1
TERMAL İLETKENLİK (SIVI) EĞİTİM SETİ
DENEY FÖYÜ
2 TEORİK BİLGİLER
Radyal (silindirik) koordinatlarda ısı geçişi:
Örneğin sıcak bir su borusundaki ısı iletimini dikkate alalım. Isı, borunun duvarından dışarıya sürekli olarak kaybolur; borudan ısı transferinin boru yüzeyine dik doğrultuda olduğu bu diğer doğrultularda önemli bir ısı transferinin olmadığını sezebiliyoruz (Şekil 1.). Kalınlığı gayet az olan boru duvarı, sıcaklıkları farklı iki akışkanı ayırır ve bu yüzden sıcaklık gradyanı radyal doğrultuda oldukça büyüktür. Ayrıca, eğer içte ve dıştaki akışkan sıcaklıkları sabit kalıyorsa, o zaman boru üzerinde ısı transferi sürekli olur. Bu sebeple boru üzerindeki ısı transferi sürekli ve tek boyutlu olarak modellenebilir. Bu durumda borunun sıcaklığı yalnız bir doğrultuya (radyal r doğrultusu) bağlıdır ve T=T(r) olarak yazılabilir. Uygulamada bu duruma uzun silindirik borular ve küresel tanklar yakındır.
Sürekli işlemde herhangi bir noktadaki boru sıcaklığı zamanla değişmez. Bu yüzden boru içine olan ısı transferinin hızı, borudan dışarı olan ısı transferinin hızına eşit olmalıdır. Bir başka deyişle boru boyunca ısı transferi sabit, yani Qiletim,silindir=sabit olmalıdır.
İç yarıçapı r1, dış yarıçapı r2, boyu L ve ortalama ısıl iletkenliği k olan dairesel boruya benzer- uzun bir silindirik katman göz önüne alalım (Şekil 2.). Silindirik katmanın iki yüzeyi T1 ve T2 sabit sıcaklıklarında tutulmaktadır. Katman içerisinde ısı üretimi yoktur ve ısıl iletkenlik sabittir. Silindirik katmanda tek boyutlu ısı iletimi için T(r) bağıntısı bulunmaktadır. Bu durumda silindirik katman içerisinde ısı iletimi için Fourier ısı iletim kanunu;
𝑄̇𝑖𝑙𝑒𝑡𝑖𝑚,𝑠𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟 = −𝑘𝐴𝑑𝑇
𝑑𝑟 [𝑊] [1]
olarak yazılabilir. Burada r bölgesindeki ısı transfer alanı A=2πrL’dir. Dikkat edilirse burada A değeri r’ye bağlıdır ve dolayısıyla A ısı transferi doğrultusunda değişir. Yukarıdaki denklem değişkenlerine ayırılır ve T(r1)=T1’in olduğu r=r1’den, T(r2)=T2’nin olduğu r=r2’ye kadar integre edilirse;
∫ 𝑄̇𝑖𝑙𝑒𝑡𝑖𝑚,𝑠𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟
𝐴 𝑟2
𝑟=𝑟1 𝑑𝑟 = −∫𝑇=𝑇𝑇2 𝑘𝑑𝑇
1 [2]
bulunur. A=2πrL yerine koyulur ve integraller alınırsa, Qiletim, silindir=sabit olduğu için,
𝑄̇𝑖𝑙𝑒𝑡𝑖𝑚,𝑠𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟= 2𝜋𝐿𝑘𝑇2−𝑇1
ln (𝑟2
𝑟1) [𝑊] [3]
𝑘 =𝑄̇𝑖𝑙𝑒𝑡𝑖𝑚,𝑠𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟ln (𝑟2
𝑟1)
(𝑇2−𝑇1)2𝜋𝐿 [W/m oC] [4]
3
𝑄̇: Isıtıcı yükü [W]
L: Test sıvısının içinde bulunduğu malzemenin uzunluğu(110mm) k: Isı iletim katsayısı (W/m oC)
r
2: Test akışkanı dış çapı (45 mm) r
1: Test akışkanı iç çapı (Sıvı:39 mm) T
1: Test akışkanı iç sıcaklığı (oC) T
2: Test akışkanı dış sıcaklığı (oC) k
gerçek= k
ort×0.42
Şekil 1. 1 boyutlu radyal ısı geçişi, silindirik katman.
4 TESİSATIN TANITIMI
Şekil 2. Termal iletkenlik (Sıvı) eğitim seti şeması
5 DENEY 1:
Aşağıdaki maddelerde bulunan talimatları izleyerek verilen tabloyu elde ettiğiniz deneysel verilerle doldurun.
1) Test akışkanını su olarak, enjektör veya iğneli ünyon yardımı ile, sistemde hava kalmayacak şekilde enjekte ediniz
2) Su giriş hattını şebekeye bağlayın ve vanayı açınız. (Akışkan ölçüm hattı üzerindeki vanaları açınız)
3) Ana şalteri açınız.
4) Isıtıyıcı çalıştırınız.
5) Isıtıcı kademesini LCD ekran üzerinden en üst seviyeye ayarlayınız. (min. :%25 – max. :%100)
6) Sistemin kararlı hale gelmesini bekleyin.
7) Sıcaklıklar dengeli hale geldiğinde 5 saniye aralıklarla 100 farklı ölçüm değerini 2 farklı ısıtıcı kademesi için okuyup kaydedin.
8) Deney bittikten sonra ana şalteri ve şebeke suyunu kapatınız.
Isıtıcı Kapasitesi Isıtıcı Gücü (W) T1 (oC) T2 (oC)
%100
%75
%50
%25
Tablo 1. Hesaplamalarda kullanılmak üzere elde edilen deney verileri tablosu.
1) Sıvılarda ısıl iletkenlik katsayısının bulunması
Tablo 1’i test akışkanı su olacak şekilde deneyi yaparak deney verileri ile doldurunuz. Her kademe için 3 numaralı formülü kullanarak karşılık gelen iletim katsayısı değerini bulunuz. Bu iletim katsayısı değerlerinin aritmetik ortalamasını k düzeltme katsayısıyla çarpıp Tablo 2’deki ilgili değer ile karşılaştırıp yorumlayınız. Farklı güçlerde oluşan sıcaklık farkını grafik yardımıyla gösteriniz.
6 DENEY 2:
Aşağıdaki maddelerde bulunan talimatları izleyerek verilen tabloyu elde ettiğiniz deneysel verilerle doldurun.
1. Test akışkanını nano akışkan olarak, enjektör veya iğneli ünyon yardımı ile, sistemde hava kalmayacak şekilde enjekte ediniz
2. Su giriş hattını şebekeye bağlayın ve vanayı açınız. (Akışkan ölçüm hattı üzerindeki vanaları açınız)
3. Ana şalteri açınız.
4. Isıtıyıcı çalıştırınız.
5. Isıtıcı kademesini LCD ekran üzerinden en üst seviyeye ayarlayınız. (min. :%25 – max. :%100)
6. Sistemin kararlı hale gelmesini bekleyin.
7. Sıcaklıklar dengeli hale geldiğinde 5 saniye aralıklarla 100 farklı ölçüm değerini 2 farklı ısıtıcı kademesi için okuyup kaydedin.
8. Deney bittikten sonra ana şalteri ve şebeke suyunu kapatınız.
Isıtıcı Kapasitesi Isıtıcı Gücü (W) T1 (oC) T2 (oC)
%100
%75
%50
%25
Tablo 1. Hesaplamalarda kullanılmak üzere elde edilen deney verileri tablosu.
2) Sıvılarda ısıl iletkenlik katsayısının bulunması
Tablo 1’i test akışkanı nano-akışkan olacak şekilde deneyi yaparak deney verileri ile doldurunuz. Her kademe için 3 numaralı formülü kullanarak karşılık gelen iletim katsayısı değerini bulunuz. Bu iletim katsayısı değerlerinin aritmetik ortalamasını k düzeltme katsayısıyla çarpıp Tablo 2’deki ilgili değer ile karşılaştırıp yorumlayınız. Farklı güçlerde oluşan sıcaklık farkını grafik yardımıyla gösteriniz.
7
Tablo 1. Bazı malzemelerin ısıl iletkenlik katsayıları tablosu.
