Yüksek sıcaklıklı sinterleme fırınında iç geometri tasarımının sıcaklık dağılımına etkisinin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the effect of inner geometry design on temperature distribution in high temperature sintering furnace
- Tez No: 921983
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM UZUN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Kırıkkale Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Termodinamik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Sinterleme fırınları, yüksek sıcaklıklarda toz halindeki malzemelerin, daha üstün mekanik ve fiziksel özellikler kazanarak katı bir yapıya dönüştürüldüğü endüstriyel sistemlerdir. Bu fırınlar, metalurji, seramik ve ileri teknoloji malzemelerinin üretim süreçlerinde kritik bir role sahiptir. Yüksek sıcaklıklarda çalışan sinterleme fırınlarının sayısal analizleri, son yıllarda araştırma ve geliştirme faaliyetlerinde yaygın bir şekilde kullanılmaya başlanmıştır. Literatürde bu fırınlar üzerine yapılan çalışmalar genellikle numune konumu, sayısı, ısıtıcıların yerleşimi ve fırın içi akış gibi başlıklar altında toplanmaktadır. Bu tip fırınlarda, birleşik ısı transferi mekanizmalarının etkili olduğu bilinmektedir; ancak en baskın ısı transferi mekanizması radyasyonla gerçekleşmektedir. Fırın içindeki sıcaklık dağılımı ise, büyük ölçüde iç hacimde gerçekleşen radyasyon ile ilişkilidir. Bu çalışma, sinterleme fırını içindeki radyasyonla ısı transferine odaklanmakta ve radyasyonun sıcaklık dağılımı ile numuneler üzerindeki etkisini incelemektedir. Isıtıcılardan yayılan radyasyon enerjisinin, fırının iç hacmine olabildiğince homojen bir şekilde dağılması arzu edilmektedir. Ancak, fırının hacmi büyüdükçe ve sıcaklık artış hızı yükseldikçe, sıcaklık homojenliği sağlamak daha zor hale gelmektedir. Deneysel çalışma, 450x610x700 mm boyutlarında, maksimum 1700˚C sıcaklığa ulaşabilen bir fırında gerçekleştirilmiştir. Boyutları bu fırınla benzer olan uygulamalarda raf sistemleri genellikle kullanılmamaktadır. Numuneler, geometrisine göre potalar veya tabaklarla yerleştirilirken, düzgün geometrilerde zemine sıralı bir düzen içinde dizilirler. Büyük hacimli fırınlarda, genellikle çok katlı dar raflar üzerine iv yüklenerek yerleştirilmektedir. Bu çalışma, belirtilen boyutlardaki sinterleme fırınlarında, ısıtıcılardan yayılan radyasyonun sonuçlarını incelemektedir. Elde edilen bulgular doğrultusunda, hem numunelere ısı kalkanı görevi gören hem de üç katlı bir raf sistemi tasarlanmıştır. Bu tasarımda, birinci kat, fırın içerisine giriş yapan akışın en fazla etkili olduğu bölge olarak tanımlanmıştır. İkinci kat ise hem akış hem de radyasyon etkisinin daha düşük olduğu bir alan olarak belirlenmiştir. Üçüncü kat ise, boş fırın tasarımına benzetilerek radyasyona doğrudan maruz kalan bölge olarak nitelendirilmiştir. Bu tasarıma ait deneysel ve sayısal sonuçlar elde edilmiştir. Çalışmada, katı modeli oluşturulan fırının sayısal analizleri Ansys Fluent yazılımında gerçekleştirilmiştir. Analizlerde her bir raf üzerindeki belirlenen noktalardan sıcaklık değerleri alınarak grafikler oluşturulmuştur. Uygulamada kullanıldığı hali olan iç hacmi boş fırın içerisinde, ısıtıcıların sıcaklık değişimlerinin ölçüm noktalarındaki anlık sıcaklık artışlarına olan etkisi yüksek bulunmuştur. Raflı sistemde ise katlar arasındaki sıcaklık farkları, deneysel olarak birinci ve üçüncü kat arasında 165˚C, sayısal olarak ise 195˚C olarak elde edilmiştir. Bu sıcaklık farklarının, yüksek teknolojik ürünlerin işlem gördüğü bu tür fırınlarda, nihai ürünün iç yapısında ciddi farklılıklara neden olacağı öngörülmektedir. Sonuç olarak, en uygun tasarımın ışınım etkisine doğrudan maruz kalmayan ikinci kat olan ara kat olduğu ve bu katın sıcaklık dağılımının diğer katlara göre daha düzgün dağılımlı olduğu sonucuna varılmıştır. Çalışmada ayrıca, tek noktalı gaz akışının olumsuz yönleri, vektörel hız grafikleri ile gösterilmiştir. Bu çalışma, ideal bir iç raf tasarımı için örnek bir model sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Sintering furnaces are industrial systems used to transform powdered materials into solid structures with superior mechanical and physical properties under high temperatures. These furnaces play a crucial role in the production processes of metallurgy, ceramics, and advanced technological materials. In recent years, numerical analyses of sintering furnaces operating at high temperatures have become increasingly common in research and development activities. Studies in the literature on these furnaces are generally focused on aspects such as sample positioning, quantity, heater placement, and internal furnace flow dynamics. It is known that combined heat transfer mechanisms are effective in these types of furnaces; however, the dominant heat transfer mechanism is radiation. The temperature distribution inside the furnace is largely associated with the radiation occurring within the internal volume. This study focuses on heat transfer via radiation within the sintering furnace and examines the effects of radiation on temperature distribution and samples. It is desired that the radiation energy emitted from the heaters is distributed as homogeneously as possible throughout the furnace's internal volume. However, as the furnace size increases and the rate of temperature rise accelerates, achieving temperature homogeneity becomes more challenging. The study was conducted on a furnace with dimensions of 450x610x700 mm, capable of reaching a maximum temperature of 1700˚C. In applications with furnaces of similar size, shelf systems are generally not used. Depending on the geometry of the samples, they are loaded using crucibles or vi trays, or they are arranged in a sequential order directly on the floor if the geometry permits. In larger volume furnaces, samples are typically loaded on narrow, multi-layered shelves. This study examines the results of radiation emitted from the heaters in the described sintering furnace. Based on the findings, geometry was designed to act as both a heat shield for the samples and a three-layered shelf system. In this design, the first layer was identified as the region where the flow entering the furnace had the highest impact. The second layer was determined to be an area with lower flow and radiation effects, while the third layer was characterized as being similar to the design of an empty furnace, directly exposed to radiation. Experimental and numerical results for this design were also obtained. In this study, the numerical analyses of the furnace, whose solid model was created, were carried out using Ansys Fluent software. In the analyses, temperature readings were taken at specific points on each shelf, and graphs were generated. It was observed that in the furnace with an empty internal volume, as used in the application, the instantaneous effects of temperature changes in the heaters on the measurement points were significant. In the shelf system, the temperature differences between the layers were experimentally found to be 165˚C between the first and third layers, while numerically, this difference was obtained as 195˚C. These temperature differences are expected to cause significant internal structural differences in the final products processed in such furnaces, especially for high-tech materials. Ultimately, it was concluded that the most suitable design emerged on the second layer, where the temperature curve was more linear compared to other layers. The study also demonstrated the disadvantages of single-point gas flow through vector velocity graphs. This work presents an exemplary model for an ideal internal shelf design.
Benzer Tezler
- IV B grubundan zirkonyum ve V B grubundan niyobyumun CVD yöntemiyle serbest partiküllü borürlere dönüştürülmesi ve sinter özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of group IV B zirconium and group V B niobium diborides via CVD process as free particles and evaluation of sintering properties
MELTEM BOLLUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL DUMAN
- Kapiler seramik filtre üretim tekniklerinin araştırılması
Investigation of the fabrication processes of capillary ceramic filters
CEM ÖZGÜR
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Seramik MühendisliğiDumlupınar ÜniversitesiSeramik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OSMAN ŞAN
- Alüminyum metal köpüklerinin difüzyon kaynağı (TLP) davranışının incelenmesi
The investigation of diffusion bonding behaviour of aluminium metal foams
SEDA BİLHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Metalurji MühendisliğiFırat ÜniversitesiMetalurji Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SERMİN OZAN
- Piezomimetic ceramic production for bone biomaterial development
Kemik biyomalzemeleri geliştirme amaçlı piezomimetik seramik üretimi
AYBÜKE ÜRETMEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULHALİM KILIÇ
- Çok doymamış yağ asitleri bakımından zengin alg ilave edilen yemlerin levrek (Dicentrarchus albrax L., 1758)'de büyüme performansı ve vücut komposizyonuna etkisi
Effects of pufa (Polyunsaturated fatty acids) enriched algae added diets on growth and body composition of sea bass (Dicentrarchus labrax L., 1758)
KAMİL MERT ERYALÇIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Su Ürünleriİstanbul ÜniversitesiSu Ürünleri Yetiştiriciliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDAL ŞENER