Preparation and characterization of paraffin and polyethylene glycol based phase change materials for white good applications
Beyaz eşya uygulamaları için parafin ve poliethilen glikol bazlı faz değiştiren malzemelerin hazırlanması ve karakterizasyonu
- Tez No: 445104
- Danışmanlar: PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER, DR. YUSUF YUSUFOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya Mühendisliği, Energy, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Termal enerji depolama sistemleri arasında faz değiştiren malzemeler (FDM) son dönemde ön plana çıkmaktadır. Faz değiştiren malzemeler, ortam sıcaklığı maddenin erime sıcaklığına yükseldiğinde erimeye baĢlayan ve hal değişim prosesi boyunca ortamdan ısı absorbe edebilen, tam tersi durumda sıcaklık maddenin katılaşma noktasına kadar düştüğünde ise katılaşma prosesi boyunca depoladığı bu ısıyı ortama geri verebilen maddelerdir. Faz değişimlerini sabit sıcaklıkta gerçekleştirmeleri, -20°C ile +150°C gibi geniş bir aralıkta hem soğutma hem de ısıtma uygulamaları için kullanılabilir olmaları dikkat çeken özellikleridir. Bu çalışmada beyaz eşya uygulamalarında kullanıma yönelik -20°C ile +10°C sıcaklıkları arasında faz değişimi gösteren faz değiştiren malzeme formülasyonlarının geliştirilmesi ve uygun olanların buzdolabı prototipi üzerinde uygulanması hedeflenmiĢtir. Faz değiştiren malzemelerin buzdolabı uygulamasında kullanılması, elektrik kesintisi durumunda sıcaklık kontrollerinin faz değiştiren malzemeler aracılığıyla yapılması, kabin içi sıcaklıklarını uzun süre uygun değerlerde tutulmasına ve böylelikle gıdaların raf ömrünün arttırılmasına olanak sağlayacaktır. Bunun yanı sıra özellikle elektrik enerjisinin pahalı olduğu saatlerde gerekli olan soğutma enerjisinin kabin içesinde bulunan FDM kullanılarak sağlanmasının müĢteriye maliyet avantajı getireceği öngörülmüĢtür. Beyaz eşya uygulamalarında faz değiĢtiren malzemelerin kullanılmasıyla birlikte çeĢitli elektronik cihazların sıcaklık kontrolü ayrıca evaporatör ve kompresör çevresinde açığa çıkan atık ısının geri kazanılmasıyla enerji verimliliği arttırılabilir. Alternatif enerji kaynağı olarak yararlanılabilecek olan termal enerji depolama sistemleri, yenilenebilir ve atık ısı kaynaklarının mevcut olduğu zamanlarda enerjinin depolanmasına ve kaynakların kesintiye uğradığı zamanlarda kullanılmasına olanak vermektedir. Termal enerji depolama sistemleriyle ozon tabakasına zarar veren kloroflorokarbonlara gereksinim duymadan doğrudan soğutma-ısıtma yapılabilmektedir. Elektrik enerjisine duyulan gereksinim azalmakta ve elektriğin en çok kullanıldığı günlük periyotlarda, elektrik tüketimi engellenebilmektedir. Bu sistem, enerji santrallerine duyulan ihtiyacı ve fosil yakıt kullanımını azaltarak, çevreyi daha az kirleten çözümler sunmaktadır. Termal enerji depolama; binalar elektronik cihazların korunması, beyaz eşyalar gibi farklı alanlarda enerji verimliliğinin artırılması için kullanılabilir. Termal enerji depolama, duyulur ısı depolama, gizli ısı depolama ve termokimyasal ısının depolanması yollarıyla sağlanabilir. Duyulur ısı depolama yönteminde, ısı depolayan malzemenin sıcaklığının değişmesi sonucunda ortaya çıkan duyulur ısıdan yararlanılır. Bu malzemelerden ısı depolamak için geliştirilmiĢ olan teknoloji, etkin sistemlerin tasarlanması için uygundur. Bu yöntemle ısı depolamada, ısının depolanması ve geri kazanılması süresince depolama malzemesinin sıcaklığı değiĢir. Çok sayıda ısı depolama ve geri kazanma çevriminin gerçekleĢtirilebilmesi, duyulur ısı depolama yönteminin önemli özelliklerinden birisidir. Gizli ısı depolama, istenilen sıcaklık aralığında eriyip katılaĢarak faz değiĢtirebilen malzemelerde erime gizli ısısı Ģeklinde ısı depolamadır. Gizli ısı depolamada, katı-sıvı faz değiĢimi sırasında faz değiştiren malzeme tarafından soğurulan ve serbest bırakılan ısıdan yararlanılır. Gizli ısı depolamanın temel özelliği; duyulur ısı depolama yöntemine göre depolama kapasitesinin yüksek olmasıdır. FDM'nin sıcaklığını 1°C artırmak için gerekli ısı miktarı, katı malzemenin ergitilmesi için, FDM'nin birim ağırlığı baĢına gereken ısı miktarından azdır. FDM tamamen eritildikten sonra, eklenilen her fazla ısı FDM'nin sadece duyulur ısısını arttıracaktır. Gizli ısı depolama yönteminin duyulur ısı depolama yöntemine göre, ısı depolama kapasitesinin yüksek olması ve az miktarda malzeme kullanımından dolayı düĢük ısı deposu hacmi kaplaması öne çıkan avantajlarındandır. Faz değiştiren malzemeler arasında yüksek erime ısısına sahip organik ve inorganik yapılı malzemeler bulunmaktadır. Gaz fazı değiĢimi gösteren malzemeler, gaz fazının depolanması için basınç uygulanması gerektiğinden genellikle tercih edilmez. Katı-sıvı faz değiĢim malzemelerinin gizli ısı depolama sistemlerinde ısı depolama malzemesi olarak kullanılabilmesi için, termodinamik, kinetik ve kimyasal ve ekonomik yönlerden belirli özellikler göstermeleri gerekir. FDM seçiminde etkili değiĢik ölçütler aşağıdaki gibi sıralanabilir. Termodinamik özellikleri açısından FDM'nin ergime noktası istenilen çalışma aralığında ve birim kütlesinin ergime ısısı yüksek olmalıdır. Isıl iletkenliği, özgül ısısı ve küçük hacimdeki depolara yerleştirilebilmesi için yoğunluğu yüksek olmalıdır. Bunlara ek olarak faz değişiminde ısıl genleşme katsayısı düşük ve faz değiştirme sonucunda hacim değişimi az olmalıdır. FDM'lerin uygulama içerisinde yüksek performans gösterebilmesi için dikkat edilmesi gereken bir diğer önemli özellik de donma sırasında çok az aşırı soğuma gösteriyor olmalarıdır. Kimyasal özellikleri değişmemeli, ayrışmamaya uğramamalı, korozif, yanıcı, zehirli ve patlayıcı olmamalıdır. İnorganik FDM'ler arasında tuz hidratları ön plana çıkmaktadır. Tuz hidratları, 0 - 150°C sıcaklık sınırlarında hacimsel ısı depolama kapasitelerinin yüksek olması nedeniyle inorganik FDM'lerin en önemli grubudur. Ġnorganik tuzların erime ısıları yüksektir, ısı depolama kapasiteleri 250 - 400 MJ/m3 arasındadır. Genellikle suda çözünebilen tuzlar ısı depolama amacıyla kullanılabilir. Isı depolama amacıyla kullanılabilen ve pahalı olmayan birçok tuz hidratı bulunmaktadır. Dezavantajları arasında ise faz ayrışması ve aşırı soğuma göstermeleri ile korozif etkiye sahip olmaları gösterilebilir. Organik bileşiklere göre daha düşük faz değişim entalpisi göstermeleri ile birlikte, ısı depolama malzemesi olarak çeşitli önemli özelliklere sahiptir. Bunlar arasında fiziksel ve kimyasal olarak kararlı yapıda olmaları, aĢırı soğuma göstermemeleri ve korozif olmamaları ön plana çıkmaktadır. Organik faz değiĢtiren malzemeler içerisinde parafinler yaygın kullanıma sahiptir. Parafinler petrol türevleri olup, genel olarak CnH2n+2 Ģeklinde belirtilen ve alkanlar olarak adlandırılan önemli bir bileĢen içerirler. Saf parafinler, sadece alkanları içerir. Alkanların erime sıcaklığı karbon atomu sayısının artmasıyla artar. Karbon atomu sayısı 14 - 40 arasında olan alkanların erime sıcaklığı, 6 - 80°C aralığındadır. Parafinler alkan zinciri uzunluğuna bağlı olarak n-parafin veya izo-parafin seklinde olabilir. Doymuş hidrokarbonlar grubundan olan parafinler grubu içerisinde benzer özelliklerdeki bileşikler yer alır. Karbon atomu sayısı çift olan parafinler ucuz, bol ve kimyasal olarak kararlı olduklarından ısı depolama için tercih edilir. Parafinlerin katı durumdaki ısıl genleĢme katsayıları tuz hidratlarına oranla düĢüktür. Isıl genleĢme katsayısının neden olduğu olumsuzlukları önlemek için ısı depolama ünitelerini elastik malzemelerden tasarlamak ya da depolama ünitelerinde emniyet için gerekli hacim belirlemek katkı sağlayacaktır. Parafin olmayan organik materyaller arasında yağ asitleri ve polietilen glikol grupları ön plana çıkmaktadır. Yağ asitleri, genel olarak CH3(CH2)2nCOOH seklinde belirtilir. Yağ asitlerinin erime ısıları parafinlerle karşılaştırılabilir değerlerdedir. Yağ asitleri; termodinamik, kinetik, ısıl ve kimyasal kararlılık, emniyet ve maliyet bakımından, tuz hidratları, parafin ve diğer kimyasal maddelere kıyasla üstün özelliklere sahiptir. Hiç aşırı soğuma olmadan donma özelliğine sahip olduklarından, FDM olarak uygun özelliklere sahiptir. En önemli olumsuzlukları, maliyetlerinin parafinlerden 2 – 2.5 kat daha yüksek olmasıdır. Literatürde hem organik hem de inorganik faz değiştiren malzemelerin kullanıldığı pek çok çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmalar genel olarak uygun FDM'nin seçimi, termal özelliklerinin iyileştirilmesi, sentezlenmesi ve ömür testlerinin değerlenririlmesi yönünde olmuştur. Bu çalışmada, yüksek karbon zincirli alkanlar ile polietilen glikol (PEG) serileri kullanılarak hedeflenen çalışma aralığı içerisinde hal değişimi gösteren 33 farklı faz değiştiren malzeme formülasyonu geliştirilmiĢ, termal karaktrizasyonu ve ömür testleri yapılmıştır. Bunlara ek olarak, hem daha az kimyasal kullanılması hem de maliyet avantajı sağlamak amacıyla belirlenen bir formülasyon çerçevesinde farklı sentez methodları ile yağ su emülsiyonları hazınlanmış, hazırlama yönteminin emülsiyon stabilizasyonuna etkisi incelenmiştir. Faz değiştiren malzeme sentez çalışmaları temelde üç grupta yürütülmüştür. İlk grupta, 13 karbon zincirinden 16 karbon zinciri uzunluğuna kadar 4 farklı alkan, katı sıvı faz değişim sıcaklıkları göz önünde bulundurularak tridekan-hekzadekan, tridekan-tetradekan ve tetradekan-pentadekan ikili grupları şeklinde toplamda 19 farklı faz değiştiren malzeme hazırlanmıştır. İkinci grup çalışmada; PEG300 - PEG600, PEG300 - PEG 1500 ve PEG400 - PEG600 çiftleri ile geliştirilen 14 farklı formülasyon incelenmiş, beyaz eşya uygulamalarına uygunluğu değerlendirilmiĢtir. Son grup çalışmada ise yapılan literatür araştırması kapsamında parafin su emülsiyon çalışmaları incelenmiş, öne çıkan çalışmalar arasından uygun deney parametreleri belirlenmiĢtir. Parafin su emülsiyon sistemlerinde sentezlenen malzemenin zamanla faz ayrışması göstermemesi performans açısından büyük önem taşımaktadır. Yapılan çalışmalarda faz ayrışmasını engellemek için çeşitli yüzey aktif maddeleri kullanılması durumunda bile, sentez yönteminin stabilizasyona etkisi görülmüştür. Bu veriler ışığında temelde tetradekan su karışımı içeren formülasyon, 3 farklı yöntem uygulanarak hazırlanmıştır. Bu hazırlama yöntemlerinde temel olarak kimyasalların karışıma ilave edilme sırası değiştirilmiştir. Hızlandırılmış katı sıvı faz değişim programı uygulanarak ömür testine alınan FDM'lerin termal özellikleri 500 çevrim boyunca incelenmiştir. Çalışmanın son kısmında ise buzdolabı taze gıda bölmesine uygulanabilecek PEG formülasyonu seçilerek, bunların performans ölçümleri yapılmıştır. Değerlendirmeler: Bu tez kapsamında yapılan çalışmalar aşağıdaki şekilde özetlenebilir; - Yapılan detaylı literatür araştırması sonucunda organik kaynaklı faz değiştiren malzemelerin inorganiklere göre daha kararlı olduğu ve yüksek performans gösterdiği belirlenmiştir. - Bu doğrultuda özellikle beyaz eşya uygulamalarında kullanabilecek -20°C ile +10°C sıcaklıkları arasında 33 farklı faz değiĢtiren malzeme geliştirilmiştir. Sentezlenen FDM'ler alkan ve PEG esaslıdır. - Bunların yanı sıra tetradekan su emülsiyonlarına sentez methodunun etkisi incelenmiĢ, kullanılan yüzey aktif maddelerin tam olarak yapıda bağlanmayı sağlayabilmesi için, kimyasalların karışım içerisine ekleniş sırasının önemli olduğu belirlenmiştir. - Alkanların kullanıldığı birinci grup çalıĢmalar kapsamında; tridekan - hekzadekan karıĢımlarında erime donma proseslerinin iki aĢamada gerçekleĢtiği görülmektedir. Bunun sebebi tridekanın yapısıdır. Beyaz eĢya uygulamalarında daha dar çalıĢma aralıklarında çalıĢılması gerektiğinden, katı sıvı faz değiĢiminin kademeli oluĢu uygulanabilirlik açısından uygun bulunmamıĢtır. - Tridekan – tetradekan karıĢımı içeren formülasyonlarında hem erime hem de donma tek basamakta gerçekleĢmektedir. Bunun yanı sıra faz değiĢim sıcaklıklarının birbirine yakın olması ve 0 - 5°C aralığında bulunması, geliĢtirilen FDM'lerin buzdolabı taze gıda bölmesi ve sebzelik bölmelerinde uygulanabilirliğine iĢaret etmektedir. - Tetradekan – pentadekan karıĢımları incelediğinde ise özellikle sırasıyla %10 ve %20 tetradekan içeren formülasyonlarda tek bir faz değiĢim sıcaklığı elde edilememiĢtir. Bunun yanısıra yine aynı grup içindeki geliştirilen diğer FDM'lerin faz değiĢimleri 3 - 8°C arasında ölçülmüĢtür. - Alkan karışımları ile ilgili yapılan çalışmalarda buzdolabı uygulaması için tetradekan pentadekan karışımlarının öne çıktığı görülmektedir. - Ölçüm sonuçları incelendiğinde hem PEG300-PEG600 hem de PEG300-PEG1500 karısımların erime sıcaklıklarının limit değerler üzerinde olduğu görülmüĢtür. - Farklı oranlarda PEG300- PEG1500 içeren formülasyonların 30 - 40°C arasında faz değiĢimi göstermeleri sebebiyle bulaĢık makinası gibi yüksek çalıĢma sıcaklıklarına sahip beyaz eĢya uygulamalarında için kullanılabileği görülmüĢtür. - PEG400-PEG600 karışımı içeren formülasyonlardan bazıları geniş aralıkta faz değişimi göstedikleri için buzdolabı uygulamalarında doğrudan kullanıma uygun değildir. Ancak geliştirilen bu malzemeler arasından özellikle %30-60 PEG400 içeren formülasyonların buzluk kısmında tamamen donması sağlandıktan sonra, elektrik kesintisi durumunda buzdolabı taze gıda bölmesine yerleştirilmesiyle gıdaların bozunma süresini uzatacağı öngörülmektedir. - Tetradakan su emülsiyonlarında belirlenen formülasyon kapsamında tüm kimyasallların aynı anda eklenildiği method 1 ile uyumlu kimyasalların (su ile Tween60'ın, tetradekan ile Span 60'ın) kademeli olarak karıĢtırıldığı method 3 arasından entalpi ve faz değişim sıcaklıklarının değişimleri arasından büyük bir fark görülmemiştir. - Method iki de ise zaman içerisinde faz ayrışması görülmüştür. Bunun sebebinin tüm karışım prosesi tamamlandıktan sonra homojenizasyon elde edilmiş olsa bile kimyasal bağlanmanın aslında tam anlamıyla tamamlanamamış olmasından kaynaklanmaktadır.
Özet (Çeviri)
Nowadays, there is considerable demand for phase change materials (PCMs) within a wide temperature range to accomplish the energy efficiency in many areas. PCMs offer tremendous potential to fulfill the growing energy needs for cooling and heating applications across various industries including construction, commercial refrigeration, textiles, transportation packaging for temperature-sensitive products, several solar energy based systems, electronics and biomedical materials. The use of different PCM technologies is expected to improve the global efforts to conserve energy in the wake of fast depleting fossil fuels. However, effective integration of PCMs in end-products remains a challenging task. The increasing demand for energy-saving and ecologically friendly systems is driving the growth of the global PCM market. The paraffin-based PCM market commands the largest share of the overall PCM market in terms of value, while salt hydrate-based PCMs lead the market in terms of volume. PCMs that are used for the storage of thermal energy as sensible and latent heats are an important class of modern materials which substantially contribute to the efficient use and conservation of waste heat and solar energy. The storage of latent heat enables them to have considerably higher thermal energy storage densities with a smaller temperature difference between storing and releasing heat compared to sensible heat storage materials. The basic operation principles of solid liquid PCMs is based on that PCMs absorb heat with increasing in temperature until phase change temperature, heat absorption at phase change from solid to liquid occurs at almost constant temperature and the same process repeats with release of heat during the cooling process and liquid completely converts into solid. In this research, studies have been conducted in three different groups of which two are related with the development of suitable PCM formulations by using pure alkans and polyethylene glycols (PEGs) and other one is conserned with reducing the chemical usage and cost reduction by the way of making tetradecane/water emulsions. According to the theoritical knowledge, organic phase change materials have more remarkable properties in terms of working life and performance. In the light of this notion, the choice of raw materials were evaluated taking account of the temperature of developed phase change materal which is desired between -20°C to 10°C. Besides, the effects of preparation method on tetradecane and water emulsions have been observed. To achive the chemical structural integrity, the importance of the squence of added chemicals were investigated. The findings from this study are introduced below: - Tridecane – hexadecane formulations have shown two step melting and crystallization because of the pure tridecane's phase change characteristic. Due to the fact that, for refrigerator applications require more narrow operating temperature range, these formulations cannot be considered as suitable. - In the case of tridecane – tetradecane mixtures, formulations demonstrate one step solid liquid phase change; moreover, because of the closeness of the melting and crystallization temperatures in between 0 - 5°C, this group of phase change materials are countenanced both fresh food cabined and crisper in refrigerator. - When tetradecane – pentadecane mixtures are analyzed, single-phase change curves could not be seen for the formulations that contain low tetradecane weight percent (10%, 20% respectively). Beside this, developed other PCMs have shown phase change in between 3 - 8°C that exactly suit with the refrigerator operating temperatures. - Within the context of this study, it observed that tetradecane – pentadecane mixtures become prominent for home appliances with low operating temperature. - When DSC thermograms are investigated in detailed, both PEG300-PEG600 and PEG300-PEG1500 mixtures have shown the higher melting and crystallization temperatures above the operation conditions. - Mixture of PEG300-PEG1500 phase change materials with relatively high phase change temperature (between 30 - 40°C) can be utilized as different white good applications such as in heating rinse water of dishwasher. - Formulations which containe various amounts of PEG400 and PEG600 demonstrate solid liquid phase change in a wide range temperature - approxiametely in 10°C. Because of this situation, they cannot be used direct usage in refrigerator properly. However, especially PCMs with mixture of PEG400 and PEG600 can be utilized if they are frost utterly in freezer, they can be used in fresh food cabinet when power outage is exist; therefore, it can be extended the decay time of foods and beverages. - As a result of the study that is examined the effects of the preparation method on the stabilization for tetradecane water emulsions, ıt has not seen a huge discrepancy between method 1 and method 3 in terms of the change in melting temperatures and enthalpy of fusion values. - On the contrary, the beginning of the phase separation has been observed more significantly in PCM synthesized with method 2. That can be concluded that rather than the adding sequence of chemicals, the duration of interaction of materials all told is more effective. - In performance measurement of PCM contains 70% PEG400 and 30% PEG600, fresh food compartment temperatures are kept under the upper limit temperature (10°C) more than 2.4 hours with the help of phase change materials. - In addition to this result, by using the PCM includes 60% PEG400 and 40% PEG600 provides more than 3.5 hours cooling, if they are frost utterly in freezer and used in fresh food cabinet when power outage is exist; therefore, it can be extended the decay time of foods and beverages.
Benzer Tezler
- Beyaz eşya uygulamalarında enerji tasarrufu amacıyla faz değiştiren malzeme hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of phase change materials for energy efficiency in white good applications
ÖYKÜ GÜNGÖR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CEVAT FAHİR ARISOY
- Preparation and characterization of phase change materials to reduce internal temperature changes in refrigerators
Buzdolabı iç sıcaklık değişimini azaltmak amacıyla faz değiştiren malzeme hazırlanması ve karakterizasyonu
ÖZGE PAYANDA
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE OSKAY
- Preparation and characterization of thermally stable organoclays and their use in polymer based nanocomposites
Isıl kararlılığı yüksek organokillerin hazırlanması, karakterizasyonu ve polimer bazlı nanokompozitlerde kullanılması
WİSSAM ABDALLAH
Doktora
İngilizce
2010
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. ÜLKÜ YILMAZER
- Isıl enerji depolama uygulamaları için modifiye edilmiş alüminyum-silikat nanopartiküller içeren emülsiyon şablonlu gözenekli polimerlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of emulsion-templated porous polymers containing modified aluminum-silicate nanoparticles for thermal energy storage applications
SENA BAYRAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimya MühendisliğiYalova ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATİCE HANDE MERT
- Termal enerji depolama için termal iletkenliği arttırılmış diatomit tabanlı yapıca kararlı kompozitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of diatomite-based form-stable composites with enhanced thermal conductivity for thermal energy storage
MİYASE BULUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
KimyaÇankırı Karatekin ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KARAİPEKLİ