5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye

KALORİFER SİSTEMLERİNDE İNDUKSİYON TABANLI ISITMANIN KULLANILMASI THE UTILIZATION OF INDUCTION BASED HEATING IN CENTRAL HEATING SYSTEMS M. Necdet YILDIZa, * ve İrfan ALANa a

Ege Üniversitesi, İzmir, Türkiye E-posta: [email protected], [email protected]

Özet Günümüzde bina ısıtmasında genel olarak kalorifer sistemleri kullanılmaktadır. Kalorifer sistemlerinde kullanılan yakıt ise ağırlıklı olarak doğalgaz ve kömürdür. Bunun yanı sıra elektrikli kalorifer sitemleri ve klimalar da küçük ortamların ısıtılmasında tercih edilmektedir. Fakat elektrik kullanarak yapılan ısıtmanın maliyeti, doğalgaz veya kömür kullanarak yapılan ısıtmaya göre çok daha yüksektir. Bu durum göz önüne alınarak, daha az maliyetli ve daha büyük alanlarda kullanılabilecek olan, elektrikli ısıtma sistemlerinin geliştirilmesi yönünde yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bu yöndeki çalışmalardan birisi de indüksiyonla sıvı ısıtma yönteminin kalorifer sistemlerinde kullanılabilmesidir. İndüksiyonla doğrudan sıcak su ve buhar elde edilmesi konusunda pek çok çalışma yapılmış olmasına rağmen, bu yöntemle elde edilen sıcak suyun kalorifer sistemlerinde kullanılmasıyla ilgili olarak yapılmış olan ciddi bir çalışmaya rastlanmamıştır. Bu durumdan hareketle, indüksiyonla ısıtma yöntemi kullanılarak sıcak su elde edilmesi ve elde edilen bu sıcak suyun basit bir kalorifer düzeneğinde kullanılması için bir çalışma başlatılmıştır. Çalışma kapsamında 2,2kW’lık prototip bir düzenek kurularak çalıştırılmıştır. Bu çalışmadan elde edilen ilk sonuçlar, indüksiyonla ısıtma yöntemi ile çalıştırılacak olan bir kalorifer sisteminin, yine elektrik enerjisi kullanılarak yapılan klasik rezistanslı ısıtmaya göre daha güvenli, hızlı ve verimli olduğu gözlenmiştir. Anahtar kelimeler: Kalorifer, İndüksiyonla Isıtma, Sıcak Su Üretimi Abstract In our daily life, central heating systems are generally used in home and office heating. The majority of fuel used in these systems are either natural gas or coal. However, in some cases air-conditioners and electrical oil-radiators are preferred in the heating of small mediums. But, the cost of electrical based heating is much higher than the cost of natural gas or coal based heating. Considering this case, intensive research efforts are conducted to develop a less costly electrical based heating systems that would also be used in the heating of large mediums. One of the research efforts conducted in this direction is the potential usage of induction based electrical heating in central heating systems. Although there are many research studies conducted to obtain direct hot water and steam by means of induction heating, it has not been met with any study where the induction heating is used in radiator based heating systems. Therefore, a study has been initiated to obtain an induction based electrical radiator heating © IATS’09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

system. Within the scope of the research, a 2.2kW prototype system has been developed, tested and operated. The first results obtained from the studies has shown that induction based electrical radiator heating system is much faster, safer and efficient compared to the resistance based electrical radiator heating systems. Keywords: Central Heating, Induction Heating, Hot Water Production

1. Giriş İndüksyonla ısıtma, elektrik enerjisi kullanılarak elde edilen orta ve yüksek frekanslı elektromanyetik alanın etkisiyle yapılan ısıtma şeklidir. Sanayide metallerin sertleştirilmesi, ergitilmesi, şekillendirilmesi vb. işlemlerde çok uzun yıllardan beri kullanılmakta olan bu yöntem, günümüzde bu uygulamanın yanı sıra indüksiyonla pişirme ve indüksiyonla sıvı ısıtma işlemlerinde de kullanılmaya başlamıştır. Bu makalede indüksiyonla sıvı ısıtma yönteminin bir kalorifer sisteminde kullanılması ele alınmaktadır. Literatürde, indüksiyonla su ve sıvı ısıtma ile ilgili çalışmalara 1980’li yıllarda ciddi olarak başlandığı görülmektedir. Bu çalışmalardan birisinde iki aşamalı bir indüksiyonlu ısıtma düzeneği tasarlamışlardır [1]. Tasarlanan bu düzenekte, seri rezonans devresi kullanılarak oluşturulan güçlü manyetik akı, içinden yağ geçen boruları ısıtmakta, dolayısıyla da yağın ısınması sağlanmaktadır. İndüksiyonla su ve sıvı ısıtma ile ilgili asıl ağırlıklı çalışmalar 1995’den beri Japonya Yamaguchi Üniversitesinden Prof. Mutsou Nakaoka, Dr. Hideki Sadakata ve arkadaşları tarafından yapılmaktadır. Daha önce indüksiyonla pişirme konusunda çalışan bu ekibin çalışmalarından birisinde, voltaj kenetlemeli ve sıfır voltaj anahtarlamalı PWM invertör tarafından sürülen bir paralel rezonans devresi kullanılmıştır [2]. Çalışmada bir çelik boru üzerine sarılan rezonans devresi bobini uyarıldığında eddy akımlarının etkisiyle borunun ısınması sağlanmakta dolayısıyla da borunun içinden geçen su ısınmaktadır. Yine Nakaoka ve ekibi tarafından yapılan bir başka çalışmada köprü PWM invertör tarafından sürülen bir seri rezonans devresi kullanılmıştır [3]. Rezonans devresi enerjilendirildiğinde eddy akımlarının etkisiyle boru içine yerleştirilen çelik levhalar ısınmakta dolayısıyla da boru içinden geçen suyun ısınması sağlanmaktadır. Yamaguchi Üniversitesi ve Matsushita Electric Corp. İşbirliği ile yapılan bir başka çalışmada da, 20kHz’de rezone olan paralel rezonans devresi kullanılmış, çalışma gerilimi olarak da 200V seçilmiştir [4]. Laboratuar ortamında yapılan çalışmada 0,85lt/dak. akış hızındaki su oda sıcaklığından 90˚C seviyesine kadar çıkartılmıştır. Literatürde indüksiyonla ısıtılan suyun bir kalorifer

Yıldız, N. ve Alan, İ.

sisteminde kullanılmasıyla ilgili yayınlanmış ciddi bir çalışmaya ise rastlanmamıştır.

2. İndüksiyonla Sıvı Isıtma Sisteminin Yapısı İndüksiyonla sıvı ısıtma, iki kademeli olarak yapılan bir işlemdir. Bu işlemde öncelikle ısıtılmak istenen sıvının içine manyetik alan etkisiyle ısınabilen (ferromanyetik) bir metal yerleştirilmekte ve bu metal indüksiyon etkisiyle ısıtılmaktadır. İkinci aşamada ise indüksiyon yolu ile ısınan metal üzerindeki ısı enerjisi temas yolu ile sıvıya aktarılarak sıvının ısıtılması sağlanmaktadır [5, 6]. İndüksiyonla sıvı ısıtılması hem durgun hem de akmakta olan sıvılar için kullanılabilmektedir. Burada önemli olan indüksiyonla ısıtılan metalin ısısının sıvı tarafından yeterince alınabilmesini sağlamaktır. Eğer ısı yeterince alınamazsa metal aşırı ısınacak ve sistemde tahribat oluşacaktır. Şekil 1’de basit bir indüksiyonla ısıtma sisteminin blok şeması görülmektedir.

Şekil 2. İndüksiyonlu Isıtıcı Doğrultucu Devresi. Şekil 2’den görüldüğü gibi bir fazlı AC gerilimi doğrultmak için köprü bağlı diyot devresi kullanılmış ve köprü çıkışında elde edilen dalgalı DC gerilim, Lf ve Cf filtreleme elemanları kullanılarak düzgünleştirilmiştir. 2.2. Yüksek Frekanslı İnvertör Devresi

Şekil 1. İndüksiyonlu Sıvı Isıtma Sistemi Blok Şeması. Şekil 1’den görüldüğü gibi sistem girişine uygulanan AC şebeke gerilimi, doğrultulup filtre edildikten sonra yüksek frekanslı bir invertör devresine verilmektedir. Bu devre, girişindeki DC gerilimi kullanarak çıkışında yüksek frekanslı bir AC oluşmasını sağlamakta ve bu gerilimi çıkışındaki rezonans devresine uygulamaktadır. Bu durumda, invertör çıkışında oluşan AC gerilimin frekansında rezonansa gelecek şekilde tasarlanmış olan seri veya paralel rezonans devresinin endüktansının (L) sarımlarını halkalayacak şekilde yüksek frekanslı bir manyetik alan oluşmaktadır. Yüksek frekanslı manyetik alandan en fazla etkilenecek şekilde yerleştirilmiş olan “İndüksiyonlu Sıvı Isıtma Düzeneği” içindeki ferromanyetik metal malzeme (demir, çelik, krom, nikel vb.) de manyetik alanın etkisiyle ısınmakta ve içinde bulunduğu sıvıyı ısıtmaktadır [7].

Yüksek frekanslı invertör devresi, yüksek frekanslı manyetik alan üretebilmek için gerekli olan AC gerilimin üretilmesini sağlayan devredir. Bu devrenin çalışma frekansı oluşması istenen manyetik alanın frekansına göre seçilmektedir. İndüksiyonla sıvı ısıtma işleminde genellikle 10kHz-40kHz frekans aralığı kullanılmaktadır [8, 9]. İnvertör devrelerinde gerilim kaynaklı (VSI) akım kaynaklı (CSI) olmak üzere iki temel tür bulunmaktadır. İnvertör çıkışında elde edilen AC gerilimin genliği kontrol edilmek isteniyorsa gerilim kaynaklı invertör (VSI), çıkışta akım kontrol edilmek isteniyorsa akım kaynaklı invertör (CSI) kullanılması gerekmektedir [10]. Şekil 3’de indüksiyonlu ısıtma sistemlerinde yüksek frekanslı manyetik alanın üretilmesinde kullanılan 1 fazlı gerilim kaynaklı (VSI) invertör devresinin açık şeması görülmektedir.

2.1. Doğrultucu ve Filtre Devresi İndüksiyonla ısıtma sisteminde kullanılan doğrultucu ve filtre devresi, ana güç kaynağı olan AC şebeke gerilimini alıp doğrultan ve düzgünleştiren kontrolsuz bir devredir. Bu devre indüksiyonlu ısıtıcının gücüne göre 1 fazlı veya 3 fazlı olabilmektedir. Şekil 2’de 1 fazlı bir doğrultucu ve filtre devresinin açık şeması görülmektedir.

Şekil 3. İndüksiyonlu Isıtıcı İnvertör Devresi. Şekil 3’den görüldüğü gibi invertör olarak köprü bağlı dört adet IGBT kullanılmıştır. Devrenin DC girişine doğrultucu devresinden elde edilen DC gerilim uygulanmaktadır. İstenilen frekansta AC gerilim elde edebilmek için kontrol devresi tarafından S1-S2 ve S3-S4 anahtar ikilileri sırayla iletime geçirilip, çıkartılarak Vo çıkışına bağlanacak olan yük üzerinde istenilen frekansta AC gerilim oluşturulabilmektedir. 2.3. Seri/Paralel Rezonans Devresi Seri veya paralel rezonans devresi indüksiyonla ısıtma için gerekli olan manyetik alanının üretildiği bölümdür. Yüksek

Yıldız, N. ve Alan, İ.

frekanslı invertör çıkışına bağlanan rezonans devresinin L ve C elemanları, üretilmek istenen manyetik alan frekansına uygun olarak, aşağıda verilen Eşitlik-1 aracılığı ile belirlenmektedir. (1) Burada öncelikle kullanılacak yere göre bobin (L) hazırlanmakta ve oluşan endüktansa uygun değerli kapasite (C) seçilerek istenilen frekansta rezone olacak bir devre oluşturulmaktadır [11]. Şekil 4’de bir paralel rezonans devresinin bağlantısı görülmektedir.

Manyetik Alan

Şekil 5’den görüldüğü gibi manyetik ve iletken olmayan (plastik, teflon vb.) silindir şeklindeki ısıtma haznesinin içine, indüksiyonla ısınacak olan ferromanyetik metal malzeme (demir, çelik vb.), etrafından sıvı geçişine izin verecek şekilde yerleştirilmiştir. Isıtma haznesinin sıvı girişi ve çıkışı ise yine plastik tabanlı borularla yapılmaktadır. Rezonans devresinin endüktansı (L), ısıtılacak metal malzemeye en yüksek manyetik alan transferini yapabilmek için, doğrudan indüksiyonla sıvı ısıtma haznesinin üzerine sarılmaktadır.

3. İndüksiyonla Sıvı Isıtma Sisteminin Kalorifer Sisteminde Kullanılması Kalorifer sistemlerinde dolaştırılmakta olan su, katı yakıt, sıvı yakıt, gaz veya elektrik kullanılarak ısıtılabilmektedir. Elektrik kullanılarak yapılan ısıtmada rezistans tüpleri kullanılarak ısıtma gerçekleştirilmektedir. Bu yöntemde rezistans tüplerinin patlaması durumunda suya, dolayısıyla da kalorifer sistemine elektrik kaçağı riski ortaya çıkmaktadır. Rezistanslı ısıtma yöntemine alternatif olarak kullanılabilecek olan indüksiyonlu ısıtma sisteminde ise sıvının içine herhangi bir elektrik bağlantısı olmayan metal yerleştirildiği için herhangi bir elektrik kaçağı riski bulunmamaktadır. Şekil 6’da indüksiyonlu ısıtma sisteminin basit bir kalorifer düzeneğinde kullanılması blok olarak gösterilmiştir [13].

Şekil 4. İndüksiyonlu Isıtıcı Rezonans Devresi. Şekil 4’den görüldüğü gibi paralel rezonans devresi yüksek frekanslı invertör devresi çıkışına doğrudan bağlanmaktadır. Bu durumda yüksek frekanslı invertör, paralel rezonans devresinin rezonans frekansında çalıştırılarak devrenin rezonansa gelmesi sağlanmaktadır. Bunun sonucu olarak da endüktans (indüksiyon bobini) etrafında rezonans frekansında güçlü bir manyetik alan meydana gelmektedir. Meydana gelen bu manyetik alan en yoğun olarak Şekil 4’den de görüldüğü gibi endüktansın (L) içinde gerçekleşmektedir. 2.4. İndüksiyonlu Sıvı Isıtma Düzeneği İndüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği, rezonans devresi tarafından oluşturulan yüksek frekanslı manyetik alanı kullanarak ısı enerjisi oluşturan ve oluşturulan bu ısı enerjisi ile sıvının ısıtılmasını sağlayan bölümdür. Sıvı sızdırmayacak şekilde özel olarak imal edilen bu bölümün yapısı Şekil 5’de gösterilmiştir [12].

Şekil 6. İndüksiyonlu Kalorifer Sistemi Blok Şeması. Şekil 6’dan görüldüğü gibi indüksiyonlu ısıtma sistemi, kalorifer sisteminde su sirkülasyon hattı üzerine yerleştirilmiştir. Bu durumda indüksiyonlu ısıtıcıdan geçirilerek ısıtılan su kalorifer sisteminde dolaştırılarak ortam ısıtması sağlanmaktadır. Burada kullanılacak olan kalorifer sistemi küçük bir kat kalorifer sistemi olabileceği gibi büyük bir merkezi ısıtma sistemi olabilmektedir. Tabii ki kalorifer sisteminin büyüklüğüne göre uygun güçte indüksiyonlu ısıtıcının kullanılması gerekmektedir.

4. İndüksiyonlu Kalorifer Sistemi Uygulaması İndüksiyonlu sıvı ısıtma sisteminin, basit bir kalorifer düzeneğinde çalıştırılması ve test edilebilmesi için Şekil 7’de fotoğrafı görülen prototip düzenek kurulmuştur.

Şekil 5. İndüksiyonlu Sıvı Isıtma Düzeneği.

Yıldız, N. ve Alan, İ.

5. Prototip Sistemin Test Sonuçları

Şekil 7. İndüksiyonlu Kalorifer Düzeneğinin Fotoğrafı. Şekil 7’de fotoğrafı görülen prototip olarak hazırlanmış indüksiyonlu kalorifer düzeneğinde, üç adet panel radyatör kullanılmıştır. Panel radyatörlerin toplam alanı 1,14m²’dir. 3 Prototip düzenekte sıvının dolaştırılması için debisi 1m /h olan bir sirkülasyon pompası kullanılmıştır. Düzenekteki suyun ısıtılması için ise 2,2kW’lık indüksiyonlu sıvı ısıtma sistemi kullanılmıştır [13]. Bu düzeneğin genel yapısı tamamen 2. bölümde detaylı olarak açıklandığı gibidir. Prototip kalorifer düzeneği içinde kullanılan toplam su miktarı 15 litredir. Şekil 8’de ise indüksiyonlu ısıtma sisteminde kullanılan kontrol ve güç elektroniği devresinin bir fotoğrafı görülmektedir.

İndüksiyonlu ısıtma sisteminin test edilebilmesi ve performansının değerlendirilebilmesi için, 12m²’lik özel yalıtımı bulunmayan bir oda kullanılmıştır. Bu mekanda, 220V-50Hz’lik standart şebekeden enerjilendirilerek çalıştırılan indüksiyonlu kalorifer düzeneği üzerinde çeşitli elektriksel ve sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Düzenek üzerinde elektriksel olarak, şebeke gerilimi, şebekeden çekilen akım, çıkışta rezonans devresi üzerine aktarılan gerilim ve çekilen akımların değerleri ve dalga şekilleri, giriş ve çıkış güçleri çalışma süresince ölçülmüştür. Ayrıca düzenek klasik rezistanslı ısıtıcı ile de aynı şartlar altında çalışırken yine şebeke gerilimi ve şebekeden çekilen akım ve güç değerleri sürekli olarak ölçülmüştür. Şekil 9’da indüksiyonlu ısıtıcının çalışması sırasında ölçülen şebeke (giriş) gerilimi ve şebekeden çekilen akımın dalga şekilleri görülmektedir. Şekil 9’dan görüldüğü gibi alternansların tepe anlarında şebekeden akım çekilmektedir. Burada şebeke geriliminin etkin değeri 220V, şebekeden çekilen akımın etkin değeri ise 10A civarındadır. Bu durumda sistemin giriş gücü ise 2,2kW civarındadır.

Şekil 9. Şebeke (Giriş) Gerilimi [200V/blm], Şebeke Akımı [20A/blm], Zaman [5ms/blm].

Şekil 8. Kontrol ve Güç Elektroniği Devresinin bir Fotoğrafı. Şekil 8’deki fotoğrafta sağ üst köşede görülen rezonans devresi indüksiyon bobininde deri etkisinden kaynaklanan kayıpları azaltmak için endüktans özel Litz kablosundan sarılmıştır. Rezonans devresinde 20µH’lik bir indüksiyon bobini (L) ve 6,8µF’lık bir rezonans devresi kapasitörü (C) kullanılmıştır. Bu durumda rezonans devresinin çalışma frekansı 13kHz olarak seçilmiştir. İndüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği ise bobinin sarılı olduğu plastik borunun içine yerleştirilmiş ve kalorifer düzeneğinin sirkülasyon hattına bağlanmıştır. Ayrıca, indüksiyonlu sıvı ısıtma sisteminin performansını karşılaştırabilmek amacıyla aynı kalorifer düzeneğine bağlanabilen klasik bir rezistanslı sıvı ısıtıcı da hazırlanmıştır. Testler sırasında kalorifer düzeneği önce klasik rezistanslı sıvı ısıtıcı ile çalıştırılmış, sıvı ve ortam sıcaklık değerleri alınmış, sonra da aynı şartlar altında indüksiyonlu sıvı ısıtıcı sistemi ile çalıştırılmış, yine sıvı ve ortam sıcaklık değerleri ölçülerek kaydedilmiştir. Bu işlemler aynı şartlar altında pek çok kez tekrarlanarak sonuçlar elde edilmiştir.

Şekil 10’da ise indüksiyonlu ısıtıcının çalışması sırasında ölçülen rezonans devresi (çıkış) gerilimi ve rezonans devresinin çektiği akımın dalga şekilleri görülmektedir. Burada dikkat edilmesi gereken bir konu invertörün rezonans frekansının her yarı periyodununun sadece orta kısmında %30-35’lik dolgu oranlı tek darbeli PWM mantığı ile sürüldüğüdür. Bundan dolayı invertör çıkışında kare dalga görülmemekte, bunun yerine Şekil 10’da görüldüğü gibi sinüsodal yüksek frekanslı bir çıkış gerilimi görülmekte ve invertörün iletimde olduğu anlarda rezonans devresi invertör çıkışından pals şeklinde bir akım çekmektedir. Burada çıkış geriliminin etkin değeri 180V ve rezonans devresinin invertör çıkışında çektiği akımın etkin değeri ise 12A civarındadır. Bu durumda sistemin elektriksel çıkış gücü ise 2,16kW civarında ölçülmüştür.

Şekil 10. Rezonans Devresi (Çıkış) Gerilimi [200V/blm], İnvertör Çıkış Akımı [20A/blm], Zaman [20µs/blm].

Yıldız, N. ve Alan, İ.

İndüksiyonlu sıvı ısıtma sisteminin performansını karşılaştırmak amacıyla aynı kalorifer düzeneğinde ve aynı şartlar altında bir rezistanslı ısıtıcı çalıştırılmıştır. Bu ısıtıcının çalışması sırasında ölçülen şebeke (giriş) geriliminin etkin değeri yine 220V ve şebekeden çekilen akımın etkin değeri de yine 10A’dir. Bu durumda rezistanslı ısıtıcının da şebekeden çekmiş olduğu güç değeri yine 2,2kW’dır. Prototip kalorifer düzeneği üzerinde yapılan sıcaklık ölçümlerinde ise öncelikle sistemde dolaşan suyun sıcaklığındaki değişimler izlenmiş daha sonra da ortam sıcaklığındaki değişimler izlenmiştir. Hem indüksiyonlu ısıtıcı çalışırken hem de rezistanslı ısıtıcı çalışırken başlangıç sıcaklıkları aynı seçilmiştir. Testler sırasında hem sistem içindeki su, hem de ortam sıcaklığı 15ºC iken sistem çalıştırılmaya başlanmış, ve testler 30 dakika ile sınırlı tutulmuştur. Şekil 11’de sırayla, indüksiyonlu ısıtıcı ve rezistanslı ısıtıcının çalıştırılması durumunda kalorifer düzeneği içindeki suyun zamana göre ortalama sıcaklık değişim eğrileri karşılaştırmalı olarak çıkarılmıştır. Şekil 11’den görüldüğü gibi düzenek indüksiyonlu ısıtıcı kullanılarak çalıştırıldığında ortalama su sıcaklığı, 15ºC’lik başlangıç değerinden, ortama da ısı vererek 30 dakikalık test süresinin sonunda 45ºC seviyesine ulaşmıştır. Aynı düzenek rezistanslı ısıtıcı kullanılarak çalıştırıldığında ise ortalama su sıcaklığı, yine 15ºC’lik başlangıç değerinden, ortama da ısı vererek 30 dakikalık test süresinin sonunda ancak 40ºC seviyesine ulaşabilmiştir. 1,14m2 Panelde Çıkan Su Sıcaklıkları

60 Sıcaklık ( C )

40 indüksiyo n

20 0 1

2

3 4 5 6 Zaman ( x5 dak.)

7

Şekil 11. Kalorifer Düzeneği İçindeki Suyun Sıcaklık Değişimi. Şekil 12’de ise sırayla, indüksiyonlu ısıtıcı ve rezistanslı ısıtıcının çalıştırılması durumunda, kalorifer düzeneğinin içinde bulunduğu odanın zamana göre ortalama sıcaklık değişim eğrileri karşılaştırmalı olarak çıkarılmıştır. Bu şekilden görüldüğü gibi düzenek indüksiyonlu ısıtıcı kullanılarak çalıştırıldığında ortalama ortam sıcaklığı, 15ºC’lik başlangıç değerinden, 30 dakikalık test süresinin sonunda 25ºC seviyesine ulaşmıştır. Aynı düzenek rezistanslı ısıtıcı kullanılarak çalıştırıldığında ise ortalama ortam sıcaklığı, yine 15ºC’lik başlangıç değerinden, 30 dakikalık test süresinin sonunda ancak 22ºC seviyesine ulaşabilmiştir. 1,14m2 Panelde Ortam Sıcaklıkları

Sıcaklık ( C )

30 20

İndüksi yon

10 0 1

2 Zaman 3 4 ( x5 5 dak.) 6 7

Şekil 12. Düzeneğin Bulunduğu Ortamın Sıcaklık Değişimi.

6. Sonuç ve Değerlendirme Modern dünyada enerji ihtiyacı gün geçtikçe artmaktadır. Bu nedenle de günümüzde enerji en değerli obje haline gelmiş durumdadır. Artan enerji ihtiyacını karşılayabilmek için, bir yandan sınırlı olan yer altı kaynakları değerlendirilmeye çalışılırken, bir yandan da temiz enerji kaynakları olarak sınıflanadırılan güneş ve rüzgar enerjisi değerlendirilmeye çalışılmaktadır. Yer altı kaynakları kullanılarak elde edilen enerji, bu kaynakların sınırlı olması sebebiyle gün geçtikçe pahalılaşmakta ve ülke ekonomilerini zorlamaktadır. Aynı zamanda bu enerji kaynaklarının daha yoğun olarak kullanılması küresel ısınma felaketini de başlatmıştır. Güneş ve rüzgar gibi kaynaklardan kullanılabilir enerji elde etmek şimdilik pahalıya mal olsa da, kaynakların daralması ile birlikte petrol ve doğal gaz fiyatları artışa geçeceğinden, gelecekte yenilenebilir enerji kaynakları petrol ve doğal gaza göre daha ekonomik kalabilecektir. Ülke ekonomileri için çok büyük bir yük olan enerji giderleri, ucuz enerji elde edilmesiyle düşürülebileceği gibi, asıl bundan daha önemlisi enerji tasarrufu ile düşürülebilir. Günümüzde her alanda çok yoğun olarak kullanılan elektrik enerjisi tasarrufu bu bakımdan çok önemlidir. Elektrik enerjisi tasarrufu, kaçakların ve gereksiz kullanımın önlenmesiyle olabildiği gibi, daha az enerji kullanarak çalışan cihazlar yapmakla daha çok sağlanmaktadır. İşte bu düşünceden hareketle, günümüzde en fazla enerji tüketiminin olduğu ısıtma sistemlerinin, daha az enerji kullanacak şekilde yapılandırılması büyük önem kazanmaktadır. Bu çalışmada, herhangi bir kaynaktan elde edilecek elektrik enerjisi ile çalışan bir kalorifer sistemi üzerinde çalışılmış ve enerji tasarrufu açısından önemli sayılabilecek ön sonuçlar elde edilmiştir. Prototip olarak hazırlanan bir kalorifer düzeneği üzerinde indüksiyonlu ısıtma sistemi kullanılarak yapılan testler, aynı şartlar altında klasik rezistanslı ısıtma sistemi kullanıldığında elde edilen sonuçlarla karşılaştırıldığında, indüksiyonlu ısıtma sisteminin, klasik elektrikli sisteme göre %30 civarında daha verimli olduğu gözlenmektedir. Bu durumda indüksiyonlu ısıtma sistemi işletme giderleri açısından rezistanslı ısıtma sistemine göre daha uygundur. Fakat sistemler kuruluş maliyetleri açısından düşünüldüğünde, rezistanslı ısıtma ön plana çıkmaktadır. Bu çalışma ile ilgili daha ayrıntılı sonuçlar, ikinci aşamada yapılacak olan sistem simülasyonu ve ölçüm sonuçlarının daha ayrıntılı analizi ile elde edilebilecektir. Ayrıca sistem gücü arttırılarak daha büyük mekânların ısıtılması sağlanacak ve bu durumda performans analizleri incelenecektir. İlave olarak sistemin hızlı su ısıtmasında ve su dışındaki sıvıların ısıtılmasında kullanılması yolları araştırılacaktır.

Yıldız, N. ve Alan, İ.

Kaynaklar [1] Curran, J.S., Featherstone, A.M., Electric-Induction Fluid Heaters, Power Engineering Journal, May 1988, 157-160, 1988. [2] Kenada, M., Hishikawa, S., Tanaka, T., Bin Guo, Nakaoka, M., Innovative Electromagnetic Induction Eddy Current-Based Dual Packs Heater Using Voltage-Fed High-Frequency PWM Resonant Inverter for Continuous Fluid Processing in Pipeline, IEEE Engineering Technologies, Mar 1999, 797-802, 1999. [3] Nakamizo, T., Bin Guo, Nakaoka, M., New Generation Electromagnetic Induction-Based Fluid-Heating Energy Processing Appliance Using Voltage-Fed PWM Resonant Inverter, Proceedings of PCIMTokyo, Japan, 597-607, 1999. [4] Sadakata, H., Nakaoka, M., Yamashita, H., Omori, H., Terai, H., Development of Induction Heated Hot Water Producer Using Soft Switching PWM High Frequency Inverter, IEEE, PCC-Osaka, Sep 2002, 452-455, 2002. [5] Davies, J., Simpson, P., Induction Heating Handbook, McGraw Hill, Chap. 12, 307-340, 1979. [6] Forest, F., Laboure, E., Costa, F., Principles of A Multi-Load Single Converter System for Low Power Induction Heating, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 15, 2, Mar 2000, 223-230, 2000. [7] Byun, J.K., Park, I.H., Jung, S.Y., Hahn, S.Y., Choi, K., Optimal Temperature Control for Induction Heating Devices Using Physical and Geometrical Design Sesitivity, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 34, 5, Sep 1998, 3114-3117, 1998. [8] Kouda, T., Kondoh, S., Development of Electromagnetic Induction Heater for Heated Hot Water Produer, IEEJ-Kansai Section Convention on Electrical and Electronics, Nov 2000, 148, 2000. [9] Hirota, I., Omori, H., Nakaoka, M., Practical Developments of High Efficient Induction Heating Appliance Using New IGBT, Proceedings of the 45th IEEE/IAS International Appliance Technical Conference, IATC’94-USA, May 1994, 83-92, 1994. [10] Mohan, N., Undeland, T.M., Robbins, W.P., Power Electronics - Converters, Aplications and Design, John Wiley & Sons, Second Edition, USA, 1995. [11] Rashid, M.H., Power Electronics, Circuits, Devices and Applications, Second Edition, Prentice-Hall International, USA, 1993. [12] Nakamizo, M., Kenada, M., Hishikawa, S., Bin Guo, Iwamoto, H., Nakaoka, M., New Generation Fluid Heating Appliance Using High-Frequency Load Resonant Inverter, Proceedings of PEDS Hong Kong, 309-314, 1999. [13] Yıldız, N., Hibrid Kaynaktan Beslenebilen İndüksiyonla Su ve Bina Isıtma Sisteminin Tasarımı ve Performans Analizi, E.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 2005.