Oto Cam Temperleme İşleminde Ani Soğutma Sırasında Meydana Gelen Isı Transferinin Deneysel Olarak İncelenmesi

Transkript

1 6 th Internatonal Advanced echnologes Symposum (IAS 11), May 2011, Elazığ, urkey Oto Cam emperleme İşlemnde An Soğutma Sırasında Meydana Gelen Isı ransfernn Deneysel Olarak İncelenmes M. Akçay 1, H. Yazıcı 2, M. Gölcü 3, M. F. Köseoğlu 4, Y. Sekmen 5 1,2,3,4 Pamukkale Ünverstes, Denzl, makcay@pau.edu.tr, hyazc@pau.edu.tr, mgolcu@pau.edu.tr 5 Karabük Ünverstes, Karabük, ysekmen@yahoo.com Expermental Investgaton of Heat ransfer n Suddenly Coolng Operaton n Auto Glass emperng Process Abstract Safety glasses commonly used n the automotve sector are tempered and lamnated to be classfed nto two parts. Generally, lamnated glass s used n front glasses of the vehcle, tempered glasses s used n the back and sde glasses. For tempered glass obtan, although to be many parameters of temper qualty affectng, n the most mportant of these parameters are the process of heatng and sudden coolng. In ths study, heat transfer characterstcs on glass surface n the sudden coolng phase whch s an mportant parameter to determne the tempered qualty n auto glass temperng process were expermentally nvestgated. he jet-plate dstances (H/D=1, 2, 4, 6, 8, and 10) whch have a sgnfcant nfluence n the coolng process were taken as varable parameter. 50x50 mm szes and 4 mm thck glass used n experments and the Reynolds number (Re=30000) were kept constant. In the temperng process, glass surface s heated untl the average surface temperature to 680 C and suddenly cooled to 70 C. wo mutually placed nozzles of 8 mm nternal dameter, whch are smooth, seamless, and alumnum tubes used n the suddenly coolng process. For better tempered glass surface, nozzles are provded to move up and down n the opposte drecton for the coolng duraton. Key words--auto glass, nozzle, temperng, Nu number O I. GİRİŞ tomotv sektöründe öneml br yere sahp olan temperl camlar, yumuşama noktası sıcaklığına kadar (yaklaşık 700 C) ısıtılan camın, hızlı br şeklde soğutulması le elde edlmektedr. Bu şlemn amacı camda kalıcı gerlmeler oluşturularak mekank mukavemet arttırmaktır. Soğumanın başında camın yüzey, merkezne göre hızla soğur, camın merkez le yüzey arasında yüksek sıcaklık farkı oluşur. Bunun sonucunda cam yüzey büzülmeye başlar ve yüzeyde basma gerlmeler, daha geç soğuyan merkezde se çekme gerlmeler oluşur [1-3]. Cam temperleme sürecnde temper kaltesn etkleyen en öneml parametreler ısıtma ve an soğutma sürelerdr. Isıtma süresn; camın kmyasal bleşm, kütles, ulaşacağı yüzey sıcaklığı, fırının gücü gb parametreler etklerken, an soğutma süresn se camın an soğutma üntesnn önüne geldğ andak yüzey sıcaklığı, soğutma sonu yüzey sıcaklığı, soğutma üntesnn konfgürasyonu (H/D, S/D, nozul dzlş) ve Re sayısı etklemektedr. Soğutma şlem, nozullardan çıkan havanın sıcak cam yüzeyne çarpmasıyla gerçekleştrlmektedr. Lteratürde, çarpan jetlern ısı transfer özellklernn belrlenmesnde, tekl nozul sstemnn kullanıldığı brçok çalışma mevcuttur. Bu çalışmalardan konuyla lgl öne çıkanları şu şeklde özetlemek mümkündür; O Donovan ve Murray (2007) yapmış oldukları çalışmada, çarpan hava jet kullanılarak ısıtılmış düz br yüzeyden olan ısı transfern ve hız dağılımını araştırmışlardır. Yapılan çalışmada Reynold sayısı, 00 Re ve jet-plaka arasındak boyutsuz mesafe, 0.5 H/D 8 aralıklarında alınmıştır. Düşük jet-plaka mesafelerde (H/D<2) ısı transfer dağılımında knc pkler (an yükselşler) gözlemlenmştr. Bunun sebeb olarak da duvar jet bölgesnde türbülanstak an artışlar gösterlmştr [4]. Goldsten ve Behbahan (1982) çarpan hava jetlernn çapraz akış altındak yerel taşınımla ısı transfer katsayılarını belrlemek çn çalışmalar yapmışlardır. Jet sıcaklığı oda sıcaklığı le aynı alınmıştır. H/D=6 ve 12 değerler çn yapılan çalışmada, H/D=12 de artan çapraz akış le Nusselt sayısının azaldığını fade etmşlerdr. Her k H/D değerlernde en yüksek Nusselt sayısının elde edldğ noktanın durma noktasından çapraz akış yönünde kaydığını belrlemşlerdr [5]. Yan ve Sane (1997) yapmış oldukları çalışmada, daresel kestl hava jet kullanmışlardır. Düz br yüzeye hava jetnn farklı açılarda (90 o,75 o,60 o,45 o ) çarpması sonucu oluşan ısı transfer karakterstklern ncelemşlerdr. Maksmum ısı transferndek değşm oranının jet açısına bağlı olarak arttığı görülmüştür [6]. Nakod vd. (2006) yapmış oldukları çalışmada, pürüzlü yüzeylern çarpan hava jet ve düz plaka arasındak ısı transfer katsayısı üzerne etksn araştırmışlardır. Reynold sayısı, 6500 Re 28000, lüle-levha arasındak mesafe, 0.5 H/D 7 194

2 Oto Cam emperleme İşlemnde An Soğutma Sırasında Meydana Gelen alınmıştır. Farklı şekllerdek yüzey pürüzlülüklernn ısı transfer katsayısı üzernde farklı etklere neden olduğunu ve pürüzlü yüzeyn (pürüzün şeklne bağlı olarak) ısı transfer katsayısını artırdığını fade etmşlerdr. [7]. Lytle ve Webb (1994) düşük nozul-plaka mesafelernde çarpan hava jet le ısı transfer karakterstklern ncelemşlerdr. Yapılan çalışmada Reynold sayısı; 3600 Re alınmıştır. Gerçekleştrlen basınç ölçümler sonucunda özellkle H/D 2 değerlernde akışın jet plaka arasındak boşlukta kayda değer şeklde vmelendğn gözlemlemşlerdr. Akışkanın vmelenmes, türbülans sevyesn ve buna bağlı olarak da ısı transfern artırmıştır. Yerel ve ortalama Nusselt sayılarının H/D 1 durumlarında, H/D nn daha büyük değerlerne oranla daha yüksek değerlere ulaştığı fade edlmştr [8]. Blen (1994), yapmış olduğu çalışmada, yuvarlak br lüleden çıkan tam gelşmş hava jetn dk ve eğk açılarda ısıtılmış düz br levhaya çarptırarak, levha üzerndek ısı transfer karakterstklern çeştl parametrelere bağlı olarak ncelemştr. Yapılan çalışmada Reynold sayısı; 00 Re 40000, lüle-levha aralığı; 6 H/D 14, jet eğm açısı 45 Ø 90 derece ve lüle çapı 15 mm alınmıştır. Durgunluk noktasında dk çarpan jete oranla ısı transfer katsayısı jet eğm açısının azalması le azalma göstermştr [9]. Yapılan çalışmalar ncelendğnde; çarpan jetlerde, yüzey sıcaklığının sabt tutulduğu ve çarpan hava jetlernn hareketsz olduğu görülmüştür. Bu çalışmada se, yne tekl nozul sstem kullanılmış, farklı olarak cam yüzey sıcaklığı değşkendr ve hava jetler hareketldr. Bu çalışmada, oto cam temperleme şlemnde, farklı H/D oranlarında, yerel Nusselt sayısı (Nu yerel ) ve ortalama Nusselt sayısındak (Nu ort ) değşm deneysel olarak ncelenmştr. Deneylerde 50x50 mm ebatlarında, 4 mm kalınlığında cam kullanılmıştır. Reynolds sayısı (Re) de sabt tutulmuştur. Cam yüzeynn daha y temper alablmes amacıyla soğutma süres boyunca nozulların brbrne zıt yönde aşağı-yukarı hareket etmeler sağlanmıştır. A. Deney Düzeneğ I. DENEYSEL ÇALIŞMA Deney düzeneğnn şematk gösterm Şekl 1 de gösterlmektedr. emperleme sürecnde öncelkl olarak yapılması gereken, camın yaklaşık olarak 700 C ye kadar ısıtılması şlemdr. Bu şlem çn 10 kw gücünde, 0.38 m 3 ç hacme sahp br fırın kullanılmıştır. Camın fırına grş ve çıkışı çn fırının ön ve üst tarafı pnömatk olarak açılıp kapanacak şeklde tasarlanmıştır. Fırın duvarlarına 17 cm kalınlığında serabord yalıtım malzemes, fırının tabanına se 110 mm kalınlığında 200 mm boyunda ateş tuğlaları yerleştrlmştr. Fırının dış kısmı 2 mm kalınlığında çelk saç le kaplanmıştır. 1)Kompresör 2)Hava tankı, 3)Küresel vana, 4)Grş fltres, 5)Kurutucu, 6)Çıkış fltres, 7)Regülatör, 8)Selenod valf, 9)Debmetre, 10)Hava şartlandırıcı, 11)Basınçlı hava odası, 12)Nozul plakası, 13)Pnömatk pston, 14)NCr ermokupllar, 15)Fırın, 16)Kontrol Panel, 17)Flexble ermokupllar, 18)aşıyıcı, 19)Servo motor, 20)PLC ve Otomasyon panosu, 21)Blgsayar Şekl1. emperleme üntes şematk gösterm emperleme şlemnn geçekleşmes çn camın, temperleme fırınında yaklaşık olarak 700 C ye kadar ısıtıldıktan sonra an olarak soğutulması gerekmektedr. Soğutma havasının sağlanmasında, 30 kw gücünde 5.2 m 3 /dakka debye sahp vdalı kompresör kullanılmıştır. Elde edlen hava 5 m 3 hacmndek basınçlı hava tankına 8 bar basınçta sıkıştırılmaktadır. Basınçlı hava tankındak hava, grş fltresnden geçrlerek kurutucuya gönderlmektedr. Kurutucuda nemden arındırılan havanın sıcaklığı düşürülmekte ve kurutucu çıkışında çıkış fltresnden geçerek regülatöre gelmektedr. An soğutma üntesne gönderlecek havanın mktarı regülatörde ayarlandıktan sonra hava akışını kontrol etmek (açmak-kapatmak) amacıyla kullanılan selenod valfe gelmektedr. Selenod valften geçen havanın debs hava 195

3 M. Akçay, H. Yazıcı, M. Gölcü, M.F. Köseoğlu, Y. Sekmen hattına yerleştrlen DN 40 esto 6443 marka debmetre le ölçülmektedr. Debmetreden geçen basınçlı hava, soğutma üntes üzernde bulunan 122x6x4 cm ölçülerndek k adet basınçlı hava odasına gönderlmektedr. Basınçlı hava odalarının her brne ½ çapında brer adet regülatör yerleştrlmştr. Regülatörlern amacı her br nozuldan eşt debde ve basınçta hava üflenmesn sağlamaktır. Debmetrenn pahalı olmasından dolayı tek br DN15 esto 6441 debmetre kullanılarak, dğer nozuldak deb ve basınç ayarı buna göre yapılmıştır. Dkeyde karşılıklı olarak yerleştrlmş nozulların zıt yönde aşağı-yukarı hareketlern sağlamak çn her br nozulun bağlı olduğu plakanın üst tarafına brer adet pnömatk pston yerleştrlmştr. Camın yükleme bölgesnden tbaren fırın çersne ve soğutma üntes önüne taşınması çn otomatk olarak kumanda edleblen raylı taşıyıcı kullanılmıştır. aşıma şlemnde 0.37 kw gücünde br asenkron elektrk motoru kullanılmıştır. flexble termokupllar kullanılmıştır. ermokupllar cam yüzeyne yatay eksen üzernde 8 mm aralıklarla yapıştırılmıştır. Yapıştırma şlemnde ısı letm katsayısı yüksek olan CC Hgh emperature Cement yapıştırıcı kullanılmıştır. Yerel Nu sayısının hesaplanmasında kullanılan yerel yüzey alanları ve sıcaklık ölçüm noktaları Şekl 3 te gösterlmştr. Şeklde, X 0, X 1 ve X 2 sıcaklık ölçümü yapılan noktaları, s1, s2 ve s3 bu noktalardak sıcaklık değerlern göstermektedr. Çalışmada, farklı nozul-cam yüzey arası mesafelere (H/D=1,2,4,6,8,10) göre 6 adet model oluşturulmuştur. Günümüzde oto cam temperleme şlemnn yapıldığı şletmelerde an soğutma üntesnde hava jetlernn brbrne zıt yönde hareket etmeler sağlanmaktadır. Bu çalışmada da, cam yüzeynn daha y temper alablmes çn soğutma süresnce nozullar brbrne zıt yönde (aşağı-yukarı) hareket etmeler sağlanmıştır. ekl nozul soğutma sstem Şekl 4 te gösterlmştr. B. Ölçüm İşlem ve Hesaplama Yöntem Cam temperleme şlemnn her aşamasında cam yüzeyndek sıcaklıkları ölçeblmek çn tel çapı 0.81 mm olan K tp y s1 s2 s3 X 0 X 1 X 2 x Şekl 3: Yerel Nu sayısının hesaplanmasında kullanılan yerel yüzey alanları ve sıcaklık ölçüm noktaları 750 C sıcaklığındak fırına gönderlen cam, yüzey sıcaklığı 680 C ye ulaşıncaya kadar ısıtılmakta ve daha sonra an soğutma üntesnde yüzey sıcaklığı 70 C ye düşünceye kadar hızlı br şeklde soğutulmaktadır. üm deneylerde bu sıcaklıklar sabt tutulmuştur. Deneyler, tek br Re sayısı çn (Re=30000) yapılmıştır. Belrlenen Re sayısına göre havanın hızı ( U ) (1) nolu eştlkten hesaplanır; UD Re (1) ν Burada, D nozul çapı olup 8 mm ve havanın knematk vskoztes olup 1.562x10-5 m 2 /s alınmıştır. (1) nolu eştlkten Şekl 4: ekl nozul soğutma sstem elde edlen havanın hızına göre havanın debs ( V ) (2) nolu eştlkten hesaplanır; V U A (2) 196

4 Oto Cam emperleme İşlemnde An Soğutma Sırasında Meydana Gelen Burada A, nozulun kest alanını fade etmektedr. Camın yerel kütles çn enerjnn korunumu eştlğ yazılarak, yerel ısı taşınım katsayısı (h ), (3) nolu eştlkten hesaplanmıştır: d dt h2a s j 4 4 mcp εσ2a s ç (3) nolu eştlkte; m camın yerel kütlesn, A camın yerel yüzey alanını fade etmektedr. Camın her k yüzeynden ısı kaldırıldığından yerel yüzey alan 2A alınmıştır. j hava jetnn nozuldan çıkış sıcaklığı olup 25 C dr. Camın ışınım yayma oranı (ε) se 0.9 dur. σ, Stefan Boltzman sabt, s cam yerel yüzey sıcaklığı, ç se çevre sıcaklığı olup 30 C dr. C, camın her br yerel yüzey sıcaklığı çn hesaplanan yerel özgül ısısını fade etmektedr. Yoğunluğu 2550 kg/m 3 olan 50x50x4 mm ebatlarındak camın yerel kütles (4) nolu eştlk kullanılarak hesaplanır: (3) m ρv (4) (4) nolu eştlkten m=4.08x10-3 kg olarak hesaplanmıştır. Burada V, camın yerel hacmn fade etmektedr. Camın özgül ısısı sıcaklıkla öneml derecede değşmektedr. 500 ms de alınan her sıcaklık değer çn özgül ısılar hesaplanmıştır. Ledenfrost sıcaklığına (g=824.4 K) göre camın özgül ısısındak değşm (5) ve (6) nolu eştlkten hesaplanmaktadır [3]. 7 s g 1.8x10 C p s (5) 2 s g C p s x10 s (6) (3) nolu eştlkten, Şekl 3 tek her br x noktası (x0, x1 ve x2) çn yerel ısı taşınım katsayısı h hesaplandıktan sonra (7) nolu denklemde yerne yazılarak, her br x noktası çn yerel Nu sayısı hesaplanır; h D Nuyerel (7) k Burada, k havanın ısıl letm katsayısını (0.026 W/mK) göstermektedr. Ortalama Nu sayısı se zaman ortalamalı olarak bulunan yerel Nu sayılarının artmetk ortalaması alınarak (8) nolu eştlkten hesaplanmıştır. Nu ort. Nu yerel Nu... Nu 1 yerel 2 yerel n (8) n p C. Sıcaklık Değşm III. BULGULAR VE ARIŞMA Yüzey sıcaklığı 680 C oluncaya kadar ısıtılan 50x50x4 mm ebatlarındak cam numunes, an soğutma üntesnde karşılıklı yerleştrlmş düşey eksende ve zıt yönde hareket eden k adet tekl nozul sstem le soğutulmuştur. Soğutma şlem, cam ortalama yüzey sıcaklığı 70 C ye düşünceye kadar devam etmştr. Aynı özellklerdek 6 adet cam numunesnn farklı H/D oranlarında ve sabt Re sayısında soğutma zamanları gözlemlenmştr. Farklı H/D oranlarında soğutma şlem süresnce cam ortalama yüzey sıcaklığının zamanla değşm Şekl 5 te gösterlmştr. s,ort ( 0 C) Re= t (s) H/D=1 H/D=2 H/D=4 H/D=6 H/D=8 H/D=10 Şekl 5: Farklı H/D oranlarında soğutma şlem süresnce cam ortalama yüzey sıcaklığının zamanla değşm Şekl 5 ten görüleceğ üzere H/D=2 ye göre dğer H/D oranlarında soğutma süresnde artış gözlemlenmştr. Soğutma süres en kısa H/D=2 de 51.5 s olarak ölçülmüştür. Soğutma süresndek artış, H/D=2 ye göre soğutma süresndek artışlar sırası le H/D=1 de % 33, H/D=4 de % 7.76, H/D=6 da % 32.03, H/D=8 de % ve son olarak H/D=10 da % olarak hesaplanmıştır. D. Nusselt Sayısının Değşm Çalışmanın bu bölümünde, farklı H/D oranlarında, Re=30000 değer çn cam yüzeyndek ısı transfer karakterstkler ncelenmştr. Farklı H/D oranlarında yerel Nu sayısının x/d ye göre değşm Şekl 6 da gösterlmştr. Şekl 6 dan görüleceğ üzere, tüm H/D oranlarında yerel Nu sayısı en yüksek değerne x/d=1 oranında ulaşmıştır. x/d=1 noktasında Nu sayısındak artış, düşük H/D oranlarında daha yüksek ken artan H/D oranı le br düşüş göstermştr. x/d=1 noktasındak yerel Nu sayısının x/d=0 (camın orta noktası) noktasındak yerel Nu sayısına göre; H/D=1 de %7.3, H/D=2 de %7.25, H/D=4 de %7.13, H/D=6 da %2.42, H/D=8 de %3.28 ve H/D=10 da %5.11 oranında artış gözlemlenmştr. 198

5 M. Akçay, H. Yazıcı, M. Gölcü, M.F. Köseoğlu, Y. Sekmen 80 olup, %41.74 artış görülmüştür. En yüksek ortalama Nu sayısı H/D=2 de Nu ort. =83, H/D=10 da se Nu ort. =46.3 olarak hesaplanmış olup %44.21 azalma görülmüştür. Nuyerel 60 EŞEKKÜR H/D=1 H/D=2 H/D=4 H/D=6 H/D=8 H/D= Şekl 6: Farklı H/D oranlarında yerel Nu sayısının x/d ye göre değşm Nuort x/d H/D Şekl 7: H/D oranına göre ortalama Nu sayısının değşm. Ortalama Nu sayısının H/D oranlarıyla değşm Şekl 7 de gösterlmştr. En yüksek ortalama Nu sayısı değer H/D=2 de 83 olarak hesaplanmıştır. Ortalama Nu sayısındak azalma H/D=2 ye göre sırası le H/D=1 de % 29.75, H/D=4 de % 12.04, H/D=6 da % 36.86, H/D=8 de % ve son olarak H/D=10 da % olarak hesaplanmıştır. IV. SONUÇLAR Çalışmada, 4 mm kalınlığında, 50x50 mm ebatlarında cam temperlenmştr. emperlemede, an soğutma şlemnde tekl nozul sstem kullanılmış olup nozul çapı 8 mm dr. Deneyler, Re=30000 de sabt tutulmuştur. Sıcaklık ölçümler, cam yüzey üzerndek üç farklı noktadan K tp termokupl le yapılmıştır. Cam, ortalama yüzey sıcaklığı 680 o C ye gelnceye kadar fırında ısıtılmış, an soğutma üntesnde se 70 o C ye düşünceye kadar soğutulmuştur. H/D oranının soğutma süresne etks ncelenmş olup, H/D oranı arttıkça soğutma süresnn de arttığı görülmüştür. En düşük soğutma süres H/D=2 de 51.5 s olarak ölçülmüştür. En yüksek soğutma süres se H/D=10 da 73 s olarak ölçülmüş Bu çalışma, ürkye Blmsel ve eknolojk Araştırma Kurumu (ÜBİAK) tarafından desteklenmştr. KAYNAKLAR [1] Kantürer., Otomobl Camı Üretmnde Enerj Yoğun Süreçlern Optmzasyonu, rakya Ünverstes, Fen Blmler Ensttüsü, Makne Mühendslğ Anablm Dalı, Doktora ez, Edrne, [2] Kocabağ D., Cam Kmyası, özellkler, uygulaması, Brsen Yayınev, İstanbul, [3] Monnoyer F., Lochegnes D., Heat transfer and flow characterstcs of the coolng system of an ndustral glass temperng unt, Appled hermal Engneerng, 28 (17-18), , [4] O Donovan,.S and Murray, D.B, Jet mpngement heat transfer Part I: Mean and root-mean-square heat transfer and velocty dstrbutons, Internatonal Journal of Heat and Mass ransfer 50, , [5] Goldsten, R. J., Behbahan, A. I., Impngement of a crcular jet wth and wthout crossflow, Int. J. Heat Mass ransfer, 25(9): (1982). [6] Yan, X. and Sane, N., Heat transfer from an oblquely mpngng crcular ar jet to a flat plate, Internatonal Journal of Heat and Flud Flow 18, , [7] Nakod, P.M., Prabhu, S.V. and Vedula R.P., Heat transfer augmentaton between mpngng crcular ar jet and flat plate usng fnned surfaces, 18 th Natonal & 7th ISHM-ASME Heat and Mass ransfer Conference, January 4-6 (2006), Inda [8] Lytle, D. and Webb, B.W., Ar jet mpngement heat transfer at low nozzle plate spacngs, Internatonal Journal of Heat and Mass ransfer 37, , [9] Blen, K., Isıtılan Düzlem Br Plakaya Dk ve Eğk Hava Jet Çarpmasında Isı ransfer Karakterstklernn Deneysel İncelenmes, Doktora ez, KÜ Fen Blmler Ensttüsü, rabzon, SEMBOLLER A Alan (m 2 ) S İk nozul arası mesafe (m) A Yerel alan (m 2 Cam yüzeynden ) s ölçülen sıcaklık ( C) Cp Özgül ısı (kj/kgk) g Ledenfrost sıcaklığı (K) D Nozul çapı (m) U Hava hızı (m/s) H Lüle-levha arası mesafe (m) X Cam yüzeynde ölçüm yapılan nokta (m) h Isı taşınım katsayısı (W/m 2 K) ε Işınım yayma oranı k Isıl letm katsayısını Havanın knematk υ (W/mK) vskoztes (m 2 /s) Nu yerel Yerel Nu sayısı Nu ort Ortalama Nu sayısı ρ Re Reynolds sayısı σ V Hacmsel deb (m 3 /s) Havanın yoğunluğu (kg/m 3 ) Stephan-Boltzman sabt (W/m 2 K 4 ) 199