MALZEME SEÇİMİ ÖRNEK UYGULAMALARI

Transkript

1 MALZEME SEÇİMİ ÖRNEK UYGULAMALARI

2 İÇİNDEKİLER Kürek için Malzeme Seçimi Masa Ayakları için Malzeme Enerji Tasarruflu Fırın Duvarları Isı Değiştiriciler için Malzemeler

3 Kürek için Malzeme Seçimi Mısırda rölyef anıtları üzeride kayıklarını kürek çekerek hareket ettiren resimler bulunmaktadır. Kürek insanlık tarihinde boyunca çok eski zamanlardan beri kullanılan bir araçtır. Mekanik olarak incelendiğinde kürek bir kiriş olarak değerlendirilebilinir ve eğme yüklerine maruz kalıyor. Bir rijitliğe sahip olmalıdır ve mümkün olduğunca hafif olmalıdır.

4 Kürek için Malzeme Seçimi Kürek rijitliği, 10 kg ağırlığındaki bir yük bağlantı noktasından 2,05 m uzaklıkta bir noktaya asılarak esneme miktarı ölçülerek bulunur. Yumuşak kürek 50 mm ve sert kürek 30 mm esner. Kürek hafif olmalı, aksi taktirde ağırlığından dolayı teknenin suya batan kısmını artırır. Dolayısıyla kürek için belirli rijitlikte ve minimum ağırlıkta bir kiriş olarak tanımlanabilir. Bunun dışında, Kürek düşebilir kolay kırılmamalı yani tok olmalıdır. (G 1C > 1 kj/m 2 )

5 Kürek için Malzeme Seçimi Kürek için kriterlere uygun malzemeler elastisite modülüne karşılık yoğunluk grafiğinden malzeme indisi (M) eğimi 2 katsayılı olarak yüksek olacak şekilde belirlenir. Çizgi üzerinde az bir malzeme grubu kalmaktadır.

6 Kürek için Malzeme Seçimi Grafik incelendiğinde, ahşap(tahta), karbon takviyeli polimerler ve bazı seramikler olmak üzere 3 temel malzeme sınıfı kriterlere uygun olduğu görülmektedir. Seramikler kırılgan oldukları için tokluk değerleri düşüktür ve küreğin tokluk gereksinimi sağlamamaktadır. Dolayısıyla küreğin yapılacağı malzeme olarak ahşap ya da karbon fiber takviyeli polimer olmalıdır.

7 Masa Ayakları için Malzeme Seçimi Cam tablalı masa için silindirik ayak tasarımı. Masa ayakları olabildiğince hafif olmalı ve böylece kolayca taşınmalı. Yük altında egilme veya şekil degiştirme göstermeyecek

8 Masa Ayakları için Malzeme Seçimi Tanımlama Fonksiyon: Basma gerilimini taşımalı Amaç: Minimum ağırlık Maksimum incelik Kısıtlamalar: Boyu sabit Tasarım yükleri altında bükülmemeli Kırılmamalı Serbest değişkenler: Kesit alanı Malzeme

9 Masa Ayakları için Malzeme Seçimi Model İki amaç hedeflenmiştir: minimum ağırlık ve maksimum incelik. İlk olarak minimum ağırlığı inceleyelim. Ayak uzunluğu (L) ve maksimum yük (F) tasarım tarafından sabitlenir. Ayak malzeme özellikleri r ve E dir. Ayak silindir yarıçapı (r) serbest değişkendir.

10 Masa Ayakları için Malzeme Seçimi Model L uzunluğunda ve r yarıçapında bir sütun için elastik bükülme kritik yükü Apendiks bulunur. A5 den Apendiks A5

11 Masa Ayakları için Malzeme Seçimi Model Buradan performans denklemi çıkartılır. F G M Minimum ağırlık için malzeme indisi Bu malzeme indisi, bu şartlar için Apendiks B den kolayca okunur.

12 Masa Ayakları için Malzeme Seçimi Model İkici amaç maksimum incelik için: En ince ayağa sahip malzeme en yüksek malzeme indis değerine sahip olandır.

13 Masa Ayakları için Malzeme Seçimi Seçim: M1 malzeme indisi eğim katsayısı 2 olacak şekilde kılavuz çizgileri çizilir ve malzeme sayısını azaltmak için bu çizgi yukarı doğru kaydırılır. Daha sonra ikinci Malzeme indisi M2 (E) dikkate alınarak yatay çizgi belirlenir ve burada M2=100 GPa olarak seçildiğinde geriye kalan uygun malzemeler sıralanır.

14 Masa Ayakları için Malzeme Seçimi Seçim: Aşağıdaki grafik incelendiğinde E=100 GPa olduğunda ahşap malzemeler eleniyor ve bir kısım CFRP ve teknik seramik kalıyor.

15 Masa Ayakları için Malzeme Seçimi Seçim: Maliyet hesabı yapılmadan seçilmesi muhtemel malzemelerin malzeme indislerini ve bunların yorumlarını aşağıdaki tabloda incelenir.

16 Enerji Tasarruflu Fırın Duvarları Bir pişirme döngüsü boyunca büyük bir fırının enerji maliyeti önemlidir. Enerjinin maliyetinin bir bölümü iletim yoluyla fırın duvarlarında kaybolur, bu durum düşük ısıl iletkenliğe sahip bir duvar malzemesi seçilerek ve duvarı kalın yaparak azaltılabilir. Enerjinin geri kalan kısmı fırının sıcaklığını uygulama sıcaklığına kadar çıkartmak içindir. Bu durumda ise duvarlarda ısı kapasitesi düşük bir malzeme seçmek ve malzeme duvarlarını ince yapmak gerekir. Bu çatışmalı tasarım amacını karşılayacak malzeme indisi var mıdır? Eğer varsa fırın duvarları için iyi seçim malzemesi nedir?

17 Enerji Tasarruflu Fırın Duvarları

18 Enerji Tasarruflu Fırın Duvarları Model: Fırın ateşlendiğinde iç sıcaklık çabucak oda sıcaklığından işlem sıcaklığına ulaşır ve burada pişirme süresince tutulur. Pişirme süresince enerji maliyetine iki etken katkı sağlar. Birincisi ısının iletim yoluyla dışarıya atılması duragan durumda ısı iletim yoluyla birim alan için kaybolur (Q1) bu ısı akışının ilk kanunu ile verilir. l : ısı iletim katsayısı dt/dx : sıcaklık değişimi w :yalıtım duvar kalınlığı t : zaman

19 Enerji Tasarruflu Fırın Duvarları İkincisi ısının fırın duvarları tarafından emilmesi ve fırın duvarlarının Ti sıcaklığına yükselmesi birim alan için. C p : Özgül ısı r : yoğunluk Çok ince bir duvar iletkenlikle fazla enerji kaybeder, ancak kendisini ısıtmada az enerji absorbe eder. Duvar çok kalın olursa tersi olur. Duvar kalınlığına göre denklemin diferansiyeli alınırsa ve sıfıra eşitlenirse optimum kalınlık bulunur; Isıl Yayılım

20 Enerji Tasarruflu Fırın Duvarları Elde edilen w değeri toplam enerji denkleminde yerine koyulursa Isı kaybı (Q) (lc p r) 1/2 değeri minimum olan bir malzeme ile olur bu da demektir, Maksimum indis değeri:

23 Isı Değiştiriciler için Malzemeler Isı değiştiriciler ısıyı bir akışkandan alıp bir ikinci akışkana aktarırlar. Bir buhar makinasında ateş tüpleri bir ısı değiştiricidir, ısıyı ateş kutusundaki sıcak yanmış gazlardan alıp kazanın içindeki suya iletirler. Bir klimalardaki ince tüplerin ağı bir ısı değiştiricidir, odanın havasındaki ısıyı alır ve klimanın içindeki akışkana aktarılır. Tüm ısı değiştiricilerdeki anahtar element tüpün duvarları ya da iki akışkanı ayıran çeperdir. Isıyı iletmesi gerekir ve büyük basınç farklarına karşı gelebilmelidir.

24 Isı Değiştiriciler için Malzemeler Bir ısı değiştiricide, duvarlar boyunca bir basınç farkı (Dp) ve bir sıcaklık farkı (DT) vardır ve duvarların Klor iyonlarına karşı direnci olması gerekir.

25 Isı Değiştiriciler için Malzemeler Bir ısı değiştirici yapmak için en iyi malzeme hangisidir? Ya da spesifik olunursa, bir ısıl iletim belirli ısıl değiştirici iki sıvı arasındaki basınç farkını yeterince karşı gelebilecek sıvılardan biri klor iyonları (deniz suyu) taşıyacak en iyi malzemeler nelerdir? Fonksiyon Isı değiştirici Kısıtlamalar Amaç Serbest Değişkenler Basınç farkını karşılayabilmeli Klor iyonlarına karşı koymalı 150 o C ye kadar çalışabilmeli Makul fiyatlarda olmalı Birim alandaki ısı akışı maksimum olmalı Birim kütledeki ısı akışı maksimum olmalı Tüp duvar kalınlığı, t Malzeme Seçimi

26 Isı Değiştiriciler için Malzemeler Isının bir akışkandan tüp duvarına ve oradan da diğer akışkana iletilmektedir burada birinci akışkandan tüp duvarına ısı konveksiyon ile duvardan ikinci akışkana kondüksiyon (iletim) yoluyla aktarılmaktadır. Tüp duvarı boyunca ısının iletimi (W/m 2 ) ile aşağıdaki formül ile tanımlanır. Burada h 1 ısı iletim katsayısıdır ve DT 1 sıcaklık düşüşüdür birinci sıvıdan tüp duvarına geçerken. Isı iletim, Fourier iletim denklemi ile tanımlanır ve bir boyutlu ısı akışı aşağıdaki şekildedir. Burada l duvarın (t kalınlığında) ısıl iletim ve DT ise duvar boyunca sıcaklık farkıdır.

27 Isı Değiştiriciler için Malzemeler Isıl direncin duvar yüzeyinde 1 olduğunu varsayarsak 1/h 1 ikinci yüzeyde 1/h 2 ve duvarın kendisinde t/l. Isı akışının sürekliliği toplam direnç 1/U şart koşar. Burada U toplam ısı akış katsayısıdır. Akışkan 1 den akışkan 2 ye ısı akışı: Burada bir klimada akışkanlardan biri gazdır ve ısı konveksiyon yoluyla iletilir ve tüp yüzeyinde en büyük direnç oluşur kanatçıklar kullanılarak yüzey alan arttıtrılır ve böylece ısı transfer edilebilir. Fakat her iki akışkanda sıvı ise bu sefer ısı akışını duvarın termal direnci domine eder. Yani 1/h 1 ve 1/h 2 ihmal edilecek kadar küçüktür t /l yanında.

28 Isı Değiştiriciler için Malzemeler Biz ikinci durumu yani ısı transferinde iletim (konveksiyon) sınırlı durumu ele aldığımızda ve ısı değiştiricinin t duvar kalınlığında, L uzunluğunda ve r yarıçapında n tüpten oluştuğunu düşündüğümüzde amacımız toplam ısı akışını maksimum yapacak malzemeyi seçmektir. Burada A=2prLn tüpün toplam yüzey alanıdır. Bu amaç fonksiyonudur ve sınırlayıcı ise duvar kalınlığı yeterince olmalıdır ki akışkanların basınç farkından kaynaklanan basınca duvar karşı durabilsin. Yani duvara uygulanan gerilim güvenlik faktörü dikkate alındıktan sonra malzemenin elastik sınırına (s y ) kadar olmalıdır. Biz burada güvenlik faktörünü hariç tutacağız.

29 Isı Değiştiriciler için Malzemeler Kısıtlama minimum t kalınlığıdır. t değişkenini yukarıdaki ve amaç denklemini birleştirerek yok edebiliriz. Tüp duvarının birim alanı için ısı akışı Q/A aşağıdaki malzeme indisi ile maksimum yapılır.

30 Isı Değiştiriciler için Malzemeler Seçilecek malzemenin uygulanan akışkanların korozyonuna karşı olması da gereklidir. Burada ise klor iyonları içeren su (deniz suyu) dikkate alınmalı. Tabi ki maliyet de önemli olmalıdır. Maksimum çalışma sıcaklığı uygun olmalıdır ayrıca malzeme yeterince sünek olmalıdır ki tüp şekline getirilebilsin. CES Edupack ya da Selector programlarında level 1/2 veritabanı kullanılarak ilk aşamada büyük M 1 değeri için malzemeler seçilir. Burada bakır alışımları olasıdır. Level 3 veritabanı daha fazla bilgi verir. İlk seçim basamağı maksimum servis sıcaklığı 150 o C, % 30 uzama, malzeme maliyeti 4 $/kg altında ve deniz suyuna çok iyi direnç seviyesi işaretlendiğinde.

31 Isı Değiştiriciler için Malzemeler İkinci basamak da s y karşılık l grafiğinden M 1 =ls y maksimum yapılır.

32 Isı Değiştiriciler için Malzemeler Grafiğe göre alternatif malzemeler ve yorumları tabloda verilmektedir. Malzeme Pirinç Fosfor tuncu İşlenik alüminyum tuncu Nikel-demiralüminyum tuncu Yorum Çinkosuzlaşma eğilimli Ucuz, fakat alüminyum tuncu kadar korozyon direnci yok ekonomik ve pratik seçim En yüksek korozyon direnci fakat oldukça pahalı

33 Isı Değiştiriciler için Malzemeler Bazen ısı değiştiricinin ağırlığını minimum tutmak gerekir. Hesapları tekrarlandığında Q/m değerini maksimum yapmak için M 1 yerine yeni bir indis M 2 tanımlanır. ρ tüp malzemesinin yoğunluğunu ifade eder. s y ikinci dereceden olur çünkü ağırlık yoğunluk kadar duvar kalınlığına da bağlıdır. Benzer şekilde en ucuz ısı değiştiriciler en büyük M 3 indisli malzemelerdir. Her iki durumda da alüminyum alışımları yüksek değerlerdedir.