faz deĞİŞİmİ yoluyla isil enerjİnİn depolanmasi ve...

KİMYA LİSANS ÖĞRENCİLERİ (KİMYAGERLİK, KİMYA ÖĞRETMENLİĞİ VE KİMYA MÜHENDİSLİĞİ) ARAŞTIRMA PROJESİ EĞİTİMİ ÇALIŞTAYI

Kimya-2 (Çalıştay 2011)20-28 Temmuz 2011 - Çanakkale BİDEB

BİLİM İNSANI DESTEKLEME DAİRE BAŞKANLIĞI

FAZ DEĞİŞİMİ YOLUYLA ISIL ENERJİNİN DEPOLANMASI VE BU ALANDA YAPILAN

ÇALIŞMALAR

PROF. DR. AHMET SARIGaziosmanpaşa Üniversitesi

Fen Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümü

Enerji Depolama Niçin Önemlidir?Günümüzde, artan nüfus ve sanayileşmedenkaynaklanan enerji ihtiyacı ülkemizin kısıtlıkaynaklarıyla karşılanamamakta, enerji üretimi vetüketimi arasındaki fark hızla büyümektedir. Budurumda, mevcut enerji kaynaklarımızdan dahaetkili bir biçimde yararlanmak giderek artan birönem kazanmaktadır.

Enerji talebindeki hızlı artışın karşılanması için,yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilenenerjinin verimli bir şekilde depolanması ve ihtiyacıkarşılayacak en uygun dönüşümlerin geliştirilmesiyararlı olacaktır.

Enerji depolamanın amacı nedir?• Bir yandan enerjinin kullanıldığı alanlarda oluşan

atık enerjiyi depolama (örneğin sanayi veendüstrideki atık ısının depolanması gibi),

• Diğer yandan, yalnız belirli zamanlarda enerjiverebilen (örneğin; güneş enerjisi gibi)yenilenebilir enerji kaynaklarının enerjisinidepolayarak, enerji temin zamanı ile talebiarasında doğabilecek farkı gidermeyeamaçlamaktadır.

Enerji depolamanın faydaları nelerdir?

• Enerji sistemlerinin verimi artırılır. Bu sayedeenerji tasarrufu sağlanır. Örneğin; kış aylarındaısıl enerjinin depolanarak yeniden kullanılması;ısıtma sistemlerinde % 22yaz aylarında aynı yöntemle iklimlendirmesistemlerinde ise % 40’a varan oranda bir enerjitasarrufu sağlayabilmektedir.

• Yardımcı enerji kaynağına duyulan ihtiyaçazaltılır. Böylece, değerli olan fosil yakıtrezervleri (kömür, petrol ve doğal gaz gibi)muhafaza edilmiş olur.


• Enerji üretimi için kullanılan yakıtların çevreyeverdiği zararın önüne geçilmesinde önemli roloynar. Daha az fosil yakıt tüketilmesine bağlıolarak çevreye yayılan sera gazı miktarınınazalması sağlancak ve böylece daha temiz birhava solunmuş olacaktır.

• Ayrıca bu sayede küresel ısınmaya karşı önemliölçüde destek sağlanmış olacaktır.

Elektrikle ısıtılan evlerde gece boyunca tüketilenenerjinin fazlasının depo edilerek gündüzsaatlerinde ısıtma sistemlerinin daha azkullanılması, gündüz kullanılan enerjinin gecekullanılandan daha pahalı olmasından dolayıbireysel ekonomiye de katkı sağlayabilir.

Ülkemizin fosil yakıtlar bakımından dışabağımlılığı da düşünüldüğünde, enerjidepolamayla sağlanacak enerji tasarrufununülke ekonomisine de ciddi katkılar sağlayacağıaşikârdır. Enerji depolama konusundakiçalışmalar yalnızca bizim gibi enerji ihtiyacındadışa bağımlı ülkelerde değil, çok sayıda gelişmişülkelerde de rağbet görmektedir.


Başlıca Enerji Depolama Yöntemleri Nelerdir?

Enerji depolama yöntemleri arasında en verimli ve ekonomikolanı Isıl Enerji Depolama (IED) yöntemidir. Bu yöntem;duyulur ve gizli ısı depolama olmak üzere ikiye ayrılır.

Duyulur Isı Depolama Nedir?

• Enerjinin; katı ya da sıvı haldeki bir maddenin ısıdepolama kapasitesinden yararlanılarak depolanmasıdır.Isı depolama maddesinin sıcaklığı arttırılarak enerjiduyulur şekilde depolanır. Duyulur ısı depolama süresinceortamının sıcaklığı değişir. Depolanan ısıl enerji miktarı;ortamın özgül ısısına Cp, sıcaklık değişimine ΔT vedepolama maddesinin miktarına (m) bağlıdır.

•

Gizli Isı Depolama Nedir?

• Enerjinin; sabit bir faz geçiş sıcaklığında “fazdeğişimi yoluyla madde içerisindedepolanmasına” Gizli Isı Depolama (GID) denir.

Faz Değişim Maddesi (FDM) nedir? İşlevi Nedir?

FDM: Isıl enerji depolama için kullanılan sabit bir faz değiştirmesıcaklığında ortamdaki ısı enerjisini soğurup yaymak suretiyle ısıregülasyonu sağlayan maddelerdir.BuBu tiptip maddelermaddeler ““ GizliGizli ısıısı depolayıcıdepolayıcı maddeler”maddeler” olarakolarak dadaadlandırılırlaradlandırılırlar..

Duyulur ve Gizli Isı Depolama

Gizli Isı Depolamanın Duyulur ısı depolamaya kıyasla avantajları nelerdir?

• FDM’nin birim kütlesi veya birim hacmi başına ısıdepolama kapasitesi duyulur ısı depolama maddelerinekıyasla daha yüksektir.

• Duyulur ısı depolama sistemlerine nispeten “kullanılacakısı deposunun hacmi” daha küçüktür.

• Enerji depolama süresince FDM’nin sıcaklığı hemenhemen sabit kaldığından “sabit sıcaklıkta enerjidepolama ve geri kazanım uygulamaları” için oldukçauygundur.

Duyulur ısı depolayan bazı maddelerin FDM’nin birim ünite başına enerji depolama kapasitelerinin karşılaştırılması

Gizli Isı Depolamada Kullanılan FDM’ler Kaç Gruba Ayrılır?

FDM Seçiminde Dikkate alınması Gereken Kriterler Nelerdir? FDM Seçiminde Dikkate alınması Gereken Kriterler Nelerdir?

Isıl-Fiziksel Kriterlerİstenilen sıcaklık aralığında erime sıcaklığına sahip olmalıdır,

Birim hacim ya da kütle başına depoladığı faz değişim ısısı yüksek olmalıdır,

Yüksek ısıl iletkenliğe sahip olmalıdır,

Düşük buhar basıncına sahip olmalı ve faz değişimi esnasında küçük hacim değişimi göstermelidir,

Düzenli erime ve katılaşma davranışı göstermelidir.

• Kinetik Özellikler• Sıvı fazın aşırı soğumasını önlemek için çekirdekleşme

hızı yüksek olmalıdır• Isının hızlı geri kazanımı için kristal büyüme hızı yüksek

olmalıdır.

• Kimyasal Özellikler• Çok sayıda erime/katılaşma dönüşümünden sonra

kimyasal kararlılık göstermelidir,• Yapı malzemelerine karşı korozif olmamalıdır,• Toksik, yanıcı ve patlayıcı olmamalıdır.

• Ekonomik Özellikler• Kolay temin edilebilir olmalıdır,• Düşük maliyete sahip olmalıdır.

İnorganik FDM Olarak; Tuz Hidratlar• Tuz hidratlar M.nH2O formülü ile karakterize edilirler ve M burada bir

inorganik bileşiktir. Tuz hidratlar yüksek ısı depolama

yoğunluklarından dolayı ısı depolama maddelerinin önemli bir

sınıfını oluştururlar.•

FDM Olarak kullanılan Bazı Tuz Hidratlar

Organik FDM Olarak; Parafinler

• Parafinler, oda sıcaklığında wax kıvamına sahip büyük oranda ağır hidrokarbonlardan oluşan maddelerdir.

• Alkanların erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları karbon sayısının artmasıyla artar.

• C14-C40 aralığındaki alkanların erime noktaları; 6-80 oC sıcaklık aralığındadır ve bu alkanlar genellikle parafinler olarak adlandırılırlar.

FDM Olarak Kullanılan Bazı Parafinler

Parafin olmayan Organik FDM’ler

FDM Olarak Kullanılan Yağ Asitleri

FDM Olarak Kullanılan Yağ Asitleri ve Yağ Asidi Esterleri

FDM Olarak Kullanılan Ötektik Karışımlar

• Ötektik karışım; kristallenme süresince bileşenkristallerinin bir karışım oluşturduğu, her birinindüzenli olarak eridiği ve katılaştığı iki veya daha fazlabileşenin minimum erime noktalı karışımıdır.

• Bu tip bir karışım; molekül ağırlığı küçük olan birFDM’nin molekül ağırlığı yüksek olan FDM’ye belirli molya da kütle oranında katılarak hazırlanabilir.

• Saf bileşenlerden ayrı olarak, spesifik iklim şartlarınauygun erime sıcaklığına sahip ötektikler GIDuygulamaları için kullanılabilirler

FDM Olarak Kullanılan Bazı Tuz Hidrat Ötektik Karışımları

FDM Olarak Kullanılan Bazı Yağ Asidi Ötektik Karışımları

Bazı Ticari FDM’ler

FDM’ler Nerelerde ya da Ne Amaçla Kullanılabilirler?Sıcak gıda ürünlerinin taşınmasında ve muhafazasında

Elektronik cihazların Soğutulmasında

Çeşitli tekstil ürünlerinde

Sağlık uygulamalarında kan numuneleri ve organ taşımacılığıSağlık uygulamalarında kan numuneleri ve organ taşımacılığı

Ameliyat masalarında sıcakAmeliyat masalarında sıcak-- soğuk terapilerdesoğuk terapilerde

Binaların ısıtılması ve soğutulması işlemlerinde

İnşaat sektöründe yalıtım amacıyla Seraların iklimlendirilmesinde

Bu alanda ne gibi çalışmalar yapılmaktadır?

• Yeni katı-sıvı faz değişim özellikli FDM’lerin sentezi ve karakterizasyonu

• Ötektik FDM’lerin geliştirilmesi• FDM’lerin makro ve mikro ölçekte kapsüllenmesi• Yapıca kararlı FDM/Polimer karışımlarının hazırlanması

ve karakterizasyonu• FDM/Bina yapı malzemesi kompozitlerinin hazırlanması

ve karakterizasyonu• FDM’lerin ya da kompozit FDM’lerin ısıl iletkenliklerinin

iyileştirilmesi• FDM’lerin binalarda kullanımına ilişkin küçük ölçekli pilot

uygulamalar

Yeni katı-sıvı faz değişim özellikli FDM’lerin sentezi ve karakterizasyonu

• Bazı polialkollerin veya yağ asitlerinin esterlerisentezlenerek, ısıl enerji depolama özellikleri ölçülmüştür:

• Suppes et al. (2003) tarafından bazı yağ asiti esterleri• Li and Ding (2007a; 2007b) tarafından butanediol di-stearate and diol

di-stearates ester serileri,• Canik and Alkan (2010) prepared hexamethylene dilauroyl, dimyristoyl,

and dipalmytoyl amides,• Alkan ve Sarı (2008) etlen glikol’ün stearik, palmitik, miristik ve laurik

asitlerle olan esterleri,• Sarı ve ark., (2010), n-butyl alkol isopropil alkol ve gliserin’in stearik,

palmitik, miristik ve laurik asitlerle olan esterleri,• Sarı ve ark., (2010), eritritol polialkolü ile stearik ve palmitik asit

esterleri,• Sarı ve ark., (2010), galaktitol (dulcitol) polialkolü ile stearik ve palmitik

asit esterleri,• Sentezlenenen bu yeni FDM’lerin erime sıcaklık aralığı; 20-50°C• Faz değişim entalpileri ise;120-250 kJ/kg aralığındadır.

Bu yeni FDM’lerin karakterizasyonunda hangi teknikler Kullanılmıştır?

Kimyasal yapı karakterizasyonunda:1HNMR ve FT-IR spektroskopi teknikleri

Enerji depolama özellikleri (Erime-katılaşma faz değişim sıcaklıkları ve entalpilerinin ölçümünde:

DSC analiz tekniği

Isıl kararlılıklarının belirlemesinde:TG analiz tekniği

Enerji depolama ömrünün belirlenmesinde:Isıl Döngü testi ve ardından DSC ve FT-IR analizleri

Isıl iletim katsayılarının arttırılmasında:Isıl iletkenlik zenginleştirme metodu

Ötektik FDM’lerin geliştirilmesi

Genellikle, • Yağ asidi, • Tuz hidrat • Parafinlerin ötektik karışımları hazırlanmıştır.

Amaç:(1)Farklı iklim şartlarına ugun faz değişim sıcaklığına sahip (genellikle

düşük sıcaklıklarda;10-30°C aralığında) yeni ötektik FDM’lergeliştirmek.

(2) Faz değişim sıcaklığı yüksek FDM’lerin daha düşük değere çekerekenerji depolama amaçlı kullanım alanlarını arttırmak.

Ötektik bileşim oranları faz diyagramı ve enerji depolama özellikleri DSC analiz tekniği ile belirlenmiştir.

Ötektik Karışımların Hazırlanması

A-B ikili % bileşim- katılaşma sıcaklık eğrileri

(1) Deneysel olarak belirlenmedenönce karışımı oluşturacakbileşenlerin ötektik geçiş sıcaklığıSchroder’in eşitliğine göre teorikolarak hesaplanır.

ΔHMA : B’nin erime entalpisiXMA: B’nin mol kesriT: Karışımın erime sıcaklığıTMA: B’nin erime sıcaklığı

B

BB TTR

Hx 11ln

(2) Schroder’in eşitliğine görehesaplanan teorik bileşim orannayakın bileşim oranlarında bir serikarşım hazırlanır.

Kaprik asit (KA)-Stearik asit (SA) ötektik faz diyagramı

Ötektik Karışımlara ilişkin örnek bir Faz Diyagramı (Sarı ve ark., 2008)

FDM’lerin Makro Ölçekte Kapsüllemesi

FDM’lerin Mikro Ölçekte Kapsüllemesi

Mikro kapsülleme tekniği nedir?

• FDM’lerin mikro ölçekte kapsüllenmesi enerjidepolama konusunda son yıllarda yaygınbiçimde kabul edilen bir tekniktir.

• Oluşturulan Mikrokapsüller; çekirdek-kabukyapısında fonksiyonel malzemeyi uzun süre dışetkilerden korumak ya da dış faza geçmesiniengellemek için oluşturulurlar.

• Genellikle mikrokapsüllerin kabuk malzemesiolarak, farklı morfolojik ya da fizikokimyasalözellikleri bulunan doğal yada sentetik polimerlerkullanılır.

FDM içerikli Mikrokasülllerin özellikleri ve avantajları nelerdir?

• Gün ışığını geçirebilme Yeterli ısı transfer oranını sağlayabilecek parçacık büyüklüğünde hazırlanabilme

• Yükse “yüzey alanı/hacim oranı” sağlayarak ısıl iletkenliği arttırabilme• Düzgün dağılımlı olma • Yüksek FDM kapsülleme oranına sahip olma özelliği• Erime esnasında akma göstermeme• Uzun kullanım ömrü• Kullanım sıcaklığının oldukça üzerindeki sıcaklıklarda bozunmama • Enerji depolama ortamında ısıyı transfer eden akışkan (su, hava gibi) ile

direkt temas ettiğinden dolayı hızlı enerji depolayabilme ve salıverebilme

• Ek bir depolama kabı gerektirmediğinden düşük maliyetli, küçük hacimli ve hafif enerji depolama sistemlerinin dizaynına imkan verme

• FDM’nin korozif etkisini önleme FDM’nin kokusunu maskeleme

MikroFDM’lerin üretiminde kullanılan teknikler nelerdir?

• Emultion polimerization• In-Situ Polimerization• Spray-Drying • Complex coacervation• Interfacial polycondensation

MikroFDM’ler nerelerde kullanılabilirler?Teknik Uygulamalarda

• Binalarda sıcaklık dalgalanmalarını azaltmak amacıyla beton ya da sıva malzemesi içine sızdırmaz mikrokapsüller içeren yapı malzemeleri şeklinde

• Elektronik parçaların soğutulması ve yüksek hız makineleri için sıvı soğutma sistemlerinde

• Zemin ve tavan yüzeylerinde bina iklimlendirilmesinde Otomobillerin tavanlarında

• Gıda taşınması için ısıtılmış kaplarda

Yüksek Teknoloji Uygulamalarında• Bitki ve tohumlar için mikro iklim kontrollü çevreye sahip sıvı

sistemlerinde, bitkiler üzerine mantar ve bakteri etkisinin arttırılmasında veya düşük sıcaklıkta dona karşı koruma sağlanmasında

• Dizüstü bilgisayarlar gibi elektronik cihazlar için ısı absorplayan boyalarda

• Hassas elektronik parçalar ve diğer teknik cihazlar için aktif soğutma sistemlerinde

• Uçak fren disklerinde kullanılan ve yüksek oranda enerji absorplayan gözenekli karbon maddelerde

Sağlık Alanında• Mikrokapsüllenmiş FDM içeren ortopedik destek

maddelerde• Sıcaklığa duyarlı ilaçların taşınması için mikro gözenekli

köpük kompozitlerde• Travmaya maruz kalan bölgelerin körelmesine karşı

korumayı arttırmak için vücut zırhlarında • Yaraların iyileşmesini hızlandırmak için sıcak bandajlar

ve soğutucu vücut sargılarında • Yatalak hastaların uzun zaman yatmalarından ileri gelen

yatak yarasını azaltmak ve derinin serinletilmesi için destek yüzeylerde

Tekstil Ürünlerinde• Tekstil uygulamalarında mikrokapsüllenmiş FDM’ler,

kumaşların içerisine katılarak soğuğa karşı ısıtma sıcağa karşı serinletme amaçlı

• Yangın giysileri, dalış kıyafetleri, özel çalışma elbiseleri, askeri üniformalar, eldivenler ve ayakkabılar

• Elektrik dirençli ısıtıcı tekstil ürünleri elektrikli ısıtıcı devre içeren özel tekstil ürünleri

Üretilen MikroFDM örnekleri

Yapıca kararlı FDM/Polimer karışımlarının hazırlanması ve karakterizasyonu

• Yapıca ya da şekilce kararlı polimer/FDM kompozit dört önemli avantaja sahiptir:

• 1) FDM polimer örgü yapısı içerisine hapsedildiği için, karışımın sıcaklığı FDM’nin erime sıcaklığının üzerinde iken, herhangi bir FDM sızıntısı gözlenmez. Bu nedenle bu karışımlar yapıca kararlı FDM’ler olarak adlandırılırlar.

• 2) Bu tip karışımlar pratikte kullanılacakları zaman ek bir depolama kabı gerektirmezler.

• 3) Isı depolama ünitesinde ısı transfer ısı iletim hızını arttırdıklarından enerji depolama sistemlerinin verimliliğini arttırırlar.

• 4) Bu tip karışımlar istenilen boyutlarda kolaylıkla ve düşük maliyetle hazırlanabilir.

Yapıca kararlı FDM/Polimer karışımların hazırlanmasında kullanılan metodlar

• FDM ve Polimerin eriyik hallerinin ekstrüzyon metoduyla karışım haline getirilmesi

• FDM ve Polimerin her ikisini de çözebilen bir çözücüde çözülüp sonra homojen olarak karıştırılması ve sonrasında çözücünün uçurulması

FDM/Bina yapı malzemesi kompozitleri• (1) Yapı malzemesin içerisine erimiş haldeki

FDM’nin direkt olarak emdirilmesi

(2) Vakumla emdirme yöntemi

FDM’nin önce mikro ölçekte kapsülleyip sonra bumikroFDM’lerin yapı malzemesine katılması

Kullanılan FDM’ler: Düşük sıcaklıkta (10-30°C) katı-sıvı faz değişimine sahip olanlarKullanılan bina yapı malzemeleri: Alçı, çimento,perlite diatomite, vermikulite gibi killerElde edilen kompozit FDM türleri: Çimonto sıva,alçı sıva, kartonpiyer, tuğla, beton ve diğer

şekillerde

En etkili method:Vakumla Emdirme Metodu

Şekil 7. Vakum emdirme düzeneğinin fotoğraf görüntüsü

Sıvı FDM

Vakum pompası

Isıtıcı

Gözenekli yapı malzemesi

Şekil 6. Vakum emdirme düzeneğinin şematik görüntüsü

Kompozit FDM’ler

Literatürde üretimi ve karakterizasyonu çalışılmış bazı

komposit FDM örnekleri

Kompozit FDM’ler Binalarda Nasıl Kullanılabilirler?

Experimental study of under-floor electric heating system with shape-stabilized PCM plates Kunping Lina

, Yinping Zhanga, ,

, Xu Xua

, Hongfa Dia

, Rui Yang

band Penghua Qin

a

Energy and BuildingsVolume 37, Issue 3, March 2005, Pages 215-

220

SEM Analizleri

Çalışma Grubumuz tarafından hazırlanan ve karakterizeedilen bazı yapıca kararlı kompozit FDM örnekleri

Şekil 12. KA-SA emdirilmeden önce ve sonra GP‘nin fotoğraf ve SEM görüntüleri

Şekil 13. KA-SA emdirilmeden önce ve sonra Alçı‘nın fotoğraf ve SEM görüntüleri

Şekil 14. KA-SA emdirilmeden önce ve sonra VMT‘nin fotoğraf ve SEM görüntüleri

Isıl Enerji Depolama Özelliklerinin Belirlenmesi

Şekil 23. Yapıca kararlı KA-SA/GP kompozit karışımının DSC termogramı

Şekil 22. KA-SA ötektik karışımının DSC termogramı

Şekil 24. Yapıca kararlı KA-SA/Alçı kompozit karışımının DSC termogramı

Şekil 25. Yapıca kararlı KA-SA/VMT kompozit karışımının DSC termogramı

Tablo 7. KA-SA ve KA-SA/GP’nin ölçülen ısıl-fiziksel özellikleri.

FDM Erime sıcaklığı, oC

Erime entalpisi, kJ/kg

Katılaşmasıcaklığı, oC

Katılaşma entalpisi, kJ/kg

KA-SA 25.39 188.15 25.20 184.11

KA-SA/GP 24.82 102.75 23.34 100.41

KA-SA/Alçı 25.64 50.80 24.37 49.51

KA-SA/VMT 25.64 71.53 24.90 69.64

Hazırlanan Kompozitlerin Isıl Depolama Performansları

Şekil 10. Isıl performans ölçüm düzeneğininfotoğraf görüntüsü

Şekil 11. Faz değişimli kompozit duvarlardanyapılı test hücresinin fotoğraf görüntüsü

22.5

23

23.5

24

24.5

25

25.5

26

26.5

27

27.5

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Sıc

aklık

, oC

Zaman, sn

KA-SA/GP'li hücrenin iç sıcaklığı

Saf GP'li hücrenin iç sıcaklığı

KA-SA ötektik karışımı erimiş halde akma davranışı göstermeksizin Yüzeyi Genilşletilmiş Perlit (GP) içerisinde ağırlıkça maksimum hapsedilme oranı oran % 55,

18

20

22

24

26

28

30

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Sıc

aklık

, oC

Zaman, sn

Saf Alçı'lı hücrenin iç sıcaklığı

KA-SA/Alçı'lı hücrenin iç sıcaklığı

KA-SA ötektik karışımı erimiş halde akma davranışı göstermeksizin alçı içerisinde ağırlıkça maksimum hapsedilme oranı oran % 25,

22.5

23

23.5

24

24.5

25

25.5

26

26.5

27

27.5

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Sıc

aklık

, oC

Zaman, sn

KA-SA/VMT'li hücrenin iç sıcaklığı

Saf VMT'li hücrenin iç sıcaklığı

KA-SA ötektik karışımı erimiş halde akma davranışı göstermeksizin Vermikulit (VMT) içerisinde ağırlıkça maksimum hapsedilme oranı oran % 40,

Teşekkürler

page 68

faz deĞİŞİmİ yoluyla isil enerjİnİn depolanmasi ve...

Documents