Gözenekli fonksiyonel kompozit malzemelerin yapı bileşenlerindeki termal enerji depolama uygulamalarının incelenmesi
Examination of thermal energy storage applications in structural components of porous functional composite materials
Yazar: BEDRETTİN COŞKUN
Danışman: DOÇ. DR. ÜMİT NAZLI TEMEL
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez kapsamında, biyokömür gözeneklerine mikrokapsülleme yoluyla faz değiştiren malzeme hapsedilmiş kompozit malzemelerin bina bileşenlerinde kullanımının konfor koşulları açısından performans iyileştirmeleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla öncelikle doğadan elde edilen fındık kabuğu, kozalak, kavak talaşı gibi farklı organik malzemeler piroliz yöntemiyle biyokömür haline getirilerek gözeneklilik açısından etkinlikleri iyileştirilmiştir. En uygun biyokömür malzemesinin tayin edilmesi için gözeneklerine faz değiştiren malzeme (FDM) emdirilmiş kompozitlerin gizli ısıları karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda kavak talaşının en uygun temel malzeme olduğu belirlenmiştir. Daha sonraki aşamada piroliz sürecini etkileyen maksimum sıcaklık, ısıtma hızı ve bekletme süreleri gibi parametrelerin kavak talaşı biyokömürünün daha da iyileştirilmesi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Elde edilen FDM/kavak talaşı biyokömürlerinin gizli ısılarının karşılaştırılmasından 300 °C maksimum sıcaklığının, 10 °C/dakika ısıtma hızının ve 1 saat bekleme süresinin en uygun piroliz koşulları olduğu belirlenmiştir. Bir sonraki aşamada bu koşullarda üretilen kavak talaşı/FDM kompoziti %40 kütle oranında çimento harcı ile karıştırılmıştır. Elde edilen özel harç kullanılarak basitleştirilmiş bina modelleri oluşturulmuştur. Karşılaştırma açısından bina modelleri sadece çimento, biyokömür/çimento ve (FDM/Biyokömür)/Çimento kullanılarak üç farklı biçimde hazırlanmıştır. Oluşturulan bina modelleri kullanılarak ısıtma (şarj) ve soğutma (deşarj) performans testleri 33 °C, 43 °C ve 53 °C dış ortam sıcaklıklarında gerçekleştirilmiştir. Şarj performansı açısından 33 °C dış ortam koşulunda FDM'nin bina duvar bileşeni içerisinde tam olarak erimediği için termal enerji depolama kabiliyetini ortaya koyamadığı görülmüştür. Bununla birlikte çimentoya kıyasla (FDM/kavak talaşı biyokömürü)/(çimento) kompozit duvarının; 43 °C dış ortam koşulunda iç ortam sıcaklığını 1.1 °C ve 53 °C dış ortam koşullarında iç ortam sıcaklığını 1.8 °C düşürdüğü belirlenmiştir. Benzer biçimde (FDM/kavak talaşı biyokömürü)/(çimento) kompozit duvarının sadece çimento kullanılan duvar modeline kıyasla 43 °C ve 53 °C dış ortam koşullarında deşarj performanslarını sırasıyla %3.8 ve %17.24 iyileştirebildiği gözlemlenmiştir.

Abstract:
Within the scope of this thesis, the effects of the use of composite materials with phase change material entrapped in biochar pores by microencapsulation on performance improvements in terms of comfort conditions have been investigated. For this purpose, firstly, different organic materials such as hazelnut shells, cones, poplar sawdust gathered from nature were transformed into biochar by pyrolysis method and their efficiency in terms of porosity was improved. To determine the most suitable biochar material, the latent heats of composites impregnated with phase change material (PCM) were compared. As a result of this comparison, it was determined that poplar sawdust was the most suitable base material. In the next stage, the effects of parameters such as maximum temperature, heating rate and holding duration affecting the pyrolysis process on the further improvement of poplar sawdust biochar were examined. From the comparison of latent heats of the obtained PCM/poplar sawdust biochars, it was found that 300 °C maximum temperature, 10 °C/minute heating rate and 1 hour holding duration were the most suitable pyrolysis conditions. In the next stage, the poplar sawdust/PCM composite produced under these conditions was mixed with cement mortar at a mass ratio of 40%.  Simplified building models were produced using the special mortar obtained. For comparison, building models were prepared in three different categories using only cement, biochar/cement and (FDM/Biochar)/Cement. Heating (charging) and cooling (discharging) performance tests were carried out at 33 °C, 43 °C and 53 °C outdoor temperatures using the different building models.  In terms of charging performance, it was observed that FDM could not demonstrate its thermal energy storage capability as it did not completely melt in the building wall component under 33 °C outdoor ambient conditions. In addition, compared to cement, (PCM/poplar sawdust biochar)/(cement) composite wall; It was determined that it reduced the indoor temperature by 1.1 °C in 43 °C outdoor conditions and by 1.8 °C in 53 °C outdoor conditions. Similarly, it was observed that the (PCM/poplar sawdust biochar)/(cement) composite wall could improve the discharge performances by 3.8 % and 17.24 %, respectively, at 43 °C and 53 °C outdoor conditions, compared to the cement-only wall model.