Güneş enerjisi destekli toprak kaynaklı (jeotermal) ısı pompalı bir kurutucunun enerji ve ekserji analizi

Son yıllarda, ekserji analizi, enerji sistemlerinin tasarımı, simülasyonu ve performans değerlendirmesi için yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Göz önüne alınan bir sistem veya bir proseste, ekserji tahriplerinin (tersinmezliklerin) büyüklüklerini ve yerlerini belirlemek için kullanılan çok yararlı bir araçtır. Isı pompalı bir kurutucu, bir ısı pompası ve bir kurutucunun birleşimden oluşmakta olup, normal olarak onu işletmek için gerekli olan elektrik enerjisinden daha fazla ısıl enerji sağlayabilmektedir. Bu tezde, toprak kaynaklı ısı pompalı (TKIP’lı) bir kurutma kabininde defne yapraklarının tek katmanlı kurutma işleminin ve bileşenleri ile birlikte tüm TKIP’sı sisteminin enerji ve ekserji analizi incelenmektedir. Bu sistem, İzmir/Türkiye’deki, Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü’nde, tasarlandı, kuruldu ve testleri gerçekleştirilmiştir. Daha önceki çalışmalarda, kurutma prosesi, çeşitli kurutma cihazları, örneğin; akışkan yataklı bir kurutucu, güneş enerjili bir kurutma kabini ve siklon tipte bir kurutucu kullanılarak, enerjetik ve ekserjetik bakımdan değerlendirilmiştir. Günümüz literatür taramasına dayanarak, açık literatürde, dikey TKIP’lı kurutucuların enerjetik ve ekserjetik performans değerlendirmesi üzerine herhangi bir çalışmaya rastlanamamıştır. Bu, mevcut çalışmayı yapmanın nedenini oluşturmaktadır. Bu bağlamda, bu çalışmayı yapmanın ana amaçları; (i) enerji ve ekserji analiz yöntemleri kullanarak, göz önüne alınan dikey TKIP kurutma sistemlerinin performansını değerlendirmek, (ii) bazı termodinamik parametreleri (yakıt tüketim oranı, bağıl tersinmezlik, verimlilik eksikliği ve ekserjetik faktörü) ve ekserjetik iyileştirme potansiyelini araştırmak, (iii) TKIP cihazı ve tüm sistem için ekserjetik etki katsayısı (ExEK) değerlerini belirlemek, (iv) tüm sistem için enerji (Sankey) ve ekserji (Grassmann) akış diyagramlarını çizmek ve (v) iyileştirme potansiyelini açığa çıkarmaktadır. Bu kapsamda, defne yapraklarının ürün kurutmasında kullanıldığı sistemin enerji ve ekserji analizi, performans değerlendirme amaçları için yapıldı. Sistem bileşenlerinin her biri için ekserji kayıpları, ayrıntılı ekserjetik analizi yoluyla belirlenmiştir. Teorik ve deneysel çalışmalar, (i) kurutacak ürünün kuruma davranışının belirlenmesi ve (ii) bileşenleri ile birlikte tüm TKIP kurutma sisteminin performansının değerlendirilmesi olmak üzere, başlıca iki grupta yürütüldü. İlki, aşağıdaki gibi, iki aşamada uygulandı: Sistemin tasarımından önce yapılan birinci adım çalışmalarında, defne yapraklarının matematiksel modellemesi ve kurutma akımının belirlenmesi için, Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi’nde kurulu olan geleneksel kurutma sisteminde, bazı deneysel ön çalışmalar yürütüldü. Onbeş farklı matematiksel kuruma modeli birbiriyle kıyaslandı. İkinci adım çalışmalarına gelince, Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü’nde kurulan TKIP kurutma sisteminde, Mart 2005’dan Ağustos 2006’ya kadar ısıtma modunda ölçümler yapıldı. Kurutma havası sıcaklığının, kurutma prosesinin ekserji kayıpları, ekserji verimleri ve ekserjetik iyileştirme potansiyeli üzerine etkilerini araştırıldı. Sonuçlar, kurutucunun ekserji verimlerinin, kurutma havası sıcaklığının yükselmesi ile artığını gösterdi. Bundan başka, defne yaprakları, 40 °C ila 50 °C sıcaklık aralığında, % 16’dan % 19’a kadar değişen bağıl nemlerde ve 0,5 m/s kurutma havası hızında, 9 saatlik kuruma periyodu boyunca, başarılı bir şekilde kurutuldu. Kurutucunun ekserji verimi, iki farklı yaklaşım kullanılarak belirlendi. Birincisi, ürün ekserjisinin, ekserji girdisine oranına dayandırılırken, ikincisi ise, ürün/yakıt temeline göre hesaplandı. Ekserji verimliliği değerlerinin, birincisi için % 81,35 ile % 87,48 arasında, ikincisi içinse, % 9,11 ile %15,48 arasında değiştiği bulundu. İkinci grup çalışmalarında, TKIP’lı sistem bileşenlerinin her birindeki ekserji tahripleri, deneysel olarak ölçülmüş parametrelerin ortalama değerleri için hesaplandı. Sistem bileşenlerinin ekserji verimlilikleri, performanslarını değerlendirmek ve iyileştirme potansiyelini açığa kavuşturmak için belirlendi. TKIP cihazı ve tüm sistem için EK değerleri, sırasıyla, 1,63-2,88 ve 1,45-2,65 aralığında bulunurken, ürün/yakıt bazında buna karşı gelen ekserji verimliliği değerleri ise, 27 °C ölü hal sıcaklığında, sırasıyla, % 21,1 ve % 15,5 olarak elde edildi. Ekserjetik EK değerleri, sırasıyla, 0,174 ve 0,196 arasında hesaplandı. Aynı zamanda, kurutma sistemleri için, kg biriminde alınan nemin 1 kWh enerji girdisine oranı olarak tanımlanan, yeni bir performans indisi (özgül nem ekserjetik indisi olarak adlandırılan) önerildi. Sistem bazında özgül nem çekme oranı 0,122 kg/kWh olarak bulundu