Sargı. r 3 r 2 r 1. Sabit Kutup. Hareketli Eleman. T d. m k *(0.78*10 7

Transkript

1 ELEKTROMEKANİK MUSLUK TASARIMI Gürsel ŞEFKAT Uluağ Üniversitesi, Müenislik-Mimarlık Fakültesi, Makina Müenisliği Bölümü Hayatımızın vazgeçilmez itiyaçlarınan biri olan su; güç, bereket, enerji, sağlık, uygarlık ve güzelliğin simgesiir. Ancak yeryüzüneki suların bilinçsizce kullanımı mevcut kaynakların tasarruflu kullanılmasını zorunlu ale getirmiştir. Kontrol eilemeyen nüfus artışı, ızlı kentleşme, iklim eğişiklikleri ve su kaynaklarının yetersizliği günümüz Türkiye'sine kronik bir susuzluk sorunu yaratmıştır. İstatistiklere göre su avzaları büyük telike altınaır. Türkiye su varlığı bakımınan zengin bir ülke sayılmaz zira su zengini ülkelere yıla kişi başına üşen su miktarı 0000 metreküp iken Türkiye'e bu eğer 800 metreküptür. Zaten yeterli olmayan su rezervleri, bilinçsiz tüketim neeniyle er geçen gün aa a azalmaktaır. Dünya üzerine gelişmiş birçok ülke bu soruna somut önlemler almışken, ülkemize alkın bilinçlenirilmesi ve tasarrufa yönelik tebirler çok yetersiz kalmaktaır. Elektromekanik musluklar gelişmiş batı ülkelerine oluğu gibi ülkemize e büyük su tasarrufu yapmamıza olanak sağlayabilir. Günlük ayatta kullanığımız muslukların yapısına ve nasıl çalıştıklarına pek ikkat etmez ve önemsemeyiz. Ancak yaşaığımız bir gün içine muslukları çok efa kullanırız. Bu kullanımlar esnasına musluk bir kez açılır ve işlem bitince kapatılır. Örneğin iş fırçalama ve tıraş olma esnasına musluk ya er efasına açılıp kapatılır ya a açık bırakılır. Elektromekanik musluk ise saece itiyaç oluğuna açılıp su itiyacını karşılar böylece çok cii tasarruf sağlanabilir. Bu çalışmaa sabit ebi sağlayan, elektromıknatıs evresi kullanan elektromekanik musluk tasarımı iza eilecektir. SİSTEM Elektromekanik musluğun mekanik musluktan tek farkı via mekanizması yerine bir sargı, sargının areket ettiriği bir çekirek ve sargıya verilen akım kesiliğine çekireğin başlangıç konumuna gelmesini sağlayan bir yay elemanıır. Sargıya akım verilmeiğine yayın ön gerilme kuvveti, çekireği aşağıya ittirmekte ve akışkan geçişine izin vermemekteir. Mekanizmanın normale kapalı olmasının sebebi olası bir elektrik kesintisi veya elektromekanik onanım arızasızına musluğu kapalı tutmaktır. Bu üşünce ile er iki musluğun şematik gösterimi Şekil 'e verilmiştir. Şekil. Mekanik ve Elektromekanik Musluk

2 ELEKTRO MEKANİK MUSLUK BOYUTLANDIRILMASI Bu çalışmaa incelenen elektromekanik musluk tasarımına akış miktarı, kısılma prensibi ile bulunur. Bir kısma elemanınan geçen akışkan ebisi; P Q = AC ρ () şekline verilir. Buraa Q [m 3 /s] cinsinen ebiyi, A [m ] cinsinen kısma bölgesi açıklığını, DP [N/m ] cinsinen basınç farkını g [kg/m 3 ] akışkan yoğunluğunu ve C akış katsayısını ifae etmekteir. C arasına eğişmekteir. Normale bir musluktan maksimum 0 lt/ak 'lık bir su ebisi itiyacı oluğu belirlenmiştir. Şeir şebeke basıncı ise bar olarak alınmıştır. Mevcut bir musluk gövesine montaj yapmak olayısıyla yeni bir göve tasarımına itiyaç uymamak için manyetik evrenin stanart bir mekanik musluk gövesine göre boyutlanırılması uygun görülmüştür. Stanart bir mekanik musluk gövesine orifis çapı 0 mm'ir. O ale 0 lt/ak 'lık bir ebinin ele eilebilmesi için isk şeklineki elemanın orifis yüzeyinen ne kaar uzaklaşması gerektiğini bulmalıyız. C ; akış katsayısı en kötü orifis ağzına 0.6'ır, su için yoğunluk eğeri 000 kg/m 3 'tür. Bu eğerleri kullanarak () nolu ifaeen; Şekil. Musluk Orifisinin Genel Şeması φ x φ Q = AC P ρ 0 0 * 60-3 **0 A *0.6 * A = * [ m ] () bulunur. Gerekli açıklık ise; A = π x x = A π *0 = π 6 x = 0.8 mm (3)

3 eğeri ele eilir. Bu mesafe, musluğun itiyaç uyulan ebiyi sağlaması için gereken minumum açıklıktır. Tasarlanan elektromekanik musluk sistemi için bu eğerin fiziksel anlamı, elektromıknatısın yaya karşı kuvvet uygulayarak çekireği yukarı çekmesi gereken mesafeir. Şimi 0.8 mm'lik oğrusal öteleme areketi sağlayan elektromıknatısı tasarlamamız gerekir. Her şeyen önce bu areketi sağlayacak mıknatıs kuvveti esaplanmalıır. Dolayısıyla, Şekil 'e gösterilen isk eleman üzerine etkiyen kuvvetler bulunmalıır. Musluğun normale kapalı tutulması için ön gergili yay kuvvetinin basınç kuvvetini yenmesi gerekir. Bu sisteme basınç kuvveti, F a ; Pπ F a = P.A = π (4) ile ifae eilir. Değerler yerine koyulursa; 3 Pπ *0 * π* (0 *0 ) F a = = Fa = 40N 4 4 () olarak bulunur. Yay kuvvetinin en az bu eğere olması gerekir. Ayrıca kalıcı mıknatısların etkisini (%0*F m ) karşılaması gerekir. Dolayısıyla, F Yay = F a + 0.F m (6) bulunur. Buraan üretilmesi gereken mıknatıs kuvveti, F m = FYay + 0. Fm + kx (7) Buraa kx s isk areketi sonucuna sıkışan, ön gerilmeli yayın ilave kuvvetini temsil etmekteir. Kullanılacak yayın rijitliği N/mm ön görülürse, F m = FYay + 0. Fm + kx = = N (8) olarak bulunur. Bu çalışmaa Şekil 3'e genel şeması verilen üz yüzlü silinirik piston tipi elektromıknatıs evresi kullanılmıştır. Şimi istenen mıknatıs kuvvetini sağlayan elektromıknatıs boyutlanırmasına geçebiliriz. Mıknatıs kuvveti, F m z Bg A = µ 0 c (9) şekline ifae eilir. Buraa A c yeterli mıknatıs kuvvetini oluşturabilmesi için saip olması gereken çekirek kesit alanı olup biçimine ifae eilir. z, çalışma aralığı sayısı olup bu tip için 'ir. Hava aralığına oluşacak maksimum akı yoğunluğu Wb/m 'kabul eilir. m 0 ise avanın geçirgenliği olup 4p0-7 'ir. Bu eğerleri (9) nolu ifae e yerine koyarsak, mm bulunur. Ancak esaba katılmayan kuvvetleri üşünerek r =0 mm olarak belirleni.

4 Sargı r 3 r r Sabit Kutup T Hareketli Eleman Şekil 3. Elektromıknatıs Devresi Hava aralığına kabul eilen manyetik akıyı sağlamak için gereken magnetomotor kuvveti, B x NI = (..3) µ 0 (0) eşitliği ile ele eilir []. Buraa x maksimum ava aralığı eğeriir. Pistonun ki ucuna bağlı iskin areket miktarı 0.8 mm olacaktır. Ancak elektromıknatısın verimli çalışabilmesi için sabit kutup ile areketli kutup birbiri ile temas etmemeliir. Zira temas ettiklerine elektromıknatısların karakteristikleri gereği ava aralığı sıfır eğerini alığına mıknatıs kuvveti eğeri teorik olarak sonsuza gier yani çok büyük eğerlere yükselir ve iki kutbu ayırmak mümkün olmayabilir. Bunun için areketli kutup areketini tamamlaıktan sonra bile aralarına 0. mm'lik bir mesafe kalması uygun görülmüştür. Böylece maksimum ava aralığı eğeri x =0.+0.8=0.78 mm alınabilir. Bu uruma göre magnetomotor kuvveti; m k r r Şekil 4. Makara Boyutları NI *(0.78*0.3* 4π0 = 7-3 ) 840 Amper sarımır. () Tasarımı yapılan elektromıknatısın çalıştırılması için sürülecek akım eğeri A olarak öngörülürse sarım sayısı,

5 NI N = = 840 I () olarak esaplanır. Bu sarım sayısını makaraya sığırılabilmesi için gerekli makara boyutları şu şekile belirlenir. Sargıa ısınma problemini en aza inirgemek için pratik olarak iletken telin mm 'sinen maksimum A 'lik akım geçirilmeliir. Kullanılan elektromıknatıs evresine A'lik akım sürüleceğinen, iletken telin kesit alanı; I/A= ve A=p t /4 oluğunan; t =0.8 mm bulunur. Buraan areketle, makaraya yatay yöne ve ikey yöne sarılacak iletken tel sayısı, ( m N = t k ) r * - r - m ) k * t (3) şekline ifae eilebilir. Buraa m k = mm makaranın kalınlığını, f =0.7 boşluk faktörünü,,r,r 3 elektromıknatıs boyutlarını ve t iletken telin çapını temsil etmekteir. Mevcut musluk boyutuna benzerlik için, =0 mm seçilirse (r -r )'in ne olması gerektiği sıcaklığa göre optimum üz yüzlü silinirik pistonlu elektromıknatıs tipi için 3.</(r -r )<. eşitsizliğinen bulunur []. Eşitsizliğin çözümünen; 3. < ( r <. 0.9 < ( r r ) r ) < 7. ( r r ) = 7 olarak belirlenir. Bu eğeri (3) nolu ifaee kullanırsak; N = (0 ) (7 -) * * 0.7 = oluğu görülür. Dolayısıyla gerekli sarım sayısı ele eilir. (r -r ) = 7 r = r = 7 mm Alanların eşitliğinen, [] r =r3 -r =rt (4) oluğunan r 3 =8 mm ve T = mm bulunur. Bulunan eğerleri bir tabloa gösterelim. Boyutlar [mm] r r r 3 T

6 ELEKTROMEKANİK MUSLUĞUN STATİK ANALİZİ Elektromıknatısların karakteristiği, ava aralığı mesafesine göre sağlaığı mıknatıs kuvveti eğrileri ile verilir. Bu eğriler sabit akım eğerleri için bulunur. Belirlenen boyutlara elektromıknatısın statik analizi için MATLAB paket programı Kullanıcı Grafik Arayüzü (GUI- Grapic User Interface) kullanılarak görsel bir program azırlanmıştır[4]. Şekil 'e gösterilen penceree belirlenen boyutlar girilikten sonra (buraa r 0 eğeri çekireği temsil een areketli elemanın iş yapan ucuna erangi bir neenle boşaltılan eliğin yarıçapını temsil eer ki bu çalışmaa 0'ır) program çalıştırılarak (run eilerek) elektromıknatısın karakteristik eğrileri ele eilmiştir. Solaki ilk grafik 0-3 mm ava aralığınaki eğişimi gösterirken, sağaki aralık ilgili ava aralığını aa ikkatli incelemek için büyütülmüştür. Grafikleren e görülüğü gibi maksimum ava aralığı 0.78 mm için, belirlenen boyutlara bir amperlik akım ile gereken mıknatıs kuvvetinen (F m = N) aa yüksek bir eğer (F N) ele eilmiştir. Şekil. Statik Analiz için MATLAB a Hazırlanan Görsel Program Penceresi SONUÇ Bu çalışmaa basit bir elektromekanik sistem tasarımı olan otomatik musluk tasarımı yapılmıştır. Öncelikle mevcut mekanik musluk gövesinin eğişimine gereksinim uymaan saece via mekanizmasının yerini alacak elektromekanik musluk planlanmış ve bu amaçla tasarım aımları iza eilmiştir.

7 Yapılan çalışma kullanıcıya kolaylık sağlayan bir görsel programla esteklenmiştir. Bu program boyutları belirlenmiş bu tip elektromıknatısların statik karakteristiklerini çıkarmaa kullanılı. Herangi bir boyut eğişiminin sistemin karakteristiğini nasıl eğiştiriğini anına gösterebilir. Ancak çalışma bu tip bir programı tanıtma amaçlı olmaığınan saece araç olarak kullanılmıştır. Bu tip muslukların özellikle çok kullanımlı, iş merkezleri, okullar, astaneler, oteller gibi yerlere em tasarruf em e ijyen açısınan birçok avantaja saiptir. Başlangıç maliyeti mekanik musluklara nazaran yüksek olması sebebiyle evsel uygulamalara çok yoğun olarak kullanılmamaktaır. Bu çalışma prototip bir tasarım olmasına rağmen tasarıma başlarken talep eilen gerekli kuvveti (F m = N) ve boyutları sağlaığını gösterilmiştir. Dolayısıyla ülkemize yapılacak basit yapıaki bu tip elektromekanik muslukların üretilebilirliği ve ekonomik olabilirliği ortaya konmuştur. Bu çalışmanın benzer çalışmalara, anlaşılabilir tasarım aımlarıyla ışık tutacağı üşünülmüştür. KAYNAKÇA.Roters, H.C., Electromagnetic Devices, Jon Wiley an Sons, New York, 979..Şefkat, G., Elektromekanik Sistemlerin Optimum Tasarımı ve Denetimi, Doktora Tezi, Uluağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Şefkat, G., Bir Elektromekanik Aygıtın Statik ve Dinamik Karakteristiğinin Araştırılması, Pamukkale Üniversitesi, Müenislik Bilimleri Dergisi, Cilt:8, Sayı:3, Sayfa.73-8, 00 4.Şefkat, G., Bir Elektromekanik Sistemin Statik Davranışının İncelenmesi, Uluağ Üniversitesi, Müenislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, (Kabul eili baskıa), 003.Gönülkırmaz H., Bir Elektromekanik Musluk Tasarımı, İmalatı ve Deneysel İncelenmesi, Bitirme Öevi, Uluağ Üniversitesi, Müenislik-Mimarlık Fakültesi, Makina Müenisliği Bölümü, 996