Güneş enerjili damıtıcılarda yeni bir ısı geri kazanım sisteminin performans analizi
Performance analysis of a new heat recovery system in solar-powered water distilleries
Yazar: YASİN ÖZCAN
Danışman: PROF. DR. EMRAH DENİZ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Canlı yaşamının sürdürülebilmesi ve medeniyetlerin gelişebilmesi için içme, sulama ve ulaşım gibi ihtiyaçların karşılanabileceği temiz ve kullanılabilir su kaynaklarına bağımlılık söz konusudur ve genel itibarıyla medeniyetler bu kaynakların çevrelerinde gelişme imkânı bulmuştur. Geçmişte olduğu gibi günümüzde de temiz suya erişim, şehirlerin ve toplulukların büyümesinde ve gelişmesinde çok önemli bir faktör olmaya devam etmiştir. Hızla artan nüfus ve buna bağlı olarak gelişmekte olan sanayi ve tarım faaliyetleri, suya olan ihtiyacın ve bağımlılığın hızla artmasına sebep olmaktadır.
Temiz ve kullanılabilir su kaynaklarına erişim sorunu yaşanan bölgelerde su ihtiyacının karşılanabilmesi amacıyla su arıtma tesisleri, tuzdan arındırma ve atık suyun yeniden kullanılması gibi yararlanılabilecek çeşitli yöntemler mevcuttur. Arıtma prosedürleri, enerji ve sürekli bakım gerektiren sistemler olmak üzere iki farklı kategoriye ayrılabilirler. Ancak, bu arıtma teknolojilerinin çoğunun kullanımı, yeterli enerji kaynağı ve teknolojik alt yapıya sahip olmayan topluluklarda kısıtlı kalmaktadır.
Deniz suyunun tuzdan arındırılması için kullanılan küçük ölçekli güneş enerjili damıtma sistemleri, basit yapıları, kolay imalatları, düşük bakım maliyetleri ve enerji ihtiyacının güneşten karşılanabilmesi gibi özellikleriyle ön plana çıkmaktadır. Özellikle, tuzdan arındırma uygulamaları için, yüksek güneş ışınım şiddeti değerlerine sahip olan ve su kıtlığının olduğu bölgelerin coğrafi olarak kesişmesi nedeniyle güneş enerjisi ile temiz su elde edilmesi önemli fırsatlar sunmaktadır.
Güneş enerjili su damıtıcılarının üretkenliğini etkileyen faktörler arasında güneş ışınımı, damıtıcının boyutu ve tasarımı, havuzun kütlesi, yalıtımın etkinliği, yüzey alanı ve saydam örtünün yönü ve eğimi yer almaktadır. Bu faktörlerin optimize edilmesi, kullanılan damıtıcıların genel üretkenliklerinin artmasına yardımcı olacaktır.
Yapılan çalışmada, güneş enerjili su damıtma sistemlerinde damıtılan su miktarının arttırılabilmesi amacıyla termoelektrik teknolojisinin kullanıldığı alternatif bir yöntem geliştirilmiştir. Bu çalışmayı diğer çalışmalardan ayıran en önemli özellik damıtma sistemindeki yoğuşma gizli ısısını kullanarak termoelektrik elemanlar yardımıyla elektrik üretmek ve bu elektrik ile çalışan su yüzeyine yerleştirilmiş fanlar yardımıyla su yüzeyinden doğal taşınım ile oluşan ısı transferini zorlanmış taşınım bölgesine taşıyarak daha fazla buharlaşma oluşmasının sağlanmasıdır. Bir taraftan atık gizli ısının termoelektrik yerleştirilmiş plaka yüzeyden uzaklaştırılarak geri kazanımı sağlanmakta olup diğer taraftan da su buharının cam yüzeylere teması hızlandırılarak yoğuşan su miktarı arttırılabilmektedir. Tasarlanan sistem hem gerçek şartlar altında test edilmiş hem de termodinamik modeller kullanılarak yapılan teorik çalışmalar ile sonuçlar desteklenmiştir. Çözümlenen denklemler, sistemin ısıl verimliliği, enerji transferi, sıcaklık dağılımları gibi termodinamik parametreleri içermektedir. Bu analitik çözümler, sistemin tasarımı ve işletme koşullarının optimize edilmesi için temel oluşturmuştur.
Yapılan deneysel ve teorik çalışmalara ek olarak, sistem performansının çevresel etkileri araştırılmış ve ekonomik değerlendirmeler yapılmıştır. Analizler, sistemin çevresel sürdürülebilirliğini sağlamak ve ekonomik verimliliğini değerlendirmek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Bu değerlendirmeler, enerji verimliliğinin arttırılması, maliyet-etkinlik, çevresel etkilerin azaltılması gibi faktörleri kapsamaktadır.

Abstract:
The sustainability of life and the advancement of civilizations, there is a need for access to clean and usable water sources to fulfill essential needs such as drinking, irrigation, and transportation. In general, civilizations have found opportunities for development around these water sources. Access to clean water remains, as it has in the past, a critical factor in the growth and development of cities and communities. The rapid growth of the population, along with the expansion of industrial and agricultural activities, has led to an increased demand for water resources and a greater dependence on them.
In regions facing challenges with access to clean and usable water sources, various methods can be employed to meet the water demand, such as water treatment facilities, desalination, and wastewater reuse. Water treatment procedures can be categorized into two main groups: those that require energy and continuous maintenance. However, the use of these treatment technologies is often limited in communities that lack sufficient energy sources and technological infrastructure.
Small-scale solar-powered distillation systems have notable characteristics such as uncomplicated designs, convenient manufacturing, affordable maintenance, and the capacity to fulfill energy requirements using solar power. Especially for desalination applications, the convergence of regions with high solar radiation intensity and water scarcity presents significant opportunities to obtain clean water using solar energy.
The factors that influence the productivity of solar-powered water distillers include solar radiation, the size and design of the distiller, the mass of the basin, the effectiveness of insulation, the surface area, and the orientation and slope of the transparent cover. By optimizing these factors, it is possible to enhance the overall productivity of these devices.
In the conducted study, an alternative method was developed using thermoelectric technology to increase the amount of distilled water in solar-powered water distillation systems. This study distinguishes itself from others by utilizing the latent heat of condensation within the distillation system to generate electricity through the use of thermoelectric elements. The electricity generated is then utilized to operate fans positioned on the water surface, enhancing heat transfer by facilitating forced convection and promoting increased evaporation. Additionally, on one hand, waste latent heat is recovered by removing it from the surface of thermoelectrically embedded plates, while on the other hand, the contact of water vapor with the glass surfaces is accelerated to increase the amount of condensed water. The designed system was tested under real conditions and supported by theoretical studies using thermodynamic models, validating the results. The solved equations encompassed thermodynamic parameters such as the thermal efficiency of the system, energy transfer, and temperature distributions. These analytical solutions formed the basis for optimizing the system's design and operational conditions.
In addition to experimental and theoretical studies, the environmental impacts of the system's performance have been investigated, and economic evaluations have been conducted. These analyses aim to ensure the environmental sustainability of the system and assess its economic efficiency. These evaluations encompass factors such as energy efficiency, cost-effectiveness, and the reduction of environmental impacts.