Design and Fabrication of Thermal Conductivity Coefficient Measurement Device Working with Fourier’s Law

Year 2024, Volume: 24 Issue: 3, 716 - 725, 27.06.2024

Umut Melikoğlu , Bahri Damar , Mustafa Mutlubaş , Osman Yeler

https://doi.org/10.35414/akufemubid.1374827

Abstract

From past to present, humanity has used thermal conductive heat transfer method in all their daily needs, ranging from freezing food to heating during winter. The most important parameter of the heat transfer by conduction is determination of the thermal conductivity coefficient of materials. In this study, a low-budget thermal conductivity coefficient measurement device that can measure the thermal conductivity coefficient of bulk materials by means of Fourier's Law under steady-state conditions using absolute technical method in laboratory environment has been improved and fabricated. With a one-dimensional heat flow mechanism, heat conduction coefficient values of copper, brass and aluminum materials were determined experimentally, and calculated values were compared with existing values in the literature. The uncertainty analysis in measurement values of the fabricated device was calculated as 2.87%. According to the experimental results, it was determined that values calculated from fabricated device are in good agreement with literature values (copper and brass samples are in full compliance, but there is a 12% difference in aluminum sample). On the other hand, while accuracy professional thermal conductivity coefficient measurement devices used in laboratories is generally around 5%, accuracy of the developed low-budget device has been determined to be between 0.1-12%. It can be stated here that performance of the device developed is acceptable level compared to professional devices with high budgets. Also, in this study, preliminary research results of the low-budget device are shared, and additional improvements that need to be made in the fabricated device to increase the performance and to improve its shortcomings are also presented.

Keywords

Heat transfer, Thermal conductivity coefficient measuring device, Fourier's law, Absolute technique

Fourier Kanunuyla Çalışan Isı İletim Katsayısı Ölçüm Cihazı Tasarımı ve Üretimi

Abstract

Geçmişten günümüze insanlar, gıdalarını dondurmaktan kışın ısınmaya kadar her türlü günlük ihtiyaçlarında iletimle olan ısı transferi yöntemini kullanmışlardır. İletimle olan ısı transferinin en önemli parametresi, malzemelerin ısı iletim katsayısının belirlenmesidir. Bu çalışmada, yığın malzemelerin ısı iletim katsayısını kararlı rejim koşulları altında Fourier yasası yardımıyla laboratuvar ortamında mutlak teknik yöntemiyle ölçebilen düşük bütçeli bir ısı iletim katsayısı ölçüm cihazı geliştirilmiştir ve üretilmiştir. Bu kapsamda, geliştirilen tek boyutlu bir ısı akışı düzeneği ile; bakır, pirinç ve alüminyum malzemelerinin ısı iletim katsayısı değerleri deneysel olarak belirlenmiştir ve hesaplanan değerler, literatürdeki mevcut değerlerle karşılaştırılmıştır. Üretilen cihazın ölçüm değerlerindeki belirsizlik analizi %2,87 olarak hesaplanmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlara göre, üretilen cihazdan hesaplanan değerler ile literatür değerler arasında genel olarak uyum içinde olduğu (bakır ve pirinç numune de tam olarak uyum sağlanmış olup, alüminyum numunede %12’lik bir fark söz konusudur) tespit edilmiştir. Bununla birlikte laboratuvarlarda kullanılan profesyonel ısı iletim katsayısı ölçüm cihazlarının doğruluğu genellikle %5 civarında iken, geliştirilen düşük bütçeli cihazın doğruluğu %0,1-12 arasında olduğu belirlenmiştir. Buradan geliştirilen cihazın performansı, yüksek bütçeye sahip profesyonel cihazlara göre kabul edilebilir seviyede olduğu ifade edilebilmektedir. Ayrıca bu çalışmada, geliştirilmek istenen düşük bütçeli cihazın ön araştırma sonuçları paylaşılmış olup, tasarlanan cihazın performansının artırılması ve eksik yönlerinin geliştirilmesi için tasarlanan cihazda yapılması gereken ilave iyileştirmeler maddeler halinde de sunulmuştur.

Keywords

Isı transferi, Isı iletim katsayısı ölçüm cihazı, Fourier kanunu, Mutlak teknik

References

• Atmaca H. M., 1992. Yalıtım Malzemelerinin Isı İletim Katsayılarının Ölçülmesi. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana, 106.
• Cahill G. D., 1990. Thermal Conductivity Measurement From 30 to 750 K: the 3omega Method. Rev. Sci. instrum., 61, 2, 802-808. https://doi.org/10.1063/1.1141498
• Chung D. L., 2001. Applied Materials Science Applications of Engineering Materials in Structural, Electronics, Thermal, and Other Industries. CRC Press, Boca Raton London New York Washington, D.C. https://doi.org/10.1201/9781420040975
• Çengel Y. A., 2012. Isı ve Kütle Transferi-Pratik Bir yaklaşım. Vedat Tanyıldızı-İhsan Dağtekin (çeviri editörü), İzmir Güven Kitapevi, 1-39.
• Franco A., 2007. An Apparatus For the Routine Measurement of Thermal Conductivity of Materials for Building Application Based on a Transient Hot-wire Method. Applied Thermal Engineering, 27, 2495- 2504. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2007.02.08
• Halıcı, F. ve Gündüz, M., 2013. Örneklerle Isı Geçişi-Isı Transferi. Birsen yayınevi, 546-559.
• Isıker Y. ve Yeşilata B., 2017. Yapı Malzemelerinin Isı İletim Katsayılarının Tespitine Yönelik Yeni Bir Yöntem Geliştirilmesi. Harran Üniversitesi Mühendislik Dergisi, 2(1), 14-21.
• Kayfeci M. ve Kurt H., 2007. Sıvılar İçin Isı İletim Katsayısı Ölçüm Cihazının Tasarımı, İmali ve Test Edilmesi. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 22(4), 907-915.
• Muhammad U. K. and Umar. S., 2013. Experimental Performance Investigations and Evaluation of Base Metals Thermocouples. International Journal of Modern Applied Physics, 3(1), 26-37.
• Turgut A., Tavman İ. ve Tavman S., 2009. Measurement of Thermal Conductivity of Edible Oils Using Transient Hot Wire Method. International Journal of Food Properties, 12:4, 741-747. https://doi.org/10.1080/10942910802023242
• Yüksel N., 2010. Gözenekli Yapılarda Yapı ve İşletme Parametrelerinin Isı İletim Katsayısına Etkisinin İncelenmesi. Doktora Tezi, Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa, 257.
• Zhao D., Qian X., Gu X., Jajja S. A. and Yang R., 2016. Measurement Techniques for Thermal Conductivity and Interfacial Thermal Conductance of Bulk and Thin Film Materials. Department of Mechanical Engineering, University of Colorado, Boulder, CO 80309-0427, 1-64. https://doi.org/10.1115/1.4034605
• C-Therm TCi, Simplifying Thermal Conductivity (k), https://www.prager-elektronik.at/wp-content/uploads/2017/01/katalog_kategorie_thermische-analyse_analyse_waermeleitfaehigkeit-c-therm-tci.pdf, (04.02.2024).
• Deneysan, 2015, Ht-350 Termal İletkenlik Eğitim Seti Deney Föyleri, https://static.ohu.edu.tr/uniweb/media/portallar/makinemuhendisligi/duyurular/11718/0qx2eq3y.pdf, (04.02.2024).
• Kyoto QTM710, https://www.kutaygroup.com/tr/kyoto-kem-qtm-710-isil-iletkenlik-olcum-cihazi, (04.02.2024).