Kristal Yapılar

Kristal Yapılar

           

            Bir önceki yazımda kaleme almış olduğum malzeme gruplarının kafanızda tam olarak oturduğunu düşünmekteyim. Fakat malzeme biliminin temeli olarak nitelendirdiğim kristal yapılara o yazımda yer verememiştim. Yine her zamanki, öncelikle tanımları, terimleri ve modelleri kafamızda iyi modellemeliyiz.

            Kristal yapı ne demektir? Buyurun aşağıya..

• Kristal Yapı

      Kısa bir tanım yapmak gerekirse, katıların atomları arasında görülen tekrarlayan düzen diyebiliriz. Doğru fakat yetersiz bir tanımdır. Ben bu terimi tanımlarken, kafamda kurmuş olduğum bir modeli size aksettirmek istiyorum.

1000 kişilik bir öğrenci kafilesi düşünelim. Bu kafilenin içinde illaki sıkı dostların olduğu ufak gruplar, bunların oluşturduğu nispeten daha büyük sınıflar ve sınıfında oluşturduğu nihayetinde 1000 kişilik bir kafile mevcut olsun. Örneğin, bir sınıf 20 kişilik olsun. Bu da kafile içerisinde 50 sınıf olduğunu gösterir. Her sınıfta gelişi güzel şekilde gruplaşmış 4,5 ve 6 şar lı küçük gruplar mevcut olsun. Beden eğitimi öğretmenleri düdük çaldığında, bu kafile hizalansın. Bir otorite üzerilerindeyken herkes aynı şekilde, kusursuz bir şekilde sıralanacaktır. Baktıkları yön ve aralarındaki mesafeler belirli olacaktır. 4 sıra oluşturup uzun ipler şeklinde veya 10 sıra oluşturup bir kare şeklinde dizilebilirler. Fakat bu kusursuz düzen, başlarında beden eğitimi öğretmenleri varken geçerlidir. Öğretmenleri onları serbest bıraktığında, bu kafile öncelikle sınıflarına ayrışacak, sonrada kendi küçük arkadaş gruplarınca kümeleşecektir. İki farklı duruma yukarıdan bakıldığında, öğretmen varken mükemmel bir düzen varken, öğretmen gittiğinde, çarpık, kısmen düzenli, yakın mesafelerde düzenli fakat uzak mesafelerde düzensiz bir şekil görülecektir.

İşte katılarda aynı şekildedir. Eğer otoriteyi sağlayıp, sıcaklığı ve basıncı doğru kontrol edebilirseniz, mükemmel dizilime geçerler. Aksine onları başı boş bırakırda bir yapı oluşturmalarını beklerseniz, kısa mesafede düzenli –bazıları uzun mesafede de düzenli- ama uzun mesafede düzensiz yapılarla karşılaşırsınız. Eğer katınız, kısa mesafede düzen kurmakta kısmen başarılı fakat uzun mesafelerde yetersiz ve kendini tekrarlayan yapılar oluşturamıyorsa, amorf katıdır. Ama amorf katının aksine, mikroskobik incelemeniz sonucunda, kendini tekrarlayan, atomlar arasında aynı mesafe bulunan ve belirli bir geometri oluşturan yapı müşahede ediyorsanız, katınız kristal yapılıdır.

Kristalin malzemeler, belirli bir geometride, atomları belirli mesafelerde duran element ve bileşiklerdir. Katı halde bulunurlar. Kristal yapıya sahip olan katılar, metaller, seramikler, bazı polimerler ve yine bazı camlardır. Camları seramiklerden ayrı olarak nitelendirdim çünkü camlar kısa düzene sahip olmalarına karşın, uzun mesafeli düzene sahip değillerdir. Oysaki, çoğu seramikte kristalite görülür.

• Kristal Yapı Çeşitleri

      Kristalitenin keşfi maden ve mineral bilimine dayanmaktadır. Metal, metal oksit ve hidratların mineral halde olduğunun keşfini takip etmiştir. Kristaller ve kristallerin belirli bir oryantasyonda olduğu İngiliz mineralog William Hallowes Miller tarafından 1832 yılında bulunmuştur. Miller, mineralleri incelerken, belirli bir ufacık yapının sürekli tekrar ettiğini fark etmiştir. Bu en küçük tekrarlayan yapıya “birim hücre” demiştir. Ve bu birim hücrelerin 3 boyutlu olarak kendini tekrarlamasıyla katıda bir düzen oluştuğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, bu birim hücrelerin karakteristik özellikleri vardı ve her biri farklı minerallere aitlerdi. Miller, hangi mineralin hangi kristal yapıya sahip olduğunu bildiğinden, mineralin teşhisi çok çabuk yapabiliyordu. Miller’in çalışmalarından etkilenen Auguste Bravais 1850 yılında yayınladığı makalesi ile, 7 adet temel birim hücreyi ve bunların mineralden minerale değişmediğini sadece birim hücrenin bir ve/veya başka ölçülerinin değiştiğini ortaya koydu.

Bravais’in buluşu doğruydu. 7 adet birim hücre tüm kristal katılar için geçerliydi. Fakat bunların kendi alt kümeleriyle olan kombinasyonları ve her birim hücrenin ölçü farkı vardı. Bu da her kristalin adeta bir kimyasal etiketiydi. Günümüzde kabul gören ve defalarca ispatlanan “Kristalite Kanununca” temelde 7 , bunlarında kendi içinde kombinasyonlarıyla 243 birim hücre gözlenmiştir.

7 adet temel birim hücreyi, basit kübik, triklinik, monoklinik, ortorombik, rombohedral, tetragonal ve hegzagonal olarak yazabilirim. Bu 7 adet temel birim hücrenin, hacim merkezli, yüzey merkezli, taban merkezli olanlarıyla birlikte, 14 adet Temel Bravais Hücresi tanımlayabiliriz. 14 adet Temel Bravais Hücresi aşağıdadır.

(Kaynak : Callister, Jr., Willam D. (2007) (İngilizce). Material Science and Engineering: An Introduction. ABD: John Wiley & Sons, Inc.. 978-0-471-73696-7.)

Yukarıda gördüğünüz tabloda belkide aklınıza gelmeyen bir soruyu size yöneltmek istiyorum. 7 adet kafes mevcut. 4 adette Bravais kafesi mecvut. Her 7 birim hücrenin 4 adet Bravais kafesi olsaydı, 28 adet farklı dizilimde temel birim hücre olacaktı. Neden 14 adet var?
Görüldüğü üzere hacim merkezli, yüzey merkezli, taban merkezli gibi Bravais kafesleri, hegzagonal, rombohedral ve triklinik yapıda yoktur. Çünkü, eğer bu 3 temel hücrede herhangi bir Bravais yapısı olsaydı, bu yapılar geriye kalan 4 tane temel kafeslerden birini tekrarlayacaktır. En küçük kafesi temel aldığımızdan dolayı, Bravais kafesleri tüm temel kafesler için mümkün değildir. Çünkü kendinden küçük ve daha basit bir yapı oluşturacağından, kendisi Bravais kafesi sayılamaz.

Tüm bu kristallerden farklı olarak, evlerimizde ve hayatımızda bir çok alanda kullandığımız cam ( amorf silisyumdioksit) herhangi bir düzene sahip değildir. Onunda kristal düzeni aşağıdadır.

Tabi ki tüm bu hücrelerden farklı özel olarak tanımlanan hücrelerde mevcuttur. En çok bilineni ve bence en önemli olanı “diamond cubic” olarak tanımlanan, tetrahedral –düzgün dört yüzlü- adıylada bilinen yapıdır. Elmas tipi kristaldir. Kalkinojen grubu elementleri ( IV A) Elmas tipi kristal oluşturur. Örneğin, Metan (CH4), Elmas (C), Si, Ge.

            Tetrahedral yapıdan farklı olarak bilinen 3 önemli yapıyı daha arz edeyim. “Zinc Blend” (ZnS) , Perovskite (CaTiO3 , BaTiO3) ve Rutil (TiO2) .

            Bu 4 özel yapınında şematik gösterimleri aşağıdadır.

Perovskite

Diamond Cubic (Tetrahedral)

Rutile

            Katıların, kristal ve kristal olmayan olarak iki sınıfta ayrıldığını dile getirdim. İlk başta vermiş olduğum “kafile” modelinin bu konuyu daha kolay anlaşılır hale getirebileceğini düşünüyorum. Tekrarlıyorum, sadece resimleri başka kaynaklardan almaktayım. Tüm çalışmalarım, yazılarım ve modellerime şahsıma aittir. Sizleri daha fazla sıkmamak adına ve kristal hatalarınında çok detaylı ve önemli olması nedeniyle “kristal hataları” adlı yazımı haftaya bırakıyorum. Takipte kalınız.

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi

Malzeme Bilimine Giriş

Eveeet, sonunda uzmanlık alanıma geldik. Termodinamiğe olan özel ilgim ve araştırmalarımla edindiğim bilgilerimle yazmış olduğum yazılarım sizler tarafından oldukça ilgi gördü. Öncelikle ilginiz için teşekkür ediyorum. Fakat bir Malzeme Mühendisi olarak, “Malzemelerin Mekanik Özellikleri” isimli yazı dizim uzmanlık alanıma girmektedir. Bu yüzden bu diziyi termodinamik dizisinden daha fazla irdeleyecek, örnekler gösterecek ve daha detaylı anlatacağım.

Her ne kadar diğer mühendislik dallarınca hak ettiği saygıyı ve yeri bulamasada, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği çok önemli bir mühendislik dalıdır. İstediğiniz kadar kuramsal çevrimler, mekanizmalar ortaya koyun, o projelerin başarısı malzemenizin kalitesiyle sınırlıdır. Zaten bu yüzden Boğaz Köprüsünü Japonlara yaptırmak zorunda kaldık. Dünyaca ünlü dev firmaların malzeme geliştirme bölümleri harıl harıl çalışmasaydı, bugün hala ’60 model araçlarla aynı kalitedeki araçlara biniyor olurduk. Kısacası malzemesiz mühendislik olmaz diyebilirim. Peki, bu malzemeler nasıl gruplanır, özellikleri nasıl belirlenir ve nasıl karakterize edilirler? İşte tüm bu soruların cevaplarını her bir yazımda vereceğim. Bu haftaki yazımda, “Malzeme Biliminin” temellerine değineceğim.

Malzeme, etrafınızda gördüğünüz her şeydir. Bilgisayarınızın dış kaplaması, içerisindeki silikon çipleri, televizyonunuzun ekranı, arabanızın tüm parçaları vb.. daha bir çok örnek verilebilir. Fakat tüm bu malzemeler belirli gruplara ayrılarak incelenmesi kolaylaştırılmıştır. “Malzemeler hangi gruplara ayrılırlar ?” sorusuna, çoğu ilkokul öğrencisinin bile kısa süre düşünüp cevap verebilir. Bu sorunun cevabı kabaca, metaller, plastikler ve seramiklerdir. Fakat malzeme bilimi disiplinler arası bir bilim dalı olduğundan, akademik olarak bir cevap verilmesi gerekirse, “metaller, seramikler, polimerler, yarıiletkenler ve nano malzemeler” denebilir.

Metaller, insanlığın ilk çağlarından beri uğraştığı, şekil verdiği, kullandığı malzeme grubudur. Maden halde bulunurlar. İşlenilmeleri gerekir. Isıyla muamele edildiğinde şekil verilebilirlikleri artar. Eski çağlardaki metal malzemeler, topraktan üretilen –seramikler- malzemelere göre çok daha dayanıklılardı. Silahlar, avcı takımları, kap kacaklar hep metallerden üretilmiştir. Bunun sebebi, metaller geleneksel seramiklere göre hem daha sertlerdir hem de daha süneklerdir. Geleneksel seramiklerin çok rahat kırılıp, tuzla buz oldukları düşük seviyedeki düşme, çarpışma, burulma gibi etkiler altında kırılmaz, ya esner ya da çok az şekil değiştirirler.. Ayrıca, şekil bozunumuna uğradıklarında eski haline getirmek için birazcık ısıtmak yeterli oluyordu. Bu yüzden ilkel insan topluluklarınca tercih edildiler.

Ne zaman ki ilkel insan toplulukları yerleşik hayata geçip, tarım ve hayvancılık ile uğraşmaya başladılar, toplu yemek pişirmek, aletleri geliştirmek zorunda kaldılar. Metaller yemek pişirmek için uygun olsada, yemeklere kontamine –bulaşmak-  oluyorlardı. Ayrıca, silahları eritip dökmek içinde kaplar gerekiyordu. Yani sıcaklık karşısında kolay bozunmayacak, şekil değiştirmeyecek malzeme gerekliydi. İnsanlar, toprak ve kili farklı metal oksitler ile karıştırıp su ilave ettikleri yeni malzemelerini fırınlarda pişirince, bu yeni malzeme grubunun ısıya ve yüksek sıcaklığa oldukça dayanıklı olduğunu gördüler. İşte bu malzemeler, toprak temellidir ve bunlara seramik denir. İlk insanların ürettiği seramikler tabi ki, geleneksel, oldukça basit imal edilebilen ilkel seramiklerdi. Fakat, alüminyum, demir, bakır, pirinç gibi metal ve alaşımlarının eritilmesi için gereken sıcaklığa dayanabiliyorlardı. Büyük ve harlı yanan ateşlerde pişirecekleri büyük ölçüdeki yemeklerini de bu kaplara koyup pişirebiliyorlardı. Üstelik yemeklerde lezzetini kaybetmiyordu. Yine bu seramik kaplara içeceklerini koyabiliyordı. Su, süt gibi içeceklere kontamine olmuyordu. İşte tüm bu sebeplerde dolayı, geleneksel seramikler bugünlere kadar bize çok hizmet ettiler ve ilerleyen zamanlarda da edecekler.

1930’lu yıllara kadar insanlar iki malzeme grubuyla hayatlarını idame ettirdiler. Konserve dışında uzun ömürlü hazır yiyecek bulunduramıyorlardı. Çünkü ya metaller kontamine oluyordu ya da seramikler kırılıyordu. Ayrıca yiyecekleri izole ettikleri kapların maliyeti yüksekti. ’30 lu yıllarda polimer endüstrisini ortaya çıkmasıyla, poşetler, ambalajlar, jelâtin filmler bulundu ve hazır gıdacılık adında bir sektörde buna müteakip ortaya çıktı. Polimerler, metal ve seramiklere göre zayıflardı. Fakat hava ve su bariyeri olmaları, yiyeceklere kontamine olmamaları, seri imalat proses edilebilirlikleri yüksek olduğundan ve diğer malzemelere göre çok ucuz olduklarından endüstride hızlı bir şekilde genişçe bir yer tuttular.

Gelişen polimer endüstrisiyle, günümüzde hemen hemen heryerde polimerlere rastlıyoruz. Örneğin, kullandığımız araçların kütlece %30 u plastik ve kauçuk parçalardan oluşuyor. Plastik ve kauçuklar polimerdir. Bir insan ortalama olarak, yılda 2~4 kilogram çelik kullanırken, 15 kilogramdan fazla polimer kullanmaktadır. Şöyle bir etrafınıza bakmanızı rica ediyorum. Polimerlerin hayatımızda ne kadar fazla yer tuttuğunu görüyorsunuz değil mi?

’60 yıllarda transistör yerine ısınması beklenen ampulle üretilen radyolar hiç kullanışlı değillerdi. Silikon ve germanyumun yarı iletken olduğu anlaşılınca, uygulamada kullanmalarıyla ilk çipler, işlemciler ve transistörler üretildi. Böylece devasa radyolar, bir kalem pil büyüklüğüne indi, televizyonlar HD oldu, bilgisayarların verimleri ve sayısal işlem hacimleri neredeyse milyar kat arttı. Silikon ve germanyum hayatımızı öyle değiştirdi ki, Madde bilimciler bu tip malzemeleri ayrı bir grupta inceleme gereksinimi duydular ve bu grubun adınıda “yarı iletkenler” olarak belirlediler.

2000 li yıllara geldiğimizde, milenyum hastalığı hortlamıştı. Kanser! Gerek fast food’a karşı terk ettiğimiz ev yemeklerimizden dolayı, gerekse de GDO’lu, hormonlu yiyeceklerden dolayı kanser vakaları arttı. Bilim insanları kanser hücrelerinin farklı protein şifresine sahip olduğunu fark ettiklerinde, akıllarına ilk gelen şey, nano düzeyde üretilecek partiküllerin, kanserli hücrelerin yaydığı farklı şifreye sahip proteinlere saldırabileceğini ve sadece kanserli hücreyi öldürebileceği idi. Bu çözüm çok mantıklıydı ve uygulamada hastanın sağlıklı hücrelerini de tahrip etmiyordu. Bu buluşla birlikte madde bilimciler yine işe koyuldu ve üzerine kanserli hücreyi teşhis edecek protein reseptörlerini çaktıkları yapay nano elmas partiküllerini sentezlediler. Tabi ki, nano teknolojinin öncesi var. Fakat benim asrın buluşu olarak değerlendirdiğim buluş bu nano elmaslardır. Nano elmasın örneği aşağıdadır.

Bu yazımda, ana malzeme gruplarını tanıttım. Sizleri sıkmamak adına, “kristal yapıları” bir sonraki yazıma bırakıyorum. Takipte kalınız..

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi

Diesel Çevrimi, Uygulamaları ve Geliştirilmesi

Diesel Çevrimi, Uygulamaları ve Geliştirilmesi

Geçmiş yazımın birinde dizel motorların çalışma prensiplerini kısaca anlatmıştım. Geçen haftaki yazımda da Otto çevrimini detaylıca geçmiştik. Bu yazımda ise Diesel motorların çalışma prensiplerini kavrayabilmek adına Diesel çevrimini etraflıca inceleyeceğiz.

Alman makine mühendisi Rudolf Diesel 1892 yılında ilk atmosferik sıkıştırma ateşlemeli motorunu çalışır hale getirdi. Diesel’in amacı, kav parçaları ve kömür tozlarını kendiliğinden tutuşacağı bir sıcaklığa kadar sıkıştırmaktı. Bu buluşla birlikte ülkesi, zengin kömür yatakları sayesinde petrol endüstrisine ve dışa bağımlı olmayacaktı. Fakat yanma sonucu oluşan külün motor dışına atılması sorun yarattığından, Diesel prototipinde fındık yağı kullanmak zorunda kaldı.

·         Dizel Motorlar

Diesel çevriminin kuramsal temellerinin anlatımına geçmeden önce sizlere bir dizel motor ile benzin motoru arasındaki farkları vermemin gerektiğini düşünüyorum. Çünkü dizel motorun çalışma prensipleri, Diesel çevriminin anlaşılmasında hayati rol oynamaktadır.

Yakıt olarak benzin gibi parlayıcı bir hidrokarbon karışımı yerine, oldukça viskoz ve zor parlayan, düşük kaliteli fakat benzinden daha yüksek enerji ihtiva eden yakıt olan motorin kullanılır.

Otto Çevriminin uygulaması olan benzin motorlarının aksine dizel motorlarda buji, karbüratör bulunmaz. Çünkü ateşleme kıvılcım çaktırılarak değil, bir akışkanın sıkıştırılmasıyla gerçekleşir. Diğer bir deyişle dizel motorlar sıkıştırma ateşlemelidir. Atmosferden çekilen taze hava, piston tarafından motorinin tutuşma sıcaklığının üzerine sıkıştırılır. Bu kızmış hava üzerine, enjektörlerden yüksek basınçla motorin püskürtülür. Motorinin tutuşma sıcaklığı çoktan geçildiğinden, yanma başlar. Bu yüzden dizel motorlar sıkıştırma ateşlemeli motorlardır. Sıkıştırma ateşlemeli bir motorda bujiye ve yakıt-hava karışımını ayarlayan karbüratöre ihtiyaç yoktur. Verimin ve üretilen gücün arttırılması için kompresör –turbo besleme- kullanılabilir. Ayrıca, motora giren havayı kısıtlayacak bir mekanizma olmadığından (benzin motorlarında gaz kelebeği olarak bilinen parça) yakıtta kısıtlanmazsa, motor devri sürekli artacaktır. Motor devrinin kontrol dışında artması, aşırı ısınmaya, aşınmalara ve verim düşüşüne sebep olur. Bu yüzden, dizel motorlarda, silindir içerisine püskürtülecek yakıtı sürekli kontrol eden bir elektronik işlemci (ECU) vardır.

Dizel motorlar, benzin motorlarına göre daha düşük ısıl verime sahiptir. Bunun sebebi, kesme oranı olarak tanımlanan bir sayının, verim eşitliğindeki bir terimi sürekli “1”den büyük yapmasıdır. Otto veriminin altında bir ısıl verime sahiptir. Fakat ürettiği güç fazladır. Çünkü sıkıştırma oranı yüksektir (1:12 ~ 1:24) ve termodinamiğin en önemli iş formu olan sınır işide bu yüzden yükselir. Ayrıca, düşük devirlerde çalışmaları, yakıtı daha iyi yakabilmelerine olanak sağlar. Tüm bu kazançlar göz önünde bulundurulduğunda ve hesap edildiğinde, bir dizel motorun veriminin %35 ~ %40 civarında olduğu görülür. Bu sayı, benzin motorlarının verimlerinden yüksektir.

Dizel motorlar, kamyonlar, çekiciler, vinçler, tanklar, denizaltılar vb. gibi düşük devir ve yüksek tork gerektiren mühendislik uygulamalarında kullanılırlar.

Bir dizel motorun, piston-silindir düzeneği aşağıdaki teknik gösterimdeki gibidir.

·         Kuramsal Diesel Çevrimi

Unutmadan hatırlatmak isterim ki, Otto ve Diesel çevrimleri tümden tersinir değillerdir. Bu yüzden Carnot Çevriminin veriminden düşük verime sahiptirler.

Diesel çevriminde de, Otto çevrimine benzer bir termodinamiksel çevrim gerçekleştirilir. Otto çevriminden tek farkı, sisteme ısı geçişinin Otto’daki gibi sabit hacimde –izokorik- değil, sabit basınçta –izobarik- olmasıdır. Geri kalan tüm basamaklar aynıdır.

İlk adımda (4-1), aracı akışkan -uygulamada hava- izentropik olarak motorinin parlama sıcaklığı üzerine sıkıştırılır. Bu esnada, piston üst ölü noktaya dayanır.

İkinci hal değişiminde (1-2), piston üst ölü noktaya yaklaşırken, yakıt enjektörleri motorini yüksek bir basınçla silindir içerisine püskürtürler. Motorinin tutuşma sıcaklığı üzerine sıkıştırılan havadan ötürü, motorin bu kızmış havayla etkileştiği anda parlar. Tutuşma uniform olarak başlamaz ve piston henüz üst ölü noktaya tam oturmamıştır. Piston, tutuşmanın patlamaya dönüşmesiyle, alt ölü noktaya doğru olan salınımına başlamıştır. Tüm bu olayların sabit basınçta gerçekleştiği kabul edilir ve izobarik ısı geçişi olarak adlandırılır.

Üçüncü hal değişiminde (2-3), piston üzerindeki sıcak gazların izobarik ısı geçişinden dolayı genişlemesiyle oluşan güçle alt ölü noktaya kadar salınır. Bu esnada iş elde edilir. Bu hal değişimide izentropik genişleme olarak kabul edilir.

Dördüncü hal değişiminde (3-4) ise, termodinamiğin ikinci kanununun gerektirdiği ısı atımı gerçekleşir. Açılan egzost manifoldundan yanmış gazlar dışarı atılır. Bu hal değişimi esnasında, silindir içerisindeki basınç, atmosfer basıncının biraz üzerinde olduğundan işlem kendiliğinden gerçekleşir ve izokorik kabul edilir.

Aşağıda da Diesel Çevriminin grafikleri vardır.

  

·         Diesel Motorların Geliştirilmesi

Yukarıdaki dizel motorlar bölümünde alt paragraflarda anlattığım üzere, dizel motorların yakıt kısıtlaması olmazsa kontrolsüz devir alması gibi bir problem söz konusudur. Bu sorun mühendislerce ECU ile çözülmüştür.

Ayrıca soğuk havalarda motorinin, jelleşmesiyle ve içerisinde parafin billurlarının oluşmasıyla viskozitesi artar. Artan viskozite, enjektörlerin yakıtı yeterince atomize edemeyeceği anlamına gelmektedir. Bu sorun çözülmezse, motorun zaten düşük olan ısıl verimi daha da düşer. Mühendisler bu sorunu, kızdırma bujileri ve yakıt – enjektör hattını ısıtan rezistanslar ile çözmüşlerdir.

Volkswagen ve Audi’nin başı çektiği, turbo beslemeli dizel teknolojisindeki en önemli nokta motor içerisine giren havadır. Kimyasal olarak bakılacak olursa, motor içerisine çekilen fazladan hava, daha iyi yanma demektir. Dizel motorlarda bu görevi kompresör –turbo besleme- yapar. Motorun egzost manifolduna yerleştirilen bir türbin, hala enerji ihtiva eden sıcak egzost gazlarının basıncıyla döner. Buradan elde ettiği gücü bir mil ile bağlı olduğu motorun hava girişinde bulunan kompresöre –turboşarj- iletir. Kompresör, egzost çıkışındaki türbinden aldığı iş ile emilen havayı sıkıştırır ve motora fazla hava girmesini sağlar. Fakat kompresör tarafından sıkıştırılan hava ısınacaktır. Isınmış havanın yoğunluğu düşer. Amaç motor içerisine fazladan hava çekmek ise, yoğunluğu düşmüş hava işimizi görmeyecektir. Bu yüzden, sıkıştırılan hava bir arasoğutucudan –intercooler- geçirilir. Arasoğutucu aslında bir ısı değiştiricidir ve sıkıştırılan ısınmış havayı soğutur. Böylece tekrar yoğunluğu arttırılmış olur ve silindir içerisine bu şekilde gönderilir. Bu teknolojinin ilk uygulamasını Audi şirketi yapmış ve adını da Turbocharged Direct Injection (TDI) olarak koymuş, patentini almıştır.

Dizel motorlarda enjeksiyon şeklide önemlidir. Direkt ve indirekt olarak püskürtülen yakıt, yanmayı ve verimi doğrudan etkiler.

İndirekt olarak püskürtmede, enjektörlerce yüksek basınca ulaştırılan motorin, silindir içerisine değilde ön oda adı verilen bir alana püskürtülür. Yanma bu ön odada başlar ve tüm silindir içerisine yayılır. Bu tip bir püskürtme mekanizmasına sahip motorlarda titreşim ve gürültü çok azalırken, ısıl verimde düşecektir.

Direkt püskürtmede ise, enjektörler tarafından yüksek basınca ulaştırılmış motorin, silindir içerisinde sıkıştırılmış ve kızdırılmış havanın üzerine direkt olarak püskürtülür. Daha homojen bir yanma elde edilir. Gelişen çelik ve döküm teknolojisiyle birlikte, direkt püskürtmeli dizel motorlardaki titreşim ve gürültü azaltılmıştır.

Verimlerinin geliştirilmesi konusunda ise, sıkıştırma oranının arttırılmasında bir sınırlama bulunmadığından, sıkıştırma oranı günümüzde yeterince yüksektir. Günümüz teknolojisiyle ürettiğimiz araçlarımızdaki sıkıştırma oranı 1:17 veya 1:18 civarındadır. Kuramsal olarak daha fazla sıkıştırmanın önünde bir engel bulunmamasına rağmen uygulamadaki aşırı sıkıştırma sonucu entropi ve ısı kaybı fazlasıyla artar. Ayrıca, havayı yüksek oranda sıkıştırmak için fazlaca iş vermek gereklidir. Mühendisler, sıkıştırma oranının optimum değerini bulup, ona göre motor tasarlamışlar.

Fakat tüm bu gelişmelere rağmen, kesme oranı denen diğer adlarıyla, ön genleşme veya sabit hacimde genleşme olarak bilinen olgu verimi düşürmektedir. Dizel çevriminin termodinamiksel temeli sabit basınçta ısı geçişiyle birlikte izentropik genişleme sonucu güç elde edilmesidir. Eğer bu iki hal değişimi esnasında, sabit hacimde genleşme görülürse, verim düşer. Ki uygulamada da görülmektedir. Bunun sebebi, henüz tam üst ölü noktaya kadar sıkıştırılmamış havanın üzerine püskürtülen yakıttır. Piston yukarı itmek isterken, erken yanma başlar ve piston üzerinde bir basınç oluşturur. Bu esnada sistem sanki-dengeli ve sabit hacimli sayılır. İşte bu evreden sonra ısı geçişi olur ve aşağıya salınım başlar. 2. evredeki hacme V2 ve 3.evredeki hacme V3 dersek. “V3 / V2”  kesme oranını verir. Bu değerin düşük olması istenir. Şimdi aklınıza, bu iki hacmin birbirine yaklaşmasıyla, sabit hacme gidildiği gelecektir.

Aksine, o oran küçüldükçe, ısı geçişi sabit basınçta, izentropik genişlemede daha büyük bir hacimde olacaktır. Böylece üretilen güç ve verim artar.
            Günümüzde birçok araçta TDI veya CRDI teknolojileri kullanılmaktadır. CRDI ise, “Common Rail Direct Injection” olarak tanımlanır. Ortak hatlı direkt enjeksiyon sisteminde, yakıt tüm enjektörlere tek yoldan gelir ve ortak bir odada basıncı arttırılır. Böylece enjektörler arasındaki basınç farkı oluşmaz. Tüm silindirlere aynı basınçta yakıt püskürtülmüş olur.

Oldukça karmaşık olan dizel teknolojisini herkesin anlayabileceği şekilde aksettiremeye çalıştım. Termodinamiğe olan özel ilgimden dolayı, yazı dizilerime termodinamikle başladım. Termodinamik, malzeme mühendisliğinin doğrudan ilgilendiği bir bilim dalı değildir. Fakat mühendislik bilimleri arasındaki en önemli kollardan birisidir. Her mühendis tarafından, belirli bir düzeyde bilinmesi ve irdelenmesi gereklidir. Tekrarlıyorum, yazılarımın termodinamikle ilgili olması tamamen şahsi yönelimim ve çalışmamdır. Kaynakça olarak gösterebileceğim tek şey, Yunus Çengel’in ve Michael A.Boles ‘ un “Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik” kitabıdır. O kitabı incelediğinizde, yazılarımın tamamen bana ait olduğunu göreceksiniz. Grafikler ise “Wikipedia” sitesinden alınmıştır. En büyük kaynağım, araştırmalarım sonucu ve derslerde tuttuğum notlarımdır.

Bu yazımla birlikte, termodinamik konulu yazı dizimi sonlandırmış bulunmaktayım. Bir sonraki yazı dizim “Malzemelerin Mekanik Özellikleri” üzerine olacak. Tabi ki bu, bir daha termodinamik ile ilgili yazmayacağım anlamına gelmiyor. Termodinamikteki bazı özel çevrimleri ve aklımda derlediğim bazı projelerimi de yazmayı düşünüyorum. Malzemelerin Mekanik Özellikleri, en az termodinamik kadar karmaşık ve bir malzeme mühendisi tarafından çok iyi bilinmesi gereken bir konudur. Bu yüzden, araştırmalarım ve çalışmalarıma bir yılı aşkın bir süredir devam etmekteyim. Konunun karmaşıklığı ve detaylarından dolayı, yeni yazı dizimde, yazılarımı ancak haftalık olarak yayınlayabileceğim. Beni takip etmenizi ve geri dönüşlerinizi beklemekteyim..

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi

Otto Çevrimi ve Uygulamaları

Otto Çevrimi ve Uygulamaları

İçten yanmalı motorlara değindiğim önceki yazımın birinde Otto çevriminden kabaca bahsetmiştim. İçten yanmalı bir motorun hangi prensipte çalıştığını anlatmıştım. Bu yazımda ise Otto çevriminin kuramsal incelemesini ve uygulamasını anlatacağım.

Alman makine mühendisi Nikolaus Otto, ilk içten yanmalı atmosferik motorunu 1867 yılında çalıştırmayı başardı. Günümüz içten yanmalı benzinli motorları –kıvılcım ateşlemeli- termodinamiksel bir çevrim olan Otto çevrimine göre çalışmaktadır.

·         Otto Çevrimi

Otto çevrimi, dört farklı halde gerçekleşen, iki izokorik ikide adyabatik hal değişimi olan bir sabit hacim çevrimidir. Otto çevrimini anlayabilmek için, kafamızda bir piston-silindir düzeneği canlandırmalıyız. Bu düzeneğin içerisindeki piston, üst ve alt ölü noktalar arasında serbestçe salınabiliyor olsun.

1. hal olan sıkıştırma zamanında, yakıt-hava karışımı piston tarafından sıkıştırılır. Sıkıştırma işini piston yaptığından, bu evrede sisteme bizim iş vermemiz gereklidir. Piston, üst ölü noktaya dayandığında, yakıt-hava karışımı küçük bir hacme sıkışmıştır ve silindir içerisindeki basınç yükselmiştir. Sıkıştırma esnasında, entropi üretilmediği ve sistemin adyabatik olduğu kabul edilir. O yüzden bu işlemin adı ‘izentropik sıkıştırmadır’

2. hal olan ateşleme veya ısı geçişi anında – iş zamanıda denir- pistonun üst ölü noktaya kadar bastığı yakıt-hava karışımı yüksek voltajlı bir buji ile ateşlenir. Yakıt, parlayıcı hidrokarbonlardan oluştuğundan, silindir içerisinde bir patlama olur. Bu esnada karbondioksit ve su oluşur. Oluşan gazlar, aşırı sıcaktır. Yakıtın patlatılmasıyla bir anlık sabit olan hacme ısı geçişi sağlanır. Otto çevriminde sabit hacimde ısı geçişi olarak tanımlanan evre bu evredir. Sabit hacme geçen ısı, çok yüksek bir sıcaklık doğuracağından ortamdaki gazları kavuracaktır. Aşırı ısınan bu gazlar, piston üzerinde bir basınç oluşturacak ve pistonu alt ölü noktaya kadar itecektir. 2.hal, izokoriktir.

3. hal olan adyabatik genleşmede, alt ölü noktaya itilen pistonun hareketi incelenmektedir. Sistem adyabatik kabul edilir ve bir önceki halde sabit hacme verilen ısıdan dolayı genleşme görülür. Bu evrede, bir önceki halde alınan ısının tamamı genleşmeye harcanır. Çünkü sistem adyabatiktir ve entropi üretilmemiştir. Yani ısı kaybı yoktur ve düzensizlik artmamıştır. Diğer bir deyişle, izentropik bir hal değişimidir. Otto çevriminin bu evresi ideal bir çevrim olduğunu gösterir. Oysaki gerçekte böyle bir işlem motor bloğu ısı kaybına sebep olduğundan söz konusu değildir.

Egzost zamanı olarak bilinen 4.hal değişimi evresinin diğer bir adı ise, ısı atımıdır. İzokorik olarak gerçekleşir. Bu evrede silindir içerisindeki gerçekleşen kuvvetli patlama sonucu aşağı salınan pistonlar hacmi genişlettiğinden, silindir içerisindeki basınç düşer. Fakat hala atmosfer basıncının biraz üzerindedir. O yüzden, egzost manifoldu açıldığında, yanmış gazlar silindirin dışına çıkacaktır. Isı atımı evresinde, termodinamiğin ikinci kanununun zorunluluğuda yerine getirildiğinden, bu çevrim bir termodinamiksel çevrim kabulu görür.

Yakıttan alınan ısının bir kısmı pistonlar vasıtasıyla mekanik işe çevrilir.  Geri kalanıda 4. evrede atmosfere atılır. Böylece bizim güç makinemiz, iki ısıl kaynak arasında çalışmış olur.

          

     

            Otto çevriminde, 1-2 evresi izentropik sıkıştırma, 2-3 evresi izokorik ısı geçişi, 3-4 izentropik genişleme ve 4-1 evresi izokorik ısı atımı olarak tanımlanır. İzentropik hal değişimlerinin olması, sistem veriminin yüksek olduğu anlamına gelmektedir.

            Otto verimi olarak tanımlanan sistem verimi, sıkıştırma oranıyla doğrudan ilişkilidir. Termodinamikte en önemli iş formu olan sınır işi (P.dV) hacim değişimi arttıkça artar. Yani bir piston-silindir düzeneğindeki hacmin değişim miktarı, üretilen gücüde arttıracaktır.

“Sıkıştırma oranı (r) = Vmax / Vmin” diyebiliriz.

            Motorun gücünü hesaplarkende,

            Ortalama Efektif Basınç (OEB) ile hacmin zamanla değişiminin çarpımı ( dV/dt) motorun ürettiği gücü verecektir. W(Watt) = P (Pa).(dV/dt)(m^3/s)

            Ortalama efektik basınç, yakıtın patlaması sonucu bir pistonun üzerinde oluşan basınçtır.

Dört zamanlı bir motorun krank milinin her iki turunda bir iş elde edilir. Çünkü, dört zaman içinde sadece sabit hacme ısı geçişi sonrasındaki genişleme halinde güç elde edilir.

·         Otto Verimi

       

Eşitlikteki “k” terimi,  Cp/Cv (ısı kapasiteleri oranıdır)

        

         

          

          Eşitlikte görüldüğü üzere, sıkıştırma oranı ve k terimi büyüdükçe verim artar. Fakat aşağıdaki grafikte bir noktadan sonra verimin artmadığı kolayca görülür. Bunun sebebi, sıkıştırma oranının gerçekte bir kısıtlamaya maruz kalmasıdır. Otto çevriminin gerçekteki uygulamasında sıkıştırma oranı 8~12 arasıdır. Eğer 12 sınırı geçilirse, silindir içerisinde sıkıştırılmış olan benzin-hava karışımı bujinin ateşlemesinden önce kendiliğinden parlayacaktır. Zamanlama dışında patlayan yakıt, vuruntuya sebep olacaktır. Vuruntu, zamanlaması dışında patlayan yakıttan dolayı motorun sarsıntılı ve gürültülü çalışmadır. Verimi düşürür.

         Geçmiş yıllarda kullanılan araç motorlarının sıkıştırma oranları yüksek olduğundan, vuruntuyu engellemek amaçlı benzine tetraetil kurşun katılıyordu. Fakat son yıllarda gelen sıkı egzost emisyon yönetmelikleri uyarınca bu katkı yasaklandı. Yasağa istinaden, motorların sıkıştırma oranlarıda azaltıldı. O yüzden şu anda kullandığımız araçların motorlarının ısıl verimleri –kuramsal verim- geçmiş yıllardakine göre daha düşüktür. Fakat gelişen ateşleme teknolojisi ve yeni yüksek verimli enjeksiyon teknikleri ile bu olumsuz etki giderilmiştir. Daha aerodinamik tasarımlarımız ve yeni lastiklerimizle düşük ısıl verimli motorlardan dahi iyi istifade etmekteyiz.

  

         Bu yukarıda gördüğünüz tablo, sıkıştırma oranıyla çevrim veriminin bir grafiğidir. Isı kapasiteleri arasındaki oran arttıkça, verimin arttığını görüyoruz. Tek atomlu olan helyum, argon gibi gazlarla gerçekleştirilen Otto Çevriminin verimi, karbondioksit gibi çok atomlu bir gazla gerçekleştirilen çevrimin veriminden %40 kadar daha yüksektir.

·               Otto Çevrimi Uygulamaları

         Bu yazının başından itibaren defalarca tekrarladığım gibi, Otto çevriminin uygulaması, kıvılcım ateşlemeli motorlardır. Yani benzinle çalışan motorlardır. Otto çevriminin kuramsal verimi yüksektir. Fakat uygulamadaki bir takım tersinmezlikler ve hatalı tasarımlar bu ısıl verimi düşürmektedir. Örneğin, tetraetil kurşun ilavesinin yasaklanmasının neticesinde sıkıştırma oranına kısıtlama gelmiştir.

Otto çevrimi bir kuramsal çevrim olup, uygulamadaki verimi düşüren en büyük etken sıkıştırma esnasında oluşan entropi yaratan olgulardır. Sanki-dengeli olarak hal değişen bir piston-silindir düzeneğinde, piston yakıt-hava karışımını sıkıştırırken izentropik sıkıştırma yapmaktadır ve oldukça yavaş sıkıştırmaktadır. Fakat gerçekteki uygulamasında bir araç motorunda, motorun 1000 ~ 6000 devir aralığında çalıştığını düşünürsek, sıkıştırma saniyede defalarca olmaktadır. Bu hızlı sıkıştırma esnasında üretilen entropi ve motor bloğundan atmosfere iletilen ısı, izentropik sıkıştırmayı imkânsız hale getirmektedir. Bu yüzden, Otto çevriminin kuramsal verimi -karbondioksit aracı akışkanı için- %50 lerde iken, uygulama verimi %30 civarındadır.

         Günümüz teknolojisiyle üretilen araçların motorları dört zamanlı çalışan otto çevrimi gerçekleştiren motorlardır. Araçlarımızın ortalama uygulama verimleri %30 civarında demiştim zaten.

Fakat motosikletler, çim biçme makineleri, basit kompresörler gibi kW/ kg oranı yüksek olması gereken uygulama alanlarında, iki zamanlı motorlar tercih edilmektedir. İki zamanlı motorların verimleri dört zamanlılara göre nispeten düşüktür. İki zamanlı motorların verimlerinin düşük olmasının sebebi, yanmış gazların dışarı atılması esnasında aynı anda silindir içerisine çekilen taze yakıt-hava karışımınında bir kısmının dışarı kaçmasıdır. Fakat bu motorlar daha ucuz ve basit olduğundan dört zamanlı kuzenlerine karşı tercih edilirler. Ayrıca unutulmamalıdır ki, iki zamanlı bir motor, dört zamanlı bir motordan fazla güç üretebilir. Çünkü, iki zamanlı motorda iki strok vardır ve bu iki strokun ikisinde de güç elde edilir.

         İki zamanlı motorların sızdırmaz karter yapısı geliştirilmiş, silindir içerisine yakıt-hava karışımını besleyen manifold ile egzost gazlarını atan egzost manifoldu zamanlaması düzenlenmiştir. Ayrıca gelişen elektronik kontrol sistemleri sayesinde, değişen yük ve hızlara göre motorların performans parametreleri ayarlanabilir bir hal almıştır. Motor üreticileri, iki zamanlı motorlar üzerine geliştirmeler yapmaktalar. Tüm bu yenilikler sonucu iki zamanlı motorların verimleri artmıştır. Bu yüzden iki zamanlı motorlara olan ilgi artmıştır.

Yakın bir gelecekte, iki zamanlı motorların, dört zamanlılara tercih edileceği düşünülmektedir.

         Sizi daha fazla sıkmamak adına bu yazımı burada noktalamak istiyorum. Otto çevrimini ve uygulama alanını etraflıca kaleme aldığımı düşünüyorum. Aksettiremediğim birkaç nokta daha mevcut. Fakat o noktaların daha iyi irdelenmesi ve anlaşılabilmesi için iyi bir termodinamik temele sahip olunması gerektiğinden, okurların kafalarınıda daha fazla karıştırmamak adına, birkaç kısaltmada bulundum. Akademik nitelikli bir yazı olmadığından, öğrencilerin rahatça anlayabileceği kadarının üzerinden geçtim. Olası hatalarım, eksiklerim ve menfi görüşleriniz için her zaman geri bildirime açığım. Takipte kalınız..

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi

Carnot Verimi ve Verim Geliştirme

Carnot Verimi ve Verim Geliştirme

Önceki yazılarımda Termodinamik ile ilgili birçok önemli noktaya değinmiştim. Bu yazımda ise, en can alıcı konu olan bir sistemin verimini ele alacağım. Öncelikle, yine terimleri ve kavramları düzgün bir şekilde tanımlayıp, anlamamız gerekmektedir.

Hepimizin “bir sistemin verimi ne demektir? “ sorusuna cevabı, alınan iş / verilen enerjidir. Doğru fakat yetersiz bir tanımlamadır. Kabaca, bir sistemin verimi, aldığı enerjinin ne kadarını işe çevirebildiği ne kadarını bir ısı deposuna attığıdır. Termodinamiğin ikinci kanununca, bir ısı makinesi iki ısıl depo arasında çalışmalıdır. Yani, bir ısı makinesine yüksek sıcaklıktaki kaynaktan ısı girer, bir mekanik iş alınır ve atık ısı düşük sıcaklıktaki bir ısı deposuna atılır.

Bu noktada hemen hemen herkesin aklına, atık ısıyı geri kazanmak gelmektedir. Gerçektende bu olay mümkün müdür? Bu sorunun cevabı kesin bir hayırdır. Termodinamiğin ikinci kanunu uyarınca - Entropi tanımında da verdiğim üzere-, bu olay mümkün değildir.

·         Atık Isıyı Geri Kazanmak

Yukarıdaki soruyu mümkün değil olarak cevaplamıştım. Buyurun kanıtına,

İzentropik –tersinir- çalışabilen bir piston silindir sistemi düşünün. Silindir içerisinde de 30 derece sıcaklığında ideal bir gaz olan hava bulunduğunu varsayalım. Pistonu durduran üst ve alt ölü noktalar olsun. Piston ağırlığı ihmal edilsin ve piston üzerinde belirli bir kütleye sahip bir cisim bulunsun. Bu sisteme 100 derece sıcaklığındaki ısı deposundan 100 kJ ısı geçişi olsun. Silindir içerisindeki gaz, ısı geçişiyle birlikte genleşecektir. Bu esnada pistonu yukarı itecektir. Piston yukarı itilirken, üzerindeki ağırlığıda yukarı kaldıracaktır. Buraya kadar her şeyin zihninizde çok iyi canlandığına eminim.

Gaz genleşirken bir kütleyi kaldırdığından yani yer çekimine karşı iş yaptığından, ısı kaybedecektir. Yani dışarıdan aldığı 100 kJ lük ısının bir kısmını üzerindeki kütleyi yukarı kaldırmakta kullanacaktır. Farz edelim ki yer çekimine karşı yaptığı işte 20 kJ olsun. Gaza olan net ısı transferi 100 – 20 = 80 kJ olacaktır. Bu işlem piston üst ölü noktaya dayanana kadar gerçekleşir. Piston üst ölü noktada iken gazın sıcaklığı 90 derece olarak ölçülsün. Bu noktada akıllara gelen ilk soru, sistem içerisindeki 80 kJ lük ısının tekrar 100 derecelik ısıl depoya aktarılmasıdır.

Eğer böyle bir şey mümkün olsaydı, bu ısı makinesi %100 verimle çalışacaktı. Fakat unutulan nokta, sisteme ilk başta ısı geçişi sağlayan ısıl deponun sıcaklığı 100 dereceydi. Şu anda silindir içerisindeki gazın sıcaklığı ise 90 derece. Isı, yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru aktığından, gazın içerisindeki fazladan depolanan 80 kJ lük bu ısı tekrar yüksek sıcaklıktaki ısıl depoya akamaz. Bu yüzden gazın iç enerjisi olarak depolanan bu 80 kJ lük ısıya atık ısı denir. Bu ısı, atmosfere veya kendinden daha soğuk bir ısıl depoya akacaktır.  İşte bu yüzden atık ısıyı geri kazanmak olanaksızdır.

·         Carnot Verimi

Sadi Carnot tarafından tasarlanmış olan Carnot çevrimi, en yüksek kuramsal verime sahip bir çevrimdir. Lisede öğrenmiş olduğunuz alınan iş / verilen enerji denkliğine göre dahi üretilebilir bir verim terimi vardır. Bir ısı makinesinin yüksek sıcaklıktaki ısı deposundan çektiği ısıya ‘Qh’ ve düşük sıcaklıktaki ısı deposuna attığı ısıya ‘Qc’ diyelim. Makineden aldığımız işte ‘W’ ile gösterilsin.

“Verim (n) =  W/ Qh” dir.  Carnot çevrimi izentropik – adyabatik ve tersinir- olduğundan, sistem çok yüksek bir verime sahiptir ve ısı depoları arasında akan ısının tamamını işe çevirmektedir.

O halde, Carnot çevrimine göre yukarıda tanımladığımız “n= W / Qh” denkliğindeki iş yani W, ısı depoları arasında akan ısıya eşittir. Yani, W = Qh – Qc dir. Denklemde yerine yazıldığında,

n = (Qh – Qc ) / Qh olur. Tekrar düzenlendiğimizde  “n = 1 – (Qc / Qh)” olur.

Isı ile sıcaklık arasındaki doğru orantıyı da kullanarak “n = 1 – ( Tc / Th)” diyebiliriz.

Peki, bu eşitlik bize ne ifade etmektedir? Matematiksel olarak bulduğumuz bu ifadenin fiziksel ve termodinamiksel yorumunu iyi irdelememiz gerekmekte. Kafamda kurmuş olduğum bir modeli aksettirmeye çalışacağım.

En son elde ettiğimiz verim ifadesinde açıkça belli olan bir şey vardır. Isı depoları arasındaki sıcaklık farkı arttıkça, verimde artmaktadır. Aslında burada demek istediğim, bir ısı makinesi ne kadar az atık ısıyı soğuk ısıl depoya atıyorsa, o kadar verimlidir. Yani, bir motorun egzost gazının fazla sıcak olması demek, o motorun kimyasal ısıyı yeterince fazla mekanik işe dönüştüremeden attığı anlamına gelir. Özetlersek, iki adet aynı motorun egzost gazı sıcaklığı kıyaslanırsa, nispeten daha soğuk egzost gazı atan motor daha verimlidir diyebiliriz.

·         Sistem Verimini Arttırma Yolları

Otomotive olan ilgimden dolayı ve daha kolay anlaşılabileceği için bu başlığı otomobiller üzerinden anlatacağım.

Az önce yukarıda dile getirmiş olduğum egzost gazı sıcaklıklarını kıyaslama metodu çok kaba bir verim hesabıdır. Hatta hesap dahi değildir sadece nicelik olarak bir motorun daha verimli çalıştığını gösterir. Elinizde herhangi sayısal veriler ve nitelik bakımından bir analiz olmaz.

Bir araç motorunda, kimyasal enerji ihtiva eden yakıt oksitlenerek oldukça ekzotermik bir reaksiyon gerçekleştirilir. Bu esnada muazzam bir ısı açığa çıkar. Bu ısı, silindir içerisindeki yanmış gazları ve havayı resmen kavurur. Öyle ki, kavrulan hava çok ani bir şekilde genleşir. Pistonları aşağıya iten bu genleşmenin ürettiği güç, krank mili vasıtasıyla mekanik işe çevrilmiş olur.

Bir araç motorunun verimi ise, yakmış olduğu yakıtın ihtiva ettiği kimyasal enerjinin ne kadarını mekanik işe çevirdiği, ne kadarını atmosfere attığı ile bulunur. Az yakıtla, çok iş veren bir motor verimlidir.

Günümüz teknolojisi ile üretilen araçların büyük bir kısmının 100 km başına tükettikleri yakıt miktarı litre cinsinden 4 ~ 8 L / 100 km aralığındadır. 60’lı yılların Birleşik Devletlerine bakıldığında, çok ucuz olan yakıt fiyatları ve vatandaşlarının yüksek alım gücü nedeniyle araçların fazla yakıt tüketmesine rağmen çok tercih edildiğini görürsünüz. Yaptığım araştırmalar neticesinde, o yıllarda Birleşik Devletlerde bulunan binek araçların yakıt tüketimleri ortalama olarak 15 ~ 23 L / 100 km civarında. Günümüze göre neredeyse 4 kat fazla yakıt tüketiyorlarmış. Bunun sebebi, lüksüne düşkün Amerikan vatandaşlarının uzun ve geniş araçları sevmeleri, araçların gereğinden ağır olmaları (2000 kg civarında)  ve motor teknolojilerinin çok ilkel olması noktaları benim düşünürken ilk aklıma gelenler.

60’lı yıllarda Amerikan araçlarının boyları 5.5 metreden, kütleleri ise 1800 kg dan başlamaktaydı. Amerikan Motor Endüstrisinin “General Motors” un tek elinde olması rekabetin olmadığı anlamına geliyordu. General Motors’un ürettiği düşük verimli V–10, V–12 motorlar Amerikalılar tarafından çok tercih ediliyordu. 6 litre, 10 litre hacme sahip motorlar sadece 150~200 beygir güç üretebiliyorlardı. Gerek karbüratörlü olmaları, gerekse de tasarımdaki negatif atalet, sürtünme yaratacak yanlış planlamalar motoru oldukça verimsiz hale getiriyordur.

Japon ve Alman motor üreticileri Amerikan pazarının çok geniş bir pazar olduğunu gördüler. Daha yüksek güçte ve daha az yakıt tüketen motorlar geliştirip bu pazara girmeleri çok sürmedi. Japon üreticilerin ürettiği, 3 Litre hacme sahip bir V–6 motor 150 beygir güç verince, General Motors verim geliştirme konusuna eğildi. Çünkü GM’ in ürettiği motorlar arasında 150 beygir güç verebilen bir motor en az 6 litre hacme sahip bir V–10 idi.

GM’ in motorlarının düşük verime sahip olmasının ana nedenlerinden biri, karbüratör vasıtası ile yakıt – hava karışımının hazırlanmasıdır. Yakıt olarak kullanılan hidrokarbonların sıvı fazları yanmaz. Yanabilmesi için gaz fazına geçmesi gereklidir. Karbüratör olarak adlandırılan parça, atmosferden gelen hava ile yakıtı karıştırır ve yakıtın buharlaşması için ona zaman tanır. Bu kısa süre içerisinde yakıtın bir kısmı buharlaşırken, bir kısmı hala sıvıdır. Bu şekilde yanma odasına giren yakıt- hava karışımı buji ile ateşlendiğinde tam yanmayacaktır. Oysaki, enjeksiyon sistemi ile yanma odasına yüksek basınçla püskürtülen yakıt çok fazla atomize olacağından çok hızlı buharlaşacaktır. Piston yakıt- hava karışımını sıkıştırıncaya kadar yakıtın büyük bölümü gaz fazına geçecektir ve ateşleme esnasında iyi yanma olacaktır. Bir motorun veriminin geliştirilmesi esnasında en önemli nokta budur.

İkinci önemli nokta ise, pistonların patlama sonucu krank miline ilettikleri güçten sonra tekrar sıkıştırma evresine girmeleriyle bu kez krank mili pistona iş verir ve yakıt- hava karışımı tekrar sıkıştırır. Bu esnada pistonun bir ağırlığı olduğundan, yer çekimine karşı iş yapılması gereklidir. Eğer pistonlar yan yatırılır veya V motor şeklinde dizilirse, yer çekimine karşı yapılan iş azaldığından negatif atalet kaybı azalacaktır.

Piston- silindir arasındaki sürtünmede üretilen işten yiyeceğinden, yağlama iyi ve yeterli olmalıdır. Motorun soğutma ünitesi de iyi çalışmalıdır. Aksi halde, motorun sıcaklığı artar ve silindir içerisindeki havanın basıncı artar. Pistonun bu kızmış havayı sıkıştırması zorlaşır ve verim düşer.

Verim geliştirme konusunda, bir yazıda anlatılamayacak kadar önemli nokta vardır. Bunların arasında en önemli olarak gördüklerimi bu yazımda aksettirmeye çalıştım. Geri kalanları da ilgili yazılarımda parça parça anlatmayı planlıyorum. Takipte kalınız.

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi

Ters Carnot Çevrimi ve Soğutmanın Temelleri

TERS CARNOT ÇEVRİMİ VE SOĞUTMANIN TEMELLERİ

Önceki yazılarımda Termodinamiğin temellerini, Carnot Çevrimini ve enerji verimliliğinde yalıtımın önemini arz etmiştim. Bugünkü yazımda, Carnot Çevriminin soğutma çevrimine nasıl dönüştürüldüğünü anlatacağım.

Evlerinizde kullandığınız buzdolapları ters carnot çevrimi ile çalışmaktadır. Mutfağınızda çalışmakta olan buzdolabınızın kapağını açık bırakırsanız, mutfağın sıcaklığı ne azalır ne de artar. Çünkü buzdolabınız soğutma bölümünden çektiği ısıyı, arkasındaki radyatöründen odaya tekrar atacaktır.

Fakat soğuk bir kış gününde, buzdolabınızın kapağını açıp, açık kısmı çevreye, arkasındaki radyatörü odaya doğru yerleştirirseniz, buzdolabınız dışarıdan ısı çekip odaya atacaktır.

Tam tersini düşünürsek, sıcak bir kış gününde, buzdolabınızın kapağını açıp, açık kısmını odaya, arkasındaki radyatörüde dışarı çevreye çevirirseniz, buzdolabınız odadan ısı çekip, dışarıya atacaktır.

Peki, buzdolabınız bunu nasıl yapıyor?  Buyurun beraber inceleyelim.

• Carnot Çevrimi Uygulaması

Carnot çevrimini şematik olarak gösterirsek, karşımıza aşağıdaki gibi bir resim çıkacaktır.

 Görüldüğü üzere, sıcak kaynaktan ısı çeken bir makine, bu ısının bir kısmını iş olarak verir ve bir kısmınıda soğuk kaynağa atar. Bu olay kendiliğinden gerçekleşen bir olaydır çünkü ısı, sıcak kaynaktan soğuk kaynağa kendiliğinden akar. Fakat soğuk bir ortamdan ısı çekip, sıcak bir ortamı ısıtmak isterseniz, sisteme iş (enerji) vermeniz gerekir. Eğer siz bu sisteme iş verirseniz, soğuk kaynaktan ısı çekip, sıcak kaynağa atabilirsiniz. Onunda şematik gösterimi aşağıdadır.

Peki nasıl oluyorda, Carnot çevrimini gerçekleştirirken iş aldığımız bir sisteme biz iş verince sistem tersine çalışabiliyor?

            Sistem tersine çalışabiliyor çünkü çevrim adımları tersinirdir. Bir klima veya buzdolabı ters carnot çevrimi gerçekleştirmektedir.

Şimdide, ters carnot çevrimini irdeleyelim. Ters carnot çevriminin gerçekleşmesi demek, soğuk kaynaktan sıcak kaynağa ısı akması demektir. Bu işlem kendiliğinden olamaz. Mutlaka bir iş (enerji) verilmesi gereklidir.

• Ters Carnot Çevrimi ( Soğutma Çevrimi)

Bu bölümde yukarıda kabaca şemasını ve açıklamasını verdiğim ters carnot çevrimini irdeleyeceğiz.

1)      Sıkıştırma: Bu adımda, sistem akışkanı bir kompresörce yüksek basınca sıkıştırılır.

2)   Yoğuşma :Yüksek basınca sıkıştırılan akışkan, bir yoğuşturucudan geçirilir. Bu esnada akışkan, basıncından dolayı kazanmış olduğu sıcaklığını dışarı yani sıcak ortama atar.

3)   Kısılma: Kesit alanı farkı olan borulardan veya kısılma vanasından geçirilen akışkanın dinamik basıncı artarken, statik basıncı azalır. Bu esnada, soğutucu akışkan karakteristik özelliği gereğince ani olarak soğur.

4)  Buharlaşma: Kısılmadan sonra sıcaklığı düşmüş olan akışkan, soğutulacak ortamdaki bir radyatörden geçirilirken, ortamdan ısı çeker ve kendisi buharlaşır. Böylece ortam soğutulmuş olur.

  (4: Sıkıştırma, 1: Yoğuşturucu, 2: Kısılma, 3: Buharlaştırıcı)

Sistem sürekli tekrarlanırsa bir çevrim oluşturur ve bu çevrimi yapan makinelere soğutma makinesi denir.

Sistemin verimine gelinirse, bir carnot çevriminde maksimum verim “1- (TL / TH)” olarak tanımlanmıştır. Fakat, ters carnot çevriminde, yani soğutma çevriminde sistem verimi sadece 0 ile 1 arasında olmak zorunda değildir. 1 den büyükte olabilir. Verimin teorik olarak 1 den büyük olma durumu kabul görmeyeceğinden, bilim insanları bu kavrama “Performans Katsayısı” (Coefficient of Performance) demişlerdir.

COP’ nin tanımını yapmam gerekirse, kafamda kurduğum bir tanımı aksettireyim.

Mesela farz edelim ki, bir ortamda 2 kW ısı çekmek istiyoruz. Buna karşılık soğutma çevrimini gerçekleştirip, soğutma makinesini çalıştırabilmeniz için kompresöre 1 kW iş vermeniz gereksin. Bu esnada açıkça görülen ve göze çarpan bir şey vardır ki oda, 1 kW işe karşılık 2 kW ısı geçişi olmasıdır.

Termodinamiksel olarak bu olayın gerçekleşmesi imkânsızdır. Aslında burada olan şey, 1 kW lık işe karşı alınan 2 kW lık ısı değildir. Sizin verdiğiniz 1 kW lık iş, akışkanı sıkıştırılmasına ve tesisat içerisinde sirküle etmesine harcanır. Akışkan kendi karakteristik özelliği gereğince kısılma esnasında ani soğur. Bu yüzden soğutulan ortamdan fazlaca ısı çekebilir. Zaten çektiği bu ısı enerjisini de yok etmez, sıcak bir ortama atarak çevrimi tamamlar. Yani sisteme giren- çıkan toplam enerji birbirine eşittir. Bu esnada sistemin verimli olması COP ‘nin fazla olmasına sebebiyet verir. Sistemin verimini de, sadece sıcak-soğuk kaynaklar arasındaki sıcaklık farkı belirler. “1 – ( TL / TH)” Bu eşitlik carnot verimidir. COP ise , “(QH / W)” eşitliğinden bulunur.

 

Sistemin T-S (Sıcaklık- Entropi) diyagramı yandaki gibidir.

  

(Kaynak: http://en.wikipedia.org/

wiki/Vapor-compression_

refrigeration)

Aşağıdaki diyagramda ise, buzdolabının çalışma prensibi daha açık bir şekilde verilmiştir.

• Soğutma Sisteminin Verimliliği

Bir soğutma sisteminin verimini, nasıl carnot verimini sıcak ve soğuk ısı deposunun arasındaki oran etkiliyorsa, yine aynı oran doğrudan etkiler. Fakat bu oran, alınabilecek maksimum verimi tanımlar. Fakat uygulamada asla o kadar yüksek verimlere ulaşılamaz.

Bizim o verime yaklaşabilmemiz için;

1)      Soğutma sistemini iyi yalıtmamız gereklidir.

2)      Buharlaştırıcı ve yoğuşturucu radyatörlerinin kanat verimliliğinin arttırılması gereklidir.

3)      Akışkan olarak, iyi kısılma özelliği gösteren ve ısı iletim katsayısı yüksek akışkanlar kullanılmalıdır. ( Freon gazları en uygunları arasındadır.)

4)      Kompresör olarak kullanılacak pompalama sisteminin motoru, elektrik motoru seçilmelidir. İçten yanmalı bir motora göre, elektrik motorlarının verimleri daha yüksektir.

5)      Kısılma olayının gerçekleştirilmesi için, kılcal borular yerine kısılma vanası kullanılması daha uygundur. Kısılma vanalarında statik basıncın düşürülmesi olayı daha uygundur.

Bu yazımda, Carnot çevrimi yazımı tamamlayan ters Carnot çevrimini ve soğutmanın temelini arz etmeye çalıştım. Yazılarıma ve yeni araştırmalarıma devam etmekteyim. Takipte kalınız.

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi

Yalıtım ve Enerji Verimliliği

Yalıtım ve Enerji Verimliliği

Önceki yazılarımda hep enerji ve ısının davranışlarını, termodinamik temellerini anlatmıştım. Bir ısı sisteminin veriminin arttırılmasındaki en önemli nokta sistemin ısıya karşı yalıtılmasıdır. Örneğin, evlerimizi ısıtmakta kullandığımız kalorifer sistemimizin ısıl olarak yalıtılmış olması, soğuk kış günlerinde kazak giymenize gerek kalmadan –ısıl konforunuzu bozmadan- daha az yakıt ile ısınmanıza olanak sağlar.

Öncelikle, yine her zamanki gibi tanımlarımızı yapmalı terimleri ve modelleri kafamızda tam anlamıyla kurmalıyız. Ezberlemeden, tanımı sorulduğunda otomatiğe bağlamadan, bilerek cevaplayabilmek adına terimler ve işleyiş mekanizması iyice anlaşılmalıdır.

·         Terimler ve İşleyiş

Isı: Bir enerji formudur. Maddelere etkidiğinde sıcaklıklarını arttırır. Termodinamiksel olarak sıcak ortamdan soğuk ortama doğru hareket eder.

Sıcaklık: maddenin tuttuğu ısıdan dolayı gözlenen bir özelliğidir. Diğer bir deyişle, moleküllerin ortalama kinetik enerjisi yani bir ısı yoğunluğudur.

Isıl Konfor: Bir mekân içerisinde, insanların üşümediği veya sıcaktan bunalmadığı, nemden şikâyet etmedikleri durumda, bulundukları mekân ısıl konfora ulaşmış bir sistem demektir.

Verim: Bir sistemin aldığı enerjiye oranla verdiği iştir.

Isıl Kayıp: Sıcak ortamdan, soğuk çevreye ısı akışı olması sonucu, sıcak sistemin ısısındaki azalmadır.

Isıl Kazanç: Sıcak ortama, ısı geçişidir. (Isıtma sisteminden eve ısı geçişi)

Isıl Direnç: Bir malzemenin sıcak ortam ile soğuk ortam taraflarındaki yüzeylerinden ısıyı geçirmek istemeyişidir. Malzemenin karakteristik bir özelliğidir.

Isı Geçirgenlik Katsayısı U (W/m2K): Farklı malzemelerin arka arkaya dizilmesiyle oluşan bir yapı elemanının ısı geçişine göstermiş olduğu dirençtir. U, malzemelerin ısı iletim katsayısı (λ) ve ısı geçiş yönündeki kalınlığına bağlıdır. U değeri ne kadar küçük olursa, ısı kaybı da o kadar az olur.

Yalıtım (İzolasyon) : Isıl kazanç ve/veya ısıl kaybın engellenmesi amacıyla, yüksek ısıl dirence sahip bir malzeme ile sistemin çevre ile ilişkisinin kesilmesidir.

            Isının üretilmesi, sıradan bir kalorifer tesisatına sahip evlerde, kombilerde gerçekleşir. İşte ilk kayıp bu esnada olur. Isının üretimi esnasında kullanılan yakıt doğalgazdır. Kombiniz, atmosferden çektiği hava ile doğalgazı karıştırıp ateşler. Kombinin verimi, yakıtı yakabilme oranıyla ve yanma sonrasındaki gazların düşük sıcaklığa sahip olarak atılmasıyla doğrudan ilişkilidir. Termodinamiğin ikinci yasasınca, kombiniz yakıttan elde ettiği ısının bir kısmını tesisattaki suyu ısıtmakta kullanırken, bir kısmını yanmış sıcak gazları atarken, gazların ihtiva ettiği enerjiyle atacaktır. Burada mühim olan, atılan gazların sıcaklığının yani ihtiva ettiği enerjinin geri kazanılmasıdır. Bu işlemi gerçekleştirebilen kombilere “yoğuşmalı kombi” denir. Bu tip kombilerin ısıl verimi oldukça yüksektir. Yoğuşmalı kombi kullanmanız, ısıtma giderlerinizi ciddi anlamda düşürecektir.

            Fakat evlerdeki ısıl kaybın büyük bir kısmı yalıtılmamış duvarlar ve tesisattan kaynaklanmaktadır. Doğalgaz kalorifer tesisatı sonradan kurulmuş bir evde, tesisat boruları açıkta gider ve çok fazla dirsek kullanılır. Dirsekler, suyun akışını yavaşlattığından kombinin su pompası üzerinde fazladan bir yük oluşturur. Bu olay yakıt tüketimini ve elektrik enerjisi sarfiyatını arttırmaktadır. Ev seçiminde, doğalgaz tesisatının sonradan dönüşümle olmayan evleri tercih etmenizde verimlilik açısından önemlidir.

            Yalıtılmamış duvarların etkisine gelince, en büyük etkenin bu olduğunu söyleyebilirim. Bir sistemin ısı kaybını hesaplamak için “Fourier Kanunu” kullanılır. [ Q =  -k x A x (dT / dL) ] Bu formülde k, malzemenin ısı iletim katsayısı, A duvarın yüzey alanı, dT çevre ile ortamın sıcaklık farkı, dL ise duvarın kalınlığı. Görüldüğü üzere, duvarın yüzey alanından veya soğuk bir kış gecesi evin sıcaklığını azaltarak sıcaklık farkından taviz verilemez. Bir sistemin ısıl kaybını azaltmanın en mantıklı ve geçerli yolu duvar kalınlığını veya kullanılan malzemeyi değiştirmektir. Ancak, duvarın kalınlığı ile gelişi güzel oynanamayacağı için, iş yine doğru malzeme seçimine gelmektedir.

İşte tam bu noktada, malzemelerin ısıl dirençleri devreye girmektedir. Isıl direnç, düz bir duvar için

R = L / (k x A) dır. Formülasyondan da görüldüğü üzere, malzemenin ısı iletim katsayısı  “k” düştükçe, ısıl direnci artmaktadır.

·         Yalıtımın Önemi ve Yalıtım Malzemeleri

Yalıtım, enerji verimliliğin en önemli noktasıdır. İyi yalıtılmış bir evin, ısınma giderleri %30 oranında düşürülebilmektedir. Yukarıda açıkladığım ısı transferi hesabında en önemli noktanın yalıtım malzemesinin seçimi olduğunu gördük. Metaller ısı yalıtımı için uygun malzeme grubu değildir. Seramikler ise yüksek sıcaklıklara dayanabilirler fakat ısı yalıtımda o kadar iyi değillerdir. Geçmiş dönemlerin tekniğiyle inşa edilmiş binalarda, en basit yalıtım malzemesi tuğladır, sıvadır. Tuğlalar, geleneksel seramikler olup, ısıl dirençlerinin büyük olmasının sebebi içlerindeki hava boşluklarıdır. Sabit hacimli havanın ısı iletim katsayısı k = 0.627 W/m.K dir. Fakat tuğlanın kendi ısı iletim katsayısı ise 0.811 W/m.K dir. Bunların bileşkesi alındığında ve çevre sıcaklığı 0 derece, oda sıcaklığı 23 derece alınırsa, yalıtımsız duvarın ısı kaybı kabataslak olarak Q= 260 kW/h olmaktadır. Aksine, bu duvar yalıtımlı olsa idi, 5cm kalınlığında polistiren köpük ile kaplanmış yalıtılmış bir duvar üzerinden hesap yapılırsa, aynı şartlar altında ısı kaybı Q= 70 kW/h olur.

Görüldüğü üzere, yalıtım malzemesi ile kaplanmış yalıtılmış bir sistem ne kadar da az ısı kaybetmektedir.

Yalıtım malzemesi seçimine gelirsek, metal ve seramiklerin uygun olmadığını yukarıda arz etmiştim. Fakat polimer malzemeler, ısı ve ses yalıtımı için biçilmiş kaftandır. Şu anda ısı yalıtımı ile ilgilendiğimizden, polistiren ve poliüretan köpüklerden bahsetmek istiyorum. Bu polimerler dünya üzerinde en küçük ısı transfer katsayısına (k= 0.032 W/m^2.K ve k= 0.026 W/m^2.K) sahiptirler. Dolayısıyla ısıl dirençleri çok yüksektir. Günlük hayatınızda kullandığınız plastiklerin çoğu polistirendir. Kısaltması “PS” dir ve geri dönüşüm numarası “6” dır. Köpük bardak olarak bildiğiniz ve içerisine kaynar su koyduğunuz halde elinizde tutabildiğiniz malzemede polistirendir.

2000’li yıllarda enerji tasarrufunun arttırılması, ısıl kaybın azaltılması düşüncesi ülkemize girmiştir. Bu esnada inşa edilen binalarda, tuğla aralarında oksit sarısı renkte köpük kullanılmıştır. Bu malzeme ise poliüretandır. Köpük olarak üretilmeli kastidir. Çünkü köpükler bir sünger olarak modellenebilir. Hem poliüretan ve polistiren polimerlerinin düşük ısı transfer katsayısı hem de üretim esnasında içerisinde hava olan veya vakum olarak kalan kabarcıklar, malzemenin toplam ısıl direncini arttırmaktadır.

Günümüzde ise, dış cephe kaplaması olarak bilinen bir uygulama hayli yaygındır. Yeni yönetmeliklerle, 2017 yılına kadar tüm binaların dış cephe yalıtımlarının yapılması mecbur kılınmıştır. Binanın yalıtımsız dış cephesine, poliüretan veya polistiren köpüğü tutacak bir harç sürülür. Bu harç, seramik tabanlı bir malzemedir ve yapışmanın yanında yüksek ısıl direnç ve nem direnci sağlar. Daha sonra bu harcın üzerine, yine dıştaki yüzeyi seramik kaplı fakat sürülen harca yapışacak yüzeyi kaplamasız olan polistiren veya poliüretan köpük yapıştırılır. Yani dışarıdan içeriye doğru malzeme sırası şöyledir, Seramik kaplama- Yalıtım köpüğü – Seramik Harç – Duvar – İç Sıva. Isının iletiminin en çok engellediği bölge, yalıtım köpüğünün olduğu bölgedir. En az 3cm kalınlığında plaka şeklinde bir köpük kullanılmalıdır.

·         Enerji Verimliliği

Herkes evinde ısıl konfor sağlamak ister. Fakat özellikle çetin iklimi olan coğrafyalarda bu iş oldukça karmaşık hale gelir ve kulaktan dolma bilgiler yetersiz kalır. Pencere altlarına bez sokuşturma, duvarlara halı asma gibi yöntemler, iç ortam ile çevre arasındaki sıcaklık farkı arttıkça yetersizleşir. Evinizin ısıl konforunu yaz-kış sağlamak ve bu esnada minimum enerji kullanmak ciddi bir mühendislik problemidir. Bu konu hakkında, birkaç ufak tüyo vereceğim.

Yeni alacağınız ev için, şu hususlara dikkat etmelisiniz.

1)      Bütçenize uygunsa, mutlaka yoğuşmalı kombi tercih edin. Yatırım maliyetini kısa sürede çıkaracaktır.

2)      3+1 planın bir evde en az 8 petek olmalıdır. Şunu unutmayın ki, az petek az fatura demek değildir. Petek sayısı azaldıkça, sistem basıncı artacaktır ve kombi zorlanacaktır. Bu da fazladan yakıt masrafıdır.

3)      Sonradan doğalgaz dönüşümü yapılmış bir ev ile, inşa esnasında doğalgaz tesisatı çekilmiş bir ev arasında %5 ~ %10 oranında ısıl kayıp fazlası vardır.

4)      Kombinizin ayarı ile çok fazla oynamayın. Rölantide çalışan bir kombi, tesisat su sıcaklığını sabitler ve düşük miktarda ısıl kayıp yaşar. Fakat kapatılmış ve tamamen soğumuş bir tesisatın tekrar ısıtılması esnasında fazla enerji harcanır. Ancak uzun süreli evi terk etme durumunda kombinizi kapatın.

5)      Yalıtım uygulanmış olmalı. Yalıtımı yapılmış bir binanın, yalıtımsız binalara oranla %30 daha verimli hale geldiğini yukarıda da belirtmiş ve açıklamıştım.
6)   Termostatik vana kullanmayı tercih edin. Termostatik vana kullanarak %15 civarında enerji tasarrufu yapmak mümkündür.

Sonradan doğalgaz dönüşümü yapılan bir ev içinse, şu hususlara dikkat etmelisiniz.

1)      Yine yoğuşmalı kombiyi öneririm.

2)      Tesisatı olabildiğince evin içerisinden geçirmeye ve en az sayıda dirsek kullanmaya özen gösterin. Eğer tesisatın bir kısmı özellikle de kombiden ilk çıkış bölgeleri evin dışında kalıyorsa, mutlaka cam elyafı veya köpük ile o bölgeyi yalıtın. Yoksa ısıl kayıp çok fazla olacaktır.

3)      Tesisat akışkanı olarak su yerine daha verimli taşıyıcılar kullanabilirsiniz. Yatırım maliyeti bir nebze fazlada olsa, uzun vadede kendini amorti edecektir. %10 ~ %15 ısıl kazanç sağlayabilirsiniz.

4)      Az sayıda petek kullanmaktan kaçının. Yukarıda da söylediğim gibi 3+1 planında bir ev için mutlaka en az 8 petek olmalıdır.

Enerji tasarrufu içinse, yukarıdaki hususlara dikkat etmenizin yanında bazı özel noktalara da özen göstermenizde fayda vardır.

1)      Gece olduğunda perdelerinizi kapatın. Bu sayede ışınım yoluyla olan ısı kaybının bir kısmını engelleyeceksiniz.

2)      Çift camlı pencereleri tercih edin.

3)      Evinizi havalandırmanız esnasında, altında veya yakınında petek bulunmayan pencere veya kapıları tercih edin. Örneğin, balkon kapısı olan bir salonu havalandırırken, salon penceresini değil de balkon kapısını tercih edin. Çünkü salon penceresinin altında kalorifer peteği vardır ve eğer o pencereyi açarsanız, ısıl kaybınız artar.

4)      Kullanmayı düşünmediğiniz peteklerin dahi vanalarını tam sıkmayın. Mutlaka bir nebze suyun akışına izin vermelisiniz. Tabi ki tesisat planı önemlidir. Çift veya tek dağıtmalı sisteme veya ev planına göre davranmalısınız. Bu konuda bir uzmandan yardım isteyiniz.

5)      Kombinizin yıllık veya iki yıllık periyodik bakımını atlamayınız. Kurum bağlamış bir yanma odası, kombinizin ısıl verimini düşürecektir.

6)      Elektrik ile ısınmanın daha temiz ve verimli olduğu doğrudur. Fakat bu yöntem iyi yalıtılmış ve güzel planlanmış bir mekân için geçerlidir. (ısı pompası, klima vb..)

Bu yazımda enerji verimliliğini ve yalıtımın önemini arz etmeye çalıştım. Fikirleriniz ve önerileriniz, ilaveleriniz, düzeltmeleriniz benim için çok önemli olduğundan, aklınıza gelen en ufak şeyleri bile bana e-posta atmanızı rica ediyorum.

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi