Determination of thermal decomposition kinetics for Fe/KClO4 binary mixtures utilizing analytical and numerical methods

Önerilen tez, birincil pil teknolojilerinden ısıl pilde kullanılan ısı tabletinin kinetik dinamiklerinin araştırılması ve modelleme ile doğrulanmasını amaçlamaktadır. Tez kapsamında, farklı kütlesel karışımlarında Fe/KClO4 için sıcaklık taramalı termal analiz yöntemiyle ısı (Q) – sıcaklık (T) verileri elde edilmiştir. Isı (Q) – sıcaklık (T) verileri, MATLAB™ (R2014A)'da yazılan veri işleme yazılımı kullanılarak dönüşüm (reaksiyonun ilerleme oranı, α) – sıcaklık (T) verisine çevrilmiştir. Her ısı tabletinin ısıl bozunma reaksiyonunun görünür aktivasyon enerjisi (Ea) Starink'in izodönüşüm yöntemiyle belirlenmiştir ve bu aktivasyon enerjisi kullanılarak Malek kinetik prosedürüyle reaksiyon modeli (f(α)) belirlenmiştir. Analitik yöntemlerle elde edilen reaksiyon parametreleri (görünür aktivasyon enerjisi, Ea, reaksiyon modeli, f(α), frekans faktörü, A), COMSOL Multiphysics yazılımında oluşturulan deneysel veri ile model verisi arasındaki farkı iterativ yöntem ile minimuma indirgeyen paket programında sınır koşulu olarak kullanılmış ve optimum reaksiyon parametreleri elde edilmiştir. Son olarak; nümerik yöntemle elde edilen optimum kinetik parametreler COMSOL Multiphysics'de tanımlanan ısı tableti yanma modelinde çalıştırılarak yanma hızı sonuçları hesaplanmıştır. Bu sonuçlar literatürdeki yanma hızı sonuçları ile karşılaştırılmış ve böylece kinetik parametrelerin doğrulaması gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasının ilk aşamasında farklı kütlesel karışımlarda (a/a) (82/18, 84/16, 86/14 ve 88/12) hazırlanan ısı tabletlerinin görünür aktivasyon enerjisi değerleri Starink izodönüşüm yöntemi kullanılarak sırasıyla 208, 210, 218 ve 222 kJ/mol bulunmuştur. Yüzde KClO4 oranı arttıkça aktivasyon enerjisi azalmaktadır. Bu durum, tablet içerisindeki KClO4 miktarı arttıkça, Fe molekülü ile reaksiyon gerçekleşme ihtimalinin artmasına bağlanmıştır. Ayrıca, Starink yöntemiyle elde edilen dönüşüme karşı aktivasyon enerjisi değerleri, dönüşüm değeri 0.4 olana dek KClO4 bozunması ve Fe oksitlenme reaksiyonlarının aynı anda gerçekleştiğini göstermiştir. Farklı ısı tabletleri için ortalama aktivasyon enerjisi değerleri ve Malék prosedürü kullanılarak, ısı tabletinin ısıl bozunma reaksiyonunun Śesták-Berggren reaksiyon modeline uyduğu belirlenmiştir. Malék prosedürü kapsamında ısı tableti bozunma reaksiyonu için oluşturulan y(α) ve z(α) eğrileri bozunma reaksiyonunun çekirdeklenme (İng. Nucleation) sürecine göre gerçekleştiğini göstermiştir. Elde edilen kinetik parametreler kullanılarak farklı ısı tabletleri için zamana (t) karşı dönüşüm (α) eğrileri hesaplanmış ve deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma, hesaplanan zamana karşı dönüşüm ve deneysel zamana karşı dönüşüm eğrilerinin yeterince örtüşmediğini göstermiştir. Bu sebeple, kinetik parametrelerin optimizasyonu için COMSOL Multiphysics yazılımında iterativ prosedürü kullanan deneysel ve model arasındaki farkı minimize etmeye dayalı program yazılmıştır. Programın çıktısı olan optimize kinetik parametreler kullanılarak hesaplanan zaman (t) – dönüşüm (α) ve deneysel zaman (t) – dönüşüm (α) eğrilerinin örtüşme oranı korelasyon faktörü cinsinden (r) 0.98 – 0.99 aralığında bulunmuştur. Optimize edilmiş kinetik parametreler ısı tabletinin yanma modelinde kullanılmıştır. 82/18, 84/16, 86/14 ve 88/12 kütle karışım oranlarındaki ısı tabletleri için yanma hızı sırasıyla 26.0, 15.7, 11.5 ve 10.7 cm/s olarak hesaplanmıştır. Yüzde KClO4 oranı arttıkça yanma hızının eksponensiyel olarak arttığı görülmüştür. Bu durum, ısı tabletlere ait kinetik parametrelerle de örtüşmektedir. Buna ek olarak, hesaplanan yanma hızının literatürdeki değerlere çok yakın olduğu görülmüştür. Bu örtüşme elde edilen kinetik parametrelerin doğruluğunu teyit etmektedir. Isıl pilin aktifleşme ve çalışma süreçlerinin doğru modellenemebilmesi için doğruluğu teyit edilmiş ısı tableti bozunma kinetik parametrelerinin elde edilmesi gerekmektedir. Sonuç olarak; ısıl pilin modellemeye dayalı tasarım süreçleri için kritik öneme sahip olan ısı tabletinin bozunma reaksiyonuna ait kinetik parametreler elde edilmiştir.