Yağ asidi ötektik karışımları/yapı malzemeleri kompozitlerinin hazırlanması, karakterizasyonu ve ısıl enerji depolama performanslarının belirlenmesi
Preparation, characterization and determination of thermal energy storage performance of fatty acid eutectic mixtures/building materials composites
Yazar: ALİ KARAİPEKLİ
Danışman: PROF. DR. AHMET SARI
Gaziosmanpaşa Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Enerji depolama = Energy storage ; Kompozit malzemeler = Composite materials ; Kompozitler = Composites ; Termal dönüşüm = Thermal conversion ; Termal enerji = Thermal energy ; Termal performans = Thermal performance ; Yapı elemanları = Building elements ; Yapı malzemeleri = Building materials ; Yağ asitleri = Fatty acids

Özet:
Faz değişim maddeleri (FDM'ler) ısı enerjisini muhafaza etmek amacıyla binalarda kullanılabilir. İçerisine FDM katılmış yapı malzemesi kendiliğinden oda içerisindeki fazla ısıyı absorplayabilir ve böylece hava iklimlendirme ve klima (HVAC) sistemlerinin yükü büyük ölçüde azaltılabilir ve elektrik tasarrufu sağlanabilir. Bu çalışmada, binalarda ısıl enerji depolama için yağ asidi ötektik karışımları (kaprik asit-laurik asit, kaprik asit-miristik asit, kaprik asit-palmitik asit ve kaprik asit-stearik asit) ve yapı malzemelerinden (genişletilmiş perlit, alçı ve vermikülit) oluşan kompozit FDM'ler hazırlandı. Yapıca kararlı kompozit FDM'ler yapı malzemeleri içerisine yağ asidi ötektik karışımları vakum emdirme yöntemiyle katılarak hazırlandı. Hazırlanan kompozit FDM'ler SEM ve FT-IR analiz teknikleri kullanılarak olarak karakterize edildi. Kompozit FDM'lerin ısıl özellikleri DSC metoduyla ölçüldü. DSC sonuçları hazırlanan kompozit FDM'lerin erime sıcaklıklarının ve gizli ısılarının sırasıyla, 18,15-25,14 °C ve 38,92-102,75 J/g aralığında olduğunu gösterdi. 5000 erime ve katılaşma dönüşümlerinden sonra ısıl güvenilirliklerinin belirlenmesi için kompozit FDM'lere tekrar DSC ve FT-IR analizleri uygulandı. Kompozit FDM'lerin ısıl kararlılığını belirlemek için TG analizleri uygulandı ve analiz sonuçları hazırlanan kompozit FDM'lerin iyi ısıl kararlılığa sahip olduklarını gösterdi. Kompozit FDM'lerin ısıl iletkenliklerini arttırmak için kompozitlere kütlece farklı yüzdelerde (%3, 6, 8 ve 10) genişletilmiş grafit (GG) ilave edildi ve kompozit FDM'lerin ısıl iletkenlikleri ve ilave edilen GG'nin kütle kesri arasında doğrusal bir ilişkinin olduğu bulundu. Kompozit FDM'lerin ısıl iletkenliklerinde meydana gelen iyileşme GG ilave edilmiş ve edilmemiş kompozitlerin erime ve katılaşma sürelerinin mukayesesiyle deneysel olarak doğrulandı. Kompozit FDM'lerin ısıl performansları küçük ölçekli bina kalıbı kullanılarak test edildi. Isıl performans testi bu tip kompozit FDM'lerin kullanımının yağ asidi ötektik karışımının ısı absorplamasından dolayı oda içi sıcaklık dalgalanmalarını azaltabileceğini gösterdi. Ayrıca, kompozit FDM'lerin soğutma yükü üzerine katkısının belirlenmesi için soğutma yükü hesaplamaları yapıldı ve sonuçlar kompozit FDM'lerin önemli derecede enerji tasarrufu sağlayacağını gösterdi. Elde edilen tüm sonuçlar değerlendirildiğinde hazırlanan yapıca kararlı kompozit FDM'lerin binalarda iklimlendirme sisteminin soğutma yükünü azaltmak ve enerji tasarrufu sağlamak için büyük bir kullanım potansiyeline sahip oldukları sonucuna varılabilir.

Abstract:
Phase change materials (PCM) can be applied in building envelops to conserve heat energy. Building material incorporated with PCM can automatically absorb indoor redundant heat, which can greatly reduce the load of heating ventilating and air conditioning (HVAC) systems and save electric energy. In this context, in this study, the composite PCMs composed of eutectic mixtures of fatty acids (capric acid-lauric acid, capric acid-myristic acid, capric acid-palmitic acid and capric acid-stearic acid) and building materials (expanded perlite, gypsum and expanded vermiculite) were prepared for thermal energy storage in buildings. The form stable composite PCMs were prepared by incorporation of eutectic mixtures of fatty acids within the building materials by vacuum impregnation method. The prepared composite PCMs were characterized by using scanning electron microscope (SEM) and Fourier transformation infrared (FT-IR) analysis techniques. Thermal properties of the composite PCMs were measured by differential scanning calorimetry (DSC) method. DSC results showed that the melting temperatures and latent heats of the composite PCMs are in the range of 18,15-25,14 °C and 38,92-102,75 J/g, respectively. The composite PCMs were retested by FT-IR and DSC analysis for thermal reliability after 5000 melting/freezing cycles. TG analysis was also performed to determine thermal stability of the composite PCMs and the results indicated that the composite PCMs had good thermal stability. In addition to increase the thermal conductivity of composite PCM, expanded graphite (EG) in different mass fractions (3%, 6%, 8%, and 10%) was added to composites, and an almost linear relationship between mass fractions of EG additive and thermal conductivity of composite PCMs was found. The improvement in thermal conductivity of composite PCMs was also experimentally verified by comparing melting and freezing times of the composites including EG with that of the composites without EG. Thermal performances of the composite PCMs were tested using small scale-building envelops. Thermal performance test indicated that the use of such type composite PCMs can decrease air temperature fluctuation due to absorption of heat by the fatty acid eutectic mixturein the composite. Furthermore, the cooling load calculations were made to determine the contribution of composite PCMs on the cooling load and the results showed that the composite PCMs will provide a significant energy savings. Based on all results it can be concluded that the prepared form stable PCMs have great utility potential in buildings to reduce the cooling load of air-conditioning system and energy saving.