Radyant Isıtma Sistemleri
Radyant ısıtma, günümüzde büyük hacim ısıtmaların güçlü bir alternatifi olarak karşımıza çıkıyor. Radyant cihazların LPG yakar hale dönüştürülmelerinin kolaylığı nedeniyle doğalgazın ulaşamadığı yörelerde de radyant ısıtma yapmak mümkündür. Bu yakıtlardan herhangi biri, bir brülör vasıtası ile yakılır ve Şekil l'de görülen sistemdeki borunun dış yüzeyi ısıtılarak ışıma yolu ile ısıtma gerçekleştirilir. Radyant ısıtma, prensip olarak kalorifer, sıcak hava ile ısıtma gibi konveksiyonel ısıtmadan çok daha farklıdır. Başlıca üç çeşit ısı transferi tarif edilmektedir. Bunlar; iletim, taşınım ve ışınımdır. Radyant ısıtma haricindeki her türlü ısıtmada taşınım ve ışınım birlikte bulunurlar. Radyant sistemlerde ise taşınım, toplam ısı transferinde çok küçük bir oranda kalmakta olup, ısıtma ışınım ile gerçekleştirilir. Işınım belli bir dalga boyundaki kızıl ötesi ışınların çarptıkları cisimlerin yüzeyindeki molekülleri titreştirmeleri, böylece oluşan sürtünme ile ısınmayı sağlamalarıdır. Tüm cisimler yüzey sıcaklığına bağlı olarak ışınım yaparlar. Ancak ısıtma açısından dikkate alınan cisimler yüzey sıcaklığı 300°C'nin üzerinde olanlardır. Radyant ısıtmada kullanılan cihazların yüzey sıcaklıkları ise 450°C civarındadır. Bu yüzey sıcaklıklarındaki cisimler yüzey sıcaklığına da bağlı olarak 110 mikron dalga boyunda kızılötesi ışınlar yayarlar. Isıtma tekniğinde radyant ısıtıcılar başlıca iki gruba ayrılabilir:
A) Yüksek yoğunluklu cihazlar : Bu cihazlarda yüzeyler kor renginde olabildiği gibi alevin kendisi de ışınımı sağlar. Yani çıplak alev ışınımı söz konusudur. Yüksek şiddetli cihazların yüzey sıcaklıkları 1000°C üzerindedir ve çok yüksek mahaller için uygundurlar. Ancak cihaz açık alevli ise mahalin iyi havalandırılması da şarttır. Bu tip cihazlarda dalga boyu 16 mikron aralığındadır. Bu da insan sağlığı için tehlikeli olabilir. Yine de dalga boyu uygun şekilde kontrol edilirse yüksek yoğunluk cihazlar çok iyi ısıtma sağlayabilirler.
B) Düşük yoğunluklu cihazlar : Radyant ısıtma denildiğinde, ilk olarak akla gelmesi gereken cihazlardır. Düşük yoğunluklu cihazlar yüksek yoğunluklu cihazlara göre çok daha fazla tercih edilmektedir. Bunun nedeni düşük yoğunluklu cihazların daha ucuz, tatbikinin daha kolay ve sağlığa kesinlikle zararsız olmalarıdır. Pazardaki önemi açısından incelenmesi gereken düşük yoğunluklu cihazlardır.
Şekil 1. Düşük yoğunluklu radyant ısıtıcı
Sistemin Teorik Analizi
Radyant ısıtmada hacim değil cisimler ısıtılır. Hava ısıtılmadığı için klasik yöntemle hesap yapılmaz. Yüzeylere düşen ışıma enerjisine göre hesap yapılarak gereken ısı yükü tespit edilir. Işınım için kesin bir mekanizma açıklanamamış olmasına rağmen başlıca iki teori pratiğe daha yakın sonuçlar vermektedir. Maxell'in elektromagnetik dalga teorisine göre ısı elektromagnetik dalgalar ile yayılmakta,Max Planck'ın teorisine göre ise fotonların enerjisi ısıtmayı sağladığı görüşü ileri sürülmektedir. Ancak ışınım teorilerinin hepsinin birleştiği ortak nokta olayın bir yanma ve yutulmadan ibaret olduğudur.
Dalga mekaniğine göre λ dalga boyunda ve υ frekanstaki dalganın yayılma hızı :
c = λ . υ ile belirlidir.
Bu dalganın sahip olduğu enerji, E=h.υ (h=6,625.1027 erg/s (Planck sabiti)) ifadesi ile hesaplanabilir.
Siyah cisim ışınımı:
Teknikte, üzerine gelen tüm ışığı absorbe eden cisimler siyah cisim olarak adlandırılır. λ dalga boyundaki cisimden yayılan enerji şiddeti
h = 6,62556.1023 js. Planc sabiti
k = 1,38054.1023 jk. Boltzman sabiti
c = 2,9979.108 m/s Işık hızı
T [ᴼC]
Bu eşitlikte, Ibλ, siyah bir cismin birim alanından birim dalgaboyu ve katı açı başına yayılan enerjiyi ifade eder. Bu eşitlikte gerekli değerler yerlerine konup bir yarım küre yüzeyi için tüm dalga boylarını içerecek şekilde entegre edilirse :
sıcaklığını haiz cisminden yayılan ısı ışınımı enerjisi belirlenir.
Şekil faktörü :
İki cisim arasındaki ışınımla ısı transferinde etken olan değişkenlerden biri, aralarındaki uzaklık ve cisimlerin birbirine göre konumudur. Bir cisimden vay ilan ışınımdan diğer bir cisme ulaşan miktar F şekil faktörü ile hesaplanır. Böylece radyant ısıtıcı için ısı transferi fonksiyonu,
q = σ . F . (T4 T4 ) . A
A : Isıtıcı alanı
F: Şekil faktörü
T1 : Isıtıcı yüzey sıcaklığı [°K]
T2 : Isıtılan yüzey sıcaklığı [°K]
Radyant ısıtma problemini bir levha ve ekseni buna paralel bir silindir olarak ele alırsak Şekil 2'de görüldüğü gibi, 5 m.yükseklikte 3 m. boyunda ve 4" çapta bulunan radyant ısıtma borusunun yere göre şekil faktörü 0.87'dir. Yani ısıtıcıdan çıkan enerjinin %87'si yere ulaşmaktadır.
Şekil 2. Radyant ısıtıcının etki alanı
Doğalgaz yakan bir cihazda; baca kaybı, ısıl verim, yüzey yayıcılığı, taşınım kaybı, reflektör yansıtıcıhğı, yüzey emiciliği gibi ışınımın etkisini azaltan tüm faktörler gözönüne alındığında görüyoruz ki yanan doğal gazın yaklaşık %63'ü etken olarak ısıtmaya katılmaktadır. Bunu verim olarak kabul edip konveksiyonel sistemle karşılaştırıldığında; %80'in üzerine çıkamayan kazan verimi, taşıma kayıpları (gidiş ve dönüş), yüzey kayıpları, blöf kayıpları mevcut konveksiyonel sisteme çok büyük bir üstünlük sağladığını görüyoruz. Ayrıca radyant ısıtma sistemlerinde otomatik kontrol çok kolaydır, yalnızca istenen bölge ısıtılabilir.
Örneğin gece vardiyasına kalan bir grubun çalıştığı alan tek başına ısıtılabilir. Yüzey sıcaklığını kontrol eden bir sensör ile sistem devreye kolayca girip çıkabilir. Şimdi basit bir radyant ısıtma için cihazda yakılan doğalgazın ne kadarının ısıtmaya katıldığını sayısal bir örnekte inceleyelim:
Dolasıyla yanan gazdan cisim yüzeyine kadar olan tüm kayıplar gözönüne alınarak:
Radyant ısıtıcılar, büyük hacim ısıtmalarında pratik gözükmekte olup aşağıdaki avantajlara da sahiptirler.
- Isının taşınmasından ortaya çıkan termik kayıp yoktur.
- Bir ısıtıcı arıza yapsa da diğerleri çalışmaya devam eder.
- Montajı kolaydır, mahal düzenine göre yeniden düzenlenebilir.
- Isıtıcı ömrü 30 yıldır.
- Bakımı kolaydır.
- Uygulama tarzına göre % 50'ye varan yakıt tasarrufu sağlar.
Doç. Dr. Murat TUNÇ
İTÜ Makina Fakültesi
REFERANSLAR
1. Necati Özışık, Heat Transfer McGravv-Hill 1985
2. A.K. Dağsöz, Isı Transferi
3. Çukurova Isı Sistemleri Sanayi ve Tic. Ltd. Şii., Radyant Isıtma El Kitabı
4. Y. Erdem Önder, İTÜ Makina Fakültesi, 1994 Makina Projesi
