ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI

1. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI Kaynak: TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR – Makine Teknolojileri DERGİSİ, Cilt 7, (2004), Sayı 4, 599-604

2. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 1-PROBLEMİN ANLAŞILMASI VE TANIMLANMASI Tencere Tabanı 2 farklı malzemeden imal edilmektedir.

3. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 1-PROBLEMİN ANLAŞILMASI VE TANIMLANMASI Tencere Tabanından beklenen 2 önemli özellik: 1 - Tencere Isıtıldığı zaman iç taban yüzeyine (2 nolu malzemenin üst yüzeyi) yeterli ısı iletiminin geçmesi ve yeterince homojen bir sıcaklık dağılımının sağlanması istenir. Bu özellik kalınlıklarla ve ısıl özelliklerle (k,r, cp) yakından ilgilidir. 2 –Tencere tabanında çarpılma veya taban atması gibi problemlerin olmaması istenir. Tamir Yeni bir tencere dizaynı yapılırken bu 2 noktaya özellikle dikkat edilir.

4. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 1-PROBLEMİN ANLAŞILMASI VE TANIMLANMASI Soru: Tencere tabanı niçin 2 farklı malzemeden imal edilir ? Cevap: Tencere içinde homojen bir sıcaklığı dağılımı elde etmek için bu şekilde imal edilir. Üstteki 2 nolu malzemenin ısı iletim katsayısı 1 nolu malzemeye nazaran çok daha düşük seçilir. Böylece alttan gelen ısı akısı 2 nolu malzeme tarafından kolayca geçemediğinden arayüzeyde ve 1 nolu malzeme içinde homojen olarak yayılır. Bu şekilde 2 nolu malzemenin tüm bölgelerinden yukarı doğru mümkün olduğu kadar eşit ısı akısı geçirilmesi amaçlanır. Problemin Tanımı: Tencere Dizaynı için tencerelerde farklı değişkenlerin Taban Atması Problemine ve homojen sıcaklık dağılımına etkilerinin tespit edilmesi

5. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 2-PROBLEMİN MÜHENDİSLİK AÇISINDAN SEBEPLERİNİN TARTIŞILMASI VE BELİRLENMESİ Soru: Taban atması ve çarpılmanın en önemli sebepleri nelerdir? -Cevap: Çarpılma ve taban atma probleminin en önemli sebebi arayüzey gerilmeleridir. 1 ve 2 nolu malzemelerin ısıl genleşme katsayıları arasındaki uyumsuzluk, yani şiddetleri arasındaki fark bu gerilmelerin artmasında en önemli rolü oynar. Elastiklik modülleri ve poisson oranları arasındaki farkın artması da arayüzey gerilmelerinin artmasına yol açar. -Soru: Bu özellikler arasındaki farkın artması niçin gerilmeleri arttırır? Cevap: Isıl genleşme katsayısı yüksek olan malzeme daha fazla, düşük olan ise daha az genleşmek isteyecektir. Birbirleriyle bağlı olduklarından birbirinin hareketini engelleyecektir. Farkın artması daha fazla zorlanma anlamına geleceğinden gerilmeler artacaktır. -Homojen olmayan sıcaklık dağılımı ise özellikle k ısı iletim katsayılarının yeterli seviyelerde olmamasından kaynaklanır. -Her iki probleme etki eden başka bir faktör ise malzeme kalınlıklarıdır.

6. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 3-a) İnceleme Alternatifleri 1.İnceleme Alternatifi: 1 nolu malzemeyi, farklı kalınlıklarda ve farklı 2 malzemeden seçebiliriz. 2 nolu malzeme sabit alınabilir. Bu şekilde ısıl gerilmeler ve sıcaklık dağılımlarını karşılaştırarak, 1 nolu hacim için en iyi kalınlık ve malzeme seçimi yapılabilir. 2- İnceleme Alternatifi: (Tartışma Platformu)

7. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 3-b) İnceleme Şekline Karar Verilmesi Karar: 1. İnceleme Alternatifi ile Problem İncelenecektir. Tencere içinde kalan 2 nolu katman 2mm kalınlığında CrNi alaşımından seçilebilir. 1 nolu alttaki dış katman ise 5 farklı kalınlıkta (2,4,6,8,10mm) ve 2 farklı malzemeden (Cu veya Al) seçilebilir. Bu alternatiflere uygun 5*2=10 farklı analiz yapılıp birbirleriyle karşılaştırılacaktır. Tencerenin içinde su bulunduğunu düşüneceğiz.

8. T1 T2 q” ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI4-Konuya Hakimiyet için Temel ve Teorik Bilgiler Isı Transferi Isı, sıcaklık farkından dolayı hareket halinde olan enerjidir. Sıcaklık farkı olan her ortamda veya ortamlar arasında ısı transferi gerçekleşir. Isı transferi prosesleri üç değişik tipte olur: Hareketsiz bir ortamda sıcaklık gradyeni mevcutsa ısı transferi prosesi için iletim (kondüksiyon) terimi kullanılır. Ortam akışkan veya katı olabilir. T1 > T2

9. Hareketliakışkan T q” TS Ts > T T1 q1” q2” T2 ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI4-Konuya Hakimiyet için Temel ve Teorik Bilgiler Farklı sıcaklıklarda olan bir yüzey ve hareketli bir akışkan arasında olan ısı transferi prosesi taşınım (konveksiyon) terimi ile tanımlanır. Sonlu sıcaklığa sahip tüm yüzeyler elektromagnetik dalgalar halinde enerji yayarlar. Farklı sıcaklıklardaki iki yüzey arasında net ısı transferi, yüzeyler arasında engelleyici bir ortam olmadığında gerçekleşir. Bu ısı transferi prosesi ışınım (radyasyon) olarak tanımlanır. Daha detaylı Bilgi için http://kisi.deu.edu.tr/mehmet.zor/BDM/faydalidokumanlar/isitransferi.ppt

10. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI4-Konuya Hakimiyet için Temel ve Teorik Bilgiler Soru: Arayüzey gerilmeleri teorik olarak hesaplanabilir mi? Cevap: Sistemin sıcaklığı homojen olarak arttırılmış olursa, bir şerit eleman için arayüzey gerilmeleri hesaplanabilir. Soru: Tencere tabanı için bu teorik hesaplamalar kullanılabilir mi? Cevap: Tam olarak kullanılamaz. Zira tencerede homojen olmayan sıcaklık dağılımı sözkonusudur. Bu durumda sonlu eleman analiziyle önce sıcaklık dağılımını bulmak sonra şekil değişimi ve gerilmeleri hesaplamak gerekir. Bununla birlikte bu teorik hesaplamalarla sonlu eleman çözmleri arasında çok büyük fark olmaması gerekir. Teorik sonuçlar 8. adımda sonuçlar mantıklı mı sorusuna bir cevap teşkil edebilir.

11. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI4-Konuya Hakimiyet için Temel ve Teorik Bilgiler Genelde 2 farklı ısıl analiz tipinden bahsedilebilir. 1-Zamana Bağlı (Transient) Isıl Analiz: Sistemin herbir noktasının sıcaklığı birbirlerinden farklı olabilir ve zamanla değişir. (Örnek: bir fırından çıkarılan maddenin soğuması ) 2- Kararlı Rejim-(Zamana Bağlı Olmayan, Steady-State) Isıl Analiz: Sistemin herbir noktasının sıcaklığı farklı olsa bile zamanla değişmez. (Örnek: içinden sıcak akışkan geçen boru) Genelde ısı transferi olan bir sistemin sıcaklığı başlangıçta belli bir süre değişir, daha sonra kararlı (stabil) hale gelir. Problemin tipine göre sıcaklığın değiştiği veya stabil olduğu süre boyunca oluşan gerilmeler veya diğer sonuçlar daha kritik durum arz edebilir.Hangi periyod daha kritik durum arz ediyorsa, ona uygun analiz tipi seçilir.

12. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI4-Konuya Hakimiyet için Temel ve Teorik Bilgiler Bu iki Analiz tipi arasındaki önemli farklar şu şekilde sıralanabilir: 1-Özellikle ara geçiş adımlarında kritik durumların ortaya çıkması sözkonusu olduğunda mutlaka Transient Analiz yapılmalıdır. Bu ise daha çok soğuma problemlerinde ortaya çıkar. 2-Gerek ısınma gerekse soğuma problemlerinde gerilmeler veya şekil değiştirmeler açısından en kritik durumun sıcaklıkların stabil hale geldiği son durum olduğu önceden tahmin edilmiş ise ve sadece bu durumun incelenmesi yeterli görülüyorsa; a-Yüklemeler elastik sınırlar içinde kalmak şartıyla stabil durumdaki gerilme veya şekil değiştirmelerin elde edilebilmesi için, ısınma problemlerinde kararlı rejim (steady-state) analizi, soğuma problemlerinde zamana bağlı analiz (transient) tercih edilmelidir. Çünkü; Isınma problemlerinde son durumdaki sıcaklık dağılımının tanımlanması o andaki gerilme ve şekil değiştirmeleri hesaplamak için yeterlidir. Ancak soğuma problemlerinde son durumdaki sıcaklıklar oda sıcaklığı ile eşit olacağından bu sıcaklıkların tanımlanması o andaki gerilme dağılımının sebebi değildir. b-Yüklemeler plastik bölgeye geçiyorsa, stabil durumdaki gerilme veya şekil değiştirmelerin elde edilebilmesi için gerek ısınma gerekse soğuma problemlerinde transient analiz tipi tercih edilmelidir. Çünkü; Kalıcı deformasyonlar izlenen yola bağlıdır. Yani cismin son haldeki deformasyonu, zaman içinde uğradığı deformasyonlara da bağlıdır.

13. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI4-Konuya Hakimiyet için Temel ve Teorik Bilgiler 3- Genelde transient analizin son adımındaki değerler, kararlı-rejim analizindeki değerlere eşittir. Ancak özellikle soğuma problemlerinde, bu son adım, teorik olarak sonsuzda elde edilebilir. Ayrıca son adıma kararlı rejim analiziyle çok kolay ve hızlı ulaşılmasına rağmen, transient analizle daha zor ve uzun bir sürede ulaşılır. 4-Transient Analizde incelenen cismin veya sistemin bir başlangıç sıcaklığı (To) programa girilmelidir. Steady-State analizinde ise programın işleme başlaması ve ilk adımda iterasyon yapabilmesi için herhangi bir referans sıcaklığına (Tref) ihtiyaç vardır. Referans sıcaklığı başlangıç sıcaklığına ne kadar yakın ise analiz o kadar hızlı sonuç verir. 5-Transient analizde, stedy-state analizdeki tüm malzeme özelliklerinden başka ayrıca malzemelerin özgül ısı (cp)ve yoğunluklarına (r) ihtiyaç vardır. Steady-State analizlerde bu özellikler gerekmez. 6-Tüm bu noktalar ve problemin tipine göre özel durumlar iyice irdelenmeli ve ısıl analiz tipi başlangıçta doğru olarak tespit edilmelidir.

14. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI4-Konuya Hakimiyet için Temel ve Teorik Bilgiler Soru: Tencere Taban dizaynı probleminde hangi Analiz Tipi seçilmelidir? Cevap: Tencere kısa bir süre sonra kararlı rejime ulaşır ve sıcaklık dağılımı sabit kalır. Bizim için kararlı durumdaki sıcaklık dağılımı önemlidir. Bu bir ısınma problemidir. Ayrıca en büyük şekil değiştirme ve gerilmeler son durumda oluşacaktır. Yükleme elastik sınırlar içinde kabul edilir. Kararlı rejim halindeki sıcaklık dağılımının girilmesi ile bu son haldeki gerilmeler ve şekil değiştirmeler elde edilebilir. O halde 2a maddesinde de izah edildiği gibi, problemi kararlı rejim (steady-state) ısıl analizi olarak çözmek daha doğrudur ve kolaydır. Gerilmeler plastik bölgeye geçip geçmediği analizler sonunda kontrol edilir. Önemli seviyelerde plastik bölgeye geçiş varsa ve uygulamalarda da bu şekilde ise bu durumda 2b maddesinde izah edildiği gibi transient analiz yapılmalıdır.

15. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 5- BDM Açısından Yapılabilecek Kolaylıklar 5.1 Model, Malzeme, Yükleme ve Sınır Şartları Tencere eksenine göre dönel simetriktir. Bu durumda problem 2 boyuta indirgenebilir. y dönel simetri eksenine göre düzlemde yarı model kurulabilir. Ancak burada en önemli nokta dönel simetrik (axisymetric) eleman tipinin mesh yaparken kullanılmasıdır. Bu eleman tipinin kullanılması ile model dönel simetrik olarak algılanır. Aksi halde düzlemde bir alanın çözümü yapılmış olur ki bu da yanlış sonuçlara ulaşmamız demektir. Model, Malzeme, Yük ve Sınır şartlarından herhangi birisi bile dönel simetrik olmazsa düzleme indirgeme işlemi yapılamaz ve 3 boyutlu çözüme gidilmesi gerekir.

16. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 6- BDM Analiz Girdileri 6.1 Sonlu Eleman Modellerinin Kurulması İki malzeme birbiriyle tamamen yapışık olduğundan, alt ve üst alanlar arayüzeyde ortak bir çizgiye sahiptir.

17. ÖRNEK 3 - TENCERE TABANI DİZAYNI 6- BDM Analiz Girdileri 6.2 – Sınır Şartları ve Yükleme -Su ve çevre ile temas eden yüzeylerde 2 farklı taşınım katsayısı tanımlanır. (Değerleri teorik olarak ve yaklaşık hesaplanabilir.) -Her iki katmanın Referans sıcaklığı 20 oC, ortam sıcaklığı yine 20 oC, kaynayan suyun sıcaklığı 100 0C alınmıştır. -Ocakla temas eden kısma 500 oC lik bir sıcaklık uygulanır. (yükleme) -Simetri yan yüzeyindeki düğümler x ekseni doğrultusunda tutulur.

18. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 6- BDM Analiz Girdileri 6.4 Malzeme Özellikleri Bakır ve Alüminyum için ısı iletim katsayısı sırasıyla kcu=386 (W/mK) ve kAl =190 (W/mK), %18Cr, %8Ni içeren CrNi çeliği için ise kCr-Ni =16,3 W/(mK), bu malzemeler için ısıl genleşme katsayıları sırasıyla acu= 1,66.10-5 1/ oC, aAl = 2.27.10-5 1/ oC, aCrNi=1.78.10-5 1/ oC Elastisite Modülleri Ecu = 110GPa, EAl=70GPa, Ecr-Ni=200GPa Poisson Oranları ncu =0.29, nAl =0.28, ncr-Ni = 0.3

19. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 7- Analiz Programında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar ve Analizlerin Yapılması -Modelleme yapılan eleman tipinin axismetric özelliği olmalıdır. Programda bu tercih edilmesi istenebilir. Örneğin Ansys’te plane 82 elemanının Real-Constant özelliklerinde axisymetric tercihi yapılır. Tüm malzeme özelliklerinin, referans sıcaklığının, ortam sıcaklıklarının girilmesi gerekir. Birimlerin birbirleriyle uyumlu olmasına dikkat edilmelidir. -Analize başlamadan Steady-State analiz tipinin tercih edilmesi gerekir. Karar verilen inceleme şeklini hatırlayalım: Tencere içinde kalan 2 nolu katman 2mm kalınlığında CrNi alaşımından seçilebilir. 1 nolu alttaki dış katman ise 5 farklı kalınlıkta (2,4,6,8,10mm) ve 2 farklı malzemeden (Cu veya Al) seçilebilir. Bu alternatiflere uygun 5*2=10 farklı analiz yapılıp birbirleriyle karşılaştırılacaktır. Kararlı rejim halinde iken, tencerenin içinde kaynayan su bulunduğunu düşüneceğiz. Bu malzeme özellikleri, sınır şartları ve yükleme, kurulan 10 farklı modele uygulanarak steady – state analizleri yapılır.

20. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 8-Sonuçlar ve Değerlendirme Tencere iç tabanında sıcaklık dağılımı

21. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 8-Sonuçlar ve Değerlendirme

22. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 8-Sonuçlar ve Değerlendirme Soru-1: Sonuçlar Mantıklı mı? Cevap: Sıcaklık dağılımları açısından düşündüğümüzde; - Maksimum sıcaklıkların ısıtma bölgesinde çıkması, -Isıtma bölgesinden en uzak kısımlarda sıcaklıkların daha az olması, -Kalınlık arttıkça tencere iç yüzeyindeki sıcaklıkların azalması mantıklıdır. Diğer:? -Gerilme Dağılımı açısından düşündüğümüzde, -Gerilmelerin arayüzeyde daha fazla çıkması mantıklıdır. Diğer:?

23. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 8-Sonuçlar ve Değerlendirme Soru 2- Sonuçların gerçeğe yakınlığını nasıl destekleyebilirim? 1-Deneysel Ölçümlerle destekleme a-Tencere tabanının farklı yerlerinden ölçülecek sıcaklık değerlerini analizlerdeki değerlerle karşılaştırabiliriz. Soru:Teorik hesaplamalarla bulunan taşınım katsayılarının gerçeğe daha fazla yakınlaştırmak için nasıl bir yöntem izlenebilir? Cevap: Tencerenin belirli noktalarından sıcaklık ölçümleri alınır. Analizlerde aynı noktanın sıcaklığı ile karşılaştırılır. Deneysel ve Analiz değerleri birbirlerini tutana kadar taşınım katsayılarında düzeltmeler yapılır. Böylece sıcaklık dağılımı açısından gerçeğe en yakın sonuçlar elde edilir. Hatta bu ölçümler malzemelerin ısıl özelliklerinde olabilecek hataları bile elimine eder. Zira bu özellikleri girmemizin amacı sıcaklık dağılımının elde edilmesidir. b-Alt Tabanın farklı noktalarına yerleştirilecek sıcaklığa dayanıklı, strain-gage ler (birim uzama ölçerler) kullanılarak gerilmeler hesaplanabilir ve analizlerdeki sonuçlarla karşılaştırılabilir. 2-Diğer destekleme yöntemleri ?

24. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 8-Sonuçlar ve Değerlendirme Sonuçların Yorumlanması -10 mm taban kalınlıklı Al/CrNi katmanlı yapısı kullanılarak elde edilen yüzey sıcaklık dağılımlarına bakıldığında en üst ve en alt sıcaklık değerleri 293°C ve 115°C ve bunlar arasındaki fark 178°C iken, Cu/CrNi katmanlı yapısı kullanılarak elde edilen yüzey sıcaklık dağılımlarına bakıldığında en üst ve en alt sıcaklık değerleri 314°C ve 156°C ve bunlar arasındaki fark 158°C çıkmaktadır. Bu durumda Cu/CrNi, Al/CrNi göre hem sıcaklık sapması açısından daha düşük bir değer gösterirken hem de ortalama sıcaklığı yaklaşık 30°C yukarı çekmektedir. -Gerilme Dağılımı açısından incelendiğin de en düşük gerilmelerin yine 10mm taban kalınlığında ve Cu/CrNi sisteminde çıktığı gözlenmektedir.

25. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 9- Çözüm Geliştirme Yapılan çalışma ile birlikte tencerelerin taban atma problemine çözüm önerileri de sunulmuş olmaktadır. Diğer?

26. ÇELİK TENCERE TABANI DİZAYNI 10-YARGILAR, BİLİM ve UYGULAMAYA KATKILAR Sonuç olarak; 10 mm tabanlı, Cu/CrNi katmanlı yapısı; 􀀹 gerilme değerleri açısından en küçük gerilme değerlerini vermekte, 􀀹 düşük gerilme değerlerinden dolayı en düşük şekil değişimine maruz kalmakta, 􀀹 yüzey sıcaklık dağılımı olarak en düşük gradyenti vermekte 􀀹 ve son olarak en yüksek ortalama sıcaklığı sağlamaktadır. 1-Bu durumda, alüminyum taban yerine bakır taban kullanılması daha avantajlı gözükmektedir. 2-Taban kalınlığının artması istenen durumları sağlamasına rağmen maliyeti arttıracaktır. Maliyet faktörü de göz önünde bulundurularak optimizasyon çalışması yapılabilir. Diğer?