akışkanların ısı iletim katsayılarının belirlenmesi

BEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ-MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
ISI VE TERMODİNAMİK LABORATUVARI
AKIŞKANLARIN ISI İLETİM KATSAYILARININ BELİRLENMESİ DENEY FÖYÜ
AKIŞKANLARIN ISI İLETİM KATSAYILARININ
BELİRLENMESİ
Şekil 1: P.A. Hilton Akışkanların ısı iletim katsayılarını belirleme deney seti (temsili)
1
Hazırlayan: Arş Gör. H. İbrahim TOPAL
Şubat-2016
BEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ-MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
ISI VE TERMODİNAMİK LABORATUVARI
AKIŞKANLARIN ISI İLETİM KATSAYILARININ BELİRLENMESİ DENEY FÖYÜ
1. Deney Düzeneği
Genel:
Cihazın şeması Şekil 1’de verilmiştir. Şemadan görüldüğü gibi cihaz iki farklı birimden
oluşmuştur: Test birimi ve ölçü-kontrol birimi.
Test Birimi:
Nikel kaplı pirinç malzemeden yapılmış silindirik su ceketi ve anodize alüminyumdan imal
edilmiş silindirden yapılmış bir düzenektir. Su ceketinin her iki tarafında yüzey sıcaklığını
ölçmek için K tipi ısıl-çiftler vardır. Silindirik alüminyum parçanın ortasında elektrikli ısıtıcı
vardır. Cihazın dışında ısıtıcının elektrik bağlantısı, ısıl-çift termometrelerin bağlantısı ve su ile
numune için uygun bağlantı ağızları bulunmaktadır.
Kontrol Ünitesi:
Alüminyum ve plastik kaplanmış çelik kılıflıdır. Gerilim değiştirici, voltmetre, 0.1°C
çözünürlüklü sayısal sıcaklık göstergesi ve sıcaklık seçme anahtarı içerir.
Güvenlik Özelliği:
Her bir elektrikli bileşen topraklanmış olup Minyatür Devre Kesici ve Kalıntı Devre Kesici ile
korunmaktadır. Isıtıcı girişi sınır değeri 100 W. Isıtıcı gerilim sınır değeri 70 V.
Tanımlama
Isı iletim katsayısı tespit edilecek akışkan, ısıtılan piston ile su soğutmalı ceket arasındaki
boşluğa doldurulur. Boşluk kalınlığı (aralık), içindeki akışkanın doğal taşınımına izin
vermeyecek kadar incedir ve akışkan, yüzey alanı (πdml), kalınlığı Δr olan, içinden piston
tarafından ceket tarafına ısı geçen bir levha gibi düşünülebilir.
Silindirik parça (piston), ısıl ataleti azaltılmış ve farklı sıcaklık bölgeleri olmayacak şekilde
işlenmiş olup, içinde, çalışma sıcaklığındaki direnci doğru bir şekilde ölçülmüş direnç içerir.
Silindirik pistonda, test edilecek akışkanın giriş ve çıkış ağızları ile dış yüzeyine çok yakın
yerleştirilmiş, 𝑇1 sıcaklığını ölçen ısıl-çift bulunur.
Piston, radyal açıklığı kapatan fakat temizlik için kolayca çıkarılabilen bir “O”-ring vasıtasıyla
su ceketi ile eşeksenli olarak yerleştirilmiştir.
Ceket, nikel kaplı pirinçten yapılmış olup, üzerinde, soğutma suyu giriş ve çıkış bağlantıları ile
iç bileziğe özenle yerleştirilmiş, 𝑇2 sıcaklığını ölçen ısıl-çift bulunmaktadır.
Isıl-çiftlerin yerleştirildikleri yerler ve malzemenin yüksek ısı iletim katsayısına sahip olması,
ölçülen sıcaklıkların, levhanın sıcak ve soğuk yüzeylerinin sıcaklığı olarak alınmasına imkan
vermektedir.
Kontrol ünitesi esnek bir kablo ile test birimine bağlanmıştır. Isıtıcıya uygulanan gerilim değeri
bu kablo yoluyla iletilir. Analog bir voltmetre ile belirlenen güçler uygulanabilir ve sayısal
göstergeden silindir-ceket sıcaklıkları 0.1 K (°C) çözünürlükle izlenebilir.
2
Hazırlayan: Arş Gör. H. İbrahim TOPAL
Şubat-2016
BEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ-MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
ISI VE TERMODİNAMİK LABORATUVARI
AKIŞKANLARIN ISI İLETİM KATSAYILARININ BELİRLENMESİ DENEY FÖYÜ
2. Deneyin yapılışı
 Şebeke musluğu açılarak soğutma suyunun ceketten dolaşarak drenaja gitmesi sağlanır.
 Silindir ile ceket arasındaki radyal boşluğa ısı iletim katsayısı ölçülecek olan sıvı (saf su)
yavaşça enjekte edilir. (Bu esnada akışkan içerisinde hava kabarcıklarının oluşmamasına
dikkat edilmelidir.)
 Ana konsol üzerindeki açma/kapama anahtarı açılarak sistemin ısıtıcısı çalıştırılır.
 Sistem gerilim ayarlayıcı ile uygun bir gerilim değerine ayarlanarak (40-60V) dijital
sıcaklık göstergesinde okunan sıcaklık değeri sabitleninceye kadar beklenir.
 Gerilimölçerden gerilim (V) değeri, 𝑇1 ve 𝑇2 okunur ve bu değerler not edilir.
 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. Okunan değerler Tablo 1’de yerine yazılır.
Tablo 1.
𝑉 (𝑉𝑜𝑙𝑡)
𝑇1 (℃)
𝑇2 (℃)
3. Kaçak Isı Tayini
Cihazı ısı iletim katsayısı belirlemede kullanmadan önce, cihaza ait kaçak ısı ya da doğrudan
ölçülemeyen ısı olarak düşünülebilen ısı kayıpları belirlenmelidir. Bu ısı transferi miktarı, test
edilen akışkan içinden geçmeyen bütün ısıları içerir.
Bunlar;
a) Silindirden cekete, “O” ring üzerinden iletimle geçen ısı,
b) Silindir ve ceketin ışınımla yaydığı ısı,
c) Uçlardan olan ısı kayıplarını içerir.
Bu cihaz için daha önce kalibrasyon işlemi yapılmış ve kaçak ısıyı belirlemek için ampirik bir
bağıntı geliştirilmiştir. Dolayısıyla bu deneyde yapılacak hesaplamalarda;
𝑸̇𝒌𝒂𝒚𝚤𝒑 = 𝟎. 𝟏𝟔𝟒𝟖. ∆𝑻 − 𝟎. 𝟎𝟐𝟔𝟏 (𝑾)
∆𝑻 = 𝑇1 − 𝑇2
bağıntısı kullanılacaktır.
4. Hesaplamalar
Hesaplarda kullanılacak deney düzeneğine ait veriler:
Nominal ısıtıcı direnci
: 𝑅 = 55.5 𝛺
Radyal aralık
: ∆𝑟 = 0.3 𝑚𝑚
Etkin ısı geçiş alanı
: 𝐴 = 0.0133 𝑚2

Isıtıcı tarafından verilen ısı:
𝑸̇𝒆 =
𝑽𝟐
𝑹
3
[𝑾]
Hazırlayan: Arş Gör. H. İbrahim TOPAL
Şubat-2016
BEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ-MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
ISI VE TERMODİNAMİK LABORATUVARI
AKIŞKANLARIN ISI İLETİM KATSAYILARININ BELİRLENMESİ DENEY FÖYÜ

Akışkandan soğutma suyuna geçen net ısı miktarı:
𝑸̇𝒏𝒆𝒕 = 𝑸̇𝒆 − 𝑸̇𝒌𝒂𝒚𝚤𝒑

[𝑾]
Ortalama sıcaklık için akışkanın ısı iletim katsayısı:
𝒌𝒅𝒆𝒏𝒆𝒚𝒔𝒆𝒍 =
𝑸̇𝒏𝒆𝒕 . ∆𝒓
𝑨∆𝑻
[𝑾/𝒎℃]
(∆𝑇 = 𝑇1 − 𝑇2 )

Su için literatürde verilen değerlere eğri uydurulursa 0 − 50 ℃ arasında geçerli olmak
üzere:
𝒌𝒍𝒊𝒕𝒆𝒓𝒂𝒕ü𝒓 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟒𝑻𝒐𝒓𝒕 + 𝟎. 𝟓𝟕𝟑𝟏 [𝑾/𝒎℃]
𝑇𝑜𝑟𝑡 =
𝑇1 + 𝑇2
2
bağıntısı bulunabilir.

Deneyde bulunan ve literatürden alınan ısı iletim katsayıları için % fark:
%𝒉𝒂𝒕𝒂 =
|𝑳𝒊𝒕𝒆𝒓𝒂𝒕ü𝒓 𝒅𝒆ğ𝒆𝒓𝒊 − 𝑫𝒆𝒏𝒆𝒚𝒔𝒆𝒍 𝒅𝒆ğ𝒆𝒓|
. 𝟏𝟎𝟎
𝑳𝒊𝒕𝒆𝒓𝒂𝒕ü𝒓 𝒅𝒆ğ𝒆𝒓𝒊
5. İstenenler:
1. Deneyi kısaca anlatınız.
2. Sadece bir deney için hesaplamaları formüllerde yerine koyarak yapınız.
3. Deneyde size verilen değerler de dahil olmak üzere elde ettiğiniz tüm sonuçları bir
tablo halinde hazırlayınız.
4. Deneysel olarak elde ettiğiniz ve literatürden hesapladığınız ısı iletim katsayısının
ortalama sıcaklıkla değişim grafiğini gösteriniz (Aynı grafik üzerinde).
5. Sonuçları yorumlayınız.
6. Hatırlatmalar:
1. Derse deney föyü ile gelmek zorunludur.
2. Deney raporu el yazısı ile hazırlanacaktır.
3. Deney raporları en geç dersi takip eden Pazartesi günü teslim edilecektir.
Kaynaklar:
1.
2.
Sıvı ve gazların ısı iletim katsayılarının ölçülmesi, Mustafa EYRİBOYUN.
Isı iletim katsayısının belirlenmesi deneyi, KTÜ ders notları.
4
Hazırlayan: Arş Gör. H. İbrahim TOPAL
Şubat-2016