ELEKTRİK İLETGENLERİ, APARATLARI VE MAKİNALARININ ISINMASI*

Transkript

1 ELEKTRİK İLETGENLERİ, APARATLARI VE MAKİNALARININ ISINMASI* Çeviren: Hüseyin Elektrik Mühendisi Nadir Akı geçen bir iletgende ısıya çevrilen elektriksel güç Nv (Juole ya da güç kaybı) önce onda sıcaklık yükselişine yol açar. Isınanın başlangıcında akı iletgeninin çevresinde t? sıcaklığı vardır. Isınadan sonra çevreye hiç sıcaklık yayılazsa, yani iletgenin çevresi ideal bir ısı geçirez tarafından çevrilse, o zaan sıcaklık küçük akılarda bile sürekli şekilde zaana bağlı olarak yükselecektir. G, iletgen ağırlığı, c sıcaklık katsayısı, d sıcaklık ve d - & iletgenin sıcaklık yükselişi ise, iletgende biriken ısı Bu sıcaklık birikii, "t" zaanında bir Nv kayıp gücünde oluşur, juol kanununa göre 0 = Nv.t (çal) (2) yukarıdaki forüller eşitlenek suretiyle * Bu yazı, "Grundlagen der Elektrotechnik" adlı kitaptan çevriliştir. G.c (ı? - ı? ) = 0,239.Nv.t Buradan sıcaklık yükselişi olur ki zaanla değişkendir. bulunur. o Fakat söylendiği gibi, çevreye hiçbir ısı iletilediği zaan yani doğrudan doğruya bağlandıktan sonra, sıcaklık henüz hiç yükselediği zaan, bu böylece uzun zaan sürer (kısa süreli yük). Ancak çoğalan sıcaklıkla ortaya çıkan ısının bir kısı çevreye yayılır. Bu sıcaklık akıı, sabit şartlarda iletgenle onun çevresi arasındaki sıcaklık farkı ne kadar büyükse o kadar kuvvetli olur. Elektrik akıı ve dolayısiyle de onun usule getirdiği sıcaklık değişezse o zaan belli bir d ax son sıcaklıkta, tü ortaya çıkan sıcaklık sonunda çevreye yayılır. O zaan sıcaklık yükselişi hiçbir şekilde sürez, sıcaklıkta belli bir kararlı duru ortaya çıkıştır. Bu hale, sürekli yüklee denilir. Sıcaklığın çevreye geçişi, ısı iletii ve radyasyonla (strahlung) olak üzere iki şekilde eydana gelir. Burada, ısının olekülden oleküle zincirlee yayılabildiği bir çevre kabul edilir. Böyle bir akıa "dokuna yahut konveksiyon akıı" denir. Bu şekil sıcaklık akıı, elektrik akina ve apartanlarının ısınasında rastlandığı üzere genellikle küçük sıcaklık farklarında ortaya çıkar. Çok yüksek sıcaklıklarda yaklaşık koyu kırızı kor ateşinin başlaası ile, asla çevreye sıcak lık ileteyi gerektireyen ve hatta, ısıtıcı telinde usule gelen ısıyı heen heen yalnız radyasyonla çevreye ileten akkor flaanlı labada en iyi şekilde üşahade edilebildiği üzere hava boşluğu ortaından da geçebilen sıcaklık akıının ikinci şekli olan radyasyon üstün gelir. Fakat bütün hallere göre, ısınış teldeki ısı akıının, elektrik akıındaki oh kanununa benzerlik gösteren belli bir kanuna göre çevresine yayıldığı tesbit edilebilir. Sıcaklık akıı, ya (çal) cinsinden bir saniyede çevreye yaydığı ısı, ya da buna uygun olan Nv güç kaybı ile adlandırılır. Isı akışının nedeni, akı geçen iletgen ile doğrudan doğruya onun çevresi arasındaki sıcaklık farkıdır. Biz burada onu $j 'iç aşırı sıcaklık" olarak işaret etek istiyoruz. O elektrik akı devresinin EMK'sına ya da kaynak geriliine benzeektedir. Sıcaklık akıı çoğu kez bir çok yerlerden geçecektir. Zira akı iletgen i (örneğin bir cihazın ya da aki narı bobini) ekan içinde çıplak ve boşlukta değildir. Çoğu kez bir izole addesi ve ısıyı geçiresi gereken diğer cisiler tarafından da çevriliştir. Onun önlenez şekilde yayılabildiği ilk yer o zaan çevresindeki havadır. Dış yüzey ile onun çevresi arasındaki 124 ELEKTRiK MÜHENDiSLiĞi 300

2 sıcaklık farkını yine # - ı^ "dış aşırı sıcaklık" olarak işaret etek istiyoruz. Nihayet, sıcaklık akıı bir de ısı geçirgenlik niteliğine veyahut onun tersi olan değere yani ısı direncine bağlıdır. Buna göre Oh kanununda olduğu gibi bir forül ortaya çıkar. Isı akıı Nv = Rt (W) olur ve buradan C) elde edilir. zorundadır. O zaan ortalaa topla kalınlığın tesbiti için tabakaların yarısı kabul edilebilir, "n" tabakaların sayısı, "a" tabakalar arasındaki izole tabakasının kalınlığı olursa, bu takdirde bobinin içten dışa doğru ısı direnci Rt = 8t ( C/w) olur. (5) O zaan azai iç aşırı sıcaklık iç sıcaklık ı?: = Nv.Rt ı?j = Nv.Rt yada Rt ısı direnci, elektriksel dirençde olduğu gibi bizi, iletgen telin çevresini kaplayan ısı izole addesinin "a" kalınlığı olarak işaret ettiğiiz ısı yolunun uzunluğuna bağlıdır. Biz burada bir de sipesifik bir ısı direnci "g t " kabul edebiliriz. Bu 1 c 2 lik yüzeyde 1 c kalınlığındaki izole addesinin direncîdir. Buna göre ısı direnci, Rt = g t ( C/W) ifadesine göre bulunur. (4) Burada F, ısıyı geçiren kesittir. Sipesifik ısı direncinin ölçü birii, yukarıdaki ifadeye /*" göre ( -~) bulunur. Aşağıdaki tabloda sipesifik ısı direnci için birkaç değer veriliştir. Gereç Tablo-3 Bakır Alüinyu g t 0,26 0,5 Tekstil Ürünleri Yağ Hava En küçük bir ısı direnci bekleniyen etauarde, izole addesinin direnci yanında, onun direnci ihal edilebilir. Bobinlerin Isınası: örnek olarak akı iletgeni, içerde ve her iki alın yüzlerinde kalın izole addesinden oluşan, öyle ki ısı sadece bir tabakadan diğerine radyal olarak dışa doğru yayılabilen, bir bobin olduğu takdirde ısı izolasyon kalınlığı olarak, ayrık (ünferit) tabakalar arasındaki izole tabakalarının topla kalınlıkları kabul edilebilir. Ancak o zaan ısı gelişii bütün tabakalara yayıldığından öyle ki üst tabakanın tsısı, daha az tabakadan, fakat alt tabakaların ısısı da birçok tabakadan geçek *i = N V -y- g t p ( C) bulunur. (6) F değeri, c 2 cinsinden ortalaa sargı tabakaları yüzeyleridir. Dış tabakaların sıcaklığı biraz daha düşüktür. Ortalaa iç aşırı sıcaklık olarak sonuncu forüle göre hesaplanan değerin"yaklaşık 2/3'ü kabul edilebilir. Fakat, ısının bir kısı da içeriye doğru ve her iki alın tarafında yayılabileceği için bu değer de yaklaşıktır, örneğin, sıcaklık yayılışı içerde, dışardaki kadar kuvvetli ise o takdirde ısı direnci de sadece yarı büyüklükte ve oradan geçen ısı akıı da aynen yarı değerinde olur, öyle ki iç aşırı sıcaklık ancak yukarıda belirtilen forüle göre hesaplanan değerin yaklaşık 1/4'üne eşit olur. Buradan, ısı ileti şartlarına çok bağılı olduklarından sıcaklıkları, çok hassas bir şekilde hesaplaanın ükün oladığı görülektedir. Fakat, bu hesaplaalarla, aşırı sıcaklıkların hangi sınırlar içinde kaldığı konusunda bir derece fikir sahibi olunabilir, t? dış yüzeydeki ve & Q, çevredeki sıcaklık, ı? - t^ sıcaklık farkı ise, o zaan dışarıya yayılan ısı, sıcaklık farkı ve Fo yüzeyi ile değişektedir. = CFo(t?-ı? C Faktörü, 1 c 2 lik üst yüzey'e düşen 1 C lik sıcaklık farkında yayılan ısıdır ve soğuta şartlarına bağlıdır. O, ısı geçirgenlik katsayısı olarak işaret edilen apirik bir katsayıdır. Suni soğuta kullanılıyorsa o zaan C değeri yaklaşık olarak C = 0, ,0015 cal/c 2 C arasındadır. Suni soğutada ısının konveksiyonla da yayıldığı yüksek sıcaklıklarda da aynen C biraz daha büyük olur. Şu halde, ısına olayının, iki ayrı peryot halinde oluşturulabildiği ortaya çıkar. (7) 1 Kısa Yüklee Süresi: Dışarıya henüz esaslı bir ısı yayıladığı halde, forül (2)'ye göre ortaya çıkan ısı, burada sadece akı iletgeninin sıcaklık yükselişine yardı eder. Sıcaklık heen heen zaana bağlı olarak yükselir. ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

3 2- Sürekli Yüklee: Bunun için (1)...(7) no'lu forüller geçerlidir. Sıcaklık yükseldikçe, ortaya çıkan bütün ısı ı, evreye yayılır. Her iki yüklee şeklinin kesin şekilde birbirinden ayırdedilesi gerekir. Kısa süreli yükleede, iki bağlantı arasında akışı/ ara vere süresi öyle uzar ki akı iletgeni onun çevresindeki sıcaklığa kadar soğuyabilir. Aşağıdaki örnek bunu aydınlatacaktır. 1 = w.i = ,1 = , konulursa, sıcak durudaki sargını n direnci, R 9 = g ~'~~ = , Buna göre akı şiddeti U = 210 = 0,143 A Isıya çevrilen güç, Nv = U.l = 30.0,143 = 4,29 W Bu ısı yalnız radyal olarak dışa doğru yayılabilirsc, o zaan aksiu iç sıcaklık, ^Nv _l g^=4, 9 J _.600.^1-8,5 c- V. 3 obin Ctİt t'fioakası Her iki alın yüzeylerine doğru da sıcaklık yayılabileceğinden, gerçekte biraz daha küçük olacaktır. Soğutucu üst yüzeyler, dış kılıf yüzeyleri ile her iki alın yüzüylerinden oluşurlar. Yani, Kılıf yüzeyleri F om = (4.2,2+3,14.1,6).3=41 c 2 Alın yüzeyleri F ost = 2(4.2,2.0,8+0,8.3,14) = 18 c 2 F 0 = 59 c 2 /;-- :±! 3\ O halde, forül (7) 'e göre dış aşırı sıcaklık Û-& = Nv 4.29 = 60,5C o C.F 0 0, <> Q = 20 C lik bir dış sıcaklıkta #=60,5+20=80,5 C Örnek: Resi 1'e göre bir bobinin, 0,2 çapında bir bakır tel ve 1 10 sarı ile 30 katlı bir sargısı vardır ve 30 V.luk bir gerilie bağlanıştır. Çıplak bakır gerecin topla kalınlığı 30 x 0,2 = 6.dir. Katlar arasındaki izole tabakasının kalınlığı deek oluyor ki, 8-6 = 0,066 = 0,0066 c dir. Ortalaa sargı katlarının çevresi, i = 700 = 0,1 olacaktır. Tel uzunluğu as/ için En büyük iç aşırı sıcaklık o zaan, lî iax = # + <?j = 80,5 + 8,5 = 89 C Örnek: Çevreye hiçbir ısı yayılasa, 20 C lık bir dış sıcaklıkta d - ü* = 60>5 c nk sıca k ık çoğalasına uygun olan, ı9 = 89 C lık azai sıcaklığa, son örnekteki bobinde ne kadar zaan sonra erişilecektir? öy-leki sıcaklık (2) no'lu forüle göre zaanla değişektedir. Çözü: Bakırın yoğunluğu 7 CU = 8,9 g/c 3, telin uzunluğu "1" c ve kesiti "q" c 2 olarak konulursa bakırın ağırlığı, 126 ELEKTRİK MÜHENDiSLiĞi 300

4 - Tcu = Bakırın sipesifik ısısı c = 0,092 (cal/g C ) 0,0066 c kalınlıkta 30 adet izole ara tabakasının haci, 30.0, = 5,94 c 3, ve 7 İS = 2 g/c 3 Yoğunlukta ağırlık, Gj s = 5,94.2 = 11,88 gr. İzole addesinin sipesifik ısısı, Cj s = 0,3 cal/g C ise, zaan (2) forülünden bulunur. t = 0,239 Nv 92, ,88.0,3 11 dak.52s. 0,239.4,28 Bu zaana, yalnız bobin ölçülerine ve gerece bağlı olan "T" zaan sabitesi adı verilir. Örnek: Bir dakika sonra 70 C lık azai aşırı sıcaklığa erişilir ve sonra tekrar açılırsa (kısa yüklee süresi), bobin ne kadar güçle yüklenebilir? Bu bobine bu zaan için ne kadar gerili tatbik edilebilir, akıın büyüklüğü nedir? Çözü: (tf - #1) = 0,238.t 0, ,2.0, ,3 Nv = -.70 = 58,7W VNvTR=V58,7.210 = 111 = V. U 111 -=0.528 A. R 210 0,239.Nv.t SG.c Ortalaa Yüklee Süresinde Isına: 8,9 = 92,2 g -.60,5 = 712s =, buradan Şidiye kadar (2) no'lu forüle göre kısa yüklee süresi (3...7) forüllerine göre sürekli yüklee olak üzere her iki kesin hali tanııştık. Bir de, yüklee süresi ne kısa ne de uzun olan üçüncü bir hal vardır. Bu hangi sıcaklığın başlangıç değerinden azai değere yükseleceği zaandır. Yani yu- karıda belirtilen zaan sabitinden biraz daha büyük olan zaandır. Teorik olarak bu zaan için de sıcaklık yükselişi hesaplanabilir. Bunun forülü t i9 = t? ax( 1 -e~~^p) dir. (8) Forül (7)'ye göre, # ax sürekli yükleede azai aşırı sıcaklık ve T zaan sabitesidir ki, bu çevreye hiçbir ısı yayılazsa, $ ax aşırı sıcaklığa erişilen zaan anlaına gelektedirler. (2) no'lu forüle göre hesaplanır. Fakat gerçekte sıcaklık yükselişi, forül (8)'e göre hesaplanan değerden az ya da çok farklı olacaktır. Ve şöyleki aşağıda belirtilen sebeplerden; Forül (8)'de, T'nin belirli sabit bir değere sahip olduğu kabul ediliyor. Fakat (3) ve (7) forüllerinden görüleceği üzere T ve ı? ax değerleri, Nv, G, C, c ve Fo değerlerine bağlıdır. Bu değerler hiçbir şekilde sabit olazlar ve şöyle ki; 1 - Direnç ısına ile yükseldiği için, Nv bu yüzden sa bit değildir. Bobine sabit bir gerili tatbik edilirse, Nv gücü, yükselen sıcaklıkla düşer. Buna karşılık akı sabit olursa, yani bobine seri olarak değeri sabit bir direnç bağlanırsa, o zaan Nv çıkan sıcaklıkla çoğa lır. 2 - "G" ağırlığı, ısıtılan gerecin ağırlığıdır. Ancak ısı nın yayılası yüzünden, bakır sargısından sonra ısı ya vaş yavaş sürekli şekilde diğer kısılara yani bobin gövdesi, deir çekirdeği, endüvi tesbit eleanları vb. ye yayılır; öyle ki yükselen sıcaklıkla "G" ağırlığı da çoğalır. 3- Sıraya göre ısıtılan gereçler, değişik sipesifik ısın a değerlerine sahip olduğundan, yükselen G ağırlığı yüzünden "c"de hiçbir şekilde sabit olaz. 4 - "C" ısı geçirgenlik katsayısı, sabit çevre şartların da da değişir, çünkü ısının yayılasında ana paya a lik olan bobinin heen civarında bulunan hava akı ları, yükselen sıcaklıkla sürekli şekilde canlı tutulurlar. Bundan başka ısı, soğuta şartları çeşitli olan, kısı lara yayılır. 5- Soğutan üst yüzeyde ısının yayılası ile çoğalır. Belirtilen faktörlerin değişikliği ile sıcaklık yükselişi, onun forül (8) ile bulunan değerinden taaen başkadır. Sonucu resi 2'de gösterilen bir deneyle buna etkisi açıkça görülebilir. Resi 1 'e göre olan ağnetik bobin, bir salt koruyucu için tecrübe ediliştir. Bobin önce yalnız deir çekirdeksiz, sonra deir çekirdekli olarak aparat'a yerleştirilerek deneye tabi tutuluştur. Doğru akıda sabit bir yükle yükleede, sökülerek ve serbestçe asa üstüne konan bobinde "a" ısına eğri- ELEKTRtK MÜHENDİSLİĞİ

5 si ölçülüştür. O, alabildiğine kadar bir hassasiyetle kesik çizgi ile çiziliş olanı, forül (8)'e göre hesaplanış eğriye uyaktadır. Bobin, deirle birlikte aparata konduğu zaan, sıcaklık yükselişi taaen başka türlü cereyan eder. Yani, ortaya çıkan ısı, deir çekirdek ve aparatın diğer eleanlarına da akın eder. 0 zaan ısına olayı, aynı yükte, hesaplanan şekil den çok farklı olan "b" eğrisine göre cereyan eder. İlk zaanda yalnız bobinin bakır sargılarının ısıtıldığı görülür. Sıcaklık yükselişi heen heen bobinin çıka rılış olduğu durudakine benzer cereyan etekte dir. Fakat çoğalan sıcaklık yükselişi ile deir çekirde ğe ve diğer eleanlara geçeye başlar. Sıcaklık yük selişi çok yavaş şekilde kendiliğinden oluşur. Elektrik akinalardaki ısına da aynı şekilde oluşur. Isıya çevrilen güç, ancak burada birçok kısılardan eydana gelir, eselâ endüvideki ve ağnetik sargıdaki bobinlerin ısınası, deirdeki ağnetik kayıplar ve nihayet sürtüne kayıpları, bütün bu kayıplardan "r)" veriin 1 'den küçük olduğu sonucu çıkar. Veri, (%) olarak gösterilir ise, o zaan akine gücünün %(100-17) katı kayıp olarak ısıya çevrilir. Sıcaklık farkı, yukarıda belirtilen farklılıkları (1 ilâ 4 görüşleri) gözönüne alınarak yeniden forül (8)'e göre yapılır. Şidi biraz da serbestçe geriliş ya da borular içine döşenen hatların ısınası konusundan söz edeli. Çıplak bir bakır tel serbestçe gerilirse ve akıla ısıtılırsa o zaan heen ısınanın son duruuna gelinir, yani bizi sürekli bir yüküüz vardır. Ortaya çıkan ısı üst düzeylerden çevreye yayılır. Bunun için (7) forülü geçerli olur. Telin direnci R( 2) ve akı şiddeti 1 olursa bu takdirde, Nv = l AR gücü ısıya çevrilir. (7) no'lu forüle göre (40) I 2.R = FoC (d - 1? 0 ) elde edilir. "l" telin uzunluğu (), "d" çapı () olursa, onun üst yüzeyi, Fo = 7rdl.10(c 2 ) olur. q = forülünden iletgen çapı d = () tesbit edilir ve bu değer "Fo" forülüne konulursa Fo=10ff 1 V Telin direnci R= 1 (c 2 ) olur. Yukarıdaki ifadeye konulan bu değerler,2_l!. =l0ır1 /H q ir C(ı? - ı? ) elde edilir. C = 0,0012 cal/c 2 C konulursa, o zaan birkaç işleden l = sonra; (A) bulunur. Örnek: Bir bakır iletgenin kesiti 50 2 dir. Daha yüksek bir sıcaklık göz önüne alınarak sipesifik direnç g = 0,02 kabul edilirse, d -d = 30 C lik aksiu bir sıcaklık yükselişi için azai akı şiddeti hesaplanabilir. Çözü: Verilenler: # - # = 30 C, g = 0,02 t ı q = 50 2 l = 0.206V - V 50 3 = 150 A Sıcaklık yükselişi İzolasyonun kalın olası yüzünden izoleli iletgenlerin dış çapı daha büyüktür, yani soğuta yüzeyi aynı kalınlıktaki çıplak iletgene göre daha büyüktür. Bundan başka izole addesi Tablo 3'e göre aynı kalınlıktaki hava tabakasına göre daha küçük ısı direnci gösterir. Bundan dolayı aynı çapta ve aynı akı şiddetinde çıplak iletgen izoleliye göre daha sıcak olur. İ 28 ELEKTRiK MÜHENDİSLİĞİ 300