Isıl Engelleyici Kaplamaların Etkin Isı İletim Katsayısının Teorik Olarak Belirlenmesi

Yıl 2009, Cilt: 22 Sayı: 2, 139 - 152, 31.12.2009

Özge Altun , Erhan Böke

Öz

Isı geçiş problemlerinde ısı iletim katsayısı önemli rol oynamaktadır. Heterojen veya kompozit malzemelerin etkin ısı iletim katsayısının modellenmesi, ısı transfer uygulamalarında ilgi duyulan bir alandır. Literatürde etkin ısı iletim katsayısının modellenmesi için geliştirilen çok sayıda eşitlik bulunmaktadır. Isıl engelleyici kaplamalarının ısıl özellikleri, kaplama malzemesinin ısıl özelliklerine, kullanılan kaplama tekniğine ve işlem parametrelerine bağlı olarak değişmektedir. Bu faktörler kaplama içinde bulunan gözeneklerin şeklini ve yönünü etkilemektedir. Bu çalışmada ısıl engelleyici kaplamalarda ısı iletim katsayısı literatürde yer alan farklı analitik ifadeler kullanılarak tayin edilmiştir. Hesaplanan etkin ısı iletim katsayısı değerleri, literatürden elde edilen deneysel sonuçlar ve CFD (Computational Fluid Dynamics) analizi ile hesaplanan değerlerle karşılaştırılmıştır. Ayrıca % 12 gözeneklilik için CFD analizi ile hesaplanan etkin ısı iletim katsayısı değerleri, literatürde aynı gözeneklilik oranı için lazer-flaş yöntemi ile elde edilmiş deneysel sonuçlar ile kıyaslanmıştır. Deneysel sonuçlar ile CFD analizi ile elde edilen sonuçlar arasında yaklaşık % 17 oranında bir sapma olduğu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Isı iletim katsayısı, gözeneklilik, analitik modeller, ısı engelleyici kaplama.

Determination Of Effective Thermal Conduciıvity Of Thermal Barrier Coatings By Analytical Method

Öz

Thermal conductivity plays a significant role in the heat transfer problems. Modeling of

effective thermal conductivity of heterogeneous or composite materials is sensory areas of interest. There

are a lot of developed expressions for modeling of thermal conductivity in the literature. Thermal

characteristics of thermal barrier coatings (TBCs) are vary depending on the thermal characteristic of

coating materials, coating technique and process parameters. These factors affect the pore shapes and

directions. In this study, thermal conductivity of TBCs have been obtained by using different analytical

expressions given in the literature. Effective thermal conductivity values obtained from analytical

expressions have been compared to experimental thermal conductivity data given in the literature and the

results of Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis. However, effective thermal conductivity values

calculated by CFD analysis have been compared to experimental laser-flash method results given in

literature for 12% porosity. 17% of deviation have been determined between the experimental and CFD

analysis results.

Anahtar Kelimeler

Thermal conductivity, porosity, analytical method.

Kaynakça

• [1] H.Yüncü, S. Kakaç, “Temel Isı Transferi”, Bilim Yayıncılık, 1999.
• [2] P.G. Klemens, “Thermal Conductivity of Inhomogeneous Media”, High Temperatures – High Pressures, Vol.3, pp.241-248 1991.
• [3] J.C. Maxwell, “A Treatise on Electricity and Magnetism”, 3d Edn., Clarendon Pres, Oxford, vol. 1, 1892.
• [4] S. Grangjean, J. Absi, D.S. Smith, “Numerical Calculation of The Thermal Conductivity of Porous Ceramics Based on Micrographs”, Journal of The European Ceramic Society, Vol.26, pp.2669-2676, 2006.
• [5] B. Nait-Ali, K. Haberko, H. Vesteghem, J. Absi, D.S. Smith, “Thermal Conductivity of highly porous zirconia”, Journal of the European Ceramic Society, Vol.26, pp.3567-3574, 2006.
• [6] R. Landauer, “The Electrical Resistance of Binary Metallic Mixtures”, J. Appl. Phys. Vol. 21, 779-784, 1952.
• [7] A. Bjorneklett, L. Haukeland, J. Wigren, and H. Kristiansen, “Effective Medium Theory And The Thermal Conductivity of Plasma-Sprayed Ceramic Coatings”, Journal of Material Science, Vol.29, pp.4043-4050, 1994.
• [8] P.G. Collishaw, J.R.G. Evans, “An assessment of expressions for the apparent thermal conductivity of cellur materials”, Journal of Material Science, Vol.29, pp.2261-2273, 1994.
• [9] X. Fu, R. Viskanta, and J.P. Gore, “Prediction of Effective Thermal Conductivity of Cellular Ceramics”, Int. Comm. Heat Mass Transfer, Vol.25, No.2, pp.151-160, 1998.
• [10] K.J. Singh, R. Singh, and D.R. Chaudhary, “Heat Conduction and a Porosity Correction Term for Spherical and Cubic Particles in a Simple Cubic Packing”, J.Phys.D. Applied Physics, Vol.31, pp.1681-1687, 1998.
• [11] P.K. Samantray, P. Karthikeyan, K.S. Reddy, “Estimating Effective Thermal Conductivity of Two-Phase Materials”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.49, pp.4209-4219, 2006.
• [12] A. Öztürk, H. Yavuz, “Uygulamalarla Isı Geçişi”, Çağlayan Yayınevi, 1995.
• [13] M. Kaviany, “Heat Transfer in Porous Media”, Third Edition Handbook of Heat Transfer, McGraw-Hill, 1998.
• [14] D.W. Richerson, “Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing and Use in the Design”, 2nd Edn., CRC Press, 1992.
• [15] M.S.S. Baysal, “Silindirik Elyaf ve Tanecik Katkılı Karma Malzemelerin Efektif Isı İletim Katsayısı”, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 126 s, 2001.
• [16] S. Raghavan, H. Wang, R.B. Dinwiddie, W.D. Porter, and M.J. Mayo, “The Effect of Grain Size, Porosity and Yttria Content on the Thermal Conductivity of Nanocrystalline Zirconia”, Scripta Material, Vol.39, No.8, pp.1119-1125,1998.
• [17] Z. Hashin, S. Shtrikman, “A Variational Approach to the Theory of The Effective Magnetic Permeability of Multiphase Materials”, J. Appl. Phys, Vol.33, pp.3125-3131,1962.
• [18] J. Wang, J.K. Carson, M.F. North, D.J. Cleland, “A New Approach to Modelling the Effective Thermal Conductivity of Heterogeneous Materials”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.49, pp.3075-3083, 2006.
• [19] E.E. Gonzo, “Estimating Correlation for the Effective Thermal Conductivity of Granular materials”, Chemical Engineering Journal, Vol.90, pp.299-302, 2002.
• [20] K. Bakker, “Using The Finite Element Method To Compute The Influence of Complex Porosity And Inclusion Structures On The Thermal and Electrical Conductivity”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.40, No.15, pp.3503-3511, 1997.
• [21] F.P. Incropera, D.P. DeWitt, “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, Fourth Edition, John Wiley & Sons, 1996.
• [22] K.W. Schlichting, N.P. Padture, P.G. Klemens, “Thermal Conductivity of Dense and Porous Yttria-Stabilized Zirconia”, Journal of Materials Science, Vol.36, pp.3003-3010, 2001.
• [23] O. Altun, E. Böke, “The Effect of Pore Shape to the Effective Thermal Conductivity of Thermal Barrier Coatings”, ASME Summer Heat Transfer Conference HT2008-56171, Jacksonville, Florida, USA, 10-14 Ağustos 2008.
• [24] K.S. Ravichandran, K. An, , R.E. Dutton, S.L. Semiatin, “Thermal Conductivity of Plasma- Sprayed Monolithic and Multilayer Coatings of Alumina and Yttria-Stabilized Zirconia”, Journal of the American Ceramic Society, Vol.82, No.3, pp.673-682, 1999