Experimental investigation of a solar cooker using collector with heat pipes

Abstract

Keywords: Solar cooker; Vacuum-tube collector; Heat pipe; Refrigerant.

1. Gi̇ri̇ş

Dünyada tüketilen enerji, çeşitli kaynaklardan karşılanmaktadır. Bu enerji kaynakları arasında en çok kullanılanları ise fosil kökenli olanlarıdır. Fakat mevcut tüketim hızı ile bu fosil esaslı kaynakların yakın gelecekte tükenme tehlikesi vardır. Bu durum insanlığı çevre dostu ve yenilenebilir alternatif enerji kaynaklarına yöneltmektedir. Güneş enerjisi de bu yenilenebilir enerji kaynaklarından günümüzde üzerinde en çok çalışılan kaynaklardan birisidir. Güneş enerjisi uygulamaları arasında yemek pişiriciler ise son zamanlarda yoğun çabaların sarf edildiği uygulamalardan birisi olmuştur. Yakıtın yüksek maliyeti ve odun arzının azalması, gelişmekte *

Sorumlu Yazar/Corresponding Autor: e-posta: mesen@firat.edu.tr, Tel: (0424) 237 00 00/6155

Experimental Investigation of a Solar Cooker… olan birçok ülkede pişirme için güneş enerjisinin kullanımı üzerine araştırmalara yol açmıştır. Son yıllarda bilhassa fazla güneş ışınımı alan birçok ülkede (Hindistan, Çin, Afrika ülkeleri vb) güneş enerjisi kaynaklı pişiriciler yaygın olarak kullanılmaktadır. Ülkemizde ise güneş enerjisi ile yemek pişirme yöntemi henüz uygulanmamakta ve bu konudaki çalışmalar akademik araştırmalar düzeyindedir. Bol güneş ışınımı alan özellikle güney bölgelerimizde bu pişiricilerin kullanılabileceği düşünülmektedir. Güneş enerjili pişiricilerin geliştirilmesi ile bu sahada tüketilen büyük miktarda enerjiden tasarruf edileceği ve bu amaçla daha çok odun kullanıldığı için ormanlarımızın da azalmayacağı bir gerçektir [1]. Güneş enerjili pişiriciler basitlikleri ve dolayısı ile düşük maliyetlerinden dolayı pratiktir. Şu anda genel olarak kullanılan güneş enerjili pişiriciler kutu tip, yoğunlaştırıcı tip ve düzlemsel termosifon kollektör tipleridir. Kutu tip pişiricilerde yüksek miktarda ısı birikmesinin temel prensibi üst örtüden (örneğin camdan) giren güneş ışınlarının tekrar buradan dışarı yansımaması (sera etkisi) neticesi kutu içi sıcaklığının yükselmesidir [2-7]. Kutu içerisine gelen güneş ışınımını arttırarak içerdeki sıcaklığı daha da yükseltmek için bazen yanlara yansıtıcı aynalar da yerleştirilir [8,9]. Pişirici bir veya daha fazla cam örtüden ve içerisine pişirilecek yiyeceğin konduğu yine üstü örtülü bir kaptan oluşur. Bu tip ısı kutulu pişiriciler güneşi izleyecek şekilde yapılmadıklarından normal olarak pişirme ortamında sıcaklığın ulaşacağı değer çok yüksek olmamaktadır. Güneşi tek eksende veya iki eksende izleyebilen ısı kutulu pişiricilerde kutu iç sıcaklığı daha yüksek olmakta ve pişirme süresi daha da kısalmaktadır [10,11]. Bazı tipleri gizli ısı [12,13] veya duyulur ısı [14] depolamalı da yapılmaktadır. Pişirme sıcaklığı fazla yüksek olmadığından yemeğin pişmesi yavaş olur. Pişirme süresinin uzun olması bazı pişirilecek maddeler için avantaj olduğu gibi bazıları için de dezavantaj olmaktadır. En büyük dezavantajları pişirmenin açık sahada güneş altında ve de gündüz güneş ışınımının olduğu saatlerde yapılmak zorunda olmasıdır. Yoğunlaştırıcılı (odaklayıcılı) tip güneş enerjili pişiricilerde ise güneş ışınımı ya pişirme kabına noktasal olarak doğrudan odaklanır ya da silindirik odaklayıcılı türlerinde silindir eksenine çizgisel olarak yoğunlaştırılıp genellikle burada ısıtılan su veya sıvı yağ benzeri akışkanlar ile pişirme kabına dolaylı olarak aktarılır [15-19]. Çizgisel odaklayıcı vasıtasıyla aynı açıklık alanına sahip noktasal odaklayıcıya kıyasla daha düşük sıcaklıklara erişilmesine rağmen, çizgisel odaklayıcıların imalatı daha basittir. Düzlemsel termosifon kollektör tiplerinde ise buharlaştırılan suyun veya bir soğutucu akışkanın ısısı ile yemek pişirilmektedir [20-25]. Su buharlaştırmalılarda kollektör borularında ısınan su buharlaşarak kolektörün üst tarafındaki yemek kabının altına gelir ve burada ısısını kaptaki yemeğe vererek yoğuşur ve tekrar termosifon prensibine göre kollektörün alt tarafına döner. Ayrıca parçalı bulutlu havalarda da sistemden yararlanılabilir. Bilhassa arası vakumlanmış eş eksenli çift cam boruların en iç tarafına eksenlenmiş ısı boruları içerisine soğutucu akışkan doldurularak oluşturulan düzlemsel kollektörlü pişirme sistemleri düşük ışınımlı havalarda çok daha verimli çalışmaktadır. Bu tür pişiricilerde pişirme ünitesi evin (veya mutfağın) içine yerleştirilerek, diğer tip pişiricilerdeki dış ortamda (yani evin dışında) pişirme işlemini gerçekleştirme dezavantajı da yok edilmektedir. Bu çalışmanın amacı, düşük kaynama noktasına ve yüksek ısı kapasitesine sahip soğutucu akışkanların, bir güneş enerjili pişiriciye entegre edilmiş ısı borulu düzlem güneş kollektöründe ısı geçiş akışkanı olarak kullanılabilirliklerini deneysel olarak araştırmaktır.

2. Deney SETİ

İmal edilen ve deneysel olarak test edilen, ısı borulu düzlem güneş kollektörüne bağlı pişirici sisteminin güneş kollektörü ile çift cam borulu ısı borusu ve pişirici üniteli komple sistemin şematik olarak görünüşleri sırasıyla Şekil 1 ve Şekil 2’de gösterilmiştir. Şekil 2’den görüldüğü gibi güneş enerjili pişirici sistemi başlıca üç üniteden oluşmaktadır: kollektör, ısı boruları, pişirici ünitesi. Düzlem güneş kolektöründe kullanılan altı adet ısı borusunun her birinin dışına iç içe cam

borular yerleştirilmiştir. Kollektörden dışarıya ısı kayıplarını azaltmak için cam boruların arasındaki hava boşaltılmıştır (vakumlanmıştır). Cam borular 1 m uzunlukta olup, dıştaki ve içteki

(b) Şekil 1. Güneş kollektörünün ön görünüşü (a) ve dışı çift cam borulu ısı borusunun kesiti (b) boruların dış çapları sırasıyla 37.6 ve 25.4 mm’dir. Isı boruları üzerine güneş ışınımını odaklamak için, cam borular parabolik yoğunlaştırıcılı krom-nikel reflektörler üzerine yerleştirilmiştir. Kollektör, açıklık alanı 0.96 m2 olacak şekilde 120 cm uzunluğunda ve 80 cm genişliğinde yapılmıştır. Kollektör ısı kayıplarına karşı yanlarından ve altından poliüretan izolasyon maddesi ile yalıtılmıştır. Daha fazla güneş ışınımı soğurabilmeleri için dışları mat siyah boya ile boyanan bakır ısı borularının boyu 1 m ve dış çapı 6.32 mm’dir. Güneş kollektörünün ön yüzünde ısı borularının güneş gören kısımları sistemde bir buharlaştırıcı vazifesi görürken, kollektörün üst

Experimental Investigation of a Solar Cooker… tarafından kolektörü terk edip pişirici ünitesinin altından geçen kısımları da bir yoğuşturucu görevi görmektedir. Isı borularının yoğuşturucu ünitesinden geçen kısımları ısı geçiş yüzeyini arttırmak için kangal şeklinde bükülmüştür. Kollektörün yukarı tarafında yer alan yoğuşturucunun girişinde bakır ısı borularına soğutucu akışkan doldurulup boşaltılması ve vakumlama (ısı borularındaki havayı tahliye etmek) için süpablar monte edilmiştir. Ayrıca çalışma basıncını gözleyebilmek için yoğuşturucu girişinde ısı borusu üzerine manometre de monte edilmiştir. Alüminyum malzemeden olan pişirici alt tablası 25cmx25cm boyutlarında ve 7 kg kütlesinde olup, alt tarafında bir aracı ısı geçiş akışkanı içerisine daldırılmış ısı borularının yer aldığı yoğuşturucu kısmı vardır. Isı borularının kangal şeklinde bükülmüş olduğu yoğuşturucu içerisine aracı ısı geçiş akışkanı olarak 9 litre Mobiltherm-605 yağı doldurulmuştur. Düzlem güneş kolektörünün güneşi gören buharlaştırıcı kısmında ısı boruları içerisindeki soğutucu akışkan güneş enerjisi ile buharlaşmakta ve termosifon prensibiyle pişirme kabının bulunduğu yoğuşturucu bölümüne yükselmektedir. Daha sonra buradaki aracı ısı geçiş akışkanına yüksek orandaki gizli ısısını vererek yoğuşur ve yerçekimi etkisi ile tekrar kolektörün alt tarafına kapalı döngü şeklinde dönerek bir sonraki çevrim için güneş ışınımı ile tekrar buharlaşır. Aracı ısı geçiş akışkanı ise ısı borularından aldığı ısıyı pişirme kabına iletmektedir. Bu aracı ısı geçiş akışkanında depolanan ısı ile pişirici ön ısıtıldığı gibi pişirme işleminden sonra yemeğin sıcak tutulması da sağlanmış olur. Yoğuşturucu kısmında pişirme kabının etrafındaki yağ deposu dışardan yalıtılmış ve 40cmx40cmx60cm boyutlarındaki bir suntadan kutu içerisine yerleştirilmiş olup, yemek kabının yerleştirilmesi ve çıkarılması için üst tarafı açılıp kapanabilir kapaklı yapılmıştır. Kollektör güneye doğru Elazığ enlem derecesinde yatayla 38º eğim yapacak şekilde yerleştirilmiştir.

soğutucu akışkan doldurma manometre üst kapak vakumlama süpabı pişirme kabı süpabı yağ deposu

Şekil 2. Pişirici üniteli ve ısı borulu güneş kollektörlü deney düzeneğinin yan görünüşü

3. Deneyleri̇n Yapilişi VE Ölçmeler

Güneş ışınımı, kollektörle aynı düzlemde yerleştirilen bir solarimetre ile ölçülmüş ve datalogger ile kaydedilmiştir. Çevre hava sıcaklığı gölgedeki bir termometreden okunmuştur. Sıcaklıkları ölçmek için bakır-konstantan (T tipi) ısıl çiftleri ısı borusuna, yoğuşturucu ünitesine ve pişirme kabı içerisine Şekil-2’de gösterildiği biçimde yerleştirilmiştir. Isı borusu dışına ısıl çiftler 30 cm aralıkla tutturulmuştur. Çevre sıcaklığı, kolektörün güneş gören kısmındaki ısı borusu sıcaklığı, ısı borusunun yoğuşturucu giriş ve çıkışındaki sıcaklığı, pişirici alt tabla sıcaklığı, aracı ısı geçiş akışkanı sıcaklığı ve yemek kabındaki sıcaklık deneyler boyunca her yarım saatte bir ölçülüp datalogger ile kaydedilmiştir. İki fazlı termosifon güneş kolektörü ısı borularının içlerindeki hava üstlerindeki süpablar vasıtasıyla boşaltıldıktan (vakumlandıktan) sonra kullanılacak soğutucu akışkan ısı borularına yine aynı süpablardan eşit miktarda doldurulmuştur. Güneş kollektörü ısı borularına değişik güneşli günlerde soğutucu akışkan olarak Freon 404A ve Freon 410A doldurulup çalışılmıştır. Doldurma işleminden sonra, ısı borularının hemen çalışmaması için kolektörün üstü bir örtü ile kapatıldı. Kullanılan soğutucu akışkanların bazı özellikleri Tablo 1’de verilmiştir. Deneylerin yapılacağı her günün sabahında saat 0800’de kollektör camı üzerindeki örtü kaldırılmış ve deney sonuçlarının alınmasına saat 0830’da başlanmıştır. Ölçülen güneş ışınımı ve bütün sıcaklık değerleri datalogger tarafından her on dakika ara ile kaydedilmiştir. Deneysel sonuçlar akşam 2000’ye kadar kaydedilmiştir. Bütün pişirme deneyleri, uluslararası güneş enerjili Tablo 1. Kullanılan soğutucu akışkanların karakteristik özellikleri Soğutucu Akışkanların Özellikleri Kmol kütlesi, (kg/kmol) Kaynama noktası (1 atm.’de) (°C) Kaynama noktasında buharlaşma gizli ısısı, (kJ/kg)

Sıvı yoğunluğu (25 °C’de), (kg/m3) Doymuş sıvının buhar basıncı (25 °C’de), (kPa) Sıvının özgül ısısı (25 °C’de), (kJ/kgK) Buharın özgül ısısı (1 atm. ve 25 °C’de), (kJ/kgK) Sıvının ısıl iletkenliği (25 °C’de), (W/mK) Buharın ısıl iletkenliği (1 atm.’de), (W/mK) Kritik sıcaklık, (°C) Kritik basınç, (kPa) ODP, CFC-12=1 GWP, CO2=1

pişiricileri test etme ve performansını rapor etme yöntemine göre gerçekleştirilmiştir [26]. Buna göre deneyler rüzgar hızının 1 m/s’den küçük ve çevre hava sıcaklığının 21-36 ºC arasında olduğu günlerde yapıldı. Su ısıtma deneylerinde su sıcaklığının 40-97 ºC aralığında data kaydı yapıldı. Ayrıca güneş ışınımındaki değişimin 10 dakikada 100 W/m2’yi aştığı deneyler ile güneş ışınımının 450 W/m2 altında ve 1100 W/m2 üstünde olduğu deneylerin sonuçları değerlendirmeye alınmamış ve pişirme deneyleri saat 1000 ile 1500 arasında yapılmıştır.

4. Sonuçlar VE Tartişma

Deneyler ısı borularının çalışmasını test için öncelikle ısı borularında ısı geçiş akışkanı olarak su kullanılarak yapıldı ve bu deneyde pişirme kabında su ısıtıldı. Pişirme deneyleri ise ısı borularına değişik günlerde Freon 404A ve Freon 410A doldurularak yapıldı. Şekil 3’de kollektörün su ile

Experimental Investigation of a Solar Cooker… test edildiği günün dış hava sıcaklığı ve 38º eğimli kollektör yüzeyine gelen güneş ışınım değerleri gösterilmiştir. Şekil 4’de ise aynı test gününde kollektörlü pişirme sisteminin değişik noktalarında ölçülmüş sıcaklıkların zamanla değişimi verilmiştir. Bu deneyde 40 ºC’deki 7 litre su ile doldurulan pişirme kabı pişirici alt tablası üzerine yerleştirilmiştir. Kaptaki su sıcaklığı yaklaşık suyun kaynama noktası 97 ºC’ye her ulaştığında kap boşaltılarak 40 ºC’deki ve aynı miktardaki su ile tekrar doldurulmuştur. Şekil 4’deki beş sıcaklık eğrisinde de tepe noktaların yaklaşık eşzamanlı bir görünüş sergilemesi pişirici alt tablası ile yemek kabı arasında yüksek bir ısıl iletkenliğin olduğunu göstermektedir. Saat 0830’dan 1815’a kadar geçen süre zarfında suyun 97 ºC’ye kadar ısıtılma işlemi altı defa gerçekleştirilebilmiştir. Suyun bu yaklaşık kaynama noktasına kadar ısıtılma işlemlerinden en kısa süreni güneş ışınımının maksimum olduğu saat 1230 ile 1330 arasında yaklaşık 1 saat olmuştur. Kabın su ile yedinci dolduruluşundan sonra bile akşamın geç saatlerinde su sıcaklığı 60 ºC’ye ulaşabilmiştir. Dolayısıyla bu ısı borulu kollektör ile böylece diğer klasik tek fazlı güneş kollektörlerinde geç saatlerde veya ışınımın olmadığı gece saatlerinde görülen terse akış problemi de olmamaktadır. Saat 0830 ile 2000 arasında kollektör üzerine gelen günlük toplam 7 kWh güneş enerjisinin yaklaşık % 42’sine denk gelen 2.95 kWh enerji pişirme kabı içerisine aktarılmıştır. Isı borusu boyunca sıcaklık düşümü (T1, T2, T3) yoğuşturucu ve pişirici alt tablası (T3ÆT4) ile alt tabla ve pişirme kabı arasındaki (T4ÆT5) sıcaklık düşümüne göre daha azdır. Farklı soğutucu akışkanlar için pişirici performansını değerlendirebilmek için, benzer güneş ışınımı, dış hava sıcaklığı ve rüzgar hızı değerlerine sahip günlerde gerçekleştirilen yemek pişirme deneylerinin sonuçları bu çalışmada verilmektedir. Pişirme deneyleri açık (güneşli) günlerde gerçekleştirilmiştir. Her pişirilecek yiyecek günün aynı saatlerinde pişirilmiş ve her pişirme günü ısı borularında değişik soğutucu akışkan kullanılmıştır. Pişirme deneyleri belirli miktarda yiyecek malzemeleri pişirmek için yapılmış ve pişirme süreleri belirlenmiştir. Isı borularında soğutucu akışkan olarak Freon 404A ve Freon 410A kullanılarak yapılan deneylerde belirlenen pişirme süreleri ve pişirme günlerine ait toplam ışınım ve ortalama dış hava sıcaklık değerleri Tablo 2’de verilmiştir. Tablodaki değerlerden görüldüğü gibi Freon 404A kullanılan günde kollektör üzerine gelen günlük toplam güneş ışınımı değeri ve ortalama dış hava sıcaklığı daha yüksek olmasına rağmen, Freon 410A kullanılan günde daha kısa pişirme süreleri elde edilmiştir. Bu önemli sonuç muhtemelen Freon 410A’nın diğer soğutucu akışkana nazaran daha düşük kaynama noktası ve daha yüksek gizli ısı değerinden kaynaklanmaktadır.

31. Temmuz 2002

Günün saatleri Şekil 3. Güneş ışınımı ve dış hava sıcaklığının zamanla değişimi

31. Temmuz 2002

Isı borusu akışkanı: su 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 08:0 09:0 10:0 11:0 12:0 13:0 14:0 15:0 16:0 17:0 18:0 19:0 20:0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Şekil 4. Pişirme sisteminde değişik noktalardaki sıcaklıkların zamanla değişimi Tablo 2. Değişik soğutucu akışkanlara göre pişme süreleri Deney tarihi Kollektör yüzeyine gelen günlük toplam güneş ışınımı (kWh) Günlük ortalama dış hava sıcaklığı (°C) Pişirilen yiyeceklerin adı ve miktarı (gr) 250 gr pirinç (400 gr suda) 250 gr makarna (400 gr suda) 500 gr patates (400 gr suda) 250 gr tavuk (300 gr suda) Omlet (3 yumurtalı) Çay (4 fincan)

5. Ağustos 2002

Bu çalışmadan görülmektedir ki, ısı borularında soğutucu akışkanın kullanıldığı kolektöre bağlı güneş enerjili pişirici ile 27-70 dakika aralığında kalacak şekilde kısa pişirme süreleri elde edilmektedir. Ayrıca su kaynatma işlemlerinde elde edilen süreler de kısadır. Ayrıca sonuçlardan anlaşılmaktadır ki, soğutucu akışkan içeren ısı borulu güneş kollektörlü pişiricide, pişirme süreleri yalnızca meteorolojik şartlara değil, kullanılan soğutucu akışkanın termofiziksel özelliklerine de bağlıdır. Bu nedenle soğutucu akışkan seçimi, meteorolojik şartlar ve kollektörlü pişiricinin konstrüksiyon parametreleri birlikte göz önüne alınmalıdır. Isı kutulu ve odaklayıcılı diğer klasik güneş enerjili pişiricilere göre bu çalışmada değerlendirilen düzlem kollektörlü güneş enerjili pişirici daha pahalı ve kompleks olmasına

Experimental Investigation of a Solar Cooker… rağmen, pişirme işleminin güneş altında değil de evin (veya mutfağın) içinde de gerçekleştirilebiliyor olması ve özellikle odaklayıcılardaki pişirme işlemini gerçekleştiren kişinin gözlerine güneş ışınımının odaklanabilmesi riskinin olmaması avantajlarına da sahiptir. Ayrıca sistemdeki pişiricide ön ısıtma yapıldığı zaman performans daha da artmaktadır.

Semboller

: Kollektör yüzeyine gelen güneş ışınımı, W/m2 : Küresel ısınma potansiyeli : Ozon tüketme potansiyeli : Dış hava sıcaklığı, ºC : Kollektör kısmında ısı borusu sıcaklığı, ºC : Yoğuşturucuya girişte ısı borusu sıcaklığı, ºC : Yoğuşturucudan çıkışta ısı borusu sıcaklığı, ºC : Pişirici alt tabla sıcaklığı, ºC : Pişirme kabındaki yiyeceğin sıcaklığı, ºC

Share and Cite