İndüksiyonlu gaz ısıtıcılarının termodinamik analizi

Gelişen teknoloji ile dünya üzerindeki enerji ihtiyacı gün geçtikçe artmaktadır. Bu kapsamda enerjinin ve enerji verimliliğinin korunması, sürdürülebilir bir toplum için kilit husus haline gelmiştir. Devletlerin ekonomilerinde önemli bir kalem haline gelen enerji giderlerinin, enerji tasarrufu ile azaltılması kapsamında elektrik enerjisinin kullanımının düşürülmesi büyük bir payı elinde tutmaktadır. Elektrik enerjisinden yapılacak tasarruf, gereksiz kullanım ve kaçakların önüne geçilmesiyle sağlanabileceği gibi, aynı işi daha düşük enerji ile gerçekleştirebilecek cihazların geliştirilmesiyle de sağlanabilmektedir. İklimlendirme sektörü, başta küresel ısınma olmak üzere insanoğlunun ve canlıların yaşamını tehdit eden faktörler sebebiyle devletlerin uygulamaya koydukları çevreci politikalar kapsamında sürekli kendini yenileyen bir sektördür. Bunun için iklimlendirme sistemlerinin çevreci politikalara uygun olarak geliştirilmesi önem arz etmektedir. Bu doğultuda, bir yandan mahal şartlandırmaya yönelik fosil yakıtlara dayanan ısıtma sistemlerinin yerini elektrik enerjisiyle çalışan sistemlere yöneltme çabası, diğer yandan elektrik enerjisiyle çalışan sistemlerin efektif ısıtma işlemini sağlamaları için teknoloji geliştirme aşamaları devam etmektedir. Bu kapsamda indüksiyonla ısıtma sistemleri ise bahsedilen diğer teknolojilere alternatif olarak gelişim aşamasındaki bir teknolojidir. İndüksiyonla ısıtma teknolojisinde bir bobin içerisine yerleştirilen elektriksel iletken eleman, akışkanı yanma işlemi olmadan ısıtır böylece çevresinde hava ısıtma işleminden kaynaklanan karbon bazlı ve diğer sera gazı emisyonlarını belirgin bir şekilde ortadan kaldırarak dünya ortamının kalitesini artırmaktadır. Tez kapsamında daha önce geliştirilen prototiplerden elde edilen bulgular ve öneriler doğrultusunda, bu prototiplerin sadeleştirilmesiyle elde edilen K5 tipi indüksiyonlu gaz ısıtıcısının dairesel hava kanalı içerisindeki performansı, geçici ve sürekli rejim altında elektrik, termodinamik ve akışkanlar mekaniği disiplinleri açısından incelenmiştir. Konvansiyonel rezistanslı ısıtıcılar yerine indüksiyonlu hava ısıtıcılarının kullanılmasıyla, elektrik kaçaklarından kaynaklı tehlikelerin, çevre kirliliğinin, korozyonun, ısıtıcıdaki bakteri ve/veya virüslerin üremesinin önlenmesi, ömrü uzun ve bakım ihtiyacı bulunmayan bir ısıtıcı sisteminin elde edilmesi planlanmıştır. Deneylerde iş akışkanı olarak hava kullanılmış ve kanal içerisinde sahip olduğu termal ve akış karakteristiğinin tespit edilmesi amacıyla sonlu elemanlar metodunu kullanan Comsol Multiphysics® ile sayısal simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Simülasyonda izlenen metot ve elde edilen bulgular, deneysel sonuçlar ve literatürde verilen diğer doğrulama yöntemleri izlenerek doğrulanmıştır. Literatürden derlenen Nusselt korelasyonlarının ısıtıcıda uygulanabilirliği tartışılmıştır. Isıtıcı prototipinin performans parametreleri olarak, kovan ve bobinin sıcaklık değerleri, havanın farklı noktalarda sahip olduğu sıcaklık değerleri, kovan içi (I. Bölge) ve bobin dışı-kanal arası (II. Bölge) ısı taşınım katsayısı, kanaldaki basınç kaybı, elektriksel kuplaj verimi ve termal verim belirlenmiştir. Sistemin performans parametrelerini farklı koşullar altında analiz etmek için doğrulanmış simülasyon modeli kullanılarak parametrik çalışmalar yapılmıştır. Bu kapsamda, havanın göz önüne alınan çözümleme bölgesine giriş Reynolds sayısının değişimi, farklı bobin güçleri, kanal iç çapının kovan iç çapına olan oranının değişimi, kovan uzunluğunun kovan iç çapına olan oranının değişimi, farklı gaz akışkanların ve kovan içerisi ile ısıtıcı uçlarına koyulan akış düzelticinin etkisi incelenmiştir. Ayrıca, sistemin elektromanyetik performansının belirlenmesi adına eşdeğer devre analizine bağlı simülasyonlar Multisim v.14 programı vasıtasıyla gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışma sonucu ısıtıcının termal ve elektriksel veriminin sırasıyla %100 ve %94,46 olduğu belirlenmiştir. Kovan ve bobin sıcaklığının ortalama 159,6 °C ve 58,2 °C olması durumunda havanın kanaldan çıkış sıcaklığı 30,5 °C olduğu tespit edilmiştir.