İkİ katmanli tencere tabaninin isil analİzİ ve tasarimi
DESCRIPTION
İKİ KATMANLI TENCERE TABANININ ISIL ANALİZİ VE TASARIMITRANSCRIPT
T.C.
DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
İKİ KATMANLI TENCERE
TABANININ ISIL ANALİZİ VE
TASARIMI
BİTİRME PROJESİ
MEHMET ALİ CANPOLAT
SERHAT SAĞLAMCA
Projeyi Yöneten
Prof. Dr. Mehmet ZOR
Mayıs, 2011 İzmir
2
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
3
TEŞEKKÜR
İki katmanlı tencere tabanının ısıl analizi projesinde bize Ansys programı hakkında
yardımlarını esirgemeyen araştırma görevlisi Mehmet Emin DENİZ ‘e ve Prof. Dr. Mehmet
ZOR ’a teşekkürlerimizi sunuyoruz.
Serhat SAĞLAMCA
Mehmet Ali CANPOLAT
4
ÖZET Katmanlı bir yapıda, metal plakanın bir tarafı düzensiz olarak ısıtılırken diğer
tarafında düzgün bir sıcaklık dağılımına ulaşmak istendiğinde ( çakma tabanlı
tencerelerde olduğu gibi) katmanlı yapının kalınlıkları üzerinde bir düzenlemeye gitmek
gerekir.
Isıl genleşme katsayıları farklı, iki malzemeden oluşmuş bir katmanlı silindirik
yapının, ortaya çıkacak sıcaklık değişimlerinde farklı genleşme göstermesi de üzerinde
çalışılması gereken önemli bir problemdir. Bu çalışmada, bu ana fikir etrafında bu
probleme çözüm arandı.
Bu amaçla katmanlı yapının ısıtılan tarafına değişen kalınlıklarda Cu/Al yerleştirildi.
Al/CrNi katmanlı yapısı Cu/CrNi katmanlı yapısına göre daha düşük ısı iletimi ve daha
yüksek sıcaklık gradyenti gösterdi.İki farklı metalin arayüzeyindeki ısıl gerilmeler de
imalatçının dikkatine sunuldu. Simülasyon sonucunda Cu/CrNi katmanlı yapısında
Al/CrNi katmanlı yapısına göre daha düzgün bir sıcaklık dağılımı ve daha düşük gerilme
değerleri ortaya çıktığı gözlendi. Bu amaç için sonlu elemanlar yöntemi (FEM) program
paketi; ANSYS kullanıldı.
5
İÇİNDEKİLER
Sayfa
1.GİRİŞ 8
1.1 Tencere Tabanının Ansys’te Modellenmesi 11 1.1.1 Eleman Tipi Seçimi 12 1.1.1.1 Axisymetric (Dönel Simetrik) Özelliği Atanması 13
1.1.2 Malzeme Özelliklerinin Girilmesi 14 1.1.2.1 Elastisite Modülü ve Poisson Oranının Girilmesi 15 1.1.2.2 Termal Genleşme Katsayısı’nın Girilmesi 16 1.1.2.3 Isı İletim Katsayısı’nın Girilmesi 17 1.1.3 Sıcaklık Birimi Seçimi 17 1.1.4 Keypoint’lerin Oluşturulması 18 1.1.5 Line Oluşturulması 18 1.1.6 Alan Oluşturulması 18 1.1.6.1 Çizgilerle Alan Oluşturulması 19 1.1.6.2 Ölçü Verilerek Alan Oluşturulması 19 1.1.7 Alanların Yapıştırılması 19 1.1.8 Malzeme Özelliklerinin Atanması 20 1.1.9 Mesh Boyutu Belirleme 20 1.1.10 Mesh Yapma 21 1.2 Yükleme Ve Sınır Şartlarının Girilmesi 21 1.2.1 Analiz Tipinin Belirlenmesi 21 1.2.2 “X” Yönünde Ankastre 22 1.2.3 Sıcaklık Yüklemesi 22 1.2.4 Taşnım Katsayısı ve Sıcaklığın Girilmesi 23 1.3 Çözdürme 24 2.SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME 25 2.1 Sıcaklık Dağılımları 25 2.1.1 Alüminyum Taban İçin Sıcaklık Dağılımları 25 2.1.2 Bakır Taban İçin Sıcaklık Dağılımları 27 2.1.3 Karşılaştırmalı Sıcaklık Grafikleri 29 2.2 Gerilme Dağılımları 31 2.2.1 Al (Alüminyum) İçin Gerilme Dağılımları 32 2.2.2 Cu (Bakır) İçin Gerilme Dağılımları 33 2.2.3 Karşılaştırmalı Gerilme Dağılımları 34 3.SONUÇLARIN YORUMLANMASI 36 4.KAYNAKLAR 37
6
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa
ŞEKİL 1.1 : ELEMAN TİPİ SEÇİMİ .................................................................................................... 10
ŞEKİL 1.2 : ELEMAN TİPİ ................................................................................................................ 10
ŞEKİL 1.3 : AXISYMETRIC ÖZELLİĞİ ................................................................................................ 11
ŞEKİL 1.4 : ELASTİSİTİE MODÜLÜ VE POİSSON ORANININ GİRİLMESİ ............................................ 13
ŞEKİL 1.5 : TERMAL GENLEŞME KATSAYISININ GİRİLMESİ ............................................................. 14
ŞEKİL 1.6 : ISI İLETİM KATSAYISININ GİRİLMESİ ............................................................................. 14
ŞEKİL 1.7 : SICAKLIK BİRİM SEÇİMİ ................................................................................................ 15
ŞEKİL 1.8 : KEYPOİNTLERİN OLUŞTURULMASI ............................................................................... 15
ŞEKİL 1.9 : ÇİZGİLERİN OLUŞTURULMASI ...................................................................................... 16
ŞEKİL 1.10 : ALAN OLUŞTURULMASI ............................................................................................... 16
ŞEKİL 1.11 : ÜST TABAN ALANININ EKLENMESİ............................................................................... 17
ŞEKİL 1.12 : GLUE KOMUTU İLE ALANLARIN YAPIŞTIRILMASI.......................................................... 17
ŞEKİL 1.13 : MESH ATTRİBUTES ...................................................................................................... 18
ŞEKİL 1.14 : MESH SİZE ................................................................................................................... 18
ŞEKİL 1.15 : MESH GÖRÜNTÜSÜ ..................................................................................................... 19
ŞEKİL 1.16 : ANALİZ TİPİ.................................................................................................................. 19
ŞEKİL 1.17 : “X” YÖNÜNDE ANKASTRE ............................................................................................ 20
ŞEKİL 1.18 : SICAKLIK YÜKLEMESİ ................................................................................................... 20
ŞEKİL 1.19 : TAŞINIM KATSAYISI VE SICAKLIĞIN GİRİLMESİ ............................................................. 21
ŞEKİL 1.20 : PARÇANIN YÜK VE SINIR ŞARTLARI GİRİLMİŞ HALİ ...................................................... 21
ŞEKİL 1.21 : SOLVE KOMUTU .......................................................................................................... 22
ŞEKİL 2.1 : AL 10MM SICAKLIK DAĞILIMI ........................................................................................ 23
ŞEKİL 2.2 : AL 8MM SICAKLIK DAĞILIMI .......................................................................................... 23
ŞEKİL 2.1 : AL 6MM SICAKLIK DAĞILIMI .......................................................................................... 24
ŞEKİL2.1 : AL 4MM SICAKLIK DAĞILIMI ........................................................................................... 24
ŞEKİL2.5 : CU 10MM SICAKLIK DAĞILIMI ........................................................................................ 25
ŞEKİL2.6 : CU 8MM SICAKLIK DAĞILIMI .......................................................................................... 25
ŞEKİL2.7 : CU 6MM SICAKLIK DAĞILIMI .......................................................................................... 26
ŞEKİL2.8 : CU 4MM SICAKLIK DAĞILIMI .......................................................................................... 26
ŞEKİL2.9: AL-CRNI TABAN SICAKLIK DAĞILIMI GRAFİĞİ .................................................................. 27
ŞEKİL2.10: CU-CRNI TABAN SICAKLIK DAĞILIMI GRAFİĞİ ................................................................ 27
7
ŞEKİL2.11: AL-CRNI CU-CRNI TABAN SICAKLIK DAĞILIMI GRAFİĞİ .................................................. 28
ŞEKİL2.12: CU 10MM GERİLME DAĞILIMI ....................................................................................... 30
ŞEKİL2.13: AL 10MM GERİLME DAĞILIMI ...................................................................................... .30
ŞEKİL2.14: AL-CRNI TABAN GERİLME GRAFİĞİ ................................................................................ 31
ŞEKİL2.15: CU-CRNI TABAN GERİLME GRAFİĞİ ............................................................................... 32
ŞEKİL2.16: AL-CRNI VE CU-CRNITABAN GERİLME GRAFİĞİ ............................................................. 33
8
GİRİŞ
Bir yüzeyinde düzgün olmayan bir sıcaklık dağılımına sahip düzlem bir levhanın diğer
yüzeyinde de düzgün bir sıcaklık dağılımının ortaya çıkması istendiğinde, katmanlı olarak
düşünülecek levhanın birden fazla malzeme çeşidinden oluşacak yapısında malzemeler arası
geometride bazı düzenlemelere gitmek gerekir. Bir sistemin ısıtılmasını gerektiren
durumlarda hem sistemi dolduran hemde sistemi sınırlayan malzemelerin ısıl
iletkenliklerinin yanında ısıl genleşme katsayıları sistemlerin modellenmesinde önemli bir
belirleyiciliğe sahiptir. Bir çok durumda düşük ısıl iletkenlikli malzemeler ısının iletilmesine
karşı koymasıyla bir direnç olarak karşımıza çıkar ve bu durumun ortaya çıktığı ısıl
sistemlerin tasarımında özellikle dikkate alınırlar.
Sözü edilen malzemelerin ısıl özelliklerinin yanı sıra mukavemet özellikleri de bunların
üretimlerinde sınırlayıcı etken olarak göz önüne alınır.Isıl genleşme katsayıları farklı iki
malzemeden oluşmuş bir katmanlı silindirik yapı ortaya çıkacak sıcaklık değişimlerinde
farklı genleşme gösterir. Bu genleşme katmanlı yapı arayüzeyinde gerilmeler doğuracaktır.
Tasarım aşamasında, arayüzey bu gerilmeleri taşıyacak yapıda düşünülmeli ve şekil
değişimleri de gözönünde bulundurulmalıdır. Aksi durumda, çakma tabanlı tencere
imalatçılarının ilk ürünlerinde karşılaştıkları, taban atma problemi benzeri durumlar ortaya
çıkacaktır. Bu yüzden imalatta termal genleşme katsayıları birbirine yakın malzemeler
kullanılması gerekir.
Her iki özelliği birden taşıyan yani; hem ısıl iletkenliği iyi olan hem de ısıl
genleşmelerden dolayı imalat zorluğu olmayan bir kompozisyon tasarlamak tasarımcının
temel sorunudur. Isının istenilen şekilde iletilmesinin zorluğu, kanatlı tip ısı değiştiricisi
kanat tasarımında ısının uç noktalara kadar iletilmesinde karşımıza çıktığı gibi, bir motor
9
bloğunda silindir içindeki yanmanın düzgün sıcaklık dağılımı sahip bir ortamda
gerçekleşmesinde ve bir yüzeyinden düzgün olmayan bir şekilde ısıtılan levhaların, çelik
tencere tabanlarında olduğu gibi, diğer yüzeylerinde düzgün bir sıcaklık dağılımına ulaşmada
da karşımıza çıkar . Bu güçlüğün giderilmesi için, ısı değiştiricisinin kanat geometrisinde
düzenlemelere gidilirken düzlem levhalarda veya benzer sistemlerde ısıtılmayan yüzeylerde
düzenli bir sıcaklık dağılımına ulaşmak için ısıtılan yüzeyde düzenli bir sıcaklık dağılımı
sağlanmaya çalışılır. Yapılan çalışmalarda etkin bir ısıl iletkenliğe ulaşabilmek için kompozit
malzemeler üzerinde araştırmalar yapılmış ve yeni malzeme yapıları belirlenmiş, ayrıca
katmanlı levhalar kullanılarak sıcaklık dağılımında sayısal optimizasyona gidilmiştir. Çelik
gibi malzemelerin ısının iletilmesine büyük direnç göstermesi ve bunun sonucunda kararlı
durumda ısının yayıldığı doğrultu üzerinde birbirine yakın noktalar arasında bile büyük
sıcaklık değişimleri doğurmasına karşılık bakır ve alüminyum gibi malzemeler ısının
iletilmesine fazlaca direnç göstermez ve birbirine uzak noktalar arasında bile düşük sıcaklık
değişimleri ortaya çıkar . Günümüz teknolojisinin, farklı malzemelerin bir arada kullanıldığı,
bir çok gelişmiş ürününde, bilgisayar işlemcilerinde olduğu gibi, düzgün sıcaklık dağılımı ve
oluşan ısının dışarı atılması önemli bir problemdir. Ayrıca farklı malzemelerin tabakalar
halinde kullanıldığı kompozit yapılarda düzgün sıcaklık dağılımı oluşacak gerilme ve şekil
değişimlerini yenme açısından incelenmiştir. Bakır ve dökme demirden oluşmuş katmanlı
silindirik yapı için eksenel ve eksene dik yönde ısı iletim değerleri bakır ve dökme demirin
farklı oranları için incelenmiş ve bu yapıya ait ısı iletim katsayıları
araştırılmıştır.Çalışmalarda, bakır ve 304 çeliği 12 MPa basınç altında ve 800 °C sıcaklıkta
30 dakika sıkıştırılarak difüzyon kaynaşması sağlanmıştır .
Farklı malzemelerin ısıl iletkenliklerinin farklılık gösteriyor olması temelde problem olsa
da, her iki malzemenin değişen kalınlıklarda kullanıldığı katmanlı yapıyla, malzemenin ısı
iletim katsayısı bakır ve alüminyum için iletim çelik için direnç değeri gösterdiği
düşünülerek oluşturulacak arayüzey düzenlemesiyle, ısıtılan yüzeye düzgün olmayan bir
10
sıcaklık dağılımı uygulanırken, ısıtılmayan yüzeyde nisbeten düzgün sıcaklık dağılımına
ulaşılabileceği düşüncesini destekler. Bu çalışmada bu anafikir etrafında çelik tencere
imalatçılarının temel problemlerinden birisi olan tencerenin taban alt yüzeyinde oluşan ısının
taban üst yüzeyine akması ve üst yüzeydeki sıcaklık dağılımının düzgünleştirilmesi problemi
incelendi. Ayrıca bu modelleme sonucu oluşan gerilme ve şekil değişimleri göz önünde
bulundurularak en uygun malzeme ve bu malzemeye ait kalınlık tespit edildi. Model olarak,
belirli bir kalınlıktaki düzlem bir silindirik levhanın bir yüzeyinden düzgün olmayan bir
şekilde sıcaklık uygulanırken diğer yüzeyinde düzgün bir sıcaklık dağılımına ulaşılmaya
çalışıldı. Bunun için Cu/CrNi ve Al/CrNi katmanlı yapılarının farklı kalınlıkları sonlu
elemanlar yöntemi (ANSYS) ile incelendi.
11
1.1 Tencere Tabanının Ansys’de Modellenmesi
Tencere tabanı 2 katmanlı olarak modellenecektir. Bunun için ANSYS 12 programı
kullanılacak ve dönel simetrik olarak(axysymetric) tasarlanacaktır. Bu yapı bize modelleme
de çok büyük kolaylık sağlayacağı gibi 3 boyutlu modellemeye gitmemizi gerektirmeyecek
ve bize zaman kazandıracaktır.
1.1.1 ELEMAN TİPİ SEÇİMİ
Main Menu > Preferences den Structural ve thermal i seçilir. OK basılır.
Main Menu > Preprocessor >Element Type>Add/Edit/Delete seçilir. Element
Type penceresinden Add.. e tıklanır. Library of Element Types penceresinden
coupled field ve quad 8 node 223 seçilir. OK basılır.
12
Şekil 1.1 Eleman tipi seçimi
Şekil 1.2 : Eleman Tipi
13
Axisymetric (dönel simetrik) Özelliği Atanması
Main Menu > Preprocessor >Element Type>Add/Edit/Delete seçildikten sonra options
menüsünden element behavior’u axisymetric seçilir.
Şekil 1.3 :Axisymetric özelliği
14
1.1.1 MALZEME ÖZELLİKLERİNİN GİRİLMESİ
Bakır ve Alüminyum için ısı iletim katsayısı sırasıyla;
kcu=386 (W/mK) ve kAl =190 (W/mK),
%18Cr, %8Ni içeren CrNi çeliği için ise kCr-Ni =16,3 W/(mK),
bu malzemeler için ısıl genleşme katsayıları sırasıyla;
acu= 1,66.10-5 1/ oC, aAl = 2.27.10-5 1/ oC, aCrNi=1.78.10-5 1/ oC
Elastisite Modülleri;
Ecu = 110GPa, EAl=70GPa, Ecr-Ni=200GPa
Poisson Oranları
ncu =0.29, nAl =0.28, ncr-Ni = 0.3
15
1.1.2.1Elastisite Modülü ve Poisson Oranı’nın Girilmesi
Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models >
Structural > Linear >Elastic > isotropic sekmesinden şekildeki değerler
girilir.
Şekil 1.4 :Elastisite Modülü ve Poisson Oranı’nın Girilmesi
16
1.1.2.2 Termal Genleşme Katsayısı’nın Girilmesi
Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models > Structural >
Thermal Expansion> Secant Coefficient>isotropic sekmesinden değerler girilir.
Şekil 1.5 : Termal Genleşme Katsayısı’nın Girilmesi
1.1.2.3 Isı İletim Katsayısı’ nın Girilmesi
Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models > Thermal >
Conductivity sekmesinden değerler girilir.
Şekil 1.6 : Isı İletim Katsayısı’ nın Girilmesi
17
1.1.3 SICAKLIK BİRİM SEÇİMİ
Main Menu > Preprocessor >Temperature units sekmesinden Celcius ayarlanır.
Şekil 1.7 : Sıcaklık Birim Seçimi
1.1.4 KEYPOİNT’LERİN OLUŞTURULMASI
Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create> Keypoints>In active cs ‘den koordinatlar
metrik sisteme göre girilir ve line çizimi için uygun hale getirilir.
Şekil 1.8 : Keypoint’lerin Oluşturulması
18
1.1.5 Line Oluşturulması
Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Straight Line komutuyla
keypointlere tıklayarak istediğimiz çizgiyi oluştururulur..
Şekil 1.9 : Çizgilerin Oluşturulması
1.1.6 ALAN OLUŞTURULMASI
1.1.6.1 Çizgilerle Alan Oluşturulması
Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>By Lines sekmesiyle bütün
çizgileri seçerek ok’lenir ve alanımızı oluştururulur.
Şekil 1.10 : Alan Oluşturulması
19
1.1.6.2 Ölçü Verilerek Alan Oluşturulması
Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions
komutuyla istediğimiz ölçüler girilerek (metrik sistemde) alanımızı oluştururuz.
Şekil 1.11 :Üst Taban Alanının Eklenmesi
1.1.7 ALANLARIN YAPIŞTIRILMASI
Main Menu>Preprocessor>Modeling>operate>Glue>Areas alanlar üstüne tıklanarak
seçilir ve ok’lenir.Artık parçalar birbirinden ayrılamaz.
Şekil 1.12 : Glue Komutu ile Alanların Yapıştırılması
20
1.1.8 MALZEME ÖZELLİKLERİNİN ATANMASI
Main Menu > Preprocessor>Meshing>Mesh Attiributes>Picked Areas komutuyla
özelliklerinin atanması için teker teker alanların üstüne tıklanır ve malzeme numarasına göre
seçim yapılır.
Şekil 1.13 : Mesh Attiributes
1.1.9 MESH BOYUTU BELİRLEME
Main Menu > Preprocessor>Meshing>Size Controls>Manuel Size>Global>Size
komutuyla istenilen mesh boyutu girilir.
Şekil 1.14 : Mesh Size
21
1.1.10 MESH YAPMA
Main Menu > Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Free komutuna asıldıktan sonra
çıkan pencerede pick all seçeneği tıklanarak mesh işlemi tamamlanır.
Şekil 1.15 :Mesh Görüntüsü
1.2 YÜKLEME VE SINIR ŞARTLARININ GİRİLMESİ
1.2.1 Analiz Tipinin Belirlenmesi
Main Menu >Solution>Analysis type> New analysis komutundan çıkan pencereden
steady state seçeneği tıklanır.
Şekil 1.16 : Analiz Tipi
22
1.2.2 “X “ YÖNÜNDE ANKASTRE
Main Menu > Preprocessor> Solution>Define Loads>Structural>Displacement>On
Lines komutuyla ankastre yapılacak sınır seçilir ve ok’e basılır.
Şekil 1.17 : X yönünde Ankastre
1.2.3 SICAKLIK YÜKLEMESİ
Main Menu > Preprocessor> Solution>Define Loads>Settings>Uniform temperature
sekmesinden malzemenin ilk sıcaklığı girilir ve daha sonra Main Menu > Preprocessor>
Solution>Define Loads>Apply>Thermal>Temperature>On Lines komutuyla istenilen
sıcaklık çizgiye yüklenir.
Şekil 1.18 : Sıcaklık Yüklemesi
23
1.2.4 TAŞINIM KATSAYISI VE SICAKLIĞIN GİRİLMESİ
MainMenu>Preprocessor>Solution>Define Loads>Apply>Thermal>Convection>On
Lines sekmesinden malzeme ile dış ortam arasındaki taşınım katsayısı metrik sisteme uygun
olarak girilir ve dış ortam sıcaklığı girilir.
Şekil 1.19 : Taşınım Katsayısı ve Sıcaklığın girilmesi
Şekil 1.20 : Parçanın Yük ve Sınır Şartları Girilmiş Hali
24
1.3 Çözdürme
Main Menu > Preprocessor> Solution> Solve> Current LS’ye basılır ve analizin çözümü
yaptırılır.Bu işlem mesh sayısına ve büyüklüğüne göre biraz vakit alabilir.
Şekil 1.21 : Solve Komutu
25
2. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME
2.1 SICAKLIK DAĞILIMLARI
2.1.1 Alüminyum Taban İçin Sıcaklık Dağılımları
Şekil 2.1 : Al 10mm Sıcaklık Dağılımı
Şekil 2.2 : Al 8mm Sıcaklık Dağılımı
26
Şekil 2.3 : Al 6mm Sıcaklık Dağılımı
Şekil 2.4 : Al 4mm Sıcaklık Dağılımı
27
2.1.2 Bakır Taban İçin Sıcaklık Dağılımları
Şekil 2.5 : Cu 10mm Sıcaklık Dağılımı
Şekil 2.6 : Cu 8mm Sıcaklık Dağılımı
28
Şekil 2.7 : Cu 6mm Sıcaklık Dağılımı
Şekil 2.8 : Cu 4mm Sıcaklık Dağılımı
29
2.1.3 Karşılaştırmalı Sıcaklık Grafikleri
Şekil 2.9 : Al-CrNi Taban Sıcaklık Dağılımı Grafiği
Şekil 2.10 : Cu-CrNi Taban Sıcaklık Dağılım Grafiği
30
Şekil 2.11 : Cu-CrNi ve Al-CrNi Taban Sıcaklık Dağılım Grafiği
31
10 mm taban kalınlıklı Al/CrNi katmanlı yapısı kullanılarak elde edilen yüzey sıcaklık
dağılımlarına bakıldığında en üst ve en alt sıcaklık değerleri 293°C ve 115°C ve bunlar
arasındaki fark 178°C iken, Cu/CrNi katmanlı yapısı kullanılarak elde edilen yüzey sıcaklık
dağılımlarına bakıldığında en üst ve en alt sıcaklık değerleri 314°C ve 156°C ve bunlar
arasındaki fark 158°C çıkmaktadır. Bu durumda Cu/CrNi, Al/CrNi göre hem sıcaklık
gradyenti açısından daha düşük bir değer gösterirken hem de ortalama sıcaklığı yaklaşık
30°C yukarı çekmektedir.
Al/CrNi ile Cu/CrNi katmanlı yapısı için aynı şartlarda elde edilmiş yüzey sıcaklık
değerlerinin karşılaştırması verilmiştir. Çok farklı ısıl iletkenliklere sahip olan CrNi çeliği ve
Cu’nun geometrik yapıda uygun bir şekilde kullanılması, ısıtılmayan yüzeyde düzgün olarak
kabul edilebilecek bir sıcaklık dağılımının elde edilmesiyle sonuçlanmıştır. Her ne kadar
elde edilen bu değerler saf bakırla elde edilen yüzey sıcaklık değerlerine ulaşamamışsa da
CrNi çeliğine göre bu ortalama yüzey sıcaklığı daha yüksek değere çekilmiştir. Bu ise,
ısıtılan yüzeydeki daha düşük sıcaklık değerleri için suyla temas halinde olan yüzeyde CrNi
çeliğine göre daha iyi sonuçlar elde edilmesi demektir.
32
2.2 GERİLME DAĞILIMLARI
2.2.1 Al (alüminyum) İçin Gerilme Dağılımları
Şekil 2.12 : Al 10mm Gerilme Dağılımı
Şekil 2.14 : Al-CrNi Taban Gerilme Grafiği
33
2.2.2 Cu (bakır) İçin Gerilme Dağılımları
Şekil 2.13 : Cu 10mm Gerilme Dağılımı
Şekil 2.15 : Cu-CrNi Taban Gerilme Grafiği
34
2.2.3 Karşılaştırmalı Gerilme Dağılımları
Şekil 2.16 : Al-CrNi ve Cu-CrNi Taban Gerilme Grafiği
35
Ortaya çıkan gerilme ve şekil değişimlerinin önüne geçmek için, tasarım safhasında
arayüzey geometrisi dikkate alınmalıdır. Ele alınan arayüzey geometrileri Şekilde verilen
gerilmeleri ortaya çıkarmaktadır. İki farklı malzeme, bu gerilmeleri taşıyacak bir yöntemle
birleştirilmeli ve ortaya çıkan şekil değişimleri de gözönünde bulundurulmalıdır. Aksi
durumda, Termik tabanlı tencere imalatçılarının alüminyum taban çaktıklar ilk ürünlerinde
karşılaştıkları taban atma problemi benzeri durumlar ortaya çıkacaktır. Şu an kullanılan
alüminyum tabanlı tencereler yerine bakır taban kullanılması durumunda yukarıda sözü
geçen iyileşmelerin ortaya çıkacağı açıktır. Bunun yanında şekillerde verilen gerilme
değerlerine bakarak şunu söyleyebiliriz: Al taban için en düşük gerilme değeri 6 mm taban
kalınlığında ortaya çıkmaktadır. Bu değer Cu taban için en düşük gerilmenin ortaya çıktığı
10 mm kalınlıktaki gerilme değerinden oldukça yüksektir.
36
3. SONUÇLARIN YORUMLANMASI Sonuç olarak; 10 mm tabanlı, Cu/CrNi katmanlı yapısı; gerilme değerleri açısından en küçük gerilme değerlerini vermekte, düşük gerilme değerlerinden dolayı en düşük şekil değişimine maruz kalmakta,
yüzey sıcaklık dağılımı olarak en düşük gradyenti vermekte
ve son olarak en yüksek ortalama sıcaklığı sağlamaktadır.
Bu durumda, kullanılan alüminyum taban yerine bakır taban kullanılması bir kez daha
gözden geçirilmelidir.Taban kalınlığının artması istenen durumları sağlamasına rağmen
maliyeti arttıracaktır. Maliyet faktörü de göz önünde bulundurularak optimizasyon çalışması
yapılabilir.
Teorik hesaplamalarla bulunan taşınım katsayılarının gerçeğe daha fazla yakınlaştırmak için
nasıl bir yöntem izlenebilir denilirse; Tencerenin belirli noktalarından sıcaklık ölçümleri alınır. Analizlerde aynı noktanın
sıcaklığı ile karşılaştırılır. Deneysel ve Analiz değerleri birbirlerini tutana kadar taşınım
katsayılarında düzeltmeler yapılır. Böylece sıcaklık dağılımı açısından gerçeğe en yakın
sonuçlar elde edilir. Hatta bu ölçümler malzemelerin ısıl özelliklerinde olabilecek hataları
bile elimine eder. Zira bu özellikleri girmemizin amacı sıcaklık dağılımının elde edilmesidir.
37
4.KAYNAKLAR
ANSYS, The general purpose finite element software, (version 6.1). Houston, TX:
Swanson Analysis Systems, Inc.
MAKİNE TEKNOLOJİLERİ DERGİSİ, Cilt 7, (2004), Sayı 4, 599-604 AYATA
Tahir.
Halıcı, F., Gündüz, M., “Örneklerle Isı Geçişi”, Sakarya, 1997.
http://www.me.berkeley.edu/~lwlin/me128/class/ANSYS2.pdf
http://www.ndsu.edu/me/images/Kallmeyer/477/Transient%20Thermal%20Example
http://www1.ansys.com/customer/content/documentation/130/ans_the.pdf