Termal Depolamada Ustalaşmak: Verimli Güneş Enerjisiyle Su Isıtmanın Anahtarı

Güneş Enerjili Su Isıtma Sisteminde Termal Depolama

Güneş enerjili su ısıtma sisteminde, güneş kolektörleri tarafından üretilen ısıyı depolamak için bazen ısı depolama tankı olarak da adlandırılan bir su depolama tankı kullanılır. Termal depolama için sıvıların (özellikle suyun) kullanılması, çeşitli termal depolama yöntemleri arasında en olgun, teknik açıdan sağlam ve yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Sıvının yalnızca yüksek özgül ısı kapasitesine değil aynı zamanda yüksek kaynama noktasına ve düşük buhar basıncına da sahip olması genellikle arzu edilir. Birincisi faz değişimini (gaz halindeki duruma) önlemek, ikincisi ise termal depolama kabı üzerindeki basıncı azaltmaktır. Düşük sıcaklıktaki sıvı termal depolama ortamları arasında su en iyi performansı sunar ve bu nedenle en yaygın kullanılanıdır.

Suyun Isıl Depolama Ortamı Olarak Kullanılmasının Avantajları ve Dezavantajları

Avantajları

① Fiziksel, kimyasal ve termal özellikleri çok kararlıdır, iyi anlaşılmıştır ve uygulama teknolojisi olgunlaşmıştır.

② Hem ısı depolama ortamı hem de ısı transfer ortamı olarak kullanılabilir, böylece ısı depolama sistemlerinde ısı değiştiricilere olan ihtiyaç ortadan kalkar.

③ Mükemmel ısı transferi ve sıvı özelliklerine sahiptir. Yaygın olarak kullanılan sıvılar arasında en yüksek özgül ısı kapasitesine, en düşük termal genleşme katsayısına ve düşük viskoziteye sahip olanıdır, bu da onu hem doğal hem de zorunlu sirkülasyon için uygun hale getirir.

④ Sıvı-gaz ​​dengesinde sıcaklık-basınç ilişkisi oldukça kararlıdır ve bu da onu düz levhalı güneş kollektörleri için uygun hale getirir.

⑤ Bol miktarda bulunur ve ucuzdur.

Dezavantajları

① Elektrolitik olarak aşındırıcı bir madde olan oksijen, metalleri kolayca aşındırır. Ayrıca çoğu gaz (özellikle oksijen) için çözücü görevi görerek kapların ve boruların korozyona uğramasına neden olur.

② Katılaştığında (donduğunda) hacmi önemli ölçüde genişler (yaklaşık %10'a kadar), bu da kaplara ve borulara zarar verebilir.

③ Orta sıcaklığın (100°C'nin) üzerindeki sıcaklıklarda, buhar basıncı artan su sıcaklığıyla birlikte katlanarak artar. Bu nedenle, suyu ısı depolamak için kullanırken, hem sıcaklık hem de basınç kritik noktasını (373,0°C, 2,2×10 Pa) aşmamalıdır. Örneğin, 300°C'de ısı depolamanın maliyeti 200°C'ye göre 2,75 kat daha yüksektir.

Isı depolama ortamı olarak su kullanıldığında, ısı depolama kapları paslanmaz çelik, emaye, plastik, alüminyum alaşımı, bakır, demir, betonarme ve ahşap gibi çeşitli malzemelerden yapılabilir. Şekilleri silindirik, kutu şeklinde ve küresel olabilir. Ancak, kullanılan malzemelerin korozyon direnci ve dayanıklılığı dikkatlice değerlendirilmelidir. Örneğin, ısı depolama kabı malzemesi olarak çimento ve ahşap seçerken, uzun süreli kullanımdan kaynaklanan çatlak ve sızıntıları önlemek için ısıl genleşmeleri göz önünde bulundurulmalıdır.

Sıcak su depolama tankı, hem ısıyı hem de soğuğu depolayabilen bir cihazdır. Binalara sıcak su, ısıtma ve iklimlendirme sağlayan sistemlerde bir bileşen olarak geliştirilmiştir. Temel işlevi, enerji tüketimi ile enerji tüketimi arasındaki dengesizliği ayarlayarak sistemin termal verimliliğini artırmak ve gerekli ısı yükünü karşılamaktır.

Sıcak su depolama tankları, ısı salınım özelliklerine (tam ekstrüzyon akışı, tam karışım akışı ve kısmi karışım akışı), basınç durumuna (açık veya kapalı), tank sayısına (tekli veya çoklu), kurulum yöntemine (dikey veya uzunlamasına, yatay veya enine), yapısal malzemelerine ve kullanım amacına göre çeşitli tiplere ayrılabilir. Aşağıda ilk iki tipe odaklanılmaktadır.

Sıcak su depolama tankının ısı salınım özellikleri

Isı salınım özelliklerine (veya tank içindeki karıştırma özelliklerine) bağlı olarak, sıcak su depolama tankları üç tipe ayrılabilir: tam ekstrüzyon akışlı, tam karıştırma akışlı ve kısmi karıştırma akışlı. υ su akış hızını, L su tankının uzunluğunu ve E karıştırma difüzyon katsayısını temsil ediyorsa, yukarıdaki üç kategori tanktaki su sıcaklığının karışma derecesine veya karıştırma karakteristiğinin değerine (M=υL/(2E)) göre sınıflandırılabilir.

(1) Tam ekstrüzyon akışı

Piston akışı olarak da bilinen bu akışta, su tankındaki akış tamamen piston benzeridir ve tankta iki sıcak ve soğuk su alanı vardır. İkisi arasındaki arayüz çok açıktır ve neredeyse hiç karışma olmadığını gösterir. Bu sırada, E→0 veya M→∞ olduğu düşünülebilir. Sıcak su depolama tankı ısıyı serbest bıraktığında (soğuduğunda), su alttan (üstten) içeri akar ve tüm ısı kullanılabilir. Bu, Şekil 2-11'de gösterildiği gibi ideal bir durumdur. Sıcak su depolama tankında 80℃ sıcaklığında 100L sıcak su olduğunu ve ardından alt giriş A'dan yavaşça 20℃ soğuk suyun enjekte edildiğini ve çıkış B'den akan tüm suyun 80℃ sıcak su olduğunu varsayalım. Ancak dışarı akan su miktarı 100L'yi aşar aşmaz, su sıcaklığı hemen 20℃'ye düşer.

(2) Tamamen karışık akış

Su tankındaki sıcaklık tamamen homojendir ve bu da karışımın çok iyi olduğunu gösterir. Bu durumda E→∞ veya M→0 kabul edilebilir. Normal şartlar altında, bu ancak sıcak su depolama tankına güçlü bir karıştırıcı takıldığında ve karıştırılarak yavaşça soğuk su enjekte edildiğinde elde edilebilir. Başlangıçta, B çıkışından akan suyun sıcaklığı 80℃'dir. Zamanla, su sıcaklığı üstel bir fonksiyon şeklinde azalır. Su çıkışı 100 L'ye ulaştığında, su sıcaklığı yaklaşık 80×e≈29,3℃'ye düşer.

(3) Kısmen karışık akış

Sıcaklık kademeli akışı olarak da bilinen bu durum, su deposundaki sıcaklık dağılımının eşit olmadığını ve tabakalaşmanın meydana geldiğini gösterir. Bu durumda E değeri sonlu yani 0 olarak kabul edilebilir.

Sıcak su depolama tankının basınç durumu

Sıcak su depolama tankı basınç durumuna göre açık ve kapalı olmak üzere iki kategoriye ayrılabilir. Normal atmosfer basıncı altında, alınacak alanın şekli gerçek duruma bağlıdır.

(1) Açık tip

Su deposu atmosfere açık olduğundan daha az basınca maruz kalır, ancak asitten kolayca aşınır. Oksijen suda kolayca çözündüğü için, kabın korozyon direncinin yüksek olması gerekir. Ayrıca, sistemin ihtiyaç duyduğu basma yüksekliğinin de yüksek olması gerekir. Genellikle büyük güneş enerjisi sistemlerinde kullanılır.

(2) Kapalı tip

Su deposu suyla dolu olduğundan, ısı depolama tankına zarar vermemek için üstüne bir genleşme tankı takılmalıdır. Avantajları arasında basit boru sistemi, düşük su pompası gereksinimi ve sirkülasyon pompasının daha az güç tüketmesi bulunur; dezavantajları arasında nispeten yüksek statik basınç, ısı depolama tankı için yüksek basınç dayanımı gereksinimi ve basınca dayanıklı kabın yüksek ekipman maliyeti yer alır. Genellikle küçük güneş enerjisi sistemlerinde kullanılır.

Gerçek uygulamalarda, binanın sıcak su temin sistemi ve çatı ısı depolama tankı (doğal sirkülasyonlu sıcak su sistemiyle birlikte kullanılır) çoğunlukla açık tiptir; ayrıca, temel kirişinin boşluğunun ısı depolama tankı olarak kullanılması ve betondan yapılmış ayrı bir ısı depolama tankı kullanılması da açık tiptir. Tersine, sistem çalışma sıcaklığı 100°C'yi aştığında, özel bir ısı transfer ortamı kullanılmadığı sürece sıcak su depolama tankının kapalı olması gerekir. Ayrıca, zemine monte zorunlu sirkülasyonlu sıcak su sistemlerindeki sıcak su depolama tankları genellikle kapalıdır.

Açık tip sıcak su depolama tankları çoğunlukla galvanizli çelik, paslanmaz çelik ve fiberglastan yapılırken, kapalı tipler çoğunlukla emaye, paslanmaz çelik ve fiberglastan yapılır.

Sıcak su depolama tankları genellikle silindirik bir şekle sahiptir. İlk olarak, imalatı ve sızdırmazlığı kolaydır, bu da onları ekonomik kılar. İkinci olarak, daha iyi ısı dağılımı sağlar ve ölü su alanlarını en aza indirir. Üçüncü olarak, daha iyi basınç direnci sunarlar (sabit iç basınç altında, silindir duvarına etki eden gerilim, yarıçapıyla orantılıdır).

Isı depolama tanklarının termal dinamik özellikleri

(1) Termal dinamik özelliklerin ana parametreleri

① Isı depolama tankındaki ölü su alanının büyüklüğü;

② Isı depolama tankında farklı sıcaklıklardaki suyun karışma derecesine göre belirlenen karıştırma karakteristiği M değerinin büyüklüğü;

③ Isı depolama malzemesinin içindeki sıcaklık gradyanı;

④ Isı değiştiricinin ısı kapasitesi;

⑤ Isı depolama tankına bağlı boru sisteminin ısı kapasitesi;

⑥ Isı depolama tankının kendisinin ve onunla temas halinde olan çevre ortamının ısı kapasitesi (yer altına gömülü ısı depolama tankları için geçerlidir).

Isı depolama ortamı olarak su kullanan ısı depolama tankları için, bir ısı değiştiriciye ihtiyaç duyulmadığından, yukarıdaki iki madde ③ ve ④ göz ardı edilebilir.

(2) Termal dinamik özellikleri etkileyen faktörler

① Su tankındaki akışkanın karışım durumu - Isı depolama tanklarının gerçek kullanımında, su akış hattı, ısıyı tam olarak depolayamayan ve depolanan ısının tam olarak kullanılmasını engelleyen, tamamlanmamış bir piston akış formu oluşturabilir.

② Su tankı yapısı ve dolaşan su hacmi—öncelikle tank içindeki deflektörlerin sayısı ve yapılandırması, bağlantı borularının sayısı, çapı ve konumu, ayrıca tankın şekli ve dolaşan su hacmini ifade eder.

③ Isı kaybı ve kazanımı—Su deposunun kendisi koruyucu bir yüzeye sahip olduğundan, ısı kaybı ve kazanımı kaçınılmazdır. Isı talebindeki ani artışları azaltmak için tasarlanmış kısa süreli ısı depolama depolarının, yer altına gömülmesi ve yalıtılması, termal dinamiklerini olumsuz etkileyebilir. Bunun nedeni, ısı kapasitesiyle toprağın da ısı depolamada belirli bir amaca hizmet edebilmesidir.

④ Isı depolama ve ısı çekme sıcaklıkları—Isı depolama sıcaklığı, ısı depolama işleminin sonunda tank içindeki ortalama su sıcaklığını ifade eder; ısı çekme sıcaklığı ise tanktan ısı çekildiği andaki çıkış suyu sıcaklığını ifade eder. Isının tam olarak kullanılıp kullanılamayacağı ve ısı depolama tankının çalışma ömrü, bu iki sıcaklığın nasıl ölçüldüğüyle yakından ilişkilidir.

Isı Depolama Tanklarının Geçici Tepkisi

Bir ısı depolama tankı kullanıldığında, çıkış suyu sıcaklığının dalgalanması ısı yükünün belirlenmesinde kritik öneme sahiptir. Teorik olarak, giriş sıcaklığı ile çıkış sıcaklığı (genellikle giriş ve çıkış sıcaklıkları olarak bilinir) arasındaki fonksiyonel ilişki, tank içindeki su sıcaklık dağılımının hesaplanmasıyla elde edilebilir. Ancak bu, üç boyutlu süreklilik denkleminin, momentum korunum denkleminin ve enerji korunum denkleminin çözülmesini gerektirir; bu da karmaşık bir işlemdir ve uzun bir hesaplama programı gerektirir.

Pratik tasarımda, tank içindeki su sıcaklığı dağılımını doğrudan anlamak gerekli değildir. Bunun yerine, giriş sıcaklığının ve ısı girişinin zamansal değişimini bilmek ve çıkış sıcaklığının zamansal değişimini hesaplayabilmek yeterlidir. Günümüzde en yaygın kullanılan yöntem, tüm tankı tek bir sistem olarak ele alan "geçici tepki yöntemi"dir. Giriş ve çıkış arasında doğrusal bir ilişki varsayılırsa (giriş ve çıkış su sıcaklıkları benzer olduğunda yaklaşık olarak varsayılabilir), giriş sıcaklığındaki herhangi bir değişiklik için çıkış sıcaklığındaki değişim, bir evrişim integrali kullanılarak hesaplanabilir.

Özetle, sıcak su, ısıtma ve iklimlendirme sistemleri için küçük ölçekli ve kısa süreli ısı depolama cihazları olarak ısı depolama tanklarının kullanılması, güneş enerjisi kullanımında önemli bir rol oynamakta ve çeşitli pratik uygulamalar bulmaktadır. Mevsimler arasında büyük ölçekli ve uzun süreli ısı depolaması gerekiyorsa, bazı ülkeler son yirmi-üç on yılda etkili bir ısı depolama ve enerji tasarrufu önlemi olarak yeraltı su katmanlarını incelemeye başlamıştır.