Deney 4. Lineer Isı Transfer

DENEY: LİNEER ISI TRANSFER KATSAYISI
AMAÇ
Düzgün duvar boyunca kararlı hal ısı iletimi ve ısı akışındaki değişimin etkisini belirlemek
için sıcaklık dağılımının ölçülmesi. Tek boyutta kararlı ısı akışı için katı madde boyunca ısı
akış hızının belirlenmesinde Fourier hız eşitliğinin kullanımının anlaşılması. Metal iletkenin
ısıl iletkenliğinin belirlenmesi.
KURAMSAL TEMELLER
Termodinamikte ısı, sıcaklık farkından kaynaklanan enerji akışı olarak tanımlanmaktadır. Isı
aktarımı üç şekilde gerçekleşmektedir:
1. İletim: Enerjisi ve hareketi daha fazla olan moleküller daha düşük enerji seviyesine sahip
birbirine komşu moleküllere enerjilerini verirler. Bütün katılarda, sıvılarda ve gazlarda iletim
ile ısı aktarımı bu sekilde gerçekleşmektedir. Metalik katılarda, enerji ya da ısı aktarımı
“serbest elektronlarla” gerçekleşmektedir. İletime; duvar boyunca ısı aktarımı, kış süresince
yerdeki donma olayları örnek olarak verilebilmektedir.
2. Taşınım: Taşınım ile ısı aktarımı yığın hareketi ile akışkanın sıcak-soğuk kısımların
makroskopik karışımları ile gerçekleşmektedir. Taşınım ile ısı aktarımı katı yüzey ile akışkan
arasında gerçekleşmektedir.
3. Radyasyonla
Isı Aktarımı:
Işığın aktarımındaki elektromanyetik dalgalar
gibi
elektromanyetik dalgalar boyunca ısı aktarımının gerçekleşmesidir. Katılar ve sıvılar
radyasyonu adsorplama özelliğine sahiptirler. Bu yüzden radyasyonla ısı aktarımı gazlar ve
boşluk için önemlidir. Dünyanın güneş ışınları ile ısıtılmasına radyasyona örnek olarak
verebiliriz. Bir katı cisim içinde sıcaklık farkları varsa yüksek sıcaklık bölgesinden düşük
sıcaklık bölgesine elektronların hareketiyle tasınan ısı geçiş şekline ısı iletimi denir. Buna
göre metaller iyi elektrik ilettiklerinden aynı zamanda ısıyı da iyi iletirler. Isı iletimi yasası
deneysel gözlemlere dayanan bir yasa olup Fourier ısı iletim yasası olarak adlandırılır. Fourier
yasasına göre herhangi bir yönde (örnegin x yönünde) geçen ısı enerjisi miktarı, x yönündeki
sıcaklık degisim hızı dT/dx, ısı geçis yönüne dik alan A olmak üzere;
𝑄𝑥 = −𝑘𝐴
𝑑𝑇
𝑑𝑋
(1)
olarak ifade edilir. Burada; Qx, pozitif x yönünde ve bu x yönüne dik A alanı üzerinden geçen
ısı enerjisi miktarıdır.
Orantı sabiti k, ısı iletkenlik katsayısı olarak adlandırılır ve maddenin bir özelliğidir. x
yönündeki sıcaklık değişimi;
dT
dx
= lim
∆T
(2)
∆x→0 ∆X
şeklinde tanımlanır. Isı geçişinde sıcaklık pozitif x yönünde azalıyorsa dT/dx negatif olur ve
(1) bağıntısındaki (-) işareti nedeniyle Qx pozitif olarak belirlenir.
DENEYİN YAPILIŞI
Doğrusal iletim modülünde bakır, alüminyum,
çelik ve paslanmaz çeliklerin ısı iletimi deneyi
yapılabilmektedir. Testi yapılacak malzemeler
yalıtılmışlardır.
10 adet sıcaklık ölçüm noktası (talebe göre sayı
arttırılabilmektedir), ısıtma ve soğutma sistemi
bulunmaktadır.
rezistansla
Sistemde
yapılmaktadır.
ısıtma
Yapılan
işlemi
tüm
ölçümler kontrol panelinde dijital olarak
gösterilebilmektedir.
Kontrolerlerin tamamı
kontrol paneli üzerinde bulunmaktadır.
İşlem 1- Standart Pirinç Malzeme
1. Doğrusal ısı iletim deneyine başlamadan önce ölçülecek malzemeyi deney düzeneğine
aşağıdaki şekilde yerleştiriniz ve ayarlayınız.
a) Isıtıcı olan ana ünitenin anahtarını kapatınız.
b) Deney parçasını ölçüm ünitesine yerleştirerek vidalı mekanizmayı kapatınız.
c) Şayet deney için gerekli ise su hortumunu bağlayınız. Doğru sonuç alabilmek için
bağlantıları doğru yaptığınızdan emin olunuz.
d) Su pompasını çalıştırınız ve suyun metal yüzeylere temas etmesi için yaklaşık 1-2
dakika bekleyiniz.
e) Sıcaklık sensörlerini cihaz üzerindeki sırayla test modülüne bağlayınız.
f) Ana ünitenin anahtarını açınız ve ısı kontrolünü minumuma getiriniz. Isıtıcının
anahtarını açınız.
2. Aşağıdaki kısımda tanımlandığı gibi varsa ısı transfer macununu kullanarak pirinç
malzemeyi test hücresine yerleştiriniz.
a) Kağıt mendil veya eski bir bez kullanarak macun uygulanacak yüzeyi temizleyiniz.
b) Yüzeye macunu ince bir tabaka halinde sürünüz. Yüzeyde hava baloncukları
olmadığından emin olunuz.
c) Deney parçasını yerine yerleştiriniz. Ve kağıt mendil veya eski bir bez kullanarak
fazla macunları temizleyiniz.
d) Macunun elbisenize ve cildinize temasından sakınınız.
3. Tablo 1’dekine benzer bir sonuç tablosu oluşturunuz.
4. Referans olacak yerel ortam sıcaklığını ölçmek için sağlam bir termometre kullanınız.
5. Su akışını başlatmak için su pompasını çalıştırınız. Daha sonra ısıtıcıyı çalıştırınız ve
30 Watt gücüne ayarlayınız.
6. Sıcaklık durgun hale gelene kadar bekleyiniz ve sonra T1 ve T10 değerlerini
kaydediniz.
7. Karşılaştırma için birinci testi tekrarlayınız ya da ısıtıcı gücünü 30 Watt’tan fazla bir
değere ayarlayınız.
8. Isıtıcıyı ve su desteğini kapatınız.
Tablo 1: Sonuç Tablosu
Deney:
Orta Kısım Malzemesi:
Ortam Sıcaklığı:
Güç (W)
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
T10
T1 (mm)
den Mesafe
0
0,02 0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
Sonuç Analizi
Birinci termokupl yardımıyla her güç ayarı için elde edilen sonuçlardan çubuk boyunca
mesafeye karşılık sıcaklığın grafiğini çiziniz. (Şekil 4’e bakınız). Eğer orta kısım
sıcaklığınız (T4) grafikteki doğruya yakın değilse orta kısım düzgün oturtulmamış
demektir.
T1
T2
T3
T4
Sıcaklık
T5
T6
T7
T8
T9
T10
T1 (mm)den mesafe
Şekil 4 : Standart malzeme testi için grafik oluşturma
Referans sıcaklık için doğru boyunca ısı dağılımını hesaplayınız.
Metal çubuğun ısıl iletkenliğini aşağıdaki denklemi kullanılarak hesaplayınız.
𝒌=
𝑾𝑳
𝑨(𝑻𝟏 − 𝑻𝟐)
Burada;
k : ısı iletim katsayısı (W/mK)
W : Isıl enerji (ısı/zaman) (J/s = W)
L : Isı transfer boyu (m)
A : Isı transfer alanı (m2) dır.
Tablo 2: Seçilmiş bazı malzemelerin ısıl iletkenlikleri
Normal şartlarda malzeme (298 K, 24.85OC)
Tipik ısıl iletkenlik (k) W/mK
Metal
Saf alüminyum
Malzeme
Alüminyum alaşımı (6082)
170
Pirinç (CZ 121 tipi)
123
Pirinç (63% bakır)
125
Pirinç (70% bakır)
109-121
Saf bakır
353-386
Gaz
Diğerleri
205-237
Bakır (C101 tipi)
388
Hafif çelik
50
Paslanmaz çelik
16
Hava
0.0234
Hidrojen
0.172
Asbestos
0.28
Cam
0.8
Su
0.6
Ağaç (yumuşak ya da sert ağaç)
0.07-0.2
Tablo 2’de verilen değerler ile karşılaştırınız. Eğer varsa hatanın nedenini açıklayınız.
Her ısıtıcı güç için grafik dağılımı hakkında neyi farkettiniz?
İşlem 2- Farklı Malzemeler
İşlem 1’i farklı malzemeler için tekrarlayınız.
Sonuç Analizi
İşlem 1’de olduğu gibi sonuçları mesafeye karşılık grakik olarak çiziniz.
Isıl dağılımın tümünü bulmak için sonuçların tümüne en uygun doğruyu ekleyiniz.
Orta kısmın kenarları
T1
T2
T3
•
•
Sıcaklık
•
T4
T5
T6
T7
T1 (mm)den mesafe
Şekil 3. Isıl dağılımın tümünü göstermek için en uygun doğrunun eklenmesi
Tüm sonuçlardan bütün çubuk için ısıl direnç R değerini bulunuz, sonra ısıl dirençleri seriler
metodunda toplam R değerini ve orta kısmındaki k değerini bulmak için kullanınız.
(1. işlemde pirincin ortasının her kenarı için bulduğunuz k değerlerini kullanınız.)
İşlem 3- İyi Isıl İletim
İşlem 1’i tekrarlayınız; fakat testlerinizden önce orta kısmın yüzeyinden ısı transfer macununu
kaldırmak için bir bez kullanınız.
İşlem 1’deki sonuçları tam olarak çiziniz ve oluşturduğunuz ısı dağılımın beklediğiniz kadar
doğrusal olup olmadığını kontrol ediniz.
Daha az etkin temas alanın (macunsuz) sonuçları nasıl etkileyeceğini açıklayabilir misiniz?
İşlem 4- Isıl Yalıtım
Soğutma suyu akışı olmadan pirinç orta kısmını kullanarak düşük bir ısıtıcı ayarı için (örneğin
30 W ) işlem 1’i tekrarlayınız.
Deneye başladığınız zamandan itibaren sıcaklıklar durgun hale gelene kadar her 10 saniyede
bir sıcaklıkları kaydediniz. (Yerel sıcaklığa bağlı olarak iki saat alabilir.)
İlk ve son termokulplar için (T1 ve T0) zamana karşılık sonuçları çiziniz ve termal yalıtım ile
son sıcaklık farkını not ediniz.