IŞIMA TEMELLİ - WordPress.com

IŞIMA TEMELLİ
ISI DEĞİŞTİRİCİ
RADIATION BASED
HEAT EXCHANGER
HALİL İBRAHİM SOYLU
Makine Mühendisi
E-mail:[email protected]
SUNUŞ
Artan maliyetler ve çevre hassasiyetlerinin gelişmesi enerjini üretim ve
kullanımında verimliliği artıracak gelişmeleri zorunlu hale getirmektedir. Bu çabalar
daha çok eldeki bilgi birikimi ışığında yürütülmekte ancak bilginin kendisinin
soruşturulmasına ihtiyaç duyulmamaktadır. Ulaşılabilecek en yüksek verimliliği
belirleyen ve sınırlayan kuralların en önemlisi ısının ancak yüksek sıcaklıktan
düşük sıcaklığa doğru akabileceğini kayıt altına alan termodinamiğin ikinci
kanunudur. Son yıllarda kanunun bu sınırlamalarının belli şartlar altında
istisnaları olabileceğine dair iddialar ileri sürülmektedir. 2002 yılında San
Diego/Amerika’da gerçekleştirilen “Quantum Limits to the Second Law” konulu
konferans alanında bir ilk çalışmadır. Literatürde yer alan diğer çalışmaların daha
çok nano ölçekli kuantum sistemlerinin durumu ile ilgili olduğu görülmektedir. Öne
sürülen iddiaları değerlendirme ve cevaplandırma mahiyetindeki açıklamalar
karşısında durum netleşene kadar aynı yöndeki çabaların süreceği açıktır. Konu ile
ilgili yazılanlar değerlendirildiğinde iddia sahiplerinin öncelikle büyük sistemlerde
termodinamiğin ikinci kanunun deneysel olarak ispat edildiğini varsaydıkları
günümüzde giderek artan oranda ilgi alanına giren nano ölçekli sistemlerin
durumunun belirsiz olduğunu kabul ettikleri görülür. Nano ölçekli sistemlerin
durumunu bir kenara bırakırsak büyük ölçekli sistemler için ispat edildiği
varsayılan
termodinamiğin
ikinci
kanunundaki
belirsizliğin
sürdüğünü
söyleyebiliriz. Çünkü delil olarak öne sürülen fiziksel gerçeklikler daha çok ısı
transferinin iletim ve taşınım yolu ile gerçekleşmesine aittir. Işıma yolu ile ısı
transferi konusundaki teorik ve pratik birikim uzay çalışmalarında duyulan ihtiyaç
sebebiyle son elli yılda daha çok artmıştır. Günümüzde termodinamiğin ikinci
kanununun ışıma ile ısı transferi konusu ile ilgili olarak yeniden yorumlanması
gerektiğini düşünülebilir. Ekte verilen teorik çalışma denemesinde kanunun teorik
sınırlamalarının aşılabileceği açıklanmaya çalışılmıştır. Bu çalışma ışığında
geliştirilecek ışıma temelli ısı değiştiricileri ile ısıl çevrimlerin toplam verimleri ve
atık ısı geri kazanımı artırılabilir. Tasarlanacak ışıma temelli ısı değiştiricileri
yaklaşık 700 K sıcaklığından düşük sıcaklıklarda ve havasız ortamda çalışabilirler.
Günümüz teknolojisiyle imal edilebilecek bu sistemin iki olumsuz yönü yüksek
maliyet ve fazla hacim ihtiyacıdır. Bu sistem güneş enerjisinin yüksek oranda
elektrik enerjisine çevrilmesinde kullanılabilir.
Halil İbrahim Soylu
Mak. Müh.
TEORİ
İdeal olarak tasarlanmış iki siyah yüzey ve tamamen emici ortamdan oluşan
sistem için ısı alışverişi hesaplamasında ısıl denge konumundaki durumu veren
eşitlik aşağıdaki gibidir:
Ti = ( Aj*Fji / Ai*Fij )1/4 Tj
(1)
Eşitlikte Ai ve Aj yüzey alanları Fij ve Fji yüzeylerin birbirleri ile ilgili şekil
faktörleridir. Kökün altındaki ifade karşılıklılık bağıntısı gereği her zaman birdir ve
ısıl denge durumunda yüzeylerin sıcaklıklarının eşit olduğunu gösterir başka bir
değişle sıfır yansıtıcı olarak kabul edilir.
DÖRT YÜZEYLİ IŞIMA: Birbirine zıt iki yüzeyin (i ve j) siyah cisim
ε=1, diğer
iki yüzeyin (m ve n ) mükemmel yansıtıcı ε=0 olduğu dört yüzeyden oluşan ve
dışarı ile ısı alışverişi engellenmiş aşağıdaki gibi bir izole bir sistemimiz olsun.
Yüzeylerin denge konumundaki sıcaklıklarını veren eşitlik (1), yüzeylerin
sıcaklıklarının alan ve şekil faktörlerinin çarpımına bağlı olduğunu gösteriyor.
Şekilde i yüzeyinden çıkan bütün ışımanın doğrudan veya yansıyarak j yüzeyine
ulaştığı görülür. Bu durumda i yüzeyinin şekil faktörü Fij=1 olur. j yüzeyinden
çıkan ışıma ise ikiye ayrılır. Bir kısmı doğrudan veya yansıyarak karşı i yüzeyine
gider bir kısmı da j yüzeyinin yan yüzeylerle yaptığı açıya bağlı olarak tekrar geriye
dönerler. Yukarıdaki eşitlikte kökün içinin 1 kalabilmesi için j yüzeyinin alanı ile
şekil faktöründeki değişimin çarpımının 1 olması gerekir. Her iki yüzeyin farklı
uzunlukları ve j yüzeyinin m ve n yüzeyleri ile yaptığı farklı açılarla yapılan
hesaplamalar sonucun 1 olduğunu gösterir. Buraya kadar yapılan hesaplamalarda
yüzeylerin ışımasının yön ve dalga boyundan bağımsız olduğu varsayıldı. Eğer
yüzeylerin ışıma özellikleri yönden bağımsız değilse yani ışımanın yüzey normaliyle
yaptığı açı değiştikçe ışıma değeri değişirse sonuç ne olur?
Yöne bağlı olarak ışımadaki değişim aşağıdaki şekilde verildiği gibi olsun.
Işımanın açıya bağlı olarak 0° ile 80° arası 1 , 80° ile 90° arasında 0 (sıfır)
olduğunu varsayalım.
Yukarıdaki yüzeyler için şunları yazabiliriz:
Toplam ışıma = Karşı yüzeye giden ışıma + Geri dönen ışıma
Ai*σ Ti4 = Ai*Fij* σ Ti4 + Ai*Fii* σ Ti4 Fii =0
Ai*σ Ti4 = Ai*Fij* σ Ti4
olduğu için eşitlik
(2)
Aj* σ Tj4 = Aj*Fji* σ Tj4 + Aj*Fjj* σ Tj4 (3) Fjj ≠ 0
olduğu için
terim kalır.
Stefan-Boltzmann kanununa göre yüzeyin yaptığı toplam ışıma
değişmeyeceğinden ışımanın yöne bağlı olarak değişmesi durumunda geri dönen
ışımanın azalacağı ve karşı yüzeye giden ışımanın artacağı açıkça görülür. Bu
durumda 1 numaralı eşitlikteki parantez içinin değeri 1’den farklı olur.
Parantez içinin farklılığı ısıl denge halinde yüzey sıcaklıklarını farklılaştırır.
Böyle bir sistemde yüzey sıcaklıklarının aynı olduğu ilk durumdan ısıl denge
konumuna ulaşmak için düşük sıcaklıktaki yüzeyden yüksek sıcaklıktaki yüzeye
doğru ısı transferi gerçekleşir.
Bu sonuç termodinamiğin ikinci kanunu ile ilgili ısı akışının ancak yüksek
sıcaklıktaki bir yüzeyden düşük sıcaklıktaki bir yüzeye olabileceği Clausius
ifadesine uymaz. Fakat en azından ideal şartlar altında mevcut varsayımlar ile yöne
bağlı ışıma özelliklerinin değişimi göz önüne alınarak yapılan hesaplamalarda ısıl
dengenin farklı sıcaklıklarda olabileceği matematiksel bir gerçektir. Sonuç teorik
olarak ısı dinamiğinin ikinci kanunundaki “ısı ancak yüksek sıcaklıktaki bir
yüzeyden düşük sıcaklıktaki bir yüzeye akar” şeklindeki Clausius ifadesinde
yenilemeyi gerektirir. Ayrıca bu sonucun kabulü enerjinin verimli kullanılması
yolunda önümüze yeni kapılar açar. Günümüzde kullanılan ısı değiştiriciler daha
çok iletim ve taşınım yoluyla ısı transferi gerçekleştirecek şekilde tasarlanmışlardır.
Sadece ışıma yoluyla ısı transferinin oluştuğu ısı değiştiriciler tasarlayarak termik
sistemlerin verimi artır
Işıma temelli ısı değiştirici kullanımın avantajları:
 Işıma temelli ısı değiştirici kullanımı sistemin toplam verimini artırır.
Sistemde oluşan atık ısının soğutma sistemi ile dışarı atılması yerine geri
kazanılması sonucu sistemin toplam verimi artırılır.
 Belli bir güç için oluşan CO2 üretimini azaltır. Çevrecidir.
 Isıl çevrimde sistemi basitleştirir. Buhar kazanına giden suyun
sıcaklığı bu ısı değiştirici ile artırıldığı için besleme suyu sıcaklığını
artırmak için sistemde tasarlanan yardımcı donanıma gerek kalmaz.
Her türlü ısı değiştirici ihtiyacı olan yerlerde kullanılabilir.
Sıralamak gerekirse:
 Kojenerasyon tesislerinde: kojenerasyon tesislerinde elektrik üretimi
için kullanılan güç düşümü yapılmadan atık ısıdan buhar üretimi
yapılabilir.
 Termik santraller
 Güneş enerjisi sistemleri
 Jeotermal güç tesisleri
Dezavantajları:
 Sistem havasız ortamda çalışabilir.
 Fazla hacim ihtiyacı duyar.
 İlk yatırımı pahalıdır.
Farklı ışıma profiline göre ısı transferi durumu: