Kompozit yapı malzemelerinde ısıl özellik ölçümü / Thermal property measurement in composite construction materials

Abstract

Bu tez çalışmasında, kompozit yapı elemanlarının ısıl özelliklerinin belirlenmesine yönelik çok aşamalı bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Birinci aşamada, ileri mühendislik malzemelerinin ısıl özellik ölçümünde kullanılan yaygın teknikler ile ilgili bir irdeleme yapılmıştır. Bu kapsamda; önce sürekli rejim teknikleri, daha sonra ise geçici rejim teknikleri olmak üzere, mevcut ısıl test yöntemleri detaylı olarak araştırılmıştır. Sürekli rejim teknikleri kapsamında yoğun olarak kullanılan yöntemlerin; sıcak levha tekniği, ısı akışı ölçme tekniği ve ısıl kutu yöntemi olduğu tespit edilmiştir. Bu kapsamda kullanılan bazı diğer tekniklerin ise, standartlaşamamaları sebebi ile yaygın kullanılmadığı gözlemlenmiştir. Geçici rejim teknikleri kapsamında kullanılan yöntemlerden en uygunun `temas elemanlı' ısıl test teknikleri olduğu tespiti yapılmıştır. Temassız ısıl test tekniklerinin, yüksek maliyet gerektirmeleri ve kompozit yapı malzemeleri gibi düşük ısı iletkenlik katsayısına sahip ortamlarda düşük doğruluk derecesine sahip olmaları nedeniyle, kullanımlarının uygun olamayacağı kanaatine varılmıştır. Tez çalışmasının bir sonraki aşamasında; adyabatik hazne tekniği olarak bilinen bir teknik kullanılarak çok sayıda deney gerçekleştirilmiştir. Bu deneyler süresince, adyabatik kutu tekniği ile ölçüm sırasında etkili parametreler araştırılmıştır. Söz konusu teknik ile split klimalı soğuk oda deneyleri kapsamında; (i) soğuk oda içi sıcaklık dağılımı belirlenmiş, (ii) yüksek yoğunluklu polisitren köpük (XPS) ve tahta malzemenin ısıl geçirgenlikleri kıyaslanmış, (iii) hurda lastik katılmış betonlarda test numunesi kenarının yalıtılarak, ısıl geçirgenlik deneylerinin yapılmıştır. Evaporatörlü soğuk oda deneyleri kapsamında ise; (i) şerit tipi hurda lastik katılmış test numunelerinin farklı bölgelerindeki sıcaklıklar ve ısıl köprüler araştırılmış, (ii) küçük boyutlarda test numunesi ve adyabatik kutu kullanılarak bölgesel urfa taşı malzemesinin ısıl geçirgenlik deneyleri belirlenmiştir. Deneylerde elde edilen grafikler beraber incelendiğinde; numunelerin her iki odadaki ısı transfer davranışları aynı gözükmektedir. Bu gözlem, adyabatik hazne duvarlarından farklı sıcaklıklardaki bu odalara kaybedilen ısı miktarının test doğruluğunu etkilemeyecek düzeyde olduğunu göstermektedir. Bu tez çalışmasının son aşamasında ise, küçük boyutlu yapı malzemelerinin ısıl testine yönelik, farklı düzenekler oluşturulmuştur. Bu kapsamda yeni bir teknik olarak uygulanan, buz kütleli soğuk plaka tekniği ile, küçük boyutlu çok sayıda test numunesinin ısıl testi aynı anda ve kısa sürede gerçekleştirilmiştir. Belirtilen teknik uygulanarak, numunelerin ısıl geçirgenlik değerleri kıyaslanmış ve niteliksel olarak doğru sonuca ulaşılmıştır. In this thesis, a multi-step research methodology is followed towards determination of thermal properties of composite construction materials. In the first step, common thermal testing methods used for advanced engineering materials are briefly reviewed. Under this heading, first steady state and then transient thermal testing techniques, which presently exist, are examined in detail. It is determined that most commonly used steady-state measurement techniques are hot plate, heat-flow meter and hot-box techniques. Some other techniques under this heading are not widely used because of their non-standardization. Contact transient methods are observed to be most appropriate ones under transient or dynamic measurements heading. Non-contact or optical transient techniques are relatively more expensive and less accurate in testing of composite construction materials having low thermal conductivity; thus, their uses are not suitable for this purpose. In next step of this thesis study, comprehensive thermal test experiments are performed by using a ready technique, known as the adiabatic box technique. During these experiments, effective parameters in measurements by this technique are investigated and necessary conditions to improve accuracy of the technique are determined. Cold room experiments using split airconditioner include; (i) determination of interior temperature distributions of the room, (ii) comparison of thermal transmittances of high density polystrene foam (XPS) and wood materials, and (iii) thermal transmittance measurement of scrap-tire added concrete samples with side-insulation. Cold room experiments using evaporator include; (i) investigation of local temperatures and heat-bridges in different regions of test samples, in which with scrap tire pieces in strip-form are added, and (ii) thermal transmittance measurements of smaller test samples made from regional `Urfa Stone? material by using an adiabatic-box. It is observed from all plots that heat transfer behaviors of test samples in these two cold rooms are quite similar. These observations imply that heat losses from walls of the adiabatic box do not significantly alter test accuracy. In the final step of present thesis, various apparatuses are developed for thermal testing of construction materials in smaller sizes. Simultaneous thermal testing of several test samples is accomplished in short time with a new technique of cold plate sitting on large ice mass. Comparative thermal test results obtained from this technique are found to be qualitatively accurate.