T.C.
KIRIKKALE ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MAKİNA LABORATUVARI - II
DENEY FÖYLERİ
2013–2014 Bahar Yarıyılı
4. Sınıf
© Makina Mühendisliği Bölümü Başkanlığı
Şubat 2014, Kırıkkale
ÖNSÖZ
Makina Laboratuvarı Dersi, mühendislik fakülteleri öğrencileri için, lisans öğrenimleri
süresince görmüş oldukları derslerin bir uygulaması olduğundan büyük bir öneme sahip olup
bu yönüyle de diğer derslerden ayrılmaktadır. Bu nedenle, diğer derslerde öğrenilen konuların
özümsenebilmesi, laboratuvar derslerine verilen önemle mümkün olacaktır. Bütün deneylere
girilmesi, deney raporlarının irdelenerek kapsamlı bir şekilde hazırlanması, daha önce teorik
olarak incelenmiş olan birçok konunun daha iyi anlaşılmasına büyük katkı sağlayacaktır.
Öğrencilerimizin laboratuvar derslerine daha donanımlı bir şekilde katılımlarını sağlamak
ve deney föylerini temin etmek için her deneyden önce zaman harcamalarının önüne geçmek,
bu kitapçıkların hazırlanmasında temel hareket noktası olmuştur. Bununla birlikte, bütün
deney
föylerinin
bir
arada
bulunması,
öğrencilerimizin
mesleki
yaşamlarında
başvurabilecekleri bir kaynak oluşturması açısından da önemlidir.
Hazırlanan bu kitapçığın tüm öğrencilerimize yararlı olmasını temenni ederken,
kitapçıkların hazırlanmasında asıl katkı sahipleri olan bölümümüz öğretim elemanlarına
teşekkürlerimi sunarım.
Şubat 2014, Kırıkkale
Prof. Dr. Veli ÇELİK
Makina Mühendisliği Bölüm Başkanı
İÇİNDEKİLER
1. GİRİŞ
1.1. Dersin Amacı ve Kapsamı
1.2. Deneysel Çalışmaların Temelleri / Önemi
1.2.1 Deneysel Hatalar ve Hata Analiz Yöntemleri
1.2.2 Belirsizlik Analizi Yöntemi
1.3. Ders ile İlgili Genel Düzenlemeler
1.3.1 Ders İle İlgili Genel Hususlar
1.3.2 Deney Raporu Hazırlanışı
1.4. Deney Grupları ve Tarihleri
1.5. Deney Listesi ve İlgili Öğretim Elemanları
1.6. Döneme ait ilave notlar
2. DENEY FÖYLERİ
2.1 Basma Deneyi
2.2 Bilgisayar Destekli İmalât - II Deneyi
2.3 Çentik Darbe Deneyi
2.4 Düz Güneş Kolektörü Verim Ölçümü Deneyi
2.5 Emisyon Ölçüm Deneyi
2.6 Gözeneklilik Ölçümü Deneyi
2.7 Işınımla Isı Geçişi Deneyi
2.8 İklimlendirme Deneyi
2.9 Metalografi ve Yoğunluk Ölçümü Deneyi
2.10 Sıvıların Isı İletim Katsayısı Ölçümü Deneyi
2.11 Statik ve Dinamik Dengeleme Deneyi
Ekler
Ek-1 Deney Raporu Kapak Sayfası Örneği
Kaynaklar
1. GİRİŞ
Makina Laboratuvarı dersi, mühendislik fakülteleri öğrencileri için, lisans öğrenimleri
süresince görmüş oldukları derslerin bir uygulaması olduğundan büyük bir öneme sahip olup
bu yönüyle de diğer derslerden ayrılmaktadır. Bu nedenle, diğer derslerde öğrenilen konuların
daha iyi kavranabilmesi, laboratuvar derslerine verilen önemle mümkün olacaktır. Bütün
deneylere girilmesi, deney raporlarının irdelenerek kapsamlı bir şekilde hazırlanması, daha
önce teorik olarak incelenmiş birçok konunun daha iyi anlaşılmasına büyük katkı
sağlayacaktır.
1.1 Dersin Amacı ve Kapsamı
Makina Laboratuvarı dersi bir uygulama dersi olup, öğrencilerin lisans öğrenimi süresince
derslerde teorik olarak gördükleri birçok kanunun geçerliliğinin deneylerle gösterilmesi
amacına yöneliktir. Bu uygulama dersi kapsamında yapılacak deneylerle; Malzeme dersinden
Termodinamik dersine, Mukavemet dersinden Isı Transferi dersine kadar birçok dersin temel
prensiplerinin izahına çalışılacaktır. Bu yönüyle, bir anlamda lisans öğreniminin özetlendiği
bir ders işlevi görmekte olup konuların pekiştirilebilmesi için bir fırsat sağlamaktadır.
1.2 Deneysel Çalışmaların Temelleri / Önemi
Deneysel çalışmaların, derslerde teorik olarak işlenen konuların özümsenebilmesinde
büyük bir etken olduğu hususu açıktır. Ancak bu amaca ulaşılabilmesi için; deneylerin büyük
bir titizlikle ve sabırla yapılmış olması, deneylerde kullanılacak cihazların mutlaka kalibre
edilmiş olmaları, deneylerin yeteri kadar sayıda tekrar edilmiş olması, deney tesisatı sürekli
rejim şartlarına ulaştıktan sonra ölçümlerin alınmış olması gibi birçok şartın yerine getirilmesi
gerekir. Ancak, bütün bu şartlar yerine getirilse bile, bütün deneysel çalışmalar yine de hatalar
içerir. Deneysel çalışmalarda meydana gelen çeşitli hatalar ve bu hataların analizi aşağıda
özetle açıklanmıştır.
1.2.1 Deneysel Hatalar ve Hata Analiz Yöntemleri
Deneysel çalışmaların tümü, çeşitli nedenlerden dolayı hata içerir. Deneysel çalışmalarda
yapılan bu hatalar genellikle üç gurupta toplanabilir. Bunlardan birincisi, deney yapan
araştırmacının dikkatsizlik ve tecrübesizliğinden ileri gelen hatalardır. Deney tesisatlarında
kullanılan ölçme cihazlarının yanlış seçiminden veya ölçme sistemlerinin yanlış tasarımından
kaynaklanan hatalar bu gurup içinde düşünülebilir. İkinci gurup hatalar, sabit veya sistematik
hatalar olarak adlandırılan hatalardır. Bunlar genellikle tekrar edilen okumalarda görülen ve
nedenleri çoğunlukla tespit edilemeyen hatalardır. Üçüncü gurup hatalar ise rastgele
hatalardır. Bunlar ise; deneyi yapan kişilerin değişmesinden, deneyi yapanların dikkatlerinin
zamanla azalmasından, elektrik geriliminin değişmesinden, ölçme aletlerindeki histerizis
olaylarından veya cihazların ısınması nedeniyle elektronik ölçme aletlerinde oluşan
salınımlardan kaynaklanabilmektedir [1].
Deneysel sonuçların geçerliliğinin belirlenmesi için mutlaka bir hata analizi yapmak
gerekmektedir. Deneylerden elde edilen veriler kullanılarak hesaplanan parametrelere ait sabit
hata miktarlarının (veya oranlarının) tespiti için pratikte bir kaç yöntem geliştirilmiştir. Bu
yöntemler
içerisinde, belirsizlik analizi (uncertainty analysis)
ve akılcı yaklaşım
(commonsense basis) yöntemleri en çok kullanılanlarıdır [1].
1.2.2 Belirsizlik Analizi Yöntemi
Herhangi bir deney tesisatı aracılığı ile tespit edilmesi/hesaplanması gereken büyüklük R,
bu büyüklüğe etki eden n adet bağımsız değişkenler ise; x1, x2, x3,.....,xn olsun. Bu durumda;
R = R ( x1 , x 2 , x3 ,....., x n )
(1)
yazılabilir. Deneylerde etkili olan her bir bağımsız değişkene ait sabit hata değerleri; w1, w2,
w3,.....,wn ve R büyüklüğünün sabit hata değeri wR ise, belirsizlik analizi yöntemine göre;
2
2
éæ ¶R ö 2 æ ¶R
æ ¶R
ö ù
ö
wR = ± êçç
w1 ÷÷ + çç
w2 ÷÷ + ..... + çç
wn ÷÷ ú
êëè ¶x1 ø è ¶x 2
ø
è ¶x n
ø úû
şeklinde verilmektedir.
12
(2)
1.3 Ders İle İlgili Genel Düzenlemeler
Mühendislik fakülteleri öğrencileri için, lisans öğrenimleri süresince görmüş oldukları
derslerin bir uygulaması olan laboratuvar dersinin amacına ulaşabilmesi için, aşağıda yer alan
genel hususlara uyulması ve deney raporu hazırlamaya gereken önemin verilmesi
kaçınılmazdır. Buna göre aşağıdaki düzenlemelere uyulması gerekmektedir.
1.3.1 Ders İle İlgili Genel Hususlar
Dersin daha etkin olabilmesi için aşağıdaki kurallara uyulması gerekmektedir. Buna göre;
1) Deneylere gelmeden önce ilgili deney föyü detaylı olarak incelenecektir.
2) Deney föyü yanında olmayan öğrenci kesinlikle deneye alınmayacaktır.
3) Her öğrenci kendi grubu ile beraber deneylere girecektir.
4) Öğrenci, deneylerin % 80’ine katılmak ve bu deneylere ait raporların tamamını teslim
etmek zorundadır. Ancak; deney raporlarına ilişkin not ortalaması, toplam deney
sayısı dikkate alınarak hesaplanacaktır.
5) Deney raporlarında, bu kitapçıkta Ek-1’de gösterilen kapak sayfası kullanılacaktır.
6) Deney raporları, ilgili deneyde yapılan ölçümlerin yer aldığı tabloyu da içerecektir.
7) Deney raporları, bilgisayar ortamında hazırlanabildiği gibi el yazısı ile de yazılabilir
ve raporun kapak sayfası hariç, kâğıtların her iki tarafı da kullanılacaktır.
8) Deney raporları, deneyin yapıldığı tarihten itibaren en geç 1 hafta içinde teslim
edilecektir. Geç rapor teslimi kesinlikle bir seçenek değildir. Geç teslim edilen
raporlar değerlendirilmeye alınmayacaktır.
9) Deney raporları, bizzat öğrenci tarafından ilgili uygulama sorumlusuna teslim
edilecektir. Kendisine yöneltilecek olan sorulara vereceği cevaplar, ilgili deney
raporundan alacağı nota büyük oranda etki edecektir.
10) Dönem sonlarında “Telafi Deneyi” yapılmayacaktır.
1.3.2 Deney Raporu Hazırlanışı
1) Deney raporlarında, bu kitapçıkta Ek-1’de gösterilen kapak sayfası kullanılacaktır.
2) Deney raporunda; kapak sayfası, deneyin amacı, deney tesisatının şematik gösterimi,
deney tesisatının ana elemanları ve bu elemanların tanıtımı ile görevleri yer alacaktır.
3) Yine deney raporunda; ilgili deneyde yapılan ölçümlerin yer aldığı tablo,
hesaplamalar, sonuçların yer aldığı tablo, sonuçlardan hareketle çizilecek grafikler ile
sonuç ve yorum bölümleri yer alacaktır.
1.4 Deney Grupları ve Tarihleri
Deney grupları ve deney tarihleri her bir yarıyıl (Güz ve Bahar Yarıyılları) için standart hale
getirilmiş olup bunlar; Tablo 1.1, Tablo 1.2 ve Tablo 1.3’de gösterilmiştir.
Grup Numarası
1. Grup
2. Grup
3. Grup
4. Grup
5. Grup
6. Grup
7. Grup
8. Grup
Tablo 1.1 Öğrenci Numarasına Göre Deney Grupları
Öğrenci Numarası (N.Ö.)
Öğrenci Numarası (İ.Ö.)
100202…01 – 10
100250…01 – 10
100202…11 – 20
100250…11 – 20
100202…21 – 30
100250…21 – 30
100202…31 – 40
100250…31 – 40
100202…41 – 50
100250…41 – 50
100202…51 – 60
100250…51 – 60
100202…61 – 70
100250…61 – 70
Diğerleri
Diğerleri
Tablo 1.2 Deney Haftaları ve Kapsadığı Tarih Aralığı
Yarıyıldaki Hafta
Tarih Aralığı
3. Hafta
24 - 28 Şubat 2014
4. Hafta
3 -7 Mart 2014
5. Hafta
10 - 14 Mart 2014
6. Hafta
17 - 21 Mart 2014
7. Hafta
24 - 28 Mart 2014
8. Hafta
31Mart - 4 Nisan 2014
9. Hafta
7 - 11 Nisan 2014
14 - 18 Nisan 2014
10. Hafta
(Vize Haftası)
11. Hafta
21 - 25 Nisan 2014
12. Hafta
28 Nisan -2 Mayıs 2014
13. Hafta
5 – 9 Mayıs 2014
14. Hafta
12-16 Mayıs 2014
Tablo 1.3 Deney Grupları ve Deney Tarihleri
Grup No
1. Grup
2. Grup
3. Grup
4. Grup
5. Grup
6. Grup
7. Grup
8. Grup
1.Deney
3. hafta
4. hafta
5. hafta
6. hafta
7. hafta
8.hafta
9. hafta
11.hafta
2.Deney
4. hafta
5. hafta
6. hafta
7. hafta
8.hafta
9. hafta
11. hafta
12. hafta
3.Deney
5. hafta
6. hafta
7. hafta
8.hafta
9. hafta
11. hafta
12.hafta
13.hafta
4.Deney
6. hafta
7. hafta
8.hafta
9. hafta
11. hafta
12.hafta
13.hafta
14. hafta
5.Deney
7. hafta
8.hafta
9. hafta
11. hafta
12. hafta
13.hafta
14. hafta
3. hafta
6.Deney
8.hafta
9. hafta
11. hafta
12.hafta
13.hafta
14. hafta
3. hafta
4. hafta
7.Deney
9. hafta
11. hafta
12.hafta
13.hafta
14. hafta
3. hafta
4. hafta
5. hafta
8.Deney
11. hafta
12.hafta
13.hafta
14. hafta
3. hafta
4. hafta
5. hafta
6. hafta
9.Deney
12. hafta
13.hafta
14. hafta
3. hafta
4. hafta
5. hafta
6. hafta
7. hafta
10.Deney
13. hafta
11.Deney
14. hafta
14. hafta
3. hafta
4. hafta
5. hafta
6. hafta
7.hafta
8.hafta
3. hafta
4. hafta
5. hafta
6. hafta
7.hafta
8.hafta
9.hafta
1.5 Deney Listesi ve İlgili Öğretim Elemanları
Söz konusu yarıyılda yapılacak deneylerin ismi ve bu deneylerden sorumlu olan öğretim
elemanları Tablo 1.4’de gösterilmiştir.
Tablo 1.4 Deney Listesi ve İlgili Öğretim Elemanları
Sıra
No
Deneyin Adı
1
Basma Deneyi
2
3
Bilgisayar Destekli İmalat-II Deneyi
Çentik Darbe Deneyi
Düz Güneş Kolektörü Verim
Ölçümü Deneyi
4
Deney Sorumlusu
Yrd.Doç.Dr.Barış
KALAYCIOĞLU
Yrd.Doç.Dr.Ali Osman ER
Yrd.Doç..Dr.Tolga Demircan
Prof.Dr.Yahya DOĞU
5
Egzoz Gazı Analizi Deneyi
Prof.Dr.Veli ÇELİK
6
Gözeneklilik Ölçümü Deneyi
Prof.Dr.İbrahim UZUN
7
Işınımla Isı Geçişi Deneyi
Yrd.Doç.Dr.Battal DOĞAN
8
İklimlendirme Deneyi
Prof.Dr.Ali ERİŞEN
9
10
11
*Deney Saati
(NÖ / İÖ)
Uygulama Sorumlusu
Deney Yeri
Arş.Gör.Alemdar ONGUN
Mekanik Lab.
11.30-17.00
Arş.Gör.Alemdar ONGUN
Arş.Gör.Fatih CELLEK
CNC Lab.
Mekanik Lab.
Müh.Fak. Üst
Otopark
13.00-18.00
11.30-17.00
Otomotiv MYO Lab.
11.30-17.00
KÜMLAB
Akışkanlar Mekaniği
Lab.
13.00-18.00
Termodinamik Lab.
11.30-17.00
Arş.Gör.Ali BARKUZ
Arş.Gör.Ahmet Alper
YONTAR
Arş.Gör.Ali BARKUZ
Arş.Gör.Ahmet Alper
YONTAR
Arş.Gör.Ömer
RESULOĞULLARI
Metalografi ve Yoğunluk Ölçümü
Doç.Dr.Recep ÇALIN
Arş.Gör.Onur Okur
Metalografi Lab.
Deneyi
Sıvıların Isı İletim Katsayısı Ölçümü
Yrd.Doç.Dr.Z.Onur
Arş.Gör.Ömer
KÜMLAB
Deneyi
PEHLİVANLI
RESULOĞULLARI
Statik ve Dinamik Dengeleme
Makina Teo.ve Din.
Yrd.Doç.Dr.Hakan ARSLAN
Arş.Gör.Fatih CELLEK
Deneyi
Lab.
*Deney saatlerinde değişimler olması durumunda uygulama sorumlularının duyurularını ve bölüm panosunu takip ediniz.
11.30-17.00
13.00-18.00
13.00-18.00
11.30-17.00
13.00-18.00
1.6 Döneme ait ilave notlar
1. Ders kapsamında 2 adet arasınav notu olacaktır.
1. arasınav: Arasınav haftasında yapılan arasınav notu.
2. arasınav: Deney raporlarından oluşan ortalama rapor notu.
2. Dersten devam alınabilmesi için; deneylerin %80’ine katılım olması ve katılım olan
deneyler için geçerli deney raporunun teslim edilmesi gerekmektedir. Ortalama rapor
notu, toplam deney sayısı üzerinden hesaplanır.
3. DVLT olanlar deneylere katılmayacaklar, sınavlara katılacaklardır. Bunlar için 2.
arasınav notu olarak, 1. arasınavdan aldıkları not sisteme girilecektir.
4. Ders ile ilgili diğer düzenlemeler için, Deney Föyleri kitapçığının “1.3 Ders İle İlgili Genel
Düzenlemeler” bölümünü gözden geçiriniz.
5. Döneme ait yenilenmiş Deney Föyleri kitapçığı, Bölüm web sitesinden ve Fakültedeki
fotokopiciden temin edilebilir.
6. Deneyler hakkında bilgi almak için, öncelikli Uygulama Sorumlusu ve Deney Sorumlusu
ile görüşülebilir. Ders ile ilgili genel bilgiler için Bölüm Başkanlığı ile görüşülebilir.
2.
DENEY FÖYLERİ
2.1.
BASMA DENEYİ
1. Giriş ve Deneyin Amacı
Mühendislik malzemelerinin çoğu, uygulanan gerilmeler altında biçimlerini kalıcı olarak
değiştirirler, yani plastik şekil değişimine uğrarlar. Bu malzemelerin hangi koşullar altında ve
ne zaman kalıcı şekil değişimine uğrayacaklarını bilmek çok önemlidir. Çeşitli yapı
elemanlarının veya makina parçalarının etkisinde bulundukları yükler altında biçimlerini
değiştirmesi istenilmeyen bir olaydır. Basma deneyi, çekme deneyinin tersi olarak kabul
edilebilir ve çekme basma makinelerinde basma kuvveti uygulamak sureti ile yapılır. Basma
kuvvetinin etkin olduğu uygulamalarda kullanılan gevrek malzemelerin, mukavemet değerleri
basma deneyi ile belirlenir. Bu nedenle basma deneyinden elde edilen sonuçlar gevrek
malzemelerle yapılan tasarımda doğrudan kullanılabilirler. Basma deneyinde genellikle
silindirik veya dairesel kesitli örnekler kullanılır.
2. Deneyin Yapılışı
Basma deneyi, standartlara göre hazırlanan deney numunesinin (örnek), sabit sıcaklıkta ve tek
eksende, belirli bir hızla, malzeme dağılıncaya kadar(yük taşıyamaz duruma gelene kadar)
basılması işlemidir. Basma makinalarında basma plakaları aracılığı ile örneğe yük uygulanır.
Yük uygulanan plakaların alt ve üst yüzeyleri, numunenin düşey eksenine dik ve birbirine
paralel olmalıdır. Basma deneyinde, numunenin kesiti sürekli arttığından, çekme deneyinde
görülen boyun verme olayı meydana gelmez. Sünek ma1zemlerin basma deneyleri sırasında
örnek uçlan ile basma plakaları arasındaki sürtünme kuvvetinden dolayı, fıçı olayı olarak
adlandırılan şişme meydana gelir. Basma deneyine tabi tutulan sünek bir malzemedeki fıçı
oluşumu Şekil 2’de gösterilmektedir.
Kopma uzaması ve kopma büzülmesi değerleri hemen hemen sıfır olan gevrek malzemelerin
sünekliği çekme deneyi ile ölçülemez. Bu tür malzemelerin sünekliği basma deneyi ile
ölçülür. Basma deneyinde çok küçük boyuttaki örnekler bile deneye tabi tutulabilir. Bu
durum, deneye tabi tutulacak malzemelerin pahalı ve çok az olması durumunda yararlar
sağlar.
Şekil 1.’de yuvarlak kesitli ve silindirik başlı, bir malzeme için basma numunesi örneği
verilmiştir.
h0
d0
Şekil 1. Yuvarlak kesitli silindirik başlı basma örneği
Burada ;
d0 = Numune çapı
h0 = Numune yüksekliği »1.5d0
d= Numunenin son çapı.
h0= Numunenin son yüksekliği.
Şekil 2. Basma Kuvveti uygulanan sünek malzemelerdeki fıçı oluşumu; a) basma kuvveti
yok, b) Basma kuvveti etkisiyle fıçı oluşumunun ilk aşaması, c) Fıçı oluşumunun
tamamlanması
Basma deneyi sonucunda, malzemelerin basma diyagramı elde edilir. Basma diyagramı,
genelde çekme diyagramına benzer. Basma diyagramının elastik deformasyonu gösteren
kısmı çekme diyagramının elastik kısmı gibidir ve akma sınırından sonra, basma
diyagramında da plastik deformasyon azalması meydana gelir. Basma diyagramında plastik
deformasyonu gösteren kısmın ilk aşaması, çekme diyagramının plastik deformasyon
bölgesinin ilk devresini andırır, ancak çekme diyagramında maksimum noktadan sonra
gerilme değerinde bir azalma meydana gelirken, basma diyagramında gerilme artar. Yani
basma eğrisinin eğiminde artış meydana gelir. Bu durum, basma sırasında numune kesitinin
devamlı artmasından kaynaklanır. Özellikle plastik deformasyonun sonuna doğru numune
kesiti büyük oranda arttığından, basma gerilmesinde de ani yükselme görülür. Şekil 4'te
metalik bir malzemenin çekme ve basma diyagramları görülmektedir.
Şekil 3. Gevrek malzemende basma etkisiyle meydana gelen kırılma türleri
Basma deneylerindeki kırılma şekli de önem taşımaktadır, Gevrek malzemeler, genelde
malzeme içerisindeki kayma düzlemlerine etkiyen kayma gerilmesinin büyüklüğüne göre üç
şekilde kırılır. Basma kuvveti etkisiyle gevrek malzemelerde meydana gelen kırılma şekilleri
şekil 3‘de görülmektedir,
Şekil 4. Metalik bir malzemenin çekme ve basma diyagramları
Basma deneyi sonucunda numunelerin temsil ettiği malzemeye ait aşağıda verilen mekanik
özellikler belirlenebilir.
a) Akma Dayanımı (sa ): Gerilmenin yaklaşık olarak sabit kalmasına karşılık, plastik şekil
değiştirmenin önemli ölçüde arttığı ve basma diyagramının düzgünsüzlük gösterdiği gerilme
değeridir. Bu belirgin akma sınırı ancak bazı malzemelerde, örneğin düşük karbonlu yumuşak
çelikte, deney şartlarına bağlı olarak görülebilir. Akma sınırının belirgin olmaması halinde
bunun yerine, genellikle %0.2' lik elastik uzamaya (%eelastik = 0.2 veya eelastik = 0.002) karşılık
gelen gerilme s0.2 sınırı alınır.
b) Basma Dayanımı (sb): Bir malzemenin dağılmadan dayanabileceği en yüksek basma
gerilmesi olarak tanımlanır. Bu gerilme, basma diyagramındaki en yüksek gerilme olup, sb =
Fmax/A0 formülü ile bulunur. Bu gerilmeye kadar numunenin kesiti her tarafta aynı oranda
büyüdüğü halde özellikle plastik deformasyonun sonuna doğru numune kesiti büyük oranda
artar ve daha büyük bir gerilmede numune kırılır.
c ) Orantı Sınırı (s0): Gerilme ile birim uzama arasında s = E. e bağıntısının (Hooke
kanunu) geçerli olduğu doğrusal kısmı sınırlar. Bu bağıntıdaki orantı katsayısı E, elastiklik
(katılık) modülü adını alır ve doğrunun eğimini gösterir. Ahşap, kauçuk ve deri gibi bazı
malzemelerin s - e diyagramında böyle bir doğrusal bölge bulunmadığı için, sabit bir E değeri
yerine ancak, belirli bir noktadaki teğetin eğimi söz konusu olur. Bir malzemenin elastiklik
modülü ne kadar büyükse, rijitliği yani elastik şekil değiştirmeye karşı direnci de o oranda
büyüktür. Bir malzemeye ait elastiklik modülü herhangi bir ısıl veya mekanik işlem
yardımıyla değiştirilemez.
d) Kopma Uzaması (K.U.): Basma örneğinin kopuncaya veya kırılıncaya kadar gösterdiği
yüzde uzama miktarı olarak tanımlanır. Deney parçasının kopan kısımlarının bir araya
getirilmesi ile ölçülen lk ve Dlk = lk-l0 yardımıyla K.U. = % Dlk /l0 x100 bağıntısı yardımıyla
bulunur. Bu değer ne kadar büyükse malzeme o derece sünektir anlamına gelir. Bir
malzemede sk ve sb değerlerini yükselten etkenler çoğunlukla sünekliği azaltırlar.
e) Rezilyans: Malzemenin yalnız elastik şekil değiştirme sırasında enerji absorbe etme
yeteneğine denir. Bu enerji, gerilme (s) birim uzama (e) eğrisinin elastik kısmının altında
kalan alan ile belirlenir(Şekil 5).
f) Tokluk : Malzemenin kırılıncaya kadar enerji depolama yeteneğine denir. Genellikle s-e
ek
eğrisinin altında kalan alanın A = ò sde hesaplanması ile bulunur. Birim hacim başına düşen
0
kırılma enerjisi olarak tanımlanan tokluk, kırılmaya karşı direnç için bir ölçü kabul edilir
(Şekil 5). Bu değerle, örneğin darbeli zorlama halinde bulunan dinamik tokluk arasında bir
bağıntı yoktur. Sünekliğin olduğu gibi, tokluğun karşıtı olarak da gevreklik deyimi kullanılır.
Gerilme
Numunenin
kırılmasına
kadar
plastik deformasyon için harcanan
enerji.
Numune kırılınca geri kazanılan
elastik enerji.
Birim Uzama
Şekil 5. Gerilme-birim uzama eğrisinin altındaki alan şekil değişimi için gerekli enerjiyi
{tokluğu) vermektedir.
3. Basma Deneyinin Değerlendirilmesi
Basma deneyi sonucunda, basma diyagramı, (s-e eğrisi) elde edilerek, malzemenin akma ve
çekme dayanımı gibi mukavemet değerleri ile kopma uzaması ve kopma büzülmesi gibi
süneklik değerleri belirlenmektedir. Söz konusu değerler, malzemenin cinsine, kimyasal
bileşimine ve metalografik yapısına bağlıdır.
æ h0
è h
Basma deneyinde gerçek birim şekil değiştirme hesaplanır ve e = lnçç
ö
÷÷ bağıntısı kullanılır.
ø
Gerçek gerilme (sg), uygulanan kuvvetin deney parçasının o andaki kesit alanına bölünmesi
ile elde edilir ve sg = Fi / Ai bağıntısı i1e hesaplanır. Burada Fi deformasyonun herhangi bir i
anında numuneye etki eden kuvvet olup, Ai ise kuvvetin uygulandığı andaki deney
numunesinin kesit alanıdır.
4. Raporda İstenenler
Rapor; kapak, irdeleme, deneyin amacı, konu ile ilgili teorik bilgiler, deneysel çalışmalar,
sonuçlar ve kaynaklar bölümlerini içerecektir. Her bölümde bölüm başlıkları büyük harfle
yazılarak desimal sisteme göre numaralandırılacaktır.
a) Farklı kaynaklardan (Malzeme Bilgisi Ders Kitapları, İnternet ortamında hazırlanmış
sunular. vs.) basma deneyi ile ilgili genel bilgiler bulunarak deney raporuna eklenecek.
b) Deney sonrasında verilen malzemenin Kuvvet (F) – Uzama (δ) grafiğinden yararlanarak,
Şekil 1 ‘de gösterildiği gibi en az 7 noktadan alınan Kuvvet – Uzama (F1-δ1 ; F2-δ2 ; F3-δ3 ;
F4-δ4 ; F5-δ5 ; F6-δ6 ; F7-δ7) değerleri yardımıyla Mühendislik Gerilme – Gerinim grafiğini ve
Gerçek Gerilme – Gerinim grafiğini Excel Programında çiziniz. Grafikleri çizerken Tablo1.’e
benzer bir tablo oluşturunuz. Çizilecek grafikler için değerleri bu tablodan alınız.
Kuvvet Kısalma İlk
F (N)
δ (mm) Çap
(mm)
F1
F2
..
F
F
6
İlk
Alan
(mm2)
İlk
Boy
(mm)
Müh
Müh
Gerilmesi Gerinimi
s (MPa) e
(mm/mm)
Gerçek Gerçek
Gerilme Gerinim
e(mm/mm)
s
(MPa)
δ1
δ2
..
Tablo 1. Örnek tablo
F (kN)
5F
4
F
3
F
2
F
Şekil 1. Örnek Kuvvet Uzama
Diyagramı
1
δ1 δ2 δ3
δ4
δ5
δ6
δ (mm)
c) Basma deneyinin aynı ölçülerde bildiğiniz herhangi bir sonlu eleman analiz programında
(Solidworks simulation, Ansys…) elastik malzeme modeliyle analizini gerçekleştiriniz.
Deneysel değerlerle sayısal değerleri karşılaştırınız. Malzeme modeli için Elastisite modülünü
(E [GPa]) diyagramlardan çıkartabilirsiniz. Poisson oranı (u) için çelik malzemenin değerini
kullanabilirsiniz.
5. Kaynaklar
·
McClintock, F.A. and Argon, A.S., "Mechanical Behaviour of Materials", Aoldison
Wesley Puhlishing Co., Inc., Reading Massachusetts, U.S.A.,1966.
·
Dieter, G. E.,"Mechanical Metallurgy" McGrawHill, Inc., New York, U.S.A., 1976.
·
Slater R. A. C., “Engineering Plasticity”, The Macmillian Press Ltd., London, Great
Britain,1977.
2.2.
BİLGİSAYAR DESTEKLİ İMALÂT-II DENEYİ
1. DENEY İLE İLGİLİ GENEL BİLGİLER
Deneyin Adı
Bilgisayar Kontrollü Dik İşleme Merkezi Tezgâhında Parça Üretiminde Kullanılmak Üzere
Program Yazılımı ve Tezgâhta Uygulanması.
Deneyin Amacı ve Kapsamı
Bilgisayar Destekli İmalat hakkında genel bilgi edindirme. Bilgisayar Kontrollü Dik İşleme
Merkezi Tezgâhında çeşitli işlemleri yapmak üzere kullanılacak, üretilecek parçaya göre
program yazılımı, bu programın tezgâhta uygulanması, işleme değişkenlerinin tespit edilmesi,
bağımlı değişkenlerin hesap edilmesi ve parçaların üretiminin gerçekleştirilip, kalite
kontrolünün yapılması hedeflenmektedir.
Kullanılan Cihazlar
Bilgisayar Kontrollü Dik İşleme Merkezi Tezgâhı ve bu tezgâhta kullanılacak ilgili kesici ve
iş bağlama donanımları.
2. DENEYİN YAPILIŞI
Şekilde verilen parçayı işlemek üzere bir parça programı yazılır, daha sonra malzeme tezgâha
sabitlenir. Kesici sistemleri tezgâh üzerindeki yerlere sabitlenir, malzeme çifti ile ilgili
sabitlere ilgili tablolardan (Metal Mesleğinde Tablolar kitabı veya kesici katalogları) bakılır
ve bu değerler tezgâhın atadığı değerlerle karşılaştırılır. İşlemlerle ilgili değişkenler hesaplanır
ve talaş kaldırma işlemi gerçekleştirilir. Sonuçta hesaplanan bilgilerle çıktılar karşılaştırılır.
3. İŞLENECEK PARÇA
fd
Ñz
WPC
WPC
y
x
z
4. ÖRNEK PROGRAM
Bu program x = 100, y = 80, z = 25, d = 12 ve Ñz = 1 değerleri için MAZATROL dilinde yazılmıştır.
UN
o.
0
UN
o.
1
UN
o.
2
SN
o.
R1
FI
G
1
Un
o.
3
SN
o.
1
2
FI
G
1
Un
o.
4
MAT
ALUMI
N
(1)
UNIT
INITI
ALZ
100
(2)
ATCM
ODE
0
(3)
ADD
WPC
X
Y
-500
(5)
SRV-Z
-300
(6)
SVR-R
1
(10)
·
2
(11)
No.
APRCHX
APRCH
Y
AUTO
WPC-1
UNIT
FACE
MILL
(8)
TOOL
FMILL
(13)
PTN
SQUAR
E
(16)
UNIT
DRILLI
NG
(21)
TOOL
CTRDR
(25)
DRILL
(28)
PTN
POINT
(32)
UNIT
END
DEPT
H
1
(9)
NOMf
80
(14)
MULTIM MULTIF
ODE
LAG
OFF
·
(4)
AUTO
PITC
HX
·
PITC
HY
·
q
Z
4
0
-450
(7)
WAL
0
BTM
·
TYP
E
XBI
FINZ
0
(12)
FIN
-R
ZFD
DE
PZ
AU
TO
W
R
A
·
C F M M
SP R
A A
(15)
P1X/C
X
0
(17)
P1Y/C
Y
0
(18)
P3X/R
P3Y
-100
(19)
-80
(20)
DIA
DEPTH
CHMF
12
(22)
25
(23)
0
(24)
NOMf
20
(26)
No.
HOLE f
12
(29)
Z
-1
(33)
12
(27)
HOLED
EP
·
X
12
(30)
Y
10
(31)
AN1
-50
(34)
X
-40
(35)
Y
·
Z
-100
CN1
CN2
CN
3
...
PRED
·
PRDE
·
RG
H
90
D C F M M
EP SP R
· A A
·
DR
T5
·
AN2
·
A
A
5. PROGRAMDA KONTROL EDİLEN DEĞİŞKENLER
(1) İşlenecek parçanın malzemesi.
(2) Z-ekseni emniyet mesafesi.
(3) Geri hareket: 0 = Önce Z sonra X ve Y yönlerinde hızlı hareket.
1 = X, Y ve Z yönlerinde aynı anda hızlı hareket.
(4) Aynı anda tablada birden fazla parça işlenirse ON, aksi takdirde OFF.
(5) Makine sıfır noktasının parça sıfır noktasına X koordinatındaki uzaklığı.
(6) Makine sıfır noktasının parça sıfır noktasına Y koordinatındaki uzaklığı.
(7) Makine sıfır noktasının parça sıfır noktasına Z koordinatındaki uzaklığı.
(8) Yüzey frezeleme işlemi.
(9) Parça sıfır noktasının işlenmiş yüzeye Z koordinatındaki uzaklık.
(10) Kesme derinliği (İşlenmiş yüzeyin işlenmemiş yüzeye Z koordinatındaki uzaklık).
(11) İşlenmiş yüzeyin kalitesi.
(12) Son pasoda verilecek kesme derinliği.
(13) Alın frezeleme kesicisi.
(14) Kesici çapı.
(15) Kesme yönü.
(16) İşlenecek parçaya ait şekil (square-dikdörtgen).
(17) Şeklin başlangıç noktasının X-eksenindeki koordinatı (parça sıfır noktasına göre).
(18) Şeklin başlangıç noktasının Y-eksenindeki koordinatı (parça sıfır noktasına göre).
(19) Şeklin diğer köşegeninin X-eksenindeki koordinatı(parça sıfır noktasına göre).
(20) Şeklin diğer köşegeninin Y-eksenindeki koordinatı(parça sıfır noktasına göre).Delme
işlemi.
(21) Delinecek çap.
(22) Delinecek derinlik.
(23) Pah genişliği.
(24) Puntalama matkabı.
(25) Kesici çapı.
(26) Delik çapı.
(27) Delme matkabı.
(28) Kesici çapı.
(29) Delik çapı.
(30) Delik derinliği.
(31) Tek delik.
(32) Deliğin merkezinin parça sıfır noktasına Z-yönündeki uzaklığı.
(33) Deliğin merkezinin parça sıfır noktasına X-yönündeki uzaklığı.
(34) Deliğin merkezinin parça sıfır noktasına Y-yönündeki uzaklığı.
WR-Width of Radius-Kesiciye ait kesme genişliği
CSP-Cutting Speed-Kesme Hızı
FR-Feed Rate-İlerleme
A değeri gözüken satırlara, MAZATROL programı malzeme ve işlem cinsine göre, değeri
otomatik olarak atamaktadır.
6. YAPILACAK İŞLEMLER
1. Yukarıdaki program tezgâha girilip, örnek parça işlenecek.
2. Her öğrenci tarafından farklı farklı seçilecek olan x, y, z, Ñz (yüzey frezelemede talaş
derinliği), d değerleri (farklı çap ve boylarda 2 tane delik delinecek) ve WPC noktası için,
örnek programa benzer bir program öğrenci tarafından hazırlanacak ve sonuç ve
değerlendirmeler kısmındaki tabloya işlenecek. Öğrenciye ait parçanın yapım resmi, ilgili
kutuya çizilecek ve WPC noktası yapım resmi üzerinde gösterilecek.
3. Tezgahın atadığı işleme değişkenleri tabloya işlenecek, öğrenci tarafından bulunan
değerlerle karşılaştırılacak. Fark varsa nedeni tartışılacak.
4. Deneyi gerçekleştirilen yüzey frezeleme ve delik delme işlemleri için zaman ve güç
hesaplamalarını rapor föyüne yapınız.
3.1.1 7. SONUÇ VE DEĞERLENDİRMELER
Yapım resmini yan
tarafa çiziniz.
1. Parçanın işlenmesi için gereken programı yazınız.
UN
o.
MAT
(1)
1
UN
o.
2
SN
o.
ATCM
ODE
MULTIM MULTIF
ODE
LAG
UNIT
(2)
(3)
(4)
ADD
WPC
X
Y
(5)
(6)
SRV-Z
SVR-R
WPC-1
UNIT
DEPT
H
·
(8)
TOOL
R1
(9)
NOMf
(10)
No.
(14)
q
0
BTM
(11)
APRCHX
APRCH
Y
AUTO
AUTO
(13)
FI
G
1
Un
o.
PITC
HX
·
0
UN
o.
INITI
ALZ
PITC
HY
·
Z
·
4
(7)
WAL
0
FINZ
FIN
-R
·
(12)
TYP
E
ZFD
DE
PZ
W
R
C
SP
F
M M
R
·
AU
TO
A
A
A
CN2
CN
3
...
(15)
PTN
P1X/C
X
P1Y/C
Y
P3X/R
P3Y
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
UNIT
DIA
DEPTH
CHMF
CN1
3
SN
o.
1
2
FI
G
1
Un
o.
4
SN
o.
1
2
FI
G
1
(21)
TOOL
(25)
(22)
NOMf
(23)
(24)
No.
HOLE f
(26)
(28)
(29)
PTN
Z
(32)
HOLED
EP
·
(27)
(30)
(31)
X
Y
AN1
(33)
(34)
(35)
UNIT
DIA
DEPTH
CHMF
(21)
(22)
NOMf
(23)
(24)
No.
HOLE f
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
(30)
(31)
PTN
Z
Y
AN1
X
·
RG
H
D C
EP SP
F
M M
R
·
·
90
· A
A
·
·
DR
T5
A
A
PRDE
RG
H
D C
EP SP
·
·
90
· A
A
·
·
DR
A
A
·
HOLED
EP
·
PRDE
AN2
·
TOOL
PRED
PRED
T5
F
M M
R
AN2
·
(32)
(33)
(34)
(35)
END
2. Aşağıdaki tabloda verilen değişkenlere ait sizin bulduğunuz değerleri tabloya girerek,
yaptığınız hesaplamaları gösteriniz.
Delik delme
Yüzey frezeleme
Değişkenler
Tezgahın
atadığı
Hesaplanan
/Bulunan
Değişkenler
Kesme derinliği
(ap)
Yüzey
pürüzlülüğü (Ra)
Kesme derinliği
(ap)
Yüzey
pürüzlülüğü (Ra)
Kesme hızı (vc)
Kesme hızı (vc)
İlerleme (f)
İlerleme (f)
İşleme zamanı (t)
İşleme zamanı (t)
Harcanan güç (P)
Harcanan güç (P)
Tezgahın
atadığı
Hesaplanan
/Bulunan
3. Yukarıda gerçekleştirilen yüzey frezeleme ve delik delme işlemleri için zaman ve güç
hesaplamalarını aşağıya yapınız.
Yüzey Frezeleme
Zaman Hesabı
Delik delme
Zaman Hesabı
Güç Hesabı
Güç Hesabı
2.3.
ÇENTİK DARBE DENEYİ
1. DENEYİN AMACI
Darbe deneyleri malzemelerin çarpma dayanımlarını veya kırılma enerjilerini ölçmek
amacı ile yapılır. Bu deneylerden elde edilen sonuçlar çentik tokluğunun bir ölçüsü olup,
metallerin kırılma davranışının tespit edilerek karşılaştırılmasında kullanılırlar. Yani bu
deneyden elde edilen sonuçlar tasarıma yönelik mühendislik hesaplarında doğrudan
kullanılmazlar. Çünkü hem deney numunesinin absorbe edeceği enerji numunelerin
boyutlarına, konstrüksiyonlardaki gerilme durumuna, yüklemenin seyrine bağlı olup, boyutlar
ve çentik geometrisi çok farklıdır.
2. GİRİŞ
Bazı makine parçaları veya yapı elemanları darbeli yüklere maruz kalırlar. Bu elemanların
çarpma dayanımları yavaş yükleme durumundaki statik mukavemet değerlerinden çok daha
düşüktür. Darbe deneyinde, standart çentikli bir numunenin darbe etkisi ile kırılması için
gereken enerji ölçülür. Genelde “Joule” cinsinden ölçülen bu enerji değeri malzemelerin
darbe direnci ya da darbe dayanımı olarak tanımlanır. Darbe dayanımı toklukla ilişkilidir.
Tokluk, bir malzemeyi kırmak için, malzemenin birim hacmine uygulanması gereken enerji
miktarı olarak tanımlanır ve çekme deneyi sonucunda elde edilen gerilme-şekil değiştirme
diyagramının altındaki alanla ölçülür. Bu nedenle mukavemeti ve sünekliği yüksek
malzemelerin, tokluğu da yüksektir. Aynı malzeme değişik işlemlerden geçirildiğinde,
mekanik özellikleri önemli ölçüde değişebilir. Örneğin haddelenmiş pirincin mukavemeti,
yumuşatma tavlamasına tabi tutulmuş pirinçten daha yüksektir. Buna karşılık haddelenmiş
pirincin sünekliği, tavlanmış pirinçle kıyaslanamayacak kadar azdır. Sonuçta tavlanmış pirinç,
haddelenmiş pirinçten daha toktur (mukavemeti düşük olmasına rağmen). Bu durum tüm
malzemeler için aynıdır. Ayrıca malzemelere katılan alaşım elementleri yine mukavemeti
arttırmalarına rağmen sünekliği azaltırlar. Sonuçta alaşım maddesinin tokluğa etkisi,
mukavemetteki artışla süneklikteki azalış arasındaki dengeye bağlıdır. Örneğin çeliğin
içerisindeki karbon oranı arttıkça mukavemet artar, süneklik azalır. Aynı şekilde çeliğin içine
üçüncü bir alaşım elementi katıldığında yine aynı etki görülür.
Uygulamada yaygın olan iki çeşit darbe deneyi vardır. Bunlardan biri Charpy, diğeri de
Izod darbe deneyidir. Charpy deneyinde, iki mesnede yatay olarak yaslanan basit bir kiriş
durumundaki numunenin çentik tabanına bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılıp, çentik
tabanında meydana gelen çok eksenli gerilmenin etkisi ile söz konusu numunenin kırılması
için harcanan enerji ölçülür. Izod darbe deneyinde ise, numune kavrama çenesine dikey olarak
yerleştirilerek yüzeyine, kavrama çenesinden belirli yükseklikte bir sarkacın ucundaki çekiçle
darbe uygulanır. Çekiçle darbe yapılması sonucu çentik tabanında oluşan çok eksenli
gerilmeler etkisiyle numune kırılır.
Darbe deneylerinde kullanılan numunelere genellikle çentik açılmaktadır. Buradaki amaç,
malzemede oluşacak gerilme konsantrasyonunu (gerilme yığılmalarını) çentik tabanında
oluşturarak, malzemenin dinamik zorlamalara karşı göstereceği direnci tespit etmektir. Gri
dökme
demir
numunelerinde,
malzeme
içerisindeki
lamel
grafitler
çentik
etkisi
yaratacağından ayrıca çentik açmaya gerek yoktur. Charpy deneyinde kullanılan standart
2 mm
44 mm
6 mm
numunenin şematik resmi Şekil 1’de görülmektedir.
6 mm
R-0.25 mm
Şekil 1. Deneyde kullanılan Charpy deney numunesinin boyutları
Numunelerin cihaza yerleştirilme şekilleri Şekil 2’de görülmektedir. Darbe deneylerinde
yaygın olarak kullanılan sarkaçlı bir darbe makinesinin şematik resmi ise Şekil 3’te
görülmektedir.
b)
a)
Şekil 2. Deney numunelerinin cihaza yerleştirilmesi
a) Charpy deney numunesi
b) Izod-Darbe deney numunesi
h1
h2
Şekil 3. Sarkaçlı Charpy darbe makinesinin görünüşü
3. DENEYİN YAPILIŞI
Çalışma prensibi Şekil 4’te görülen Charpy deneyinde, ağırlığı G olan bir sarkaç h1
yüksekliğine çıkarıldığında potansiyel enerjisi G ´ h1 olur. Sarkacın salınım düzlemi ile
numunedeki çentik merkezi çakışacak şekilde ayarlanır. Enerjiyi okumak için kullanılan ibre,
başlangıç noktasına getirilir ve sarkaç serbest bırakılır. Sarkaç bu yükseklikten serbest
bırakıldığında düşey bir düzlem içerisinde numuneye çarparak onu kırar ve diğer yönde h2
yüksekliğine kadar çıkar. Numunenin kırılmasından sonra sarkacın sahip olduğu potansiyel
enerji farkı cihazın kadranı üzerinden okunur.
Sürtünme kayıpları ihmal edilerek kırılma enerjisi aşağıdaki formülle belirlenir:
Kırılma Enerjisi = Sarkacın ilk enerjisi – Sarkacın son enerjisi
K .E . = G ´ h1 - G ´ h2 = G.l.(cos b - cos a )
h1 = düşme yüksekliği
h2 = çıkma yüksekliği
α = düşme açısı
β = yükselme açısı
l = sarkaç boyu
Darbe direncinin birimi genelde Joule (J) olarak alınır, ancak bazı durumlarda J/m2kgm
veya kgm/cm2 cinsinden de ifade edilebilir. Kırılma enerjisi yüksek olan malzemelerin çentik
tokluğu da yüksek olur.
Şekil 4. Charpy deney tesisatı çalışma prensibi
a) Sünek kırılma
b) Gevrek kırılma
Resim 1: Numunelerin deney sonucu sünek ve gevrek kırılma resimleri
10
1600
0.4
4. RAPORDA İSTENENLER
1. Gerilme-Şekil değiştirme eğrisi altındaki alan neden tokluğun ölçüsüdür?
2. Darbe direncini etkileyen faktörleri açıklayınız.
3. Deney sırasında okunan Kırılma Enerjisi ile yukarıdaki bağıntıdan elde edilen Kırılma
Enerjisi değerini karşılaştırınız.
4. Düşük karbonlu çeliğin ve tavlanmış pirincin özellikleri aşağıda tabloda verilmiştir.
SÜNEKLİK
MALZEME
s A (MPA)
s M (MPA)
Düşük karbonlu çelik
330
450
36
200
360
Pirinç
70
270
65
120
190
s A = Akma mukavemeti
s M = Maksimum çekme mukavemeti
s K = Kopma mukavemeti
E = Elastisite modülü
(%)
E (GPA) s K (MPA)
Süneklik: Malzemenin koptuktan sonraki boyu ile orijinal boyu arasındaki farkın, orijinal
boya oranının yüzdesidir.
el =
l f - l0
l0
x100 ( l f = koptuktan sonraki boy, l 0 = orijinal boy)
Bu verilerle her iki malzemenin gerilme-şekil değiştirme diyagramlarını kabataslak çiziniz.
Bu diyagramlara bakarak hangi malzemenin darbe dayanımının daha iyi olacağını söyleyiniz.
5. Deney sonucu tahmin ettiğiniz gibi mi çıktı? Çıkmadıysa bunun sebepleri ne olabilir?
NOT: Elimizdeki malzemelerin tam özellikleri bilinmemektedir, alaşım maddesi içerip
içermedikleri, üretim aşamasında hangi işlemlerden geçtikleri ve ısıl işlem yapılıp
yapılmadığı konusunda elimizde bir bilgi yoktur. Yukarıdaki tabloda verilen değerler
elimizdeki malzemeler için geçerli olmayabilir. 5. soruyu buna göre yanıtlayınız.
5. KAYNAKLAR
1) Prof. Dr. Temel SAVAŞKAN, “Malzeme Bilgisi ve Muayenesi”, Derya Kitabevi,
Trabzon, 1999.
2) Erdoğan KAYIRAN, “Malzeme: Teori ve Pratik”, İskenderun, 1999.
3) E. S. KAYALI, C. ENSARİ, F. DİKEÇ Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri,
İTÜ, 1996.
4) Metals Handbook, “Mechanical Testing”, 9th Edition, Vol.8, ASM International, 1985.
2.4.
DÜZ GÜNEŞ KOLEKTÖRÜ VERİM ÖLÇÜMÜ DENEYİ
Amaç:
Ø Güneş ışınımından ısı enerjisi eldesine yönelik sistemlerin tanıtılması
Ø Güneş enerjili sıcak su sistemlerinin tanıtılması ve tasarlanması
Ø Güneş ışınımı hesabı
Ø Düz güneş toplayıcısı ısıl analizi ve verim ölçümü
Teori ve Deney Düzeneği:
Milyonlarca km uzaklıktaki güneşten, ışınım yoluyla gelen ısı enerjisi dünyaya düşer.
Atmosferdeki gaz ve bulutlar üzerinden zayıflayarak geçer ve yeryüzüne gelir. Işınım teorisi
olarakta bilinen Stefan-Boltzman kanununa göre, bütün cisimler sahip oldukları sıcaklığın
dördüncü kuvveti ile orantılı olarak etrafa ışınım formunda ısı enerjisi yayarlar.
( [ ])
æ é W ùö
4
Q[W ]= çç s ê 2 4 ú ÷÷ ´ A m 2 ´ (T [K ])
è ëm K ûø
(1)
Güneşten gelen ışınım enerjisi, yeryüzünde güneş toplayıcıları ile faydalı ısı enerjisine
dönüştürülür. Bu dönüşümün hangi oranda gerçekleştiği toplayıcı verimini belirler. Toplayıcı
verimi ise birçok parametreye bağlıdır ki bu parametrelerden en önemlileri güneş ışınlarının
toplayıcıya geliş açısı, toplayıcı geometrisi ve malzemesi ve çevre şartları olarak sayılabilir.
Güneş ışınlarının yeryüzünde bulunulan bir yere dolayısıyla toplayıcıya geliş açısı gün
boyunca ve yıl boyunca değişmektedir.
Deney kapsamında düz güneş toplayıcısının verim ölçümleri yapılacaktır. Düz
toplayıcı, Şekil 1’de gösterildiği gibi 5 temel parçadan oluşmaktadır: 1. Saydam örtü, 2.
Yutucu plaka, 3. Akışkanın dolaştığı boru veya kanallar, 4. Yalıtım, 5. Kasa.
1. Saydam örtü, güneşten gelen kısa dalga boylu ışınımı geçirme oranı yüksek, yutucu
plakadan gelen uzun dalga boylu ışınımları geçirme oranı düşük olmalıdır. Pencere
camları bu özelliği sağlamakta ve sera etkisi yapmaktadır. Ayrıca saydam örtü, yutucu
plakayı çevre etkilerinden korumanın yanında, sıcaklığı artan yutucu plakadan çevreye
olan ısı kayıplarını azaltır.
2. Siyah esaslı boyalarla boyanan yutucu plaka üzerine gelen güneş ışınımını yutar ve
sıcaklığı artar. Plaka yüzeyinin ışınım yutma oranı büyük, yayma oranı düşük
olmalıdır. Ayrıca, ısıyı üzerindeki borulardan akan akışkana aktarması için ısı iletim
katsayısı büyük olmalıdır. Paslanmaz çelik, alüminyum ve bakır malzemeler en çok
kullanılan plaka malzemeleridir.
3. Akışkanın dolaştığı boru ve kanallarda ise, ısı nihai kullanım amacı için faydalı ısı
enerji olarak akışkana aktarılır. Boru malzemesi olarak ısı iletim katsayısı yüksek olan
yutucu plaka kullanılan malzemeler kullanılır.
4. Yalıtım, özellikle toplayıcının alt ve yanlarından çevreye olan ısı kayıplarını
engellemek için kullanılır. Yüksek sıcaklığa ulaşan yutucu plakadan çevreye taşınım
ve ışınım yoluyla ısı kaybı olur.
5. Kasa ise tüm toplayıcı parçalarını bir arada tutan muhafazadır. Taşıma ve dış etkilere
mukavemetli olmasının yanında sızdırmazlığı da sağlamalıdır.
Düz güneş toplayıcısı ısıl analizi:
Toplayıcı bir kontrol hacmi olarak değerlendirilip, enerji korunum denklemi
uygulanabilir (Şekil 2). Toplayıcı üzerine gelen yayılı güneş ışınımı borulardan dolaşan
akışkana faydalı enerji olarak aktarılmaktadır. Bu esnada, özellikle sıcaklığı artan yutucu
plakadan çevreye ısı kayıpları olmaktadır. O halde, güneş ışınımı ya akışkana aktarılmakta
yada çevreye kaybolmaktadır.
Qgunes = Q faydali + Qkayip
(2)
Faydalı enerji miktarı, akışkanın giriş ve çıkış sıcaklıkları ve debisi ölçülerek hesaplanabilir:
Q faydali = m& c p (Tcikis - Tgiris )= rV&c p (Tcikis - Tgiris )
(3)
Toplayıcıdan çevreye olan ısı kaybı ise, genel olarak toplayıcı geometrisi ve malzemesinin
yanında özellikle çevre sıcaklığı ve rüzgar hızı gibi çevre şartlarının fonksiyonudur. Bu ısı
kaybının hesabı için iletim, taşınım ve ışınımın dahil olduğu bir ısı kaybı analizi yapılır. En
genel haliyle, toplam ısı kayıp katsayısı K cinsinden, ısı kaybı aşağıdaki forma indirgenebilir:
Qkayip = KA(Tyutucu _ plaka - Tcevre )
(4)
Toplayıcı verimi ise, yüzeye gelen güneş ışınımının, faydalı enerji olarak akışkana
aktarılma oranı olarak tanımlanır.
ht =
[
]
Q faydali
Qgunes
=
Q faydali
(5)
I e At
[ ]
Burada, I e W / m 2 toplayıcı yüzeyine o anda gelen güneş ışınımı ve At m 2 toplayıcı alanıdır.
Bu verim denkleminde, faydalı enerji, denklem 3’de belirtildiği gibi hesaplanır. Güneş ışınımı
ise ışınım ölçen cihazlarla belirlenebileceği gibi, geliştirilen yarı-ampirik denklemlerle de
hesaplanabilir. Toplayıcı verimi çevre ve işletme şartlarının da bir fonksiyonu olarak,
aşağıdaki denklemle belirtilen işletme noktası parametresine göre değerlendirilir.
P=
Tgiris - Tcevre
Ie
(6)
Tipik bir toplaycı veriminin işletme noktası parametersine göre değişimi Şekil 3’te
gösterilmiştir.
Güneş ışınımı hesabı:
Yeryüzüne gelen güneş ışınımı birçok astronomik, geometrik ve coğrafik parametrenin
fonksiyonudur ve yılın her günü ve günün her anı için farklıdır. En doğru güneş ışınımı
belirlemesi deneysel olarak ölçmekle elde edilir. Ayrıca, güneş ışınımı belirlemesi için,
yapılan ölçüm değerlerine ve ilgili parametrelere bağlı olarak yarı-ampirik denklemler
geliştirilmiştir. Deney kapsamında bu denklemler kullanılarak hesaplanan güneş ışınımı
değerleri kullanılacaktır. Daha fazla bilgi aşağıda verilen kaynaklarda bulunabilir. Deney
kapsamında Tablo 1’de verilen Kırıkkale için hesaplanmış ışınım şiddetleri kullanılacaktır.
Deneyin yapılışı ve ölçümlerin alınması:
Deney tesisatının şeması Şekil 4’te gösterilmiştir. Toplayıcı sabit eğimde güney dönük
olarak yerleştirilmiştir. Toplayıcıdan geçen hacimsel debi, ve suyun giriş ve çıkış sıcaklıkları
ölçülür. Ölçüm her 10 dakikada tekrarlanır. En az 3 ölçüm alınır. Ölçümler Tablo 1’de verilen
deney föyüne işlenir. Tipik olarak alınmış ölçüm değerleri ve örnek bir hesaplama aşağıda
verilmiştir. Verim hesapları yapıldıktan sonra verim grafiği çizilir.
Güneş enerjili sıcak su sistemleri:
Şekil 5’te piyasada ençok kullanılan tipik bir güneş enerjili sıcak su tesisatı
görülmektedir. Bu sistem, tabi dolaşımlı, kapalı devreli, ısı eşanjörü toplayıcı devresinde,
statik basınçlı sıcak su sistemidir.
Örnek hesaplama:
At = 1.6m 2
Toplayıcı alanı:
Toplayıcı yutucu plaka malzemesi: Alüminyum boru - Alüminyum kanat
Toplayıcı yutucu plaka özelliği:
Siyah mat
Toplayıcı boru geçiş sayısı:
12
Hacimsel debi:
lt
1 ´ 10 -3 m 3
m3
V& = 72 = 72 ´
= 2 ´ 10 -5
h
3600 s
s
Kütlesel debi:
kg
m3
kg
m& = rV& = 1000 3 ´ 2 ´ 10 -5
= 0.02
m
s
s
Tcevre = 30 o C
Çevre sıcaklığı:
Suyun toplayıcıya giriş sıcaklığı:
Tgiris = 50 o C
Suyun toplayıcıdan çıkış sıcaklığı:
Tcikis = 58o C
Suya aktarılan faydalı ısı enerjisi:
é J ù
é kg ù
Q faydali = m& c p (Tcikis - Tgiris )= 0.02 ê ú ´ 4180 ê
ú ´ (58 - 50 )[K ]= 668.8[W ]
ë s û
ë kg × K û
Bu deneyin yapıldığı yerde (Kırıkkale), zamanda (3 Ekim 2009, saat 12:00), sabit eğimli
(eğim açısı 45o), güneye dönük (azimut açısı 0o), birim alana gelen anlık güneş ışınımı değeri
[
]
I e = 900 W / m 2 olarak hesaplanmıştır.
Toplayıcı anlık verimi:
İşletme noktası parametresi:
ht =
P=
Q faydali
Qgunes
=
Q faydali
Tgiris - Tcevre
Ie
I e At
=
688.8
688.8
=
= 0.48
900 ´ 1.6 1440
o
50 - 30
C
=
= 0.022
900
W / m2
Kaynaklar
1. Kılıç, A. ve Öztürk, A., Güneş Enerjisi, Kipaş Dağıtımcılık, İstanbul, 1983
2. Kılıç, A. ve Öztürk, A., Güneş Işınımı ve Düz Toplayıcılar, Segem, Ankara, 1984
3. Uyarel, Ali Yücel, ve Öz, Ethem Sait, Güneş Enerjisi ve Uygulamaları, Emel
Matbaacılık, Ankara,
4. Küçükyalı, R., “Güneş Enerjisi Tesisatı”, Isısan Çalışmaları, No: 325, 2003
5. Acaroğlu, M. “Alternatif Enerji Kaynakları”, Atlas Yayın Dağıtım, İstanbul, 2003
Saydam örtü
Conta
Cam Çıtası
Kasa
Yalıtımı
Yutucu yüzey
Yalıtım
Kasa
Cam
Lastiği
Alt Taban
Boru ve Kanallar
Şekil 1. Düz güneş kolektörü
saydam örtü
yutucu plaka
kasa
akışkan boruları
Qg
Qk
akışkan
çıkışı
akışkan
girişi
Qf
y
x
z
izolasyon
G ü n e ş ışın ım ı
O p tik
K a y ıp la r
Isıl k a y ıp la r
C a m Ö rtü
F a y d a lı ısı
Isı tra n sfe r
a k ışk a n ı
İz o la sy o n
Y u tu c u
D ü z le m se l g ü n e ş to p la y ıc ısın d a o p tik v e ısıl k a y ıp la r
Şekil 2. Düz güneş toplayıcısı ısıl analiz şeması
Optik Verim
ht
Toplayıcı Verimi
Isıl Kayıplar
Ço
k
t
Kö
İyi
İyi
To
ü
y
pla
To
pla
pla
yıc
ı
yıc
ı
ıc ı
Faydalı
Isı
To
İşletme Noktası Parametresi
P=
Tag - Tçev
Ie
Şekil 3. Düz güneş toplayıcısı verim değişimi
Tçıkış
Ölçüm
Panosu
Sıcak su
Tçevre
Tyüzey
Tgiriş
Debimetre
Soğuk su
Şekil 4. Düz güneş toplayıcısı deney tesisatı şeması
Taşkın borusu
TA H LİY E
SO Ğ U KŞebeke
SU ŞEBsuyu
EK Egirişi
TATaşkın
H LİY E borusu
Elde edilen sıcak su
SIC A K SU TES.
Şekil 5. Sıcak su sistemi (tabi dolaşımlı, statik basınçlı, kapalı devreli, ısı eşanjörü toplayıcı
devresinde)
900
800
700
Ie (W/m2)
600
500
400
300
200
100
0
9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00
Memleket Saati (MS)
Şekil 6. Anlık ışınımının gün boyunca değişimi
Tablo 1. Düz güneş toplayıcısı verim ölçümü deney föyü
DÜZ GÜNEŞ TOPLAYICISI VERİM ÖLÇÜMÜ - DENEY FÖYÜ
Bulunulan yer: Kırıkkale
Enlem: 39°50' K
Boylam: 33°31' D
Eğim Açısı (s) ve yönü: 45° - güney
Kolektör Cam Sayısı: 1 adet
Kolektör Örtü Malzemesi: cam
Kollektör Cam Kalınlığı:
Kolektör İçi Tüp ve ya Kanalların sayısı: 12 adet
Tarih
Saat
GS
09:00
09:10
09:20
09:30
09:40
09:50
10:00
10:10
10:20
10:30
10:40
10:50
11:00
11:10
11:20
11:30
11:40
11:50
12:00
12:10
12:20
12:30
12:40
12:50
13:00
13:10
13:20
13:30
13:40
13:50
14:00
14:10
14:20
14:30
14:40
14:50
15:00
15:10
15:20
15:30
15:40
15:50
16:00
16:10
16:20
16:30
16:40
16:50
17:00
Saat
MS
9.77
9.94
10.10
10.27
10.44
10.60
10.77
10.93
11.10
11.27
11.44
11.60
11.77
11.94
12.10
12.27
12.44
12.60
12.77
12.94
13.10
13.27
13.44
13.60
13.77
13.94
14.10
14.27
14.44
14.60
14.77
14.94
15.10
15.27
15.44
15.60
15.77
15.94
16.10
16.27
16.44
16.60
16.77
16.94
17.10
17.27
17.44
17.60
17.77
Tgiriş
ºC
Tçıkış
ºC
Yutucu Plaka Malzemesi: all boru, all kanat
Yüzey Özelliği: Siyah
Kolektör Alanı: 1.6 m2
Akışkan Türü: Su
15 Nisan
Tçevre Tyüzey Vrüzgar
Debi
Ie
m
ºC
ºC
m/s
lt/h
W/m²
kg/s
582.3
610.6
635.7
660.8
684.1
704.4
724.2
741.9
757.7
772.5
785.6
796.5
806.6
815.3
822.1
828.1
832.8
836.2
838.6
836.2
832.8
828.1
822.1
815.3
806.6
796.5
785.6
772.5
757.7
742.3
724.2
704.4
684.1
660.8
635.7
610.6
582.3
552.4
522.9
490.3
456.6
424.0
388.7
352.9
319.0
283.1
247.6
214.8
181.0
Qfaydalı Verim(ht)
W
P
2.5 EMİSYON ÖLÇÜM DENEYİ
1.DENEYİN AMACI
Egzoz gazı kirleticilerinin ölçüm yöntemlerinin, sınır değerlerinin incelenmesi ve
emisyon kontrol yöntemlerinin tanıtılması.
2. GENEL BİLGİLER
Egzoz gazında bulunan ve havayı kirleten bileşenler, “egzoz gazı kirleticileri” diye
adlandırılır. Bu bileşenlerden bazıları:
·
·
·
·
·
·
·
Hidrokarbonlar
Karbon monoksit
Karbon dioksit
Nitrojen oksitler
Kükürt dioksit
Fosfor
Kurşun ve diğer metaller
Taşıtlarda kirletici özelliği çok sayıda faktöre bağlıdır. Bunlar; motor türü, kullanılan
yakıt türü, aracın yaşı, aracın bakım durumu, motor teknolojisi, aracın çalışma modu, yük
durumu, trafik ve yol koşulları da etken parametrelerdir. Türkiye’de karayolu taşıtları için
uyulması gerekli sınır TSE 11365 ve 11366’da belirtilmiştir.
3. DİZEL MOTORLU TAŞITLAR
Dizel motoru, içten yanmalı bir motor tipidir. Dizel motor oksijen içeren bir gazın
(genellikle bu atmosferik havadır) sıkıştırılarak yüksek basınç ve sıcaklığa ulaşması ve silindir
içine püskürtülen yakıtın bu sayede alev alması ve patlaması prensibi ile çalışan bir motordur.
Bu yüzden benzinli motorlardan farklı olarak ateşleme için bujiye ve yakıt oksijen karışımını
oluşturmak için karbüratöre ihtiyaç yoktur. Dizel yakıtı ile çalışan sıkıştırma ile ateşlemeli
motora sahip taşıtlar dizel motorlu taşıtlar olarak adlandırılır. Dizel motorlarda yanma odasına
giren yakıt homojen olacak bir şekilde yanmaz. Bunun sonucunda ortama çok fazla sera etkisi
yapacak gazlar verilir. Bunun kontrolü son yıllarda Dizel motoru üreticilerinin en büyük
sorunlarından birisi haline gelmiştir. Avrupa Birliğinin almış olduğu karara göre Ocak
2014'de Euro VI standartları Avrupa'da devreye girecektir. Emisyon değerlerini düşürmek
için ise araştırmalar hala devam etmektedir. NADI konsepti diye tabir edilen bir uygulama ile
emisyon değerleri düşürülerek performans artışı da kayda değer bir şekilde artmaktadır. Bu
uygulama ile enjeksiyon açıları düşürülerek küresel ısınmaya etkisi olacak gazların oluşumu
bir nebze olsun azaltılmaktadır. Taşıtların egzoz gazındaki kirleticilerin ölçülmesi ve
kirleticilerin belirli sınırlar içinde tutulması gerekmektedir.
Dizel motorlu taşıtlarda duman ölçer (opasimetre) aracılığıyla duman koyuluğu veya
absorpsiyon katsayısı ölçülür. Duman koyuluğu (N), egzoz gazı içerisinde bulunan
parçacıkların gazdan geçen ışığın aydınlatma şiddetini (aydınlanan birim yüzey için ışık
akısını) azaltma yüzdesidir. Tam şeffaf gaz için duman koyuluğu % 0’dır. Işığı tamamen
absorbe eden yani geçirgen olmayan gaz için duman koyuluğu % 100’dür. Işık absorpsiyon
katsayısı (K) ise egzoz gazı içerisinde bulunan şeffaf olmayan parçacıkların gazdan geçen
ışığın aydınlatma şiddetinin (aydınlanan birim yüzey için ışık akısının) azalmasıyla ilgili bir
katsayıdır ve birimi m-1’dir.
Ölçüm esnasında motor 10 dakika süreyle çalıştırılarak normal çalışma sıcaklığına
gelmesi beklenir. Taşıtın egzoz donanımının sağlam olması ve çıkış ucu dışında hiçbir
yerinden gaz kaçırmaması gerekir. Regülatörün çalışıp çalışmadığını kontrol etmek için
motorun rölanti hızından 2500 dev/dak’ya çıkması sağlanır ve bu hızda 20 s çalıştırıldıktan
sonra en yüksek hıza çıkarılır. Duman ölçer sondasının egzoz borusu içerisine tamamen
girmesi sağlanır ve böylece dış havanın sondaya girmesi önlenir.
Serbest ivmeli absorpsiyon katsayısının ölçümüne başlanırken duman ölçerin
kullanma talimatına uygun olarak gaz pedalına tam gaz konumuna gelecek şekilde sonuna
kadar basılır. Motorun rölanti hızından en büyük hıza (regülatörün yakıt kesme hızına)
erişmesi beklenir. Bu hıza erişince 2 s daha beklenir. Regülâtörün devreye girmesinden sonra
cihazdan ölçüm değeri alınır. Daha sonra gaz pedalı serbest bırakılarak motorun normal
rölanti hızına dönmesi sağlanır. Bu işlem üç defa tekrarlanır. Sonuncu denemeden sonra dört
ölçümün ortalaması sınır değerde veya daha düşük değerde kirletici değeri standartlara
uygundur. Bulunan değer sınır değerinin üzerinde ise en fazla altı ölçüm değeri daha alınarak
ortalama değer bulunur. Bu ölçüm maksimum hız için yapılacaktır. Ayrıca rölanti, hızlanma
durumu (2000 dev/dak’dan 2500 dev/dak’ya çıkana kadar), yavaşlama durumu (2500
dev/dak’dan 2000 dev/dak’ya düşene kadar) ve orta devirde kararlı halde (2500 dev/dak) için
ölçümler alınır.
4. BENZİN MOTORLU TAŞITLAR
Benzinli motor, bir tür içten yanmalı motordur. Yakıt dizel motordan farklı olarak
karbüratör adı verilen bir düzenek sayesinde, sıvı olarak değil buharlaşıp hava ile karışarak
silindire girer. Benzin yakıtı ile çalışan buji ateşlemeli motora sahip taşıtlar benzin motorlu
taşıtlar olarak adlandırılır.
Benzinin oksijen (hava) ile oluşturduğu karışım sonucunda yanma gerçekleşir. Yakıt
hava karışımının silindirin içinde bir kıvılcım (buji yardımıyla) ile yanması sonucu bir
patlama meydana gelir. Burada yine dizel motordan farklı yanmayı sağlamak için kıvılcım
yani buji kullanılır. Patlamanın ortaya çıkardığı basınç, piston tarafından hareket enerjisine
dönüştürülür. Egzoz gazı sınır değerleri maksimum kütlesi 3.5 tonu geçmeyen taşıtlar için
geçerlidir.
Yanma işleminde reaksiyona giren hava kütlesinin yakıt kütlesine oranına “hava /
yakıt oranı” denir. Gerçek hava / yakıt oranının teorik hava / yakıt oranına bölümü “hava
fazlalık katsayısı (HFK)” olarak adlandırılır. Egzoz gazındaki kirleticileri zararsız veya daha
az zararlı bileşenlere dönüştürmek amacıyla bir taşıtın egzoz sistemine yerleştirilen reaktöre
“katalitik dönüştürücü” denir.
5. KATALİTİK KONVENTÖR
Katalitik konvertör ya da katalitik dönüştürücü, motorların egzozlarındaki (dışarı
verdikleri gaz) çevreye zararlı maddeleri daha az zararlı maddelere dönüştüren aygıt. En
yaygın uygulaması otomobillerdedir. Bir katalitik konvertörün yaptığı, tam olarak yanmamış
hidrokarbonlara ikinci bir yanma ve kirletici gazlara bir indirgenme ortamı sağlamaktır. Bu
yanma ve indirgenme birtakım katalizörler (platin, palladyum ya da rodyum) kullanılarak
yapılır. İkinci yanma işlemi motor dışında gerçekleştiğinden bundan işe dönüştürülebilir
enerji elde edilmez.
Üç yollu bir katalitik konvertörde aşağıdaki üç tepkime eşzamanlı olarak meydana
gelir:
Karbon monoksitin yakılarak karbon dioksite çevrilmesi: 2CO + O2 → 2CO2
Azot oksitlerin azota indirgenmesi: NOx → O2 + N2
Yanmamış hidrokarbonların (yani yanmamış yakıtın) karbon dioksit ve suya
dönüştürülmesi, yani yakılması: CxHy + nO2 → xCO2 + mH2O
Bu üç tepkime, dengeli çalışma noktasında, yani yakıt-hava karışımı ne zengin ne de
fakirken dengededir. Fakir karışımla çalışılırken yukarıdaki ilk iki tepkime üçüncüsünden
daha çok gerçekleşir. Zengin karışımla çalışılırken ise üçüncü tepkime diğer ikisinden daha
çok gerçekleşir, yani karışımın zengin olması nedeniyle tam olarak yanamayan yakıt, katalitik
konvertörde yakılır. Katalitik Konvertör kanalları Platin, Paladyum, Rodyum ve Seryum ile
kaplanmıştır. Konvertör içindeki Paladyum ve Platin HC ve CO lerin oksitlenmesini, Rodyum
ise NOx 'lerin indirgenmesini sağlar. Seryum ise zengin ve fakir çalışma esnasında değişiklik
gösteren oksijen miktarını, oksijeni depolayarak gerekli miktarda katalizörde tutmaya yarar.
6. EGR (EGZOZ GAZI RESİRKÜLASYONU) SİSTEMİ
İçten yanmalı motorlardan atmosferi kirleten temel üç kirletici CO, HC, NOx lerdir.
Bu kirletici oranlan H/Y oranıyla doğrudan orantılıdır. Bunun içindir ki H/Y oranını
değiştirerek CO ve HC oranlan kontrol altına alınmaktadır. Fakat yanma sonu sıcaklığının
artması sonucu NOx oranında artış diğer kirleticilerle ters orantılı olduğundan büyük sorunlar
ortaya çıkmıştır.
Motorlarda NOx (nitrojen oksit) emisyonlarını kontrol edebilmek için iki yol vardır.
Birinci yol katalitik konvertör kullanılarak egzoz gazını kimyasal işleme tabi tutmak. Diğer
yol ise yanma esnasında nitrojen oksit oluşumunu azaltmaktır. Bir kısım egzoz gazları yanma
odası içerisinde tutularak NOx in kontrolü için kullanılır. Bu egzoz gaz resirkülasyonu (geri
dönüşüm- EGR) ile sağlanır.
H/Y oranı 15/1 oranına getirildiği zaman nitrojenin oksitlenmesi daha da artmaktadır
ve NOx oranında büyük bir artış görülmektedir. H/Y oranını 18/1 veya 20/1 seviyelerinde
tuttuğumuz zaman yanma sonu sıcaklığı düştüğü için NOx miktarında da düşme meydana
gelmektedir. Öte yandan karışım oranının fakirleşmesinden dolayı da motor performansında
büyük bir düşme meydana gelmektedir. Silindir içine giren havanın içeriğindeki gazlar:
%75.5 Nitrojen ve %23 ise oksijenden oluşmaktadır. Bu iki element normal koşullarda tehlike
arz etmez iken yüksek sıcaklıklarda birleşerek NOx gazını oluşturmaktadır. Bu iki elementin
silindir içinde birleşmesi 1370 °C’de olmaktadır. Bu yanma sonundaki sıcaklığı düşürmek
amacıyla yanma odası içerisine egzoz gazları tekrar gönderilir ve egzoz gazlarının
seyreltilmesi sonucu yanma sonu sıcaklıkları, dolayısıyla üretilen NOx miktarı düşmektedir.
Uygulanan bu metotta karışım içine bir miktar egzoz gazı verilerek yanmayı biraz
olsun kötüleştirerek yanma sonu sıcaklığını düşürmek suretiyle NOx miktarını düşürmektedir.
Motor dizaynına bağlı olarak emme manifolduna giren egzoz gaz miktarı %6 ile %13 arasında
değişir. Benzinli motorlarda, egzoz gazı geri dolaşımı yanma odasına emilen toplam dolgunun
%10’u düzeyinde olduğundan NOx emisyonu % 50- 60 kadar azalmaktadır. Zengin H/Y
karışımını seyreltmek amacıyla N2, su buharı ve CO2 gazı silindir içerisine emdirilerek yanma
sonunda egzoz gazlarının emisyonları azaltılmaktadır. Benzin motorunda bu yöntemin,
yakıtın daha hızlı buharlaşarak karışımın oluşmasını hızlandırma ve tutuşmaya hazırlama gibi
bir faydası da vardır, EGR sistemi benzinli motorların verimini arttırır. Bu şekilde, özellikle
düşük yüklerde HC ve CO emisyonlarında da iyileşme elde edilmektedir. Egzoz gazlarındaki
NOx miktarı, emme anındaki nitrojene, oksijenin miktarına, yanma sonu sıcaklığına ve bu
sıcaklıkta kalma sürecine bağlıdır.
7. EURO NORMLARI
Tüm dünyada kanun koyucular çevreyi korumak için motorlu araçların egzoz
salınımlarını daha az zararlı hale getirmeye çalışmaktadır. Bu amaçla otomotiv firmalarına
ürettikleri araçların egzoz gazlarındaki zararlı gazların azaltılması zorunluluğu
getirilmektedir. Türkiye'de 2008 yılı itibariyle geçerli olan egzoz normu EURO 1 olup Ocak
2009'dan itibaren EURO 4 normuna geçilmiştir. Bu tarihten itibaren Türkiye'de üretilen tüm
araçlar EURO 4 normuna uygun olmak zorundadır.
Bir dizel motorda yakıt yandığında egzoz gazında kirletici maddeler olarak bilinen
azot oksitler (NOx), karbon oksitler (COx), hidrokarbonlar (HC) ve partiküller (ince toz veya
kurum) oluşur.
•Azot Oksitler (NOx): Yüksek sıcaklıktaki yanma sonucu oluşur. Yağmur suyuyla
karışarak aside dönüşür.
•Karbon Monoksit (CO): Verimsiz yanma sonucu çıkar. Renksiz kokusuz, tahriş
etmeyen ancak çok zehirli bir gazdır. Aynı zamanda karbondioksitten daha güçlü şekilde sera
etkisine yol açar.
•Hidro Karbon: Yanmamış yakıttan kaynaklanan uçucu yakıt buharıdır.
•Parçacık Maddeler (PM): 2.5 µm’den küçük, bronşları dolduran parçacıklardır.
EURO emisyon normları, üretilen her birim güç için motor tarafından salınabilecek
azami kirletici madde düzeyini belirlemektedir. Üretici firmalar, araçlarının çıkardığı egzoz
gazının EURO normlarına uygun olmasını sağlamak zorundadır.
2008 yılı sonu itibariyle 5 farklı EURO normu tanımlanmıştır. EURO 5, en sıkı norm
olup, EURO 1’e göre gazlarda %86, partiküllerde ise %98 azaltma yapılmasını şart
koşmaktadır.
Avrupa Birliği’nde EURO normları 1990 yılından beri uygulanmaktadır ve yürürlükte
olan EURO normları giderek yükseltilmektedir. 2008 yılı sonu itibariyle Avrupa Birliği’nde
geçerli olan norm EURO 4’tür. Ekim 2009’da ise EURO 5 normu mecburi hale gelecektir.
Türkiye’de ise Ocak 2009’dan itibaren EURO 4 normu mecburi hale gelmiştir. 1 Ocak
2009 tarihinden itibaren üretilecek ya da ithal edilecek tüm araçlar EURO 4 normuna uygun
olmak zorundadır.
Tablo 2. Benzin Motorlu Araçlar İçin Emisyon Değerleri (* Direk Enjeksiyonlu)
Tablo 3. Dizel Motorlu Araçlar İçin Emisyon Değerleri
8. YANMA DENKLEMİ
Yakıtın elemanter analizi ile 1 kg yakıttaki kütle kesirleri karbon (c’), hidrojen (h’)
kükürt (s’) olarak bulunmuş olsun. Yakıt 1kg alındığı için yakıtta bulunan elementlerin mol
sayıları şöyle hesaplanır. C, h ve s sırasıyla karbon, hidrojen ve kükürdün mol sayıları olsun.
C=c’*1/12.015 mol; h=h’*1/1.008 mol; s=s’*1/32.064 mol
Buradan yakıtın basit formülü CcHhSs olarak bulunur. Normal benzinin elemanter
analizi sonucu yaklaşık;
c’=0,8491, h’=0,1589 ve s’=0.006 olarak bilinmektedir.
Bu yakıtın mol kütlesi My=99 kg / kmol olup,
C=0,8491*99/12.015=6,9987 kmol C / kmol yakıt
H=0,1589*99/1.008=15,6 kmol H / kmol yakıt
S=0.006*99/32.064=0,001825 kmol S / kmol yakıt
Dolayısıyla yakıtın kapalı formülü C6.999H15.6S0.001825 olarak bulunur. Kükürt oranı çok
düşük olduğu için yakıtın formülü C7H16 şeklinde düzenlenebilir.
C7H16 + λS(O2 + 3.76N2)
kCO2 + mH2O + nN2
λ=Hava fazlalık katsayısı (HFK) ve S.k.m.n = Teorik yanma denklemindeki katsayılardır.
Şekil 1. HC, NOx, CO, M, b – λ İle Olan İlişkisi
9. BENZİN MOTORLU TAŞITTA EMİSYON ÖLÇÜMÜ
Dizel motorlu taşıtlarda olduğu gibi rölanti hızı, maksimum güç hızı, hızlanma
durumu (2500 dev/dak’dan 3500 dev/dak’ya çıkana kadar), yavaşlama durumu (3500
dev/dak’dan 2500 dev/dak’ya düşene kadar) ve orta devirde kararlı hal (3500 dev/dak)
durumları için ölçümler alınacaktır.
Ölçümlere başlamadan önce motor normal çalışma sıcaklığına ulaşılmalıdır. Dizelde
olduğu gibi motor 10dakika çalıştırıldıktan sonra ölçümlere başlanmalıdır. Ölçüm esnasında
jigle çalışır durumda olmamalıdır. Taşıt yatay zeminde olmalıdır. Egzoz sisteminde sızıntı
olmamalıdır. Motor rölantide çalışırken egzoz borusu çıkışı geçici bir süre için tıkanarak
bağlantı yerlerinden gaz kaçağı olup olmadığı kontrol edilmelidir. Ölçüm cihazının
çalıştırıldığı yer yağmur, kar ve güneş ışığına, önemli sayılabilecek titreşimlere, ölçüm
sonuçlarını etkileyebilecek seviyede korozif ve kirli atmosfere ve elektromanyetik alanlara
maruz kalmamalıdır. Cihaz probu egzoz çıkış borusuna en az 300 mm girecek şekilde
yerleştirilmelidir.
10. RAPOR HAZIRLANIŞI
a)
Deneyin amacı, içeriği ve yapılışını kısaca anlatınız.
b)
ECE/EC, FTP 75, STFP, Japon test çevrimlerini ve yeni avrupa sürüş çevrimi (NEDC)
terimlerini açıklayınız.
c)
CH4, C2H2, C3H8, C8H18 ve C7H16 yakıtları için teorik tam yanma denklemini yazarak
karışım oranlarını hesaplayınız. C7H16 için deneyde ölçülen ürünlerle karşılaştırınız ve farkları
yorumlayınız.
d)
C7H8, CH3OH, C4H10, C12H24 ve C15H28 yakıtları için yüzde yüzeli hava ile yakılması
durumu için yanma denklemini yazarak karışım oranlarını hesaplayınız.
e)
Havadaki azotun (N2) ve nemin yanma işleminin sonucu etkisi üzerindeki etkisini
açıklayınız. Hava yakıt oranı, stokiometrik oran, mutlak nem, alt ısıl değer, kısmı eksik
yanma, emisyon terimlerini açıklayınız.
2.6.
GÖZENEKLİLİK ÖLÇÜM DENEYİ
1. Deneyin Adı
Helyum piknometresi ile gözeneklilik ölçümü deneyi.
2. Deneyin Amacı
Bu deneyin amacı, katı haldeki yalıtım, yapı, kompozit, polimer, seramik ve metalik
malzemelerin içerisinde bulunan boşluk miktarlarını ölçüm standartlarına göre belirlemektir.
3. Deney ile İlgili Genel Bilgiler
3.1.
Tanımlar, Terimler, Kısaltmalar ve ilgili Dokümanlar
Bu deney föyünde kullanılan tanım ve terimlerin açıklaması:
Standartlar
: TS EN 1015-10, TS EN 772-4, TS EN 772-13standartları
OS
: Oda Sıcaklığı
Deney
: Gözeneklilik Ölçüm Deneyi
Cihaz
: Piknometre, Ultrapycnometer,1000
İlgili Dokümanlar
TS EN 1015-10
2001 Standardı
TS EN 772-4
2000 Standardı
TS EN 772-13
2002 Standardı
Dış Doküman
Quantachrome Instruments Operating Manual
3.2.
Deney Föyünün Ayrıntısı
3.2.1.Kullanılan Cihaz ve Malzemeler
Gözeneklilik(porozite)
deney
cihazı
“Piknometre”
olarak
anılır
ve
markası
”Ultrapycnometer1000”dir.
3.2.2.Deney Numunesinin Hazırlanışı
Deneyler için KÜMLAB içerisinde numune hazırlanmaz ancak nemli gelen numunelerin
kurutulması yapılır. Deney talebinde bulunan firmalar deney numunelerini verilen ölçüler
çerçevesinde hazırlanmış olarak getirmeleri gerekmektedir. Deney numuneleri boyutları için
geliştirilmiş farklı hacimlerde numune kapları mevcuttur. Bu deney için numune boyutlarından
ziyade toz, kırık parçalar veya deneyi yapılacak gözenekli malzemenin kendisi deney
yapılacak cihaz haznesi içerisine bırakılarak ölçüm gerçekleştirilmektedir.
3.2.3.Deneyin Yapılışı
3.2.3.1.Hazırlık
Deneye başlamadan önce laboratuvarda deney için elektrik, su ve helyum gazı gibi
girdilerin olup olmadığı kontrol edilir.
3.2.3.2.Deney İşlemi
Kullanılacak Cihaz
: Piknometre, Ultrapycnometer,1000
Deney başlamadan önceki işlemler tamamlandıktan sonra olumsuz bir durum yoksa ve
deney başlatılabilecek duruma gelinmiş ise aşağıdaki işlem adımları takip edilerek deney
yapılır.
Piknometre cihazının direkt olarak bilgisayar yazılımı ile yönlendirilmesi yapılmamakta
olup analiz işlemleri cihaz üzerinde bulunan ekran ve klavye yardımıyla yapılmaktadır.
Bilgisayar bağlantısı sadece cihazda elde edilen sonuçların görüntülenmesi ve saklanması
amacıyla kullanılmaktadır.
a.
Piknometre cihazı çalıştırıldığı zaman cihaz ekranında aşağıda görüldüğü şekilde sekiz
farklı seçenek, sırasıyla ekranda görülecektir. Bu seçeneklerden Run seçeneği numerik
klavyeden 1 tuşuna basılarak seçilir.
Ultrapycnometer V 2.2
1 - Run
b.
Analizimizde kullanacağımız numunenin büyüklüğüne bağlı olarak numune kabını
seçmemiz için karşımıza seçim ekranı gelecektir. Cihazla birlikte kullanılan numune
kaplarını üç farklı iç hacme sahip olup; 1 en büyük hacimli, 2 orta, 3 ise en küçük
hacimli kabı teslim etmektedir. Buna göre ölçümü yapılacak numunenin büyüklüğüne
bağlı olarak numune kabı seçilir ve buna karşılık gelen değeri (1, 2 veya 3) cihaz
ekranına girilerek “Enter” tuşuna basılır.
Choose Cell Size
Cell Size:
c.
Ölçümü yapılacak ve ölçüm kabı içerisine konulacak malzeme hassas terazide tartılarak
gram cinsinden belirlenen değeri cihaz ekranına girilir ve giriş işlemi tamamlandıktan
sonra “ENTER” tuşuna basılır. Girilen değerde yanlışlık olması durumunda “CLEAR”
tuşu kullanılarak düzeltme yapılır.
EnterWeight
Weight: 0.0000grams
d.
Yapılan analizi ve numuneyi tanımlamamız için numune isimlendirilir. Cihaz
ekranında aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi isim numune adı ekranı giriş için kullanılır.
Numune adı 16 karakter uzunluğunda girilebilir. Nümerik değerler direkt olarak tuş
takımından, diğer karakterler ise aşağı ve yukarı yön ok işaretleri kullanılarak girilir,
diğer karakter girişine geçmek için “ENTER” tuşuna basılır.
EnterSample ID
ID:123456ABCDEF
e.
Yapılan analiz için ölçümün ne şekilde yapılacağı seçilir. Eğer Single seçilirse
piknometre bir defa çalışarak tek ölçüm yapacak ve “MaxRuns” ve “%Deviation”
pencereleri görünmeyecektir. Eğer Multi Run seçilirse, çalışmanın maksimum sayısını
ve izin verilen yüzde sapma değerleri girilerek analize devam edilecektir.
Run Mode
1 – Single
2 – Multi Run
Maksimum çalışma sayısı (3-100) arasında bir değer girilebilir. Numune için istenilen
analiz çalışma sayısı girildikten sonra “ENTER” a basılarak sonraki adıma geçilir.
Multiple Run Mode
EnterMax. Runs:
Daha sonra istenilen yüzde sapma değeri girilir. Yüzde sapma değeri 0.001 ile 100
arasında herhangi bir değer olabilir.
Enter Run Deviation
Deviation:
%
h.
Çalışma sayısı ve yüzde sapma değerleri girildikten sonra yapılacak analiz sonuçlarının
yazdırılmasının istenip istemediği sorulur. Burada isteğimize göre seçip yapılarak
“ENTER” tuşuna basılır.
Print at End Run?
1 – Yes
2 - No
l.
Piknometre cihazının haznesinin ne şekilde temizlenmesini istediğimiz sorulur. Üç
farklı temizleme (boşaltma) metodunu mevcuttur. Bunlardan 1-Flow seçilerek
“ENTER” tuşuna basılır.
EnterPurgeMode
1 - Flow 2 - Pulse 3 - Vac
k.
Tüm bu işlemler tamamlandıktan sonra “ENTER” tuşuna tekrar basılarak analiz
başlatılır.
PressEnterto Start
m.
Analiz tamamlandıktan sonra sonuçlar cihaz ekranından veya yazıcıdan çıktı alınarak
veya bilgisayar ekranından sonuçlar izlenir.
Run Completed
Pres PRINT toPrint
3.2.4.Hesaplamalar
3.2.4.1. .Piknometre için Teorik Analiz
Başlangıçta cihaz hacimleri boş ve deney için hazır kabul edilir.
Sızdırmaz olarak tasarlanmış numune hücresi hacmi, ܸ௖ ‘dir.
Selenoid vana açılıp, sistem basıncı ortam basıncına eş olduğu durumdaki basınç ܲ௔ ‘dır.
Sistem için,
ܲ௔ ܸ௖ = ܴ݊ܶ௔
(1)
Burada,
n:mol sayısı
ܸ௖ : ܲ௔ basıncındaki gazın sahip olduğu hacim
R: Gaz sabiti
ܶ௔ :Kelvin cinsinden ortam sıcaklığı
Eğer hacmi ܸ௣ olan bir katı numune yerleştirilirse,
ܲ௔ ൫ܸ௖ − ܸ௣ ൯ = ݊ଵ ܴܶ௔
(2)
Ortam basıncı değiştiği zaman sistemin durumu,
ܲଶ ൫ܸ௖ − ܸ௣ ൯ = ݊ଶ ܴܶ௔
(3)
Burada ܲଶ sistemin üzerindeki basınç ve ݊ଶ toplam mol sayısını temsil etmektedir.
Selenoid valf açıldığındaki hacim ܸ஺ ,bu durumda azalan basınç ܲଷ ü veren denklem
ܲଷ (ܸ஼ − ܸ௉ + ܸ஺ ) = ݊ଶ ܴܶ௔ + ݊஺ ܴܶ௔
(4)
Burada ݊஺ , ortam basıncında numune hücresindeki gazların toplam mol sayısıdır.
ܲ௔ ܸ஺ terimi ݊஺ ܴܶ௔ yerine (4) numaralı denklemde kullanılırsa,
ܲଷ (ܸ஼ − ܸ௉ + ܸ஺ ) = ݊ଶ ܴܶ௔ + ܲ௔ ܸ஺
(5)
(3) numaralı eşitlik (5) numaralı denklemde kullanılırsa,
ܲଷ (ܸ஼ − ܸ௉ + ܸ஺ ) = ܲଶ ൫ܸ௖ − ܸ௣ ൯+ܲ௔ ܸ஺
(6)
veya
(ܲଷ − ܲଶ )൫ܸ௖ − ܸ௣ ൯ = (ܲ௔ − ܲଷ )ܸ஺
(7)
elde edilir.
Denklem düzenlenirse,
ܸ௣ = ܸ௖ − (௉
(௉ೌ ି௉య )௏ಲ
య ି௉ೌ )ି(௉మ ି௉ೌ )
ܸ௖ − ܸ௣ =
= ܸ௖ +
௏ಲ
ುమ షುೌ
ଵି
ುయ షುೌ
(௉ೌ ି௉య )௏ಲ
௉య ି௉మ
(9)
(8)
Eğer ܲ௔ basıncı sıfır(0) olarak kabul edilir ve denklem düzenlenirse,
ܸ௣ = ܸ௖ +
௏ಲ
௉
ଵି( మൗ௉ )
య
(10)
Denklem (10) PİKNOMETRE ‘nin çalışma denklemidir.
3.2.4.2.Ölçüm Belirsizliğinin Hesaplanması
Ölçüm Belirsizliği birçok nedenden kaynaklanabilir. Bu deney laboratuvarındaki yapılacak
olan deneyler bir temel büyüklük üzerine kurulu olmadığından bir başka deyişle birim boyut
ölçümleri olmadığından cihazların belirsizliği önem kazanmaktadır. Çünkü cihaz türetilmiş bir
büyüklük değerini kullanıcıya vermektedir. Örneğin ısıl iletkenlik birimi W/mK olduğundan
enerji, uzunluk ve sıcaklık gibi büyüklüklerden ısıl iletkenlik belirlenmektedir. Ancak
büyüklüklerin ayrı ayrıölçüm belirsizliğine tabi tutulmaları mümkün değildir. Böylece cihazın
ölçüm belirsizliği zaten bunları kapsamaktadır.
 ே = ݂ (  ே ) =  ோ + ߜ
 ே = ݂ (  ே ) =  ோ + ߜ  ோ + ߜ ே + ߜ  ெ
ோ ∶ ‫݅ܥ‬ℎܽ‫ ݊ܽ݀ݖ‬Ö݈çü݈݁݊ ‫݁ܦ‬ğ݁‫ݎ‬
ߜோ ∶ ‫݅ܥ‬ℎܽ‫݇ݐܽܭ ݈݇݅ݖ݅ݏݎ݈݅݁ܤ ݈݊ܽ݊ܽ݇ܽ݊ݕܽ݇ ݊ܽ݀ݖ‬ı‫ݏ‬ı
ߜே : ܰ‫݇ݐܽܭ ݈݇݅ݖ݅ݏݎ݈݅݁ܤ ݈݊ܽ݊ܽ݇ܽ݊ݕܽܭ ݊݁݀݁݊ݑ݉ݑ‬ı݈ܽ‫ݎ‬ı
ߜெ ∶ ‫ݐ݁ܯ‬ℎ‫݇ݐܽܭ ݈݇݅ݖ݅ݏݎ݈݅݁ܤ ݈݊ܽ݊ܽ݇ܽ݊ݕܽܭ ݊ܽ݀݀݋‬ı݈ܽ‫ݎ‬ı
Belirsizliklerin ana başlıklarını yukarıdaki şekilde tanımladıktan sonra bunların açınımı
yapılır ve deneylere özgü tanımlamalar şekline dönüştürülürse aşağıdaki belirsizlik katkıları deney
sonucuna etki eden büyüklükler olduğu söylenebilir.
a. Kalibrasyon sertifikası veya numunesinden,
b. Çözünürlükten,
c. Tekrarlanabilirlik ölçümlerinden,
d. Sıcaklık değişiminden gelen belirsizlik katkılarıdır.
3.2.4.3.Piknometre için Belirsizlik Analizi
ܸ௣ = ܸ௖ +
ܸ஺
1 − ( ܲଶ Τܲଷ )
Burada;
ܸ௣ = Katı numunenin hücreye yerleştirildiği zamanki ilk hacmi
ܸ௖ = Hücrenin hacmi
ܸ஺ = selenoid valf açıldığı zamanki hacim
ܲଶ = ortam üzerindeki basınç
ܲଷ = azalan basınç
Sistemde ölçülmek istenen büyüklük ܸ௣ , ܸ௣ ‘nin hata oranı ‫ݓ‬௏೛ formüldeki değişkenlere
ait hata oranları ‫ݓ‬௏೎ , ‫ݓ‬௏ಲ , ‫ݓ‬௉మ , ‫ݓ‬௉య ‘dir. ܸ௣ ‘nin hata oranı ‫ݓ‬௏೛ eşitlik 1’deki gibidir.
ଶ
డ௏೛
డ௏೛
ଶ
డ௏೛
ଶ
డ௏೛
ଶ ଵΤଶ
‫ݓ‬௏೛ = ൤ቀ డ௏ ∗ ‫ݓ‬௏೎ ቁ + ቀడ௏ ∗ ‫ݓ‬௏ಲ ቁ + ቀడ௉ ∗ ‫ݓ‬௉మ ቁ + ቀడ௉ ∗ ‫ݓ‬௉య ቁ ൨
೎
ಲ
మ
ܸ௖ =…
‫ݓ‬௏೎ =…
ܸ஺ =…
‫ݓ‬௏ಲ =…
ܲଶ =…
‫ݓ‬௉మ =…
ܲଷ =…
‫ݓ‬௉య =…
ܸ௣ = değerler yerine yazılır, formülden hesaplanır.
డ௏೛
డ௏೎
డ௏೛
డ௏ಲ
డ௏೛
డ௉మ
డ௏೛
డ௉య
=1
ଵ
= ଵି(௉
=…
మ Τ௉య )
=
=
ି௏ಲ (ିଵΤ௉య )
൫ଵି(௉మ Τ௉య )൯
௏ಲ ∗௉మ Τ௉య మ
൫ଵି(௉మ Τ௉య )൯
మ
=…
మ
=…
‫ݓ‬௏೛ = değerler yerine yazılır, formülden hesaplanır.
% ‫ݓ‬௏೛ =
………………………………………………
య
(1)
ଶ
‫ݓ‬௏೛
ଶ
ଶ
ଶ
߲ܸ௣
߲ܸ௣
߲ܸ௣
߲ܸ௣
= ൥ቆ
∗ ‫ݓ‬௏೎ ቇ + ቆ
∗ ‫ݓ‬௏ಲ ቇ + ቆ
∗ ‫ݓ‬௉మ ቇ + ቆ
∗ ‫ݓ‬௉య ቇ + (‫ݓ‬௖௔௟ )ଶ
߲ܸ௖
߲ܸ஺
߲ܲଶ
߲ܲଷ
ଵΤଶ
+ (‫ݓ‬௧௘௞ )ଶ ቉
డ௏೛
డ௏೎
డ௏೛
డ௏ಲ
డ௏೛
డ௉మ
డ௏೛
డ௉య
=1
=
=
=
ଵ
=…
ଵି(௉మ Τ௉య )
ି௏ಲ (ିଵΤ௉య )
൫ଵି(௉మ Τ௉య )൯
௏ಲ ∗௉మ Τ௉య మ
൫ଵି(௉మ Τ௉య )൯
మ
=…
మ
=…
‫ݓ‬௖௔௟ =…
‫ݓ‬௧௘௞ =…
‫ݓ‬௏೛ ’yi bulabilmek için bilinmeyenler denklemde yerine yazılır ve hesaplanır.
2.7 IŞINIMLA ISI GEÇİŞİ DENEYİ
1. AMAÇ VE KAPSAM
Işınımla ısı geçişi deneyi, Deney A ve Deney B şeklinde iki kısımdan oluşmakta olup A
deneyinde; bir yüzey üzerindeki ışınım şiddetinin, ışınım kaynağıyla yüzeyin kaynağa olan
uzaklığının karesiyle ters orantılı olduğunun gösterilmesi, B deneyinde ise Stefan-Boltzman
Kanunu’nun gösterimi ve ışınım şiddetinin sıcak kaynağın sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle
değiştiğinin gösterilmesi amaçlanmıştır.
2. GENEL BİLGİLER
İki sistem arasında veya sistemle çevresi arasında bir sıcaklık farkı olduğu zaman enerji
transfer edilmektedir. Yalnız sıcaklık farkından dolayı bir sisteme transfer edilen bu enerjiye,
termodinamikte ısı enerjisi denilmektedir. Diğer taraftan termodinamiğin ikinci kanununa
göre ısı, sıcak bir sistemden daha soğuk bir sisteme doğru akmaktadır. Isı doğrudan doğruya
ölçülemez ve gözlenemez, ancak doğurduğu tesirler gözlenebilir ve ölçülebilir. Belirli bir
sıcaklık farkından dolayı birim zamanda geçen ısı miktarının hesabı, mühendislik açısından
çoğu zaman önemli bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Isı, bir sistem ile sistemin
çevresi arasında yalnız sıcaklık farkından dolayı geçen bir enerji şeklidir. Bu enerji miktarı,
aşağıdaki ısı geçiş şekillerinden birisi, ikisi veya üçü birden kullanılarak belirlenebilir.
Radyasyon veya Işınım, elektromanyetik dalgalar veya parçacıklar biçimindeki enerji
yayımı ya da aktarımıdır. Radyoaktif maddelerin alfa, beta, gama gibi ışınları yayması”na
veya uzayda yayılan herhangi bir elektromanyetik ışını meydana getiren unsurların tamamı”na
da radyasyon denir. Bir maddenin atom çekirdeğindeki nötronların sayısı, proton sayısına göre
oldukça fazla ise; bu tür maddeler kararsız bir yapı göstermekte ve çekirdeğindeki nötronlar
alfa, beta, gama gibi çeşitli ışınlar yaymak suretiyle parçalanmaktadırlar. Çevresine bu şekilde
ışın saçarak parçalanan maddelere radyoaktif madde (”ışınımsal madde”) denir.
Emisyon (Işıma gücü - ), bir materyalin yüzeyinin nispi olarak radyasyon ile enerji yayma
yeteneğidir. Ayrıca emisyon, aynı sıcaklıkta, belirli bir materyalin yaydığı enerjinin, bir kara
cisim tarafından yayılan enerjiye oranı olarak da ifade edilmektedir. Bir gerçek nesne için 1>
koşulu olduğu zaman, gerçek bir kara cisim için = 1’dir. Emisyon boyutsuz bir niceliktir.
Genel olarak; ametaller(özellikle saydam olmayanlar) yüksek emisyon(ışıma eğilimi/gücü)
göstermektedir. Bundan farklı olarak, metallerin emisyonu ise metallerin türlerine ve yüzeylerinin durumuna göre değişiklik göstermektedir. Yüzeyi pürüzlü olan, oksitlenmiş metallerden
farklı olarak, yüzeyi pürüzsüz olan metaller, düşük emisyon göstermeye eğilimlidir. Örneğin,
yüzeyi pürüzsüz olan gümüşün emisyonu 0.002’dir.
Her cisim mutlak sıfırın üstündeki her sıcaklıkta ışıma yapar, fakat bu ışımanın şiddet ve
frekans dağılımı cismin detaylı yapısına bağlıdır. Işımanın anlaşılabilmesi için ışıma yapan
cismin özelliklerinin belirlenmesi gerekir. Bundan dolayı bu ışımanın fiziksel anlamı için en
iyi ve en basit mümkün model, mükemmel bir soğurucu ve dolayısıyla yayıcı olan bir cismi
düşünmektir. Bu ideal yayıcı ve soğurucu cismi ideal siyah cisim olarak adlandırılır.
Kara cisim ışıması incelenirken herhangi bir metalden oluşan içi oyuk bir cisme ışığın
girmesi için bir delik açılır. Cisim oda sıcaklığında ise delikten cismin içine giren ışık, içeride
kalır. Deliğin boyutu cismin boyutuna göre küçükse içeri giren ışığın az miktarda da olsa dışarı
çıkma ihtimali vardır. Bu şekilde içeri giren ışığın çok büyük bir kısmını soğuran maddelere
siyah cisim- denir. İdeal siyah cisim, elektromanyetik dalgaların tüm dalga boylarını soğuran
ve ısıtıldığında tüm dalga boylarında enerji yayan cisimdir.
Gri yüzey, yüzeyin yaydığı ışınımın ve yüzeye gelen ışınımın dalgaboyu
aralıklarında spektral yutma oranı ve yayma oranı dalgaboyundan bağımsız olan yüzey olarak
adlandırılır.
Üzerine gelen ışınımın yansıma açısının, geliş açısına eşit olduğu yüzeyler specular yüze
olarak adlandırılırlar.
Yayma oranı, yüzeyin yaydığı ışınımın aynı sıcaklıktaki siyah cismin yaydığı ışınıma oranı
olarak isimlendirilir.
Yutma oranı, cisim tarafından yutulan ışınımın gelen ışınıma oranıdır.
Q =I eFsAT 4
(1)
Burada;
e
s
F
: Işınım yayma katsayısı
: Stefan-Boltzman sabiti,,
: Şekil faktörü,
(-)
(s = 5.67·10-8 W/(m2×K4))
(-)
Işınımla olan ısı geçişi için iki deney yapılacaktır.
3. DENEY TESİSATI
Şekil 1. Deney düzeneğinin ana ünitesi
4.DENEYİN YAPILIŞI
Deney A: Bir yüzey üzerindeki ışınım şiddetinin, ışınım kaynağıyla yüzeyin kaynağa olan
uzaklığının karesiyle ters orantılı olduğunun gösterilmesi.
Şekil 1’de gösterilen servis biriminde (HT 10 X) A anahtarı (I) konumuna getirilir.
Ölçümleri yapmak için Şekil 1’de gösterilen düzenekte E düğmesi; V konumuna getirilerek
sistemin voltaj değeri, I konumuna getirilerek sistemin çektiği akım değeri, R konumuna
getirilerek ışınım miktarı D göstergesinden okunur. Voltaj değerini artırmak veya azaltmak
için Şekil 1’deki C düğmesi istenilen değere ayarlanır. Sistem kararlı duruma gelinceye kadar
(sıcak yüzey sıcaklığı sabit oluncaya kadar) çalıştırılır. Kararlı duruma geldikten sonra;
ölçümleri yapmak için Şekil 1’de (HT 10 X) gösterilen servis biriminde G anahtarı; T9
konumuna getirilerek çevre sıcaklığı ve T10 konumuna getirilerek yüzey sıcaklığı değeri J
göstergesinden okunur. Radiometre mesafesi değiştirilerek çeşitli R değerleri okunur. Okunan
değerler ilgili formüllerde yerlerine konularak hesaplamalar yapılır.
Verilen Sabitler
C
: Işınım ölçer (radiometer) düzeltme faktörü,
(C = 30.12)
Okunan Değerler
T9
: Ortam sıcaklığı,
T10
: Plakanın yüzey sıcaklığı,
X
: Işınım ölçer (radiometer) ile sıcak plaka arasındaki mesafe,
R
: Işınım akısı,
(ºC)
(ºC)
(mm)
(W/m2)
Deney Sonucunda Hesaplanacak Değerler
Rc: Düzeltilmiş ışınım akısı, (W/m2)
Kullanılacak Formüller
Rc = C*R
Deney No
Rc (W/m2)
logRc
X (mm)
logX
1
2
3
4
İstenilen Grafikler
logRc
logX
Sonuçlar ve Karşılaştırmalar: Bir yüzeydeki ışınım şiddeti ve mesafe arasındaki aşağıdaki
grafiğin yorumunun yapılması.
Deney B: Stefan-Boltzman Kanununun gösterimi. Işınım şiddetinin sıcak kaynağın
sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle değiştiğinin gösterilmesi.
Şekil 1’de gösterilen servis biriminde (HT 10 X) A anahtarı (I) konumuna getirilir.
Ölçümleri yapmak için Şekil 1’ de gösterilen düzenekte E düğmesi; V konumuna getirilerek
sistemin voltaj değeri, I konumuna getirilerek sistemin çektiği akım değeri, R konumuna
getirilerek ışınım miktarı D göstergesinden okunur. Voltaj değerini artırmak veya azaltmak
için Şekil 1’deki C düğmesi istenilen değere ayarlanır. Sistem kararlı duruma gelinceye kadar
(sıcak yüzey sıcaklığı sabit oluncaya kadar) çalıştırılır. Kararlı duruma geldikten sonra;
ölçümleri yapmak için Şekil 1’de (HT 10 X) gösterilen servis biriminde G anahtarı; T9
konumuna getirilerek çevre sıcaklığı ve T10 konumuna getirilerek yüzey sıcaklığı değeri J
göstergesinden okunur. Radiometre mesafesi sabit olarak durdurulur. Sıcak kaynağın sıcaklığı
değiştirilir. Her durum için çeşitli R değerleri okunur. Okunan değerler ilgili formüllerde
yerlerine konularak hesaplamalar yapılır.
Verilen Sabitler
C
: Işınım ölçer (radiometer) düzeltme faktörü,
s
: Stefan-Boltzman sabiti,
(C = 30.12)
(s = 5.67·10-8 W/(m2×K4))
Okunan Değerler
T9
: Ortam sıcaklığı,
T10
: Plaka yüzey sıcaklığı,
X
: Işınım ölçer (radiometer) ile sıcak plaka arasındaki mesafe,
R
: Işınım akısı,
Deney Sonucunda Hesaplanacak Değerler
Rc
: Düzeltilmiş ışınım akısı,
4
Ts
: Kaynak sıcaklığının dördüncü kuvveti,
Ta4
: Ortam sıcaklığının dördüncü kuvveti,
qb
: Işınım miktarı,
F
: Hesaplanan akı ile ölçülen akı oranı,
(ºC)
(ºC)
(mm)
(W/m2)
(W/m2)
(K4)
(K4)
(W/m2)
(-)
Kullanılacak Formüller
Rc = C*R
Ts = T10 + 273.15
Ta = T9 + 273.15
qb = s*(Ts4-Ta4)
F = qb/Rc
Deney No
1
2
3
4
T10 (ºC)
T9 (ºC)
R (W/m2)
X (mm)
Sonuçlar ve Karşılaştırmalar: Stefan-Bolztman Kanunu’nun yorumunun yapılması.
5. GENEL DEĞERLENDİRME VE SONUÇ
a) Işınım şiddetinin yayma katsayısı ile ilişkisini,
b) Işınım şiddetinin gelen ışınımla ilişkisini,
c) Işınım şiddetinin giden ışınımla ilişkisini açıklayınız.
2.8.
İKLİMLENDİRME DENEYİ
1. GİRİŞ
İklimlendirme, yaşanılan ortamlarda solunulan ve içerisinde nem de bulunan havanın
konfor şartlarına getirilmesi anlamını taşır. Çevremizdeki hava, insan bedeninin gereksinim
duyduğu sıcaklık ve nem değerlerine sahip değilse, insan bulunduğu ortamda rahatsızlık
duyar. Bu rahatsızlığın kaynağı, bedende üretilen enerjinin ısı formunda çevre atmosferine
atılması işleminin, yüksek sıcaklık ve yüksek nem değerleri sebebiyle, giderek zorlaşması
veya hava sıcaklığının çok düşük olması sonucu bedende üretilen enerjinin bedenin ısıl
dengesini sağlayacak miktarda olmamasıdır. Bir başka rahatsızlık kaynağı da, havadaki nem
miktarının çok düşük olmasıdır. Bu durum da yine solunum bölgelerindeki hızlı buharlaşma
sebebiyle istenmeyen bir durumdur. Bu tür rahatsızlıkları gidermek üzere çevre atmosferinin
kişilerce istenilen sıcaklık ve nem değerlerine getirilmesi, iklimlendirme yoluyla konforun
sağlanması olarak bilinir. Farklı parametrelere ve sübjektif değerlendirmelere bağlı olmasına
rağmen, çok hafif esintili (0.2-0.5 m/s), 20 oC sıcaklıkta ve % 50 bağıl nem taşıyan bir
atmosfer ortamı genel geçer bir konfor ortamı olarak tanımlanabilir.
Soluduğumuz hava, hacimsel bileşimi %21 oksijen ve %79 azot olarak kabul edilen hava
değildir. Hava içerisinde, 1 kg kuru havaya eşlik etmek üzere, yaklaşık 2 gr ile 20 gr arasında
değişen, genelde kızgın buhar fazında veya havanın neme doyma şartlarında doymuş buhar
fazında buhar bulunur. Bu sebeple solunulan hava nemli hava olarak tanımlanır ve bunun
kuru hava kısmı sabit, nem kısmı ise değişken kısım olarak değerlendirilir.
Kuru hava kendisini oluşturan bileşenler itibariyle, içerisindeki nem ise sahip olduğu düşük
kısmi basınç nedeniyle ideal gaz olma özeliklerini taşırlar. Böylece, nemli hava ikilisi de ideal
gaz kabul edilen ve kimyasal reaksiyona girmeyen iki bileşenden oluşan bir gaz karışımı
olarak ele alınır. Gaz karışımları için ortaya konan Gibbs – Dalton kanunlarına göre; nemli
havanın basıncı, kendisini oluşturan bileşenlerin, karışım hacmi ve karışım sıcaklığında kendi
başlarına sahip olacakları kısmi basınçların toplamına eşittir. Örneğin 101.325 kPa değerine
sahip standart atmosfer basıncında, su buharı 0.5 ile 3 kPa arasında değişen bir basınca sahip
iken, geri kalan kısım kuru havaya aittir. Yine aynı kanunların sonucu olarak, nemli havanın
hacmi, kendisini oluşturan bileşenlerin, karışım basıncı ve karışım sıcaklığında kendi
başlarına sahip olacakları kısmi hacimlerin toplamına eşittir. Ayrıca, her bileşene ait iç enerji,
entalpi, özgül ısı ve entropi değerlerinin toplamı karışımın ilgili özeliğini vermiş olur.
İki saf maddeden oluşan bir ideal gaz karışımı olarak ele alınan nemli havanın
termodinamik durumunun belirlenebilmesi için en az üç özeliğinin bilinmesine ihtiyaç vardır.
Ayrıca, nemli hava özelikleri psikrometrik özelikler olarak bilinir ve bu konuyla ilgilenen
bilim dalı psikrometri (psychrometry) olarak adlandırılır. Psikrometrik özelikler, nemli
havanın değişmeyen kısmı olan kuru havaya göre tanımlanır. Bu özelikler aşağıda sırayla
incelenmiştir.
2. ÇEŞİTLİ TANIMLAR
2.1 Özgül nem w (mutlak nem, nem oranı)
Verilen bir hacimdeki su buharı kütlesinin kuru hava kütlesine oranı olarak tanımlanır.
İdeal gaz bağıntıları da kullanılarak aşağıdaki değişik şekillerde ifade edilebilir. Eşitliklerde, v
su buharını, a ise havayı göstermektedir.
(1)
w = mv / ma = va / v = 0.622 pv/pa (kg w.v. / kg d.a.)
(2)
p = pa + pv
eşitliği kullanılarak,
(3)
w=0.622 pv / (p - pv)
olarak da yazılabilir. Bu tanımlamalardan, 1 kg kuru havaya eşlik eden nem miktarının w ile
verildiği; 1 kg kuru hava ile birlikte w kg su buharının işgal ettiği hacimde yer alan kütlenin
1+w olduğu; w’nin nem yüzdesi olmadığı, nem yüzdesinin w/(1+w) olduğu da
anlaşılmaktadır.
2.2 Çiğ noktası sıcaklığı, Td
Yukarıda da söylendiği gibi, T sıcaklığındaki bir nemli havada yer alan su buharı normal
olarak kızgın buhar fazındadır ve kısmi basıncı da pv dir. Bu formdaki su buharını içeren
nemli havaya doymamış hava denilir. Su buharının kızgın buhar fazında bulunduğu böyle bir
nemli hava (kuru hava + nem) sabit basınçta soğutulursa, su buharının kısmi basıncı için
belirlenmiş doyma sıcaklığında, ilk doymuş sıvı (çiğ) tanecikleri oluşmaya başlar. Bu sıcaklık
değeri, Td çiğ noktası sıcaklığı olarak bilinir. Pv’nin bilinmesi durumunda, Td buhar
tablolarından bulunabilir. Nemli havadaki nem’in uzaklaştırılması yöntemlerinden birisi de,
nemli havayı, sıcaklığı çiğ noktası sıcaklığının altında tutulan bir yüzeyle temas ettirmektir.
2.3 Doymuş hava, doyma basıncı
T sıcaklığında tutulan bir nemli hava hacmine su buharı ilave edilirse, kızgın buhar
fazındaki su buharının kısmi basıncı, T sıcaklığı için belirlenmiş ps doyma basıncına kadar
artar. Daha fazla su buharı ilave edilirse nemli hava ortamında doymuş sıvı tanecikleri
oluşmaya başlar, fakat basınç aynı kalır. Bu durumdaki hava, su buharı olarak tutabileceği en
büyük miktardaki nemi bulundurması sebebiyle doymuş hava olarak isimlendirilir. Bu
durumla eşleşen en büyük özgül nem,
(4)
ws = 0.622 ps / (p - ps)
eşitliğiyle verilir.
Nemli havanın T sıcaklığında sahip olduğu özgül nem’in, aynı sıcaklık için geçerli olan
özgül nem’e oranı ise μ doyma derecesi olarak bilinir, nemli havanın nem yutma kapasitesinin
bir ölçüsü olarak yorumlanır ve
(5)
μ = w / ws = (pv / ps) [1-(ps/p)] / [1 – (pv/p)]
eşitliğiyle tanımlanır.
2.4 Bağıl nem, Φ
Belirli bir T sıcaklığındaki nemli havanın, belirli bir hacminde bulunan su buharı
kütlesinin, aynı sıcaklık ve aynı hacimde doymuş hava bulunması durumundaki su buharı
kütlesine oranı bağıl nem olarak tanımlanır.
(6)
Φ = mv / ms = (V / vv) / (V/ vs) = vs / vv ve
(7)
pv vv = ps vs
ideal gaz bağıntısı kullanılarak,
(8)
Φ = pv / ps olarak elde edilir.
Son eşitlik, bağıl nem’in, verilen bir T sıcaklığında, nemli havadaki su buharına ait kısmi
basıncın, aynı sıcaklık için belirlenen doyma basıncına oranını göstermekte ve doymuş hava
için bağıl nem’in 1’e (%100) eşit olacağını ifade etmektedir. (1) numaralı eşitlikte
birleştirilerek,
(9)
Φ = (w/0.622) (pa/ps)
eşitliği de, iki önemli kavramı, özgül nem ve bağıl nem kavramalarını birbirine bağlayan bir
eşitlik olarak kullanılmaktadır.
2.5 Nemli hava entalpisi, h
Kuru hava ve su buharının oluşturduğu nemli hava, ideal gaz olarak değerlendirilebildiği
için entalpisi de kendisini oluşturan bileşenlerin entalpileri toplamıyla verilir.
(10)
h = ha + whv
Kuru hava ve su buharı için entalpiler sırasıyla,
(11)
ha = Cpa T = 1.005 T
(12)
hv = 2500 + 1.88T
eşitlikleriyle tanımlanarak (10) numaralı eşitlikte yerine yazılarak, nemli hava entalpisi,
(13)
h = 1.005T + w(2500 + 1.88T) (kJ/kgd.a.)
eşitliğiyle tanımlanır.
2.6 Kuru ve Yaş Termometre Sıcaklıkları; Td, Tw
Nemli hava ortamında bir standart termometre aracılığıyla ölçülen sıcaklık “ Kuru
Termometre Sıcaklığı” olarak bilinir ve Td veya DBT (dry bulb temperature) sembolleriyle
gösterilir. Termometre haznesi bir fitil veya pamukla sarılıp, sürekli nemli kalması sağlanır ve
nemli hava bir akım şeklinde termometre üzerinden geçirilirse, nemli hava akımı yoluyla
fitildeki suyun buharlaşmasıyla, fitil ve dolayısıyla termometre haznesinden çekilen ısı
sonucunda, haznedeki sıcaklık değeri düşer. Bu durumda termometrede okunan sıcaklık “Yaş
Termometre Sıcaklığı” olarak tanımlanır ve Tw veya WBT (Wet Bulb Temperature)
sembolleriyle gösterilir. Yaş termometre sıcaklığı bir ısıl denge sıcaklığı olup termodinamik
bir özelik değildir.
Diğer taraftan, herhangi bir nemli hava durumunda, nemli havanın dışındaki bir kaynaktan
sağlanan suyun buharlaşıp nemli havaya karışması sonucunda nemli havanın doymuş duruma
geldiği bir sıcaklık değeri de bulmak mümkündür ve bu sıcaklık “Adyabatik Doyma
Sıcaklığı” olarak bilinir. Bu değer, kuru termometre sıcaklığının ve nemli havanın özgül
neminin fonksiyonu olduğundan, nemli havaya ait bir termodinamik özeliktir. Fakat diğer
maddeler için farklı olsa da, su özel durumu için adyabatik doyma sıcaklığı ile yaş termometre
sıcaklıkları, ikisi arasındaki farkı belirleyen boyutsuz Lewis sayısının 1’e yaklaşık eşit olması
nedeniyle, birbirlerine eşit olarak alınabilmektedir. Bu yaklaşım, yaş termometre sıcaklığının
da bir termodinamik özelik olarak değerlendirilebilmesini sağlamaktadır.
3. PSİKROMETRİK ÖZELİKLERİN ÖLÇÜLMESİ
Özgül nem (w), doyma derecesi (μ) ve bağıl nemin (Φ) direkt olarak ölçülmesi söz konusu
olmamaktadır. Ölçülebilen özelikler kuru ve yaş termometre sıcaklıklarıyla çiğ noktası
sıcaklığıdır. Nemli havanın durumunu belirlemek üzere gerekli olan, en az üç tane
termodinamik özelikten ikisi, genellikle, toplam basınç (barometre basıncı) ve kuru
termometre sıcaklığıdır. Üçüncü ölçülebilen özelik, ya yaş termometre sıcaklığı veya çiğ
noktası sıcaklığıdır. Su buharı tabloları aracılığıyla, nemli havadaki su buharının kısmi
basıncını verecek olsa da, çiğ noktası sıcaklığının duyarlı olarak belirlenmesi uygulama
açısından zordur. Buna karşılık, yaş termometre sıcaklığı bir psikrometre yardımıyla
kolaylıkla bulunabilir. Bu sıcaklık adyabatik doyma sıcaklığına eşit alınabildiğinden ve bunun
da termodinamik bir özelik olması sonucu, bu sıcaklığı nemli havadaki su buharının kısmi
basıncına ilintili hale getiren bağıntılar bulmak mümkündür. Bunlardan birisi Carrier
eşitliğidir ve aşağıdaki şekilde verilmektedir:
(14)
pv = pvw – {1.8(p - pvw) (Td - Tw) / [2800 – 1.3 (1.8Td + 32)]
Bu eşitlikteki pvw , Tw yaş termometre sıcaklığındaki su buharı doyma basıncıdır.
Yukarıda anlatılan tüm termodinamik ve psikrometrik özelikler, düzlemde parametrik
eğrilerin gösterimi anlayışına uygun olarak, psikrometrik çizelge üzerinde belirtilebilirler.
Nemli havanın analizi için gerekli işlemlerin de bu çizelge üzerinden izlenmesi mümkündür.
Bu çizelgelerin, 101.325 kPa’lık standart atmosfer basıncı için hazırlanmış olması gerekir.
Değişik düzenlemelere sahip olanları olmasına rağmen, en çok kullanılanları, yatay eksende
kuru termometre sıcaklığının (Td), düşey eksende ise özgül nem’in (w) yer aldığı
çizelgelerdir. Yukarıda sıralanan ve çizelgede yer alan psikrometrik özeliklerden herhangi
ikisi verilmişken diğer özeliklere, verilen iki değerle elde edilmiş bulunan noktadan hareketle,
bu çizelge kullanılarak ulaşılabilir. Yine, değişik iklimlendirme işlemleri, söz konusu işleme
ait noktalar kullanılarak tanımlanabilir ve çizelge üzerinde gösterilebilir. İklimlendirme
işlemlerinin başlıcaları; ısıtma, soğutma, nemlendirme ve nem alma olarak sıralanabilir.
4. DENEY CİHAZININ TANITILMASI
İklimlendirme cihazı, esas olarak bir hava kanalı ve bu kanalın içerisine yerleştirilmiş hava
şartlandırma birimlerinden oluşmaktadır. Cihazın şematik görünümü Şekil 1’de verilmiştir.
Kanalda şartlandırılacak hava bir fan aracılığıyla ortamdan çekilir ve kanala basılır. Kanalda
sırayla ısıtma, soğutma ve nemlendirme ünitesi bulunmaktadır. Ölçme açısından cihazın en
önemli elemanları sıcaklık ölçme amaçlı yerleştirilen yaş ve kuru termometrelerdir. Kuru
termometre, geleneksel olarak bir sıvılı termometrenin haznesinin durağan veya akım
halindeki havaya tutularak sıcaklık ölçme amaçlı kullanılır. Yaş termometre ise haznesi bir
fitille örtülerek ve fitilin de sürekli ıslak kalması sağlanarak, yalnızca hava akımının yaş
termometre sıcaklığının ölçülmesinde kullanılır. Yaş termometre sıcaklığı her zaman kuru
olandan daha düşük sıcaklık göstermek durumundadır.
Deney raporları, esas olarak, deneyler sırasında, farklı noktada yapılmış olan ölçümlerin
psikrometrik çizelge üzerine yerleştirilmesi ve hava kanalı boyunca nemli havanın özelik
değişimlerinin aynı çizelge üzerinden gözlenmesi ve yorumlanmasını kapsayacaktır.
Yorumlama kapsamına, yalnızca sıcaklık değişimleri değil, nemli havanın bu föyün ilk
kısımlarında anlatılmaya çalışılan ve psikrometrik çizelgede parametrik değerler olarak yer
alan diğer psikrometrik özeliklerinin değişimleri ve nedenleri de alınmalıdır.
Şekil 1. Deney tesisatının şematik gösterimi
2.9.
METALOGRAFİ ve YOĞUNLUK ÖLÇÜMÜ DENEYİ
GİRİŞ
Metal ve alaşımların iç yapılarını mikroskop (optik metal), elektron (SEM,TEM),x
ışınları kırılması (XRD) veya mekanik deneyler yoluyla inceleyen malzeme bilim dalına
metalografi denir. Metalografik çalışmalarda başarı numune hazırlamada gösterilen itinaya
bağlıdır. Kötü hazırlanmış numunelerde en gelişmiş mikroskoplarda bile iyi sonuç alınamaz.
Numune hazırlamanın amacı; düzgün, çizik ihtiva etmeyen, parlak bir yüzey elde etmektir.
DENEY AMACI
Isıl işlemler sonucunda malzemenin yapısı üzerindeki değişimleri tanımlamak soğuk
şekillendirmeden sonra kristallerin değişimiyle yeniden kristalleşme taramasından sonraki
kristallerin yeniden oluşumunu gözlemlemek malzeme hatası olarak lifleşme,lunker ve gaz
boşluklarını ve sıcak şekillendirilen malzemelerde meydana gelebilecek lifleşme,çatlak gibi
yapısal değişiklikleri görmek,faz analizi ve tane boyutu gibi kavramları incelemek.
METALOGRAFİK NUMUNE HAZIRLAMA
Metalografik numune hazırlamada amaç;
·
·
·
·
·
·
·
Numune ana parçanın özelliklerini taşımalıdır.
Tüm yapısal elementler olduğu gibi kalmalıdır.
Yüzeyde çizik ve deformasyon olmamalıdır.
Yüzeyde hiç bir yabancı madde olmamalıdır.
Numune düz, pürüzsüz ve son derece yansıtıcı olmalıdır.
Numune başına en uygun işlem maliyeti sağlanmalıdır.
Tüm numune hazırlama işlemleri %100 tekrarlanabilir olmalıdır.
Bizim ilgilendiğimiz, teorik olarak, bize analiz edeceğimiz yapının tam görüntüsünü
gösteren bir numune yüzeyini incelemektir. Mükemmel bir numune hazırlama işleminden
aşağıdakileri elde etmeyi bekleriz:
·
·
·
·
·
·
·
Deformasyon içermeyen yüzey
Çizik içermeyen yüzey
Kopma boşlukları içermeyen yüzey
Yabancı element içermeyen yüzey
Bulaşma içermeyen yüzey
Kabartı veya kenar yuvarlanması içermeyen yüzey
Isı hasarı içermeyen yüzey
Numune Hazırlamanın Aşamaları
Numune Alma :
Malzeme muayenesinde numune alma işlemi çok önemlidir. Numune incelenecek
malzemenin özelliklerine sahip olmalıdır. Örneğin bir malzemede kırılma incelenecekse
numune kırılma bölgesinden alınmalı ve muayene sonucu aynı parça üzerinde kırılma
olmayan bölgeden alınan bir numune ile karşılaştırılmalıdır. Diğer tipik bir örnek
haddelenmiş yapı çeliğinin muayenesidir. Haddelenmiş yapı çeliğinin iç yapısında hadde
yönüne paralel yönde uzamış inklüzyonlar mevcuttur. Şekilde görüldüğü gibi hadde
yönündeki kesitte bu inklüzyonlar incelenebildiği halde numune hadde yönüne dik alınırsa
inklüzyonlar yuvarlak (globuler) görüneceğinden hataya yol açar.
Hadde Yönü
Haddelenmiş Levha
(Hadde yönüne paralel kesit)
(Hadde yönüne dik kesit)
Numune almada ikinci adım uygun bir kesme tekniği kullanarak numune alınması
işlemidir. Numune almada daha sonraki işlemleri kolaylaştırmak ve hızlandırmak için,
mümkün olduğu kadar az deformasyon içeren düzgün bir yüzey gereklidir. Eğer malzeme
yumuşak ise (örneğin Al veya Al-alaşımları) numune bir demir testeresi ile kesilebilir. Sert
malzemeler ise özel kesme teknikleri (aşındırıcı sulu kesme) ile kesilebilir.
Aşındırıcı sulu kesme işlemi sırasında
aşındırıcı ve bağlayıcı malzemeden oluşan kesme diski
kullanılır. Malzeme kesme işlemi esnasında aşırı
ısınırsa iç yapısında değişiklikler olabilir. Bundan
kaçınmak kaçınmak için disk üzerine soğutma sıvısı
uygulanır. Soğutma sıvısı ayrıca kesme bölgesindeki
partikülleri de ortadan kaldırır. Kırılma yüzeyi
incelenmesi için malzeme bir çekiç yardımı ile veya
çekme deneyinde olduğu gibi yük uygulanarak kırılır.
Kaba Aşındırma:
Kesme yüzeyi çok pürüzlü ise bakalite alma öncesi veya bakalite alma yapılmayacaksa
düz bir yüzey elde etmeyi kolaylaştırmak için bir eğe veya taş ile pürüzler giderilir. Bu işlem
esnasında numunenin ısınmasını engellemek için numune sık sık soğuk suya daldırılır.
Bakalite Alma:
En çok kullanılan gömme malzemesi bakalit olduğu için bu işlem genellikle bakalite
alma diye bilinir. Fakat bu işlem aslında numune elde tutulup parlatılamayacak kadar küçük
veya şekilsiz ise sentetik bir malzeme içerisine gömülmesinden ibarettir. İyi hazırlandığı
taktirde bu sentetik malzemeler dağlamada kullanılan kimyasal solüsyonlardan etkilenmezler.
3 çeşit bakalite alma yöntemi vardır.
1. Sıcak Bakalite Alma: Numune kalıplama presi içine yerleştirilir, reçine eklenir, ve
numune yüksek basınç altında ısı ile işleme tabi tutulur. İki çeşit sıcak bakalite alma reçinesi
bulunmaktadır:
Termoset reçineler yüksek sıcaklıklarda katılaşırlar (donarlar).
Duroplastik olarak da adlandırılırlar.
Termoplastik reçineler yüksek sıcaklıklarda yumuşar veya erirler
ve soğutma esnasında katılaşırlar.
2. Soğuk Bakalite Alma: Numune kalıp içerisine yerleştirilir. Doğru miktarlarda iki veya üç
bileşen hacimce veya ağırlıkça dikkatli olarak ölçülür. Daha sonra karıştırılır ve numune
üzerine dökülür.Üç çeşit soğuk bakalite alma reçinesi bulunmaktadır.
Epoksi reçineler tüm soğuk bakalite alma reçineleri arasında en
düşük büzülme oranına sahip reçinelerdir. Donma süresi nispeten
uzundur, bir çok malzemeye yapışma kabiliyeti mükemmeldir.
Ayrıca vakum altında bakalite alma işlemi için de kullanılırlar.
Doğru oranlarda karıştırıldıktan sonra kimyasal bir reaksiyon sonucu
polimerize olurlar. Sertleşmiş epoksi duroplastiktir, ve düşük
sıcaklıklardan veya kimyasallardan etkilenmez.
Akrilik kısa donma süreleri olan ve ihmal edilebilecek oranda büzülme gösterebilen
kullanımı son derece kolay reçinelerdir. Bir katalizör ile sertleşen kendi kendine polimerize
olabilen bileşiklerden oluşurlar. Sertleşmiş akrilik termoplastiktir ve kimyasal olarak
dirençlidir.
Polyester akrilikler gibi katalize edilmiş sisteme aittirler. Donma süreleri nispeten kısadır ve
sertleşmiş numune duroplastiktir.
3. Vakum Altında Bakalite Alma: Seramikler veya sprey kaplamalar gibi gözenekli
malzemelerin vakum altında bakalite alınması gerekmektedir. Yüzeyle bağlantısı olan tüm
gözenekler reçine ile doldurulmaktadır. Sonuç olarak, reçine bu narin malzemeleri daha
dayanıklı hale getirir. Dökülme, çatlak veya üstü kapalı gözenek gibi numune hazırlama
hataları minimum hale getirilebilir.
Düşük vizkozite ve buhar basıncına sahip olduklarından vakum altında bakalite alma
işlemi için sadece epoksi reçineler kullanılabilir. Florasan ışık altında doldurulmuş tüm
gözeneklerin kolayca tanımlanabilmesi için Epoksi ile florasan boya Epodye karıştırılabilir.
4. Zımparalama:
Zımparalama, malzeme yüzeyinde çentikler oluşturan sabitlenmiş aşındırıcı
parçacıkları kullanarak numune yüzeyinden malzeme alınması işlemidir. Amaç parlatma
işlemi esnasında mümkün olan en kısa sürede kolayca giderilebilecek minimum hasar içeren
düzgün yüzeyler elde etmektir.
Bakalite alma sonucu, numune sırası ile 240, 400, 800, 1200, 2400 ve 4000’e kadar
incelikte (gradlı) SiC (silisyum karbür) zımpara kağıtları ile yüzey düzeltme işlemine tabi
tutulur. Zımparalama esnasında su soğutma yapılmalıdır. SiC zımparalar su soğutma ile
birlikte kullanılır ve iyi sonuç verir.
Zımparalama işleminde bir zımparadan diğerine geçilirken numune yüzeyindeki
çiziklere dik olarak çevrilir ve tüm çizikle yeni çiziklerle yokedilinceye kadar zımparalamaya
devam edilir. Bu işlem dönen disk üzerinde veya elle yapılabilir.
5. Parlatma:
Parlatma mekanik, elektrolitik ve kimyasal metotlarla yapılabilir. Biz sadece en yaygın
olan mekanik parlatma üzerinde duracağız.
Gamma alüminyum oksit (demir bazlı ve bakır bazlı malzemeleri parlatmak için),
seryum oksit (Al, Mg ve alaşımları için). Elmas tozu, krom oksit ve magnezyum oksit bzı
parlatma tozlarıdır. Bu tozlar (uygun miktarlarda) uygun bezlerin üzerine dökülür ve ıslak
iken dönen disk üzerinde parlatma yapılır. Genellikle parlatma tozlarının çapı 6 mikrondan
0.25 mikrona kadar değişir. Bu işlemde zımparalamadan gelen yüzey çizikleri tamamen
giderilir. Genellikle yüzey parlaktır. Dikkat edilecek bir husus toz inceliği değiştirilirken
numune su ile yıkanmalı ve alkolle temizlenip kurutulmalıdır.
6. Dağlama:
Dağlama numune yüzeyindeki malzeme yapısının görülebilir hale gelmesini sağlar.
Dağlama solüsyonu malzeme yüzeyinde farklı aşındırmalar yaparak taneleri ve diğer yapı
hatalarını gözlemlememizi mümkün kılar. Dağlama parlatılmış ve kurutulmuş numune
yüzeyinin uygun bir kimyasal karışıma daldırılması şeklinde yapılır. Dağlama süresi sade
karbonlu çelikler için birkaç saniye iken, paslanmaz çeliklerde birkaç dakika olabilir. Demirbazlı malzemelerin dağlanmasında nital ve pikral kullanılır.
DAĞLAMA SOLÜSYONU
NİTAL
PİKRAL
BİLEŞİMİ
SONUÇLARI
Ferrit tane sınırlarını görünür
yapar (düşük C’lu çeliklerde)
1-5 ml NH3
Perlit, sementit veya ferriti
100 ml etanol veya metanol
farklı miktarlarda aşındırarak
ayırt edilmelerini sağlar
Perlit, martenzit ve beynit
yapılarının detaylarını
Etanol ve metanol içerisinde
görünür yapar
çok miktarda pikrit asit
Çözünmemiş karbür
partiküllerini ortaya çıkarır.
NUMUNE HAZIRLAMADA KARŞILAŞILABİLECEK YÜZEY HATALARI
HATA ADI
ÖRNEK
HATA ADI
Çizikler
Deformasyon
Yüzey
Bulaşması
Kenar
Yuvarlanması
Kabartı
Dökülme
Boşluklar
Çatlaklar
Sahte
Gözeneklilik
Kuyruklu yıldız
Kirlenme
Aşındırıcı
gömülmesi
ÖRNEK
Metalurjik Mikroskop
Metalurjik mikroskobun diğer optik mikroskoplardan tek farkı yansıtılmış ışık
kullanılmasıdır. Bunun sebebi metalurjik malzemelerin opak olmasıdır. Işık yansıması yarı
gümüş simli ayna vasıtası ile sağlanır.
Mikroskobun objektif lens ve görüntü lensi (oküler) olmak üzere iki lensi vardır.
Objektif lens elde edilen görüntü kalitesi açısından daha kritiktir. Objektif lensin ince
detayları ayırt edebilmesi (rezolusyon) gerekir.
Mikroskobun rezolusyon gücü oldukça önemlidir. Rezolusyon gücü birbirine yakın
görülebilir iki çizgi üretimidir. Rezolusyon gücü lensin nümerik aralığı ile orantılıdır.
Nümerik Aralık = Sinα
Rezolusyon Gücü =
Rezolusyon Limiti =
2 Sina
l
l
2 Sina
YOĞUNLUK ve POROZİTE ÖLÇÜMÜ
Maddenin birim hacminin ağırlığının hacmine oranına yoğunluk denir ve “ρ” ile
gösterilir. Yoğunluk maddelerin en ayırt edici özelliğidir. Her maddenin yoğunluğu
birbirinden farklıdır.
m
(gr/cm3)
r=
v
Yoğunluk ölçümü; hassas terazi ve yoğunluk ölçüm kiti ile yapılır. Hassas teraziye
öncelikle yoğunluk ölçüm kiti takılır ve terazi sıfırlanır. Daha sonra yoğunluğu ölçülecek olan
numune kefenin üst tarafına konulur ve numunenin havadaki ağırlığı G(havada) tartılarak
kaydedilir. Numune kefenin üst tarafındayken terazi tekrar sıfırlanır. Daha sonra numune
kefenin alt gözüne konularak içerisinde distile su bulunan kaba daldırılarak numunenin sudaki
ağırlığı G(suda) ölçülür. Bu ölçüm değeri de kaydedilir. Bu esnada kapta bulunan distile
suyun sıcaklığı ölçülerek kaydedilir. Suyun sıcaklığına bağlı olarak tabloda verilmiş olan
yoğunluk değeri (f) tablodan okunur. Daha sonra aşağıdaki formülle “gerçek yoğunluk”
hesaplanır.
G (havada)
r deneysel =
f (gr/cm3)
G (havada) - G ( suda)
Porozite; malzeme içerisindeki gözenek miktarıdır ve ölçümü için teorik yoğunluğun
hesaplanması gerekir. Bunun için numune hassas terazide tartılır ve numunenin hacmi
hesaplanır. Daha sonra numunenin ağırlığı hacmine bölünerek teorik yoğunluk hesaplanmış
olur.
m
r teorik =
v
Daha sonra numunenin porozite yani gözenek miktarı aşağıdaki gibi belirlenir.
r teorik - r deneysel
Porozite =
x100
r teorik
METALOGRAFİ ve YOĞUNLUK ÖLÇÜMÜ DENEYİ
RAPORUNDA İSTENENLER
1. %10, %20, %30, %40, %52 takviye-hacim oranlarında SiO2 ve Al7075 tozlarla kompozit
malzemeler üretilecektir. Her bir takviye oranı için 105 μm SiO2 ve Al7075 tozlarının
miktarlarını belirleyiniz. ( r SiO2 = 2.65 kg/dm3 , r Al 7075 = 2.81 kg/dm3 )
2. %20-30-40 takviye-hacim oranındaki kompozitin gözenek miktarını bulunuz.
3. Mikroskopta incelediğiniz ve gözenek miktarını belirlediğiniz kompozitin mikroyapısı
(tane dağılımı, porozite miktarı) hakkında yorumunuz nedir?
TAKVİYE HACİM ORANININ BELİRLENMESİ
1. YOL
V = V gerçek + V gözenek
toz
V
V gerçek =
gözenek
Vgerçek
V
m
r
(m = ağırlık, ρ = tozun özgül ağırlığı)
= .............. % takviye-hacim oranı
2. YOL
Bu hacim boşluksuz toz olsaydı;
mteorik = r .v
mgerçek
mteorik
= ........... % takviye-hacim oranı
ÖRNEK HESAP
TOZ MİKTARLARININ HESAPLANMASI
Takviye elemanı MgO ve matris malzemesi Al olan ve %10-20-30-40-52 takviyehacim oranlarına sahip kompozitlerin MgO ve Al tozlarından hazırlanması;
50 mm
Ø8mm
V
Şekildeki hacme;
(50mm) 105μm MgO tozu doldurulduğunda m=4.40gr olarak ve
(41mm) 105μm Al tozu doldurulduğunda m=2.468gr olarak ölçülüyor.
MgO tozunun yoğunluğu 3.36 olduğuna göre:
Vtakviye =
Vtakviye
V
=
m 4.40
=
= 1.30952
r 3.36
1.30952
0.521x100 = %52 (T-H oranı)
2.51
r Mg = 1.7 kg / dm 3
r Al = 2.7 kg / dm 3 ve
Al matris %97 Al ve %3 Mg’dan oluştuğuna göre; Matrisin yoğunluğu:
r matris = (0.97x2.7) + (0.03x1.7)
r matris = 2.67 kg/dm3
T-H oranı
(%)
(m)
MgO (gr)
(h)
MgO (mm)
52
40
30
20
10
4.40 (ölçüldü)
3.3846
2.5384
1.6923
0.8461
50
37
26
18
9
(h) Al (mm)
geriye kalan
yükseklik
----------------50-37= 13
50-26= 24
50-18= 32
50-9= 41
(m)
Al (gr)
----------------1.117
1.575
1.973
2.468 (ölçüldü)
2.10. SIVILARIN ISI İLETİM KATSAYISI ÖLÇÜMÜ DENEYİ
1. Deneyin Adı
Sıvıların ısı iletim katsayılarının ölçülmesi.
2. Deneyin Amacı
Sıvıların ve gazların ısı iletim katsayılarının deneysel olarak ölçülerek bulunan bu değerlerin
literatür değerleriyle karşılaştırılması.
3. Deneyle İlgili Genel Bilgiler
Isı iletimi: aynı katı, sıvı veya gaz ortamındaki farklı bölgeler arasında veya doğrudan fiziki
temas durumunda bulunan farklı ortamlar arasında, moleküllerin fark edilir bir yer
değiştirmesi olmaksızın, moleküllerin doğrudan teması sonucunda oluşan ısı yayınımı
işlemidir. Isı iletiminin genel denklemi Fourier tarafından aşağıdaki formülle verilmiştir:
Q = -k A
dT
dn
(1)
Burada iletimin tek boyutlu olduğu düşünülerek (1) eşitliği aşağıdaki şekilde düzenlenebilir.
Q = kA
(T1 - T2 )
(2)
L
Burada;
Q
: İletimle geçen ısı miktarı,
[W]
A
: Isı iletiminin gerçekleştiği alan,
[m2]
L
: Isı iletiminin gerçekleştiği malzemenin kalınlığı,
[m]
T1, T2 : Isı iletiminin gerçekleştiği malzemenin yüzey sıcaklıkları, [K]
k
: Malzemenin ısı iletim katsayısı,
[W/(m·K)]
Akışkanların ısı iletim katsayılarının belirlenebilmesi için, katı malzemelerden farklı olarak,
akışkanın; içerisinde doğal taşınım ortaya çıkmayacak kadar ince tabakalar arasında yer
alması gerekmektedir.
4. Deney Düzeneği
Şekil 1’ de görülen ısı iletim katsayısı ölçüm cihazı, yalnızca sıvılarda ve gazlarda ısı iletim
katsayısının ölçümü için tasarlanmış olup, sıcaklık ve verilen ısının ölçüm ve kontrol
edilmesini sağlayan iç içe geçmiş eksenel iki silindirik tüpten oluşmuştur. İçteki tüpte,
istenilen çalışma sıcaklıklarını sağlamak için, direnci ölçülebilen ısıtıcı bir eleman ve bu
tüpün dış yüzeyine yakın olacak şekilde yerleştirilmiş demir-konstantan (K tipi) bir termokupl
bulunmaktadır. Deney sıvısının doldurulacağı iki tüp arasındaki radyal boşluk taşınım
hareketin önlenebilmesi için oldukça küçük seçilmesi gerektiğinden 1,5 mm olacak şekilde
ayarlanmıştır. İçteki silindirik tüp radyal boşluğu kapatan flanşlar vasıtasıyla su ceketi adı
verilen, ikinci silindirik tüpün ortasına yerleştirilmiştir. Su ceketi galvanizli borudan imal
edilmiş olup yandan flanşlarla monte edilmiştir. Su Ceketi içerisinde iç yüzey sıcaklığının
ölçümü için (K tipi) bir termokupl yerleştirilmiştir. Cihazda deney yapılırken istenilen ısıya
kontrol ünitesi üzerinden elektrik akımı değiştirilerek ayarlanabilmektedir. Sıvıların ısı iletim
katsayısının ölçülebilmesi için tasarlanmış olan bu deney düzeneği Şekil 2’ de görülen P.H.
Hilton firmasının üretmiş olduğu H470 sıvıların ve gazların ısı iletim katsayısını ölçüm cihazı
örnek alınarak tasarlanmıştır.
Şekil 1. Sıvıların ısı iletim katsayısı ölçüm cihazı kesit görünüşü.
Şekil 2. PH Hilton H471 Isı iletim katsayısı ölçüm cihazı genel görünüşü.
5. Deneyin Yapılışı
1. Şebeke suyu musluğu açılır ve yaklaşık 3 litre/dak debisinde soğutma suyunun ceketten
dolaşarak drenaja gitmesi sağlanır.
2. Isı iletim katsayısı ölçülecek olan sıvı yavaşça sisteme enjekte edilir. Bu sırada sıvı akışkan
içerisinde hava kabarcıklarının oluşmaması için enjeksiyon işleminin dikkatlice yapılmasına
özen gösterilmelidir.
3. Ana konsol üzerinde bulunan açma/kapama anahtarı açılarak sistemin ısıtıcısı çalıştırılır.
4. Sistem; gerilim ayarlayıcı ile uygun bir gerilim değerine ayarlanarak, dijital sıcaklık
göstergesinde okunan sıcaklık değeri sabitleninceye kadar beklenir.
5. Gerilimölçerden gerilim (V) değeri, dijital sıcaklık göstergesinden (T1) ve (T2) sıcaklıkları
okunarak not edilir.
6. Gerilim ayarlayıcı ile gerilim değeri biraz artırılarak yeni durumdaki değerler alınmak
üzere, sistemdeki sıcaklık değerleri sabitleninceye kadar beklenir. Bu işlem farklı gerilim
değerleri için tekrarlanır.
6. Hesaplamalar
Hesaplarda kullanılacak olan, deney düzeneğine ilişkin veriler:
Isıtıcı eleman direnç değeri
: R=54W
Ölçüm haznesi radyal boşluk mesafesi
: Dr=0,345 mm
Ölçüm haznesi silindirik yüzey alanı
: A=0,0133 m2
Deneyde ölçülen büyüklükler; ısıtıcı gerilim değeri (V), alüminyum tapa sıcaklığı (T1) ve
soğutucu akışkan sıcaklığı (T2) olmak üzere, ısıtıcı tarafından verilen ısı;
V2
&
Qe =
R
[W]
(2)
eşitliği ile hesaplanır. Isı iletim katsayısı ölçülecek olan akışkanın temasta olduğu iki yüzey
arasındaki sıcaklık farkı olan DT=T1-T2 değerine göre Şekil 3'deki kalibrasyon eğrisinden Qi
kaçak ısı değeri belirlenir. Böylece akışkan içerisinden geçen net ısı;
& =Q
& -Q
&
Q
c
e
i
[W]
(3)
olarak elde edilir. Bu değere göre; ortalama akışkan sıcaklığı değerinde (Tort=(T1+T2)/2)
akışkanın ısı iletim katsayısı;
k=
& Dr
Q
c
ADT
[W/m.K]
(4)
eşitliği ile hesaplanır [1].
7. Deney Raporunda İstenilenler
Farklı gerilim değerlerinde yapılan ölçümler sonucunda belirlenen ısı iletim katsayısı
değerlerinin, akışkanın ortalama sıcaklığı ile olan değişimi bir grafik üzerinde gösterilecektir.
Ölçümü yapılan akışkanın, temel ısı geçişi kitaplarında yer alan ısı iletim katsayısı değerleri
ile deneyde belirlenen değerler kıyaslanarak bir yorum yapılacaktır.
Tablo 1. Ölçülen değerler tablosu.
Ölçüm Numarası
Okunan
Değerler
V(Volt)
T1(°C)
T2(°C)
1
2
3
4
5
2.11. STATİK VE DİNAMİK DENGELEME DENEYİ
1. GİRİŞ
Dengeleme: İstenmeyen eylemsizlik kuvvetlerinin yok edilmesi ya da en aza indirilmesini
sağlayacak düzenlemelerin yapılmasıdır. Dengelenmemiş makine parçaları yüksek atalet
kuvvetlerine sebep olup, bu parçalar tehlikeli sarsıntılar meydana getirirler. Dönen uzuvlardaki
dönme kuvvetleri tekrar eden yükler oluşturur. Bu yükler de zamanla makine parçalarında,
özellikle yataklarda zamanla yorulmaya ve kalıcı hasara sebep olurlar.
Sallama ya da sarsma kuvvetleri yok edilmediği ya da en aza indirilmediği takdirde,
makineyi destekleyen temelleri sarsacak, sallayacak ve genliği tehlikeli olabilecek boyutlara
varabilecek titreşimler yaratacaktır. Bu titreşimlerin ise istenmeyen pek çok etkileri vardır.
Bunlardan birisi makine parçaları üzerinde değişken gerilmelere neden olarak yorulma olayına
yol açmalarıdır. Bu ise makinenin kullanım ömrünü azaltacak ve onu ekonomik olmaktan
çıkaracaktır. Ayrıca kullanıcılar üzerinde makineyi işletme güçlükleri oluşturacak ve makinenin
işlevini tam yerine getirmesini engelleyecektir. Gürültü de yine istenmeyen etkileri arasındadır.
2. DENEYİN AMACI
Çalışma esnasında dönen millerin kesinlikle dengelenmesi gerekmektedir. Aksi halde en
ufak bir dengesizlik milin darbeli çalışmasına ve tahmin edilenden önce kırılmasına sebep
olacaktır. Bunu önlemek için de daha tasarım aşamasındayken makinelerin dengelerini
sağlamamız gerekmektedir.
Örneğin, eğer bir arabanın ön tekerleğinde az bir dengesizlik varsa, bu direksiyonda bir
titreşim olarak hissedilebilir. Bununla beraber, tekerlekteki dengesizlik, aracın kontrolünü
zorlaştırabilir. Özellikle, titreşim frekansı sistemin herhangi bir doğal frekansı ile çakıştığında ve
tekerlek rulmanları ve süspansiyon sisteminde hızlı bir aşınma oluşabilir. Bu problemler, küçük
bir kütle tekerlek jantının üzerine dikkatli bir şekilde tespit edilen noktalara yerleştirilerek
önlenebilir.
Dengelemenin amacı makine parçalarında statik ve dinamik anlamda dengesizlik miktarının
belirlenmesi ve bunun düzeltilmesi için gerekli yöntemlerin ortaya konmasıdır.
3. DENEY DÜZENEĞİ
Deney düzeneği iki ucundan yataklanmış bir mil ve mil üzerine yerleştirilmiş 4 adet
kütleden oluşmaktadır. Her kütlenin ağırlığı birbirinden farklı olup, kütlelerin açısal konumları
mile bağlı bir açı göstergesi aracılığıyla belirlenmektedir. Mil bir kayış aracılığıyla bir motor
tarafından döndürülmekte ve milde dinamik denge olmadığı zaman yatak tepkileri milin üzerine
konumlandığı platform üzerinde titreşim ve sarsıntı meydana getirmektedir.
Dengelenmemiş
Bloklar
Elektrik
motoru
Tahrik kayışı
Motor sürücü mili
Uzatma Mili ve
kasnağı
Lineer
ölçek
Kayıcı
12 V Besleme
Ünitesi
Güvenlik Kabı
Şekil 1. Deney Düzeneği
Yüksek hızda dönen millerin titreşime sebep olmaması için, dikkatli bir şekilde
dengelenmeleri gerekir. Eğer şaft sadece dengesizliğe sahipse ve düşük hızda dönüyorsa,
titreşimler sadece bir sıkıntıya sebep olabilir, fakat yüksek hızlarda dengesizlik küçük olsa bile
yıkıcı etkiler oluşabilir.
4. TEORİ
Eğer mil statik olarak dengelenmiş ise herhangi bir açısal pozisyonda dönmeden kalabilir.
Eğer mil dinamik olarak dengelenmiş ise, otomatik olarak statik denge altındadır, fakat bunun
tersi doğru değildir.
4.1.
Statik Denge
Statik dengesizlik halinde, sistemin ağırlık merkezi bir çevrimdeki en alçak noktaya
gelinceye kadar mil, ağırlık merkezinin mil ekseninden olan uzaklığıyla doğru orantılı bir
döndürme momenti altında dönecektir.
r
1
r2
1
2
W1
W2
Şekil 2. Basit iki kütleli sistem
Şekil 2, üzerine iki kütle monte edilmiş basit bir durumu göstermektedir. Eğer mil statik
dengede ise, mili saat yönünde dönmeye zorlayan (1) nolu kütlenin ağırlığı sebebiyle oluşan
döndürme momenti, mili saatin tersi yönünde dönmeye zorlayan (2) nolu kütleye eşit olmalıdır.
Bu durumda statik denge;
(1)
W1.r1 = W2 .r2
Şekil 3'te gösterildiği gibi eğer mil üzerine monte ikiden fazla kütle varsa aynı prensip
yine geçerlidir. Statik denge için;
W1.r1. cosa1 = W2 .r2 . cosa 2 + W3 .r3 . cosa 3
Tablo 1: Kütlelerin dengesizliği yüzünden oluşan momentlerin şaftı döndürme eğilimi
Kütle No
1
Moment
W1 .r1 . cos a 1
Yön
Saat yönü tersi
2
W 2 .r2 . cos a 2
Saat yönü
3
W 3 .r3 . cos a 3
Saat yönü
(2)
Kütleler ve şaftın
şematik gösterimi
Şekil 3. Üç Kütleli Sistem
Eğer iki kütlenin açısal pozisyonu sabitlenmişse, üçüncünün pozisyonu ya trigonometrik
olarak ya da çizim yöntemi ile bulunabilir. Çizim yönteminde Şekil 4 b de gösterildiği gibi
momentlerin vektörlerle gösterilebileceği fikri kullanılır.
Statik dengenin sağlanabilmesi için, moment üçgeni kapalı olmalı ve bilinmeyen
momentin yönü buna göre seçilmelidir. Eğer 3 ten fazla kütle varsa momentler Şekil 5.b. de
gösterildiği gibi kapalı bir poligon olmalıdır.
a) Üç kütleli sistem
b) Üç kütleli sistem için moment üçgeni
Şekil 4. 3 kütleli sistemlerin statik denge konumu için moment poligonları
W4
W1
W2
W3
a) Dört kütleli sistem
b) 4 kütle için Moment Poligon örnekleri
Şekil 5. 4 kütleli sistemlerin statik denge konumu için moment poligonları
4.2.
Dinamik Denge
Mil dönerken kütleler merkezkaç kuvvetlerine tabiidir. Mil dönerken titreşime neden
olmaması için iki koşulun yerine getirilmesi gerekir:
a) Mili eğilmeye zorlayan dengesiz bir merkezkaç kuvveti olmamalıdır.
b) Mili burulmaya zorlayan dengesiz bir moment veya moment çifti olmamalıdır.
Bu şartlar yerine getirilmediği takdirde, mil dinamik olarak dengede değildir(Şekil 6.).
(a) şartını Şekil 6 da gösterilen milin üzerindeki her iki kütleye etkiyen merkezkaç kuvveti
için uygularsak;
F1 = F2
2
Merkezkaç kuvveti mrw veya
W
rw 2 ise
g
(3)
Bu durumda
Rulman
W1 2 W2
r1w =
r2w 2
g
g
(4)
Ani burulma momenti
Şekil 6. İki kütleli sistem için dinamik dengesizlik hali
Her bir kütle için açısal dönme hızı aynı olduğu için dinamik denge için;
W1 .r1 = W2 .r2
(5)
Elde edilen bu eşitlik, (1) deki eşitliğin aynısıdır. Sonuç olarak bir sistem dinamik
olarak dengede ise statik olarak da dengededir.
İkinci koşul (b), seçilen bir noktaya göre örneğin 1 nolu rulmana göre moment alınarak
sağlanabilir;
a1 .F1 = a 2 .F2
(6)
Fakat 3 nolu denklemin sağlanabilmesi için( F1 = F2 ) a1 = a 2 olmalıdır. Böylece bu
durum için dinamik denge, sadece kütleler mil boyunca aynı noktaya bağlandığında sağlanabilir.
4.2.1. Üç Kütlenin Dinamik Olarak Dengelenmesi
Şekil 7 de gösterilen durumu ele alalım; 3 nolu kütle kolaylık sağlamak için düşey olarak
yerleştirilir. Dinamik denge için ise Şekil 8 de gösterilen durum, hem yatay hem de dikey
düzlemlerdeki merkezkaç kuvvetleri için momentler eşitlenerek matematiksel olarak ifade
edilebilir. Denklemleri basitleştirmek için, 1 nolu kütle ile ilgili momentleri çekmek daha
uygundur, böylece bu kütle üzerine gelen kuvvet nedeniyle oluşan momentler ortadan kalkmış
olur.
Yatay yöndeki moment;
Düşey yöndeki moment;
åM
åM
y
= 0 Þ a 2 .F2 . cosa 2 = 0
(7)
= 0 Þ a2 .F2 . sin a 2 = a3 .F3
(8)
x
(7) nolu denklem için bu koşullar a2 = 0 yada a 2 = 900 yada a 2 = 2700 olduğunda sağlanır.
Bu değerler 8 nolu denklemde yerine yazılırsa;
(a) a 2 = 0
Bu koşul için a3 = 0 olur. Böylece a2 ve a3 keyfi değerleri için üç kütlenin de mil boyunca
aynı noktada yer alması gerekir. Yani;
0
0
(b) a 2 = 90 yada 270
Bu koşullar için, çözümler elde etmek için daha fazla denklem yazmak gereklidir.
Şekil 7. Üç kütleli sistem(mil ve kütleler)
Dinamik denge için toplam kuvvet dengesi koşulu uygulanırsa;
Yatay yöndeki kuvvet;
åF
= 0 Þ F1 . cos a1 = F2 . cos a 2
(9)
= 0 Þ F3 = F1 . sin a1 + F2 . sin a 2
(10)
x
Düşey yöndeki kuvvet;
åF
y
0
0
Eğer a 2 = 900 ise (9) nolu denklem de a1 = 90 yada 270 olur. O zaman (10) nolu eşitlik;
F3 = F1 + F2 olur.
Hem de a2 .F2 = a3 .F3 şeklini alır. Bu iki eşitlikten F1 çekilirse;
æ a ö
F1 = F3 çç1 - 3 ÷÷
è a2 ø
(11)
Eğer Şekil 7 deki gibi
a2 < a3 ise Şekil 8 deki gibi F1 negatif yönde ve
a1 = 2700 olmalıdır. Dinamik denge için kütlelerin konfigürasyonu Şekil 8 de gösterilmiştir.
Şekil 8. Üç kütleli sistem için Dinamik Denge durumu
Böylece, kütleler eğer mil boyunca dağıtılırsa, aşağıdaki koşulların dinamik bir denge için
sağlanması gerekir;
(a) Merkez kütlenin diğer iki kütleyle arasındaki açı 180° olmalı
(b) Kütleler öyle bir seçilmeli ki;
F2 = F1 + F3
(12)
a2 .F2 = a3 .F3
(13)
(c) Kütleler mil boyunca
şeklinde dağıtılmalıdır:
4.2.2. Üç Kütleden Fazla Kütle Olması Durumunda Dinamik Dengeleme
Mil üzerinde 4 kütle varsa, kütlelerin mil üzerindeki konumları ve açısal pozisyonları
için geçerli olan özel kısıtlamalar yoktur ve çözümleri elde etmek için dinamik denge için genel
koşullar uygulanmalıdır. Kütlelerin açısal konumları statik denge şartından, ayrıca dinamik
dengenin ilk şartından hesaplanarak bulunabilir. Bu işlemler hesaplama yoluyla
yapılabildiği gibi Şekil 9 da görüldüğü gibi çizim yöntemiyle de yapılabilir.
Şekil 9. Dört kütleli sistem(Mil ve kütleler)
Burulma momentleri yatay düzlemler mil burulma eğilimi bileşenleri içine çözümlenir.
Milin dinamik dengeli olması ise her düzlemde net momentin sıfır olması ile olur. Denklemleri
basitleştirmek için, 1 nolu kütle ile ilgili momentleri çekmek daha uygundur, böylece bu kütle
üzerine gelen kuvvet nedeniyle oluşan momentler ortadan kalkmış olur. Şekil 9 a göre dört kütle
sistemi için moment denklemleri:
(1) nolu kütleye göre Yatay yöndeki moment;
åM
x
= 0 Þ - a2 .F2 . cosa 2 + a3 .F3 . cosa 3 + a4 .F4 . cosa 4 = 0
(14)
(1) nolu kütleye göre Düşey yöndeki moment;
åM
y
= 0 Þ a2 .F2 . sin a 2 + a3 .F3 . sin a 3 - a4 .F4 . sin a 4 = 0
5. DENEYİN YAPILIŞI
Statik Denge ve Dinamik Dengesizlik Gösterisi
1. Emniyet kapağını ve mil kayışını çıkarınız.
(15)
2. Dikdörtgen bloklardan diskleri çıkarınız.
3. İki dikdörtgen bloğu Şekil 10(a) da ki şekilde milin üzerine yerleştiriniz.
4. Milin herhangi bir açısal pozisyonu için statik olarak dengede kaldığını
gözlemleyiniz.
5. TM102 aparatını 12 VDC besleme için cihazına bağlayın. Sonra şaft-kayışını takın ve
emniyet kapağını kapatın.
6. Motoru çalıştırıp mildeki dinamik dengesizliği gözleyin.
4 Kütle Kullanılarak Milin Dinamik olarak Dengelenmesi
1. Emniyet kapağını çıkarıp, 4 adet dikdörtgen bloğu Şekil 10(b) de ki şekilde milin
üzerine yerleştiriniz.
2. Milin statik olarak dengede olduğunu test edin.
3. TM102 aparatını 12 VDC besleme için cihazına bağlayın. Sonra şaft-kayışını takın ve
emniyet kapağını kapatın.
4. Motoru çalıştırıp mildeki dinamik dengesizliği gözleyin.
a) İki kütleli sistem için statik denge
b) Dört kütleli sistem için statik ve dinamik denge
Şekil 10. Statik ve Dinamik Denge Gösterileri için Konfigürasyonlar
W.r Değerlerinin Deneysel Olarak Hesaplanması
1. Emniyet kapağını ve mil kayışını çıkarınız.
2. Uzatma makarasını motor tarafından tahrik edilen milin ucundaki makaraya
ekleyiniz.
3. Deney aletini masanın kenarına getirip, ağırlık kutusunun kordonunu uzatma
makarasının üzerine birkaç tur dolayınız.
4. Tam ölçü skalasından 0º yi okuyacak şekilde (1) nolu dikdörtgen bloğu mile
yerleştirerek sabitleyiniz.
5. Dikdörtgen blok 90º oluncaya kadar ağırlık kutusuna çelik bilyelerden atınız.
6. Bloğun 90º’ye ulaşması için gerekli bilye sayısını kaydediniz. Bu bloğun
dengesizlik momenti (W.r) ile orantılıdır.
7. Aynı işlemi diğer bloklarla(2, 3 ve 4 nolu) yaparak her biri için gerekli olan bilye
sayısını bulunuz.
Denge için Blok Pozisyonlarının Hesaplanması
(a) Tablo 2 yi kullanarak (1) ve (2) nolu bloklar için uygun açısal ve mil yönü
konumlarını seçiniz.
(b) (3) ve (4) nolu blokların açısal konumlarını hesaplama ya da çizim yoluyla
bulunuz.
(c) (3) ve (4) nolu blokların mil yönündeki yer değiştirmesini hesaplama ya da çizim
yöntemiyle bulunuz.
(d) Blokları verilen ve hesaplanan konumlarda sürgüyü kullanarak yerleştiriniz.
Sürgüyü bir uca iterek bloklardan uzaklaştırınız.
(e) Milin statik olarak dengede olup olmadığını kontrol ediniz.
(f) Tahrik kayışını ve emniyet kapağını yerleştirerek motoru çalıştırınız ve milin
dinamik dengede olup olmadığını kontrol ediniz.
(g) Eğer mil dengede değilse hesaplamalarınızı ve blokların konumlarını kontrol
ederek hatayı gidermeye çalışınız.
(h) Mil tam olarak dengeye geldiğinde bloklardan birisini çok küçük miktarda
kaydırarak denge üzerine etkisini gözlemleyiniz.
Tablo 2: Blokların mil üzerindeki yerleşim referansları
6. İSTENENLER
(a) Statik ve Dinamik denge şartlarını yazınız.
(b) Deney verilerini kullanarak yaptığınız hesaplamaları gösteriniz.
(c) Moment-Vektör diyagramını milimetrik kâğıda çiziniz.
(d) Teorik ve deneysel sonuçların karşılaştırılmasını yapınız. Meydana gelen
farklılıkların neden ileri geldiğinin irdeleyiniz.
(e) Deney sonuçlarını yorumlayınız.
7. KAYNAKLAR
[1] İbrahim Deniz AKÇALI, “Makine Dinamiği”, Kare Yayınları, 2004.
[2] K.J. Waldron/G.L. Kinzel, “Kinematics, Dynamics and Design of Machinery”, Wiley second
ed., 2004.
[3] R.L. NORTON, “Design of Machinery: An Introduction to the Synthesis and Analysis of
Mechanisms and Machines”, McGraw-Hill, 2004.
[4] Makine Laboratuvarı II deney Föyü, İstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine
Mühendisliği Bölümü, 2011.
Ekler
Ek-1. Deney Raporu Kapak Sayfası Örneği
T.C.
KIRIKKALE ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MAKİNA LABORATUVARI - II
……………………………………………………………….……
Öğrenci No
:
Adı-Soyadı
:
Deney Grubu
:
Deney Tarihi
:
Teslim Tarihi
:
Notu
:
DENEY RAPORU
Kaynaklar
[1] Genceli, O. F., “Ölçme Tekniği”, Birsen Yayınevi, İstanbul, 2000
[2] Holman, J. P., “Experimental Methods for Engineers” McGraw-Hill Book Company, 7nd
Edition, New York, 2001
Download

makina laboratuvarı - ıı deney föyleri