Yeni Yüzey İşleme Tekniği Soğutma Verimliliğini Artırabilir
Düşük yüzey gerilimine sahip sıvılar için geliştirilen kaygan bir yüzey damlacık oluşumunu güçlendirerek ısı transferini artırır.
Yazan: David L. Chandler | MIT News Office
Çeviren: Meriç Noyan Karataş
Sıvı soğutucu akışkanlar ve yüzey gerilimi düşük akışkanlar, bir yüzey ile temas ettiklerinde, sudan farklı olarak, levha üzerine yayılma eğilimindedirler. Birçok endüstriyel proseste sıvıların damlacık oluşturması tercih edilir çünkü yüzeyde yuvarlanan veya yüzeyden düşen damlacıklar beraberlerinde ısıyı da uzaklaştırırlar. MIT’deki araştırmacılar bu tip akışkanlarda damlacık oluşumunun artırılması ve bu damlacıkların düşerek yüzeyden uzaklaştırılması konularında kayda değer miktarda ilerleme kaydettiler. Bu yaklaşım, soğutmanın da dahil olduğu birçok büyük ölçekli endüstriyel prosesin verimliliğinin artmasını sağlayabilir ve bu sayede enerji tasarrufu sağlanırken sera gazı salınım miktarları azaltılabilir. Yeni bulgular “Joule” isimli dergide, Post Doktora Karim Khal, Makina Mühendisliği Profesörü Kripa Varanasi, Kimya Mühendisi Profesörü ve Müdür Yardımcısı Karen Gleason ve diğer dört kişi tarafından yayınlanan makalede detaylı olarak açıklandı.
Yıllar boyunca, Varanasi ve ortakları su kullanan yoğuşmalı sistemlerin (fosil yakıt veya nükleer enerji sistemlerinin soğutulması) verimliliklerinin iyileştirilmesinde büyük bir ilerleme kaydettiler. Fakat diğer tip sıvıların (soğutma sistemlerinde, sıvılaştırmada, atık ısı geri kazanımında ve damıtma istasyonlarında veya yağ ve petroldeki metanın sıvılaştırılmasında kullanılanlar gibi) genellikle suya nispeten daha düşük yüzey gerilimleri vardır. Yani bu sıvılarda bir yüzey üzerinde damlacık oluşturmak çok zordur. Bunun yerine genellikle yüzey üzerine ince bir film tabakası şeklinde yayılırlar ki bu ıslanma olarak bilinir. Bu sıvı filmi bir yüzeyi kapladığında, ısı transferini kısıtlayan yalıtıcı bir katman oluşturur ve bu proseslerin verimli olarak çalışmasında ısı transferi hayati önem taşımaktadır. “Bir film tabakası oluşturuyor ve ısı transferi için bir bariyer oluyor” diyor Varanasi. “Eğer sıvı hızlı bir şekilde damlacıklar oluşturur ve bu damlacıklar birbirleri ile birleşip büyüyerek yerçekimi vasıtası ile yüzeyden düşer ise ısı transferi iyileşiyor. Düşük yüzey gerilimine sahip sıvıların damlacık oluşturmasını sağlamak oldukça zor. Su kullanan yoğuşmalı sistemlerde prosesin toplam verimliliği %40 civarında iken yüzey gerilimi düşük olan sıvıları kullanan sistemlerde verimlilik %20 ile limitlidir. Bu prosesler endüstride yaygın bir biçimde kullanıldıklarından, bu verimlilik değerinde ufak bir iyileştirme bile yakıt tasarrufunda ve sera gazı salınımlarının azaltılmasında belirgin bir iyileştirme sağlayabilir” diye devam ediyor Varanasi.
“Damlacık oluşumunu geliştirerek ısı transferinde 4-8 kat arasında iyileştirme yapılması mümkün” diyor Khalil. “Çünkü yoğuşma toplam verimliliği %2 oranında iyileştirebilen kompleks bir döngünün sadece bir parçası. Toplam verimlilikte %2 iyileşme kulağa çok az bir miktarmış gibi gelebilir. Fakat bu devasa endüstriyel proseslerde %1’in altındaki bir iyileştirme bile potansiyel etkisi gözle görülür seviyede olan büyük bir başarı olarak görülür. Bu alanda %1’in onda biri için bile büyük bir savaş verirsiniz” diyor Khalil.
Yüzey işlemeden farklı olarak Varanasi ve ekibi diğer tip sıvılar için; sıvı maddenin bir yüzey yapısı ile yerinde tutulmasına dayanan ve bu etkiyi bir mikrondan daha az kalınlıktaki bir katı kaplamanın yüzeye uygulanması ile elde edilen bir yöntem buldular. “Bu kalınlık o kadar önemlidir ki belli limitlerin dışına çıktığında ısı transferini engellemeye başlayabilir” diyor Khalil.
Özel formüllü bir polimerden yapılan kaplama, Kimyasal Buhar Kaplama (iCVD) ismi verilen ve kaplama malzemesinin buharlaştırılıp işlenecek yüzeye nüfuz ettirilerek ince bir kaplama oluşturulmasını sağlayan bir proses ile yüzey üzerinde biriktirilir. Bu uygulama MIT’de Gleason tarafından geliştirilmiştir ve şimdilerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Makalenin yazarları iCVD prosesini, yoğuşan damlacıkların yüzeyde sabit kalmasını engellemek ve akıp gitmelerini kolaylaştırmak için, kaplama moleküllerini yüzeye nüfuz etme miktarını ayarlayarak optimize etmişlerdir. Proses endüstriyel ölçekte ekipmanların bulunduğu yerde yapılabilirken ayrıca verimlilikte artış sağlamak için mevcut ekipmanlar üzerinde kolaylıkla tadil işlemi yapılabilmektedir. “Proses malzemeden bağımsızdır” diyor Khalil. “Ayrıca düz yüzeylere uygulanabildiği gibi paslanmaz çelik, titanyum veya düşük yüzey gerilimli sıvıları içeren yoğuşmalı ısı transferi proseslerinde yaygın olarak kullanılan diğer metallerden yapılmış borulara uygulanabilir. Tesisinizin ısı eşanjöründe hangi malzemeyi kullanmış olursanız olun bu prosesi kullanabilirsiniz” diye de ekliyor Khalil.
Düşük yüzey gerilimine sahip olan pentan’ın yoğuşmasını gösteren video (Videoya http://news.mit.edu/2019/surface-treatment-refrigeration-efficiency-0515 linkinden erişebilirsiniz). Solda damlaların yayılması ısı transferini azaltırken, yeni kaplama ile beraber pentan yoğun bir damlacık oluşumu göstermiş ve iyi bir ısı transferine sahiptir.
Bu yüzeylerdeki net sonuç; hidrokarbonlar, pentan veya sıvı metan veya etanol gibi alkollerin, küçük damlacıklar oluşturup yüzeyden hızlıca düşmesi, yenileri için alan bırakması ve düşen damlacıkların metalden ısı uzaklaştırmasıdır. “Bu tip kaplamaların faydalı bir rol oynadığı diğer bir alan olan atık ısıdan enerji üretiminin olduğu çeşitli endüstriyel proseslerde kullanılan inorganik Rankin Çevrimleridir” diyor Varanasi. “Bu sistemler doğası gereği düşük verimlilikli sistemlerdir fakat bu proses bu sistemleri daha verimli kılabilir” diye de ekliyor.
Endüstriyel ısı eşanjörlerinde yaygın olarak kullanılan titanium yüzeye damlacık oluşumunu kolaylaştıran kaplamanın uygulanmış halinin gösterimi. (Videoya http://news.mit.edu/2019/surface-treatment-refrigeration-efficiency-0515 linkinden erişebilirsiniz).
“Yoğuşmaya olan bu yeni yaklaşım dikkate edeğerdir çünkü düşük yüzey gerilimine sahip sıvılarda bile damlacık oluşumunu kolaylaştırmakta, film oluşumunu engellemekte ve ısı transfer verimliliğini kayda değer miktarda artırmaktadır.” diyor Virginia Tech’de makina mühendisliğinde asistan profesörlük yapan ve bu araştırma ile bağı olmayan Jonathan Boreyko. “iCVD prosesi yeni bir proses olmamasına karşın, su kullanmayan ve pratikte oldukça yaygın olan birçok faz değişimli sistemde yoğuşma sürecinin iyileştriilmesinde kullanılabileceğ burada gösterilmiştir” diye ekliyor. Çalışmanın çok yüksek bir kaliteye sahip olduğunu söyleyen Boleyko, “ince, dayanıklı ve kuru kaplamanın düşük yüzey gerilimine sahip olan sistemlerde damlacık oluşumunu artırması birçok yoğuşmalı sistem açısından çok büyük önem arz etmektedir” diyor. Araştırma Shell ile MIT’nin ortaklığından doğan Enerji Girişim Ortaklığı tarafından desteklenmiştir. Takım eski MIT mezunlarından Taylor Farnham ve Adam Paxon, Dan Soto ve Aslı Uğur Katmış’tan oluşmaktadır.