VİSKOZİTE ÖLÇÜM DENEYİ 1. Deneyin Amacı Viskozite ile kayma gerilmesi, deformasyon oranı, sıcaklık, ve zaman gibi özellikler arasındaki ilişkileri ölçümlerle incelemektir. 2.Teorik Bilgi Viskozite bir akışkanın iç sürtünmesinin bir ölçüsüdür. Bu sürtünme bir akışkan tabakası diğer tabakaya göre hareket ettiğinde ortaya çıkar. Sürtünme artıkça, akışkanı hareket ettirmek için gerekli olan ve kayma olarak adlandırılan kuvvet artar. Akışkanın dökülmesinde, yayılmasında, püskürmesinde ve karıştırılmasında olduğu gibi fiziksel olarak hareket ederken veya dağıtılırken kayma oluşur. Viskozitesi yüksek akışkanlar düşük akışkanlara göre hareket için daha fazla kuvvet gerektirirler. Viskoziteyi Isaac Newton aşağıdaki gibi tanımlamıştır. F A yx du dy Burada, F plakalardan birine x yönünde etkiyen kuvvet (N), A plakalarının her birinin yüzey alanı (m²), τ kayma gerilmesi (N/m²), du/dy deformasyon oranı (1/s), ve μ ise orantı sabiti mutlak ( veya dinamik) viskozite dir (Pa s= kg/ms). Viskozite değişik birimlerle ifade edilebilir. Örneğin, 1 Pa s = 10 P (Poise) ve 1 mm Pa s = 1 cp(centipoise). Kayma gerilmesinin deformasyon oranı ile doğru orantılı olduğu akışkanlar Newtonien akışkan olarak adlandırılır. Kayma gerilmesinin deformasyon oranı ile doğru orantılı olmadığı akışkanlar ise Non-Newtonien akışkan olarak adlandırılır. Artan deformasyon oranı ile viskozitesi azalan akışkanlar pseudoplastik (veya kayma incelmesi) akışkan olarak adlandırılır. Pek çok non-newtonien akışkan bu gruba girer; polimer çözeltileri, kağıt hamurları gibi. Artan deformasyon oranı ile viskozitesi artan akışkanlar dialant (veya kayma kalınlaşması) olarak adlandırılır. Örnek olarak harç verilebilir. Bir akışkan eşik kayma gerilmesi aşılıncaya kadar bir katı gibi davranırsa ve kayma gerilmesi ile deformasyon oranı arasında lineer bir değişim sergilerse binghamplastik olarak adlandırılır. Örnek olarak diş macunu verilebilir. Bazı akışkanların viskoziteleri sabit kayma gerilmesi altında zamanla azalır. Bu türlü akışkanlara thixotropik akışkan denir. Bir akışkanın viskozitesi aşağıdaki şekilden görüldüğü gibi iç içe geçirilmiş iki silindirden yapılmış bir düzenekle ölçülebilir.
( R R c R c b ) 1 Kabulü yaparak 2 silindir arasındaki akış plaka akışına benzetilerek aşağıdaki formül türetilmiştir. T ( Rc Rb ) 2 3 4 R n L T b = viskozite [Pa.s] = cihazın uyguladığı tork [N.m] R c = silindirik haznenin iç yarıçapı [m] R b =Spindle ın yarıçapı [m] ω = açısal hız (rad/s) 3.Deney Malzemesi ve Techizatlar n = ω / 2π spindle ın birim zamandaki devir sayısı [1/s] L = spindle ın boyu [m] Viskozite ölçümü için kullanılan cihaza viskometre denir ve yandaki şekilde şematik olarak gösterilen Brookfield in LVDII+Pro modeli ölçüm için kullanılacaktadır. Dijital ve bilgisayar kontrollüdür. Sahip olduğu ReoCalc yazılımı ile bilgisayardan tam kontrolü yapılır ve ürün geliştirme fonksiyonları kullanılabilir. Viskozite aralığı ölçüm alınan spindle a göre değişir. a.kullanılan Spindle Çeşitleri Spindle viskometrenin akışkan ile temasının gerçekleştiği parçadır ve bir çok değişik modeli vardır. Spindleın akışkanın içindeki relatif hareketinden ortaya çıkan kuvvetlerin yol açtığı tork sayesinde, spindle geometrisi ve açısal hızı, ve kap geometrisi ile ilgili parametreler kullanılarak viskozite, kayma gerilmesi hız gradyanı hesaplanabilir. Kullanılan spindleların bilgileri ve kullanılan formüller ekte verilecektir. Viskozite aralığı için uygun spindle ve dönme hızı tercih edilmelidir. Fakat yinede uygun akışkanlar için özel geometriler hassas ölçümler için gereklidir. Ölçümlerde kullanılan silindirik ve disk tipi olmak üzere iki çeşit spindle seti vardır.
1)Disk tipi Spindle : Mevcut spindlelardan LV2 ve LV3 bu gruba girer. Tavsiye edilen 600 ml hacmindeki beher kaplarında ölçümlerin alınmasıdır. Bu çeşit spindlelar hız gradyanı, kayma gerilmesi ile ilgili parametrelere sahip olmadıklarından sadece görülür viskoziteyi ölçmeye yararlar. 2)Silindirik tip Spindle: LV1, LV4, LV2c, LV3c (LV2 ve LV3 ün silindirik karşılıkları) bu gruba girer. Görülür viskoziteden başka spindle koruma aparatı ile kullanıldığında hız gradyanı ve kayma gerilmesi hesaplanabilir. Newtonien olmayan akışkanlarda geometrilerinden dolayı bu tip spindlelar kullanılmalıdır. b.ul Adaptörü Çok düşük viskoziteli akışkanları ölçmek hassasiyet sebebi ile daha zordur. Bu yardımcı cihaz viskometrenin ölçebileceği en düşük viskoziteyi daha aşağıya çekmeye yarar.1 cp ve 10 cp arasında ölçümü mümkün kılar. Viskometreye bağlantı aparatı, su ceketi, tüp ve kendi özel spindle ından oluşur. En fazla 100 ºC de 16 ml numune ölçümü yapılabilir. c. Sabit Sıcaklık Banyosu UL adaptörünün su ceketi ile kullanılan sirkülasyonlu sıcaklık banyosu, ayrıca numune kaplarının banyoya direk daldırarak kullanılmasına olanak verir. Değişik sıcaklık aralıları için farklı viskozite değerleri ölçülebilir. 4. Deneyin Yapılışı 1. Öncelikle UL adaptörünü kullanacağımız deneylerde kullanılmak üzere numunemizden 16 ml lik miktar gereklidir. 2. Akışkan UL adaptörünün iç haznesine boşaltıldıktan sonra UL adaptörünün spindle hazneye daldırılır. Dikkat edilmesi gereken nokta spindle geometrisi etrafında daldırılırken hava kabarcıklarının oluşmamasıdır. 3. Hazne ile spindle su ceketine monte edilir ve UL sistemi viskometreye bağlanır. 4. Su ceketi ile sabit sıcak banyosu arasında bağlantılar yapılır. İstenen sıcaklık ayarlandıktan sonra ölçüm almadan önce numunenin istenilen sıcaklığa gelmesi için 30 dakika beklenir. 5. İstenilen sıcaklık, probun ölçtüğü değerden yakalandıktan sonra cihaz açılır. 6. Cihaz manuel olarak veya bilgisayardan spindle bağlanmadan önce mutlaka sıfırlanmalıdır.
7. Cihazın sıfırlanma işlemi bittikten sonra cihazın gösterdiği yüzde tork değeri en fazla % 1 olmalıdır. 8. Sıfırlama işlemi bittikten sonra cihazdan ölçüm alabilmek için spindle ve cihazın bağlantısı çok dikkatli bir biçimle yapılmalıdır. El ile viskometrenin bağlantı mili hafifte yukarı doğru ittirilip sabitlenerek spindleın somunu sıkılarak bağlantı yapılır. Çok fazla kuvvet uygulamamaya özen gösterilmelidir. 9. Spindleın cihaza montajı bittikten sonra ölçümler cihazın motoru çalıştırılarak başlanılabilir. 10. Cihazın ölçüm sırasında okunan tork değeri, dönme hızı, spindle ve UL adaptörünün geometrik bilgilerinden yola çıkılarak akışkanın viskozitesi hesaplanabilir ve değerlerin birbirine göre grafiklerinden yola çıkılarak akışkan karakteristiği hakkında bilgi sahibi olunabilir Viskometre ve sıcaklık banyosunun yardımı ile viskozitenin, akışkanın üzerine uygulanan kayma gerilmesine, sıcaklığa ve zamana karşı nasıl değiştiği gözlemlenebilir. Dikkat edilmesi gereken kullanılacak spindle ın ölçüm aralığı tablolarından cihazın gücünün %10 ve %90 ı arası değerleri almaktır.
SÜRÜKLENME KUVVETİ VE SÜRÜKLENME KATSAYILARININ HESAPLANMASI Doğada bulunan, farklı çeşitlerdeki narin saplı tahıl bitki başaklarında kılçıklı ve kılçıksız bitkiler bir deney düzeneğine koyulmuş, sürüklenme kuvvetleri hesaplanmış, rüzgârda hareketleri araştırılmıştır. Bu çalışmada makarnalık buğday (Triticum duruml.), ekmeklik buğday (Triticum aestivum L.), arpa(hordeum vulgare L.), tritikale (Triticosecale L.) bitkilerinin başakları kullanılmıştır. Şekil 4.5 teki sürüklenme kuvveti aparatı kullanılmış, aparatın içindeki kanat profili yerine farklı türden başaklar tel üzerine yerleştirilerek sürüklenme katsayıları hesaplanmıştır. Her çeşit bitkiden 3 numune kullanılmıştır. Hava hızları, düzeneğin alt kısmından Şekil 4.6 daki hız ölçer ile ölçülmüş; 13.5 m/s, 12 m/s, 11 m/s, 10 m/s, 8 m/s ve 6 m/s de farklı hava hızlarında deneyler gerçekleştirilmiştir. Şekil 4. 5 HM225.04 Sürüklenme kuvveti aparatı Şekil 4. 6 Hız ölçer Buğday bitki başağının sürüklenme katsayısı hesaplanırken aşağıdaki formül kullanılmıştır. Sürüklenme kuvveti F D ölçülerek bilinen ρ, A ve V değerleri için sürüklenme katsayısı elde edilmiştir. 1 F D = ρcdav 2 2 (4.1) Sistemin sürüklenme kuvvetini hesaplamak için aşağıdaki denklem kullanılmıştır. F I = F I (4.2) D D G G
Bu formüldeki I D, kanat ya da silindir profilinin ağırlık merkezi ile O noktasındaki pim arasındaki mesafedir. I D sabit olup 75 mm dir. I G, sistemi dengelemek için kullandığımız m kütlesi ile O noktasındaki pimle arasındaki mesafe olup, farklı türden başaklar için I G deplasmanı farklılık göstermektedir. Şekil 4.7 de dengeleme sisteminin şematik şekli verilmiştir. Şekil 4. 7 Sürüklenme kuvveti hesabı için kullanılan düzeneğin dengeleme sistemi ihmal edilmiştir. Başağın sürüklenme kuvveti hesabı için telin çok ince olmasından dolayı sürüklenme kuvveti ağırlığıdır. F G, terazi kolu üzerindeki cismi dengelemek için cetvelin arka kısmına koyulan ek kütle m nin F G =mg (4.3) Başakların ağırlıklarına göre farklı m kütleleri ile dengeleme yapmak gerekmektedir. g de yerçekimi ivmesi olup 9.81 m/s 2 olarak alınmıştır.
Celal Bayar Üniversitesi Muradiye Kampüsü nde yapılan deneylerde ortam koşulları hesaplanırken; basınç barometre ile ölçülmüş, fakültenin basıncı 762mmHg=101592Pa= 1.0026 atm olarak bulunmuştur. Ortam sıcaklığı 26 o C=299 K olarak ölçülmüştür. Havanın yoğunluğu; ρ = P / RT (4.4) denkleminden 1.184 kg/m 3 olarak hesaplanmıştır. R=287 J/kgK olarak alınmıştır.