T.C.
TRAKYA ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
TOPRAK HAVA ISI DEĞİŞTİRİCİSİNİN BİLGİSAYAR DESTEKLİ ISIL ANALİZİ
PROJE-3
1120201021 Çağatay AKINCI
DANIŞMAN: Dr. Öğr. Üyesi Birsen ERDOĞAN
Mayıs 2018
EDİRNE
ÖZET
Bu çalışmada Edirne’de, sürekli çalışma koşulları altında toprak hava ısı değiştiricisi (THID) kullanılarak termal konforunu sağlamak için pasif jeotermal soğutma teknolojisi kullanılmıştır. THID termal performansı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) COMSOL Multiphysics 5.3a programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Teknik resim çizimleri SOLIDWORKS programı kullanılarak yapılmıştır. Yapılan çalışmada Edirne ili için temmuz ayı sıcaklık verisi kullanılmış olup S tipi THID sistemi seçilmiştir. Borular arasındaki mesafenin 0.25 m, 0.5 m, 0.75 m, 1 m, 1.25 m ve 1.5 m, boru çapının 100 mm, 200 mm ve 300 mm, toprak derinliğinin 1 m, 2 m ve 3 m, boru malzemesinin alüminyum, bakır, çelik, PVC, tuğla ve beton, boru uzunluğunun ise 3 m, 5 m ve 7 m olması durumlarının hava çıkış sıcaklığı üzerine etkileri incelenmiştir.
Analizler sonucunda borular arasındaki mesafe, toprak derinliği, boru uzunluğu arttıkça, boru çapında ise kütlesel debi korunduğu taktirde çap arttıkça çıkış sıcaklığının düştüğü gözlemlenmiş olup boru malzemesinin çıkış sıcaklığı üzerinde kayda değer bir değişim yaratmadığı görülmüştür.
Anahtar Kelimeler : Toprak Hava Isı Değiştiricisi, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, Sıcaklık
ABSTRACT
In this study, passive geothermal cooling technology was used to provide thermal comfort using the earth air heat exchanger (EAHE) under continuous operating conditions in Edirne. The EAHE thermal performance was calculated using the Computational Fluid Dynamics (CFD) program COMSOL Multiphysics 5.3a. Technical drawings were made using SOLIDWORKS program. In this study, temperature data of July in Edirne province was used and S type EAHE system was chosen. The effects of the conditions that the distance between the pipes is 0.25 m, 0.5 m, 0.75 m, 1 m, 1.25 m and 1.5 m, the pipe diameter is 100 mm, 200 mm and 300 mm, the soil depth is 1 m, 2 m and 3 m, pipe material is aluminum, copper, steel, PVC, brick, concrete and pipe length is 3 m, 5 m and 7 m on the air outlet temperature were investigated. As a result of the analyzes, it was observed that as the distance between the pipes, the depth of the soil and the pipe length increase; for pipe diameter, while mass flow is maintained, the output temperature decreases with the diameter increases and the pipe material did not cause any significant change in the outlet temperature.
Keywords : Earth Air Heat Exchanger, Computational Fluid Dynamics, Temperature
1.GİRİŞ
Dünya’da sürekli artan enerji talebi ve buna paralel olarak mevcut enerji kaynaklarının hızla tüketimi dünya ülkelerini yeni enerji kaynakları arayışına yöneltmiştir. Enerji talebinin karşılanmasında meydana gelen sorunlar ve aşırı fosil yakıt tüketimine bağlı olarak küresel ısınmanın etkilerini belirginleştirmesi, enerjinin güncel bir sorun olmasına ve Dünya’nın ana gündem maddesi haline gelmesine neden olmuştur. Özellikle gelişmiş ülkeler; enerji talebinin karşılanmasındaki problemlerin çözümü için enerji ana gündem maddesi ile sık sık toplantılar düzenlemektedir. Bu ülkeler enerji arz ve talep dengesini ayarlamak için çalışmaktadırlar.
Günümüzde, ülkemizde artan nüfus ile birlikte enerji kaynakları tükenmekte bununla birlikte yenilenebilir enerji kaynaklarına eğilim artmaktadır. Ülkemiz yenilenebilir enerji kaynakları bakımından dünyanın en zengin ülkelerinden birisidir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının başında güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi, hidrolik enerji ve jeotermal enerji gelmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının en büyük özellikleri saf, tükenmeyen, kolay ve ucuz bir şekilde temin edilebilmesidir.
Yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde önemli bir yere sahip olan jeotermal enerji günümüzde genel olarak konutların ısıtılması ve soğutulması, seraların ısıtılması, elektrik üretimi ve turizm gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, jeotermal enerjiden yararlanarak Edirne ilindeki tipik bir konutun sürekli çalışma koşulları altında toprak hava ısı değiştiricisi (THID) kullanılarak pasif olarak soğutulması hedeflenmektedir. Literatür araştırmasında benzer çalışmaların ağırlıklı olarak deneysel yapıldığı tespit edilmiştir [1]. Bu çalışmada deneysel çalışmalardaki zaman ve para kaybını azaltmak için COMSOL Multiphysics 5.3a programı kullanılmıştır.
Toprak hava ısı değiştiricisinin termal analizi için Edirne ilinin 1981-2010 yılları arasında temmuz ayının maksimum ortalama sıcaklık değeri kullanılmış olup, bu veri Meteoroloji Genel Müdürlüğünden alınmıştır [2].
1.1. TOPRAK-HAVA ISI DEĞİŞTİRİCİSİ
Toprak enerjisi eskiden beri bilinen bir ısı kaynağıdır. Günümüzde toprak, daha çok ısı pompaları için kaynak veya kuyu olmaktadır. Toprak kaynaklı ısı pompalarında akışkan boruları dikey veya yatay olarak toprak altına döşenmektedir. İklimlendirme, sera ve havalandırma sistemleri için toprağın enerji kaynağı veya kuyu olması ise biraz göz ardı edilmiştir. Ancak iç hava kalitesinin önem kazanması ve enerji maliyetlerinin artması ile hava-toprak ısı değiştiricilerine bir yönelmenin olacağı beklenmektedir.
Toprağın yüksek ısıl kapasitesi ve ortam havasına göre sıcaklık dalgalanmalarının düşük olmasından dolayı toprak altı ısısı rahatlıkla kullanılabilir. Kışın toprak yüzeyinden derine inildikçe toprak sıcaklığı artmakta, yazın ise azalmaktadır. Yeterli bir derinlikte, toprak sıcaklığı dış ortam sıcaklığına göre yazın daha düşük ve kışın ise daha yüksektir. Bu sıcaklık farkı kullanılarak, hava, toprağa gömülmüş kanal veya borulardan geçirilerek, yazın soğutulur, kışın ise ısıtılır. Bir Toprak-Hava Isı Değiştiricisi (THID) sistemi Şekil 1.1.’ de gösterildiği gibi borulardan ve hava hareketini sağlayan bir fandan meydana gelir.
Toprak-hava ısı değiştiricisi (THID) teknolojileri kullanılarak ısıtma, soğutma ve havalandırma enerji maliyetleri azaltılabilir. Teorik ve deneysel çalışmalara göre, bir THID sisteminin ısıl verim ve performansına aşağıdaki parametreler etki eder.
1. İklimsel şartlar ve coğrafik konum: THID sistemleri dış ortam iklim şartlarından etkilenirler. Çok sıcak iklimli çöllerde THID sistemi, soğutma için en uygun yerler olmasına rağmen, ısıtmada ılıman ve sıcak yerlerde çok uygun değildir.
2. Toprak çeşidi: Yüksek ısıl iletkenliğe, yüksek yoğunluğa ve yüksek ısı kapasitesine sahip topraklar THID için uygundur. Bu toprak özelliklerinin enerji depolama üzerine katkısı sırasıyla %79, %48 ve %33’tür.
3. Boru özellikleri: Boru, pratik uygulama durumuna göre seçilmelidir. Örneğin suya doymuş topraklarda beton boru kullanılmamalı ve su izolasyonu yapılmalıdır. Bununla birlikte boru malzemesinin enerji depolaması üzerine etkisi çok önemli değildir. Boru malzemesi olarak metal veya PVC kullanılmaktadır. Boru uzunluğu da kapasiteyi belirler. En uygun boru uzunluğu iklim koşullarına ve istenen kapasiteye göre belirlenir. Tan ve Love, THID sistemlerinde daha büyük çaplı boruların kullanımı ve toprak sıcaklığının çekilen ısı üzerine etkisi ile ilgili literatür taraması yapmışlardır. Çok büyük çaplı (900 mm’den büyük) boruların sistem performansı üzerine etkisinin düşük olduğunu tespit etmişlerdir.
4. Gömme derinliği: Gömme derinliği artıkça toprak ve hava arasındaki sıcaklık farkı artacak ve dolayısıyla enerji alışverişi de artacaktır. Toprak derinliği artıkça sistem kapasitesi de artmaktadır. Boruların derinliği bütün sistemin verimini etkilemektedir. Boruların 2 m derinlikte gömülmesi yıl boyu sıcaklık ve kazma maliyeti açısından uygun olduğu söylenmektedir. Fakat optimum derinliğin 3 m olduğunu söyleyenler de bulunmaktadır. Gömme derinliğinin THID sıcaklık kazanımı üzerine etkisi boru uzunluğundan daha fazladır. Bununla birlikte sistem maliyeti, toprak kaya yatağı derinliği ve su kodu gibi faktörler gömme derinliğini sınırlamaktadır. Özgener ve ark., derinlik ve zamana bağlı günlük toprak sıcaklığını tahmin eden bir model geliştirmişlerdir.
5. Hava debisi: Yüksek hava debileri sistem performansını azaltmaktadır. Çünkü bir THID’nin ısıl performansı toprak ve boru içinden geçen hava arasındaki ısı transferine bağlıdır. Yüksek hava hızı çekilecek ısı açısından istenmez. Yüksek hava hızı, çıkış sıcaklığını düşürür.
1.2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI
Toprak hava ısı değiştiricileri genel olarak kullanıldıkları mevsimlere göre bulundukları ortamları pasif olarak ısıtır veya soğuturlar. Bu sistemlerin termal performansları, genelde kullanılan boruların çapları ve yerleşimlerine, boru uzunluklarına, saptırıcı sayılarına ve hava giriş hızlarına göre değişir. Literatür araştırmasında THID sistemlerinin genel olarak boru çapları ve hava giriş hızları değiştirilerek ısı değiştiricisinin termal performansları irdelendiği görülmüştür.
Bansal vd., çalışmalarında toprak boru hava ısı değiştirici sistemlerini kullanarak kışın bina ısıtma yükünü azaltmak için araştırma yapmışlardır. Toprak boru hava ısı değiştirici modeli Fluent simülasyon programı için geliştirilmiştir. Çalışma parametreleri etkileri (boru malzemesi, hava hızı) ile toprak boru hava ısı değiştiricisinin termal performansını incelemişlerdir. Çelik ve PVC borular üzerinde yapılan araştırmalarda toprak boru hava ısı değiştirici sisteminin performansının önemli ölçüde gömülü boru cinsinden etkilenen olmadığını, borudan geçen hava hızının büyük ölçüde toprak boru hava ısı değiştirici sisteminin performansını etkilediğini bulmuşlardır. 23.42 m uzunluğunda ve 0.15 m çapında bir boru için 2-5 m/s arasında değişen akış hızlarında 4.1 – 4.8 K sıcaklık artışı olduğunu tespit etmişlerdir.
Bansal vd., çalışmalarında toprağın termal iletkenliği ve toprak hava tüneli ısı değiştiricisinin sürekli çalışma süresince termal performansını HAD simülasyonu kullanarak farklı boru uzunlukları için araştırmışlardır. Toprak hava tüneli ısı değiştiricisinin termal performansı 36 saat boyunca HAD simülasyonu gerçekleştirilerek analiz edilmiştir. 15.6 K, 17.0 K ve 17.3 K maksimum hava sıcaklık düşüşü sırasıyla termal iletkenlikleri 0.52 W/ mK, 2 W/ mK ve 4 W/ mK olan topraklarda gözlemlenmiştir.
Wu vd., toprak hava boru sistemlerinin soğutma kapasitesini ve termal performansını tahmin etmek için sayısal ısı transferi ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğine dayalı bir geçici ve örtük model geliştirmişlerdir. Sistemin termal performansını etkileyen önemli değişkenler olarak uzunluk, yarıçap, gömülü boru derinliği ve gömülü borudaki hava akış hızı olarak belirlenmiştir. Farklı boru uzunluklarını (20 m, 40 m, 60 m) kullanarak yapılan simülasyon sonuçlarında, uzun borularda yüksek soğutma kapasitesi elde etmişlerdir. Aynı zamanda farklı yarıçaplarda (0.1 m, 0.2m, 0.3 m) yapılan simülasyon sonuçlarında çap büyüdükçe çıkış hava sıcaklığının arttığını tespit etmişlerdir.
Krarti vd., bir yeraltı hava tünelinin enerji performansını belirlemek için geliştirilen basitleştirilmiş bir analitik model kullanmışlardır. Model hava tünel topraklama sisteminin çalışmasından birkaç gün sonra periyodik ve yarı-kararlı hal davranışına ulaştığını varsaymışlardır. Parametrik analiz tünel hidrolik çapının ve tünel içinde hava ve toprak arasındaki ısı transferi ile ilgili hava akış hızının etkisini belirlemek için gerçekleştirilmiştir.
Al-Ajmi vd., sıcak ve kuru iklim şartlarında toprak hava ısı değiştiricisi ile tipik bir binanın soğutulmasını amaçlamışlardır. Simülasyon sonuçlarında toprak hava ısı değiştiricisinin yazın pik saatlerinde (Temmuz ortası) 2.8 K’lik bir iç sıcaklık azalması ile pik soğutma yükünde 1700 W’lık bir azalma olduğunu tespit etmişlerdir. Yaz sezonu boyunca toprak hava ısı değiştiricisinin %30 oranında tipik bir evde soğutma enerji talebinin azaltılması için yeterli potansiyele sahip olduğunu tespit etmişlerdir.
Bansal vd., çalışmalarında toprak hava ısı değiştiricisinin termal performansı analizi için 3.7 m derinliğe gömülü 23.42 m uzunluğunda 0.15 m iç çapında yatay silindirik PVC boru kullanmışlardır. Toprak hava ısı değiştiricisinin geometrik modellemesi Gambit’te yapıldıktan sonra termal konfor şartları HAD modelleme kullanılarak simülasyon yapılmıştır. Yapılan çalışmada hava sıkıştırılamaz olarak varsayılmıştır. Sistemin saatlik analizi termal konfor şartlarının sağlanması için sistem tarafından verilen havanın uygunluğu için yapılmıştır.
Zhang vd., çalışmalarında büyük kanalların hava akışını ve termal davranışlarını araştırmak için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği yazılımını kullanmışlardır. Kanal uzunluğu, yükseklik, genişlik, giriş boyutu, sıcaklık farkı (yüzey ve giriş havası arasındaki) toplu hava hızı ve çalışma modu ısı taşınımı için etkili parametreler olarak tespit edilmiştir. Yerel ısı transferi oranlarının toprağa enerji akışını ve toprak hava ısı değiştiricisinin enerji verimliliğini belirlemek için çok önemli olduğunu tespit etmişlerdir.
Bansal vd., çalışmalarında toprak hava ısı değiştiricinin performansını arttırmak için ısı değiştiricinin çıkışına bir buharlaştırmalı soğutucu entegre etmişlerdir. Entegre sistemin saatlik analizi HAD modelleme kullanılarak sıcak ve kuru iklim koşullarında Fluent paket programı ile incelenmiştir. Araştırmalarını, bir yılın her saat için entegre toprak hava ısı değiştiricisi – evaporatif sisteminin performansını bulmak için yapmışlardır.
Gan, çalışmasında değişen toprak ve atmosfer koşulları altında toprak hava ısı değiştiricisinin termal performansını araştırmıştır. Bir bilgisayar programını toprak hava ısı değiştiricisi termal performansının simülasyonu için geliştirmiştir. Yüksek yoğunluklu polietilenden yapılan ısı değiştiricisi 200 mm dış çapa ve 7.7 mm bir duvar kalınlığına sahiptir. Çalışmada ısı değiştiricisinin uzunluğu ısıtma işlemi için incelenmiştir. Isı değiştiricisi, toprak ve besleme havası arasında doğrudan ısı ve nem etkileşimlerinin ısı transfer kapasitesi üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu bulmuştur.
Mathur vd., geçici koşullar altında toprak hava tüneli ısı değiştiricisinin termal performansını üç farklı toprak çeşidi üzerinde incelemişlerdir. Toprak hava ısı değiştirici olarak 40 m uzunluğunda 0.1 m dış çapına sahip bir PVC boru kullanmışlardır. Gambit’te geliştirilen HAD modeli Fluent’te simülasyonu yapıldıktan sonra deneysel verilerle doğrulanmıştır. HAD analizi, üç boyutlu bir geçici rejim kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Hava ve toprak arasındaki hava sıcaklık düşüşü ve ısı transferi toprakların farklı termal özellikleri dikkate alınarak hesaplanmıştır.
Bisoniya vd., toprak hava ısı değiştirici sisteminin ısıtma/soğutma potansiyelini değerlendirmek için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğine dayalı 3-D modelini geliştirmişlerdir. Toprak hava ısı değiştiricisi sistemi 19.228 m gömülü boru uzunluğuna, 0.1016 m boru çapına ve 2 m toprak derinliğine sahiptir. Toprak hava ısı değiştirici sisteminin yıllık enerji çıkışı 5 m/s hava akış hızı için 1290.53 kWh, 3.5 m/s hava akış hızı için 1031.44 kWh, 2 m/s hava akış hızı için 624.01 kWh olarak bulmuşlardır. Simülasyon sonuçlarını deneysel verilere karşı doğrulamışlardır.
Misra vd., çalışmalarında deneysel ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğini kullanarak toprak hava tüneli ısı değiştiricisinin termal performansını incelemişlerdir. Kararlı ve geçici çalışma koşulları altında çalışan toprak hava tüneli ısı değiştiricisinin termal performansı değer kayıp faktörü açısından karşılaştırılmıştır. Kararlı durum koşulları altında akış hızının 5 m/s olduğu durumda 0.1 m çapında 60 m uzunluğundaki toprak hava tünelinde 18.8 K’lik bir sıcaklık düşüşü elde etmişlerdir.
Misra vd., çalışmalarında toprak hava kaynaklı ısı değiştiricisinin termal performansını geçici çalışma koşullarında deneysel ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği modelleme kullanılarak değerlendirmişlerdir. Sürekli çalışma süresinin etkileri, toprak boru çapının termal iletkenliği ve geçici koşullar altında toprak hava tüneli ısı değiştiricisinin termal performansı üzerinde akış hızını incelemişlerdir. Akış hızındaki artışın toprak hava tüneli ısı değiştirici sistemi termal performansının bozulmasına neden olduğunu tespit etmişlerdir.
Bansal vd., geçici çalışma koşullarında toprak hava ısı değiştiricisinin termal performansını deneysel ve HAD modelleme kullanarak Fluent sürümü ile değerlendirmişlerdir. Deneysel testte 3.7 m derinliğe gömülü 0.1 m iç çapında 60 m yatay uzunluğunda PVC boru kullanmışlardır. Toprak hava ısı değiştiricisinin giriş ucuna dikey bir boru yoluyla 0.75 kW değerinde, tek fazlı değişken hızlı motorlu bir fan bağlamışlardır. HAD modelinde kararlı durum koşulu toprak hava ısı değiştiricisinin boru boyunca hava sıcaklığını belirlemek için kullanılmıştır. Termal iletkenlikleri sırasıyla 0.52 W/mK, 2 W/mK ve 4 W/mK olan üç toprak türünün analizini yapmışlardır.
Misra vd., çalışmalarında kış sezonunda geçici çalışma koşullarında toprak hava tüneli ısı değiştiricisinin termal performansını, deneysel ve HAD modelleme kullanarak değerlendirmişlerdir. Sürekli çalışma ve geçici koşullar altında toprağın termal iletkenliğinin toprak hava tüneli ısı değiştiricisi termal performansı üzerindeki etkisini analiz etmişlerdir. Toprağın termal iletkenliğinin 0.52 W/mK olduğu durumda, 5 m/s akım hızına sahip 0.1 m çapında 60 m uzunluğundaki toprak hava tüneli ısı değiştiricisinde kararlı durum koşulları altında 19.6 K’lik, geçici çalışma koşulları altında ise 24 saat sonra 17.2 K bir sıcaklık artışı olduğunu tespit etmişlerdir.
Esen vd., ısı kaynağı olarak zemini kullanarak bir ısı pompası sistemini değerlendirmişlerdir. Sayısal analiz için sonlu farklar yaklaşımını kullanmışlardır. Isı değiştirici olarak 1 m derinliğe gömülü çapı 16 mm olan yüksek yoğunluklu polietilen boru kullanılarak tek geçişli düz tüp yapılmıştır. Model sonuçları deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin COP (Performans katsayısı) sayısal ortalama değeri 2002-2003 ısıtma sezonu için 32 olarak bulunmuştur.
Niu vd., deneysel çalışmalarını yapmak için 57 m uzunluğunda 0.45 m çapında yaklaşık 3 m yerin altında bulunan bir menfez çelik toprak hava ısı değiştiricisini kullanmışlardır. Burada 15.2 m uzunluğunda 4.52 m genişliğinde ve 2.4 m yüksekliğinde bir ana test odası bulunmaktadır. Simülasyon programı Matlab 8’de geliştirilmiştir. Toprak hava ısı değiştiricisi girişindeki hava sıcaklığı 299-307 K aralığında seçilmiştir. Toprak hava ısı değiştiricisi performansı üzerinde giriş hava sıcaklığının etkisi, giriş havası bağıl neminin etkisi, hava hızının etkisi, tüp yüzey sıcaklığının etkisi ve boru çapının etkisi araştırılmıştır. [1]
1.3. HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ
Mühendislik hesaplamalarında, akışkan davranışının doğru tespit edilmesi oldukça önemlidir. Analitik yöntemlerle direkt olarak hesaplanamayan karmaşık problem ve modellerde, ısı transferi, basınç kayıpları, akış hızları gibi verilerin nümerik yöntemlerle, parçanın tasarım aşamasında iken belirlenmesi, zaman ve maliyet açısından üreticiye önemli avantajlar sağlamaktadır.
Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD), akışkanlar mekaniği problemlerinin analizi ve çözümlenmesi için sayısal yöntem ve algoritmaların kullanıldığı bir akışkanlar mekaniği bilimi dalıdır. Sıvı ve gazların katı yüzeyler ile etkileşimleri bilgisayar yardımı ile simüle edilir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD), ilgili alanlarda detaylı hesaplamaların yapılabildiği, akış alanı ve diğer fiziksel detayların gösterilebildiği, bilgisayar tabanlı bir mühendislik yöntemidir. HAD analizlerin sonuçları, simülasyon tabanlı ürün tasarım sürecinde ürünün çalışmasını, varsa problemleri bilgisayar ortamında simüle etmeye ve ürün performansını optimize etmekte önemli fayda sağlar.
1.3.1. Hesaplamalı akışkanlar dinamiğinin kullanıldığı alanlar
Akışkanlar mekaniği ve ısı transferi ile ilgili hesaplamalar, uzay ve havacılık, otomotiv, ısıtma, soğutma, havalandırma, biyomedikal ve gemicilik gibi birçok endüstriyel alanda karşımıza çıkmaktadır. Dolayısıyla HAD, akış ve ısı transferinin olduğu sağlık, enerji, iklimlendirme, savunma sanayi gibi alanlarda kullanılmaktadır. Aşağıda HAD’ın kullanıldığı alanlar belirtilmektedir.
- Medikal cihazlar
- Isıtma, soğutma, havalandırma sistemleri
- Motor soğutma sistemleri
- Jet motorlar ve turbo makinalar
- Aerodinamik ve hidrodinamik gövde tasarımı
- Giriş ve egzost sistemleri
- Yakıt sistemleri
- Transmisyon sistemleri
- Frenler, kavramalar
- Termostatlar
- Valfler
- Pompalar
- Kompresörler
- Fanlar
- Isı değiştiriciler
- Fırınlar, ocaklar
- Soğutma sistemleri, dondurucular
- Tesisat sistemleri
- Sulama, yağmurlama sistemleri
- Atık işleme ve arıtma sistemleri
- Kimyasal, gıda, malzeme prosesleri
- Yakıt hücreleri
- Askeri savunma sistemleri
Sanayi ve akademik çevrelerde kullanılan açık kodlu veya tescilli bazı HAD yazılım programları şu örnekler verilebilir: COMSOL, ANSYS CFX, POLYFLOW, ICEPAK, AIRPAK, MIXSIM, ANSYS FLUENT, XFLOW, StarCCM+, FLOW3D, FLOWMASTER, OpenFOAM, POINTWISE, MOHID, Delft3D-FLOW, OpenFVM, FEATool, FLUIDYN, AUTODESK SIMULATION CFD. [3]
1.3.2. Comsol Programının Tanıtımı
COMSOL Multiphysics®, fizik temelli problemleri modellemek ve simule etmek için geliştirilmiş sayısal yöntemlere dayanan, genel amaçlı bir yazılım platformudur. COMSOL Multiphysics ile, birleştirilmiş veya çoklu fizik olayları hesaplanabilir. Seçilebilecek 30’dan fazla eklenti ürünü ile simülasyon platformunu, elektrik, mekanik, akışkan akış ve kimyasal uygulamalar için özel fizik ara yüzleri ve araçları ile daha da genişletilebilir. Ek arabirim ürünleri, COMSOL Multiphysics simülasyonlarını teknik hesaplama, CAD ve ECAD yazılımlarına bağlar.
COMSOL Desktop®, uygulama alanından bağımsız olarak, birleştirilmiş bir iş akışı ile disiplinler arası ürün geliştirme için tasarlanmış güçlü bir entegre ortamdır. Eklenti modülleri COMSOL Multiphysics ile kesintisiz bir şekilde kaynaşmakta ve hangi eklenti ürünlerin kullanıldığına bakılmaksızın yazılımı çalıştırma şekliniz değişmeden kalmaktadır. Model Oluşturucu’daki model ağacı, modelin ve geometrisi, kafes, fizik ayarları, sınır koşulları, çalışmalar, çözenler, postprocessing ve görselleştirme işlevlerinin tümüne genel bir bakış sunar. COMSOL Multiphysics ile klasik fizik modellerini, eşzamanlı fizik fenomenlerini çözen çoklu fizik modellerine kolayca genişletilebilir.
Sonlu elemanlar analizi, sonlu hacim yöntemi, sınır elemanı yöntemi ve parçacık izleme yöntemleri gibi eklenti modüllerinde birçok farklı yöntem kullanılır ancak COMSOL Multiphysics’in önemi sonlu elemanlar yöntemi üzerindedir. Birçok sonlu elemanlar mevcuttur ve çözülme aşamasında yazılım tarafından tamamen birleşmiş elemanlar otomatik olarak üretilir. Sonlu elemanlar “on-the-fly” üreten bu patentli yöntem (COMSOL Multiphysics’e özgü) tam olarak sınırsız çoklu fizik kombinasyonlarına izin verir.
COMSOL Multiphysics, matematiksel ifadeler için dahili bir tercüman ile birlikte gelir. İfadeler daha sonra malzeme özellikleri, sınır koşulları veya kaynaklarda kullanılmak üzere değişkenlere atanabilir. Bu, çoğu zaman, özel ifadeye ihtiyaç duyulduğunda yazılımı uyarlamak için kod yazımına gerek kalmadığı anlamına gelir. [4]
2. YÖNETİCİ DENKLEMLER VE SAYISAL ÇÖZÜM
2.1. SÜREKLİLİK ve NAVIER – STOKES DENKLEMLERİ
Navier-Stokes ve süreklilik denklemleri tüm akışlara uygulanabilen en önemli akış denklemleridir. Süreklilik denklemi, diferansiyel boyutlardaki bir kontrol hacim içerisinden geçen akışkanın kütle korunum yasasını ifade ederken Navier-Stokes denklemleri ise Newtonun ikinci kanunun bir kontrol hacme uygulanmasıyla sonuçlanan hareket veya momentum korunum denklemleri olmaktadır. Kartezyen koordinatlarda, sabit fiziksel özelliklere sahip (izotermal), Newton tipi ve sıkıştırılamaz bir akış için süreklilik ve hareket denklemleri aşağıdaki gibi yazılmaktadır.
2.2. ENERJİ DENKLEMİ
Türbülanslı akışta, Kartezyen koordinatlarda sıkıştırılamaz akış için kullanılacak olan enerji denklemi aşağıda (4.5a) denkleminde verilmiştir.
2.3. TÜRBÜLANS MODELLERİ
Türbülans bir sıvının ya da gazın hareket halindeki düzensizliğidir. Türbülanslı olmayan akışa laminer akış denir. Akış koşullarının laminer veya türbülanslı olup olmadığını Reynolds sayısı belirler. Türbülans, pek çok bilim adamı tarafından ele alınmış, ancak analitik çözüm bulunamamış problemlerden biridir.
Düzgün akışa sahip bir akışkanın molekülleri birbirlerine mümkün olduğu kadar yakın kalmaya ve benzer davranışlar göstermeye meyillidir. 19. yüzyılın başlarında düzenli akışa sahip akışkanlara ait temel problemler çözülmüş ve akışkanlar dinamiğinin temelleri atılmıştır. Ancak, bilim uzun süre türbülans üzerinde çalışmayı reddetmiş, türbülansı daha çok bir mühendislik problemi olarak görmüştür.
Türbülans modellemesi Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğinde önemli bir yere sahiptir ve türbülanslı akışı çözümlemek amacıyla, farklı sayısal yaklaşımlar geliştirilmiştir. Doğrudan Sayısal Modelleme (Direct Numerical Simulation) adı verilen DNS yönteminde, sayısal ağ ve zaman çözünürlüğü tüm ölçeklerdeki burgaçları çözümleyebilecek seviyede olup simülasyonlar herhangi bir modelleme gerekmeksizin temel taşınma denklemleri kullanılarak gerçekleştirilir. Bu yöntemin oldukça fazla hesaplama hücresi ve zaman adımı gerektirmesi DNS’in akademik çalışmalardaki kullanımını kısıtlı, pratik anlamda kullanımını ise imkânsız kılmaktadır.
Yüksek Reynolds sayılarında, türbülanslı akışta, akışın atalet kuvvetleri viskoz kuvvetlere göre daha baskın bir hal alır. Bunun sonucunda akışkan hareketi kararsız olmaya baslar. Hız ve diğer tüm akış özellikleri rasgele ve kaotik bir şekilde değişmeye başlar ve akış üç boyutlu olur. Türbülanslı bir problemin çözümü de doğası gibi karmaşıktır ve dolayısıyla türbülanslı problemlerin çözümünde kullanılmak üzere çeşitli türbülans modelleri geliştirilmiştir. Geliştirilen türbülans modelleri akışı tamamen tanımlayamamaktadır. Her bir akış benzetimi için tek bir türbülans modeli yoktur. Farklı özellikteki akış modellemeleri için farklı türbülans modeli kullanılabilmektedir.
Türbülanslı akış analizi için farklı türbülans modelleri geliştirilmiştir. Geliştirilen bu modellerden bazıları aşağıda verilmiştir.
Türbülans modelleri;
• Zero Equation Model
• k–ε (epsilon) Model
• RNG k–ε Model (Reynolds Normalized Group Turbulence Model)
• k–ω (omega) Model
• SST Model (Shear Stress Transport Model)
• The Reynolds Stress Model
• Omega Based Reynolds Stress Model
• Ansys Cfx Transition Model
• The Large Eddy Simulation Model (LES)
• The Detached Eddy Simulation Model (DES)
• The Scale Adaptive Simulation Model (SAS)
• Buoyancy Turbulence Model
Yakınsama sağlamlığı, hesaplama maliyeti ve doğruluk açısından k-ε modelleri iyi bir seçim olmaktadır. Bu modeller genellikle kompleks akışları içeren ısı geçişli veya ısı geçişsiz endüstri tipi uygulamalar için uygundur. k-ω modellerinde k-ε modellerine benzer iki taşıma denklemi çözülmektedir, ancak ikinci taşınan türbülans değişkenin seçiminde farklılık vardır. Bu modeller, k-ε ve k-ω , HAD simülasyonlarında sıkça uygulanır.
Hesaplama maliyeti, doğruluk ve yakınsama sağlamlığı açısından k-ε modelleri iyi bir seçim olduğundan yapılan sayısal analiz için standart k-ε türbülans modeli seçilmiştir.
2.4. STANDART k-ɛ MODEL
Türbülanslı akışların sayısal çözümünde en yaygın olarak kullanılan modellerden birisi standart k-ɛ modelidir. Türbülans kinetik enerjisi (k) ve yayınım oranı (ε) denklemleri sırasıyla aşağıda verilmektedir.
3. LİTARATÜR İLE KARŞILAŞTIRMALAR
İlk karşılaştırma için Peker’in[3] yaptığı çalışma ele alınmış olup çalışmasında üç farklı sıcaklık katmanlı topraktaki THID sistemini incelemiştir. Peker’in modelinin COMSOL’da üç boyutlu çizilmiş hali ve sıcaklık katmanları Şekil 3.1’de verilmiştir.
Çalışma modelinin üstten görünüş ve ölçüleri, önden görünüş ve ölçüleri, yandan görünüş ve ölçüleri sırasıyla Şekil 3.2., Şekil 3.3., Şekil 3.4.’de verilmiştir.
Havanın THID’ne giriş hızı 6.1 m/s olup boru iç çapı 0.07 metre, boru cidar kalınlığı 0.005 metre ve boru malzemesi çeliktir. Dış ortam ve sisteme hava giriş sıcaklığı 6.11 oC olup, havanın dinamik viskozitesi 0.000019042 kg/m.s’dir. Çalışmada yer alan malzemelerin özellikleri Tablo 3.1.’de verilmiştir.
| Malzeme | Isı İletim Katsayısı (W/mK) | Özgül Isı (J/kg.K) | Yoğunluk (kg/m3) |
| Çelik | 50 | 465 | 7833 |
| Hava | 0.02639 | 1007 | 1.1378 |
| Toprak | 2 | 848 | 1500 |
Tablo 3.1. Malzeme özellikleri
Peker’in elde etmiş olduğu deneysel çalışma ve simülasyon sonuçları Tablo 3.2.’de verilmiştir.
| 4.Oca.15 | Sıcaklık, oC | ||||||
| Saat | 1 m Toprak | 2 m Toprak | 3 m Toprak | THID Giriş | THID Çıkış (Deneysel) |
THID Çıkış (Simülasyon) | Sapma, % |
| 02:00 | 13,66 | 16,56 | 17,54 | 6,11 | 10,56 | 9,1 | %-13,83 |
| 06:00 | 13,68 | 16,57 | 17,55 | 4,97 | 9,82 | 8,38 | %-14,66 |
| 10:00 | 13,26 | 16,2 | 17,17 | 8,82 | 10,74 | 10,78 | %0,37 |
| 14:00 | 13,53 | 16,31 | 17,23 | 11,64 | 12,5 | 12,7 | %1,60 |
| 20:00 | 13,6 | 16,42 | 17,33 | 7,1 | 10,84 | 9,74 | %-10,15 |
| 22:00 | 13,64 | 16,45 | 17,36 | 7,01 | 10,71 | 9,75 | %-8,96 |
| Hava Hızı, V=6100 mm/sn |
Tablo 3.2. Peker’in elde ettiği sonuçlar
COMSOL ile elde edilen sonuçlar Tablo 3.3.’te, Peker’in sonuçları ile karşılaştırılması Şekil 3.5.’te verilmiş olup aralarında iyi bir uyum olduğu görülmektedir.
| Saat | THID Çıkış Sıcaklığı, oC | Sapma, % |
| 02:00 | 9,12 | %-13,64 |
| 06:00 | 8,31 | %-15,38 |
| 10:00 | 10,92 | %1,68 |
| 14:00 | 12,95 | %3,60 |
| 20:00 | 9,77 | %-9,87 |
| 22:00 | 9,72 | %-9,24 |
Tablo 3.3. COMSOL Sonuçları
İkinci karşılaştırma için Taşdelen’in[1] yapmış olduğu çalışma ele alınmış olup çalışmasında düz bir THID sistemini incelemiştir. Taşdelen’in çalışmasının modelinin COMSOL’da üç boyutlu çizilmiş hali Şekil 3.6.’da verilmiştir. Çalışma modelinin önden görünüş ve ölçüleri, üstten görünüş ve ölçüleri sırasıyla Şekil 3.7., Şekil 3.8.’de verilmiştir.
Havanın THID’ne giriş hızı 6.6943 m/s olup boru iç çapı 0.1 metre, boru cidar kalınlığı 0.002 metre, toprak sıcaklığı 295.5 K, Reynolds sayısı 40000’dir. Toprak silindir çapı 1 metre olup THID’nin toplam uzunluğu 32.884 metre ve boru malzemesi PVC’dir. Dış ortam ve sisteme hava giriş sıcaklığı 310 K olup, havanın dinamik viskozitesi 0.000019042 kg/m.s’dir. Çalışmada yer alan malzemelerin özellikleri Tablo 3.4.’de verilmiştir.
| Malzeme | Isı İletim Katsayısı (W/mK) | Özgül Isı (J/kg.K) | Yoğunluk (kg/m3) |
| PVC | 1.161 | 900 | 1380 |
| Hava | 0.02639 | 1007 | 1.1378 |
| Toprak | 2.5 | 1840 | 2050 |
Tablo 3.4. Malzeme özellikleri
Taşdelen’in sonuçları ve COMSOL’da elde edilen sonuçlar Tablo 3.5.’de verilmiştir. COMSOL’da elde edilen sonuçlar ile Taşdelen’in sonuçlarının karşılaştırılması ise Şekil 3.9.’da verilmiş olup aralarında iyi bir uyum olduğu görülmektedir.
| Gömülü PVC boru derinliği = 1 m | ||||||
| Reynolds sayısı 4×10^4 | ||||||
| Taşdelen | COMSOL | |||||
| Düğüm sayısı | 28281 | 75088 | 723486 | 1099980 | Hacim Elemanı : 829628 | Bağıl Hata |
| Giriş | 310 | 310 | 310 | 310 | 310 | %0,00 |
| 5 | 302.46 | 303.96 | 304.68 | 304,68 | 305,29 | %0,20 |
| 10 | 299.42 | 300.57 | 301.3 | 301,3 | 302,12 | %0,27 |
| 15 | 297.68 | 298.4 | 299.36 | 299,36 | 299,98 | %0,21 |
| 20 | 296.8 | 297.43 | 297.91 | 297,91 | 298,53 | %0,21 |
| 30 | 295.93 | 296.22 | 296.46 | 296,46 | 296,91 | %0,15 |
| Çıkış | 295.77 | 296.01 | 296.29 | 296,29 | 296,62 | %0,11 |
Tablo 3.5. Taşdelen’in sonuçları ve elde edilen sonuçlar
Üçüncü karşılaştırma için Badgaiyan’in[5] yapmış olduğu çalışma ele alınmış olup çalışmasında Hindistan şartlarında S şeklinde bir THID sistemini deneysel olarak incelemiştir. Badgaiyan’in çalışmasının modelinin COMSOL’da üç boyutlu çizilmiş hali Şekil 3.10.’da, Badgaiyan’in vermiş olduğu özet ölçüler Şekil 3.11’de verilmiştir.
Havanın THID’ne giriş hızı 4 m/s, boru cidar kalınlığı 0.003 metre, boru malzemesi çelik olup boru çapları Şekil 3.11.’de verilmiştir. Dış ortam ve sisteme hava giriş sıcaklığı 46.5 oC, havanın dinamik viskozitesi 0.000019042 kg/m.s, ortalama toprak sıcaklığı 21 oC, THID’nin toplam uzunluğu 24 metre, gömülü derinlik 3 metre, serpantin boruların uzunluğu ve aralıkları sırasıyla 6 ve 1.5 metredir. THID’nin giriş ve çıkışı yer yüzeyinin 0.5 m üzerindedir. Çalışmada yer alan malzemelerin özellikleri Tablo 3.6.’de verilmiştir.
| Malzeme | Isı İletim Katsayısı (W/mK) | Özgül Isı (J/kg.K) | Yoğunluk (kg/m3) |
| Çelik | 54 | 465 | 7833 |
| Hava | 0.02639 | 1007 | 1.1378 |
| Toprak | 2.5 | 1840 | 1500 |
Tablo 3.6. Malzeme özellikleri
Badgaiyan’in yapmış olduğu deneysel çalışmanın sonucu ve COMSOL’da elde edilen sonuç Tablo 3.7.’de verilmiş olup aralarında iyi bir uyum olduğu görülmektedir.
| Hava hızı = 4 m/s | ||
| Çıkış Sıcaklığı (oC) | ||
| Badgaiyan (Deneysel) | COMSOL | Bağıl Hata |
| 30,30 | 30,45 | %-0,49 |
Tablo 3.7. Badgaiyan’in elde ettiği ve COMSOL’da elde edilen sonuç
4. THID SİSTEMLERİNDE ÇIKIŞ SICAKLIĞINA ETKİ EDEN PARAMETRELERİN İNCELENMESİ
4.1. BORU ARALIK MESAFESİ ETKİSİNİN İNCELENMESİ
Çalışmanın bu bölümünde borular arası mesafenin çıkış sıcaklığına etkisi incelenecektir. 0.25 metre, 0.5 metre, 0.75 metre, 1 metre, 1.25 metre, 1.5 metre boru aralık mesafesine sahip THID sistemleri incelenecek olup çizilen geometrinin üç boyutlu görünüşü Şekil 4.1.’de verilmiştir. Şekil 4.2.’de aynı geometrinin yandan görünüm ve ölçüleri, Şekil 4.3’te üstten görünüm ve ölçüleri verilmiştir.
Havanın THID’ne giriş hızı 6.1 m/s olup boru iç çapı 0.2 metre, boru cidar kalınlığı 0.005 metre ve boru malzemesi çeliktir. Dış ortam ve sisteme hava giriş sıcaklığı 31.8 oC olup bu veri 1981-2010 yılları arasında Edirne’nin temmuz ayının maksimum ortalama sıcaklık değeridir. Edirne için iki metre derinlikteki ortalama toprak sıcaklığı 23 oC [6], havanın dinamik viskozitesi 0.000019042 kg/m.s’dir. Sistemde yer alan tüm malzemelerin özellikleri Tablo 4.1’de verilmiştir.
| Malzeme | Isı İletim Katsayısı (W/mK) | Özgül Isı (J/kg.K) | Yoğunluk (kg/m3) |
| Çelik | 54 | 465 | 7833 |
| Hava | 0.02639 | 1007 | 1.1378 |
| Toprak | 2.5 | 1840 | 2050 |
Tablo 4.1. Malzeme özellikleri
Bu verilere göre THID sistemi Şekil 4.3.’te verilen aralık mesafesi 0.25 metre, 0.5 metre, 0.75 metre, 1 metre, 1.25 metre, 1.5 metre için COMSOL’da simüle edilip sıcaklık dağılımları Şekil 4.4. ve Şekil 4.5.’te verilmiştir. Hız dağılımları ise Şekil 4.6.’da verilmiştir.
Her aralık mesafesi için giriş ve çıkış sıcaklıkları Tablo 4.2.’de verilmiştir.
| Hız : 6.1 m/s | |||||
| (m) | Toplam Uzunluk (m) | Tgiriş (K) | Tçıkış (K) | ΔT (K) | Metre Başına Sıcaklık Farkı (K/m) |
| 0,25 | 23,59 | 304,95 | 302,21 | 2,74 | 0,116150911 |
| 0,5 | 24,84 | 304,95 | 301,81 | 3,14 | 0,126409018 |
| 0,75 | 26,09 | 304,95 | 301,51 | 3,44 | 0,131851284 |
| 1 | 27,34 | 304,95 | 301,28 | 3,67 | 0,134235552 |
| 1,25 | 28,59 | 304,95 | 301,1 | 3,85 | 0,134662469 |
| 1,5 | 29,84 | 304,95 | 300,93 | 4,02 | 0,134718499 |
Tablo 4.2. Borular Arasındaki Mesafeye Göre Çıkış Sıcaklığı
Peretti vd.[7] çalışmasının sonuçlar kısmında: “Eğer paralel boru sistemleri kullanılıyorsa, termal etkileşimi en aza indirmek için borular birbirlerinden yaklaşık 1m uzakta tutulmalıdır. Daha fazla boşluğun herhangi bir ek fayda sağlamadığı bulunmuştur.” yorumunda bulunmuştur.
Şekil 4.7. ve Tablo 4.2. incelenirse 1 metreden sonra metre başına sıcaklık farkının artışı çok azalmaktadır. Elde edilen sonuçlar ile Peretti’in sonuçlarının uyumlu olduğu görülmektedir. Bunun sebebi Şekil 4.4. ve Şekil 4.5. te görüldüğü gibi borular arasındaki mesafe arttıkça boruların birbirleriyle olan termal etkileşiminin azalmasıdır.
Şekil 4.4., Şekil 4.5. ve Şekil 4.6. birlikte incelenirse hava hızının az olduğu yerlere yakın toprak sıcaklıkları hava hızının çok olduğu yerlere yakın toprak sıcaklıklarından daha düşüktür. Buna göre kütlesel debiyi koruyarak geometride oynama yapılıp hızın düşmesi sağlanırsa çıkış sıcaklığı daha da düşecektir.
Şekil 4.8.’de Borular arasındaki mesafeye göre çıkış sıcaklıkları verilmiştir.
4.2. BORU MALZEME ETKİSİNİN İNCELENMESİ
Çalışmanın bu bölümünde boru malzemesinin çıkış sıcaklığına etkisi incelenecektir. Boru malzemesi alüminyum, bakır, beton, çelik, PVC ve tuğla olan THID sistemleri incelenecek olup çizilen geometrinin ölçüleri Şekil 4.2. ve Şekil 4.3.’deki ölçüler ile aynı ve = 1 metredir.
Havanın THID’ne giriş hızı 6.1 m/s olup boru iç çapı 0.2 metre, boru cidar kalınlığı 0.005 metredir. Dış ortam ve sisteme hava giriş sıcaklığı 31.8 oC, toprak sıcaklığı 23 oC, havanın dinamik viskozitesi 0.000019042 kg/m.s’dir. Sistemde yer alan tüm malzemelerin özellikleri Tablo 4.3’te verilmiştir.
| Malzeme | Isı İletim Katsayısı (W/mK) | Özgül Isı (J/kg.K) | Yoğunluk (kg/m3) |
| Alüminyum | 205 | 910 | 2700 |
| Bakır | 401 | 385 | 8960 |
| Beton | 1.8 | 880 | 2300 |
| Çelik | 54 | 465 | 7833 |
| PVC | 1.161 | 900 | 1380 |
| Tuğla | 0.47 | 1100 | 1300 |
| Hava | 0.02639 | 1007 | 1.1378 |
| Toprak | 2.5 | 1840 | 2050 |
Tablo 4.3. Malzeme özellikleri
Bu verilere göre THID sistemi boru malzemesi alüminyum, bakır, beton, çelik, PVC ve tuğla için COMSOL’da simüle edilip sıcaklık dağılımları Şekil 4.9.’da verilmiştir.
Her boru malzemesi için giriş ve çıkış sıcaklıkları Tablo 4.4.’te verilmiştir.
| Hız : 6.1 m/s | |||
| Malzeme | Tgiriş (K) | Tçıkış (K) | ΔT (K) |
| Bakır | 304,95 | 301,21 | 3.74 |
| Alüminyum | 304,95 | 301,24 | 3.71 |
| Çelik | 304,95 | 301,28 | 3.67 |
| Beton | 304,95 | 301,36 | 3.59 |
| PVC | 304,95 | 301,39 | 3.56 |
| Tuğla | 304,95 | 301,49 | 3.46 |
Tablo 4.4. Her boru malzemesi için giriş ve çıkış sıcaklıkları
Peretti vd.[7] çalışmasının sonuçlar kısmında: “Boru malzemesi yaz ve kış performansında çok az etkiye sahiptir. Borular doğru derinlik ve uzunlukta ise farklı ısı iletkenlik değerleri ısı değişimini nadiren etkiler.” yorumunda bulunmuştur.
Şekil 4.10. incelenirse bakırın ısı iletim katsayısı 401 (W/mK), tuğlanın 0.47 (W/mK) olmasına karşı bu iki boru malzemesinin çıkış sıcaklıkları arasındaki fark sadece 0.28 K’dir. Şekil 4.9. incelenirse tüm malzemeler için sıcaklık dağılımı neredeyse aynı olduğu görülmektedir. Elde edilen sonuçlar ile Peretti’in sonuçlarının uyumlu olduğu görülmektedir.
4.3. BORU ÇAPI ETKİSİNİN İNCELENMESİ
Çalışmanın bu bölümünde boru çapının çıkış sıcaklığına etkisi incelenecektir. 0.1 metre, 0.2 metre, 0.3 metre boru çapına sahip THID sistemleri incelenecek olup Şekil 4.11.’de çizilen geometrilerin yandan görünüm ve ölçüleri, Şekil 4.12’de üstten görünüm ve ölçüleri verilmiştir.
Havanın THID’ne giriş hızı hesaplanırken boru iç çapı 0.2 metre, giriş hızı 6.1 m/s olan sistemin kütlesel debisi referans alınmıştır. Kütlesel debi formülü Denklem 5.1’de verilmiştir.
Boru iç çapı 0.1 metre için giriş hızı 24.40019 m/s, 0.2 metre için 6.1 m/s, 0.3 metre için 2.71 m/s olarak hesaplanmıştır. Boru cidar kalınlığı 0.005 metre ve boru malzemesi çeliktir. Dış ortam ve sisteme hava giriş sıcaklığı 31.8 oC’dir. Edirne için iki metre derinlikteki ortalama toprak sıcaklığı 23 oC, havanın dinamik viskozitesi 0.000019042 kg/m.s’dir. Sistemde yer alan tüm malzemelerin özellikleri Tablo 4.1’de verilmiştir.
Bu verilere göre THID sistemi boru iç çapı 0.1 metre, 0.2 metre ve 0.3 metre için COMSOL’da simüle edilip sıcaklık dağılımları Şekil 4.13. ve Şekil 4.14.’de verilmiştir. Hız dağılımları ise Şekil 4.15.’da verilmiştir.
Her boru çapı için giriş ve çıkış sıcaklıkları Tablo 4.5.’te verilmiştir.
| Çap (mm) | Toplam Uzunluk (m) | Tgiriş (K) | Tçıkış(K) | ΔT (K) | Metre Başına Sıcaklık Farkı (K/m) |
| 100 | 25,49 | 304,95 | 301,56 | 3.39 | 0,132993331 |
| 200 | 26,69 | 304,95 | 301,28 | 3.67 | 0,137504683 |
| 300 | 27,92 | 304,95 | 300,98 | 3.97 | 0,142191977 |
Tablo 4.5. Her boru çapı için giriş ve çıkış sıcaklıkları
Şekil 4.17. incelenirse boru çapı arttıkça çıkış sıcaklığı logaritmik azalmaktadır. Bu da kütlesel debi korunduğu taktirde çapın artmasının havanın temas ettiği yüzey alanını logaritmik arttırdığı, hava hızını ise logaritmik azalttığı için daha fazla soğutmayı sağladığını kanıtlar niteliktedir. Toprak sıcaklığıyla havanın giriş sıcaklığı arasındaki fark eğer çok daha fazla olsaydı logaritmik azalış daha net görülebilirdi.
Şekil 4.16. incelenirse ilk bakışta boru çapı arttıkça metre başına sıcaklık farkının azalarak artması beklenirken sonuçta artışın az da olsa logaritmik olduğu görülmektedir. Bunun sebebi hızında logaritmik azalmasıdır. Bu durum içinde toprak sıcaklığıyla havanın giriş sıcaklığı arasındaki fark eğer çok daha fazla olsaydı logaritmik artış daha net görülebilirdi.
4.4. TOPRAK DERİNLİĞİ ETKİSİNİN İNCELENMESİ
Çalışmanın bu bölümünde THID sisteminin gömülü olduğu derinliğin çıkış sıcaklığına etkisi incelenecektir. 1 metre, 2 metre ve 3 metre derinliğe sahip THID sistemleri incelenecek olup çizilen geometrinin üstten görünüm ve ölçüleri Şekil 4.3’te verilmiş olup L_1 = 1 metredir. Yandan görünüm ve ölçüleri Şekil 4.18.’de verilmiştir.
Havanın THID’ne giriş hızı 6.1 m/s olup boru iç çapı 0.2 metre, boru cidar kalınlığı 0.005 metre ve boru malzemesi çeliktir. Dış ortam ve sisteme hava giriş sıcaklığı 31.8 oC olup havanın dinamik viskozitesi 0.000019042 kg/m.s’dir. Sistemde yer alan tüm malzemelerin özellikleri Tablo 4.1’de verilmiştir. Edirne için iki metre derinlikteki ortalama toprak sıcaklığı 23 oC’dir. Bir metre ve üç metre derinlikteki toprak sıcaklığını belirlemek için Murat Aydın vd. [8] Edirne ile aynı toprak özelliklerine sahip İstanbul/Maslak için yapmış oldukları çalışma kullanılmış olup yapılan interpolasyon sonucu Edirne için bir metre derinlikteki toprak sıcaklığı 28.49 oC, üç metre derinlikteki toprak sıcaklığı ise 20.83 oC olarak hesaplanmıştır.
Bu verilere göre THID sistemi Şekil 4.18.’de verilen 1 metre, 2 metre, 3 metre için COMSOL’da simüle edilip sıcaklık dağılımları Şekil 4.19. ve Şekil 4.20.’te verilmiştir. Hız dağılımları ise Şekil 4.21.’de verilmiştir.
Her toprak derinliği için giriş ve çıkış sıcaklıkları Tablo 4.6.’da verilmiştir.
| Derinlik (m) | Toplam Uzunluk (m) | Tgiriş (K) | Tçıkış (K) | ΔT (K) | Metre Başına Sıcaklık Farkı (K/m) |
| 1 | 24,69 | 304,95 | 303,59 | 1.36 | 0,05508303 |
| 2 | 26,69 | 304,95 | 301,28 | 3.67 | 0,137504683 |
| 3 | 28,69 | 304,95 | 300,16 | 4.79 | 0,166957128 |
Tablo 4.6. Her derinlik mesafesi için giriş ve çıkış sıcaklıkları
Peretti vd.[7] çalışmasının sonuçlar kısmında: “Toprak derinliğinde bir artış, sistemin potansiyel ısıtma ve soğutma kapasitesinde önemli bir artış sağlar. Badescu’ya göre boruların yüzeyin iki metre altına gömülmesi yıllık sıcaklık farkı ve kazı maliyetleri açısından iyi bir seçimdir. Ancak Ascione ve arkadaşları üç metrenin optimum bir seçim olduğunu belirtmektedir. Bu nedenle, boru derinliğinin Esen ve ark. tarafından da bildirildiği gibi tüm sistem verimliliğini etkilediği göz önüne alındığında, her durumda optimum derinliğin değerlendirilmesi gerektiği sonucuna varılabilir.” yorumunda bulunmuştur.
Şekil 4.22. incelenirse bir metre ile iki metre derinlik arasındaki sıcaklık farkı değişimi ile iki ve üç metre derinlik arasındaki sıcaklık farkı değişimi arasında bariz fark olup logaritmik olarak azalmaktadır. Şekil 4.23.’de de aynı durum söz konusudur. Bunun sebebi 1 metre, 2 metre ve 3 metre derinlikteki toprak sıcaklığının da logaritmik artıp azalmasıdır.
4.5. BORU UZUNLUK ETKİSİNİN İNCELENMESİ
Çalışmanın bu bölümünde boruların uzunluğunun çıkış sıcaklığına etkisi incelenecektir. 3 metre, 5 metre ve 7 metre boru uzunluğuna sahip THID sistemleri incelenecek olup Şekil 4.24.’de çizilen geometrinin yandan görünüm ve ölçüleri, Şekil 4.25.’da üstten görünüm ve ölçüleri verilmiştir.
Havanın THID’ne giriş hızı 6.1 m/s olup boru iç çapı 0.2 metre, boru cidar kalınlığı 0.005 metre ve boru malzemesi çeliktir. Dış ortam ve sisteme hava giriş sıcaklığı 31.8 oC, Edirne için iki metre derinlikteki ortalama toprak sıcaklığı 23 oC ve havanın dinamik viskozitesi 0.000019042 kg/m.s’dir. Sistemde yer alan tüm malzemelerin özellikleri Tablo 4.1’de verilmiştir.
Bu
verilere göre THID sistemi Şekil 4.24. ve Şekil 4.25.’da verilen
uzunluk
mesafesi 3 metre, 5 metre, 7 metre için COMSOL’da simüle edilip sıcaklık
dağılımları Şekil 4.26. ve Şekil 4.27.’te verilmiştir.
Her boru uzunluğu için giriş ve çıkış sıcaklıkları Tablo 4.7.’de verilmiştir.
| Uzunluk (m) | Toplam Uzunluk (m) | Tgiriş (K) | Tçıkış (K) | ΔT (K) |
| 3 | 26,69 | 304,95 | 301,28 | 3,67 |
| 5 | 38,69 | 304,95 | 299,9 | 5,05 |
| 7 | 50,69 | 304,95 | 299,07 | 5,88 |
Tablo 4.7. Her boru uzunluğu için giriş ve çıkış sıcaklıkları
Peretti vd.[7] çalışmasının sonuçlar kısmında: “Gömülü borunun uzunluğundaki bir artış, soğutma durumunda çıkış havası sıcaklığının azalmasına neden olur, bu da sistemin potansiyel soğutma kapasitesinin de artabileceği anlamına gelir. Bununla birlikte, 70 metre ve daha uzunluğundaki boruların önemli avantajları yoktur. En uygun uzunluk iklim koşullarına bağlıdır.” yorumunda bulunmuştur.
Şekil 4.28. ve Tablo 4.7. incelenirse boru uzunluğu arttıkça çıkış sıcaklığı azalmaktadır. Elde edilen sonuçlar ile Peretti’in sonuçlarının uyumlu olduğu görülmektedir. Bunun sebebi boru uzunluğu arttıkça havanın temas ettiği yüzeylerin artmış olmasıdır. Şekil 4.28.’de görülen boru uzunluğu arttıkça azalan azalışın sebebi havanın giderek toprak sıcaklığına yaklaşması ve böylece birim zamanda ki ısı transferin azalmasıdır.
5. SONUÇLAR
Bu çalışmada Edirne ilindeki tipik bir konutun toprak hava ısı değiştiricisi (EAHE) kullanarak sürekli çalışma koşulları altında yaz mevsiminin ortasında pasif soğutma sistemi kullanılarak soğutulması hedeflenmiştir. Toprak hava ısı değiştiricisinin termal performansı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımı kullanılarak COMSOL programıyla gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada elde edilen bazı önemli sonuçlar maddeler halinde aşağıda özetlenmiştir.
- Yapılan literatür karşılaştırmalarında Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımının yaz mevsimindeki soğutma durumunda ölçüm sonuçlarına daha yakın sonuçlar verdiği ve HAD yazılımı ile toprak-hava ısı değiştiricilerinin ısıl analizleri her türlü çalışma durumda yapılabileceği ve kabul edilebilir sonuçlar elde edilebileceği görülmüştür.
- THID sistemlerinde boru aralık mesafesinin 1 metreden fazla olması durumunda metre başına sıcaklık farkının artışının çok azaldığı bu sebepten termal etkileşimlerden kaçınmak için boru aralık mesafesinin minimum 1 metre olması gerektiği görülmüştür.
- THID sistemlerinde boru malzemesinin çıkış sıcaklığına etkisinin çok az olduğu bu sebepten boru malzemesinin önemli olmadığı görülmüştür.
- THID sistemlerinde kütlesel debi korunduğu taktirde boru çapının lineer artmasının çıkış sıcaklığını logaritmik olarak düşürdüğü görülmüştür.
- THID sistemlerinde boru derinlik mesafesinin artmasının çıkış sıcaklığı üzerinde oldukça etkisi olduğu ve Edirne ili için 2 metreden daha az derinliğin kayda değer soğutma sağlamadığı görülmüştür.
- THID sistemlerinde boru uzunluk mesafesinin artmasının çıkış sıcaklığını düşürdüğü görülmüştür.
6. KAYNAKLAR
[1] TAŞDELEN, F., Bir binanın termal konforunu sağlamak için tasarlanan toprak hava ısı değiştiricisinin bilgisayar destekli analizi, Yüksek lisans tezi, 2015
[2]https://www.mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?k=H&m=EDIRNE
[3] PEKER, B., Toprak-hava ısı değiştiricisi performansına etki eden parametrelerin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile araştırılması, Yüksek lisans tezi, 2016
[4] https://www.comsol.com/comsol-multiphysics
[5] BADGAIYAN, P., CFD Base Performance Evaluation of Earth-Air Tube Heat Exchanger for Natural Air Conditioning, Surbhi Group of Institution, 2016
[6] KARACAVUS, B., Mevsimlik depolamalı güneş enerjili ısıtma sistemi ile deneysel çalışmalar, Tesisat Mühendisliği Dergisi, Sayı: 97, s. 30-37, 2007
[7] PERETTI, C., The design and environmental evaluation of earth-to-air heat exchangers (EAHE), Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013
[8] AYDIN, M., Toprak kaynaklı ısı pompalarında ısıl cevap testi ve kuyu performansının analitik öngörüsü, 11. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, 2013