Bu çalışma durgun veya akmakta olan sıvıların ısıtılmasında kullanılmakta olan rezistanslı ısıtma yöntemine alternatif olarak geliştirilen indüksiyonla sıvı ısıtma yöntemiyle ilgili bugüne kadar yapılmış ve yapılmakta olan çalışmaların gözden geçirildiği bir çalışmadır. Bu çalışmada; daha güvenli, daha hızlı ve daha verimli bir ısıtma yapabilmek amacıyla geliştirilmeye çalışılan indüksiyonla sıvı ısıtma yönteminin temel prensipleri ve bugüne kadar geliştirilen çeşitli indüksiyonlu ısıtma teknikleri ele alınmış, ve bu tekniklerle gerçekleştirilen sistemlerden alınan sonuçlar incelenerek yorumlanmış, ve yakın gelecekte alternatif bir ısıtma yöntemi olarak kullanılıp kullanılamayacağı konusu incelenmiştir.

Resimler Sadece üyeler içindir!

 1. GİRİŞ

Gerek sanayide gerekse ev ve ofislerde sıvıların ısıtılmasında rezistanslı ısıtma yöntemi yoğun olarak kullanılmaktadır. Termosifonlardaki suyun ısıtılması, ani su ısıtıcılardaki suyun ısıtılması, elektrikli yağlı radyatörlerdeki sıvının ısıtılması hep bu yöntemle gerçekleştirilmektedir. Bu yöntemle sıvının içine yerleştirilen çeşitli güç, şekil ve boyutlardaki rezistans tüpleri doğrudan şebeke gerilimi ile enerjilendirilerek ısıtılmakta, ısıtılan rezistansın ısının sıvı tarafından alınmasıyla da istenilen sıvı ısınması sağlanmaktadır. Rezistanslı ısıtma yönteminde belli başlı üç temel problem bulunmaktadır. Bu problemlerden bir tanesi özellikle termosifon tipi uygulamalarda cevap süresinin çok yavaş olması, diğeri özellikle yine termosifon tipi uygulamalarda kireç bağlayan rezistansların zamanla yarılıp patlaması sonucu ısıtılan sıvıya direk elektrik kaçağı riski, ve bir diğeri de ısıtıcı rezistansın sıvı içine sıvı sızdırmazlığını temin edecek şekilde yerleştirilme problemidir. Bu yöntemde cevap süresinin kısaltılması için daha yüksek ısıtıcı gücü seçilmekte ve bu çözüm ani su ısıtıcı uygulamalarında daha da belirgin bir şekilde kendini göstermektedir. Direk elektrik kaçağı riskini minimuma indigemek için ısıtıcı rezistans etrafına arıza anında tahrip olmayacak çok katlı yalıtıcılar kaplanmakta fakat bu bile kireç bağlayan rezistansların yarılıp patlamasını engelleyememektedir. Sıvı sızdırma problemini engellemek için çeşitli conta vb. malzemeler kullanılmaktadır. Yukarıda açıklanan problemleri tamamen yok etmek ve daha yüksek performanslı bir ısıtma sistemi geliştirmek amacıyla, rezistanslı sıvı ısıtma yöntemine alternatif olarak indüksiyonlu sıvı ısıtma sistemleri geliştirilmeye çalışılmaktadır. Isıtılmak istenen sıvı içerisine geliştirilen çeşitli şekillerde ferromanyetik malzeme yüzer bir tarzda ve şebeke elektriği ile direk bir bağlantısı olmayacak şekilde yerleştirilmektedir.

Bu ferromanyetik malzeme daha sonra yüksek frekanslı yoğun bir manyetik alana maruz bırakılarak ısıtılmaktadır. Yoğun bir manyetik alana maruz bırakılan demir, çelik, nikel vb. ferromanyetik malzemelerde histerezis ve eddy (fuko) kayıpları oluşmaktadır. Ferromanyetik malzemelerde oluşan bu kayıplar ısıya dönüşmekte ve ısınan metal parça etrafından geçirilen sıvıya bu ısı aktarılarak sıvının ısıtılması temin edilmektedir. İlgili kayıplar artan frekansla artma eğiliminde olduğundan indüksiyonla ısıtma yönteminde genellikle yüksek frekanslar tercih edilmektedir. Fakat yüksek frekanslarda artan deri etkisi nedeniyle metal parça farklı frekanslarda farklı derinliğe kadar ısıtılmakta olduğundan istenilen derinlikteki bir ısıtma için uygun bir frekans tercih edilmektedir. İlerleyen bölümlerde indüksiyonla sıvı ısıtma konusunda bugüne kadar yapılmış olan çalışmalarda hangi frekansların kullanıldığı, hangi türferromanyetik malzemelerle çalışıldığı ve bu malzemelere nasıl şekiller verildiği ayrıntısıyla incelenmiş, çalışmalarda alınan sonuçlar karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.

2. İNDÜKSİYONLA SIVI ISITMA SİSTEMİNİN TEMEL YAPISI ve ÇALIŞMA PRENSİBİ

İndüksiyonla sıvı ısıtma işlemini gerçekleştirebilmek için kurulması gereken sistemin genel blok şeması Şekil 2.1’de gösterilmiştir.

Resimler Sadece üyeler içindir!

Şekil 2.1 - İndüksiyonla sıvı ısıtma sisteminin genel blok şeması

Şekil 2.1’den de görüleceği üzere sistem doğrudan şehir şebekesiyle beslenmektedir. Şebekeden alınan alternatif gerilim, doğrultucu ve filtre devresi yardımıyla düzgün bir doğru gerilime dönüştürülmektedir. Elde edilen bu düzgün doğru gerilim, yüksek frekanslı invertör devresi aracılığı ile seçilen rezonans frekansında rezonansa gelecek rezonans tank devresi üzerine anahtarlanmaktadır. Bu şekilde yüksek frekanslı rezonans tank devresi yüksek frekanslı invertör devresi tarafından rezonans frekansında uyarılır. Rezonans tank devresinin bobini içerisine ferromanyetik malzemeyi kabul edecek boyuttaki sarımlardan oluşturulur. Rezonans frekansında uyarılan tank devresi bobin ve kapasitesinden akan rezonans devresi akımı bobin etrafında bobini halkalayacak tarzda yüksek yoğunluklu bir manyetik alan oluşturur. İndüksiyonla ısıtmaya sebep olacak olan bu güçlü manyetik alanın etkin bir şekilde ısıtma işleminde kullanılabilmesi için ısıtılacak ferromanyetik metal parça indüksiyonla sıvı ısıtma düzeneğinde kullanılan rezonans tank devresi bobininin içerisine yerleştirilmektedir. Çeşitli şekillerde yerleştirilmiş ferromanyetik metal malzeme ve sıvı akış kanallarından oluşan indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği, ısıtılmak istenen sıvının indüksiyonla ısınan metal malzeme etrafından geçirilerek ısıtılması prensibine dayanmaktadır. Sistem enerjilendirildiğinde oluşan yüksek frekanslı güçlü manyetik alan, indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği içindeki metal malzemenin ısınmasını sağlamakta, bu da metal etrafından geçirilen sıvının metalin ısısını alarak ısınmasını sağlamaktadır. İndüksiyonla sıvı ısıtma ile ilgili yapılan çalışmalarda yüksek frekanslı invertör devresi, yüksek frekanslı rezonans devresi, ve indüksiyonlu ısıtma düzeneği konusunda farklı uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, Şekil 2.1’de görülen genel blok şemada son bloğu oluşturan indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği konusunda yapılan değişik uygulamalar ve sonuçları üzerinde durulacaktır.

3. DEĞİŞİK TÜRLERDEKİ İNDÜKSİYONLU SIVI ISITMA DÜZENEKLERİNİN YAPISI ve ALINAN SONUÇLAR 

Bugüne kadar yapılmış olan çalışmalarda, indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği olarak dört farklı uygulama ön plana çıkmaktadır. Bu uygulamalar, sıvının geçtiği boruyu doğrudan ısıtma, bir tüp içine yerleştirilmiş metal plakaları ısıtma, bir tüp içine yerleştirilmiş delikli bloğun ısıtılması, ve bir tüp içine yerleştirilmiş rulo şeklindeki metalin ısıtılması uygulamalarıdır.

3. 1. Sıvıyı Taşıyan Borunun Isıtılması

Bu uygulamada, Şekil 3.1’de görüldüğü gibi ayrıca başka bir ısıtma parçası kullanılmaksızın, ısıtılmak istenen sıvının içinden geçirildiği metal boru indüksiyonla ısıtılmaktadır.

Resimler Sadece üyeler içindir!

Şekil 3.1 - Sıvıyı taşıyan borunun ısıtılması yöntemi

Paslanmaz çelik malzemeden yapılmış olan ve ısıtılmak istenen sıvıyı taşıyan borunun etrafına sarılan rezonans devresi bobininin oluşturduğu güçlü manyetik alan metal borunun indüksiyonla ısınmasını sağlamakta, boruda oluşan bu ısının, boru içinden geçen sıvı tarafından alınmasıyla da sıvı ısıtılmaktadır (Curran and Featherstone, 1988). Curran ve Featherstone tarafından yapılan çalışmada yağ ısıtmak için yaklaşık 0,9kW’lık bir deney düzeneği kurulmuştur. Kurulan düzenek çeşitli yağ akış hızlarında test edilmiş ve Tablo 3.1’de gösterilen sonuçlar elde edilmiştir. Curran ve Featherstone, yapılan çalışmada elde edilen sonuçları değerlendirmiş ve bu değerlendirme sonucunda bu yöntemin ısıl verimlilik açısından klasik rezistanslı ısıtma sistemine göre daha iyi olduğu belirtilmiştir.

Tablo 3.1 Curran ve Fetherstone'in çalışmasında alınan sonuçlar

Akış Hızı (gr/s)	10.8	13.4	15.0	16.8	18.4
Yağ Sıcaklığındaki Artık ( C )	31.0	27.3	24.0	22.0	19.5
Isı Çıkışı (W)	673.5	734.1	723.0	739.0	717.4
Giriş Gücü (W)	888.0	888.0	888.0	888.0	888.0
Kararlı Durum Sıcaklığına Ulaşma Zamanı (s)	145.0	175.0	195.0	210.0	240.0
Boru Yüzek Sıcaklığı (C)	71.0	68.5	65.0	64.5	63.5
Genel Verimlilik (%)	75.8	82.7	81.4	83.3	81.0
Güç Faktörü (cosfi)	0.82	0.85	0.85	0.85	0.85

3. 2. Sıvı İçindeki metal Plakaların Isıtılması

Bu uygulamada, Şekil 3.2’de görüldüğü gibi manyetik olmayan malzemeden yapılan bir tüp içine yerleştirilmiş olan metal plakalar indüksiyonla ısıtılmaktadır.

Resimler Sadece üyeler içindir!

Şekil 3.2 - Sıvı içindeki metal plakaların ısıtılması yöntemi

Şekil 3.2’de görüldüğü gibi paslanmaz çelik malzemeden yapılmış olan ince metal plakalar, aralarında boşluklar kalacak şekilde paketlenerek bir ısıtma parçası oluşturulmuş ve bu parça manyetik olmayan fakat ısıya dayanıklı olan seramik, teflon vb. gibi bir malzemeden yapılmış olan bir tüp içine yerleştirilmiştir (Kenada ve arkadaşları, 1999). Bu tüpün dışına sarılmış olan rezonans devresi bobininin (indüksiyon bobini) enerjilendirilmesiyle oluşan güçlü manyetik alan metal plakalardan oluşan ısıtma parçasının indüksiyonla ısınmasını sağlamakta, ısıtma parçası da içinde bulunduğu ve sürekli sirkülasyon halinde olan sıvının ısınmasını sağlamaktadır. Kenada ve arkadaşlarının çalışmasında, 10cm çapında ve 19cm uzunluğunda iki adet indüksiyonlu ısıtma tüpü hazırlanmış ve bu tüpler arka arkaya bağlanarak bir buhar üreteci yapılmaya çalışılmıştır. 4kW’lık giriş gücü olan sistemle yapılan denemeler sonucunda, oda sıcaklığındaki suyun 220s’lik bir sürede 100ºC sıcaklığa ulaşarak buharlaştığı gözlenmiştir. Yazarlar, aynı şartlarda klasik ısıtma kullanılarak yapılan denemede 100ºC sıcaklığa ancak 480s’de ulaşıldığını belirtmektedirler.

3. 3. Sıvı İçindeki Delikli Bloğun Isıtılması

Bu uygulamada, Şekil 3.3’de görüldüğü gibi manyetik olmayan malzemeden yapılan bir tüp içine yerleştirilmiş olan delikli blok malzeme indüksiyonla ısıtılmaktadır.

Resimler Sadece üyeler içindir!

Şekil 3.3 - Sıvı içindeki delikli blok malzemenin ısıtılması yöntemi

Şekil 3.3’de görüldüğü gibi karbon seramik malzemeden yapılmış olan silindir şeklindeki blok üzerinde delikler açılmasıyla oluşturulan ısıtma parçası, manyetik olmayan fakat yüksek ısıya dayanıklı olan bir malzemeden yapılmış olan bir tüp içine yerleştirilmiştir (Nakamizo ve arkadaşları, 1999). Bu tüpün dışına sarılmış olan rezonans devresi bobininin (indüksiyon bobini) enerjilendirilmesiyle oluşan güçlü manyetik alan karbon seramik malzemenin indüksiyonla ısınmasını sağlamakta, bu da ısıtma parçasının içinde bulunduğu ve sürekli sirkülasyon halinde olan sıvının ısınmasını sağlamaktadır. Nakamizo ve arkadaşları bu yöntem kullanılarak çok yüksek sıcaklıklara (1200ºC gibi) çıkılabileceğini belirtmişler fakat bu yöntemle yapılmış olan herhangi bir deneysel sonuç vermemişlerdir.

3. 4. Sıvı İçindeki Rulo Şeklinde Sarılmış metalin Isıtılması

Bu uygulamada, Şekil 3.4’de görüldüğü gibi manyetik olmayan malzemeden yapılan bir tüp içine yerleştirilmiş olan rulo şeklinde sarılmış metal malzeme indüksiyonla ısıtılmaktadır.

Resimler Sadece üyeler içindir!

Şekil 3.4 - Sıvı içindeki rulo şeklinde sarılmış ince metal malzemenin ısıtılması yöntemi

Şekil 3.4’de görüldüğü gibi ince metal malzemenin rulo şeklinde sarılmasıyla oluşturulan silindir şeklindeki ısıtma parçası, manyetik olmayan fakat yüksek ısıya dayanıklı olan polikarbonat malzemeden yapılmış olan bir tüp içine yerleştirilmiştir (Sadakata ve arkadaşları, 2002). Bu tüpün dışına sarılmış olan rezonans devresi bobininin (indüksiyon bobini) enerjilendirilmesiyle oluşan güçlü manyetik alan rulo şeklinde sarılmış ince paslanmaz çelik malzemenin indüksiyonla ısınmasını sağlamakta, bu da ısıtma parçasının içinde bulunduğu ve sürekli sirkülasyon halinde olan sıvının ısınmasını sağlamaktadır. Sadakata ve arkadaşları bu yöntemi kullanılarak yaptıkları denemelerde oldukça önemli sonuçlar alınmıştır. 200V DC kaynaktan beslenen indüksiyonlu ısıtma deney düzeneği 20kHz anahtarlama frekansında çalıştırılmış ve etkin periyot yüzdesi yani dolgu oranı (duty cycle) değiştirilerek yaklaşık 4,5kW’lık giriş gücüne kadar çıkılmıştır. Sabit su akış hızında, değişik etkin periyot yüzdelerinde yani değişik giriş güçlerinde yapılan çalışmalarda başlangıçtan yaklaşık 30s sonra alınan ölçüm sonuçları aşağıda Tablo-3.2 ile verilmiştir.

Tablo 3.2 Sadakata ve Arkadaşlarının çalışmasında alınan sonuçlar

Akış Hızı (ml/dak)	850	850	850	850	850
Giriş Gücü (W)	800	1200	2200	3400	4300
Etkin Peryot (%)	15	20	30	40	50
Su Sıcaklığındaki Artış ( C)	10	20	35	50	75

4. SONUÇ ve DEĞERLENDİRME

Durgun haldeki veya akmakta olan sıvıların daha hızlı, daha güvenli ve daha verimli bir şekilde ısıtılması amacıyla klasik ısıtma sistemlerine alternatif olarak geliştirilmeye çalışılan indüksiyonla sıvı ısıtma sistemiyle ilgili çalışmalar günümüzde laboratuvar aşamasında yoğun bir şekilde devam etmektedir. Özellikle sıcak su ve buhar elde etmeye yönelik olarak yapılan bu çalışmalar aynı zamanda bitkisel ve bitkisel olmayan yağların işlenmesi sırasında da kullanılmaya imkan vermektedir. Bu çalışmada, bugüne kadar indüksiyonla sıvı ısıtma alanında yapılmış olan çalışmalar incelenerek sistemin genel yapısı ve çalışma prensipleri hakkında fikir verilmiştir. Bunun yanı sıra sistemin asıl önemli kısmı olan indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneğinin yapısı üzerinde ayrıntısıyla durulmuş ve bukon uda yapılan farklı uygulamalar ele alınmıştır. Genel olarak, sıvının akıtıldığı metal borunun doğrudan ısıtılması, metal olmayan bir kap içine yerleştirilmiş olan ince metal plakaların ısıtılması, yine metal olmayan bir kap içine yerleştirilmiş olan delikli bloğun ısıtılması ve rulo şeklinde sarılmış ince metal malzemenin ısıtılması olarak sıralanabilen indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği türleri ile yapılan deneysel çalışmalarda, sistemin gerek ısıtma hızı, gerekse ısıtma verimliliği açısından klasik sıvı ısıtma sistemlerine göre daha yüksek performans gösterdiği, ayrıca ısıtılan sıvıya elektrik kaçağı olma riski bulunmaması nedeniyle de bu sistemin daha güvenli olduğu araştırmacılar tarafından vurgulanmaktadır. İndüksiyonla sıvı ısıtma sistemiyle ilgili bundan sonra yapılacak olan çalışmalarda, bugüne kadar yapılmış olan çalışmalar temel alınarak daha yüksek verimli ve daha düşük maliyetli düzenekler geliştirilmesi mümkün olabilecektir. Ayrıca laboratuar çalışmaları tamamlanan düzeneklerin profesyonel kullanıma uygun hale getirilebilmesi için çalışmalar yapılması gerekmektedir.

M.Necdet YILDIZ,     İrfan ALAN

Sitemize Reklam Vermek İçin Bizi Arayın.......0541 677 7155 

Admin Takipte Resimler Sadece üyeler içindir!

Resimler Sadece üyeler içindir!