Polietilen doğalgaz borularının elektrofüzyon yöntemi ile birleştirilmesinin ısı analizinin teorik ve deneysel olarak incelenmesi

Abstract

Yapılan bu çalışmada, polietilen doğalgaz borularının elektrofüzyon yöntemiyle birleştirilmesinin ısıl analizi, teorik ve deneysel olarak incelendi. Çeşitli avantajları sebebiyle son yıllarda polietilen boruların birleştirilmesinde tercih edilen elektrofüzyon yöntemi, boru dış yüzeyi ile onun üzerine geçirilen manşon iç yüzeyi arasına spiral olarak sarılarak yerleştirilen iletken tellere elektrik enerjisi verilerek telin ısınması ve çevresindeki polietilenin erimesi, belli bir süre sonra enerjinin kesilmesiyle birlikte soğuyarak katılaşması ve boru ile manşonun yekpare hale gelmesi esasına dayanır. Elektrofüzyon kaynak yönteminde, polietilenin erimesi ve katılaşması sebebiyle faz değişimi önemli bir yer tutar. Polietilenin faz değişimi tek bir sıcaklık değerinde olmayıp bir geçiş bölgesi olan sıcaklık aralığında gerçekleşmektedir. Bu durum göz önünde bulundurularak faz değişim ısısı, yaygın bir şekilde kullanılan iki yaklaşımla dikkate alındı. Bunlar eşdeğer özgül ısı metodu ve entalpi metodu olarak adlandırılmaktadır. Eşdeğer özgül ısı metodunda, faz değişimini dikkate alan özgül ısı değişimi göz önüne alınarak zamana bağlı ısı iletimi problemi olarak çözülür. Faz değişimi sıcaklık aralığında, yoğunluk ve faz değişimi hesaba katılarak eşdeğer ısı kapasitesi tanımlanır. Bu durumda ısı transferi denklemi, c|L = V(kVT) (1) öt şeklinde ifade edilir. Burada C=pc birim hacim için eşdeğer ısı kapasitesi olarak tanımlandı. Faz değişim problemlerinin çözümünde yaygın bir şekilde kullanılan diğer bir yöntem olan entalpi metodunda, özellikle faz değişim bölgesinde özgül ısı değişimi yerine faz değişim ısısının ve faz değişim sıcaklık aralığının bilinmesi yeterli olmaktadır. Bu durumda (1) denklemi, ^ = V(kVT) (2) şekline dönüşür. Burada H=H(T)=pcT birim hacim için entalpi olarak tanımlanır. Yapılan bu çalışmada, iyi bir elektrofüzyon kaynağı için en önemli parametre olan ısıtma ve soğuma periyotlarında sıcaklığın zaman ve konumun fonksiyonu olarak bulunması için bir model oluşturularak enerji denklemi kartezyen koordinatlarda iki boyutlu olarak polietilenin ısı iletim katsayısı, yoğunluk ve özgül ısı değerlerinin sıcaklıkla değişimi dikkate alınarak oluşturuldu. Kurulan modelde ısıtıcı teller için ısı üretimi tel direncinin sıcaklıkla değişimi göz önünde bulundurularak tel x sıcaklığına bağlı olarak ifade edildi. Ayrıca sistem içerisinde yer alan ısıtıcı teller arasında muhtemel sıcaklık farkı sebebi ile bunlar arasındaki ısı iletimi incelendi. Oluşturulan model için tüm değişkenleri parametre olarak dikkate alan modüler bir bilgisayar programı hazırlanarak faz değişimini içeren her iki yaklaşım sonlu farklar yöntemiyle ve ayrıca ANS YS paket programı kullanılarak çözüldü. Elektrofüzyon kaynağının iyice anlaşılması ve sayısal çözüm sonuçlarının karşılaştırılması için deney tesisatı oluşturularak deneysel çalışma ve ölçümler yapıldı. Deneysel ölçümlerle sayısal sonuçlar karşılaştırıldığında birbirleri ile uyumlu oldukları görüldü. In this study, thermal analysis of electrofusion joining process for polyethylene natural gas pipelines has been done. The joining technique involving electrofixsion of polyethylene piping seems to be in increasing widespread use throughout the world. This development is due a part to the ease with which it is applied and the high degree of reliability of joints achieved. The major parameter for effective electrofiision jointing is the heating energy generated by electrical resistance coil embedded in the fitting. Fusion welded joints are made by bringing two molten polyethylene surfaces together so that they cool and recrystallise a welded joint forms at their interface. The heat transfer phenomenon with the phase change also occurs in the electrofusion process by means of melting and solidification. Polyethylene does not have only one temperature value for phase change but there is an interval of phase change as transition zone. There are basically two approaches to handling the latent heat, the equivalent specific heat method and the enthalpy method. In equivalent heat capacity method, a phase change problem can be solved like any nonlinear heat conduction problem, provided that latent heat effects are included in the specific heat of the material. In the temperature interval of phase change, an equivalent heat capacity can be defined to take into account both the density and the latent heat. The governing equation can be written as C- = V(kVT) (1) a where C=pc is the equivalent heat capacity per unit volume. Another widely used technique implies the use of enthalpy as a natural and integral part of the solution methodology. The method is based on a mixed temperature enthalpy formulation which, in combination with an explicit time stepping scheme. In enthalpy method, the governing equation becomes ^ = V(kVT) (2) dt where H=H(T) = p.c.T volumetric enthalpy per unit volume. In this study, a transient heat transfer analysis was modeled to obtain temperature history as a function of time and positioa The model includes two dimensional cartesian coordinates and temperature dependent thermal properties. The power input which generates heat is stated temperature dependent since the wire material Xll resistivity changes as a linear function of temperature. Mostly the spiral heating element is modeled as independent rings without a direct thermal link between them. It was presumed that any two adjacent rings were linked by a straight wire made of the same material and with same cross section as that of the rings. Subsequently, the wire-wire interface conductance value was calculated. Two computer programs based on explicit finite difference scheme were written for each approaches handling the latent heat for phase change taking into account temperature dependent material properties. In addition, the problem was solved using ANSYS package program. Experimental work has been carried out to achieve a detailed understanding of the electrofusion welding process and to compare the numerical results with experimental data. Agreement between predicted results and experimental data is good and satisfactory.