Toprak kaynaklı ısı borularıyla kaldırımlardaki buzlanmanın önlenmesinin ısıl analizi

Öz

Kış aylarında derinliklere inildikçe toprak sıcaklığı artmakta ve belirli derinlikten sonrada değişmemektedir. Bu çalışmada, toprağın sahip olduğu enerjiden, toprak kaynaklı ısı borularıyla kaldırımlardaki buzlanmanın önlenmesi araştırılmıştır. İlk olarak dış ortam sıcaklığının -1 ile -7 °C arasında, rüzgâr hızının ise 0 m/s ve 3 m/s olarak değiştiği durumda toprak sıcaklığının derinlikle değişimi incelenmiştir. Buzlanmayı önlemek için kullanılacak ısı borularının evaporatör uzunluğu 3 m, kondenser uzunluğu 1 m, adyabatik bölge uzunluğu 0.1 m ve çapları da 25 mm ve 50 mm olarak seçilmiştir. Isı borusu malzemesi paslanmaz çelik ve iş akışkanı da amonyak olarak kabul edilmiştir. Yapılan çalışmada, başlangıç olarak 3 m derinlikteki toprak sıcaklığının 8 °C olduğu kabul edilmiştir. Rüzgar hızı 0 m/s, dış ortam sıcaklığı -1 °C olduğu durumda, 25 mm çapındaki ısı borusu ile 1.2 m²’lik alanı buzlanmaya karşı önlendiği bulunmuştur. Aynı şartlarda 3 m derinlikteki toprak sıcaklığının 12 °C olduğu durumda 25 mm veya 50 mm çapındaki ısı borularının buzlanmaya karşı koruyabileceği alan sırasıyla 2 m² ve 2.7 m² olarak bulunmuştur. Isı borusu çapının ve kaynak sıcaklığının artması ısı borusunun ısı taşıma kapasitesini artırmış ve dolayısıyla ısı borusunun buzlanmaya karşı daha etkili olduğu görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• Isı borusu,İki fazlı kapalı termosifon,Toprak sıcaklığı,Buzlanma

Thermal analysis of anti-icing on pavements with ground source heat pipes

Abstract

During the winter months, the soil temperature increases as the soil depth increase, and after a certain depth it does not change. In this study, the prevention of icing on pavements by heat pipes which uses the energy of the ground has been investigated. Firstly, the variation of the soil temperature is investigated when the ambient temperature varies between -1 to -7 °C and the wind speed 0 and 3 m/s. For anti-icing, the evaporator, condenser and adiabatic section lengths of the heat pipe to be used were chosen as 3 m, 1 m and 0.1 m respectively and diameters of the heat pipe were determined as 25 mm and 50 mm. The heat pipe material was selected as stainless steel and the working fluid as ammonia. In the study, first it is assumed that the soil temperature is 8 °C at 3 m depth. If the wind speed and outdoor temperature are assumed to be 0 m/s and -1 °C respectively, icing for 1.2 m² area was prevented by the 25 mm diameter heat pipe. At the same conditions, icing prevented areas by 25 mm and 50 mm heat pipes were calculated as 2 m² and 2.7 m² respectively for 3 m depth and with 12 °C soil temperature. Heat transfer rate was increased by the increase of the heat pipe diameter and ground source temperature, consequently it was seen that the heat pipe was more effective to prevent icing.

Keywords

• Heat pipe,Two phase closed thermosyphon,Ground temperature,Icing

References

1. Faghri A. Heat Pipe Science and Technology. Washington, USA, Taylor and Francis, 1995.
2. Özsoy A. Isıtma Sistemlerinden Isı Geri Kazanımında Isı Boruların Uygulanabilirliği, Ekserji ve Ekonomik Analizi. Doktora Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, 2005.
3. Yıldırım, R. Buzlanmayı Önlemek için Toprak Kaynaklı Isı Borularının Teorik İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, 2014.
4. Özbek A, Yılmaz T, Yılmaz A, Büyükalaca O. 2009. “Yatay Katmanlı Topraklarda Katman Fiziksel Özelliklerinin Toprak Sıcaklığına Etkisi”. 9. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, Türkiye, 7-10 Mayıs 2009.
5. Özbek A, Yılmaz T, Yılmaz, A, Büyükalaca O. 2011. “Tek katmanlı toprakta dip, maksimum, minimum sıcaklıklar ve bunların derinlikleri ile ilgili bağıntılar”. 10. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, Türkiye, 13-16 Nisan 2011.
6. Özbek A, Yılmaz T, Yılmaz, A, Büyükalaca O. 2011. “Tek katmanlı toprakta dip, maksimum, minimum sıcaklıklar ve bunların derinlikleri ile ilgili bağıntılar”. 10. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, Türkiye, 13-16 Nisan 2011.
7. Mauro A, Grossman JC. “Street-heat: controlling road temperature via low enthalpy geothermal energy”. Applied Thermal Engineering, 110, 1653-1658, 2017.
8. Zenewitz JA. “Survey of Alternatives to the Use of Chlorides for Highway Deicing”. Federal Highway Administration, Offices of Research and Development, Rep. No. FHWA-RD-77-52, 1977.

9. Donnelly D. “Geothermal Energy for Highway Snow and Ice Control”. Colorado Department of Highways Summary Report, CDH-DTP-R-81-13, Colorado, USA, 25, 1981.
10. Lee RC, Sackos JT, Nydahl JE, Pell KM. “Bridge Heating Using Ground-Source Heat Pipes”. Transportation Research Board, Transportation Research Record. 962, DC, 51-57. 1984.
11. Zorn R, Steger H, Kolbel T. “De-Icing and snow melting system with innovative heat pipe technology”. World Geothermal Congress, Melbourne, Australia, 19-25 April 2015.
12. Wang X, Zhu Y, Zhu M, Zhu Y, Fan H, Wang Y. “Thermal analysis and optimization of an ice and snow melting system using geothermy by super-long flexible heat pipes”. Applied Thermal Engineering, 112, 1353-1363. 2017.
13. Ochsner K. “Carbon dioxide heat pipe in conjunction with a ground source heat pump (GSHP)”. Applied Thermal Engineering, 28(16), 2077-2082, 2008.
14. Yang ZJ, Yang T, Song G, Singla M. “Experimental Study on an Electrical Deicing Technology Utilizing Carbon Fiber Tape”. Alaska University Transportation Center, Final Report, DTRT06-G-0011. 2012.
15. Erdin E, Alten A, Şirin G. “Isıtmak ve soğutmak için yer ısısının kullanılması”. IV. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu. İstanbul, Türkiye, 16-18 Ekim 2002.
16. Esen H, Inalli M, Esen M. “Technoeconomic appraisal of a ground source heat pump system for a heating season in eastern Turkey”. Energy Conversion and Management, 47(9-10), 1281-1297, 2006.
17. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü. “İllere Ait Toprak ve Dış Ortam Sıcaklık Verileri”. Ankara, Türkiye, 2012.
18. Duffie JA, Beckman WA. Solar Engineering of Thermal Processes. NY, USA, Willey, 1991.