MAKİNE LABORATUVARI II

T.C.

İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ -CERRAHPAŞA MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

MAKİNE LABORATUVARI II

DENEYLER

1. TEK KADEMELİ MEKANİK BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA ÇEVRİMİNİN LOG P-H DİYAGRAMI ÜZERİNDEN ANALİZİ 2. BORU BASINÇ KAYIPLARI

3. ÇEKME DENEYİ 4. ISI İLETİMİ DENEYİ

5. SERİ/PARALEL SANTRİFÜJ POMPA DENEYİ

6. TERMOELEMAN - DOĞAL VE ZORLANMIŞ ISI TAŞINIMI 7. VİDA VERİMİNİN BELİRLENMESİ

8. MEKANİK TİTREŞİMLER

2020-2021/BAHAR

DENEY RAPORLARININ HAZIRLANMASINDA UYULMASI GEREKEN GENEL KURALLAR

1. A4 boyutunda çizgisiz kağıt kullanılacaktır.

2. Kağıdın sol, üst ve alt taraflarından 3’er cm ve sağ tarafından 2 cm kenar boşluğu bırakılacaktır.

3. Deney raporları mavi tükenmez kalem kullanılarak, okunaklı biçimde el ile yazılacaktır.

4. Cümleler kısa ve imla kurallarına uygun olmalıdır.

5. Ana başlıklardan sonra en fazla iki alt başlık kullanılacaktır.

Örnek: 1. Ana başlık

1.1 Alt Başlık 1

1.1.1 Alt Alt Başlık 1 1.1.2 Alt Alt Başlık 2

6. Tablolar ve/veya Şekiller sayfanın başında veya sonunda, sayfaya ortalanmış biçimde yer almalı, metin arasında olmamalıdır.

7. Tablo başlıkları tablo üzerinde, şekil başlıkları ise şeklin altında numaralandırılarak yazılmalıdır.

Şekil 1. Kuvvet-Zaman eğrisi 8. Tablo ve/veya Şekiller ile ilgili hesaplamalar uygun ofis programları (Word, Excel,

MATLAB, vb.) kullanılarak hazırlanacaktır.

9. Denklemler uygun ofis programı (MS equation editor, MathType, MathCad, vb.) ile yazılmalıdır.

10.Raporun hazırlanması sırasında kullanılan kaynakların yazımı aşağıda verilen biçime uygun olmalıdır.

a. Kaynaklar makale içerisinde atıf sırasına göre köşeli parantez içerisinde [1]

şeklinde numaralandırılmalıdır. Kaynaklar bölümü bu sıra ile yazılmalıdır.

b. Yararlanılan eserler kaynaklarda gösterilirken aşağıdaki örneklere uygun olarak yazılmalıdır.

Yararlanılan eser bir makale ise;

Arslan Y, Tan MB, 1997, Kas kuvvetlerinin sonlu elemanlar yöntemi ile analizi, Makine Mühendisliği Dergisi, 21, 1257-1260.

Bildiri ise;

Arslan Y, Ran NH, 1968, Kas kuvvetlerinin optimizasyon ile analizi, 15. Makine Mühendisliği Kongresi, Eskişehir, Türkiye, 1257-1260.

Kitap ise;

Tablo 1. Deney verileri.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 5 10 15 20 25 30

Hareket süresi (ms)

Kuvvet (N)

Yeni metod ile kestirilen F_SOL Yeni metod ile kestirilen F_MG Klasik metod ile kestirilen F_SOL Klasik metod ile kestirilen F_MG Gerçek F_SOL Gerçek F_MG

İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ-CERRAHPAŞA T.C.

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

MAKİNE LABORATUVARI II DENEY NO: 1

TEK KADEMELİ MEKANİK BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA ÇEVRİMİNİN LOG P-H DİYAGRAMI ÜZERİNDEN ANALİZİ

Öğretim elemanı adı ve soyadı : Öğrenci adı ve soyadı :

Öğrenci numarası :

Grup no :

Deneyin yapılış tarihi ve saati :

Deney raporu teslim tarihi ve saati :

TEK KADEMELİ MEKANİK BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA ÇEVRİMİNİN LOG P-H DİYAGRAMI ÜZERİNDEN ANALİZİ

1. Giriş

Tek kademeli buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma sistemlerinde ortam sıcaklığının istenilen düzeyde tutulabilmesi için soğutucu akışkana dışarıdan bir iş verilmesi gerektiği hatırlanırsa, soğutucu akışkana verilen işin ne kadarının ortam sıcaklığını istenilen düzeyde tutulabilmesi için harcandığı bilinmelidir.

Bir soğutma sisteminin, soğutulmakta olan hacim veya hacimlerden transfer ettiği ısı miktarına sistem kapasitesi veya soğutma yükü denir. Sistem kapasitesi kW (kJ/sn), Kcal/h veya BTU/h birimleri cinsinden ifade edilir. Gerçek kapasite değerlerinin, TS EN 814’ e göre T1 şartlarında test edilip belgelendirilmesi gerekir.

2. Deney

2.1. Deney düzeneği

S-805 Saydam Soğutma Eğitim Seti Şeması

kompresör

Saydam kondenser Saydam evaporatör

Sıvı deposu Filtre-kurutucu Kılcal boru

Teknik Özellikler

MALZEMENİN ADI TANIMI

Kompresör Embraco EM30HHR

Kondenser 10x6,5 mm-3,5 m pnömatik hortum

Kondenser fanı Sarex radyal fan 24cm

Evaporatör 10x6,5 mm-3,5 m pnömatik hortum

Evaporatör fanı Sarex radyal fan 24cm

Kılcal boru 800 mmx2,05mm

Filtre-kurutucu 20 gram, silikagel

Sıvı deposu 20x165 mm bakır boru

Basınç göstergeleri Gömme tip REFCO Sıcaklık göstergesi ESM 3710

Sıcaklık duyargaları PTC dişli tip, 4 adet

2.2. Deneyin amacı

Basınç ve sıcaklık değerlerini soğutma sistemi üzerinden elde ederek, tek kademeli mekanik buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine ait logP-h diyagramını çizmek ve sonuçlarını yorumlamak.

2.3. Deneyin öğrenme çıktıları

Öğrenciler, çalışan bir soğutma sistemi üzerinden veri elde edip, bu verileri hesap ve yazılım kullanarak yorumlama becerisi kazanacaklardır. Sistemi enerji verimliliği açısından analiz edebilme yeteneği elde etmeleri beklenmektedir.

3. Teori

3.1. Log P-h diyagramı

Diyagramda soğutucu akışkan, kondenser çıkışında (3) noktasında doyma doymuş sıvı, evaporatör çıkışında (1) noktasında ise doymuş buhar halindedir. İdeal bir soğutma çevrimi bu diyagramdaki gibi çalışmaktadır. Fakat, uygulamada dış havanın ve soğutulan hacmin sıcaklığının değişken olması diyagramdaki doyma eğrilerinden sapmalara neden olmaktadır.

Soğutulan hacim, sürekli olarak yüksek ısı kaynağı çevre havasının ve diğer ısı kaynaklarının etkisi altındadır. Soğutulacak hacimdeki ısı kazançlarına göre soğutma yükü belirlenip, bu

ısının soğutulan hacimden uzaklaştırılabilmesi için, yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarına göre evaporatörde birim zamanda dolaştırılacak akışkan miktarını belirlemek gerekecektir.

Soğutma yükü, ısı kazançları hesaplanıp bulunduğuna göre, sistemin doymuş buhar halindeki özgül entalpisi ve sıvı halindeki entalpisi termodinamik tablodan bulunarak, aşağıdaki eşitlik yardımıyla sistemde dolaştırılması gereken akışkan miktarı bulunabilir.

Q0 =mr.(h1 – h3,4 ) Q0 =Sistem kapasitesi

mr =Sistemde dolaştırılması gereken akışkan miktarı ( kg/h)

h3 h1 h5 h2

1 5 2

4 3

Kritik Nokta

Yoğuşma

Buharlaşma

Genleşme

Mutlak Basınç (bar)

P

h kJ/kg

 

kg h kJ kg kJ

h kJ h

h

m_r Q^o /

/ /

4 , 3 1







 







0 m h h

Q  _r 

3.2. Kompresör Kapasitesi

Kompresör kapasitesi sistemdeki soğutucu akışkan buharını emip kondensere basabilecek değerde olmalıdır. Soğutucu akışkanın hareket hacmi sistem kapasitesine göre oluştuğundan herhangi bir soğutma devresi için kompresör kapasitesi sistemin soğutma kapasitesine eşit olmalıdır.

Herhangi bir sebeple sistemde kompresör değişimine gidildiğinde, yeni kompreörün aynı kapasite değerlerinde olmasına dikkat edilmelidir. Kompresör kapasitesi soğutma kapasitesinden küçük olursa buharlaşma sıcaklığı ve basıncı yükselerek yeterli soğutma yapılamadığı gibi kompresörde zorlanma olur.

Kompresör kapasitesi sistemin soğutma kapasitesinden büyük olursa, buharlaşma sıcaklığı ve basıncı düşer. Hatta alçak basınç tarafı vakuma inerek muhtemel bir kaçak durumunda sisteme atmosfer havası sızabilir. Bu durumda soğutma devresinde soğutucu akışkanla birlikte atmosfer havası dolaştığı için soğutma tesirini düşürdüğü gibi yeterli kapasitede soğutma yapamayarak kompresör işini artırır.

Soğutma sistemlerinde yoğuşma sıcaklığının ve buharlaşma sıcaklığının sabit olmaması, sistem kapasitesini de değişken haline getirmektedir. Bu değişkenliği en az değerde tutmak için kompresör devir sayısını yüke göre değiştiren sistemler ve buharlaşma basıncını otomatik veya elle sabit tutacak basınç regülatörleri geliştirilmiştir.

3.3. Şıkıştırma işlemi

Sıkıştırma işleminde P-h diyagramında görüleceği üzere doymuş buhar noktası 1’de emilen soğutucu akışkan buharı kompresör tarafından 2 noktasına kadar basılarak soğutucu akışkanı kızgın buhar haline dönüştürülür. Bu sıkıştırma işlemi sırasında kompresöre verilen işin ısı eşdeğeri;





Sistemde (m) kg soğutucu akışkan dolaştırılıyorsa;

 

kg kJ h h kg h m

Q_y  _r 2  1    /

3.4. Yoğuşma İşlemi

P-h diyagramından görüleceği üzere, [2] noktasında kızgın buhar halindeki soğutucu akışkan, q2,3 ısının bir miktarını atmosfer havası veya suya transfer edip entalpisi (h2-h5) kadar azalarak [5] noktasında doymuş buhar haline dönüşmüştür. [5]noktasında doymuş buhar haline gelen soğutucu akışkan, q2,3 ısısının kalan kısmını da yoğuşturma ortamına transfer ederek 3 noktasınında doymuş sıvı haline gelerek entalpisi (h2-h3) kadar azalır. P-h diyagramında entalpideki toplam değişme (h2-h5)+(h2-h3) veya





Kondenser tarafından yoğuşturma ortamına transfer edilen birim ağırlıktaki soğutucu akışkan için yoğuşma ısısı qk=h2-h3, kJ/kg

Sistemde m(kg) soğutucu akışkan dolaştırılıyorsa, kondenser yoğuşturma kapasitesi;

 

kg kJ h h kg h m

Qk  r ₂  ₃ ,   /

 olur.

4. Deneyin Yapılışı 1. Ana şalteri açın.

2. Şalterleri yardımıyla kompresör ve evaporatör/kondenser fanlarını çalıştırın.

3. Sistemin kararlı hale gelmesi için belli bir süre bekleyin.

4. Çevrim köşe noktalarındaki sıcaklıları (t1 ile t4 arası) tabloya kaydedin.

5. Alçak taraf ve yüksek taraf basınçlarını tabloya mutlak değer olarak kaydedin (Manometre basınçlarına atmosfer basıncı olarak 1 bar ilave edin).

6. Ekteki log P-h diyagramı üzerinde aşağıdaki işlem sırasına göre diyagramı çizin:

1 noktasının bulunması: Bu nokta alçak taraf basıncı (P1) ile kompresör emme hattı sıcaklığı (t1)’in çakıştırılmasıyla bulunur.

2 noktasının bulunması: Yüksek taraf basıncı (P2) ile kompresör basma hattı sıcaklığı (t2) çakıştırılarak bulunur.

3 noktasının bulunması: Yüksek taraf basıncı (P2) ile kondenser çıkış sıcaklığı (t3) çakıştırılarak bulunur.

4 noktasının bulunması: 3 noktasından aşağıya doğru inilerek alçak taraf basıncı (P1) ile kesiştirilerek bulunur.

5. Raporun hazırlanması

Deneyin sonunda hazırlanacak raporda,

1. Deneyin amacı ve yapılışı kısaca anlatılacak.

2. Devre şeması çizilecektir.

3. Ölçüm değerleri (sıcaklık-basınç) tablo olarak verilecektir.

4. CoolPack yazılımının “Refrigeration Utilities” sekmesi kullanılarak tablo değerleri yazılıma girilecek ve sonuçlar yazıcı çıktısı olarak rapora eklenecektir.

5. Sonuçlar yorumlanacaktır.

Tablo 1. Deney ölçüm verileri.

Ölçüm No 1 2 3 4

Alçak taraf (emme hattı) basıncı, P1 [bara]

Yüksek taraf (basma hattı) basıncı,P2 [bara]

Kompresör emme hattı sıcaklığı, t1 [ C]

Kompresör basma hattı sıcaklığı, t2 [ C]

Sıvı hattı sıcaklığı, t3 [C]

Genleşme hattı sıcaklığı, t4 [ C]

6. Raporların hazırlanması sırasında okunabilecek ek kaynaklar ve yazılımlar 1. Nuri Özkol, Uygulamalı Soğutma Tekniği, MMO Yayın No:115.

2. Recep Yamankaradeniz, Soğutma Tekniği ve Isı Pompası Uygulamaları, Dora Yayıncılık, 2009.

3. Soğutma Tesisatı, Makina Mühendisleri Odası, Yayın No: MMO/2001/295 4. http://www.ipu.dk/English/IPU-Manufacturing/Refrigeration-and-energy-

technology/Downloads/CoolPack.aspx

Tablo 2 - R-134a soğutucu akışkanın doyma tablosu (basınçlar mutlaktır)

İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ-CERRAHPAŞA T.C.

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

MAKİNE LABORATUVARI II DENEY NO: 2

BORU BASINÇ KAYIPLARI

Öğretim elemanı adı ve soyadı :

Öğrenci adı ve soyadı :

Öğrenci numarası :

Grup no :

Deneyin yapılış tarihi ve saati :

BORU BASINÇ KAYIPLARI

1. Giriş

Enerjinin korunumu prensibi gereğince bir borudaki veya kontrol hacmindeki ideal ve gerçek akışında enerji kayıplarının olmaması gerekir. İdeal bir sıvı akışı halinde enerji dönüşümleri sadece bunlar arasında oluşur;

1. Akış işi (basınç yüksekliği) 2. Kinetik enerji (hız yüksekliği)

3. Potansiyel enerji (potansiyel yükseklik)

Bütün enerji formlarının (biçimleri) hepsi kullanışlı olup kullanışlı bir enerji çıkışına dönüştürebilir veya sıvı akışında kullanılabilir(basınçlı tanklar içinde).

Gerçek sıvılar olması durumunda, sıvı akışı durumunda moleküller arasında sürtünme oluşur.

Bu sürtünme iki ana nedenden dolayı ortaya çıkmaktadır.

Akışın akıntı dışı doğası

Sıvı viskozitesi sonucu sıvı sürtünmesi

Moleküller arasında sürtünme sonucu gerçek sıvılarda enerjinin dördüncü bir biçimi ortaya çıkar, sıvıların iç enerjisinin transfer olan bir enerji olarak isimlendirilir. Sonuç olarak bu enerji sonucu sıvı ısınır. Bu enerji transferi genellikle denetlenmediğinden “kayıp” olarak kabul edilir. Çünkü sıvıdaki sıcaklık artışı çok küçüktür ve hızla yüzeylerden dağılır. Örnek olarak 10m’lik basınç kaybı su sıcaklığında sadece 0,023⁰C yükselmeye yol açar.

2. Deney

2.1. Deney düzeneği

mini küresel vana diskli vana

şiber vana

kosva vana çalpara çek valf

pislik tutucu

köşe tipi radyatör vanası 90⁰ dirsek

32 mm Te bağlantı

U bağlantı 45⁰ dirsek

sayaç

debi metre

basınç regülatörü yaylı çek valf

küresel vana

25 mm

20 mm

25 mm

pompa

su tankı Fark basınç göstergesi

2.2 Deneyin amacı

Sıvı akışkan hatlarında kullanılan ve akım çizgilerini geometrik olarak değiştirerek kısıtlayan yerel bağlantı cihazlarındaki basınç kayıplarını ölçmek. Bu ölçüm değerlerine bağlı olarak yerel kayıp katsayısı K değerini hesaplayabilmek.

2.3 Deneyin öğrenme çıktıları

Bu deney ile öğrenci akışkanlar mekaniğinde önemli bir konu olan borulardaki yerel basınç kayıplarının hesaplanması konusunda deneysel olarak yeterli bilgi birikimine sahip olacaktır.

3. Teori

Borularda akış kayıplarını hesaplamak için en kullanışlı formüllerden biri Darcy-Weisbach denklemidir (Darcy eşitliği olarak da bilinir).

g 2 .u d .L f

H_L  ² (1)

Burada;

HL = basma kaybı (m akışkan akışı) L = borunun uzunluğu (m)

u = ortalama anma akış hızı (m/s) g = yer çekim ivmesi (m/s²) f = boyutsuz sürtünme faktörü

1 Pano boyutları 1800x1200 mm

2 Pano malzemesi Polyester

3 Deneysel ölçüm sayısı 15

4 Debi ölçüm aralığı 0-1000 L/h

5 Boru malzemesi ve çapı PPRC-25 mm

6 20 mm PPRC boru iç çapı 12,5 mm

7 25 mm PPRC boru iç çapı 16 mm

8 32 mm PPRC boru iç çapı 20 mm

9 Pompa maks. basma yüksekliği 35 mSS 10 Pompanın maksimum debisi 3000 L/h

Örnek 1 :

Uzunluğu 1km, çapı 100mm olan borudan 20 L/s su geçmesi durumunda basma yüksekliği kaybını ve böylece basınç kayıplarını hesaplayınız. Sürtünme faktörü 0,02 kabul edilecektir.

Çözüm:

İlk olarak anma hızı u hesaplanır:

s / m 55 , 2 4 1, .0

10 . 20 A

u V ₂³

.











Denklem (1)’ de yerine konursa ve basma yükseklik kaybı bir basınç kaybı olduğundan,

kPa P

Pa P

H g P

g hp P H

m H

H

L L

L L

648

) ( 1, 66 . 81 , 9 . 10

. .

1, 66

81 , 9 . 2

55 , .2 1, 0 .1000 02 , 0

3

2



















Örnek 2 :

Örnek 1 ’de verilen boru için akış hızlarına karşı basma yüksekliği kayıplarını bir grafik halinde, anma akış hızı 0 ve 5m/s aralığında 1m/s ’lik adımlarla çiziniz. Sürtünme kaybını sabit kabul ediniz.

Çözüm:

Darcy eşitliğinden;

L 2

2 L

2 L

u 19 , 10 H

81 , 9 . 2 . u 1, 0 .1000 02 , 0 H

g 2 .u d .L f H







Şimdi yukarıdaki formüle hızları koyarak basma kayıplarını hesaplayabiliriz.

u (m/s) 0 1 2 3 4 5

HL (m) 0 10,2 40,8 91,7 163 255

Bu noktalar Şekil 2 ’de çizilmiştir. Bu elbette bir paraboldür, çünkü sürtünme kaybı sabit kabul edildiğinden, basma kayıpları hızın karesiyle değişir. Böylelikle uzun borularda yüksek akış hızlarından kaçınmak gerektiğini görmekteyiz ve küçük bir hız azalmasında (örnek olarak 5m/s ’den 4m/s ’ye azalmasında) basma kayıplarında çok önemli bir azalma olmaktadır (255m ’den 163m ’ye düşer).

Şekil 2: Basınç kaybının hız ile değişimi 3.1 Basınç kayıplarının en aza indirilmesi

Akış kayıpları faydalı enerjinin kaybı olduğundan, kayıpların en aza indirilmesi çok önemlidir. Buna rağmen borular, bağlantı elemanları ve tesisat üzerindeki akış kayıplarının en aza indirilmesi için oldukça büyük bir masraf yapılması kaçınılmaz olacaktır.

İdeal olanı enerji kayıplarının düşürülmesi ve sıvı akış sisteminin fiyatının arttırılmasıdır.

Birçok durumlarda (hatta büyük tesisatlarda bile) mühendislik tecrübelerine dayanan çok ekonomik sistem tasarım hesaplarına teşebbüs edilmez, geçmiş tecrübelerden yararlanarak pratik kurallardan yararlanılır. Bununla birlikte en ekonomik olarak tasarlanan sistem tasarımına ödenecek harç bir miktar fazla olabilecek iken enerji maliyetinin artması kaçınılmazdır.

Akış kayıpları şu yollarla azaltılabilir:

Akış hızını düşürün. Çünkü basma kayıpları katmanlı (laminer) akışta hıza eşit olarak değişirken türbülanslı akışta hızın karesiyle orantılı değişir. Akış hızı bir sistemde hız düşürülerek veya verilen bir debi için boru çapı büyültülerek düşürülür.

Sıvının viskozitesinin düşürülmesi. Bu genelde pratik bir uygulama değildir. Ancak fuel- oil gibi viskozitesi çok yüksek olan sıvılarda onları ısıtmak akışkanlıklarını arttırır.

Diğer bütün durumlarda basınç kayıplarının düşürülmesi ısıtma masraflarından ucuza gelecektir.

Girdap ve türbülansların en aza indirilmesi. Bu, boru ve elemanlarında keskin köşelerden, ani kesit değişimlerinden pürüzlü iç yüzeylerden kaçınmak suretiyle dikkatli sistem tasarımıyla sağlanabilir. Buna rağmen, standart boru ve bağlantı elemanlarının kullanılması ekonomik olacaksa bunları basınç kayıplarını en aza indirecek şekilde seçmek gerekir.

3.2 Sürtünme Faktörü

Örnek 2 ’de sürtünme faktörü sabit kabul edilmiştir. Pratikte buna rağmen sürtünme faktöründeki artış bilinmez ve akış hızları değiştiğinden dolayı sabit kabul edilemez.

Sürtünme kaybının bulunması ile ilgili birçok kartlar ve diyagramlar bulunmaktadır. Fakat Şekil 2 ’de gösterilen Moody diyagramı çok geniş kullanıma sahiptir.

Moody diyagramı aslında sürtünme faktörü (sol y ekseninde) ve Reynolds sayısının (x ekseninde) logaritmik ölçekte çizimidir. Sağ taraftaki y ekseni şu şekilde tanımlanan bağıl pürüzlülük değerini verir:

) d ( çapı boru

) ( pürüzlülük mutlak

) ( pürüzlülük

Bağıl _R 



 (2)

Mutlak pürüzlülük yüzeydeki girinti çıkıntıların ortalama yüksekliğidir ve borunun malzemesine ve üretim yöntemine bağlı olarak değişmektedir. Tipik mutlak pürüzlülük değerleri Moody diyagramı içinde gösterilmiştir. Ekstruzyonla üretilen (demir dışı) borular, cam ve plastik borular çok hassas yüzeye sahiptir ve tamamen sürtünmesiz olarak kabul edilebilir. En düşük sürtünme faktörü verilen bir Reynolds sayısı için Şekil 3 ’deki eğri

“pürüzsüz borular” ı göstermektedir.

Reynolds sayısı 2000 ’ın altında ise akış laminer dir. Laminer akışta sürtünme faktörü, pürüzlülükten bağımsız olarak sadece Reynolds sayısına bağlıdır. Bu, diyagramın sol tarafında aşağıya doğru düz bir çizgi olarak gösterilmiştir. Sadece laminer akış için;

f = 64/Re (3)

Bu değer Reynolds sayısı 2000 ile 4000 arasında olduğunda akış kararsız bir bölgededir ve diyagram kullanılamaz. Reynolds sayısı arttığında akış tedirgin (türbülanslı) olmaya başlar.

Diyagramda sağa yatay olarak tamamen türbülanslı bölgeye gelindiğinde, sürtünme faktörü Reynolds sayısından bağımsız hale gelir. Bu bölge diyagramda kesikli çizgiler halinde ayrılmıştır. Sadece bu bölge için sürtünme faktörü hızın değişmesi ile değişmez ve basma kayıpları eğrisi doğru bir parabol olacaktır.

Örnek 3:

Viskozitesi 0,06 Pa.s olan yağ (BY=0,9), 120mm çapında, 100m uzunluğunda dökme demir bir boru içinden akmaktadır. Basma kayıplarını su hızlar için hesaplayınız.

a) 1m/s b) 3m/s c) 10m/s

Çözüm:

Moody diyagramından mutlak pürüzlülük  = 0,25mm (dökme demir)

0021 , 120 0

25 , 0

R d  





a)- u = 1m/s

06 1800 , 0

900 . 12 , 0 . 1 .

Re .  



 d u

Akış laminer olduğundan;

0356 , 1800 0

64 Re

64  

 f

Denklem (1) kullanılarak,

m H

H

g u d f L H

L L L

51 ,1

81 , 9 . 2 . 1 12 , 0 .100 0356 , 0

.2 .

2 2







Şekil 3 Moody diyagramı

geçiş bölgesi Katmanlı

akış

tedirgin akış sınırı

Parlak yüzey

Mutlak Pürüzlülük  (mm)

Dökme demir 0.25

Ticari çelik veya dövme döküm 0.045 Galvaniz kaplı döküm veya çelik 0.15 Beton veya asbestli çimento 0.20

Çekme boru 0.0015

Ekstrüzyonla üretilen cam ve plastik (parlak)

b) u = 3 m/s

m H

H d u

L L

1, 15

81 , 9 . 2 . 3 12 , 0 .100 0395 , 0 5400 Re

06 , 0

900 . 12 , 0 . 3 . Re .

2









 



Moody diyagramı kullanılarak Re=5400 ve bağıl pürüzlülük 0,0021 için f=0,0395 bulunur.

c) u = 10 m/s

m H

H d u

L L

132

81 , 9 . 2 . 10 12 , 0 .100 031 , 0

10 . 18 Re

06 , 0

900 . 12 , 0 . 18 . Re .

2 3









 



Moody diyagramında Re=18.10³ ve bağıl pürüzlülük=0,0021 için f = 0,031 bulunur.

Bu basma kayıpları elbette çok yüksek olduğundan pratik değildir.

P=.g.hp=900.9,81.132 = 1,165 MPa

olduğundan, boru boyunca basınç düşmesi olacaktır. Bu açık bir durum olduğundan mühendisler basma kayıplarını düşürmek için boru çaplarını büyüterek akış hızlarını düşürmelidirler. Ayrıca dökme demir yerine daha pürüzsüz yüzeye sahip çelik boru veya çekme demir boru kullanılarak basma kayıplarını azaltabilirler.

3.3 Bağlantı elemanlarındaki basma kayıplarının incelenmesi

Bağlantı elemanlarındaki basma kayıpları sıklıkla “ikincil kayıplar” olarak adlandırılırsa da yanlış kullanım olduğunda bağlantı elemanlarından kaynaklanan basma kayıpları boruların kendisinden kaynaklanan kayıpları geçebilir.

Bağlantı elemanlarındaki kayıpların hesaplanmasında çeşitli yöntemler kullanılabilir, en yaygın ve geniş kullanım “K faktörü” yöntemidir. K faktörü denklem (2) ‘de

g 2 .u K

H_L  ² (4)

Burada;

HL = bağlantı elemanlarındaki basma kayıpları (m akışkan akışı) u = ortalama veya anma akış hızı (m/s)

g = yer çekim ivmesi (m/s²)

K = boyutsuz bağlantı kayıp faktörü

K değerinin bulunması için birçok tablo ve diyagramlar elde edilebilir ki o pratikte şunlara bağlıdır:

1. Bağlantı elemanının malzemesi ve üretim yöntemi 2. Bağlantı elemanının boyutu

3. Akışkanın doğası (durumu) (karakteri)

Buna rağmen K faktörünün hesabında yüksek hassasiyet gerektirmeyen durumlar için Tablo 1

’deki ortalama değerleri birçok durumlarda kullanılabilir.

Notlar:

1. Ani duraklama ve genişlemelerde K faktörü giriş A1 yüzeyi ile çıkış A2 yüzeyi oranına bağlıdır. Ani genişleme durumunda Tablo 1 ’de K faktörünü belirlemek için basit bir formül verilmiştir. Ani daralma durumunda aynı formül kullanılmaz ve K değeri tablodan uygun olan oranına göre seçilir.

2. Şayet bir boru tank veya depoya bağlanıyorsa, A1/A2 oranı sıfır alınabilir. Bundan dolayı K=1 alınır. Bir tank veya depodan bir boruya girişte A2/A1 oranı sıfır alınabilir, böylece K=0,5 alınır.

3. Yavaş daralmalar için, gittikçe incelen veya iyi yuvarlatılmış geçişlerde basma kaybı ihmal edilebilir. Kademeli genişlemelerde K faktörü duvarın eğimine bağlıdır. Şayet açı 50⁰’yi aşarsa etkisi ani genişleme gibi olur ve K=1 alınabilir. Şayet açı çok keskin ise ve 10⁰’nin altında ise basma kayıpları ihmal edilebilir ve K = 0 alınabilir.

4. Vana için K faktörü (ve ayrıca basma kaybı) valfin açılma oranına bağlıdır. Valf tamamen kapalı olduğunda K faktörü sonsuz olduğunda valfle tamamen basma kaybı vardır (akış olmaz). Tam akış olan bir sistemde valf normal olarak tamamen açıktır.

Buna rağmen, tasarım mühendisleri valfleri seçerken ayar emniyeti sağlamak üzere ½ veya ¾ açık olarak dikkate alırlar. Bazı durumlarda kısma kontrolün önemli bir parçasıdır, sıvı akış sistemini tasarlarken düşük bir kısma gerekebilir.

5. Sabit boru çaplarında uygun boyutlu bağlantı elemanları kullanılabilir. u hızı bütün bağlantı elemanlarında sabit kabul edilir. Böylece toplam K faktörü bütün bağlantı elemanlarının K değerlerinin toplamı olarak alınabilir. Bu durum Örnek 4 ’te açıklanmaktadır.

TABLO 1. Bağlantı elemanları için tipik K faktörleri

BAĞLANTI ELEMANI K FAKTÖRÜ

U dönüşü (kapalı) 2.2

Standart 45⁰ dirsek 0.4

Standart 90⁰ dirsek 0.9

Uzun radyuslü (geniş) 90⁰ dirsek 0.6

Dişli birleştirme (ünyon) 0.05

T (akış hat boyunca)

T (akış yan taraftan) 0.4

Ani genişleme (1-A1.8 1/A2)²

Ani daralma (A2/A1) 0 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9

0.5 0.4 0.45

0.3 0.2 0.08

Yavaş daralma İhmal edilebilir

Yavaş genişleme, açıya bağlı >50⁰ 40⁰ 30⁰ 20⁰ 10⁰

1.0 0.9 0.7 0.4 0.15 Sürgülü (şiber) vana, (konumu) tam açık

¾ açık ½ açık ¼ açık

0.2 0.9 5.0 24 Stop (diskli) vana, (konumu) tam açık

¾ açık ½ açık ¼ açık

10.0 11.0 12.5 50.0 Klapeli valf, filtreli (mafsallı)

(kaldırmalı) 2.0

10.0 Çek valf (klape), (mafsallı)

(bilyalı) (kaldırmalı)

2.5 4.0 15.0

Örnek 4:

Bir sistemde su 60m yükseğe 100mm çaplı galvanizli çelik boru ile pompalanmakta ve aşağıdaki bağlantı elemanları bulunmaktadır:

1 adet klapeli valf ve pislik tutucu 4 adet standart 90⁰ dirsek

4 adet dişli ünyon 2 adet kapama valfi

1 adet ani genişleme (basınçlı tanka)

Kapama valfi yarım açık konumda iken 20 L/s debide sistemdeki basma kayıplarını hesaplayınız. Suyun viskozitesini 0,9.10^-3 Pa.s kabul edin.

Çözüm:

İlk olarak u hızı hesaplanır.

5 3

3 2

. 3

10 . 83 , 10 2

. 9 , 0

10 . 1, 0 . 55 , 2 . Re .

/ 55 , 2 4

1, .0

10 . 20





















 d u

s A m

u V

Boru Moody diyagramında (Şekil 3) (galvanizli döküm)= 0,15mm alınır. Böylece bağıl pürüzlülük

=0,15/100=0,0015 Diyagramdan; f = 0,0225

Denklem (1) ‘deki Darcy formülü kullanılarak;

m H

H

g u d f L H

L L L

47 , 4

81 , 9 . 2

55 , .2 1, 0 .60 0225 , 0

.2 .

2 2







Bağlantı Elemanları Tablo 1 kullanılarak aşağıdaki gibi elde edilir.

Bağlantı Sayısı K Faktörü Toplam K Faktörü

Dip vanası 1 2,0 2,0

Dirsek 4 0,9 3,6

Ünyon 4 0,05 0,2

Burgulu vana 1 açık 1 yarım açık

5,0 1,0

5,0 1,0

Genişleme 1 1,0 1,0

Toplam 12,0 Denklem (2) kullanarak;

m 98 , 3 H

81 , 9 . 2

55 , .2 12 H

g 2 Ku H

L

2 L

2 L







Sistemdeki toplam basma kayıpları, borulardaki ve bağlantı elemanlarındaki basma kayıplarının toplamıdır.

H(toplam) = 4,47 + 3,98 = 8,45m 3.4 Eşdeğer Uzunluk (Le)

Bir bağlantı elemanın eşdeğer uzunluğu, aynı basma kaybını veren düz boru uzunluğu olarak tanımlanır ve sıkça kullanılır.

g 2 Ku g 2 .u d

f e ²  ²

f Kd e 

 (5)

Örnek 5 :

100 mm çaplı tamamen açık ve küresel vananın eşdeğer uzunluğunu bulunuz.

Çözüm:

Tablo 1 ’den K = 10, 1.3 eşitliği kullanılarak;

f m k d

e 50

02 , 0

1, 0 .

10 



 

Örnek 6:

Örnek 4 ’ü eşdeğer uzunluğu kullanarak çözünüz.

Çözüm:

K = 12, f = 0,0225, d = 0,1m

) bulunmuştu önce

daha ( m 45 , 8 H

81 , 9 . 2

55 , .2 1, 0

3 , .113 0225 , 0 H

g 2 u f d H

m 3 , 113 3 , 53 60 ) toplam (

m 3 , 0225 53 , 0

1, 0 . e 12

L

2 L

2 L























4. Deneyin yapılışı

Yerel kayıp katsayılarının hesabı,

Bu deneyde sıvı akışkan hatlarında kullanılan ve akım çizgilerini geometrik olarak değiştirerek kısıtlayan yerel bağlantı cihazlarındaki basınç kayıpları ölçülecektir. Bu ölçüm değerlerine bağlı olarak yerel kayıp katsayısı K değeri hesaplanacaktır. Bu deney sırasında izlenecek yol şu şekildedir,

1) Manometre bağlantı hortumlarını diskli vana giriş ve çıkışındaki tapalara bağlayın.

2) Su hattını açın ve debiyi 100 L/h değerine ayarlayın.

3) Ölçüm değerlerini tabloya kaydedin.

4) Su debisini sırayla 200, 300, 400, ve 500 L/h değerlerine ayarlayarak ölçümleri tabloya kaydedin.

5) Debi değerlerini boru kesitine bölerek akış hızlarını bulun.

6) Denklem (4) yardımıyla K değerlerini farklı akış hızları ve basınç kayıpları için hesaplayın.

2

2 u

g K  H^L

7) 1 ile 6 arasındaki işlem adımlarını vananın farklı açıklık oranları için

8) Diğer vana ve bağlantı elemanları için deneyleri benzer şekilde tekrarlayın.

Ölçüm Yapılan Bağlantı Elemanı:

diç = A =

Debi [L/h] Hız [m/s] HL [m] P [mbar] K 1500

1250 1000 750 500 250

Ortalama K faktörü Sürekli basınç kayıplarının ölçümü

Bu deneyde amaç sıvı akışkan hatlarında kullanılan boruların gerek iç yüzey (cidar) akışkan arasındaki sürtünmeden ve gerekse akışkan moleküllerinin kendi aralarındaki sürtünmesinden kaynaklanan basınç kayıplarını ölçmektir. Bu ölçüm değerlerine bağlı olarak sürtünme katsayısı değeri hesaplanacaktır. Bu deney sırasında izlenecek yol şu şekildedir,

1) Manometre bağlantı hortumlarını ince düz boru (çap 20 mm) giriş ve çıkışındaki tapalara bağlayın.

2) Su hattını açın ve debiyi 100 L/h değerine ayarlayın.

3) Ölçüm değerlerini tabloya kaydedin.

4) Su debisini sırayla 250, 500, 750, 1000, 1250 ve 1500 L/h değerlerine ayarlayarak ölçümleri tabloya kaydedin.

5) Debi değerlerini boru kesitine bölerek akış hızlarını bulun.

6) Moody diyagramı (Şekil-1.2) yardımıyla borunun bağıl pürüzlülük değerini hesaplayın.

7) Akış hızı yardımıyla akışın Reynolds değerini hesaplayın.

v_s : Akışkanın hızı [m/s]

μ : Akışkanın dinamik viskozitesi [Ns/m³] ν : Akışkanın kinematik viskozitesi: ν = μ / ρ ρ : Akışkanın yoğunluğu [kg/m³]

8) Bağıl pürüzlülük ve Re sayısını Moody diyagramında kesiştirerek f sürtünme katsayısını bulun.

9) Sürtünme katsayısı (f) değerini Darcy (1.1) formülünde yerine koyarak basınç kaybını hesaplayın.

g u D f L H_s

2

2



10) Hesaplanan değer ile ölçülen değeri karşılaştırın.

Ölçüm yapılan boru:

ddış = diç = L = A =

Debi [L/h]

Hız [m/s]

Re Reynolds

sayısı

f Sürtünme

faktörü

HS

[m]

P [mbar]

1500 1250 1000 750 500 250

5. Raporun hazırlanması

Deneyin sonucunda hazırlanacak raporda,

1. Deneyin amacı ve yapılışı kısaca anlatılacak.

2. Yapılan tüm hesaplamalar gösterilecek.

3. K faktörü hesaplanırken,

a)- Debi değerlerini boru kesitine bölerek akış hızları hesaplanacak.

b)- İlgili denklem kullanılarak K değerlerini farklı akış hızları ve basınç kayıpları için hesaplanacak.

4. Sürtünme kayıpları hesaplanırken,

a)- Debi değerleri boru kesitine bölerek akış hızları hesaplanacak.

b)- Moody diyagramı yardımıyla borunun bağıl pürüzlülük değeri hesaplanacak.

c)- Akış hızı yardımıyla akışın Reynolds (Re) değeri hesaplanacak.

d)- Moody diyagramı kullanılarak f, sürtünme katsayısı hesaplanacak.

5. Sürtünme katsayısı (f) değerini Darcy formülünde yerine koyarak basınç kaybı hesaplanacak.

6. Hesaplanan değer ile deneysel değerler grafik çizilerek karşılaştırılacak.

6. Kaynaklar

1. Deneysan Eğitim Cihazları San. Ve Tic. Ltd.Şti., Balıkesir, 2010, “T-420 Boru Basınç Kayıpları Eğitim Seti Deney Föyü”.

2. Frank M. White, 2011, “Fluid Mechanics”. McGraw-Hill.

EK-1 Moody diyagramı

EK-2 Doymuş suyun farklı sıcaklıklardaki viskozite ve yoğunluk değişimleri

İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ-CERRAHPAŞA T.C.

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

MAKİNE LABORATUVARI II DENEY NO: 3

ÇEKME 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 :

ÇEKME DENEYİ 1.Giriş

Mühendislik tasarımlarının en önemli özelliklerinin başında öngörülebilir olmaları gelmektedir.

Öngörülebilirliğin birincil şartı ise tasarlanan sistemin maruz kaldığı tüm yükler altındaki davranışlarının önceden belirlenmesidir. Bir parçanın yük altındaki davranışını belirleyen unsurlar seçilen malzemenin mekanik özellikleri, geometrisi ve maruz kaldığı yüklerden oluşmaktadır. Parçanın maruz kaldığı yüklerin tasarım aşamasından önce belirli olması dikkate alındığında, tasarımcının dizayn sırasında üzerinde değişiklik yapabileceği unsurlar geometri ve malzeme tipidir. Bu durumda tasarımcı ya tasarladığı geometri için uygun malzemeyi (veya malzemeleri) seçmeli ya da elinde bulunan malzemelerin mekanik özelliklerini göz önüne alarak uygun geometriyi tasarlamalıdır. Her iki durumda da kullanılacak mühendislik malzemelerinin mekanik özelliklerinin bilinmesi zorunluluğu ortadadır.

2.Çekme Deneyinin Amacı

Mühendislik malzemeleri rijit olmadığından kuvvet altında deforme olup, şekil ve boyut değişiklikleri gösterirler. Malzeme özelliklerini anlamak üzere mekanik testler yapılır. Bunlardan en önemlisi “çekme deneyi”dir.

Çekme deneyinin amacı; malzemelerin statik yük altındaki elastik ve plastik davranışlarını belirlemektir.

Bunun için boyutları standartlara uygun daire veya dikdörtgen kesitli deney parçası; çekme cihazına bağlanarak, eksenel ve değişken kuvvetler uygulanır. Her uygulanan kuvvetin alana bölünmesi ile elde edilen gerilmelerin bir grafiğe aktarılması sonucunda ortaya çıkan grafiğin okunması ve verilerin elde edilmesidir.

Çekme testi sonucu malzemenin göstermiş olduğu mekanik davranış ( Sünek ve gevrek) ,Gerilme değeri ( σ ) , Genleme Değeri (ξ ) , Elastisite Modülü (E), Akma Dayanımı (σ Ak) ,Kopma Dayanımı (σk), Çekme Dayanımı (σ ç ) , Tokluk, Rezilyans, Poison Oranı değerleri hesaplanır. Mevcut özellikler malzeme kataloglarında standartlara uygun hazırlanmış olup mevcuttur. Fakat elde edilen yeni bir malzemenin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için çekme testi yapılması gerekmektedir.

Tüm deneyler çeşitli kurumlar (ASTM-American Society of Testing and Materials, ISO-International Organization of Standardization, TSE-Türk Standartları Enstitüsü, vb.) tarafından ilan edilen test standartları dikkate alınarak yapılmalıdır.

3.Deney Düzeneği

Çekme deneyi, üniversal çekme test cihazlarında gerçekleştirilir. Bu cihazlarda çekme kuvveti, mekanik veya hidrolik güç aktarım organları vasıtası ile uygulanır. Düzenek, genel olarak, elektrik motoru, redüktör, deney numunesini tutmayı sağlayan üst çene ve alt çene den ibarettir. Alt çene sabit (hareketsiz); üst çene ise yukarı/aşağı hareket edebilmektedir. Üst çenenin hareketi, sağ ve sol tarafta düşey konumlu simetrik iki adet sonsuz vida mekanizması ile sağlanır. Bu hareket, elektrik motoru ile tahrik edilen dişli redüktörden vida mekanizmasına iletilen döndürme momenti ile gerçekleşir. Alt çene sabit olduğundan, üst çenenin yukarı hareketi ile çekme kuvveti, deney numunesine tatbik edilir. Deney esnasında, kuvvet değeri, yük hücresinden (load cell); uzama değeri ise; üst çenenin hareketini sağlayan vidanın adımına (hatve) göre ölçülür. Deney sırasında çekme numunesine sürekli olarak artan çekme kuvveti uygulanır ve kırılma anına kadar hem uygulanan kuvvet hem de numunede meydana gelen uzama, bilgisayara kaydedilir. Şekil 1 deney cihazını göstermektedir. Deney Bölümümüzde bulunan İnstron marka universal test cihazı ile gerçekleştirilecektir.

Detaylı bilgi için (https://www.instron.com.tr/tr-tr/our-company/library/test-types/tensile-test )

Şekil 1. Çekme cihazı 3.1.Deneyin Yapılış Aşamaları Aşağıdaki Gibi Sıralanabilir 1) Deney numunesi iki ucundan çenelere bağlanır.

2) Numunedeki boşlukların giderilmesi için 2-5 N civarı ön yük uygulanır.

3) Numunenin ilk ölçü boyu (gauge length) ve çapı kumpasla ölçülüp kaydedilir.

4) Çekme hızı istenen değere ayarlanır.

5) Gösterge ekranından okunan kuvvet ve uzama değerleri sıfırlanır.

6) Deney başlatılır ve numune kopuncaya kadar kuvvet-uzama değerleri kaydedilir.

7) Deney numunesi koptuktan sonra tekrar bir araya getirilerek, kopma uzunluğu ve kesit çapı kumpasla tekrar ölçülür.

8) Çekme diyagramı çizilir ve deney yorumlanır.

4. Deney Sonuçlarının Yorumlanması

Çekme Testi boyunca kuvvet parça hasara uğrayana kadar devam ettirilir. Test sonucu tüm veriler EXCEL dosyasına atılır. Aşağıda deney verileri sonucu çıkan yük uzama ve gerilme birim uzama grafikleri verilmiştir. Tüm hesaplama işlemleri detaylı olarak anlatılmıştır.

Şekil 2. Çekme cihazı

4.1. Gerilme

Kuvvetin İlk Alana bölünmesi ile bulunur.

σ = F A =

𝑁𝑁 𝑚𝑚𝑚𝑚²

4.2. Birim uzama (ε ) : Uzama miktarının ilk boya bölünmesi ile bulunur. Boyutsuzdur.

l0: numunenin ilk boyu

l : kuvvet uygulandığı andaki boyu Δl = l –l0 ( uzama miktarı )

𝜀𝜀 =_𝑙𝑙^∆𝑙𝑙

0 = ^{𝑚𝑚𝑚𝑚}_{𝑚𝑚𝑚𝑚}

Şekil 3. Gerilme- Birim Uzama Grafiği.

4.3. Malzemelerin Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi

*teknolap.info sitesinden alınmıştır.

Şekil 4.Düşük Karbonlu Çelikte Birim Uzama- Gerilme Grafiğinde Mekanik Özelliklerin Gösterilmesi

Malzemeye kuvvet uygulandığında boyunda uzama gerçekleşir, eninde daralma meydana

gelmektedir. Grafiğin ilk kısmında lineer bir artış meydana gelir. Bu bölgeye elastik bölge denir ve kuvvet kaldırıldığında malzemede kalıcı şekil değiştirme meydana gelmez. Malzeme elastik bölgede uygulanan kuvvet serbest bırakıldığında malzeme tekrar eski haline döner. Burada Hooke yasası geçerlidir. Plastik bölgede ise malzemede kalıcı şekil değişimi meydana gelmektedir.

Orantı sınırı (σ⁰): Gerilme-birim uzama diyagramında Hooke yasasının, yani bağıntısının geçerli olduğu 𝜎𝜎 = 𝐸𝐸 ∗ 𝜀𝜀

doğrusal kısmı sınırlayan gerilme değeridir.

Elastisite Modülü ( E ) : Malzemeye uygulanan kuvvet kaldırıldığı zaman plastik uzamanın görülmediği veya yalnız elastik şekil değiştirmenin meydana geldiği en yüksek gerilme değeridir. Elastisite modülü bu bölgedeki gerilmenin birim uzamaya oranı ile bulunur. Elastik bölgedeki eğimin değeridir.

𝐸𝐸 =

(GPa)

Elastiklik sınırı (σ^E): Malzemeye uygulanan kuvvet kaldırıldığı zaman plastik uzamanın görülmediği veya yalnız elastik şekil değiştirmenin meydana geldiği en yüksek gerilme değeridir. Genellikle, elastiklik sınırı orantı sınırına eşit kabul edilir. Pratikte σE yerine %0,01 veya %0,005'lik plastik uzamaya karşı gelen gerilme (σ 0,01 veya σ 0,005) değerleri alınır.

Akma dayanımı (σa): Uygulanan çekme kuvvetinin yaklaşık olarak sabit kalmasına karşın, plastik şekil değiştirmenin önemli ölçüde arttığı ve çekme diyagramının düzgünsüzlük gösterdiği kısma karşı gelen gerilme değeridir. Offset kuralı ile hesaplanır. Düşük karbonlu yumuşak çelik gibi sünek malzemeler, deney koşullarına bağlı olarak belirgin akma sınırı gösterebilirler. Malzemelerin belirgin akma göstermediği durumlarda, genelde %0,2'lik plastik uzamaya (εplastik =0.002 ) karşı gelen çekme gerilmesi akma sınırı veya akma dayanımı olarak alınır ve buna Off-set kuralı denir. Bu kurala göre gerilme – birim uzama grafiğinde, %0.2 deki birim uzamadan eğrinin elastik bölgesine paralel bir çizgi çizilir. Bu paralel çizginin eğri ile kesiştiği noktaki çekme dayanımı bize %0.2 lik akma dayanımını verir. Şekil 4 de belirgin akma göstermeyen bir malzemenin çekme diyagramı ile bu malzemenin akma dayanımının nasıl belirlendiği görülmektedir.

Şekil 5. Belirgin akma göstermeyen bir malzemenin akma dayanımının %0.2 offset kuralı ile belirlenmesini gösteren diyagram.

Çekme dayanımı (σ^ç): Bir malzemenin kopuncaya veya kırılıncaya kadar dayanabileceği en yüksek çekme gerilmesi olarak tanımlanır. Bu gerilme, çekme diyagramındaki en yüksek gerilme değeri olup, σç = Fmaks/A0

formülü ile bulunur. Burada Fmaks malzemeye uygulanan en yüksek kuvveti, A0 ise malzemenin ilk kesit alanını gösterir.

Kopma dayanımı (σ^k): Çekme deneyi esnasında, numune kesiti çekme kuvvetini artık karşılayamadığı anda kopma meydana gelir. Çekme diyagramı çiziminde kaydedilen bu son gerilme değerine, malzemenin kopma dayanımı adı verilir.

Tokluk: Numunenin kopmaya kadarki absorbe ettiği enerjiye tokluk denir.

Tokluk= Çekme dayanımı*Kopma Gerilimi

Rezilyans: Malzemenin yalnız elastik şekil değiştirmesi için harcanan enerji veya elastik şekil değiştirme sırasında malzemenin depoladığı enerji demektir. Bu enerji, gerilme ( 𝜎𝜎)-birim uzama ( 𝜀𝜀) eğrisinin elastik kısmının altında kalan alan ile belirlenir ve numunedeki yük serbest bırakılınca geri verilir.

𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 =𝜎𝜎 ∗ 𝜀𝜀

Poisson Oranı (υ): Çekme deneyinde parça uzarken kesit yüzeyi de azalır. Deney çubuğunun eksenine dil doğrultudaki birim uzama ile eksenel doğrultudaki birim şekil değiştirme arasındaki oranın mutlak değerine Poisson oranı denir. Bu oran alaşımsız çeliklerde 0.33, tungsten için 0.27 ve alüminyum ve alaşımları için 0.31 – 0.34 değerlerindedir. Poison oranının tespiti için strain gauage ve video extensometre

kullanılmaktadır.

5. Deney Numuneleri

Çekme deneyinin yapılışı çeşitli standart ve kaynaklarda ayrıntılı biçimde verilmiştir. Numune tipi büyük ölçüde malzemenin biçimine göre seçilir. Çekme deney numuneleri, çubuk, boru, profil, köşebent, levha veya inşaat demirinden ilgili standartlara göre hazırlanır. Şekil 7, TS 138 A normuna göre hazırlanmış içi dolu, daire kesitli (yuvarlak) silindirik başlı bir çekme numunesini göstermektedir.

Şekil 6. Demir Malzemeler İçin Çekme Numunesi

Bu şekilde d0 numunenin çapını, d1 baş kısmının çapını (1,2Xd0), lv inceltilmiş kısmın uzunluğunu (l0 + d0), l0 ölçü uzunluğunu (5Xd0), h baş kısmının uzunluğunu ve lt numunenin toplam uzunluğunu göstermektedir. Çapı 10 mm ve ölçü uzunluğu 50 mm olan çekme numunesi 10 x 50 TS 138A şeklinde gösterilebilir.

Şekil 6. Standartlara Uygun Plastik Çekme Numunesi

Şekil 7. Standartlara Uygun Kompozit Malzeme Çekme Numunesi

İSTENENLER

1.

Grubunuza Ait EXCEL Dosyasını İndirip İşlemler Yapılmalıdır. Hazırlanan Dosya Ad, Soyad, Öğrenci Numarası Ve Grup Yazılarak Mail Atılmalı. Mail Atılmaması Durumunda

Föyleriniz Değerlendirmeye Alınmayacaktır.

ÇEKME DENEYİ ÖĞRENCİ TESLİM FÖYÜ

Öğrenci Adı Soyadı Öğrenci Numarası

Deney Grubu Deney Raporu Teslim Tarihi Öğretim Elemanı Adı Soyadı

(Aşağıdaki Soruları Cevaplandırınız. Mail Atılmaması Durumunda, Föyleriniz Değerlendirmeye Alınmayacaktır.)

1.Çekme Deneyi Hangi Amaçla Yapılır? (5p)

2. Elastik ve Plastik Bölgeyi Açıklayınız ve Grafikte Gösteriniz. (5p)

3.Gerilme Kavramı Nedir? Nasıl Hesaplanır? (5p)

4.Birim Uzama (extension) Nedir? Nasıl Hesaplanır?

(5p)

5.Elastisite Modülü Nedir? Nasıl Hesaplanır? (5p)

6. Hooke Yasası Nedir? (5p)

7. Poison Oranı Nedir? Nasıl Hesaplanır? Detaylı Açıklayınız. (15p)

8. Gevrek ve Sünek Malzemeler için Örnek Gerilme – Birim Uzama Grafiği Çiziniz. Aralarındaki farkları ifade ediniz. (15p)

9.Gerçek ve Mühendislik Çekme Diyagramını Çiziniz.

Arasındaki farkları sebepleri ile yazınız. (15p)

10. EXCEL Dosyası Üzerinde Yapılan Hesaplamalar Sonucu Çizilen Gerilme- Birim Uzama Grafiğini Elle Çizilip Grafik İsimlendirilecek, Elastisite Modülü, Akma Dayanımı, Çekme Dayanımı Ve Kopma Dayanımlarını Hesaplamalarla Birlikte Gösteriniz.

(25p)

İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ-CERRAHPAŞA T.C.

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

MAKİNE LABORATUVARI II DENEY NO: 4

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).

2.1.1. Elektrik Konsol

Isı iletim modülleri, ısıtıcının gücünü ayarlamaya imkân veren ve sensördeki sıcaklığı 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

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.

2.2. Deneyin amacı

Kompozit bir çubuk boyunca ısı iletiminin incelenerek, malzemelerin ısı iletim katsayılarının hesaplanması.

2.3. Deneyin öğrenme çıktıları

o 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

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.

o Ara bölüm lineer modüldeki yerine yerleştirilmeli ve beraber tespit edilmelidir.

o Su tüplerinden biri su kaynağına, diğeri atık su yoluna bağlanmalıdır.

o Lineer nakil modüllerindeki ısı kaynağı elektrik konsol güç kaynağı soketine bağlanmalıdır.

o 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.

o Musluğu açın ve su bağlantılarının doğru yapılıp yapılmadığını gözlemleyin.

On/Off düğmesini On konumuna getirin.

o Seçici düğmeyi 1 konumuna getirin. Lineer modülün bir ucundan ısıtma işlemi başladığında sıcaklıkta artış gözlenecektir.

o 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 ve belirlenir. Bu sıcaklıklar sistemin ısı transfer katsayısı U ’nun hesaplanması için kullanılmalıdır.

Verilenler:

x = 0,030 m

A = 4,90625 * 10^-4 m²

o Pirinç için tipik ısı iletim katsayısı kaynaklardan bulunabilir.

o Deney sırasında yaptığınız ölçümleri tabloya not ediniz.

o Kullandığınız ara modülün ısı iletim katsayısını, ks hesaplayınız.

o Sıcaklık gradyanını her deney testi için çiziniz.

o Bulduğunuz iletim katsayısını literatürdeki değerle karşılaştırarak yorumlayınız.

Tablo 1. Sonuç Tablosu

6. KAYNAKLAR

1. Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri, Frank P. Incropera, David P. Dewitt, Literatür Yayınları, İstanbul.

2. Heat Transfer, J. P. Holman, McGraw-Hill.