Güneş Enerjisi Destekli Sıvı Desikkantlı Soğutma Sistemleri

Diöer yandan elektrik elde edilirken n çok düşüktür ve genellikle termik santrallerden elde edilen elektrik üretimi sırasında çevreye de zarar verilmektedir. Ülkemizde en sıcak ay için (Temmuz veya Ağustos) uzun yıllar ortalamasına göre hava sıcaklıkları 17 ile 32 °C arasında değişen değerler almaktadır. (Tablo) [1-2]. Özellikle Ege, Akdeniz ve Güneydoğu Anadolu Bölgelerinde yaz aylarındaki hava sıcaklıkları konfor sıcaklığının çok üstüne çıkmakta ve soğutma ihtiyacı meydana gelmektedir. Bu arada soğutma ihtiyacı olan bölgelerimizde güneş enerjisinin yoğunluğu da dikkati çekmektedir. Soğutma işleminin güneş enerjisi ile sağlanması hem ülke ekonomisine katkı sağlayacak ve hem de çevre kirliliğini azalta-c ' ir. Bu alanda dünya çapında ya-. ı çalışmalar 1950Tİ yıllarda başlamıştır [3-7]. Yurtiçi yayınlarda ise bu konu hemen hemen hiç incelenmemiştir.

Bu çalışmada güneş enerjisi ile çalışan sıvı desikkantlı soğutma sistemleri hakkında bilgi verilmiştir. Ülkemizde kullanıma girmemiş olan bu sistemlerin fayda ve eksikliklerinin uygulayıcılara tanıtımı ile ülkemizdeki gelişmelerine katkı sağlanacağı ümit edilmektedir. Böylece temiz ve ucuz olan güneş enerjisi potansiyelimiz değerlenirken ülke ekonomisine ve halk sağlığına da fayda sağlanmış olacaktır.

Nem Kontrolü:

Kapalı hacimlerdeki konfor şartlarının muhafazası için hava sıcaklığının ve nemin birlikte kontrolü °erekir. Yalnızca soğutma uygulandığında hava sıcaklığında bir azalma meydana gelmekle birlikte, eğer çiğ noktası sıcaklığının altına inilirse, havada buhar halde bulunan nem yoğuşarak sıvı hale geçer. Bu ise konfor şartlan için istenilmeyen bir durumdur ve bu sebeple havanın neminin kontrol edilmesi gerekir. Oda içindeki fazla nem aşağıdaki sebeplerden meydana gelir: Oturanlardan; yanma ve pişirmeden; elbiselerin yıkanması ve kurutulmasından; duşlardan, yaş yüzeylerden ve duran sudan; içeri sızan havadan; duvarlar, zeminler ve tavanlara nüfuz eden su buharından; bunlara ilaveten havalandırma yapılması ve içeriye nemli olan işlenmiş havanın gelmesi de oda içindeki nem yükünün artmasına sebep olmaktadır [3].

Nem fazlalığının kontrolünün yapılması sadece insan konforunu sağlamak için değil aynı zamanda binadaki malzemeler üzerinde veya içinde oluşan yoğuşmanın önlenmesi için de gereklidir. Nem, pek çok inorganik madde ile reaksiyona girebilir. Bunun sonucunda ise inorganik ko-rozyon meydana gelir. Ayrıca şiddetli bozulmalara, çürümeye ve bakterilerin hızlı bir şekilde üremesi gibi küflenmelere de sebep olabilir. Oda içindeki havanın fazla suyunun atılması şeklinde yapılan nem giderme işlemi ile malzemelerin nem tutması veya yüzey yoğuşması önlenir. Nem giderme teknikleri şunlardır: 1. Yüzey suyunun (sığ kuyu suyu gibi) kullanıldığı ısı pompalı sistemler,

2-Bubır kompresörlü sistemler,

3-Katı veya sıvı desikkantlar ile [5]. Burada konunun genişliği nedeniyle sadece sıvı desikkantlardan bahsedilecektir.

Sıvı Desikkantlı Soğutma Sisteminin Genel Tanıtımı:

Hava, nem giderici maddeler kullanılarak kurutulabilir ve içindeki nemi alınabilir. Daha sonra ise kuru olan bu hava içerisine su zerreleri püskürtülerek (evaporatif soğutma) konfor için istenen soğutma sağlanır. Havanın nemini alan nem giderici maddeler sıvı veya katı olup de-sikkant madde olarak adlandırılırlar. Soğutma etkisi olmayan desikkant maddeler hava içinde bulunan su buharı parçacıklarını absorplayıcı veya ajsorplayıcı özelliğe sahiplerdir. Böylece nem giderme işlemi desikkant madde tarafından sağlandıktan sonra hava sıcaklığını düşük değerlere indiren evaporatif soğutma işlemi uygulanır. Desikkant maddenin su buharı basıncıyla havanın su buharı basıncı arasındaki fark sebebiyle, nemin giderilmesi sırasında işlem havası içindeki su buharı sıvı hale geçer ve bir miktar ısı açığa çıkar. Bu ısı desikkant madde ile birlikte işlem havasını da bir miktar ısıtır. Dolayısıyla soğutma işlemi sırasında işlem havasının sıcaklığını belli bir değerin altına düşürmek için, bu ilave ısının da ortadan kaldırılması gerekmektedir. Desikkant işlemi soğutma işleminden ayrı olmasına rağmen, özellikle son adım olarak evaporatif soğutma uygulanırsa desikkant işlemi ve evaporatif soğutma işleminin birbirlerine yakın bir şekilde bağlı olduğu ve enerji etkin bir şekilde birlikte kullanılabilecekleri görülür. Havanın içindeki nemin desikkant madde tarafından absorbe veya adsorbe edilmesiyle işlem havası sıcak ve kuru hale geçmekte desikkant malzeme ise nemlenmektedir. Desikkantın tekrar eski haline getirilmesine (içindeki nemin alınmasına) rejenerasyon işlemi denilmektedir. Rejenarasyon işleminde desikkant, 50 ile 150 °C arasında ısıtılarak içindeki nem atmosfere buharlaştırılıp Böylelikle desikkant malzeme daha sonra tekrar havanın nemini almak için hazır hale gelir. Bu aşamadaki ısıtma işleminin güneş enerjisi ile yapılması sistemin hem ekonomikliğini ve hem de enerji etkinliğini artırmaktadır.

 Tablo 1. Muhtelif illerimizde en sıcak aylara ait ortalama hava sıcaklıkları (°C) [2].

Kullanılan desikkant malzeme, özelliklerine bağlı bir sıcaklığa kadar ısıtılmalı ve çeşitli sıcaklıklarda nem dengesini muhafaza etmelidir. Reje-nerasyon sıcaklığı, genellikle tipik düz yüzeyli kollektörlerden elde edilen ısı ile sağlanamaz. Bu sebeple yüksek verimli kollektörlerin kullanılması veya ek bir ısıtma sistemi ile birlikte kullanılması gerekmektedir. Sıvı desikkant için en önemli durum; su ile karışabilmesi ve karışım üzerindeki su buharı basıncının nemli hava içindeki suyun kısmi basıncından daha düşük olmasıdır. Bu şartlar altında sıvı desikkant nemli havayla temas ettiğinde hava içindeki nemi absorbe edecektir. Sıvı de-sikkantın rejenerasyon işlemi sırasında ısıtılmasıyla, desikkant tarafından absorbe edilmiş olan su buharlaşarak hava akımı içerisine karışır ve daha sonra atmosfere atılır. İdeal bir karışımda aranan özellikler:

1.Oda sıcaklığında solüsyon üzerindeki su buharı basıncının düşük olması,

2.Yüksek sıcaklıklarda solüsyon üzerindeki su buharı basıncının nispeten yüksek olması,

3- Düşük bir zehirleyicilik, koroz-yon ve uçuculuğa sahip olması, kolay yanmaması, maliyetinin düşük ve faydalanma oranının yüksek olması [3]. Ticari özelliğe sahip bazı desikkant malzemeler; trietilen glikol, kalsiyum klorid ve lityum klorid gibi maddelerin sulu solüsyonlarının belli şartlarda ve "uygun şekilde hazırlanması ile elde edilmektedirler.

Avantajları:

Sıvı desikkantlı sistemler aşağıda anlatılan avantajlara sahiplerdir: 1. Absorpsiyon işlemi boyunca devamlı soğutma sağlarlar. Desikkant madde tarafından su absorbe edilirken hem desikkant soğumakta ve hem de hava içindeki nem, buhar Kullanılan desikkant malzeme, özelliklerine bağlı bir sıcaklığa kadar ısıtılmalı ve çeşitli sıcaklıklarda nem dengesini muhafaza etmelidir. Reje-nerasyon sıcaklığı, genellikle tipik düz yüzeyli kollektörlerden elde edilen ısı ile sağlanamaz. Bu sebeple yüksek verimli kollektörlerin kullanılması veya ek bir ısıtma sistemi ile birlikte kullanılması gerekmektedir. Sıvı desikkant için en önemli durum; su ile karışabilmesi ve karışım üzerindeki su buharı basıncının nemli hava içindeki suyun kısmi basıncından daha düşük olmasıdır. Bu şartlar altında sıvı desikkant nemli havayla temas ettiğinde hava içindeki nemi absorbe edecektir. Sıvı de-sikkantın rejenerasyon işlemi sırasında ısıtılmasıyla, desikkant tarafından absorbe edilmiş olan su buharlaşarak hava akımı içerisine karışır ve daha sonra atmosfere atılır. İdeal bir karışımda aranan özellikler:

1.Oda sıcaklığında solüsyon üzerindeki su buharı basıncının düşük olması,

2.Yüksek sıcaklıklarda solüsyon üzerindeki su buharı basıncının nispeten yüksek olması,

3- Düşük bir zehirleyicilik, koroz-yon ve uçuculuğa sahip olması, kolay yanmaması, maliyetinin düşük ve faydalanma oranının yüksek olması [3].

Ticari özelliğe sahip bazı desikkant malzemeler; trietilen glikol, kalsiyum klorid ve lityum klorid gibi maddelerin sulu solüsyonlarının belli şartlarda ve "uygun şekilde hazırlanması ile elde edilmektedirler.

Avantajları:

Sıvı desikkantlı sistemler aşağıda anlatılan avantajlara sahiplerdir:

 1. Absorpsiyon işlemi boyunca devamlı soğutma sağlarlar. Desikkant madde tarafından su absorbe edilirken hem desikkant soğumakta ve hem de hava içindeki nem, buhar halden sıvı hale geçerek soğumaktadır.

2.Sıvı yüzeyinden ısı ve kütle transferini sağlamak için düşük güçte bir fan kuvvetine ihtiyaç duyulmaktadır.

3.Tekrar yoğunlaştırma için desik-kant direkt olarak ısıtılmakta ve bunun sonucunda düşük sıcaklıklarda yüksek yoğunlaşma verimi elde edilmektedir.

4.Sıvıdan sıvıya ısı değiştiricileri kullanılmakta ve bunun sonucunda sıvı desikkantı yoğunlaştırmak için kullanılan enerjinin bir kısmını geri kazanmak mümkün olmaktadır.

5 Mikrobiyolojik arıtma sağlan-a ve böylece hava akımı içerisindeki virüs ve bakteriler yok edilmektedir. En önemli avantaj ise; 6. Eğer güneş enerjisinden yararlanı-lırsa, sıvı desikkantm gizli kimyasal enerjiyi depolamaya yönelik kabiliyetini kullanmak mümkün olmaktadır.

Gelişimi:

İlk olarak 1955'te ABD'inde Lof, hacim soğutması yapan güneş enerjili ve sıvı desikkantlı bir soğutma sistemini kurdu (Şekil 1). Bu sistemde odadaki havanın nemi bir absorpsi-yon odası içinden geçirilerek sıvı desikkant (tri etilen glikol) yardımıyla alınmaktadır. Absorpsiyon sı da bir soğutma kulesi tarafın-soğutulmaktadır. Daha sonra nemi "giderilmiş havaya evaporatif soğutma işlemi uygulanmaktadır. Güneş enerjisi ile ısıtılmış hava da açık bir kule içinde bulunan sulu glikolun tekrar yoğunlaştırılması işleminde kullanılmaktadır [3]. Şekil la'daki sistemde sıcak ortamdaki enerjiyi geri kazanmak için bir ısı değiştirici, konsantre edilmiş desikkant solüsyon, bir veya daha fazla sirkülasyon pompası, iki fan, uygun şekilde teçhiz edilmiş borular, valfler ve kontrol elemanları kullanılmıştır. Sistemde, sıvı desikkant ile hava akımı püskürtme odaları içinde birbirine temas ettirilir. Nem giderici de güçlü solüsyon halinde ve rejena-ratörde de zayıf solüsyon halinde olan sıvı desikkant, yukarıdan aşağıya doğru akarken üzerine hava akımı püskürtülür. Nem giderici de konsantre edilmiş olan solüsyon içindeki su buharının hava akımı tarafından absorbe edilmesiyle bir fsı açığa çıkar ve sıvı desikkant ile hava'akımı-nın sıcaklıkları artar. Bu yüzden nem giderme odası içinde sıcak hava gerekmedikçe soğutma suyunun geçtiği halkalar kullanılabilir. Soğutma halkaları üzerinde yoğuşan suyu tekrar kullanabilmek için de bir evaporatif soğutucuya ihtiyaç vardır. Şekil lb'de sistemin psikometrik kartı ve rejenaratör ile nem giderici içinden geçen hava akımının durumu görülmektedir. Sistem içerisindeki en önemli eleman ısı değiştiricisidir. Isı değiştiricisi içinde; nem gidericiden rejeneratöre giden sulu solüsyon, rejena-törün altından pompalanarak nem gidericiye gelen güçlü solüsyon tarafından ısıtılır. Eğer ısı değiştiricisinin verimi % 100 ise o zaman sulu solüsyon rejenarötürü terk eden yoğunlaşmış solüsyonunun sıcaklığına eşit bir sıcaklıkta rejeneratöre girer. Yalnız sulu solüsyon içindeki suyu buharlaştırmak için ek bir ısı sağlamak gerekecektir. Bu da yaklaşık olarak 2333 kj/kg'dır. Rejenerasyon işlemi içindeki hava-nı.ı sıcaklığı 50 °C olan sıvı desikkantlı bir sistemde havanın kütle akış oranı 2.0 ise, havanın ısı kapasitesi sıvı solüsyonun ısı kapasitesinin 1/8'i kadardır. Desikkant olarak lityum klorid kullanan böyle bir sistemde, rejenaröterdeki solüsyon konsantrasyonu % 50'den % 55'e çıkar ve solüsyonun % 9'u buharlaşır. Her 100 kg'lık solüsyon içinden 9 kg suyun buharlaşması için 21000 kj'luk bir enerji gerekir ve 50 kg. havanın sıcaklığım arttırmak için de 2320 kj'luk bir enerjiye ihtiyaç vardır. Bu şartlar altında görüldüğü gibi 23320 kj'luk bir enerjinin 21000 kj'u rejenerasyon işleminde sıvı desikkant içindeki suyu buharlaştırmak için kullanılmakta ve COP'de 0.90 olmaktadır. Eğer sıvıdan sıvıya ısı değiştiricinin verimi (% 100 değil) % 85 ise o zaman COP = 0.90* 0.85=0.77 olur. İyi dizayn edilmiş ve yaz aylarındaki ortalama verimi % 40 olan bir düz yüzeyli güneş kollek-törünün kullanıldığı düşünüldüğünde ise COP = 0.77*0.40 = 0.30 olmaktadır. Güneş kollektörünün etkisi de katılarak elde edilen bu son verime 'Güneş Enerjili Soğutma Performans Faktörü (Solar Cooling Performance Factor=SCPF)' denir ve böyle bir sistem için pratik olarak elde edilen maksimum değer olarak gözönüne alınır.

1969 yılında Rusya'da Kakabaev ve arkadaşları absorbent solüsyon olarak Lityum Klorid ve Su karışımını kullanan güneş enerjili bir soŞutma ünitesini geliştirdiler [5]. Bu s stem şekil 2'de görülmektedir Burada; zayıf (sulu) solüsyon, çatıya monte edilmiş bir güneş enerjili kollek-tör/rejenaratör üzerinden ince bir film halinde aşağıya doğru akıtılarak güneş enerjisinin etkisiyle desik-kant solüsyonun nemi giderilmekte ve böylece aşağıdan yoğunlaşmış (konsantre edilmiş) desikkant solüsyon alınmaktadır. Bu sistemde cam tabakası kullanılmamıştır. Kollek-tör/konsantratör çifti açık çevrimde çalışmaktadır. Soğutucu akışkan (su), evaporatör içinde düşük bir basınçta buharlaştırılmakta ve kapalı çevrimli bir absorber içinde bulunan yoğuşlaştırılmış desikkant solüsyon tarafından absorbe edilmektedir. Soğutma kulesinin kullanılmasıyla ab-sorpsiyon işlemi ile meydana gelen ısı ortadan kaldırılmaktadır. İşlem sırasında, sulu desikkant solüsyonun nemini alarak aşırı ıslanmış olan hava sürekli olarak atmosfere karışmaktadır.

1977 yılında ABD'nde Robison çeşitli kollektör/konsantratör çiftleri yapmış ve bunları test etmiştir [5]. Burada korozif ve zehirleyici olmadığından desikkant olarak trietilen glikol seçilmiştir. Mamafih glikolun buhar basıncı çok düşük olmasına rağmen, kolektör/konsantratörde güçlü solüsyon desikkant olarak glikolun kullanılması tercih edilmemektedir. Bu sistemde glikol yerine kalsiyum klorid kullanıldığında, kalsiyum kloridin bir desikkantlı soğutucu içindeki çalışmasının yüksek derecede memnuniyet verici olduğu ispat edilmiştir.

Açık çevrimli kollektör/konsantratör çiftinin bazı avantajları vardır. Bunlar şunlardır:

1.Çatı üstü hem kollektör ve hem de konsantratör olarak çalışmakta, bunun sonucunda düşük bir kollektör maliyeti olmakta ve ayrıca bir konsantratör gerekmektedir.

2.Güneş enerjisi direkt olarak zayıf solüsyonu ısıtmakta ve bunun sonucunda konsantrasyon artışı düşük bir sıcaklıkta gerçekleşmektedir.

3.Zayıf solüsyon içindeki su, kapalı çevrimli bir makinanın kondenseri-nin içinde bulunandan çok daha düşük bir buhar basıncına sahip olan doymamış atmosfere (dışarıdaki havaya) doğru buharlaşmakta ve bunun sonucunda verimi yüksek bir konsantrasyon işlemi olmaktadır.

4.Hava doğal taşınım yolu ile konsantratör boyunca-etki etmekte ve 3.4 kW'lık bir so.ğutma için sadece dakikada 1 İt zayıf solüsyonun akması gerekmektedir.

Sıvı desikkantlar az rastlanan gayet olumlu bir özelliğe sahiplerdir. Bu özellik; çevre sıcaklığında yüksek enerji yoğunluğunda olan gizli kimyasal enerjilerini depolamaya yönelik kabiliyetlerinin yüksek oluşudur. Yoğunlaştırılmış alkali-metal tuzu solüsyonlarının enerji yoğunluğu; su, çakıl taşları veya buz ve diğer sıvı/katı faz, değişim malzemeleri kullanan ısı depolama sistemlerinin enerji yoğunluğundan daha yüksektir. Hatta kurşun asitli akülerin enerji yoğunluğundan bile bir miktar yüksek olmaktadır.

 KAYNAKLAR:

1-Abdurrahman Kılıç, Aksel

Öztürk; 'Güneş Enerjisi', Kipaş Da

ğıtımcılık, 1983.

2-Alpin Kemal Dağsöz; "Soğutma Tekniği, Isı Pomprları, Isı Boruları', Alfa Teknik Kitaplar, 1990.

3-George O.G. Lof; 'Desiccant Systems', Solar Air Conditioning and Refrigeration, Pergamon Press, Oxford, 1992.

4-A.A.M. Sayigh; 'Solar Ener°y Cooling in Buildings', Sok      ir Conditioning and Refrigeration, Pergamon Press, Oxford, 1992.

5-Harry 1. Robison; 'Desiccant Colling', Solar Air Conditioning and Refrigeration, Pergamon Press, Oxford, 1992.

6-A.R. Trott; 'Refrigeration and Air Conditioning', Mc Graw Hill Book Company (UK) Limited, England, 1981.

7-W.F. Albers, J.R. Beckman, R.W. Farmer, K.G. Gee; 'Ambient Pressure Liquid Desiccant Air Conditioner', ASHRAE Transactions, 1991-Part:2, p.603-608.

8-W.H. Wilkinson; 'Evaporative Cooling Trade-Offs in Liquid Desiccant Systems', ASHRAE Transactions, 1991-Part:l p.642-649.

9-A.I. Zografos, C.Petroff; 'A Liquid Dehumidifier Performance Model', ASHRAE Transactions, 1991-Part: l,p.650-656.

10-A.I. Lowenstein, M.H. Dean; 'The Effect of Regenerator Performance on a Liquid Desiccant air Conditioner', ASHRAE Transactions, 1992-Part: 1, p.704-711.

11-A.I. Lowenstein, R.S. Gabruk; 'The Effect of Absorber Design on the Performance of a Liquid-Desiccant Air Conditioner', ASHRAE Transactions, 1992-Part:l,p.712-720.

M.Mustafa EDİN , Şükran DİLMAÇ/TÜBİTAK