Vakumlu küresel seramiklerin deneysel ve teorik olarak incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of hollow spherical ceramics
Yazar: ÜMİT KESKİN
Danışman: PROF.DR. ÖMER ERCAN ATAER
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Isı yalıtımında kullanılan vakumlu küresel seramiklerin ısı iletim katsayılarıdüşüktür. Yüksek sıcaklıklara ve yüksek basınçlara dayanıklıdırlar. Buçalışmada, içi vakumlu küresel seramiklerin konutlardaki enerji kazanımınaetkisi belirlenmiştir. Bu amaçla 1mx1mx1m boyutlarında üç kapalı ortamtasarlanmıştır. İçi vakumlu seramikler farklı boyalar ile ağırlıkça %18oranında karıştırılmış ve oluşturulan üç kapalı ortamdan birisinin iç ve dışyüzeylerine uygulanmıştır. Diğer iki ortamdan birisi plastik boya ve diğeri 3 cmkalınlığında haddelenmiş polistiren ile yalıtılmıştır. Kapalı ortamların iç ve dışyüzeyleri ile iç ve dış ortamına ısıl-çiftler yerleştirilmiştir. Kapalı ortamların içortam sıcaklıkları termostatlar ile sabit tutulmuştur. Üç kapalı ortamın içortam sıcaklıkları 28 oC, 30 oC ve 40 oC iken tükettikleri elektrik enerjilerisırasıyla bu sıcaklıklarda yapılan üç deney ile belirlenmiştir. Diğer taraftan, ısılçiftlerile ölçülen analog sıcaklık verileri, analog verileri dijitale dönüştüren birdonanım ile bilgisayar ortamına aktarılmıştır. Deneyler sonucunda elde edilenveriler tablolar ve grafikler haline dönüştürülerek tartışılmıştır. Vakumluküresel seramiklerin üretimi için deneysel bir çalışma önerilmiştir. Önerilençalışmada, küresel seramiklerin üretiminin RF (Radio Frequency) indüktifbağlaşımlı ısıl plazma (ICTP, Inductively Coupled Thermal Plasma) sistemi ileyapılabileceği açıklanmıştır. İndüktif bağlaşımlı plazma sistemleri; genişhacimleri, yüksek saflıkları, eksenel toz besleme özellikleri ve tozlarınvreaktördeki plazma jeti içerisinde daha uzun süre kalmaları açısından tozlarınküreselleştirilmesi işlemi için uygundurlar. Plazma jeti içerisinde tozlarıneritilmesi ve reaktör içerisindeki serbest düşüşleri, indüktif bağlaşımlı ısılplazma sistemi ile küresel seramiklerin üretiminin temelini oluşturur. İndüktifbağlaşımlı ısıl plazma sisteminin birimleri olan toz besleme birimi, torç, reaktör,siklon, toz filtresi ve gaz çıkışı birimleri açıklanmıştır. Deneysel çalışmadakullanılacak olan plazma gazı ve tozlar belirtilmiştir. İndüktif bağlaşımlı ısılplazma sisteminin çalışma prensibi ile ilgili gaz debisi, toz hızı, reaktör çapı veplazma sisteminin çekeceği güç gibi parametrelerin yanı sıra RF elektrik akımüretici ve diğer cihazlar açıklanmıştır. Gazi Üniversitesi, Mühendislik-MimarlıkFakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Metroloji Laboratuvarı'nda gazatomizasyon yöntemi ile kalay tozları üretilmiştir. Bu çalışma gelecekte indüktifbağlaşımlı ısıl plazma sistemi ile yapılması düşünülen deneysel çalışmalara önhazırlık olarak gerçekleştirilmiştir. Tozların ısıl plazma sistemindeküreselleştirilmesi konusunda bir teorik çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada,doğrusal (linear) olmayan momentum ve enerji denklemleri sayısal olarakFORTRAN dilinde hazırlanan bir bilgisayar programı ile çözülmüştür.Analizde, plazma gazının sıcaklık ile hızının, lüle çapının, tanecik boyutunun,taneciğin başlangıç sıcaklığı ile hızının ve plazma gazının hacimsel debisinintanecik sıcaklığı ve hızı üzerine etkisi incelenmiştir. Beşinci dereceden Runge-Kutta yöntemi kullanılarak elde edilen sonuçlar grafikler halinde verilmiştir.Anahtar Kelimeler : İçi boş, Seramik, ICTP

Abstract:
The hollow spherical ceramics used as heat insulation materials have lowthermal conductivities. They withstand high temperature and pressure. In thisstudy, the effect of energy gain of hollow spherical ceramics in houses wasdetermined. For this purpose, three closed systems which have 1mx1mx1mdimensions were built. The hollow spherical ceramics were mixed with differentpaints at a rate of 18 percent by mass and were applied to the inner and outersurfaces of the one of these closed volumes. The plastic paint was applied to theone of the other two closed volumes and the other was insulated with anextruded polystyrene material which has a 3 cm thickness. Thermo-coupleswere set to the inner and outer surfaces of the closed volumes along with insideand outside the system. Thermostats were used to maintain the temperature ofthe media inside of them at a constant temperature. While the temperaturesinside them were at 28 oC, 30 oC ve 40 oC, consumed electric energy by theseclosed volumes was determined through the experiments made for thesetemperatures respectively. On the other hand, measured analog temperaturevalues with thermocouples were transferred to the computer via a hardwareequipment in which gathered analog data is formed into digital data. Differenttables and diagrams were made from the data obtained through experimentsand they were discussed as a result. An experimental study was proposed for theproduction of hollow spherical ceramics. It was explained that RF (RadioviiFrequency) inductively coupled thermal plasma (ICTP) system may be used inthe experimental study for the production of hollow spherical ceramics.Inductively coupled plasma systems are appropriate equipments for thespheroidization processes of powder materials because they have large volumes,high purities, and axial powder injection properties. Especially the longresidence times of powders inside the plasma in the reactor are anotheradvantage of ICTPs. The fundamentals of the production of spherical ceramicsvia inductively coupled thermal plasma systems include melting process ofpowders in the plasma jet and free falling of them through the reactor. Theunits of the RF-ICTP system such as powder injection unit, torch, reactor,cyclone, powder filter and gas exit units were described. The plasma gas and thepowder material planned to use in the experimental study were explained.System parameters of the RF-ICTP such as gas flow rate, powder flow rate,reactor diameter, power supplied to the plasma system together with RF eletriccurrent generator and the other agents were clarified. Tin powder wasproduced using gas atomization method in Metrology Laboratory of MechanicalEngineering Department, Engineering and Arhitecture Faculty, GaziUniversity. This experimental study was made as a groundwork of the plannedstudy by an inductively coupled thermal plasma system. A theoretical study wasmade on spheroidization of powders via thermal plasma systems. In this study,nonlinear momentum and energy equations were numerically solved through acomputer code written in FORTRAN. The effects of plasma gas temperatureand velocity, nozzle and particle diameter, initial particle temperature andvelocity, and the volume flow rate of plasma gas on particle temperature andvelocity were investigated in the analysis. The results obtained via the fifthorder Runge-Kutta method were given as diagrams.Key Words : Hollow, Ceramic, ICTP