T.C RECEP TAYYİP ERDOĞAN ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE LABORATUVARI 1 DERSİ TERMAL İLETKENLİK DENEYİ DENEY FÖYÜ Hazırlayan Arş. Gör. Hamdi KULEYİN RİZE 2018
TERMAL İLETKENLİK DENEYİ A) ŞEMATİK RESİM VE DENEY SETİ ELEMANLARI B) TERMAL İLETKENLİK BÖLGESİ KESİT RESMİ
C) DENEYİN AMACI Radyal kesite sahip termal iletim bölgesi boyunca akışkanın ısı iletimini incelemek ve incelenen akışkanın ısı iletim katsayısını belirlemektedir. D) GENEL BİLGİLER Enerji kavramı termodinamikte bir sistemin konumunu belirlemek için kullanılır, bilindiği üzere enerji yoktan var edilemez veya yok edilemez ancak bir formdan diğer bir forma geçebilir. Termodinamik bilimi ısı ve enerjinin formları ile ilgilenirken, ısı transferi bilimi ise, sistem içinde yer alan ısı geçişi ile ilgilenir. Isı akışı ile olan enerji transferi doğrudan ölçülmez fakat ölçülebilen bir büyüklük olan sıcaklık ile ilişkilendirildiğinde anlam kazanır. Bir sistemde sıcaklık farkı olduğunda, ısı yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru akar. Sistem içinde bir sıcaklık farkı oluştuğunda bir ısı akışı söz konusu olduğundan, sistemin sıcaklık dağılımının bilinmesi önem kazanır. Sıcaklık dağılımı bilindiğinde, birim zamanda birim alana düşen ısı akısı hesaplanabilir. Isı geçişinin üç ana formu vardır; iletim, taşınım ve ışınım. Yapılacak olan deney ısı iletimi ile ilişkili olduğuna göre burada sadece iletimden bahsedilecektir. Isı iletimi; bir katı malzeme veya durgun akışkan içerisindeki sıcak bir bölgeden daha soğuk bir bölgeye doğru ısının geçmesidir. Bir katı cisim içinde sıcaklık farkları varsa yüksek sıcaklık bölgesinden düşük sıcaklık bölgesine ısı, iletim yolu ile geçer. İletimle ısı geçişi deneysel gözlemlere dayanan Fourier kanunu ile belirlenir. Fourier kanununa göre herhangi bir yönde (örneğin x yönünde) geçen ısı miktarı, x yönündeki sıcaklık gradyanı (sıcaklık değişim miktarı) dt/dx ve ısı geçiş yönüne dik alan A ile orantılıdır. Fourier kanununun matematiksel ifadesi Q = k. A. dt dx [W] şeklindedir. Burada; Qx, x yönünde ve bu x yönüne dik A alanı üzerinden geçen ısı miktarıdır. Orantı sabiti k, ısı iletim katsayısı olarak adlandırılır ve maddenin bir özeliğidir. Eşitlik (1) deki (-) işareti ısı geçiş yönünü belirler. Şekil 1a da görüldüğü gibi eğer sıcaklık x yönünde azalıyorsa dt/dx negatiftir ve ısı geçişi pozitif x yönünde olmalıdır. Şekil 1b de görüldüğü gibi eğer dt/dx pozitifse Qx negatif olur ve bu durumda da ısı akışı negatif x yönündedir.
Şekil 1. Sıcaklığın değişimine bağlı olarak ısı geçişi x yönündeki sıcaklık değişimi ise; dt dx = lim T x 0 x şeklinde tanımlanır. Örneğin Şekil 2 deki homojen ve izotropik silindir için; T1>T2 olması durumunda x yönünde A alanından geçen ısı Fourier ısı iletim kanununa göre; şeklinde ifade edilebilir. Burada; k, malzemenin ısı iletim katsayısı olup SI birim sistemindeki birimi W/mK'dir. Isı iletim katsayısı, bir malzemenin fiziksel ve kimyasal yapısına bağlı olarak o malzemenin ısıyı ne kadar ilettiğinin ifadesidir. değeri ne kadar küçükse o malzeme ısıyı o kadar az iletir. 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 Qiletim,silindir=sabit olmalıdır. İç yarıçapı r1, dış yarıçapı r2, 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 = ka dt dr [W] 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(r1)=T1 in olduğu r=r1 den, T(r2)=T2 nin olduğu r=r2 ye kadar integre edilirse, r 2 Q iletim,silindir dr = kdt r=r 1 A T 2 T=T 1 bulunur. A=2πrL yerine koyulur ve integraller alınırsa, Qiletim,silindir=sabit olduğu için, Q iletim,silindir = 2ᴨLk T 1 T 2 ln(r 2 /r 1 ) Burada ; Q : Isıtıcı yükü (W) [W] olarak elde edilir.
L: Test sıvısının içinde bulunduğu malzemenin uzunluğu (m) (0,12 m) k: Isı iletim katsayısı (W/mK) r2: Test sıvısı dış çapı (48,5 mm) r1: Test sıvısı iç çapı (45,5 mm) T1: Test sıvısı iç sıcaklığı (ºC) T2: Test sıvısı dış sıcaklığı (ºC) a) DENEY b) Şekil 1. a) Akışkanların termal iletkenlik değerini belirleme deney düzeneği, b) 1 boyutlu radyal ısı geçişi, silindirik katman.
DENEYİN ADI: Sıvılarda ısıl iletkenlik katsayısının bulunması DENEYİN YAPILIŞI: 1. Test sıvısını enjektör yardımıyla sistemde hava kalmayacak şekilde enjekte ediniz. 2. Su giriş hattını şebekeye bağlayın ve vanayı açınız 3. Ana şalteri açın, 4. Kontrol paneli üzerinden anahtarı sıvı haznesi kısmına çevirin. 5. Isıtıcıyı çalıştırınız. 6. Kontrol paneli üzerimden ısıtıcı seviyesini istenilen değere ayarlayınız. 7. Sistemin kararlı hale gelmesini bekleyin. 8. Sıcaklıklar dengeli hale geldiğinde aşağıdaki tabloya kaydedin. 9. Ana şalteri ve şebeke suyunu kapatınız. (NOT: Diğer deneye geçerken kontrol paneli üzerinden ısıtıcıyı durdurunuz. Eğer durdurmaz iseniz, yapacağınız diğer deneyde ısıtıcı çalışmayacaktır.) NOT: Yapılan deneylerde alınan sonuçlara; ortam şartları, kullanılan suyun sıcaklığı gibi dış faktörler etki etmektedir. NOT: Isıtıcı 0.8 L/d seviyesi altına düştüğü anda rezistans devreden çıkmaktadır. DENEY SAYISI 1 Deney 2 Deney 3 Deney 4 Deney 5 Deney Isıtıcı Yükü (W) T1 (ºC) T2 (ºC) Debi [L/d] HESAPLAMALAR
Radyal (silindirik) koordinatlarda ısı geçişi; k = Q ln(r 2 /r 1 ) (T 1 T 2 )2πL Tablo 1: Seçilmiş malzemelerin ısıl iletkenlikleri Normal Şartlarda Malzeme ( 298 K, 24,85 o C) Tipik ısıl iletkenlik (k) W/mK Saf alüminyum 205-237 Metal malzeme Gaz Alüminyum alaşımı (6082) 170 Pirinç (CZ 121 tipi) 123 Pirinç (%63 bakır) 125 Pirinç (%70 bakır) 109-121 Saf bakır 353-386 Bakır (C101 tipi) 388 Hafif çelik 50 Paslanmaz çelik 16 Hava 0,0234 Hidrojen 0,172 Azot 0,0253 Asbestos 0,28 Diğerleri Cam 0,8 Su 0,6 Ağaç(yumuşak yada sert ağaç) 0,07-0,2 E) DENEY RAPORU
Deney raporunda bir kapak sayfası olmalıdır. Bu kapak sayfasına ad, soyad, okul numarası, deney sorumlusu ve deney ismi yazmalıdır. Deney raporu aşağıdaki başlıkları içermelidir. a) Giriş: Deney sistemi, deneyin amacı ve termal iletkenlik katsayısı konusunda kısaca bilgi verilmelidir. Ayrıca radyal koordinatlarda termal iletkenlik katsayısının belirlenmesi için kullanılan formülasyonun nasıl elde edildiği açıklanmalıdır. b) Ölçümler: Deneyin yapılışı kısaca açıklanmalı ve ölçülen değerler tablo halinde verilmelidir. c) Hesaplamalar ve değerlendirmeler: Burada ölçülen değerler kullanılarak deneylere göre gerekli hesaplamalar yapılmalıdır. Burada Isıtıcı Gücü (W)- T1 Sıcaklığı ve Isıtıcı Gücü (M)- T2 Sıcaklığı Değişimleri Grafiksel olarak incelenmeli Isıtıcı Gücü (W)- Termal İletim Katsayısı (k) arasındaki ilişki grafiksel olarak incelenmeli d) Sonuçlar ve yorumlamalar. Burada deneyler ve hesaplamalar ile ilgili yorumlar yapılmalıdır