İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE LABORATUVARI II

Transkript

1 İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE LABORATUVARI II DENEYLER: 1. TEK KADEMELİ MEKANİK BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA ÇEVRİMİNİN LOG P-H DİYAGRAMI ÜZERİNDEN ANALİZİ 2. BORU BASINÇ KAYIPLARI 3. ÇEKME DENEYİ 4. ISI İLETİMİ DENEYİ 5. SERİ/PARALEL SANTRİFÜJ POMPA DENEYİ 6. TERMOELEMAN - DOĞAL VE ZORLANMIŞ ISI TAŞINIMI 7. VİDA VERİMİNİN BELİRLENMESİ 8. MEKANİK TİTREŞİMLER 2015

2 DENEY RAPORLARININ HAZIRLANMASINDA UYULMASI GEREKEN GENEL KURALLAR 1. A4 boyutunda çizgisiz kağıt kullanılacaktır. 2. Kağıdın sol, üst ve alt taraflarından 3 er cm ve sağ tarafından 2 cm kenar boşluğu bırakılacaktır. 3. Deney raporları mavi tükenmez kalem kullanılarak, okunaklı biçimde el ile yazılacaktır. 4. Cümleler kısa ve imla kurallarına uygun olmalıdır. 5. Ana başlıklardan sonra en fazla iki alt başlık kullanılacaktır. Örnek: 1. Ana başlık 1.1 Alt Başlık Alt Alt Başlık Alt Alt Başlık 2 6. Tablolar ve/veya Şekiller sayfanın başında veya sonunda, sayfaya ortalanmış biçimde yer almalı, metin arasında olmamalıdır. 7. Tablo başlıkları tablo üzerinde, şekil başlıkları ise şeklin altında numaralandırılarak yazılmalıdır. Tablo 1. Deney verileri. 30 Yeni metod ile kestirilen F SOL Yeni metod ile kestirilen F MG 25 Klasik metod ile kestirilen F SOL Klasik metod ile kestirilen F MG Gerçek F SOL 20 Gerçek F MG Kuvvet (N) Hareket süresi (ms) Şekil 1. Kuvvet-Zaman eğrisi 8. Tablo ve/veya Şekiller ile ilgili hesaplamalar uygun ofis programları (Word, Excel, MATLAB, vb.) kullanılarak hazırlanacaktır. 9. Denklemler uygun ofis programı (MS equation editor, MathType, MathCad, vb.) ile yazılmalıdır. 10. Raporun hazırlanması sırasında kullanılan kaynakların yazımı aşağıda verilen biçime uygun olmalıdır. a. Kaynaklar makale içerisinde atıf sırasına göre köşeli parantez içerisinde [1] şeklinde numaralandırılmalıdır. Kaynaklar bölümü bu sıra ile yazılmalıdır. b. Yararlanılan eserler kaynaklarda gösterilirken aşağıdaki örneklere uygun olarak yazılmalıdır. Yararlanılan eser bir makale ise; Arslan Y, Tan MB, 1997, Kas kuvvetlerinin sonlu elemanlar yöntemi ile analizi, Makine Mühendisliği Dergisi, 21, Bildiri ise; Arslan Y, Ran NH, 1968, Kas kuvvetlerinin optimizasyon ile analizi, 15. Makine Mühendisliği Kongresi, Eskişehir, Türkiye, Kitap ise; Arslan Y, Sürmeli C, 2013, Kas kuvvetlerinin analizi, Cengiz Yayınevi, Eskişehir, Türkiye 1

3 İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE LABORATUVARI II DENEY NO: 1 TEK KADEMELİ MEKANİK BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA ÇEVRİMİNİN LOG P-H DİYAGRAMI ÜZERİNDEN ANALİZİ Öğretim elemanı adı ve soyadı : Öğrenci adı ve soyadı : Öğrenci numarası : Grup no : Deneyin yapılış tarihi ve saati : Deney raporu teslim tarihi ve saati : 2

4 TEK KADEMELİ MEKANİK BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA ÇEVRİMİNİN LOG P-H DİYAGRAMI ÜZERİNDEN ANALİZİ 1. Giriş Tek kademeli buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma sistemlerinde ortam sıcaklığının istenilen düzeyde tutulabilmesi için soğutucu akışkana dışarıdan bir iş verilmesi gerektiği hatırlanırsa, soğutucu akışkana verilen işin ne kadarının ortam sıcaklığını istenilen düzeyde tutulabilmesi için harcandığı bilinmelidir. Bir soğutma sisteminin, soğutulmakta olan hacim veya hacimlerden transfer ettiği ısı miktarına sistem kapasitesi veya soğutma yükü denir. Sistem kapasitesi kw (kj/sn), Kcal/h veya BTU/h birimleri cinsinden ifade edilir. Gerçek kapasite değerlerinin, TS EN 814 e göre T1 şartlarında test edilip belgelendirilmesi gerekir. 2. Deney 2.1. Deney düzeneği Kılcal boru Sıvı deposu Filtre-kurutucu Saydam evaporatör Saydam kondenser kompresör S-805 Saydam Soğutma Eğitim Seti Şeması 3

5 Teknik Özellikler MALZEMENİN ADI TANIMI Kompresör Embraco EM30HHR Kondenser 10x6,5 mm-3,5 m pnömatik hortum Kondenser fanı Sarex radyal fan 24cm Evaporatör 10x6,5 mm-3,5 m pnömatik hortum Evaporatör fanı Sarex radyal fan 24cm Kılcal boru 800 mmx 2,05mm Filtre-kurutucu 20 gram, silikagel Sıvı deposu 20x165 mm bakır boru Basınç göstergeleri Gömme tip REFCO Sıcaklık göstergesi ESM 3710 Sıcaklık duyargaları PTC dişli tip, 4 adet 2.2. Deneyin amacı Basınç ve sıcaklık değerlerini soğutma sistemi üzerinden elde ederek, tek kademeli mekanik buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine ait logp-h diyagramını çizmek ve sonuçlarını yorumlamak Deneyin öğrenme çıktıları Öğrenciler, çalışan bir soğutma sistemi üzerinden veri elde edip, bu verileri hesap ve yazılım kullanarak yorumlama becerisi kazanacaklardır. Sistemi enerji verimliliği açısından analiz edebilme yeteneği elde etmeleri beklenmektedir. 4

6 3. Teori 3.1. Log P-h diyagramı Diyagramda soğutucu akışkan, kondenser çıkışında (3) noktasında doyma doymuş sıvı, evaporatör çıkışında (1) noktasında ise doymuş buhar halindedir. İdeal bir soğutma çevrimi bu diyagramdaki gibi çalışmaktadır. Fakat, uygulamada dış havanın ve soğutulan hacmin sıcaklığının değişken olması diyagramdaki doyma eğrilerinden sapmalara neden olmaktadır. Soğutulan hacim, sürekli olarak yüksek ısı kaynağı çevre havasının ve diğer ısı kaynaklarının etkisi altındadır. Soğutulacak hacimdeki ısı kazançlarına göre soğutma yükü belirlenip, bu P Kritik Nokta 3 Yoğuşma 5 2 Mutlak Basınç (bar) 4 Genleşme Buharlaşma 1 h 3 h 1 h 5 h 2 h kj/kg ısının soğutulan hacimden uzaklaştırılabilmesi için, yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarına göre evaporatörde birim zamanda dolaştırılacak akışkan miktarını belirlemek gerekecektir. Soğutma yükü, ısı kazançları hesaplanıp bulunduğuna göre, sistemin doymuş buhar halindeki özgül entalpisi ve sıvı halindeki entalpisi termodinamik tablodan bulunarak, aşağıdaki eşitlik yardımıyla sistemde dolaştırılması gereken akışkan miktarı bulunabilir. Q 0 =m r.(h 1 h 3,4 ) Q 0 =Sistem kapasitesi m r =Sistemde dolaştırılması gereken akışkan miktarı ( kg/h) h 1 =Soğutucu akışkanın evaporatör çıkışında doymuş buhar halindeki ısı tutumu h 3,4 =Soğutucu akışkanın kondenser çıkışında doymuş sıvı halindeki ısı tutumu 5

7 Qo kj / h kj kg mr kg / h h h kj / kg h kj 1 3,4 Q r 0 m h1 h3, Kompresör Kapasitesi Kompresör kapasitesi sistemdeki soğutucu akışkan buharını emip kondensere basabilecek değerde olmalıdır. Soğutucu akışkanın hareket hacmi sistem kapasitesine göre oluştuğundan herhangi bir soğutma devresi için kompresör kapasitesi sistemin soğutma kapasitesine eşit olmalıdır. Herhangi bir sebeple sistemde kompresör değişimine gidildiğinde, yeni kompreörün aynı kapasite değerlerinde olmasına dikkat edilmelidir. Kompresör kapasitesi soğutma kapasitesinden küçük olursa buharlaşma sıcaklığı ve basıncı yükselerek yeterli soğutma yapılamadığı gibi kompresörde zorlanma olur. Kompresör kapasitesi sistemin soğutma kapasitesinden büyük olursa, buharlaşma sıcaklığı ve basıncı düşer. Hatta alçak basınç tarafı vakuma inerek muhtemel bir kaçak durumunda sisteme atmosfer havası sızabilir. Bu durumda soğutma devresinde soğutucu akışkanla birlikte atmosfer havası dolaştığı için soğutma tesirini düşürdüğü gibi yeterli kapasitede soğutma yapamayarak kompresör işini artırır. Soğutma sistemlerinde yoğuşma sıcaklığının ve buharlaşma sıcaklığının sabit olmaması, sistem kapasitesini de değişken haline getirmektedir. Bu değişkenliği en az değerde tutmak için kompresör devir sayısını yüke göre değiştiren sistemler ve buharlaşma basıncını otomatik veya elle sabit tutacak basınç regülatörleri geliştirilmiştir Şıkıştırma işlemi Sıkıştırma işleminde P-h diyagramında görüleceği üzere doymuş buhar noktası 1 de emilen soğutucu akışkan buharı kompresör tarafından 2 noktasına kadar basılarak soğutucu akışkanı kızgın buhar haline dönüştürülür. Bu sıkıştırma işlemi sırasında kompresöre verilen işin ısı eşdeğeri; h h kj kg q y / 2 1 Sistemde (m) kg soğutucu akışkan dolaştırılıyorsa; kg kj Qy mr 2 1 / h kg h h kj h 6

8 3.4. Yoğuşma İşlemi P-h diyagramından görüleceği üzere, [2] noktasında kızgın buhar halindeki soğutucu akışkan, q 2,3 ısının bir miktarını atmosfer havası veya suya transfer edip entalpisi (h 2 -h 5 ) kadar azalarak [5] noktasında doymuş buhar haline dönüşmüştür. [5]noktasında doymuş buhar haline gelen soğutucu akışkan, q 2,3 ısısının kalan kısmını da yoğuşturma ortamına transfer ederek 3 noktasınında doymuş sıvı haline gelerek entalpisi (h 2 -h 3 ) kadar azalır. P-h diyagramında entalpideki toplam değişme (h 2 -h 5 )+(h 2 -h 3 ) veya h 2 h 3 kadardır. Kondenser tarafından yoğuşturma ortamına transfer edilen birim ağırlıktaki soğutucu akışkan için yoğuşma ısısı q k =h 2 -h 3, kj/kg Sistemde m(kg) soğutucu akışkan dolaştırılıyorsa, kondenser yoğuşturma kapasitesi; kg kj Qk m r 2 3 / h kg h h, kj h olur. 4. Deneyin Yapılışı 1. Ana şalteri açın. 2. Şalterleri yardımıyla kompresör ve evaporatör/kondenser fanlarını çalıştırın. 3. Sistemin kararlı hale gelmesi için belli bir süre bekleyin. 4. Çevrim köşe noktalarındaki sıcaklıları (t 1 ile t 4 arası) tabloya kaydedin. 5. Alçak taraf ve yüksek taraf basınçlarını tabloya mutlak değer olarak kaydedin (Manometre basınçlarına atmosfer basıncı olarak 1 bar ilave edin). 6. Ekteki log P-h diyagramı üzerinde aşağıdaki işlem sırasına göre diyagramı çizin: 1 noktasının bulunması: Bu nokta alçak taraf basıncı (P 1 ) ile kompresör emme hattı sıcaklığı (t 1 ) in çakıştırılmasıyla bulunur. 2 noktasının bulunması: Yüksek taraf basıncı (P 2 ) ile kompresör basma hattı sıcaklığı (t 2 ) çakıştırılarak bulunur. 3 noktasının bulunması: Yüksek taraf basıncı (P 2 ) ile kondenser çıkış sıcaklığı (t 3 ) çakıştırılarak bulunur. 4 noktasının bulunması: 3 noktasından aşağıya doğru inilerek alçak taraf basıncı (P 1 ) ile kesiştirilerek bulunur. 7

9 5. Raporun hazırlanması Deneyin sonunda hazırlanacak raporda, 1. Deneyin amacı ve yapılışı kısaca anlatılacak. 2. Devre şeması çizilecektir. 3. Ölçüm değerleri (sıcaklık-basınç) tablo olarak verilecektir. 4. CoolPack yazılımının Refrigeration Utilities sekmesi kullanılarak tablo değerleri yazılıma girilecek ve sonuçlar yazıcı çıktısı olarak rapora eklenecektir. 5. Sonuçlar yorumlanacaktır. Tablo 1. Deney ölçüm verileri. Ölçüm No Alçak taraf (emme hattı) basıncı, P1 [bara] Yüksek taraf (basma hattı) basıncı,p 2 [bara] Kompresör emme hattı sıcaklığı, t1 [ C] Kompresör basma hattı sıcaklığı, t2 [ C] Sıvı hattı sıcaklığı, t3 [ C] Genleşme hattı sıcaklığı, t4 [ C] 6. Raporların hazırlanması sırasında okunabilecek ek kaynaklar ve yazılımlar 1. Nuri Özkol, Uygulamalı Soğutma Tekniği, MMO Yayın No: Recep Yamankaradeniz, Soğutma Tekniği ve Isı Pompası Uygulamaları, Dora Yayıncılık, Soğutma Tesisatı, Makina Mühendisleri Odası, Yayın No: MMO/2001/

10 9

11 Tablo 2 - R-134a soğutucu akışkanın doyma tablosu (basınçlar mutlaktır) 10

12 İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE LABORATUVARI II DENEY NO: 2 BORU BASINÇ KAYIPLARI Öğretim elemanı adı ve soyadı : Öğrenci adı ve soyadı : Öğrenci numarası : Grup no : Deneyin yapılış tarihi ve saati : Deney raporu teslim tarihi ve saati : 11

13 BORU BASINÇ KAYIPLARI 1. Giriş Enerjinin korunumu prensibi gereğince bir borudaki veya kontrol hacmindeki ideal ve gerçek akışında enerji kayıplarının olmaması gerekir. İdeal bir sıvı akışı halinde enerji dönüşümleri sadece bunlar arasında oluşur; 1. Akış işi (basınç yüksekliği) 2. Kinetik enerji (hız yüksekliği) 3. Potansiyel enerji (potansiyel yükseklik) Bütün enerji formlarının (biçimleri) hepsi kullanışlı olup kullanışlı bir enerji çıkışına dönüştürebilir veya sıvı akışında kullanılabilir(basınçlı tanklar içinde). Gerçek sıvılar olması durumunda, sıvı akışı durumunda moleküller arasında sürtünme oluşur. Bu sürtünme iki ana nedenden dolayı ortaya çıkmaktadır. Akışın akıntı dışı doğası Sıvı viskozitesi sonucu sıvı sürtünmesi Moleküller arasında sürtünme sonucu gerçek sıvılarda enerjinin dördüncü bir biçimi ortaya çıkar, sıvıların iç enerjisinin transfer olan bir enerji olarak isimlendirilir. Sonuç olarak bu enerji sonucu sıvı ısınır. Bu enerji transferi genellikle denetlenmediğinden kayıp olarak kabul edilir. Çünkü sıvıdaki sıcaklık artışı çok küçüktür ve hızla yüzeylerden dağılır. Örnek olarak 10m lik basınç kaybı su sıcaklığında sadece 0,023 0 C yükselmeye yol açar. 12

14 2. Deney 2.1. Deney düzeneği 90 0 dirsek Te bağlantı 32 mm küresel vana Fark basınç göstergesi 25 mm diskli vana şiber vana 25 mm 20 mm debi metre köşe tipi radyatör vanası çalpara çek valf sayaç kosva vana pislik tutucu 45 0 dirsek U bağlantı yaylı çek valf basınç regülatörü mini küresel vana su tankı pompa Şekil 1: Deney Düzeneği 13

15 1 Pano boyutları 1800x1200 mm 2 Pano malzemesi Polyester 3 Deneysel ölçüm sayısı 15 4 Debi ölçüm aralığı L/h 5 Boru malzemesi ve çapı PPRC-25 mm 6 20 mm PPRC boru iç çapı 12,5 mm 7 25 mm PPRC boru iç çapı 16 mm 8 32 mm PPRC boru iç çapı 20 mm 9 Pompa maks. basma yüksekliği 35 mss 10 Pompanın maksimum debisi 3000 L/h 2.2 Deneyin amacı Sıvı akışkan hatlarında kullanılan ve akım çizgilerini geometrik olarak değiştirerek kısıtlayan yerel bağlantı cihazlarındaki basınç kayıplarını ölçmek. Bu ölçüm değerlerine bağlı olarak yerel kayıp katsayısı K değerini hesaplayabilmek. 2.3 Deneyin öğrenme çıktıları Bu deney ile öğrenci akışkanlar mekaniğinde önemli bir konu olan borulardaki yerel basınç kayıplarının hesaplanması konusunda deneysel olarak yeterli bilgi birikimine sahip olacaktır. 3. Teori Borularda akış kayıplarını hesaplamak için en kullanışlı formüllerden biri Darcy-Weisbach denklemidir (Darcy eşitliği olarak da bilinir). Burada; H L = basma kaybı (m akışkan akışı) L = borunun uzunluğu (m) u = ortalama anma akış hızı (m/s) g = yer çekim ivmesi (m/s 2 ) f = boyutsuz sürtünme faktörü H 2 L u f.. d 2g L (1) 14

16 Örnek 1 : Uzunluğu 1km, çapı 100mm olan borudan 20 L/s su geçmesi durumunda basma yüksekliği kaybını ve böylece basınç kayıplarını hesaplayınız. Sürtünme faktörü 0,02 kabul edilecektir. Çözüm: İlk olarak anma hızı u hesaplanır:. 3 V u A 2 0,1. 4 2,55m / s Denklem (1) de yerine konursa ve basma yükseklik kaybı bir basınç kaybı olduğundan, H H L L ,55 0,02.. 0,1 2.9,81 66,1m H L P hp g P. g. H L 3 P 10.9,81.66,1 P 648kPa ( Pa) Örnek 2 : Örnek 1 de verilen boru için akış hızlarına karşı basma yüksekliği kayıplarını bir grafik halinde, anma akış hızı 0 ve 5m/s aralığında 1m/s lik adımlarla çiziniz. Sürtünme kaybını sabit kabul ediniz. Çözüm: Darcy eşitliğinden; H H H L L L 10,19u 2 L u f.. d 2g 1000 u 0,02.. 0,1 2.9, Şimdi yukarıdaki formüle hızları koyarak basma kayıplarını hesaplayabiliriz. 15

17 u (m/s) H L (m) 0 10,2 40,8 91, Bu noktalar Şekil 2 de çizilmiştir. Bu elbette bir paraboldür, çünkü sürtünme kaybı sabit kabul edildiğinden, basma kayıpları hızın karesiyle değişir. Böylelikle uzun borularda yüksek akış hızlarından kaçınmak gerektiğini görmekteyiz ve küçük bir hız azalmasında (örnek olarak 5m/s den 4m/s ye azalmasında) basma kayıplarında çok önemli bir azalma olmaktadır (255m den 163m ye düşer). Şekil 2: Basınç kaybının hız ile değişimi 3.1 Basınç kayıplarının en aza indirilmesi Akış kayıpları faydalı enerjinin kaybı olduğundan, kayıpların en aza indirilmesi çok önemlidir. Buna rağmen borular, bağlantı elemanları ve tesisat üzerindeki akış kayıplarının en aza indirilmesi için oldukça büyük bir masraf yapılması kaçınılmaz olacaktır. 16

18 İdeal olanı enerji kayıplarının düşürülmesi ve sıvı akış sisteminin fiyatının arttırılmasıdır. Birçok durumlarda (hatta büyük tesisatlarda bile) mühendislik tecrübelerine dayanan çok ekonomik sistem tasarım hesaplarına teşebbüs edilmez, geçmiş tecrübelerden yararlanarak pratik kurallardan yararlanılır. Bununla birlikte en ekonomik olarak tasarlanan sistem tasarımına ödenecek harç bir miktar fazla olabilecek iken enerji maliyetinin artması kaçınılmazdır. Akış kayıpları şu yollarla azaltılabilir: Akış hızını düşürün. Çünkü basma kayıpları katmanlı (laminer) akışta hıza eşit olarak değişirken türbülanslı akışta hızın karesiyle orantılı değişir. Akış hızı bir sistemde hız düşürülerek veya verilen bir debi için boru çapı büyültülerek düşürülür. Sıvının viskozitesinin düşürülmesi. Bu genelde pratik bir uygulama değildir. Ancak fueloil gibi viskozitesi çok yüksek olan sıvılarda onları ısıtmak akışkanlıklarını arttırır. Diğer bütün durumlarda basınç kayıplarının düşürülmesi ısıtma masraflarından ucuza gelecektir. Girdap ve türbülansların en aza indirilmesi. Bu, boru ve elemanlarında keskin köşelerden, ani kesit değişimlerinden pürüzlü iç yüzeylerden kaçınmak suretiyle dikkatli sistem tasarımıyla sağlanabilir. Buna rağmen, standart boru ve bağlantı elemanlarının kullanılması ekonomik olacaksa bunları basınç kayıplarını en aza indirecek şekilde seçmek gerekir. 3.2 Sürtünme Faktörü Örnek 2 de sürtünme faktörü sabit kabul edilmiştir. Pratikte buna rağmen sürtünme faktöründeki artış bilinmez ve akış hızları değiştiğinden dolayı sabit kabul edilemez. Sürtünme kaybının bulunması ile ilgili birçok kartlar ve diyagramlar bulunmaktadır. Fakat Şekil 2 de gösterilen Moody diyagramı çok geniş kullanıma sahiptir. Moody diyagramı aslında sürtünme faktörü (sol y ekseninde) ve Reynolds sayısının (x ekseninde) logaritmik ölçekte çizimidir. Sağ taraftaki y ekseni şu şekilde tanımlanan bağıl pürüzlülük değerini verir: Bağıl pürüzlülük( R mutlak pürüzlülük( ) ) boru çapı(d) (2) 17

19 Mutlak pürüzlülük yüzeydeki girinti çıkıntıların ortalama yüksekliğidir ve borunun malzemesine ve üretim yöntemine bağlı olarak değişmektedir. Tipik mutlak pürüzlülük değerleri Moody diyagramı içinde gösterilmiştir. Ekstruzyonla üretilen (demir dışı) borular, cam ve plastik borular çok hassas yüzeye sahiptir ve tamamen sürtünmesiz olarak kabul edilebilir. En düşük sürtünme faktörü verilen bir Reynolds sayısı için Şekil 3 deki eğri pürüzsüz borular ı göstermektedir. Reynolds sayısı 2000 ın altında ise akış laminer dir. Laminer akışta sürtünme faktörü, pürüzlülükten bağımsız olarak sadece Reynolds sayısına bağlıdır. Bu, diyagramın sol tarafında aşağıya doğru düz bir çizgi olarak gösterilmiştir. Sadece laminer akış için; f = 64/Re (3) Bu değer Reynolds sayısı 2000 ile 4000 arasında olduğunda akış kararsız bir bölgededir ve diyagram kullanılamaz. Reynolds sayısı arttığında akış tedirgin (türbülanslı) olmaya başlar. Diyagramda sağa yatay olarak tamamen türbülanslı bölgeye gelindiğinde, sürtünme faktörü Reynolds sayısından bağımsız hale gelir. Bu bölge diyagramda kesikli çizgiler halinde ayrılmıştır. Sadece bu bölge için sürtünme faktörü hızın değişmesi ile değişmez ve basma kayıpları eğrisi doğru bir parabol olacaktır. Örnek 3: Viskozitesi 0,06 Pa.s olan yağ (BY=0,9), 120mm çapında, 100m uzunluğunda dökme demir bir boru içinden akmaktadır. Basma kayıplarını su hızlar için hesaplayınız. a) 1m/s b) 3m/s c) 10m/s Çözüm: Moody diyagramından mutlak pürüzlülük = 0,25mm (dökme demir) R 0,25 0,0021 d 120 a)- u = 1m/s u. d. Re 1.0, ,06 Akış laminer olduğundan;

20 f 64 Re ,0356 Denklem (1) kullanılarak, H H H L L L 2 L u f.. d 2g , ,12 2.9,81 1,51m 19

21 tedirgin akış sınırı Katmanlı akış geçiş bölgesi Mutlak Pürüzlülük (mm) Dökme demir 0.25 Ticari çelik veya dövme döküm Galvaniz kaplı döküm veya çelik 0.15 Beton veya asbestli çimento 0.20 Çekme boru Ekstrüzyonla üretilen cam ve plastik (parlak) Parlak yüzey Şekil 3 Moody diyagramı 20

22 b) u = 3 m/s u. d. 3.0, Re 0,06 Re 5400 H H L L , ,12 2.9,81 15,1 m Moody diyagramı kullanılarak Re=5400 ve bağıl pürüzlülük 0,0021 için f=0,0395 bulunur. c) u = 10 m/s u. d. 18.0, Re 0,06 Re H H L L , ,12 2.9,81 132m Moody diyagramında Re= ve bağıl pürüzlülük=0,0021 için f = 0,031 bulunur. Bu basma kayıpları elbette çok yüksek olduğundan pratik değildir. P=.g.h p =900.9, = 1,165 MPa olduğundan, boru boyunca basınç düşmesi olacaktır. Bu açık bir durum olduğundan mühendisler basma kayıplarını düşürmek için boru çaplarını büyüterek akış hızlarını düşürmelidirler. Ayrıca dökme demir yerine daha pürüzsüz yüzeye sahip çelik boru veya çekme demir boru kullanılarak basma kayıplarını azaltabilirler. 3.3 Bağlantı elemanlarındaki basma kayıplarının incelenmesi Bağlantı elemanlarındaki basma kayıpları sıklıkla ikincil kayıplar olarak adlandırılırsa da yanlış kullanım olduğunda bağlantı elemanlarından kaynaklanan basma kayıpları boruların kendisinden kaynaklanan kayıpları geçebilir. Bağlantı elemanlarındaki kayıpların hesaplanmasında çeşitli yöntemler kullanılabilir, en yaygın ve geniş kullanım K faktörü yöntemidir. K faktörü denklem (2) de tanımlanmaktadır. 21

23 H 2 u K. 2g L (4) Burada; H L = bağlantı elemanlarındaki basma kayıpları (m akışkan akışı) u = ortalama veya anma akış hızı (m/s) g = yer çekim ivmesi (m/s 2 ) K = boyutsuz bağlantı kayıp faktörü K değerinin bulunması için birçok tablo ve diyagramlar elde edilebilir ki o pratikte şunlara bağlıdır: 1. Bağlantı elemanının malzemesi ve üretim yöntemi 2. Bağlantı elemanının boyutu 3. Akışkanın doğası (durumu) (karakteri) Buna rağmen K faktörünün hesabında yüksek hassasiyet gerektirmeyen durumlar için Tablo 1 deki ortalama değerleri birçok durumlarda kullanılabilir. Notlar: 1. Ani duraklama ve genişlemelerde K faktörü giriş A 1 yüzeyi ile çıkış A 2 yüzeyi oranına bağlıdır. Ani genişleme durumunda Tablo 1 de K faktörünü belirlemek için basit bir formül verilmiştir. Ani daralma durumunda aynı formül kullanılmaz ve K değeri tablodan uygun olan oranına göre seçilir. 2. Şayet bir boru tank veya depoya bağlanıyorsa, A 1 /A 2 oranı sıfır alınabilir. Bundan dolayı K=1 alınır. Bir tank veya depodan bir boruya girişte A 2 /A 1 oranı sıfır alınabilir, böylece K=0,5 alınır. 3. Yavaş daralmalar için, gittikçe incelen veya iyi yuvarlatılmış geçişlerde basma kaybı ihmal edilebilir. Kademeli genişlemelerde K faktörü duvarın eğimine bağlıdır. Şayet açı 50 0 yi aşarsa etkisi ani genişleme gibi olur ve K=1 alınabilir. Şayet açı çok keskin ise ve 10 0 nin altında ise basma kayıpları ihmal edilebilir ve K = 0 alınabilir. 4. Vana için K faktörü (ve ayrıca basma kaybı) valfin açılma oranına bağlıdır. Valf tamamen kapalı olduğunda K faktörü sonsuz olduğunda valfle tamamen basma kaybı vardır (akış olmaz). Tam akış olan bir sistemde valf normal olarak tamamen açıktır. 22

24 Buna rağmen, tasarım mühendisleri valfleri seçerken ayar emniyeti sağlamak üzere ½ veya ¾ açık olarak dikkate alırlar. Bazı durumlarda kısma kontrolün önemli bir parçasıdır, sıvı akış sistemini tasarlarken düşük bir kısma gerekebilir. 5. Sabit boru çaplarında uygun boyutlu bağlantı elemanları kullanılabilir. u hızı bütün bağlantı elemanlarında sabit kabul edilir. Böylece toplam K faktörü bütün bağlantı elemanlarının K değerlerinin toplamı olarak alınabilir. Bu durum Örnek 4 te açıklanmaktadır. BAĞLANTI ELEMANI TABLO 1. Bağlantı elemanları için tipik K faktörleri K FAKTÖRÜ U dönüşü (kapalı) 2.2 Standart 45 0 dirsek 0.4 Standart 90 0 dirsek 0.9 Uzun radyuslü (geniş) 90 0 dirsek 0.6 Dişli birleştirme (ünyon) 0.05 T (akış hat boyunca) T (akış yan taraftan) Ani genişleme (1-A 1 /A 2 ) 2 Ani daralma (A 2 /A 1 ) Yavaş daralma Yavaş genişleme, açıya bağlı > Sürgülü (şiber) vana, (konumu) tam açık ¾ açık ½ açık ¼ açık Stop (diskli) vana, (konumu) Klapeli valf, filtreli (mafsallı) (kaldırmalı) Çek valf (klape), (mafsallı) (bilyalı) (kaldırmalı) tam açık ¾ açık ½ açık ¼ açık İhmal edilebilir

25 Örnek 4: Bir sistemde su 60m yükseğe 100mm çaplı galvanizli çelik boru ile pompalanmakta ve aşağıdaki bağlantı elemanları bulunmaktadır: 1 adet klapeli valf ve pislik tutucu 4 adet standart 90 0 dirsek 4 adet dişli ünyon 2 adet kapama valfi 1 adet ani genişleme (basınçlı tanka) Kapama valfi yarım açık konumda iken 20 L/s debide sistemdeki basma kayıplarını hesaplayınız. Suyun viskozitesini 0, Pa.s kabul edin. Çözüm: İlk olarak u hızı hesaplanır.. 3 V u 2,55m / s 2 A 0, u. d. 2,55.0,1.10 Re 2, , Boru Moody diyagramında (Şekil 3) (galvanizli döküm) = 0,15mm alınır. Böylece bağıl pürüzlülük =0,15/100=0,0015 Diyagramdan; f = 0,0225 Denklem (1) deki Darcy formülü kullanılarak; H H H L L L 2 L u f.. d 2g ,55 0, ,1 2.9,81 4,47m Bağlantı Elemanları Tablo 1 kullanılarak aşağıdaki gibi elde edilir. 24

26 Bağlantı Sayısı K Faktörü Toplam K Faktörü Dip vanası 1 2,0 2,0 Dirsek 4 0,9 3,6 Ünyon 4 0,05 0,2 Burgulu vana 1 açık 5,0 5,0 1 yarım açık 1,0 1,0 Genişleme 1 1,0 1,0 Toplam 12,0 Denklem (2) kullanarak; H H H L L L 2 u K 2g 2, ,81 3,98m 2 Sistemdeki toplam basma kayıpları, borulardaki ve bağlantı elemanlarındaki basma kayıplarının toplamıdır. H (toplam) = 4,47 + 3,98 = 8,45m 3.4 Eşdeğer Uzunluk (L e ) Bir bağlantı elemanın eşdeğer uzunluğu, aynı basma kaybını veren düz boru uzunluğu olarak tanımlanır ve sıkça kullanılır. f 2 e u. d 2g 2 u K 2g d e K (5) f Örnek 5 : 100 mm çaplı tamamen açık ve küresel vananın eşdeğer uzunluğunu bulunuz. Çözüm: Tablo 1 den K = 10, 1.3 eşitliği kullanılarak; 25

27 d 10.0,1 e k 50m f 0,02 Örnek 6: Örnek 4 ü eşdeğer uzunluğu kullanarak çözünüz. Çözüm: K = 12, f = 0,0225, d = 0,1m e 12.0,1 0, ,3m (toplam) 60 53,3 113,3m H L f 2 u d 2g H H L L 113,3 2,55 0, ,1 2.9,81 8,45m (daha önce bulunmuştu) 2 4. Deneyin yapılışı Yerel kayıp katsayılarının hesabı, Bu deneyde sıvı akışkan hatlarında kullanılan ve akım çizgilerini geometrik olarak değiştirerek kısıtlayan yerel bağlantı cihazlarındaki basınç kayıpları ölçülecektir. Bu ölçüm değerlerine bağlı olarak yerel kayıp katsayısı K değeri hesaplanacaktır. Bu deney sırasında izlenecek yol şu şekildedir, 1) Manometre bağlantı hortumlarını diskli vana giriş ve çıkışındaki tapalara bağlayın. 2) Su hattını açın ve debiyi 100 L/h değerine ayarlayın. 3) Ölçüm değerlerini tabloya kaydedin. 4) Su debisini sırayla 200, 300, 400, ve 500 L/h değerlerine ayarlayarak ölçümleri tabloya kaydedin. 5) Debi değerlerini boru kesitine bölerek akış hızlarını bulun. 6) Denklem (4) yardımıyla K değerlerini farklı akış hızları ve basınç kayıpları için hesaplayın. K 7) 1 ile 6 arasındaki işlem adımlarını vananın farklı açıklık oranları için tekrarlayabilirsiniz. 26 H L u 2 2g

28 8) Diğer vana ve bağlantı elemanları için deneyleri benzer şekilde tekrarlayın. Ölçüm Yapılan Bağlantı Elemanı: d iç = A = Debi [L/h] Hız [m/s] H L [m] P [mbar] K Ortalama K faktörü Sürekli basınç kayıplarının ölçümü Bu deneyde amaç sıvı akışkan hatlarında kullanılan boruların gerek iç yüzey (cidar) akışkan arasındaki sürtünmeden ve gerekse akışkan moleküllerinin kendi aralarındaki sürtünmesinden kaynaklanan basınç kayıplarını ölçmektir. Bu ölçüm değerlerine bağlı olarak sürtünme katsayısı değeri hesaplanacaktır. Bu deney sırasında izlenecek yol şu şekildedir, 1) Manometre bağlantı hortumlarını ince düz boru (çap 20 mm) giriş ve çıkışındaki tapalara bağlayın. 2) Su hattını açın ve debiyi 100 L/h değerine ayarlayın. 3) Ölçüm değerlerini tabloya kaydedin. 4) Su debisini sırayla 250, 500, 750, 1000, 1250 ve 1500 L/h değerlerine ayarlayarak ölçümleri tabloya kaydedin. 5) Debi değerlerini boru kesitine bölerek akış hızlarını bulun. 6) Moody diyagramı (Şekil-1.2) yardımıyla borunun bağıl pürüzlülük değerini hesaplayın. 7) Akış hızı yardımıyla akışın Reynolds değerini hesaplayın. v s : Akışkanın hızı [m/s] d : Boru çapı [m] 27

29 μ : Akışkanın dinamik viskozitesi [Ns/m 3 ] ν : Akışkanın kinematik viskozitesi: ν = μ / ρ ρ : Akışkanın yoğunluğu [kg/m 3 ] 8) Bağıl pürüzlülük ve Re sayısını Moody diyagramında kesiştirerek f sürtünme katsayısını bulun. 9) Sürtünme katsayısı (f) değerini Darcy (1.1) formülünde yerine koyarak basınç kaybını hesaplayın. 2 L u H s f D 2g 10) Hesaplanan değer ile ölçülen değeri karşılaştırın. Ölçüm yapılan boru: d dış = d iç = L = A = Debi [L/h] Hız [m/s] Re Reynolds sayısı f Sürtünme faktörü H S [m] P [mbar] Raporun hazırlanması Deneyin sonucunda hazırlanacak raporda, 1. Deneyin amacı ve yapılışı kısaca anlatılacak. 2. Yapılan tüm hesaplamalar gösterilecek. 3. K faktörü hesaplanırken, a)- Debi değerlerini boru kesitine bölerek akış hızları hesaplanacak. b)- İlgili denklem kullanılarak K değerlerini farklı akış hızları ve basınç kayıpları için hesaplanacak. 4. Sürtünme kayıpları hesaplanırken, a)- Debi değerleri boru kesitine bölerek akış hızları hesaplanacak. 28

30 b)- Moody diyagramı yardımıyla borunun bağıl pürüzlülük değeri hesaplanacak. c)- Akış hızı yardımıyla akışın Reynolds (Re) değeri hesaplanacak. d)- Moody diyagramı kullanılarak f, sürtünme katsayısı hesaplanacak. 5. Sürtünme katsayısı (f) değerini Darcy formülünde yerine koyarak basınç kaybı hesaplanacak. 6. Hesaplanan değer ile deneysel değerler grafik çizilerek karşılaştırılacak. 6. Kaynaklar 1. Deneysan Eğitim Cihazları San. Ve Tic. Ltd.Şti., Balıkesir, 2010, T-420 Boru Basınç Kayıpları Eğitim Seti Deney Föyü. 2. Frank M. White, 2011, Fluid Mechanics. McGraw-Hill. 29

31 EK-1 Moody diyagramı 30

32 EK-2 Doymuş suyun farklı sıcaklıklardaki viskozite ve yoğunluk değişimleri 31

33 İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE LABORATUVARI II DENEY NO: 3 ÇEKME DENEYİ Öğretim elemanı adı ve soyadı : Öğrenci adı ve soyadı : Öğrenci numarası : Grup no : Deneyin yapılış tarihi ve saati : Deney raporu teslim tarihi ve saati : 32

34 ÇEKME DENEYİ 1. Giriş Mühendislik tasarımlarının en önemli özelliklerinin başında öngörülebilir olmaları gelmektedir. Öngörülebilirliğin birincil şartı ise tasarlanan sistemin maruz kaldığı tüm yükler altındaki davranışlarının önceden belirlenmesidir. Bir parçanın yük altındaki davranışını belirleyen unsurlar seçilen malzemenin mekanik özellikleri, geometrisi ve maruz kaldığı yüklerden oluşmaktadır. Parçanın maruz kaldığı yüklerin tasarım aşamasından önce belirli olması dikkate alındığında, tasarımcının dizayn sırasında üzerinde değişiklik yapabileceği unsurlar geometri ve malzeme tipidir. Bu durumda tasarımcı ya tasarladığı geometri için uygun malzemeyi (veya malzemeleri) seçmeli ya da elinde bulunan malzemelerin mekanik özelliklerini göz önüne alarak uygun geometriyi tasarlamalıdır. Her iki durumda da kullanılacak mühendislik malzemelerinin mekanik özelliklerinin bilinmesi zorunluluğu ortadadır. Mühendislik malzemeleri iç yapılarına bağlı olarak üç temel gruba ayrılmaktadır: İzotropik, ortotropik ve anizotropik. Deneylerimiz sırasında da kullanacağımız izotropik malzemelerin mekanik özelliklerinin yönden bağımsız olarak homojen dağıldığı kabul edilir. Üretici firmalar kataloglarda her malzemenin mekanik özelliklerini (elastiklik modülü, Poisson oranı, kayma modülü, sıcaklık-uzama katsayısı vb.) verirler. Öte yandan yapılan çalışmalar aynı yöntemle üretilen malzemelerin dahi mekanik özelliklerinin tamamen aynı olmadığını göstermiştir. Bu durumun sebebi ise malzemenin mikro yapısındaki kusurlardan kaynaklanmaktadır (atomik dislokasyonlar, mikro çatlaklar, vb.). Dolayısıyla katalog değerlerini her zaman doğru kabul etmek doğru bir mühendislik yaklaşımı olmamaktadır. Bu durumdan yola çıkarak, gerekli durumlarda malzemelerin mekanik özelliklerini tespit etmek için deneyler yapılması gerekir. Ayrıca ortotropik özelliğe sahip olan kompozit malzemeler gibi yeni bir malzeme ürettiyseniz, ürettiğiniz kompozit malzemenin mekanik özelliklerini tespit etmek için de çekme deneylerini yapmanız gerekir. Tüm deneyler çeşitli kurumlar (ASTM-American Society of Testing and Materials, ISO-International Organization of Standardization, TSE-Türk Standartları Enstitüsü, vb.) tarafından ilan edilen test standartları dikkate alınarak yapılmalıdır. Başlıca kullanılan deneyler çekme, basma, eğilme, yorulma ve sertlik deneyleri olarak sıralanabilir. 33

35 2. Deney 2.1. Deney düzeneği Çekme deneyi, üniversal çekme test cihazlarında gerçekleştirilir. Bu cihazlarda çekme kuvveti, mekanik veya hidrolik güç aktarım organları vasıtası ile uygulanır. Düzenek, genel olarak, elektrik motoru, redüktör, deney numunesini tutmayı sağlayan üst çene ve alt çene den ibarettir. Alt çene sabit (hareketsiz); üst çene ise yukarı/aşağı hareket edebilmektedir. Üst çenenin hareketi, sağ ve sol tarafta düşey konumlu simetrik iki adet sonsuz vida mekanizması ile sağlanır. Bu hareket, elektrik motoru ile tahrik edilen dişli redüktörden vida mekanizmasına iletilen döndürme momenti ile gerçekleşir. Alt çene sabit olduğundan, üst çenenin yukarı hareketi ile çekme kuvveti, deney numunesine tatbik edilir. Deney esnasında, kuvvet değeri, yük hücresinden (load cell); uzama değeri ise; üst çenenin hareketini sağlayan vidanın adımına (hatve) göre ölçülür. Deney sırasında çekme numunesine sürekli olarak artan çekme kuvveti uygulanır ve kırılma anına kadar hem uygulanan kuvvet hem de numunede meydana gelen uzama, bilgisayara kaydedilir. Şekil 1 deney cihazını göstermektedir. Şekil 1. Çekme cihazı 2.2. Deneyin amacı Bir çekme numunesinin elastisite modülü, elastiklik sınırı, akma sınırı, çekme mukavemeti, kopma mukavemeti ve tokluğu gibi mekanik özelliklerin çekme deneyi ile tespit edilmesi Deneyin öğrenme çıktıları Öğrenci bir malzemenin gerilme-birim şekil değiştirme grafiğini kullanarak malzemelerin mekanik özelliklerini saptayabilecektir. 3. Teori Deney sonucu elde edilen kuvvet (F)-uzama ( l) eğrisini kullanarak numunenin mekanik özelliklerini tespit etmek istersek numune boyutlarını da bilmemiz gerekir. Bunun sebebi deney numunelerinin gerçek hayatta kullanılan parçalardan çok daha küçük boyutudur. Bu nedenle, bu eğri yerine daha evrensel olan gerilme-şekil değiştirme (birim uzama) eğrisi 34

36 kullanılır. Gerilme-birim uzama eğrisine çekme diyagramı adı verilir. Şekil 2 da düşük karbonlu bir çeliğin mühendislik gerilme-birim uzama eğrisi (çekme diyagramı) görülmektedir. Bu diyagramda mühendislik gerilmesi ve birim uzama şu şekilde bulunur: (1) (2) Burada, Çekme deneyinde, çubuğun çekme doğrultusuna dik kesit yüzeyi deney sırasında sürekli olarak küçüldüğü için gerçek çekme gerilmesinin değeri mühendislik gerilme değerinden daha büyüktür (Şekil 3). Gerçek ve Mühendislik Birim Uzamaları Arasındaki İlişki Mühendislik birim uzaması ( ), yukarıdaki denklemde görüldüğü gibi başlangıç ölçü boyuna bağlı olarak hesaplanmaktadır. Gerçekte deney sırasında ise ölçü boyu sürekli olarak değişmektedir. Dolayısıyla ölçü boyu çekme deneyinin herhangi bir anında iken gibi sonsuz küçük bir uzama sonunda birim uzamadaki artış olacaktır. Bu durumda, başlangıç ölçü boyu değerini alıncaya kadar meydana gelen toplam gerçek birim uzama şu şekildedir; olur. (3) Mühendislik birim uzama bağıntısı (2) ile gerçek birim uzama bağıntısı (3) birleştirildiğinde iki bağıntı arasındaki ilişki şu şekilde karşımıza çıkar; (4) Küçük değerleri, yani elastik şekil değişimi için alınabileceğinden kabul edilebilir. Tablo 1. Çekme deneyinde ve değerlerinin kıyaslanması Ve Mühendislik birim uzaması ( Gerçek birim uzama ( Gerçek ve Mühendislik Gerilmeleri Arasındaki İlişki Şekil değiştirme sırasında iş parçasının hacmi değişmez. Hacim sabitliği; 35

37 şeklinde ifade edilir. Deney sırasında gerçek gerilme ise şeklinde ifade edilir. Burada, (5) (6) Denklem (5) ve denklem (6) kullanılarak gerçek ve mühendislik gerilmeleri arasındaki bağıntı şu şekilde elde edilir; (7) Buradan da elde edilir. Çekme Diyagramı (8) Şekil 2. Düşük karbonlu bir çeliğin çekme diyagramı Şekil 3. Gerçek ve mühendislik çekme diyagramları Bir çekme diyagramından saptayabileceğimiz mekanik özelliklerin tanımları aşağıdaki gibidir: 1. Orantı sınırı ): Gerilme-birim uzama diyagramında Hooke yasasının geçerli olduğu doğrusal kısmı sınırlayan gerilme değeridir. Bu bağıntıdaki orantı katsayısına (E) elastisite modülü denir ve bu katsayı çekme diyagramının elastik kısmını oluşturan doğrunun eğimini gösterir. Bir malzemenin elastisite modülü ne kadar büyükse, o 36

38 malzemenin elastik şekil değiştirmeye karşı direnci de o ölçüde büyük olur. 2. Elastiklik sınırı ): Malzemeye uygulanan kuvvet kaldırıldığı zaman plastik uzamanın görülmediği veya yalnız elastik şekil değiştirmenin meydana geldiği en yüksek gerilme değeridir. Genellikle, elastiklik sınırı orantı sınırına eşit kabul edilir. Pratikte yerine %0,01 veya %0,005'lik plastik uzamaya karşı gelen gerilme ( 0,01 veya 0,005) değerleri alınır. 3. Akma Dayanımı ( ): Uygulanan çekme kuvvetinin yaklaşık olarak sabit kalmasına karşın, plastik şekil değiştirmenin önemli ölçüde arttığı ve çekme diyagramının düzgünsüzlük gösterdiği kısma karşı gelen gerilme değeridir (Şekil 2). Akmanın bu şekilde meydana geldiği en yüksek gerilme değerine üst akma sınırı, akmanın devam ettiği ortalama gerilme değerine ise alt akma sınırı denir. Düşük karbonlu yumuşak çelik gibi sünek malzemeler, deney koşullarına bağlı olarak belirgin akma sınırı gösterebilirler. Malzemelerin belirgin akma göstermediği durumlarda, genelde %0,2'lik plastik uzamaya ( ) karşı gelen çekme gerilmesi akma sınırı veya akma dayanımı olarak alınır ve buna Off-set kuralı denir. Bu kurala göre gerilme birim uzama grafiğinde, %0.2 deki birim uzamadan eğrinin elastik bölgesine paralel bir çizgi çizilir. Bu paralel çizginin eğri ile kesiştiği noktaki çekme dayanımı bize %0.2 lik akma dayanımını verir. Şekil 4 de belirgin akma göstermeyen bir malzemenin çekme diyagramı ile bu malzemenin akma dayanımının nasıl belirlendiği görülmektedir. Şekil 4. Belirgin akma göstermeyen bir malzemenin akma dayanımının %0.2 offset kuralı ile belirlenmesini gösteren diyagram. 4. Çekme dayanımı : Bir malzemenin kopuncaya veya kırılıncaya kadar dayanabileceği en yüksek çekme gerilmesi olarak tanımlanır. Bu gerilme, çekme diyagramındaki en yüksek gerilme değeri olup, ç = F maks /A 0 formülü ile bulunur. Burada F maks malzemeye uygulanan en yüksek kuvveti, A 0 ise malzemenin ilk kesit 37

39 alanını gösterir. Bu değere kadar deney numunesindeki kesit daralması küçük miktarlarda iken bu değerden sonra kesit daralması hızla artmaktadır. Bu yüzden bu noktaya kesit daralmasının gözle görülebilir seviyeye geldiği nokta olan boyun verme noktası da denir. 5. Kopma dayanımı ( ): Çekme deneyi esnasında, numune kesiti çekme kuvvetini artık karşılayamadığı anda kopma meydana gelir. Çekme diyagramı çiziminde kaydedilen bu son gerilme değerine, malzemenin kopma dayanımı adı verilir. 6. Kopma uzaması ( ): Çekme numunesinin boyunda meydana gelen en yüksek yüzde plastik uzama oranı olarak tanımlanır. Çekme deneyine tabi tutulan numunenin kopan kısımlarının bir araya getirilmesi ile son boy ölçülür ve boyda meydana gelen uzama bağıntısı ile bulunur. Kopma uzaması yüzde olarak; bağıntısı ile bulunur. Bu değer malzemenin sünekliğini gösterir. 7. Kopma büzülmesi (KB): Çekme numunesinin kesit alanında meydana gelen en büyük yüzde daralma veya büzülme oranı olup, bağıntısı ile hesaplanır. Burada A0 deney numunesinin ilk kesit alanını, Ak ise kırılma anındaki kesit alanını veya kırılma yüzeyinin alanını gösterir. Kopma büzülmesi, kopma uzaması gibi sünekliğin bir göstergesidir. Sünek malzemelerde belirgin bir büzülme veya boyun verme meydana gelirken, gevrek malzemeler büzülme göstermezler. Şekil 4 de gevrek ve sünek malzemelerin kırılma davranışları şematik olarak gösterilmiştir. Şekil 4. a) Gevrek bir malzemenin kırılması ve b) sünek bir malzemenin kırılması. 8. Rezilyans: Malzemenin yalnız elastik şekil değiştirmesi için harcanan enerji veya elastik şekil değiştirme sırasında malzemenin depoladığı enerji demektir. Bu enerji, gerilme ( )-birim uzama ( ) eğrisinin elastik kısmının altında kalan alan ile belirlenir ve numunedeki yük serbest bırakılınca geri verilir. Rezilyansın gerilme birim uzama eğrisi 38 yardımıyla belirlenişi Şekil 5 de

40 gösterilmiştir. 9. Tokluk: Malzemenin birim hacmi başına düşen plastik şekil değiştirme enerjisi olarak tanımlanır ve malzemenin kırılıncaya kadar enerji depolama veya soğurma yeteneğini gösterir. Tokluk genellikle gerilme ( )-birim uzama ( ) eğrisinin altında kalan alanın hesaplanması ile bulunur. Burada Tokluk= malzeme kırılıncaya kadar meydana gelen en yüksek veya toplam birim şekil değiştirme miktarıdır. Tokluğun gerilme birim uzama eğrisi yardımıyla belirlenişi Şekil 5 de gösterilmiştir. Şekil 5. Rezilyans ve tokluğun çekme diyagramında belirlenmesi. 10. Poisson Oranı: Çekme deneyinde parça uzarken kesit yüzeyi de azalır. Deney çubuğunun ekenine dil doğrultudaki birim uzama ile ekesenl doğrultudaki birim şekil değiştirme arasındaki oranın mutlak değerine Poisson oranı denir. Bu oran alaşımsız çeliklerde 0.33, tungsten için 0.27 ve alüminyum ve alaşımları için değerlerindedir. 11. Kalıcı şekil değiştirme miktarının bulunması: Deney numunesini çekme dayanaımından önceki herhangi bir A noktasına kadar yükledikten sonra yük boşaltılırsa geriye dönüş elastik bölgedeki doğruya paralel bir geri dönüş yolu izleyecektir (Şekil 6). Bu durumda toplam birim şekil değiştirme BC miktarı kadar elastik olarak geri kazanılacaktır. OB miktarı kadar ise kalıcı bir şekil değiştirme numunede kalacaktır. Yük boşaltıktan sonra tekrar yükleme olduğu takdirde BA doğrusunu takip edecektir. Şekil 6. Kalıcı şekil değiştirme miktarının bulunması 39

41 Gerçek Çekme Diyagramının Yorumlanması: Şekil 3 teki gerçek çekme diyagramını incelediğimizde gerilmenin sürekli arttığı gözlenmektedir. Bunun sebebi pekleşme nedeniyle gerilme artışının kesit küçülmesi nedeniyle gerilmedeki düşüşten daha fazla olmasıdır. Pekleşme olmasaydı kesit daralması sebebiyle gerilmede azalma olacaktı. Plastik alandaki gerilmenin artışında azalma görülmektedir. Bunu sebebi ise pekleşme derecesinin azalmasıdır. Şekil değişiminin daha da artması plastik dengesizliğe yol açar, deney çubuğu büzülmeye başlar ve bu bölgede yoğunlaşan şekil değiştirme sonunda parça kopar. Çekme kuvvetinin maksimum olmasında sonra da pekleşme devam ettiği için, gerçek gerilme bir maksimumdan geçmez ve gerçek gerilme kopma anına kadar artar. 4. Deneyin yapılışı Çekme deneyinin yapılışı çeşitli standart ve kaynaklarda ayrıntılı biçimde verilmiştir. Numune tipi büyük ölçüde malzemenin biçimine göre seçilir. Çekme deney numuneleri, çubuk, boru, profil, köşebent, levha veya inşaat demirinden ilgili standartlara göre hazırlanır. Şekil 7, TS 138 A normuna göre hazırlanmış içi dolu, daire kesitli (yuvarlak) silindirik başlı bir çekme numunesini göstermektedir. Şekil 7. Daire kesitli silindirik başlı çekme numunesi Bu şekilde d 0 numunenin çapını, d 1 baş kısmının çapını (1,2Xd 0 ), lv inceltilmiş kısmın uzunluğunu (l 0 + d 0 ), l 0 ölçü uzunluğunu (5Xd 0 ), h baş kısmının uzunluğunu ve lt numunenin toplam uzunluğunu göstermektedir. Çapı 10 mm ve ölçü uzunluğu 50 mm olan çekme numunesi 10 x 50 TS 138A şeklinde gösterilebilir. Deneyin yapılış aşamaları aşağıdaki gibi sıralanabilir: 1) Deney numunesi iki ucundan çenelere bağlanır. 2) Numunedeki boşlukların giderilmesi için 2-5 N civarı ön yük uygulanır. 3) Numunenin ilk ölçü boyu (gauge length) ve çapı kumpasla ölçülüp kaydedilir. 4) Çekme hızı istenen değere ayarlanır. (Genellikle 1,5 mm/dakika) 5) Gösterge ekranından okunan kuvvet ve uzama değerleri sıfırlanır. 40

42 6) Deney başlatılır ve numune kopuncaya kadar kuvvet-uzama değerleri kaydedilir. 7) Deney numunesi koptuktan sonra tekrar bir araya getirilerek, kopma uzunluğu ve kesit çapı kumpasla tekrar ölçülür. 8) Çekme diyagramı çizilir ve deney yorumlanır. 5. Raporun hazırlanması Her bir deney için aşağıdaki örnekte gösterildiği gibi önce ölçümler yapılır ve daha sonra formüller yardımıyla sonuçlar elde edilir. Malzeme adı: Düşük karbonlu alaşımsız çelik (Örn: AISI 1020) Isıl işlem durumu: Normalize edilmiş Sertlik: BSD Ölçümler Numune çapı (d 0 ) = Ölçü uzunluğu (l 0 ) = Akma kuvveti (F A ) = En yüksek çekme kuvveti (F maks ) = Son boy (l k ) = Son çap (d k ) = İlk kesit alanı (A 0 ) = Son kesit alanı (A k ) = Hazırlanacak Grafikler ve İstenenler: Çekme diyagramı (Mühendislik diyagramı) Akma dayanımı Çekme dayanımı Kopma uzaması (%) Kopma Büzülmesi Tokluk = Tokluk= Rezilyans = 6. Kaynaklar 1. T. Savaşkan: Malzeme Bilgisi ve Muayenesi, Akademi Ltd. Şti. Yayınları, No:15, Trabzon, W. F. Smith: Principles of Materials Science and Engineering, McGraw-Hill, Inc., New York, USA,

43 İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE LABORATUVARI II DENEY NO: 4 ISI İLETİMİ DENEYİ Öğretim elemanı adı ve soyadı : Öğrenci adı ve soyadı : Öğrenci numarası : Grup no : Deneyin yapılış tarihi ve saati : Deney raporu teslim tarihi ve saati : 42

44 ISI İLETİMİ DENEYİ 1. GİRİŞ Endüstride ısı problemlerini çözebilmek için malzemelerin, özellikle ısıl yalıtkanların ısı iletim katsayılarının bilinmesi gerekir.(isıl sistem tasarımı, üretimi, yalıtım uygulamaları vb...) 2. DENEY 2.1. Deney düzeneği Hilton ısı geçiş ünitesi, tezgâh dayanak çerçevesine takılı iki adet elektrikle ısıtılan modülden oluşur. Birinci modül lineer geçiş değişimlerini yönetmek için, metal disk ise radyal geçiş içindir. Her iki düzeneğin üzerinde sıcaklık sensörleri vardır. Soğutma suyu, standart laboratuvar musluğundan sağlanmakta ve lineer modülün bir tarafına verilmektedir (Şekil 1 ve Şekil 2) Elektrik Konsol Isı iletim modülleri, ısıtıcının gücünü ayarlamaya imkân veren ve sensördeki sıcaklığı olarak gösteren elektrik konsoluna bağlanabilir. Isıtıcı gücü otomatik transformatör ile kontrol edilir ve Watt-metre olarak digital şekilde verilir. Güç çıkışı Watt arasındadır. Seçici düğmenin dokuz pozisyonu değişik sensörlerden okunan sıcaklık değişimlerini görmemizi sağlar. 43

45 Lineer Modül Lineer modülün iç yapısı Şekil 3, 4, ve 5-b de gösterilmiştir. Şekil 5-b de görülen ısı giriş bölümü (1) pirinçten yapılmıştır ve elektrik ısıtıcısını (2) içerir. Üç adet sıcaklık sensörü (3) çapı 25 mm. olan çalışma bölümü boyunca 10 mm. Aralıklarla yerleştirilmiştir (Şekil 2). Pirinçten yapılmış olan soğutucu (4), bir hortum (5) yardımıyla su ile soğutulur. Soğutucu kısımda sensörler 10 mm. aralıklarla yerleştirilmiştir. Isı giriş bölümü (1) ve soğutucu (4) üzerinde 10 mm. aralıkla üç adet sıcaklık sensör bulunan bir pirinç çubukla beraberce sıkıştırılır. Alternatif olarak ısı giriş bölümü (1) ve soğutucu (4) arasında başka malzemelerden yapılmış olan ara modüller de kullanılabilir. Bu ara modüllerden birincisi 30 mm. uzunluğunda ve pirinçten yapılmıştır; üzerinde sıcaklık sensörleri bulunur. İkinci ara modül (9) uzunluğu 30 mm, çapı 13 mm olup pirinçten yapılmıştır ve üzerinde sıcaklık sensörü yoktur. Bu bölüm, ısı iletim yolu boyunca sıcaklık düşüşünü gösterir. Diğer bir ara modül ise, paslanmaz çelik olup çapı bölümün ölçülerindedir, üzerinde sıcaklık sensörü yoktur. Beş bölümün bir araya gelmesi sonucu, ısı iletim bölgesi temas yüzeyleri boyunca sıkı bir temas ile kontak direnci azaltılabilirse, doğru bir ısı iletimi gözlenebilir. Yalıtım malzemesinin ısı iletimine etkisi, ince bir yalıtım malzemesini ısıtılan ve soğutulan metal bölümler arasına sokularak görülebilir. Örneğin bu yalıtım malzemesi kâğıt olabilir. Lineer modül etrafı bir muhafaza kutusu ile kaplanmıştır. Modül ile muhafaza kutusu arasında bir hava boşluğu (12) oluşturularak, lineer modülden olan ısı kaybı miktarı minimuma düşürülmüştür. Değişebilen ara malzemelerin (Şekil 4) (9, 10) etrafında da kendi muhafaza kutuları (Şekil 4) (2, 3, 4) vardır. Muhafaza kutuları yardımıyla ısı giriş ve soğutucu bölümleri 44

46 birleştirilebilir. Isı sensörleri, muhafaza kutusu üzerine konumlanmış minyatür fişlere (Şekil 5-b) (16) bağlanmışlardır. Lineer modül ile dijital sıcaklık okuyucusu arasındaki iletişim soketlere bağlanmış 9 adet sensörle kurulur. Bu yüzden sıcaklık değişimleri hızlı bir şekilde okunabilir. Fourier ısı yasasına göre ve sürekliliğin sağlanması için her birimden geçen ısı akısı eşit olmalıdır. 45

47 2.2. Deneyin amacı Kompozit bir çubuk boyunca ısı iletiminin incelenerek, malzemelerin ısı iletim katsayılarının hesaplanması Deneyin öğrenme çıktıları o Aynı boyutlarda ve aynı malzemeden yapılmış bir katı çubuk boyunca ısının doğrusal olarak nasıl iletildiğini göstermek, o Farklı malzemelerin temasının doğrusal ısı transferini nasıl etkilediğini göstermek, o Bir katı çubukta malzemenin deneysel ısı iletkenliğinin nasıl hesaplandığını göstermek 3. TEORİ Isı transferi bilimi, sistemlerin çevreleriyle yaptıkları ve içyapılarında gerçekleşen ısı geçişlerini inceler. Isı akışı ile olan enerji transferi; doğrudan ölçülemez fakat ölçülebilen bir büyüklük olan sıcaklık ile ilişkilendirildiğinde anlam kazanır. Isı geçişinin 3 temel biçimi vardır; 1- İletim (Conduction) 2- Taşınım (Convection) 3- Işınım (Radiation) Gerçekte karşılaşılan ısı geçiş olayları, her üç mekanizmanın etkin olabildiği karışık moda gerçekleşmektedir. Yapılacak olan deney, ısı iletimi ile ilgili olacaktır. Isı iletimi, ısı geçişinin bir türü olup, malzeme içerisinde oluşan sıcaklık gradyanından meydana gelmektedir. Isı iletimi, iki sıvı ya da iki gaz arasında da olabilir. Termodinamiğin ikinci kanununa göre, ısı yüksek sıcaklıkta bulunan bir bölgeden düşük sıcaklıktaki bölgeye akar. Bu durumda sıcaklık dağılımının bilinmesi önemlidir. Sıcaklık dağılımı bilindiğinde, birim zamanda birim alana düşen ısı akısı hesaplanabilir. Isı iletimi, bir ortam (katı, sıvı, gaz) içerisinde bulunan bölgeler arasında veya doğrudan doğruya fiziki temas durumunda bulunan farklı ortamlar arasında atom ve moleküllerin fark edilebilir bir yer değiştirmesi olmaksızın, doğrudan teması sonucu meydana gelen ısı yayınımı olayıdır. 46

48 Isı iletiminde genel olarak ısı transferi, sıcaklığa ve sıcaklık farkına bağlıdır. Sıcaklık en genel durumda yere ve zamana göre değişir, Oran sabiti eklendiğinde, Bu ifadede (Denklem 3) sıcaklık değişiminden sonra yeterli zamanın geçtiğini ve levha içerisinde sıcaklığın zamanla sabit kaldığını (sürekli rejim) kabul ediyoruz. Bu formül, homojen izotropik ortam için Fourier Isı İletimi Kanunu adını alır. Eğer incelediğimiz sistemde birden fazla malzeme varsa, her bir malzemenin sıcaklık gradyanı gösterilerek, ısı akısı bir boyutlu varsayım altında yazılabilir. Burada en önemli nokta, her kesitten geçen ısı akısının eşit olması gerektiğidir. 47

49 4. DENEYİN YAPILIŞI Isı iletim katsayısı ölçülecek numunenin ısıtıcı ve soğutucu arasına yerleştirilirken naylon dış kabuktaki sırtların birebir eşleşmesine dikkat edilmelidir. o Ara bölüm lineer modüldeki yerine yerleştirilmeli ve beraber tespit edilmelidir. o Su tüplerinden biri su kaynağına, diğeri atık su yoluna bağlanmalıdır. o Lineer nakil modüllerindeki ısı kaynağı elektrik konsol güç kaynağı soketine bağlanmalıdır. o Dokuz adet sensörü lineer nakil modülü üzerindeki dokuz adet fişe takın. Sol sensörü elektrik konsolunun arka tarafına, 1 numara ile işaretlenmiş fişe takın. Bu işi kalan 8 adet sensör için sıra ile soldan sağa doğru tekrarlayın. Bu sırada elektrik konsolundaki On/Off düşmesi Off konumunda olmalıdır. o Musluğu açın ve su bağlantılarının doğru yapılıp yapılmadığını gözlemleyin. o On/Off düğmesini On konumuna getirin. o Güç düğmesini Q = 20 Watt olacak şekilde ayarlayın. 48