Güneş Kollektörlerinde Soğurucu Levha Malzemesi Isı İletim Katsayısı ve Boru Sayısının Termik Verim Katsayısına Etkisi

ÖZET

Bu çalışmada 2x1=2 m2'lik brüt alana sahip sıvılı düzlemsel güneş kollektörleri ele alınmış ve soğurucu levha malzemesi ısı iletim katsayısı ile boru sayısı değişiminin termik verim katsayısına etkisi incelenmiştir. En yüksek verimlerin sağlandığı boru sayıları ve iki boru arası uzaklıklar saptanmıştır.

1. GİRİŞ

Günümüzde, güneş enerjisinden yararlanma en yaygın şekilde sivili düzlemsel güneş kollektörleri ile olmaktadır. Konutların sıcak su gereksinimlerini karşılamada, konutların ısıtma sistemlerinde, yüzme havuzlarının ısıtılmasında ve sanayi için gerekli sıcak su eldesinde sivili düzlemsel güneş kollektörleri kullanılır. Sivili düzlemsel güneş kollektörleri, güneş radyasyonunu alıp bir akışkanını yapısına aktaran birer ısı değiştirgeçleridirler. Kollektörlerden yüksek verimlilik, uzun ömür, ucuz fiyat ve kolay montaj gibi özellikler beklenir.

Verimli bir kollektör ise, üzerine düşen güneş enerjisi miktarının çoğunu soğurmalı, çevreye olan ısı kayıpları en az düzeyde olmalı ve soğurduğu enerjiyi içindeki ısı taşıyıcı akışkana yüksek bir verimlilikle aktarabilmelidir(1.2, 3).

Türkiye'de üretilen ve kullanılan güneş kollektörleri için, Türk Standard-ları Enstitüsü tarafından standardlar getirilmiştir.(4, 5). Türk Standardlarında. kollektör brüt alanının ve soğurucu levha alanının alt sınırları sırasıyla, 1.73 m2 ve 1.55 m2 kullanılacak boru sayısının alt sınırı 8 adet, iki boru arası uzaklık için alt ve üst sınırlar ise, sırasıyla 6 cm ve 12.5 olarak belirtilmiştir (5). Türkiye'de üretici firmaların büyük bir çoğunluğu Türk Standardları Enstitüsü'nün belirlediği alt ve üst sınırlan dikkate alarak üretim yapmaktadır. Fakat, bu sınırlar içinde dahi birçok değişik özelliklere ve boyutlara sahip kollektörler ile karşılaşılmaktadır.

Bu çalışmada, 2x1=2m2'lik brüt alana sahip sivili düzlemsel güneş kollektörleri için, diğer ayni kalan şartlar altında, yani, incelenen parametrelerden biri veya ikisi değişken alınıp diğer parametreler sabit tutulduğunda, boru sayısı ve soğurucu levha malzemesi parametrelerinin kollektör termik verim katsayısına etkisi, teorik olarak incelenmiştir.

2. MATEMATİK MODELLEME

Sivili düzlemsel güneş kollektörle-rinde güneş enerjisini toplayan ve ısıtılmak istenen suya aktaran eleman, soğurucu levhaya birleştirilmiş borulardan oluştuğu için. matematik modelleme kanat teorisi kullanılarak yapılmıştır (1,6,7.8,9). Su Çıkış Sıcaklığı, Termik Verim Katsayısı Hesabı

Kollektörden çıkan suyun sıcaklığım hesaplamak için, literatürde bulunan yöntemlerden (1) kanat teorisini baz alan uygun eşitlik aşağıdaki gibidir

Denklem (1) ile, kollektörden çıkan suyun sıcaklığı, tc. Denklem (2) ile termik verim katsayısını, n, hesaplanır.

Denklem (1)'de görülen, tç, tg ve ta sırasıyla kollektör su çıkış sıcaklığını, kollektör su giriş sıcaklığını ve dıs ortam sıcaklığını vermektedir. , soğurucu levhaya gelen net güneş radyasyonu miktarıdır. qp* = 0.997 . 1,(3* (W/m2) alınabilir (8.9).

A1<, cam örtü altında kalan net kollektör soğurucu levha alanını. Fc, kollektör verim faktörünü (Fe; toplam konvektif ısı transferi katsayısının, soğurucu levha kalınlığının, soğurucu levha ısı iletim katsayısının, iki boru arası uzaklığın, boru iç ve dış çapının, boru içinde dolaşan sıvının taşınım katsayısının ve boru ısı iletim katsayısının bir fonksiyonudur.). cw, suyun özgül ısısını, m*. kollektörde dolaşan toplam kütlesel su debisini. Denklem (2)'de bulunan a, ItB* . eğik bir düzleme gelen toplam güneş radyasyonunu vermektedir. Dış ortam ve gökyüzü ile cam örtü arasındaki ısı transferi katsayısı, a. için dış ortam ısı transferi katsayısı, a_dış ve radyasyonla ısı transferi katsayısı, a_s ilgili literatürlerden (1, 6. 7. 8) yararlanılarak hesaplanmıştır. İki boru arası uzaklık ise. kollektör net eninin, boru sayısına bölümü ile hesaplanmıştır. (1,6. 7) Matematik modellemede. soğurucu levha altından ısı kaybı olmadığı (çok çok iyi yalıtım) kabul edilmiştir.

3. İNCELEMELER

Bölüm 1'deki hesaplamalar yardımı ile. boru sayısı, iki boru arası uzaklık, soğurucu levha ısı iletim katsayısı değişken alınarak, kollektör termik verim katsayıları hesaplanmıştır. Matematik modelin çözümünde, incelenen paremetrelerden biri veya ikisi değişken alınıp diğer parametreler sabit tutulmuştur. Yani, modelin serbestlik derecesi 1 ile 2 arasında değişmektedir.

Şekil 1'de; Termik verim katsayıları, boru sayısı üzerine taşınmıştır. 4 değişik soğurucu levha ve boru malzemesinden oluşan kollektörler için, boru sayısı 6 adetten 17 adete kadar değiştirilmiş, herbir boru sayısına karşılık gelen termik verim katsayısı değerleri % olarak gösterilmiştir. Bu incelemenin serbestlik derecesi 2'dir. Boru sayısı ve soğurucu levha malzemesi ısı iletim katsayısı değişken parametreler olarak alınmış, diğer parametreler sabit tutulmuştur. Şekil l'den kolayca görülebileceği gibi. termik verim katsayısının aldığı en büyük değer bakır soğurucu levhada 9 adet, alüminyum soğurucu levhada 10 adet, platin soğurucu levhada 12 adet ve çelik soğurucu levhada 13 adet boru sayısında olmaktadır.

Çizelge 1'de; Soğurucu levha malzemesi ısı iletim katsayısı S.L.I.İ.K.. 10 W/mK'den 450 W/mK'e kadar değiştirilmiş ve en yüksek termik verim katsayılarının sağlandığı boru sayıları saptanmıştır. (Şekil 1'de "max" olarak işaretlenen tepe değerleri en yüksek verimlerin sağlandığı boru sayılarını vermektedir). Çizelge 1'de verilen, giriş verileri, 28 Eylül 1987'de E.Ü. Güneş Enerjisi Enstitüsü test standında yapılan deneylerin ölçüm sonuçlarından ve ilgili literatürlerden alınmıştır (1.6.7).

Şekil 2'de; iki boru arası uzaklık, boru sayısı üzerine taşınmıştır. Boru sayısı 9 adetten 17 adete kadar değiştirilerek, herbir boru sayısına karşılık gelen iki boru arası uzaklık değerleri, metre olarak gösterilmiştir. Bu incelemenin serbestlik derecesi l'dir. Boru sayısı değişken parametre olarak alınmış, diğer parametreler sabit tutulmuştur.

Şekil 2'de açıkça görüldüğü gibi. boru sayısı arttıkça, iki boru arası uzaklık azalmaktadır. Bu grafik tüm soğurucu yüzey malzemeleri için geçerlidir.

4.         SONUÇLAR

2x 1 = 2 m2'lik brüt alana sahip bir sivili düzlemsel güneş kollektörü için oluşturulan Şekil 1 incelendiğinde, herhangi bir soğurucu levha malzemesi ısı iletim katsayısında, termik verim katsayısının belli bir boru sayısına kadar arttığı ve daha sonra da azaldığı, soğurucu levha malzemesinin ısı iletim katsayısı arttırılınca ise. aynı durumla karşılaşıldığı, fakat en yüksek verimdeki boru sayısının azaldığı. Şekil 2'de ise kollektörde kullanılan boru sayısı arttıkça, iki boru arası uzaklığının azaldığı görülmüştür. Kollektörlerde kullanılan malzeme cinsinin ısı iletim katsayısı arttıkça, termik verim katsayısı artmakta, kullanılan boru sayısı azalmakta ve buna bağlı olarak da iki boru arası uzaklık artmaktadır. Şekil 1, 2 ve Çizelge 1 kullanılarak herhangi bir kollektör için en yüksek verimin sağlandığı boru sayısı ve iki boru arası uzaklık seçilebilir.

5.         KAYNAKLAR

1.         Atagündüz. G.. Güneş Enerjisi Temelleri ve Uygulamaları, E.Ü. Güneş Enerjisi Enstitüsü Yayınları. No : 2.İzmir. 1989.

2.         Uyarel. A.Y.. Öz. E.S.. Güneş Enerjisi ve Uygulamaları, Birsen Yayınevi, ISBN 975-511 -033-X, İstanbul. 1990.

3.         Kılıç. A.. Öztürk, A., Güneş Enerjisi. Kipaş Dağıtımcılık, İstanbul, 1983.

4.         Türk Standardları. "Güneş Enerjisi Su Isıtıcıları İçin Genel Kurallar". Birinci Baskı, Türk Standardları Enstitüsü. Ankara, TS 3817/Şubat 1988.

5.         Türk Standartları. "Güneş Enerjisi Toplayıcıları Düz", Birinci Baskı, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, TS 3680/Nisan 1989.

6.         Günerhan, H., "Güneş Kollektör-lerinde Boru Sayısı Optimizasyonu", Anadolu Üniversitesi ve Türk Isı Bilimi ve Tekniği Derneği, 8. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Anadolu Üniversitesi. Fen Edebiyat Fakültesi. Eskişehir. 10-12 Eylül 1991.

7.         Günerhan. H., "Bilgisayar Destekli Sivili Düzlemsel Güneş Kollektörlerinin Optimizasyonu",E.Ü. Güneş Enerjisi Enstitüsü. Y. Lisans Tezi. Bornova,İzmir, 1992.

8.         Dut'ie. J.A., Beckman. W.A.. Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley and Sons. ISBN 0-471-05066-0. New York, 1980.

9.         Garg. H.P., Treatise on Solar Energy. Volume 1 Fundamentals of Solar Energy, John Wiley and Sons, ISBN 0-471-10180-X, New York, 1982.

Ege Üniversitesi

Güneş Enerjisi Enstitüsü

Ar. Gör. Hüseyin GÜNERHAN

Makina Mühendisi

13 Nisan 1966 tarihinde İzmir'in Urla ilçesinde doğdu. 1984 yılında Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümünde lisans eğitimine başladı. 1989 yılında Prof.Dr.Macit Toksoy yönetiminde "Bir faz değişimli enerji deposunun tasarımı" isimli lisans tezini yaptı. 31 Ocak 1990 yılında "makina mühendisi" ünvanı ile Termodinamik ve Enerji Ana Bilim Dalı'ndan mezun oldu. 1990 yılında Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü'nde Yüksek Lisans eğitimine başladı. 30 Ocak 1991 yılında Araştırma Görevlisi oldu. Prof.Dr.Ing Gürbüz Atagündüz gözetiminde "Bilgisayar Destekli Sıvılı Düzlemsel Güneş Kollektörlerinin Optimizasyonu" isimli Yüksek Lisans tezi ve Ege Üniversitesi Araştırma Fonu'nun desteğiyle aynı isim altında Proje Yürütücülüğü (Proje Numarası: GNE-1991/001) yapti. 3 Ağustos 1992 yılında Yüksek Mühendis ünvanı ile Enerji Teknolojisi Ana Bilim Dalı'ndan mezun oldu. Şu anda aynı enstitüde Doktora yapmakta ve Araştırma Görevlisi olarak çalışmaktadır.