ADIYAMAN ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ MAK 421 MAKİNE LABORATUVARI II TERMAL İLETKENLİK (SIVI ve GAZLAR için) EĞİTİM SETİ DENEY FÖYÜ 2018
İÇİNDEKİLER TEORİK BİLGİLER... 3 Radyal (silindirik) koordinatlarda ısı geçişi... 3 TESİSATIN TANITIMI... 4 DENEYLER... 6 1) Sıvılarda ısıl iletkenlik katsayısının bulunması... 6 2) Gazlarda ısıl iletkenlik katsayısının bulunması... 6 ŞEKİLLER Şekil 1.-2. 1 boyutlu radyal ısı geçişi, silindirik katman.... 4 Şekil 3. Termal iletkenlik (Sıvı ve gaz için) eğitim seti şeması_1.... 4 Şekil 4. Termal iletkenlik (Sıvı ve gaz için) eğitim seti şeması_2.... 4 Şekil 5. Termal iletkenlik (Sıvı ve gaz için) eğitim seti şeması_3.... 5 Tablo 1. Hesaplamalarda kullanılmak üzere elde edilen deney verileri tablosu.... 6 Tablo 2. Bazı malzemelerin ısıl iletkenlik katsayıları tablosu.... 7
TEORİK BİLGİLER Radyal (silindirik) koordinatlarda ısı geçişi: Örneğin sıcak bir su borusundaki ısı iletimini dikkate alalım. Isı, borunun duvarından dışarıya sürekli olarak kaybolur; borudan ısı transferinin boru yüzeyine dik doğrultuda olduğu bu diğer doğrultularda önemli bir ısı transferinin olmadığını sezebiliyoruz (Şekil 1.). Kalınlığı gayet az olan boru duvarı, sıcaklıkları farklı iki akışkanı ayırır ve bu yüzden sıcaklık gradyanı radyal doğrultuda oldukça büyüktür. Ayrıca, eğer içte ve dıştaki akışkan sıcaklıkları sabit kalıyorsa, o zaman boru üzerinde ısı transferi sürekli olur. Bu sebeple boru üzerindeki ısı transferi sürekli ve tek boyutlu olarak modellenebilir. Bu durumda borunun sıcaklığı yalnız bir doğrultuya (radyal r doğrultusu) bağlıdır ve T=T(r) olarak yazılabilir. Uygulamada bu duruma uzun silindirik borular ve küresel tanklar yakındır. Sürekli işlemde herhangi bir noktadaki boru sıcaklığı zamanla değişmez. Bu yüzden boru içine olan ısı transferinin hızı, borudan dışarı olan ısı transferinin hızına eşit olmalıdır. Bir başka deyişle boru boyunca ısı transferi sabit, yani Q iletim,silindir=sabit olmalıdır. İç yarıçapı r 1, dış yarıçapı r 2, boyu L ve ortalama ısıl iletkenliği k olan dairesel boruya benzeruzun bir silindirik katman göz önüne alalım (Şekil 2.). Silindirik katmanın iki yüzeyi T1 ve T2 sabit sıcaklıklarında tutulmaktadır. Katman içerisinde ısı üretimi yoktur ve ısıl iletkenlik sabittir. Silindirik katmanda tek boyutlu ısı iletimi için T(r) bağıntısı bulunmaktadır. Bu durumda silindirik katman içerisinde ısı iletimi için Fourier ısı iletim kanunu; Q iletim, silindir dt ka [W]... (1) dr olarak yazılabilir. Burada r bölgesindeki ısı transfer alanı A=2πrL dir. Dikkat edilirse burada A değeri r ye bağlıdır ve dolayısıyla A ısı transferi doğrultusunda değişir. Yukarıdaki denklem değişkenlerine ayırılır ve T(r 1)=T 1 in olduğu r=r 1 den, T(r 2)=T 2 nin olduğu r=r 2 ye kadar integre edilirse, r2 T2 Qiletim, silindir dr kdt A r r1 T T1 bulunur. A=2πrL yerine koyulur ve integraller alınırsa, Q iletim,silindir=sabit olduğu için, Q iletim, silindir T1 T2 2 Lk [W].... (2) ln(r / r ) 2 1 bulunur. Q : Isıtıcı yükü [W] L: Test sıvısının içinde bulunduğu malzemenin uzunluğu (0,11 m) k: Isı iletim katsayısı (W/mK) r2: Test sıvısı dış çapı (38,5mm) r1: Test sıvısı iç çapı (38,0mm) T1: Test sıvısı iç sıcaklığı ( o C) T2: Test sıvısı dış sıcaklığı ( o C) k ort=(k 1+k 2+k 3+k 4+k 5)/5 [W/mK]
Şekil 1.-2. 1 boyutlu radyal ısı geçişi, silindirik katman. TESİSATIN TANITIMI Şekil 3. Termal iletkenlik (Sıvı ve gaz için) eğitim seti şeması_1. Şekil 4. Termal iletkenlik (Sıvı ve gaz için) eğitim seti şeması_2.
Şekil 5. Termal iletkenlik (Sıvı ve gaz için) eğitim seti şeması_3. Tesisat; silindirik su ve akışkan gömleği, borular, vanalar, sıcaklık göstergeleri, ısıtıcı güç ve kademe göstergesi ve debimetreden oluşmaktadır. Program paneli yardımı ile ısıtıcı gücü kademesi ayarlanabilir. Isıtıcı rezistans :2 Adet 220V, 200W Sıcaklık algılayıcı :4 Adet PT100 Su debimetresi :1 Adet Türbin Tipi Kontrol paneli :1 Adet Delta DOP-B05111 PLC :1 Adet Delta DVP-14SS211R PT-100 MODÜL :1 Adet Delta DVP-04PT-S Analog giriş modülü :1 Adet Delta DVP-04AD-S Analog çıkış modülü :1 Adet Delta DVP-02DA-S
DENEYLER Aşağıdaki maddelerde bulunan talimatları izleyerek verilen tabloyu elde ettiğiniz deneysel verilerle doldurun. I. Test akışkanını, enjektör veya iğneli ünyon yardımı ile, sistemde hava kalmayacak şekilde enjekte ediniz. II. III. IV. Su giriş hattını şebekeye bağlayın ve vanayı açınız. (Akışkan ölçüm hattı üzerindeki vanaları açınız) Ana şalteri açınız. LCD ekran üzerinden sıvı/gaz ölçüm menüsüne giriniz. V. Isıtıyıcı çalıştırınız. VI. Isıtıcı kademesini LCD ekran üzerinden en üst seviyeye ayarlayınız. (min. :1 max. :5) VII. VIII. IX. Sistemin kararlı hale gelmesini bekleyin. Sıcaklıklar dengeli hale geldiğinde aşağıdaki tabloya kaydedin. Deney bittikten sonra ana şalteri ve şebeke suyunu kapatınız. Isıtıcı Kapasitesi Isıtıcı Gücü (W) T1 ( o C) T2 ( o C) Debi [L/d] 1. Kademe 2. Kademe 3. Kademe 4. Kademe 5. Kademe Tablo 1. Hesaplamalarda kullanılmak üzere elde edilen deney verileri tablosu. 1) Sıvılarda ısıl iletkenlik katsayısının bulunması Tablo 1. i, test akışkanı sıvı olacak şekilde deneyi yaparak deney verileri ile doldurunuz. Her kademe için 2 numaralı formülü kullanarak karşılık gelen iletim katsayısı değerini bulunuz. Bu 5 iletim katsayısı değerinin aritmetik ortalamasını alıp Tablo 2 deki ilgili değer ile karşılaştırıp yorumlayınız. 2) Gazlarda ısıl iletkenlik katsayısının bulunması Tablo 1. i, test akışkanı gaz olacak şekilde deneyi yaparak deney verileri ile doldurunuz. Her kademe için 2 numaralı formülü kullanarak karşılık gelen iletim katsayısı değerini bulunuz. Bu 5 iletim katsayısı değerinin aritmetik ortalamasını alıp Tablo 2 deki ilgili değer ile karşılaştırıp yorumlayınız.
Tablo 2. Bazı malzemelerin ısıl iletkenlik katsayıları tablosu.