5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye VAKUM KORUMALI SICAK PLAKA CİHAZI İMALATI VE ÇALIŞMA ÖZELLİKLERİNİN DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ MANUFACTURE OF VACUUM GUARDED HOT PLATE APPARATUS AND EXPERIMENTAL INVESTIGATE OF WORKING CHARACTERISTICS Emrah DENİZ a, * Abdulcelil BUĞUTEKİN b, Ahmet Korhan BİNARK c a, * Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye, E-posta: emrahdeniz67@hotmail.com b Adıyaman Üniversitesi, M.Y.O., Adıyaman, Türkiye, E-posta: abugutekin@adiyaman.edu.tr c Marmara Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, İstanbul, Türkiye, E-posta: akorhan@marmara.edu.tr Özet Vakum ortamı, ısı iletiminin en az olduğu ortam olarak bilinmektedir. Benzer bir yaklaşımla, yalıtım özelliğine sahip malzemelerin bünyelerinde bulunan havanın vakumlanarak kullanılabilmesi halinde bu malzemelerin ısı iletim katsayılarında önemli ölçüde düşüş sağlanabilecektir. Bu yapıya sahip malzemelere vakumlu yalıtım panelleri (VYP) adı verilmektedir. Bu çalışmada, literatürde VYP i konulu çalışmalardaki ısı iletim katsayısı ölçümlerinde ve ASTM C 1484 01 standardında özellikle korumalı sıcak plaka cihazının kullanılması ve referans ölçüm metodu olarak gösterilmesinden dolayı ASTM C 177 04 ve ISO 8302 standartlarına göre çift numunenin ısı iletim katsayısını ölçebilecek yapıya sahip bir vakum korumalı sıcak plaka cihazı (VGHP) tasarlanmış ve imal edilmiştir. İmalatı tamamlanan ölçüm cihazı literatürde yapılan benzer çalışmalarda kullanılan yalıtım malzemeleri kullanılarak denenmiştir. Hazırlanan ölçüm sistemi vakum ortamında denenme fırsatı bulunamamış malzemelerin ısı iletim katsayılarının ölçümlerinde kullanılabilme özelliğine sahiptir. Deneyler sırasında, özellikle cam yünü üzerinde durularak farklı vakum seviyelerinde ısı iletim katsayısı değerleri belirlenmiş ve grafikler halinde verilmiştir. conditions. Especially the glass wool is tested under various vacuum levels in the experiments and the heat transfer coefficients were presented as graphs. Keywords: Vacuum Insulation Panel, Thermal Conductivity, Measurement Apparatus. 1. Giriş Genel olarak, günümüzde kullanılan geleneksel yalıtım malzemelerinde yalıtımı sağlayan havadır. Dolayısıyla, yalıtım malzemesinin performansı, havanın ısı iletim katsayısı olan 25 mw/mk değeri ile sınırlıdır [1]. Yalıtım malzemelerinde daha düşük seviyelerde ısı iletim katsayılarına ulaşılması, malzeme bünyesinde yer alan gözeneklerdeki gazın boşaltılması ile mümkün olabilmektedir. Bu yöntemle üretilen malzemelere VYP adı verilmektedir. VYP ler geleneksel yalıtım malzemelerinden yaklaşık on kat daha düşük ısı iletim katsayısı değerine sahip olabildikleri için cazip bir araştırma alanı haline gelmiştir. Şekil 1 de geleneksel bir yalıtım malzemesi ve VYP görülmektedir. Son yıllarda VYP ler üzerine yapılan çalışmalarda iç dolgu malzemeleri ön plana çıkmaktadır. Anahtar Kelimeler: Vakumlu Yalıtım Paneli, Isı İletim Katsayısı, Ölçüm Cihazı. Abstract Vacuum environment is known as the environment with the lowest heat transfer rate. With a similar approach, heat transfer rate of the materials with insulation properties can be significantly lowered by evacuating the air inside these materials. The materials having such a structure are known as Vacuum Insulation Panels (VIP). Because the Vacuum Guarded Hot Plate (VGHP) Apparatus is used and referenced in the literature and the ASTM C 1484-01 Standard as the measurement method for the measurements of the heat transfer coefficient of VIPs, a VGHP apparatus which can measure the heat transfer coefficient of dual sample according to the ASTM C 177-04 and ISO 8302 Standards was designed and produced in this study. This apparatus was tested with the insulation materials that have already been tested in the literature. This apparatus provides the opportunity to measure the heat transfer coefficients of the materials under vacuum which haven't been tested under vacuum Şekil 1. Geleneksel Bir Yalıtım Malzemesi ve Vakumlu Yalıtım Paneli [2]. VYP iç dolgu malzemeleri konusunda çalışmalar yapılabilmesinin ön şartlarından birisi ve en önemlisi kullanılan malzemelerin hem atmosferik şartlarda hem de farklı seviyelerdeki vakum şartlarında ısı iletim katsayılarının belirlenebilmesidir. Bu ön şartın yerine getirilebilmesi amacıyla standardlarda belirtilen kurallar ve çeşitli çalışma grupları tarafından imal edilmiş cihazlar örnek alınarak bir VGHP cihazı tasarlanarak imal edilmiştir. İmal edilen cihazın literatürde benzer amaçlarla kullanılan cihazlar ile test edilen malzemeler tekrar test edilerek güvenilir sonuçlar elde edileceği gösterilmiştir. 2. Genel IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
Literatürde VYP lerin ısı iletim katsayılarının belirlenmesine yönelik çeşitli yapı ve özelliklerde cihazlar geliştirilmiştir. Zweig ve arkadaşlarının çalışmasında VYP lerin ısı iletim katsayılarını ölçebilmek amacıyla Şekil 2 de gösterilen vakum korumalı ısı iletim katsayısı ölçüm cihazı geliştirilmiştir. Bu cihaz 10 K ile 300 K sıcaklık aralığı ve 10-2 ile 10-8 torr vakum aralığında ölçüm yapabilme kapasitesine sahiptir ve çeşitli yalıtım malzemeleri kullanılarak kalibre edilmiştir [3]. 280 mm çapında malzemelerin ısı iletim katsayılarını belirlemek amacıyla kullanılabilmektedir [4]. Kanada Ulusal Araştırma Kurulu nun (NRC) Yapı Araştırma Enstitüsü (IRC), açık gözenekli yalıtım malzemelerinin 1 Pa'dan 100000 Pa'ya kadar farklı basınç seviyelerindeki ısı iletim karakteristiğini incelemek üzere, bir VGHP cihazı geliştirmiştir. Geliştirilen cihaz Şekil 3 de gösterilmiştir. 1. Sıcak Plaka 2. Soğuk Plaka 3. Isı Ölçer 4. Kenar Destek Sütunu 5. Işınım Muhafazası 6. Montaj Destek Sütunu 7. Dış Koruma 8. Vakum Hacmi 9. Hidrolik Silindir 10. Soğutma Kafası Şekil 2. Zweig ve Arkadaşlarının Geliştirdiği Vakumlu Isı İletim Katsayısı Ölçüm Cihazı [3]. Şekil 3 deki VGHP kullanılarak, geleneksel mineral oksit fiber plakalar ve yüksek yoğunluklu fiber plakaları, kolay temin edilebilen geleneksel yalıtım malzemelerini ve VIP üretim maliyetlerini gözle görülür ölçüde düşürebilecek ucuz dolgu malzemeleri kullanılarak geliştirilen yalıtım malzemelerinin ısı iletim katsayıları ölçülmüştür [2]. Şekil 3. NRC-IRC nın VGHP Cihazı [2] Heineman VYP lerin ısı iletim katsayılarını belirlemek amacıyla Şekil 4 te gösterilen VGHP cihazını kullanmıştır. Bu cihaz -200 ile 400 C sıcaklık aralığında, 1000 mbar-10-5 mbar basınç aralığı ve 1 mm ile 28 mm kalınlıklarında 1. Vakum Ortamı 5. Yalıtım 8. Seramik Destekler Numuneleri 2. Isıtıcı Plaka 6. Isı Yutucular 9. Sabitleme Çubuğu 3 ve 4. Soğutucu Plaka 7. Yalıtım 10. Kalınlık Ölçüm Sensörü Şekil 4. Heineman ın Kullandığı VGHP Cihazı [4]. 3. Hazırlanan Deney Cihazı Yapılan çalışmada, VYP lerin ısı iletim katsayılarını ölçebilmek amacıyla, VGHP cihazı tasarlanarak imal edilmiştir. İmalatı yapılan cihaz literatürde benzer amaçlar ile hazırlanarak test edilmiş cihazlarla aynı şartlarda denenmiş ve bu cihazlarla uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Yapılan çalışmada, literatürde VYP konulu çalışmalarda ısı iletim katsayısı ölçümlerinde ve ASTM C 1484 01 standardında özellikle korumalı sıcak plaka cihazının kullanılması ve referans ölçüm metodu olarak gösterilmesinden dolayı ASTM C 177 04 ve ISO 8302 standardlarına göre çift numunenin ısı iletim katsayısını ölçebilecek yapıya sahip bir ısı iletim katsayısı ölçüm cihazı tasarlanmış ve imal edilmiştir [5-7]. Hazırlanan VGHP cihazı Şekil 5 de gösterilmiştir. İmalatı tamamlanan ısı iletim katsayısı ölçüm cihazı 200 mm x 200 mm boyutlarında 1 mm-50 mm kalınlığındaki malzemelerin ısı iletim katsayılarını ölçebilecek yapıya sahiptir. Sistem çift numune esasına göre çalışmaktadır. Sistemin çalışması esnasında numunelerin kalınlıkları, ısıtıcı levhanın gücü, ısıtıcı ve soğutucu levhaların yüzey sıcaklıkları, ısıtıcı ve soğutucu levhaların yüzey sıcaklık farkları ve vakum hacminde oluşturulan vakum seviyesinin ölçülmesi işlemleri toplam %0.3 hata ile yapılmaktadır. Ölçüm sistemini oluşturan bütün elemanlar TSE Kalibrasyon İşleri Müdürlüğü tarafından kalibre edilmiştir. Yapılacak olan her türlü ölçüm Advantech marka Adam 4018 ve Adam 4019+ model veri alış veriş kartları yardımıyla bilgisayara aktarılarak gerekli işlemlere tabi tutulmaktadır.
4. Güvenilirlik Testleri Kaganer tarafından yapılan çalışmalarda bazı dolgu malzemelerinin vakum şartlarında yoğunlukları arttırıldığında ısı iletimlerinde gözle görülür oranda iyileşme olduğu belirlenmiştir. Şekil 8 de Kaganer tarafından yapılan çalışmalar sonucunda elde edilen sonuçlara yer verilmiştir. 1. Vakum Ortamı 5. Kontrol Paneli 8. Bilgisayar 2. Vakum Pompası 6. Soğutma Sistemi 9. Vakum Sensörü 3 ve 4. Dolaşım Pompaları 7. Soğutucu Akışkan Deposu 10. Kalınlık Ölçüm Sensörü Şekil 5. Tasarlanarak İmal Edilen VGHP Cihazı VGHP cihazında hassas ölçümler sağlayabilmek amacıyla sıcaklık ölçümlerinde nikel krom-nikel (K tipi) ısıl çiftler kullanılmış ve ısıl çiftler ile iki yüzey arasındaki sıcaklık farkını belirlemek için termopil devresi oluşturulmuştur. Böylelikle kullanılan ısıl çiftlerin hassasiyetleri de önemli ölçüde arttırılmıştır. Hazırlanan termopil devresi şematik olarak Şekil 6 da gösterilmiştir. Şekil 8. Çeşitli Yoğunluklardaki Örneklerin Vakum Şartlarında Isı İletimlerinin Değişimi (1=Aerojel, 2=Genleştirilmiş Perlit, 3=Mipora, 4=Cam Yünü [9]. Şekil 6. Deneylerde Kullanılan Termopil Devresinin Şematik Gösterimi [8]. VGHP cihazının hassas çalışmasını sağlayacak bir diğer unsur ise, ASTM 518 04 de belirtilen soğutucu yüzey geometrisine uygun olarak hazırlanan soğutucu levhalarda dolaşacak olan soğutucu akışkanın istenen sıcaklıklarda sabit ayarlanabilmesi ve buna bağlı olarak soğutucu levha yüzey sıcaklıklarının sabit değerlerde tutulabilmesidir. Soğutma sisteminde istenen sabit sıcaklık değerlerini sağlayabilmek için Şekil 7 de devre şeması verilen termostat imal edilmiştir. Şekil 8 de görüldüğü gibi malzeme yoğunluğu yaklaşık olarak 200 kg/m 3 olduğunda ısı iletim katsayısı minimum değere ulaşmaktadır. Malzemenin yoğunluğunun artmasıyla ışınım yoluyla meydana gelen ısı iletimi büyük ölçüde azalmaktadır. Malzeme yoğunluğu yaklaşık 200 kg/m 3 değerinin üzerine çıktığında ise malzemeyi oluşturan katı aracılığıyla meydana gelen ısı iletim miktarı büyük ölçüde artmakta ve bu durum toplam ısı iletiminin artmasına neden olmaktadır. Şekil 9 da geleneksel yalıtım malzemeleri (mineral oksit ve yüksek yoğunluklu cam yünü) için NRC-IRC nın VGHP cihazı kullanılarak elde edilmiş test sonuçları verilmiştir. Test sonuçlarında özellikle yüksek yoğunluklu cam yünü için deney sonuçları, Kaganer tarafından belirtilen sonuçları desteklemektedir. Şekil 7. Soğutma Sisteminde Kullanılan Termostat Devresi.
Şekil 9. Geleneksel Yalıtım Malzemeleri İçin NRC-IRC nın VGHP Cihazının Test Sonuçları [2]. Tarafımızdan tasarım ve imalatı tamamlanan VGHP cihazının tüm bileşenleri ile birlikte ölçümlerin doğruluğunu desteklemek amacıyla öncelikle alışılagelmiş yalıtım malzemeleri atmosferik basınç şartlarında denenmiştir. Atmosferik basınç şartlarında geleneksel yalıtım malzemeleri için üretici firmalar tarafından beyan edilen ve tarafımızdan yapılan deneylerden elde edilen sonuçlar Tablo IV.2 de verilmiştir. Şekil 11. Cam Yününün SEM Görüntüsü ve Fiberlerin Çaplarının Gösterimi. Hazırlanan VGHP cihazı kullanılarak 50 kg/m 3 yoğunluktaki cam yünü için yapılan testlerden elde edilen sonuçlar ile NRC-IRC nin aynı vakum seviyelerine denk gelen yaklaşık ısı iletim katsayısı değerleri Şekil 12 de gösterilmiştir. Çizelge 1. VGHP Cihazı ile Isı İletim Katsayıları Ölçülen Geleneksel Yalıtım Malzemeleri ve Elde Edilen Sonuçlar Malzeme Beyan Edilen Isı İletim Katsayısı (W/mK) Ölçülen Isı İletim Katsayısı (W/mK) Cam Köpüğü 0.045 0.04565 ±%0.3 XPS 0.028 0.03051 ±%0.3 EPS 0.035 0.03591 ±%0.3 Güvenilirlik testlerinin ikinci aşamasında, Kaganer ve NRC- IRC tarafından kullanılan malzeme olan cam yünü aynı şartlar altında test edilmiştir. Deneylerde kullanılan cam yününün taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri Şekil 10 ve Şekil 11 de verilmiştir. Şekil 10 ve Şekil 11 deki SEM görüntüleri deneylerde kullanılan cam yününün çeşitli çap ve yapılardaki liflerden oluştuğunu göstermektedir. Şekil 12. NRC-IRC nın VGHP Cihazı ve İmal Edilen Cihazda Cam Yününe Ait Isı İletim Katsayıları. 5. Sonuç ve Öneriler VYP lerin ısı iletim katsayılarının ölçülmesi amacıyla tasarlanarak imal edilen VGHP cihazı öncelikle, geleneksel yalıtım malzemeleri kullanılarak, atmosferik basınç şartları altında test edilmiş ve üretici firmalar tarafından beyan edilen ısı iletim katsayısı değerlerine ulaşılmıştır. Güvenilirlik testlerinin ikinci aşamasında ise, cam yünü farklı vakum şartlarında denenmiş ve literatürdeki değerler ile uyumlu sonuçlara ulaşılmıştır. Hazırlanan cihaz VYP iç dolgu malzemesi araştırmalarında malzemelerin hem atmosferik basınç şartlarında hem de çeşitli vakum şartları altında ısı iletim katsayılarının ölçülmesi amacıyla güvenilir bir biçimde kullanılabilecektir. Kaynaklar Şekil 10. Cam Yününün SEM Görüntüsü. [1] Deniz, E., Binark, A. K., Vakumlu Yalıtım Panelleri, VII. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu (UTES 2008), Sayfa: 761-768, 17-19 Aralık 2008, İstanbul.
[2] Mukhopadhyaya P.: High Performance Vacuum Insulation Panel Research Update From Canada, Global Insulation Magazine, (2006), 9-15. [3] Zweig, J.L.; Boroski, W.N.; Hart, F.R.: Overview Of A Test Facility Designed To Guide Innovations In The Development of Advenced Thermal Insulation Materials and Systems, Cryogenics, ICEC 15 Proceedings, 34 (1994) 465-468. [4] Heineman, U.: Influece of Water on The Total Heat Transfer in Evacuated Insulations, 7th International Vacuum Insulation Symposium, Empa, Duebendorf / Zurich, Switzerland, September, (2005) 28-29,. [5] ASTM C 1484-01.: Standard Specification for Vacuum Insulation Panels, The Standard Society for Testing and Materials, USA, (2005). [6] ASTM C 177 04 Standard Test Method for Steady- State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded- Hot-Plate Apparatus, USA, (2004). [7] ISO 8302.: Thermal Insulation-Determination of Steady-State Thermal Resistance and Related Properties-Guarded Hot Plate Apparatus, ISO, (1991). [8] Binark, A.K.; Uslu, A.: Sıcaklık Ölçümlerinde Termopil Uygulamaları, 3. Soğutma ve İklimlendirme Kongresi, Adana, Türkiye, Mayıs, (1994) 245-254. [9] M. G. Kaganer, Thermal Insulation in Cryogenic Engineering, Mashinostroenie, (1966), 8-31. Deniz, E., Buğutekin, A. ve Binark, A. K.