MAKİNA LABORATUVARI - I DENEY FÖYLERİ

Transkript

1 T.C. KIRIKKALE ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNA LABORATUVARI - I DENEY FÖYLERİ Güz Yarıyılı 4. Sınıf Makina Mühendisliği Bölümü Başkanlığı Eylül 015, Kırıkkale

2 ÖNSÖZ Makina Laboratuvarı Dersi, mühendislik fakülteleri öğrencileri için, lisans öğrenimleri süresince görmüş oldukları derslerin bir uygulaması olduğundan büyük bir öneme sahip olup bu yönüyle de diğer derslerden ayrılmaktadır. Bu nedenle, diğer derslerde öğrenilen konuların özümsenebilmesi, laboratuvar derslerine verilen önemle mümkün olacaktır. Bütün deneylere girilmesi, deney raporlarının irdelenerek kapsamlı bir şekilde hazırlanması, daha önce teorik olarak incelenmiş olan birçok konunun daha iyi anlaşılmasına büyük katkı sağlayacaktır. Öğrencilerimizin laboratuvar derslerine daha donanımlı bir şekilde katılımlarını sağlamak ve deney föylerini temin etmek için her deneyden önce zaman harcamalarının önüne geçmek, bu kitapçıkların hazırlanmasında temel hareket noktası olmuştur. Bununla birlikte, bütün deney föylerinin bir arada bulunması, öğrencilerimizin mesleki yaşamlarında başvurabilecekleri bir kaynak oluşturması açısından da önemlidir. Hazırlanan bu kitapçığın tüm öğrencilerimize yararlı olmasını temenni ederken, kitapçıkların hazırlanmasında asıl katkı sahipleri olan bölümümüz öğretim elemanlarına teşekkürlerimi sunarım. Eylül 015, Kırıkkale Prof. Dr. Ali ERİŞEN Makina Mühendisliği Bölüm Başkanı i

3 İÇİNDEKİLER Sayfa No 1. GİRİŞ Dersin Amacı ve Kapsamı Deneysel Çalışmaların Temelleri / Önemi Deneysel Hatalar ve Hata Analiz Yöntemleri Belirsizlik Analizi Yöntemi Ders ile İlgili Genel Düzenlemeler Ders İle İlgili Genel Hususlar Deney Raporu Hazırlanışı Deney Grupları ve Tarihleri Deney Listesi ve İlgili Öğretim Elemanları DENEY FÖYLERİ Bilgisayar Destekli İmalât - I Deneyi Çekme Deneyi Gerinim Ölçümü Deneyi Sertlik Ölçme Deneyi Döküm Deneyi Isı Değiştiricisi Deneyi Taşınımla Isı Geçişi Deneyi Termodinamiğin I. Yasası Deneyi Isıl İletkenlik Ölçümü Deneyi Motor Karakteristiklerinin Ölçülmesi Deneyi Ekler Ek-1 Deney Raporu Kapak Sayfası Örneği ii

4 1. GİRİŞ Makina Laboratuvarı dersi, mühendislik fakülteleri öğrencileri için, lisans öğrenimleri süresince görmüş oldukları derslerin bir uygulaması olduğundan büyük bir öneme sahip olup bu yönüyle de diğer derslerden ayrılmaktadır. Bu nedenle, diğer derslerde öğrenilen konuların daha iyi kavranabilmesi, laboratuvar derslerine verilen önemle mümkün olacaktır. Bütün deneylere girilmesi, deney raporlarının irdelenerek kapsamlı bir şekilde hazırlanması, daha önce teorik olarak incelenmiş birçok konunun daha iyi anlaşılmasına büyük katkı sağlayacaktır. 1.1 Dersin Amacı ve Kapsamı Makina Laboratuvarı dersi bir uygulama dersi olup, öğrencilerin lisans öğrenimi süresince derslerde teorik olarak gördükleri birçok kanunun geçerliliğinin deneylerle gösterilmesi amacına yöneliktir. Bu uygulama dersi kapsamında yapılacak deneylerle; Malzeme dersinden Termodinamik dersine, Mukavemet dersinden Isı Transferi dersine kadar birçok dersin temel prensiplerinin izahına çalışılacaktır. Bu yönüyle, bir anlamda lisans öğreniminin özetlendiği bir ders işlevi görmekte olup konuların pekiştirilebilmesi için bir fırsat sağlamaktadır. 1. Deneysel Çalışmaların Temelleri / Önemi Deneysel çalışmaların, derslerde teorik olarak işlenen konuların özümsenebilmesinde büyük bir etken olduğu hususu açıktır. Ancak bu amaca ulaşılabilmesi için; deneylerin büyük bir titizlikle ve sabırla yapılmış olması, deneylerde kullanılacak cihazların mutlaka kalibre edilmiş olmaları, deneylerin yeteri kadar sayıda tekrar edilmiş olması, deney tesisatı sürekli rejim şartlarına ulaştıktan sonra ölçümlerin alınmış olması gibi birçok şartın yerine getirilmesi gerekir. Ancak, bütün bu şartlar yerine getirilse bile, bütün deneysel çalışmalar yine de hatalar içerir. Deneysel çalışmalarda meydana gelen çeşitli hatalar ve bu hataların analizi aşağıda özetle açıklanmıştır Deneysel Hatalar ve Hata Analiz Yöntemleri Deneysel çalışmaların tümü, çeşitli nedenlerden dolayı hata içerir. Deneysel çalışmalarda yapılan bu hatalar genellikle üç gurupta toplanabilir. Bunlardan birincisi, deney yapan araştırmacının dikkatsizlik ve tecrübesizliğinden ileri gelen hatalardır. Deney tesisatlarında kullanılan ölçme cihazlarının yanlış seçiminden veya ölçme sistemlerinin yanlış tasarımından kaynaklanan hatalar bu gurup içinde düşünülebilir. İkinci gurup hatalar, sabit veya sistematik 1

5 hatalar olarak adlandırılan hatalardır. Bunlar genellikle tekrar edilen okumalarda görülen ve nedenleri çoğunlukla tespit edilemeyen hatalardır. Üçüncü gurup hatalar ise rastgele hatalardır. Bunlar ise; deneyi yapan kişilerin değişmesinden, deneyi yapanların dikkatlerinin zamanla azalmasından, elektrik geriliminin değişmesinden, ölçme aletlerindeki histerizis olaylarından veya cihazların ısınması nedeniyle elektronik ölçme aletlerinde oluşan salınımlardan kaynaklanabilmektedir [1]. Deneysel sonuçların geçerliliğinin belirlenmesi için mutlaka bir hata analizi yapmak gerekmektedir. Deneylerden elde edilen veriler kullanılarak hesaplanan parametrelere ait sabit hata miktarlarının (veya oranlarının) tespiti için pratikte bir kaç yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemler içerisinde, belirsizlik analizi (uncertainty analysis) ve akılcı yaklaşım (commonsense basis) yöntemleri en çok kullanılanlarıdır [1]. İlk olarak Kline ve McClintock tarafından ortaya atılan belirsizlik analizi yöntemi; bu yöntemin kullanılması durumunda, deneylerde en büyük hataya neden olan değişkenin hemen tespit edilebilmesi nedeniyle diğer yöntemlere göre daha hassas bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Böylece; hatayı azaltmak için, söz konusu bu değişkenin ölçümünde kullanılan cihaz üzerine yoğunlaşılabilir. Söz konusu bu belirsizlik analizi yöntemi müteakip bölümde özetle açıklanmış ve bu yöntemin herhangi bir deneysel çalışmada nasıl kullanılacağı kısaca izah edilmiştir. 1.. Belirsizlik Analizi Yöntemi Herhangi bir deney tesisatı aracılığı ile tespit edilmesi/hesaplanması gereken büyüklük R, bu büyüklüğe etki eden n adet bağımsız değişkenler ise; x 1, x, x 3,...,x n olsun. Bu durumda; R R( x, x, x,..., x ) (1) 1 yazılabilir. Deneylerde etkili olan her bir bağımsız değişkene ait sabit hata değerleri; w 1, w, w 3,...,w n ve R büyüklüğünün sabit hata değeri w R ise, belirsizlik analizi yöntemine göre; 3 n şeklinde verilmektedir []. R R R 1 1 w R w w... wn () x x xn 1

6 1.3 Ders İle İlgili Genel Düzenlemeler Mühendislik fakülteleri öğrencileri için, lisans öğrenimleri süresince görmüş oldukları derslerin bir uygulaması olan laboratuvar dersinin amacına ulaşabilmesi için, aşağıda yer alan genel hususlara uyulması ve deney raporu hazırlamaya gereken önemin verilmesi kaçınılmazdır. Buna göre aşağıdaki düzenlemelere uyulması gerekmektedir Ders İle İlgili Genel Hususlar Dersin daha etkin olabilmesi için aşağıdaki kurallara uyulması gerekmektedir. Buna göre; 1) Deneylere gelmeden önce ilgili deney föyü detaylı olarak incelenecektir. ) Deney föyü yanında olmayan öğrenci kesinlikle deneye alınmayacaktır. 3) Her öğrenci kendi grubu ile beraber deneylere girecektir. 4) Öğrenci, deneylerin % 80 ine katılmak ve bu deneylere ait raporların tamamını teslim etmek zorundadır. Ancak; deney raporlarına ilişkin not ortalaması, toplam deney sayısı dikkate alınarak hesaplanacaktır. 5) Deney raporlarında, bu kitapçıkta Ek-1 de gösterilen kapak sayfası kullanılacaktır. 6) Deney raporları, ilgili deneyde yapılan ölçümlerin yer aldığı tabloyu da içerecektir. 7) Deney raporları, bilgisayar ortamında hazırlanabildiği gibi el yazısı ile de yazılabilir ve raporun kapak sayfası hariç, kâğıtların her iki tarafı da kullanılacaktır. 8) Deney raporları, deneyin yapıldığı tarihten itibaren en geç 1 hafta içinde teslim edilecektir. Geç rapor teslimi kesinlikle bir seçenek değildir. Geç teslim edilen raporlar değerlendirilmeye alınmayacaktır. 9) Deney raporları, bizzat öğrenci tarafından ilgili uygulama sorumlusuna teslim edilecektir. Kendisine yöneltilecek olan sorulara vereceği cevaplar, ilgili deney raporundan alacağı nota büyük oranda etki edecektir. 10) Dönem sonlarında Telafi Deneyi yapılmayacaktır Deney Raporu Hazırlanışı 1) Deney raporlarında, bu kitapçıkta Ek-1 de gösterilen kapak sayfası kullanılacaktır. ) Deney raporunda; kapak sayfası, deneyin amacı, deney tesisatının şematik gösterimi, deney tesisatının ana elemanları ve bu elemanların tanıtımı ile görevleri yer alacaktır. 3) Yine deney raporunda; ilgili deneyde yapılan ölçümlerin yer aldığı tablo, hesaplamalar, sonuçların yer aldığı tablo, sonuçlardan hareketle çizilecek grafikler ile sonuç ve yorum bölümleri yer alacaktır. 3

7 1.4 Deney Grupları ve Tarihleri Deney grupları ve deney tarihleri her bir yarıyıl (Güz ve Bahar Yarıyılları) için standart hale getirilmiş olup bunlar; Tablo 1., Tablo 1.3 ve Tablo 1.4 de gösterilmiştir. Tablo 1 Öğrenci Numarasına Göre Deney Grupları Grup Numarası Öğrenci Numarası (N.Ö.) Öğrenci Numarası (İ.Ö.) 1. Grup Grup Grup Grup Grup Grup Diğerleri Diğerleri Tablo Deney Haftaları ve Kapsadığı Tarih Aralığı Yarıyıldaki Hafta Tarih Aralığı 1. Hafta Eylül 015. Hafta 1-5 Eylül Hafta 8 Eylül - Ekim Hafta 5-9 Ekim Hafta 1-16 Ekim Hafta 19-3 Ekim Hafta 6-30 Ekim Hafta - 6 Kasım Hafta 9-13 Kasım 015 (Vize Sınavları Haftası) 10. Hafta 16-0 Kasım Hafta 3-7 Kasım Hafta 30 Kasım - 4 Aralık Hafta 7-11 Aralık Hafta Aralık Hafta 1-5 Aralık 015 Tablo 3 Deney Grupları ve Deney Tarihleri Grup No 1. Deney. Deney 3. Deney 4. Deney 5. Deney 6. Deney 7. Deney 8. Deney 9. Deney 10. Deney 1.Grup 4.hafta 5.hafta 6.hafta 7.hafta 8.hafta 10.hafta 11.hafta 1.hafta 13.hafta 3.hafta.Grup 5.hafta 6.hafta 7.hafta 8.hafta 10.hafta 11.hafta 1.hafta 13.hafta 3.hafta 4.hafta 3.Grup 6.hafta 7.hafta 8.hafta 10.hafta 11.hafta 1.hafta 13.hafta 3.hafta 4.hafta 5.hafta 4.Grup 7.hafta 8.hafta 10.hafta 11.hafta 1.hafta 13.hafta 3.hafta 4.hafta 5.hafta 6.hafta 5.Grup 8.hafta 10.hafta 11.hafta 1.hafta 13.hafta 3.hafta 4.hafta 5.hafta 6.hafta 7.hafta 6.Grup 10.hafta 11.hafta 1.hafta 13.hafta 3.hafta 4.hafta 5.hafta 6.hafta 7.hafta 8.hafta 4

8 1.5 Deney Listesi ve İlgili Öğretim Elemanları Söz konusu yarıyılda yapılacak deneylerin ismi ve bu deneylerden sorumlu olan öğretim elemanları Tablo 1.5 de gösterilmiştir. Tablo 1.5 Deney Listesi ve İlgili Öğretim Elemanları 5

9 .1 BİLGİSAYAR DESTEKLİ İMALÂT-I DENEYİ Deneyle İlgili Genel Bilgiler Deneyin Adı Bilgisayar Kontrollü (CNC) Tornalama Merkezinde Parça Üretiminde Kullanılmak Üzere Program Yazılımı ve Tezgahta Uygulanması. Kesme kuvveti ve yüzey pürüzlülüğünün ölçülmesi. Deneyin Amacı Bilgisayar Kontrollü Tezgahlar (CNC) çeşitli işlemleri yapmak üzere kullanılacak, üretilecek parçaya göre program yazılımı, bu programın tezgahta uygulanması, işleme değişkenlerinin tespit edilmesi, bağımlı değişkenlerin hesap edilmesi ve parçaların üretiminin gerçekleştirilip, kesme kuvveti ve yüzey pürüzlülüğünün ölçülmesi hedeflenmektedir. Kullanılan Cihazlar Bilgisayar Kontrollü Tornalama Merkezi Tezgahı ve bu tezgahta kullanılacak ilgili kesici ve iş bağlama donanımları. Dinamometre ve yüzey pürüzlülüğü ölçüm cihazı. Deneyin Yapılışı 1. Aşağıda verilen parçayı işlemek üzere bir program yazılır. Program yazılırken kullanılacak işleme değişkenleri, malzeme çifti ile ilgili bilgiler göz önünde bulundurularak, ilgili tablolardan (Metal Mesleğinde Tablolar kitabı) seçilir ve parça programına girilir.. İşlenecek malzeme tezgaha sabitlenir. Kesici sistemleri tezgah üzerindeki yerlere sabitlenir. Parça sıfır noktası, kesici tanıtma ile ilgili bilgiler tezgaha girilir. 3. İlerleme değeri f, seçilen değerden başlayarak belirli miktarda artışla değiştirilir ve sonuçta her bir ilerleme değeri için silindirik tornalamada talaş şekli, kesme kuvveti ve yüzey pürüzlülüğüne bakılır BİLGİSAYARLA SAYISAL DENETİMDE KULLANILAN ISO M VE G KODLARI 6

10 M00 : Programı durdurur. M01 : Opsiyonel durdurma. M0 : Program sonu. M03 : Saat yönü dönme başlat. M04 : Saat yönü tersi dönme başlat. M05 : Dönmeyi durdur. M06 : Takım değiştir. M07 : Kesme sıvısı (pulvarize) aç. M08 : Kesme sıvısı (normal) aç. M09 : Kesme sıvısı kapat. M30 : Programı bitir. G00 : Hızlı hareket. G01 : Talaş ilerlemeli doğrusal hareket. G0 : Saat yönü dairesel hareket. G03 : Saat yönü tersi dairesel hareket. G04 : Duraksatma. G8 : Referans noktasına dönüş. G40 : Kesici çapı telafisi iptali. G41 : Kesici çapı telafisi (sol). G4 : Kesici çapı telafisi (sağ). G43 : Kesici uzunluğu telafisi. G48 : Kesici çapı telafisi. G49 : Kesici uzunluğu telafisi iptali. G54 G59 : Sabitleme elemanları ofsetleme. G73 : Talaş kırıcı delme döngüsü. G80 : Döngü iptali. G81 : Delme döngüsü. G8 : Alın işleme döngüsü. G83 : Derin delme döngüsü. G84 : Kılavuz çekme döngüsü. G85 : Delik büyültme ve raybalama döngüsü. G86 : Raybalama döngüsü. G87 : Raybalama döngüsü. G88 : Raybalama döngüsü. G89 : Raybalama döngüsü. G90 : Mutlak pozisyonlama. G91 : Artışlı pozisyonlama. G93 : Sabit kesme hızı G97 : Sabit devir G98 : İlerleme/(mm/dak) G99 : İlerleme/(mm/dev) İŞLENECEK PARÇA 50*110 boyutlarda silindirik, malzemesi alüminyum alaşım. 7

11 3.1.1 YAPILACAK İŞLEMLER 1. Değişen talaş derinliği, ilerleme ve kesme hızı değerleri için her öğrenci tarafından ayrı bir program hazırlanacak.. İlerleme değeri f min = değerinden başlayarak lik artışla f max = değerine kadar değiştirilecek ve sonuçta her bir ilerleme değeri için silindirik tornalamada kesme kuvveti, yüzey pürüzlülüğü ve talaş oluşumuna bakılacaktır ÖRNEK PROGRAMLAR 1. Silindirik Tornalama O 4307; {Program numarası 4307} T0101; {1 numaralı takımı 1 numaralı telafi ile al} G96 S 150 M3; {150 m/dak sabit kesme hızıyla saatin tersi yönünde aynayı döndür} G0 X50. Z; {X=50, Z= koordinatlarına hızlı hareketle git} G1 X47. F 0.; {X=47 koordinatına, f=0. mm/dev ile ilerleme hareketiyle git} G1 Z-50. F0.; {Z=-50 koordinatına, f=0. mm/dev ile ilerleme hareketiyle git} G1 X50. Z5. F; {X=50, Z=5 koordinatına, f= mm/dev ile ilerleme hareketiyle git} M5; {Ayna dönmesini durdur} G8 U0W0; {Referans noktasına dön} M30; {Programı sonlandır} Önemli Not: Deneye ait föyü teslim ederken sadece sonuç ve değerlendirmeler kısmını teslim ediniz. Deneye ait bilgilendirme kısmı (üst kısım) sizde kalsın. 8

12 3.1.1 SONUÇ VE DEĞERLENDİRMELER Adı Soyadı Numarası 1. Tornalama işleminde değişen ilerleme ve talaş derinliğine göre oluşan talaş şekline ait grafiği çiziniz. a p f. Tornalama işleminde değişen ilerleme değerlerine göre oluşan kesme kuvvetini yorumlayınız. 3. Silindirik tornalama işleminde, değişen ilerleme değerlerine göre oluşan yüzey pürüzlülüğünü yorumlayınız. 9

13 4. Aşağıdaki işleme değişkenlerine göre parça programını oluşturunuz İşlenen Malzeme Kesici Malzemesi Kesme Hızı İlerleme Kesme Derinliği Kesilecek uzunluk Malzemenin ilk çapı Malzemenin son çapı 5. İşleme süresini, kesme kuvvetini ve harcanan gücü hesaplayınız. Bulduğunuz kesme kuvvetini dinamometrenin ölçtüğüyle karşılaştırınız. 10

14 . ÇEKME DENEYİ l. Giriş ve Deneyin Amacı Mühendislik malzemelerinin çoğu, uygulanan gerilmeler altında biçimlerini kalıcı olarak değiştirirler, yani plastik şekil değişimine uğrarlar. Bu malzemelerin hangi koşullar altında ve ne zaman kalıcı şekil değişimine uğrayacaklarını bilmek çok önemlidir. Çeşitli yapı elemanlarının veya makina parçalarının etkisinde bulundukları yükler aitında biçimlerini değiştirmesi istenilmeyen bir olaydır. Çekme deneyi malzemelerin mukavemeti hakkında esas dizayn bilgilerini saptamak ve malzemelerin özelliklere sınıflandırılmasını sağlamak amacı ile geniş çapta kullanılır. En çok uygulanan tahribatlı malzeme muayenesi yöntemlerinden biri olan çekme deneyi sonucunda elde edllen veriler, doğrudan mühendislik hesaplarında kullanılmaktadır.. Deneyin Yapılışı Çekme deneyi, standardlara göre hazırlanan deney numunesinin (ömek), sabit sıcaklıkta ve tek eksende, belirli bir hızla koparılıncaya kadar çekilmesi işlemidir. Deney sırasında, numuneye sürekli olarak değişen çekme kuvveti uygulanarak, meydana gelen uzama kaydedilir. Çekme deneyi sonucunda numunenin temsil ettiği malzemeye ait aşağıdaki mekanik özellikler bulunabilir: Elastisite (Katılık) modülü, Elastiklik sınırı, Rezilyans modülü, Akma gerilmesi, Çekme dayanımı, Tokluk, % Uzama (ve kopma uzaması), % Kesit daralması (ve kopma büzülmesi). Şekil 1a da yuvarlak kesitli ve silindirik başlı, Şekil 1b de ise levha şeklinde kalın yassı bir malzeme için çekme numunesi örnekleri verilmiştir. d 0 d l h L 0 L v h L t Burada; Şekil 1a. Yuvarlak kesitli silindirik başlı çekme numunesi örneği d 0 = Örneğin çapı d 1 = Baş kısmının çapı 1.d 0 11

15 l V = İnceltilmiş kısmın uzunluğu = l 0 +d 0 l 0 = Ölçü (geyç) uzunluğu 5d 0 l t = Toplam uzunluk h = Baş kısmının uzunluğu anlamındadır. a b B L 0 h R35 L v h L t Şekil 1b. Levha şeklinde kalın yassı çekme numunesi örneği Burada; a = Numunenin Kalınlığı b = Ölçü uzunluğu içinde numune genişliği B = Baş kısmın genişliği 1.b+3 anlamındadır. Bu tip örneklerin kısa gösterilişi: Çapı (d 0 )= 1 mm ve ölçü uzunluğu (l o )= 60 mm olan çekme örneği; 1x60 TS 138 A şeklinde gösterilebilir. 3. Çekme Deneyinden Elde Edilen Veriler Çekme deneyi sırasında elde edilen gerilme ve uzama değerleri aşağıdaki bağıntılar yardımıyla bulunur: Çekme gerilmesi () = F/A 0 Birim uzama ( e veya ) = l/l 0 Yüzde uzama (%) = l/l 0 x100 F = Çekme kuvveti A 0 = Deney numunesinin ilk kesit alanı l 0 = Deney numunesinin ilk ölçü boyu l = Uzama miktarı Çekme diyagramı, gerilme-birirn uzama (-) veya gerilme-yüzde uzama (-%) eğrisini gösterir. A 0 ile l 0 sabit olduğuna göre - eğrisi, çekme makinasının kaydettiği F-l diyagramına benzer şekle sahiptir. Düşük karbonlu yumuşak çelik ve sertleştirilmiş çeliğe ait çekme diyagramları Şekil ' de verilmiştir. 1

16 Elastik Bölge Plastik Bölge Gerilm e Gerilm e ç a ü a a % Uzama Kırılma çekme 0, A5 0, % % Uzama Elastik uzama a) Düşük karbonlu yumuşak çeliğin b) Belirgin akma göstermeyen sertleştirilmiş çeliğin Şekil. Çekme diyagramları Çekme deneyi sonucunda numunelenin temsil ettiği malzemeye ait aşağıda verilen mekanik özellikler belirlenebilir. a) Orantı Sınırı ( 0 ): Gerilme ile birim uzama arasında = E bağıntısının (Hooke kanunu) geçerli olduğu doğrusal kısmı sınırlar. Bu bağıntıdaki orantı katsayısı E, elastiklik (esneklik) modülü adını alır ve doğrunun eğimini gösterir. Ahşap, kauçuk ve deri gibi bazı malzemelerin - diyagramında böyle bir doğrusal bölge bulunmadığı için, sabit bir E değeri yerine ancak, belirli bir noktadaki teğetin eğimi söz konusu olur. Bir malzemenin elastiklik modülü ne kadar büyükse, rijitliği yani elastik şekil değiştirmeye karşı direnci de o oranda büyüktür. Bir malzemeye ait elastiklik modülü herhangi bir ısıl veya mekanik işlem yardımıyla değiştirilemez. b) Elastiklik Sınırı ( E ): Kuvvet kaldırıldığı zaman plastik (kalıcı) uzamanın görülmediği veya yalnız elastik şekil değiştirmenin oluştuğu en yüksek gerilmedir. Genellikle, aralarındaki farkın çok az olması nedeniyle orantı sınırına eşit kabul edilebilir. Pratik olarak yerine, % 0.01 veya %0.005'lik plastik uzamaya karşılık gelen veya değerleri alınır. c) Akma dayanımı ( a ): Gerilmenin yaklaşık olarak sabit kalmasına karşılık, plastik şekil değiştirmenin önemli ölçüde arttığı ve çekme diyagramının düzgünsüzlük gösterdiği gerilme değeridir. Bu belirgin akma sınırı ancak bazı malzemelerde, örneğin düşük karbonlu yumuşak çelikte, deney şartlarına bağlı olarak görülebilir. Akmanın başladığı gerilme değeri üst akma sınırı a.ü ve akmanın devam ettiği ortalama gerilme de alt akrna sınırı a.a olarak adlandırılır(şekil.b.). Akma sınırının belirgin olmaması halinde bunun yerine, genellikle %0.'lik plastik uzamaya (% plastik = 0. veya plastik = 0.00) karşılık gelen gerilme 0. sınırı alınır. d) Çekme dayanımı ( ç ): Bir malzemenin kopmadan veya kırılmadan dayanabileceği en yüksek çekme gerilmesi olarak tanımlanır. Bu gerilme, çekme diyagramındaki en yüksek gerilme olup, ç = F max /A 0 formülü ile bulunur. Bu gerilmeye kadar deney parçasının kesiti her tarafta aynı oranda azaldığı halde, bu noktadan sonra deney parçası bir bölgede yerel olarak büzülmeye başlar (boyun verme) ve daha küçük bir gerilmede kopar. Maksimum gerilmenin ( ç ) uygulanması sonuçta kopmaya yol açtığından ve kırılma noktasındaki gerilmenin pratik bir anlamı bulunmadığından, ç yerine kopma noktasındaki gerilmeyi gösteren k simgesi kullanılabilir. 13

17 e) Kopma Uzaması (K.U.): Çekme örneğinm kopuncaya veya kırılıncaya kadar gösterdiği yüzde uzama miktarı olarak tanımlanır. Deney parçasının kopan kısımlarının bir araya getirilmesi ile ölçülen l k ve l k = l k -l 0 yardımıyla K.U. = % l k /l 0 x100 bağıntısı yardımıyla bulunur. Bu değer ne kadar büyükse malzeme o derece sünektir anlamına gelir. Bir malzemede k ve ç değerlerini yükselten etkenler çoğunlukla sünekliği azaltırlar. PT: Kopma anındaki dar kesit a) Gevrek malzemenin kopması (büzülme yok) b) Sünek malzemenin kopması (büzülme var) Şekil 3. Gevrek ve sünek malzemenin kopması Plastik şekil değişimine elverişli olmayan malzemeye gevrek malzeme denir. Bu nedenle, gevrek malzemeler teorik olarak kopma uzaması ve kopma büzülmesi (boyun verme) göstermezler. Ancak, uygulamada % 1- gibi düşük oranlarda kopma uzaması gösteren malzemeler de gevrek kabul edilir. Şekil 3 de gevrek ve sünek malzemelerin kopma davranışı şematik olarak gösterilmiştir. Büzülme gösteren malzemelerde l k değeri, ölçü uzunluğundan (l 0 ) başka, numune çapı (d 0 ) ile orantılı olduğundan, bir malzeme için daima aynı kopma uzaması değerini elde edebilmek amacıyla, l 0 = a.d 0 alınır. Buradaki a sabiti genellikle 5 vaya 10 olarak seçilir. Dairesel kesitli olmayan deney parçalarında ise; l a 0 olarak alınır. 4A 0 Süneklikle karıştırılmaması gereken başka bir kavram da elastikliktir. Bütün malzemelerde bir elastiklik bölgesi bulunmakla birlikte, metalik malzemelerin çoğu %1'den daha düşük elastik uzama gösterirler. Bir plastik malzeme türü olan elastomerler ise, yüzde bir kaç yüz mertebesine varan oranlarda elastik uzama gösterebilirler. f) Kopma büzülmesi (K.B.): Çekme numunesinin kesit alanında meydana gelen en A 0 -A k büyük yüzde daralma veya büzülme miktarı olup, K. B. = (A 0 -A k ) / A 0 x100 bağıntısı ile hesaplanır ve bulunan değerler kopma uzaması gibi, süneklik için bir göstergedir. Burada, A 0 deney numunesinin ilk kesit alanı, A k ise, kırılma anındaki en küçük kesit alanı veya kırılma yüzeyinin alanıdır. 14

18 Şekil 4. Yuvarlak kesitli silindirik başlı çekme numunesinin çekme deneyi sırasında boyunda ve kesit alanında oluşan deformasyonlar g) Rezilyans Modülü: Malzemenin yalnız elastik şekil değiştirme sırasında enerji absorbe etme yeteneğine denir. Bu enerji, gerilme () birim uzama () eğrisinin elastik kısmının altında kalan alan ile belirlenir (Şekil 5). Birim hacimde absorbe edilen bu enerji, u e E akma şeklinde hesaplanabilir. h) Tokluk: Malzemenin kırılıncaya kadar enerji absorbe etme yeteneğine denir. Genellikle - eğrisinin altında kalan alanın A k 0 d hesaplanması ile bulunur. Birim hacim başına düşen kırılma enerjisi olarak tanımlanan tokluk, kırılmaya karşı direnç için bir ölçü kabul edilir (Şekil 5). Bu değerle, örneğin, darbeli zorlama halinde bulunan dinamik tokluk arasında bir bağıntı yoktur. Sünekliğin olduğu gibi, tokluğun karşıtı olarak da gevreklik deyimi kullanılır. 15

19 Gerilme Numunenin kırılmasına kadar plastik deformasyon için harcanan enerji. Numune kırılınca geri kazanılan elastik enerji. Birim Uzama Şekil 5. Gerilme-birim uzama eğrisinin altındaki alan şekil değişimi için gerekli enerjiyi (tokluğu) vermektedir. C60 çeliğinin çeşitli durumları için çekme diyagramları şekil 6'da verilmiştir. Bu şekilden, söz konusu çeliğin (a) durumunda gevrek ancak, (b) ve (c)'ye göre rezilyansının daha fazla olduğu görülmektedir. Çoğunlukla sünek malzeme tok olur. Ancak, (b) ve (c) eğrilerinin karşılaştırılmasından, süneklik ve tokluğun daima aynı yönde değişmediği yani (c) durumunda süneklik biraz azaldığı halde, tokluğun arttığı görülmektedir. Şekil 7 de çeşitli malzemelere ait çekme diyagramları verilmiştir. a a) Sertleştirilmiş b) Normalize edilmiş c) Islah edilmiş (Su verildikten sonra menevişlenmiş) b c (%) Şekil 6. C60 çeliğinin çeşitli durumları için çekme diyagramları 16

20 a b c d Şekil 7. Çeşitli malzemelerin çekme diyagramları 4. Çekme Deneyinin Genel Değerlendirilmesi a) Yüksek mukavemetli çelik (yarı sünek). b) Yumuşak çelik (sünek). c) Kır dökme demir {gevrek). d) Tavlanmış bakır (sünek). Çekme deneyi sonucunda, çekme diyagramı, (- eğrisi) elde edilerek, malzernenin akma ve çekme dayanımı gibi mukavemet değerleri ile kopma uzaması ve kopma büzülmesi gibi süneklik değerleri belirlenrnektedir. Söz konusu değerler, malzemenin cinsine, kimyasal bileşimine ve metalografik yapısına bağlıdır. Metalografik yapı ise malzemeye uygulanan ısıl işleme bağlıdır. Dolayısıyla, ısıl işlem bir malzemenin hem yapısını, hem de özelliklerini etkilemektedir. Bu nedenle, endüstride uygulanan ısıl işlemlerin malzemelerin mekanik özelliklerine etkileri çekme deneyi ile incelenebilir. Buraya kadar, çekme numunesinin son durumu ile ilk durumunun karşılaştırılması ile elde edilen mühendislik veya teknolojik gerilme ( m ) uzama (e) eğrileri incelendi. Ancak, ilk durum deney süresince devamlı değişime uğradığından özellikle plastik şekil değişimi için, Her noktadaki gerilme ve birim şekil değişiminin o andaki boyuta göre hesap edilmesi daha uygundur. Bu nedenle, mühendislik gerilmesi ve mühendislik birim şekil değişiminden farklı olarak gerçek gerilme ( g ) ve gerçek birim şekil değiştirme () tanımlanır. Bilindiği gibi, mühendislik gerilmesi ( m ) = F i /A 0 formülü ile hesaplanır. Buradaki F i deformasyonun herhangi bir i anında numuneye etki eden kuvvet, A 0 ise numunenin ilk kesit alanıdır. Mühendislik veya teknolojik birim şekil değiştirme ise; bağıntısı ile hesaplanır. Burada da, l 0 numunenin iik uzunluğu, l i ise herhangi bir i anındaki e l i uzunluğudur. l dl l li l l l l Gerçek gerilme ( g ), uygulanan kuvvetin deney parçasının o andaki en küçük kesit alanına bölünmesi ile elde edilir ve g = F i / A i bağıntısı i1e hesaplanır. 17

21 Burada F i deformasyonun herhangi bir i anında numuneye etki eden kuvvet, A i ; ise kuvvetin uygulandığı andaki deney numunesinin kesit alanıdır. Gerçek birim uzama (), deney parçasının boyundaki küçük dl değişiminin o andaki l boyuna oranının integrali olarak tanımlanabilir ve l i l dl l li ln l 0 0 bağıntısı ile belirlenir. Buradan hareketle ve plastik şekil değişimi sırasında numunenin hacminin (V) değişmediği, yani; A 0.l 0 = A i.l i = V olduğu düşünülerek; A i = A 0.l 0 / l i olarak bulunur. Mühendislik birim uzaması li l0 li ( e) 1 e olur. Buradan, l l Fi Fl i i Fi li Gerçek gerilme: ( g ) m(1 e) olarak bulunur. A l A l Gerçek uzama: ( ) ln ln(1 e) l l i 0 i olarak yazılabilir. Sonuçta gerçek ve mühendislik değerler arasındaki ilişki; ( 1 e), ln(1 e) m şeklinde yazılabilir. 0 0 Herhangi bir malzemeye ait mühendislik ve gerçek gerilme-birim uzama eğrileri Şekil 8 de verilmiştir. Şekil 8. Mühendislik ve gerçek gerilme-birim uzama eğrileri: (1) m - e ve () g - Her iki eğri birim uzamanın küçük değerleri için aynı kabul edilir. Yukarıdaki şekilden görüldüğü gibi, gerçek gerilme kopma noktasına kadar sürekli artmakta olduğu görülmekte, böylece malzemenin büzülmede de dahil olmak üzere, plastik şekil değiştirme sırasında sertleştiği anlaşılmaktadır. Bu tür sertleşmeye pekleşme veya 18

22 deformasyon sertleşmesi adı verilir. Dikkati çeken başka bir özellik, söz konusu eğrinin eğiminin (d g /d) gittikçe azalması yani pekleşme derecesinin küçülmesidir. Bu prensiplerin ışığı altında, numaralı eğrinin ( m - e) oluşmasında rol oynayan iki etkenden söz edilebilir: Pekleşme ve kesit daralması. Yalnız pekleşme olsaydı, e arttıkça m ' in artması gerekirdi. Buna karşılık yalnız kesit daralması olsaydı, e arttıkça m ' in azalması gerekirdi. m - e eğrisinde, maksimum noktaya kadar pekleşme etkisi ağır basar. Ancak, pekleşme derecesi devamlı küçüldüğünden, maksimum noktada pekleşme etkisi kesit daralması etkisine eşit olur. Bu noktadan sonra ise; kesit daralması etkisi daha üstün duruma geçer, yani deney parçasının işleme veya malzeme hatasından dolayı zayıf bir kesiti bir an için daha fazla şekil değişimine uğrasa bile, bu bölge derhal pekleşir ve dolayısıyla diğer bölgeler denge sağlayıncaya kadar şekil değiştirmeye devam eder (homojen şekil değiştirme veya pilastik denge). Oysa maksimum noktadan sonra pekleşmenin etkinliği azaldığından, herhangi bir noktadaki kesit daralması sürekli duruma geçer ve tüm şekil değiştirme bu bölgede yoğunlaşır (büzülme veya plastik dengesizlik). Basit bir çekme deneyi sonucunda elde edilen gerçek gerilme ( g )-gerçek birim şekil değiştirme eğrisine genellikle "plastik akış" eğrisi adı verilir. Zira bu eğri, belirli bir deformasyon oranı için metalin plastik olarak akışını sağlayacak gerilmeleri vermektedir. g - eğrisnin, numunenin her bölgesindeki homojen plastik deformasyonunu karakterize eden kısmı, matematiksel olarak: g = K. n Bağıntısı ile ifade edilebilir. Burada n deformasyon sertleşmesi üssü, K ise mukavemet katsayısı olup, = 1 için elde edilen gerilmeye eşdeğerdir. 5. Raporda İstenenler Rapor TS 88 A4 ebatlarında beyaz dosya kâğıdına mavi veya siyah mürekkepli kalemle yazılacaktır. Kağıdın sol ve üst kenarında 3 cm, sağ ve alt kenarda.5 cm boşluk bırakılacaktır. Rapor; kapak, irdeleme, deneyin amacı, konu ile ilgili teorik bilgiler, deneysel çalışmalar, sonuçlar ve kaynaklar bölümlerini içerecektir. Her bölümde bölüm başlıkları büyük harfle yazılarak desimal sisteme göre numaralandırılacaktır. Raporda ölçme sonuçları tablolar halinde verilmelidir. Anlatımda "ölçüldü, bulundu, hesaplandı" gibi ifadeler kullanılmalıdır. Sonuçlar bölümünde incelenen numuneler için çekme diyagramlarının çizilmesi gerekir. Teorik bilgiler için elinizdeki föyden faydalanabilirsiniz. 19

23 .3 GERİNİM ÖLÇÜM DENEYİ 1. Deneyin Amacı Makine mühendisliği öğrencilerine deneysel mukavemet araştırmalarında straingauge(gerinim ölçerlerin) kullanılması ile ilgili temel bilgileri vermektir. Bu deneyin anlaşılabilmesi için öğrencilerin mukavemet ve fizik derslerinde verilen temel bilgilere sahip olması gerekir. Deneyde ölçülecek büyüklükler mukavemet formülleriyle de kontrol edilebilecek şekilde seçilmişlerdir. Deneyin sonucunda öğrenci ölçülen ve hesaplanan değerlerin arasındaki farkın nerelerden geldiğini izah edebilmelidir.. Giriş Mukavemet problemlerinin çözümünde, yani bir yapı elemanındaki şekil değiştirme ve gerilmelerin tayininde iki yöntem vardır: i. Hesap ii. Deney Mukavemet hesaplarının yapılamadığı veya çok zaman alacağı durumlarla, emniyet kavramının ön plana çıktığı durumlarda deneye başvurulur. Ayrıca bir problem hesap yöntemi ile çözülmüşse yapılan basitleştirici kabullerin doğruluk derecesi deneylerle kontrol edilebilir. Mukavemet araştırmalarında kullanılan en önemli iki deney yöntemi şunlardır: i. Strain-gauge tekniği ii. Gerilme optiği Bu iki yöntemden en çok kullanılanı, ölçmeler elektrik devresiyle yapılabildiği ve sonuçlar sayısal olarak göstergelere yansıtılabildiği için strain-gauge tekniğidir. Bu tekniğe geçmeden önce katı cisimlerdeki şekil değiştirmelere ait bazı temel bilgileri hatırlamak faydalı olacaktır. 3. Katı Cisimlerde Gerilme Şekil Değiştirme Bağıntıları Pratikte zorlanmalar bir, iki veya üç eksenli olarak ortaya çıkabilir. Bir eksenli gerilme halinin teorisi basittir. Burada iki eksenli gerilme haliyle sınırlı kalınacaktır. Üç eksenli gerilme haline ait bilgiler mukavemet kitaplarında bulunabilir[1]. Kesilmiş olarak düşünülen bir katı cismin kesitinde kayma gerilmeleri ortaya çıkmıyorsa o kesitteki normal gerilmeye asal gerilme adı verilir. Asal gerilmeler bir yapı elemanının zorlanması hakkında fikir verdiğinden deneysel gerilme analizinde temel soru, bir yapı elemanının bir noktasındaki asal gerilmelerin büyüklüğü ve yönünün ne olduğudur(şekil 1). Şekil 1. Asal gerilmeler Düzlem gerilme analizinde genellikle rozet şeklinde gerinim ölçerler kullanılır[]. Şekil de görüldüğü gibi rozetteki gage lerin arasındaki açılar 45º veya 60º olabilir. 0

24 Şekil ve 60 0 açılarda rozet şeklinde gerinim ölçerler 45 o lik rozetler kullanılması halinde; a, a gerinim ölçeri, ε b, b gerinim ölçeri ve ε c, ise c gerinim ölçerinin ölçtüğü birim uzamalar ve μ malzemenin Poisson Oranı olmak üzere σ 1 ve σ asal gerilmeleri: 1 şeklinde yazılabilir [3]. max min E a c 1 E a c 1 E 1 1 E 1 1 σ 1 asal gerilmesinin a gauge i ile yaptığı Ø açısının büyüklüğü de; a c a b a b a c b tan (3) formülü ile bulunabilir. σ 1 asal gerilmesinin doğrultusu a gauge inden itibaren saat yönünde ϕ açısı kadar dönülerek bulunur. b b c c (1) () 4. Strain-Gauge Tekniği Bir malzemede oluşan gerinmeyi ölçmek için çoğunlukla strain gauge kullanılır. Strain gauge, maruz kaldığı gerinmeyle orantılı olarak elektriksel direnci değişen bir cihazdır. En çok tercih edileni Şekil 3 te görüldüğü gibi metalik strain gauge tir. Strain-gauge ler esas itibari ile elektrik direnç telleri olup, şekil değişikliği araştırılacak yapı elemanına yapıştırılır ve yapı elemanı ile birlikte deforme olması sağlanır. Bu esnada gauge in elektrik direnci değişir. Bu direnç değişikliği ile yapı elemanındaki birim şekil değiştirme arasında; R 1 (4) k R bağıntısı vardır. Buradaki orantı katsayısı k, Gauge Faktörü adını alır ve strain-gauge üreticileri tarafından verilir. Bu faktör strain-gauge rozetinin uzama hassasiyetini vermektedir. Normal şartlar altında -5 arasında Gauge Faktörü tanımlanmaktadır. (4) nolu bağıntıya 1

25 dikkat edilirse şekil değiştirmenin ölçülmesinin bağıl direnç değişimi ölçülmesine dönüştürülmüş olduğu görülür. Bir metalik telin elektriksel direnci; ρ telin özdirenci, L telin boyu ve A telin kesit alanı olmak üzere, şeklinde tanımlanır. L R (5) A Hizalama çizgisi Lehim yerleri Taşıyıcı Aktif tel uzunluğu Şekil 3. Metalik Strain Gauge 5. Wheatstone Köprü Devresi Malzemenin gerilme etkisi altında şekil değiştirmesi nedeniyle, elektriksel dirençlerde meydana gelen değişimin gerinim değerine dönüştürülebilmesi için kullanılan devreye Wheatstone Köprü Devresi denir. Bu devre güç kaynağı, galvanometre ve dört adet dirençten meydana gelmektedir. Wheatstone köprü devresinde bulunan dirençler strain-gauge leri ifade etmektedir. Devrede dirençlerin birbirlerini elektriksel yönden tamamlaması gerekir. Bu durumda, köprünün seri halde bulunan iki tane direncinin eşdeğer direnci, köprünün diğer kısmında bulunan birbirlerine seri bağlı olan dirençlerin eşdeğer direncine eşit olması gerekir. Strain-gauge ile gerilme, eşdeğer dirençler arasında meydana gelen elektriksel direnç farkının galvanometre ile ölçümü ile tayin edilir. Cisim üzerinde meydana gelen gerilmenin tipine bağlı olarak farklı sayıda strain-gauge kullanımı gerekir. Kullanılan strain-gauge sayısına bağlı olarak Wheatstone köprü devresinde dirençler aktif ya da pasif olarak nitelendirilir. Eğer köprü devresindeki direnç yapı elemanın deformasyonunun etkisine maruz kalıyorsa Aktif Strain gauge direnç yapı elemanın deformasyonunun etkisine maruz kalmıyorsa Pasif Strain gauge olarak adlandırılırlar. Wheatstone köprüsünde aktif strain gauge dışındakiler sadece köprünün elektriksel dengesi için bulunurlar. Köprü devresinde bulunan dirençlerin dört tanesi de deformasyona maruz kalması durumu Tam köprü, devrede bulunan dirençlerden sadece iki tanesinin deformasyona maruz kalması durumu Yarım köprü ve devrede bulunan dirençlerden sadece bir tanesinin deformasyona maruz kalması durumu Çeyrek köprü olarak isimlendirilir. Çeşitli yaygın konfigürasyonlar ve bunlar arasındaki ilişki Tablo 1 de belirtilmiştir.

26 Tablo 1: Wheatstone Köprü Devresi Çeşitleri V g V ç Şekil 4. Wheatstone Köprü Devresi Wheatstone köprüsünde oluşan çıkış voltajını veren bağıntı: Bu denkleme göre 3 Vç. R3 R4 R1 R R R V R1 R 4 olduğu zaman, çıkış voltajı sıfır değerini alır ve köprü R R3 dengededir denir. Söz konusu elektriksel dirençlerden birinde herhangi bir değişim olduğunda, çıkış voltajı sıfırdan farklı bir değer verecektir. Eğer köprüye R 4 ün yerine bir strain gauge yerleştirirsek, strain gauge in elektriksel direncindeki herhangi bir değişim köprünün dengesini bozacak ve V ç nin sıfırdan farklı bir değer almasına neden olacaktır. R G strain gauge in elektriksel direncini göstermek üzere, direncin değişimi ΔR, gauge faktörü bağıntısı kullanılarak R R.k. ile ifade edilebilir. Ayrıca köprüyü oluşturan dirençler R1 R ve R3 RG şeklinde seçilirse, (6) nolu denklemden, çeyrek köprü devresi için çıkış voltajının giriş voltajına oranı gerinmenin(ε) bir fonksiyonu olarak elde edilir. V V ç g k k. g G (6) (7) 3

27 Şekil 5. Wheatstone Çeyrek Köprü Devresi 6. Kafes Sistemleri Bir kafes sistem düğüm noktalarında birleşen doğru eksenli çubuklardan ibarettir. Kafes sistemin çubukları yalnız uç noktalarında birbirine bağlanmıştır. Dolayısıyla çubuklardan hiçbiri düğüm noktalarından ileri geçmez. Kafeslerin kuvvet analizinde aşağıdaki bazı ön kabuller yapılır; 1) Çubuk ağırlığı tesir eden yüklere nazaran çok küçük olduğu için ihmal edilir. Eğer ihmal edilmemesi gerekiyorsa; her çubuk ağırlığının yarısı çubuğun birleştirdiği iki düğüm noktasına gelecek şekilde, düğüm noktalarına uyguladığı kabul edilmiştir. ) Tüm dış kuvvetlerin doğrudan çubuklara değil, düğüm noktalarına (pimlere) tesir ettiği kabul edilir. 3) Çubuklar gerçekte kaynaklı ya da perçinli birleşimlerle birleştirilmişlerse de, çubukların mafsallı olarak birleştiğini kabul etmek adet olmuştur. Bu ön kabuller kafes çubuklarını iki-kuvvet elemanı haline getirir. Yani bir çubuğa sadece iki ucundaki pimlerden kuvvet etkir. Çubuğun her iki ucuna etkiyen bu kuvvetler bir tek eksenel kuvvet olur ve moment meydana getirmez. Kafes çubuklarına yalnızca çubuk ekseni doğrultusunda tek eksende kuvvet geldiğinden; rozet şeklindeki strain-gage ler yerine, tek bir strain-gage in kullanılması çubuklardaki uzamayı belirlemek için yeterli olacaktır. Çünkü kafes çubuklarında tek eksenli gerilme durumu vardır. Rozet şeklindeki strain-gage ler düzlem gerilme durumunda,, kullanılır. Aşağıda, kullanılan deney düzeneğinin şekli görülmektedir. x y xy Şekil 3. Deney düzeneği Kafes Sistemi 4

28 (a) Düğüm Noktası Metodu Bu metot ile çalışırken her düğüm noktasının serbest cisim diyagramı çizilir ve düğüm noktasında ikiden fazla bilinmeyen çubuk kuvveti olmamalıdır. Bu görüş mühimdir, çünkü kuvvet düğüm noktasında kesiştiğinden çözüm için ancak iki tane denklem vardır. Bu sıra içinde bir düğüm noktasından diğerine geçilerek bütün çubuklar belirlenir. (b) Kesim Metodu F 0 ; F 0 (8) x Kafesin kesilen çubukları serbest cisim diyagramı gibi düşünülür. Kesilen kafesin bir tarafını düşünmek kaydı ile bilinmeyen çubuk kuvvetleri bulunabilir. Kafesin ayrılan parçasını dengede tutan, çubuk doğrultusundaki kuvvetler çubuğun iç kuvvetleridir. Sistemde kesişmeyen ve paralel olmayan kuvvetler olduğu için üç denge denklemi geçerlidir. Bundan dolayı her kesitte üç çubuktan fazla bilinmeyen olmamalıdır. x y F 0 ; F 0 ; 0 (9) y M z 7. Eksenel Yüklü Çubuk Eksenel yönde bir F kuvvetine maruz kalmış dikdörtgen kesitli bir çubuk göz önüne alınırsa; F F F Çekm e F Basm a Şekil 4. Eksenel yönde çekme ve basma kuvvetlerine maruz kalan çubuklar F N (10) A m F kuvveti altında l boyundaki çubuğun boyu l kadar değişerek l 0 dan l 1 e ulaşır. l 1 l 0 l (11) l l l (1) 1 0 l0 l0 5

29 8. Deneysel Yöntem Şekil 5. Deney Düzeneğinin Görünüşü Strain-gage ler birim uzamaları ölçmek suretiyle, gerilmelerin tespit edilmesinde kullanılır. Bu ölçmeleri yapmak için strain-gage, ölçmesi yapılacak cismin üzerine cisim yüksüz iken yapıştırılır. Strain-gage in uçları dijital strain köprüsüne bağlanır ve gösterge sıfırlanır. Sıfırlama her çubuk için ayrı ayrı yapılır. Yükleme yapıldığı zaman uzama veya kısalma durumu için telin çapındaki artma veya azalmadan dolayı direnç değişecektir. Bu değişimlerden dolayı göstergede sapma meydana gelir. Bu sapmadan birim uzama miktarları ölçülür ve buradan da gerekli gerilme değerleri Hooke bağıntılarıyla elde edilir. Tek eksenli gerilme halinde, yapılan ölçüm esnasında birim uzama ( ) dijital strain köprüsünden okunarak, kafes sistemin malzemesi belli olduğundan, diğer bir deyişle elastisite modülü (E=00 GPa) tanımlanmış olduğundan, birim uzamaya karşı gelen gerilme değeri aşağıdaki bağıntıyla bulunur:.e (13) Tablo 1. Ölçülen değerleri YÜK 100 N 300 N 600 N 900 N 100 N 1 nolu çubuk için nolu çubuk için nolu çubuk için nolu çubuk için nolu çubuk için nolu çubuk için nolu çubuk için İstenenler Deneyde verilen kafes sistem için, 1. çubuktan, 7. çubuğa kadar her çubukta oluşan çekme veya basma kuvvetlerini hesaplayınız. Buna göre her bir yüke karşılık her bir çubuğun birim uzama miktarlarını (ε) hesaplayıp, ölçülen (ε) değerleri ile karşılaştırınız. Eğer fark varsa bu farkın neden meydana geldiğini açıklayınız. 6

30 .4 SERTLİK ÖLÇME DENEYİ 1. Deneyin Amacı Malzemelerin kullanımları için bilinmesi gereken sertlik değerlerinin ölçümü hakkında temel bilgileri vermektir.. Deneyle İlgili Genel Bilgiler.1 Giriş Bir malzemenin çizilmeye, kesilmeye, aşınmaya ve delinmeye karşı gösterdiği dirence sertlik denir. Bilimsel anlamda ise, bir malzemenin dislokasyon hareketine veya plastik deformasyona karşı gösterdiği direnç sertlik olarak ifade edilir. Sertlik deneyinde, bir malzemenin yüzeyine batırılan bir uca karşı gösterdiği direnç ölçülür. Batıcı uçlar bilya, piramit veya koni biçiminde olup, genellikle sertleştirilmiş çelik, sinterlenmiş tungsten karbür veya elmas gibi, sertliği deney malzemesinin sertliğinden çok daha yüksek olan malzemelerden yapılır. Standart deneylerin çoğunda yük, batıcı ucu malzeme yüzeyine dik doğrultuda ve yavaş yavaş bastıracak şekilde uygulanır. Sertlik ölçümünde dikkat edilmesi gereken bazı hususlar vardır. Örneğin; sertlik numunelerinin ölçme ve oturma yüzeylerinin düzgün ve birbirine paralel olmaları gerekir. Sertlik numunelerinin kalınlığı, iz derinliğinin en az 10 katı olmalıdır. Batıcı uç, numune kenarlarına yakın bölgelere uygulanmamalı ve izler arasında iz çapının veya ortalama köşegen uzunluğunun en az üç katı kadar bir uzaklık bulunmalıdır. Malzemenin sertliği, uygulanan yüke bağlı olarak, ya numune yüzeyinde oluşan izin yüzey alanına, ya da batıcı ucun batma derinliğine göre belirlenir. Genelde sertlik; uygulanan yükün numunede oluşan kalıcı izin yüzey alanına bölünmesiyle bulunur. Günümüzde en çok Brinell, Vickers ve Rockwell sertlik ölçme yöntemleri kullanılmaktadır. Ancak, bunlardan başka sertlik ölçme yöntemleri de vardır. Örneğin; Knoop sertlik ölçme yöntemi Kuzey Amerika da yaygın olarak kullanılmaktadır.. Brinell Sertlik Deneyi Bu deneyde sertlik, sertleştirilmiş çelik veya tungsten karbürden yapılan bir bilyanın, sertliği ölçülecek malzemeye genellikle 30 saniye müddetle ve belirli bir yükle bastırılması yoluyla saptanır. Uygulanan yük (F), malzeme yüzeyinde oluşan izin küresel yüzey alanına (A) bölünerek, Brinell Sertlik Değeri (BSD) bulunur. Yüzey alanı ve Brinell Sertlik Değeri aşağıdaki bağıntılar ile belirlenir. Brinell sertlik deneyinin prensip şeması Şekil 1 de görülmektedir. D D A D d BSD D D D d F 7

31 Şekil 1. Brinell sertlik deneyinin şematik gösterimi Burada F uygulanan yükü, D bilya çapını, d ise iz çapını gösterir. Deneme yükü, F=kD bağıntısı ile belirlenir ve (d/d)= olacak şekilde seçilir. Sertliği ölçülecek parça kalınlığı D/ den küçük olmamalıdır. Çizelgede en çok kullanılan F, D, ve k değerleri gösterilmiştir. Çizelge 1. Brinell sertliğinin ölçülmesinde en çok kullanılan yükler ve bilya çapları F (kg-f) D [mm] k=30 k=10 k=5 k= Kısa gösterilişi BS 30 BS 10 BS 5 BS.5 Farklı bilya çapı (D) ile bulunan sertlik değerlerinden yalnız k ları aynı olanlar birbirleriyle karşılaştırılabilir. Genellikle çelik, dökme demir ve alaşımları 30D ; bakır ve alaşımları 10 D ; Alüminyum ve alaşımları 5D veya.5d ; çok yumuşak metaller (kurşun, kalay, beyaz yatak metalleri) 1D lik yüklerle denenirler. Çelik bilya ile ancak 400 kg-f/mm ye kadar olan sertlik değerleri doğru olarak ölçülebilir. Daha büyük sertlikler için sinterlenmiş karbürden yapılan bilyalar kullanılabilir. Brinell sertlik değeri Türk Standartlarında BSD ile, Milletlerarası Standartlarda ise HB ile gösterilir..3 Vickers Sertlik Deneyi Bu yöntemde, piramit biçiminde ve tabanı kare olan batıcı uç kullanılır. Elmastan yapılan piramidin tepe açısı 136 derecedir. Vickers sertlik deneyi; söz konusu batıcı ucun, malzemenin yüzeyine, malzeme cinsine göre seçilen bir yük altında, belirli bir süre batırılması ile oluşan izin köşegen uzunluklarının ölçülmesinden ibarettir. Vickers Sertlik Değeri (VSD); 8

32 VSD F d uygulanan yükün (F), oluşan izin alanına bölünmesi anlamına gelen bağıntısı ile bulunur. Burada; d izin köşegen uzunluğu olup d=(d 1 +d )/ bağıntısı ile bulunur. Vickers sertlik ölçme prensibi Şekil de görülmektedir. Şekil. Vickers sertlik ölçme prensibi Köşegen uzunluğu, sertliği ölçülen parça veya tabaka kalınlığının en çok üçte ikisi kadar olmalıdır. Yük 1 ile 10 kg-f arasında; genellikle ya da 60 kg-f olarak seçilir. Vickers metodu çok küçük bölge veya çok ince tabakaların sertliğinin saptanmasında büyük üstünlüğe sahiptir. Vickers sertlik değeri Türk Standartlarında VSD ile, Milletlerarası Standartlarda ise HV ile gösterilir..4 Rockwell Sertlik Deneyi Rockwell sertlik değeri, yükün üç kademe olarak uygulanması neticesinde tespit edilir. Sertliği ölçülecek parça ile, test ucu arasındaki tam teması sağlamak ve cihazın ölçme mekanizmasındaki boşlukları gidermek maksadıyla bir F 0 ön yükü uygulanmasıyla, uç, ölçme parçasına bir t 0 miktarı batar (Durum 1). Bu derinlik, Rockwell sertlik skalası için, referans düzlemi olarak alınır. F 0 dan en az 4 kat büyük olan F 1 deney yükünün eklenmesi ile uç, (F 0 + F 1 ) toplam yükün etkisi altında, malzemeye, tayin edilmiş belirli bir zaman (15 saniye gibi) bastırılır (Durum ). Bu süre sona erince, F 1 yükü kaldırılır; uç şimdi malzemeye tekrar F 0 yükü ile etki etmektedir (Durum 3). Ön yükün (F 0 ) ilk ve son uygulanması arasında, kalıcı bir batma derinliği (t B ) meydana gelir. Deneyin yapılışı, Şekil 3 te şematik olarak gösterilmiştir. 9

33 Şekil 3. Rockwell sertlik ölçme prensibi Rockwell sertlik değeri; ön yükün ilk ve son uygulanması arasındaki kalıcı batma derinliğinin karşılık geldiği Rockwell sertlik skala parçasının, referans sayısından çıkarılması ile elde edilen değerdir. Sertlik skalasının başlangıcı (sıfırı) alt taraftadır ve t b küçüldükçe sertlik değeri artar. Batma derinliği büyüdükçe, sertlik değeri azalır. Batıcı uç olarak ya elmas koni, ya da çelik bilya kullanılır. Elmas koninin tepe açısı 10º olup, tepe noktası yarı çapı 0. mm olan bir küre parçasından oluşur. Bilya tipindeki batıcı uçların çapları yaklaşık 1.6 mm, 3. mm, 6.35 mm ve 1.7 mm olabilir. Rockwell sertlik ölçme metodunda 8 değişik malzeme sertlikleri için, çok geniş sertlik ölçme imkanları tanımlanmıştır. Bununla beraber, en fazla kullanılan ve genel maksatları karşılayan 3 ölçme, Rockwell A, B, C ölçmeleridir..4.1 Rockwell A (HRA) Test ucu elmas koni, tepe açısı 10º, tepe yuvarlatılmış, ön yük 10 kg, esas yük 50 kg olmak üzere toplam 60 kg yük ölçme parçasına uygulanır. Bu metotla ince malzemelerin ve yüzey sertleştirilmesi yapılmış çeliklerin sertlikleri ölçülür..4. Rockwell B (HRB) Test ucu çelik bilya olup çapı mm dir. Sertlik skalası referans sayısı arasındadır. Sertlik birimi başına batma derinliği 0.00 mm dir. Test yükü, ön yük 10 kg, esas yük 90 kg olmak üzere toplam 100 kg dır. Bu metot, düşük karbonlu çelikler,sertleştirilmemiş dökme demirler ve çelikler, pirinç gibi bakır alaşımları, alüminyum alaşımları ve diğer demir dışı alaşımların sertlik ölçmelerinde kullanılır HRB arasındaki neticeler geçerlidir..4.3 Rockwell C (HRC) Test ucu elmas koni, tepe açısı 10º, tepe yuvarlatılmış sertlik skalası referans sayısı arasındadır. Sertlik birimi başına batma derinliği 0.00 mm dir.test yükü,ön yük 10 kg, esas yük 140 kg olmak üzere toplam 150 kg dır. Bu metot, su verilmiş (sertleştirilmiş) ve menevişlenmiş orta ve yüksek karbonlu çeliklerin kalite kontrolünde yaygın olarak kullanılır HRC arasındaki neticeler geçerlidir. 3. Kullanılan Cihaz Deney, Hoytom marka standart sertlik ölçme cihazı kullanılarak yapılacaktır. Cihaz ana hatları ile,yük uygulama ünitesi, değerleri gösteren skalalar ve uçların takıldığı mekanizmayı 30

34 taşıyan kafa ve numunenin konduğu tabla ve ağırlıkların yerleştirildiği bölümü taşıyan gövde kısmından oluşmaktadır. Kütlesi 133 kg dır. Ölçme cihazı, Şekil 4 te görülmektedir. Şekil 4. Standart sertlik ölçme cihazı 4. Deneyin Yapılışı Cihaz ile Rockwell A,B,C deneyleri, uçlar değiştirilerek de Brinell ve Vickers deneyleri yapılabilmektedir. İki çeşit gösterge skalası vardır; kırmızı ve siyah. Rockwell A ve C deneyleri yapılırken siyah skala, Rockwell B yapılırken de kırmızı skala kullanılmaktadır.yapılacak deney çeşidine uygun uç takılır. Gerekli ağırlıklar yerleştirilir, sertliği incelenecek numune, gerekiyorsa yardımcı aparata yerleştirilerek tablaya konur. Tabla, teker döndürülerek yukarıya doğru çıkarılır ve numune ile ucun temas etmesi sağlanır. Skala sıfırlanıncaya kadar yük kolu sağa döndürülür (ön yükleme). Sonra yük kolu solu doğru döndürülerek serbest bırakılır ve skala ibresi duruncaya kadar beklenir. İbre durunca gösterdiği değer okunur ve bu değer numunenin Rockwell sertliğini belirler. Daha sonra tabla aşağı doğru hareket ettirilerek eski konumuna getirilir. Vickers deneyi yapmak için piramit uç takılır, Rockwell deki işlemler tekrar edilir, numune üzerinde oluşan izin köşegen uzunluğu büyüteçle okunur, bu değer formülde kullanılarak sertlik değeri elde edilir. 5. Raporda istenenler Raporda; deney esnasındaki gözlemleriniz dahil olmak üzere deneyin nasıl yapıldığı anlatılarak, okunan değer belirtilecek ve Brinell ve Vickers sertlik değerleri hesaplanacaktır. 31

35 .5 DÖKÜM DENEYİ 1. Deneyin Amacı Makine tasarımında kullanılabilecek döküm parçaların mekanik özelliklerinin değişimine üretim parametrelerinin etkisi ve üretim işleminde meydana gelebilecek hataların alaşımların işlenebilirliğine etkisi öğrencilere uygulamalı-anlatım ve soru cevap yöntemi ile anlatılacak.. Giriş Metallere şekil vermenin değişik yolları vardır. Makine ile işleme, dövme, kaynak, presleme vb. şekil verme yöntemlerinin yanında döküm yöntemiyle de metallere şekil verilebilir. İstenilen bir şekli elde etmek için, seçilen metal veya alaşımın ergitilmesi söz konusu şeklin negatifi olan kalıp boşluğuna dökülmesi işlemine döküm denir. Döküm yönteminin avantajları şunlardır; * İçten ve dıştan grift ve karışık olan şekiller döküm yoluyla elde edilebilir ve talaş kaldırma, kaynak vb. işlemlere ya çok az yada hiç ihtiyaç olmayabilir. * Konstrüksiyonda basitlik kazandırır, istenen şekiller tek parça halinde elde edilebilir. * Büyük miktarda seri üretime uygun olup çok sayıda belirli parça kısa sürede elde edilebilir. * Bazı alaşımların döküm halindeki mühendislik özellikleri tercih edilir. * Bazı metal veya alaşımlarda metalurjik özellikleri nedeni ile yalnız döküm yoluyla şekillendirilebilirler (dökme demirler). * Büyük pompa muhafazaları, büyük ring veya valfler gibi diğer yöntemlerle üretimi zor veya imkansız olan büyük şekiller döküm yoluyla elde edilirler. * Döküm yöntemi, diğer şekil verme yöntemlerine nazaran en ekonomik olanıdır. 3. Döküm Yöntemleri 3.1. Kum Kalıba Döküm Kum kalıba döküm en çok kullanılan yöntemdir.çok farklı büyüklükteki parçalara uygulanışı ve kalıplama maliyetinin az oluşu, tercih nedenlerinin başında gelir.kum kalıba döküm yöntemi kullanılan kalıbın cinsine göre değişik guruplara ayrılabilir, bunların başlıcaları: yaş kum kalıba döküm, kuru kum kalıba döküm, tamamen maçaların bir araya getirilmesiyle oluşturulan maça kalıba döküm, kabuk kalıba (shell mold) döküm, gaz sertleştirici silikat yöntemi olarak bilinen <CO> yöntemi ile hazırlanan kalıba döküm ve,kum, organik bağlayıcı ve katalizör karışımından oluşturulan ve sıvı reçinelerin polimerizasyonu ile havada sertleşen <air set> kalıplara döküm kalıplara döküm yöntemleridir Yaş Kum Kalıba Döküm Kum kalıba döküm daha ziyade yaş kum ile hazırlanan kalıplarla gerçekleştirilir. Yaş kum: SiO tanecikleri,kil, su ve diğer ilavelerin meydana getirdiği plastik bir karışımdır.<yaş> terimi ihtiva ettiği nem yüzünden verilmiş olup kuru kum karışımından olan farkını belirtmektedir. Yaş kum kalıbın başlıca avantajları, büyük fleksibilitesi yanında kil,su ve diğer ilavelerin (pülverize kömür, dekstrin, odun talaşı vb.)tazelenmesi ile defalarca kullanıla bilmesi ve en ucuz kalıplama yöntemidir. Yaş kum kalıba döküm yöntemi, kalıbın daha yüksek mukavemet ve erozyon direncine sahip sahip olması gerektiği durumlarda (ince,uzun girintili ve çıkıntılı parçalar, karışık şekilli ve iri dökümler vb. )ve daha yüksek boyut hassasiyeti ve yüzey kalitesinin istendiği hallerde sınırlanır. Bu durumlarda diğer kjalıp türleri tercih edebilir. 3

36 3.1.. Kuru Kum Kalıba Döküm Yaş kum ile hazırlanan kalıp, fırın içinde( C) sıcaklığa ısıtılmış hava ile kurutularak mukavemet kazanır. Genellikle kalıp boşluğu yüzeyine püskürtülen sıvanan karışım, kalıba kurutma sonrası daha yüksek sertlik,ve refrakterlik özelliği sağlar.kurutmada kaybedilen zaman başlıca dezavantajı teşkil eder. Kalıp boşluk yüzeyinin -,5 cm derinliğine kadar kurutulması ile hazırlanan <kabuk kurutulmuş> (skindried) kalıplar, kuru kum kalıp yönteminin bir başka türü olmaktadır. Kuru kum kalıplarda serbest nem buharı olmadığından kalıp havalandırması problemi çok azalmaktadır. Daha düşük geçirgenlikli kumların kullanılabilmesi, bu yöntemle daha iyi döküm yüzeyi elde etmek imkanı sağlar. Yaş kum kalıp yöntemine nazaran, nem kontrolü daha az kritiktir. Ayrıca kalıbın dökümden önce bir müddet beklemesi, yaş kum kalıplarda olduğu gibi koruma ve yüzeyin gevrekleşmesi gibi sorunlara yol açmaz. Kurutma işlemi 400 C nin üstünde yapıldığında bağlanmış suyun kaybı, killerin mukavemet özellikleri üzerinde yıkıcı bir etki yapacaktır. Dolayısıyla bu üst sınırın kesinlikle aşılmaması gerekir. Yüzey kurutmada, ısıtma esnasında buharlaşan nem, kum içinde her yönde yayınabileceğinden, kurutma kendi kendine havada fakat bir ısı kaynağı ile yapıldığında, sıcaklık artışına paralel olarak önemli oranda bölgesel nem konsantrasyonu meydana gelebilir. Bunun nedeni, ısıtılan yüzeyden uzak, soğuk bölgedeki kondensasyon olayıdır. Oda sıcaklığında nem yalnız kurutulan yüzeyden dışarı çıkar, oysa daha yüksek sıcaklıklara da nemin hareketi her iki yönde olmakta ve kondensasyon bölgeleri meydana gelmektedir. Bu bölgelerde nem oranının, orijinal değerinin %60 üzerinde bir değere ulaşılabildiği gösterilmiştir. Dolayısı ile bu tür kısmen kurutulmuş kalıplarda, vakit kaybetmeden döküme geçmek gereklidir. Yüzey kurutma işlemi hamlaçlar, ısıtıcı lambalar veya elektirikli ısıtıcı elemanlarla yapılabilir. Havadan tekrar nem kapmak ki bu yalnız havadan değil, kurutulmamış kısımlardan gelen nemi de içerir, kurutma işleminden sonraki ilk 4 saat içinde yaklaşık olarak % oranları da nem olacak şekilde meydana gelir. Nemdeki bu yükseliş mukavemette bir azalmaya neden olmakla beraber çok kısa süreli bir ısıtmayla giderilebilir CO Yöntemi Yaş kum kalıplama ile kuru kum kalıplama arasında sınıflandırılabilecek modern bir yöntemde( CO- sodyum silikat yöntemi) CO ile kalıpların sertleştirilmesidir. Bu yöntemde kalıplar, kurutulmuş kalıbınkine eşit mukavemete, ısıtmaya gerek kalmadan erişebilmektedir. Furan reçineleri gibi kendi kendine sertleşen organik bağlayıcı kumlar da kalıplaşmada benzer şekilde kullanılabilir. Kum + %1.5-6 cam suyu (NaO.SiO) karışımı, model etrafına konur ve içinden CO gazı geçirilir. Bu işlemle kalıp sertleştirilir veya sertleştirilen kısımlar bir araya getirilerek kalıp teşkil edilir. CO yöntemi ile kalıplama da konvensiyonel kil bağlayıcılarının yerine sodyum silikat bağlayıcıları almaktadır. Cam suyu ve sodyum silikatı meydana getirdiği alçak mukavemetli kalıplardan CO gazı geçirilerek 14 kg/cm kadar yüksek bir kuru mukavemete kadar erişilebilir. Bu yöntem pişirilmeden sertleşen kalıp ve bilhassa maça yapımında kullanılır. Yöntem, bilinen bütün döküm alaşımları için uygundur ve özellikle çelik, gri dökme demir ve bakır esaslı alaşımlarının dökümünde kullanılır. CO yönteminin avantajları; kalıp ve maça yapım tekniği yaş ve kuru kalıplamada olduğu gibidir. Sodyum silikat kum karışımının mukavemeti nedeniyle alt ve üst derecede 33

37 kum içine destek koyma ihtiyacı kalmamaktadır. Pahalı teçhizat gerekmez. Kum ile soydun silikat karışımı konvansiyonel teçhizatlarla kolayca yapılabilir. CO kolayca temin edilebilir. Gaz gönderme cihazları ise pahalı değillerdir. Yöntemin dezavantajları ise şöyle sıralanabilir: konvansiyonel yönteme nazaran daha pahalı bir yöntemdir. Bu yöntem için hazırlanan kum karışımın bekleme süresi çok daha kısadır. Hazırlanmış (sertleştirilmiş) kalıplar normal atmosfer basıncında depolandıklarında, 4 saatte veya daha uzun bir sürede bozulmaktadırlar. Bu yöntemle hazırlanan kalıp ve maçaların dağılabilme özelliği diğer yöntemlere oranla oldukça azdır. CO yöntemi ile kalıp ve maça hazırlamada, kullanılan sodyum silikat (cam suyu) viskoz bir sıvı olup kum taneleri arasına düzgün bir şekilde dağılması iyi bir karıştırma ile sağlanır. Sodyum silikat ile kaplanan kum tanecikleri akışkan olmadıklarından kalıp, yaş kum yönteminde olduğu gibi, dövülerek hazırlanır. Bu safhadaki kalıp veya maçanın mukavemeti oldukça düşüktür. Ancak bu kompakt kum-sodyum silikat karışımından CO gazı geçirilerek birkaç dakikada taneler arasında kuvvetli bir bağ meydana getirilir. Sodyum silikatın jel teşkili aşağıdaki reaksiyona göre oluşur: Na O.(x)SiO +(x)h O+CO Na CO 3 +SiO.(x)H O Burada x=3.4 veya 5 tir. Reaksiyon ürünü sodyum karbonat ve hidrate silistir. Aynı tip bağ karışımın havada bekletilmesiyle (havadaki CO ile reaksiyonun oluşu) de teşkil olur, ancak bunun için çok uzun süre gereklidir. CO yönteminde, kullanılan kum genellikle silika (silis) kumu olup AFS 55 ila 85 tane inceliğinde olmalıdır. Diğer kumlar da (zirkon, olivin vb.) kullanılabilir. Kum kuru olmalı ve içerdiği nem miktarı maksimum %0.5 civarında bulunmalıdır. Ayrıca kumun temiz olması ve mümkün olduğu kadar CaCO3 içermemesi gerekir. Karışım için gerekli sodyum silikat miktarı, kumun tane inceliği arttıkça (tane boyutu küçüldükçe) artar. Örneğin AFS 55 inceliğindeki bir kum için yaklaşık %4.5 sodyum silikat gerekir. Bağlayıcı olarak kullanılan sodyum silikat ise %7-8 (NaO) %6-64 silis (SiO) ve %17-67 sudan müteşekkildir. Genel olarak, sodyum silikat SiO / NaO oranına (ağırlıkça) göre seçilir. En uygun silikatlarda özellikle maça yapımında (1-) ila (1.-) arasındadır. Kalıplama amacıyla kullanılan sodyum silikatın özgül ağırlığı 40 Bé civarındadır. Ayrıca karışıma, özellikleri iyileştirme amacı ile, diğer bazı ilaveler de yapılabilir. Bunlar kısaca kaolen kili, alüminyum oksit (AlO3) ve şekerdir. Kil, kalıp stabilitesini arttırır. Alüminyum oksit sıcak mukavemeti yüksektir. Şeker ise dökümden sonra kalıptaki kalıcı mukavemeti azaltır ve dağılabilme özelliğini arttırır. (Bir başka deyimle kalıp bozma kolaylaşır.) Tipik karışım: Sodyum silikat,40 Be.%3.3 Kaolen kili..%1.7 Al O 3.%1.7 Şeker 40 Be %.0 CO yönteminde karışımın hazırlanmasında özel dikkat gerektiği daha öncede belirtilmişti. Karıştırma süresi tplam 3 ila 5 dakikadır. Genellikle uygulanan karıştırma şekli, diğer ilaveler ile kumu önce karıştırmak, sonra sodyum silikat ilave ederek 1- dk. karıştırmaktır. Tipik karıştırma çevrimi aşağıdaki gibi olmalıdır: 34

38 Kuma şeker ilavesi 1 dak. Karış. Kaolen kili ve AlO3 ilavesi dak karış. Sodyum silikat ilavesi 1 dak karış. Sodyum silikat- kum karışımı maça kutusuna veya model etrafına sıkıcea yerleştirildikten sonra, içinden hemen CO gazı geçirilmelidir. Küçük kalıp veya maçaların çok sayıda üretimi için kullanılan makinalara ait bir örnek şekil 3 te verilmiştir. Ancak küçük miktarlar veya iri boyutlar için çok daha değişik gaz verme sistemleri mevcuttur. Gaz basıncı,kalıp veya maçanın boyutuna göre ( kg/cm) arasında değişir.ancak önemli olan gazın kalıp veya maçadan geçirilgiği süredir.fazla gaz vermenin mukavemet üzerinde olumsuz etkileri vardır. Ayrıca gaz verildikten sonra da kalıp sertleşmeye devam edeceği için fazla gaz (CO) vermekten hemen her zaman kaçınılmalıdır. Yaklaşık değer olarak ½ kg CO gazı 0 ila 45 kg kumu yerleştirmek için yeterli olmaktadır. 3.. Kokil Kalıba Döküm Karmaşık biçimli, boyut toleransları dar ve çok sayıda üretilecek parçalar için tercih edilir. Dökülecek metalin gerektirdiği refrakterliğe sahip olması gereken kalıp malzemesi olarak genellikle özel kalite dökme demir veya çelik kullanılır. Düşük sıcaklıkta eriyen metallerin dökümü için bronz da kullanılmaktadır. Kokil dökümde tek bir kalıpla demir esaslı malzemelerden , alüminyum gibi düşük sıcaklıkta eriyen malzemelerden ise e kadar parça dökülebilir. Metal kalıcı kalıba döküm yönteminde katılaşma sırasındaki soğuma, kum kalıplardan daha hızlı olduğu için iç yapı daha ince tanelidir. Boyut hassasiyeti 0,5 mm olup, parça yüzeyleri temizleme işlemi gerektirmeyecek kadar yüksek kalitelidir. Metal kalıplarda kullanılan maçalar metal, kum veya alçıdan yapılabilir. Metal olmayan maçaların kullanılması halinde yöntem yarı kalıcı kalıba döküm olarak adlandırılır. Kalıp ömrünü arttırmak için kalıp boşluğu refrakter malzemelerle kaplanır ve bu sayede parçanın kalıptan çıkarılması da kolaylaşır. Kokil kalıplar genellikle açılıp kapanan iki veya daha çok parçadan oluşur. Kalıp kapandıktan sonra oluşan boşluğa erimiş metal dökülür ve katılaşma beklendikten sonra kalıp açılarak parça çıkarılır. Bu işlemler elle yapılabileceği gibi, bir tertibat yardımıyla veya mekanizasyona geçilmesi halinde makinalar tarafından da yapılabilir. Kalıp üretiminde kalıp boşluğu ve diğer kanallar işlenerek açılır. Kalıp malzemesi geçirgen olmadığından hava kanallarının da açılması zorunludur. Kokil kalıp tasarımı büyük deneyim ister. Metal kalıpların cidar kalınlığının belirlenmesinde ısı girdi ve çıktılarının dikkate alınması gerekir. Çünkü bu yöntemlerin başarısı kalıbın sürekli çalışma sıcaklığına bağlıdır. Kalıp cidar kalınlıkları genellikle mm arasında seçilir. Gerektiğinde kalıp soğutulabilir. Kokil kalıbın üstünlükleri şöyle sıralanabilir: -İnce taneli iç yapı sayesinde mekanik özellikleri daha iyidir. -Hassas boyu toleransları sağlanabilir. -Karmaşık parçaların üretimi mümkündür. -Parçanın yüzey kalitesi iyi olup, temizleme masrafları düşüktür. -Seri üretim için ekonomik bir uygulamadır. Yöntemin sakıncaları ise şunlardır: -Kokil kalıp pahalı olduğundan yöntem ancak seri üretimde ekonomiktir. -Bu yöntemle her malzeme dökülemez 35

39 -Sadece küçük parçaların üretimi için uygundur. Genellikle demir dışı metallerin dökümünde kullanılan kokil döküm yöntemiyle üretilen parçalara örnek olarak soğutucu kompresör gövdeleri, hidrolik fren silindirleri, biyel kolları, alüminyum daktilo parçaları ve mutfak eşyaları gösterilebilir. Kalıcı kalıplara bir diğer örnek de grafit kalıplardır. Bu kalıplar alüminyum, magnezyum gibi alaşımlardan az sayıda parça için tercih edilirler. Döküm sıcaklığı arttıkça kalıp ömrü azalır. Ancak çok çabuk aşındıklarından sadece özel uygulamalarda kullanılırlar Köpük Kalıp Yöntemi Döküm parçasının dolu kalıba döküm yöntemi ile üretimine karar verilmiş ise üretim sırasında kullanılacak olan ekipmanlar, kalıplar ve üretim parametrelerin dikkatle belirlenmesi şarttır. Özellikle köpük model kalitesi ki burada modellerde elde edilecek olan yüzey ve genel karakteristikler belirleyici unsurlardır, üretim sonundaki döküm parçasının kalitesini belirlemektedir. Köpük modellerin üretiminde kullanılacak olan kalıpların basit veya karmaşık olarak tasarımı yapılmış olabilir. Karmaşık bir döküm parçası üretimi yapılacak ise köpük modelin kesitleri ayrı ayrı üretilerek son aşamada birleştirilmekte ve nihai köpük modelli oluşturulmaktadır. Prototip veya az sayıda parça üretimi için köpük blokları kesilerek işleme yoluyla modellerin üretimi yapılabilir. Dolu kalıba döküm yöntemi şu işlem basamaklarından oluşmaktadır; a) Köpük tanelerin üretimi, b) Buhar vasıtasıyla köpük tanelerin ön şişirilmesi, c) Ön şişirilmiş köpük tanelerin kalıplar içinde arzu edilen şekle getirilmesi, d) Köpük model parçaların bir araya getirilerek yapıştırılması, e) Köpük modelle aynı malzemeden imal edilmiş olan yolluk ve besleyici sisteminin modelle birleştirmesi ile beraber döküm salkımın oluşturulması, f) Köpükten yapılmış olan döküm salkımın sıvı refrakterle kaplanması ve kurutulması, g) Refrakterle kaplı köpük döküm salkımın döküm derecesi içine yerleştirilmesi ve bağlayıcı içermeyen kumla döküm derecesin doldurulması, h) Ergimiş metalin döküme hazırlanması ve döküm işlemin gerçekleştirilmesi, i) Döküm parçasının katılaşmasından sonra kaplama refrakterin yüzeyden uzaklaştırılması ve parçanın temizlemesi. 4. Kalıplama Sistemi Kalıp boşluğunun meydana getirilmesi için kumdan kalıp yapımına kalıplama denir. Kalıplama sistemini oluşturan unsurların başında maçalar, yolluk sistemi, besleyici ve çıkıcılar gelir Maçalar Döküm parçaların boş çıkması istenen kısımlarına konulan ve özel şekilde hazırlanmış ölçülü kum kütlelerine maça denir. Kalıplamada kum maçaların kullanım alanının oldukça geniş olmasına rağmen madenden yapılan maçlarda vardır. Madeni maçalar genellikle kokil kalıplarda kullanılır. Maçalar döküm parçada makine işçiliğini azaltırlar. Konstrüksiyon bakımından farklı kesitlerdeki soğumaları dengeleyerek döküm parçaya sağlamlık kazandırırlar. Kalıplama işçiliğini kolaylaştırırlar. Maçalardan istenen özellikler kısaca şöyledir: * Dayanıklı olmalıdırlar * Gaz geçirgen olmalıdırlar 36

40 * Isıya dayanıklı olmalıdırlar * Esneyebilmelidirler * Nem almamalıdırlar * Dökümden sonra kolayca boşalabilmelidirler 4.. Yolluk Sistemi Ergiyik madenin kalıp boşluğuna gidişini sağlayan kanalların toplamına yolluk sistemi denir. Yolluk sistemleri dökülen parçanın biçim ve boyutları ile alaşımına göre çeşitli şekillerde olurlar. Bir yolluk 4 bölümden meydana gelir. Bunlar havşa, gidici, curufluk (veya yatay kanal) ve memedir. Yolluk sisteminin görevleri şunlardır: * Kalıbın tam ve kusursuz olarak doldurulmasını sağlamak * Curuf, oksit ve pisliklerin kalıp içerisine sürüklenmesini önlemek * Madenin akışında çarpma ve çalkantılar meydana getirmemek * Madenin akış hızını ayarlamak * Soğuma ve katılaşmanın dengeli bir biçimde olmasını sağlamak * Hava ve diğer gazların kalıp içerisine sürüklenip sıvı metalle temasını engellemek * kalıp işçiliğini arttırmamak * Maden kaybını en aza indirmemek * Aşırı ısı kaybına neden olmamak 4.3. Besleyici Kalıba dökülen maden ve alaşımlar soğuyup katılaşırken hacimleri küçülür. Bunun sonucu olarak çöküntü adı verilen boşluklar oluşur. Çöküntüler hatalı dökümlere sebep olur. Çöküntüsüz döküm parça elde etmek için kalıbın uygun yerlerine besleyici adı verilen ergiyik maden kütleleri bağlanır. Hacim küçülmesinden meydana gelen çöküntüler besleyiciden gelen ergiyik madenle beslenirler. Besleyiciler çok defa çöküntüyü önlemez ancak parça dışına çıkarırlar. Çöküntü besleyicide oluşur Çıkıcı Döküm sırasında kalıp gazlarının kalıptan dışarı çıkması için açılan kanallara çıkıcı denir. Kalıp gazları kalıp boşluğundaki hava ile döküm sırasında meydana gelen su buharı ve diğer gazların karışımıdır. Kalıp sıvı madenle dolarken, kalıp gazları giderek küçülen kalıp boşluğuna sıkışırlar. Kalıp içerisinde bir basınç meydana getirirler. Bu basınç ve kalıptan çıkmayıp içeride kalan gazlar, çeşitli döküm hatalarına sebep olabilir. Sıkışan gazlar, kalıp kumunun gözenekleri ve şiş delikleri ile kalıp boşluğunu terk ederler. Ancak yeterli olmadığı zaman uygun yerlere açılacak çıkıcılardan yararlanılır. 5. Döküm Hataları Bütün imalat usullerinde olduğu gibi dökümde de bazı hatalar meydana gelmektedir. Hata oranı parça boyutu ve biçimi, malzeme ve döküm uygulamalarına bağlı olarak %30 a kadar varabilir. Üretimin değişik aşamalarında ortaya çıkan döküm hataları aşağıda belirtilen olaylardan biri veya birkaçındaki yanlışlıklardan kaynaklanmaktadır. * Parça tasarımı * Model tasarımı ve üretimi * Kalıp tasarımı, malzemeleri ve kalıplama işlemi * Döküm işlemi * Malzeme seçimi * Bitirme işlemleri Döküm yöntemiyle üretilen parçalarda rastlanan kusurlar şunlardır: 37

41 * Çekme Boşlukları, katılaşma sırasında sıvı metal ile beslenemeyen kalın kesitlerde oluşan ve genellikle cidarları pürüzlü olan boşluklardır. * Gaz Boşlukları, kalıp boşluğunda var olan veya sıvı metalde çözünmüş gazların metali ve kalıbı terk edememesi sonucu oluşur. Çekme boşluklarından farkı cidarlarının düzgün oluşudur. Bunların dışında karşılaşılan diğer hatalar; kayma, çapak, soğuk birleşme, sıçramalar, eksik döküm, şişme, metal penetrasyonu (sızma), kalıp genleşmesi, segregasyon (kimyasal bileşim), pislikler, maça yüzmesi, sızdırma, çatlaklar ve çarpılmalardır. 6. Ölçülecek Büyüklükler Deney sırasında sıvı metal sıcaklığı ve döküş süresi ve boyutsal kararlılık ölçülecek büyüklüklerdir. Sıvı metal sıcaklığının ölçülmesi için daldırma prometre, döküş süresinin ölçülmesi için ise kronometre kullanılacaktır. Ayrıca döküm parçanın eksiksiz üretilebilmesi için gerekli yolluk ve besleyici hesapları belirlenecektir. 7. İstenenler Şekli verilen modelin yolluk sisteminin tasarlanması Muhtemel döküm hatalarının belirlenmesi 38

42 .6 ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ DENEYİ Deney içeriği: Amaç 1. Genel bilgiler Tanım ve ısı değiştiricilerin sınıflandırması. Isı değiştiricilerin ısıl analizi 3. Ortalama logaritmik sıcaklık farkı metodu 3.1. Isı taşınım katsayılarının hesabı 3.. Boru içinden akışta ısı taşınım katsayısının hesabı 3.3. Eş merkezli borular arasından akışta ısı taşınım katsayısının hesabı 4. Etkenlik() NTU metodu 5. Genel Değerlendirme ve Sonuç 6. Deneyin yapılışı 7. Deney raporunun hazırlanışı 8. Kaynaklar 9. Ekler Ek 1. Tablo. Suyun özellikleri Ek. Örnek hesaplama Ek 3. Hesap Tablosu 39

43 Amaç: Isı değiştiricilerin genel tanıtımı. Tek geçişli, iç-içe borulu ısı değiştiricinin, paralel ve ters yönlü akış halinde analitik ve deneysel olarak incelenmesi, ısıl analizinin yapılması. 1. Genel bilgiler: Değişik amaçlar için farklı sıcaklıklardaki akışkanlar arasındaki ısı geçişini sağlayan cihazlara ısı değiştirici veya ısı eşanjörü adı verilir. Akışkanlar katı bir cidar ile birbirinden ayrıldığı gibi akışkanların karıştığı karışımlı ısı değiştiricileri de mevcuttur. Isı, sıcak akışkandan soğuk akışkana taşınım ve iletim ve iletim yoluyla transfer edilir. Bazı ısı değiştiricilerde, örneğin soğutma kulelerinde, soğuk akışkan sıcak akışkan ile temas halindedir ve bu durumda ısı, taşınım ve buharlaşma ile transfer edilir. Isı değiştiricileri; her türlü ısıtma, soğutma ve iklimlendirme tesisleri, termik santrallar, kimyasal işlemler, atık ısının geri kazanılması gibi birçok endüstri alanında kullanılmaktadır. Isı değiştiriciler kullanıldıkları yerlere göre değişik isimler alırlar. Örneğin termik santralde sıcak duman gazları ve alev radyasyonu ile buharın ısıtıldığı cihaza buhar kazanı adı verilir. Yine termik santralde türbinden çıkan buharı veya soğutma makinasında kompresörden çıkan kızgın buharı yoğuşturmak için kullanılan ısı değiştiriciye yoğuşturucu veya kondenser denir. Soğuk hava depolarında ve pencere tipi klimalarda kullanılan soğutucu akışkanın buharlaşarak ısı aldığı ısı değiştiricilerine buharlaştırıcı veya evaporatör ismi verilir. Yoğuşma ve buharlaşma gibi faz değişiminin gerçekleştiği ısı değiştiricilerde o akışkanın sıcaklığı faz değişimi esnasında sabit kalır. Taşıtlarda, motorda ısınan suyu hava ile soğutmak için kullanılan ısı değiştiriciye de radyatör denilmektedir. Isı değiştiricide amaç sıcak ve soğuk akışkan arasında mümkün olan maksimum ısı transferinin gerçekleştirilmesidir. Bunun için termodinamik ve ısı transfer kanunları kullanılarak tasarım yapılır. Isı değiştiricileri, çoğunlukla konstrüksiyon tiplerine ve akış düzenlemelerine göre sınıflandırılırlar []. Bu deneyde temel bir ısı değiştirici olan iç-içe eş eksenli borulu (veya çift borulu) ısı değiştirici incelenecektir (Şekil 1). Şekil 1a daki paralel akışlı düzenlemede, sıcak ve soğuk akışkanlar ısı değistircinin aynı ucundan girerler, aynı doğrultuda akarlar ve diğer ucundan çıkarlar. Şekil 1b deki ters akışlı düzenlemede ise sıcak ve soğuk akışkanlar ısı değiştiricinin ters uçlarından girerler, ters doğrultuda akarlar ve ters uçlardan çıkarlar. Şekil de gösterilen gövde-borulu ısı değiştiricide çok sayıda boru bir gövde içinden dolaştırılmaktadır. Endüstride çok yaygın olarak kullanılan bu tip ısı değiştiricide akışkanlardan biri borular içinden akarken diğeride boruların dışından yani gövde içinde akar. Gövde tarafındaki akışkanda ısı taşınım katsayısını arttırmak için şaşırtma levhaları konarak çapraz akış ve türbülans oluşturulur. Gövde sayısı ve boru geçiş sayısına bağlı olarak bir gövde iki boru geçisli, iki gövde dört boru geçişli gibi konstrüksiyonları mevcuttur. Şekil 3a da kanatlı borulu ısı değiştirici görülmektedir. Kanatlar ısı geçişini artırmak için kullanılırlar ve akışkanlardan birinin gaz olması durumunda özellikle gaz tarafına yerlestirilirler. Kanatlarla genişletilmiş yüzeylerin bulunduğu bu tip ısı değiştiricilerine genel olarak kompakt ısı değistircileri de denir. Burada amaç birim ısı değiştirici hacmi başına ısı geçiş yüzeyinin arttırılmasıdır. Ayrıca akış düzenlemelerine bağlı olarakta çapraz (dik), paralel ve ters akışlı olarak dizaynları vardır. Şekil (3 b, c, d) de ise ısı değiştiricilerinin çeşitli uygulama örnekleri bulunmaktadır; sırasıyla araba radyatörü, panel radyatör ve plakalı ısı eşanjörleri. Isı degistiricilerin tasarımı, ısıl ve ekonomik analizi, boyutlandırılması, kapasitenin belirlenmesi, basınç düşümünün hesaplanması; amaca uygun şekilde akışkanlar mekaniği, 40

44 termodinamik ve ısı transferi kanunları kullanılarak yapılır. Detaylı bilgi birçok ısı transferi kitabında ve Kaynaklar bölümünde verilen kitaplarda mevcuttur. sıcak akışkan girişi soğuk akışkan çıkışı sıcak akışkan çıkışı sıcak akışkan girişi soğuk akışkan girişi sıcak akışkan çıkışı T soğuk akışkan girişi T soğuk akışkan çıkışı sıcak akışkan sıcak akışkan soğuk akışkan soğuk akışkan x a) Paralel akış b) Ters akış Şekil 1. İç-içe borulu ısı değiştirici x boru çıkışı gövde girişi akış yönlendirici levhalar gövde girişi boru çıkışı boru girişi gövde çıkışı b) bir gövde geçiş ve bir boru geçiş gövde girişi borular gövde gövde çıkışı boru girişi boru çıkışı boru girişi a) bir gövde geçiş ve bir boru geçişli, çapraz-ters akış çalışma düzenlemesi Şekil. Gövde- borulu ısı değiştiricisi gövde çıkışı c) iki gövde geçiş ve dört boru geçiş çapraz karışmayan akış çapraz karışan akış boru içinden karışmayan akış a) iki akışkanda karışmıyor boru içinden karışmayan akış b) Akışkanlardan biri karışıyor diğeri karışmıyor 41

45 Şekil 3 a. Kanatlı-borulu ısı değiştirici Şekil 3b. Araba radyatörü Şekil 3c. Panel radyatör Şekil 3d. Plakalı eşanjörler 4

46 . Isı değiştiricilerin ısıl analizi: Şekil 1 ve 4 te şeması gösterilen paralel akışlı iç-içe borulu ısı değiştiriciyi gözönüne alalım. Bu ısı değiştirici içe-içe eş eksenli olarak yerleştirilmiş iki borudan oluşur. Sıcak akışkan içteki borudan akmaktadır. Soğuk akışkan ise dış boru ile iç boru arasındaki eksenel boşluktan paralel olarak akmaktadır. Dıştaki borunun etrafı izole edilmiştir ve böylece çevreye ısı kaybı olmadığı kabul edilebilir. Akış boyunca sıcak akışkandan soğuk akışkana dogru bir ısı geçişi olacaktır. Sıcak akışkanın soğurken verdiği ısıyı, soğuk akışkan alacak ve ısınacaktır. Böylece akış boyunca, Şekil 4 de gösterildigi gibi sıcak akışkanın sıcaklığı düşerken, soğuk akışkanın sıcaklığı artacaktır. Akış boyunca akışkanların ortalama sıcaklıkları arasında sürekli olarak T kadar bir fark olacaktır. Sıcak akışkanın verdiği ısıyı, Q, soğuk akışkan alacaktır. Buna göre termodinamiğin birinci kanunundan faydalanarak tüm ısı değiştirici için, çevreye ısı kaybı yoksa ve potansiyel ve kinetik enerjideki değişimler ihmal edilerek aşağıdaki toplam enerji dengesini yazabiliriz: Q1 1 Q c g m 1 h1 g h c sıcak akışkanın ısı kaybı (1) m h h soğuk akışkanın ısı kazancı () Burada 1 indisi içteki borudan akan sıcak akışkanı, indisi dıştaki borudan akan soğuk akışkanı göstermektedir. Ayrıca g ve ç indisleri ise sırasıyla akışkanların ısı değiştiriciye giriş ve çıkış noktalarını sembolize etmektedir. Q [W] toplam ısı geçişi, m 1 ve m [kg/s] sıcak ve soğuk akışkanların kütlesel debileridir. Ayrıca h g ve h ç [J/kg] akışkanların giriş ve çıkıştaki entalpi değerlerini göstermektedir. Akışkanlarda bir faz değişimi yoksa ve özgül ısıyı sabit kabul ederek bu eşitlikleri aşağıdaki şekilde yazmak mümkündür: T Q1 m1c p1 1g T1 c Q mc p Tc T g sıcak akışkanın ısı kaybı (3) soğuk akışkanın ısı kazancı (4) Enerji korunumuna göre, bu ısı değerlerinin mükemmel yalıtılmış bir ısı değiştiricide birbirine eşit olması ( Q 1 Q Q ) gerekir. Burada, c p [J/kg- o C] akışkanın özgül ısısını ve T g ve T ç [ o C] akışkanın ısı değiştiriciye giriş ve çıkış sıcaklıklarını göstermektedir. Burada özgül ısı sıcaklığın bir fonksiyonudur ve pratik hesaplamalarda o akışın giriş ve çıkış sıcaklıklarının aritmetik ortalamasında değerlendirilir. Özgül ısının sıcaklığa göre değişimi o akışkan için deneysel olarak hazırlanmış tablolardan alınır. Örnek olarak suyun özgül ısısının sıcaklıkla değişimi Ek 1 de verilmiştir. Isı değiştiricilerinin ısıl analizinde yaygın olarak kullanılan iki method bulunmaktadır: ortalama logaritmik sıcaklık farkı metodu etkenlik-ntu metodu ( - NTU metodu ) Bu metodlar aşağıda sırasıyla incelenmiştir. 43

47 ters akış paralel akış Sıcak su T 1g m 1 izolasyon tabakası L Vana Debi ölçer Kombiden sıcak su D dış D iç d dış d iç T 1ç Soğuk su T g m T ç T Şebekeden soğuk su Vana Debi ölçer T 1g Sıcaklık ölçüm cihazı ΔT 1 T g Sıcak su Paralel akış Soğuk su T 1ç T ç ΔT x Aynı yönlü akış T 1g ΔT 1 T ç Soğuk su Sıcak su Ters akış Şekil 4. İç-içe borulu ısı değiştirici deneyi şeması ve paralel ve ters akışta akışkan sıcaklıklarının değişimi T 1ç T g x ΔT Ters yönlü akış Boyutlar İç boru Dış boru R 1/" [DN 15] R 1 1/" [DN 40] İç çap [m] Dış çap [m] Uzunluk [m] Malzeme Çelik (%0.5 C) Çelik (%0.5 C) k [W/m o C] Sıcak su Soğuk su Ölçümler T 1g [ o C] T 1ç [ o C] Q 1 [m 3 /h] T g [ o C] T ç [ o C] Q [lt/h]

48 3. Ortalama logaritmik sıcaklık farkı metodu: Sıcak akışkan ile soğuk akışkan arasındaki termodinamiksel olarak yukarıda hesaplanan bu ısı transferinin, Q, geometrik olarak belirlenen ölçüler içinde gerçekleşip gerçekleşemeyeceğini ısı transferi kanunları belirler. Mevcut geometri için, sıcak ve soğuk akışlar arasındaki bu ısı geçişi Şekil 5 de gösterildiği gibi sırasıyla aşağıdaki üç mekanizmayla oluşur: Konveksiyon (Taşınım): Öncelikle; içteki borudaki sıcak akışkan ile iç boru yüzeyi arasında taşınım yoluyla olan ısı transferi gerçekleşir. Akışkan ile katı yüzey arasındaki bu taşınım ısı geçişi Newton un soğuma kanunu kullanılarak hesaplanır. Kondüksiyon (İletim): Ardından; ısı, içteki borunun cidar kalınlığı üzerinden iletimle (Fourier kanunu) iç borunun dış yüzeyine iletilecektir. Konveksiyon (Taşınım): Son olarak; ısı, iç-boru dış yüzeyinden soğuk akışkana taşınım yoluyla geçecektir. Akışkan ile katı yüzey arasında gerçekleşen bu ısı taşınımı yine Newton un soğuma kanunu kullanılarak hesaplanır. Bu ısı geçiş mekanizmaları ile ilgili daha fazla bilgi ısı transferi kitaplarında mevcuttur [1,,3]. Sıcak akışkan ile soğuk akışkan arasındaki toplam ısı geçişi, termodinamik kanunları (enerjinin korunumu) kullanılarak denklem 3 ve 4 de Q 1 ve Q şeklinde ifade edilmişti. Bu ifadeler geometri ile ilgili bir büyüklük içermemektedir. Bu ısı transferinin gerçekleşebilmesi için gerekli geometrik boyutlar ancak ısı transferi kanunları kullanılarak belirlenebilir. Isı transferi kanunları kullanılarak; sıcak akışkan ile soğuk akışkan arasındaki toplam ısı geçişi aşağıdaki şekilde hesaplanabilir: Q3 KAT ln (5) Bu ısı değerlerinin mükemmel yalıtılmış bir ısı değiştiricide kullanılan korelasyonların doğruluğuna bağlı olarak birbirine eşit olması ( Q1 Q Q3 Q ) gerekir. Bu denklemde K[W/m - o C] toplam ısı geçiş katsayısı, A[m ] toplam ısı geçiş alanı ve T ln [ o C] logaritmik sıcaklık farkını ifade etmektedir. Burada, KA, sıcak akışkan ile soğuk akışkan arasındakı tüm ısıl dirençlerin toplamı olarak Şekil 5 de gösterildiği gibi aşağıdaki denklem ile hesaplanır: 1 R fi R fd 1 1 R fi ln( dd / di) R fd 1 Ri Rcidar Rd ; (6) KA Ai Ad KA hi Ai Ai k bl Ad hd Ad Denklemdeki R i ve R d [ o C/W] sırasıyla iç ve dış akıştaki ısıl taşınım dirençleridir. R cidar ise iç borunun et kalınlığının oluşturduğu ısıl iletim direcisidir. Denklemde belirtilen h i ve h d [W/m - o C] ise yine sırasıyla iç ve dış akıştaki ısı taşınım katsayılarıdır. k b [W/m- o C] içteki 45

49 boru malzemesinin ısı iletim katsayısı, A i =d iç L ve A d =d dış L içteki borunun iç ve dış yüzey alanlarıdır. Burada R f kirlilik faktörüdür ve zamanla akış yüzeylerinde oluşan kireçlenmeler sonucu dikkate alınması gereken bir ısıl dirençtir. Kullanılan deney tesisatı için bu kirlilik ısıl direnç değeri ihmal edilebilir. Bu denklemlerden görüldüğü gibi, akışkanlar arasındaki ısı geçişini arttırmak için toplam ısı geçiş katsayısı, KA, veya logaritmik sıcaklık farkı, T ln, arttırılmalıdır. Çoğu zaman T ln uygulama yerindeki şartlar tarafından belirlidir. Toplam ısı geçiş katsayısını arttırmak içinde ya ısı geçiş katsayıları yada ısı geçiş alanının arttırılması gerekir. Isı geçiş alanı yüzeye yerleştirilen kanatlar vasıtasıyla arttırılabilir ve çok yaygın olarak uygulanmaktadır. Bu yüzey genişletmesi aynı zamanda akışı düzenleyerek taşınımla ısı geçişininde artmasını sağlayabilir. Isı iletim katsayısı yüksek olan malzemelerin kullanımı da ısı geçişini arttıracaktır. Ayrıca, akışın türbülanslı bölgede olması da ısı taşınım katsayısını, dolayısıyla da ısı geçişini artıracak yönde etki eder. Logaritmik sıcaklık farkı aşağıdaki denklem ile hesaplanır: T1 T Tln (7) ln( T1 / T ) Burada; T 1 =(T 1g T g ) (8) girişte, sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki sıcaklık farkı T =(T 1ç T ç ) (9) çıkışta, sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki sıcaklık farkı denklemleriyle hesaplanır Isı taşınım katsayılarının hesabı: (h i, h d ) İçteki borudan (iç akış) ve borular arasındaki akış için (dış akış), ısı taşınım katsayıları (h i ve h d ) akışın laminer veya türbülanslı bölgede olmasına bağlı olarak hesaplanır. Akış kesiti ve akış şartları farklı olduğundan hesaplama farklı denklemler kullanılarak yapılır. Aşağıda sırasıyla hesaplama için gerekli denklemler verilmiştir. 3.. Boru içinden akışta ısı taşınım katsayısının hesabı: (h i ) Öncelikle, iç borudaki akışı gözönüne alalım. Re sayısı hesaplanarak akışın laminer veya türbülanslı bölgede olduğu belirlenir. u1d 1 Re 1 h 1 (10) Burada u 1 [m/s] akış kesiti içindeki ortalama hızdır. Ortalama hız, kütlesel debi ( m [kg/s]) veya hacimsel debi ( Q [m 3 /s]) cinsinden m 1 1Q 1 1A1 u1 (10a) denklemi kullanılarak hesaplanabilir. A 1 akış alanı ise A 1 =d iç /4 (10b) olacaktır. Hidrolik çap ise, 4 x akis kesiti 4A 4d ic / 4 Dh1 dic (11) akis kesitinin cevresi C dic denkleminden hesaplanır ve boru içinden akış için iç çapa eşittir. 46

50 Suya ait fiziksel özellikler, {c p [J/kg o C], [kg/m 3 ], k[w/m o C], [m /s], Pr sayısı} ortalama akışkan sıcaklığında, T T T ) / 1ort ( 1g 1c (11a) tablolardan okunabilir. Doymuş suyun sıvı özellikleri Ekte verilen tablo kullanılarak bulunabilir. Boru içinden akış için, Re sayısı 300 den küçük ise akış laminer bölgede, büyükse türbülanslı bölgede olacaktır. Re 300 Laminer akış (11b) Re 300 Türbülanslı akış Laminer akış ( Re 300) olması durumunda, boru iç yüzey sıcaklığının sabit olduğu kabul edilirse, hidrodinamik ve ısıl olarak tam gelişmiş akış için Nusselt sayısı hidh1 Nu i 3.66 ki (1) şeklindedir. Buradaki; k i içteki borudan akan suyun ısı iletim katsayısıdır. Bu denklemden h i hesaplanır. Türbülanslı akış ( Re 300) bölgesinde ise Nu sayısı aşağıdaki denklemden hesaplanabilir. hidhi Nui 0.03Re Pr (13) ki Buradaki; k i içteki borudan akan suyun ısı iletim katsayısıdır. Bu denklemden h i hesaplanır Eş merkezli borular arasından akışta (dış akış) ısı taşınım katsayısının hesabı: (h d ) Dıştaki borudaki ısı taşınım katsayısının hesabı için öncelikle hidrolik çapı hesaplayalım. 4A 4 Dic d dis / 4 D h Dic d dis (14) C Dic d dis Buna bağlı olarak ud Re h (14a) denkleminden Re sayısı hesaplanır. Burada, u ortalama hızı, yine debi denkleminden m Q Au (14b) hesaplanabilir. A akış alanı ise Dic d A dis 4 (14c) olacaktır. Soğuk suyun fiziksel özellikleride yine soğuk su için ortalama su sıcaklığı T g T c T ort (14d) kullanılarak ekteki tablodan bakılabilir. Bu eş eksenli borular arasındaki akışta kritik Re sayısı yine 300 olarak değerledirilebilir. Yani 47

51 Re 300 Laminer akış (14e) Re 300 Türbülanslı akış Laminer akış ( Re 300): bölgesinde, d dış /D iç oranına bağlı olarak, ortak eksenli borular arasındaki laminer akış için verilen aşağıdaki Tablo 1 den Nu d sayısı tesbit edilir. Burada kullanılacak değer birinci kolondaki değerler olacaktır. Çünkü ısı değiştiricinin dış yüzeyi yalıtılmıştır ve iç yüzeyde uniform sıcaklık kabulu yapılabilir. Aşağıdaki Nu sayısı denkleminden hddh Nu d kd (14f) h d hesaplanır. Buradaki; k d dış akıştaki suyun ısı iletim katsayısıdır. Türbülanslı akış ( Re 300): bölgesinde ise Nu sayısı aşağıdaki denklemden bulunur: hddh Nud 0.03Re Pr (15) kd Buradaki; k d dış akıştaki suyun ısı iletim katsayısıdır. Bu denklemden h d hesaplanır. Tablo 1. Bir yüzeyi yalıtılmış diğeri sabit sıcaklıkta olan ortak merkezli borular arasındaki halkasal bölgede tam gelişmiş laminer akış için Nusselt sayısı İç yüzeyde üniform sıcaklık, dış yüzey yalıtılmış Nu d_dış Dış yüzeyde üniform sıcaklık, iç yüzey yalıtılmış Nu D_iç d dış /D iç (iç borunun dış çapında) (dış borunun iç çapında) D iç d dış 4. Etkenlik ()-NTU metodu: Bir ısı değiştiricide akışkanların sadece giriş sıcaklıkları biliniyorsa; -NTU yöntemi, ısıl analizde kullanılan faydalı bir yöntemdir. Aşağıda kısaca açıklanmıştır. Bir ısı değiştiricinin etkenliği,, o ısı değiştiricide pratikte gerçekleşen ısı geçişinin, teorik olarak olabilecek en yüksek ısı geçişine oranı olarak tarif edilir. Maksimum ısı geçişi paralel akış için ancak sıcak ve soğuk akışkanların çıkıştaki sıcaklıklarının birbirine eşit olması ile mümkündür. Burada, akışkanların ısıl kapasite debisi: C ; C mc p ( C1 m 1cp1) C m ) (16a) ( cp olarak tanımlanır. Bu durumda ısı değiştiricinin etkenliği g c c g Q Q C1 T1 T1 C T T Q C T T C T T C T T (16b) max min 1 g g şeklinde tarif edilir. Denklem 16 da ısıl kapasite debisi küçük olan akışkan kullanılmıştır. min 1 g g min 1 g g 48

52 Etkenlik boyutsuz bir büyüklüktür ve 0 1 arasında değişir. Eğer bir ısı değiştiricinin etkenliği ve soğuk ve sıcak akışkanların giriş sıcaklıkları biliniyorsa, ısı değiştiricide transfer edilebilecek gerçek ısı aşağıdaki bağıntıdan kolaylıkla hesaplanabilir. Q T T C min 1 g g (16c) Bu bakımdan etkenlik kullanımı büyük kolaylık ve fayda sağlar. Ayrıca, ısı değiştiricileri için etkenlik aşağıdaki bağıntıda yazıldığı gibi NTU, C min ve C max sayılarının bir fonksiyonu olarak tesbit edilmiştir. C min f NTU, Cmax (17a) Burada C min / C max oranı sıcak ve soğuk akışkanların ısıl kapasite debilerinin oranıdır. NTU ise geçiş birimi sayısıdır ve ısı değiştirici hesaplarında yaygın olarak kullanılır. NTU aşağıdaki bağıntıyla tanımlanan boyutsuz bir parametredir: KA NTU C min (17b) Paralel akış için f NTU, C / min C max denklemi aşağıdaki şekildedir ve grafiksel olarak Şekil 6 da gösterilmiştir. 1- exp{-ntu(1 C )} 1 Cr (18) r ln{1- (1 C r)} NTU 1 C r C r C C min max (mc p) (mc ) p min max (19) Ters akış için ise f NTU, C / denklemleri min C max 1- exp{-ntu(1 C r)} 1 Crexp{-NTU(1 C r)} 1 1 NTU ln (C r <1) Cr 1 Cr 1 (0) NTU 1 NTU (C r =1) (1) NTU 1 şeklindedir. Bu denklemler Şekil 6 da grafik halinde gösterilmiştir. 49

53 Cr= Cr=0.5 Cr= Cr= Cr= NTU Cr= Cr=0.5 Cr= Cr= Cr= NTU a) paralel akış b) ters akış Şekil 6. İç-içe iki borulu ısı değiştiricisinin etkenliği 5. Genel Değerlendirme ve Sonuç: Bu ısıl analiz sonucunda iç-içe borulu ısı değiştiricide belirlenen akış sartları ve geometrik ölçüler için toplam ısı geçişi ve ısı değiştiricinin etkenliği bulunur. Ardından gerçekte yapılan deneyden elde edilen veriler için de gerekli hesaplar yapılarak, teorik ve deneysel sonuçlar karşılaştırılır. Böylece ısı değiştiricinin ısıl analizi teorik ve deneysel olarak yapılmış olur. 6. Deneyin yapılışı: Sıcak ve soğuk su giriş vanaları açılarak debiler ayarlanır ve suyun giriş ve çıkış sıcaklıkları sabitleninceye kadar sistemin sürekli rejime girmesi için beklenir. Su debileri ve giriş ve çıkış sıcaklıkları okunur. Debi değerleri değiştirilerek aynı deney verileri toplam üç defa alınır. 7. Deney raporunun hazırlanışı: Yapılan ölçümler için tüm teorik hesaplar detaylı olarak yapılacak ve sonuçlar tablo halinde Deneysel ve teorik hesaplar karşılaştırılarak yorumlanacaktır. Hesaplamalar için aşağıdaki sıra takip edilebilir: 1. Ölçülen giriş ve çıkış sıcaklıklarının ortalama değerlerinde sıcak ve soğuk su için özellikler Tablo den belirlenir. (En yakın değer alınabilir veya interpolasyon yapılabilir.). Ölçülen debi değerleri kütlesel debiye (kg/s) dönüştürülür. İç ve dış akış alanları hesaplanır. Buna göre iç ve dış akış için debi denklemi yardımıyla ortalama hızlar hesaplanır ve 4 nolu denklemlerden gerçekleşen ısı transferi hesaplanır. İki değer arasındaki farkın sebepleri tartışılır. 4. Daha sonra ısı transfer kanunları kullanılarak denklem 5 den ( Q3 KATln ) ısısının hesaplaması yapılır. Bunun için aşağıdaki sıra takip edilir: 4.1. İç borudaki ısı taşınım katsayısı Bölüm 3. de anlatıldığı gibi hesaplanır. 4.. Dış borudaki ısı taşınım katsayısı Bölüm 3.3 de anlatıldığı gibi hesaplanır Ardından, ısı değiştiricinin toplam ısı geçiş katsayısı denklem 6 dan hesaplanır. 50

54 4.4. Logaritmik sıcaklık farkı denklem 7,8,9 dan hesaplanır Sıcak ve soğuk su arasındaki ısı geçişi denklem 5 kullanılarak hesaplanır ve denklem 3 ve 4 den elde edilen değerler ile karşılaştırılır. 5. Isı değiştiricinin etkenliği hesaplanır ve, -NTU yönteminin uygulaması yapılır. 6. Isı transfer miktarı ve etkenlik değerleri paralel ve ters akış için karşılaştırılırarak yorumlanır. 7. Bu hesaplar ölçümlerden bir tanesi için detaylı olarak yapılıp, diğer ölçümler için sadece sonuçlar tablo halinde gösterilecektir. 8. Kaynaklar: 1. Incropera, F. P., and DeWitt, D. P., Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri, (Çevirenler: Taner Derbentli ve diğerleri) Literatür Yayınları, İstanbul, 001. Genceli, O. F., Isı Değiştiricileri, Birsen Yayınevi, İstanbul, Dağsöz, A. K., Isı Değiştiricileri, İ.T.Ü. Yayın No: 1311, İstanbul, Ekler: Ek 1. Tablo. Suyun özellikleri (Atmosfer basıncında) Sıcaklık Yoğunluk Özgül ısı Isı iletim katsayısı Dinamik viskozite Kinematik viskozite Prandtl sayısı T [ o C] [kg/m 3 ] c p [J/kg o C] k [W/m o C] [kg/ms] / [m /s] Pr x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

55 ters akış paralel akış Ek. Örnek hesaplama Bu örnek sadece takip edilecek adımları kısmi olarak açıklamak için hazırlanmıştır. Okunan ölçüm değerleri aşağıdaki tablodaki gibi belirlenmiştir. Sıcak su Soğuk su Ölçümler T 1g [ o C] T 1ç [ o C] Q 1 [m 3 /h] T g [ o C] T ç [ o C] Q [lt/h] Öncelikle, sıcak ve soğuk su için ortalama sıcaklıklar hesaplanır ve hesaplanan ortalama sıcaklıktaki özelikler tablodan tesbit edilir. 5

56 Sıcak su için: T1 g T1 c o T1 ort C Yaklaşık 45 o C kullanılarak tablodan kg / m J c p o kg C W k m o C m / s Pr Soğuk su için: T g Tc o Tort C Yaklaşık 0 o C kullanılarak tablodan kg / m J cp 418 o kg C W k m o C m / s Pr İşlemlere başlamadan önce okunan debilerin birimlerinin denklemlerde kullanılacak uygun birimlere dönüştürülmesi gerekir. 3 m Sıcak su için okunan hacimsel debi değeri Q dir. h m m m Bu debi aynı zamanda Q h 3600s s birimindedir. 3 kg 5 m kg Kütlesel debi ise m 1 Q m s s olacaktır. lt Soğuk su için okunan hacimsel debi değeri Q 135 dir. h Bu debi aynı zamanda lt dm m m m 5 m Q h h h h 3600s s birimindedir. 3 kg 5 m kg Kütlesel debi ise m Q m s s olacaktır. 53

57 3. Ardından, sıcak ve soğuk su için ısı kaybı/kazancı hesaplanabilir. Sıcak suyun ısı kaybı kg J o T T C 195. W Q1 m 1c p1 1g 1c o s kg C 8 Soğuk suyun ısı kazancı kg J o Q m c pt c T g C 105. W o s kg C Bu ısı değerlerinin mükemmel yalıtılmış bir ısı değiştiricide birbirine eşit olması ( Q 1 Q Q ) gerekir. Eğer hesaplamalarda eşit çıkmıyorsa, farkın ne tür sebeplerden kaynaklanabileceği yorumlanacaktır. 4. Daha sonra ısı transfer kanunları kullanılarak Q 3 KATln ısısının hesaplanması yapılır. Bu değerin hesaplanma işlemleri için deney föyünde verilen sıranın takibi uygun olacaktır Öncelikle, içteki borudaki sıcak su akışını gözönüne alalım. Re ( Re1 u1d h 1 / 1 ) sayısı hesaplanarak akışın laminer veya türbülanslı bölgede olduğu belirlenir. Re sayısının hesaplanması için hız ( u 1 ) ve hidrolik çapa ( D h1 ) gerek vardır. Boru içinden akış için D h1 d ic m olarak deney föyünde bulunmuştu. d Ayrıca akış kesit alanı ise A ic m 4 4 olacaktır. Akış kesiti içindeki ortalama hız ise kütlesel debi ( m [kg/s]) veya hacimsel debi (Q [m 3 /s]) denkleminden m 1 1Q kg kg 4 m 1 1A1 u m u 3 1 s m s m u s m m u1dh 1 Re sayısı Re s m s Re olduğundan akış türbülanslı akış bölgesindedir. Bu sebeple türbülanslı akış için verilen Nu sayısı denklemi kullanılacaktır. hi1dhi Nui1 0.03Re1 Pr ki1 Buradan; iç borudaki ısı taşınım katsayısı (konveksiyonla ısı geçiş katsayısı) W hi1 hi1d m o hi1 Nui Nu m C i ki1 W o m C 54

58 W h i o m C hesaplanır. 4.. Borular arasındaki eş merkezli soğuk su akışını gözönüne alalım. Benzer şekilde Re sayısının hesaplanması için hız ( u ) ve hidrolik çapa ( D h ) gerek vardır. Bu akış için deney föyünden D h Dic ddis m olarak bulunmuştu. Ayrıca akış kesit alanı ise Dic ddis A m olacaktır. 4 4 Akış kesiti içindeki ortalama hız ise kütlesel debi ( m [kg/s]) veya hacimsel debi (Q [m 3 /s]) denkleminden m Q A u m m u kg kg s m s m u s m m udh Re sayısı Re s m s Re olduğundan akış laminer akış bölgesindedir. Bu sebeple laminer akış için verilen Tablo 1 in ilk kolonundan Nu sayısı belirlenir. Tablodan okumanın yapılması için ddis değeri kullanılarak Nu d olarak okunur. Dic Buradan bu akış için ısı taşınım katsayısı W h d hdd m o hd Nud 5.74 Nu m C d 5.74 kd W o m C W h d o m C hesaplanır Ardından, ısı değiştiricinin toplam ısı geçiş katsayısı aşağıdaki denklemden hesaplanır. dd ln 1 1 di 1 Burada KA h A k L h A i A i i d ic b d Ad d disl m ln KA d L m 55

59 KA W K A 10. o C Logaritmik sıcaklık farkı aşağıdaki denklem ile hesaplanır: T1 T T o 1 T1 g T Tln 5.85 C Burada; T1 3. ln ln T T1 c T T 0.4 g c o C o C 4.5. Sıcak ve soğuk su arasındaki ısı geçişi Q3 KATln W olarak hesaplanır. Bu ısı değerlerinin mükemmel yalıtılmış bir ısı değiştiricide birbirine eşit olması ( Q1 Q Q3 Q ) gerekir. Q W, Q 105. W Q 64. W olarak 3 hesaplandı. Farklılıkları yorumlayınız. 5. Ayrıca, -NTU yöntemininde uygulamasını yapınız. o o Sıcak su için C1 m 1cp1 0.06kg / s 4180J / kg C 59.W / C kg o o Soğuk su için C m c J / kg C 154.7W / C p C r C C Sıcak suyun ısı kaybı Q m c T T C min max s (mc p ) min (mc ) p max o o T T 0.06kg / s4180j / kg C C 195. W 1 1 p1 1g 1c 1 1g 1c 8 olarak hesaplanmıştı. Paralel akış için maksimum ısı geçişi o o Q Cmin T 1 g T g 154.7W / C C W olarak hesaplanır. Isı değiştiricinin etkenliği Q olarak hesaplanır. Q max Diğer taraftan ve NTU değerleri aşağıdaki denklemler kullanılarak da hesaplanabilir. ln{1- (1 Cr )} ln{1-0.6 (1 0.60)} Paralel akış için NTU C r Grafikten (Şekil 6) değerlendiriniz. Farklılıkları yorumlayınız. 6. Isı transfer miktarı ve etkenlik değerleri paralel ve ters akış için karşılaştırılırarak yorumlanır. 7. Bu hesaplar ölçümlerden bir tanesi için detaylı olarak yapılıp, diğer ölçümler için sadece sonuçlar tablo halinde gösterilecektir. 56

60 Ek 3. Hesap Tablosu Isı Değiştiricileri Deneyi Hesap Tablosu Deney 1 Deney Deney 3 Deney 4 Ölçümler Sıcak su Soğuk su Sıcak su Soğuk su Sıcak su Soğuk su Sıcak su Soğuk su T-g [ o C] T-ç [ o C] Q 0.5 (m 3 /h) 135 (lt/h)...(m 3 /h)...(lt/h)...(m 3 /h)...(lt/h)...(m 3 /h)...(lt/h) Q (m 3 /s) 6.5E E-05 m [kg/s] Tort [ o C] [kg/m 3 ] cp [J/kg-C] [m /s] 6.00E E-06 [kg/m-s] k [W/m-C] Pr Q [W] u [m/s] Re Nu h [W/m -C] KA [W/C] Tln [C] Q3 [W]

61 .7 TAŞINIMLA ISI GEÇİŞİ DENEYİ 1. Deneyin Adı Zorlanmış taşınım ve ışınım ile ısı geçişi.. Deneyin Amacı Değişken hava hızlarında silindir yüzeyinden transfer edilen ısı miktarına zorlanmış taşınımın etkisinin incelenmesi. 3. Deneyle İlgili Genel Bilgiler İki sistem arasında veya sistemle çevresi arasında bir sıcaklık farkı olduğu zaman enerji transfer edilmektedir. Yalnız sıcaklık farkından dolayı bir sisteme transfer edilen bu enerjiye, termodinamikte ısı enerjisi denilmektedir. Diğer taraftan termodinamiğin ikinci kanununa göre ısı, sıcak bir sistemden daha soğuk bir sisteme doğru akmaktadır. Isı doğrudan doğruya ölçülemez ve gözlenemez, ancak doğurduğu tesirler gözlenebilir ve ölçülebilir. Belirli bir sıcaklık farkından dolayı birim zamanda transfer edilen ısı miktarının hesabı, mühendislik açısından çoğu zaman önemli bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Isı bir sistem ile sistemin çevresi arasında yalnız sıcaklık farkından dolayı akan bir enerji şeklidir. Bu enerji miktarını aşağıdaki ısı transfer şekillerinin birisi, ikisi veya üçü birden kullanılarak belirlenebilir. a) Isı İletimi (Kondüksiyon) Isı iletimi aynı katı, sıvı veya gaz ortamındaki farklı bölgeler arasında, veya doğrudan fiziki temas durumunda bulunan farklı ortamlar arasında, moleküllerin fark edilir bir yer değiştirmesi olmaksızın, moleküllerin doğrudan teması sonucunda oluşan ısı yayınımı işlemidir. Isı iletiminin genel denklemi Fourier tarafından aşağıdaki formülle verilmiştir: dt Q k A (1) dn Burada iletimin tek boyutlu olduğu düşünülerek (1) eşitliği aşağıdaki şekilde düzenlenebilir. T1 T Q k A () L Burada; Q : İletimle geçen ısı miktarı, [W] A : Isı iletiminin gerçekleştiği alan, [m ] L : Isı iletiminin gerçekleştiği malzemenin kalınlığı, [m] T 1, T : Isı iletiminin gerçekleştiği malzemenin yüzey sıcaklıkları, [K] k : Malzemenin ısı iletim katsayısı, [W/(m K)]) 58

62 b) Isı Taşınımı (Konveksiyon) Bir yüzey üzerinden veya bir boru içerisinden akan akışkanın sıcaklığı yüzey sıcaklığından farklı ise, akışkan hareketi sonucu akışkan ile yüzey arasındaki ısı transferi olayı taşınım olarak adlandırılır. Newton un Soğuma Kanunu olarak adlandırılan aşağıdaki denklem ısı taşınımının özel kanunudur: Burada; Q ha T s T a (3) h : Isı taşınım katsayısı, [W/(m K)] T s : Yüzey sıcaklığı, [K] T a : Akışkan sıcaklığı, [K] Isı taşınımı akışın yapısına göre sınıflandırılır. Eğer akışkan herhangi bir pompa, vantilatör gibi benzeri cihazlar ile ya da rüzgar tarafından etkilenmiyorsa bu akışkandaki ısı taşınımına doğal ısı taşınımı denir. Eğer akışkan herhangi bir pompa, vantilatör gibi benzeri cihazlar ile ya da rüzgâr tarafından zorlanmış harekete maruz kalıyor ise bu akışkandaki ısı taşınımına zorlanmış ısı taşınımı denir. c) Isı Işınımı (Radyasyon) Herhangi bir temas ve akışkan hareketi olmaksızın elektro manyetik dalgalar vasıtası ile olan ısı geçişi olayına radyasyon denir. Işınım yoluyla gerçekleşen ısı geçişi Stefan-Boltzman eşitliği olarak aşağıdaki şekilde tarif edilmektedir. Q 4 F AT (4) Burada; : Stefan-Boltzman sabiti, (= [W/(m K 4 )]) : Işınım yayma katsayısı (neşretme oranı), F : Şekil faktörü, 4. Kullanılan Cihazlar Isı transferi servis birimi (HT 10 X), Bileşik taşınım ve ışınım deney düzeneği (HT 14). 5. Deneyin Yapılışı Şekil 1 de gösterilen deney düzeneğinin (HT 14) önden görünüşünde görülen numaralı buton (I) konumuna, Şekil de gösterilen servis biriminde (HT 10 X) A anahtarı (I) ve B anahtarı manüel konumuna getirilir. Ölçümleri yapmak için Şekil de gösterilen düzenekte E düğmesi U a ya getirilerek hava akış hızı, V konumuna getirilerek sistemin voltaj değeri ve I konumuna getirilerek sistemin çektiği akım değeri D göstergesinden okunur. Eğer hava akış hızı değiştirilmek istenirse Şekil 1 deki 16 numaralı düğmeyi sola (artırmak için) veya sağa (azaltmak için) çevrilir. Voltaj değerini artırmak veya azaltmak için Şekil deki C düğmesi istenilen değere ayarlanır. Sistem kararlı duruma gelinceye kadar(ilindir yüzey sıcaklığı sabit 59

63 oluncaya kadar) çalıştırılır. Kararlı duruma geldikten sonra; ölçümleri yapmak için Şekil de (HT 10 X) gösterilen servis biriminde G anahtarı T9 konumuna getirilerek akışkan sıcaklığı ve T10 konumuna getirilerek yüzey sıcaklığı değeri J göstergesinden okunur. Okunan değerler ilgili formüllerde yerlerine konularak hesaplamalar yapılır. Deneyde akışkan olarak hava kullanılmaktadır ve iletim ile olan ısı geçişi ihmal edilmektedir. 6. Verilen Sabitler : Stefan-Boltzman sabiti, (= [W/(m K 4 )]) : Işınım yayma katsayısı, (=0.95) F : Şekil faktörü, (F=1) D : Silindir çapı, (D=0.01 [m]) L : Silindir uzunluğu, (L=0.07 [m]) 7. Okunan Değerler I : Akım, [A] (Amper) V : Voltaj, [V] (Volt) U a : Hava akış hızı, [m/s] T9 : Akışkan sıcaklığı, [ºC] T10 : Silindir yüzey sıcaklığı, [ºC] 8. Deney Sonucunda Hesaplanacak Değerler Q in : Teorik olarak hesaplana ısı miktarı, [W] Q t : Toplam ısı geçişi, [W] Q c : Taşınım ile geçen ısı miktarı, [W] Q r : Işınım ile geçen ısı miktarı, [W] h c : Isı taşınım katsayısı (zorlanmış), [W/(m K)] h r : Işınımla ısı geçiş katsayısı, [W/(m K)] T f : Film sıcaklığı, [K] T s : Silindir yüzey sıcaklığı, [K] T a : Akışkan sıcaklığı, [K] U c : Düzeltilmiş hava hızı, [m/s] k : Havanın ısı iletim katsayısı, [W/(m K)] Nu m : Ortalama Nusselt sayısı, (Boyutsuz) Re : Reynolds sayısı, (Boyutsuz) Pr : Prandtl sayısı, (Boyutsuz) : Dinamik viskozite, [m /s] 9. Kullanılacak Formüller Q in = V I (5) Q t = Q c + Q r (6) Q c = h c A (T s -T a ) (7) 60

64 Q r = h r A (T s -T a ) (8) h r = F (Ts 4 -T a 4 ) / (T s -T a ) (9) Nu=3,66 Laminer Re Pr Re Nu m Türbülanslı (10) Pr U cd Re (11) U c = 1. U a (1) A = D L (13) T f Ts Ta (14) T s = T (15) T a = T (16) Nu m hc D Nu m k hc (17) k D k, Pr, film sıcaklığında Tablo 1 kullanılarak bulunacak değerler. Tablo 1 Havanın atmosfer basıncındaki fiziksel özelikleri T film [K] [m /s] k [W/(m K)] Pr [-] İstenilen Grafikler Hava akış hızı U c ile T 10 sıcaklığı arasında grafiğin çizilmesi. 61

65 T 10 ( 0 C) 11. Sonuçlar ve Karşılaştırmalar Sisteme giren ısı miktarı (Q in ) ile akışkana transfer edilen ısı miktarını (Q t ) karşılaştırınız. U c (m/ s) Şekil 1. Deney düzeneğinin (HT 14) ön görünüşü 6

66 Şekil. Deney düzeneğinin ana ünitesi 63

67 .8 TERMODİNAMİĞİN I. YASASI DENEYİ Amaç: Termodinamiğin I. Kanununun, Açık Sistemler için Isıtıcılı Bir Hava Kanalında İncelenmesi. 1. Termodinamik Esaslar Açık sistem analizinde problemlerin çözümü için iki eşitlik kullanılır. Bunlar kütlenin korunumunu ve enerjinin korunumunu belirleyen eşitliklerdir. Kütlenin Korunumu: Belirli bir zaman aralığında, açık sisteme giren ve sistemden çıkan kütle miktarları arasındaki farkın, aynı zaman aralığında kontrol hacmindeki (kh deki) kütle miktarı değişimine eşitliğiyle ifade edilir. m m m mg mç 1 kh (1) Bu eşitlikteki kütle miktarları birim zaman için belirtilmek istendiğinde; kh kh dm m g m ç () dt eşitliğiyle verilir. Kararlı akış durumunda son eşitliğin sağ tarafı ortadan kalkar. Kütlesel debi tam olarak; 1 m AV AV (3) v eşitliğiyle verilir. Bu eşitlikte, (kg/m 3 ) birimiyle akışkan yoğunluğunu, A (m ) birimiyle akış doğrultusuna dik kesit alan değerini, V (m/s) birimiyle kesite dik doğrultuda ortalama hızı ve yoğunluğun tersi olarak (m 3 /kg) birimi ile özgül hacmi göstermektedir. Bir boyutlu kararlı akış için, hızın kesit boyunca ortalama değerinde sabit kaldığı kabul edilerek, yukarıdaki eşitlik Denklem 4 deki gibi kullanılır. m 1 AV A V sabit (4) 1 1 Enerjinin Korunumu: Enerjinin korunumu yasası; belirli bir zaman aralığında, açık sisteme iş ya da ısı şeklinde giren ve sistemden çıkan enerji miktarları arasındaki farkın, aynı zaman aralığında kontrol hacmindeki enerji miktarı değişimine eşitliğiyle ifade edilir ve açık sistemler için Termodinamiğin I. Kanunu olarak bilinir. Kararlı akış için, kontrol hacmindeki enerji değişim miktarı ortadan kalkar ve eşitlik birim zaman için yazıldığında; 64

68 Q W V V mç h g z m g h g z (5) ç g (Kontrol hacmine ısı ve iş olarak birim zamanda girişçıkış yapan enerji miktarı) = (Kontrol hacminden geçen akışkan(a/dan) birim zamanda aktarılan enerji) elde edilir. Bu eşitlikteki Q (W) birimiyle kontrol hacmine sistem sınırından giren veya çıkan ısı formundaki enerjiyi (giriş pozitif, çıkış negatif), W (W) birimiyle sistem sınırından giren veya çıkan iş formundaki enerjiyi (giriş negatif, çıkış pozitif) göstermektedir. m (kg/s) birimiyle akışkanın kütlesel debisini, h (J/kg) birimiyle akışkanın entalpisini, z (m) birimiyle akışkan için ölçüm yapılan noktanın, referans olarak seçilen belirli bir yatay eksenden yüksekliğini ve g ise (m/s ) veya (N/kg) birimiyle yerçekimi ivmesini veya dünya için geçerli olan birim kütle çekim kuvvetini göstermektedir.. Deney Tesisatının Tanıtımı Deney tesisatı; kendisine bir fan ile hava akışı temin edilen, çevresi ısı geçişine karşı yalıtılmış bir hava kanalı, kanal tabanına yarı uzunluğa kadar yerleştirilmiş ısıtıcı levha, iç ve dış ortam sıcaklıklarının okunduğu dijital gösterge, çıkıştan önceki son sıcaklık okuma noktasında basınç ve/veya hava hızını ölçmek için kullanılan plastik borulu bir U manometresi, kanal çıkışında hava hızını ölçmek için kullanılan hızölçer (hızmetre), çevrenin termodinamik değerlerini ölçmede kullanılan sıcaklık basınç nem göstericisi, ısıtıcı plakanın ve fanın çektiği elektrik gücünü bulmak için kullanılan güçölçer (wattmetre) ve fanın değişik devirlerde çalışmasını temin etmede kullanılan varyaktan oluşmaktadır. Isıtıcı Levha Güç Girişi Hava Kanalı Fan Şekil 1. Deney tesisatının şematik gösterimi 65

69 3. Deneyin Yapılışı ve Deneyden Beklenenler Sistem çalıştırıldıktan sonra kararlı akışın oluşması ve ısıtıcı levhanın sıcaklığının kararlı hale gelmesi için biraz beklendikten sonra yapılacak ölçümler ve bu ölçme değerleri kullanılarak yapılacak işlemler aşağıda sıralanmıştır: i. Deney tesisatının bulunduğu ortamın termodinamik değerleri, sıcaklık basınç nem göstericisi kullanılarak kaydedilecek. Okunan sıcaklık T g (K) olarak, hg cptg hesaplamasında kullanılacak. ii. Varyak kullanılarak düşük bir fan devri elde edilecek. Bu devir sayısı için, güçölçer aracılığı ile fanın ve ısıtıcı levhanın çektiği güç ölçülecek. Ölçülen değerlerin toplamı (W) birimiyle iş formundaki enerji girdisi olarak alınacak. iii. Çıkış kesitindeki, sıcaklık, basınç ve hız değerleri ilgili ölçüm cihazlarıyla belirlenecek. a) Sıcaklık ve basınç kullanılarak Pv RT eşitliğinden v özgül hacmi bulunacak. Böylece; 1/ v eşitliğinden çıkıştaki yoğunluk değeri de bulunmuş olacak. Bulunan bu değerle birlikte kesit alanı ve hız değeri, (4) numaralı eşitlikte yerlerine yazılarak m kütlesel debi değeri hesaplanacak. Yine çıkış sıcaklığı kullanılarak, h c T eşitliği yardımıyla çıkış ç p ç entalpisi hesaplanacak. b) Hızın tespiti ayrıca, U manometresi kullanılarak V h dinamik,ç m g eşitliğiyle ç gerçekleştirilip, hızölçer aracılığıyla ölçülen değerle karşılaştırılacak. Bu eşitlikteki Δh dinamik, ç farkı (mss = msy) cinsinden yazılacak. iv. Ölçülerek ve hesaplanarak elde edilen değerler, (5) numaralı eşitlikte yerlerine yazılarak eşitliğin sağlaması yapılacak. v. Tüm deney, fan ve ısıtıcı levhanın çekeceği farklı ikişer ayrı güç değeri için tekrarlanacaktır. 4. Deneyin ve Sonuçlarının İrdelenmesi 1. U manometresi ile yapılan basınç farkı ölçümünün kullanıldığı ve böylece hızın hesaplandığı eşitliğin nasıl elde edildiğini,. Yapılan deneylerden elde edilen sonuçlarla beraber, hesaplanan değerlerdeki değişimin fiziksel anlamını, 3. (5) numaralı eşitlikte yer alan büyüklüklerin eşitliğin sağlanmasını nasıl etkilediğini, 4. Hızölçer ve U manometresiyle yapılan ölçüm ile hesaplanan hız değerleri arasındaki farkın nereden kaynaklandığını açıklayınız. 66

70 5. Deney Raporu: i. Fan ve ısıtıcı levha aracılığıyla kontrol hacmine giren birim zamandaki enerji Parametre 1. Deney. Deney Isıtıcı levhayla giren güç [W] Fan ile giren güç [W] kh ye giren toplam güç [W] ii. Çıkış kesiti ayrıtlarının ölçümü ve alanının hesaplanması a [mm] b [mm] Çıkış kesit alanı [m ] 10 [mm] 110 [mm] a) Ölçmeler Parametre 1. Deney. Deney Basınç Hız (Giriş) Hız (Çıkış) Sıcaklık Giriş (barometre ile) Çıkış (Δh statik ) (su seviyesi farkı mmss) Hızmetre ile [m/s] Hızmetre ile [m/s] Δh dinamik (Pitot tüpü ile mmss) Giriş Çıkış [mbar] [Pa] [mbar] [Pa] [mss] [Pa] [mss] [Pa] [ o C] [K] [ o C] [K] 67

71 b) Hesaplamalar Parametre 1. Deney. Deney Entalpi [kj/kg] h c p T (c p = kj/kgk) Giriş Çıkış 1 v Özgül hacim [m 3 /kg] RT P (R=0.87 kj/kgk) Kütlesel debi [kg/s] 1 m AV AV v Hız [m/s] V h dinamik,ç m g ç gh m dinamik,ç v ç iii. Enerji eşitliğinin sağlanması Q W V V mç h g z m g h g z (5) ç g Hesaplanacak İfade 1. Deney. Deney Eşitliğin Sağ Tarafı [W] Hızölçer Δh dinamik Hızölçer Δh dinamik Eşitliğin Sol Tarafı [W] 68

72 .9 ISIL İLETKENLİK ÖLÇÜMÜ DENEYİ 1. Deneyin Adı Yalıtım malzemelerinde ısıl iletkenlik özelliğinin tayini deneyi.. Deneyin Amacı Bu deneyin amacı, katı haldeki yalıtım, yapı, kompozit, polimer, seramik ve metalik malzemelerin ısıl iletkenliklerini ve özgül ısılarını belirlemektir. 3. Deneyle İlgili Genel Bilgiler Isı yalıtım malzemeleri; ısı kayıp ye kazançlarının azaltılmasında kullanılan yüksek ısıl dirence sahip özel malzemelerdir. Ayrıca standartlarında ısıl iletkenlik katsayıları 0,06-0,10 W/mK nin altında olan malzemeler, ısı yalıtım malzemeleri olarak tanımlanır. Isı yalıtımı amacı ile kullanılan ürünler açık gözenekli veya kapalı gözenekli olarak sınıflandırılabilir. Açık gözenekli veya elyaflı malzemelere; camyünü, taş yünü (mineral yünler), ahşap yünü, seramik yünü, cüruf yünü; kapalı gözenekli malzemelere ise EPS genleştirilmiş polistiren, XPS ekstürüde polistiren, elastomerik kauçuk, polietilen köpüğü, cam köpüğü örnek yerilebilir. Bu malzemeler genellikle çatı, duvar, döşemeye zemin gibi yapı elemanlarında veya tesisatlarda kullanılabilir. Bu malzemelerin yanısıra pencereleri oluşturan kaliteli doğramalar ile yalıtım camı üniteleri de ısı yalıtımında büyük önem taşır (Resim 1). Resim 1: Kaplama Yalıtım Camı Üniteleri 69

73 Isı yalıtım ürünlerinin temel amacı, yapı elemanlarının ısı iletim direncini artırmaktır. Bu nedenle bu ürünlerin yalıtma özelliğini ısı iletim katsayıları belirler. Isı iletim katsayısı ne kadar düşükse, o ürünün yalıtım özelliği artar. Bu nedenle, yalıtım ürünlerinin ısı iletim katsayısının düşük olması istenir. Bunun yanısıra uygulanacağı detaya göre yalıtım malzemelerinin; ses sönümleme değerleri, yangın karşısındaki performansları, su emme değerleri, donma çözülme dayanımı, yük altındaki uygulamalar için basma dayanımları malzeme seçiminde önemli rol oynar. Kullanım kolaylığı ve ekonomik olması da ısı yalıtım ürünlerinde aranan diğer özelliklerdir. Deneylerde kullanılan cihazlar malzeme ısıl iletkenlik aralığı, gözenek yapısı ve numune boyutlarına göre değişiklik göstermektedir. Deneylerde kullanılacak olan cihaz, ısıl iletkenlik ölçüm aralığı, ölçüm sıcaklığı, cihaza uygun numune boyutları ve cihazın hassasiyeti aşağıdaki Tablo 1.de ayrıntılı olarak verilmiştir. Deney Cihazı Cihaz-1 Lasercomp Fox-50a Isıl İletkenlik Ölçüm Aralığı (W/mK -1 ) Ölçüm Sıcaklığı( C) Boyutlar(mm) Açıklama (0.05) (10) (-0) (+95) Ø63x5 Kalınlık 5mm ye kadar Tablo 1: Cihaz ve Özellikleri 4. Deneyin Yapılışı 4.1. Hazırlık Deneye başlamadan önce laboratuvarda hangi deneyin yapılacağı ve deney için elektrik, su ve azot gazı gibi girdilerin olup olmadığı kontrol edilir. Deney için gelen numunelerden sadece nemli olanlara, kurutma işlemi yapılmaktadır. 4.. Deney İşlemi ISILAB da birden fazla cihaz ile Isıl iletkenlik Deneyi yapılabildiğinden ve her bir cihaz için belirlenmiş olan deney yapılışı aşağıdaki alt başlıklardan uygun olan seçilerek deney yapılır. 70

74 4..1. Yapı Malzemeleri Isıl İletkenlik Deneyi Kullanılacak Cihaz : Fox 50a, Cihaz1 Kullanılacak Dış Doküman : Winterm3 Software Manuel Deney başlamadan önceki işlemler yapıldıktan sonra olumsuz bir durum yoksa ve deney başlatılabilecek duruma gelinmiş ise aşağıdaki işlem adımları takip edilerek deney yapılır. a. Bilgisayarda yüklü bulunan Winterm3 programı çalıştırılır. Bu program cihaz ile bilgisayar arasında bağlantılı olup deney için gerekli tanımlar bu program aracılığı ile yapılmaktadır. Cihaz ile bilgisayar arasında iletişim varsa aşağıdaki görüntü gelir. Burada Open Stack hazneyi açıp içerisinde numune olup olmadığına bakılır ve otomatik ölçücü numune sıkıştırıcı tablanın açılması sağlanır. Numune olmadığından emin ve cihazın mesafeyi kalibre etmesi isteniyorsa Calibrate işaretlenerek cihazın aralığı sıfırlaması sağlanır. Eğer bu görüntü gelmiyor veya bağlantı olmadığına dair bilgiler geliyorsa Winterm3 Software Manuel kitapçığındaki yol izlenerek bilgisayar bağlantı programı kurulmalıdır. b. Bilgisayar bağlantısı onaylandıktan, mesafe kalibre edildikten sonra aşağıdaki test ekranı otomatik olarak gelir. Numune gözüne numune yerleştirilir. Eğer numune boyutları küçükse haznenin orta kısmına gelecek şekilde ve etrafındaki boşluklar yalıtım malzemesi ve kalınlığı numune kalınlığından çok az küçük olacak şekilde beslenerek doldurulduktan sonra hazneye konulmalı ve kapağı kapatılmalıdır. 71

75 Cihaz kalibrasyonu ve numune kalınlığını ölçme ile ilgili seçenekler yukarıdaki pencerede işaretlenir, bu ekranda seçili gelenlerden farklılık istenirse değiştirilebilir, değilse Run seçilerek devam edilir. Eğer numune yumuşak ve cihazın kalınlığı ölçmemesi ve kalınlığın el ile girilmesi istenirse o zaman Manual thicness seçilmelidir. Değilse cihaz numuneyi otomatik olarak ölçecektir. c. Aşağıdaki Cihaz bilgisayar iletişim ekranı bu arada arka planda bulunmaktadır. Aşağıdaki bu ekranda Sample, Setpoint ve Calibration düğmeleri kırmızı ve x işaretle olarak durmaktadır. d. Bu aşamada numunenin bilgileri aşağıdaki ekran aracılığı ile istenmektedir. Eğer numune kalınlığı otomatik ölçülmedi ise buradaki ekranda o da girilmelidir. 7

76 e. Numunenin hangi sıcaklık ya da sıcaklıklar aralığında ölçüleceği aşağıdaki ekrandaki hücreler doldurularak belirtilir. Burada her yeni sıcaklık aralığı numunenin farklı bir sıcaklık değerinde de ölçüleceğini göstermektedir. f. Eğer daha önceki seçimlerde Dosyalanmış Kalibrasyon - Filed Calibration seçilmişse aşağıdaki ekran gelecek ve hangi kalibrasyon dosyası kullanılacaksa o seçilecektir. Eğer belirli bir dosya seçilmeyecekse ekranda varsayılan olarak gelen dosya kullanılacaktır. g. Bu aşamadan sonra her şey doğru yapıldı ise test başlayacak ve ekrana aşağıdaki görüntü gelecektir. Bu görüntü üzerinde sürekli değişen bilgiler olacaktır. Bu bilgiler ölçümün sürdüğünü göstermektedir. Deney süresi ölçülen numune malzemesine, ölçüm sayısına ve ölçüm sıcaklığına göre değişmektedir. Ancak normal şartlarda yaklaşık bir saat civarında deneyin sonuçlanması beklenmelidir. 73

77 Ölçüm normal başladı ve seçimler uygun yapıldı ise ekranda Sample, Setpoint ve Calibration düğmeleri kırmızı ve () işaretli ve yeşil olarak duracaktır. Bu görüntü üzerinde sürekli değişen T, Q, mean T ve lambda bilgileri olacaktır. Bu bilgiler ölçümün sürdüğünü göstermektedir. Deney süresi ölçülen numune malzemesine, ölçüm sayısına ve ölçüm sıcaklığına göre değişmektedir. Ancak normal şartlarda yaklaşık bir saat civarında deneyin sonuçlanması beklenmelidir. 74

78 5. Ölçüm Belirsizliğinin Hesaplanması Ölçüm Belirsizliği birçok nedenden kaynaklanabilir. Bu deney laboratuarındaki yapılacak olan deneyler bir temel büyüklük üzerine kurulu olmadığından bir başka deyişle birim boyut ölçümleri olmadığından cihazların belirsizliği önem kazanmaktadır. Çünkü cihaz türetilmiş bir büyüklük değerini kullanıcıya vermektedir. Örneğin ısıl iletkenlik birimi W/mK olduğundan enrji, uzunluk ve sıcaklık gibi büyüklüklerden ısıl iletkenlik belirlenmektedir. Ancak büyüklüklerin ayrı ayrıölçüm belirsizliğine tabi tutulmaları mümkün değildir. Böylece cihazın ölçüm belirsizliği zaten bunları kapsamaktadır. Belirsizliklerin ana başlıklarını yukarıdaki şekilde tanımladıktan sonra bunların açınımı yapılır ve deneylere özgü tanımlamalar şekline dönüştürülürse aşağıdaki belirsizlik katkıları deney sonucuna etki eden büyüklükler olduğu söylenebilir. Tekrarlanabilirlik ölçümlerinden gelen belirsizlik katkısı n i (W/mK) Belirsizlik olarak çözünürlüğün yarısı alınır. Standart Ölçüm belirsizliği Duyarlılık Katsayısı Belirsizlik Katkısı 75

79 Standart kalibrasyon numunesi(eps) ölçüm değerleri Sıcaklık, T Ölçülen iletkenlik, Referans Numune İletkenliği, Fark, R - C Tablo. Ölçülen ve belirsizlik etkisi oluşturan büyüklükler Ortam Sıcaklığı Ortam Nemi, % 50 Ölçülen Değer, R, W/mK Ölçülen Kalınlık, L, m 50.05E-3 Ölçülen Sıcaklık, C 10 Kalibrasyon numunesi farkı, W/mK 5.3E-4 Isı Akısı kalibrasyon değeri alt, mv 510 Isı Akısı kalibrasyon faktörü alt, W/(mV.m ) Isı Akısı kalibrasyon değeri üst, mv 498 Isı Akısı kalibrasyon faktörü üst, W/(mV.m ) Ölçülen sıcaklık farkı, T, C Tekrarlanabilirlik E-9 Bu ısıl iletkenlik(k) değeri tanımından belirsizliğin genel tanım ifadesinden kısmi türevler alınarak aşağıdaki eşitlik içerisine taşınırlar. Ancak genel ifade çerisinde bulunmayan fakat belirsizlik değeri taşıyan kalibrasyon numunesi belirsizliği(w cal ), tekrarlanabilirlik belirsizliği(w tek ) doğrudan belirsizlik olarak terime eklenmiştir 76

80 w k k w f1 f 1 f e1 e L T wcal wtek k w f k w e1 k w e k w L k w T 1 k f 1 k f k e 1 e1. L. T e. L. T f1. L. T (510).(50,05E 3) (10.01) (498).(50.05E 3) (10.01) ( ).(50.05E 3) 3.618E 05.(10.01) k e k L f. L. T (0.0165).(50.05E 3) E 05.(10.01) f. e1 f. e ). T ( 1 ( ).(510) (0.0165)(498).(10.01) k T ( f. e1 f. e) ( ).(510) (0.0165)(498) 1. L.( ) (10.01) E E T w cal w tek w k ( 5.3E 4) ( E 9) E E E 6 5.3E E 9 1/ w k Toplam Ölçüm Belirsizliği w k Genişletilmiş Ölçüm Belirsizliği Tam Ölçüm Sonucu 77

81 5.1. Ölçüm Belirsizliğinin Deney Sertifikasında Verilmesi Deney sertifikasında, Ölçme büyüklüğünün tahmini değeri y ve buna verilen genişletilmiş ölçme belirsizliğinden U oluşan eksiksiz tam ölçme sonucu y U formunda verilmelidir. Bu sonuç genel durumlarda aşağıdaki manayı içeren bir beyan ile tamamlanmalıdır. Verilen genişletilmiş ölçme belirsizliği standart ölçme belirsizliğinin genişletme katsayısı k= ile çarpımı sonucudur. Bu belirsizlik normal dağılımda yaklaşık %95 güvenirlik seviyesi esas alınmıştır. Standart Ölçme Belirsizliği EA-4/0 dokümanına göre hesaplanmıştır. Ölçüm Belirsizliğinin sayısal değeri en fazla belirleyici iki hane olarak verilmelidir. Ölçme sonucunun değeri, sonuca verilecek ölçme belirsizliğinin son geçerli hanesine göre yuvarlatılmalıdır. Ölçme belirsizliğinin sayısal değeri yuvarlatma sonucu %5 oranında azalıyorsa o zaman yuvarlatılan değer tam olarak alınmalıdır. 78

82 .10 MOTOR KARAKTERİSTİKLERİNİN ÖLÇÜLMESİ DENEYİ 1. Deneyin Amacı Motor karakteristiklerinin motor test düzeneği yardımıyla ölçülmesi ve elde edilen ölçümlerin motor performansı üzerine yorumlanması.. Deneyle İlgili Genel Bilgiler Motor deneyleri genel olarak motorun; yapımcı firmanın garanti ettiği karakteristik özellikleri gerçekleyip gerçeklemediğinin kontrolü ve motorları gelişme çalışmalarında; çeşitli yapısal (konstrüktif) ve işletme özelliklerinin motor karakteristikleri üzerindeki etkilerinin belirlenmesi amaçları ile yapılır. Bu amaçlarla; motorların istenen bazı işletme büyüklüklerinin sabit tutulabildiği ve istenen bazı büyüklüklerin değiştirilebildiği bir deney düzeneğine bağlanmaları ve çalıştırılmaları gerekir. Böylece motor çeşitli koşullar altında çalışırken gerekli bilinmeyen büyüklükler ölçülür. Motor deneylerinde genellikle ölçülen büyüklükler; moment, devir sayısı, yakıt debisi, emme havası debisi, soğutma suyu debisi, ortam sıcaklığı ve nemi, egzoz gazlarının sıcaklığı, soğutma suyunun giriş ve çıkış sıcaklıklarıdır. Motor deneyleri sonunda ölçülen bu değerler kullanılarak efektif güç, ortalama efektif basınç, efektif verim, döndürme momenti, özgül yakıt tüketimi gibi büyüklükler hesaplanır ve ölçülen veya hesaplanan bu değerlerin (karakteristiklerin) devir sayısına, hava fazlalık katsayısına, güce, değiştirilen yapısal özelliklere (örneğin sıkıştırma oranına) göre değişimleri elde edilir. İstenirse bu sonuçlar eğriler şeklinde de değerlendirilir..1 Motor Test Deneyi Çeşitleri Motorlar uygulamada çoğunlukla ya taşıtlarda, ya da stasyoner olarak kullanılmaktadır. Bu kullanım alanlarına göre motorlardan beklenen özellikler farklı farklıdır. Örneğin; bir taşıt motoru sabit gaz durumunda motor yüküne göre belirli bir alt ve üst devir sayısı aralığında çalışmalı ve bu aralıkta özellikleri bilinmelidir. Öte yandan bir santral motoru; üretilen elektriğin belirli bir frekansta olması için, sabit devir sayısında çalışmalıdır. Motorların bu farklı tür çalışma koşullarına uygun olarak, motor deneyleri de farklı olabilir. 79

83 .1.1 Taşıt Motorları Deneyleri Taşıtlarda, motorun ürettiği güç, güç aktarma donanımı (kavrama, dişli kutusu, diferansiyel ve akslar) tarafından tekerleklere iletilir ve taşıtın hareketini sağlar. Taşıtların kalkış ve duruşlarında ve çeşitli yol koşularındaki hareketlerinde gerekli döndürme momentleri ve devir sayıları farklı farklıdır. Motorun, taşıtın çalışma koşullarına uyum sağlayabilmesi için değişik gazlarda ve devir sayılarında çalışması gerekir. Bu nedenle taşıt motorları, sabit gaz durumlarında değişik devir sayılarında denenir. Taşıt motorlarının değişik hızlarda denenebilmesi için; tam gaz, 3/4 gaz,1/ gaz, 1/4 gaz gibi istenen gaz durumlarında en düşük ve en yüksek hızların aralığında çalıştırılmaları gerekir. Bu amaçla motor çalıştırıldıktan sonra; bir taraftan gaz arttırılırken, bir su freni veya elektrik dinamometresi aracılığı ile yavaş yavaş yüklenilir. Gaz kolu istenen konuma getirildiğinde motor uygun şekilde yüklenerek en düşük devirde kararlı çalışması sağlanır. Bu yük altında motorun devir sayısı en düşük (minimum) devir sayısıdır. Daha sonra yük yavaş yavaş azaltılarak motorun devir sayısının artması sağlanır. Her adımda; devir sayısı, döndürme momenti gibi motorun istenen karakteristikleri ölçülür. Her hızdaki ölçüm yapılırken motorun en az 1 dakika kararlı olarak çalışması gerekir. Böylece, belirli gaz konumunda, en düşük devirden en yüksek devire kadar motorun karakteristikleri belirlenmiş olur. Benzer işlemler istenirse değişik gaz konumlarında da yinelenir. Ölçülen değerler kullanılarak efektif güç, ortalama efektif basınç, özgül yakıt tüketimi, efektif verim gibi çeşitli teknik büyüklükler hesaplanır. Daha sonra hesaplanan bu değerler devir sayısına bağlı olarak eğriler şeklinde veya performans eğrileri biçiminde çizilir..1. Motorların Geliştirme Deneyleri Motorları geliştirme çalışmalarında; motor belirli bir gaz konumunda çalışırken sıkıştırma oranı, ateşleme avansı, yakıt-hava oranı gibi teknik özelliklerden biri değiştirilir. Örneğin her sıkıştırma oranında yükleme ayarlanarak motorun devir sayısının sabit kalması sağlanır. Her adımda gerekli büyüklükler ölçülür. Elde edilen sonuçların değerlendirilmesi ile sıkıştırma oranının motorun çeşitli teknik özelliklerini nasıl etkilediği ve en uygun sıkıştırma oranının ne seçilmesi gerektiği belirlenmiş olur. 80

84 . Motor Test Deneylerinde Yükleme Elemanları Motor deneylerinde üretilen gücü yutan ve yüklemeyi sağlayan başlıca iki tür yükleme elemanı kullanılır. Bunlar Su freni ve Elektrik dinamometresidir...1 Su Freni ile Yükleme Motor deneylerinde yükleme ve moment ölçümü için uygulanan en yaygın yöntemlerden biri de su freni (hidrolik fren) dir. Hidrolik frenlerde genellikle sıvı olarak su kullanılır. Su frenleri motor yüküne bağlı olarak çeşitli tiplerde yapılmakta ise de çalışma ilkeleri tümünde aynıdır. Su freni motor miline bağlı olarak dönen özel kanatlı bir rotor ve rotoru çevreleyen, yataklar üzerine oturtulmuş bir statordan oluşur. Statorun iç tarafında da kanatlar mevcuttur ve statora bir moment ölçme düzeneği eklenir. Motor rotoru çevirmeye başladığında, rotorun kanatları suyu dışa doğru fırlatır ve çevrede girdap hareketleri yapan bir su tabakası oluşur. Böylece girdap, dönme hareketleri ve radyal hareketler gibi karmaşık hareketler yapan su bir taraftan ısınarak motorun ürettiği mekanik enerjiyi yutarken, öte yandan motorun döndürme momentine eşit bir momentle su freninin statorunu çevirmeye çalışır. Şekil 1.1 Bir Su Freninin ve Dinamometrenin Şematik Resmi.. Elektrik Dinamometresi Motorun mili bir dinamometreye bağlanırsa, motorun ürettiği güç elektrik enerjisine çevrilmiş olur. Bu elektrik enerjisi paralel bağlı dirençlerde ısıya dönüştürülerek harcanabilir. 81

85 Anahtarlarla kumanda edilen dirençlerden istenilen kadarı devreye sokularak motorun yükü ayarlanmış olur. Elektrik dinamometresinin rotoru test edilecek motorun miline, statoru ise bir dengeleme düzeneğine bağlanmıştır. Dinamometre çalışırken, yani elektrik üretirken statorda bir zıt elektromotor kuvvet oluşur ve stator rotorun dönme yönünde dönmek ister. Motorun mekanik gücü veya dinamometreden çekilen elektriksel güç arttıkça, etki eden döndürme momenti de büyür. Statorda bu şekilde oluşan moment; motor milindeki döndürme momentine eşittir. Dinamometrenin statoruna etki eden bu moment bir dengeleme sistemi ile dengelenebilir ve ölçülebilirse, motorun döndürme momenti belirlenmiş olur. Bu amaçla stator, iki ucundan serbestçe dönmesine olanak sağlayan yataklar üzerine oturtulur. Öte yandan statora etki eden moment, bir ucu moment koluna bağlı ve diğer ucu yere sabit olarak tutturulmuş bir yaylı terazi ve moment koluna asılan ağırlıklar tarafından dengelenir. Motor miline bağlı bir elektrik makinası; yapılan kumandaya bağlı olarak deneyin başlangıcında marş motoru, daha sonra ise motoru yüklemeye yarayan dinamometre görevini yapmaktadır. Söz konusu elektrik makinası, marş motoru olarak çalıştığında gerekli doğru akım şebekedeki alternatif akımın bir redresör tarafından doğru akıma çevrilmesi ile sağlanır. Ateşleme başladıktan, yani motor çalıştıktan sonra kumanda anahtarı dinamometre konumuna getirilerek elektrik makinasının bir dinamometre olarak görev yapması sağlanır. Dinamometre çıkışına bağlı bir dizi direncin devreye sokulup çıkartılması ile motor istenilen şekilde yüklenir. Ayrıca dinamometrenin statoruna bağlı olan yaylı terazi ve ağırlık düzeneği aracılığı ile motorun milindeki döndürme momenti belirlenir. 3. Deneyin Yapılışı Deneyde kullanılan TUD Eddy Current Dinamometre cihazımız 3000Nm ye kadar frenleme momenti üretebilmektedir. İmalat, dayanım, arge, emisyon ve benzeri tüm test tesislerinde kullanıma uygundur. Ayrıca; doğrudan ve çok hassas frenleme kuvveti ölçümü, 8

86 yüksek hızlı akım kontrolü sayesinde hızlı reaksiyon verebilme yeteneği, elektriksel sürtünmesiz yapısı dolayısıyla uzun ömürlü yapı, tekrarlanabilir ölçümler alabilen stabil yapı, her iki yönde çalışabilmesi, düşük ataletli rotoru ile birçok test prosedürünü desteklemesi, geniş çap ve yüksek açısal hız sebebiyle düşük devirlerde yüksek moment üretebilmesi, nikel kaplamalı soğutma kanalları sebebiyle düşük kireçlenme oranı, uzun ömürlü rulman ve yatakları özelliklerine sahiptir. Teknik özellikleri ise; Max Güç 150 kw, Max Tork 500 Nm, Standart Hız 8000 rpm ve Maksimum Hız 1000 rpm şeklindedir. Dinamometre soğutma düzeneği homojen soğutma sağlayarak uzun süreli testlerin aksamadan yapılmasına yardımcı olmaktadır. Soğutma suyu sıcaklık, basınç ve debi kontrolü dinamometrenin aksaksız ve sorunsuz çalışmasını sağlayan ek güvenlik tedbirleridir. Yüksek doğruluklu akım bobinleri kullanılması sebebiyle dinamometre kontrol ünitesi tarafından set edilen devir veya tork değeri hızla yakalanıp sabit tutulabilmektedir. Özel manyetik hesaplar kullanılarak yapılan tasarım ve kullanılan malzeme ile elektrik akımının büyük bölümü frenleme kuvvetine dönüşmekte ve kayıp enerji (ısı) seviyesi en aza indirilmektedir. Bütün sistem, Motest yazılımı ile parametrelendirilmiştir ve bu yazılım sayesinde kontrol edilebilmektedir. MOTEST önceden tanımlanmış test prosedürlerine göre testi otomatik yapabilmektedir. Sahadan toplanan verileri gerçek zamanlı ekranda gösterir. Sahadan gelen veriler ile kullanıcının tanımlamış olduğu limit ve uyarı değerlerine göre sınır değer kontrol yapabilmektedir. Deney esnasında; test sisteminde kullanılmakta olan bir Renault benzinli motoru için belli devir değerleri için güç, tork, yakıt tüketimi, egzoz gazlarının çıkış sıcaklıkları, motor soğutma suyu sıcaklıkları gibi değerler için ölçümler alınacaktır. 83

87 Şekil 1. Motor Test Düzeneğinin Şematik Resmi 84