Kim Muh Lab I Foy 2012-2013

KAPAK

T.C. KOCAELİ ÜNVERSİTESİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

KİMYA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI-1

2012-2013

İÇİNDEKİLER İÇİNDEK İLER

SAYFA NO

Deney 1. Laboratuar Güvenliği

3

Deney 2. Sıcaklık ve basınç ölçme

17

Deney 3. Spektroskopik Spektroskopik yöntemler

36

Deney.4 Akan akışkanların ölçülmesi

43

Deney 5. Akışkanlarda sürtünme

62

Deney 6. Akışkan karıştırma ve güç tüketimi

71

Deney 7. Isı değiştirici

86

Deney 8. Viskozite-yoğunluk 

99

Deney 9. Isıl iletkenlik 

115

Deney 10. Kondüktome K ondüktometrik trik ve potansiyometrik potansiyometrik titrasyon t itrasyon

124

Deney 11. Elek Analizi

133

Rapor Örneği

138

Kimya Müh. Laboratuarı İçin Uygulacak Kurallar

142

Deney Listesi ve Düzeni

143

2

DENEY NO:1. LABORATUVAR GÜVENLİĞİ UYARI Bu kitapçıktaki bilgiler güvenilir ve bu konu üzerinde en doğru olduğuna inanılan kaynaklardan yararlanılarak hazırlanmıştır. Bu rehber kimya laboratuvarlarında güvenli çalışmalar için temel kuralları sağlamayı amaçlamaktadır. Bu dokümanın gerekli bütün uyarı ve önlemleri içerdiği veya başka ve ek bilgilerin ve önlemlerin gerekli olmayacağı düşünülmemelidir. ÖNSÖZ Bu kılavuz öncelikle kimya ve kimya mühendisliği laboratuvarlarında çalışacak öğrenciler için hazırlanmıştır. Bu kitapçıktaki bilgileri öğrenmeniz önemle önerilir. Önerilen bu kurallara uymak sizi olası ciddi kazalardan ve yaralanmalardan koruyacaktır. Öğreniminiz sırasında, laboratuvar çalışmalarında edindiğiniz bu alışkanlıklar bütün kariyeriniz boyunca sizinle birlikte olacaktır. Bu kitapçıkta bahsedilen konuların hepsi çalışmalarınız esnasında karşınıza çıkmayabilir. Ancak bu bilgiler ilerde yararlı olabilir. Bu kitapçık öğreniminiz sırasında karşınıza çıkabilecek her konuyu ve durumu kapsamak üzere hazırlanmamıştır. Umuyoruz ki burada verilen kurallarla, dersi veren veya çalışmalarınızı yönlendiren hocalarınızın yardımıyla ve sizlerin mantıklı duyarlılığınızla laboratuvar çalışmalarınız güvenli deneyimler olacaktır. Rehberin içeriği hakkındaki, önerilerinizi veya eklenmesi gerektiğine inandığınız konuları laboratuvar sorumlularına iletirseniz seviniriz.

3

2. KİMYA LABORATUVARLARINDA LABORATUVARLARINDA GÜVENLİK 2.1.Genel Kurallar 1- Laboratuvarda hiçbir zaman el kol şakalaşması yapılmamalı ve oyun oynanmamalıdır. 2- Laboratuvarda çalışıldığı sürece gözü koruyucu bir cihaz (gözlük, yüz maskesi gibi) takılmalıdır. 3- Daima altı düz, yüzey üzerinde kaymayan ayakkabı ve önlük giyilmelidir. 4- Tehlike anında kullanılması gerekebilecek cihazların yeri ve kullanılışı öğrenilmelidir. Örneğin güvenlik duşu, yangın söndürücüsü, çıkış kapıları. Yangın alarmı ve ilk yardım çantası. 5- Laboratuvarda hiçbir zaman koşulmamalıdır. 6- Geçiş bölgeleri engel teşkil edecek şeylerden arındırılmalıdır. 7- Palto, ceket, çanta vs. gibi şeyler laboratuvar tezgâhlarının üzerine veya yanına konulmamalıdır. 8- Laboratuvarda yemek, içmek ve cam laboratuvar malzemesini bu amaçla kullanmak tehlikeli ve yasaktır. 9- Deneye başlamadan önce bütün kurallar ve deney föyü dikkatle okunmalıdır. Anlamadığınız hususlar sorularak öğrenilmelidir. 10- Lisans öğrencilerinin izinsiz deney yapması yasaktır. 11- Deneyinizin Deneyinizin başından hiçbir nedenle ayrılmamanız gereklidir. 12- Bütün kazaları dersin hocasına veya danışmanınıza derhal bildirmelisiniz. 13- Sıvı dökülen yerleri ve şişe kenarlarını hemen siliniz. 14- Zehirli buharları ve gazları içinize çekmekten kaçınınız. Bu tür maddelerle çalışırken çeker ocakları kullanınız. 15- Deney düzeneğini daima tezgâhın gerisine doğru bir yere kurunuz. Böylece herhangi bir nedenle yerinden oynayıp üzerinize veya yere düşmesi önlenmiş olur. 16- Laboratuvar çalışması sonunda düzeneği ve çalışma alanını temiz bırakınız. 17- Kimyasal maddeleri hiçbir zaman laboratuvar dışına çıkarmayınız. 18- Laboratuvar dahilinde kesinlikle sigara içmeyiniz

4

19- Kullanılan kimyasal maddelerin alev alabilirliği, reaktifliği, korozifliği ve toksikliği hakkında bilgi edininiz. 20- Laboratuvar çalışmaları sırasında uzun saçlar toplanmalı ve sarkan giysiler giyilmemelidir. 21- Pipetleri ağzınızla kullanmayınız ve sifon maksadıyla ağızla sıvı çekmeyiniz. 22- Laboratuvarda yalnız çalışmamaya gayret ediniz. Bunun mümkün olmadığı durumlarda yakınınızdaki laboratuvarlarda çalışanları ve/veya bina güvenlik görevlisini yalnız olduğunuz konusunda uyarınız.

2.2. Göz koruması Deney yapılan bir kimya laboratuvarında çalışan her öğrenci, hoca, danışman ve ziyaretçi muhakkak göz koruyucu bir cihaz takmalıdır. Kimyasal maddelerle çalışan kişilerin takması gerekli göz koruma cihazı gözü hem sıçrayan kimyasal maddelerden hem de uçan parçacıklardan (örneğin kırık cam parçaları) koruyacak nitelikte olmalıdır. Bu şartları sağlayan minimum göz koruması yanları hava alabilecek şekilde kapalı gözlüktür. Yüzü ve boyunu da korumak amacıyla gözlüğün üzerine bir yüz maskesi de takılabilir.

2.3. Yangın ve Patlamalar Yangın, bir kimya laboratuvarında karşılaşılabilecek en büyük tehlikelerden biridir. Hemen hemen bütün organik çözücülerin buharları alev alıcıdır. Bu buharların alev almasını önlemek için bütün organik çözücüler kapalı kaplarda muhafaza edilmeli ve açık alevden, ısıtıcılardan ve elektrik kıvılcımlarından uzakta tutulmalıdır. t utulmalıdır. Kendi güvenliğiniz için sarkan giysiler giymekten, mücevher takmaktan kaçınınız ve omuz hizasından uzun saçları toplayınız. Sentetik yerine pamuklu giysileri tercih ediniz. Sentetik kumaşlar çok çabuk yanar ve deriye yapışır. Daima en yakın yangın söndürme cihazının yerini ve kullanımını öğrenmeyi ihmal etmeyiniz. Yangından Korunmak için Uyulması Gerekli Kurallar

5

1. Laboratuvarda kesinlikle sigara içmeyiniz. 2. Alev alıcı sıvılardan kullanacağınız kadarını deney ortamında bulundurunuz. 3. Deney düzeneğinizi kurarken musluğu, gaz vanalarını ve elektrik düğmelerini açmak için düzeneğin üzerinden veya arasından uzanmak zorunda kalınmamasına dikkat ediniz. 4. Cihazınızı kurarken kontrol vanalarının ve açma-kapama düğmelerinin bir yangın anında kolayca ulaşılabilecek konumda olmasına dikkat ediniz. ediniz. 5. Yakınınızda yapılmakta olan o lan deneylerden haberdar olunuz. 6. En yakın çıkış kapısının, yangın söndürücüsünün, güvenlik duşunun ve yangın alarmının yerini öğreniniz. 7. Eğer giysileriniz ateş alırsa, güvenlik duşunu kullanın veya yerde yuvarlanarak ateşi söndürmeye söndürmeye çalışınız. Asla koşmayınız. 8. Bir yangın veya patlama sonucu oluşan gaz ve dumanı içinize çekmekten kaçınınız. Bir yangın veya patlama anında aşağıda belirtildiği gibi hareket ediniz 1. Binanın boşaltılması için derhal yangın alarm düğmesine basınız. Eğer yakında bir yangın alarmı yoksa etraftaki personeli binayı boşaltmak üzere uyarınız. 2. Binadan ve yakın çevresinden uzaklaşınız. 3. En yakın telefondan itfaiyeye haber veriniz. 4. İtfaiye gelince yangının yerini onlara bildiriniz. 5. Yetkili kişilerce izin verilmedikçe yangın bölgesine yaklaşmayınız. YANGIN İHBAR tel: 110  Not : Eğer yangın ufak çapta ise laboratuvardan sorumlu kişi bir başkasını yangını haber vermek üzere görevlendirdikten sonra, diğer personel bölgeyi terk ederken yangını söndürmeye söndürmeye çalışılabilir.

2.4. Cam Eşya Kullanımı Laboratuvarlarda kullanılan cam malzeme çabuk kırılabildiğinden yaralanmalara meydan vermemek için dikkatle kullanılmalıdır. 1. Cam borular ve tüpler açıklandığı şekilde kırılmalıdır.

6

Üçgen bir eğe ile tek vuruşta cam çizilir. Çizik nemlendirilir ve elleri korumak için camın etrafına bir havlu sarılır. Her iki elin başparmakları çiziğin iki yanına yerleştirilir ve  bastırılarak eller iki yana yana doğru çekilir. Kırılan uçlar alevde alevde düzeltilir. 2. Alevde cam uçları yuvarlatılırken veya cam borular eğilirken sıcak camı koyduğunuz yere dikkat ediniz. Soğumadan cama dokunmayınız veya başka bir kişiye tut ması için uzatmayınız. 3. Tüplere kauçuk tıpalar açıklandığı şekilde takılır. t akılır. Cam tüpün ağzına uygun bir tıpa seçiniz. Tüpü ve deliği gliserin veya su ile nemlendiriniz ve elleri korumak için bir havluya sarınız. Tıpayı baş ve işaret parmakları arasında tutarak hafifçe döndürmekte olduğunuz tüpe yerleştiriniz. yerleştiriniz. Eğer tüp ve tıpa uzun süre kapalı olarak birlikte durmuş ise tıpayı çıkartmak kolay olmayabilir. Daima tüpü bir havluya sararak elleri koruyunuz. Bir spatulanın ucunu deliğe  paralel olarak sokmaya çalışarak içeriye biraz hava girmesi sağlanabilir. Bir hava deliği oluşturulduktan sonra suya tutularak nemlenmesi sağlanır. Cama basınç uygulamaktan daima kaçınınız. Eğer bu metotla tıpayı çıkartmakta güçlük çekerseniz görevli kişiden yardım isteyiniz. 4.

Termometre

gibi

yuvarlanabilecek

cam

eşyalar

laboratuvar

tezgahı

üzerine

yuvarlanmalarını önleyecek şekilde konulmalıdır. 5. Vakum filtrasyonu için kullanılan erlenlerin kalın camdan yapılmış olmasına ve çatlak olmamasına dikkat edilmelidir. Parçalar sökülmeden önce aletin her tarafında vakumun  boşaltılmış olması gerekir. gerekir. 6. Kırılan camlar derhal süpürülmeli ve dikkatle uygun bir sekilde atılmalıdır. at ılmalıdır.

2.5. Kimyasal Madde Kullanımı Bir kimyasalı kullanmadan önce öğrenciler kesinlikle o maddenin özellikleri ve tehlikeleri hakkında bilgi edinmelidir.

7

Hemen hemen bütün kimyasal maddeler bir dereceye kadar insan sağlığına zararlıdır ve insan vucuduna değişik yollarla girebilir. En çok rastlanılan solunum yolu iledir. Kimyasal maddelerin buharlaşması havadaki derişimi her zaman düşük seviyede olsa bile uzun vadede sağlığa zararlıdır. Kimyasalların vücuda girebileceği ikinci yol deri yolu iledir. Kimyasallar insan vücuduna açık bir yaradan veya direkt olarak derideki gözeneklerden girebilir. Üçüncü  bir yol ise gözdür. Göze sıçrayabilecek sıçrayabilecek kimyasallar sadece göze zarar vermekle kalmayıp oradan vücudun diğer kısımlarına da geçebilir. Son olarak, kimyasallar ağız yolu ile vücuda girebilir. (Örneğin, kimyasal maddelere bulaşmış ellerin ağza sürülmesi veya laboratuvarda yeme içme ve sigara içme esnasında.) Bu zararlardan kaçınmak için aşağıdaki kurallara uyulmalıdır: 1- Uçucu kimyasalları mümkün olduğu kadar kapalı kap ve şişelerde tutunuz ve çeker ocakta çalışınız. Hiç bir zaman burnunuzu içinde uçucu bir kimyasal bulunan bir kabın direkt üzerine yaklaştırmayınız. Bir maddeyi koklamak istiyorsanız, ciğerlerinizi hava ile doldurduktan sonra buharını hafifçe koklayınız. 2- Kuru buz düşük sıcaklığından ve boğulmaya neden olduğundan tehlikelidir. Kuru buz veya kuru buzda saklanan şeylerle çalışırken daima maşa veya eldiven (deri veya yalıtılmış) kullanınız. Başınızı hiçbir zaman kuru buz ile dolu olan bir kaba sokmayınız. Böyle bir kap karbondioksit karbondioksit gazı ile dolu do lu olacağından derhal boğulmaya boğulmaya neden olabilir. 3-Laboratuvarda çalışırken daima güvenlik gözlüğü takınız. Eğer göze bir kimyasal madde sıçrarsa gözün 15 dakika süre ile akan su ile yıkayınız ve hemen bir doktora görününüz. 4-Cilde kimyasal madde sıçraması halinde bol su ile yıkanmalıdır. Eğer, cilt tahriş olmuş ise veya ağrı varsa doktora başvurulmalıdır. başvurulmalıdır. 5-Eğer ellerinizde kesikler veya açık yaralar yaralar varsa kimyasallarla kimyasallarla çalışırken eldiven giyiniz. g iyiniz. 6-Laboratuvarda yüzünüze dokunmadan önce elleri su ve sabun ile yıkayınız. Laboratuvarı terk ederken de aynı şekilde ellerinizi iyice yıkayınız. 7-Kimyasalların tadına asla bakmayınız. bakmayınız. 8

8-Asidi, suya azar azar karıştırarak ilave ediniz. Kesinlikle asidin üzerine su ilave etmeyiniz. 9- Kimyasalları bir kaptan ötekine aktarırken yeni kabı etiketlemeyi et iketlemeyi unutmayınız. unutmayınız. 10-Bir kimyasal şişesinin kapağı veya tıpası şişeden kimyasalı boşaltma esnasında havadan  başka hiçbir şeye temas ettirilmemelidir. Şişenin çeperine bulaşan kimyasallar şişe rafa kaldırılmadan önce yıkanarak temizlenmelidi te mizlenmelidir. r. 11-Hiçbir zaman şişesinden alınan ama kullanılmayan kimyasalları tekrar şişesine geri koymayınız. 12- Kimyasal atıkları daima uygun bir şekilde atınız. Bütün atık çeşitlerinin ayrı ayrı uygun kaplarda depolanmasına dikkat ediniz. 13-Ne olduğu kabında belirtilmeyen kimyasalları kullanmayınız. Bu tür kaplar görevli kişiye ne olduğunun anlaşılması veya uygun bir şekilde atılması için verilmelidir. 14-Zararlı gazlar oluşturacak veya yangın ve patlamalara sebep olacak şekilde reaksiyona girebilecek kimyasallar birbirlerinden uzakta muhafaza edilmelidirler. 15-Etrafa saçılan veya dökülen bütün kimyasallar derhal temizlenmelidir. Asit dökülmeleri sodyum bikarbonatla nötralize edilmelidir. Bazik dökülmeler borik asit veya seyreltik asetik asitle nötralize edilmelidir. Bütün kimyasal dökülmeleri laboratuvardan sorumlu kişiye derhal haber verilmelidir. Eğer uçucu, yanıcı veya toksik maddeler dökülürse alev alma halinde hemen söndürülmeli ve bütün kıvılcım oluşturabilecek o luşturabilecek cihazlar cihazlar kapatılmalıdır. 16-Cıva daima lavabolardan ve kanalizasyon deliklerinden uzakta tutulmalıdır. Etrafa civa saçılması halinde derhal rapor edilmeli ve bir cıva toplama süngeri veya şırıngası ile toplanmalıdır. Daha sonra gözden kaçmış olan cıva parçacıklarının buharlaşmasını azaltmak için saçılan bölgeyi kükürt tozu veya bu amaçla üretilmiş başka bir ticari ürün varsa onunla kaplayınız.

9

17-Hidroflorik

asit

laboratuvar

sorumlusunun

direk

denetimi

altında

olmadan

kullanılmamalıdır. Vücuda bulaştığı takdirde derhal tıbbi müdahale için doktora  başvurulmalıdır. 18-Perkloratlar veya perklorik asit patlayıcı olduğundan laboratuvar sorumlusunun direkt denetimi altında olmadan o lmadan kullanılmamalıdır. 19-Radyoaktif maddeler laboratuvar sorumlusunun direkt denetimi altında olmadan kullanılmamalıdır. Kimyasal Atıklar Hiçbir kimyasal madde lavaboya, kanalizasyon deliklerine veya çöp tenekelerine dökülmemeli veya atılmamalıdır. Kimyasal atıklar uygun kaplarda toplanmalı, etiketlenmeli, üzerine tarih koyulmalı ve uygun bir şekilde işlenmek üzere yetkililere teslim edilmelidir. Bir laboratuvardaki kimyasal atıkların uygun şekilde atılması o laboratuvarda çalışan bütün  personel ve öğrencilerin sorumluluğu altındadır. Lavabolara dökülecek toksik maddeler  başkalarının sağlığına zarar verecek sonuçlar doğurabilir, içme suyuna karışabilir veya içme suyu elde etme havzalarındaki bakterileri öldürebilir. Toksik atıklar uygun kaplarda depolanmalı ve ondan sonra ya içindeki maddeleri kazanmak üzere işlenmeli ya da onaylanmış bir atık alanına gömülmelidir. Genel bir kural olarak, laboratuvarlarda atıklar aşağıdaki şekilde atılmalıdır: 1. Kuru kimyasal maddeler toprak t oprak veya seramik kaplarda toplanmalıdır. 2. Her türlü kağıt, ilgili kaplara atılmalıdır. 3. Ağır metallerin veya veya diğer toksik maddelerin maddelerin sulu çözeltileri şişelerde toplanmalıdır. toplanmalıdır. 4.Çok gerekmediği taktirde asitler ve bazlar, lavaboya dökülmemeli, ilgili kaplara konulmalıdır. 5. Organik çözücüler şişelerde toplanmalıdır. Halojene edilmiş çözücüler, halojene edilmemiş çözücülerden ayrı olarak şişelenmelidir.

10

Sıkıştırılmış Gazlar Sıkıştırılmış gaz silindirleri 1000 atmosfer ve daha yüksek basınçta gaz (veya bazende sıvı) içerirler. Bu silindirlere muhtemelen patlayıcı maddeler olarak muamele edilmelidirler. Sıkıştırılmış gazların kullanımı, eğer silindirler doğru bir şekilde kullanılırsa ve gazlarda talimatlara uygun olarak silindirlerden boşaltılırsa güvenlidir. güvenlidir. 1. Silindirlerin birbirine çarpmasına veya yere düşmesine izin vermeyiniz. 2. Büyük silindirler uygun taşıyıcıla t aşıyıcılarr kullanmadan ku llanmadan yerinden oynatılmamalıdır. oynatılmamalıdır. 3. Silindirler gerek kullanılırken gerekse depo edilmeleri esnasında bir duvara veya laboratuvar tezgâhına kemer veya zincir ile bağlanarak sabitleştirilmelidir. 4. Silindirler ısı kaynaklarından uzakta muhafaza edilmelidirler. 5. Oksitleyici ve redükleyici gazlar birbirlerinden uzakta muhafaza edilmelidirler. 6. Basınç regülâtörü takılı olmadığı zamanlar, valf koruma kapağını daima silindire takılmalıdır. 7. Silindir valflarında yalnızca iki ağızlı düz anahtar kullanılmalıdır. 8. Bütün silindirlerin üzeri içeriği hakkında etiketlenmelidir. 9. Alev alıcı gazların silindirleri üzerindeki valflar topraklanmış olmalıdır. 10.Silindirde çok az miktarda bir basınç bırakılmalıdır aksi takdirde yabancı maddeler içeri emilerek patlayıcı bir karışım oluşturabilirler. (ASLA BİR SİLİNDİRİ TAMAMEN BOŞALTMAYINIZ) 11. Boş silindirler üzerine tarih atılarak "BOŞ" olarak etiketlenmelidir. Regülatör silindirden sökülmeli ve valf koruma kapağı takılmalıdır. En kısa zamanda laboratuvardan kaldırılmalıdır. 12.Asla boş bir silindiri kendiniz doldurmaya kalkışmayın. 13. Değişik gazlar ihtiva eden silindirler arasında regülatör valfı veya boru değiş tokuş etmeyiniz. 14.0ksijen silindirleri özel yağsız valf, boru ve regülatörlerle kullanılır. Patlamaları önlemek için sadece bu tip bağlantılar kullanılması oksijen silindirleri için şartt ır.

11

2.8.Kaynaklar 1. Dittmar A., A. P. Imad, Safety Manua/ for The Academic Chemistry Laboratory, University University of Colorado, Boulder Boulder y;ayını, ,1983 . American Chemical 2. Safety in Academic Chemistry Laboratories, A Publication of the American Society, Committeee Committeee on Chemical Safety, Third Edition, Edition, 1979.

3. Kocasoy, Günay, Doç. Dr.,  Laboratuvar/arda A/macak Emniyet On/em/eri, TMMOB Kimya Mühendisleri, Odası Istanbul Şubesi Yayını, 1990.

4. Purdue Chemical Hygiene Plan and Hazardous Materials Safety Manual, Purdue University, University, Radiological and Environmental Management Dept., 1991.

5. Kimyasal Hijyen Planı, İstanbul Teknik Üni.Kimya Metalurji Fak.,2003.

12

 EK-1

13

 EK-1 devam

14

 EK-2

EK-2

15

EK-2

16

DENEY NO :2. SICAKLIK VE BASINÇ ÖLÇME 1. SICAKLIK ÖLÇÜM ALETLERİ VE TEKNİKLERİ Sıcaklık, en fazla ölçülen ve kullanılan mühendislik girdisidir. Sıcaklığı atom ve molekül hareketlerinin

kinetik

enerjisinin

makro

dünyaya

yansımasının

ölçümü

olarak

tanımlayabiliriz. Temel olarak iki sıcaklık s ıcaklık ölçeği (skalası) kullanılır. Bunlardan Anders Celcius (1701-1744) tarafından tanımlanmış sistemde 1 atmosfer (1.01325  bar) basınçta suyun kaynama noktası 0, donma donma noktası 100 olarak tanımlanmş, daha sonra Carrolus Linneaeus(1707-1778) bu ölçeği tersine çevirmiş ve 1 atmosferdeki suyun donma noktasını 0 ve kaynama noktasını 100 olarak değiştirmiştir. Bu ölçüm sistemi günümüzde derece Celcius ( 0C) olarak adlandırılır. Alman fizikçi Gabriel D. Fahrenheit (1686-1736) tarafindan ortaya atılan, vücut sıcaklığını 100 kabul eden ve suyun bir atmosferdeki at mosferdeki donma noktasıyla noktasıyla kaynama noktası arasını 180 eşit  parçaya bölen ölçeğide halen kullanılmaktadır. Bu skalaya skalaya derece Fahrenheit Fahrenheit (F) adı verilir. Bu skalada suyun 1 atmosferde donma noktası 32 F’ye eşittir. Mühendislik uygulamalarında genellikle atom ve moleküllerin kinetik enerjisinin sıfırlandığı nokta ölçüm için baz alınır. Bu noktanın derece Celciusa karşı gelen degeri -273.15 dir. Bu noktadan başlayan derece Celciusla aynı büyüklükte giden ölçek derece Kelvin (K) olarak adlandırılır. Fahrenheit ölçeğinde aynı nokta -459.67 derece Fahrenheit'e karşı gelir. Bu noktadan başlayan ve derece Fahrenheit büyüklüğüyle giden ölçeğede derece Rankine (R) adı verilir. Bu dört ölçek ö lçek birbirlerine dönüştürülebilir. dönüştürülebilir. TC = TK  – 273,15

(1)

TR = TF – 459.67

(2)

TR =1.8 TK  

(3)

TC = (TF – 32)/1.8

(4)

TF =1.8 TC + 32

(5)

Uluslararası Temel Standartların (SI) sıcaklık ölçüm birimi derece Kelvin’dir, fakat özellikle sıcaklık farkları belirtilmesind belirt ilmesindee derece Celeius da kullanılır. 17

Modern mühendislikte hassas sıcaklık ölçümleri yapabilmek için hassas standartlara gereksinim vardır. Bu standart referans sıcaklıkları 1990 uluslararası sıcaklık ölçeği (ITS-90) da tanımlanmıştır. Bu tanıma göre çeşitli maddelerin üçlü noktaları (katı, sıvı ve gaz fazlarının aynı anda bulundugu noktalar) veya 1 atmosferdeki ikili noktaları (katı ve sıvı fazlarının aynı anda bulunduğu noktalar) tanımlanmıştır. Bu tanımlar ve sıcaklık eşdeğerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Sıcaklık ölçümleri için kullanılan başlıca metotlar şunlardır; 1. Cam içinde sıvılı ve gazlı termometreler ter mometreler 2. Bimetalik termometreler 3. Elektrik dirençli termometreler 4. Termoelektrik termometreler (term (t ermocouple'lar) ocouple'lar) 5. Radyasyon Radyasyon termometreleri t ermometreleri,,  bu metodlara kısaca kısaca bir göz atalım;

18

Cam içinde sıvılı ve gazlı termometreler Cam içindeki sıvılardan yararlanarak sıcaklık ölçme, sıcaklık ölçümlerindeki en eski t ekniktir. Bu termometreler sıvının depolandığı bir sıvı kanalıyla basıncı tamamen alınmış mikroskobik  bir borudan oluşur. Sıcaklığın değerinin değişmesiyle mikroskobik mikroskobik borudaki sıvı seviyesi lineer bir şekilde değişir. Bu tür termometrelerin kullanılmasında termometrenin ne kadar bir kısmının ölçüm yapılacak sistemin içinde olması o lması gerektiği önemlidir. Hassas termometrelerde  bu değer genellikle termometrenin üzerinde yazar. yazar. 1 mm den başlayıp bazı termometreler için termometrenin tamamının ölçü ortamı içinde olması gerekebilir. Gazlı termometreler gazın  basıncının sıcaklığın sıcaklığın fonksiyonu olarak değişmesini değişmesini esas alır. alır. Tüpün içindeki gazın basıncı bir  basınç ölçer ölçer aracılığıyla ölçülür. Basınç ölçer ölçer direkt olarak sıcaklık sıcaklık skalasına da ayarlanabilir. ayarlanabilir.

Bimetalik termometreler Bimetalik termometreler değişik metallerin ısıl genleşmelerinin değişik olması prensibine dayanır. Üst üste yapıştırılmış iki metal değişik ısıl genleşmeden dolayı sıcaklığın fonksiyonu olarak eğilir. Sıcaklığın fonksiyonu olan eğilimin ölçülmesi, sıcaklık değerini tespit edilmesinde kullanılır.

Elektrik dirençli termometreler Elektrik dirençli termometreler, genel olarak iki ana gurupta toplanabilirler. Birincisi direnç sıcaklık detektörleri (RTD), diğeri ise termistörlerdır. RTD metodu genelde metallerin direncinin sıcaklıkla değişmesi ve saf metaller için bu değişimin tam olarak bilinmesine

19

dayanır. Bir saf metal telin referans sıcaklıktaki (T 0) direnci (R 0) biliniyorsa, T sıcaklığındaki direnci:

formülüyle verilir. Burada α, β, malzemeye bağlı sabitler olup tablolar halinde verilmiştir. Belirli bir sıcaklıkta R değeri ölçülerek bulunur ve sıcaklık polinomum çözülmesinden elde edilir. Eğer çok fazla bir hassasiyete gerek yoksa polinomun sadece ilk lineer terimi de kullanılabilir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta, devrede kullanılan tüm tellerin belirli bir direnci olduğu ve bunlar göz önüne alınmazsa rahatlıkla hata yapılabileceğidir. Bu hataları minimize etmek için çesitli köprü devreleri kullanılır. Termistörlar (Thermally sensitive resistors = ısıya duyarlı dirençler) genellikle seramikten yapılmış yarı iletken malzemelerdir. Termistörlerın dirençleri

formülü ile değişir. Bu denklemdeki β katsayısı da sıcaklık ve malzemenin fonksiyonudur. Genellikle 3500 K - 4600 K arasında değişir. β degeri genellikle imalatçı tarafından verilir ve küçük bir sıcaklık bölgesi için sabit olarak kabul edilebilir. Daha hassas ölçümler için β değerinin sıcaklığın fonksiyonu olarak, değeri denkleme ilave edilmeli ve non-lineer denklem sistemi çözülmelidir. Termistörlarda genel olarak direnç değişimi RTD'ler ile kıyaslandığında oldukça büyüktür. Direnç termometreleriyle oldukça hassas ölçüm yapmak mümkündür. Bu yüzden kalibre termometreleri olarak yaygın yaygın bir şekilde kullanılırlar.

Termoelektrik Termoelektrik termometreler Termoelektrik termometreler genelde ısıl çift (termocouple) adıyla adıyla anılırlar ve ve en yaygın yaygın olarak kullanılan sıcaklık ölçüm cihazlarıdır. Isıl çift, iki değişik malzemeden yapılmış tellerin, iki ucundan ucu ndan bağlanmasına dayanır. dayanır. Thomass Johann Seebeck (1770-1831) bu iki telin t elin  bağlantı noktalarının değişik sıcaklıktaki ortamlara ort amlara sokulduğunda telden bir akımın geçtiğini  bulmuştur. Bu olaya Seebeck etkisi adı verilir. Tellerin bir ucu standart bir referans noktasında (ömeğin su buz karışımında) tutulursa, devrenin voltaji belirli bir tel çifti için direkt olarak sıcaklığın fonksiyonudur. fonksiyonudur.

20

Amerikan Ulusal Standartlar Enstitüsü (The National Institute of Standards = NIST) standart termocouple malzemeleri ve imal usulleriyle ilgili standartlar yayınlamıştır. Bu standartlara göre oluşturulmuş tellerin vereceği elektron motor kuvveti (emf) değerleri bilindiğinden ucuz sıcaklık ölçüm sistemleri geliştirilebilmiştir. Başlıca standart ısıl çiftleri Tablo 2. de verilmiştir. Bunlara karşi gelen standart voltajlarda (0

0

C referans değeri) Sekil 4. de

görülmektedir. Thermocouple seçiminde dikkate alınması gereken kriterler kriter ler şunlardır.

• Sıcaklık aralığı • Kimyasal direnci ya da kılıf maddesi • Aşınma ve titreşim direnci • Yüklenme şartı

21

Isıl çift ile sıcaklık ölçümleri için el tipi veya laboratuvar tipi çesitli ölçüm ve kontrol cihazları geliştirilmiştir. Bu cihazların çoğunda ya sabit sıcaklık referans noktaları bulunur ya da termistör tipi bir direnç termometresiyle ortam sıcaklığını ölçüp referans sıcaklığı olarak kullanır. Bu tip araçların ucuz olması, genellikle kalibre edilmeden kullanılmalarına yol açmaktadır. Her mühendislik ölçüm aletinde olduğu gibi el tipi ısıl çiftlerin de kalibre edilmeleri gerekir. Diğer önemli bir nokta da bu tip el cihazlarının içine girilen voltaj vo ltaj-sıcaklık -sıcaklık eğrileri genelde belli bir sıcaklık bölgesi içindir. Bunun dışında ölçüm yapılacak olursa bu cihazlar çok yanlış sonuçlar verebilir.

Radyasyon (Işıma) termometreleri Radyasyon, Radyasyon, elektromany elektro manyetik etik dalgaların bir cismin yüzeyinden yayınımıdır. Radyasyonun hem dalga hem de parçacık özelliği gösterdiği söylenebilir. Bir radyasyon kaynağından yayılan enerji, yüzeyin dalga boyu, yüzey karakterleri ve sıcaklığın fonksiyonudur. Radyasyon yardımıyla sıcaklık ölçümü genelde radyasyon kaynağından çıkan enerjinin saptanmasına  bağlıdır. İdeal siyah bir yüzey (belirli bir sıcaklıkta maksimum radyasyon radyasyon yayan yüzey) belirli  bir dalga boyunda boyunda Max Plank (1858-1947) (1858-1947) tarafindan geliştirilen geliştirilen

denklemine göre enerji yayar. Buradaki ; E bλ toplam, λ dalga boyunda yayılan ideal siyah yüzey enerjisi enerji miktarı, λ dalga boyu, c, ses hızı =2.988* 10 8 m/s

22

h p, Plank sabiti = 6.6256*10 -34 J-s/molekül k  b, Boltzman sabiti = 1.3805* 10 -23 J/(K molekül) eğer bu denklem tüm dalga boyları için integre edilirse ideal siyah yüzeyin tüm dalga  boylarında yayabileceği yayabileceği tolam enerji enerji çıkar.

Burada σ Stefan-Bolzman sabiti adını alır ve degeri 5.67*10 -8W/(m2K 4) e eşittir. Bizim ısı enerjisi olarak algıladığımız dalga boyları bo yları genelde sadece 10 -1 den 10 2μm

civarındadır. Gerçek yüzeyler ideal siyah yüzeye göre daima daha az radyasyon yayarlar. Gerçek yüzeyin yaydığı radyasyonun ideal siyah yüzeyin yaydığı radyasyona oranına emisivite adı verilir. Yani

23

Buradaki ελ  λdalga boyunda yayılan enerjinin ideal siyah yüzey enerjisi enerji miktarına oranıdır. ελ dalga boyunun fonksiyonudur. Buradaki E tüm dalga boylarında yayılan toplam enerjinin ideal siyah yüzey tarafından tüm dalga boylarında yayılan enerji miktarına oranıdır. E dalga boyunun fonksiyonu değildir. Sadece yüzeyin bir parametresidir. Bu bilgilerin ışığı altında radyasyon termometrelerinin çalışma prensibini anlayabiliriz. Eğer belli bir yüzeyden  belli bir dalga boyunda veya dalga boyu spektrumunda (örneğin ısı enerjisi spektrumunun tamamı veya bir kısmında), ya da toplam olarak bütün dalga boyu spektrumunda gelen radyasyon enerjisini ölçebilirsek ve yüzeyin emisivite değerini biliyorsak veya ölçebiliyorsak o yüzeyin sıcaklığını 8. ve 10. eşitlikler yardımıyla hesaplayabiliriz. Eğer sadece belli bir dalga boyu aralığına bakıyorsak 8. in dalga boyu için entegrasyonu sadece bu dalga boyu için yapılır. Bu entegrasyon genelde tablolar ve bilgisayar programı yardımıyla hesaplanır. Yüzeye gelen enerji miktarının ölçülmesi yüzeye gelen fotonlara duyarlı ve gelen fotonların çarpmasıyla elektrik enerjisi üreten yarı iletken hücreler yardımıyla yapılır. İnfrared  bölgesinde ölçüm yapan hücreler soğutularak enerji ölçme kapasiteleri k apasiteleri arttırılır. art tırılır. Bu metodun en büyük avantajı, ölçüm yapılacak yüzeye direk temas gerekliliğini ortadan kaldırmasıdır. Elektromanyetik radyasyona hassas hücrelerden oluşturulan bir matris ağıyla bu ölçüm yapılırsa sadece bir noktanın değil, bir yüzeyin sıcaklık haritası çıkarılabilir. Bu tür aygıtlara ısıl (termal) kamera adı verilmektedir.

2. BASINÇ ÖLÇÜM ALETLERİ ve TEKNİKLERİ TEKNİKLERİ Temel anlamda basınç, birim yüzey alanına gelen kuvvet olarak tanımlanabilir. Basınç birimi kuvvet/yüzey kuvvet/yüzey olacağın o lacağından dan Newton/m 2 = (kg*m/s2)/m2= N/m2 dir. Bu birim özel olarak Pascal (Pa) olarak adlandırılır. Pa çok küçük bir basınç birimi olduğundan genellikle katları kiloPascal (kPa), MegaPascal (MPa) ve bar (105 Pa) kullanılır. Bizim yaşadığımız ortam dünya yüzeyidir. Atmosfer kalın bir gaz tabakası olduğundan temas ettiği yüzeylere belli bir  basınç uygular. Bu yüzden yüzden biz basıncı ya mutlak değer olarak ya da atmosfer basıncına göreceli olarak ölçeriz. Toplam basınç değerine mutlak basınç, bir basınç ölçerden atmosfer  basıncına göreceli göreceli olarak ölçtüğümüz ölçtüğümüz basınca da alet basıncı basıncı (ölçüm basıncı) basıncı) adı verilir.

24

Mutlak Basınç = Alet (Gösterge) Basıncı + Atmosfer At mosfer basıncı Standart atmosfer basıncı 101.325 kPa'dir. Hassas olmayan ölçümlerde bu değer atmosfer  basıncı olarak o larak kullanılabilir. Elbette ki mutlak basıncı ölçmek ö lçmek için ayrıca atmosfer basıncını da ölçmek gerekir. Atmosfer basıncını ölçtüğümüz aletlere genel olarak barometre, atmosfere göre göreceli sistem basıncı ölçtüğümüz aletlere manometre adı verilir. Sekil 5 ve 6 civalı  barometre ve sıvılı manometreyi manometreyi göstermektedir.

Sıvılı manometreler ve barometreler, manometrenin iki u kolundaki toplam kuvvetlerin eşit olması prensibine dayanarak çalışırlar. Örneğin şekil 5 de gösterilen manometrenin sağ ve so l kolu için su kuvvet eşitliğini yazabiliriz:

Bu denklemde γ= pg, g = 9.81m/s 2 yerçekimi sabiti, ρ, özgül ağırlıktır. Sıvı tipi barometreyi ise bir tarafı sıvının buharlaşma basıncında gaz fazı bulunan diğer tarafı ise atmosfere açık bir manometre olarak düşünebiliriz. Bu yüzden bu tip bir barometrede atmosfer basıncı:

25

formülüyle hesaplanabilir. Sekil 7 de görülen manometrede bir kol açıyla yerleştirilmiştir. Burada gaye çok küçük basınç değişimlerini kolaylıkla okuyabilmektir. Sıvıların dökülebilme olasılıkları bu tip manometrelerin günümüzde fabrikalarda kullanılmasının sınırlamıştır.

Bugün fabrikalarda basınç ölçümünde en fazla görülen manometre türü Bourden tipi borulu manometrelerdir. Bu manometrelerde bir ucu kapalı, dairesel eğim verilmiş bir boru bulunur. Basınç uygulandığında bu boru açılmaya çalışarak hareket eder. Bu hareket yay ve dişliler yardımıyla bir gösterici ekrana taşınır. Sekil 8 de bourden tipi bir manometre görülmektedir.

26

Bourden tipi manometreler hem kullanışlarının kolay olması hem de ucuz olmaları sebebiyle en sık kullanılan basınç ölçüm sistemleri haline gelmişlerdir. Bu tip t ip manometrelerin en büyük sorunu elastik kıvrık borudaki plastisite dolayısıyla kalibrasyonlarının bozulmasıdır. Periyodik olarak kalibrasyonları gerekir. Bu tür ve diğer tür manometrelerin kalibrasyonunda en çok ölü ağırlık test sistemi sistemi (dead weight tester) t ester) denilen kalibrasyon kalibrasyon aracı kullanılır.

Bu cihazda ölçülecek manometre referans giriş bölümüne bağlanır. Pistonun, kendi ağırlığı vardır. Bu ağırlığın üzerine bilinen miktarda ağırlıklar ilave edilir ve pistonun statik sürtünme yükü taşıması engellenmek için döndürülür ve manometrenin okuduğu değer kaydedilir. Basınç arttırılır, piston ayarlanabilir vida yardımıyla aynı konumda tutulur. Pistonun alanı

27

 bilindiğinden uygulanan basınç her zaman bilinmektedir. Manometrenin okudugu basınç kalibrasyonda kalibrasyonda uygulanan basınçla kalibre edilir.

Basınç transduserları transduserları

Modern fabrikalarda tüm basınç değerleri gözle ölçülmez. Otomasyon uygulamalarının artması, basınç değerlerinin bilgisayarlara direk olarak okunmasını zorunlu kılmaktadır. Basınç transduserlarında basınç değeri elektrik gerilimi veya akımına dönüştürülerek iletilir. Bu tür aygıtların en basiti şekil 10 da görülen potansiyometreli transducer sistemidir. Burada ince bir cidarı olan esnek gövdeli kabın bir ucundan basınç uygulanır. Basınç altında kabın  boyu uzar ve potansiyometre çubuğunu çubuğunu hareket ettirir ve direnci değiştirir. Devrenin voltaj değeri dış okuyucuya gönderilir.

Diger bir transducer sekil 11. de görülen strain gauge'li transducerlardır. Bu transduserda içerde bulunan bir diyaframın üzerine strain gauge ler yerleştirilmiştir. Diyafram basınç değişimi nedeniyle gerildiğinde strain gauge'ler belli bir elektrik akımı oluşturur. Bu akımın voltaj değeri basınçla orantılıdır.

28

Piezoelektrik kristaller bilhassa dinamik basınçların ölçülmesinde oldukça başarılı sistemlerdir. Bir piezoelektrik kristaline uygulanan basınç değiştiğinde bu değişimle orantılı  bir elektrik gerilimi oluşur. oluşur. Sekil 12 de bir piezoelektrik basınç basınç transduseri görülmektedir. görülmektedir.

3. ÖLÇÜM METODLARI Ölçüm, belli bir fiziksel parametreye belirli bir değeri girmektir. Bu durumda fiziksel  parametre ölçülmüş parametreye dönüşür. Ölçüm metotları fiziksel değişkenlerin değişkenlerin  boyutlandırılması  boyutlandırılması ve değerlerinin ölçülmesi metotlarıdır. Mühendislik ölçümleri sadece bir cihazı açıp rakamları okumaktan ibaret değildir. Bir ölçüm bilgisinin kullanılabilmesi için, ölçümlerin iyi bir şekilde tasarlanmış, bir plana p lana göre gerçekleştirilmesi gerçekleştirilmesi gerekir.

29

Bu planın şu basamakları kapsaması gereklidir : 1. Gereken süreç değişkenleri ve parametrelerinin tayini 2. Prosesteki ölçüm ve değerlendirme metotları ve nasıl uygulanacağının planlanması 3. Ölçme metotlarının ve bunu bizim sürecimiz için en iyi yapabilecek aletlerin seçimi 4. Ölçüldükten sonra elde edilen ölçüm ö lçüm bilgisinin analizinin planı Gereken süreç değişkenlerinin ve parametrelerinin belirlenmesi ve anlaşılması ölçümün ilk önemli basamağıdır. Temel olarak istenen ölçüm değişkenlerinin yanında daha önce düşünmediğimiz fakat kritik olabilecek değişkenlerin ölçümü gereği her zaman olabilir. Eğer ölçülen prosesi tam olarak bilmiyorsak bu değerleri atlamamız her zaman olasılık dahilindedir. Prosesteki tüm değişkenler birbirlerini etkilemeleri de dahil olmak üzere listelenmelidir. Eğer iki değişken birbirini hiç etkilemiyorsa bunlar bağımsız değişkenler olarak düşünülebilir. düşünülebilir. Eğer bu değişkenin değişimi diğer değişkenleri değişkenleri etkiliyorsa bu bağımlı bir değişkendir. Ölçümde bilhassa bağımlı değişkenleri ölçerken tüm diğer bağımlı olduğu değişkenlerin değerlerini kontrol altında (sabit olarak) tutmak gereklidir. Eğer bu değişkenlerde zaman içinde herhangi bir değişme olmuyorsa tam kontrol sağlandı denilebilir. Eğer değişken değerleri zaman içinde değişiyorsa fakat değişme parametreleri ve fonksiyonları tam olarak tanımlanabiliyorsa sistem değişkenlerinin kısmi kontrolünün olduğu söylenebilir. Bir değişkenin diğer değişkenlerle değişmesini tam olarak verebilen fonksiyonlara kontrol fonksiyonları (parametreleri) adı verilir. Ölçüm işlemlerinde bu  parametrelerden direk olarak yararlanılır. yararlanılır. Tam olarak veya parametre fonksiyonlarıyla kontrol edilemeyen, fakat sistemin çalışmasında ölçüm parametrelerini etkileyen tüm değişkenlerin ölçülmesi veya ölçülemeyenlerinde biliniyorsa ne olduklarının kaydedilmesi gerekir. Çünkü  bu değişkenler kontrol altında yapıldığını düşündüğümüz ölçümlerde değişik değerler oluşmasına sebep olurlar. Kontrol edilebilen ve edilemeyen parametreleri bir örnekle açıklamaya çalısalım. Bir fanın üflediği havanın hacimsel debisi (Q), fanın dönme hızı (n) ve çapının (d) fonksiyonudur. Fan katsayisi C i=Q/nd3 bu ölçümde sabit olmalıdır. C i bir kontrol fonksiyonu olarak kullanılabilir. Fakat bu formülde olmayan diğer bazı parametreler de fanın çalışmasını etkileyeceklerdir. Örnegin hava sıcaklığı ve fan giriş elektriğinin voltajindaki değişimler bizim sabit şartlar altında ölçümü yaptığımızı sandığımız şartlarda ölçümleri etkileyeceklerdir. Sonuç olarak bu deneyde alacağımız sonuçlar değişebilir ve tekrarlanmasında hatalar oluşabilir. Kontrol edilemeyen parametrelerin etkisi sıfıra indirilemese de bunların etkisi çesitli metotlarla minimize edilebilir. Bu metotların en 30

önemlilerinden biri ölçümlerin tekrarıdır. Bir ölçüm hiçbir zaman sadece tek bir değer olarak alınmamalıdır. Bilhassa kritik parametrelerde ölçümün en az üç kere alınması ve zaman içinde  periyodik olarak ölçüm işleminin tekrarlanması kontrol edilemeyen parametrelerin eliminasyonu ve/veya daha iyi anlaşılması açısından önemlidir. Diğer bir kontrol metodu da değişik ölçüm metotlarının veya aletlerinin aynı parametreyi ölçmek için kullanılmasıdır. Kontrol edilemeyen parametre eğer kullandığımız aletle ilgili ise iki aletle değişik değerler elde edeceğimizden bu sonucu değerlendirme ve kontrol edilemeyen parametreyi bulma şansımızı arttırırız. Örneğin bir silindirin hacmini ölçmek istiyorsak, bunu yüksekliğini ve çapını ölçüp hesaplayarak yaptıktan sonra ağırlığını ölçüp silindirin yapıldığı malzemenin özgül ağırlığına bölerek de hesaplayabiliriz. Eğer ölçüm parametrelerinde hata yoksa ikisinin de aynı sonucu vermesi beklenir.

Kalibrasyon Ölçüm metotları ve aletleri belirlendikten sonra ölçüme başlanmadan önce ölçüm aletlerinin kalibrasyonu yapılmalıdır. Kalibrasyon bilinen bir giriş değerini alete uygulayarak, çıkış değerini saptama sürecidir. Kalibrasyonda kullanılan, bilinen giriş değerlerine "Standart" adı verilir. Kalibrasyonun kendisi de bir ölçüm olduğundan bununda detaylı olarak planlanması gereklidir. Bir deney planı ve kontrol edilebilen ve edilemeyen parametrelerin saptanması  burada da önem taşır. Çeşitli standart giriş değerlerinin uygulanmasıyla, çıkış değerlerinde okunan/bulunan değerler saptanır. Ölçülen değişkenin değeri zaman içinde değişmiyorsa sadece statik (zamandan bagımsız) kalibrasyon kalibrasyon yeterli olabilir. Yani tek bir ölçüm seti bize bir fikir verebilir. Değişkenler zaman içinde sürekli olarak değişiyorsa zaman boyutunda da kalibrasyon prosesinin yinelenmesi gerekir. Kalibrasyon işleminde kullanılan aletin ölçüm duyarlılığı (çıkan sinyalin giren sinyale göre türevi), kullanım bölgesi (hassas ölçüm yapabildiği bölge) ve doğruluğu da (olması gereken değerlerin okunan değerlerle farkı) saptanabilir. Bir alet hassas okuduğu halde doğru okumayabilir veya değer dogru olduğu halde hassasiyeti yeterince yüksek olmayabilir. Eğer kalibrasyon sonuçları elimizdeki aletin  bizim istediğimiz ölçümü tam t am olarak o larak yapamayacağını gösteriyorsa bu alet kullanılmamalıdır. kullanılmamalıdır. Çünkü ancak kalibrasyon ölçümlerinde hata miktarını tam olarak saptayabiliriz. Gerçek ölçümlerde giriş değerini bilmediğimiz unutulmamalıdır.

31

Standartlar Ölçüm aletleri kalibre edilirken standartlarla karşılaştırılır. Bu standart aleti kullanan kişinin güvenebileceği baska bir alet olabileceği gibi çok iyi tanımlanmış bir fiziksel sabit de olabilir. Tüm bu ölçümler temelolarak fiziksel büyüklüklerin doğru olarak tanımlanmasına dayanır. Fiziksel büyüklükler temel fiziksel büyüklükler ve bunlardan bilinen parametresel denklemlerle türetilmiş büyüklüklerdir. Tüm fiziksel parametrelerin ölçüldügü temel fiziksel  büyüklükler ve ve SI standartlar sistemindeki tanımları şunlardır: Kütle: kg, Sevre, Fransa'da özel şartlarda tutulan bir irridium-platin çubuğun ağırlığı olarak tanımlanmıştır. Zaman: saniye, radyoaktif sezyum-133 atomunun radyasyon yayınımının 9192631770  periyodu için geçen geçen zaman olarak tanımlanmıştır. tanımlanmıştır. Mesafe: metre, ışığın boşlukta 3.335641*10-9saniyede kat ettiği mesafedir. Sıcaklık: Kelvin, Tablo1 deki sıcaklık standardıyla tanımlanmış t anımlanmıştır. tır. Diğer tüm birimler bu temel birimlerden oluşurken önemlilerinden birkaçını örnek verecek olursak: Kuvvet: Newton, kütle*ivme eşitliğinden kg m/s 2 olarak tanımlanır. Enerji: Newton*m=Joule=kgm2/s Güç: Joule/s=Watt Ampere: AuN2 eriyiğinin elektrotta 1.118*10 -5 kg/s hızında altın biriktirebilmesi birikt irebilmesi için uygulanması gereken akım şiddetidir. Volt : Watt/Ampere Ohm : 1.063m uzunlugunda 0.0144521kg ağırlığında, 273.15 K sıcaklığında civa kolonunun direncidir. Bu standartlar süphesiz ki bizim laboratuvarlarımızda kullanmamız için pratik değildir. Gidip Fransadaki platin-irridyum çubuğun ağırlığını ölçeyim diyemezsiniz. Bu amaç için orijinallerden başlayan ve bize kadar uzanan bir standartlar hiyerarşisi geliştirilmiştir. Bu hiyerarşi içinde her basamakta hassaslık seviyeleri düşebilir. Örneğin orjinal sıcaklık kalibrasyonunu termodinamik üçlü noktalarla yaparsak burada hata 0’dır, (deneyin doğru şartlarda yapıldığı kabul edilirse), bunu kullanarak platin direnç termometrelerini +/-0.005 0C

32

ile kalibre edebiliriz. Bunu kullanarak bizim laboratuvarımızda kullandığımız cam termometreyi +/-0.1 0C hata miktarlarında kalibre edebiliriz.

4. ÖLÇÜMLERDE KULLANILAN İSTATİSTİKSEL YÖNTEMLER Yapılan ölçümlerin hassas olarak yapılması mühendislik açısından çok önemlidir. Fakat mühendislerin hiçbir zaman unutmaması gereken gerçek hiçbir zaman mükemmel ölçümlerin yapılamayacağıdır. Yapılan ölçümlerin sayısı birden fazla ise ne kadar hata olustuğu istatistiksel olarak incelenebilir. incelenebilir. İstatistikte örnek ölçüm, aynı sabit şartlar altında bir değişkenin yapılan ölçümlerinin toplamıdır. Mühendislik ölçümlerinde şüphesiz "sabit sartlar altında" deyiminin tam anlamıyla mevcut olması mümkün değildir, sadece sabit şartlara yaklaşıldığı kabul edilebilir. Eger bir ölçümdeki doğru ölçüm degeri x' ise sonlu sayıda ölçüm sonucunda x' degeri

formülüyle tahmin edilebilir. Buradaki X

ortalama verilen

ölçümlerde olasılığı en yüksek olan

nokta (ortalama deger), u x  hassaslık veya hata miktarını (P% olasılıkla) verir. İstatistik ortalama değeri ve bunun güvenilirlik miktarını araştırır. Elimizde bir ölçüm seti  bulunduğunda,  bulunduğunda, önce bu seti gruplara ayırırız. Gruplamada dikkat edilecek nokta en fazla verinin bulunduğu büyük ihtimalle ortaya düşen veri grubunda en az 5 veri noktasının  bulunmasıdır. Veri sayısı sayısı büyükse toplam toplam grup sayısını

denklemiyle saptayabiliriz. Bu denklemde N toplam veri sayısıdır. Daha sonra ölçüm serisindeki en küçük ve en büyük sayıları bulup buların farkını grup sayısına bölerek  belirleyebiliriz. Bunu belirledikten belir ledikten sonra her bir veri bölgesinin hangi olasılıkla yinelendiğini görebiliriz. Bunu bir örnekle açıklayalım. Yapılan 20 ölçümde aşağıdaki değerlerin elde edildiğini varsayalım:

33

En kalaba1ık bölgedeki bölgedeki dağılımda 5’ten fazla veri olduğundan bu dağılım kabul edilebilir. Bu veriye bakarak %5 olasılıkla Ölçüm 0.65 <= x i  <= 0.75 aralığına düşecek diyebiliriz. Tüm aralıktaki degerlerin hepsini toplarsak %100’e ulaşırız. Genelde bu tür veri dağılımlarını değerlendirirken varyans veya standart sapma kavramı kullanilir. Varyans σ 2

,

ile hesaplanır. Bu denklemin altında kalan alan bize o bölgedeki verilerin toplam verilerin %’si olarak ne kadarını oluşturacağını (hata miktar olasılığını) verir.

(18) Bu fonksiyonda dx değeri σ'ya eşit olduğunda P(x' – σ <= x <= x’ + σ )degeri 68.27 % olur. 2σ'ya eşit olduğunda P(x' – 2σ <= x <= x’ + 2σ) değeri 95.45 % olur. Ve 3σ'ya eşit olduğunda P(x' – 3σ <= x <= x’ + 3σ) degeri 99.73 % olur. Bu yüzden istatistiki veri dağılım bölgesinin hemen hemen hepsini kapsamış demektir. 3 σ degerinin dışına çıkan verilerin bir anlamı

34

yoktur ihmal edilmesi veya atılması gerekir. Bu tür verilerin bir ölçüm hatasından kaynaklandığına kaynaklandığına emin ulabilirsiniz.

5. DENEYIN YAPILISI Buz banyosunun içerisine civalı cam termometre, alkollü cam termometre ve elektrikli direnç termometresi daldırılır. 0 0C’ye gelmesi beklenir. Diğer taraftan sıcak su banyosu ilk olarak 65 0C ye ayarlanir. 0 0C de olan her bir ölçüm aleti hızlı bir şekilde sıcak su banyosuna daldırılarak kronemetre çalıştırılır. Her bir ölçüm aletinin belirli sıcaklık aralıklarına ulaşması için geçen süre kaydedilir. Bu işlem sıcak su banyosunun sıcaklığı 50 0C’ye ayarlanarak tekrarlanır. Basınç ölçüm aleti ile vakum pompası kullanılarak basınç değeri ölçülür.

KAYNAKLAR: 1) Çataltaş, İ, “Kimya Mühendisliğine Giriş Unit Unit Operasyonlar”, Operasyonlar”, 3. Baskı, Baskı, İnkılap Kitabevi, 1986, İstanb İ stanbul ul 2) McCabe, W.L., Smith, J., S., Harriot, P., “Unit Operations of Chemical Engineering”, 5. Edition, McGraw Hill, 1993, Singapore.

35

DENEY NO:3 SPEKTROSKOPİK YÖNTEMLER Vakum ortamından saydam bir madde ortamına giren ışın, maddenin atom veya moleküleri ile etkileşir. Etkileşme ışının elektriksel alanı ile maddenin bağ elektronları arasında olur ve maddenin yapısına bağlı olarak değişir. Işının madde ile etkileşmesi sonucunda başlıca şu olaylar meydana gelir:

a) Geçme ve kırılma b) Dispersiyon (kırılma indisinin frekansla değişimi) c) Yansıma d) Dağılma e) Raman saçılması f) Absorplanma Çeşitli dalga boylarında ışın içeren bir demet saydam bir ortamdan geçirilirse, bazı dalga  boylarının kaybolduğu kaybolduğu görülür. Buna ışının ışının absorplanması (soğurulm ( soğurulması) ası) denir. Absorpsiyonla, ışın enerjisi maddenin atom veya moleküllerine aktarılır ve böylece uyarılmış hale geçerler. Uyarılmış atom veya molekül 10 -8 saniye kadar yaşayabilir, sonra absorpladığı ışın enerjisini geri vererek tekrar eski hale döner. Madde tarafından absorplanan ışın enerjisinin geri verilmesi genellikle ısı şeklinde olur ve madde çok az ısınır. Bir maddenin temel haliyle uyarılmış halleri arasındaki enerji farkları, başka bir maddeninkinden farklı olduğundan, her maddenin kendine özgü bir absorpsiyon spektrumu vardır. Elektromagnetik spektrum, dalga boyları 10 -12  cm den başlayan kozmik ışınlardan, dalga  boyları yüzlerce metreyi metreyi bulan radyo dalgalarına dalgalarına kadar sayısız sayısız ışınları içerir. Spektrumlar genel olarak iki kısma ayrılır  ayr ılır ; 1) Atomik Absorpsiyon Spektrumları 2) Molekül Absorpsiyon Spektrumları Molekül absorpsiyon spektroskopisinin, atomik absorpsiyon spektroskopisinden ayrılan en önemli yanı; atomik absorpsiyon spektroskopisinde birbirinden farklı dalga boylarında çok

36

keskin pikler meydana gelmesine karşın, moleküler absorpsiyon spektroskopisinde, birçok dalga boyunu içine alan geniş absorpsiyon bantlarının meydana gelmesidir. Bunun nedeni de moleküldeki enerji seviyelerinin atomdaki enerji seviyelerinden çok fazla olmasıdır. olmasıdır. İncelenen dalga boyu alanına bağlı olarak değişik spektroskopik yöntemler geliştirilmişt ir. Bu yöntemler maddelerin yapılarını belirlemek için kullanılır. 110-1000 nm arasındaki dalga  boyuna sahip ışınlar ile madde arasındaki etkileşimi inceleyen inceleyen spektroskopi, UV-VIS (Ultraviyole-Görünür) Spektroskopisi olarak adlandırılır. UV ve görünür alanda absorpsiyon ölçme cihazları başlıca şu kısımlardan oluşur: o luşur: 1) Işın kaynağı (Hidrojen, döteryum ve tungsten t ungsten lambalar) lambalar) 2) Işın kaynağından gelen ışınları dalga boylarına göre ayıran cihaz (monokromatör) 3) Çözelti ve çözücü koymaya arayan hücreler 4) Işın enerjisini elektrik enerjisine ener jisine dönüştüren dedektörler 5) Dedektörde dönüştürülen enerjinin şiddetini gösteren sinyal cihaz Moleküler absorpsiyon absorpsiyon spektroskopisi, b cm c m ışın yoluna sahip ışık geçirgen bir kapta bulunan  bir çözeltinin geçirgenliğinin (T) veya absorbansının (A) ölçümüne dayanır. Normal olarak absorbans, absorpsiyon yapan çözelti derişimi ile aşağıdaki eşitlikte belirtildiği gibi, doğrusal olarak değişir: A= - log T = log (I 0-I) = .b.C

(1)

Bu eşitlikte I ışın gücü, yani dedektörün 1 cm 2  alanına 1 saniyede düşen ışının enerjisi, A absorbans, T geçirgenlik, geçirgenlik,  ise molar ekstinksiyon ekstinksiyon katsayısıdır. katsayısıdır. İçinde su bulunan bir cam kaptan ışın demeti geçerken bir miktarının yansımalarla kaybedildiği ve bunun sonucu geçen ışın şiddetinin azaldığı gözlenmiştir. Ayrıca ışın şiddetinde, büyük moleküllerin ışın saçmaları ve bazen kap yüzeyinin absorpsiyonu nedeniyle de azalma olabilir. Bu etkileri düzeltmek için, analitik çözeltiden geçen ışın gücü, genellikle içinde yalnız çözücü bulunan eşlenik bir hücreden geçen ışın gücü ile kıyaslanır gerçek geçirgenlik ve absorbansa çok yakın deneysel geçirgenlik ve absorbans değerleri şu şekilde  bulunur;

37

T = Içözelti/Içözücü = I/I0 

(2)

A = log (Içözelti/Içözücü)  log (I/I0)

(3)

BEER YASASI Eşitlik (1), I0 başlangıç gücündeki bir ışın gücünün, litrede C mol absorplayıcı madde içeren b cm ışın yoluna sahip bir çözelti tarafından azaltılması (I
(4)

ds’in taneciklerin foton yakalayıcı yakalayıcı yüzeylerin toplam alanı olduğun o lduğunuu hatırlayalım; bu nedenle ds toplam tanecik sayısı ile orantılı olmalıdır veya,

ds = a.dn

(5)

olur. Bu eşitlikte dn taneci t anecikk sayısı ve yakalama kesit alanı olarak da adlandırılabilecek bir orantı sabitidir. Eşitlik (4) ve (5) birleştirilip 0 ve n aralığında integrali alınırsa,

38

-  dIx / Ix = a.dn/s

(6)

elde edilir ve integral çözülünce; - ln I/I0 = a.n/s

(7)

 bulunur. 10 tabnalı tabnalı logaritmaya dönüştürülüp, işareti işareti değiştirmek için ters çevrilirse, çevrilirse, log I/Io = a.n/2,303.s a.n/2,303.s

(8)

elde edilir. Burada n, blok içinde bulunan taneciklerin toplam sayısıdır. Kesit alanı s blokunun cm3 olarak hacmi V ve cm olarak uzunluğu b cinsinden verilebilir. Böylece, s = V/b (cm2)

(9)

olur. Bu değeri Eşitlik (8) de yerine koyarsak, log I/I0 = a.n.b / 2,303.V

(10)

elde edilir. n/V nin biriminin derişim birimi yani 10 cm 3 deki tanecik sayısı olduğına dikkat edersek, n/V değerini litrede mol olarak verebiliriz böylece mol sayısı, mol sayısı = n tanecik / (6,02.10 23 tanecik/mol) olarak verilir ve C (mol/L) ( mol/L) cinsinden, cinsinden, C = (n/6,02.10 23)mol. (1000 cm3/L) / V(cm3) C = (1000.n / 6,02.10 23 .V) mol/L

(11)

olur. Bu bağıntı Eşitlik (10) ile birleştirilince, log Io/I = (6,02.10 23 .a.b.C / 2,303.1000)

(12)

elde edilir. Son olarak bu eşitlikteki sabit değerler tek bir terim olan ’da toplanabilir, A = log (I0/I) = .b.C

(13)

Bu ise Beer Yasasının formülle gösterimidir.

Beer Yasası birden çok absorplayıcı madde içeren karışımlar için de geçerlidir. Türlerin  birbirini etkilemesi koşulu ile çok bileşenli bir sistemin toplam absorbansı,

39

Atoplam = A1 + A2 + ...................................+A ...................................+A n Atoplam = 1.b.C1 + 2.b.C2 +......................+ n.b.Cn 

(14)

olarak verilir. Burada alt indisler 1,2,...n absorpsiyon yapan bileşenleri gösterir.

DENEYSEL PROSEDÜR

 Hazırlanmış 4.10  –3 M KMnO4 çözeltisinden 5-4-3-2-1 mL alınıp 0,5 N H 2SO4 ile 50 mL ye tamamlanır.

 Her çözelti için belirlenen dalga boylarında absorbans ve geçirgenlik değerleri kaydedilir.

 Aynı işlem K 2Cr 2O7 için de gerçekleştirilir.  KMnO4 + K 2Cr 2O7  nin bilinmeyen derişimlerinde bir çözeltisi için belirlenen dalga  boylarında absorbans absorbans ve geçirgenlik geçirgenlik değerleri kaydedilir.

HESAPLAMALAR

 Optimum dalga boyunu belirlemek amacıyla dalga boyuna karşılık absorbans değerlerini gösteren grafik çiziniz.

 Konsantrasyona Konsantrasyona karşı absorbansı gösteren kalibrasyon grafiklerini çiziniz.  Eşitlik 14 yardımıyla KMnO 4 + K 2Cr 2O7  karışımındaki her bileşenin derişimini hesaplayın.

VERİ TABLOLARI KMnO4 çözeltisi için dalga boylarına bağlı olarak T ve A değerleri Dalga Boyu (nm)

% T (Geçirgenlik)

40

A (Absorbans)

K 2Cr 2O7 çözeltisi için dalga boylarına bağlı olarak T ve A değerleri Dalga Boyu (nm)

% T (Geçirgenlik)

A (Absorbans)

KMnO4 çözeltisi için ölçümler

 opt  V (mL)

%T

KMnO4  opt A

%T

K 2Cr 2O7 A

K 2Cr 2O7 çözeltisi için ölçümler

 opt  V (mL)

%T

KmnO4 A

 opt %T

41

K 2Cr 2O7 A

KMnO4 + K 2Cr 2O7 karışımı için ölçümler Dalga boyu (nm)

A

%T

V(mL)

KAYNAKLAR: 1)

Gündüz, T, “İnstrumental Analiz”, 9.baskı, Gazi Kitabevi, 2005, Ankara

2)

Dikman, E., “Enstrumantal “Enstrumantal Analiz”, Çağlayan Kitabevi, 1985, İstanb İ stanbul ul

3)

Douglas, A. S., “Principles of Instrumental Analysis”, 3. baskı, Sounders College, 1985,

42

DENEY NO:4 AKAN AKIŞKANLARIN AKIŞKANLARIN ÖLÇÜLMESİ

1.GİRİŞ Reynolds Sayısı Akışkanlar mekaniğinde Reynolds sayısı, bir akışkanın, atalet kuvvetlerinin (V sρ) viskozite kuvvetlerine (μ/L) olan oranıdır ve sonuç olarak bu değer bu iki tip kuvvetin belli bir akış şartı altında birbirine olan o lan göreceli önemini verir. Bundan ötürü, Reynolds sayısı, sayısı, düzgün akış ve türbülanslı akış gibi değişik akış rejimlerini nitelemek için kullanılır. Tüp veya boru içinde Reynolds sayısı şu şekilde tanımlanır: Re=VsρD/μ Vs: akışkanın akışkanın hızı hızı (m/s) D: borunun borunun çapı (m) μ: akışkanın akışkanın dinamik viskozitesi viskozitesi (kg/m.s) ρ: akışkanın akışkanın yoğunluğu (kg/m 3) Laminar akış bir akım özelliğidir. Düzgün akım olarak tanımlanır. Türbülans akış akışkanın doğrusal olmayan bir şekilde akması olayıdır. Reynolds sayısı bir akışkanın karakterini (laminar veya türbülanslı) gösterir. Genellikle boru içinde Re < 2100 ise laminar akış, Re > 4000 ise türbülanslı akış vardır.

Akışkan Mekaniğinde Temel Denklemler Akışkanlar mekaniğinde en çok kullanılan fiziksel prensipler madde dengesi, mekanik-enerji dengesi ve momentum dengesidir.

Kütle Dengesi: Kararlı akımda kütle dengesi oldukça basittir. Akım sistemine giren kütle miktarı, ç ıkan kütle miktarına eşittir. Kararlı akım sistemindeki akışta kütlede hiçbir birikme ve eksilme olmaz.

43

 ν1 A1 ρ1

 ν 2 A2 ρ2

Şekil 1. Bir akışkanın bir borudan akışının şematik gösterimi. m = ρ1A1 ν 1 = ρ2A2 ν

(1) 2........................... 2....................................... .......................... .......................... ........................... ............................. .......................... ........................... ........................... ....................... ...........

Burada m belirli bir zamanda akan kütle miktarıdır. Bu denklemden aşağıdaki eşitlik yazılabilir. Bu denklem sıkıştırılabilen (compressible) ve sıkıştırılamayan (incompressible) akışkanlar için geçerlidir.

Debi: Herhangi bir kesitten birim zamanda sürekli geçen madde miktarıdır. Debi hesaplamalarda hesaplamalarda kütlesel ve hacimsel debi olarak kullanılabilir.

Kütlesel debi: m = ρ A ν(kg/sn, kg/dk, kg/sa, ton/sa).................. ......... ................... ................... .................. .................. .................. ................... .............. .... (2)

Hacimsel debi: Q=Aν (lt/sn, lt/dk, lt/dk, m3/sn, m3/dk)....................... /dk)........................................ .................................. ................................... ............................ ..........(3)

Yukarda bahsedilen kütle dengesi tanımı debi kavramı aracılığıyla, “Akış yolu boyunca akışkanın debisi sabittir.” şeklinde de ifade edilebilir.

Akı: Akan kütle miktarının birim alandan, birim zamanda geçim miktarıdır. Akan kütle miktarının, dikey kesit alanına bölümünden elde edilir. G=m/A=ρν

(kg/m2sn, kg/m2s)……………………………………………..(4)

Akının kullanılmasının avantajı, kararlı akım (sabit m) ve sabit kesit alanı durumunda sıcaklık ve basınca bağlı olmayışıdır. 44

Potansiyel Akımda Mekanik-Enerji Dengesi Bernoulli Denklemi: Bernoulli denklemi akışkan herhangi bir halinin enerji durumunu duru munu veren denklemdir. Akışkanın hareket halinde üç çeşit enerjisi vardır. Bunlar: Kinetik enerji

: akışkanın hızından dolayı kaynaklanan enerji

Potansiyel enerji

: akışkanın akışkanın bulunduğu durumdaki (referans noktaya göre yükseklikteki) yükseklikteki) ağırlığından kaynaklanan enerji

Basınç enerjisi

: akışkana akışkana uygulanan basınçtan kaynaklanır

Akışkanın toplam enerjisi bu üç toplam enerjiye eşittir ve sürtünmesiz akışlarda her yerde toplam enerjiye eşittir.  E T    E  K   E  P   E  B ..............( Nm )..................................................................................................(5)

1 2 mv  mgh  PV ............( Nm ).............................................................................................(6) 2  E T  v 2 1   gh  P  ...................(m 2 s 2 ).........................................................................................(7) m    2

 E T 



(6) denklemi enerji denklemidir. Enerjiyi kütleye oranladığımızda özgül enerjiyi buluruz. (7) nolu denklem özgül enerji denklemidir.

 E T  mg 



v2

2 g 

h

 P 

.....................(m)..............................................................................................(8)

  . g 

Son bulunan (8) denklemi akışkan enerjisinin sıvı yüksekliği cinsinden ifadesini verir.

Kinetik enerji

→

v2

2 g 

Dinamik yükseklik

= Hız yüksekliği

Potansiyel enerji → h = Geometrik Geometr ik yükseklik yükseklik Basınç enerjisi →

 P    . g 

Statik yükseklik

 = Basınç yüksekliği

45

Herhangi bir yerdeki toplam enerji sürtünmesiz akışlarda her yerde eşit olduğuna göre boru içindeki 1,2,3,…..n konumları için; Toplam Enerji → HT : Toplam yükseklik (m)

v12 P1 v 22 P2 v 32 P3 v 2n P HT   h1    h2    h3   ..................   h n  n ...............(9) 2g ρ.g 2g ρ.g 2g ρ.g 2g ρ.g

Sürtünmeli akışta ise sürtünmenin olduğu bölgenin konumuna göre h f , sürtünme kaybı Bernoulli denkleminde eşitliğin gerekli tarafına eklenir. Örneğin 1 bölgesinde akış başlıyor başlıyor ve 2 bölgesinde bitiyor ve arada sürtünme varsa;

1

 ν1,A1,ρ1

D1

2

D2

 ν2,A2,ρ2

Şekil 2. Farklı çaplı boru kesiti üzerinde seçilmiş referans noktalar. 1-2 noktaları arasında Bernoulli denklemi:

v12 P1 v 22 P  h1    h 2  2  h f  ...........................................................................................(10) 2g ρ.g 2g ρ.g 2. tarafa sürtünmeden oluşan kayıp yükseklik eklenir. Bernoulli denklemini elde ettikten sonra (3) numaralı debi denklemini (10) denklemi ile D 1 ve D2 kesitlerinde çözümlersek: π.D12 4.Q1 Q1  A 1 ν 1  .v1  v1  ................................................................................................(11) 4 π.D12 π.D 22 4.Q 2 Q 2  A 2 ν 2  .v 2  v 2  ..............................................................................................(12) 4 π.D 22 (11) ve (12) denklemlerinde süreklilik olayından dolayı Q 1 ve Q2 debileri birbirlerine eşittir.

46

  D . 12

Q1

 Q2 

v1

  D    v2   2  .................... .......... .............................. .......... .......... .................... .......... .......... ......(14)   D1  

4

.v1 

  D . 22

4

.v 2 .......... .......... .................... .......... .......... .................... .......... .......... ...(13)

2

2. AKAN AKIŞKANLARIN AKIŞKANLARIN ÖLÇÜLMESİ Endüstrideki süreci kontrol edebilmek için bir sürece giren ve çıkan madde miktarının  bilinmesi gerekmektedir. Süreç içinde taşınan maddelerin çoğu ise akışkanlardır. Bu yüzden,  bir boru ya da başka bir kanaldan geçmekte olan akışkan akımının ölçüm yöntemleri konusunda konusunda bilgi sahibi olmak o lmak gerekir. Pratikte kullanılan akışkan akım ölçüm teknikleri enerji denkliğinin bir uygulamasıdır. Bu amaçla yararlanılan düzenekler, akışkan akımında bir  basınç düşmesi yaratacak yaratacak şekilde tasarlanmıştır. tasarlanmıştır. Bu basınç düşmesi kuramsal olarak akışkanın akışkanın doğrusal hızına bağlanabileceği için, belirli koşullarda ölçülen bir basınç düşmesinden akım hızını hesaplamak mümkün olmaktadır. Basınç düşmesi ise kinetik enerji değişimi, yüzey sürtünmesi veya şekil sürtünmesiyle sağlanabilir. Örneğin pitot borusundaki basınç düşmesi sadece kinetik enerjideki değişimin sonucudur. Oysa orifisteki basınç düşmesi hem kinetik enerji değişimi hem de şekil sürtünmesi yönündendir. Ancak her konumda basınç düşmesiyle akım hızı arasında kuramsal bir bağıntı kurmak mümkündür. Burada sözü edilecek ölçüm yöntemleri dinamik yöntemlerdir. Bunlardan farklı başka yöntemlerde bulunmaktadır. Örneğin doğrudan tartma veya ölçme, rotametreler, savak, seyreltme seyreltme vb.dir. Endüstride en çok kullanılan akımölçerler şunlardır: 

Pitot tüp



Venturimetre



Orifis metre



Rotametre

47

2.1. PİTOT TÜPÜ Pitot tüpü, sürtünmesiz olarak sadece kinetik enerji değişimi ile basınç düşmesi meydana getiren, oldukça basit bir düzenektir. Pitot tüplerinin çalışma prensipleri statik ve dinamik  basınçları aynı anda ölçme yöntemine dayanır. Bu nedenle sırasıyla bu iki ifadeyi tanımlamaya çalışalım.

Statik Basınç: Şekil 3’de olduğu gibi kapalı bir kap içindeki akışkanın yüzeye dik doğrultuda uyguladığı  basınç değeridir. değeridir. Bir akışkanın statik basıncını ölçebilmek için düşey tüp veya U manometresi manometresi kullanılabilir.

Şekil 3. Basit statik basınç ölçen Pitot tüpü t üpü Çepere açılan delik akışa dik olup tüple deliğin bağlantısı akışı tedirgin etmeyecek bir düzgünlükte ise delik önünden geçen akışın hızı değişmeyecek ve akışkan statik basınç nedeniyle h  kadar yükselecektir. Genellikle çeperdeki hız gerçek hızdan biraz daha azdır. Çepere açılan deliğin çapı mümkün olduğu kadar küçük değerde tutularak bu hattın en aza indirilmesi sağlanmalıdır. Cidardan uzakta herhangi bir noktada veya akım hatlarının eğri olduğu akımlarda statik basınç ölçümü Şekil 4’de görüldüğü gibi ucu kıvrık bir statik tüp kullanılmalıdır. Kıvrık kısımda çevre boyunca açılmış delikler dolayısıyla tüpte duyulan statik  basınç tüpe bağlanan bağlanan uygun bir bir ölçerle okunabilir. okunabilir.

48

Çeperdeki statik basınç ölçmesinde önemli olan ölçme düzeninin akım düzenini bozmayacak şekilde yerleştirilmesidir. Özellikle borulardaki statik basınç ölçme deneylerinde çeperlerdeki yapım hatasından dolayı yanlış ölçmeleri önlemek için bir delik yerine çevre boyunca birçok delik açma yoluna gidilebilir.

t üpü Şekil 4. Ucu kıvrık tüplü statik basınç ölçer, pitot tüpü Statik basınç ölçmelerinin güvenilir olabilmesi için çeperde açılan deliklerin akışa dik olmasına ve bağlantı düzeninin içine girmemesine dikkat edilmelidir.

Dinamik Basınç: Ucu açık ve kıvrık tüp Şekil 5’deki gibi akışa doğru tutulursa akışkanın dinamik ve statik enerjisinin aynı anda ölçülebilir. Dolayısıyla akışkan tüp içerisinde toplam basınç kadar yükselir. Öte yandan konulan bir statik stat ik tüp ise akışkan statik stat ik basınç kadar yükseleceğinden yükseleceğinden iki tüp arasındaki düzeylerin Δh yükseklik farkı V 2/2g dinamik yüksekliğine eşit olur.

Şekil 5. Ucu açık ve kıvrık tüplü pitot tüpleri düzeneği Ps: statik basınç,

P t: toplam basınç, 49

P d: dinamik basınç

Akış ölçümleri sırasında dinamik basıncın genelde merkezde, statik basıncın ise çeperde ölçülmesinden dolayı istenilmeyen seviye farkı sonuçların yanlış olmasına neden olmaktadır. Toplam ve statik basınçları ayrı ayrı ölçerek aradaki farktan dinamik basınca geçmek yerine doğrudan doğruya dinamik basıncı ölçen bir alet de geliştirilebilir. Pitot tüpü adını alan bu düzenek iç içe iki tüpten oluşmuştur. Böylece pitot tüpü yardımıyla akış hareketinin aynı noktasındaki hem statik hem de dinamik basınçlar aynı anda ölçülebilir.

Şekil 6. Prandtl’ın geliştirdiği pitot tüpün t üpün kullanış ve detay şekilleri Prandtl’ın geliştirdiği pitot tüpünün akışa karşı yaratılmış küt burunlu bir dönel cisimdir. Bu sistem ile hız ölçümünü veren eşitlik Şekil 6’deki 1 ve 2 noktaları arasında yazılan Bernoulli eşitliğinden türetilir. 1-2 noktaları arasında Bernoulli denklemi:

v12 P1 v 22 P  h1    h 2  2 ...........................................................................................(16) 2g ρ.g 2g ρ.g Burada; h1 = h2

Noktalar aynı seviyede olduğundan

 ν2 = 0

Pitot tüpünün ucunda akış olamadığından olamadığ ından denklem, denklem ,

v12 v12 P2  P1  ρ.g  ρ......................................................................................................(17) 2g 2 şekline gelir. 50

Ayrıca Şekil 6’da de gösterilen ve basıncı ölçen manometre içinde basınç eşitliği kurulursa, kuru lursa, P2  ρ  g  Δh  P1  ρ A  g  Δh P2  P1  (ρ A  ρ).Δh.g...........................................................................................................(18) (17) ve (18) formüllerinin ortak ort ak çözümü çözümü ν 1 hızını; v12 ρ  (ρ A  ρ).Δh.g 2 2  g  Δh  (ρ A  ρ) v1  .......................................................................................................(19) ρ şeklinde verir. PS  statik basınç ölçüm delikleri üzerindeki hız esas akış hızından biraz daha büyük olduğundan statik tüp gerçek statik basınçtan daha küçük basınç ölçmekte dolayısıyla gerçek hız (19) da bulduğumuzdan daha küçük olmaktadır. Bu nedenle hatayı gidermek için eşitliği “C” hız katsayısı ile çarpmamız çarp mamız gerekir.

v1  C 

2  g  Δh  (ρ A  ρ) .......................................................................................................(20) ρ

Burada kullandığımız hız katsayısı Reynolds sayısı ile artar ve 0.97 ~ 1,00 değerleri arasında değişir. Prandtl Pitot tüpünün diğer bir önemli özelliği de tüpün akış tamamen karşısına yerleştirilmese bile doğru ölçme yapmasıdır. Hatalı bir yerleştirme halinde statik basınç ve durma noktasındaki toplam basınçtaki hatalar bir birini dengelemekte ve ±10 o’lik eğikliğe kadar doğru ölçüm yapmak mümkündür.

2.2. VENTURİMETRE Boru kesitinin daralması veya genişlemesiyle oluşan basınç değişimleri yardımla akışkanın debisinin hesaplanmasında hesaplanmasında kullanılan bir cihazdır (Şekil 7).

51

Şekil 7. Venturimetre Venturiye girişte üst akım konisi boyunca kesit daralması nedeniyle hız artar, buna karşılık  basınç düşer. Üst akım konisindeki bu basınç düşmesi venturiden geçmekte olan akışkanın hızını hesaplamada kullanılır. Venturi boğazından sonar alt akım konisi boyunca akım kesitinin yavaş yavaş artmasıyla hız yeniden düşer ve basınç tekrar yükselmeye başlar. Bu  bölgede basınç hemen hemen venturiye girişten önceki ö nceki değerine yaklaşmaktadır. yaklaşmaktadır. Dolayısıyla önemli bir basınç kaybı olmaz. Alt akım konisinin dar açılı yapılmasının nedeni akım hatlarına uygun bir şekil elde ederek akım ayrılmasını önlemek ve böylece şekil sürtünmesine engel olmak içindir. Venturideki kalıcı basınç kaybı, venturide akım ölçmeye esas olmak üzere gözlenen basınç düşmesinin ancak %10’u kadardır. Basınç düşmesini gözlemek üzere yerleştirilen basınç tapalarından biri üst akım konisinin önündeki boruda, diğeri ise üst ve alt akım konilerinin birleştiği venturi boğazındadır. Venturimetrede akışkanların ortalama doğrusal hızları ölçülür. Burada çıkartılacak olan venturi eşitliği sadece sıkıştırılamayan akışkanlar için geçerlidir. Sıkıştırılamayan akışkanlar için diferansiyel bir sistem için çıkarılan enerji denkliği esas alınarak uygun bir eşitlik türetilir. Venturideki basınç düşmesinden akımın hızını hesaplayabilmek için manometre kollarının  bağlı olduğu noktalar noktalar (Şekil 8 de 1 ve 2 noktaları) noktaları) arasına enerji denkliği denkliği uygulanır.

52

Şekil 8. Venturimetrenin şematik gösterimi Sürtünme ihmal edildiğinde, sıkıştırılamayan akışkanlar için enerji denkliği;

1 ve 2 noktaları için Bernoulli eşitliği:

v12 P1 v 22 P  h1    h2  2 2g ρ.g 2g ρ.g Burada; h1 = h2

Noktalar aynı seviyede olduğundan

v12 P1 v 22 P2    2g ρ.g 2g ρ.g Süreklilik denkleminden; π.D12 π.D 22 Q1  Q 2  .v 1  .v 2 4 4

 D   v1  v 2   2   D1  

2

 2  P1  P2   v2    4  1  D 2 D1   ρ 

0,5

(21)

53

Küçük sürtünmeler hesaba katıldığında denklem, deneysel venturimetre sabiti olan C V  ile çarpılmaktadır. 0,5

 2  P1  P2   v 2  CV      4   1   D D   ρ 2 1  

(22)

Venturimetrelerde yapılan boyut analizi, C V sabitinin Reynolds sayısının, D 1 ve D2 geometrik  parametrelerin bir fonksiyonu olması o lması gerektiğini göstermiştir. Şekil 9’da venturimetre venturimetre sabiti değerleri gösterilmiştir. Bu grafik, D 2/ D1= 0,25 – 0,75 çap oranları için geçerlidir. Noktalı çizgiler tolerans aralığını göstermektedir.

Şekil 9. Venturimetre sabiti 2.3. ORİFİSMETRE  Normal fabrika uygulamasında, venturimetrenin bazı sakıncaları vardır. Pahalıdır, fazla yer tutar ve boğaz çapının boru çapına oranı değiştirilemez. Verilen ölçüler ve belirli bir manometre sistemi için maksimum ölçülebilen akış hızı sabittir. Dolayısıyla eğer akış hızı değiştirilirse boğaz çapı doğru bir okuma vermeyecek kadar çok geniş veya yeni maksimum akış hızını temin edemeyecek kadar küçük olabilir.

54

Orifismetre çok basit bir düzenektir (Şekil 10). Şekilden de görüldüğü gibi ortası dairesel olarak delinmiş düzlem bir levhadan ibarettir. Levha boruya iki flanş arasında akıma dikey gelecek ve ortası boru ekseninde olacak biçimde yerleştirilir. Akışkan levhanın ortasındaki delikten geçer. Şekilde görüldüğü gibi orifisten geçerken akımın kesitinde ani bir daralma olur, hızı artar, buna paralel olarak basınç aniden düşer. Akım hatlarının şekli göstermektedir ki orifisin arkasında akım ayrılması olmaktadır ve bu durumda önemli bir şekil sürtünmesinin varlığı açıktır. Boru kesitinde ani daralma olayında görüldüğü gibi giderek daralan ve “vena contracta” oluşturan bir akım gözlenir. “Vena contracta” düzleminin orifise olan uzaklığı çeşitli (akımın hızı, orifis çapı/boru çapı gibi) değişkenlere bağlıdır. Orifisin iki tarafındaki  basınç düşmesini düşmesini gözlemek üzere üzere biri üst akım tarafına diğeri de alt alt akım tarafına olmak üzere iki basınç tapası yerleştirilmiş ve buralara bir U manometresinin kolları bağlanmıştır. Duyarlı  bir ölçüm ö lçüm yapabilmek için basınç tapalarının en e n yüksek basınç düşmesi gözlenerek gözlenerek noktalara yerleştirilmesi iyi olur. Aslında basınç tapalarının yeri için üç farklı biçim (flanş tipi, boru tipi ve vena contracta tipi) önerilmektedir. Bu tip bağlantıda alt akım basınç tapası “vena contracta” düzlemine yakın olmalıdır. Bu ise orifis çapı/boru çapı oranına bağlı olarak orifisten itibaren 0,3 ile 0,8 boru çapı kadar aşağıda sağlanabilir. Manometreden gözlenecek  basınç düşmesine düşmesine bağlı olarak borudaki akışkanın debisini debisini verecek bir eşitlik eşitlik çıkartılabilir.

Şekil 10. Orifismetrenin şematik gösterimi

55

Manometre kollarının bağlı olduğu 1 ve 2 noktaları arasına enerji denkliği uygulanabilir. 1 ve 2 noktaları için Bernoulli eşitliği:

v12 P1 v 22 P  h1    h2  2 2g ρ.g 2g ρ.g

Burada; h1 = h2

Noktalar aynı seviyede olduğundan

v12 P1 v 22 P2    2g ρ.g 2g ρ.g Süreklilik denkleminden; π.D12 π.D 22 Q1  Q 2  .v 1  .v 2 4 4

 D   v1  v 2   2   D1  

2

 2  P1  P2   v2    1  D 2 D1 4  ρ 

0,5 ,

Venturimetrede olduğu gibi bu eşitlik bir düzeltme katsayısı ile çarpılmaktadır. 0,5

 2  P1  P2   v 2  CO    veya 4     1  D D  ρ 2 1   Burada Co boyutsuz orifis düzeltme düzelt me katsayısıdır ve deneysel olarak saptanır. D2 = DO (burada o orifsin çapını göstermektedir)

56

 2  P1  P2   v 2  CO    4  1  D O D1   ρ 

0,5

Orifismetre katsayısı, çok sayıda değişkene bağlı, oldukça karmaşık bir katsayıdır. Ancak orifis çapı/boru çapı oranına ve Reynolds sayısına bağlı olarak değişimini gösteren grafikler elde edilmiştir. Şekil 11 de böyle bir grafik veriliştir. Orifisteki Reynolds sayısı 30.000 den  büyükse (bazı kaynaklara göre bu rakam 20.000 olarak verilmektedir), orifis katsayısı yaklaşık sabit ve 0,61 değeri alınabilir.

Şekil 11. Orifismetre sabiti 2.4. ROTAMETRE (Alan-ölçer, Döner-akış ölçer) Orifismetre veya ventürimetrede sabit bir alandan geçen akış hızındaki değişme, değişen bir  basınç düşmesi yaratır ve bu akış hızı ile ilgilidir. Alan metreler, basınç düşmesinin sabit olduğu aletleri ihtiva ederler ve bunlarda akışkanın aktığı alan, akış hızına bağlı olarak değişir. Alan, uygun kalibrasyon kalibrasyon ile i le akış hızı ile bağıntılıdır. En önemli alan ölçer, Şekil 12’de gösterilen rotametredir.

57

Esas olarak geniş tarafı yukarıda olan bir çatı üzerine dikey olarak yerleştirilmiş ve gittikçe daralan cam bir tüpten ibarettir. Akışkan bu tüp içinden yukarıya doğru akar ve bir şamandırayı serbestçe yukarıda tutar. Şamandıra gösterici elemandır ve akış hızı arttıkça, tüpteki şamandıra da o kadar yukarı çıkar. Bütün akışkan akımı, tüp duvarı ile şamandıra arasındaki halkasal boşluktan akmalıdır. Tüp derecelenmiştir ve ölçerin okuması, şamandıradaki işaretli yerden okunarak yapılır. Bu da şamandıranın en geniş kesit alanında yapılmıştır. Okunan değerleri akış hızına çevirmek için bir kalibrasyon eğrisi olmalıdır. Rotametreler, gaz veya sıvı akışını ölçmekte kullanılır. Cam rotametrenin deliği ya hatasız düz bir konik şeklinde veya tüp eksenine paralel olarak açılmış üç yiv, ya da oluk içeren bir konik şekildir. Saydam olmayan sıvılar, yüksek basınç veya sıcaklıklar veya camın pratik olmadığı diğer durumlarda metal tüpler kullanılır. Verilen bir akış hızı için bir şamandıranın rotametredeki denge durumu üç kuvvetin dengelenmesi ile yapılır.(1) şamandıra ağırlığı, (2) şamandıraya etki eden akışkanın kaldırma kuvveti,(3) şamandıra üzerindeki çekme kuvvetidir. 1 nolu kuvvet aşağı doğru, 2 ve 3 nolu kuvvetler yukarı doğru etki eder.

Şekil 12. Rotametre

58

Denge için: ΔP  A Ş  FÇ  VŞ  ρ Ş  g  VŞ  ρ  g

ΔP = şamandıraya etki eden basınç farkı FÇ = çekme çekme kuvveti, (kg) g = yerçekimi ivmesi, m/s2 VŞ = şamandıra hacmi, m3 ρŞ = şamandıra yoğunluğu, kg/m 3 ρ = akışkanın yoğunluğu, yoğunluğu, kg/m3 Bernoulli eşitliği uygulanırsa,

 2  g  VŞ  ρ Ş  ρ  m    2 0,5 A Ş 1  a/A     

C R   a

0,5

A = rotametrenin kesit alanı AŞ = şamandıranın şamandıranın kesit kesit alanı a = akışkanın akış alanı (A-A Ş) Rotametrelerde, şamandıra ile akış arasında hemen hemen doğrusal bir yaklaşım vardır.

59

3. DENEYSEL METOD I. Deney Düzeneği: Deney düzeneği Şekil 13’te verilmiştir.

Şekil 13. Deney Düzeneği Düzeneğ i (1. Pompa, 2. Basınç göstergesi, göst ergesi, 3. Rotametre, 4.Havalandırma vanası, vanası, 5.Manometre uçları, 6.Depolama tankı, 7.Orifismetre, 8.Düz 8.Düz  boru, 9. Dirsekler, Dirsekler, 10. Küresel düz geçişli geçişli vana, 11. Küresel Küresel redüksiyon redüksiyon geçişli vana, 12.Boşaltma vanası)

II. Deneyin Yapılışı:

 Üzerinde orifis bulunan boru hattını seçiniz, orifisin manometre bağlantılarını açınınız.

 Seçtiğiniz hattın vanasını açınız. Diğer hatların vanaları kapatınız.  Rotametre akış kontrol vanasını kapatıp pompayı çalıştırınız. Akış kontrol vanasını açınız ve boru hattındaki bütün havayı dışarı atacak şekilde akı debisini yavaş yavaş artırınız.

 Rotametre akış kontrol vanasını çeşitli debilere ayarlayıp her akış için manometreden okuduğunuz değerleri tabloya kayıt ediniz.

60

III. Hesaplamalar:

 Rotametreden ayarladığınız her bir debi için suyun kütlesel ve hacimsel debilerini hesaplayınız

 Orifismetre için kalibrasyon eğrisini çiziniz (basınç düşüşünün kare köküne karşı akış hızını bir grafik kağıdına çiziniz).

 Hesaplanan orifis sabiti sabiti (CO) ile teorik CO ile karşılaştırınız. IV. Veriler: 1. Hat

1 adet orifis

1 “ boru, orifis çapı 20 mm

2. Hat

1 adet düz boru

1”

Rotametre Q, kg/sa

Manometre P1, cmSu

P2, cmSu

Kaynaklar 1. McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, Fifth edition, McGraw-Hill Inc., 1993. 289-308.

61

DENEY NO: 5. AKIŞKANLARDA AKIŞKANLARDA SÜRTÜNME

Pompa ve borulama sisteminin tasarımında en önemli konu, belli bir çalışma için gerekli olan o lan güç miktarının saptanmasıdır. Pompanın; sürtünme kuvveti, yükseklik farkı, iç enerji değişimleri ve akış sistemindeki tüm diğer karşıt kuvvetleri yenecek bir mekanik güç harcaması gerekir. Enerji türleri arasındaki ilişkiler, enerji denklikleri kurularak bulunabilir. Boru sistemlerinin incelenmesinde de Bernoulli Denkliği yaygın o larak kullanılır.

Bernoulli Denklemi Bernoulli denklemi akışkanın herhangi bir halinin enerji durumunu veren denklemdir. Akışkanın hareket halinde üç çeşit enerjisi vardır. Bunlar; Kinetik enerji : akışkanın hızından kaynaklanan kaynaklanan enerji Potansiyel enerji: akışkanın bulunduğu durumdaki ağırlığından ağ ırlığından kaynaklanan enerji Basınç enerjisi: akışkana uygulanan basınçtan kaynaklanan enerji Akışkanın toplam enerjisi, sürtünmesiz akışlarda bu üç enerjinin toplamına eşittir.  E T    E  K   E  P   E  B ..............( Nm)..................................................................................................(1)

1 2 mv  mgh  PV ............( Nm ).............................................................................................(2) 2  E T  v 2 1   gh  P  ...................(m 2 s 2 ).........................................................................................(3) m    2

 E T 



(2) denklemi enerji denklemidir. Enerjiyi kütleye oranlayarak özgül enerji enerji elde edilir. (3)’nolu ( 3)’nolu denklem ise özgül enerji denklemidir. C  mg 



v2

2 g 

h

 P 

.....................(m)..............................................................................................(4)

.    g 

(4)’nolu denklem akışkan enerjisini sıvı yüksekliği cinsinden ifade etmektedir. Kinetik enerji

→

v2

2 g 

Dinamik yükseklik

= Hız yüksekliği

Potansiyel enerji → h = Geometrik Geometr ik yükseklik yükseklik

Statik yükseklik 62

Basınç enerjisi →

 P    . g 

 = Basınç yüksekliği

Herhangi bir yerdeki toplam enerji sürtünmesiz akışlarda her yerde eşit olduğuna göre boru içindeki 1,2,3,…..n konumları için; Toplam Enerji → H T : Toplam yükseklik (m)

 H T 



v12

2 g 

 h1 

 P 1

.    g 



v 22

2 g 

 h2 

 P 2   . g 

2



v3

2 g 

 h3 

 P 3   . g 

2

 .................. 

vn

2 g 

 hn 

 P n

...............(5)

  . g 

Akan bir sıvı sisteminde, sıvının mekanik enerjisini artırmak için pompa kullanılır. Pompa 1 ve 2 noktaları arasına konulduğunda denklem aşağıdaki şekli alır: Belirlenmiş iki nokta arasında arasında sürtünme ve pompa po mpa varlığında Bernoulli denklemi:

v12 P1 v 22 P  h1   ηWP   h 2  2  h f  ....................................................................................(6) 2g ρ.g 2g ρ.g Burada hf  , , sıvının birim kütlesindeki bütün sürtünmelerden meydana meydana gelen bir terimdir. t erimdir.

Sürtünme: Akışlı süreçlerde, sürtünmenin önemi çok büyüktür. Pek çok durumda belli bir sistemden akan bir akışkanın akışına karşılık gelen direncin başlıca sebebi sürtünmedir. Bir borudaki akışın sürtünmesiz olması durumunda tüm akış debilerinde çok küçük çapta borular kullanılabilir. Ancak, sürtünmenin var olduğu gerçek akış süreçlerinde, belli bir akış debisinde boru çapı küçüldükçe pompalama maliyeti artar. Sürtünme ile kaybedilen enerji miktarı, akış sistemine ve akışkanın özelliklerine bağlı olarak değişir. Uzun, düz, sabit çaplı borulardaki kararlı akışta, sürtünmeyle enerji kayıplarını,  borunun çapı (D), uzunluğu uzunluğu (L), pürüzlülüğü (ε), akışkan akış hızı (v), yoğunluğu yoğunluğu (ρ) ve viskozitesi (μ) etkiler. Dairesel kesitli borularda, sürtünme kaybı h f   ile akış şartları arasındaki ilişki “Fanning Eşitliği” ile verilir;

63

4f.L.v 2 2f.L.G 2 h f    ..........................................................................................................(7) 2.g C .D g C .D.ρ 2 veya, 2.f.L.ρ.f 2 2.f.L.G 2 ΔP  h f .ρ   ..........................................................................................(8) g C .D g C .D.ρ Fanning sürtünme faktörü “f”, boyutsuz bir parametre olan Re sayısının bir fonksiyonudur. Ancak bu fonksiyon sürekli değildir. Log-log grafik kâğıdı üzerine çizildiğinde farklı iki eğri elde edilir. Re sayısı yaklaşık olarak 2100’den az olduğu zaman akım viskoz veya laminardır ve sürtünme faktörü eğrisi eğimi eksi olan düz bir doğrudur. do ğrudur. Bu doğrunun eşitliği; eşitliği;  f  

16   ………………………………………………………………………………........(9) Re

dir. Bu ilişki, borunun pürüzsüzlüğüne bağlı değildir ve dairesel kesitli boruda Laminar akım için Hagen-Poiseuille Hagen-Poiseuille (10) eşitliğinden türetilebilir.

ΔP 

32, L.v.μ …………………………………………………………………………….. (10) g C .D 2

eşitliğinden, 2.f.L.ρ.f 2 32.L.u.μ ……………………………………………………………….. (11)  ΔP  g C .D g C .D2 f  

16.μ 16  …………………………………………………………………………… (9) D.u.ρ Re

Re sayısının 2100-3500 değerleri arası kritik bölgedir. Bu bölgede akım, şartlara göre laminar veya türbülent olsa da çoğu hallerde Re, kritik değer olan 2100’ün üzerinde olduğu zaman akım genellikle türbülent kabul edilir. Türbülent akış için Re sayısı ile sürtünme faktörü arasındaki ilişki oldukça karışıktır. Türbülent bölgede sürtünme kaybı büyük ölçüde borunun pürüzlülüğüne bağlıdır. Türbülent  bölgede Re ile f arasındaki ilişki için literatürde birçok eşitlik önerilmiştir. Bu eşitliklerin çoğu; F=a+b.Ren ………………………………………………………………………………….(12) 64

şeklindedir. Burada a,b ve n sabit sayılardır. Literatürde verilen eşitlikler arasında en çok kullanılanları aşağıdaki gibidir. 1. Cam gibi düz borular için f = 0,00140 + 0,125 Re -0,32………………………………………………………...(13) 2. Çelik ve demir temiz borular için f = 0,00307 + 0,1886 Re -0,38 ……...……………………………………………....(14) Bunun dışında pürüzsüz borular için Re< 100.000’e kadar geçerli olmak üzere yük kayıp katsayısı için ilk kez Blasius aşağıdaki formülü önermiştir: f = 0,079 Re-1/4…………………………………………………………………….(15) Sürtünme faktörü yukarıdaki formüllerle hesaplanabildiği gibi bu formüller kullanılarak hazırlanan Sürtünme faktörü grafiği (Moody diyagramı veya Fanning Sürtünme Faktörleri Grafiği) kullanılarak da okunabilir. Bu grafiğin kullanımı oldukça basittir. Eğer akış hızı, akışkanın yoğunluğu, viskozitesi ve borunun çapı belli ise N Re hesaplanabilir. N Re değeri apsis olarak alınarak eğrileri kestiği noktadan ordinattaki ordinattaki sürtünme faktörü okunur.

65

66

Ortalama pürüzlülük: Çelik boru

0.0460 mm

Bakır boru

0.0015 mm

Cam boru

0.0001 mm

Polietilen boru

0.0010 mm

Yumuşak P.V.C. boru

0.2000 mm

Sert P.V.C. boru

0.0050 mm

Demir boru

0.2600 mm

Beton boru

2.0000 mm

Deney Düzeneği ve Deneysel Çalışma Deney düzeneği Şekil 12’de görüldüğü gibi 20 litrelik bir depolama tankı, 6000 litre/saat kapasitedeki bir pompa ve depolama tankından pompalanan suyu istenen miktarlarda iletebilen 4 adet paralel ve yatay PVC boru donanımından ibarettir. Her boru hattının girişinde vanalar bulunmaktadır ve bu vanalar kullanılarak akışın istenen boru veya borulardan geçişi sağlanmaktadır. Sistemi oluşturan 4 hat aşağıdaki bileşenlerden oluşmaktadır: oluşmaktadır:

1. Hat

1 adet orifis

2. Hat

1 adet düz boru

3. Hat

2 seri dirsek

4. Hat

1 adet küresel düz geçişli vana 1 adet küresel redüksiyon geçişli vana

1 “ boru orifis çapı 20 mm 1” 4 adet 90 o standart dirsek 4 adet 90 o kare dirsek 1” 1”

Her hat üzerindeki farklı noktalarda manometre bağlantı uçları bulunmaktadır. Buralara  bağlanan manometre yardımıyla yardımıyla manometrenin uçları arasında kalan parçanın meydana getirdiği basınç düşüşü ölçülebilir. ö lçülebilir. Boru hattındaki akımın debisi bir akış kontrol vanası ile ayarlanabilir ve rotometre ile ölçülebilir.

67

1.Hat: Bu hattaki çalışmanın amacı bir akışkanın orifismetreden akışı esnasında akışkanın debisi ile  basınç düşüşü düşüşü arasındaki ilişkinin ilişkinin incelenmesidir.

Çalışma Yöntemi: 1) Pompadan gelen akımın üzerinde orifis bulunan 1. boru hattından geçişini sağlanır sağlanır ve uygun yerlere manometre bağlanır. 2) Manometreyi sıfırlanır sıfırlanır ve akış kontrol vanası vanası yeterli akış debilerini debilerini verecek şekilde kullanılır. 3) Her akış debisi için manometreden okunan değerler kaydedilir. 4) Basınç düşüşüne karşı akış debisi ve basınç düşüşünün kareköküne karşı akış debisi grafik kâğıdına çizerek orifismetre sabitlerini sabitlerini hesaplanır. hesaplanır.

2. Hat: Bu hattaki çalışmanın amacı düz borularda akan akışkanın akışı esnasında meydana gelen  basınç değişimlerinin değişimlerinin araştırılmasıdır.

Çalışma Yöntemi: 1) Pompadan gelen akımın üzerinde orifis bulunan 2. boru hattından geçişini sağlanır ve uygun yerlere manometreyi bağlanır 2) Manometreyi sıfırlanır sıfırlanır ve akış kontrol vanası vanası yeterli akış debilerini debilerini verecek şekilde kullanılır. 3) Her akış debisi için manometreden okunan değerler kaydedilir. 4) Boru hattından elde edilen verilerden yararlanarak yararlanarak bulunan sürtünme faktörü literatürde verilen değerlerle karşılaştırılır. 5) Log-log kâğıdına Re sayısına karşı sürtünme faktörü grafiğini çizilir. Bulunan eğri literatürde verilenlerle karşılaştırılır.

3. Hat: Bu hattaki çalışmanın amacı akışkanın dirseklerden akışı esnasında meydana gelen enerji değişimlerinin incelenmesidir.

68

Çalışma Yöntemi: 1) Pompadan gelen akımın üzerinde orifis bulunan 3. boru hattından geçişini sağlanır sağlanır ve uygun yerlere manometreyi bağlanır. Manometreler önce 4 adet 90 o dirseklerin olduğu  bölüme, daha daha sonra 4 adet kare dirseğin dirseğin olduğu bölüme bağlanır. bağlanır. 2) Manometre sıfırlanarak akış kontrol vanası yeterli akış ak ış debilerini verecek şekilde kullanılır. 3) Her akış debisi için manometreden okunan değerler kaydedilir. 4) Log-log kâğıdına Re sayısına karşı sürtünme faktörü grafiği çizilir. 5) Elde edilen basınç düşüşünden yararlanarak dirseklerin yol açtığı sürtünme, eşdeğer  boru uzunluğu uzunluğu ve kayıp katsayılar katsayılar olarak hesaplanır. hesaplanır. Bulunan değerler değerler literatürdeki değerlerle karşılaştırılır.

4. Hat: Bu hattaki çalışmanın amacı akışkanın vanalardan geçişi esnasında meydana gelen enerji değişimlerinin incelenmesidir.

Çalışma Yöntemi: 1) Pompadan gelen akımın, üzerinde orifis bulunan 4. boru hattından geçmesi sağlanır ve uygun yerlere manometre bağlanır. Manometreler önce küresel düz geçişli vananın olduğu bölüme bölüme sonrada küresel redüksiyon redüksi yon geçişli vananın olduğu bölüme  bağlanacaktır.  bağlanacaktır. Aşağıdaki işlemleri her iki durum için tekrarlanır: 2) Manometre sıfırlanarak akış kontrol vanası yeterli akış ak ış debilerini verecek şekilde kullanılır. 3) Her akış debisi için manometreden okunan değerler kaydedilir. 4) Log-log kâğıdına Re sayısına karşı sürtünme faktörü grafiği çizilir. 5) Elde edilen basınç düşüşünden yararlanarak dirseklerin yol açtığı sürtünme, eşdeğer  boru uzunluğu uzunluğu ve kayıp katsayılar katsayılar olarak hesaplanır. hesaplanır. Bulunan değerler değerler literatürdeki değerlerle karşılaştırılır.

69

Düzeneğ i, (1. Pompa 2. Basınç göstergesi göst ergesi 3. Rotametre Rotametr e 4.Havalandır 4. Havalandırma ma Şekil 12. Deney Düzeneği, vanası 5.Manometre uçları uçları 6.Depolama tankı 7.Orifismetre, 7.Orifismetre, 8.Düz boru, 9. Dirsekler, Dirsekler, 10. Küresel düz geçişli vana 11. Küresel redüksiyon geçişli vana 12. Boşaltma vanası).

Kaynaklar 1. McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, Fifth edition, McGraw-Hill Inc., 1993. 289-308.

70

DENEY NO:6 AKIŞKAN AK IŞKAN KARIŞTIRMA KARIŞTIRMA VE GÜÇ TÜKETİMİ 1-GİRİŞ Birçok işlemde elde edilecek sonuç iyi bir çalkalamaya ve karıştırmaya bağlıdır. Çalkalama, genellikle bir kap içerisindeki bir maddenin dışarıdan etki ile dairesel bir harekete tabi tutulmasıdır. Karıştırma ise, iki veya daha fazla fazın gelişi güzel birbiri içine dağıtılmasıdır. Sıvı-sıvı veya katı-sıvı sistemlerin karışımı analiz için karmaşık bir süreçtir. Sıvı içine katı tozların dağılımı iki ana faktöre bağlıdır. Karıştırıcının uç kısmının etrafındaki süspansiyon (askıda kalma) yüzey hızı ve yüksek yüzey bölgesi boyunca sıvı ve katıların toplam dolaşım (sirkülasyon) (sirkülasyon) hızıdır. Güç için her ikisinin katkısına karıştırıcının ihtiyacı vardır. (*)Karıştırıcı eleman çapı genelde tank çapının 1/3 ile 1/6 sı arasındadır. Tipik bir enuygun ayarlama tabandan sıvı seviyesinin üçte biri ve dört engel kullanılarak yüksek hızda dönen türbin karıştırıcı olarak alınacaktır. İki veya daha fazla bileşenden oluşan bir bileşeni hazırlamak için gazlar, katılar ve sıvılar  birbiriyle karıştırılırlar. Gazların birbiriyle bir biriyle karıştırılmalarında kar ıştırılmalarında çok nadir haller hariç güçlükle karşılaşılmaz. Sıvıların sıvılarla ve gazların sıvılarla karıştırılmaları en çok karşılaşılan  problemlerdir ve geniş bir şekilde araştırılmışlardır. Sıvıların katılarla karıştırılmasında katının sıvıya göre oranı küçük olduğu durumlarda, sıvıların sıvılarla karıştırılması işleminin  bir benzeridir. Sıvının katıya katıya göre oranının düşük düşük olması durumunda yapılacak yapılacak işlem, katıların katıların katılarla karıştırılması işlemine benzer. Uygun karıştırıcı tipi ve karıştırma hızı akışkan haldeki karışımın (sıvı-sıvı, katı-sıvı, sıvı-gaz vb.) tipine, fiziksel özelliklerine ve ulaşılmak istenen amca bağlıdır. Karıştırıcı seçimi için dikkat edilmesi gereken faktörler; karıştırıcı tipi, karıştırıcı hızı, akışkan sirkülasyonunun akım modeli, karıştırıcı elemanının şekli ve boyutları, akım kırıcısı bulundurması, akım kırıcının yeri, şekli ve adedi, karıştırıcı elemanın tanktaki yeri (üstten, alttan, eksensel vb.), karıştırılan tank geometrisi şeklinde sıralanabilir. Bunun sonucunda çok çeşitli karıştırıcı tipleri oluşmaktadır. Bunlara örnek olarak o larak kanatlı, türbin ve pervaneli karıştırıcılar verilebilir. Karıştırma sırasında karıştırıcı tipi seçiminin yanı sıra, karışma verimini arttırmak amaçlı tankta akım kırıcılar (engel) yerleştirilmektedir. Aksi halde tanktaki dönme hareketi sonucu vorteks oluşur.

71

Soru: Karıştırıcı tanktaki t anktaki akım tipi neye veya nelere bağlıdır, nedenleriyle açıklayınız. Vorteks nedir, teknik olarak nasıl oluşumu o luşumu engellenebilir, engellenebilir, açıklayınız. Bir tankın tasarımında karıştırıcıyı çevirmek için gerekli olan güç önemlidir. Bu güç teorik olarak bulunamaz. Fakat boyutsal analiz yardımı ile kantitatif tipte aynı tarzdaki deneyle  bulunur. Bir süreç için gerekli olan karıştırıcı seçimi farklı hızlarda dönen farklı tip karıştırıcıların dağılım hızını nasıl etkilediği ve karıştırıcının tükettiği güç göz önüne alınarak yapılır.

(a)

(b)

Şekil.1. (a)CSTR tank reaktör, (b) Kristalizasyon Reaktörü 2.KURAMSAL TEMELLER TEMELLER 2.1 Genel Karıştırıcı Tipleri Sıvılar genellikle dik bir silindirden ibaret olan tanklarda karıştırılırlar. Tankın tepesi atmosfere açık ya da kapalı olabilir. Tankın büyüklüğü çalkalamanın türüne bağlı olarak çok değişir. Tankın tabanı düz olmayıp yuvarlaktır, böylece sıvı akımlarının içeri giremeyeceği keskin köşelerin meydana gelmesine engel olunmuş olur. Sıvının derinliği yaklaşık olarak tankın çapına eşittir. Tepeden desteklenmiş bir şafta karıştırıcı ucu yerleştirilmiştir. Şaft doğrudan doğruya motor tarafından döndürülür. Motor ya doğrudan ya da hız düşürücü bir dişli kutusu vasıtasıyla şafta bağlanmıştır (Şekil.1). ( Şekil.1).

A-Pervane (Propeller) Pervane, eksen yönünde (üst akım pervaneleri) akım meydana getiren, düşük viskoziteli sıvılar için kullanılan yüksek hıza sahip bir karıştırıcıdır ( Şekil.2). Küçük pervaneler tam kapasite ile çalışırlarsa, 1150-1750 devir/dk kadar bir hıza sahip sa hip olurlar. Büyük pervaneler ise 72

400-800 devir/dk hızla çalışırlar. Pervaneyi terk eden akım hatları, sıvı içinde belli bir yönde karıştırma kabının duvar ya da tabanına çarpıncaya kadar giderler. Pervaneyi terk eden oldukça yüksek hızlı sıvı, gidiş yönündeki durgun sıvıya girer. Pervane bıçakları şiddetle sıvıyı keser. Meydana gelen sıvı akımının devamlılığından dolayı, geniş tanklarda pervaneli çalkalayıcılar çok etkilidir. Çok yüzeyli (kenarlı) keskin pervaneler 15000 m 3’lük tankları karıştırmada kullanılırlar. Pervanelerin temel özellikleri aşağıda s ıralanmıştır; 1. Şafta paralel eksenel yönde akışla döner. 2. Geniş hız aralığında çalışırlar. 3. Kesme hareketi yüksek hızda iyidir. 4. Düşük hızda kolayca tahrip olmazlar 5. Güç yönünden ekonomiktir 6. Genellikle otomatik temizlenirler. 7. Optimum performansı elde etmek için kazanlara göreceli olarak yerleşmesi zordur. 8. Özel tasarım olmadıkça viskoz sıvılarda etkili değildir. 9. Fiyatı orta derecelidir.

Şekil.2. Karıştırıcı pervaneler, a) İki bıçaklı b) Muhafazalı c) c) standart üç bıçaklı bıçaklı B-Çarklar (Düz Kanatlı Pervaneler) Pervaneler) Oldukça düşük hızlı olup, karıştırıcı kanatçıkları tank cidarına oldukça yakındır. Genellikle çözünme, kristalizasyon, yüksek viskoziteli sıvı karıştırma sırasında tercih edilirler ve basit  problemler için etkili et kili bir karıştırıcıdır. Çark tipi karıştırıcı dikey d ikey bir şaft üzerinde düz çarktan oluşur (Şekil.3). 2 ve 4 bıçaklı çarklar çok yaygındır. Tankın merkezinde çarklar yavaştan ortaya doğru bir hızla dönerler ve sıvıyı yarıçap doğrultusunda ve teğet olarak, karıştırıcıda düşey bir harekete imkân vermeden iterler. Meydana getirdikleri get irdikleri sıvı akımları tankın duvarına doğru gider ve orada ya aşağıya ya da yukarıya doğru gider.

73

Pervanelerin temel özellikleri aşağıda sıralanmıştır; 1. Yarıçap yönünde dönerler. Akım kırıcı (engel) kullanılmadıkça, düşey/eksenel sirkülasyon gerçekleşmez. 2. Geniş viskoz aralığını kapsar 3. İşler halde iken kolayca ko layca tahrip olmazlar. 4. Kolayca kirlenmezler 5. Akış kapasitesi çok bıçak olması durumunda yüksek yüksek olabilir. 6. Fiyatı nispeten düşüktür.

b)At ışlı çarklı c)Çapalı çark Şekil.3. Çarklı karıştırıcılar a)Düz çarklı b)Atışlı

C-Türbinler Çoğu tank eksenindeki bir şafta monte edilmiş, kısa ve çok sayıda bıçağı kapsayan çark karıştırıcıya benzer. Bıçaklar düz ya da eğri, dikey ya da eğik olabilirler. Pervaneler açık, yarı açık ya da kapalı olabilir. Türbinler geniş bir viskozite sınırı içinde etkilidir. Düşük viskoziteli sıvılarda türbinler, tank içinde karıştırılamayan hiçbir boşluk kalmayacak şekilde kuvvetli akımlar meydana getirirler.

Pervane yakınındaki bölgede yüksek yüksek türbülanslı, sürünmesi fazla olan hızlı bir akım meydana gelir. Ana sıvı akımı yarıçap yönündedir. Tanjant kuvveti bir dönme ve girdap meydana getirir. Bu girdap ve dönme engeller vasıtasıyla durdurulur. Genellikle oldukça yüksek hızlı olan bu karıştırıcılar etkin bir karıştırma sağladıkları için hemen her türlü uygulamada (çözünme, kristalizasyon, kristalizasyon, çöktürme, ısı transferi arttırma, emülsiyonlama vb.) kullanılır. ku llanılır.

C1-Açık Türbin 1. Türbin bıçakları kullanıldığında merkezkaç kuvveti yarıçapsal ya d a eksenel yönde döner. Sirkülasyon Sirkülasyon hızı oldukça iyidir. 2. Genellikle maksimum bir hızla sınırlıdır. Fakat bu sınır bazı çalışmalar için dar olabilir. 74

3. Hissedilir hızlarda kolayca tahrip olmazlar 4. Fiyatı düşüktür.

C2 Kapalı Türbin 1. Statör içerisinde kapatılan kanatlı çarkların merkezkaç kuvvetiyle merkezden dışarıya doğru dönerler. Sirkülasyon hızı oldukça iyidir. 2. Hız aralığı sınırlı olabilir. 3. Hissedilir hızlarda kolayca tahrip olmazlar. 4. Kirlenme tıkanmalarda kolayca otomati oto matikk olarak o larak temizlenmezler. 5. Akış kapasitesi sınırlıdır. 6. Yüksek viskoziteli sistemlerde etkilidirler. 7. Fiyatı nispeten yüksektir.

Şekil.4. Türbin karıştırıcılar 2.2.Karışım Çeşitleri A- Sıvıların Sıvılarla Karıştırılması Bu amaçla kullanılan cihazlar çarkları, deniz taşıt araçlarına ait pervaneleri ve türbinleri kapsayacak şekilde standardize edilebilir. Basit çarklar son zamanlarda oldukça az ve genel olarak sadece ufak işlerde kullanılmaktadır. Pervaneler çok daha fazla önem taşımaktadırlar. Pervanelerin yerleştirilmeleri ile ilgili farklı metotlar vardır. Tank merkezine dikey olarak yerleştirilmiş ve akım kırıcı engel konulmamış bir düzen iyi sonuç vermez. Çünkü hemen hemen sadece dönme hareketi verir ve pervaneye doğru yönelen bir girdap göbeği oluşturur. Bu durum pervane içerisindeki karışıma hava girmesine ve pervanenin çalışmasının

75

yavaşlamasına sebep olur. Daha iyi sonuç veren bir düzende tank kenarlarına akım kırıcılar koymaktadır. Genel olarak bunların sayısı dört olup genişlikleri tank çapının 1/10 ile 1/12’si kadardır. Sıvıların karıştırılmaları halinde bu akım kırıcılar t ank duvarına yapışmışlardır.

Katıların sıvılar içerisinde süspansiyon durumuna getirilmeleri istenirse, tank duvarı ile akım kırıcı arasında 2-3 cm’lik açıklık bırakılacaktır. Pervanenin dik ya da yatık olarak, fakat merkezden farklı bir noktaya yerleştirilmesi çok iyi sonuç verir. Şafta yukarıdan bakıldığında dönme, saat yönünün tersi yöndedir. Hem düşeyle meydana getirilen açı hem de merkezden uzaklık büyük önem taşır. Çok büyük tanklarda pervanenin yandan girişi hemen hemen standart bir hal almıştır. Bunlar daima tank çapı ile açı yapacak şekilde yerleştirilirler ve bu açı büyük önem taşır.

B-Gazların Sıvılarla Karıştırılması Bu genel olarak gazı türbin altına enjekte edilerek yapılır. Gazın bir pervane altına gönderilmesi bir fayda sağlamaz. Çünkü pervaneden doğan akım eksenel yönde ve aşağıya doğrudur. Başka bir yöntem, gazın tank içerisinde bulunan sıvıya, delikli bir boru ile gönderilmesi şeklindedir. Bu metot sadece yetersiz olmakla kalmayıp, hem karışma için uzun bir zamana ihtiyaç göstermekte hem de yukarıdakilerden daha fazla bir kuvveti gerektirmektedir.

C-Katıların Sıvılarla Karıştırılması Katı büyük tanecikli olmadığı, sıvı çok fazla viskoz bulunmadığı ve sıvının birim hacmindeki katı miktarı çok fazla olmadığı takdirde düz kanatlı türbin kullanılarak katıların sıvı içine süspansiyonu sağlanabilir. Bu şartların herhangi biri var olmadığı takdirde işlem bir katının diğer bir katı ile karıştırılması karışt ırılması şeklini alır.

Katı partiküllerin partiküllerin süspansiyonu: Sıvılar içinde katılar birçok sebepten dolayı süspansiyon halinde bulunurlar. Örneğin, bir süreçte homojen bir besleme meydana getirmek için. Katıların süspansiyonu için gerekli enerji karıştırıcıdan gelir akışkan içindeki basınç düşmesinden değil. Partiküllerin katı içinde süspansiyonu, süspansiyonun hareket halinde muhafazası genel olarak partiküllerin  büyüklüğüne,  büyüklüğüne, şekline ve yoğunluğuna, yoğunluğuna, sıvının viskozitesine viskozitesine ve yoğunluğuna, yoğunluğuna, çökmenin 76

serbest veya engelli olup olmayışına bağlıdır. Genel olarak küçük ve dakikada 0.3 m’lik bir çöküş hızına sahip hafif partiküller, karıştırıcıda kolaylıkla süspanse edilebilirler. Büyük ve ağır partiküller akışkan hareketinin dışına doğru çökme eğilimi gösterirler, fakat çökme hızı 3 m/dk’nın altında ise karıştırılan kar ıştırılan tankta homojen bir süspansiyon süspansiyon elde edilir. Süspansiyonda çökme hızı partiküllerin hacim oranlarına bağlıdır. Katılar süspansiyonun hacimce 0.30’undan daha fazla hacim kapladıkları zaman, pratik olarak partiküller serbest çökme yaparlar. Hacim oranı 0.5’in üzerinde olduğu o lduğu zaman engellenmiş engellenmiş çöküş meydana gelir. Tortu sıvı ve katı olmak üzere iki farklı faz gibi davranmaktan ziyade, viskoz newtonian olmayan sıvı gibi hareket eder. Engelli çöküşte partiküller yavaş yavaş çökerler.

D-Katıların Katılarla Karıştırılması Bu konuda sistematik bir sınıflama yapmak mümkün değildir. Sadece çok değişik cihaz kullanmakla kalmayıp aynı amaçla kullanılan cihazların tipleri, birbirinden çok farklı endüstri kollarında aynıdır. Çok ufak tanecikli kuru tozlar olduğunda, maddenin bir yerden bir yere taşınması esnasında vidalı konveyörlerin kullanımı iyi bir karışma meydana gelmesini sağlar. Toz halindeki kuru maddelerin karıştırılmasında kullanılan diğer bir karıştırıcı döner silindirli karıştırıcıdır. Bu içerisinde derin oyuklar olan veya kepçe şekli verilmiş kanatlar bulunan döner bir silindirden ibarettir. Herkesçe bilinen beton karıştırıcılar buna örnektir. Plastik yapıda olan maddelerin karıştırılmaları için yoğurma makinesi uygundur. Yaklaşık olarak yarı silindirik bir tabanı olan üstü açık bir tekneden meydana gelmiştir. Bu teknenin içerisinde kendilerine Z şekli verilmiş iki yatay bıçak dönmektedir. Viskoz maddelerin karıştırılmasında kullanılırlar. Bu konuda diğer bir cihaz çamur karma makinesidir. Bu cihaz esas itibariyle içinde birbirine paralel ve alt kısma yakın dönen iki şaftı bulunan tekneden oluşmuştur.

2.3.Karıştırıcı Tanklarda Güç Sarfiyatı Güç sarfiyatına etki eden faktörler; Güç Sayısı: Bir tankın tasarımında karıştırıcıyı çevirmek için gerekli olan güç hesabı önemlidir. Bu en basit sistemde bile teorik olarak bulunamaz. Fakat boyutsal analiz yardımı ile kantitatif tipte aynı tarzdaki deneyle bulunur. Şimdi şekil 5’de gösterilen düz bıçaklı, türbin karıştırıcıyı göz önüne alalım. Şekildeki tank belirli bir yere kadar bilinen yoğunluk ve viskozitede bir sıvı ile dolu olsun ve karıştırıcı birim zamanda 77

n devir yapsın. Aynı zamanda tank çapı, karıştırıcının uzunluğu ve çapı, tankın tabanına olan uzaklığı, sıvının derinliği ve engellerin boyutları gibi önemli olan boyutların bilindiği kabul edilsin.

Şekil.5. Karıştırıcı Tanklardaki ölçüler Engellerin sayısı ve düzenleme şekli, karıştırıcıdaki bıçak sayısı belli olsun. Boyutsal analiz ile yukarıdaki değişkenlere bağlı olarak istenilen karıştırıcının hızını sağlamak için gerekli olan güç hesabı isteniyor. Güç karıştırıcıdaki akım tipi ve tankın geometrik oranlarına bağlıdır. Akım mekanizması laminer, türbülent ve sınır tabakası ayrılmasının bir karışımı olup oldukça karışıktır. Analize girecek kontrol edici değişkenler aşağıdaki gibi sıralanabilir. sır alanabilir. Tank ve karıştırıcının önemli boyutları; sıvının viskozite ve yoğunluğu; hız (n); Newton kanunundan dolayı boyutsal katsayı, g c. Ayrıca girdap meydana gelmesine engel olunmadıkça, sıvı yüzeyinde bir girdap meydana gelecektir. Bir kısım sıvı ortalamanın üstüne çıkarılmalı ve karıştırılmayan sıvı seviyesi üzerinde olmalı ve bu kaldırma yerçekimini yenecek düzeyde olmalıdır. Dolayısıyla yer çekimi faktörü analize girmelidir. Değişik lineer  boyutların hepsi esas olarak gelişigüzel seçilmiş rakamlara, numaralara bölünmek suretiyle  boyutsuz oranlar haline sokulabilir ve bunlara “şekil faktörleri” faktö rleri” denir. Karıştırıcının çapı olan Da temel olarak kullanılmak üzere uygun bir faktördür. Şekil faktörleri bütün boyutları D a ile  bölerek elde edilir. edilir. Bu şekilde elde edilen edilen faktörler S 1, S2, S3....Sn ile gösterilsin. Karıştırıcının çapı Da’da alet boyutunun bir ölçüsü olarak alınır ve analizde bir değişken olarak kullanılır. 78

Bu, borulardaki sürtünmenin boyutsal analizinde boru çapının kullanılışına benzer. Farklı  büyüklükte fakat aynı geometrik miktarda olan iki karıştırıcı aynı şekil faktörüne sahip olacaktır. Bu şekil özelliğe sahip olan aletlere geometrik olarak aynıdır denir. Şekil faktörlerini ihmal edip, sıvının Newton kanununa uyduğunu kabul edilerek, P gücü geride kalan değişkenlerin bir fonksiyonudur veya P= f(n, Da, Gc, , g, )

(1)

 burada P gücünün birimi Kğ-m/sn’dir. Uygulanan boyutsal analiz metotlarına göre sonuç aşağıdaki gibi olur. n Da2 n2 Da (------- ----- , -------------) ----------------- = f (-----------3 5  n  Da  g P gc

(2)

Şekildeki faktörlerde göz önüne alınırsa (2) ( 2) no’lu denklem şu şekilde yazılır. n Da2 n2 Da ----------------- = f (------------ , -------------, S1, S2, ........S n ) n3 Da5  g P gc

(3)

(3) nolu denklemde ilk birimsiz grup olan (P g c / n3 Da5  ) ya, güç sayısı denir ve N po  ile gösterilir. İkinci terime n Da 2/   Reynold sayısı denir, N Re  ile gösterilir. Üçüncü terime (n2 Da/g) Froude sayısı denir ve N Fr   ile gösterilir. Buna göre 3 no’lu denklem şu şekilde yazılır. (4)

 N po=f (NRe, NFr , S 1, S2, ........Sn )

2.3.1.Özel Pervaneler Pervaneler için güç bağıntıları 4 no’lu denklemdeki şekil faktörleri aletin düzenleme ve tipine bağlıdır. Gerekli o lan ölçüler şekil 4’de gösterilmiştir. Şekilde tank çapı Dt, Dt, karıştırıcının tankın tabanından olan yüksekliği yüksekliği E, karıştırıcı bıçaklarının boyu L, bıçakların genişliği W, Engellerin genişliği J, sıvı derinliği H’dır. Aynı zamanda engel sayısı ve karıştırıcı bıçak sayısı tespit edilmelidir.

79

Şekil 4’deki karıştırıcı için şekil faktörleri; faktör leri; S1 =Dt/Da, S2= E/Da, S3= L/Da, S4= W/Da, S5=J/Dt,

S6= H/Dt’dir.

Eğer girdap meydana gelirse Froud sayısı etkisini gösterir. Bu Reynold sayısının 300’den  büyük olduğu olduğu durumlarda olur. Engelli olan tanklarda, Reynould Reynould sayısının 300’den küçük küçük olduğu durumlarda ve yandan girişli pervanelerde girdap meydana gelmez. Froud sayısı bu hallerde faktör olmaktan çıkar. Froud sayısı bir faktör olduğu durumlarda ifade aşağıdaki eşitlikle verilir.  N po

.

= f (NRe, S1, S2, ........S n ) = Φ

(5)

 NmFr Φ’ye güç fonksiyonu denir. 5’nolu eşitlikte m üssü, verilmiş şekil faktörleri için Reynould sayısına aşağıdaki gibi bağlıdır. Bu eşitlikler deneylerle elde edilmiştir. m=

(6)

a-log NRe  b

80

Şekil.6. Altı bıçaklı türbin için ф – N R  grafiği  grafiği

 grafiği Şekil.7. Üç bıçaklı pervane için ф – N R  grafiği Bu denklemde a ve b katsayılardır. a ve b’nin değerleri Şekil 5 ve 6 için Tablo 1’de verilmiştir.

81

Tablo 1. 6 no’lu eşitlikteki a ve b katsayıları için değerler Şekil

Hat

a

b

5

B

1,0

40

6

B

1,7

18

6

C

0

18

6

C

2,3

18

(5) no’lu denklemde, deney ile Φ fonksiyonu sabit şekil faktörleri için Reynould sayısının bir fonksiyonu olarak hesap edip, her bir seri şekil faktör için Φ-N Re eğrileri çizilerek kullanılır. Değişik tip tasarım ve karıştırıcılar karışt ırıcılar için eğriler deney ile bulunmuştur. Merkezine Merkezine dikey olarak düz bıçaklı türbin yerleştirilmiş tanklara ait tipik t ipik Φ-NRe grafiği şekil 5’de gösterilmiştir. Önemli şekil faktörleri S1 =3, S2= 1.0, S3=0.25, S6= 1.0’dir. Eğer tank her biri tank çapının 1/10’u kadar engellerle engellenirse, (S 5=0,1), A eğrisi kullanılır ve Φ = N po’dır. Engel yoksa B eğrisi kullanılır ve 300’den büyük N Re sayılarında Φ’nin içinde Froud sayısı da olmalıdır. Üç bıçaklı karıştırıcılar için tipik t ipik eğriler şekil 6’da gösterilmiştir. Bütün eğrilerde pervane tankın tabanından bir çap yüksekliğinde olup S 2=1,0’dır. A ve B eğrileri adım mesafesi 2,0 olan bıçaklar ve tank pervane oranı S 1=3,3 olduğu durumlarda kullanılır. A eğrisi 4 engelli tanklara (S 5=1,0) uygulanır. B eğrisi engelli olmayan tanklara uygulanır. C ve D eğrileri pervane adımı 1,0 olduğu zaman, ölçek faktör S 1 oranı değiştirildiğinde NPo  üzerindeki etkiyi gösterir. Düşük Reynould değerlerinde S 1 deki değişikliklerin tesiri olmaz. C eğrisi S 1=4.5, D eğrisi S 1= 2.7 olduğu o lduğu hallerde uygulanır. uygulanır.

2.3.2Harcanan Güç Hesabı Sıvıya geçen güç hesabı no’lu eşitlik ve N po’nun tarifi birleştirilerek hesaplanır. Φ NmFr n3Da5 

(7)

P= -------------------gc

82

Froude sayısı faktör olmadığı zaman güç aşağıdaki eşitlik tarafından verilir. Φ n3Da5  P=-------------gc

(8)

Düşük Reynould sayılarında N po- N  NRe eğrileri engelli veya engelsiz tanklar için üst üste biner ve logaritmik koordinatlarda doğrunun eğimi -1’dir. Bu sınır akım laminer olur ve yoğunluk faktör olmaktan çıkar ve 5’nolu denklem şu şekli alır. P gc  N po NRe= --------------= K L = f ( S1, S2, ........Sn ) n2Da3 K L n2Da3 Buradan, P=------------------gc

(9)

(10)

Reynold sayısı 10 dan aşağı olduğu o lduğu zaman 9 ve 10 no’lu denklemler kullanılabilir. Reynold sayısının 10000 den büyük olduğu engelli tanklarda, tanklard a, güç fonksiyonu reynold sayısına bağlı değildir. Ayrıca viskozitede bir faktör değildir. Bu değişikliklerin N Fr  da  da hiçbir etkisi olmaz. o lmaz. Bu sınır halde akım türbülentdir ve denklemi şu hale girer.  N po=K T = f ( S1, S2, ........S n )

(11)

K T n3Da5 P=-------------gc

(12)

K L ve K T katsayılarının değişik tip karıştırıcı için değerleri Tablo 2’de verilmiştir.

83

Tablo.2 K L ve K T değerlerinin engelli tanklarda (4 engel taşıyor)ve engel genişliği tank çapının %10 kadar olan tanklar için değerleri

Pervane Tipi Üç bıçaklı, kare adımlı pervane Üç bıçaklı, 2 adımlı pervane 6 düz bıçaklı türbin 6 kıvrık bıçaklı türbin 6 yelpaze bıçaklı türbin 2 bıçaklı düz çark 6 kıvrık bıçaklı, muhafazalı türbin muhafazalı türbin, engelsiz

K L 41,0 43,5 71,0 70,0 70,0 36,5 97,5 172,5

K T 0,32 1,00 6,30 4,80 1,65 1,70 1,08 1,12

3.DENEYİN YAPILIŞI Bu deneyde; 1. Farklı karıştırıcılarla, engelsiz veya engel kullanarak gerçekleştirilebilecek akış şekillerini görmek, 2. Farklı karıştırıcı uçları ve karıştırma hızları kullanılarak, karıştırıcı güç sarfiyatını hesaplamak, amaçlanmaktadır.

Elektronik karıştırıcı kar ıştırıcı Şekil 7. Elektronik

84

Şekil 8. Karıştırıcı uçlar KAYNAKLAR 1. Bulutçu N., SINAI TESİSLER Ders Notu, İ.T.Ü. Kimya ve Metaluriji Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü. 2. Sinnot R K, Coulson and Richardson’s Chemical Engineering, 3th edition.

85

DENEY NO: 7. ISI DEĞİŞTİRİCİ DENEYİ

1.GİRİŞ Günümüzde ısı ve ısı geçişi ile ilgili birçok araştırma ve uygulama yapılmaktadır. Isının aktarılması ve bir yerden taşınması en önemli mühendislik uygulamalarındandır ve sanayide oldukça fazla oranda kullanılmaktadır. Isı sıcaklık farkından kaynaklanan bir enerji çeşididir ve çeşitli yollarla bir yerden bir yere aktarılmaktadır. Bunlar; iletim (conduction), taşınım (convection) ve ve ışınım (radiation) olmak üzere üzere üçe ayrılır. Isı değiştiricileri ise çeşitli tiplerde olup farklı sıcaklıklardaki iki akışkan arasındaki ısı geçişini temin eden aletlerdir. Bu deneyde iç içe geçmiş iki borudan, farklı sıcaklıklarda suyun aynı yönlü ve zıt yönlü  paralel akış durumunda durumunda farklı hızlarda akışı esnasında oluşan ısı aktarımı aktarımı hesaplanarak toplam ısı iletim katsayısını hesaplanmaktadır.

2. ISI TRANSFERİ Isı geçişi (veya ısı) sıcaklık farkından kaynaklanan bir enerji aktarımıdır. Bir ortam içerisinde veya ortamlar arasında sıcaklık farkı mevcutsa ısı geçişi mutlaka gerçekleşmektedir.

Bir katı veya durgun akı akı kan kan i inde inde ilet iletim im

T1

Bir yüzeyden, üzerindeki akı a ta ta ınım ınım

T2

Akış, T∞

TS>T∞

İki yüzey arasında ı ınım ınımla la net net ısı ısı alı alı veri eri i

T1

q″1

q″ q″ Ts T1>T2

q″2

T2

letim m ta ınım nım ve ı ınım ınım ile ile ısı e i i. ekil 1. İleti

Şekil 1’de gösterildiği gibi, ısı geçişinin gerçekleşmesine yol açan farklı mekanizmalar, ısı

geçişinin türleri  olarak adlandırılır. Katı veya akışkan bir durum içinde, bir sıcaklık farkı olması durumunda, ortam içinde gerçekleşen ısı geçişi için, iletim  terimi kullanılır. Buna karşın, bir yüzey ile hareket halindeki bir akışkan farklı sıcaklıklarda ise, aralarında gerçekleşen ısı geçişi, taşınım terimi ile anılır. Isı geçişinin üçüncü türü ise, ısıl ışınım olarak adlandırılır. Sonlu sıcaklığa sahip tüm yüzeyler, elektromanyetik dalgalar halinde enerji

86

yayarlar. Dolayısıyla farklı sıcaklıklardaki iki yüzey arasında, birbirini gör meye meye engel olan o lan bir ortam yoksa ışınımla net ısı alışverişi gerçekleşir.

Fiziksel Esaslar ve Birim Zamandaki Isı Geçişi Isı geçişi türlerinin esaslı olan fiziksel mekanizmaların anlaşılması ve birim zamanda aktarılan enerjiyi hesaplayan temel bağıntıların kullanılabilmesi, mühendisler için önemlidir. Isı geçişinin türleri ise şu şekildedir;

 İletim (Conduction) İletim, bir maddenin daha yüksek enerjili parçacıklardan daha düşük enerjili parçacıklarına,  bu parçacıklar parçacıklar arasındaki etkileşimler sonucunda sonucunda enerjinin aktarılması aktarılması olarak düşünülebilir. düşünülebilir.

İçinde sıcaklık farkı olan bir gaz göz önüne alırsak ve hiçbir kitlesel hareketin olmadığını düşünürsek bu gazda farklı sıcaklıklarda tutulan iki yüzey arasındaki hacmi kaplıyor olabilir. Herhangi bir noktadaki sıcaklık, o noktanın yakın çevresinde bulunan gaz moleküllerinin enerjisi ile ilişkilidir. Bu enerjide, moleküllerin dönme ve titreşim hareketleriyle olduğu kadar, rastgele öteleme hareketleri ile de ilişkilidir.

Daha yüksek enerjili moleküller, daha yüksek sıcaklıktadırlar ve komşu moleküller sürekli olarak çarpışırlarken, daha çok enerjili moleküllerden daha az enerjili moleküllere bir enerji aktarımı mutlaka gerçekleşir. Öyleyse, bir sıcaklık farkı olması durumunda, sıcaklığın azaldığı yönde iletim ile enerji aktarımı gerçekleşecektir.

Moleküller arasında daha az farklılık olmasına ve moleküller arası etkileşimler daha kuvvetli ve daha sık olmasına rağmen, sıvılar için de durum hemen hemen aynıdır. Benzer olarak, bir katı içindeki iletim de, kafes titreşimleri t itreşimleri şeklindeki atomik faaliyetlere bağlanabilir.

İletimle ısı geçişine birçok örnek verilebilir. Bir fincan sıcak kahveye aniden daldırılan bir metal kaşığın dışarıdaki ucu, kaşık boyunca enerji iletimi sonucunda ısınır. Bir kış gününde, ısıtılan bir odadan dışarıdaki havaya, kayda değer miktarda enerji kaybı olur. Bu kayıp, esas olarak, oda havasını dış havadan ayıran duvar üzerinden iletimle ısı geçişi ile gerçekleşir.

87

Isı geçişi işlemlerini, uygun an denklemleri ile nicelemek mümkündür. Bu denklemler, birim zamanda aktarılan enerji miktarını hesaplamak için kullanılabilir. Isı iletim için denklem

Fourier Yasası ile tanımlanır. Şekil 2’de görülen ve T(x) sıcaklık dağılımına sahip, tek-boyutta düz duvar için denklem aşağıdaki gibi ifade edilebilir. Birim yüzeyden, birim zamanda geçen ısı miktarına mikt arına ısı akısı denir.

Şekil 2. T(x) sıcaklık dağılımına sahip düz duvarda ısı iletimi i letimi

"

q x

  k 

dT  dx

Isı akısı q x”  (W/m2), ısı geçişi doğrultusuna dik birim yüzeyden, birim zamanda, x doğrultusunda geçen ısıdır ve bu doğrultudaki sıcaklık gradyanı dT/dx ile doğru orantılıdır. Orantı katsayısı k, ısı iletim katsayısı (W/m.K) olarak adlandırılan bir aktarım özelliğidir ve duvar malzemesi ile ilişkilidir. Eksi işareti ısı geçişinin, sıcaklığın azaldığı yönde gerçekleşmesinin gerçekleşmesinin bir sonucudur.

Böylece Şekil 1’deki yüzey alanı A olan düz bir duvardan birim zamanda geçen ısı, q x (W), akı ile çarpımına eşittir.

q  x



q  x" . A

   A . k  88

dT  dx

Taşınım (Convection) Taşınım ile ısı geçişi, iki mekanizmadan oluşmaktadır. Rastgele moleküler hareket (yayılım) sonucunda enerji enerji aktarımının aktar ımının yanı sıra, akışkanın kitle veya makroskopik hareketi ile de enerj i aktarımı olur. Bu akışkan hali herhangi bir anda herhangi bir anda, çok sayıda molekülün, topluca veya kümelenmiş olarak hareket etmesi ile ilgilidir. Bir sıcaklık gradyanı olması durumunda, böylesi bir hareket, ısı geçişine katkıda bulunur. Küme içindeki moleküller rasgele hareketlerini de korudukları için, toplam ısı geçişi, moleküllerin rastgele hareketi ile ve akışkanın kitle hareketi ile oluşan enerji aktarımlarının bir toplamıdır. Bu toplam aktarım söz konusu olduğunda ise, adveksiyon  terimi kullanılır.

Akışkan-yüzey etkileşiminin bir sonucu olarak, akışkanın hızı yüzeydeki sıfır değerinden, akış ile ilgili bir U∞ hızına ulaşır. Bu akışkan bölgesi, hidrodinamik sınır tabaka veya hız sınır

tabaka olarak adlandırılır. Yüzey ve akış sıcaklıkları farklı ise, akışkan içerisinde sıcaklığın, y = 0’da T s değerinden, dış akışta T ∞ değerine değiştiği bir akışkan bölgesi oluşur. Isıl sınır

tabaka olarak adlandırılan bu bölge, hızın değiştiği tabaka t abakadan dan daha ince, daha kalın veya aynı kalınlıkta olabilir. Her durumda, T s>T∞ ise, yüzey ile dış akış arasında taşınma ile ısı geçişi gerçekleşir.

Taşınım ile ısı geçişi, sınır tabaka içindeki akışkanın hem rastgele moleküler hareketi ile  beslenir. Rastgele moleküler hareketin hareketin (yayılım) katkısı, akışkan hızının düşük olduğu yüzeye yakın kısımda etkindir. Ayrıca yüzey ile akışkan arasındaki ara yüzeyde (y = 0) akışkan hızı sıfırdır ve ısı geçişi yalnızca bu mekanizma ile olur. o lur. Akışkanın kitle hareketinin katkısı, akış x doğrultusunda gelişirken sınır tabakanın büyümesi olgusuna dayanır. Yani, bu tabakaya iletimle geçen ısı, akış yönünde süpürülür süpürülür ve sonuçta, sınır tabaka dışındaki akışkana aktarılır.

Taşınım ile ısı geçişi, akışın türüne göre sınıflandırılabilir. Akış, bir fan, bir pompa veya atmosferik rüzgârlar gibi bir dış etki ile oluşuyorsa, zorlanmış taşınım söz konusudur. Buna karşın, doğal taşınım ile (veya serbest) akış, akışkan içerisindeki sıcaklık değişimlerinin neden olduğu yoğunluk farklarından kaynaklanan kaldırma kuvvetleri kuvvetleri ile ilişkilidir.

89

Taşınım ile ısı geçişi, bir akışkan içinde, iletimin ve kitle hareketinin birleşik etkileri ile oluşan enerji aktarımı olarak tanımlanır. Burada, aktarılan enerji, akışkanın duyulur ve iç ısıl enerjisidir. Taşınma ile ısı geçişinin tüm türleri t ürleri için kullanılan denklem,

q"

 h .T S   T   

şeklindedir. Burada, taşınım ile ısı akısı q ” (W2/m2), yüzey ve akışkan sıcaklıklarının arasındaki fark (T S-T∞) ile doğru orantılıdır. Bu ifade, Newton’un soğutma yasası olarak  bilinir ve orantı katsayısı h (W 2/m2.K) ısı taşınım katsayısı  olarak adlandırılır. Bu değer, yüzey geometrisine, akışkanın bazı termodinamik ve aktarım özelliklerine göre belirlenen sınır tabaka koşullarına bağlıdır.

Tablo 1.

Isı taşınım katsayısına örnek değerler.

h (W2/m2.K)

İŞLEM Doğal Taşınım Gazlar

2 – 25

Sıvılar

50 – 1000

Zorlanmış Taşınım Gazlar

25 – 250

Sıvılar

50 – 20000

Faz Değişimli Taşınım Kaynama veya yoğunlaşma 2500 – 100000 Isı yüzeyden akışkana geçtiğinde (T S>T∞) artı akışkandan yüzeye geçtiğinde (T ∞>TS) ise eksi işaretli kabul edilir. Ancak, T ∞>TS ise, Newton’un soğutma yasası;

q

"

 h . T    T S  

şeklinde ifade edilir. Bu durumda, yüzeye olan ısı geçişi artı işaretli olur.

90

 Işınım (Radiation)

Isıl ışınım, sonlu sıcaklığa sahip bir cismin yaydığı enerjidir. Işınım yayma, cismin yapısından bağımsız olarak, cismi oluşturan atomların ve moleküllerin elektron düzenlerindeki değişmelere yorumlanabilir. Işınım alanının enerjisi, elektromanyetik dalgalar (veya fotonlar) ile aktarılır. İletim veya taşınım ile enerji aktarımı, bir maddi ortamın varlığını şart kılarken, ışınım için bu şart yoktur. Ayrıca ışınımla aktarım, boşlukta daha etkin olarak gerçekleşir. Yüzeyin yaydığı ışınım, yüzeyin sardığı cismin ısıl enerjisinden kaynaklanır ve birim zamanda birim yüzeyden serbest bırakılan enerji (W/m 2) yüzeyin yayma gücü E olarak adlandırılır. Yayma gücünün, Stefan-Boltzmnn Yasası ile tanımlanan bir üst sınırı vardır.

 E b

  T S 4

Burada, T S, yüzeyin mutlak sıcaklığı (K) olup σ, Stefan-Boltzmann sabitidir ( σ = 5,67 x 10 -8

W/m2.K 4). Böyle bir yüzey, ideal ışınım yayıcı veya siyah cisim olarak adlandırılır. Gerçek bir yüzeyin yaydığı ısı akısı, aynı sıcaklıkta bulunan bir siyah cismin yaydığından daha azdır ve aşağıdaki eşitlik ile verilir:

 E    T S 4 Burada, ε, yayma oranı olarak adlandırılır ve yüzeyin bir ışınım özelliğidir. 0 ≤ ε ≤ 1 aralığında değerler alan bu özellik, bir yüzeyin, siyah cisme göre ne denli etkin enerji yaydığının bir ölçüsüdür. Yüzeyi oluşturan malzemeye ve yüzeyin nasıl işlenmiş olduğuna kuvvetle bağlı olan bu özellik için temsili değerdir. Bir yüzeyin üzerine çevresinden gelen ışınım da söz konusudur. Güneş gibi veya söz konusu yüzeyin görme alanında olan diğer yüzeyler gibi bir takım kaynaklardan ışınım gelebilir. Gelen ışınımın tümü veya bir kısmı yüzey tarafından yutulabilir ve bu nedenle, malzemenin ısıl enerjisinde bir artış gerçekleşir. Uygulamadaki birçok durumda, ışınımla net ısı alışverişinin aşağıdaki gibi ifade edilmesi uygun olur: " q ışınım





h r  A T S 

Işınımla ısı geçiş katsayısı h r  ise,   ise,

91



T Ç 



h r 

   T S   T Ç  T S 2  T Ç 2 

olarak yazılabilir.

2.1. Isı İletim Katsayısı Bir aktarım özelliği olarak bilinen bu özellik yayınımla geçen enerjinin bir göstergesi olup maddenin haliyle ilgili atomik, moleküler ve fiziksel yapısına bağlıdır. Fourier Yasasına göre ısı iletim katsayısı;

k  



q  x"

 T  /  x 

olarak tanımlanır. Buna göre belirli bir sıcaklık gradyanı için iletimle ısı akısı, ısı iletim katsayısının artışı ile artmaktadır.

 Sürekli Rejimde Bir Boyutta Isı Transferi Bir boyutlu ısı transferinde bir boyutlu ifadesi sıcaklığın yere bağlı değişimlerini tanımlamak için sadece bir eksene gerek duyulduğunu belirtir. Bu nedenle ısı geçişi sadece bir yönde olur. Her noktadaki sıcaklık zamandan bağımsız bağımsız ise sürekli rejim ile nitelendirilir.

 Sıcaklık Dağılımı Düz bir duvarı göz önüne aldığımızda, duvar içerisinde ısı üretiminin olmadığı sürekli rejim koşulları için ısı denklemi aşağıdaki gibidir; d  dx

 k  dT    0   dx    

Gerekli sınır koşullarını seçerek integralin indirgenmesi ile sıcaklık dağılımı şu şekilde olur;

T  x   T S , 2

 x

 T S ,1   T S ,1  L

Sıcaklık dağılımı bilindiğinde, iletimle ilet imle geçen ısı Fourier Yasasına göre,

q x

  kA

dT  dx



kA  L

T  ,1  T  , 2  S 

S 

92

şeklinde olur.

 Isıl Direnç Bu kavram elektrik akımı ile ısının yayılması arasında bir benzeşim bulunduğudur. Bir elektrik direnci ile iletilen elektrik arasında ilişki, bir ısıl dirençle iletilen ısı arasındaki ilişkiye benzerdir. Direnç, bir potansiy pot ansiyel el farkın akıma oranı or anı olarak tanımlanırsa;

Isı iletim direnci;

 Rt ,iletim



Isı taşınım direnci di renci;  Rt ,taşaşıa

T S ,1  T S , 2 q x



T S ,

 T  q x

∆T sıcaklık farkı olmak üzere ısı;

 L



olduğu çıkar.

kA



1 hA

q  x

  şeklindedir.



 T   

 R TOP 

olur.

İletim ve taşınım dirençleri seri bağlı olduklarında o lduklarında toplanabilirler toplanabilirler ve;

q  x

2.2



1 h 1 A



 L kA



1 h 2  A

  bulunur.

Isı Değiştiriciler

Isı değiştiricileri genelde, akış düzlemlerine ve yapı tiplerine göre sınıflandırılırlar. En basit  bir ısı değiştiricisinin yapısı, iç içe eş eksenli iki boru içinde, sıcak ve soğuk akışkanların akışkanların  birbirine göre aynı veya ters doğrultuda hareket etmesi ile gerçekleştirilebilir. Isı değiştiricileri çeşitli tiplerde olup farklı sıcaklıklardaki iki akışkan arasında ısı geçişini temin ederler.

Değiştiriciler başlıca üç ana gruba toplanabilir; 1.

Yüzeyli Isı Değiştiricileri : Her iki akışkan, değiştiricinin birbirinden ayrılmış

(sınırlandırılmış) bölgelerinden aynı anda geçerek ısı alışverişi a lışverişi olur.

2.

Karışımlı Isı Değiştiricileri :

Her iki akışkan değiştirici içinde karışarak ısı

alışverişi olur.

3.

Regeneratör

: Her iki akışkan sırayla kanaldan geçerek sıcak olan

akışkanın bıraktığı ısıyı soğuk olan o lan akışkan alır.

93

2.2.1

Yüzeyli Isı Değiştiricileri ve Çeşitli Akış Halleri Her iki akışkan, değiştiricinin birbirinden ayrılmış (sınırlandırılmış) bölgelerinden

aynı anda geçerek ısı alışverişi olur. Isı alışverişi yapan akışkanların değiştiriciye giriş ve çıkış sıcaklıkları farklıdır. Sıcaklık değişimleri akışkanların akış yönlerin de bağlı olup yüzeyli değiştiricilerin yönlerine göre üçe ayrılır;

1. Aynı yönlü paralel akım 2. Zıt yönlü paralel akım 3. Çapraz akım  Aynı Yönlü Paralel Akış

Şekil

3’de

düzenlemede,

sıcak

görüldüğü ve

gibi

soğuk

paralel akışkanlar,

akışlı ısı

değiştiricisinden aynı undan girerler, aynı doğrultuda akarlar ve ısı değiştiricisinin diğer uzundan ısı değiştiricisini terk ederler.

ekil ekil 3. Par Paralel alel Akı Akı Böyle bir ısı değiştiricisinde soğuk akışkanın çıkış sıcaklığı, hiçbir zaman sıcak akışkan sıcaklığından daha fazla olamayacaktır.

Sıcak akışkandan olan ısı geçişi (Q SICAK ) ;

QSICAK  mSICAK  CP,SICAK   TSICAK,GİRİŞ  TSICAK,ÇIKIŞ 

şekilde hesaplanır.

Soğuk akışkandan olan ısı geçişi (Q SOĞUK ) ;

QSOĞUK  mSOĞUK CP,SOĞUK  TSOĞUK,GİRİŞ  TSOĞUK,ÇIKIŞ 

şekilde hesaplanır.

Herhangi bir andaki sıcaklık farkı, ortalama o rtalama logaritmik sıcaklık farkı ΔTln



T  ln





  T  2  T 1 ln  T  2 T 1

şeklinde hesaplanabilir. hesaplanabilir.

94

Logaritmik sıcaklık farkı hesaplanırken Şekil 4’de gösterildiği gibi ΔT1 ile ifade edilen sıcaklık farkı sıcak suyun giriş sıcaklığı ile soğuk suyun giriş sıcaklığı arasındaki farkı ifade etmektedir. Aynı şekilde, ΔT2 ile ifade edilen sıcaklık farkı ise sıcak suyun çıkış sıcaklığı ile

soğuk suyun çıkış  sıcaklığı arasındaki farkı ifade etmektedi et mektedir. r. Herhangi bir ısı değiştiricinin toplam ısı geçiş katsayısı U ise; i se; U 



Q  A 

şeklinde hesaplanabilir.

 T ln

Formüllerde Formüllerde Gösterilen Simgeler ; QSICAK :

Yüksek Sıcaklıktaki Isı Geçişi

QSOĞUK :

Düşük Sıcaklıktaki Isı Geçişi

ΔT

:

Sıcaklık Farkı

ΔTln

:

Logaritmik Sıcaklık Farkı

U

:

Toplam Isı Geçiş Katsayısı

A

:

Isı transferinin Gerçekleştiği Ortalama Alan

T

:

Akışkanın Sıcaklıkları

Şekil 4. Aynı yönlü akışta boru boyu ile sıcaklığın değişimi

95

 Zıt Yönlü Paralel Akış Şekil 5’de görüldüğü gibi, zıt yönlü akış ve her iki akışkanın sıcaklık değişimleri gösterilmektedir. Sıcak ve soğuk akışkanlar, ısı değiştiricisinin birbirine göre ters uçlardan girerler, ters doğrultuda akarlar ve  birbirlerine göre ters uçlardan ısı değiştiricisini terk

ekil ekil 5. Zıt Zıt Yönlü Yönlü Akı Akı

ederler.

Paralel akışlı ısı değiştiricisinin değişt iricisinin aksine, bu düzlemlerde, ısı değiştiricisi boyunca bo yunca sıcaklık farkı ve buna bağlı olarak ısı geçişi yaklaşık eşittir. Bu düzlemlerde soğuk akışkanın akışkanın çıkış sıcaklığı, sıcak akışkanın çıkış sıcaklığından daha fazla olabilir. Burada da ısı geçişi aynı şekilde hesaplanmaktadır. Logaritmik sıcaklık farkı hesaplanırken Şekil 6’da gösterildiği gibi ΔT1 ile ifade edilen sıcaklık farkı sıcak suyun giriş sıcaklığı ile soğuk suyun çıkış  sıcaklığı arasındaki farkı ifade etmektedir. Aynı şekilde, ΔT2 ile ifade edilen sıcaklık farkı ise sıcak suyun çıkış sıcaklığı ile

soğuk suyun giriş sıcaklığı arasındaki farkı ifade etmektedir.

Şekil 6. Zıt yönlü akışta akışta boru boyu ile sıcaklığın değişimi

96

Çapraz Akış Kanatlı ve kanatsız borulu ısı değiştiricilerinde, akışkanlar çapraz (birbirine dik) olarak akabilirler. Bu şekilde verilen iki düzleme akışkanın boyuna dik olarak akması sırasında karışmayan ve karışan olmak üzere iki farklı biçimde olabilir.

3. 3.1

DENEYSEL METOT Deneyin Amacı

Aynı yönlü ve zıt yönlü paralel akımlı, farklı akış hızlarındaki toplam ısı transfer katsayısını hesaplanması hesaplanması şeklindedir.

3.2 Deneyin Yapılışı Isı değiştiricisi ilk olarak o larak aynı yönlü yönlü paralel akım akı m sağlanarak içinden 500 L/saat debiyle sıcak, 200 -150 -100 ve 50 L/saat debiyle soğuk su geçecek şekilde ayarlanır. Sıcak suyun giriş sıcaklığı 40 ile 60 oC arasındadır. Her bir durum için giriş ve çıkış sıcaklıkları not edilir. Daha sonra değiştiricide zıt yönlü paralel akım sağlanarak 500 L/saat sıcak suya karşılık, 100 L/saat debiyle soğuk su geçirilerek giriş ve çıkış sıcaklıkları not edilir.

4.

DENEYSEL VERİLER

Tablo 2. Aynı Yönlü Paralel Paralel Akış İçin Elde Edilen Deneysel Deneysel Veriler Sıcak Suyu Soğuk Suyu Debi Giriş Sıcaklığı Çıkış Sıcaklığı Debi Giriş Sıcaklığı (L/saat) (°C) (°C) (L/saat) (°C) 500 200 500 150 500 100 500 50 Tablo 3. Sabit Debide Aynı Aynı ve Zıt Zıt Yönlü Paralel Paralel Akış Sıcak Suyu Soğuk Suyu Akış Debi Giriş Sıc. Çıkış Sıc. Debi Giriş Sıc. Türü (L/saat) (°C) (°C) (L/saat) (°C) Aynı Yönlü Zıt Yönlü

500 500

100 100 97

Çıkış Sıcaklığı (°C)

Çıkış Sıc. (°C)

KAYNAKLAR 1. Çengel Y. A. Heat Transfer: A practical pract ical approach, approach, 2 nd ed. McGraw Hill, 2003. 2. Incropera F. P., DeWitt D. P., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 5 th ed. Wiley 2002. 3. Holman, J.P., Heat Transfer, Metric Edition, 7 th ed., McGraw-Hill, McGraw-Hill, 1990.

98

DENEY NO:8. YOĞUNLUK VE VİSKOZİTE VİSKOZİTE ÖLÇÜMLERİ / TAYİNİ 1. YOĞUNLUK Yoğunluk (mutlak yoğunluk/absolute density), belirli bir sıcaklıktaki maddenin birim hacminin kütlesidir, örneğin; (kg/m3), (lb/ft3). Yoğunluk sıcaklık ve basınca bağımlı olarak değişmektedir; ρ (P,T). Bu nedenle herhangi bir maddenin yoğunluğu verilirken, yoğunluğun hangi sıcaklık ve basınçta ölçüldüğü mutlaka belirtilir. Ancak basınç özel olarak  belirtilmemişse, ölçümün atmosfer basıncı altında yapıldığı varsayılır. T sıcaklığındaki maddenin kütlesi (m), hacmi (V) ise mutlak yoğunluğu;

(1)

ρ=m/V

Sıvı ve katıların yoğunluğu basınçla fazla değişmezken, gazlar bu durumdan oldukça çok etkilenmektedir. Sıvı formdaki su ve amonyak için yoğunluğun sıcaklığa bağlı değişimi Şekil 1 de verilmektedir.

Şekil.1. Sıvı fazdaki su ve NH 3 ün sıcaklığına karşı yoğunluk değişimi Özgül ağırlık 1  (spesific gravity), ilgili madde yoğunluğunun referans madde yoğunluğuna oranı olup, boyutsuz bir büyüklüktür. Özgül ağırlık 2 T 1 sıcaklığındaki bir maddenin belirli bir hacminin kütlesinin, T 2  sıcaklığındaki ve aynı hacme sahip referans madde kütlesine oranı olarak da tanımlanabilir. Genellikle katı ve sıvılar için referans madde olarak su tercih edilir. Gazların özgül ağırlığı içinse referans madde olarak genellikle havadan yaralanılır. Sıvı yoğunluğu neredeyse basınç değişiminden bağımsız olup, şekilden de görüldüğü üzere sıcaklıkla değişmektedir, bu nedenle çalışılan madde sıcaklılarının belirtilmesi gerekmektedir. Genellikle referans olarak 760mmHg basınçlı, +4°C/ 39°F’daki suyun mutlak yoğunluğu, 1.000 g/cm3 ya da 62.4lb/ft 3, kullanılır.

99

(2)

SG = = ρ / ρsu SG = Özgül ağırlık (spesific gravity)

ρ = katı veya sıvı yoğunluğu; T°C (kg/m 3)

ρH2O = Suyun yoğunluğu yoğunluğu;; +4°C (kg/m3) Petrolün yoğunluğu 60 F (15,50C) sıcaklık ve 1 atmosfer basınç altındaki petrolün yoğunluğu °

ile ifade edilir. Ham petrolün yoğunluğu kimyasal bileşimine bağlıdır. Petrol içerisindeki hidrokarbon yüzdesi, gaz miktarı, reçine asfalt gibi ağır hidrokarbonların oranı, sülfür oranı, sıcaklık gibi faktörler petrolün yoğunluğunu etkiler. Petrolün fiyatı ve işletilme yöntemleri yoğunluğuna göre değişmektedir. Yoğunluk azaldıkça petrolün fiyatı artar. Petrolün yoğunluğu 0.6-1.00 gr/cm 3  arasında değişir. Petrol endüstrisinde petrol ürünlerinin özgül ağırlığı Amerika’da API, Avrupa’da ise Baume (Bome) derecesi ile ifade edilir. Dünya  petrolleri genel olarak 27°-35° API gravitesindedir. Kaliforniya’daki Kaliforniya’daki 5°-7° API petrol sudan ağırdır. En yüksek 57° API petrol bulunmuştur. API = [141,5 / Özgül Özgül ağırlık, ağırlık, (60°F)] – 131,5 Baume (60°F) = [140 / Özgül ağırlık, (60°F)] – 130

(sudan hafif sıvılar için)

Baume (60°F) = 145 - [145 / Özgül ağırlık, (60°F)]

(sudan ağır sıvılar için)

Katı formdaki maddelerin yoğunluk tayini, inert sıvı içine atılan katı hacminin sıvı seviyesini değiştirmesi prensibine dayandırılır. Örneğin, ağırlığı bilinen katı madde ölçekli kapta  bulunan ağırlığı ve hacmi belli sıvı içerisine atılır at ılır ve elde e lde edilen son hacim ve ağırlık ağ ırlık ölçülür. ö lçülür. Sıvı yoğunlukları ise genellikle hidrometre ya da piknometre ile tayin edilmektedir. Gaz yoğunluğu tayini biraz daha zordur, Edwards dengesi (Edwars Balance) adı verilen cihaz kullanılır, ölçüm prensibi ise içi hava dolu ampulün yoğunluğu bilinmeyen gazla dolu ampulle kıyaslanmasına kıyaslanmasına dayanmaktadır. Yoğunlukların tayin edilmesi sırasında (katı/sıvı), maddelerin kütleleri bir terazi yardımıyla ölçülür. Bu işlem sırasında tartımı alınan madde ve terazi gramları üzerine havanın kaldırma kuvveti etkisi bulunmaktadır. Yoğunluk tayinlerinde havanın kaldırma kuvveti etkisi ihmal ediliyorsa, “görünür (zahiri) yoğunluk” elde edilmiş olunur. Mutlak yoğunluk tespitinde ise tartımın yapıldığı ortamın sıcaklığı, basıncı ve havanın nemine göre düzeltmeler yapmak gerekmektedir.

100

YOĞUNLUK (GÖRÜNÜR/ZAHİRİ YOĞUNLUK) TAYİNİ 1.1. Sıvıların Yoğunluğunun Piknometre ile Ölçülmesi Deneysel Metod - Kuru ve temiz t emiz piknometreyi tartınız - Yoğunluğu Yoğunluğu belirlenecek sıvının ortam o rtam koşullarındaki sıcaklığını termometre yardımıyla yardımıyla kaydediniz. - Piknometreyi üst seviyesine kadar sıvı ile doldurunuz, (kapağı kapatılan piknometreden sıvı taşırarak tam dolduğundan emin olunuz ve taşan sıvıyı dikkatlice temizleyiniz). temizleyiniz).

Şekil.2. Piknometre

- Sıvı dolu piknometreyi tekrar tartınız. t artınız. - 10 mL sıvının kütlesini, küt lesini, tartım verilerinden hesap ediniz ve bu verilerden yararlanarak, sıvının ölçülen sıcaklıktaki yoğunluğunu yoğunluğunu saptayınız.

Hesaplamalar Sıvı yoğunluğu aşağıdaki formülle hesaplanır. ρ=m/V Bu ifadede ρ ; sıvı yoğunluğu ( g / cm 3 ), m; piknometre içindeki sıvı kütlesi (g) , V ; piknometre hacmi ( cm3 ) ’ tür.

1.2.Sıvıların Yoğunluğunun Hidrometre (Densitometre) (Densitometre) İle Ölçülmesi Yoğunlukları farklı sıvılar için ayrı hidrometreler tasarlanmıştır. Bazıları bir termometreyle  birlikte tasarlanmışlardır ve bunlara termo-hidrometre denilir. Eğer hidrometre ile yapılacak ölçümde sıvının sıcaklığı hidrometrenin üzerindeki sıcaklıkla aynı tutulursa, deneyden sonra sonuçlarda hesap yolu ile düzeltmeye gerek kalmaz. Şekil 3’de çeşitli ölçekli hidrometreler görülmektedir.

101

Şekil.3. Çeşitli Çeşitli sıvılar için (süt, petrol vb.) vb.) tasarlanmış hidrometreler hidrometreler Deneysel Metod Yoğunluğu

ölçülecek

sıvıya

hidrometre

daldırılır.

Hidrometre dengeye geldikten sonra, ölçeğinden sıvı seviyesi okunur. Sıvıların yoğunluk değerine bağlı olarak uygun ölçekte doğru hidrometre seçilmelidir.

1.3. Katıların Tanecik Yoğunluğunun Piknometre ile Ölçülmesi Deneysel Metod - Kuru ve temiz piknometreyi tartınız (m1). - Yaklaşık olarak 1 gr olan katı kat ı maddeyi piknometre içine koyunuz (m 2). - Referans bir sıvı ile (piknometrenin üst seviyesine kadar), katı içeren piknometreyi doldurup, yeniden tartınız (m3).

-Sadece referans sıvı ile birlikte piknometreyi doldurup tartınız (m 4). Hesaplamalar ρs

( m2 – m1 ) = ------------------------------------------------------

(3)

,

[( m4 – m1 )- ( m3 – m2)/ ρ]

Burada ρs, katının yoğunluğu, ρ: referans sıvısının yoğunluğudur. yoğunluğudur.

1.4. Katıların Yığın Yoğunluğunun Ölçülmesi Ölçülmesi Yığın yoğunluğu, tanecikli yapıdaki maddeleri tanımlamak için kullanılan bir yoğunluk ölçüsüdür. Madde serbest halde iken birim hacimdeki madde miktarı olarak tanımlanır. Kuru temelde mi, ortam neminde mi ölçüldüğü ö lçüldüğü mutlaka belirtilmelidir. Tanecik yoğunluğu ile yığın

102

yoğunluğu arasındaki fark maddenin gözenekli yapısına (porosity) bağlıdır. Bu etki santrifüj yardımıyla gözlenebilir. Soru:  Sedimentasyon, sediment nedir? Hangi endüstriyel sektörlerde kullanımı söz

konusudur, tartışınız.

Şekil.4. Çamur çöktürme işlemi sonucu elde edilen kompozisyon

Şekil.5. Kum içinde hapsolmu hapsolmuşş havanın mikroskop altındaki altındak i görüntüsü görünt üsü (Beyaz bölge; kum siyah bölge; boşluk) Yığın yoğunluğu ve porozite aşağıdaki gibi hesaplanır:

Yığın yoğunluğu =

 Agirlik   Agirlik   Hacim

(4),

  Yiginyogunlugu   Porozite = 1   * 100 Tanecikyog  unlugu    

103

(5)

EKLER E.1 Sıvıların Yoğunluklarının Saptanması Deneyine İlişkin Veriler ve Sonuçlar Mezürün kütlesi (g) Mezür + 10 mL suyun kütlesi (g) 10 mL suyun net kütlesi (g) Mezür + 10 mL bilinmeyen sıvının kütlesi (g) Bilinmeyen 10 mL sıvının net kütlesi (g) Ölçümlerin yapıldığı ortam sıcaklığı (°C) Suyun yoğunluğunun yoğunluğunun literatür değeri (g/mL) Bilinmeyen sıvıya ilişkin yoğunluğun literatür değeri (g/mL) Suyun deneysel olarak saptanan yoğunluğu (g/mL) Bilinmeyen sıvının deneysel olarak saptanan yoğunluğu (g/mL) Hata yüzdeleri

1 (g/mL)

E.1 Katıların Yoğunluklarının Saptanması Deneyine İlişkin Veriler ve So nuçlar

Bilinmeyen örnek metalin kütlesi (g) Örnek metal yokken mezürdeki su düzeyi (mL) Örnek metal ilave edildikten sonra mezürdeki su düzeyi (mL) Örnek metalin hacmi (mL) Örnek metalin yoğunluğu (g/mL) Katı nesnenin kütlesi (g) Katı yokken mezürdeki su düzeyi (mL) Katı nesne ilave edildikten sonra mezürdeki su düzeyi (mL) Katı nesnenin hacmi (mL) Katı nesnenin yoğunluğu (g/mL)

104

2. VİSKOZİTE ÖLÇÜMLERİ Viskozite, akışkanların akmaya karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanır. Bunun nedeni, akışkan moleküllerinin akma hareketi sırasında karşılaştıkları sürtünme kuvvetidir. Bir ortamın viskozitesi ne kadar yüksek olursa, kayma gerilmesi artarken şekil değiştirme hızı o kadar yavaş artış gösterir. Bundan dolayı ideal akışkanlarda viskozite “sıfır” kabul edilir.  Mutlak viskozite, akış halindeki bir sıvının 1 gramlık kütlesinin saniyede cm olarak aldığı

mesafedir. Birimi poise, centipoise, Kg/m.s, N.s/m 2  veya Pascal. saniye (Pa.s) olabilir. [1  N./mm2 = 1 Pa, 1 Pas = 10 poise].  Kinematik   viskozite, mutlak viskozitenin (g/cm.s) yoğunluğa (g/cm 3)oranıdır. Birimi cm2/s

veya stoke (St)’dir [m2/s = 104  St].  Relativ (bağıl) viskozite sıvının 20°C deki mutlak viskozitesinin, suyun 20°C deki mutlak viskozitesine (suyun 20°C deki mutlak viskozitesi 1  poise) oranıdır. Bir akışkan kayma zorlamasına maruz kaldığında, vizkozite katsayısı olarak isimlendirilen bir özellikle ters orantılı olarak o larak değişen bir deformasyon hızında hareket etmeye başlar. Şekil 6  da  da gösterildiği gibi, bir düzlemde, tek bir , kayma gerilmesi ile kaymaya maruz bırakılan bir akışkan eleman göz önünde bulundurulsun. Kayma gerilmesi   etkidiği sürece açısal deformasyon da sürekli bir şekilde, zaman ile artacaktır. Bu sırada elemanın üst yüzeyi alt yüzeyinden du  kadar daha büyük bir hızla hareket edecektir. Hava, su ve yağ gibi yaygın akışkanlarda uygulanan kayma gerilmesi ile deformasyon hızı arasında lineer bir değişim görülmektedir. Akışkanlarda uygulanan kayma gerilmesi ile hız gradyantı (gradient, değişim ölçüsü) orantılı olduğundan, olduğundan, orantı or antı sabiti olan vizkozite  ile gösterilirse:

= -(d/dt)= -du/dy olarak ifade edilir. : Kayma gerilmesi (Ibf/ft 2 ya da dyne/cm2), : Viskozite (Ib/sec.ft ya da g/cm.s) du/dy: Normal hız gradyantıdır.

105

Şekil.6. Akışkanda kaymaya bağlı hız profili

Akışkanlar mekaniğinde açısal deformasyon olarak (t)’den ziyade şekil (2b) de gösterilen u(y) hız dağılımı kullanılır ve daha açık anlam ifade eder. Şekil (2b) de bir katı cidar yakınında bir kayma tabakası (sınır tabaka) gösterilmiştir. Buna göre; kayma gerilmesi, hız  profilinin eğimi ile doğru orantılıdır ve cidarda cidarda en yüksek değerindedir. değerindedir. Ayrıca, Ayrıca, cidarda u hızı, cidara göre sıfırdır. Bu “non stop”(kayma yok) koşulu olarak isimlendirilir ve tüm viskoz akışkanların en temel karakteristiğidir. Kayma gerilmesi ile hız gradienti arasındaki oran doğrusal ise bu tür akışkanlara Newtonian akışkanlar denir. Gazlar, çözeltiler, kolloidal olmayan sıvılar Newtoniandır. Newtonian akışkanlarda vizkozite gerçek termodinamik bir özelliktir, basınç ve sıcaklık ile değişir.  Newtonian olmayan akışkanlara örnek diş macunları verilebilir. Belirli bir o  kayma gerilimine ulaşıncaya kadar akma olmaz. Bu tür akışkanlara Bingham plastikleri denir. Kayma gerilimi ile hız gradienti eğrisi orijinden geçer ve düşük kesme gerilimlerinde aşağıya doğru konkav, yüksek kesme gerilimlerimde lineer olursa bu tür akışkanlar Psödo plastiklerdir. Kauçuk sütü böyle bir akışkana örnektir. Dilatant akışkanlarda ise elde edilen eğri düşük kesme gerilimlerinde yukarıya doğru konkav yüksek kesme gerilimlerinde lineerdir. Bu tür bir eğri genleşen akışkanı gösterir. Bazı kum dolgulu emülsiyonlar bu tür özellik gösterirler. Psödo- plastiklere kesme hızı azaltıcı, genleşen akışkanlara ise kesme hızı arttırıcı denir.

106

Tablo1’de atmosferik şartlarda ve ortam sıcaklığında hidrojenden gliserine kadar sekiz akışkanın vizkozite ve özgül kütle değerleri liste halinde sunulmuştur. Böylece aynı gerilmeye maruz akışkanlar arasında deformasyon deformasyon bakımından çok geniş farklılıklar meydana gelecektir. gelecektir.

Tablo 1. En çok kullanılan bazı akışkanların 20 °C sıcaklık ve 1 atm at m basınç şartlarında mutlak ve kinematik vizkozite değerleri. Akışkan

Mut.Visko.

Oran

Öz Kütle

Kin.Visko

Oran

*106(kg/ms)

μ/μh

*kg/m3 

V*106*M2/s

V/Vcıva

Hidrojen Hidro jen

8,9

1,0

0,84

106

910

Hava

18

2,1

1,2

15,1

130

Benzin

290

33

680

0,4

3,7

Su

1000

114

999

1,01

8,7

Etil alkkol alkko l

1200

135

789

1,51

13,0

Civa

1500

170

13540

0,116

1,0

Sae 30 yağ

260000

23700

933

279

2430

Gliserin Gliser in

1500000

168000

1263

1190

10200

Daha sonra görüleceği gibi, tüm Newtonian akışkanların viskoz davranışını karakterize eden en önemli parametre Reynold sayısı olup; o lup; Re=(ρ*V*L)/μ=(V*L)/v olarak tanımlanır. Burada V akışkanın hızını, L ise karakteristik uzunluğunu göstermektedir.

 ve  bu parametrede bir oran şeklinde olup, kendi başına bir anlam ifade etmektedir. Bu oran γ ile gösterilir ve; 107

γ =/ şeklinde yazılıp.’’Kinemetik viskozite’’  olarak  olarak tanımlanır. Akışkanların viskoziteleri sıcaklıkla önemli ölçüde değişmektedir. Sıvı ortamların vizkoziteleri sıcaklıkla azalırken, gazların vizkoziteleri sıcaklıkla artmaktadır. Vizkozitenin basınçla değişimine gelince; sıvı ortamlar için bu değişim ihmal edilebilir mertebede olduğu halde, gaz ortamlarda oldukça yüksektir. Bundan dolayı sıvı ortamlarda sabit sıcaklıkta vizkozite ‘’sabit’’ kabul edilir.

2.1. Viskozitenin sıcaklıkla değişimi: Gaz ortamların vizkozitesi  ; sıcaklıkla artmaktadır. Bu konuda en yaygın olarak iki değişik yaklaşım göze çarpmaktadır. Bunlar “Üs kanunu” ve “Sutherland kanunu” olarak isimlendirilir. Buna göre üs kanunu;

=*(T/To)n şeklide olup. Sutherland kanunu ise;

=o((T/To)3/2(To+S))/(T+S) şeklinde ifade edilebilir. Burada , o; To(genellikle 273 oK ) mutlak sıcaklıkta bilinen bir vizkozite, n ve S ise verilere uygun sabitlerdir. Hava için n= 0,67 ve S=110 oK alınabilir. Her iki formülünde geniş bir sıcaklık aralığında geçerli olduğu ifade edilmiştir. Sıvı ortamların viskozitesi ise sıcaklıkla azalır ve kabaca;

=A.e(B/T) şeklinde üstel bir değişim gösterir. Burada T: mutlak sıcaklık ( oK), A ve B de sıvıya bağlı sabitlerdir. Her iki tarafın doğal logaritması logaritması alınırsa, ln    ln A 

 B T 

108

eşitliği elde edilir. Burada lnμ ile 1/T arasında çizilen grafikten eğim değeri B değerini, kayım değeri de lnA değerini verir. Fakat bu amaçla, deneysel (ampirik) bağıntılar daha yaygın olarak kullanılmaktadır. T mutlak sıcaklık olmak koşuluyla su için; ln/o=a+b(To/T)+c(To T)2 şeklinde bir deneysel bağıntı mevcuttur. Burada; To=273,16 oK, o=0,001792 kg/ms, a=-1,94, b=-4,80 ve c=6,74 olarak %1 doğrulukta tavsiye edilen değerlerdir. Su ve hava için çeşitli sıcaklıklardaki vizkozite değerleri Tablo 2 ve Toblo 3’de ayrı ayrı verilmiştir .

Tablo 2. Suyun atmosferik şartlarda şartlarda (1 atm ortam basıncında) basıncında) değişik sıcaklıklarda özkütle, özkütle, mutlak ve kinematik vizkozite değerleri değerleri Sıcaklık (T,oC)

öz kütle

Mutlak Vizkozite

(,kg/m3)

,(N.s)/m2.103 )

Kinematik Viskozite ( ,m2/s.106)

0

1000

1.788

1.788

10

1000

1.307

1.307

20

998

1.003

1.005

30

996

0.799

0.802

40

992

0.657

0.663

Tablo 3. Havanın Havanın atmosferik şartlarda(1 atm. ortam basıncında) basıncında) değişik sıcaklıklardaki özkütle, mutlak ve kinematik vizkozite değerleri değerleri Sıcaklık

öz kütle

Mutlak Viskozite

(T,oC)

( ,kg/m3)

(,(N.s)/m2.105 )

Kinematik Viskozite (,m2/s.105 )

-40

1.52

1.51

0.99

0

1.29

1.71

1.33

50

1.09

1.95

1.79

100

0.946

2.17

2.30

150

0.835

2.38

2.85

200

0.746

2.57

3.45

109

2.2. Viskozite Viskozite Ölçüm Yöntemleri Viskozite ölçümü için çok çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Fakat bunların en çok kullanılanları, kılcal borudan sıvının akışı ve eş merkezli dönen silindir (Rotational viscometer) yöntemidir. Kılcal borudan sıvının akışı yönteminde kullanılan viskozimetreler ostwald, ubbelohte ve canon fenske viskozimetreleridir. Yarıçapı r olan kılcal bir borudan t zamanında ve sabit P  basıncında akan akan akışkanın hacmi hacmi Poiseville eşitliğine eşitliğine göre aşağıdaki gibidir:

Aynı kılcal boru kullanıldığında, iki farklı sıvı için kılcal borunun çapı ve uzunluğu, boru içinden akan akışkanın hacmi aynı olur. Tüm bunları K sabiti altında toplanırsa

: k t elde

edilir. Bu eşitlik her iki sıvı için ayrı ayrı yazılıp birbirine oranlanırsa,

elde edilir. Çok seyreltik çözeltilerde çalışıldığında yoğunluğun etkisi de ortadan kalkar ve akma zamanları çözelti ve çözücü için kronometre ile tespit edilerek bağıl viskozite katsayısı  bulunur. Diğer yöntem rotasyon viskozimetre ölçümünde ise sıvıların hızlı bir şekilde viskozitelerinin karşılaştırılması yapılabilir. Çalışma prensibi, motoru sayesinde çeşitli devirlerde dönebilen silindir ucun, viskozitesi ölçülecek sıvı içerisinde yaptığı sarmal/spiral hareketinin tanımlanmasına dayanmaktadır. Sıvının viskositesinden dolayı içerisinde dönen silindire moment oluşur ve bu spiralin dönme hareketi ile tanımlanır, viskozite değeri ekrandan doldurulur. okunur. Analiz için b elirli bir miktar viskozitesi ölçülecek sıvıdan alınır ve derin bir kaba doldurulur. Daha sonra istenilen hız ve uygun uç seçilerek cihaza t akılır. Cihaz çalıştırılır ve göstergeden vizkozite değeri mPa.s olarak okunur. Cihaz Şekil 7  de  de görülmektedir.

110

3.DENEYİN YAPILIŞI

Farklı derişimlerde hazırlanmış Newtonian (gliserin, sıvı parafin) sıvıların dönel viskozimetri ile viskoziteleri belirlenecektir. Sıvı viskozitesinin sıcaklıkla ilişkisi araştırılacak, bu nedenle viskozitesi ölçülecek sıvının 25, 30, 35, 40° C olmak üzere dört farklı sıcaklıkta viskozite değeri tayin edilecektir. Sıvıyı ısıtmak, sıvı içerisinde düzenli bir ısı dağılımı sağlamak ve sıcaklığı kontrol etmek amacıyla ısıtıcılı manyetik karıştırıcı, teflon balık ve termometre kullanılacaktır. İstenilen deneysel sıcaklık değerine erişildikten sonra, sıvı ile içerindeki spindle/ucun termal dengeye gelmesi beklenir (NOT: Sıvı içerisindeki spindle’ın sıvı ile termal dengeye gelmesi gerekmektedir). Termal denge sağlandıktan sonra manyetik karıştırıcı ve ısıtıcısı kapatılır, viskozimetre çalıştırılır. Ölçümün birkaç dakika içerisinde tamamlanması gerekmektedir. Ölçüm tamamlandıktan sonra uç/spindle su veya aseton ile dikkatlice temizlenmelidir. Soru: Dönel viskozimetre ile viskozite tayini için etkili et kili parametreler nelerdir, tartışınız.

The HAAKE Viscotester 6 plus and 7 plus cihazları viskoziteyi hızlı bir şekilde tanımlanmış klasik dönel viskozimetrelerdendir (Rotary Viscometer), (standart;ISO 2555 ve birçok ASTM). Viskozite tork değerinin ölçümüyle elde edilir, tercih edilen spindle/uç ve hıza  bağlıdır, hesaplanan hesaplanan viskozite değeri değeri ekrandan direk mPas mPas cinsinden okunur. okunur.

Şekil.7 HAAKE Viscotester 6 plus and 7 plus dönel viskozimetresi (Rotary Viscometer)

1 LCD display, 2 Panel (see next page), 3 Spirit level, 4 Start key: starts Auto-Test, Auto-Test, switches to parameter mode, starts a measurement, 5 Stop key: stops a measurement, 6 Enter key: confirms parameter selection, 7 Key for  parameter selection ”down”, 8 Key for parameter selection ”up”, 9 Mains switch, 10 Mains supply socket, 11 Pt100 (only HAAKE Viscotester 7 plus), 12 RS232 interface (only for HAAKE Viscotester 7 plus)

111

Şekil.8. Dönel viskozimetre standart uçları; L1, L2, L3, L4 Cihaz Kullanımı: 

Cihazın arkasında bulunan anahtar “on” konumuna getirilir.



Cihazın dilini ve ölçüm birimini değiştirilmek istenirse karşılama mesajına 2 dakika içinde basılarak onay verilir ve , , tuşlarıyla seçimler gerçekleştirilerek, değişiklikler onaylanır. Ekran karşılama mesajı:

THERMO ELECTRON VT 7-L PLUS VX.X (Version of the Viscotester and the fimware) GERMAN (Language)



Sonraki

mesajda

otomatik

test/kalibrasyon

yapılmak

istenip

istenmediği

sorulmaktadır. Cihaz ilk açıldığında kalibrasyon yapılması tavsiye edilmektedir. Ekran karşılama mesajı:

AUTO TEST? START-YES STOP-NO



Eğer otomatik testin başlatılması için onay verildiyse, cihaza bağlı uçun (spindle) çıkarılması için uyarır, ardından ikinci kez “START” ile kalibrasyon işlemi başlatılır. Ekran karşılama mesajı:

REMOVE SPINDLE AND PRESS START AUTOTESTING SPEED: 10 rpm AUTO TEST O.K.

112



Otomatik test (kalibrasyon) tamamlandıktan sonra “START” ile işlem parametreleri seçilir.

 Uç (spindle); ilk parametre uçtur/spindle (SP), ok işaretleri ile kullanılacak uç seçilir, yapılan seçim “ENTER” ile onaylanır.

 Hız (speed); ikinci parametre olan hız benzer şekilde seçilerek onaylanır 

Seçilen uç/spindle takıldıktan sonra ekranda beliren komut eşliğinde “START” ile analiz başlatılır. Ekran karşılama mesajı:

PRESS START

 NOT: Analiz sırasında analiz için uygun uç ve/veya hızın seçilmesi gerekmektedir. Bunun için gerekli tablo ekte verilmiştir. Analiz sırasında ekranda “ERROR” uyarısı görünür ve alarm aktive olursa bunun anlamı, maksimum ölçüm değerinin aşıldığı anlamına gelir. Bu durumda hız düşürülmeli veya daha  büyük bir uç/spindle seçilmelidir. Spindle/uç değiştirildiği değiştirildiği durumda, yeni koşulların tanımlanması için “ENTER” ile menüye girilerek, parametreler yeniden tanımlanmalıdır. Eğer ölçüm parametrelerinde sorun yoksa “STOP” ile analiz durdurulur, ekrandaki en son değer kaydedilir. Analize devam edilecekse “START” ile cihaz yeniden hazır konuma getirilir.

113

EK 2: KULLANIM KLAVUZU KLAVUZU

KAYNAKLAR 1. Robert H. Perry, Don Do n W. Green, “Physical Property Measurement”, Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, seventh edition, 8-50. 2. Chemical Engineering Labrotary I Basic Measurements, Selma Mutlu Deniz Tanyolaç, Hacettepe Üniversitesi, 1999, 31 Viscotester 7L/R, Thermo 3. Instraction Manual, Haake Viscotester 6L/R - Haake Viscotester Scientific

114

DENEY NO:9. ISIL İLETKENLİĞİN HESAPLANMASI Deneyin Amacı : Deneyin amacı, toplam kütle yaklaşımı ile metallerin ısıl iletkenliğinin hesaplanmasıdır.

TEORİK BİLGİ Enerji kavramı termodinamikte bir sistemin konumunu belirlemek için kullanılır.Bilindiği üzere enerji, yoktan var edilemez veya yok edilemez. Ancak bir formdan diğer bir forma geçebilir. Termodinamik bilimi ısı ve enerjinin formları ile ilgilenirken, ısı transferi bilimi ise sistem içinde yer alan ısı geçişi ile ilgilenir. Isı akışı ile olan enerji transferi doğrudan ölçülemez. Fakat ölçülebilen bir büyüklük olan sıcaklık ile ilişkilendirildiğinde anlam kazanır. Bir sistemde sıcaklık sıcaklık farkı olduğunda, ısı yüksek yüksek sıcaklıktan sıcaklıktan düşük düşük sıcaklığa doğru akar. akar. Sistem içinde bir sıcaklık farkı oluştuğunda bir ısı akışı söz konusu olduğundan, sistemin sıcaklık dağılımının bilinmesi önem kazanır. Sıcaklık dağılımı biliğinde, birim zamanda biri m alana düşen düşen ısı akısı hesaplanabilir. hesaplanabilir. Isı geçişinin geçişinin mekanizması mekanizması üç çeşittir: çeşittir: İletim, İlet im, taşınım ve ve ışınım. İletim (Kondüksiyon, Conduction): Isının bir maddeden kendisine temas eden diğer bir maddeye veya maddenin bir yerinden diğer bir yerine geçişine “iletim” denir. İletim, moleküler şekilde olur ve bunun mekanizması her molekülün tek başına ısıyı geçirmesiyledir. İletim ile ısı geçişine tuğladan yapılanmış bir fırın duvarından veya bir borunun metalik duvarlarından ısı geçişini örnek verilebilir. Aşağıdaki Şekil-1’de görülen T(x,t) sıcaklık da ğılımına sahip bir boyutlu düz duvar için denklem aşağıdaki gibi ifade edilir:

Qx (W): birim bir im zamanda geçen ısı K (W/m.K): ısı iletim katsayısı A (m2): ısı geçişi doğrultusuna dik yüzey alanı dT/dx: x doğrultusunda sıcaklık gradyenti Şekil 1.Tek boyutlu düz duvarda sıcaklık dağılımı 115

Taşınım (Konveksiyon, Convection): Katı bir yüzey ile bir akışkan (sıvı veya gaz) arasındaki ısı transferi konveksiyon konveksi yon mekaniz mekanizması ması ile meydana gelir. Bir akım veya makrosko makroskopik pik akışkan akışka n taneciği belirli bir yüzeyi geçtiğinde beraberinde bir entalpi taşır. Bu şekilde ısı geçişine “taşınım” adı verilir. Akışkanlarda taşınım akımları yaratmak için iki yol kullanılır. Eğer akımlar yoğunluk farklarından ileri gelen kaldırma kuvvetlerinden doğuyorsa (ki yoğunluk farkları akışkan içindeki sıcaklık gradyentlerinden ileri gelir) bu şekildeki ısı akışına “doğal taşınım” denir. Isıtılmış bir radyatör boyunca olan ısı aktarımı doğal taşınımla gerçekleşir. Eğer akımlar pompa veya karıştırıcı gibi mekanik aletlerle meydana getiriliyorsa buna “zorlanmış taşınım” denir. Isıtılmış bir borudan pompalanan akışkana olan ısı aktarımı zorlanmış taşınımdır. Aynı akışkan üzerine aynı anda iki tip kuvvet etki edebilir. Bu durumda doğal ve zorlanmış taşınım aynı anda, beraberce meydana gelir. Isı taşınımının bir diğer türü ise faz değişimi ile ısı transferi olup, bu tip ısı taşınımı kaynama ve yoğuşma ile ısı taşınımı olmak üzere iki alt sınıfta incelenebilmektedir. Faz değişimi ile ısı transferi çok karmaşık fiziksel mekanizmalar içerdiğinden, genellikle lisansüstü eğitimde detaylı olarak incelenmesi daha uygundur. Ancak lisans düzeyinde, ısı değiştirgeçleri uygulamalarında bazen kaynama ya da yoğuşma taşınım katsayısının bilinmesi gereklidir. Kaynama ile ısı transferi içeren sistemlere örnek olarak bir soğutma/klima sisteminin evaporatörü, yoğuşma ile ısı transferine örnek olarak ta yine aynı sistemin kondenseri gösterilebilir. Şekil 2’de ısı taşınım türlerine ait basit bir örnek gösterim bulunmaktadır.

Şekil 2. Taşınım türlerine ait örnekle ö rneklerr

116

Taşınımla ile ısı geçişinin tüm türleri için kullanılan denklem; q

 h (T w - T  ) ∞

şeklindedir. Bu ifade Newton’un so ğutma yasası olarak bilinir. Burada ta şınımla ısı akısı q (W/m2), yüzey ile akı şkan sıcaklıkları arasındaki fark (T w, T∞) ile do ğru orantılıdır. Orantı katsayısı h (W/m2K), ısı taşınım katsayısı olarak adlandırılır. Işınım (Radyasyon, Radiation): Işınım, elektromanyetik dalgalar aracılığıyla uzayda meydana gelen enerji transferidir. Eğer ışınım boşlukta meydana geliyorsa ısı veya diğer bir enerjiye dönüşmez ve yolunu yolunu değiştirmez. değiştirmez.

Fakat ışınım yolunda bir madde bulunuyorsa bulunuyorsa ışınım

geçirilir, yansıtılır veya absorplanır. Örneğin ergitilmiş quartz, üzerine düşen bütün ışınımı taşır, parlatılmış bir yüzey veya bir ayna ışınımın büyük bir kısmını yansıtır. Siyah bir yüzey ise aldığı ışınımın tamamını absorplar ve kantitatif bir şekilde ısıya dönüştürür.

Isıl İletkenlik Fourier yasasının kullanılması ısıl iletkenliğin (ısı iletim katsayısı) bilinmesini gerektirir. Bir aktarım özelliği olarak bilinen bu özellik, yayılım ile geçen enerjinin bir göstergesi olup maddenin hali ile ilgili atomik, moleküler ve fiziksel yapısına bağlıdır.

Fourier yasasına göre ısıl iletkenlik; iletke nlik;

k  

Q x  AT 

 

(1)

şeklinde tanımlanır. Burada,

Q : Birim zamanda aktarılan ısı enerjisi (W) T  : Sıcaklık ( C)

: Uzaklık (m)  A :

Toplam ısı aktarımı yüzey alanı (m 2)

117

Isıl iletkenliğin büyüklüğü maddenin üç hali için şöyle sıralanabilir: k katı>k sıvı sıvı>k gaz gaz. Bu sıralama maddenin molekülleri arasındaki uzaklıkla ilişkilidir. Birbirine yakın moleküllere sahip maddelerde, ısı aktarımı daha hızlı olur. Kimyasal bileşim, atomik yapı, faz değişimleri, tanecik boyutu, sıcaklık ve basınç, metallerin ısıl iletkenliğini etkileyen faktörler arasındadır. Bu faktörlerin arasında en etkilileri kimyasal  bileşim ve sıcaklıktır. Saf metallerin ısıl iletkenlikleri sıcaklıkla artar. Fakat metal içinde  bulunan safsızlıklar bu eğilimi değiştirebilirler. Bir metalin ısıl iletkenliğinin sıcaklık ile ilişkisi doğrusal bir bağıntı ile verilebilir: ver ilebilir: k   k 0 1  bT   

(2)

Burada; k 0 : 0 °C’deki Isıl iletkenlik ve b : bir sabittir. Yeterince yüksek olmayan sıcaklık ve  basınçlarda çalışılmadığında, çalışılmadığında, pratikte b =0 kabul edilebilir.

Isı Yayılım Katsayısı Isı geçişi çözümlemelerinde ısı iletim katsayısının ısı sığasına oranı önemli bir özellik olup, o larak isimlendirilir ve malzemenin bir özelliğidir.  ısı yayılım katsayısı (thermal diffusivity) olarak

    

k    C  p

 

(3)

  değeri malzemelerin ısıl enerjiyi iletme yeteneğinin ısıl enerji depolama yeteneğine

oranıdır.  değeri büyük olan malzemeler bulundukları çevredeki ısıl değişimlere çabucak cevap verirken, küçük  ‘ya sahip malzemeler daha yavaş cevap verecek, yeni bir denge haline ulaşmaları daha fazla zaman alacaktır.

Toplam Kütle Yaklaşımı Katı içindeki sıcaklığın zamana bağlı süreçte, belli bir anda her noktada aynı olduğu kabulüdür. Bu yaklaşımla, ısıtılan ya da soğutulan bir katının içindeki sıcaklık gradyentlerini göz ardı etmek mümkündür. Fourier yasası incelendiğinde, sıcaklık gradyentinin olmaması

118

sonsuz ısıl iletkenlik anlamına gelir. Bu durum hiçbir zaman tam olarak sağlanamamasına karşın, eğer katı içindeki iletim direnci katı ve çevre arasındaki taşınım direncinden oldukça  büyükse iyi sonuç sonuç alınabilir. Sıcaklığın zamanla değişimi, katı üzerinde toplam enerji dengesi yazılarak bulunur. Şekil1’deki kontrol hacmine toplam enerji dengesi de ngesi uygularsak,

Şekil 1. Bir metal parçanın soğuması  E 0   E  st   

 hA s T   T     VC 

(4) dT  dt 

 

(5)

   T   T   ve  i  T i  T   değişken dönüşümlerini yaparsak,

Katının bir T sıcaklığına erişmesi için geçen zaman:   VC   i hA s

ln

 

 t  

(6)

Katının bir t süresinde süresinde erişebileceği sıcaklık:

   i



   hA     exp     s t    T i  T     VC    T   T 

(7)

Toplam kütle yaklaşımını kullanmanın uygun olup olmadığını belirlemek için Biot Sayısı ( Bi) hesaplanır.

119

 Bi 

hL k 

 Bi <<1

 

(8)

ise toplam kütle yaklaşımı kullanmak çok büyük hatalara neden olmaz.

DENEYİN YAPILIŞI Deneyde ısıl iletkenliği ölçülecek malzemenin tam ortasına temas edecek şekilde bir ısılçift yerleştirilir. Isılçiftin diğer ucu da bir sıcaklık göstergesine bağlanır. Malzeme, sabit ve belirli sıcaklıktaki su banyosuna daldırılarak sıcaklığındaki değişme zamana bağlı olarak kaydedilir. Deney düzeneği Şekil 2’de görülmektedir.

Şekil 2. Deney düzeneği

SONUÇLARIN DEĞERLENDİRİLMESİ Tablo 1. Deney sistemine ait sabit büyüklükler Ortam sıcaklığı Metal için  teorik  Metal silindirin yarıçapı Metal silindirin boyu

1. Zamana bağlı olarak toplanan sıcaklık verileri Tablo T ablo 2’de yerleştirilir. 2.

   i

ve

 t  r 2

 büyüklükleri hesaplanır. Her bir t   anı için Şekil 1’deki diyagramdan

k  hr 

değerleri okunur.

3. (7) eşitliği yardımıyla her bir t   anı için banyo içindeki su ve metal arasındaki ısı taşınım katayısı ( h) hesaplanır ve buradan ısıl iletkenlik ( k ) değerleri bulunur.

120

Çalışılan sıcaklık aralığı için ortalama ısıl iletkenlik hesaplanır, literatürdeki karşılığı ile karşılaştırılarak deneysel hata hesaplanır.   değerleri kullanılarak  Bi sayısı bulunur ve deney sistemi için toplam 4. Ortalama h ve k  değerleri kütle yaklaşımının geçerliliği değerlendirilir.

Tablo2.  Deney verileri t  s 

T º C

 

 t 

k 

 i

r 2

hr 

h

hort  

121

k 

k ort  

Şekil 2. Fourier Sayısı- Isınma Diyagramı

 

122

KAYNAKLAR 2. Bird, R.B., Steward, W.E. and Lightfoot, E.N. Transport Phenomena. John Wiley and Sons, Inc., New York, 1960. pp. 244-249,267. 3. Incropera, F.P., DeWitt, D.P. Introduction to Heat Transfer. 3 rd Ed., John Wiley and Sons Inc., New York, 1996. pp. 212-236. 4. Gülbaran, E. Isı İletimi ve Ugulamaları. 3. Baskı, İ.T.Ü. Mimarlık-Mühendislik Fakültesi Yayınları, İstanbul, 1989. sf. 1-7. 5. McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, Fifth edition, McGraw-Hill Inc., 1993. 289-308.

KAYNAKLAR 2. Bird, R.B., Steward, W.E. and Lightfoot, E.N. Transport Phenomena. John Wiley and Sons, Inc., New York, 1960. pp. 244-249,267. 3. Incropera, F.P., DeWitt, D.P. Introduction to Heat Transfer. 3 rd Ed., John Wiley and Sons Inc., New York, 1996. pp. 212-236. 4. Gülbaran, E. Isı İletimi ve Ugulamaları. 3. Baskı, İ.T.Ü. Mimarlık-Mühendislik Fakültesi Yayınları, İstanbul, 1989. sf. 1-7. 5. McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, Fifth edition, McGraw-Hill Inc., 1993. 289-308.

123

DENEY NO:10. KONDÜKTOMETRİK ve POTANSİYOMETRİK TİTRASYON 1. GİRİŞ Bir elektrotun potansiyeli içine daldırıldığı çözeltide bulunan iyon veya iyonların aktivitelerine (veya konsantrasyonlarına) bağlıdır. Bu iyon veya iyonlar elektrot elementinin tuzlarından gelebileceği gibi, elektrot elementiyle ilgisi olmayan başka bir elementin tuzlarından da gelebilir. Potansiyometri bu temel üzerine kurulmuştur. Potansiyometrik metodlarla yapılan tayinler genellikle iki gruba ayrılır. a. Direkt potansiyometrik tayin  b. Potansiyometrik titrasyon Direkt potansiyometrik tayinde, dengede bulunan bir çözeltideki iyon (iyon cinsleri) derişimi tayin edildiği halde, potansiyometrik titrasyonlarda iyonun bütünü (stokiyometrisi) tayin edilir. Direkt potansiyometrik metotla, bir çözeltide bulunan iyonların aktiviteleri bulunduğundan, bu metot aktivite ve buna bağlı olarak denge sabitlerinin tayininde çok önemlidir. Potansiyometrik titrasyon metodu her tip çözeltiye (renkli, renksiz, denge veren veya tamamen çözünen maddelerin çözeltilerine) uygulanabilir. Bu metodun en büyük dezavantajı, indikatörlü metotlara göre daha çok zaman almasıdır. Elektrolit çözeltilerin elektrik akımını iletmeleri üzerine kurulmuş olan metotlar topluluğuna kondüktometri denir. Bir elektrolit çözeltinin elektrik akımını iletmesi iyonların kendi yükünden farklı yüklerdeki elektrotlara (katyonların katotlara, anyonların anotlara) göç etmeleriyle olur. Kondüktans, çözeltideki tüm iyonlara bağlı bir özelliktir. Bu sebeple kondüktans, iyonun yapısını belirleyebilecek bir özellik değildir. Ancak kondüktans ölçümleri oldukça duyarlıdır.

124

2. TEORİ 2.1. Potansiyometri Yukarıda sözü edilen her iki metotta da, söz konusu çözeltiye daldırılan iki elektrotla meydana getirilen galvanik hücrenin potansiyeli (EMK) ölçülür. Elektrotlardan birisi referans elektrot, diğeriyse indikatör elektrottur. Referans elektrot, eletrot potansiyeli tam olarak bilinen ve potansiyeli, incelenen çözeltide  bulunan, analitin veya iyonların konsantrasyonlarından konsantr asyonlarından etkilenmeyen yarı hücredir. İndikatör elektrot, analit konsantrasyonundaki değişimlerle potansiyeli değişen elektrot sistemidir. İyonların aktivitesi ve potansiyel fark arasındaki ilişki, ideal koşullar için, Nernst Eşitliği ile gösterilir.

 E   E o

  a   0.059      . log i      n    a y  

(1)

E : Elektrot potansiyeli Eo : Standart elektrot potansiyeli n : Transfer edilen elektron sayısı ai : İndirgenen iyonun aktivitesi ay : Yükseltgenen iyonun aktivitesi

Tablo I. Elektrot tipleri Sınıf

Örnek

I. tip elektrotlar

Zn/Zn+2 ; AglAg+ ; Cu/Cu +2

II. tip elektrotlar

Ag/AgCI ; Hg/Hg2Cl2

İnert elektrotlar

Au/Ce+4 - Ce+4 ; Pt/Fe+3 – Fe+2

İyon seçimli elektrotlar

Cam membran; katı membran; sıvı membran

125

2.1.1. Potansiyometrik pH Ölçümleri - Cam Elektrot Laboratuvar koşullarında birçok pH ölçme yöntemi vardır ancak cam elektrot sistemleri doğruluğu bakımından hem laboratuvar hem de endüstride tercih edilmektedir. pH cam elektrodun ana bileşeni, sodyumca zengin camdan yapılmış ince membran kısmıdır. En çok kullanılan cam pH elektrot bileşimi Na2O (22 %) , CaO (6 %) ve SiO2 (72 %) olan Corning 015 modelidir. Uygulama alanına göre membran, küre, koni veya şerit halinde olabilir.

2.1.2. Potansiyometrik Titrasyon Bir titrasyon sırasında dönüm noktasının belirlenmesi için, uygun elektrodun potansiyelini ölçmek, uzun yıllardır kullanılmaktadır. Potansiyometrik titrasyon uygulanılacağı zaman, üzerinde durulan, üzerine titrant eklenmesiyle elektrokimyasal hücrede meydana gelen  potansiyel (pH) değişimleridir. Bu metod, aktivite değişimi gözlenebilecek tüm titrimetrik reaksiyonlar için uygulanabilir. Titrasyondaki kritik problem, dönüm noktasının belirlenmesidir. Ordinata hücre potansiyel (pH) değişimleri ve apsise de gerekli titrant hacmi yerleştirilirse, dönüm noktası basamak basamak ilerlenerek tayin edilebilir. Genelde titrasyon sırasında galvanik hücrenin potansiyeli (EMK) yavaş yavaş artar. Ancak dönüm noktasına çok yakın durumda hücre emk'sında derişime bağlı olarak logaritmik bir artış gözlenir. Bu durumda karşılaşılan problem, hücre potansiyelinin bu ani yükselmesinde dönüm noktasının belirlenmesidir. Dönüm noktası hücre potansiyeline karşı titrant hacim grafiğinden gözlenebilir. Ancak ani yükselişlerde bu belirleme yöntemi hata getirebilir. Bu durumda eldeki eğrinin birinci türevi ile daha kesin bir sonuca ulaşılabilinir. Birinci türev eğrisinin maksimum noktası, normal titrasyon eğrisinin sıçrama noktasını verir. İkinci türev eğrisi sayesinde dönüm noktası daha kesin bir sonuçla belirlenebilinir. Çünkü dönüm noktasında ikinci türev nümerik olarak sıfıra eşittir. Bu durumda ise ikinci türevin, titrant hacmine karşı çizilen grafikte değişim pozitiften negatife olacaktır.

126

Şekil 1. Potansiyometrik titrasyon eğrisinin birinci ve ikinci türevi

2.2. Kondüktometri Çok yüksek voltaj veya yüksek frekans akımları dışında, çözeltiler de metaller gibi Ohm Yasasına uyarlar. Bir çözeltinin iletim gücü (kondüktans, L) 1/R  olarak tanımlanır ve ohm-1 veya ohm’un tersten okunuşu mho olarak ifade edilir.

127

 L 

1  R

a

 k .  

(2)

d 

L : Kondüktans (mho) R : Direnç (ohm) k : Spesifik kondüktans (mho.cm -1) a : iletkenin alanı (cm2) d : iletkenin uzunluğu (cm) Spesifik kondüktans (veya kondaktivite), k, birim alan veya uzunluktaki malzemenin, hacminin iletkenliğidir. Ölçümler, geometrisi bilinen iletken hücrenin çözeltiye daldırılarak, hücredeki direncin veya iletkenliğinin belirlenmesi prensibine dayanır. Kullanılan hücrenin geometrisi önemli bir faktördür ve bu geometriyi açıklamak için hücre sabiti (F) ifade edilir.

   F  

a d 

 

(3)

Uzunluğu 1 cm ve alanı 1 cm 2 olan hücre için, F = l cm -1, dir. Eğer 1 g çözünen ağırlık varsa, bu çözeltinin kondüktansı ekivalent (denk) kondüktans olarak tanımlanır, Λ. 1 g madde içeren çözeltinin ekivalent kondüktansı özgül (spesifik) kondüktans ile hacmin, V (cm3 ) çarpımına eşit eşit olacaktır. o lacaktır. Bu yüzden, C gram şeklinde çözeltinin derişimi olarak ifade edilirse (= normalite)

  k .v  1000.

k  C 

 

(4)

Bu durumda denklem (2), (3) ve (4) birleştirilirse, çözeltinin gözlenen kondüktansı, kondüktansı,

128

 L 

C 



C i  i

1000 F  1000 F 

 

(5)

Sırasıyla Ci ve λi, i bileşeninin derişimi ve iyonik kondüktansıdır. Σ ise kondüktansı etkileyecek diğer iyonların toplanabilirliğini to planabilirliğini göstermektedir.

2.2.1 Kondüktometrik Titrasyonlar Kondüktans ölçümleri genellikle elektrolit çözeltinin çözünürlüğünü, ayrışma katsayılarını ve  bazı diğer özelliklerinin belirlenmesinde kullanılır. Potansiyometrik ölçümlerden farkı, kondüktometri bir iyon için seçimli değildir. Kondüktans, çözeltideki toplam iyon ve iyon hareketliliğinin fonksiyonudur. Bir çözelti içinde iyonların hareketi, farklı iyonlarla çökelek oluşturması, kompleks oluşturması veya çok az çözünmesi, kondüktansı değiştirir. Kondüktometrik titrasyonun prensibi, hareketli iyonların, diğer hareketli iyonlarla yer değiştirmesidir.

Şekil 2. Çözeltide bulunan hidroklorik asitin kondüktansı Şekilde azalan eğri, hala çözeltide bulunan hidroklorik asitin kondüktansını göstermektedir. Aynı zamanda ortamda sodyum klorür oluşmaktadır. Artan eğri ise nötralizasyondan sonra ortamdaki fazla bazın kondüktansı ko ndüktansıdır. dır. Ortamda Ort amda sodyum klorür bulunmaktadır.

129

3. DENEYSEL BÖLÜM 3.1. Deney Prosedürü a. Asit - baz titrasyonu titrasyonu

 Standart asidik tampon çözeltiyle pH metreyi ayarlayın.  Cam prob yerleştirilmiş beherin içine 10 ml asetik asit koyun ko yun  Asetik asiti karıştınrken 0.1 N NaOH çözeltisi ile titre edin. Eklediğiniz titrant hacmini ve bu hacimdeki pH değerlerini kaydedin.

b. Bir kimyasal reaksiyonun potansiyometrik pH - ölçümü ile incelenmesi

  pH metreyi standart standart bazik tampon çözelti çözelti ile ayarlayın.  Farklı derişimlerde seyreltik NaOH çözeltileri hazırlayın. Bu çözeltilerin  pH'larını ölçün.

 20 ml 0.02 M NaOH ve 10 ml 0.2 M etil asetatı bir behere koyun. Reaksiyon sırasında sistemi karıştın.

 Beş dakika aralıklarla pH değerlerini okuyun. Bu işleme pH değeri sabitleninceye kadar devam edin.

c. Kondüktans Ölçümü

 Farklı derişimlerde NaCl çözeltileri hazırlayın. Hücre ile kondüktans değerlerini okuyun. ( Hücre sabiti = 1.0 )

 Bilinmeyen konsantrasyondaki NaCl çözeltisinin kondüktans değerini okuyun ve bir önceki basamakta elde ettiğiniz kalibrasyon eğrisinden çözeltinin konsantrasyonunu konsantrasyonunu belirleyin.

d. Kondüktom K ondüktometrik etrik Titrasyon

 Konsantrasyonu bilinmeyen asetik asit çözeltisinden 50 ml alın ve direncini ölçün.

130

 0.5 ml artışla 1.0 N NaOH çözeltisi ekleyin ve her işlem sonunda direnci ölçün.

4. HESAPLAMALAR a. Asit - baz titrasyonu titrasyonu

 Titrasyon eğrilerini çizin. - pH'a karşı titrant hacmi - ∆pH / 0.05 ml titrant'a karşı eklenen titrant hacmi

 Titrasyon eğrisi aracılıyla asetik asit çözeltisinin derişimini belirleyin. b. Bir kimyasal reaksiyonun potansiyometrik pH - ölçümü ile incelenmesi

 Farklı derişimlerdeki NaOH çözeltisinin ölçülen değerlerini hesaplanan değerler ile karşılaştın. Yüzde hatayı hesaplayın. hesaplayın.

  pH'a karşı NaOH konsantrasyonunun (ölçülen) kalibrasyon kalibrasyon eğrisini hazırlayın.  NaOH ile etil asetat arasındaki arasındaki reaksiyonu reaksiyonu yazın.

 Kalibrasyon Kalibrasyon eğrisi yardımıyla tepkimeye girmemiş NaOH çözeltisinin derişimi  pH değerlerine değerlerine göre belirleyin.

 Deneysel verileri kullanarak reaksiyon mertebesini mertebesini belirleyin. c. Kondüktans Ölçümü

  NaCl konsantrasyonuna konsantrasyonuna karşı titrant hacim kalibrasyon eğrisini çizin. çizin.  Kalibrasyon eğrisini kullanarak bilinmeyen derişimdeki NaCl çözeltinin derişimini belirleyin.

d. Kondüktometrik Titrasyon

 Titrasyon eğrisini çizin; kondüktansa karşı titrant t itrant hacmi  Titrasyon eğrisi üzerinde dönüm dö nüm noktasını gösterin.  Titrasyon eğrisini kullanarak asetik asit çözeltisinin derişimini hesaplayın. Potansiyometrik titrasyon ve kondüktometrik titrasyon sonuçlanın karşılaştırın.

131

KAYNAKLAR 1.Anderson, 1.Anderson, N., Istrumentation for Process Measurement and Control, Chilton Co mpany, 3rd Ed.,USA,1980.  Ed., USA,1980. 2.Cammann, 2.Cammann, K., Ross, W., ‘Chemical and Biochemistry B iochemistry Sensors in Ullman’ Encydopedia of hıdustrial Chemistry, vol. B6,VCH,5 th Ed., Germany, pp: 136-156, (1194 ). 3.Ewing, G., Instrumental Methods of Chemical C hemical Analysis, McGraw Hill,USA, (1960). 4.Willard, H., Merrit, L., Dean, A.,Settle, A., Instrumental Methods of Analysis, D. Van  Nostrand Company, Company, 6 th Ed., USA, ( 1981 ).

132

DENEY NO: 11. ELEK ANALİZİ Deneyin Amacı: Laboratuvar ölçekli bir öğütücüde verilen malzeme karışımının parçacık  boyutunun küçültülmesi ve küçültülen parçacıkların eleklerden geçirilerek parçacık boyut dağılımının hesaplanması. hesaplanması.

TEORİ Hammaddeler, çeşitli işlemlerden elde edilen ürün veya ara ürünler; temel kimyasal ve metalurjik işlemlere girmeden önce, yüzey büyütme (boyut küçültme), yüzey küçültme küçültme (boyut  büyütme), malzeme malzeme ayırma ve malzeme karıştırma karıştırma gibi ön ve ve ara işlemlerden geçirilmektedir. geçirilmektedir.

1. Yüzey büyütme: Yüzey büyütme işlemleri sıklıkla katı fazdaki malzemeler için uygulanır. Katı fazdaki malzemelerin mevcut yüzeylerinin büyütülmesi tane boyutlarının küçültülmesiyle gerçekleşir. gerçekleşir. Teknolojide bu küçültme işlemleri “kırma” ve “öğütme” isimleriyle ifade edilir.

1.1. Kırma: Kırma, katı bir maddenin mekanik kuvvetler vasıtasıyla daha küçük parçalara bölünmesi işlemidir. Kırma işleminin amacı belli bir parçacık boyutunun altına inmek fakat pek çok durumda belli bir alt sınırı da aşmamaktır. aşmamaktır. Kırma işlemi “kaba kırma” ve “ince kırma” olarak ikiye ayrılır. Kaba kırma işlemi sonucunda 50mm üzerinde boyutlarda parçacıklar üretilir. İnce kırma işlemi sonucunda ise en küçük  parçacık boyutunun boyutunun 5 mm civarında civarında bulunduğu bulunduğu ürünler elde edilir. edilir. Uygulamalarda en çok kullanılan kırıcılar çeneli ve konik kırıcılardır. Bu iki tip kırıcı sert ve orta sertlikteki maddelerin hem kaba hem de ince kırma işlemlerinde başarı ile uygulanırken, yumuşak maddelerin kaba kırmasında çekici kırıcılara k ırıcılara daha fazla rastlanmaktadır. Çeneli kırıcılarda kırma işlemi, cihazın çene tabir edilen parçaları arasında yapılmaktadır. Bu çenelerden genellikle birisi sabit olmakta, o lmakta, diğer çenenin çenenin hareketi ile kırma gerçekleşmektedir. gerçekleşmektedir.

1.2. Öğütme: Üretilen parçacıkların en büyük boyutunun yaklaşık 5 mm’den daha az olduğu hallerdeki yüzey büyütme işlemlerine öğütme adı verilir. Öğütme işlemlerinde genellikle ekseni etrafında dönen bir gövde ve içersine konan öğütücü ortam parçalarından (bilye, çubuk, çakıl) oluşan değirmenler kullanılır.

133

2. Eleme: Eleme katı bir malzeme karışımını elekler kullanarak farklı boyutlardaki bileşenlerine ayırma işlemidir. Eleme işleminde kullanılan elekler büyüklüklerine göre sınıflandırılırken “meş numarası” kavramı kullanılır. Meş numarası bir elekte birim alan (inç 2  veya mm2) basına düşen delik sayısını göstermektedi göst ermektedir. r. Eleme ile elek altı ve elek üstü olmak üzere iki ürün elde edilir. Endüstriyel elekler elemenin yapıldığı yüzeyin sabit veya hareketli olmasına göre “sabit elekler” ve “hareketli elekler” olmak üzere iki ana bölüme ayrılır. Sabit eleklerin en basit sekli ızgaralardır. Izgaralar büyük boyutlu malzemelere en uygun olan tiptir. Genellikle eğik olarak yapılırlar ve üzerlerindeki malzemenin aşağı doğru inerken ızgara aralıklarından düsen parçaların ızgara üstünde kalandan ayrılmasını sağlarlar. Hareketl i eleklerde tıkanmayı azaltmak amacıyla ızgaralara çeşitli hareketler verilmektedir. Bu hareketler ile malzeme hem bir yöne doğru itilir hem de eleme kolaylaştırılmış olur.

Şekil 1. Elek seti ve elek sallama makinesi Şekil 1’de deneyimizde kullanılacak bir elek seti ve bu setin yerleştirilerek eleme işleminin yapılacağı elek sallama makinesi de gösterilmektedir.

134

DENEYİN YAPILIŞI 1. Parçacık boyut dağılımı incelenecek karışımı tartınız ve ağırlığını ka ydediniz. 2. Huni yardımıyla tarttığınız karışımı değirmene koyup öğütünüz. 3. Öğütme işleminden sonra malzemeyi ikiye ayırarak tekrar tartınız ve ağırlıklarını kaydediniz. 4. Toplam kırılmış malzeme miktarını kaydediniz. 5. Elekleri meş numaralarına göre büyükten küçüğe doğru üst üste sıralayınız. 6. Hazırladığınız elek setini, elek sallama makinesine yerleştiriniz. yerleştiriniz. 7. Elek setinin en üstündeki eleğe kırılmış olan parçacıkların ilk kısmını koyunu ko yunuz. z. 8. Elek setinin vidalarını sıkıştırınız ve üstteki eleğin kapağını kapatınız. 9. Elek sallama makinesini on dakika süreyle çalıştırarak, eleme işlemini gerçekleştiriniz. 10. Elek setini makineden alarak, her elekte kalan malzeme miktarını Ç izelge 1.1’e kaydediniz. 11. Toplam elenmiş madde miktarını Çizelge 1.’e kaydediniz.

12. Elekleri temizleyiniz. 13. Eleklere kırılmış olan parçacıkların ikinci kısmını da koyarak, eleme işlemini tekrarlayınız. 14. Toplam elenmiş malzeme miktarını (iki eleme sonundaki) Çizelge 1,1’e kaydediniz. 15. Deney düzeneğini temizleyiniz. te mizleyiniz.

HESAPLAMALAR  1. Kırma işlemindeki kütle kaybını hesaplayınız. 2. Çizelge 1.’i kullanarak eleme işlemindeki kütle kaybını hesaplayınız.

135

Ortalama parçacık yoğunluğunu aşağıdaki formülleri ve tanımları kullanarak bulunuz. ma = eleğin altında kalan malzemenin miktarı (g) Va = eleğin altında kalan malzemenin hacmi (cm 3) mü = eleğin üstünde kalan malzemenin miktarı Vü = eleğin üstünde kalan malzemenin hacmi (cm 3)

1 = ma /Va ................................................................... ........................................................................................... ........................ (1) 2 = mü /Vü ........................................................... .................................................................................... ............................... ...... (2) ort = (1+2) / 2 ................................................................................. ................................................................................. (3)

 Her bir elekte kalan parçacıkların ortalama çaplarını (Dpo) aşağıdaki formülü (4) kullanarak bulunuz. Dpoi = (Dpi + Dpi-1) / 2 ............................................................. .......................................................................…...(4) ..........…...(4) Dpoi = Ortalama parçacık çapı Dpi = Elekteki en büyük parçacığın çapı Dpi-1 = Elekteki E lekteki en küçük parçacığın çapı

  (kütle kesri): Eleğin üzerinde kalan malzemenin toplam elenmiş malzemeye oranını aşağıdaki formülü (5) kullanarak bulunuz. bulunuz.

i = Mi (g) ( g) / Mtop (g) ................................................................... ........................................................................ ..... ….(5) Mi = eleğin üzerinde kalan madde miktarı Mtop = toplam elenmis madde miktarı

 Elenen malzemenin ağırlıkça ortalama çapını (Dpas) aşağıdaki formülü (6) kullanarak  bulunuz.

136

Dpas =  Dpoii ....................................................... ................................................................................ ......................... …(6)

 Elenen maddenin toplam yüzey alanını “kümülatif elek analizi” metodunu kullanarak, asagıdaki formülle (8) bulunuz. Aw = 6/ort( _d*/Dpo)........................................ */Dpo).................................................................... ................................ (8)

i*=   j*………………………………………………………..(9) Formül 8’de geçen integrali bulmak için i*’a karşılık Dpoi grafiğini çiziniz ve Simpson kuralını kullanınız.

 Elenen maddedeki parçacık sayısını “diferansiyel elek analizi” metodunu kullanarak, aşağıdaki formülle (10) bulunuz.  Nw = 1/(aort) i / Dpoi3...............................................................(10)

KAYNAKLAR  BOR F.,  Ekstraktif Metalurji Prensipleri, Matbaa Teknisyenleri Basımevi, İstanbul, Türkiye (1977). GEANKOPL_S C.T., Transport Processes and Unit Operations , Prentice-Hall International Inc., New Jersey, USA (1993). MCCABE W.L., SM_TH J.C., HARR_OT P., Unit Operations of Chemical Engineering, Mc Graw-Hill Inc., New York, USA (1993).

137

Rapor Örneği

GENEL KİMYA LABORATUVARI LABORATUVARI

DENEY ADI

Hazırlayan

: Adı Soyadı - Numarası

Deneyin Yapılış Tarihi

:

Rapor Teslim Tarihi

:

Grup Üyeleri

:

Deney Sorumlusu Sorumlusu

:

138

1. GİRİŞ - Deneyin amacı ve içeriği belirtilecektir. - Bu bölümde teorik bilgiler yazılmayacaktır.

2- TEORİ -Teori 2 sayfa ile sınırlandırılmıştır. Fazla sayfa fazla faz la puan demek değildir. - Teoride kullanılan kaynaklar MUTLAKA metin içinde numaralandırılarak, Kaynaklar Kaynaklar bölümünde bölümünde belirtilecek belirt ilecektir. tir. Kaynaklar Kaynaklar gerek duyulduğunda duyulduğunda Deney Sorumlusu tarafından istenebilir.

3- DENEYSEL YÖNTEM 3.1 Deneyde Kullanılan Malzemeler (Kimyasal, Ekipmanlar ve Deney Düzeneği) 3.2 Deneyin Yapılışı 4- HESAPLAMALAR ve SONUÇLAR 4.1. Veriler (Kimyasal, Ekipmanlar ve Deney Düzeneği) 4.2. Hesaplamalar Hesaplamalar 4.4. Sonuçlar - Hesaplamalar sonunda elde edilen değerler tablolar t ablolar şeklinde belirtilir. - Deney sonucunda bir grafik elde ediliyorsa bu bölümde verilir.

5- YORUM - Sonuçlar hakkında yorum ve değerlendirmeler yapılır. - Elde edilen deneysel sonuçlar, teorilerle karşılaştırılır. Farklılıkların nedenleri tartışılır. - Yorum bölümü raporun en önemli bölümüdür ve değerlendirmenin en büyük kısmını  bu bölüm oluşturur. oluşturur.

SEMBOLLER KAYNAKLAR - Deney föyü tek kaynak olarak KULLANILAMAZ.

139

Kaynak Yazım Formatı: Süreli Yayınlar

 Yazarın soyadı, İlk ve ikinci adının ilk harfleri, Konu başlığı, Süreli yayının ismi (italik), cilt numarası, sayı numarası, sayfa numaraları, yıl. Ör: Kaplan, H., Hutkins, W. R., “Fermentation of Fructooligosaccharides by Lactic Acid Bacteria and Bifidobacteria”,  Journal of Applied and Environmental Microbiology, 66 (6), 2682-2684, 2000.,

Kitaplar 

Yazarın soyadı, İlk ve ikinci soyadının ilk harfleri, kitabın başlığı, Baskı sayısı, Basım yeri, Basım evi, basım yılı. Ör:

H. C. Fogler, Elements of Chemical Reaction Engineering, 3 rd Edition, New York, Prentice Hall, 1999.

Tezler

 Kaplan, H., “Fermentation of Fructooligosaccharides by Lactic Acid Bacteria and Bifidobacteria”, Ph. D. Thesis, University of Nebraska-Lincoln, 2002.

Sunumlar

 Kaplan, H., Hutkins, W. R., “Fructooligosaccharides in yogurt: Functional and microbiological properties”, IFT Annual Meeting, Vol. 21-3, Chicago, Chicago, 2003.

140

İnternet

 American Express, Creating an effective business plan, Retrieved April 24, 1999 from the World Wide Web: http//www. htt p//www. Americanexpress. Americanexpress. com

EKLER GENEL YAZIM KURALLARI K URALLARI

 Alt Başlıkları 2.1, 2.2 şeklinde numaralandırma numaralandırma sırasıyla sır asıyla gösterin. 1. Giriş 2-Teori 2.1 ...... 2.2 ...... 2.2.1....... 2.2.2....... 3-.........

 Rapordaki şekillerin isimleri numaralandırılarak şekillerin altına, tablolarda ise yine numaralandırılarak tablonun üstüne yazılacaktır. yazılacaktır.

 Raporlar tükenmez kalemle yazılacak ve tek renk r enk (mavi veya siyah) kullanılacaktır.

141

2012-2013 Bahar yarıyılı Kimya Mühendisliği Laboratuarı I dersi 1. Öğrenciler laboratuar saatinin başladığı saatte öncelikle yazılı sınava tabi tutulacaklardır. Bu sınavdan 50 puanın altında alan öğrencinin deney rapor notu ve deney performans notu “0” (sıfır) dır. Öğrenci o hafta devamsızlık hakkını kullanmış sayılır. Ancak öğrenci isterse not almayacağı almayacağı halde öğrenmek amacıyla deneye izleyici olarak katılabilir ve raporun hazırlanmasına hazırlanmasına katkıda bulunabilir. 2. Yazılı sınava girmeyen veya yazılı sınava girip deneye girmeyen öğrenci devamsızlık hakkını kullanmış sayılır. Öğrencinin deney rapor notu ve deney performans notu “0” (sıfır) dır. 3. Tüm öğrenciler laboratuar kurallarına uymak zorundadır (Deneylere önlük, eldiven ve gözlüksüz girilemez, cep telefonları ile görüşme yapılamaz, bir şey yiyip içilemez). Laboratuar kurallarına uymayan öğrenci deney sorumlusu tarafından laboratuardan uzaklaştırılır. Bu durumda öğrencinin deney performans ve rapor notu da sıfırdır. 4. Deney sırasında kullanılan cam eşyaların sorumluluğu deneyi yapan gruba aittir. Kırılan eşyalar öğrenciler tarafından temin edilip laboratuvar sorumlusuna teslim edilir. 5. Deney raporları grup ortak raporu şeklinde teslim edilir, bilgisayarda (yazım kurallarına uygun olarak) ya da elle hazırlanabilir. 6. Deney raporları bir sonraki deney günü saat 17:00 a kadar teslim edilmek zorundadır. Deney raporunun bir gün gecikmesi durumunda rapor teslim alınır, ancak 80 puan üzerinden değerlendirilir. Rapor 1 günden fazla gecikirse grup rapor notu sıfır olur. Deney raporunun teslimi sırasında bütün öğrenciler hazır bulunmalıdır; deney sorumlusu öğrencilerin deney raporu hazırlığına katılımını ö lçmek için sözlü yapabilir. 7. Yıl içi ders değerlendirmesi aşağıdaki gibidir. Yazılı sınav (deneyden ( deneyden önce):%30 Deney performansı : %20   Deneyden sorumlu araştırma görevlisi tarafından  belirlenir. Öğrencinin deney de ney esnasındaki ilgisi, sorulan sorulara soru lara verdiği cevap, deney kurallarına uyum, deney raporu hazırlığına katılımı belirleyici etkenlerdir. Deney raporu %50 8. Öğrencinin final sınavına girebilmesi için deneylerin en az %80’ine (11 deneyden 9’una) katılmış olması gerekmektedir. 10. Dersin yılsonu değerlendirmesi yıl içi başarı notunun % 40’ı, final sınavı notunun % 60’ı hesaplanarak belirlenir.

142

Laboratuvar Güvenliği Spektroskopik Spektroskopik Yöntemler Kondüktometrik Kondüktometrik ve Potansiyometrik Titrasyon Akışkanlarda Sürtünme Kayıpları Akışkan Karıştırma ve Güç Tüketimi Viskozite Ölçümleri Elek Analizi Isı Değiştirici Sıcaklık ve Basınç Ölçme Isıl İletkenlik Akan Akışkanların Akışkanların Ölçülmesi

DENEY SIRASI 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

TARİH 28.02.2013 07.03.2013 14.03.2013 21.03.2013 28.03.2013 04.04.2013 11.04.2013 25.04.2013 02.05.2013 09.05.2013 16.05.2013

DENEY ADI

GÖREVLİ

1. Laboratuvar Güvenliği

Murat Efgan KİBAR

2-Sıcaklık 2-Sıca klık ve Basınç Ölçme

Orhan ÖZCAN

3-Spektroskopik 3-Spektroskopik yöntemler

Filiz UĞUR NİGİZ

4-Akan akışkanların akışkanların ölçülmesi

Derya ÜNLÜ

5-Akışkanlarda 5-Akışkanlarda sürtünme

Cem ÖZKAN

6-Akışkan karıştırma ve güç tüketimi

Nevin Gamze KARSLI

7-Isı değiştirici

Hümeyra ŞİRİN

8-Viskozite-yoğunluk 8-Viskozite-yoğunluk

Şebnem KEMALOĞLU

9-Isıl iletkenlik

İmge ŞEYOYMAK

10-Kondüktometrik 10-Kondüktometrik ve potansiyometrik potansiyometrik titrasyon

Merve ERCAN

11-Elek Analizi

Togayhan KUTLUK

143