MAKİNE LABORATUVARI I ISI İLETİMİ DENEYİ Öğretim elemanı adı ve soyadı : Öğrenci adı ve soyadı : Öğrenci numarası : Grup no : Deneyin yapılış tarihi ve saati : Deney raporu teslim tarihi ve saati :
ISI İLETİMİ DENEYİ 1. GİRİŞ Endüstride ısı problemlerini çözebilmek için malzemelerin, özellikle ısıl yalıtkanların ısı iletim katsayılarının bilinmesi gerekir.(isıl sistem tasarımı, üretimi, yalıtım uygulamaları vb...) 2. DENEY 2.1. Deney düzeneği Hilton ısı geçiş ünitesi, tezgâh dayanak çerçevesine takılı iki adet elektrikle ısıtılan modülden oluşur. Birinci modül lineer geçiş değişimlerini yönetmek için, metal disk ise radyal geçiş içindir. Her iki düzeneğin üzerinde sıcaklık sensörleri vardır. Soğutma suyu, standart laboratuvar musluğundan sağlanmakta ve lineer modülün bir tarafına verilmektedir (Şekil 1 ve Şekil 2). Şekil 1. Isı İletim Deney Cihazı 2.1.1. Elektrik Konsol Isı iletim modülleri, ısıtıcının gücünü ayarlamaya imkân veren ve sensördeki sıcaklığı C olarak gösteren elektrik konsoluna bağlanabilir. Isıtıcı gücü otomatik transformatör ile kontrol edilir ve Watt-metre olarak digital şekilde verilir. Güç çıkışı 0-100 Watt arasındadır. Seçici düğmenin dokuz pozisyonu değişik sensörlerden okunan sıcaklık değişimlerini görmemizi sağlar.
2.1.2. Lineer Modül Lineer modülün iç yapısı Şekil 3, 4, ve 5-b de gösterilmiştir. Şekil 5-b de görülen ısı giriş bölümü (1) pirinçten yapılmıştır ve elektrik ısıtıcısını (2) içerir. Üç adet sıcaklık sensörü (3) çapı 25 mm. olan çalışma bölümü boyunca 10 mm. Aralıklarla yerleştirilmiştir (Şekil 2). Pirinçten yapılmış olan soğutucu (4), bir hortum (5) yardımıyla su ile soğutulur. Soğutucu kısımda sensörler 10 mm. aralıklarla yerleştirilmiştir. Isı giriş bölümü (1) ve soğutucu (4) üzerinde 10 mm. aralıkla üç adet sıcaklık sensör bulunan bir pirinç çubukla beraberce sıkıştırılır. Alternatif olarak ısı giriş bölümü (1) ve soğutucu (4) arasında başka malzemelerden yapılmış olan ara modüller de kullanılabilir. Bu ara modüllerden birincisi 30 mm. uzunluğunda ve pirinçten yapılmıştır; üzerinde sıcaklık sensörleri bulunur. İkinci ara modül (9) uzunluğu 30 mm, çapı 13 mm olup pirinçten yapılmıştır ve üzerinde sıcaklık sensörü yoktur. Bu bölüm, ısı iletim yolu boyunca sıcaklık düşüşünü gösterir. Diğer bir ara modül ise, paslanmaz çelik olup çapı bölümün ölçülerindedir, üzerinde sıcaklık sensörü yoktur. Beş bölümün bir araya gelmesi sonucu, ısı iletim bölgesi temas yüzeyleri boyunca sıkı bir temas ile kontak direnci azaltılabilirse, doğru bir ısı iletimi gözlenebilir. Yalıtım malzemesinin ısı iletimine etkisi, ince bir yalıtım malzemesini ısıtılan ve soğutulan metal bölümler arasına sokularak görülebilir. Örneğin bu yalıtım malzemesi kâğıt olabilir. Lineer modül etrafı bir muhafaza kutusu ile kaplanmıştır. Modül ile muhafaza kutusu arasında bir hava boşluğu (12) oluşturularak, lineer modülden olan ısı kaybı miktarı minimuma düşürülmüştür. Değişebilen ara malzemelerin (Şekil 4) (9, 10) etrafında da kendi muhafaza kutuları (Şekil 4) (2, 3, 4) vardır. Muhafaza kutuları yardımıyla ısı giriş ve soğutucu bölümleri
birleştirilebilir. Isı sensörleri, muhafaza kutusu üzerine konumlanmış minyatür fişlere (Şekil 5-b) (16) bağlanmışlardır. Lineer modül ile dijital sıcaklık okuyucusu arasındaki iletişim soketlere bağlanmış 9 adet sensörle kurulur. Bu yüzden sıcaklık değişimleri hızlı bir şekilde okunabilir. Fourier ısı yasasına göre ve sürekliliğin sağlanması için her birimden geçen ısı akısı eşit olmalıdır. Şekil 4 - Tanımlayıcı Diyagram b)-lineer MODÜL Şekil 5. Isı İletim Modülleri
2.2. Deneyin amacı Kompozit bir çubuk boyunca ısı iletiminin incelenerek, malzemelerin ısı iletim katsayılarının hesaplanması. 2.3. Deneyin öğrenme çıktıları Aynı boyutlarda ve aynı malzemeden yapılmış bir katı çubuk boyunca ısının doğrusal olarak nasıl iletildiğini göstermek, o Farklı malzemelerin temasının doğrusal ısı transferini nasıl etkilediğini göstermek, o Bir katı çubukta malzemenin deneysel ısı iletkenliğinin nasıl hesaplandığını göstermek 3. TEORİ Isı transferi bilimi, sistemlerin çevreleriyle yaptıkları ve içyapılarında gerçekleşen ısı geçişlerini inceler. Isı akışı ile olan enerji transferi; doğrudan ölçülemez fakat ölçülebilen bir büyüklük olan sıcaklık ile ilişkilendirildiğinde anlam kazanır. Isı geçişinin 3 temel biçimi vardır; 1- İletim (Conduction) 2- Taşınım (Convection) 3- Işınım (Radiation) Gerçekte karşılaşılan ısı geçiş olayları, her üç mekanizmanın etkin olabildiği karışık moda gerçekleşmektedir. Yapılacak olan deney, ısı iletimi ile ilgili olacaktır. Isı iletimi, ısı geçişinin bir türü olup, malzeme içerisinde oluşan sıcaklık gradyanından meydana gelmektedir. Isı iletimi, iki sıvı ya da iki gaz arasında da olabilir. Termodinamiğin ikinci kanununa göre, ısı yüksek sıcaklıkta bulunan bir bölgeden düşük sıcaklıktaki bölgeye akar. Bu durumda sıcaklık dağılımının bilinmesi önemlidir. Sıcaklık dağılımı bilindiğinde, birim zamanda birim alana düşen ısı akısı hesaplanabilir. Isı iletimi, bir ortam (katı, sıvı, gaz) içerisinde bulunan bölgeler arasında veya doğrudan doğruya fiziki temas durumunda bulunan farklı ortamlar arasında atom ve moleküllerin fark edilebilir bir yer değiştirmesi olmaksızın, doğrudan teması sonucu meydana gelen ısı yayınımı olayıdır. Isı iletiminde genel olarak ısı transferi, sıcaklığa ve sıcaklık farkına bağlıdır. Sıcaklık en genel durumda yere ve zamana göre değişir,
Oran sabiti eklendiğinde, Bu ifadede (Denklem 3) sıcaklık değişiminden sonra yeterli zamanın geçtiğini ve levha içerisinde sıcaklığın zamanla sabit kaldığını (sürekli rejim) kabul ediyoruz. Bu formül, homojen izotropik ortam için Fourier Isı İletimi Kanunu adını alır. Eğer incelediğimiz sistemde birden fazla malzeme varsa, her bir malzemenin sıcaklık gradyanı gösterilerek, ısı akısı bir boyutlu varsayım altında yazılabilir. Burada en önemli nokta, her kesitten geçen ısı akısının eşit olması gerektiğidir.
4. DENEYİN YAPILIŞI Isı iletim katsayısı ölçülecek numunenin ısıtıcı ve soğutucu arasına yerleştirilirken naylon dış kabuktaki sırtların birebir eşleşmesine dikkat edilmelidir. Ara bölüm lineer modüldeki yerine yerleştirilmeli ve beraber tespit edilmelidir. Su tüplerinden biri su kaynağına, diğeri atık su yoluna bağlanmalıdır. Lineer nakil modüllerindeki ısı kaynağı elektrik konsol güç kaynağı soketine bağlanmalıdır. Dokuz adet sensörü lineer nakil modülü üzerindeki dokuz adet fişe takın. Sol sensörü elektrik konsolunun arka tarafına, 1 numara ile işaretlenmiş fişe takın. Bu işi kalan 8 adet sensör için sıra ile soldan sağa doğru tekrarlayın. Bu sırada elektrik konsolundaki On/Off düşmesi Off konumunda olmalıdır. Musluğu açın ve su bağlantılarının doğru yapılıp yapılmadığını gözlemleyin. On/Off düğmesini On konumuna getirin. Güç düğmesini Q = 20 Watt olacak şekilde ayarlayın.
Seçici düğmeyi 1 konumuna getirin. Lineer modülün bir ucundan ısıtma işlemi başladığında sıcaklıkta artış gözlenecektir. Seçici düğmeyi 2 konumuna getirerek ve soğutucu tarafındaki sıcaklığın düştüğünü gözleyiniz. Bu işlemi dokuz sensör için tekrarlayın. Bu işlemler tamamlandıktan sonra On/Off düğmesini Off konumuna getiriniz. Not edilecek okumalar: Isıtıcı güç kontrolü için düşük bir değer seçilmeli (Örneğin 20 Watt) ve daimi rejime gelinceye kadar beklendikten sonra her bir sensördeki sıcaklık ve Wattmetredeki giriş güç, Q kaydedilmelidir. Bu prosedür giriş gücü için maksimum sınıra kadar tekrar edilmelidir. (Örneğin T=100 C). Okunan değerler Tabloya (Tablo 1) not edilmelidir. 5. RAPORUN HAZIRLANMASI Isıtıcı ve soğutucunun ısı değerleri ekstrapole edilerek dış yüzey sıcaklıkları T Hs ve Tcs belirlenir. Bu sıcaklıklar sistemin ısı transfer katsayısı U nun hesaplanması için kullanılmalıdır. Verilenler: x = 0,030 m A = 4,90625 * 10-4 m 2 Pirinç için tipik ısı iletim katsayısı kaynaklardan bulunabilir. Deney sırasında yaptığınız ölçümleri tabloya not ediniz. Kullandığınız ara modülün ısı iletim katsayısını, k s hesaplayınız. Sıcaklık gradyanını her deney testi için çiziniz. Bulduğunuz iletim katsayısını literatürdeki değerle karşılaştırarak yorumlayınız. Tablo 1. Sonuç Tablosu TABLO: Test No Q, Watt T 1, C T 2, C T 2, C T 4, C T 5, C T 6, C T 7, C T 8, C T 9, C A B C