Kritik devredeki sürtünme kayıpları toplam yüksekliğin %10-

15’i alınabilir.

Qp : Pompa debisi (lt/s)

g : Yerçekimi ivmesi (9,81 m/s2)

η : Pompa verimi (%70-80 alınabilir)

güneşli sistemlerde, pompanın çalışması kollektör yüzey sıcaklığına bağlıdır. Pompanın çalışmasına

ilişkin diyagram şekil 5.18’de görülmektedir. Geceleri ve güneşin etkisinin olmadığı gündüzleri,

kollektör yüzey sıcaklığı, depolama tankındaki su sıcaklığından daha düşüktür. Bu durumda pompa

çalışmaz. Kollektör güneş gördüğünde, kollektör yüzey sıcaklığı yükselir ve pompa çalışır (şekilde

1 noktası). Pompa çalışır çalışmaz kollektör yüzey sıcaklığı ani bir düşme gösterir (2 noktası). 2

noktasındaki kollektör yüzey sıcaklığı ile depolama tankındaki su sıcaklığı farkı (Δtoff) büyük

olduğundan pompa durmaz. Bu noktadan sonra kollektör emici plaka sıcaklığı ve depolama tankı su

13

sıcaklığı birlikte yükselir. Güneş etkisini kaybetmeye başladığında kollektör yüzey sıcaklığı 3

noktasına düşer ve pompa bu sıcaklıkta durur. Pompa durduğunda kollektör yüzey sıcaklığı 4

noktasına ulaşır. Bu nokta ile depolama tankı su sıcaklığı arasındaki fark aralığından (Δton) küçük

olduğundan pompa çalışmaz. 4 noktasından sonra kollektör yüzey sıcaklığı sürekli düşer ve pompa

devre dışı kalır.

Ana Boru Çapları:

Ana boru çaplarının hesabında temel alınacak başlıca faktörler; borulardan geçecek su debisi (lt/s),

boru sürtünme kayıp katsayısı (yaklaşık 0,025) ve borulardaki basınç kaybı (mSS/m)’dir. Bu

faktörler dikkate alınarak ana boru çapları aşağıdaki eşitlikten yaklaşık olarak bulunabilir.

d = 60 x

mm

Formülde;

d : Ana boruların çapı (mm)

Qp : Pompa debisi (lt/s)

Örnek: Endüstriyel bir kuruluşun güneşli sıcak su hazırlama tesisi kollektör yüzeyi 10m2’dir.

Depolama tankı ile kollektörler arasında 15m yükseklik farkı bulunmaktadır. Buna göre; pompanın

debisini, gücünü ve ana boru çapını hesaplayınız.

Çözüm:

a. Pompanın debisi (Qp): Pompanın debisi kollektörlerin 1 m2’sinden saatte 60-80 lt suyu

devrettirecek kapasitede olacaktır. Bu değer 70 lt/m2h alınırsa;

Qp = 70 x 10 = 700 lt/h = 700 / 3600 = 0,194 lt/s

Toplam manometrik yükseklik (Hm) = 15+ 15 x 0,15 = 17,25 mSS’dur (boru sürtünme dirençleri

toplam yüksekliğin %15’i alınmıştır).

Bu değerlere göre;

b. Pompanın gücü N = Hm x Qp x g / η = 17,25 x 0,194 x 9,81 / 0,7 = 47 ≈ 50 W

c. d = 60 x

= 60 x 0,194 0,4

= 31,13 ≈ 32 mm (1 ¼”)

14

PRATİK HESAP

Otel projelerinde oda başı 1 kollektör alınmaktadır. Kollektör başına 150-180 lt/gün sıcak su

üretimi kabul alınabilir (kollektör verimi dikkate alınmalıdır). Kişi başı 80 lt/gün alınabilir. Havuz

projelerinde; kapalı ise kollektör alanı havuz alanına eşit alınmakta, açık ise kollektör alanı havuz

alnının 1,5 katı alınmaktadır. Kollektör başına 3 m2 alan ihtiyacı kabul edilmektedir. Su hızı 2 m/s

alınabilir.

Örnek: 400 yataklı bir otelin;

65-80 lt/günkişi x 400 kişi = 32000 lt

Bir kollektörün 165lt sıcak su üretimi yaptığı kabul edilirse 193 adet kollektöre ihtiyaç vardır.

Dikkate alınan kollektörün (marka/modeline göre) 2 m2 olduğu kabul edilirse 386 m

2 kollektör alanı

tespit edilir.

Pompa hesabı için kollektör birim yüzey debisi 45 lt/h alınabilir. Toplam kollektör alanı x 45 = 386

m2 x 45 lt/h x 10

-3 = 17,37 m

3/h (sistem debisi)

Basma yüksekliği için (20*25*18 m bina ölçülerinde)

Hm= 0,03 (a+b+c) + 1 (mSS)

A: Binanın eni B: Binanın Boyu C: Binanın yüksekliği

Hm= 0,03 (20+25+18) + 1 = 2,89 ≈ 3 mSS

15

Wilo-Star-STG

Yapı türü: Rakor bağlantılı ıslak rotorlu sirkülasyon pompası. Güç uyarlaması için önceden

seçilebilir devir hızı kademeleri

Uygulama: Solar ve jeotermal tesislerinde birincil devreler

Özellikler / ürün avantajları

Güneş enerjisi ve jeotermik sistemlerde kullanım için özel hidrolik

Montaj anahtarı yeri olan pompa gövdesi

Yoğuşma suyu oluşumunda korozyonu önlemek için, kataforez (KTL) kaplama pompa

gövdesine sahiptir

Teknik özellikler

İzin verilen ısı aralığı -10 °C ila +110 °C, kısa süreli işletimde (2 saat) azami +120 °C

Elektrik şebekesi bağlantısı 1~230 V, 50 Hz

Koruma sınıfı IP44

Rakor bağlantısı Rp ½, Rp 1 ve Rp 1¼

Maks. işletme basıncı 10 bar

Wilo-Stratos

Wilo-Stratos-Z

16

ISI BORUSU:

Isı borusunun ilk ortaya çıkışı, Perkins tarafından bulunan ve onun adıyla “Perkins tübü” olarak

adlandırılan sistemdir. Bu cihaz ilk defa on sekizinci yüzyıl ortalarında (1836) İngiltere’de

yapılmış, fitilsiz, yerçekimi destekli bir ısı borusudur. Buradaki ısı transferi, faz dönüşümü ile

sağlanmaktadır.Isı borusu fikri ilk olarak R.S.Gaugler tarafından 1942 yılında yapılan “ısı transfer

cihazı‘ çalışması sonucu ortaya çıkmıştır. Bu çalışmada ısı borusu terimi kullanılmasa da ısı

borusunun temeli bu çalışmaya dayanmaktadır. Gaugler yaptığı çalışmada ısı transfer cihazının

başlıca amacının “ısıyı absorbe etmesi bir başka deyişle buharlaşan sıvının yukarıdaki bir noktada

yoğuşması ya da çıkan ısıyı alarak sıvı üzerinde ek olarak hiç iş uygulamadan daha yukarıda

bulunan yoğuşacağı bölgeye taşımak” olduğunu belirtmiştir. Bu cihaz 1964‘e kadar çok az ilgi

görmüş olup, Grover ve meslektaşlarının Las Alamos National Laboratories‘ nda yaptıkları bir

araştırmanın sonucunda çıkardıkları yayınla birlikte ilk kez “ısı borusu” terimi de literatüre

girmiştir. Bu çalışmada Grover ısı borusunu “yüksek ısıl iletkenliğe sahip yapılar, daha önemlisi,

büyük miktarda ısı transfer edebilen düşük sıcaklık düşümlü cihazlar” olarak tanımlamıştır.

Isı boruları kapalı iki fazlı çevrim olarak çalıştıklarından ısı transfer kapasiteleri iyi iletkenlerle

karşılaştırıldığında çok daha fazladır. Isı borularında, buharlaştırıcıda ısı akışının artması sonucunda

çalışma akışkanı buharlaşır ve bu işlem sonucunda çalışma sıcaklığında bir değişim görülmez.

Böylece ısı borusu neredeyse izotermal bir cihaz gibi çalışır. Isı borularında bulunan buharlaştırıcı

ve yoğuşturucu bölümleri ısı borusundan bağımsız birer bölge şeklinde çalışırlar. Bu yüzden ısının

alındığı alan ısının atıldığı ortamdan farklı boyutlarda ve şekillerde olabilir. Burada önemli olan

husus buharlaştırılan sıvının yoğuşturulan sıvı oranını geçmemesidir. Bu özellik sayesinde ısı

borusu aracılığı ile çok küçük alanlardan çok büyük alanlara ısı akısı sağlanabilir. Buda elektronik

parçalarda ve sistemlerde ısı borusunun önemini artıran bir özelliktir. Son olarak termal tepkime

zamanı diğer ısı transfer cihazlarına göre çok daha düşüktür.

Isı borularında ise termosifondan farklı olarak fitil yapısı bulunur. Fitil yapısı sayesinde ısı borusu

içerisinde kapiler bir kuvvet oluşur ve oluşan bu kuvvet sonucunda yoğuşan buharın

buharlaştırıcıya dönmesi sağlanır. Bu sayede ısı boruları buharlaştırıcının pozisyonuna bağlı

olmaksızın farklı şekillerde çalışabilir.

Isı Borusu Çalışma Şekli

Isı boruları genel olarak; iç yüzeyinde kapiler fitil yapısı bulunan kapalı bir boru ya da farklı

şekillerde kapalı bölümlerden oluşur. Fitil yapısı başlangıçta sıvı fazda bulunan çalışma akışkanı ile

doymuş haldedir. Borunun kalan hacmi ise buhar fazında çalışma akışkanı içerir. Isı borusunun

17

buharlaştırıcı kısmından ısı girişi başladığında çalışma akışkanı buharlaşmaya başlar. Oluşan basınç

farkı sonucunda buhar buharlaştırıcıdan yoğuşturucuya doğru hareket eder. Borunun yoğuşturucu

kısmında çalışma akışkanı buharlaşma gizli ısısını düşük sıcaklıktaki ısı kaynağına bırakır.

Buharlaşma sonucu azalan çalışma akışkanı buharlaştırıcıdaki fitil yapısı üzerinde sıvı buhar ara

yüzü oluşmasına sebep olur. Oluşan bu ara yüzde kapiler basınç ortaya çıkar. Kapiler basınç

yoğuşturucuda yoğuşan çalışma akışkanını buharlaştırıcıya geri taşır. Böylece ısı boruları çalışma

akışkanının buharlaşma gizli ısısını buharlaştırıcıdan yoğuşturucuya sürekli olarak iletir. Bu döngü

ancak fitilin kuruması halinde son bulur.

Isı borusunun çalışma prensibinin temeli, çalışma akışkanın buharlaşması ve yoğuşmasına

dayanmaktadır. Bu bakımdan çalışma akışkanın uygun seçilmesi büyük önem taşır. Çalışma

akışkanının seçimi belirli kriterler göz önünde bulundurularak yapılmalıdır. Bunlar; çalışma

sıcaklığı aralığı, buhar basıncı, ısıl iletkenlik, fitil ve boru malzemesiyle uyumlu çalışabilme, zehirli

ve yanıcı olmama, kimyasal yapısında sıcaklıktan dolayı herhangi bir değişiklik olmaması ve uzun

dönemli çalışabilmesidir.

Uygulamada çalışma sıcaklıklarına göre ısı boruları üç sınıfa ayrılabilir. Bunlar:

a. Kriyojenik (çok soğuk) ısı boruları,

b. Oda (düşük) sıcaklık ısı boruları,

c. Yüksek (sıvı-metal) sıcaklık ısı boruları.

a) Kriyojenik (çok Soğuk) ısı boruları: 1-200 K sıcaklıları arasında çalışmak üzere tasarlanmış ısı

borularıdır. Çalışma akışkanı olarak Helyum, Argon, Neon, Nitrojen ve Oksijen kullanılmaktadır.

Bu tipte kullanılan çalışma akışkanının buharlaşma gizli ısısının ve yüzey geriliminin düşük

olmasından dolayı oldukça düşük ısı transferi kapasitesine sahiptirler.

b) Oda (düşük) sıcaklık ısı boruları: 200-700 K sıcaklıkları arasında çalışmaktadır. Çalışma

akışkanı olarak etanol, metanol, amonyak, su ve aseton kullanılmaktadır.

c) Yüksek (sıvı-metal) sıcaklık ısı boruları: 700 K ve üzeri sıcaklıklar arasında çalışmaktadır.

Likit metalin geniş yüzey gerilimi ve yüksek buharlaşma gizli ısısı özelliklerine bağlı olarak çok

yüksek ısı akışı elde edilmektedir. Yaygın olarak kullanılan sıvı metaller potasyum, gümüş ve

sodyumdur.

Isı borularında kullanılan boru malzemesinin görevi çalışma akışkanını ve fitil yapısını dış

ortamdan ayırmaktır. Bu yalıtım sebebi ile boru çeperlerinde basınç farklılıkları oluşmakta ve

çalışma akışkanı tarafından ısı transfer edilebilmektedir.

Boru malzemesi seçilirken aşağıdaki hususlara dikkat edilmelidir;

a) Uyumluluk (çalışma akışkanı ve çalıştığı çevre şartlarına olan uyumluluğu)

b) Isıl iletkenlik

c) Kolay üretilebilirlik

d) Gözeneklilik

18

FİTİLLER

Isı borusunda kullanılan çalışma akışkanının kondenserden, evaporatöre geri getirilmesini

sağlayacak kapilar basıncın oluşturulması gerekmektedir. Isı borularında bu işlem ısı borusu iç

cidarına yerleştirilen gözenekli yapı ile sağlanabilmektedir. Bu gözenekli yapı, bakır, pirinç, nikel,

alüminyum, paslanmaz çelik gibi ayrı bir malzemeden örülmüş, dokunmuş malzemeler olabileceği

gibi, pamuksu iplerden dokunmuş lifli malzemelerde olabilmektedir. Ayrıca, ısı borusu iç yüzeyine

mekanik olarak oluşturulmuş yiv seklinde veya toz metalürjisi ile üretilmiş gözenekli bir yapıda fitil

görevini yapabilmektedir. Fitil malzemesinin basta çalışma akışkanı ile uyumlu olması yanında,

çalışma akışkanını kısa zaman aralığında evaporatör bölgesine taşıyabilecek nitelikte olması istenir.

Fitil malzemesinden aranan özellikler şunlardır:

a. Yoğuşan iş akışkanının geri dönüsü için gerekli akış kesitini sağlaması,

b. Gerekli kılcal pompalama basıncının sağlanması için sıvı-buhar ara yüzeyinde gözeneklerin

oluşmasına imkân vermesi,

c. Sıvı-buhar ara yüzeyi ve ısı borusu iç yüzeyi arasında iyi bir ısı akısı sağlayabilmesi seklinde

sıralanabilir.

Boru malzemesinin gözeneksiz yapıya sahip olması durumunda ısı borusu içerisinde çalışma

akışkanının yayılması engellenir. Yüksek ısıl iletkenlik ise, ısı kaynağı ile fitil arasında minimum

sıcaklık düşümü olmasını sağlar. Aşağıda bazı çalışma akışkanları ile fitil ve boru malzemeleri

arasındaki uyumluluk bilgileri verilmektedir.

Çalışma akışkanı, fitil ve boru malzemesi uyumluluk bilgileri

RU: deneyimlere dayanarak tavsiye edilen; RL: literatüre göre tavsiye edilen; PC: muhtemelen

uyumlu; NR: tavsiye edilmez; NU: kullanılmaz; UK: bilinmiyor; GN: tüm sıcaklıklarda gaz

oluşumu; GNT: oksit oluştuğunda yüksek sıcaklıklarda gaz oluşumu

Isı borularında kullanılan fitil yapılarının temel olarak iki görevi vardır. Bunlardan birincisi

yoğuşturucuda yoğuşan çalışma akışkanın buharlaştırıcıya dönüşünün sağlanmasıdır. Fitil yapısının

diğer görevi ise çalışma akışkanın tüm buharlaştırıcı yüzeyine çevresel olarak dağıtılmasını

sağlamasıdır. Genel olarak etkin bir fitil yapısında olması gereken özellikler aşağıda belirtilmiştir.

1) Yüksek Kapiler Basınç: Etkili bir fitil yapısı küçük yüzey gözenekliliğini sağlayarak yüksek

kapiler basınç oluşturmalıdır.

2) Geçirgenlik: Sıvı akışına dik yönde geniş iç gözenekliliği sağlayarak sıvı akış direnci

düşürülmelidir.

3) Yüksek Isıl İletkenlik: Isı akışının gerçekleştiği fitil kalınlığı boyunca küçük sıcaklık düşümü

için aralıksız olarak ısıl iletkenliğin sağlanması gerekmektedir

19

Tüm bu gereksinimler göz önünde bulundurularak birçok çeşitte fitil yapısı geliştirilmiştir. Fitil

yapıları genel olarak iki sınıfa ayrılmıştır. Bunlar bir cins malzemeden üretilen homojen fitil

yapıları ve iki veya daha fazla malzemeden üretilen kompozit fitil yapılarıdır.

Homojen fitil yapıları:

Elek teli (gözenekli) yapısı: En yaygın kullanılan fitil yapısıdır. Yüzey gözenekliliğinin büyüklüğü

mesh sayısıyla ters orantılıdır. Mesh sayısı inch başına düşen gözenek sayısıdır.

Sinterlenmiş metal: Bu fitil yapısı, toz halindeki metal parçalarının ısı borusunun iç duvarına çelik

maça ile sıkıştırılmasıyla oluşmaktadır. Oluşturulan bu düzenek metal parçacıklar birbirlerine ve ısı

borusunun iç duvarına sinterlenene kadar ısıtılarak devam eder.

Sinterlenmiş metal fitil yapısı Aksiyal yiv fitil yapısı

Aksiyal yiv: Aksiyal yivli fitil yapısı, ısı borusu iç yüzeyine ekstrüzyon ya da diş açma yoluyla

oluşmaktadır. Yiv yapısı olarak kullanılan ya da önerilen birkaç farklı form bulunmaktadır. Bunlar

dikdörtgen, üçgen, ikizkenar yamuk veya yaklaşık olarak dairesel kesit alanına sahip olan

formlardır. Aksiyal yiv yapısı, yüksekliğin çok fazla olmadığı uygulamalarda oldukça verimlidir

Paralel ve yarım ay şeklinde fitil yapıları: Bu yapılar sıvı akışı için düşük direnç gösterirler fakat

ısı akışı için yüksek dirence sahiptirler. Çalışma akışkanı sıvı fazdayken ısıl iletkenlikleri düşüktür.

Arter fitil yapısı: Arter fitil yapısında ısı borusunun iç yüzeyi elek teli veya sinterlenmiş metal

yapısı ile kaplanmıştır. Bunun yanında içi boş olarak şekil verilmiş, fitil boyunca devam eden ve

fitile temas eden bir fitil yapısı daha bulunmaktadır. Yoğuşan çalışma akışkanı bu içi boş olan fitil

yapısında toplanarak buharlaştırıcıya geri döner.

Homojen fitil yapıları

20

Kompozit fitil yapıları:

Kompozit gözenek fitil yapısı: Bu fitil yapıları farklı gözenek büyüklüğüne sahip iki elek teli

yapısının bir araya gelmesiyle oluşur Böylece yoğuşturucuda yoğuşan sıvı bu fitil yapısından geri

döner.

Elek teli kaplı yiv yapısı: Bu fitil yapısı, homojen fitil yapılarında bulunan aksiyal yivli fitil

yapısına, tek sarımlı ve küçük yüzey gözenekliliğine sahip elek teli yapısı ile kaplanması sonucu

meydana gelir.

Levha fitil yapıları: Levha fitil yapısını oluşturan iki farklı fitil yapısı bulunmaktadır. Bunlardan

keçe ya da birkaç katlı elek teli yapısının birleşmesiyle meydana gelen şekil olarak dikdörtgen kesit

alanına sahip çubuk şeklinde olan ve genişliği buhar akış kanalının çapına eşit olan yapı borunun

dairesel kesit alanın ortasına gelecek şekilde yerleştirilmiştir.

Tünel fitil yapısı: Tünel fitil yapısında da keçe ya da birkaç katmandan oluşan ve çapı ısı

borusunun iç çapından daha küçük olan boru şekli verilmiş yapı bulunmaktadır. Boru şeklindeki bu

yapı levha şeklindeki fitiller ile desteklenerek ısı borusunun eksenine yerleştirilir.

Kompozit fitil yapılar

ISI BORUSU ÇEŞİTLERİ: Isı borusunun en basit olarak bilinen formu boru şeklinde olanıdır.

Bununla birlikte boru formundan farklı olarak çok çeşitli yapılarda ısı boruları da bulunmaktadır.

Çalışma koşulları dikkate alınarak farklı dizaynlar gerçekleştirmek mümkün olmaktadır. Farklı

tipteki bu ısı borularını aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür.

I. Konvansiyonel ısı boruları

II. Mikro ısı boruları

III. Atımlı ısı boruları

IV. Dönen ısı boruları

V. Döngü şeklinde çalışan ısı boruları

VI. Sorpsiyonlu ısı boruları

VII. Değişken iletkenlikli ısı boruları

21

Atımlı ısı borusu Dönen ısı borusu

Döngüsel ısı borusu

22

Isı borulu fotovoltaik PV-T (photo voltaic termal) kollektör

23

Isı borusunda sıcaklık dağılımı Isı borusunda sıvı ve buhar basınç dağılımı

ISI BORUSUNA KONULACAK AKIŞKAN MİKTARI

Isı borusu içerisine konulacak akışkan miktarının oranı çok önemlidir. Eğer gereğinden az akışkan

konulursa, sistemin çalışması sürecinde akışkanın tamamı buharlaşıp kabın içerisini doldurur. Bu

durumda evaporatör kısmında sıvı kalmayacağı için sistemin çalışması kesintiye uğrar. Isı borusu

yüzeyi de aşırı ısınıp zarar görebilir. Fitilli ısı borularında bu olay fitilin kuruması olarak ifade

edilir. Gereğinden fazla akışkan konulması durumunda ise özellikle yerçekimi destekli ısı

borularında karşılaşılan taşma limiti ile karşılaşılır.

Termosifon tipi ısı borularında, ısı borusuna konulacak akışkan miktarı hakkında birçok araştırmada

değişik göstermekle birlikte toplam hacmin % 15-22’si oranında olabileceği veya evaporatör

hacminin %50’si oranında akışkan konulması uygun görülmektedir.

24

ISI BORUSUNUN PERFORMANSI: Isı borusunun performansı, çoğunlukla, eşdeğer ısı

iletkenliği cinsinden ifade edilir. İyi bir ısı borusunun, aynı çaptaki dolu bakır çubuğun boyunca

iletebildiği ısının birkaç bin mislini, aynı yönde iletebildiği belirtilmektedir. Isı borusunun güç

iletme kapasitesi çok yüksektir. 1500°C’de çalışan ve akışkan olarak lityum kullanan ısı boruları,

eksenel olarak 10 ile 20 kW/cm2’lik ısı taşırlar. Isıtma akışkanın ve kap malzemelerinin uygun

seçilmesi ile 4 K ile 2300 K arasındaki sıcaklıklardaki kullanım için ısı borusu imal edilebilir.

Birçok uygulamalar için, silindirik şekilli ısı boruları kullanılır. Özel şartları karşılamak için de

farklı ısı boruları geliştirilebilir.

ISI BORULARININ ÇALISMASINI SINIRLAYAN FAKTÖRLER

Isı borusu tasarımındaki en önemli kriter, ısı borusunun transfer edebileceği ısı miktarıdır. Isı borusu

birkaç W’ tan birkaç KW’ a kadar ısı taşıyabilecek şekilde tasarlanabilir. Ancak ısı borularının da

taşıyabilecekleri ısı yükü sınırlıdır. Bu limitler; viskoz, ses, kılcal pompalama, köpürme ve kaynama

limitleri olarak sıralanmaktadır. Bu limitlerin her biri fitil yapısına, iş akışkanına, sıcaklığa, ısı

borusunun konumuna ve boyutlarına bağlıdır. Isı borularının çalışmalarını kısıtlayan bu faktörlerle ilgili

olarak çok sayıda çalışma yapılmıştır.

ISI BORUSUNUN UYGULAMA ALANLARI

a. Uzay araçlarında sıcaklık kontrolü,

b. Elektronik cihazların soğutulması,

c. Boru sisteminin stabilize edilmesi,

d. Atık ısıların tekrar kullanılmasında,

e. Jeotermal enerjinin kullanılması,

f. Enerji depolama,

g. Makine elemanlarının soğutulması,

h. Taşıtlarda iç ısıtma,

i. Gaz türbini jeneratörlerinde ısı transfer elemanı olarak kullanılması,

j. Taşıtların iç ısıtmalarında egzozdan faydalanılması,

k. Uçakların fren sistemlerinin soğutulması,

l. Elektronik cihazların soğutulmasında,

m. Otoyol ve köprülerin ton tehlikesine karsı korunmasında,

n. Bacalardaki atık ısının geri kazanılmasında,

o. Nükleer santrallerin soğutulmasında,

p. Lazer aynalarının soğutulmasında,

q. Fırınların ısıtılmasında, tava ve tencerelerin homojen ısıtılmasında,

r. Güneş enerjisinde ve birçok alanlarda uygulanmaktadır.

ISI BORUSUNUN AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLARI

a) Avantajları

a. Hareketli parçaları yoktur, bundan dolayı sessiz çalışırlar.

b. Her iki gaz tarafında da genişletilmiş yüzeyler kullanılabilir.

c. Konstrüksiyonu basittir.

d. Kullanım esnekliğine sahiptir.

e. Düşük sıcaklık düşümüyle önemli mesafeye yüksek miktarda ısı transfer kabiliyetine sahiptir.

f. Kontrol edilebilirliği iyidir.

g. Dış pompa gücü gerektirmez.

b) Dezavantajları a. Düşük basınçlı gazlar için uygundur.