Exchange of the Number of Particles Depending on Cooling Time in Glass Tempering Process Using Multiple Air Jets With Small Nozzle Distance

Transkript

1 Exchange of the Number of Particles Depending on Cooling Time in Glass Tempering Process Using Multiple Air Jets With Small Nozzle Distance Küçük Nozul Mesafeli Çoklu Hava Jetleri Kullanılarak Yapılan Cam Temperleme İşleminde Soğutma Süresine Bağlı Olarak Parçacık Sayısının Değişimi Hilmi YAZICI 1,, Mehmet AKÇAY 2, Mustafa GÖLCÜ 3, Yakup SEKMEN 4, Mehmet Fevzi KÖSEOĞLU 5 1 Pamukkale Üniversitesi, Denizli/ Türkiye, hyazici@pau.edu.tr 2 Pamukkale Üniversitesi, Denizli/ Türkiye, makcay@pau.edu.tr 3 Pamukkale Üniversitesi, Denizli/ Türkiye, mgolcu@pau.edu.tr 4 Karabük Üniversitesi, Karabük/ Türkiye, ysekmen@yahoo.com 5 Pamukkale Üniversitesi, Denizli/Türkiye, mfkoseoglu@pau.edu.tr Abstract For the glass tempering, glass average surface temperature should be cooled rapidly when it is over leidenfrost temperature. In this study, 4 mm thickness float glass was heated up 680 ºC in furnace, rapidly cooled average surface temperature 70 ºC until down. Triangular staggered S/D=2 ratio nozzle system used in rapid cooling process. S/D is described ratio to nozzle diameter of distance between nozzles. Cooling times and the particle numbers were determined Reynolds number Re and distance between the nozzle-cam 2 H/D 10. As the constant H / D ratio, particle numbers are increase with Reynolds number. As the constant Reynolds number, it is obtained maximum and minimum particle numbers on H/D=4 and H/D=10 ration, respectively. Keywords: Glass tempering, cooling time, impingement air jets, Reynolds number Anahtar Kelimeler: Cam temperleme, soğutma süresi, çarpan hava jetleri, Reynolds sayısı I. GİRİŞ tomotiv sektöründe önemli bir yere sahip olan temperli O camlar, fırın içersinde yumuşama noktası sıcaklığına kadar (~700 C) ısıtılıp, hızlı bir şekilde soğutulması ile elde edilmektedir. Bu işlemin amacı camda kalıcı gerilmeler oluşturularak mekanik mukavemeti arttırmaktır. Soğumanın başında camın yüzeyi, merkezine göre daha hızlı soğur ve camın merkezi ile yüzeyi arasında yüksek sıcaklık farkı oluşur. Bunun sonucunda cam yüzeyi büzülmeye başlar ve yüzeyde basma gerilmeleri, daha geç soğuyan merkezde ise çekme gerilmeleri oluşur. Özet Camın temperlenebilmesi için cam ortalama yüzey sıcaklığı Leidenfrost sıcaklığının üzerindeyken ani olarak soğutulmaya başlanması gerekmektedir. Bu çalışmada; 4 mm kalınlığındaki düz cam, fırın içersinde 680 ºC ye kadar ısıtılmış, ortalama yüzey sıcaklığı 70 ºC ye düşünceye kadar ani olarak soğutulmuştur. Ani soğutma işleminde, üçgen dizilişli S/D=2 oranında nozul sistemi kullanılmıştır. S/D nozullar arası mesafenin nozul çapına oranını ifade etmektedir. Reynolds sayısı Re ve nozul-cam arası mesafe 2 H/D 10 alınarak soğutma süreleri ve parçacık sayıları belirlenmiştir. Çalışma sonucunda; sabit bir H/D oranındaki parçacık sayısının Reynolds sayısı ile arttığı görülmüştür. Reynolds sayısı sabitken en yüksek parçacık sayısı H/D=4 oranında, en düşük ise H/D=10 oranında elde edilmiştir. 313 Cam temperleme sürecinde temper kalitesini etkileyen en önemli parametreler ısıtma ve ani soğutma süreleridir. Isıtma süresini; camın kimyasal bileşimi, kütlesi, ulaşacağı yüzey ortalama sıcaklığı, fırının gücü gibi parametreler etkilerken, ani soğutma süresini ise camın ani soğutma ünitesinin önüne geldiği andaki yüzey sıcaklığı, soğutma sonu yüzey sıcaklığı, soğutma ünitesinin konfigürasyonu (H/D, S/D, nozul dizilişi) ve Reynolds sayısı etkilemektedir. Soğutma işlemi, nozullardan çıkan havanın sıcak cam yüzeyine hava jeti şeklinde çarpmasıyla gerçekleştirilmektedir. Isıtma, soğutma ve kurutma işlemlerinde çarpan jet uygulamaları ile yüksek ısı transferi oranları elde

2 edilmektedir. Çarpan jet uygulamaları; tekstil ve fotoğrafçılıkta kurutma, bazı çelik endüstrisi prosesleri, gaz türbini parçalarının soğutulması, elektronik ekipmanlarının soğutulması, kyriyoterapide dokuların dondurulması ve cam temperleme işlemlerinde uygulanmaktadır. Son yıllarda hem teorik hem de uygulamalı çalışmalar devam etmektedir. Yıllardır, çarpan jetlerle ilgili yüksek ısı transferi oranları iyi bilinmekte ve kayıt altına alınmaktadır [1-5]. Çarpan jetler yukarıdaki uygulamaların yanında hareketli metal şeritlerin soğutulması ve kâğıt kurutulması proseslerinde de kullanılmaktadır [6,7]. temperlenebildiğini saptamışlardır. Yaptıkları çalışma sonucu, 2,8 mm kalınlığındaki camların 50x50 mm ebatlarındaki alanda parçacık sayısının 40 ın üzerinde olduğunu belirlemişlerdir [12]. Bu çalışmada; 4 mm kalınlığındaki düz cam, fırın içersinde 680 ºC ye kadar ısıtılmış, ortalama yüzey sıcaklığı 70 ºC ye düşünceye kadar ani olarak soğutulmuştur. Ani soğutma işleminde üçgen dizilişli S/D=2 oranındaki nozul sistemi kullanılmıştır. Reynolds sayısı Re ve nozul-cam arası mesafe 2 H/D 10 alınarak soğutma süreleri ve parçacık sayıları belirlenmiştir. Geniş alanların çarpan jetlerle ısıtılması veya soğutulması için jetlerin yüzey üzerine dağıtılması gereklidir. Ancak, çarpan yüzeyde yüksek bir ortalama ısı transfer oranını ve ısı transferinin uniform olmasını sağlamak için akış ve geometrik parametreler dikkatli bir şekilde seçilmelidir [8]. Cam temperleme işleminde, tekstil sanayisinde, kâğıt kurutulmasında ve elektriksel aletlerin soğutulması gibi uygulamalarda yüzeyin her noktasından eşit miktarda ısı transfer edilmesi son derece önemlidir. Yazıcı, 4 mm kalınlığındaki cam için optimum soğutma ünitesi konfigürasyonunu deneysel olarak araştırmıştır Re 40000, S/D=2, 4, 6 ve 8 ve H/D=2, 4, 6, 8 ve 10 oranlarında ani soğutma işlemini gerçekleştirmiştir. Yapılan çalışmada; soğutma sürelerini ve parçacık sayılarını belirleyerek, soğutma süresi ile parçacık sayısı arasındaki ilişkiyi saptamıştır [9] Monneyer and Locheggnies, termal cam temperleme işleminde çarpan hava jeti ile soğutma uygulamasıyla ilgili deneysel ve nümerik çalışma yapmışlardır. Bir endüstriyel cam temperleme fabrikasında, cam yüzeyinden soğutucu jetlere olan taşınımla ısı transferini belirlemek için, 300x300x6 mm ölçülerindeki düz bir cam numunesinin temperlenmesini modellemişlerdir. Dört farklı Reynolds sayısında (Re=11000, 22000, ve 4000) çalışılmıştır. Çalışma sonunda, Nusselt sayısının Reynolds sayısının bir üssü ile orantılı olarak değiştiğini saptamışlardır [10]. Sözbir and Yao yaptıkları çalışmada, cam temperlemede, ani soğutma işleminde yüksek basınçlı hava kullanımını azaltmak için, su buharı ilavesi ile basınçlı hava tüketimini ve dolayısı ile de enerji tüketimini azaltmaya yönelik çalışma yapmışlardır. Ani soğutma işlemi sırasında yüksek hızlı hava jetleri kullanmışlardır. Su buharı ilavesi ile sistem için gerekli olan basınçlı hava ihtiyacının önemli bir şekilde düştüğü gözlenmiştir. Test sonuçlarına göre, su buharı kullanımıyla 2 mm kalınlığındaki cam plakalar için hava basıncında yaklaşık olarak %29 luk bir azalma ve 3 mm ve 4 mm kalınlığındaki cam plakalar için ise hava basıncında yaklaşık olarak %50 lik bir azalmayla, ince ve düşük maliyetli temperli camların elde edilebileceğini belirtmişlerdir [11]. Lee et al., farklı kalınlıklardaki camları temperleyerek basma gerilimini ve parçacık sayılarını belirlemişlerdir. 2,1, 2,5, 2,8 ve 3,2 mm kalınlıklarındaki cam boyutları 500x500 mm ve 600x1100 mm dir. 2,5 mm nin üzerindeki kalınlıkların hava jeti ile temperlenebildiğini, 2,1 mm kalınlığındaki camın ise atomize su-hava karışımı ile 314 II. DENEYSEL ÇALIŞMA A. Deney Düzeneği Deney düzeneğinin şematik gösterimi Şekil 1 de gösterilmektedir. Temperleme sürecinde öncelikli olarak yapılması gereken, camın yaklaşık olarak 700 C ye kadar ısıtılması işlemidir. Bu işlem için 10 kw gücünde, 0,38 m 3 iç hacme sahip bir fırın kullanılmıştır. Camın fırına giriş ve çıkışı için fırının ön ve üst tarafı pnömatik olarak açılıp kapanacak şekilde tasarlanmıştır. Fırın duvarlarına 17 cm kalınlığında serabord yalıtım malzemesi, fırının tabanına ise 110 mm kalınlığında 200 mm boyunda ateş tuğlaları yerleştirilmiştir. Fırının dış kısmı 2 mm kalınlığında çelik saç ile kaplanmıştır. Temperleme işleminin geçekleşmesi için camın, temperleme fırınında yaklaşık olarak 700 C ye kadar ısıtıldıktan sonra ani olarak soğutulması gerekmektedir. Soğutma havasının sağlanmasında, 30 kw gücünde 5,1 m 3 /dakika debiye sahip vidalı kompresör kullanılmıştır. Elde edilen hava 5 m 3 hacmindeki basınçlı hava tankına 8 bar basınçta sıkıştırılmaktadır. Basınçlı hava tankındaki hava, giriş filtresinden geçirilerek kurutucuya gönderilmektedir. Kurutucuda nemden arındırılan havanın sıcaklığı düşürülmekte ve kurutucu çıkışında çıkış filtresinden geçerek regülatöre gelmektedir. Ani soğutma ünitesine gönderilecek havanın miktarı regülatörde ayarlandıktan sonra hava akışını kontrol etmek (açmak-kapatmak) amacıyla kullanılan selenoid valfe gelmektedir. Selenoid valften geçen havanın debisi hava hattına yerleştirilen DN 40 Testo 6443 marka debimetre ile ölçülmektedir. Debimetreden geçen basınçlı hava, soğutma ünitesi üzerinde bulunan 122x6x4 cm ölçülerindeki iki adet basınçlı hava odasına gönderilmektedir. Basınçlı hava odalarının her birine ½ çapında birer adet regülatör yerleştirilmiştir. Regülatörlerin amacı her bir nozuldan eşit debide ve basınçta hava üflenmesini sağlamaktır. Debimetrenin pahalı olmasından dolayı tek bir DN15 Testo 6441 debimetre kullanılarak, diğer nozuldaki debi ve basınç ayarı buna göre yapılmıştır. Camın yükleme bölgesinden itibaren fırın içerisine ve soğutma ünitesi önüne taşınması için otomatik olarak kumanda edilebilen raylı taşıyıcı kullanılmıştır. Taşıma işleminde 0,37 kw gücünde bir asenkron elektrik motoru kullanılmıştır. Camın soğutma ünitesindeki görünümü Şekil 2 de verilmiştir.

3 1) Kompresör 2) Hava tankı, 3) Küresel vana, 4) Giriş filtresi, 5) Kurutucu, 6) Çıkış filtresi, 7) Regülatör, 8) Selenoid valf, 9) Debimetre, 10) Hava şartlandırıcı, 11) Basınçlı hava odası, 12) Nozul plakası, 13) Pnömatik piston, 14) NiCr termokupllar, 15) Fırın, 16) Kontrol paneli, 17) Flexible termokupllar, 18) Taşıyıcı, 19) Servo motor, 20) PLC ve otomasyon panosu, 21) Bilgisayar, 22) Hava hortumu Şekil 1: Temperleme ünitesinin basınçlı hava hattı ile beraber şematik görünümü Oto camların parçacık sayıları TS 917 ye göre belirlenmektedir. TS 917 motorlu nakil araçlarında ve römorklarında kullanılan emniyet camları ve cam malzemeleri standardında, kırılan camın 5x5 cm 2 lik bir alan içerisinde parça sayımının yapılması ve parça sayısının 40 dan az 400 den çok olmaması gerektiği ifade edilmektedir [13]. Şekil 2: Camın soğutma ünitesindeki görünümü B. Ölçüm ve Hesaplama Yöntemi Cam temperleme işleminin her aşamasında cam yüzeyindeki sıcaklıkları ölçebilmek için tel çapı 0.81 mm olan K tipi flexible termokupllar kullanılmıştır. Termokupllar cam yüzeyine yatay eksen üzerinde 8 mm aralıklarla yapıştırılmıştır. Yapıştırma işleminde ısı iletim katsayısı yüksek olan CC High Temperature Cement yapıştırıcı kullanılmıştır. Cam boyutları, üçgen dizilişli nozul sistemindeki nozul diziliş yüzey alanına göre belirlenmiştir. S/D=2 oranındaki cam 48x41,5 mm ebatlarındadır. Şekil 3 te cam üzerindeki sıcaklık ölçüm noktaları ve üçgen dizilişli S/D=2 oranındaki nozul sisteminin görünümü verilmiştir. a) b) Şekil 3: a) Sıcaklık ölçüm noktaları, b) üçgen dizilişli S/D=2 oranındaki nozul sisteminin görünümü Üçgen dizilişli S/D=2 oranındaki temperlenen camların parçacık sayısı TS 917 de belirtilen 5x5 cm 2 alanı oluşturamadığından kenarlarından 5 mm boşluk bırakılarak oluşan alan içindeki parçacık sayıları sayılmıştır. S/D=2 oranı için parçacık sayısı belirleme alanı Şekil 4. te verilmiştir. Parçacık belirleme alanı 315

4 Süre, (s) 7 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 13), 30 October-1 November 2013, Istanbul, Turkey Şekil 4: S/D=2 oranı için parçacık sayısı belirleme alanı. S/D=2 oranındaki camların parçacıkları, parçacık belirleme alanından belirlenip 5x5 cm 2 alana karşılık gelen parçacık sayıları Eşitlik 1 den hesaplanmaktadır. Bu çalışmada, ortalama parçacık sayısı 80 den düşük olan temperli camlar zayıf temperli parçacık sayısı arasındaki camlar tam temperli, parçacık sayısı 180 den fazla olan camlar ise aşırı temperli olarak ifade edilmiştir. Şekil 6 da deneylerden elde edilen tempersiz ve temperli camların kırıldıktan sonraki görünümleri verilmiştir PSP PS (1) (1) A P Burada; PS p parçacık belirleme alanında (5x5 cm 2 nin oluşmadığı alan) sayılan parçacık sayısını, A p ise cm 2 olarak parçacık belirleme alanını ifade etmektedir H/D=2 H/D=4 H/D=6 H/D=8 H/D=10 III. BULGULAR ve TARTIŞMA S/D=2 oranında üçgen dizilişli nozul sistemi kullanarak yapılan ani soğutma işlemi sonucu, soğutma süreleri ve parçacık sayıları elde edilmiştir. Şekil 5 te üçgen dizilişli S/D=2 oranındaki camın soğutma sürelerinin Reynolds sayılarına bağlı olarak H/D oranı ile değişimi verilmiştir. Reynolds değerinde en kısa soğutma süresi H/D=4 te 57,5 s iken en uzun soğutma süresi %30,4 artarak H/D=10 da 75 s olmuştur. Bütün Reynolds sayılarında en kısa soğutma süreleri olan H/D=4 sabit iken; Re=15000 değerinde soğutma süresi 57,5 s, Re=25000 değerinde ise en kısa soğutma süresi %25,2 azalarak 43 s olmuştur. Reynolds değeri den e %66,6 artarken, aynı Reynolds değerlerindeki soğutma süresindeki azalma %25,2 olarak hesaplanmıştır. Bu oran kare dizilişteki değişim oranına yakındır. Şekil 5 te; sabit bir Reynolds sayısında en kısa soğutma süresinin H/D=4 oranında, en uzun soğutma süresinin ise H/D=10 oranında elde edildiği görülmüştür. Herhangi bir H/D oranında Reynolds sayısı arttıkça soğutma süresinin kısaldığı görülmektedir. En küçük ve en büyük Reynolds sayılarında yapılan soğutma işleminde, en düşük Reynolds sayısında en kısa ve en uzun soğutma sürelerinde fark 16 sn iken, en büyük Reynolds sayısında en kısa ve en uzun soğutma süreleri arasındaki fark 6 s dir. Soğutma sürelerindeki farkın kare dizilişe benzer şekilde Reynolds sayısı arttıkça genel olarak azaldığı görülmüştür Şekil 5: Üçgen dizilişli S/D=2 oranındaki camın soğutma sürelerinin Reynolds sayılarına bağlı olarak H/D oranı ile değişimi. Şekil 7 de S/D=2 üçgen dizilişli nozullar ile ani soğutulan camların kırıldıktan sonraki görünümleri verilmiştir. Şekil 7 ye göre; yukarıdan aşağıya inildikçe yani H/D arttıkça temper kalitesinin zayıfladığı, soldan sağa gidildikçe ise yani Reynolds sayısı arttıkça temper kalitesinin iyileştiği görülmüştür. Her bir ani soğutma konfigürasyonundan üçer adet üretilen temperli camların aritmetik ortalaması alınarak bulunan parçacık sayılarındaki değişimler grafikler halinde sunulmuştur. Şekil 8 de üçgen dizilişli S/D=2 oranındaki camın ortalama parçacık sayısının Reynolds sayısına bağlı olarak H/D oranı ile değişimleri verilmiştir. Şekil 8 den anlaşıldığ üzere; sabit bir H/D oranındaki parçacık sayısı Reynolds sayısı ile artmaktadır. Sabit bir Reynolds sayısında ise parçacık sayısı en yüksek H/D=4 oranında, en düşük ise H/D=10 oranında elde edilmiştir. Sabit bir Reynolds sayısında parçacık sayısının en yüksek değerinin H/D=4 oranında çıkması, en kısa soğutma süresinin bu H/D oranında elde edilmesiyle açıklanabilir. Re Temperli camlar, temper kalitelerine göre; zayıf, tam ve aşırı temperli olarak adlandırılabilirler. Temper kalitesini ise parçacık sayısı ve parçacıkların biçimi belirler. 316

5 Re=15000, H/D=2 Re=17500, H/D=2 Re=20000, H/D=2 Re=22500, H/D=2 Re=25000, H/D=2 Re=15000, H/D=4 Re=17500, H/D=4 Re=20000, H/D=4 Re=22500, H/D=4 Re=25000, H/D=4 Re=15000, H/D=6 Re=17500, H/D=6 Re=20000, H/D=6 Re=22500, H/D=6 Re=25000, H/D=6 Re=15000, H/D=8 Re=17500, H/D=8 Re=20000, H/D=8 Re=22500, H/D=8 Re=25000, H/D=8 Re=15000, H/D=10 Re=17500, H/D=10 Re=20000, H/D=10 Re=22500, H/D=10 Re=25000, H/D=10 Tempersiz Zayıf temperli Tam temperli Aşırı temperli Şekil 6: Tempersiz ve temperli camların kırıldıktan sonraki görünümleri. Şekil 7: S/D=2 üçgen dizilişli nozullar ile ani soğutulan camların kırıldıktan sonraki görünümleri. 317

6 Ortalama Parçaçık Sayısı 7 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 13), 30 October-1 November 2013, Istanbul, Turkey 400 H/D=2 H/D=4 H/D=6 H/D=8 H/D=10 Alt sınır Üst sınır Re Şekil 8: Üçgen dizilişli S/D=2 oranındaki camın ortalama parçacık sayısının Reynolds sayısına bağlı olarak H/D oranı ile değişimi. Yapılan ani soğutma işleminde, soğutma süreleri ile parçacık sayıları beraber değerlendirildiğinde; parçacık sayısının soğutma süresi ile ters orantılı olarak değiştiği görülmüştür. IV. SONUÇLAR soğutma süresinin bu H/D oranında elde edilmesiyle açıklanabilir. Soğutma süreleri ile parçacık sayıları beraber değerlendirildiğinde; parçacık sayısının soğutma süresi ile ters orantılı olarak değiştiği görülmüştür. Sabit bir H/D oranındaki parçacık sayısı Reynolds sayısı ile artmaktadır. Sabit bir Reynolds sayısında ise parçacık sayısı en yüksek H/D=4 oranında, en düşük ise H/D=10 oranında elde edilmiştir. Sabit bir Reynolds sayısında parçacık sayısının en yüksek değerinin H/D=4 oranında çıkması, en kısa Çalışmadan elde edilen sonuçlar, daha büyük S/D oranları ve Reynolds sayıları ile yapılan soğutma işleminden elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılarak optimum S/D oranının, H/D oranının ve Reynolds sayısının belirlenemsinde kullanılabilecektir. KAYNAKLAR [1] Martin, H., Heat mass transfer between impinging gas jets and solid surfaces, Adv. Heat Transfer, 13 (1): 1-60, [2] Viskanta, R., Heat transfer to impinging isothermal gas and flame jets, Experimental Thermal and Fluid Science, 6 (2): , [3] Button, D. L., and Wilcox, D., Impingement heat transfer - a bibliography , Preview Heat Transfer, 4 (1): 83-98, [4] Gaunter, J. W., Livingwood, J. N. B., and Hrycak, P., Survey of literature of flow characteristics of a single turbulent jet impinging on a flat surface, NASA, TN D-5652, [5] Goldstein, R. J., and Cho, H. H., A review of mass heat transfer measurements using naphthalene sublimation, Experimental Heat Transfer Fluid Mechanics and Thermodynamic, 10 (4): 21-40, [6] Buchlin, J. M., Brossard, J., and Gouriet, J. B., Infrared thermograph study of heat transfer in an array of round jets, 7th Int. Conf. on Quantitative Infrared Thermography, Rhode-St-Genese, D-17:1-7, [7] Buchlin, J. M., Gouriet, J. B., Planquart, P., Von Beeck, J. P. A. J., and Renard, M., Infrared thermograph study of heat transfer in an array of slot jet, In Quantitative Infrared Thermography QIRT 2000, 12 (4): ,

7 [8] Hollworth, B.R., and Berry, R.D., Heat transfer from arrays of impinging jets with large jet-to-jet spacing, J. Heat Transfer, 100 (2): , [9] Yazıcı, H., Oto cam temperleme işleminde farklı Reynolds sayılarına göre optimum soğutma ünitesi konfigürasyonunun belirlenmesi, Doktora Tezi, Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, [10] Monnoyer, F., and Lochegnies, D., Heat transfer and flow characteristics of the cooling system of an industrial glass tempering unit, Applied Thermal Engineering, 28 (17-18): , [11] Sözbir, N., and Yao, S. C., Experimental investigation of water mist cooling for glass tempering Atomization and Sprays, 14 (3): , [12] Lee, H., Cho, S., Yoon, K., and Lee, J., Glass thickness and fragmentation behavior in stressed glasses, New Journal of Glass and Ceramics, 2 (2): , [13] Türk Standartları Enstitüsü, Motorlu nakil araçlarında ve römorklarında kullanılan emniyet camları ve cam malzemeleri, Türk Standartları Enstitüsü, TS 917, Ankara,