yatay soğutucularda hacimsel ısı analizi

T.C.
DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
YATAY SOĞUTUCULARDA HACİMSEL ISI
ANALİZİ
BİTİRME PROJESİ
Gökhan AYAZ
Projeyi Yöneten
Doç. Dr. Bülent Murat İÇTEN
Mayıs , 2012
İZMİR
TEZ SINAV SONUÇ FORMU
Bu çalışma … / … / …. günü toplanan jürimiz tarafından BİTİRME PROJESİ olarak
kabul edilmiştir.
Yarıyıl içi başarı notu 100 (yüz) tam not üzerinden ……… ( …………….…. ) dir.
Başkan
Üye
Üye
Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığına,
………………….. numaralı ………………… jürimiz tarafından … / … / …. günü saat
…… da yapılan sınavda 100 (yüz) tam not üzerinden ……. almıştır.
Başkan
Üye
Üye
ONAY
TEŞEKKÜR
Yatay dondurucularda hacimsel ısı analizi konusunda hazırlamış olduğum bu bitirme
tezinde bana rehberlik eden , teknik kaynak bulmamda yardımcı olan ve ANSYS
programının kullanılmasında desteğini esirgemeyen Doç. Dr. Bülent Murat İÇTEN’e
teşekkür ederim.
Gökhan AYAZ
I
ÖZET
Bu çalışmanın amacı yatay soğutucularda yalıtımın ısı kayıplarına etkisi ve bu doğrultuda
yalıtım malzemesi seçimini belirlemektir.Bu çalışma farklı boyutlardaki soğutucuların ısıl
analizlerinin yapılmasında kaynak olarak kullanılabilir.
Çalışmanın ilk bölümünde soğutucuların yapısı incelenmiştir.
Çalışmanın ikinci bölümünde yatay bir soğutucu modellenmiştir ve ANSYS programı
aracılığıyla ısıl analizi yapılmıştır.
Çalışmanın son bölümünde ise ısıl analiz sonucu elde ettiğimiz değerleri kullanarak ısı
kayıpları hesaplanmıştır. Bu değerleri karşılaştırarak en uygun yalıtım
malzemesi
belirlenmiştir.
II
İÇİNDEKİLER
TEŞEKKÜR…………………………………………………………………………………………………………………………....I
ÖZET……………………………………………………………………………………………………………………………………II
İÇİNDEKİLER………………………………………………………………………………………………………………………..III
Tablo Listesi………………………………………………………………………………………………………………………..IV
Şekil Listesi…………………………………………………………………………………………………………………………IV
Bölüm Bir
GİRİŞ
1.Buzdolabı......................................................................................................................... 1
1.1 İlk buzdolabı ............................................................................................................. 2
1.2 Basit soğutma devresi ................................................................................................ 3
1.2.1 Soğutucu Ünite .........................................................................................4
1.2.2 Emme Hattı...............................................................................................4
1.2.3 Kompresör ................................................................................................4
1.2.4 Basma Hattı ..............................................................................................4
1.2.5 Kondanser .................................................................................................4
1.2.6 Sıvı Tankı .................................................................................................5
1.2.7 Sıvı Hattı...................................................................................................5
1.2.8 Genleşme Valfi .........................................................................................5
1.3 Isı enerjisi dağılma çeşitleri ....................................................................................... 6
1.3.1 İletim (Kondüksiyon) ................................................................................6
1.3.2 Taşınım (Konveksiyon) .............................................................................6
1.3.3 Işınım (Radyasyon) ...................................................................................6
1.4 Isı yalıtımı ve önemi .................................................................................................. 7
1.5 Poliüretan .................................................................................................................. 8
1.5.1 Poliüretan Nedir? ......................................................................................8
1.5.2 Poliüretanın Isı ve Yalıtımdaki Yeri Nedir?............................................................ 9
1.5.3 Poliüretanın Genel Özellikleri .............................................................................. 9
1.6 Polistiren (PS) ...........................................................................................................10
1.6.1 Kullanım Alanları ................................................................................... 11
1.7 Galvaniz saç (DKP) ..................................................................................................12
1.7.1 Galvanizli Sacın Özellikleri .................................................................... 12
III
BÖLÜM İKİ
MATEMATİKSEL MODELİN OLUŞTURULMASI
2.Model oluşturulması ........................................................................................................14
2.1 Solidworks İle Modelin Hazırlanması .......................................................................14
2.2 Modelin Ansys’de Analizi ..........................................................................................17
2.2.1 Poliüretan ve dkp kapak kullanılığında ısıl analiz .................................... 17
2.2.2 Polistiren ve dkp kapak kullanıldığında ısıl analiz ................................... 21
2.2.3 Poliüretan ve cam kapak kullanıldığında ısıl analiz ................................. 23
BÖLÜM ÜÇ
SONUÇLAR
3.Isı miktarları ve kayıplar .................................................................................................26
3.1 Isı Miktarlarının Bulunması ......................................................................................26
3.2 Isı Kaybı Hesapları ...................................................................................................29
3.2.1 Poliüretan ve Dkp Saç Metal Kullanılması .............................................. 29
3.2.2 Polistiren ve Dkp Saç Metal Kullanılması ............................................... 30
3.2.3 Poliüretan ve cam kapak Kullanılması..................................................... 31
3.3 Sonuçların Değerlendirilmesi....................................................................................32
3.4 Kaynaklar………………………………………………………………………………………………………………….33
Tablo Listesi
Tablo 1.1 Malzemeler ve Isı İletkenlik Katsayıları…………………………………………20
Şekil Listesi
Şekil 1.1 Yatay Dondurucu…………………………………………………………………1
Şekil 1.2 Soğutma Devresi……………………………………………………………..……5
IV
Şekil 2.1 Modelin montaj görüntüsü……………………………………………………...…14
Şekil 2.2 Modelin üstten görünüşü…………………………………………………………..15
Şekil 2.3 Modelin kesit alınmış görüntüsü…………………………………………………..15
Şekil 2.4 Cam kapak kullanıldığında modelin görünüşü……………………………………16
Şekil 2.5 Modelin ansys görünümü……………………………………………………….....17
Şekil 2.6 Malzeme özellikleri girilmesi..…..………………………………………………..17
Şekil 2.7 Modelin sonlu elemanlara ayrılması (mesh)…………………………………...….18
Şekil 2.8 Taşınım katsayıları girilmesi…………………………………………....…………18
Şekil 2.9 Taşınımın olduğu bölgeler…………………………………………………...……19
Şekil 2.10 Dış sıcaklık 20 derece ve iç sıcaklık -18 derece olduğunda modeldeki ısı
dağılımı…………………………………………………………………………………….. 19
Şekil 2.11 Sıcaklığın içeriden dışarıya akışı…………………………………………......…20
Şekil 2.12 Polistiren ısı iletkenlik katsayısı………………………………….…….......……21
Şekil 2.13 Analiz sonuçları……………………………………………………………….…21
Şekil 2.14 Modeldeki ısı dağılımı ………………………………………....……..................22
Şekil 2.15 Cam kapaklı modelin ansys görünümü………………………………….…….23
Şekil 2.16 Malzeme özellikleri girilmesi……………………………………………………23
Şekil 2.17 Mesh değerleri girilmesi…………………………………………………………24
Şekil 2.18 Modelin mesh edilmiş görünümü……………………………………………….24
Şekil 2.19 Isı dağılımı………………………………………………………………………25
Şekil 2.20 Isı dağılımı üstten görünüş……………………………………………………...25
Şekil 3.1 Sıcaklık değişim hızına bağlı olarak ısı geçiş yönleri…………………………....26
Şekil 3.2 Düzlemsel duvarda sıcaklık dağılımı……………………………………………28
Şekil 3.3 Eşdeğer ısıl direnç devresi………………………………………………………...28
V
BÖLÜM BİR
GİRİŞ
1.Buzdolabı
Buhar sıkıştırma yöntemiyle çalışan, gıdaların soğuk tutularak uzun zaman muhafaza
edilmesini sağlayan soğutma makinesidir.
Soğutmanın amacı kapalı bir mahâlde, çevre sıcaklığının altında sıcaklıklar elde etmek ve
bu düşük sıcaklığı sürekli olarak muhafaza etmektir. Ancak ısı sıcaktan soğuğa
kendiliğinden akarken, tersine akış kendi kendine olmaz. İki sistem arasındaki dengeyi
bozabilmek için enerji gereklidir. Günümüzde bu iş soğutucu makineler tarafından
gerçekleştirilir. Soğutucu makineler çalışma prensiplerine ve çalıştıkları sıcaklık aralığına
göre sınıflandırılırlar. Buzdolapları ise soğutucu makinelerin evlerde kullanılan tipidir.
Şekil 1.1 Yatay dondurucu
1
1.1 İlk buzdolabı
Evde kullanılmak amacıyla 1913 yılında Chicago'da yapıldı.Domelre marka bu
buzdolabı, elektrikle çalışıyordu.Ahşap gövdesinin üzerinde kompresör tipi bir soğutucu
vardı.Ev tipi ilk buzdolabı,1913 yılında ABD 'nin Chicago kentinde üretildi.Gövdesi ahşaptan
yapılan bu buzdolabının soğutucu aygıtı,dolabın tavanına konmuştu ve neredeyse yarısı
kadardı.
Bir maddenin veya ortamın sıcaklığını onu çevreleyen hacim sıcaklığının altına indirmek
ve orada muhafaza etmek üzere ısının alınması işlemine "Soğutma" denir. .... En basit ve
eski soğutma şekli, soğuk yörelerde tabiatın meydana getirdiği buzları muhafaza edip bunları
sıcak veya ısısı alınmak istenen yerlere koyarak soğumanın sağlanmasıdır.Kışın meydana
gelen kar ve buzu muhafaza ederek sıcak mevsimlerde bunu soğutma için kullanma
usulünün M.Ö. 1000 yıllarında uygulanmakta olduğu bilinmektedir. Bu uygulamanın, bugün
bile yurdumuzun bazı yörelerinde geçerli bir soğutma şekli olduğu görülmektedir. Diğer
yandan, eski mısırlılardan beri geceleri açık gökyüzünü görecek tarzda yerleştirilen suyun
soğutulabileceği bilinmektedir. Bu soğutma şekli, gece karanlıktaki sıcaklığın mutlak sıfır (273) derece seviyesinde olmasından ve ışıma (radyasyon) yolu ile ısının gökyüzüne
iletilmesinden ortaya çıkmaktadır.
Ticari amaç ile ilk büyük buz satışı, 1806 yılında Frederic Tudor tarafından yapılmıştır.
Tudor, 130 tonluk bir buz kütlesini Favorite adlı teknesiyle Antil Adaları' na götürmüştür.
Daha sonraları “Buz Kralı” adı ile tanınan Tudor, ilk macerasından 3500 dolar para
kaybetmesine rağmen bu zararın depolama olanaklarının bulunmayışından meydana
geldiğini, gerçekte ise buz işinde büyük kazançlar bulunduğunu görebilmiş ve buz ticaretine
devam ederek 1850 yıllarında senede 150.000 ton'a ulaşan bir buz ticareti hacmi
geliştirmiştir. 1864 de ise buz sattığı ülkeler arasında Antiller, İran, Hindistan, Güney
Amerika ülkeleri bulunuyor ve gemilerinin uğradığı limanlarının sayısı 53 'ü buluyordu.
Tabiatın bahşettiği buz ile soğutma şeklinden 1800' lü yılların sonuna kadar geniş ölçüde
yararlanılmıştır.
Buz ile elde edilen soğutma şeklinin, gerek zaman ve gerekse bulunduğu yer bakımından
çoğu kez pratik ve ucuz bir soğutma sağlayamayacağı bellidir. Bunun yerine mekanik araç
ve cihazlarla soğutma sağlanması tercih edilir ki soğutma yöntemleri bilimi de bu ikincisi ile
ilgilenir. Mekanik soğutma ile ilgili bilinen ilk patent 1790 yılında İngiliz Thomas Harris ile
John Long' a aittir. 1834 yılında da Amerikalı Jacop Perkins, eter ile çalışan pistonlu bir
2
cihazın patentini almıştır. Bu makine, bir emme basma tulumbaya benzer. Bir tıp doktoru
olan John Gorrie (1803-1855) ilk defa, ticari gaye ile çalışan bir soğutma makinası yapmış
(1844-Apalachicola, Florida, ABD) ve “Klima Sistemleri – Soğutma - Ticari buz imali”
konularının babası olarak tarihe geçmiştir.
1.2 Basit soğutma devresi
Basit soğutma devresi aslında tek kademeli bir soğutma devresi olup, öncelikle; ev ve
ticari tür buz dolapları ile, meşrubat soğutucular olmak üzere, soğuk depoculukta besin
ürünlerinin soğuk ve donmuş muhafazası ile, klima tekniğinde ve çeşitli endüstriyel soğutma
uygulamalarında genellikle kullanılır. Ayrıca, büyük boyutlu ticari tür donmuş depolar ile,
çok özel derin dondurucularda çift kademeli soğutma devreleri ile, Kas – Kat sistem soğutma
devreleri de uygulama alanı bulmaktadır.
Tek kademeli bir soğutma devresi basit hali ve ana üniteleri ile Şekil-1’de şema halinde
verilmiştir. Bu şekilden de anlaşılacağı üzere, tek kademeli bir soğutma devresi esas itibari
ile;
Soğutucu ünite,
Emme hattı,
Kompresör,
Basma hattı,
Kondanser,
Sıvı tankı (Receiver)
Sıvı hattı ve
Genleşme valfi veya kılcal,
olmak üzere sekiz ayrı üniteden oluşmaktadır. Bu ünitelerden her birinin soğutma
devresindeki görevi aşağıda ayrı ayrı açıklanmıştır.
3
1.2.1 Soğutucu Ünite
Belirli bir ısı transfer yüzeyinde olup, soğutulan mekandan gerekli ısı transferini
sağlayarak sirkülasyon halindeki soğutucu akışkanı buharlaştırır. Bu işlem sırasında
soğutulan mekan havasının ısı tutumu azalır, soğutucu akışkanın ise ısı tutumu artar. Sonuç
olarak, ısı tutumu azalan mekan havasının sıcaklığı azalır ve işlemin devamı halinde soğutma
olayı gerçekleşir.
1.2.2 Emme Hattı
Soğutucu ünitede buharlaşan düşük basınçlı soğuk soğutucu akışkan buharının
kompresör emişine taşınma yoludur.
1.2.3 Kompresör
Soğutucu ünitede buharlaşan düşük basınçlı soğuk soğutucu akışkan buharını emerek
yüksek basınç ve sıcaklık altında kondansere basar. Kompresör bu görevini yaparken emme
ve basma tulumba (pompa) gibi rol oynar.
1.2.4 Basma Hattı
Kompresörün emip bastığı yüksek basınç ve sıcaklık altındaki soğutucu akışkan kızgın
buharının kondansere sevk yoludur.
1.2.5 Kondanser
Soğutucu ünitede olduğu gibi belirli bir ısı transfer yüzeyinde olup, ancak soğutucu
ünitede olan işlemin aksine; yüksek basınçlı sıcak soğutucu akışkan buharından kondans
ortamına, yani; yoğuşma ortamına ısı transferini sağlar. Yoğuşma ortamı su veya atmosfer
havasıdır. Yoğuşma sırasında ısı tutumu kaybı olan yüksek basınçlı sıcak soğutucu akışkan
buharı,önce kızgın buhar durumundan doymuş buhar durumuna, daha sonra da sıvı
durumuna dönüşür.
4
1.2.6 Sıvı Tankı
Kondanserde yoğuşan sıvı soğutucu akışkan, soğutma olayının sürekliliği için, sınırlı
miktarda da olsa, sıvı tankında toplanmalı ve ayrıca BOR vb. hizmetler için soğutma
devresindeki soğutucu akışkanı stoklama hacminde olmalıdır. Genleşme valfi yerine kılcal
boru ile yetinildiği küçük boyutlu soğutma sistemlerinde sıvı tankı yerine drayer veya
kondanserin uygun boyutlandırılmış likit kolektörü de çift amaçlı olarak kullanılabilir.
1.2.7 Sıvı Hattı
Kondanserde yoğuşup sıvı tankında sınırlı miktarda toplanan sıvı soğutucu akışkanın
genleşme valfine veya genleşme kılcal borusuna taşınması yoludur.
1.2.8 Genleşme Valfi
Genleşme valfinde sıvı soğutucu akışkan aniden genleşip, soğutucu üniteye yayılırken
kısmen buharlaşır.Bu ani genleşme sırasında kısmen buharlaşan soğutucu akışkanın basıncı,
dolayısı ile, sıcaklığı düşer. Genleşme çok ani olduğu için soğutucu akışkanın ısı tutumunda
herhangi bir değişiklik olmadığı kabul edilir. Genleşme valflerinin elle kumandalı,
şamandıralı, termostatik duyargalı ve kapasite ayarlı türleri olduğu gibi, elektronik
kumandalı türleri de geliştirilmiştir. Ancak, ev ve ticari buzdolapları ile, küçük boyutlu
soğutucularda maliyet indirimi ve sadelik amacı ile, kılcal borular da genleşme valfi yerine
kullanılabilir.
Şekil 1.2 Soğutma Devresi
5
1.3 Isı enerjisi dağılma çeşitleri
1.3.1 İletim (Kondüksiyon)
Isı enerjisi, birbirleriyle temas halindeki katı ortamlar arasında veya katı ortamların içinde,
sıcaklık farkı nedeniyle kinetik enerjileri daha küçük olan komşu ortama iletim yolu ile
aktarılmaktadır. Yoğun maddeler genelde iyi iletkendirler; örneğin metaller çok iyi
iletkenlerdir.
1.3.2 Taşınım (Konveksiyon)
Katı bir yüzeyle gaz veya sıvı haldeki bir akışkanın teması halinde, ısının katı cisimden
akışkana geçişi ise taşınım yoluyla olmaktadır. Akışkanlar serbestçe hareket edebilen
moleküllere sahiptirler. Isı enerjisinin etkisiyle atom ve moleküllerinin titreşimleri birbirleri
arasındaki mesafeleri arttırmakta ve buna bağlı olarak akışkanın özgül kütlesi azalmaktadır.
Sıcaklığın artması ile hafifleyen akışkan daha düşük sıcaklıktaki (daha ağır) akışkanın
üzerine çıkmaktadır. Dolayısıyla sıcak yüzeylerle temas eden akışkanların sıcaklıklarında
artış meydana gelmekte ve yukarı çıkma eğilimi göstermektedirler.
1.3.3 Işınım (Radyasyon)
Maddenin atom veya moleküllerinin elektron düzeninde olan değişimler sonucunda
yayılan elektromanyetik dalgalar aracılığıyla gerçekleşen enerji aktarımı veya ısı transferidir
.Işınımla ısı geçişi ışık hızında gerçekleşmektedir.
Işınımla ısı geçişinde, iletim ve taşınım ile ısı geçişinden farklı olarak farklı cisimler
arasında boşluk olması gerekmektedir.
Sonuç olarak yalıtkanlar, bu ısı transfer yöntemlerindeki ısı akışlarının düşürülmesi ile
yalıtım sağlar. Örneğin; ince bir köpük (strafor) tabakası konveksiyon ve kondüksiyon ile
olan ısı geçişini düşürür. Yansıtıcı bir metalik film veya beyaz boya ısıl yayınımı düşürür
6
1.4 Isı yalıtımı ve önemi
Isı, doğal olarak yüksek sıcaklıktan, düşük sıcaklığa doğru akar ve direncin en az olduğu
yol boyunca en fazla ısı akışı oluşur. Yüksek sıcaklık bölgesinin yanından, düşük sıcaklık
bölgesine bir sıcaklık gradyeni oluşur. Isıl yalıtım, sıcaklık gradyeni içinden olan ısı akışını
düşürerek, sıcaklık gradyenini korur. Büyük alet/araçların birçoğunda yalıtım yer alır.
Örneğin, fırınlarda, soğutucularda, dondurucularda ve su ısıtıcılarında. Çoğu halde, yalıtım
çevreye olan ısı kaybını engellemeye yarar. Diğer hallerde ise, çevreden gelen ısıya karşı
koruma sağlar. Isı transferi üç yolla olur. Kondüksiyon ya da iletim , madde veya cismin bir
tarafından diğer tarafına ısının iletilmesi ile oluşan ısı transferinin bir çeşididir. Isı transferi
daima yüksek sıcaklıktan, düşük sıcaklığa doğrudur. Yoğun maddeler genelde iyi
iletkendirler; örneğin metaller çok iyi iletkenlerdir. Konveksiyon ya da taşınım, katı yüzey
ile akışkan arasında gerçekleşen ısı transferinin bir çeşididir. Akışkan içindeki akımlar
vasıtası ile ısı transfer edilir. Akışkan içindeki veya akışkanla sınır yüzey arasındaki sıcaklık
farklarından ve bu farkın yoğunluk üzerinde oluşturduğu etkiden doğabilmektedir.
Radyasyon|Işıma yolu ile ısı transferi, fotonlar (elektromanyetik radyasyon) yolu ile olan ısı
transferidir. Yalıtkanlar, bu ısı transfer yöntemlerindeki ısı akışlarının düşürülmesi ile
yalıtım sağlar. Örneğin; ince bir köpük (strafor) tabakası konveksiyon ve kondüksiyon ile
olan ısı geçişini düşürür. Yansıtıcı bir metalik film veya beyaz boya ısıl yayınımı düşürür.
Bazı malzemeler bir ısı transfer yöntemi için iyi bir yalıtkandır, fakat diğeri için kötü
olabilir. Örneğin, metal bir tabaka ışınım için iyi bir yalıtkandır, fakat iletim için çok kötü bir
yalıtkandır. Çoğu ülkede, ısıtma ve soğutma işi için oldukça büyük miktarda enerji yani para
harcanmaktadır
7
1.5 Poliüretan
1.5.1 Poliüretan Nedir?
Poliüretan; 1937 yılında Otto Bayer ve çalışma arkadaşları tarafından (Leverkusen,
Almanya) bulunan, karbamat bağlantıları içeren organik üniteler zincirinden oluşan
polimerlerdir.
İzosiyonat ve hidroksil grupları arasındaki reaksiyon ürününü (üretan) tekrarlar şeklinde
ihtiva eden polimer "Poliüretan" olarak adlandırılmaktadır. Polimerin morfolojisi; kullanılan
diol ve İzosiyanat ın molekül, strüktür ve karakterine göre şekil alır.
İlk sert poliüretan köpük 1947 yılında, esnek poliüretan köpükler 1954 yılında üretildi.
1960 lı yılların başında ise otomobil sanayinde yarı sert poliüretan köpükler üretilerek
oldukça yaygınlaşan ve sanayileşen hammaddenin günümüzde bilinen yaklaşık 11 bin türevi
üretilmektedir.
Günlük hayatımızda hemen elimizin altında bile kullanılmasına karşın farkında
olmadığımız poliüretan artık otomotiv, sünger, ayakkabı, taşıma, soğutma, yalıtım, mobilya,
8
tekstil, gıda, elektronik, boya, sanayi parçaları üretimi ve sağlık sektörü (biyouyumlu) gibi
branşların değişmez parçası olmakla birlikte inşaat ve yapı sektöründe henüz yerini tam
olarak bulamamıştır.
1.5.2 Poliüretanın Isı ve Yalıtımdaki Yeri Nedir?
Poliüretan yalıtım malzemeleri arasında ısı iletkenlik katsayısı lamda (ƛ) değeri en küçük
olan malzemedir. Değişik yoğunluklarda ufak farklılıklar göstermesine karşın, akredite
kurumlar tarafından tespit edilen izolasyonlu dekoratif cephe kaplamaları için bu değer
ƛ=0,0242 W/m.K olarak tespit edilmiştir. Bu değeri ile poliüretanın diğer yalıtım
malzemeleri arasındaki yerini teknik bilgiler kısmında grafik halinde görmek mümkündür.
1.5.3 Poliüretanın Genel Özellikleri
Poliüretan düzgün bir köpük yapısına sahiptir, yapısındaki hücrelerin % 90-95 i kapalıdır.
Bu durum poliüretanların ısı tutuculuğunun mükemmel olmasını, yani dünyada bilinen en iyi
yalıtkan olmasını sağlar.
Isı iletkenlik katsayısı en düşük köpüklerdir.
Kullanım yoğunluğu 30-40 kg/m3 ile 1200 kg/m3 arasında üretilebilmektedir.
Poliüretanlar kapalı hücre yapısına sahip olmasına rağmen 50 desibele kadar ses yalıtımı
da sağlamaktadır.
İyi bir nem ve su tutucudurlar.
Poliüretanlar iyi bir yapışma özelliğine sahiptirler. Uygulanan hemen her yüzeye
yapışırlar.
Sıvılar gibi uygulanan her kalıbın şeklini alabildiklerinden ürün alternatifleri sonsuzdur.
B3 yanmazlık sınıfında olmalarına karşın bazı katkılarla B2 ve B1 ve hatta A sınıfı
yanmazlık düzeyine çekilebilirler.
Poliüretanlar yüksek boyutsal kararlılığa sahiptirler. -30 ile +80 °C arasında hiçbir
genleşme göstermediği gibi yapıştığı yüzeyden ayrılmazlar.
9
Poliüretanlar uzun ömürlü yalıtım ve dekorasyon malzemeleridir. İlk 15 yılda %10, 30
yılda %15 miktarında yalıtım değerinde düşme görülebilir.
Poliüretanlar bakteri üretmez, çürümez, koku yapmaz, hijyenik özellikte çağdaş ve
teknolojik ürünlerdir. Bu anlamda bu ürünler çevre dostu ürünlerdir.
Poliüretan dış cephe malzemeleri, bilinen sıva türlerinin içerdiği kimyasalları
içermediğinden dış cephe boyalarınız çok daha uzun ömürlü olur, renkleri daha canlı kalır,
dış iklim şartlarına daha mukavim olur.
1.6 Polistiren (PS)
Polistiren çok yaygın olarak kullanılan bir plastik türüdür. Kolay işlenmesi ve uçuculuğu
sayesinde kağıt, tahta ve metallerin yerini almıştır.
Kristal (genel amaçlı) polistiren şeffaf ve sağlam bir malzemedir. Söz konusu plastiğin
yoğunluğu 1,06 gr/cm3 gerilme dayanımı 8000 psi, vicat yumuşama noktası 106o C, izod
darbe dayanımı 0,2-0,5 ft.1b/inç, uzaması % 3, esneklik modülü 450000 psi’dir. Bu
özellikler molekül ağırlığına ve kullanılan katkılara bağlı olarak değişir. Ancak genel
maksatlı polistirenin UV ışığına, bazı kimyasal maddelere ve yiyeceklere karşı dayanıklılığı
azdır. 106o C gibi bir düşük vicat sıcaklığı da yaygın olarak kullanımını engeller.
Darbeye dayanıklı PS’ler kütle polimerizasyon ile elde edilir. Ayrıca prosese elastomerler
ilave edilir. Belli başlı iki proses vardır. Birincisi kesikli proses olup sulu bir süspansiyon
içinde gerçekleştirilir. İkincisi ise devamlı bir proses olup, reaktörlerde gerçekleştirilir.
Polistirene kauçuk eklenerek, darbe dayanımı daha iyi, sertliği daha az bir ürün elde edilir.
Genel amaçlı ve darbeye dayanıklı türler enjeksiyon kalıplama veya ekstrüzyon
metodları ile işlenirler. Enjeksiyon sıcaklığı 380-400 F arasında değişir. Ayrıca erime
akışları çok değişik aralıklarda olan ve değişik sahalarda kullanılabilen PS’ler mevcuttur. Bu
ürünün sertliği ve işleme kolaylığı yüksek veya alçak basınç prosesi ile köpük imalinde
kullanımını kolaylaştırmaktadır. Genel amaçlı ve darbeye dayanıklı türlerden levha, profil ve
boru imal edilebilmektedir. Kristal polistiren darbeye dayanıklı türle birlikte ekstrüzyonuyla,
parlaklığı iyi olan levhalar elde edilir. Ayrıca polistirenin diğer maddelerle de harmanlanarak
işlenmesi mümkündür.
10
Yeni bir uygulama sahası da ekstrüzyon;ısıl şekillendirme (termoforming) işlemidir. Bu
işlemde, ekstrüzyon donanımının boyutları artmakta; vida çapı 6 inç ve L/D oranı 32:1 olan
ekstruderler levha imalinde kullanılmaktadır.
1.6.1 Kullanım Alanları
Ekstrüzyon uygulamaları polistiren tüketiminin 1/3’nü kapsamakta
ve enjeksiyon
uygulamasına kıyasla daha hızlı olarak büyümektedir. Ekstrude edilmiş profiller, ayna ve
resim profillerinde ve inşaatta çok geniş tüketim sahası bulmaktadır. Et ve yumurta kutuları,
ekstrude edilmiş PS levhadan ısıl şekillendirme ile elde edilir. İnce çeperli şişelerin ambalaj
içinde bu ürün yaygın olarak kullanılır.
Çift yönlü oryente edilmiş filmler, ekstrüzyonun en yaygın kullanım alanıdır. Sağlamlığı
ve parlaklığı, oriente edilmiş PS’nin, et tepsileri, şişe kapakları, pasta, çikolata ve şeker
paketlerinde yaygın olarak kullanımını sağlar. PS’den imal edilen paneller, oda ayrıcısı, duş
kapakları ve aydınlatma panelleri olarak kullanılır.
Enjeksiyon kalıplama ürünleri ise havalandırma üniteleri, buzdolabı ve dondurucu
parçalarının imalinde kullanılır. Ayrıca radyo, TV, stereo kapakları imalinde de
yaygınlaşmakta olan bir uygulamadır.
Alevlenmeyi önleyici katkılar içeren reçineler, bu ürünün TV kutusu imalinde kullanımını
kolaylaştırır. Darbeye dayanıklı PS, ev aletleri, ayakkabı topukları, oyuncak ve kapak
imalinde kullanılır.
Genel amaçlı PS ile ayrıca tıbbi cihazlar, cam kesitli kutular, taraklar, şişeler imal edilir.
Köpük polistiren ise izolosyonda, inşaatta ve paketlemede yaygın olarak kullanılır.
11
1.7 Galvaniz saç (DKP)
Demir cevherinin ve/veya hurdanın yüksek sıcaklıkta fırınlarda işlenmesiyle farklı et
kalınlıklarında (çelik parçasının yüksekliği ya da derinliği) HR üretilmektedir. Sıcak sac
olarak da adlandırılan HR yassı çelik ürünlerinin başlangıç formudur. Rulo halinde satılan
HR'nin rulo açma işleminden sonra asitlenerek temizlenmesi, yaşlanması ve yeniden
sarılmasıyla DKP elde edilmektedir.
DKP'den ürünün fiziksel ve mekanik özellik kazandığı haddeleme (sacın bir taraftan
gerilirken diğer taraftan preslenmesiyle inceltilmesi) işleminden sonra FH olarak adlandırılan
soğuk haddelenmiş sac elde edilmektedir. FH tane (molekül) büyüklüklerinin ve mekanik
özelliklerinin istenen seviyeye getirilmesi için tavlama fırınlarında 72-80 saat boyunca ısıl
işleme tabi tutulmakta, nihai yüzey ve mekanik özellikleri kazandırılmak amacıyla düşük
oranda (%5-10) inceltilerek CR denilen soğuk sac elde edilmektedir. CR çoğunlukla rulolar
halinde ticareti yapılan, farklı et kalınlıklarında inceltilmiş ve uygun koşullarda
saklanmaması halinde kolayca pas tutabilecek bir üründür. Soğuk haddelenmiş ürünler pasa
karşı dayanıklı değildir. Bu nedenle, CR'nin metalle kaplanmasıyla paslanmaya karşı koruma
sağlanmaktadır.
CR'nin çinko kaplanmasıyla galvanizli sac, kalay kaplanmasıyla teneke elde
edilmektedir. Galvanizli sac üretiminde elektrogalvanizleme ve/veya sıcak daldırma yöntemi
kullanılmaktadır. CR'nin üretilmesinden ya da galvanizleme işleminin gerçekleştirilmesinden
sonra, talep doğrultusunda sacın kesilmesi gerekmektedir.
1.7.1 Galvanizli Sacın Özellikleri
Uzun ömürlüdür,katlandığı zaman çinko kaplaması dökülmez, derin çekme ve sıvamaya
karşı elverişlidir, kolay lehim tutar, çok kolay boyanabilir, ateşe karşı dayanıklıdır,
ekonomiktir, pratiktir ve her türlü dış etkenlere dayanıklıdır.
12
Tablo 1.1 Malzemeler ve Isı İletkenlik Katsayıları
MALZEME
ISI İLETKENLİK KATSAYISI (W/m.K)
DKP saç metal
16
Gofrajlı Alüminyum
237
Poliüretan
0.0242
Polistiren
0.04
Akrilik cam
0,17
Hava
0,024
13
BÖLÜM İKİ
MATEMATİKSEL MODELİN OLUŞTURULMASI
2.Model oluşturulması
2.1 Solidworks İle Modelin Hazırlanması
3 boyutlu katı modelleme programı ile parçalar önce tek tek modellendi. Daha sonra
montajı yapıldı. Şekilde gördüğümüz gibi bir model oluşturuldu. Daha sonra da ısıl analiz
amacıyla ansys programına aktarım işlemi gerçekleştirildi.
Şekil 2.1 Modelin montaj görüntüsü
14
Şekil 2.2 Modelin üstten görünüşü
Şekil 2.3 Modelin kesit alınmış görüntüsü
15
Şekil 2.4 Cam kapak kullanıldığında modelin görünüşü
16
2.2 Modelin Ansys’de Analizi
2.2.1 Poliüretan ve dkp kapak kullanılığında ısıl analiz
Şekil 2.5 Modelin ansys görünümü
Şekil 2.6 Malzeme özellikleri girilmesi
17
Şekil 2.7 Modelin sonlu elemanlara ayrılması (mesh)
Şekil 2.8 Taşınım katsayıları girilmesi
18
Şekil 2.9 Taşınımın olduğu bölgeler
Şekil 2.10 Dış sıcaklık 20 derece ve iç sıcaklık -18 derece olduğunda modeldeki ısı dağılımı
19
Şekil 2.11 Sıcaklığın içeriden dışarıya akışı
20
2.2.2 Polistiren ve dkp kapak kullanıldığında ısıl analiz
Şekil 2.12 Polistiren ısı iletkenlik katsayısı
Şekil 2.13 Analiz sonuçları
21
Şekil 2.14 Modeldeki ısı dağılımı
22
2.2.3 Poliüretan ve cam kapak kullanıldığında ısıl analiz
Şekil 2.15 Cam kapaklı modelin ansys görünümü
Şekil 2.16 Malzeme özellikleri girilmesi
23
Şekil 2.17 Mesh değerleri girilmesi
Şekil 2.18 Modelin mesh edilmiş görünümü
24
Şekil 2.19 Isı dağılımı
Şekil 2.20 Isı dağılımı üstten görünüş
25
BÖLÜM ÜÇ
SONUÇLAR
3.Isı miktarları ve kayıplar
3.1 Isı Miktarlarının Bulunması
Isı iletimi; bir katı malzeme veya durgun akışkan içerisindeki sıcak bir bölgeden daha
soğuk bir bölgeye doğru ısının geçmesidir. Bir katı cisim içinde sıcaklık farkları varsa
yüksek sıcaklık bölgesinden düşük sıcaklık bölgesine ısı, iletim yolu ile geçer. İletimle ısı
geçişi deneysel gözlemlere dayanan Fourier kanunu ile belirlenir. Fourier kanununa göre
herhangi bir yönde (örneğin x yönünde) geçen ısı miktarı, x yönündeki sıcaklık gradyanı
(sıcaklık değişim miktarı) dT/dx ve ısı geçiş yönüne dik alan A ile orantılıdır. Fourier
kanununun matematiksel ifadesi ;
(
şeklindedir. Burada; Qx,
)
x yönünde ve bu x yönüne dik A alanı üzerinden geçen ısı
miktarıdır. Orantı sabiti k, ısı iletim katsayısı olarak adlandırılır ve maddenin bir özeliğidir.
Eşitlikteki (-) işareti ısı geçiş yönünü belirler. Şekil 1a’ da görüldüğü gibi eğer sıcaklık x
yönünde azalıyorsa dT/dx negatifdir ve ısı geçişi pozitif x yönünde olmalıdır. Şekil 1b’ de
görüldüğü gibi eğer dT/dx pozitifse Qx negatif olur ve bu durumda da ısı akışı negatif x
yönündedir.
26
Şekil 3.1 Sıcaklık değişim hızına bağlı olarak ısı geçiş yönleri.
Taşınım , katı bir yüzey ve ona komşu olan hareket halindeki sıvı veya gaz(akışkan)
arasında gerçekleşen ısı transferi şeklidir. Taşınım , içinde hem iletimden hem de akışkan
hareketinden gelen bileşik etkileri içerir. Taşınımla ısı transferi hızı “ Newton Soğuma
Yasası” ile aşağıda verildiği gibi ifade edilir.
şı ı
=ℎ (
−
∞)
( )
Burada h , ısı taşınım katsayısıdır ve birimi [w/(m²K)] ile verilir. A is , taşınımın
gerçekleştiği yüzeyin alanıdır (m²). TS yüzey sıcaklığı (oC), T ͚ ise yüzeyden yeteri kadar
akışkanın sıcaklığıdır (oC).
27
Şekil 3.2 Düzlemsel duvarda sıcaklık dağılımı
Şekil 3.3 Eşdeğer ısıl direnç devresi
=(
+
+
+
)
(W/m²K)
Ri: İç yüzey taşınım direnci
Rw:Dış yüzey taşınım direnci
Rins: Yalıtımsız duvarın ısı iletim katsayısı
R0:Yalıtımlı katmanın ısı iletim katsayısı
28
Ansys de bulduğumuz sonuçlara göre işlem yaparsak ;
Duvarın kesiti ;
1 mm
60 mm
1 mm
3.2 Isı Kaybı Hesapları
3.2.1 Poliüretan ve Dkp Saç Metal Kullanılması
Eşdeğer ısı direnci ;
=
1 0,001
0,06
0,001 1
+
+
+
+
= 2,559
25
16
0,0242
237
25
=
=
( )
(W)
4,642 − (−18)
2,559
Q=8,847 W
Kapaktan dış ortama yayılan ısı miktarı;
=
1 0,001
0,06
0,001 1
+
+
+
+
= 2,559
25
16
0,0242
16
25
=
=
( )
(W)
4,642 − (−18)
2,559
Q=8,847 W
29
Dört adet duvar ve kapaktan dışarıya yayılan toplam ısı ;
Qtoplam =4*Qduvar+Qkapak
Qtoplam =4*8,847+8,847
Qtoplam =44,235 W
3.2.2 Polistiren ve Dkp Saç Metal Kullanılması
Eşdeğer ısı direnci ;
=
1 0,001 0,06 0,001 1
+
+
+
+
= 1,579
25
16
0,04
237
25
=
=
( )
(W)
5,069 − (−18)
1,579
Q=14,6 W
Kapaktan dış ortama yayılan ısı miktarı;
=
1 0,001 0,06 0,001 1
+
+
+
+
= 1,579
25
16
0,04
16
25
=
=
( )
(W)
5,069 − (−18)
1,579
Q=14,6 W
Dört adet duvar ve kapaktan dışarıya yayılan toplam ısı ;
Qtoplam =4*Qduvar+Qkapak
Qtoplam =4*14,6+14,6
Qtoplam =73 W
30
3.2.3 Poliüretan ve cam kapak Kullanılması
Eşdeğer ısı direnci ;
=
1 0,001
0,06
0,001 1
+
+
+
+
= 2,559
25
16
0,0242
237
25
=
=
( )
(W)
8,699 − (−18)
2,559
Q=10,16 W
Kapaktan dış ortama yayılan ısı miktarı
=
1 0,01 0,01 0,01 1
+
+
+
+
= 0,61
25 0,17 0,024 0,17 25
=
=
( )
(W)
8,699 − (−18)
0,197
Q=43,76 W
Dört adet duvar ve kapaktan dışarıya yayılan toplam ısı ;
Qtoplam =4*Qduvar+Qkapak
Qtoplam =4*10,16+43,76
Qtoplam =84,4 W
31
3.3 Sonuçların Değerlendirilmesi
Günümüzde en çok kullanılan soğutma sistemlerinden biri olan derin dondurucularda ısı
kazancının önemi oldukça büyüktür. Günün her anı çalışmakta olduğundan derin dondurucu
seçiminde en önemli etken de enerji tasarrufudur. Farklı tip modellerde karşımıza
çıkabilecek bu dondurucularda enerji tasarufunun nasıl sağlanabileceğini bu projede
inceledik. Isı transfer denklemleri ve ANSYS analiz yöntemlerini kullanarak bu tasarrufun
sayısal olarak sonucunu elde ettik. Kullanılan yalıtım malzemesi ve kapak seçimininin ısı
kayıplarına etkisini gördük. Fakat ısı kayıpları en fazla cam kapak kullanımında çıkmasına
rağmen günümüzde en çok kullanılan soğutucu olarak karşımıza çıkmaktadır. Bunun
nedenini de her geçen gün daha da önem arz etmekte olan ticari menfaatler ve müşteri
memnuniyeti olarak açıklayabiliriz…
32
3.4 Kaynaklar
a) Çengel,A.Y., Boles,M.A. An Engineering Approach Thermodaynamic. Mc.Graw
Hill.985 USA 1994
b) ANSYS Inc. ANSYS Theory Manual Release 5.4, Swanson Analysis System U.S.A 1998
c)
KUEHN,
T.H.,
RAMSY,
J.W.,
THRELKELD,J.L.,
“Thermal
Environmental
Engineering”, Prentice Hall, 1998
d) Makine Mühendisleri Odası Yayınları “Dış Duvarda Isıl Davranışların Mekan Konforuna
Etkisi”
e) wikipedia.org
f) Cağatay, H. (1997) Isı iletkenliği dusuk malzemelerde ısı iletim katsayısının
deneysel olarak incelenmesi, Yuksek Lisans Tezi, Niğde Universitesi Fen Bilimleri
Enstitusu, Makine Muhendisliği Ana Bilim Dalı, Niğde
33