yapı elemanlarının özgül ısılarının ve su buharı difüzyon direnç

T.C.
DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
YAPI ELEMANLARININ ÖZGÜL ISILARININ
VE SU BUHARI DİFÜZYON DİRENÇ
KATSAYILARININ BELİRLENMESİ
BİTİRME PROJESİ
İbrahim Yetkin YETİM
Projeyi Yöneten
Yrd. Doç. Dr. Dilek KUMLUTAŞ
Mayıs, 2007
İZMİR
1
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,
2002485059 numaralı İbrahim Yetkin Yetim jürimiz tarafından …/…/… günü saat ……
yapılan sınavda 100 (yüz) tam not üzerinden …. almıştır.
Başkan
Üye
Üye
ONAY
I
TEŞEKKÜR
Bu çalışmanın başlangıcından bitimine kadar, her aşamada beni yönlendiren ve
yardımlarını esirgemeyen sayın hocam Yr. Doç. Dr. Dilek KUMLUTAŞ’a teşekkür ederim.
Özgül ısı değerlerinin hesaplanmasında, bilgilerini, önerilerini ve yardımlarını paylaşan
Araştırma görevlisi Haktan KARADENİZ’e ve teknisyen Alim ZORLUOL’a ayrıca teşekkür
ederim.
Okul hayatım boyunca desteğini benden esirgemeyen aileme çok teşekkür ederim.
II
ÖZET
Bu çalışmada yapı elemanları ve yalıtım malzemeleri hakkında genel bilgi verilmiştir.
Projenin amacı yalıtım malzemelerinin özgül ısılarının deneysel olarak bulunması ve
YILDIZPEN firmasının hazırladığı yangın yalıtım panelinin özgül ısı değerinin
hesaplanmasıdır. Ve bu hesaplamaların Ansys Workbench kullanılarak modellenmesini
içermektedir. Ayrıca su buharı difüzyon direnç katsayısının deneysel olarak nasıl
hesaplanacağı, tek boyutlu ve kompozit bir duvarda sürekli rejimde hesaplanması hakkında
bilgi verilmiştir.
Yapılan deneyler tablo ve grafik halinde aktarıldı ve bu deneylerden çıkan sonuçlar
neticesinde en uygun deney düzeneği bulunmuştur. Bu deney düzeneği kullanılarak
YILDIZPEN firmasının üretmiş olduğu yangın yalıtım malzemesinin özgül ısı değeri
hesaplanmıştır.
Bu hesaplamaların ardından Ansys Workbench yardımı ile modellenip gösterilmiştir.
Ayrıca kompozit bir yalıtım malzemesinin simülasyonu yapılıp incelendikten sonra içerdiği
maddeler ayrı ayrı modellenip incelenmiş ve çıkan değerler özgül ısı değerinin nasıl bir
değişim içinde olduğu gözlemlenmiştir.
En son olarak su buharı difüzyon direnç katsayısının bir duvar boyunca nasıl
hesaplanacağı ve bir malzemeye ait değerinin deneysel olarak nasıl elde edileceği
gösterilmiştir.
III
İÇİNDEKİLER
İÇİNDEKİLER ..................................................................................................................IV
Şekil Listesi .......................................................................................................................VI
Tablo Listesi ................................................................................................................... VIII
BÖLÜM BİR
YAPI ELEMANLARININ TANITIMI
1.1 Giriş...............................................................................................................................1
1.2 Isı Yalıtımı .....................................................................................................................3
1.3 Başlıca Isı Yalıtım Gereçleri...........................................................................................4
BÖLÜM İKİ
ÖZGÜL ISININ BELİRLENMESİ
2.1 Özgül Isı ........................................................................................................................9
2.2 Deney aletleri ve numuneleri ........................................................................................10
2.3 Yapılan Deneyler ve Sonuçları .....................................................................................14
2.3.1 Deney 1.................................................................................................................14
2.3.2 Deney 2.................................................................................................................15
2.3.3 Deney 3.................................................................................................................17
2.3.4 Deney 4.................................................................................................................19
2.3.5 Deney 5.................................................................................................................20
2.3.6 Deney 6.................................................................................................................22
2.3.7 Deney 7.................................................................................................................24
2.3.8 Deney 8.................................................................................................................25
2.3.9 Deney 9.................................................................................................................27
2.3.10 Deney 10.............................................................................................................28
2.3.11 Deney 11.............................................................................................................30
2.4 Sonuç...........................................................................................................................31
BÖLÜM ÜÇ
SU BUHARI DİFÜZYON DİRENÇ KATSAYISININ BELİRLENMESİ
3.1 Giriş.............................................................................................................................33
3.2 Sürekli Rejimde Tek Boyutlu Isı İletimi Ve Su Buharı Difüzyonu [6] ...........................34
3.3 Bileşik Düzlem Duvarda Isı İletimi Ve Su Buharı Difüzyonu[6] ...................................35
3.4 Bileşik Duvarda Yoğuşma [6] ......................................................................................38
3.5 Isı Yalıtım Mamullerinin Su Buharı Geçirgenlik Özelliklerinin Tayini[7] .....................39
IV
3.5.1 Tarifler..................................................................................................................39
3.5.2 Prensip ..................................................................................................................39
3.5.3 Cihazlar.................................................................................................................40
3.5.4 Deney Numuneleri ................................................................................................40
3.5.5 İşlem .....................................................................................................................41
3.5.6 Hesaplama Ve Sonuçların Gösterilmesi .................................................................42
3.5.6.1 Su Buharı Akış Hızı .......................................................................................42
3.5.6.2 Su buharı geçirgenlik hızı...............................................................................43
3.5.6.3 Su buharı geçirgenliği ..................................................................................443
3.5.6.4 Su buharı direnci ............................................................................................44
3.5.6.5 Su buharı öz geçirgenliği ................................................................................44
3.5.6.6 Su buharı difüzyon direnci faktörü..................................................................44
3.5.6.6.1 Genel ......................................................................................................44
3.5.6.6.2 Havanın su buharı öz geçirgenliğinin (δhava) hesaplanması.....................44
3.5.6.6.3 Deney numunesinin su buharı öz geçirgenliğinin hesaplanması................45
3.5.6.6.4 Su buharı difüzyon direncinin, μ, hesaplanması .......................................46
BÖLÜM DÖRT
MALZEMELERİN ANSYS İLE MODELLENMESİ
4.1 Giriş.............................................................................................................................48
4.2 Deney Düzeneğinin Solidworks İle Modellenmesi........................................................48
4.3 Deney Düzeneğinin Sonlu Elemanlara Ayrılması..........................................................49
4.4 Termal Kuvvetlerin Yerleştirilmesi...............................................................................49
4.5 Yangın Yalıtım Panelinin Sonuçları..............................................................................49
4.6 Cam Maddesinin Sonuçları...........................................................................................54
4.7 Polycarbonate Malzemesinin Sonuçları ........................................................................57
4.8 %15 Cam Katkılı Polikarbonat Yalıtım Maddesinin Sonuçları ......................................59
V
ŞEKİL LİSTESİ
Şekil 2.1 Deneyde kullanılan malzemeler ...........................................................................11
Şekil 2.2 Deneyde kullanılan ısıl çiftlerin sıcaklığını ölçen makine.....................................11
Şekil 2.3 Deneyde kullanılan kalorimetre kabı....................................................................12
Şekil 2.4 Deneyde kullanılan kalorimetre kabının tam görüntüsü ........................................13
Şekil 2.5 Deneyde kullanılan kalorimetre kabının iç görüntüsü...........................................13
Şekil 2.6 Transmisyon çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi................................15
Şekil 2.7 Transmisyon çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi................................17
Şekil 2.8 Transmisyon çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi................................18
Şekil 2.9 Transmisyon çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi................................20
Şekil 2.10 Transmisyon çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi..............................22
Şekil 2.11 Transmisyon çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi..............................23
Şekil 2.12 C 1040 çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi ......................................25
Şekil 2.13 C 1040 çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi ......................................26
Şekil 2.14 Yangın paneli ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi .....................................28
Şekil 2.15 Yangın paneli ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi .....................................29
Şekil 2.16 Yangın paneli ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi .....................................31
Şekil 3.1 Yapı malzemesinde ısı geçişi ve buhar difüzyonu ................................................35
Şekil 3.2 Bileşik düzlem duvarda sıcaklık ve su buharı gradyeni.........................................35
Şekil 3.3 Deney tertibatı örneği ..........................................................................................42
Şekil 4.1 Solidworks ile modellenen kalorimetre kabının kesiti...........................................47
Şekil 4.2 Deney parçasının sonlu elemanlara bölünmüş hali ...............................................48
Şekil 4.3 Kabın içinde bulunan suyun sonlu elemanlara bölünmüş hali ...............................48
Şekil 4.4 Kalorimetre kabının ve kapağının sonlu elemanlara bölünmüş hali.......................49
Şekil 4.5 Sıcaklığın zamana bağlı değişimi.........................................................................49
Şekil 4.6 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda enine kesitte görünümü .....................51
Şekil 4.7 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda boyuna kesitte görünümü ..................51
Şekil 4.8 Sıcaklığın zamana bağlı değişimi.........................................................................54
Şekil 4.9 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda enine kesitte görünümü .....................54
Şekil 4.10 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda boyuna kesitte görünümü ................55
Şekil 4.11 Sıcaklığın zamana bağlı değişimi .......................................................................57
Şekil 4.12 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda enine kesitte görünümü ...................57
VI
Şekil 4.13 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda boyuna kesitte görünümü ................58
Şekil 4.14 Sıcaklığın zamana bağlı değişimi .......................................................................60
Şekil 4.15 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda enine kesitte görünümü ...................60
Şekil 4.16 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda boyuna kesitte görünümü ................61
VII
TABLO LİSTESİ
Tablo 1.1 Binalarda kullanılan yapı elemanları[1] ............................................................... 1
Tablo 1.2 Poliüretan Köpüğün özellikleri[4]........................................................................ 6
Tablo 1.3 Polistren Köpüğün özellikleri[4] .......................................................................... 7
Tablo 1.4 Taş Yününün özellikleri[4] .................................................................................. 7
Tablo 2.1 Bazı maddelerin özgül ısıları[5] ........................................................................... 9
Tablo 2.2 Deney 1’de kullanılan malzemelerin özellikleri...................................................14
Tablo 2.3 Deney 1’in sonuçları...........................................................................................14
Tablo 2.4 Deney 2’de kullanılan malzemelerin özellikleri...................................................16
Tablo 2.5 Deney 2’nin sonuçları.........................................................................................16
Tablo 2.6 Deney 3’te kullanılan malzemelerin özellikleri ...................................................17
Tablo 2.7 Deney 3’ün sonuçları..........................................................................................18
Tablo 2.8 Deney 4’te kullanılan malzemelerin özellikleri ...................................................19
Tablo 2.9 Deney 4’ün sonuçları..........................................................................................19
Tablo 2.10 Deney 5’te kullanılan malzemelerin özellikleri .................................................21
Tablo 2.11 Deney 5’in sonuçları.........................................................................................21
Tablo 2.12 Deney 6’da kullanılan malzemelerin özellikleri.................................................22
Tablo 2.13 Deney 6’nın sonuçları.......................................................................................23
Tablo 2.14 Deney 7’de kullanılan malzemelerin özellikleri.................................................24
Tablo 2.15 Deney 7’nin sonuçları.......................................................................................24
Tablo 2.16 Deney 8’de kullanılan malzemelerin özellikleri.................................................26
Tablo 2.17 Deney 8’in sonuçları.........................................................................................26
Tablo 2.18 Deney 9’da kullanılan malzemelerin özellikleri.................................................27
Tablo 2.19 Deney 9’un sonuçları........................................................................................27
Tablo 2.20 Deney 10’da kullanılan malzemelerin özellikleri...............................................29
Tablo 2.21 Deney 10’nun sonuçları ....................................................................................29
Tablo 2.22 Deney 11’de kullanılan malzemelerin özellikleri...............................................30
Tablo 2.23 Deney 11’in sonuçları.......................................................................................30
Tablo 4.1 Sıcaklığın dengeye gelirken süreye bağlı sonuçları..............................................50
Tablo 4.2 Parça üstüne ve suya yerleştirilen probeların zamana bağlı sıcaklık değişimleri...52
Tablo 4.3 Sıcaklığın dengeye gelirken süreye bağlı sonuçları..............................................53
Tablo 4.4 Parça üstüne ve suya yerleştirilen probeların zamana bağlı sıcaklık değişimleri...55
VIII
Tablo 4.5 Sıcaklığın dengeye gelirken süreye bağlı sonuçları..............................................56
Tablo 4.6 Parça üstüne ve suya yerleştirilen probeların zamana bağlı sıcaklık değişimleri...58
Tablo 4.7 Sıcaklığın dengeye gelirken süreye bağlı sonuçları..............................................59
Tablo 4.8 Parça üstüne ve suya yerleştirilen probeların zamana bağlı sıcaklık değişimleri...61
IX
BÖLÜM BİR
YAPI ELEMANLARININ TANITIMI
1.1 Giriş
Yapı elemanları genel olarak üç bölüme ayrılmaktadır. Bunlar taşıyıcı elemanlar,
tamamlayıcı elemanlar ve tesisatlardır. Bu projede yapı elemanlarından tamamlayıcı
elemanlar içinde bulunan ısı yalıtım malzemeleri incelenecek ve bu elemanlara ait özgül ısı
hesaplama yöntemi ve su buharı difüzyon direnç katsayısının hesaplanması hakkında bilgi
verilecektir.
Tablo 1.1 Binalarda kullanılan yapı elemanları[1]
YAPI ELEMANLARI
Taşıyıcı Elemanlar
Tamamlayıcı Elemanlar
Tesisatlar
Temeller
Kapı ve Pencere Doğramaları
Su Tesisatları
Duvarlar
Döşeme, Duvar ve Çatı Kaplamaları
Elektrik Tesisatları
Kolonlar
Merdiven, Balkon ve Teras Korkulukları
Isıtma Kalorifer Tesisatları
Çatılar
Su, Nem, Ses ve Isı Yalıtımları
Klima Tesisatı
Kirişler
Boya ve Badanalar
Havalandırma Tesisatı
Merdivenler
Kanalizasyon Tesisatı
Döşemeler
Asansör Tesisatı
1
Günümüzde enerji kaynaklarının tükenmekte olması, bu kaynakların rasyonel bir biçimde
kullanılmasını zorunlu kılmıştır. Her ne kadar enerji elde etmek için, yeni petrol kuyuları ve
maden ocakları arama ve açma çalışmaları devam etse de, hidroelektrik enerji, güneş
enerjisi, nükleer enerji ve rüzgâr enerjisi gibi alternatif enerji arama çalışmaları yapılsa da,
bu çalışmalar ve yatırımlar ekonomik olmamaktadır. Ayrıca bu enerjilerin kullanılması ve
üretilmesi sırasında oluşan hava kirliği de gün geçtikçe çevre ve insan sağlığını bozacak bir
tehdit unsuru olarak karşımıza çıkmaktadır.
Bu kapsamda var olan enerjilerin boşa harcanmaması büyük önem taşımaktadır.
Ülkemizde yeni inşa edilen ve mevcut yapılarda yalıtım konusunda son yıllarda artış
gözlenmekle birlikte enerji tasarrufu açısından yeterli düzeye gelinmediği görülmektedir.
Özellikle ısı yalıtımı, enerji kullanımı ve tasarrufunda çok önemli rol oynamaktadır.
Binalarda ısı yalıtım önlemleriyle, bina durumuna bağlı olarak %20-70 ısı tasarrufu
sağlanabilmektedir. Binalarda yalıtım yapmakla, tesisat ilk yatırım giderlerinde de azaltma
yapılmaktadır. Kazan kapasiteleri düşmekte, odalara yerleştirilecek radyatör miktarı
azalmakta ve boru çapları düşmektedir. Yalıtıma yapılan yatırım bu nedenle kısa zamanda
kendini amorti etmektedir. İleri yönelik olarak ta ilave tasarruf ve ilave kazanç
sağlamaktadır. Yakıta ödenen paranın büyük bir kısmı da, ithalat yoluyla yurt dışına gittiği
düşünülürse, yalıtım yoluyla yakıt tasarrufu, döviz tasarrufu anlamına da gelmektedir [2].
Yapıların ısı yalıtım projeleri TS 825 ‘Binalarda Isı Yalıtım Kuralları’ standardına uygun
olarak hazırlanmaktadır. TS 825 tamamen yapı fiziği kurallarına dikkat edilerek hazırlanmış
bir standarttır. Yapılarda kullanılacak ısı yalıtım malzemelerinin yapı fiziksel özelliklerini
sınırlayan, yapının bulunduğu çevreyle olan etkileşimini tarif eden ve yapının ihtiyaç
duyacağı ısınma enerjisini hesaplamaya yönelik bir hesap metodu içeren bu yönetmelik aynı
zamanda kullanılacak yalıtım malzemesinin belirlenmesine de olanak vermektedir. Bu hesap
metodu elle yapılabileceği gibi, bilgisayar programıyla da yapılabilir [3].
2
1.2 Isı Yalıtımı
Genel olarak ısı yalıtımı yapının elemanlarına ait ısı geçirgenlik katsayılarının düşük ya
da ısı dayanımlarının yetersiz olması durumunda uygulanır. Isıda yalıtım yalnızca soğuğun
dışarıdan yapıya girmesini önlemek yönünde değil sıcaklığın yapıdan kaçmasına da engel
olmak için de düşünülmelidir. Bunun için:
Yapıların duvar çatı döşeme pencere v.b. elemanları ısı geçirgenliği yüksek malzemelerle
yapılmalı.
Söz konusu elemanlar ısı yalıtım gereçleriyle kaplanmalı.
Ayırıcı yapı elemanlarının içerisinde sabit boşluk ve durgun hava boşlukları kabarcıkları
oluşturulmalı.
Bu önlemlerin biri ya da birçoğu ayni anda yapıya uygulanmalıdır. [4]
Bir yapının yaşam için uygun olmasındaki en önemli unsurlardan biri uygun ısıda
bulunmasıdır. Yapılarda en uygun ortam ısısı çeşitli cihazlarla sağlanır. Kış koşulları için
soba, kalorifer, şömine vb ısıtma cihazları devredeyken, yazın bu durum tam tersine
serinletme cihazlarının devreye girmesi şeklinde değişir. Her türlü dış koşulda yaşama uygun
ortam ısısını sağlamak için önemli miktarda enerjiye gereksinim duyarız. Bu enerjiyi en az
miktarda tüketmek için dış koşulların ısıtılan veya soğutulan ortamı etkilememesini
sağlamak gerekmektedir. Ortamın dış ısı koşullarından etkilenmemesini sağlayan
düzenlemeleri ısı yalıtımı olarak adlandırabiliriz. [4]
Bir yapı veya yapı parçasının ısı yalıtımı ısı geçirme direnci yüksek olan kaplama
elemanları ile yapılır. Yapılarda kaya yünü, cam yünü, polistren (extrude-expanded),
poliüretan, perlit ısı yalıtım malzemesi olarak oldukça fazla kullanılır.
Günümüzde yapıların dış cephelerinin değişik kalınlıkta ısı yalıtım levhaları ile
kaplanarak uygulanan dış cephe ısı yalıtımı oldukça sık uygulanmaktadır. Bu levhalar
mekanik tesbit ve yapıştırılarak yüzeye kaplanır. Ardından ince sıva ve boya ile bitirme
tabakası oluşturulur.
Teras, iç duvar, sandviç duvar, sandviç panellerde de bu kaplamalar değişik kalınlık ve
şekillerde uygulanarak ısı yalıtımı yapılır.
Üfleme ile yapılan ısı perdesi, durgun hava ile yapılan ısı yalıtımı(çift cam) vb
konumuzun dışındaki ısı yalıtımı uygulamalarındandır.
3
1.3 Başlıca Isı Yalıtım Gereçleri
En çok kullanılan ısı yalıtım gereçleri:
Cam yünü (İzocam) -Plastik Köpük (poliüretan, polistiren, styrophor)
Perlit -Mantar -Yonga
Sentetik Elyaf -Odun Lifi -Kamış Levhalar
Rende Talaşı -Heraklit-Heraklis -Delikli Tuğla
Boşluklu Beton -Gazbeton -Amyant-Asbest
Boşluklu Briket -Asmolen -Hafif Betonlar
Preslenmiş her türlü malzemeden levhalar
Son sayılan "Hafif Beton" uygulaması son zamanlarda yaygınlaşmakta olup ya hafif
agregalı ve boşluklu malzemeden ya da beton içinde yapay olarak boşluk oluşturmak
suretiyle kullanılmaktadır. Bu boşluk oluşumunda kullanılan bazı malzemeler arasında perlit
kömür cürufu lav cürufu bims v.s. sayılabilir. Ayrıca tuğla-kiremit kırıkları, deniz fosilleri ve
ahşap talaşı katılması da iyi sonuç vermektedir.[4]
Sandviç Paneller
İki dış plaka ve içerisi izolasyon malzemesi ile dolu, sandviç görünümündeki bina yapı
elemanları yıllardır kullanılmaktadır. İç dolgu izolasyon malzemesi olarak cam yünü,
mineral yün, polistren ve poliüretan gibi malzemeler, dış kaplama malzemesi olarak ise
alüminyum, çelik, güçlendirilmiş plastik, güçlendirilmiş beton ve muhtelif ahşap kökenli
malzemeler olmaktadır.[4]
Endüstriyel binalarda iki farklı tip panel kullanılmaktadır. Biri dış yüzeyler için, diğeri ise
tavan ve bölmeler gibi iç hatlar içindir. Her iki tip panel de ısı kontrolünü sağlamakta ve
yangın yükünü büyük ölçüde arttıran izolasyon dolgu maddesi içermektedirler.
Binalar ve Yerleşim[4]
Harici sandviç panellerde genellikle çelik metal levhalar, bazen de 0.6-0.7mm
kalınlığındaki alüminyum kullanılmaktadır. Bu levhalar değişik ölçülerde ama genellikle 1m
genişliğinde üretilmektedir. Uzunluk, nakliye ve dizayna uygun olarak mekanik dayanıklılık
ve tavan taşıyıcılığı ile sınırlıdır ve genellikle 5-20 m arasında olmaktadır.
4
Endüstriyel Tesislerde kullanılan panellerin faaliyet konularının özelliğine göre kolay ve
iyi temizlenebilmesi ile hijyen özellikler aranabilmektedir. Bu nedenle çelik yüzeyler
korozyona karşı sıcak galvaniz daldırmaya tabi tutulmakta ve daha sonra üzeri genellikle
beyaz, isteğe bağlı olarak renkli PVC ile kaplanmaktadır. Alüminyum levhalar da bazen
benzer şekilde PVC ile kaplanmaktadır.
Çelik, alüminyumdan iki-üç kez daha güçlüdür ve ısıdan 585°C’de etkilenir.
Alüminyumun etkilenme ısısı ise 100°C-225°C’dir. Eğer çeliğin ısısı 500°C’ye getirilirse
10m’lik bir kiriş 60mm genişleyecektir. 18m’lik bir sandviç panel benzer durumda 100mm
civarında genişleyecektir. Alüminyumun genişlemesi bu derecede iki kattır ve 660°C’de erir.
Dolgu maddesi genellikle metal yüzeylere temas noktalarında yangını geciktirici bir
yapıştırıcı ile bağlanır. Bazı üretan maddeler metal yüzeyin içine enjekte edildiğinde metale
kendiliğinden yapışır. Gıda endüstrisinde kullanılan dolgu maddeleri aşağıdaki gibidir:
Genişleyebilen Polistren (expanded polystrene - EPS) - Rijit Poliüretan (rigid
polyurethane - PUR)
Rigid Polisiyanureyt (rigid polyisocyanurate - PIR)
Mineral Elyaf (mineral fibre - MWR)
Genişleyebilen Polistren (expanded polystrene - EPS)[4]
Polistren damlalarına pentan doyurarak ve buharla ısıtılarak elde edilmektedir. Bu
malzeme termoplastik ve yüksek ısıda akışkan termoplastiktir ve yanıcıdır. Isıtma oranına
bağlı olarak malzeme kümelenir ve metal yüzeylere bağlanır. Polistren’in yumuşamaması ve
erimemesi için küçük ısı kaynaklarından uzak olmalıdır. Erimiş polistren damlaları alev
alabilir ve yangının binanın diğer bölümlerine yayılmasına neden olur. Polistren 490°C’de
tutuşur ve yangına dayanıklı malzeme olarak kullanılamaz. Polistren dolgulu sandviç
paneller en ucuz çözümdür.
Rijit Poliüretan (rigid polyurethane - PUR) ve Rijit Polisiyanureyt (rigid
polyisocyanurate - PIR)[4]
PUR ve PIR sık sık üretana benzetilmekle birlikte farklı ürünlerdir. Bir ısı kaynağı ile
temasta bulunduğu zaman genellikle yumuşamaya değil, sınırlı kavrulmaya uğrar. Bu
kavrulma esnasında yeterli alevalabilir buhar çıkarsa yüzeyde alevler oluşur, ancak bir
miktar kavrulma meydana gelir ve ısı kaynağı durdurulursa malzeme izolasyon özelliğini
kaybetmektedir. Normalde düşük alevli ısı kaynağı ile parlama olmayabilir ve yangına
5
dayanıklı davranış gösterir. Büyük ölçekli yangınlarda ise tutuşabilir ve yangının hızlı bir
şekilde yayılmasına neden olur. PUR 416°C’de tutuşur ve yanma esnasında yoğun bir
şekilde duman, toksit gazlar, hidrojen siyanid ve karbon monoksit verir. PUR dolgulu
sandviç paneller, polistren dolgululara göre daha pahalıdır.
PIR poliüretanın değişmiş şeklidir. Büyük ateş kaynağına dayanıklılığı daha iyidir, ancak
büyük ölçekli yangınlarda toksit analizleri PUR’a benzer. Özel ürünlerin karışımının üretim
aşamasındaki kontrol kalitesi ile değişik yangın performansları elde edilmektedir. PIR
dolgulu sandviç panellerde polistren dolgulu panellerden daha pahalıdır.
Mineral Elyaf[11]
Mineral elyaf nispeten hareketsiz maddedir ve cam elyafı, taş elyafı ya da taş yünüdür.
Mineral dolgulu sandviç paneller yanıcı değildir ve köpük dolgulu panellerden 2-3 kat daha
pahalıdır.
Yukarıda açıklanan malzemeleri tanırken ve seçerken büyük ölçekli bir yangın
durumunda ısının 4 dakika içerisinde 900°C’ye ulaşacağı ve malzemelerin bu ısıya
dayanıklılığı iyice düşünülmelidir.
Tablo 1.2 Poliüretan Köpüğün özellikleri[4]
POLİÜRETAN KÖPÜK
Şiddetli Yanıcıdır. (DIN 44102, B sınıfı)Yanma sırasında zehirli ve boğucu gaz çıkarır.
Hammaddesi ithaldir.
Isı iletkenlik değeri 0.030 kcal/mh°C’dir. (DIN 4108) (TSE 825)
Organik Malzemedir.
Kırılgandır.
Zamana bağlı olarak boyut değiştirir.
Güneş ışınlarından etkilenir.
Sıcağa karşı hassastır. (Max. sıcaklık 110°C’dir.)
Kapalı gözenekli olduğundan iyi bir ses izolasyonu sağlamaz.
Haşarat ve mikroorganizmalar tarafından tahrip edilir.
Kimyasal çözücüler ve baca gazlarından etkilenerek bozulur.
Depolanmasında yangın riski dikkate alınmalıdır. (TS 2193 ile)
6
Tablo 1.3 Polistren Köpüğün özellikleri[4]
POLİSTREN KÖPÜK
Yanıcıdır. (DIN 4102, B sınıfı) Yanma sırasında zehirli ve boğucu gaz çıkarır.
Hammaddesi ithaldir.
Isı iletkenlik değeri 0.034 kcal/mh°C’dir.
Organik malzemedir.
Kırılgandır.
Zamana bağlı olarak boyut değiştirir.
Güneş ışınlarından etkilenir.
Sıcağa karşı hassastır. (Max. sıcaklık 70-80°C’dir.)
Kapalı gözenekli olduğundan iyi bir ses izolasyonu sağlamaz.
Haşarat ve mikroorganizmalar tarafından tahrip edilir.
Kimyasal çözücüler ve baca gazlarından etkilenerek bozulur.
Depolanmasında yangın riski dikkate alınmalıdır. (TS2193 ile)
Tablo 1.4 Taş Yününün özellikleri[4]
TAŞ YÜNÜ (Mineral YÜN)
Yanmaz. (DIN 4102. A sınıfı)
Hammaddesi tamamen yerlidir.
Isı iletkenlik değeri 0.034 kcal/mh°C’dir. (DIN 4108) (TSE 825)
İnorganik malzemedir.
Elastiktir.
Zamana bağlı olarak boyut değiştirmez.
Güneş ışınlarından etkilenmez.
750 - 1000°C’ye kadar dayanır.
Elyaflı yapısından dolayı çok iyi bir ses izolasyonu sağlar.
İnorganik olduğundan canlılar tarafından tahrip edilmez.
Flüor asidi hariç, kimyasal maddelerden ve gazlardan etkilenmez.
Depolanması özel bir önlem gerektirmez.
7
Tablo 1.5 Camyünün özellikleri[4]
CAMYÜNÜ
Yanmaz. (DIN 4102, A sınıfı)
Hammaddesi tamamen yerlidir.
Isı iletkenlik değeri 0.034 kcal/mh°C’dir. (DIN 4108) (TSE 825)
İnorganik malzemedir.
Bünyesinde buhar birikmesi olmaz.
Zamana bağlı olarak boyut değiştirmez.
Güneş ışınlarından etkilenmez.
250 - 550°C’ye kadar dayanır.
Elyaflı yapısından dolayı çok iyi bir ses izolasyonu sağlar.
İnorganik olduğundan canlılar tarafından tahrip edilmez.
Flüor asidi hariç, kimyasal maddelerden ve gazlardan etkilenmez.
Depolanması özel bir önlem gerektirmez.
8
BÖLÜM İKİ
ÖZGÜL ISININ BELİRLENMESİ
2.1 Özgül Isı
Günümüzde yalıtım malzemesi olarak birçok madde kullanılmaktadır. Bu malzemelerin
kendilerine has özgül ısı, ısı iletim katsayısı ve su buharı difüzyon direnç katsayısı gibi
değerleri vardır. Bu değerlere bakılarak herhangi bir malzemenin veya birkaç yalıtım
malzemesinden oluşmuş kompozit bir malzemenin ne tür şartlara uygun olabileceği
hakkında bize bilgi verirler.
Bu bölümde özgül ısının ve su buharı difüzyon direnç katsayısının tanımları ve nasıl
hesaplanabilecekleri hakkında bilgi verilecek. Ayrıca ısı yalıtım malzemelerinin ve
Yıldızpen firmasının yaptığı yangın yalıtım panelinin özgül ısısı hesaplanacaktır.
Bu bölümde özgül ısının tanımı yapılacak ve nasıl hesaplanabilecekleri hakkında bilgi
verilecektir.
Özgül ısı bir maddenin birim kütlesinin sıcaklığını 1 derece arttırmak için gerekli olan ısı
miktarıdır. Örneğin suyun özgül ısısı 4.184 J/g.0C’dir. Aşağıdaki tabloda bazı maddelerin
özgül ısıları verilmiştir.
Tablo 2.1 Bazı maddelerin özgül ısıları[5]
Madde
Hava
Alüminyum
Karbon Dioksit
Demir
Nikel
Su
C 1040
Özgül Isı (J/g.0C)
1.05
0.899
0.841
0.448
0.444
4.184
0.486
9
Eğer bir maddenin özgül ısısı ve kütlesi biliniyorsa maddenin sıcaklığında meydana
gelecek değişimlerden maddenin ısı aldığını veya verdiğini söyleyebiliriz. Son sıcaklık ilk
sıcaklıktan fazla ise madde ısı almıştır, tam tersi bir durum söz konusuysa madde etrafa ısı
vermiştir. Bu eşitlik şu denklemle gösterilebilir.
(ısı yükü) = (kütle)*(özgül ısı)*(sıcaklıktaki değişim)
Q = m*c*(T son-Tilk)
Bir maddenin özgül ısısını hesaplamak için kalorimetre kullanılır. Değişik tipte
kalorimetreler vardır. Sıvıların özgül ısısını hesaplamak için ayrı katıların veya gazların
özgül ısısını hesaplamak için ayrı kalorimetreler kullanılır.
Kalorimetre standartları TSE’de verilmiştir. TS 4048’e göre genel olarak kalorimetrenin
kabının yalıtkan bir malzemeden yapılmış olması gerekir. Veya pirinç malzemeden arasında
hava boşluğu kalacak şekilde iki silindirik kaptan imal edilmelidir. Kalorimetre kabının
üstüne gene yalıtkan bir örtü veya kapak konulmalıdır. Kalorimetre sıvısı sıcaklığının
yükselme miktarını ölçebilmek için sınırları arasında en az 50C lik sıcaklık farkı bulunan ve
en fazla 0.010C lik bölümlere ayrılmış bir termometre kullanılmalıdır. Malzememizi ısıtmak
için derece ayarlı bir fırın kullanılabilir. Isıtıcı boyunca en fazla 10C lik değişime izin
verilebilir. Kapta kullanılan suyun damıtık su olması gerekir. Suyun karıştırılması sırasında
önemli miktarda ısı ortaya çıkar. Hesaplarda tam doğruluk sağlanabilmesi için bu ısının
olabildiğince düşük ve sabit olması istenir.
2.2 Deney aletleri ve numuneleri
Deneyin yapılacağı kalorimetre kabı Wright Brothers Company’ye ait Bomb
Calorimeter’dır. Deneylere başlanılmadan önce kalorimetre kabının doğru ölçüm yapıp
yapmadığı ve doğru ölçüm yapıyorsa ne kadar bir sapma ile bu ölçüm yaptığı bulunmalıdır.
Bundan dolayı özgül ısısı ve kütlesi bilinen numunelerle deney yapılması gerekir. Elimizdeki
numunelerden biri transmisyon çeliği diğeri ise C 1040 çeliğidir.
Sıcaklığı ölçebilmek bilmek için Hewlett Packard ısıl çift okuyucu kullanılmıştır.
Kalorimetre kabının içindeki sıcaklığı ölçebilmek için ısıl çift kullanıldı. Isıl çiftler sıcaklığı
1/10 derece hassasiyet ile ölçmektedir. Bu ısıl çiftler her deney için suyun farklı
derinliklerine bırakılır ve ölçümler alınır. Bir ısıl çift ise kalorimetre kabının yalıtım
kısmındaki hava içerisine bırakılır. Böylece havaya olan ısı kaybı ölçülebilir.
10
Parçaları ısıtmak için dereceli fırın kullanılır. Parçanın denge sıcaklığına gelebilmesi için
yaklaşık olarak 1-1:30 saat beklenilir. Dengeye gelen parçanın son sıcaklığını ölçebilmek
içinse ısıl çift kullanılır. Isıl çiftler parçanın ortasına açılan bir delikten içeri salınır ve orada
sabitlenir.
Şekil 2.1 Deneyde kullanılan malzemeler
Şekil 2.2 Deneyde kullanılan ısıl çiftlerin sıcaklığını ölçen makine
11
Şekil 2.3 Deneyde kullanılan kalorimetre kabı
12
Şekil 2.4 Deneyde kullanılan kalorimetre kabının tam görüntüsü
Şekil 2.5 Deneyde kullanılan kalorimetre kabının iç görüntüsü
13
2.3 Yapılan Deneyler ve Sonuçları
2.3.1 Deney 1
Deneyde 4 adet ısıl çift kullanılmıştır. Biri kalorimetrenin hava yalıtım kısmına diğer üçü
ise suyun değişik derinliklerine konulmuştur. Bunun amacı suyun tam olarak ne kadar
ısındığını öğrenmektir.
Bu deneyde 1 nolu ısıl çift suyun alt bölümünde, 2 nolu ısıl çift hava yalıtımının içinde, 3
nolu ısıl çift suyun üst bölümünde, 4 nolu ısıl çift suyun orta bölümüne yerleştirilmiştir.
Tablo 2.2 Deney 1’de kullanılan malzemelerin özellikleri
2.7
msu(kg)=
0
24.7
T0( C)=
0
70
Tparca( C)=
4184
csu(j/kg)=
500
cparça(j/kg)=
0.1893
mparça(kg)=
Deneyde kullanılan parça transmisyon çeliğidir.
Tablo 2.3 Deney 1’in sonuçları
Dakika/Isıl çift
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
23.5
23.9
24.1
24.1
24.2
24.2
24.2
24.2
24.2
24.2
24.15
24.15
24.1
24.2
24.1
24.2
24.2
2
24.7
25.2
24.9
24.9
24.8
24.9
24.8
24.9
24.8
24.8
24.7
24.8
24.7
24.9
24.8
24.8
24.8
3
23.8
24.4
24.5
24.4
24.3
24.4
24.3
24.3
24.3
24.3
24.3
24.3
24.2
24.3
24.2
24.3
24.2
4
24
24.2
24.4
24.4
24.4
24.4
24.4
24.4
24.3
24.3
24.3
24.3
24.3
24.3
24.3
24.3
24.2
14
Sıcaklığın Zamana Bağlı Değişimi
25.4
25.2
S ıcaklık (derece)
25
24.8
1 nolu ısıl çift
24.6
2 nolu ısıl çift
24.4
3 nolu ısıl çift
24.2
4 nolu ısıl çift
24
23.8
23.6
23.4
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16
Zaman (dk)
Şekil 2.6 Transmisyon çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi
Parçanın vermiş olduğu ısı Qparça = 4335 Joule’dur.
Suyun almış olduğu ısı Qsu = 4895 Joule’dur
Isı yüklerinin eşitliğinden yani Qparça = Qsu hesaplanırsa parçanın özgül ısı yani Cp değeri
566 J/kg.0C çıkmıştır. Bu değerde başta aldığımız değerden çok fazladır.
Sonuç olarak parçanın özgül ısı değeri en başta alınandan farklı olduğu için başka bir
deney yapılmasına karar verilmiştir.
2.3.2 Deney 2
Bu deney diğer deneyle aynı koşulları içermektedir. Ve 1 nolu deneyden 2 saat sonra
yapılmıştır. Deneyde 4 adet ısıl çift kullanılmıştır. Biri kalorimetrenin hava yalıtım kısmına
diğer üçü ise suyun değişik derinliklerine konulmuştur. Bunun amacı suyun tam olarak ne
kadar ısındığını öğrenmektir.
Bu deneyde 1 nolu ısıl çift suyun alt bölümünde, 2 nolu ısıl çift hava yalıtımının içinde, 3
nolu ısıl çift suyun üst bölümünde, 4 nolu ısıl çift suyun orta bölümüne yerleştirilmiştir.
15
Tablo 2.4 Deney 2’de kullanılan malzemelerin özellikleri
2.7
msu(kg)=
0
24.7
T0( C)=
0
73
Tparca( C)=
4184
csu(j/kg)=
500
cparça(j/kg)=
0.1893
mparça(kg)=
Deneyde kullanılan parça transmisyon çeliğidir.
Tablo 2.5 Deney 2’nin sonuçları
1
Dakika/Isıl çift
24.2
0
24.2
1
24.6
2
24.7
3
24.8
4
24.8
5
24.9
6
24.8
7
24.8
8
24.8
9
24.9
10
24.8
11
24.9
12
24.9
13
24.9
14
24.9
15
24.9
16
2
25.1
25
25
25
24.9
24.9
25
25
24.9
24.9
25
24.9
25
25
25
25
24.9
3
24.4
26
25.6
25.2
25.1
25
25.1
25.1
25
25
25
25
25
25
25
25
24.9
4
24.6
25.4
25.3
25.2
25.2
25.1
25.2
25.1
25.1
25.1
25.1
25
25
25
25
25
25
Parçanın vermiş olduğu ısı Qparça = 6024 Joule’dur.
Suyun almış olduğu ısı Qsu = 4549 Joule’dur
Isı yüklerinin eşitliğinden yani Qparça = Qsu alınırsa parçanın özgül ısı değeri 662 J/kg.0C
çıkar. Elde edilen bu sonuçta başta belirlenen özgül ısı değerinden çok fazla farklılık
göstermiştir.
Sonuç olarak parçanın özgül ısı değeri deney 1’de olduğu gibi çok fazladır. Bundan
dolayı su kütlesinin azaltılmasına ve suyun içinde bulunan karıştırıcı gibi fazlalıkların
çıkartılmasına karar verilmiştir.
16
Sıcaklığın Zamana Bağlı Değişimi
26.2
26
25.8
S ıcaklık (derece)
25.6
25.4
1 nolu ısıl çift
25.2
2 nolu ısıl çift
25
3 nolu ısıl çift
24.8
4 nolu ısıl çift
24.6
24.4
24.2
24
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16
Zaman (dk)
Şekil 2.7 Transmisyon çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi
2.3.3 Deney 3
Bu deney diğer 2 deneyden farklı koşullarda yapılmıştır. Su miktarı azaltılmıştır ve ısıl
çiftlerin yerleri değiştirilmiştir. Bunun sebebi ısıl çiftlerin hassasiyetin düşük olması ve su
miktarı fazla olduğu için sistemin dengeye gelmesi uzun zaman almaktadır. Ayrıca suyun
dışarıdan aldığı veya verdiği ısıyı daha düşük miktarda tutmaktır.
Bu deneyde de 4 adet ısıl çift kullanılmıştır. 1 nolu ısıl çift suyun alt bölümünde, 2 nolu
ısıl çift suyun üst bölümünde, 3 nolu ısıl çift deney ortamındaki havanın içinde, 4 nolu ısıl
çift parçanın orta noktasına yerleştirilmiştir.
Tablo 2.6 Deney 3’te kullanılan malzemelerin özellikleri
0.75
msu(kg)=
0
25
T0( C)=
0
79.5
Tparca( C)=
4184
csu(j/kg)=
500
cparça(j/kg)=
0.188
mparça(kg)=
Deneyde kullanılan parça transmisyon çeliğidir.
17
Tablo 2.7 Deney 3’ün sonuçları
Dakika/Isıl çift
1
26.1
0
27.9
1
28.1
2
28.3
3
28.3
4
28.2
5
28.1
6
28
7
27.9
8
27.8
9
27.6
10
27.5
11
27.4
12
27.4
13
2
26
28.2
28.3
28.3
28.3
28.2
28.2
28.1
28
27.9
27.9
27.9
27.8
27.8
3
26
26.3
26.5
26.6
26.7
26.7
26.8
26.9
26.9
27
27
27.1
27.1
27.2
4
79.5
30.2
28.6
28.3
28.2
28.1
28
28
28
27.9
27.9
27.8
27.7
27.7
Sıcaklığın Zamana Bağlı Değişimi
90
80
S ıcaklık (derece)
70
60
1 nolu ısıl çift
50
2 nolu ısıl çift
40
3 nolu ısıl çift
4 nolu ısıl çift
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Zaman (dk)
Şekil 2.8 Transmisyon çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi
Parçanın vermiş olduğu ısı Qparça = 4869 Joule’dur.
Suyun almış olduğu ısı Qsu = 4864 Joule’dur
18
Isı yüklerinin eşitliğinden yani Qparça = Qsu alınırsa parçanın özgül ısı değeri 499 J/kg.0C
çıkar. Bu değer dış ortam havasının sıcaklığı da göz önünde bulundurulursa çok iyi bir
değerdir. Ancak sonuçtan tam emin olmak için farklı parça sıcaklığında deney yapmak
gereklidir.
2.3.4 Deney 4
Bu deney diğer 3 nolu deneyle aynı koşulları içermektedir. Ve 3 nolu deneyden 1- 1:30
saat sonra yapılmıştır. Sadece parçanın sıcaklığı arttırılmıştır.
Bu deneyde de 4 adet ısıl çift kullanılmıştır. 1 nolu ısıl çift suyun alt bölümünde, 2 nolu
ısıl çift suyun üst bölümünde, 3 nolu ısıl çift deney ortamındaki havanın içinde, 4 nolu ısıl
çift parçanın orta noktasına yerleştirilmiştir.
Tablo 2.8 Deney 4’te kullanılan malzemelerin özellikleri
0.75
msu(kg)=
0
25
T0( C)=
0
81.7
Tparca( C)=
4184
csu(j/kg)=
500
cparça(j/kg)=
0.188
mparça(kg)=
Deneyde kullanılan parça transmisyon çeliğidir.
Tablo 2.9 Deney 4’ün sonuçları
Dakika/Couple
1
26.5
0
27
1
27.1
2
27.1
3
27.2
4
27.2
5
27.2
6
27.3
7
27.3
8
27.4
9
27.5
10
27.6
11
27.6
12
27.8
13
27.8
14
2
26.7
27.2
27.3
27.4
27.6
27.6
27.7
27.8
28
28
28.1
28.3
28.4
28.5
28.5
3
26.2
26.3
26.6
26.9
27.1
27.2
27.3
27.5
27.7
27.8
28
28.2
28.5
28.7
28.8
4
81.7
40.2
31.8
30.2
30.1
30
29.8
29.5
29
28.8
28.8
28.7
28.7
28.7
28.7
19
Sıcaklığın Zamana Bağlı Değişimi
90
80
S ıcaklık (derece)
70
60
1 nolu ısıl çift
50
2 nolu ısıl çift
40
3 nolu ısıl çift
4 nolu ısıl çift
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Zaman (dk)
Şekil 2.9 Transmisyon çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi
Parçanın vermiş olduğu ısı Qparça = 4982 Joule’dur.
Suyun almış olduğu ısı Qsu = 4864 Joule’dur
Isı yüklerinin eşitliğinden yani Qparça = Qsu alınırsa parçanın özgül ısı değeri 488 J/kg.0C
çıkar. Bu durumda ısıl çiftlerin hassasiyetinin düşük olduğu sonucuna varılabilir. Çünkü
çevre sıcaklığı aynıdır. Verilen ısıda çok fazla değişiklik olmadığı için bu sonucun çıkması
doğaldır. Çevre sıcaklığı farklı olan bir ortamda deneyin tekrarlanarak verilen ısı ile alınan
ısı arasındaki farkın yeniden gözden geçirilmesi gerekmektedir.
2.3.5 Deney 5
Bu deneyde ortam havasının sıcaklığı daha fazladır ve suyun dış ortamla ne ölçüde bir ısı
alışverişine girdiğine bakılacaktır.
Bu deneyde de 4 adet ısıl çift kullanılmıştır. 1 nolu ısıl çift suyun alt bölümünde, 2 nolu
ısıl çift suyun üst bölümünde, 3 nolu ısıl çift deney ortamındaki havanın içinde, 4 nolu ısıl
çift parçanın orta noktasına yerleştirilmiştir.
20
Tablo 2.10 Deney 5’te kullanılan malzemelerin özellikleri
0.75
msu(kg)=
0
27.5
T0( C)=
0
71.3
Tparca( C)=
4184
csu(j/kg)=
500
cparça(j/kg)=
0.188
mparça(kg)=
Deneyde kullanılan parça transmisyon çeliğidir.
Tablo 2.11 Deney 5’in sonuçları
1
Dakika/Couple
24.3
0
24.3
1
24.6
2
24.8
3
24.9
4
25.1
5
24.9
6
25
7
25
8
25.1
9
25.7
10
25.6
11
25.6
12
25.8
13
2
24.5
25.2
26.1
26.2
26.3
26.4
26.3
26.3
26.2
26.2
26.1
26.2
26.2
26
3
27.2
28.3
28.3
28.2
28.1
28
27.9
27.8
27.7
27.6
27.6
27.5
27.4
27.3
4
71.3
30.4
27.4
26.8
26.6
26.5
26.5
26.5
26.4
26.4
26.4
26.3
26.2
26.2
Parçanın vermiş olduğu ısı Qparça = 4240 Joule’dur.
Suyun almış olduğu ısı Qsu = 4707 Joule’dur
Isı yüklerinin eşitliğinden yani Qparça = Qsu hesaplanırsa parçanın özgül ısı değeri 555
J/kg.0C. Bu değer parçanın özgül ısı değerinden çok farklıdır. Bu durumda suyun çevre ile
olan ısı alışverişi çok fazladır. Bu yüzden parçayı daha fazla ısıtarak suyu ortam sıcaklığına
yakın bir değere getirmek gerekir. Böylece su ile çevre arasında olan ısı alışverişi düşük
seviyede kalacaktır.
21
Sıcaklığın Zamana Bağlı Değişimi
80
70
S ıcaklık (derece)
60
50
1 nolu ısıl çift
2 nolu ısıl çift
40
3 nolu ısıl çift
4 nolu ısıl çift
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Zaman (dk)
Şekil 2.10 Transmisyon çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi
2.3.6 Deney 6
Bu deneyde ortam havasının sıcaklığı deney 5 ile aynıdır ve suyun dış ortamdan ısı alıp
almadığına bakılacaktır. Ayrıca parça daha fazla ısıtılacaktır.
Bu deneyde de 4 adet ısıl çift kullanılmıştır. 1 nolu ısıl çift suyun alt bölümünde, 2 nolu
ısıl çift suyun üst bölümünde, 3 nolu ısıl çift deney ortamındaki havanın içinde, 4 nolu ısıl
çift parçanın orta noktasına yerleştirilmiştir.
Tablo 2.12 Deney 6’da kullanılan malzemelerin özellikleri
0.75
msu(kg)=
0
27.5
T0( C)=
0
98.3
Tparca( C)=
4184
csu(j/kg)=
500
cparça(j/kg)=
0.188
mparça(kg)=
Deneyde kullanılan parça transmisyon çeliğidir.
22
Tablo 2.13 Deney 6’nın sonuçları
Dakika/Couple
1
25.3
0
26.7
1
27
2
27.1
3
27.2
4
27.2
5
27.3
6
27.3
7
27.5
8
27.5
9
27.4
10
27.3
11
27.3
12
27.4
13
2
25.4
28.7
29
29
29.1
29
28.7
28.4
28.3
28.1
28.1
28
28
27.9
3
27.1
28.7
29
29
29
28.9
28.9
28.8
28.8
28.6
28.6
28.5
28.4
28.3
4
98.3
32.7
30
29.4
29.2
28.9
28.8
28.8
28.6
28.4
28.4
28.3
28.3
28.2
Sıcaklığın Zamana Bağlı Değişimi
100
90
Sıcaklık (derece)
80
70
1 nolu ısıl çift
60
2 nolu ısıl çift
50
3 nolu ısıl çift
40
4 nolu ısıl çift
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Zaman (dk)
Şekil 2.11 Transmisyon çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi
Parçanın vermiş olduğu ısı Qparça = 6590 Joule’dur.
Suyun almış olduğu ısı Qsu = 7217 Joule’dur
23
Isı yüklerinin eşitliğinden yani Qparça = Qsu hesaplanırsa parçanın özgül ısı değeri 547
J/kg.0C çıkar. Bu deneyde suyun son sıcaklığı çevreye yaklaşık olarak eşit olsa da ilk başta
çevreden aldığı sıcaklık nedeniyle suyun aldığı ısı daha fazla gözükmektedir. Bu yüzden
farklı bir malzeme ile su ile çevre sıcaklığının eşit olduğu başka bir deney yapılacaktır.
2.3.7 Deney 7
Bu deneyde ortam havasının sıcaklığı ile suyun sıcaklığı yaklaşık olarak aynıdır. Ayrıca
parça olarak C 1040 çeliği kullanılmıştır.
Bu deneyde de 4 adet ısıl çift kullanılmıştır ve yerleri deney 6 ile aynıdır.
Tablo 2.14 Deney 7’de kullanılan malzemelerin özellikleri
0.95
msu(kg)=
0
27.5
T0( C)=
0
94.5
Tparca( C)=
4184
csu(j/kg)=
486
cparça(j/kg)=
0.516
mparça(kg)=
Deneyde kullanılan parça C 1040 çeliğidir.
Tablo 2.15 Deney 7’nin sonuçları
Dakika/Couple
1
27
0
27.7
1
28.1
2
31.7
3
28.6
4
28.9
5
29
6
29.1
7
29.3
8
29.3
9
29.5
10
30.9
11
31
12
30.8
13
30.7
14
30.6
15
2
27.2
34
33
34.3
33.2
33.1
32.9
32.8
32.7
32.6
32.5
31.9
31.8
31.8
31.7
31.6
3
26.4
29.6
30.2
30.4
29.4
29.9
30
30.1
30.4
30.4
30.5
30.4
30.2
30.1
30.2
30.1
4
94.5
38.7
33.1
32.6
32.3
32.2
32.1
32
31.9
31.8
31.8
31.5
31.6
31.6
31.5
31.5
24
Sıcaklığın Zamana Bağlı Değişimi
100
90
S ıcaklık (derece)
80
70
1 nolu ısıl çift
60
2 nolu ısıl çift
50
3 nolu ısıl çift
40
4 nolu ısıl çift
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
Zaman (dk)
Şekil 2.12 C 1040 çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi
Parçanın vermiş olduğu ısı Qparça = 15800 Joule’dur.
Suyun almış olduğu ısı Qsu = 15900 Joule’dur
Isı yüklerinin eşitliğinden yani Qparça = Qsu hesaplanırsa parçanın özgül ısısı 489 J/kg.0C
çıkar. Su çevreden ısı almakla birlikte çevreden alınan ısı parçanın suya verdiği ısı karşısında
önemsenmeyecek kadar küçük olduğu için ihmal edilebilir. Bundan dolayı özgül ısısını
ölçeceğimiz parçanın suya vereceği ısı yüksek olmalıdır. Kesin bir sonuca varabilmek için
aynı malzeme ile bir deney daha yapılacaktır.
2.3.8 Deney 8
Bu deneyde ortam sıcaklığı suyun sıcaklığından 1.3oC fazladır. Deney malzemesi olarak
C 1040 çeliği kullanılmıştır.
Bu deneyde de 4 adet ısıl çift kullanılmıştır. 1 nolu ısıl çift suyun alt bölümünde, 2 nolu
ısıl çift suyun üst bölümünde, 3 nolu ısıl çift deney ortamındaki havanın içinde, 4 nolu ısıl
çift parçanın orta noktasına yerleştirilmiştir.
25
Tablo 2.16 Deney 8’de kullanılan malzemelerin özellikleri
0.925
msu(kg)=
0
25.2
T0( C)=
0
94.2
Tparca( C)=
4184
csu(j/kg)=
486
cparça(j/kg)=
0.516
mparça(kg)=
Deneyde kullanılan parça C 1040 çeliğidir.
Tablo 2.17 Deney 8’in sonuçları
Dakika/Couple
1
23.8
0
24.9
1
26.2
2
26.8
3
27.3
4
27.5
5
27.7
6
27.9
7
28
8
28.1
9
28
10
2
24
29.2
29.9
29.9
29.4
29.5
29
28.9
28.6
28.5
28.4
3
24.3
26.3
26.9
27.1
27
27.1
27
27.1
27.3
27.2
27.2
4
94.2
43.5
32
29.2
28.6
28.5
28.5
28.5
28.4
28.4
28.4
Sıcaklığın Zamana Bağlı Değişimi
100
90
Sıcaklık (derece)
80
70
1 nolu ısıl çift
60
2 nolu ısıl çift
50
3 nolu ısıl çift
40
4 nolu ısıl çift
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Zaman (dk)
Şekil 2.13 C 1040 çeliği ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi
26
Parçanın vermiş olduğu ısı Qparça = 16501 Joule’dur.
Suyun almış olduğu ısı Qsu = 16641 Joule’dur
Isı yüklerinin eşitliğinden yani Qparça = Qsu hesaplanırsa parçanın özgül ısısı 490 J/kg.0C
çıkar. Bu deneyin sonucunda yüksek ısı yüklerinin alışverişi olan deneylerde küçük
farklılıklar önemsenmeyecek kadar küçüktür. Ve özgül ısısı yüksek bir madde ile deneyin
yapılması gereklidir.
2.3.9 Deney 9
Bu deney de YILDIZPEN firmasının ürettiği yangın yalıtım panelinin özgül ısısı
ölçülecektir. Deney düzeneği önceki deneylerle aynıdır. Toplam olarak 4 adet deney
yapılacaktır. Bu deneylerden elde edilen sonuçların ortalaması alınarak malzemenin ortalama
olarak özgül ısı değeri hesaplanır.
Bu deneyde 4 adet ısıl çift kullanılmıştır. 1 nolu ısıl çift suyun alt bölümünde, 2 nolu ısıl
çift suyun üst bölümünde, 3 nolu ısıl çift deney ortamındaki havanın içinde, 4 nolu ısıl çift
parçanın orta noktasına yerleştirilmiştir.
Tablo 2.18 Deney 9’da kullanılan malzemelerin özellikleri
0.4
msu(kg)=
0
25.2
T0( C)=
0
51.5
Tparca( C)=
4184
csu(j/kg)=
Tablo 2.19 Deney 9’un sonuçları
Dakika/Couple
1
22.5
0
23.1
1
23.1
2
23.3
3
23.3
4
23.4
5
23.5
6
23.5
7
2
22.6
23.1
23.2
24.2
23.7
23.6
23.7
23.6
3
22.6
23.5
23.5
23.6
23.6
23.6
23.6
23.6
4
51.5
29.5
28.4
27.1
26.6
26.2
25.6
25
27
Sıcaklığın Zamana Bağlı Değişimi
60
S ıcaklık (derece)
50
40
1 nolu ısıl çift
2 nolu ısıl çift
30
3 nolu ısıl çift
4 nolu ısıl çift
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Zaman (dk)
Şekil 2.14 Yangın paneli ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi
Suyun almış olduğu ısı Qsu = 1673 Joule’dur
Isı yüklerinin eşitliğinden yani Qparça = Qsu hesaplanırsa parçanın özgül ısısı 1578 J/kg.0C
çıkar. Bu deneyin sonucu tam olarak bir sonuç vermese de parçanın özgül ısı değeri
hakkında yaklaşık olarak bilgi sahibi olmamızı sağlar. Tam olarak emin olabilmemiz için
farklı ağırlıktaki numunelerle yeniden deney yapmamız gerekir.
2.3.10 Deney 10
Bu deney düzeneği deney 9’da oluşturulmuş olan düzenek ile aynıdır. Yalnızca parçanın
ağırlığı ve sıcaklığı değiştirilmiştir.
Bu deneyde 4 adet ısıl çift kullanılmıştır. 1 nolu ısıl çift suyun alt bölümünde, 2 nolu ısıl
çift suyun üst bölümünde, 3 nolu ısıl çift deney ortamındaki havanın içinde, 4 nolu ısıl çift
parçanın orta noktasına yerleştirilmiştir.
28
Tablo 2.20 Deney 10’da kullanılan malzemelerin özellikleri
0.4
msu(kg)=
0
25.2
T0( C)=
0
56
Tparca( C)=
4184
csu(j/kg)=
Tablo 2.21 Deney 10’nun sonuçları
Dakika/Couple
1
23.7
0
23.8
1
24.3
2
24.5
3
24.7
4
24.8
5
24.9
6
25
7
2
23.7
24.8
24.6
24.5
24.8
24.9
24.9
25
3
23.4
24.8
24.2
24.1
24.3
24.4
24.6
24.9
4
56
34.2
31
30.5
29.1
28.7
28.1
27.6
Sıcaklığın Zamana Bağlı Değişimi
60
S ıcaklık (derece)
50
40
1 nolu ısıl çift
2 nolu ısıl çift
30
3 nolu ısıl çift
4 nolu ısıl çift
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Zaman (dk)
Şekil 2.15 Yangın paneli ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi
29
Suyun almış olduğu ısı Qsu = 2175 Joule’dur
Isı yüklerinin eşitliğinden yani Qparça = Qsu hesaplanırsa parçanın özgül ısısı 1535 J/kg.0C
çıkar. Bu deneyin sonucu diğer deneyden farklıdır. Bu deneyin sonucu ile deney 9’un
sonuçları arasında fazla fark olmadığı için bu sonuç ortalamaya dahil edilir. Ancak farklı
özellikteki yani farklı sıcaklık ve ağırlığı olan bir numune ile yeni bir deney yapılması daha
uygun olur.
2.3.11 Deney 11
Bu deney düzeneği deney 9’da oluşturulmuş olan düzenek ile aynıdır. Yalnızca parçanın
ağırlığı ve sıcaklığı değiştirilmiştir.
Bu deneyde kullanılan 4 adet ısıl çiftin konumu deney 9 ile aynıdır.
Tablo 2.22 Deney 11’de kullanılan malzemelerin özellikleri
0.4
msu(kg)=
0
25.2
T0( C)=
59.5
Tparca(0C)=
4184
csu(j/kg)=
Tablo 2.23 Deney 11’in sonuçları
Dakika/Couple
1
24.6
0
24.8
1
25.3
2
25.8
3
26
4
26
5
26.1
6
26
7
2
24.2
24.9
25.4
26.1
26.2
26.2
26.3
26.2
3
23.3
23.8
24.2
24.2
24.5
24.8
25
24.8
4
59.5
33.5
33.3
32.8
30.3
29.9
30
29.9
30
Sıcaklığın Zamana Bağlı Değişimi
70
60
Sıcaklık (derece)
50
1 nolu ısıl çift
40
2 nolu ısıl çift
3 nolu ısıl çift
30
4 nolu ısıl çift
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Zaman (dk)
Şekil 2.16 Yangın paneli ve suyun zamana bağlı sıcaklık değişimi
Suyun almış olduğu ısı Qsu = 2845 Joule’dur
Isı yüklerinin eşitliğinden yani Qparça = Qsu hesaplanırsa parçanın özgül ısısı 1578 J/kg.0C
çıkar. Bu deneyin sonucu diğer deney 9 ile aynı olup deney 10’dan farklıdır. Ve bu değerler
malzemenin özgül ısısının bulunması yeterli sayılabilir.
2.4 Sonuç
Yapılan deneylerin sonucunda ilk olarak kalorimetre kabına olan veya kalorimetre
kabından olan ısı transferini bulunur. Gerçekleşen bu ısı transferi önlemek için suyun
azaltılması ve suyun içinde bulunan tüm gereksiz malzemelerin çıkartılması ve kalorimetre
kabının kapağının değiştirilmesi olmak üzere 3 değişikliğe gidilmiştir. Yapılan bu
değişiklikler sonucunda ısı transferinin azaldığı ve daha tutarlı sonuçların elde edildiği
gözlemlenmiştir.
Yapılan deneylerde varılan bir diğer sonuç ise kullanılan ısıl çiftlerin hassasiyetinin çok
yüksek olmamasıdır. Bunun sonucu olarak suyun sıcaklığı tam olarak hesaplanamamakta ve
bunun sonucu olarak suyun aldığı ısı tam olarak hesaplanamamaktadır. Bunu önlemek
kullanılan deney numunesini kütlesi arttırılmış bu sayede yüksek ısı alışverişi sağlanmıştır.
31
Yüksek ısı alışverişinin sonucu olarak düşük hassasiyet önemi yitirmiştir. Kullanılan
numunenin özgül ısısına daha yakın değerler elde edilmiştir.
Bir diğer yerleştirilen ısıl çiftlerin parça sıcaklığını tam olarak ölçememesidir. Bunun için
parçaların merkezine kadar giden delikler açılıp ısıl çiftler bu deliklerin içerisine
yerleştirilmiştir. Böylece parça sıcaklığı tam olarak ölçülebilmekte ve suyun sıcaklığı ile tam
olarak dengeye gelip gelmediği anlaşılmaktadır.
Tüm bu bilgilerin ışığında yangın yalıtım malzemesinin deneyleri başarılı geçmiştir. Bu
deneyler sonucunda üç sonuç bulunmuştur. Bu üç sonucun aritmetik ortalaması alınıp
parçanın ortalama özgül ısı değeri 1563 J/kg.0C olarak belirlenmiştir.
32
BÖLÜM ÜÇ
SU BUHARI DİFÜZYON DİRENÇ
KATSAYISININ BELİRLENMESİ
3.1 Giriş
Ekonomi ve konfor gereği olarak yapı elemanlarında kullanılan ısı yalıtım malzemeleri
bünyelerinde su veya nem bulundurmadıkları müddetçe hesaplama esnasında kabul edilen ön
şart özelliklerini koruyabilirler. Ancak su veya nem, bilindiği gibi oldukça iyi ısı geçirgenliği
olan bir madde olup, yalıtım malzemeleri içindeki kılcal hava kanallarını veya gözeneklerini
doldurduğu takdirde yalıtım malzemesinin ısı transferi katsayısını yükseltmektedir. Ayrıca
su veya nemin ısı yalıtım malzemesi içinde kışın donması veya yazın buharlaşması bu
malzemenin deformasyonuna sebep olmaktadır. [6]
Yapı malzemelerinde kullanım şartlarına göre yazın veya kışın ortaya çıkan yoğuşma ya
da terleme olayı; hava ile temas eden yapı malzemesi yüzey sıcaklığının, havanın çiğ noktası
sıcaklığının altında olması durumunda gerçekleşir. Kışın yapı malzemeleri iç yüzeyinde
görülen (pencere, izolasyonsuz kolon ve kirişlerde) bu olay bazı özel durumlarda yapı
malzemelerinin içinde de meydana gelebilmektedir. [6]
Eğer su buharı, yapı malzemesi yüzeyinde yoğuşmazsa, terleme olmadan yapı malzemesi
içine girer. Yapı malzemesi içine difüz eden su buharının kısmi basıncı iç katmanlarda
herhangi bir noktada o sıcaklıktaki su buharı doyma basıncına eşit olduğu anda yoğuşma
başlar. Malzeme içinde yoğuşan su malzemenin nemini arttırır. Yoğuşan suyun miktarı,
malzemenin absorbe edebileceği doyma neminden fazla ise serbest kalır ve muhtelif
şekillerde malzeme içinde hareket eder.[6]
Bu olayı önlemek için yoğuşma kontrolü yapılmalıdır. Yoğuşma kontrolü sonunda yapı
malzemesinde yoğuşma meydana geliyorsa tabakaları gerek ısı dirençleri gerekse difüzyon
dirençleri yönünden, difüzyon tekniğine uygun olarak sıralamak, buhar kesici veya
33
engeleyici gerekli ise bunların yapı elemanı içindeki yerlerini belirleyip, koymak
gereklidir.[6]
3.2 Sürekli Rejimde Tek Boyutlu Isı İletimi Ve Su Buharı Difüzyonu [6]
Fourier tarafından ortaya atılmış olan sürekli rejimde tek boyutlu ısı akışı için diferansiyel
denklem,
q x = -l
dT
dx
şeklinde tanımlanmıştır.
qx: x yönünde, birim zamanda, birim yüzeyden geçen ısı miktarı olup kısaca ısı akısını
(W/m2)
l: ısı iletim katsayısını (W/m oC)
dT/dx : sıcaklık gradyenini
ifade eder.
Isı iletimine benzer şekilde, Fick tarafından ortaya atılan sürekli rejimde tek boyutlu su
buharı difüzyon diferansiyel denklemi de,
Wx = - m p
dP
dx
şeklinde tanımlanmıştır. Eşitlikteki,
Wx: x yönünde, birim zamanda, birim yüzeyden geçen su buharı miktarı olup kısaca su
buharı akısını (kg/h m2)
μp: yapı malzemesi permeabilitesi veya buhar geçirgenliğini (kg/h m mmSS)
dp/dx : su buharı kısmi basınç gradyenini (mmSS/m)
ifade eder.
Fourier ısı iletim kanununda belirtildiği gibi ısı akısının yönü nasıl yüksek sıcaklıktan
düşük sıcaklığa doğru ise, Fick kanununa göre su buharı akısı yüksek su buharı kısmi
basıncından düşük su buharı kısmi basıncına doğru olmaktadır (Şekil 3.1).
34
Şekil 3.1 Yapı malzemesinde ısı geçişi ve buhar difüzyonu
3.3 Bileşik Düzlem Duvarda Isı İletimi Ve Su Buharı Difüzyonu[6]
Şekil 3.2’de görülmekte olan, üç farklı yapı malzemesinden oluşan bir dış duvarda, iç
taraftaki sıcaklık Ti, su buharı kısmi basıncı pi, dış taraftaki sıcaklık Td, su buharı kısmi
basıncı pd olsun.
Şekil 3.2 Bileşik düzlem duvarda sıcaklık ve su buharı gradyeni
Bileşik düzlem duvarda sürekli rejimde duvarın her noktasında ısı akısı aynı, iç taraftaki
ısı taşınım katsayısı αi, dış taraftaki ısı taşınım katsayısı αd, malzemelerin ısı iletim
katsayıları λ ve kalınlıkları d olduğuna göre,
q = a i (Ti - T1 ) Þ (Ti - T1 ) =
q=
q
ai
l1
(T1 - T2 ) Þ (T1 - T2 ) = lq
d1
1
d1
(3.3.1)
(3.3.2)
yazılabilir. Benzer şekilde her katman için eşitlikler yazılıp taraf tarafa toplanırsa toplam ısı
2
transferi (1 m yüzey için ).
35
qtoplam =
(Ti - Td )
1 d1 d 2 d 3
1
+ +
+ +
a i l1 l2 l3 a d
(3.3.3)
şeklinde yazılabilir. Eşitliğin paydasının tersi toplam ısı transfer katsayısı olup;
U=
1
1 d1 d 2 d 3 1
+ +
+
+
a i l1 l2 l3 a d
(3.3.4)
olarak ifade edilir.
Isı iletimine benzer şekilde, bileşik düzlem duvarda sürekli rejimde duvarın her
noktasında su buharı akısı aynı olduğundan ve iç taraftaki buhar geçirgenlik katsayısı βi, dış
taraftaki buhar geçirgenlik katsayısı βd, yapı malzemelerinin permeabiliteleri (buhar
geçirgenliği) μp ve kalınlıkları d olduğuna göre,
W = b i ( pi - p1 ) Þ ( pi - p1 ) =
W=
W=
W=
W
bi
(3.3.5)
m1
( p1 - p2 ) Þ ( p1 - p2 ) = W
m1
d1
d1
m2
( p 2 - p 3 ) Þ ( p 2 - p3 ) = W
m2
d2
d2
m3
( p3 - p 4 ) Þ ( p3 - p 4 ) = W
m3
d3
d3
W = b d ( p4 - pd ) Þ ( p4 - pd ) =
W
bd
(3.3.6)
(3.3.7)
(3.3.8)
(3.3.9)
yazılabilir. Bu eşitlikler alt alta taraf tarafa toplanırsa toplam su buharı akısı (1m2 yüzey için)
Wtoplam =
( pi - p d )
1 d1 d 2 d 3
1
+ +
+ +
b i l1 l2 l3 b d
(3.3.10)
şeklinde yazılabilir.
36
(3.3.10) eşitliğinde iç ortam su buharı kısmi basıncı pd, dış ortam su buharı kısmi basıncı
pd olup bu değerler bağıl nem yardımıyla hesaplanabilir.
ji =
pi
p
; jd = d
ps ,i
p s ,d
(3.3.11)
(3.3.11) eşitliğindeki ps,i iç ortam sıcaklığındaki doymuş havanın su buharı basıncı, ps,d ise
dış ortam sıcaklığındaki doymuş havanın su buharı basıncıdır ve tablolardan veya
T ö
æ
ps = aç b +
÷
100 ø
è
n
(3.3.12)
eşitliği yardımıyla bulunabilir.
(3.3.10) eşitliğinin paydasındaki değerleri irdeleyecek olursak; permeabilite (buhar
geçirgenliği) μp yerine yapı malzemesi buhar geçirgenlik direnci δ (mmSS.m.h/kg) kullanılır
(δ = 1 / μp). Yapı malzemelerinin buhar geçirgenliği ile ilgili tablolarda genellikle μ, yapı
malzemesinin havaya göre direnç faktörü μ = δ / δH şeklinde tanımlanır. δH havanın difüzyon
direncidir (mmSS.m.h/kg). δ yerine μ x δH yazılabilir. δH değeri 10 oC daki hava için
yaklaşık olarak 1.5 x 105 mmSS m h/kg olarak alınabilir. Ayrıca bu değerin –20 ile +30 0C
da su buharı difüzyon proseslerinde kullanılabileceği belirtilmiştir. Bu yaklaşımlardan sonra
(3.3.10) eşitliği,
Wtoplam =
pi - pd
1
1
+ 1.5 ´ 105 (d1m1 + d 2 m 2 + d 3 m3 ) +
bi
bd
(3.3.13)
şeklinde yazılabilir veya yapı malzemesi özgül buhar direnci Δ kullanılarak
D = dm1.5 ´ 10 5
Wtoplam =
pi - pd
D i + D1 + D 2 + D 3 + D d
şeklinde ifade edilebilir.
37
3.4 Bileşik Duvarda Yoğuşma [6]
Gözenekli bir yapı malzemesinde eğer iç ortam ile dış ortam arasında su buharı kısmi
basınç farkı oluşursa, su buharı, kısmi basıncın yüksek olduğu taraftan alçak olduğu tarafa
doğru yapı elemanı içinden difüzyon yolu ile geçer. Basınç farkı nedeniyle sınır tabakayı
aşan buhar, çiğ noktası sıcaklığının altında bir yüzey ile temas ederse, yapı malzemesi
yüzeyinde bir miktar yoğuşarak terleme meydana getirir, kalan su buharı yapı malzemesi
içine difüz eder. Eğer su buharı, yapı malzemesi yüzeyinde yoğuşmazsa, terleme olmadan
yapı malzemesi içine girer. Yapı malzemesi içine difüz eden su buharının kısmi basıncı iç
katmanlarda herhangi bir noktada o sıcaklıktaki su buharı doyma basıncına eşit olduğu anda
yoğuşma başlar. Yoğuşma olan bölgede sıcaklık 0 oC’ın altında ise yoğuşan su buharı buz
fazına geçer. Yoğuşmayan su buharı ise yapı malzemesinin dış yüzeyinden çıkar ve dış
havaya karışır.
Gözenekli yapı malzemeleri içindeki difüzyon olayını deneysel, analitik veya grafik
yöntemlerle incelemek mümkündür. Yapı elemanında buhar difüzyon ve yoğuşma kontrolü
için geliştirilen hesap yöntemi aşağıda tanımlanmıştır.
Dış ortam sıcaklıkları önceki yılların ortalaması olarak meteorolojiden, iç ortam
sıcaklıkları, iç ortam ve dış ortam taşınım katsayıları, yapı malzemelerinin λ (ısı iletim
katsayısı) değerleri tablolardan alınır toplam ısı akısı hesaplanır ve buradan yola çıkarak yapı
elemanı katmanlarındaki yüzey sıcaklıkları ( T1, T2 ...) hesaplanır.
İç ortam ve dış ortam su buharı kısmi basınçları verilen sıcaklıklara karşılık gelen doyma
basınçları ve bağıl nemler yardımıyla hesaplanır. Doyma basınç değerleri tablolardan veya
3.3.12 eşitliği yardımıyla bulunur. Daha önce belirtildiği gibi, T1 iç yüzey sıcaklığındaki su
buharı kısmi basıncı p1 = pi, Tn dış yüzey sıcaklığındaki su buharı kısmi basıncı pn = pd
olduğu kabul edilir.
Yapı malzemesinin her tabakasındaki yüzey sıcaklıklarına ( T1, T2, ... ) karşılık gelen su
buharı doyma basınçları ve kısmi basınçları bulunur.
Kısmi buhar basınçlarının doymuş buhar basıncının altında kalması bize yapı elemanında
yoğuşma olmadığını gösterir. Kısmi buhar basıncının doymuş buhar basıncına eşit olması
halinde yoğuşma başlar. Yoğuşma noktasının yeri grafik yöntemi ile belirlenir.
38
3.5 Isı Yalıtım Mamullerinin Su Buharı Geçirgenlik Özelliklerinin Tayini[7]
3.5.1 Tarifler
Su buharı geçirgenlik hızı ve geçirgenlik değerleri deneye tabi tutulan deney numunesinin
kalınlığına bağlıdır. Homojen malzemeler için su buharı öz geçirgenliği malzemenin bir
özelliğidir.
Su buharı akış hızı (G): Deney numunesinin iki yüzeyi arasında birim zamanda geçen
su buharı miktarı.
Su buharı geçirgenlik hızı (g):Belirli sıcaklık, nem ve kalınlık şartları altında deney
numunesinin birim alandan birim zamanda geçen su buharı miktarı.
Su buharı geçirgenliği (W): Deney numunesinin su buharı geçirgenlik hızının deney
numunesinin yüzeyleri arasındaki su buharı basıncı farkına bölünmesiyle elde edilen değer.
Su buharı direnci (Z): Su buharı geçirgenliğinin tersi
Su buharı öz geçirgenliği (δ): Deney numunesinin kalınlığı ile su buharı geçirgenliğinin
çarpımı (δ=W*d). Homojen bir mamulün su buharı öz geçirgenliği, malzemenin kendisinin
bir özelliğidir. Su buharı öz geçirgenliği, birim kalınlıkta deney numunesinin birim
alanından, deney numunesinin yüzeyleri arasındaki birim su buharı basınç farkı başına birim
zamanda geçen su buharı miktarıdır.
Su buharı difüzyon direnci (μ): Havanın su buharı öz geçirgenliğinin deneye tabi
tutulan homojen mamulün veya malzemenin su buharı öz geçirgenliğine oranı. Bu faktör,
mamulün su buharı direncinin, aynı kalınlıktaki hareketsiz hava tabakasının su buharı
direncine göre bağıl büyüklüğünü ifade eder.
3.5.2 Prensip
Boru şeklinde ön şekillendirilmiş ısı yalıtım mamullerinden hazırlanan, içine nem çekici
konulmuş bir kuru kap, sıcaklık ve nemi kontrol altında tutulan bir deney atmosferine
yerleştirilir. Deney tertibatı ile deney atmosferi arasındaki kısmi buhar basıncı farkı
nedeniyle su buharı, deney numunesinin bir yüzeyinden diğer yüzeyine geçer. Su buharı
geçirgenlik hızı kararlı hale gelinceye kadar, deney tertibatı periyodik olarak tartılır.
39
Düşük su buharı geçirgenlik hızına sahip mamuller için başka faktörlerde göz önüne
alınmalıdır.
3.5.3 Cihazlar
Deney hücresi: Sıcaklığı (23 ± 1) 0C ve bağıl nemi %(50 ± 3)’de muhafaza edebilen.
Nem çekici madde: Tanecik büyüklüğü 2 mm – 15 mm olan susuz kalsiyum klorür
(CaCl2) veya aynı görevi yapabilen diğer nem çekiciler.
Analitik terazi: Deney tertibatını ± 1 mg veya daha iyi bir doğrulukta tartmaya elverişli.
Deneylerde daha büyük bir deney tertibatı kullanılırsa, tartımların doğruluğu toplam kütleye
veya deney sonuçlarında aranan doğruluğa göre belirlenir.
Ölçme aletleri: Deney numunelerinin doğrusal boyutlarını ve kalınlığını EN 12085 veya
EN 12467’ye göre ölçmeye uygun.
Alüminyum folyo: su buharı difüzyonuna engel olan (en az 50 μm kalınlıkta) kalsiyum
klorür (CaCl2) ile temas halindeki yüzey, polimer film ile kaplanarak korunmuş.
Yapıştırıcı: Alüminyum folyo ile deney numunesi arasında su buharı geçirmez bir ek
yapmaya uygun.
3.5.4 Deney Numuneleri
Deney numuneleri, mamulü temsil edecek şekilde alınmalı ve deney numunelerinde
kendinden bir yüzey kabuğu veya farklı malzemelerden yapıştırılmış yüzlükler varsa
bunlarda muhafaza edilmelidir.
Boru şeklinde ön şekillendirilmiş ısı yalıtım mamulü parçaları (iki veya daha çok parçalı)
tam boyutlu bir deney numunesi elde etmek amacıyla uygun bir sızdırmazlık macunu veya
yapıştırıcı kullanılarak bir araya getirilir.
Deney numunesinin boyutları:
Deney numuneleri en az (100 ± 1) mm uzunlukta hazırlanır, dış çapı 100 mm’den daha
fazla olan mamuller için uzunluk en az 150 mm olmalıdır. Kesme yüzeyleri mümkün olduğu
40
kadar düz, deney numunesinin düşey eksenine dik olmalıdır. Deney numunesinin kalınlığı
mamulün kalınlığı ile aynı olmalıdır.
Deney numunelerinin sayısı ilgili mamul standardında belirtildiği kadar olmalıdır. Mamul
standardında herhangi bir sayı verilmemişse en az 5 deney numunesi kullanılmalıdır.
Deney numuneleri (23 ± 5) 0C sıcaklıkta en az 6 saat süreyle bekletilmelidir. Anlaşmazlık
durumunda, deney numuneleri ilgili mamul standardında belirtildiği süre kadar (23 ± 2) 0C
sıcaklık ve %(50 ± 5) bağıl nem şartlarında bekletilmelidir.
3.5.5 İşlem
Deney numunesi, su buharı geçirmez bir bağlantı elde etmek amacıyla bir ucundan
alüminyum folyoya yapıştırılır.
Deney süresince %0 bağıl nem oranını muhafaza etmek için deney numunesi içine yeteri
kadar nem çekici madde konur. Nem çekici maddenin miktarı kapalı hacmin 2/3’ünü
aşmamalıdır.
Deney numunesinin üst kısmı ilk paragrafta anlatıldığı şekilde kapatılır.
Deney numunesi (23 ± 5) 0C sıcaklık ve %(50 ± 3) bağıl nem şartlarındaki deney
hücresine daldırılır. Deney numuneleri arasında herhangi bir temas olmamasına dikkat
edilmelidir.
Deney hücresindeki deney numuneleri 1 h - 24 h arasında bir süreyle şartlandırılır.
Deney numuneleri düzenli aralıklarla tartılır. Tartma işlemi deney hücresinde mevcut
olan şartlar altında gerçekleştirilmelidir. Tartma işlemi deney hücresi dışında yapılacaksa
deney numunesinin hücre dışında kalma süresi sonuçları etkilemeyecek kadar kısa olmalıdır.
Tartma işlemlerinde deney numunesinde birim zamanda meydana gelen kütle değişimleri
ardışık 5 tartma sonucu deney numunesi için ortalama değerin ± %5 sınırları içinde kalacak
şekilde sabit kalıncaya kadar devam edilir.
Zamana karşı kütle değişimi eğrisini çizmek, sabit kütle değişimi (kararlı hal) şartlarını
belirlemede yardımcı olur.
41
Açıklama:
1) Deney hücresi
2) Alüminyum folyo
3) Yapıştırıcı
4) Deney numunesi
5) Nem çekici madde
Ri: Numunenin iç çapı
R0: Numunenin dış çapı
Şekil 3.3 Deney tertibatı örneği
3.5.6 Hesaplama Ve Sonuçların Gösterilmesi
3.5.6.1 Su Buharı Akış Hızı
Seçilen zaman aralığı için her bir deney numunesinin su buharı akış hızı, G12 mg/h
cinsinden eşitlikle hesaplanır.
42
G12 =
m2 - m1
t2 - t1
Burada:
m1: Deney tertibatının t1 zamanındaki kütlesi, mg
m2: Deney tertibatının t2 zamanındaki kütlesi, mg
t1, t2: Deney numunesinin ardışık tartım zamanları, h’dir.
Her bir deney numunesi için ardışık 5 tartım sonucu, G12, ve ortalama değeri, G, (mg/h
olarak) hesaplanır. Ardışık 5 tartımın sonucu (G12), ortalama değerin (G) ± %5 sınırları
içinde olduğu zaman deneye son verilir.
3.5.6.2 Su buharı geçirgenlik hızı
Su buharı geçirgenlik hızı, g, mg/m2h cinsinden aşağıdaki eşitlikle hesaplanır.
g=
G
A
Burada;
A: Deney numunesinin aşağıdaki eşitlikten hesaplanan, su buharına maruz kalan alanı,
2
m.
A=
2 ´ p ´ l ´ (r0 - ri )
r
ln 0
ri
Burada:
l: Deney numunesinin uzunluğu, m
r0: Dış çap, m
ri: iç çap, m dir.
3.5.6.3 Su buharı geçirgenliği
Su buharı geçirgenliği, W, mg/m2Pa cinsinden aşağıdaki eşitlikle hesaplanır.
W=
G
A ´ Dp
Burada:
Δp: Su buharı basınç farkı (Pa). EN 12086’ya göre 23-0/50 deney şartlarında değeri 1400
Pa’dır.
43
3.5.6.4 Su buharı direnci
Su buharı direnci, Z, Pa.h.m2/mg cinsinden aşağıdaki eşitlikle hesaplanır.
Z=
1
W
3.5.6.5 Su buharı öz geçirgenliği
Su buharı öz geçirgenliği, δ, mg/m*h*Pa cinsinden aşağıdaki eşitlikle hesaplanır.
Δ=W*d
Burada:
d: Deney numunesinin kalınlığı, m.
3.5.6.6 Su buharı difüzyon direnci faktörü
3.5.6.6.1 Genel
Su buharı difüzyon direnç faktörü, μ, aşağıdaki eşitlikten hesaplanır.
m=
d hava
d
Burada:
δ: Deney numunesinin su buharı öz geçirgenliği
δhava: Havanın su buharı öz geçirgenliği
3.5.6.6.2 Havanın su buharı öz geçirgenliğinin (δhava) hesaplanması
Havanın su buharı öz geçirgenliği aşağıdaki eşitlik ile hesaplanır.
d hava =
D
RD ´ T
1.81
d hava
0.083 p0 æ T ö
=
´ ´ç
÷
RD ´ T p è 273 ø
Burada:
D: Su buharı difüzyon katsayısı, m2/h
RD: Su buharının gaz sabiti, 462*10-6 Nm/(mg.K)
T: Deney sıcaklığı, K
P: Deney sırasında barometre basıncı, hPa
P0: Normal barometre basıncı, 1013.25 hPa dır.
44
3.5.6.6.3 Deney numunesinin su buharı öz geçirgenliğinin hesaplanması
d =d´
G
A ´ Dp
Burada:
G: Su buharı akış hızı, mg/h
d: Deney numunesinin kalınlığı, m
A: Deney numunesinin alanı, m2
Δp: Deney numunesinin içi ve dış yüzeyi arasındaki su buharı basıncı farkı, Pa dır.
Su buharı akış hızı:
G=
Dm
Dt
Burada:
Δm: İki okuma arsındaki kütle farkı
Δt: Ölçme süresi, h dir.
Su buharı basıncı farkı:
Dp = ( ps1 ´ j1 ) - ( ps 2 ´ j 2 )
Burada:
ps1: Deney hücresindeki su buharı doygunluk basıncı, Pa
φ1: Deney hücresi içindeki bağıl nem,
ps2: Deney tertibatının (nem çekici madde üzerindeki) su buharı doygunluk basıncı, Pa
φ2: Deney tertibatının (nem çekici madde üzerindeki) bağıl nemidir.
Nem çekici madde olarak kalsiyum klorür kullanılırsa bağıl nem %0 kabul edilir. Bu
durumda φ2 sıfıra eşittir. Bu sebeple yukarıdaki eşitlik yeniden düzenlendiğinde;
Dp = ( ps1 ´ j1 ) olur.
ps için iyi bir yaklaşım:
T - 273.15 ö
æ
ps = a ´ ç b +
÷
100
è
ø
n
Burada:
a = 288.68 Pa
b = 1.098
n = 8.02
T = Sıcaklık, K dir.
45
3.5.6.6.4 Su buharı difüzyon direncinin, μ, hesaplanması
Su buharı difüzyon direnci aşağıdaki eşitlikten hesaplanır.
T - 273.15ö
Dt 2´p ´l ´(r0 - ri )
1
0.083 p0 æ T ö
æ
´
´ ´ç
´ 288.68ç1.098+
m=
÷ ´ ´
÷ ´j1
r0
100
(r0 - ri ) RD ´T p è 273.15ø Dm
è
ø
ln
ri
1.81
8.02
46
BÖLÜM DÖRT
MALZEMELERİN ANSYS İLE MODELLENMESİ
4.1 Giriş
Ansys Workbench mühendislik alanında sonlu elemanlar yöntemi ile çeşitli konularda
analiz yapan bir modelleme programıdır. Analiz yaptığı konular:
·
Yapısal analiz
·
Termal analiz
·
Elektromanyetik analiz
·
Akış analizi
Bu bölümde malzemelerin termal analizi yapılacaktır. Malzeme olarak YILDIZPEN
firmasının ürettiği yangın paneli ve kompozit bir malzemenin bileşenleri ile kompozit hali
analiz edilecektir. Analizi yapılacak tüm malzemeler aynı hacme sahiptirler. Ayrıca analiz
yapılan deney düzeneği de tüm analizler için aynıdır.
4.2 Deney Düzeneğinin Solidworks İle Modellenmesi
Solidworks kullanılarak analizde kullanılacak olan parçalar oluşturup bunlar bir araya
getirildi.
Şekil 4.1 Solidworks ile modellenen kalorimetre kabının kesiti
47
4.3 Deney Düzeneğinin Sonlu Elemanlara Ayrılması
Tüm analizlerde kullanılacak olan deney düzeneği aynıdır. Böylece yapılan analizler
sonucunda karşılaştırma yapmak daha kolay olacaktır.
Şekil 4.2 Deney parçasının sonlu elemanlara bölünmüş hali
Şekil 4.3 Kabın içinde bulunan suyun sonlu elemanlara bölünmüş hali
48
Şekil 4.4 Kalorimetre kabının ve kapağının sonlu elemanlara bölünmüş hali
4.4 Termal Kuvvetlerin Yerleştirilmesi
Tüm deney parçalarına başlangıç sıcaklığı olarak 90oC verilmiştir. Ortam koşulları 22oC
olarak belirlenmiştir. Kalorimetre kabının dış yüzeyinde mükemmel yalıtım olduğu
varsayılmıştır. Zamana bağlı olarak çözüm yapılmıştır. Ve bu süre sonunda denge sıcaklığına
gelen parçaların sonuçlarına bakılıp karşılaştırma yapılacaktır.
4.5 Yangın Yalıtım Panelinin Sonuçları
Şekil 4.5 Sıcaklığın zamana bağlı değişimi
49
Tablo 4.1 Sıcaklığın dengeye gelirken süreye bağlı sonuçları
Sıcaklık 5500 saniyede yaklaşık olarak dengeye gelmektedir. Ancak tam dengeye
gelebilmesi için uzun bir süre beklenmesi gerekmektedir. Bunun sebebi suy kütlesine
akışkan özelliği kazandırılamamasıdır.
50
Şekil 4.6 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda enine kesitte görünümü
Şekil 4.7 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda boyuna kesitte görünümü
51
Tablo 4.2 Parça üstüne ve suya yerleştirilen probeların zamana bağlı sıcaklık değişimleri
Sonuç olarak Ansys Workbench programı ile hesaplanan değerler gerçek değerlere
yaklaşmıştır.
52
4.6 Cam Maddesinin Sonuçları
Bu bölümde kompozit bir malzemeyi oluşturan camın özellikleri incelencektir.
Tablo 4.3 Sıcaklığın dengeye gelirken süreye bağlı sonuçları
53
Şekil 4.8 Sıcaklığın zamana bağlı değişimi
Şekil 4.9 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda enine kesitte görünümü
54
Şekil 4.10 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda boyuna kesitte görünümü
Tablo 4.4 Parça üstüne ve suya yerleştirilen probeların zamana bağlı sıcaklık değişimleri
55
4.7 Polycarbonate Malzemesinin Sonuçları
Bu
bölümde
bir
kompoziti
oluşturan
polycarbonate
malzemesinin
özellikleri
incelenecektir.
Tablo 4.5 Sıcaklığın dengeye gelirken süreye bağlı sonuçları
56
Şekil 4.11 Sıcaklığın zamana bağlı değişimi
Şekil 4.12 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda enine kesitte görünümü
57
Şekil 4.13 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda boyuna kesitte görünümü
Tablo 4.6 Parça üstüne ve suya yerleştirilen probeların zamana bağlı sıcaklık değişimleri
58
4.8 %15 Cam Katkılı Polikarbonat Yalıtım Maddesinin Sonuçları
Bu bölümde iki farklı malzemeden oluşmuş kompoit bir madde incelenecektir. Bu
malzemenin özgül ısı ve ısı iletim katsayı değeri yangın yalıtım malzemesine yakındır. Ve
oluştuğu maddelerin özelliklerine yakın bir değerde çıkmıştır.
Tablo 4.7 Sıcaklığın dengeye gelirken süreye bağlı sonuçları
59
Şekil 4.14 Sıcaklığın zamana bağlı değişimi
Şekil 4.15 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda enine kesitte görünümü
60
Şekil 4.16 Sıcaklık dağılımının 15000 saniye sonunda boyuna kesitte görünümü
Tablo 4.8 Parça üstüne ve suya yerleştirilen probeların zamana bağlı sıcaklık değişimleri
61
KAYNAKÇA
[1] BERKMAN, A. Fuat, “YAPI ELEMANLARI”, Cilt-I, İTÜ İnşaat Fakültesi Yayını,
İstanbul 1970, 463 sayfa.
[2] KARKOÇ T.H.,BİNYILDIZ E., TURAN O., 1999, “Binalarda Ve Tesisatlarda Isı
Yalıtımı”, ODE Teknik Yayınları No:20, İstanbul.
[3] TS 825, 1998, “Binalarda Isı Yalıtım Kuralları”, ICS 91.120.10, Türk Standartları
Enstitüsü, Ankara.
[4]Commercial Union Sigarta, Risk Yönetimi
[5]Frank P. Incropera, David P. Dewitt, 2001, “Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri”,
LİTERATÜR Yayıncılık, İstanbul
[6] Hasan A. HEPERKAN, M. Murat BİRCAN, M. Kemal SEVİNDİR, “Yapı
Malzemelerinde Buhar Difüzyonu Ve Yoğuşma
[7]TS EN 13469, 2003, “Isı Yalıtımı Mamulleri - Sanayi Tesisleri Ve Bina Ekipmanları
İçin – Boru Şeklinde Ön Şekillendirilmiş Isı Yalıtım Mamullerinin Su Buharı Geçirgenlik
Özelliklerinin Tayini”, ICS 91.100.60, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
62