402 makine mühendisliğilaboratuvarı deney

BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE
MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MAK - 402 MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI
DENEY - 8
FARKLI YÜZEY ÖZELLİKLERİNE SAHİP
PLAKALARIN ISIL IŞINIM YAYMA ORANLARININ
HESAPLANMASI
BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MAK 402 – MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI
DENEY-9
FARKLI YÜZEY ÖZELLİKLERİNE SAHİP PLAKALARIN
ISIL IŞINIM YAYMA ORANLARININ HESAPLANMASI
GİRİŞ
Isıl ışınımla ısı geçişi, ısı transferi türlerinden birisidir ve bazı uygulamalarda en
önemli ısı geçişi türü olmaktadır. Işınımla ısı geçişi olması için bir ortama gereksinim yoktur.
Farklı sıcaklıktaki iki yüzey arasında vakumlu ortamda ısı transferi gerçekleşmektedir. Isıl
ışınım, sıcaklığı nedeniyle maddeden yayılan enerji ile ilişkilidir. Isıl ışınımı açıklayan iki
teori bulumaktadır. Birincisi ışınımı, foton veya kuanta adı verilen parçacık demetlerinin
yayılması olarak, ikincisi ise ışınımı elektromagnetik dalgaların yayılması biçiminde
açıklamaktadır.
Bu deneyde farklı yüzey özelliklerine sahip plakaların yayma oranları hesaplanacaktır.
İki yüzey arasındaki ısı geçişi; yüzeylerin ışınım özellikleri, sıcaklıkları, geometrileri
ve birbirine göre konumlarına bağlıdır. Yüzeyler arasında, ışınımla etkileşmeyen bir ortam
bulunduğu kabul edileceketir. İki yüzey arasında ışınımla ısı geçişini hesaplayabilmek için
şekil faktörünün bilinmesi gerekmektedir. Şekil faktörü aşağıdaki formülle ifade edilir.
Fij =
1
A1
∫∫
Ai A j
cos θ i cos θ j
πR 2
dAi dA j
Burada Fij, Aj yüzeyinden giden ışınımın Ai yüzeyine gelen bölümü olarak tanımlanır.
Siyah yüzeylerden çıkan enerji sadece yaymadan kaynaklanır, yansıma siyah yüzeyler
için sözkonusu değildir ve gelen tüm ışınım enerjisi yutulur. Başka hiçbir yüzey, belirli bir
sıcaklıkta, siyah yüzeyden daha fazla enerji yayamaz. Siyah yüzey bu durumda ideal bir
yüzeydir ve yayma oranını tanımlarken siyah yüzey referans olarak alınır. Belirli bir sıcaklıkta
bir yüzeyin yaydığı ışınımın aynı sıcaklıkta siyah yüzeyin yaydığı ışınıma oranı yayma oranı
olarak tanımlanır. Herhangi iki siyah yüzey arasındaki ışınımla ısı geçişi, Stefan-Boltzmann
yasası ile açıklanan aşağıdaki denklem ile hesaplanır.
qi j = Ai Fijσ (Ti − T j )
4
4
qi j
: “j” yüzeyinin “i” yüzeyi ile etkileşimi sonucunda aldığı net ışınım miktarı (W)
Ai
σ
Ti
Tj
: “i” yüzeyinin alanı (m2)
: Stefan-Boltzmann sabiti (5.67x10-8 W/m2K4)
: “i” yüzeyinin sıcaklığı (K)
: “j” yüzeyinin sıcaklığı (K)
1
Siyah olmayan yüzeylerin yayma oranı 1,0’dan küçüktür ve bu yüzeylerden yayılan ışınımı
tanımlarken aşağıdaki formül kullanılır.
qi j = Ai Fijε iσ (Ti 4 − T j 4 )
ε i : “i” yüzeyine ait yayma oranı olarak tanımlanır.
DENEYİN AMACI
Farklı yüzey özelliklerine sahip plakaların yayma oranlarının hesaplanması.
DENEY DÜZENEĞİ
Deney düzeneği, bir ray ve ray üzerine yerleştirmiş üç taşıyıcı kısım ile ısı
kaynağından oluşmaktadır. Ray üzerinde bulunan cetvel yardımıyla, yerleştirilen kısımların
arasındaki uzunluklar belirlenebilmektedir. Birinci taşıyıcı kısım metal plakaların
yerleştirilmesi için tasarlanmıştır. Metal plakalar parlak, mat siyah ve donuk gri olmak üzere
üç yüzey özelliğine sahiptir. Metal plakaların üzerinde bulunan termoçiftler plakaların
sıcaklıklarını ölçmemizi sağlar. Deneyde kullanacağımız üçüncü taşıyıcı kısıma radyometre
yerleştirilir ve radayometre üzerine düşen ışınım konsol üzerinde bulunan dijital göstergeden
okunur. Deney yapılırken, dış kaynaklardan olabilecek ışınım (güneş ışığı, oda ıstıcıları vb.)
en aza indirilmelidir.
Deney düzeneği üzerinde bulunan ısıtıcı kısım 200 W gücünde seramik ıstıcı ve
bunun önüne yerleştirilmiş 100 mm çapında siyah alüminyum plakadan oluşmaktadır. Voltaj
ayar düğmesi kullanılarak (0-220 V) elektrikle ısıtma işlemi gerçekleştirilir. Siyah alüminyum
plakanın ön yüzeyi mat siyah boya ile boyanmıştır ve yayma oranı 1.0’a çok yakındır. T10
termoçifti yardımıyla bu plakanın sıcaklığı ölçülür ve ısı transferi ana ünitesi üzerinde
bulunan dijital göstergeden okunur.
DENEY PROSEDÜRÜ
Isı transferi ana ünitesi üzerinde bulunan açma kapama düğmesinin kapalı pozisyonda
olduğundan emin olunuz. Isı kaynağının güç fişini ana ünite üzerinde ilgili yere yerleştiriniz.
Radyometreyi ray üzerinde bulunan taşıyıcı kısma yerleştiriniz. Radyometre konsolu ile ana
ünite arasındaki ve konsolla radyometre arasındaki bağlantıları kontrol ediniz. Plakaları
birinci taşıyıcı kısma yerleştiriniz. Ana üniteye güç veriniz ve radyometreyi sıfıra ayarlayınız.
Voltaj ayar düğmesiyle voltajı arttırarak ısıtıcıya güç veriniz. Sistemin kararlı hale gelmesini
bekleyiniz ve okunan değerleri gözlemler kısmına not ediniz. Deney tamamlandıktan sonra
voltajı ayar düğmesini sıfıra getiriniz ve ana üniteyi kapatınız.
2
Dikkat! Deney sırasında plakaların sıcaklığı çok yüksek değerlere ulaşacağı için
plakalara kesinlikle dokunulmaması gerekmektedir.
HESAPLAMALAR
1) Siyah, gri, ve parlak yüzeye sahip plakaların yüzey sıcaklıklarını, dış hava sıcaklığını,
şekil faktörünü ve radyometreden okunan ışınım değerlerini kullanarak bu plakalar
için yayma katsayılarını hesaplayınız. Bulduğunuz sonuçları, sonuç ve yorumlar
kısmında yorumlayınız.
R
C
q
Rc
: Radyometrede okunan ışınım değeri. (W/m2)
: ……..... Radyometre kalibrasyon katsayısı (Deney sırasında verilecektir)
: Hesaplanan yüzey ışınım değeri (W/m2)
: Düzeltilmiş radyometre ışınım değeri (W/m2)
Not: Labaratuara gelirken aşağıdakileri yanınızda getirmeniz gerekmektedir.
1-Hesap makinası.
2-Deney föyü.
3-Isı transferi ders kitabı.
4-Grafik kağıdı.
DENEY RAPORU
Deney raporları aşağıdaki içeriğe uygun olarak hazırlanmalıdır.
İçerik
12345-
Kapak Sayfası.
Ölçümler.
Hesaplamalar.
Grafikler.
Sonuçlar ve yorumlar.
3
BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MAK 402 – MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI
DENEY-9
FARKLI YÜZEY ÖZELLİKLERİNE SAHİP PLAKALARIN
ISIL IŞINIM YAYMA ORANLARININ HESAPLANMASI
Ad Soyad: ........................................
No:..............
Tarih: ..................
4
Gözlemler:
Tsiyah (°C)
Tgri (°C)
Tparlak (°C)
Tdış hava (°C)
R (W/m2)
Rc (W/m2)
x (mm)
1
2
3
Hesaplamalar:
Plaka
Ts
Ta
q
Rc
F
Yayma katsayısı (ε)
Birimler
K
K
W/m2
W/m2
-
Siyah Plaka
5
Gri Plaka
Parlak Plaka
Sonuçlar ve yorumlar:
...................................
6