Akademik Veri Yönetim Sistemi
TÜBİTAK - AB COST Projesi , 2023 - 2025
Tuz eriyikler (TE) ve bunların
karışımları, düşük viskozite, düşük buhar basıncı, düşük maliyet, kimyasal
kararlılık ve çevre dostu olmaları gibi önemli avantajlarından dolayı hem ısı
depolama hem de ısı taşıma uygulamalarında tercih edilmektedir. Günümüzde bu
eriyikler çalışma sıvısı olarak nükleer enerji santralleri, kimya endüstrisi,
petrol rafinerileri ve konsantre güneş enerjisi (KGE) santralleri gibi
birbirinden çok farklı alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Tüm bu uygulamalarda,
kullanılan tuz karışımı, türü ve oranları kullanım alanlarına göre
seçilmektedir. Mevcut proje önerisinde kullanılacak tuz karışımının türü ve
bileşimi KGE santrallerinde termal iletkenlik ve özellikle de spesifik ısı
kapasitesinin artırılması ve bu yolla da güneş enerjisindeki dalgalanmaların
elektrik/ısıl enerji üretimine etkisinin azaltılarak sistemin sevk
edilebilirliğinin artırılması üzerine tasarlanmıştır. Ancak, etkin bir termal akışkan olarak
kullanılabilmeleri için bu tuz eriyiklerin bazı termo-fiziksel
özelliklerinin daha da iyileştirilmesi gerekmektedir; i) çalışma sıcaklık
aralığı geniş olmalıdır: klasik tuz eriyiklerin erime noktaları KGE uygulaması
için oldukça yüksek sayılmaktadır (>300 °C). Bu durum, tuz eriyiğin akşam
saatlerinde ya da kış aylarında kolayca donması ve boru hattını tıkayarak
çalışma şartlarını zorlaştırmaktadır. Bu
nedenle, daha düşük bir erime noktası (Tm>200 °C) ve daha yüksek
termal karalılık (Tbozunma>500 °C) sıcaklığına sahip ucuz TE bileşimlerine
ihtiyaç vardır.
Mayıs 2021 tarihinde tamamlanan
TÜBİTAK 118M582 Numaralı proje çalışmamızda KGE santrallerinde kullanılmak
üzere düşük erime noktası, yüksek bozunma sıcaklığına ve piyasadaki tuz
bileşimlerine nazaran en az %80’lik bir artışla 1 W/m.K termal iletkenlik
sabitine sahip yeni bir nanoyapılı tuz hibrit yapı ısı transfer akışkanı olarak
başarılı bir şekilde geliştirilmiştir.
118M582 numaralı projenin ana fikri polimer kristalleri üzerinde
nanosıkıştırma etkisi üzerinde yapmış olduğumuz 10 yıllık araştırmalar
neticesinde çeşitli organik ve inorganik yarı-kristal malzemelerin kristal
yapılarının ve erime sıcaklıklarının nanosıkıştırma etkisi ile radikal bir
şekilde değiştiğini gözlemlememizdir. 2 boyutlu anodik alümina membranların silindirik
gözenekleri tuzlar için bir akış kanalı olarak tasarlanmış ve gözenek çapı
değiştirilerek TE akışkanın erime sıcaklığı (çekirdek/ gözenerek çapı oranı
ayarlanarak) düşürülmeye çalışılmıştır. Sonuç olarak, en fazla erime sıcaklığı
azalmasının 173°C ile 400nm gözenek çapına sahip KNO3/alümina
membran yapıda gerçekleşmiştir. Aynı proje
çalışmasında TE ısı transfer ajanı olarak tasarlandığı için nano sıkıştırmanın
termal iletkenlik sabitine etkisi de incelenmiştir. En yüksek termal iletkenlik değeri artışı
200nm çapa sahip alümina membranların içinden geçen NaNO3 eriyiği
için 1.153 ± 0.038 W/m.K olarak ölçülmüştür. Bu bağlamda proje termal
iletkenlik sabitinin 1 W/m.K’nin üzerine çıkılması hedefine ulaşmıştır (M.
Göktürk Yazlak, Y. Lisans Tezi, 2021, YÖK Numarası 629158).
Mevcut proje
önerisinde TE’nin çalışma sıcaklığı aralığını genişletmenin yanı sıra ii)
Kompakt bir tasarım için enerji depolama yoğunluğu yüksek olması yani spesifik
ısı kapasitesinin (Cp) arttırılması gerekmektedir. Bu özellik,
taşınabilen veya depolanabilen ısının kapasitesini kontrol eder. Ayrıca,
sistemin verimliliğini artırır. Bunu başarmak için yaygın olarak 2 yöntem
kullanılır. TE bileşimi değiştirilerek çoklu ötektik yeni karışımlar
geliştirilir veya TE içerisinde eser miktarda mikro/nanoparçacık ilave edilir. TE’ye katılan Cs ve Li tuzları çok maliyetli oldukları için pratik
değildirler. Nano parçacık ilavesi (CuO, SiO2, Al3O4,
Uçucu kül v.b.) ise hem daha ekonomiktir hem de diğer termofiziksel özellikleri
de iyileştirme potansiyeli olduğu için daha fazla tercih edilmektedir. Mevcut
proje önerisinde, TE’lerin ısı kapasitesini artırmak için (Cp>2
J/g.K) mikro/nanoparçacıkların (D>15mm) yüzeylerinde
deniz kestanesi görünümlü yüksek yoğunluklu fiberler oluşturarak spesifik yüzey
alanları artırılacaktır. Ancak TE’lere mikro/nanoparçacık katkısının
(ısıtma-soğutma döngüsü sırasında) topaklanma ile sonuçlandığı bilinmektedir.
Dolayısıyla, TE matrisi içerisinde mikro/nanoparçacıkların konumlarını koruması
ve uzun vadeli kararlılığı, enerji verimliği açısından dikkate alınmalıdır.
Mikro/nano parçacıkların stabilitesini sağlamak için iki aşamalı kristallenme
uygulanacaktır; 1. Kristallenme: yüzey-destekli kristallenme yoluyla
katmanlaşma ile kolloidal stabiliteye katkıda bulunacak ve bu esnada
TE/mikro/nanoparçacık yüzey kimyası (stokiyometri) kontrol edilerek, inorganik
tuz-inorganik mikro/nanoparçacık arası spesifik kimyasal etkileşimi
kuvvetlendirerek stabilite kalıcı hale getirilecektir. 2. Kristallenme adımı
ise bir yığın kristalleşmesidir. Mikroparçacıkdaki nanofiberlerin yüzeyinden
başlayarak tüm TE yapıyı kapsayan bir-tek kristal yapı elde edilmesiyle
aşağıdan yukarıya kristallenme ile parçacıkların stabilitesi korunmuş
olacaktır.