SIVI ve GAZLARIN ISI İLETİM KATSAYILARININ...

ZKÜ Mühendislik Fakültesi - Makine Mühendisliği Bölümü ISI ve TERMODİNAMİK LABORATUVARI

Sıvı ve Gazların Isı İletim Katsayılarının Ölçülmesi Deney Föyü

Mustafa Eyriboyun - ZKÜ - Mart 2007 Sayfa: 1/12

SIVI ve GAZLARIN ISI İLETİM KATSAYILARININ ÖLÇÜLMESİ

Şekil 1. Sıvı ve gazların ısı iletim katsayıları cihazı (H470) Deneyin adı : Saf suyun ısı iletim katsayısının tespit edilmesi. Amacı : Sıvı ve gazların, değişik sıcaklıklarda, ısı iletim katsayılarının nasıl

bulunduğunun görülmesi ve saf suyun ısı iletim katsayısının bulunması. Deney cihazı : ZKÜ Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Isı ve Termodinamik

laboratuvarında bulunan “Sıvı ve gazların ısı iletim katsayıları” cihazı (H470).




DİKKAT! Bu yönergeyi sonuna kadar okumadan, cihazı elektrik hattına bağlamayınız.

DENEY CİHAZININ TANITILMASI Genel:

Cihazın şeması Şekil 1’de verilmiştir. Şemadan görüldüğü gibi cihaz iki farklı birimden oluşmuştur: Test birimi ve ölçü-kontrol birimi.

Test Birimi:

Nikel kaplı pirinç malzemeden yapılmış silindirik su ceketi ve anodize alüminyumdan imal edilmiş silindirden yapılmış bir düzenektir. Su ceketinin her iki tarafında yüzey sıcaklığını ölçmek için K tipi ısıl-çiftler vardır. Silindirik alüminyum parçanın ortasında elektrikli ısıtıcı vardır. Cihazın dışında ısıtıcının elektrik bağlantısı, ısıl-çift termometrelerin bağlantısı ve su ile numune için uygun bağlantı ağızları bulunmaktadır.

Kontrol Ünitesi:

Alüminyum ve plastik kaplanmış çelik kılıflıdır. Gerilim değiştirici, voltmetre, 0.1°C çözünürlüklü sayısal sıcaklık göstergesi ve sıcaklık seçme anahtarı içerir.

Güvenlik Özelliği:

Her bir elektrikli bileşen topraklanmış olup Minyatür Devre Kesici ve Kalıntı Devre Kesici ile korunmaktadır. Isıtıcı girişi sınır değeri 100 W. Isıtıcı gerilim sınır değeri 70 V.

TANIMLAMA (Okurken Şekil 1’i dikkate alınız ayrıca son iki sayfadaki fotoğraflara bakınız.) Isı iletim katsayısı tespit edilecek akışkan, ısıtılan piston ile su soğutmalı ceket arasındaki boşluğa doldurulur. Boşluk kalınlığı (aralık), içindeki akışkanın doğal taşınımına izin vermeyecek kadar incedir ve akışkan, yüzey alanı (πdml), kalınlığı ∆r olan, içinden piston tarafından ceket tarafına ısı geçen bir levha gibi düşünülebilir. Silindirik parça (piston), ısıl ataleti azaltılmış ve farklı sıcaklık bölgeleri olmayacak şekilde işlenmiş olup, içinde, çalışma sıcaklığındaki direnci doğru bir şekilde ölçülmüş direnç içerir. Silindirik pistonda, test edilecek akışkanın giriş ve çıkış ağızları ile dış yüzeyine çok yakın yerleştirilmiş, T1 sıcaklığını ölçen ısıl-çift bulunur. Piston, radyal açıklığı kapatan fakat temizlik için kolayca çıkarılabilen bir “O”-ring vasıtasıyla su ceketi ile eşeksenli olarak yerleştirilmiştir.




Ceket, nikel kaplı pirinçten yapılmış olup, üzerinde, soğutma suyu giriş ve çıkış bağlantıları ile iç bileziğe özenle yerleştirilmiş, T2 sıcaklığını ölçen ısıl-çift bulunmaktadır. Isıl-çiftlerin yerleştirildikleri yerler ve malzemenin yüksek ısı iletim katsayısına sahip olması, ölçülen sıcaklıkların, levhanın sıcak ve soğuk yüzeylerinin sıcaklığı olarak alınmasına imkan vermektedir. Kontrol ünitesi esnek bir kablo ile test birimine bağlanmıştır. Isıtıcıya uygulanan gerilim değeri bu kablo yoluyla iletilir. Analog bir voltmetre ile belirlenen güçler uygulanabilir ve sayısal göstergeden silindir-ceket sıcaklıkları 0.1 K (°C) çözünürlükle izlenebilir. GEREKLİ DEĞERLER: Kullanılan cihaza ait değerler: Piston çapı dm = 39 mm Etkin uzunluk l = 110 mm Radyal aralık ∆r = 0.3 mm (Silindir üzerinden alınmıştır.) Nominal ısıtıcı direnci R = 55.5 ohm (Silindir üzerinden alınmıştır.) Etkin ısı geçiş alanı A=0.0133 m2 UYARI

1. Konstrüksiyonda, yalnız sıvı ve gazlar için uygun malzeme kullanılmalıdır (örneğin, pirinç, nikel kaplı pirinç, anodize alüminyum ve teflon).

2. Cihaz, ceket kısmından dakikada yaklaşık 3 litre su akıtılmadıkça çalıştırılmamalıdır.

3. Cihaz doğru bir şekilde topraklanmış olmalıdır.

4. Kullandıktan sonra daima, ceket ve silindir kısmı sökülmeli ve temizlenmelidir.

CİHAZIN ÇALIŞTIRMASI

1. Ana anahtarın off (O) konumunda olduğundan emin olun 2. Silindir ucundaki altıgen civatayı ve uçtaki başlığı çıkar.

3. Silindiri ceketin dışına doğru iterek çıkar (“O” ringin kaybolmamasına dikkat ediniz) ve

temiz olduklarından emin ol. 4. Her iki uçtaki “O” ringlerin doğru yerleştiğinden emin olarak, piston ceketi yeniden

birleştir.

5. Ceketten dakikada yaklaşık 3 litre su geçir (gerçekte değerin ne olduğu önemli değildir fakat, sağlanan suyun çok olması, cekette uygun sabit sıcaklık elde edilebilmesi için gereklidir).




6. Silindir ve ceket arasındaki radyal aralığa sıvı veya gaz numune beslemek ve havalandırma için cihazın iki ucunda bulunan bağlantı uçlarına küçük plastik hortumları bağla.

DİKKAT:

a) Sıvı doldurma (besleme) esnasında radyal aralık içinde hava cebi kalmayacak miktarda sıvı geçişinin sağlanması önemlidir. İlave olarak, su gibi düşük viskoziteli sıvılar, havalandırma hortumunun ucu silindirden yüksekte tutularak, yavaşça doldurulması zorunludur (Şekil 2). Sıvının hızlı doldurması, radyal aralıkta hava kabarcıkları kalmasına ve beklenenden daha düşük ısı iletim katsayısı değerleri bulunmasına neden olur.

b) Gaz kullanırken, boşluğun düzgün olarak süpürülmeli ve esnek hortumun iki ucu, kaçaklara önlem olarak kapatılmalıdır.

7. Anahtarı on (1) konumuna getir ve gerilim değiştirici ile elektriksel gücü yaklaşık olarak

gazlar için 40 V, sıvılar için 60 V’a ayarla. 8. Ara sıra sıcaklıkları kontrol ederek, silindir ve ceket tarafındaki sıcaklıklar kararlı hale

gelince gerilim değerini ve bu sıcaklıkları kaydet.

DİKKAT: Mafsallı anahtar (ısıl çift seçme anahtarı) sıcaklık göstergesinin altındadır. Normal konumda iken silindir sıcaklığını (T1), aşağıya bastırıp bekleyince gömlek sıcaklığını (T2) gösterir.

Şekil 2. Test ünitesi şematik şekli.




CİHAZ KAÇAK ISISININ BELİRLENMESİ Cihazı ısı iletim katsayısı belirlemede kullanmadan önce, cihaza ait kaçak ısı ya da doğrudan ölçülemeyen ısı olarak düşünülebilen ısı kayıpları belirlenmelidir. Bu ısı transferi miktarı, test edilen akışkan içinden geçmeyen bütün ısıları içerir. Bunlar;

a) Silindirden cekete, “O” ring üzerinden iletimle geçen ısı, b) Silindir ve ceketin ışınımla yaydığı ısı, c) Uçlardan olan ısı kayıplarını içerir.

Kalibrasyon: Kalibrasyon, en rahat, (ısı iletim katsayısı iyice bilinen) radyal aralıktaki hava ile yapılır.

1. Cihazı, “Cihazın Çalıştırılması” başlığı altında anlatılan şekilde ve radyal aralıkta hava olarak hazırla.

2. Gerilim değiştirici ile gerilimi 20 V’a ayarla.

3. Silindir ve ceket sıcaklıklarını gözle, kararlı hale geldiklerinde sıcaklık değerlerini ve

voltaj değerini kaydet.

4. Değişik gerilim değerleri için 3. adımda yazılanları tekrarla.

5. Gerekirse soğutma suyu debisini değiştirerek de işlemleri tekrarla. Aşağıda örnek bir işlem verilmiştir:

1

2

V, volt Silindir yüzey sıcaklığı (T , °C) Ceket yüzey sıcaklığı (T , °C)

Deneyde okunan değerler⎫⎪⎬⎪⎭

Tablo 1. Deneyde okunan değerler.

V, volt 20 20 30 40 16 10 10 24 6 T1, °C 19.5 18.3 24.4 34 14.5 13.1 13.3 18 12.9

T2, °C 13.2 11.8 11.8 12.1 11.5 11.5 12 12.2 12.1




Tablo 2. Deneyde okunan ve hesaplanan değerler. (∆T=T1-T2 sıralı olarak verilmiştir.) Deney No 1 2 3 4 5 6

V, volt 10 10 16 20 30 40 6 24 20 T1, °C 13.3 13.1 14.5 19.5 24.4 34.0 12.9 18.0 18.3 T2, °C 12.0 11.5 11.5 13.2 11.8 12.1 12.1 12.2 11.8 Tort, °C 12.65 12.30 13.00 16.35 18.10 23.05 12.50 15.10 15.05 ∆T, °C 1.3 1.6 3 6.3 12.6 21.9 0.8 5.8 6.5

k, W/m·K 0.0251 0.0251 0.0251 0.0253 0.0255 0.0258 0.0251 0.0253 0.0253q, W 1.45 1.78 3.34 7.08 14.23 25.06 0.89 6.49 7.28 qe, W 1.80 1.80 4.61 7.21 16.22 28.83 0.65 10.38 7.21 qi, W 0.36 0.02 1.27 0.13 1.99 3.77 -0.24 3.88 -0.07

Yapılış sırası 7 6 5 1 3 4 Değ

erle

ndirm

e dışı

tutu

lan

sonu

çlar

9 8 2

Tablo 3. Tablo 1’de verilen terimlerin açıklaması. İfade Açıklama Tort=(T1+T2)/2 Ortalama sıcaklık ∆T=T1 –T2 Sıcaklık farkı k Isı iletim katsayısı (Kitaplardan)

1 2( )kA T Tqr−

=∆

Hava tabakasından iletimle geçen ısı

qe=V2/R Verilen ısı (Elektriksel güç) qi=qe-q Cihaz kayıp ısısı

Örnek Hesaplamalar:

(Deney 9 için)

Ortalama hava sıcaklığı = (34.0 + 12.1) / 2 = 23.5 °C Hava için 23.5 °C’deki ısı iletim katsayısı 0.0258 W/(m·K) (Diyagramdan) Sıcaklık farkı ∆T = 34.0 – 12.1 = 21.9 °C

Hava tabakasından iletimle geçen ısı:

1 23

( ) 0.0258 0.0133 21.90.3 10

kA T Tqr −

− × ×= =

∆ ×

= 25.06 W

Elektriksel güç: 2 240

55.5eVqR

= =

= 28.83 W

Cihaz kaçak ısısı:

q = qe - qi = 28.83 - 25.06

= 3.77 W




Aynı hesaplamalar diğer deneyler için de yapılır ve sonuçlar bir grafik halinde çizilir (Şekil 3). Şekil 3, bu cihaza ait özel bir grafiktir. Aynı marka ve modelden iki cihazın eğrisi birbirinden farklı olabilir. O nedenle, oldukça zahmetli de olsa her cihaz için bu eğri çıkartılmalıdır. Herhangi bir sıvı ya da gazın ısı iletim katsayısı tespit edilirken bu grafikten okunacak olan cihaz kayıp ısıları kullanılacaktır. Grafikten okuma yerine işlem kolaylığı olması bakımından sonuçlara eğri uydurulmuş ve bu eğrinin denklemi

qi = 0.1648 · ∆T – 0.0261 olarak verilmiştir. Burada ∆T , °C olarak alınırsa sonuç W olarak çıkmaktadır.

y = 0.1648x - 0.0261R2 = 0.8526

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

0 5 10 15 20 25

Sıcaklık farkı (°C)

Cih

az k

ayıp

ısısı (

W)

Şekil 2. Cihaz kayıp ısısının, sıcaklık farkına göre değişimi.

SIVI YA DA GAZLARIN ISI İLETİM KATSAYISININ TAYİN EDİLMESİ İşlemler:

1. Cihazın kalibre edildiğinden, doğru monte edildiğinden ve temiz olduğundan emin olmalısınız. (“Cihaz Kaçak Isısının Belirlenmesi” başlığında anlatılan işlem.)

2. Cihazın Çalıştırılması başlığındaki talimata göre cihazı çalıştırın. 3. Voltajı belirli bir değere getirin. 4. Kararlı şartlar oluştuğunda sıcaklıkları ve voltajı kaydedin. 5. Bu işlemleri birkaç kez tekrar yaparak sonucun daha tutarlı çıkmasını sağlayın.

Örnek hesap: 5 Mart 2007 Pazartesi günü 15:10’da yapılan deneyde okunan değerlerle örnek işlem yapılacaktır (Deney 4). Kararlı şartlar oluştuktan sonra okunan değerler: V = 60 volt T1 = 17.8 °C T2 = 13.8 °C




Elektriksel güç:

2 26055.5e

VqR

= =

qe = 64.86 W

Sıcaklık farkı:

∆T = 17.8 – 13.8 = 4.0 °C ∆T = 4.0 °C

∆T = 4.0 °C için cihaz kayıp ısısı:

qi = 0.1648 × 4.0 – 0.0261 = 0.6331 W

Su tabakasından geçen ısı:

q = qe – qi q =64.86 – 0.6331 q = 64.2269 W

Suyun ısı iletim katsayısı:

( ) 64.2269kA Tqr∆

= =∆

3( ) 64.2269 0.3 10

( ) 0.0133 4q rkA T

−∆ × ×= =

∆ ×

k = 0.3622 W/m·K Sonuç olarak, Tort = (T1 + T2) / 2 = (17.8+13.8) / 2 = 15.8 ≅ 16 °C için suyun ısı iletim katsayısı

Tort ≅ 16 °C için

k = 0.3622 W/m·K

olarak bulunmuştur. Su için kitaplardan alınan değerlere eğri uydurulursa, 0 – 50 °C arasında geçerli olmak üzere aşağıdaki formül bulunabilir:

k = 0.0014 T + 0.5731 Bu formül ile hesap yapılırsa, 16 °C için,

k = 0.0014 × 16 + 0.5731

k = 0.5955 W/m·K

bulunur.




DEĞERLENDİRME Deneyde bulunan ve literatürden alınan değerler arasındaki % fark:

0.3622-0.5955 0.2333% 100 100 64.410.3622 0.3622

Hata −= × = × = −

%64.41Mutlak Hata =

Tablo 4. Grup III ile 5 Mart 2007 Pazartesi günü 15:10’da yapılan deneyde okunan değerlerle yapılan işlemler.

Deney No 1 2 3 4 5 V, volt 30 40 50 60 64 T1, °C 13.8 15.0 16.3 17.8 18.6 T2, °C 12.7 13.1 13.5 13.8 14.1 Tort , °C 13.25 14.05 14.90 15.80 16.35 ∆T, °C 1.1 1.9 2.8 4 4.5

qi = 0.1648 · ∆T – 0.0261

(Kalibrasyon eğrisinden) qi 0.16 0.29 0.44 0.63 0.72

qe=V2/R 16.22 28.83 45.05 64.86 73.80 q=qe-qi 16.06 28.54 44.61 64.23 73.09

k=(q∆r) / (A∆T) ∆r=0.0003 m A=0.0133 m² k (Testte bulunan) 0.3293 0.3388 0.3594 0.3622 0.3663

k = 0.0014 T + 0.5731 (Literatür değeri için) k (Literatürden) 0.5917 0.5928 0.5940 0.5952 0.5960

Hata (%) -79.64 -74.94 -65.28 -64.33 -62.68

Tort , °C k (Testte bulunan)

k (Literatürden)

13.25 0.3293 0.5917 14.05 0.3388 0.5928 14.90 0.3594 0.5940 15.80 0.3622 0.5952 16.35 0.3663 0.5960

Ortalama değerler: 14.87 0.3512 0.5939

Ortalamalarda hata değeri (15 °C için): Hata = (0.3512 - 0.5939)×100 / 0.3512 Hata = % -69.11

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

13.00 14.00 15.00 16.00 17.00

Sıcaklık, °C

Isı i

letim

kat

sayı

sı, W

/mK

k (Testte bulunan)

k (Literatürden)




Öğrenciler hazırlayacakları Deney Raporu’nda, her bir deney için ayrı ayrı ısı iletim katsayılarını hesaplamalı ve sonuçları Tablo 4’dekine benzer şekilde sunmalıdır. Raporda, elde edilen sonuçlar yorumlanacak ve hataların nedenleri üzerine her öğrenci kendi görüşünü yazacaktır. Deney Raporu kapak sayfasında bulunması gereken bilgiler: Adınız-Soyadınız, Öğrenci No.,

Grup No., Dersin Kodu,

Deney Tarihi, Deney Saati.

Her deneyin raporu, bir sonraki hafta deney saatinde getirilmelidir.




Sıvı ve gazların ısı iletim katsayısının ölçülmesi deney setine ait fotoğraflar

Kontrol ünitesi önden görünüşü.

Test ünitesinin, temizlenmek üzere sökülmüş hali.

Silindir üzerine kazılarak yazılmış, cihaza ait direnç ve radyal aralık değerleri.




Dış kovan (Soğutma suyu ceketi).

Silindir kovanda, “O” ring takılmış, kapak henüz kapatılmamış.

Test edilecek numune şırınga ile doldurulur.

SIVI ve GAZLARIN ISI İLETİM KATSAYILARININ...

Documents

Transcript of SIVI ve GAZLARIN ISI İLETİM KATSAYILARININ...