let. - vol. 49 (2003) {t. - no. STROJNIŠKI VESTNIK 2 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING strani - pages 75 - 134 ISSN 0039-2480 . StrojV . STJVAX cena 800 SIT a--s- erski anamorfni profilomer A Eksperimentalno presku{anje prenosa toplote v Lorenzovem postopku z uporabo zeotropnih zmesi ------- Experimental Testing of the Heat Transfer in a Lor Zeotropic Mixtures Experimental Testing of the Process Using Entropijska analiza soto~nih prenosnikov toplote ------- Entropy Analysis of Parallel-Flow Heat Exchangers Izbrani vidiki celovitosti povr{ine aluminijeve zlitine pri obi~ajni in obdelavi z velikimi hitrostmi: Spremembe mikrotrdote in hrapavosti povr{ine ------- of the Surfac Selected Aspects of the Surface Integrity of Aluminium Alloy in HighSpeed Machining: Microhardness hness Variations and Surface Tehnolo{ke zahtevnosti pri izdelavi plinskega odvodnika A Precision Techniques as-Arrester Manufacturing 2 1. 2. 3. 5. 9770039248001 © Strojni{ki vestnik 49(2003)2,75 Mese~nik ISSN 0039-2480 © Journal of Mechanical Engineering 49(2003)2,75 Published monthly ISSN 0039-2480 Vsebina Contents Strojni{ki vestnik - Journal of Mechanical Engineering letnik - volume 49, (2003), {tevilka - number 2 Razprave Jezeršek, M., Možina, J.: Laserski anamorfni profilomer 76 Soldo, V., Čurko, T., Zanki, V.: Eksperimentalno preskušanje prenosa toplote v Lorenzovem postopku z uporabo zeotropnih zmesi 90 Galovič, A., Živič, M., Andrassy, M.: Entropijska analiza sotočnih prenosnikov toplote 100 Vaneček, D., Madl, J., Sokovič, M.: Izbrani vidiki celovitosti površine aluminijeve zlitine pri običajni in obdelavi z velikimi hitrostmi: Spremembe mikrotrdote in hrapavosti površine 111 Pregelj, A., Brecelj, F., Pirih, A., Murko, V.: Tehnološke zahtevnosti pri izdelavi plinskega odvodnika 119 Poročila 127 Strokovna literatura 130 Osebne vesti 132 Navodila avtorjem 133 Papers Jezeršek, M., Možina, J.: A Laser Anamorph Profilometer Soldo, V., Čurko, T., Zanki, V.: Experimental Testing of the Heat Transfer in a Lorenz Process Using Zeotropic Mixtures Galovič, A., Živič, M., Andrassy, M.: Entropy Analysis of Parallel-Flow Heat Exchangers Vaneček, D., Madl, J., Sokovič, M.: Selected Aspects of the Surface Integrity of Aluminium Alloy in High-Speed Machining: Microhardness Variations and Surface Roughness Pregelj, A., Brecelj, F, Pirih, A., Murko, V: A Precision Techniques for Gas-Arrester Manufacturing Reports Professional Literature Personal Events Instructions for Authors (SfinKjB)bJJ[M]Sl[JLI] I stran 75 glTMDDC © Strojni{ki vestnik 49(2003)2,76-89 © Journal of Mechanical Engineering 49(2003)2,76-89 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 535.374:535.31 UDC 535.374:535.31 Izvirni znanstveni ~lanek (1.01) Original scientific paper (1.01) Laserski anamorfni profilomer A Laser Anamorph Profilometer Matija Jezer{ek - Janez Mo`ina Prispevek opisuje načelo, razvoj, umeritev in testiranje laserskega anamorfnega profilomera. Profilomer deluje na podlagi laserske triangulacije z linijsko osvetlitvijo površine in digitalno obdelavo posnetih slik Z vključitvijo anamorfne optike je dosežena prilagoditev merilnega območja v navpični smeri in posledično tudi večja ločljivost sistema vzdolž navpične smeri. Sistem se odlikuje s čvrsto in modularno konstrukcijo, natančnostjo ter z izvirno zasnovanim postopkom umeritve, ki omogoča hitro in zanesljivo merjenje. © 2003 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: profilometri laserski, optika anamorfna, razvoj, umerjanje, preskušanje) This paper presents the principle, development, calibration and testing of a laser anamorph profilometer A profilometer is based on the laser-triangulation principle with a laser plane projecting on the surface and digital processing of the acquired images. A lens with anamorph optics is used to fit the vertical measuring range and, consequently, to increase the vertical resolution. The system excels in terms of its robust and modular construction, its precision and uniquely designed calibration procedure, and its ability to make fast and reliable measurement. © 2003 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: laser profilometers, anamorphic optics, development, calibration, testing) 0 UVOD Metode merjenja oblike teles na temelju laserske triangulacije se v svetu iz dneva v dan bolj uveljavljajo na številnih področjih. Med najzanimivejše primere uporabe teh metod spadajo dimenzijski nadzor izdelkov, robotska navigacija, diagnostika v medicini ter digitalizacija muzejskih predmetov [1]. V mnogih primerih pomeni uporaba brezdotične metode merjenja edino možnost. To so predvsem primeri, ko imamo opravka z gibajočim se merjencem, kadar je treba meriti obliko mehke površine in/ali v primeru težkih delovnih razmer na mestu merjenja. Kot skrajni primer naj omenimo geometrijski nadzor izvlečenega gumijastega traku takoj ob izstopu iz orodne glave [2]. Temperatura traku je tam še izredno visoka, guma je še v napol tekočem stanju in kar je najpomembnejše, nadzor je treba izvajati brez ustavljanja postopka izdelave. Laserski anamorfni profilomeri (LAP), predstavljeni v tem prispevku, temeljijo na že omenjeni laserski triangulaciji. Laserski projektor ustvari svetlobno ravnino, katere presečišče z merjeno površino vidimo kot lasersko črto. Ta se skozi anamorfni objektiv preslika na zaznavni element kamere. Črta na sliki je zaradi razmaknjenosti projektorja in kamere ukrivljena skladno z merjenim profilom površine. 0 INTRUDUCTION Laser-based object-shape measurement techniques are becoming more and more popular in numerous technical domains. The most interesting areas are product inspection, reverse engineering, robot navigation, medical diagnostics and the digitalization of museum artifacts [1]. In many cases the use of non-contact methods for the measurement of shape is the only choice because of the environment, a moving object and/or a soft surface, which do not allow probe contact. An example of this is the profile inspection of an extruded rubber band in a tire-manufacturing process [2]. The temperature of the band is extremely high, the rubber is still in a semi-liquid state and, most importantly, the inspection must be conducted without any interruptions. Laser anamorph profilometers (LAPs), which are described in this paper, are based on a laser-trian-gulation technique. The range information is gathered by projecting a laser plane onto the surface and imaging this line through an anamorph lens. The imaged line is curved in accordance with the measured profile of the surface because of the distance between the camera and the projector. grin^(afcflM]SCLD VH^tTPsDDIK stran 76 Jezer{ek M., Mo`ina J.: Laserski anamorfni profilomer - A Laser Anamorph Profilometer Posebnost našega profilomera je anamorfni objektiv, ki daje različni optični povečavi v navpični in vodoravni smeri. Anamorfna optika je ustreznejša od običajne sferične optike predvsem v primerih zahtev po velikem merilnem območju v eni smeri in veliko ločljivostjo ter manjšim merilnim obsegom v drugi smeri. Z izbiro ustreznih optičnih povečav v posamezni smeri lahko dosežemo optimalno razmerje med merilnim obsegom in natančnostjo merilnika. Takšno optiko so za potrebe laserske profilometrije med prvimi uporabili Blais s sodelavci [3], neodvisno od njih pa smo za potrebe profilometrije razvili anamorfne objektive pri nas [2]. Bistvenega pomena za uporabnost merilnika je ustrezen postopek umeritve. Glavni vodili pri snovanju le tega sta natančno merjenje referenčih točk ter ustrezen model preslikave. Ta mora upoštevati optične popačitve, hkrati pa omogočati neposreden izračun parametrov brez predhodnega poznavanja začetnih približkov. Doslej znani načini merjenja referenčne geometrije so zapleteni zaradi zahtevne izdelave etalonov in zaradi potrebe po premikanju v več smereh ([3] do [5]). Prav tako je zapletena tudi preslikava dvorazsežne slike, ki jo posname kamera, v prostor. V ta namen večina avtorjev uporablja nelinearne fotogrametrične modele [4] do [6], ki so neprimerni za preslikavo z anamorfno optiko. Da bi odpravili tovrstne težave, smo za LAP zasnovali izviren umeritveni postopek. Meritev referenčnih točk izvajamo z etalonom v obliki poševne plošče z utori trikotnega prereza. S premikanjem plošče se spreminja višina profila, medtem ko so utori namenjeni za določitev lege referenčnih točk. Polinomski model preslikave omogoča neposreden izračun parametrov, hkrati pa dopušča korekcijo popačitev in različni optični povečavi, kar je glavna značilnost anamorfne optike. 1 OPIS SISTEMA Razporeditev laserskega profilomera je prikazana na sliki 1. Sestavljen je iz projektorja laserske črte, kamere CCD z anamorfnim objektivom, pomične mize in osebnega računalnika, ki iz zajete video slike izračuna obliko profila. Računalnik krmili tudi pomično mizo ter moč projektorja, s čimer je omogočeno zaporedno merjenje profilov prek celotne površine ter optimalno delovanje na površinah s spremenljivo optično odbojnostjo. V nadaljevanju se bomo sklicevali na skupni koordinatni sistem (SKS - WCS) ter koordinatni sistem slike (KSS - ICS). Lega SKS (X,Y,Z) je takšna, da se ravnina Y=0 ujema s svetlobno ravnino, os Z se ujema z optično osjo projektorja, izhodišče pa ima v presečišču svetlobne ravnine z optično osjo objektiva. KSS se ujema z ravnino CCD-ja, os u je vzporedna z vrsticami, os v pa s stolpci CCD-ja. Usmeritev merilnika glede na pomično mizo je takšna, The specialty of our profilometer is the anamorph lens, which provides different magnifications of two mutually perpendicular optical axes. This means that in the case of unequal measuring ranges in the horizontal and vertical directions, the anamorph lens gives us the optimal measuring range in terms of resolution ratio. Blais et al [3] were the first to use this technology in laser profilometry; but the anamorph lenses that we need for our profilers were developed without the cooperation of Blais, nor were they influenced by him in any way [2]. An appropriate calibration procedure is an essential step in the development of a profilometer. The main guidance came from measurements of the exact reference points and an appropriate choice of transformation model, which should consider optical aberrations without using an iterative-numerical calculation of the parameters. The complicated geometry of the reference etalon and the requirements of multi-axis movement ([3] to [5]), makes existing calibration methods difficult to implement. The transformation of points from the camera’s plane back to 3-D space is also complicated. Many authors use nonlinear photogrametry models [4] to [6], which are not convenient when an anamorph lens is used. To overcome these difficulties, a unique calibration procedure was designed for our LAP. The reference-point measurement is performed using an inclined, shaped etalon with triangular grooves. Moving the etalon in a direction perpendicular to the laser plane changes the height of the measured profile, and the transverse position of the reference points is determined with grooves. A polynomial model enables a straightforward calculation of the parameters using linear algebra, as well as correction of the various optical aberrations and magnifications for each optical axis, which is the basic property of an anamorph lens. 1 SYSTEM DESCRIPTION The configuration of the LAP is shown in Figure 1. It is composed of a laser line projector, a CCD camera with an anamorph lens, a translation stage and a personal computer, which acquires video frames and then calculates the profiles from them. The computer also controls the translation stage and the projector power, which enables repeated scanning of the entire surface and optimal performance on surfaces with variable reflectance. In the text that follows we will refer to the world coordinate system (WCS) and the image coordinate system (ICS). The orientation of the WCS (X,Y,Z) is such that the plane Y=0 is coincident with the light plane and its origin lies where the light plane and the camera’s optical axis intersect. The ICS lies on the CCD plane, the axis u is parallel with the CCD rows and the axis v with the image columns. The orientation of the measure ment with respect to the | lgfinHi(š)bJ][M]lfi[j;?n 03-2____ stran 77 I^BSSIfTMlGC Jezer{ek M., Mo`ina J.: Laserski anamorfni profilomer - A Laser Anamorph Profilometer Ptajetfor porter tonka/ Projector fosw&e črie l trse/ /*^p pf&fecfar Camera wrfn ooamotpfy fens Weo šifra/ AwbXlM. csp/sH. poo/sty tfctoy Sl. 1. Poglavitni elementi laserskega anamorfnega profilomera ter njihova postavitev Fig. 1. The main elements of a laser anamorph profilometer and their setup da je optična os projektorja normalna na površino mize, le-ta pa se giblje v smeri normalno na svetlobno ravnino. 1.1 Anamorfna preslikava Uporaba anamorfnih optičnih sistemov je dandanes na nekaterih področjih izredno razširjena. Njihova bistvena lastnost sta različni optični povečavi v glavnih, medsebojno pravokotnih smereh slike. Astigmatizem, ena izmed mogočih napak človeškega očesa, ki nastane zaradi nesimetrične oblike roženice, se odpravlja z uporabo sferocilindričnih ali celo toroidnih leč. Optika polprevodniških laserjev je lahko prav tako anamorfna. Svetlobni snop polprevodniških laserjev je zaradi oblike resonatorja divergentno nesimetričen. Z uporabo prizmatičnih ali cilindričnih optičnih elementov pa je mogoče doseči okrogel laserski snop namesto običajnega eliptičnega. V primeru potrebe po svetlobni ravnini je nesimetričnost svetlobnega snopa celo zaželena Z uporabo ene same cilindrične leče zbiramo svetlobo le v smeri najmanjše divergence, v drugi smeri pa se širi nepopačeno naprej. Takšen način oblikovanja svetlobne ravnine uporabljamo med drugim v naših profilomerih. V našem primeru smo uporabili anamorfni objektiv z namenom prilagoditve merilnega obsega danim zahtevam. S tem je bolje izkoriščena površina zaznavnega elementa - CCD-ja ter zaradi tega izboljšana ločljivost merilnika. Anamorfni objektiv sestavljata dve medsebojno pravokotno cilindrični leči. Prva daje sliko v smeri v, druga pa v smeri u. Na sliki 2 je prikazano načelo triangulacijskega merjenja z uporabo anamorfnega objektiva. Točka T leži na ravnini laserske svetlobe in se skozi objektiv preslika v točko T’ na ravnini CCD-ja. Upoštevajoč znane geometrijske parametre dobimo naslednjo odvisnost za koordinato z: z =---------- translation table is such that the projector’s optical axis is perpendicular to the translation table, which moves perpendicularly to the light plane. 1.1 Anamorph image formation Anamorph optical systems are nowadays widely used in some fields. Their main property is a range of optical magnifications along mutually perpendicular meridians. Astigmatism, a defect of the human eye, can be corrected with sphero-cylindrical or even torically shaped lenses. Diode-laser optics can also have an anamorph optical system. They have a divergent asymmetric output due to diffraction effects in the asymmetric region of the laser cavity. Prisms or cylindrical optics are used to project a circular laser beam instead of the usual elliptical one. The divergent asymmetric output of semiconductor lasers is even desired in the case of light-plane formation. A single cylindrical lens is used to focus light in the direction of lower divergence. Such a principle of light-plane formation is also used in our profilometers. In our case the anamorph lens is used to fit the measuring range to the camera’s sensor area. In this way the sensor area is used more efficiently and, as a result, the resolution is improved. An anamorph lens is comprised of two, mutually orthogonal cylindrical lenses. The first one forms the image in the v direction and the second one in the u direction. Figure 2 shows the image formation and triangulation principle using an anamorph lens. Point T, which lies on the light plane, is transformed through the lens at point T’ on the sensor’s plane. According to known geometrical parameters, we get the following relationship for the z coordinate: L-v sin 2W-bv —1 tan(^)J (1) grin^(afcflM]SCLD VH^tTPsDDIK stran 78 Jezer{ek M., Mo`ina J.: Laserski anamorfni profilomer - A Laser Anamorph Profilometer < ^ Sl. 2. Načelo triangulacijskega merjenja z uporabo anamorfnega objektiva Fig. 2. The principle of a triangulation-based measurement using an anamorph lens in za koordinato x: and for coordinate x: r i L-b sin(^)-bv + + (bv - bu) tan(^)J (2) Pri tem pomenita člena v oklepaju oddaljenost točke T od prve optične ravnine ter razdaljo med prvo in drugo optično ravnino anamorfnega objektiva. 1.2 Podtočkovna zaznava laserske črte Digitalizirano sliko obravnavamo kot množico stolpcev, kjer je vsak stolpec prečni prerez skozi intenzitetni profil laserske črte. Tako predstavlja koordinata u indeks posameznega stolpca, koordinata v pa lego črte v posameznem stolpcu. Zaznava laserske črte poteka z uporabo algoritma podtočkovne zaznave, pri čemer izrabimo poznavanje prečnega intenzitetnega profila črte, ki ga ponazorimo z Gaussovo funkcijo. Črta v posameznem stolpcu slike leži na mestu ničle prvega odvoda intenzitete signala, ki ga izračunamo kot konvolucijo med intenzitetnim signalom v posameznem stolpcu ter odvodom Gaussove funkcije: The parts in the square brackets represent, firstly, the distance between point T and the first principal plane, and, secondly, the distance between the first and the second principal plane of the anamorph lens. 1.2 Sub-pixel laser-line detection We treat the digitized image as a number of columns, where each column represents the cross-section of a laser-stripe intensity profile. In this way the u coordinate represents the index of each column and the v coordinate represents the position of a stripe in each column. Recognition of the laser stripe is based on sub-pixel line detection, where the intensity cross-section profile of a stripe is approximated by means of a Gaussian function. In this case the stripe in each column lies at the point where the first derivative of the intensity profile (also the signal) equals zero. The latter is calculated using a convolution between the intensity signal in each column and the first derivative of the Gaussian function: (SfinsjBJbJJIMlSlCšI] I stran 79 glTMDDC Jezer{ek M., Mo`ina J.: Laserski anamorfni profilomer - A Laser Anamorph Profilometer Nk I'j= X Ij+k ' Kk (3), k=-Nk pri čemer je Kk element konvolucijskega jedra, ki ima obliko prvega odvoda Gaussove funkcije: where Kk is the element of the convolution kernel, which is expressed by means of the first derivative of the Gaussian function: s 3 (4), Nk je polovična širina konvolucijskega jedra in s širina Gaussove funkcije, ki je približno enaka polovični širini laserske črte. Ker je intenzitetni signal vzdolž stolpcev slike diskreten, izračunamo ničlo odvoda signala z linearno interpolacijo med sosednjima točkama, izmed katerih ima predhodna pozitivno, naslednja pa negativno vrednost. 2 UMERITEV Umeritveni postopek pomeni določitev relacije med KSS in SKS . Postopek obsega merjenje referenčnih točk ter izračun parametrov modela preslikave, ki matematično popisuje zgoraj omenjeno odvisnost. Seveda je najprej treba izbrati ustrezen model preslikave. 2.1 Polinomski model preslikave Ker je lega SKS izbrana tako, da merjeni profil površine leži na ravnini Y=0, preslikava poteka med dvema dvorazsežnima koordinatnima sistemoma, ki ju popišemo s polinomskim modelom preslikave: M-1N -1 j=0 i=0 M-1 N -1 Nk stands for the half-width of the convolution kernel and s stands for the width of the Gaussian function, which is approximately equal to the laser-stripe half-width. Since the intensity signal along the column picture is discrete, the zero of the first derivative can be calculated using a linear interpolation between two neighboring points, where the former is positive and the latter is negative. 2 CALIBRATION In the calibration procedure we determine the relationship between the ICS and the WCS. The procedure consists of a reference-point measurement and a calculation of the parameters of the transformation model, which mathematically describes the previously mentioned relationship. Of course, this model must be determined prior to the calibration. 2.1 Polynomial model of transformation Since the position of the WCS is such that the measuring profile lies on the plane Y=0, the transformation goes between two two-dimensional coordinate systems, which we describe using a polynomial model of transformation: j,i f f (5) (6). j=0 i=0 Elementi A in B pomenijo utežne faktorje za posamezne člene i polinomov. Zbrani so v tako imenovanih korekcijskih matrikah A in B. S prvimi členi obeh polinomov popravimo odmik in povečavo, s členi višjih redov pa popačitve objektiva ter nelinearnost triangulacijskega merjenja. Dobra lastnost tega modela se izkaže predvsem pri izračunu korekcijskih matrik, saj omogoča neposreden izračun. Tako lahko ob poznavanju koordinat referenčnih točk v SKS (Xref in Zref) ter v KSS (Uref in Vref) izračunamo vrednosti elementov obeh matrik po metodi predoločenega sistema linearnih enačb [7]. 2.2 Meritev in zaznava referenčnih točk Referenčne točke izmerimo prek celotnega merilnega območja z uporabo umeritvenega etalona. Ta ima obliko poševne plošče z utori trikotnega Elements Aj,i and Bj,i stand for the weights of each polynomial element. They are grouped in the so-called calibration matrixes A and B. The translation and magnification in each axis are adjusted using the first two elements, since lens distortions and nonlinearity related to the triangulation are corrected using higher-order elements. The advantage of this model is clearly demonstrated in the calculation of the calibration matrixes, because it enables a straightforward calculation. When the coordinates of the reference points in the WCS (Xref and Zref) and the ICS (Uref and Vr e f ) are known, the elements of the calibration matrixes are calculated by means of a singular-value decomposition [7]. 2.2 Measurement and detection of reference points Reference points are measured over the entire measuring area using the calibration etalon. This has an inclined plate with linear grooves of a triangular grin^afcflMISCSD VH^tTPsDDIK stran 80 Jezer{ek M., Mo`ina J.: Laserski anamorfni profilomer - A Laser Anamorph Profilometer prereza vzdolž osi Y. Etalon med umerjanjem pritrdimo na pomično mizo, kakor je prikazano na sliki 3. Trikotni utori so namenjeni razpoznavi lege referenčnih točk v smeri X, spreminjanje višine referenčnih točk pa je doseženo s premikanjem etalona v smeri Y, in sicer po naslednji enačbi: shape along the Y axis. The etalon is fixed on the translation stage as shown in Figure 3. The triangle-shaped grooves are used to detect reference points along the X axis, and the change of height of the reference points is achieved by moving the etalon along the Y axis: DZ = DY tan(a) (7). Koordinate referenčnih točk v skupnem The world coordinates of the reference points koordinatnem sistemu tako izračunamo: are calculated using the following equations: XrefjNx+i^AX-i-Xoffset Zrefj.Nx +^AZ-j-Zoffset (8) (9), kjer je i = 0 ... N-1, j = 0 ... N-1, N je število utorov AX je razmik med utori in Nzštevilo izmerjenih profilov Odmik SKS glede na prvo referenčno točko določujeta parametra Xffs in Zffs. Lege referenčnih točk V ICS določimo iz niza izmerjenih profilov umeritvenega etalona. Uporabljamo naslednji postopek: a) Določitev lege točk v smeri u je analogna zaznavi laserske črte v posameznem stolpcu slike: iz posnetih profilov izločimo lego zarez (Uref) s postopkom podtočkovne zaznave na podlagi iskanja ničle prvega odvoda višine profila. b) Lego referenčnih točk v smeri u izračunamo kot povprečno višino profila v okolici posamezne točke, pri čemer zanemarimo območje zareze: where i = 0 ... Nx-1 and j = 0 ... Nz-1, Nx is the number of grooves, DX is the distance between the grooves and Nz is the number of measured profiles. The offset of the WCS with respect to the first reference point defines the parameters Xoffset and Zoffset. The positions of the reference points in the ICS are determined from a series of measured profiles of the calibrating etalon. We use the following procedure: a) Detection of the reference-point position along the u direction is analogous to the laser-stripe detection in each image column. In other words, the groove position (Uref) is detected from measured profiles using sub-pixel detection based on zero searching of the first derivative of the measured profiles. b) The reference-point position along the u direction is calculated by means of the average profile height around each reference point, where the region of the groove is discarded: umeritveni etalon, calibration etalon Sl. 3. Umerjanje laserskega anamorfnega profilomera Fig. 3. Calibration of a laser anamorph profilometer ^vmskmsmm stran 81 Jezer{ek M., Mo`ina J.: Laserski anamorfni profilomer - A Laser Anamorph Profilometer Vrefi 1 2(Nout-Nin) / , V{Urefi)+k + 2-1 (Urefi)+k k=-N k=N Pri tem je Nout polovična širina okolice povprečenja, Nin polovična širina utora, {Urefi) pa je zaokrožena vrednost lege vrha zareze v smeri u. 3 PREIZKUSI V tem poglavju so predstavljeni preizkusi, ki smo jih izvedli z različnimi modeli LAP-ov Meritve pokrivajo različna področja tehnike ter tudi različne potrebe po merilnih obsegih, vsem pa je skupno, da je ena izmera profila izrazito poudarjena v primerjavi z drugo. Zaradi tega je uporaba anamorfne preslikave primernejša od običajne - sferične, kar je razvidno tudi iz predstavljenih rezultatov. 3.1 Rezultati umerjanja Rezultati umerjanja so prikazani za LAP z naslednjimi značilnostmi: merilno območje: 200 x 20 mm (širina x višina), ločljivost kamere: 360x288 točk, velikost zaznavala CCD: 4,6 mm x 3,4 mm, kot triangulacije: f = 45° pomična miza: ISERT, hod: 300 mm, korak: 0,01 mm, osebni računalnik: Pentium II/233MHz Geometrijski parametri umeritvenega etalona so: nagib plošče: a = 12,2°, razmik med utori: DX = 8,00 mm širina utora: W = 3,00 mm, globina utora: H utor = 1,50 mm, material: tekstolit. Etalon smo v smeri Y premikali po DY = 5,00 mm, kar pomeni, da je razmik med izmerjenimi profili v navpični smeri DZ = 1,08 mm (glej enačbo (7)). Izmerjenih profilov je bilo N = 16, na vsakem izmed njih pa je bilo upoštevanih N = 25 utorov. Slika 4 prikazuje izmerjene profile ter referenčne točke, ki so bile določene po zgoraj opisanem postopku. Zaradi optičnih napak, predvsem ukrivljenosti polja, je na robovih merilnega območja kakovost izmerjenih profilov slabša, zaradi česar sta prvi in zadnji utor vsakega profila izvzeta iz nadaljnjega postopka. V fazi izračuna korekcijskih matrik najprej določimo reda obeh. Reda matrike A 4x2 in matrike B 5x2 sta bila izbrana zaradi najmanjših standardnih odstopkov v posamezni smeri. Primerjava med izmerjenimi in pravimi legami referenčnih točk je prikazana na sliki 5. Že omenjeni standardni odstopek v smeri X znaša 0,076 mm in v smeri Z 0,028 mm. Tako je relativni standarni odstopek vzdolž smeri X približno 1/2600 merilnega območja, vzdolž smeri Z pa približno 1/700. Vidimo, da sta standardna (10). where N stands for the half-width of the average neighborhood; Nin stands for the half-width of the groove and {Urefi) stands for the rounded value of the groove position along the u direction. 3 EXPERIMENTS In this section we present the experiments that were made using different models of the LAP. The measurements cover different fields of the technique and also the different needs of measuring ranges, but they have a common property: that one dimension of the profile is much more stressed than the other one. Because of this, an anamorph lens is more suitable than a conventional lens, spherical, which is also evident from the results shown. 3.1Calibration results Calibration results are shown for the LAP with the following characteristics: measuring range: 200 x 20 mm (width x height), camera resolution: 360x288 pixels, CCD dimension: 4.60 x 3.40 mm, triangulation angle: f = 45°, translation stage: ISERT, travel: 300 mm, step: 0.01 mm, personal computer: Pentium II/233MHz. Geometrical parameters of the calibration etalon are: plate inclination: a = 12.2°, distance between grooves: DX = 8.00 mm, groove width: W = 3.00 mm, groove depth: H utor = 1.50 mm, material: textolit. The etalon was shifted along the Y direction by DY = 5.00 mm, which means that the distance between the measured profiles, DZ. is equal to 1.08 mm (see Eq. (7)). We examined 16 measured profiles (N) and 25 grooves (N) on each profile. Figure 4 shows the measured profiles and the reference points, which were detected according to the above procedure. The quality of the measured profiles near the image borders is somewhat poorer due to optical aberrations, especially because of field curvature, therefore the first and last groove of each measured profile were omitted from the subsequent procedure. The first step in the calibration-matrix calculation is a determination of the matrix dimensions. The dimensions of 4x2 for matrix A and 5x2 for matrix B were chosen as optimum sizes because of the minimum achieved standard deviations in each separate direction. Figure 5 shows a comparison between the measured and the actual positions of the reference points. The standard deviations amount to 0.076 mm along the X direction and 0.028 mm along the Z direction So, the relative standard deviation along the X direction amounts to approximately 1/2600 of the measurement range, and approximately 1/700 along the grin^(afcflM]SCLD VBgfFMK stran 82 Jezer{ek M., Mo`ina J.: Laserski anamorfni profilomer - A Laser Anamorph Profilometer odstopka daleč manjša od ločljivosti zaznavnega elementa (360 x 288), kar kaže na natančnost umeritvenega postopka. 3.2 Nadzor profila gumijastega traku Izvlečen gumijast trak se uporablja za izdelavo avtomobilskih plaščev in želja naročnika je bila razvoj sistema za sproten nadzor profila traku ter zančno krmiljenje orodja, s čimer bi dosegli večjo kakovost izdelkov ter zmanjšali proizvodne stroške zaradi zmanjšanja izmeta in zaustavljanja proizvodnje. Profilomer ima značilnosti, kakršne so navedene v prejšnjem poglavju. Optika je prilagojena Z direction We see that both standard deviations are much smaller than the camera resolution (360 x 288), which shows in the exactness of the callibration procedure. 3.2 Inspection of the extruded rubber-band profile The extruded rubber band is used in the tire manufacturing process and the manufacturer’s needs were to develop a system with real-time inspection of the extruded band profile. With such feedback control of the extruder, better production quality and lower production costs are ensured as a result of reduced levels of waste and uninterrupted production. The profilometer has the same characteristics as those listed in the previous section. The optics U [točke / points] -A/jiHffiHn!w viKixIx^^ rTTTttttTtW Sl. 4. Izmerjeni profili umeritvenega etalona ter referenčne točke (x) Fig. 4. Measured profiles of the calibration etalon and the detected reference points (x) 10 -5 -10 izmerjeno measured idealno + ideal -100 -80 -60 -40 -20 0 X [mm] 20 40 60 80 100 Sl. 5. Primerjava med izmerjenimi in idealnimi referenčnimi točkami Fig. 5. Comparison between the measured and the ideal reference points Sin^ObJJPsflDslJSD I stran 83 glTMDDC 0 50 100 250 300 350 0 50 100 150 200 250 300 5 Jezer{ek M., Mo`ina J.: Laserski anamorfni profilomer - A Laser Anamorph Profilometer 12 10 8 6 4 2 0 -1 00 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 X [mm] Sl. 6. Profila izvlečenega gumijastega traku. Pred drugo meritvijo je bil trak podložen s tankim papirjem. Fig. 6. Two profiles of an extruded ruber band. The band was lined with a sheet of paper, before the second measurement. 0.3 -t 0.2 - I » 1 l/ y = -0.0002x + 0.0842 \ R2 - 0.0047 t/V W[kh:A tfrr—km KW« M 1 LiiMi t 1 0 -0.1 W ' y v Vvvna/W^v fVrf1 UVK lWvf\u j W-' u -0.2 -10 0 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 X [mm] Sl. 7. Razlika med profiloma gumijastega traku, ki sta prikazana na sliki 6. Fig. 7. Difference between the two profiles that are shown in figure 6. gabaritom prereza izvlečenega traku (širina in višina), ki se gibljejo od 150 x 13 mm (širina x višina) do 200 x 18 mm. Temu primerno je tudi merilno območje inštrumenta, ki znaša 200 x 20 mm. Na sliki 6 sta prikazana dva prečna profila istega traku, ki je enkrat dvignjen za debelino lista papirja (~0,1 mm). Slika 7 prikazuje razliko izmerjenih višin vzdolž profilov. V idealnem primeru bi morala razlika biti v vseh točkah enaka, vendar zaradi različnih motilnih vplivov temu ni tako. Do največjih odstopanj prihaja na robovih merilnega območja zaradi že omenjenih optičnih nepopolnosti objektiva. Precej šnji odstopki so tudi na mestih velikega nagiba profila, pri čemer gre vzrok iskati predvsem v slabši vidljivosti teh področij. Kljub vsem omenjenim nepopolnostim je iz zgornjih dveh grafov razvidno, da je ločljivost profilomera na dejanskih objektih manjša od 0,1 mm. Majhno merilno negotovost in kakovosten umeritveni postopek potrjuje tudi vzporedno opravljena meritev profila izvlečenega gumijastega traku s trgovskim točkovnim triangulacijskim zaznavalom. Uporabili smo zaznavalo proizvajalca MEL - Mikroelektronik GmbH. Zaznavalo z oznako are adapted to the dimensions of the extruded band section, which ranges from 150 x 13 mm (width x height) to 200 x 18 mm, so the measuring range of the instrument equals 200 x 20 mm. Figure 6 shows two profiles of the same rubber band first in its neutral position and then in a slightly lifted position (~0.1 mm). Figure 7 shows the height difference along these two profiles. In the case of an ideal measurement the difference would be constant over the entire length; however, due to various disturbing impacts the real difference is not constant. The largest deviations occur at the edges of the measuring range due to the already mentioned optical imperfections of the lens. Considerable deviations also exist in places where the profile is very steep, because of the poorer visibility in these places. In spite of all these imperfections, it is evident from the above figures that the profiler’s resolution on a real object is less than 0.1 mm. A small measurement uncertainty and a successful calibration method were also confirmed by the measurement of the same band cross-section using a commercial point-triangulation sensor. The manufacturer of this sensor is MEL - Mikroelektronik gmbh, the sensor type is M5L/10, the measuring range grin^(afcflM]SCLD VBgfFMK stran 84 Jezer{ek M., Mo`ina J.: Laserski anamorfni profilomer - A Laser Anamorph Profilometer Sl. 8. Profil izvlečenega gumijastega traku, izmerjenega z laserskim anamorfnim pofilomerom (LAP) ter laserskim točkovnim zaznavalom (LTZ) Fig. 8. Pofile of the extruded ruber band, measured first with a laser anamorph profilometer (LAP) and second with a laser-point sensor (LPS) M5L/10 ima merilno območje ±5,0 mm, napaka linearnosti znaša 30 mm in naključni odstopek 3 mm [8]. Izmerjenih je bilo 400 točk vzdolž profila, kar je približno enako prečni ločljivosti profilomera. Na sliki 8 je razvidno dobro ujemanje obeh izmerjenih profilov. Iz povečave na sliki 8 je razvidno, da je velikost odstopkov primerljiva pri obeh meritvah. To pomeni, da na dejanskem vzorcu dosegamo enako merilno negotovost, kakršno ima trgovsko točkovno zaznavalo, vendar ob mnogo krajšem času meritve. V primeru točkovnega senzorja je čas znašal približno 3 minute, v primeru profilomera pa ~0,5 sekunde! Tako lahko rečemo, da sistem izpolnjuje prvotno zastavljen cilj tako glede natančnosti kakor tudi hitrosti merjenja. 3.3 Nadzor postopka laserskega odstranjevanja barve Dandanes znaša letna svetovna potreba po čiščenju barvanih ali oksidiranih površin nekaj sto milijonov kvadratnih metrov. Sem spadajo površine letal, ladij in drugih konstrukcij [9]. Temu primerno dejaven je tudi razvoj novih tehnologij čiščenja, kjer se poleg običajnih postopkov, med drugim vedno bolj uveljavlja lasersko čiščenje. Ta tehnika ima pred običajnimi postopki vrsto prednosti, izmed katerih sta najpomembnejši selektivno odstranjevanje materiala (vrsta in lokacija) ter ekološka neoporečnost postopka ([9] in [10]). Z namenom optimiranja parametrov ter izvedbe nadzora postopka laserskega odstranjevanja barvnih oziroma oksidnih plasti potekajo v is ±5.0 mm, the nonlinearity error equals 30 mm and the resolution (noise level) equals 3 mm [8]. The profile was measured at 400 points, which is approximately equal to the transverse resolution of our profilometer. Figure 8 shows that both profiles fit very well. It is clear from the magnification on Figure 8 that the deviations of both measurements are of the same order. This means that the profilometer has the same measurement uncertainty on a real object as the above commercial point sensor has. But the time for measuring the profile using the point sensor was ~3 minutes, whereas with the profilometer this time was only ~0.5 seconds! It is clear that the system fulfills the requirements as far as accuracy and measuring speed are concerned. 3.3 Monitoring of the laser-based decoating process Nowadays, worldwide decoating needs are enormous: each year several hundred million square meters of surfaces have to be stripped. These surfaces mainly belong to airplanes, boats and other constructions [9]. As a result there are a lot of new stripping techniques being developd. Besides conventional methods, laser-based decoating processes have been gaining wide acceptance in recent years. These processes have many advantages, among which the most important are selectivity (material and location) and reduced environmental impact ([9] and [10]). To optimize the parameters and monitor the laser-based decoating of colored layers, research in this field is taking place in the Group for (SfinKjB)bJJ[M]Sl[JLI] I stran 85 glTMDDC Jezer{ek M., Mo`ina J.: Laserski anamorfni profilomer - A Laser Anamorph Profilometer Laboratoriju katedre za optodinamiko in lasersko tehniko raziskave na tem področju [11]. Eksperimentalna postavitev (sl. 9) omogoča sprotno merjenje optodinamskih signalov (v nadaljevanju OD) vzbujenih ne le v podlagi, ampak tudi v okoliškem zraku, hkrati pa omogoča tudi merjenje geometrijske oblike nastajajočega kraterja po vsakokratnem laserskem blisku. Naloga te študije je v prvi fazi poiskati povezavi med značilkami OD signalov in količino odvzetega materiala ter značilkami OD signalov in zaustavitvijo odstranjevanja. V ta namen smo med drugim razvili laserski anamorfni profilomer z ustreznimi značilnostmi, ki je namenjen kot referenčni merilnik geometrijske oblike nastajajočega kraterja. Geometrijska oblika omenjenega kraterja je izmerjena po vsakokratnem laserskem blisku. Pomik prečno na merjeni profil, tako imenovano snemanje (skaniranje), je zagotovljeno z računalniško krmiljeno mikropozicionirno mizico za premikanje obdelovanca. Anamorfni objektiv in laserski projektor sta zasnovana tako, da merilno območje LAP znaša 20x3x25 mm (širina x višina x gib mizice). Za snemanje laserske črte smo uporabili digitalno kamero CCD ADIMEC 12XP z ločljivostjo 1024 x 1024 točk, izmerami zaznavalnega elementa 10 x 10 mm ter dinamičnim obsegom 12 bit. Slika 10 prikazuje potek odstranjevanja plasti barve prek sredine kraterja. Lepo je razvidno enakomerno naraščanje globine prek celotnega števila bliskov vse do konca odstranjevanja. Zanimivo je, Optodynamics and Laser Applications [11]. The experimental setup that is shown in Figure 9 enables a real-time measurement of optodynamic signals (ODs), which are induced not only in the substrate but also in the surrounding air; and it also enables geometry measurements of the growing crater after each laser pulse. The aim of this study was to find two kinds of correlations: first, between the significant features of the optoacoustic signal and the amount of ablated coating; and second, between the significant features of the optoacoustic signal and the termination of the cleaning process. A laser anamorph profiler with appropriate characteristics was developed specifically for a reference measurement of the geometry of the growing crater. The geometry of the crater is measured after each laser pulse. Movement across the crater area, known as scanning, is possible due to a computer-controlled micro-positioned translating stage. The anamorph lens and the laser projector are designed to achieve a measuring range of 20 x 3 x 25 mm (width x height x stage travel). The ADIMEC 12XP digital CCD camera has a 1024x 1024 pixel resolution, a 10x10 mm CCD dimension and a 12-bit dynamic range. Figure 10 shows the progress of the colored layer decoating through the middle plane of the crater. Constant linear deepening is clearly visible over the entire process. It is interesting that at the beginning HeNe laser Interferometer s stabiliziranim krakom Arm compensanted interferometer BS1 ---------H------------- (E XYZ pomična miza XYZ translation stage 4 2 D ^ V" j r^ j / J -¦ y :*¦, j w r 50 100 150 200 N 250 300 350 400 Sl. 12. Naraščanje prostornine odstranjene barve v odvisnosti od števila bliskov med laserskim odstranjevanjem plasti barve (* meritev 1, M meritev 2) Fig. 12. Increase in the volume of the crater with the number of laser pulses during laser decoating (¦ measurement 1, U measurement 2) (SfinKjB)bJJ[M]Sl[JLI] I stran 87 glTMDDC Jezer{ek M., Mo`ina J.: Laserski anamorfni profilomer - A Laser Anamorph Profilometer da na začetku postopka površina rahlo nabrekne, kar of the process the surface swells slightly, which we pripisujemo spreminjanju kemične sestave barvne attribute to chemical changes in the colored layer. The plasti. Začetno nabrekanje in nadaljnje enakomerno initial swelling and the subsequent linear deepening odstranjevanje barve je razvidno tudi iz diagramov can also be seen on the graphs in Figures 11 and 12, na slikah 11 in 12, ki prikazujeta večanje globine which show the increase of the crater depth and the kraterja in prostornine odstranjene plasti barve v volume of removed color with respect to the number odvisnosti od števila laserskih bliskov. Diagrama of laser pulses. Two measurements of the two craters prikazujeta dve meritvi na enakem vzorcu barve. are shown on the same color layer. It is evident that Razvidna je dobra ponovljivost postopka tako z vidika the repeatability of the process is good, which goes hitrosti odstranjevanja kakor tudi z vidika začetnega not only for the decoating rate but also for the initial nabrekanja. Različni končni globini kraterja pa nista swelling of the surface. The different final crater depths posledici merilne negotovosti, ampak neenakih are not a consequence of the measurement uncertainty, debelin barvnih plasti. but of the unequal thickness of the colored layer. 4 SKLEPI 4 CONCLUSIONS V prispevku opisujemo delovanje in razvoj In this paper we describe the principles and laserskih anamorfnih profilomerov ter dva primera development of laser anamorph profilometers. We uporabe, pri katerih se izkaže anamorfna profilometrija give particular emphasis to the novel calibration primernejša od običajne krogelne. Poseben pomen method. We introduce a polynomial model of the pripisujemo inovativni metodi umerjanja. Namesto transformation instead of the photogrametry model, fotogrametričnega modela vpeljemo polinomski model which enables us to compute the model parameters preslikave, katerega parametri so v obliki korekcijskih (the so-called calibration matrixes) more easily by matrik preprosto izračunljivi. Odmik in povečavo means of linear algebra. The translation and uravnavata prva dva člena, nelinearnosti zaradi magnification in each optical axis are adjusted using optične popačitve ter triangulacije pa višji členi the first two elements, since lens distortions and omenjenih matrik. Prav tako izviren je postopek nonlinearity related to triangulation are corrected by merjenja referenčnih točk. Umeritveni etalon ima obliko the use of higher-order elements of the matrixes. The poševne plošče z vzdolžnimi utori trikotnega prereza. measurement of the reference points is also original, S preprosto reliefno površino, ki je ni težko natančno since the callibration etalon has an inclined surface izdelati, je dosežena natančna določitev lege with linear grooves of triangular shape along the Y referenčnih točk v vodoravni in navpični smeri. Vse axis. An accurate determination of the reference-point našteto prispeva k preprosti in čvrsti izvedbi positions is achieved with simple etalon relief, which umeritvenega postopka, zaradi česar ga je mogoče is easy to make. All these factors contribute to a hitro izvesti po vsakem poseganju v geometrijsko simple and robust realization of a calibration obliko merilnika. procedure. Because of this the procedure can be Primera uporabe v prvi vrsti dokazujeta conducted at any time, especially after each change uporabnost laserske anamorfne profilometrije na of profilometer geometry. različnih področjih tehnike ter tudi različne potrebe Both experiments demonstrate the applicability po merilnih obsegih. V obeh primerih je ena izmera of laser anamorph profilometry in different fields of merilnega obsega izrazito poudarjena v primerjavi z the technique, where one dimension is much more drugo. Zaradi tega je uporaba anamorfne preslikave emphasised than the other one. Because of this, an primernejša od običajne sferične, kar je razvidno tudi anamorph lens is more suitable than a conventional, iz predstavljenih rezultatov. spherical one. 5 LITERATURA 5 REFERENCES [1] Donges, A., R. Noll (1993) LasermeBtechnik : Grundlagen und Anwendungen, Hiithig, Heidelberg. [2] Jezeršek, M. (1998) Laserski merilnik profila z anamorfno optiko (Laser profile measurement system with anamorph optics), Prešernove nagrade / Univerza v Ljubljani, Ljubljana. [3] Blais, F., J. Angelo Beraldin (1997) Calibration of an Anamorphic Laser Based 3-D Range Sensor, SPIE Proceedings, Videometrics V, San-Diego, Volume 3174. [4] McIvor, AM. (2002) Nonlinear calibration of a laser stripe profiler, Optical Engineering, Volume 41, 205-212. [5] Tiddeman, B, N Duffy, G. Rabey, J. Lokier (1998) Laser-video scanner calibration without the use of frame store, IEE Proceedings, Vision Image and Signal Processing, Volume 145, 244-248. ^BSfiTTMlliC | stran 88 i Jezer{ek M., Mo`ina J.: Laserski anamorfni profilomer - A Laser Anamorph Profilometer [6] Jain R., R. Kasturi, B. G. Schunck (1995) Machine vision, McGraw-Hill. [7] Press, W. H., S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, B. P. Flanery (1992) Numerical recipes in C, Cambridge University Press. [8] MEL Mikroelektronik GmbH, Inteligent Sensors & Measuring Systemes, Eching, www.MELsensor.com. [9] Fecsik, P.W., F. A. Lancaster (2000) Laser-based paint decoating process, Metal Finishing, Vol. 98, 10-14. [10] Lovoi et al. (1986) Method of and apparatus for the removal of paint and the like from a substrate, United States Patent, 4,588,885. [11] Milanič, M., M. Jezeršek, A. Babnik, J. Možina, Optodinamsko spremljanje procesa odstranjevanja barve v realnem času, v pripravi. Naslov avtorjev: Matija Jezeršek prof.dr. Janez Možina Fakulteta za strojništvo Univerza v Ljubljani Aškerčeva 6 1000 Ljubljana matija.jezersek@fs.uni-lj.si janez.mozina@fs.uni-lj.si Authors’ Address: Matija Jezeršek ProfDr. Janez Možina Faculty of Mechanical Eng. University of Ljubljana Aškerčeva 6 1000 Ljubljana, Slovenia matija.jezersek@fs.uni-lj.si janez.mozina@fs.uni-lj.si Prejeto: Received: 6.12.2002 Sprejeto: Accepted: 29.5.2003 Odprt za diskusijo: 1 leto Open for discussion: 1 year © Strojni{ki vestnik 49(2003)2,90-99 ISSN 0039-2480 UDK 621.564:621.565 Izvirni znanstveni ~lanek (1.01) © Journal of Mechanical Engineering 49(2003)2,90-99 ISSN 0039-2480 UDC 621.564:621.565 Original scientific paper (1.01) Eksperimentalno presku{anje prenosa toplote v Lorenzovem postopku z uporabo zeotropnih zmesi Experimental Testing of the Heat Transfer in a Lorenz Process Using Zeotropic Mixtures Vladimir Soldo - Tonko ]urko - Vlasta Zanki Za sistem, ki deluje pri enakih pogojih je bila opravljena primerjava med termodinamičnim izkoristkom za enokomponentno hladivo R22 ter za njegovo zamenjavo z zeotropno zmesjo R407C. Predstavljena je konstrukcija hladilnega sistema, ki omogoča delovanje z R22 ter R407C, skupaj z meritvami vseh ustreznih podatkov (temperatura, tlak in pretok), njihovim zapisom ter analizo. Dobljeni rezultati kažejo, da je hladivo R407C dobra zamenjava za R22 pri višjih temperaturah uparjanja. Čeprav so teoretični rezultati vodili k predpostavki, da bo R407C v primerjavi z R22 povečal izkoristek, tega eksperimentalni rezultati niso potrdili. Razlog za to dejstvo je v nižjih toplotnih prestopnostih v primeru uporabe hladiva R407C. © 2003 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: zmesi zeotropske, procesi Lorentz, izkoristki termodinamični, prenos toplote) A comparison has been made between the thermodynamic efficiency of a single-component refrigerant R22 and a substitute zeotropic mixture R407C in a system operating under the same conditions. The construction of a refrigerating system that uses R22 and R407C is presented, along with measurements of all the relevant data (temperature, pressure and flow rate), their acquisition, and their analysis. Our results show that the refrigerant R407C is a good substitute for the refrigerant R22 at higher evaporation temperatures. Although the theoretical results suggest that R407C will increase efficiency compared to R22, the experimental results did not confirm it. This because in the process with the refrigerant R407C the heat-transfer coefficients are lower. © 2003 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: zeotropic mixtures, Lorentz process, thermodynamic efficiency, heat transfer) 1 DEFINICIJA PROBLEMA Teoretične in eksperimentalne študije so pokazale, da lahko termodinamični izkoristek hladilnega sistema izboljšamo z uporabo zeotropnih zmesi [1]. Zeotropne zmesi so uporabljene tako, da se povečanje temperature med uparjanjem ujema s hlajenim sredstvom, oziroma da se zmanjšanje temperature pri kondenzaciji ujema s temperaturo okolice in tako omogočajo Lorenzov postopek. Torej glede na Lorenzov postopek je tu največja prednost hladilnega postopka (celo večja kakor pri Carnotovem postopku) ta, da se ta postopek najbolj učinkovito prilagaja temperaturnim spremembam hlajenega sredstva ali okolice. Slika 1 daje kakovostno predstavo Carnotovega in Lorenzovega procesa pri enakih 1 PROBLEM DEVELOPMENT Theoretical and experimental studies have shown that the thermodynamic efficiency of a refrigerating system can be improved by using a zeotropic mixture [1]. Zeotropic mixtures are used in such a way that the temperature increase during evaporation coordinates with the cooled medium, while at the same time the temperature decrease of the condensation coordinates with the temperature medium of the environment, and in this way the Lorenz process is enabled. According to Lorenz, the most advantageous refrigerating process, even more advantageous than Carnot’s process, would be the one that is the most effectively adapted to the temperature changes of the cooled medium, or to the medium of the environment. Figure 1 gives a qualitative presentation of the Carnot and Lorenz processes for the same grin^(afcflM]SCLD VBgfFMK stran 90 Soldo V., ]urko T., Zanki V.: Eksperimentalno testiranje - Experimental Testing T hladivo refrigerant odvod toplote heat vir toplote heat source refriger^i. odvod toplote heat sink ~ LORENZ heat source Sl. 1. Kakovostna primerjava Carnotovega in Lorenzovega postopka v diagramu T-s Fig. 1. Qualitative comparison of the Carnot and Lorenz processes, presented on T-s diagrams temperaturah toplotnega vira in ponora. Šrafirana površina predstavlja izgubo eksergije v prenosnikih toplote. Če gledamo sliki, je očitno, da bo Lorenzov postopek termodinamično bolj učinkovit, toda pod pogojem, da prenos toplote poteka v protitočnih prenosnikih toplote z majhno temperaturno razliko. 2 EKSPERIMENTALNA OPREMA IN MERITVE Slika 2 opisuje eksperimentalno opremo s hladilnim sistemom, ki omogoča obratovanje sistema po Lorenzovem (uporaba zeotropne zmesi) ter Carnotovem postopku (uporaba azeotropne zmesi ter čistega hladiva). Osnovni elementi sistema so polzaprti batni kompresor, protitočni uparjalnik cev v cevi, kondenzator in termoekspanzijski ventil. Sistem je opremljen z inštrumenti in zaznavala, ki merijo vse ustrezne parametre (temperatura, tlak in pretok) in so povezani z zapisovalnikom podatkov ter analizatorjem ([2] in [3]). 3 ANALIZA REZULTATOV MERITEV Opravljena je bila primerjava rezultatov meritev med postopkom s čistim hladivom R22 in med postopkom z zeotropno zmesjo R407C. Preskus na hladilnem sistemu sestoji iz meritev temperature na vstopu in izstopu hladiva iz prenosnika, hladiva in hladilne vode, meritev pretoka v primarni zanki in v obeh sekundarnih zankah, tlaka uparjanja in kondenzacije ter električne moči motorja kompresorja. Izmerjene temperature, tlaki in vrednosti pretokov so obdelani s programom LabVIEW, ki uporablja kot vir program bazo podatkov REFPROP ([4] in [5]) za izračun termodinamičnih in fizikalnih temperature of heat source and heat sink. The hatched surface represents the exergy loss on the heat exchangers. It is obvious from the figures that the Lorenz process will be thermodynamically more efficient, but on condition that the heat transfer takes place in counter-flow heat exchangers with a small driving temperature difference. 2 EXPERIMENTAL RIG AND MEASUREMENTS Figure 2 is a schematic diagram of the experimental rig with a refrigerating system that can operate according to the Lorenz (zeotropic mixture application) and Carnot (application of azeotropic mixture and pure refrigerant) processes. The basic system elements are a semi-hermetic reciprocating compressor, a counterflow tube-in-tube evaporator, a condenser and a thermoexpansion valve. The system is equipped with instruments and sensors that measure all the relevant data (temperature, pressure and flow rate), and is connected to a data-acquisition and analysis system ([2] and [3]). 3 ANALYSIS OF THE MEASUREMENT RESULTS A comparison between the process with the pure refrigerant R22 and the process with the zeotropic mixture R470C was carried out. The experiment on the refrigerating system consists of temperature measurements, at the exchanger inlets and outlets, of the refrigerant, the coolant and cooling water, flow measurements in the primary loop and in both secondary loops, evaporation and condensation pressure and the electric power of the compressor motor. The measured temperature, pressure and flow values are processed using the LabVIEW program, which uses the source program REFPROP databank ([4] and [5]) for the refrigerant’s thermodynamic and gfin^OtJJlMISCSD stran 91 T Soldo V., ]urko T., Zanki V.: Eksperimentalno testiranje - Experimental Testing Izpust hladilne vode Discharge of cooling water i-------->------txi- T -Xh Dovod vode Water supply,.. r —% X ¦""¦ .0 limits q = 3.5 to 7.5 kW/m2K. The results show that in the process with the refrigerant R407C, the heat transfer is 10 to 25% lower than with the R22. Figure 9 shows the dependence of the log mean-temperature difference (DJm) on the condenser as a function of the heat flux. The average heat-transfer coefficient in the condenser is presented as the heat-flux function. In relation to the evaporator, the difference in the heat transfer of the compared refrigerants is even more obvious. In the process with the refrigerant R22 the heat transfer is 35 % higher than with the R407C. Kond. temp. 45°C R22, Cond. temp. 45 "C Kond. temp. 45°C . R407C, Cond. temp. 45°C Kond. temp. 40°C R22, Cond. temp. 40 °C Kond. temp. 40°C . R407C, Cond. temp. 40 °C Kond. temp. 35°C R22, Cond. temp. 35 °C Kond. temp. 35°C ¦ R407C, Cond. temp. 35 "C 345 678 q, kW/m2 Sl. 8. Povprečni koeficient prenosa toplote a v uparjalniku kot funkcija toplotnega toka q Fig. 8. Average heat-transfer coefficient a in e the evaporator as a function of the heat flux q 8 7 6 - Kond. temp. 45°C R22, Cond. temp. 45°C Kond. temp. 45°C ¦ ?¦ .. R407C, Cond. temp. 45°C Kond. temp. 40°C A-----R22, Cond. temp. 40°C Kond. temp. 40°C . R407C, Cond. temp. 40°C Kond. temp. 35°C R22, Cond. temp. 35°C Kond. temp. 35°C .©. .. R407C, Cond. temp. 35°C 10 12 q, kW/m2 Sl. 9. Srednja logaritemska temperaturna razlika DJm na kondenzatorju kot funkcija toplotnega toka q Fig. 9. Log mean-temperature difference DJm on the condenser as a function of the heat flux q gTul^SkfflMlsKn VBgfFMK stran 96 9 5 6 8 Soldo V., ]urko T., Zanki V.: Eksperimentalno testiranje - Experimental Testing 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 =1 ¦-¦ - -v. Q.,A-.-.v^- ¦ - - - -.n-,.-©¦-a— ¦;<*'-¦¦ Kond. temp. 45°C R22, Cond. temp. 45°C Kond. temp. 45°C ¦ R407C, Cond. temp. 45°C Kond. temp. 40°C R22, Cond. temp. 40°C Kond. temp. 40°C . R407C, Cond. temp. 40°C Kond. temp. 35°C R22, Cond. temp. 35°C Kond. temp. 35°C . R407C, Cond. temp. 35°C 10 12 q, kW/m2 Sl. 10. Povprečni koeficient prenosa toplote a v kondenzatorju kot funkcija toplotnega toka q Fig. 10. Average heat-transfer coefficient aC in the condenser as a function of the heat flux q 4 SKLEP V tem prispevku so bili primerjani celotni toplotni izkoristki ter povprečni koeficienti prenosa toplote, dobljeni na sotočnem prenosniku toplote cev v cevi pri delovanju z R407C in R22. Dobljeni rezultati so naslednji: - Da bi Lorenz-ov delovni postopek tekel, je nujno treba zagotoviti temperaturno spremembo (temperaturni zdrs 5 0C do 7 0C) zeotropne zmesi R407C, ki je enaka temperaturni spremembi zunanjega sredstva (hlajeni etilen - glikol v uparjalniku in hladilna voda v kondenzatorju). - Lorenzov postopek lahko izvedemo samo z uporabo protitočnih prenosnikov toplote. Uporabiti je treba istoosni ali ploščni tip prenosnika. Izogibati se moramo poplavljenih prenosnikov, zato je treba uporabiti suhe uparjalnike. - Hladilna sposobnost in e z R407C sta približno 3 do 5 odstotkov nižja, poraba energije kompresorja med testiranjem R407C je za 3 odstotke večja kakor pri testih z R22 v enakih razmerah. - Čeprav so teoretične analize za sisteme z zeotropnimi zmesmi pokazale povečanje toplotnih učinkovitosti (e in hladilne moči), tega eksperimentalni rezultati niso potrdili [1]. Razlog za to so manjši koeficienti prenosa toplote v postopku s hladivom R407C ([6] in [7]). Eksperimentalni rezultati so potrdili, da so povprečni koeficienti prenosa toplote pri uparjanju za R407C od 10 do 25 odstotkov manjši ter do 35 odstotkov manjši za kondenzacijo v primerjavi z R22. Razlika glede na čisto hladivo je zaradi razstavitve zeotropnih zmesi, kar je posledica spremembe kapljevite in parne faze v uparjalniku in kondenzatorju ([2] in [3]). Nadalje, mešanice so zmesi dveh ali več komponent hladiva, ki imajo precej različne temperature uparjanja. Torej, 4 CONCLUSION In this paper the overall thermal performances and the average heat-transfer coefficients obtained on coaxial tube-in-tube exchangers operating with R407C and R22 were compared. The obtained results are as follows: - In order to run the Lorenz process it is necessary to provide a temperature change (temperature glide 5 to 7 °C) of the zeotropic mixture R407C equal to the temperature change of the external medium (cooled ethylene-glycol in the evaporator and cooling water in the condenser). - The Lorenz process can only be realized when the counter-flow heat exchangers are applied. It is necessary to use a coaxial or a plate-type exchanger. Flooded heat exchangers must be avoided, dry evaporators should be used instead. - The cooling capacity and COP with R407C are approximately 3 to 5 % lower, and the compressor power consumption during the R407C tests is up to 3 % higher than the R22 tests under the same conditions. - Although a theoretical analysis showed an increase in thermal performances (COP and cooling capacity) for the system using zeotropic mixtures, the experimental results did not confirm this [1]. The reason is the lower heat-transfer coefficients in the process with refrigerant R407C ([6] and [7]). The experimental results confirmed that the average heat-transfer coefficients for R407C are 10 to 25 % lower for evaporation and 35 % lower for condensation, compared to R22. The variation with respect to the pure refrigerant is a fractionation of the zeotropic mixtures, which is the effect of the change in the liquid and vapor phases in the evaporator and condenser ([2] and [3]). Furthermore, the blends are mixtures of two or more single-component refrigerants that have significantly different evaporation 6 8 Soldo V., ]urko T., Zanki V.: Eksperimentalno testiranje - Experimental Testing delež pare se med uparjanjem nasiti z večjim deležem topljive sestavine, medtem ko se delež manj topljive sestavine v preostali tekočini poveča. Da bi zmanjšali ta vpliv, je sistem načrtovan brez kakršnihkoli zbiralnih posod ter vodnih prenosnikov toplote. V uparjalniku hladivo teče skozi cevi in pojavi se suho uparjanje. Dvig koncentracije zeotropne zmesi je lahko odvisen od različne topljivosti komponente in mazalnega olja [3]. - Razstavitev in različna topljivost sestavin hladiva povzroči slabši prenos toplote. Zaradi teh razlogov je pri uporabi R407C za dosego enake zmogljivosti treba uporabiti večjo temperaturno razliko na prenosnikih toplote (uparjalnik in kondenzator) kakor pri R22. - Iz tega lahko povzamemo, da je R407C dobra zamenjava za R22 pri uporabah z višjimi temperaturami (od -5 0C do 10 0C), toda njegova učinkovitost se glede na R22 z zmanjšanjem temperature uparjanja zmanjšuje. Pri tem moramo opozoriti, da so bili ti preskusi opravljeni s protitočnimi prenosniki toplote (uparjalnik in kondenzator) in da lahko pričakujemo manjše učinkovitosti za prenosnike s križnim tokom, ki ne izkoriščajo kakršnegakoli zdrsa temperature. temperatures. Thus, the vapor content during the evaporation becomes saturated with the more volatile component, while the content of the less volatile component in the residual liquid increases. In order to avoid this influence, the system is designed without any receiver and flooded heat exchangers. In the evaporator, the refrigerant flows through the tubes and the dry evaporation is used. Also, the composition shift of the zeotropic mixture may result from the different solubility of its components and lubricating oil [3]. - The fractionation and different solubility of the refrigerant components causes lower heat-exchange characteristics. For these reasons, when R407C is used to achieve the same capacity, a bigger temperature difference on the heat exchangers (evaporator and condenser) than for R22 is necessary. - We can conclude that R407C is a good replacement for R22 in higher temperature applications (from -5 to 10 °C), but its performance does degrade with respect to R22 as the evaporator temperature is decreased [3]. It should also be noted that these tests were carried out with counter-flow heat exchangers (evaporator and condenser) and the performances would be expected to be lower for cross-flow exchangers, which are unable to benefit from any temperature glide. 5 SIMBOLI 5 SYMBOLS zunanja površina prenosa toplote na cevi notranja površina prenosa toplote na cevi zunanji premer cevi notranji premer cevi toplotna prehodnost dejanska dolžina ogrevanja moč elektromotorja tlak toplotni tok upornost stene specifična entropija absolutna temperatura koeficient prenosa toplote na notranji strani koeficient prenosa toplote v kolobarju toplotna prevodnost temperatura srednja logaritemska temperaturna razlika koeficient učinkovitosti hlajenja hladilna moč grelna moč Indeksi kondenzacija uparjanje etilen glikol ogrevanje Ao Ai do di k L P EM p q Rw s T ai ao l Cu J DJmoC e / COP F0 W FC W C e EG h m m2 m m W/m2K m W Pa W/m2 m2K/W J/kgK K W/m2K W/m2K W/mK oC external heat-transfer area of the tube internal heat-transfer area of the tube external diameter of the tube internal diameter of the tube overall heat-transfer coefficient effective heating length electrical motor power pressure heat flux wall resistance specific entropy absolute temperature internal heat-transfer coefficient heat-transfer coefficient on the annulus side thermal conductivity temperature log mean-temperature difference coefficient of performance-cooling cooling capacity heating capacity Subscript condensation evaporation ethylene glycol heating grin^(afcflM]SCLD VBgfFMK stran 98 Soldo V., ]urko T., Zanki V.: Eksperimentalno testiranje - Experimental Testing 6 LITERATURA 6 REFERENCES [1] Soldo, V. (2000) Development of the experimental rig for thermodynamic efficiency process operating with a zeotropic mixtures, Master of science thesis, Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture, Zagreb. [2] Cavallini, A., D. Del Col, L. Doretti, G.A. Longo, L. Rossetto (1999) Condensation of R-22 and R407C inside a horizontal tube, Proceedings of 20th International Congress of Refrigeration, IIR/IIF, Sydney. [3] Mongey, B., N.J. Hewitt, J.T. McMullan (1996) R407C as an alterative to R22 in refrigeration systems, International Journal of Energy Research, Vol. 20, 245-254. [4] McLinden, M., S. Klein, E. Lemmon, A. Peskin (1998) NIST thermodynamic properties of refrigerants and refrigerant mixtures, REFPROP Version 6.01, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg. [5] Triebe, A.R., J.W. Linton, W.K. Snelson, P.F. Hearty (1999) Cooling performance R407C and R410A compared to R22 on a constant capacity basis, Proceedings of 20th International Congress of Refrigeration, IIR/IIF, Sydney. [6] Kuo, C.S., C.C. Wang (1996) In-tube evaporation of HCFC-22 in a 9.52 mm micro-fin/smooth tube, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 39, No. 12, 2559-2569. [7] Bogart, J., P. Thors, (1999) In-tube Evaporation of R-22 and tree of its alternatives in a 15.88 mm internally Enhanced Tube, Enhanced Heat Transfer, Vol 6, 317-326. [8] Kaka, S., H. Liu (1998) Heat exchangers, University of Miami, Florida. Naslov avtorjev: mag. Vladimir Soldo profdr. TonkoČurko mag. Vlasta Zanki Fakulteta za strojništvo in ladjedelništvo Univerza v Zagrebu Ivana Lučiča 5 10000 Zagreb, Hrvaška vladimir.soldo@fsb.hr tonko.curko@fsb.hr vlasta.zanki@fsb.hr Authors’ Address: Mag. Vladimir Soldo ProfDr. TonkoČurko Mag. Vlasta Zanki Faculty of Mechanical Eng. and Naval Architecture University of Zagreb Ivana Lučiča 5 10000 Zagreb, Croatia vladimir.soldo@fsb.hr tonko.curko@fsb.hr vlasta.zanki@fsb.hr Prejeto: Received: 1.3.2002 Sprejeto: Accepted: 29.5.2003 Odprt za diskusijo: 1 leto Open for discussion: 1 year © Strojni{ki vestnik 49(2003)2,100-110 © Journal of Mechanical Engineering 49(2003)2,100-110 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 536.75:536.24 UDC 536.75:536.24 Pregledni znanstveni ~lanek (1.02) Review scientific paper (1.02) Entropijska analiza soto~nih prenosnikov toplote Entropy Analysis of Parallel-Flow Heat Exchangers Antun Galovi} - Marija @ivi} - Mladen Andrassy V prispevku obravnavamo povečanje entropije v ločilnih sotočnih prenosnikih toplote. Med delovanjem menjalnika se pojavljata dva vira entropije, vsled padca tlaka zaradi trenja in zaradi prenosa toplote. Obravnavajmo samo prenos toplote. Analiza je opravljena z matematičnim modelom, ki uporablja ista brezrazsezna števila, kakor jih je pred leti uvedel Bošnjakovič pri energijski analizi prenosnikov toplote. Ovrednoten je vpliv posameznih brezrazseznih spremenljivk (delovni pogoji sotočnega prenosnika toplote) na povečanje entropije. Izsledki so prikazani brezrazsezno v diagramih, kar jim daje bolj splošen pomen. Posebej so opisane delovne razmere sotočnega rekuperatorja, ki so povsem enake tudi pri protitočnih in križnih menjalnikih. © 2003 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: prenosniki toplote, povečevanje entropije, učinkovitost, rešitve analitične) The entropy generation in a parall-flow recuperative heat exchanger is analysed in this paper. During the operation of a heat exchanger two sources of entropy generation normally exist: the pressure drop friction) source and the heat-exchange source. Here, only the heat-exchange source is considered. The analysis is performed using an analytical mathematical model and the same non-dimensional numbers that were introduced into the energy analysis of heat exchangers by Bošnjakovič, many years ago. The influence of the individual non-dimensional variables (the operating points of the parallel-flow heat exchanger) on the entropy generation is quantified. The results are presented non-dimensionally in diagrams, which gives them a more universal meaning. Special conditions, i.e. the boundary operating conditions, of the parallel-flow recuperator, which are identical to those for counter-flow and cross-flow exchangers, are also discussed. © 2003 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: heat exchangers, entropy generation, effectiveness, analytical solutions) 0 UVOD V splošnem sta dva vzroka za povečevanje entropije v vsaki vrsti prenosnikov toplote: razlika temperatur med obema pretokoma in padec tlaka zaradi trenja v tokovih skozi prenosnik. Podrobno in sistematično analizo vpliva znižanja tlaka in temperaturne razlike dobimo v [1] in [2]. V tem prispevku ne bomo obravnavali vpliva padca tlaka na povečevanje entropije. Podobne analize najdemo tudi v novejših virih [3] in [4], ki med drugim ocenjujejo povezanost povečanja entropije in izkoristka z namenom pridobitve najugodnejših delovnih pogojev prenosnika toplote. Namen tega prispevka je prikazati povezavo med povečanjem entropije in izkoristkom sotočnih prenosnikov toplote kot odvisnost znanih brezrazseznih števil n1, n2 in n3, ki jih je v energijsko 0 INTRODUCTION There are generally two causes of entropy generation in any type of heat exchanger: the temperature difference between the flows and the pressure drop induced by the friction in the flows streaming through the exchanger. A detailed and systematic analysis of the influence of pressure drop and temperature difference of the flows may be found in [1] and [2]. In this paper the pressure drop influence on the entropy generation is neglected. Similar analyses may also be found in recent works [3] and [4] that analyse, amongst other factors, the relationship between entropy generation and the effectiveness in order to determine the optimum operating parameters of the heat exchanger. The objective of this paper is to show the relationship between entropy generation and the effectiveness of parallel-flow heat exchangers as a function of the known non-dimensional numbers p1, p2 and p3, introduced into VH^tTPsDDIK stran 100 Galovi} M., @ivi} M., Andrassy M.: Entropijska analiza - Entropy Analysis A = O A A = An Sl. 1. Potek temperature vzdolž površin sotočnega prenosnika toplote Fig. 1. Temperature change along the surface area of a parallel-flow heat exchanger analizo uvedel Bošnjakovič [4], kakor tudi pred kratkim uvedeno brezrazsežno število pT za potrebe predstavljene entropijske analize. Dobljeni model tako lahko neposredno uporabimo v optimizacijski postopek sotočnih prenosnikov toplote. 1 MATEMATIČNI ZAPIS PROBLEMA Enačbo povečanja entropije v odvisnosti od toplotne zmogljivosti ter vstopnih in izstopnih temperatur pretokov zlahka dobimo z integracijo vzdolž tokovnic obeh tekočin: the energy analysis by Bošnjakovič [4], and the newly introduced non-dimensional number pT, for the purposes of the present entropy analysis. The model obtained may thus be directly included into the parallel-flow heat-exchanger optimisation process. 1 THE MATHEMATICAL FORMULATION OF THE PROBLEM The equation for entropy generation as a function of thermal capacities and the inlet and outlet temperatures of the flows is easily obtained by an integration along the streamlines of both flows: D S& T1'' T2' ' C1ln ' + C2ln i TT (1), kjer indeksa 1 in 2 pomenita šibkejši in močnejši pretok. Pretok z večjo toplotno zmogljivostjo C = q . c imejmo za močnejšega. Z delitvijo s toplotno zmogljivostjo močnejšega pretoka C zgornja enačba postane brezrazsežna: where the indices 1 and 2 designate the weaker and the stronger flows respectively. The flow with the larger heat capacity C = qm. cp is considered to be stronger. Dividing by the heat capacity of the stronger flow C2 the above equation becomes non-dimensional: D S& C ln ln (2). Člen p v enačbi (2) je po Bošnjakovičevi zasnovi razmerje toplotnih zmogljivosti šibkejšega in močnejšega pretoka: The member p in Equation (2), according to Bosnjakovic’s concept, is the ratio of the heat capacities of the weaker and stronger flows: qc m1 p1 qc 2 m2p2 (3). Z uporabo obrazca za brezrazsežno število p1 prenosnikov toplote (kar je tudi enako izkoristku menjalnika e [4]) Using the formula for the non-dimensional number p1 of heat exchangers (which is also identical to the effectiveness of the exchanger e [4]): kakor zaradi enačbe ohranitve energije: T1' -T1'' T1' -T2' as well as the energy-conservation equation: enačbo (2) preoblikujemo v: C1 (T1' -T1'' ) =C2 (T2' ' -T2' ) Equation (2) is transformed into: D S& C p3 ln ln (4), (5), (6), | IgfinHŽšlbJlIMlIgiCšD I stran 101 glTMDDC Galovi} M., @ivi} M., Andrassy M.: Entropijska analiza - Entropy Analysis Vrednost p1 lahko izrazimo kot odvisnost med brezrazsežnima številoma p2 in p3, kakor navajajo Bošnjakovičevi učbeniki (izpeljavo funkcijske odvisnosti najdemo v [6]): The value p1 may be expressed as a function of the non-dimensional numbers p2 and p3 as it is stated in Bosnjakovic’s textbooks (the derivation of the functional relation may be found in [6]): kjer je 1-exp(-(1 + p3)p2) 1 + p3 where: C1 1 (7), (8). Z vstavitvijo (7) v (6) in označitvijo razmerja med vstopnimi temperaturami: Inserting (7) into (6), and denoting the ratio of the inlet temperatures with: pt =2' T2' T1' dobimo enačbo (6) v njeni končni obliki Equation (6) takes its final form: DS" C& p ln 1-exp(-(1 + p3)p2) 1 + p 1-p + ln 1+p 1-exp(-(1+p3)p2)r 1 1 1 + p (9), (10). Enačba (10) pove, da povečanje entropije v sotočnem prenosniku toplote lahko izrazimo z uporabo istih brezrazsežnih števil p2 in p3, kakor jih je uporabil Bošnjakovič na ravni energetske analize. Uporabiti moramo dodatno brezrazsežno število pT. Preden podamo grafično ponazoritev enačbe (10), zapišimo nekaj pripomb o posebnih primerih. a) Ko je pT = 1, enačba (10) daje D S genC2 =0, kar je pravilno, saj pomeni primer enakih vstopnih temperatur, ko ni ne spremembe toplote in ne povečanja entropije. b) V primeru izmišljenega prenosnika toplote z neskončno veliko menjalno površino, ko p2 -> oo, enačba (10) postane: Equation (10) indicates that the entropy generation of a parallel-flow exchanger may be expressed by means of the same non-dimensional numbers p2 and p3, as introduced by Bošnjakovič in the energy-level analysis. However, the additional non-dimensional number p must be used. Before the graphical presentation of Equation (10) is given, here are some comments on its special cases: a) If pT = 1, eq. (10) yields D S g /C2 =0. This is physically correct, because it represents the case of equal inlet temperatures, where there is no exchange of heat and thus no entropy generation. b) For the case of a hypothetical exchanger with an infinite heat-exchange surface area, where p2 -> oo, Eq (10) becomes: D S ge p ln 1 + p ln pT ( 1 + p3 (11), kar pomeni pri določenih vrednostih p in p povečanje entropije do končne vrednosti (vodoravna asimptota). b1) Dodatno, v primeru pretokov enakih toplotnih zmogljivosti, ko je p3 =1, postane enačba (11): indicating that the entropy generation for defined values of p and pT tends to a finite value (horizontal asymptote). b1) Additionally, in the case of flows of equal heat capacities, where p3 = 1, eq. (11) becomes: gen C ln Ap2 (1 + pt)2 4p (12). c) Kadar eden od pretokov kondenzira ali se uparja (fazna premena, npr. C = oo; p konst), postane enačba (10): 0; t2 = t2 c) When one of the flows condenses or evaporates (phase change: e.g. C2 = oo; p const), where eq. (10) becomes: 0; t2 = t2 D S dobimo nedoločeno vrednost: the undetermined value occurs: D Sgen=0-C2=0-ao (13), (14). V tem primeru je nedoločen tudi drugi člen v enačbi (1) in ga moramo spremeniti v skladu z drugim In this case the second member in Eq. (1) is also undetermined and has to be modified according VH^tTPsDDIK stran 102 Galovi} M., @ivi} M., Andrassy M.: Entropijska analiza - Entropy Analysis zakonom termodinamike, glede na nespremenljivo to the Second law of thermodynamics, regarding the temperaturo močnejšega pretoka: constant temperature of the stronger flow: D Sgen=C1ln T t1' ' C1 ( t1'-t1'' ) (15), ki se, po izločitvi t1'' in uporabi enačb (4), (7) in (9), spremeni v želeno obliko: D S which, after eliminating T1'' and using Eq. (4), (7) and (9), is transformed into the required form: C1 ln(exp ( -p2 ) + pT(1-exp ( -p2 ) ))+-----1 (1-exp ( -p2 ) ) Če enačbi (10) in (16) delimo z izkoristkom e = p1, dobimo razmerja D S genC2 e in D S g/C1 e, ki podajajo obseg pozitivnega povečanja entropije glede na hitrost prenosa toplote: (16). If the Eq. (10) and (16) are divided by the effectiveness e = p1, the ratia D S genC2e and DS /C1e are obtained, as relevant indicators of the range where the entropy generation is acting positively on the exchanged-heat flow rate: D S n 1 p1 p3 ln f 1 V C2e D S en 1-exp(-(1 + p3)p2) 1 + p 1-p ln 1 + p 1-exp(-(1 + p3)p2)( 1 + p C1e ln(exp ( -p2 ) +pT(1-exp ( -p2 ) ))+-----1 (1-exp ( -p2 ) ) (17), (18) , kjer p1 v (17) izračunamo po (7) oziroma v (18) z: where p1 in (17) is calculated according to (7), and in (18) according to: p1 =1-exp(-p2 (19). 2 GRAFIČNA PONAZORITEV IZRAČUNA POVEČANJA ENTROPIJE Podani matematični postopek smo prelili v računalniški zapis z uporabo Fortrana, rezultate pa prikažimo grafično. Seveda mora biti graf enačbe (10) prostorski, saj je odvisnost brezrazsežne vrednosti D S g /C2 funkcija p2, p 3 in p. Ustrezno diagram na sliki 2 kaže povečanje entropije v odvisnosti od p2 in p3 za ravni ploskev pt = 2, 4, 6, 8 in 10, medtem ko diagram na sliki 3 predstavlja isto odvisnost za pt = 0,2 , 0,4 , 0,6 , 0,8 in 1,0. Iz diagramov lahko razberemo, da vse parametrične krivulje pT kažejo ničelno povečanje entropije pri p3 = 0, kar smo že poprej opisali pod c) med pripombami o posebnih primerih. Povečanje entropije v tem primeru je prikazan v diagramih na slikah 4 in 5. Diagrama na sliki 4a in 4b sta narisana po enačbi (16) za vse vrednosti parametra p= 0,2 do 1,0 in 2,0 do 10,0. Vrednosti odvisnosti iz (18) so prav tako podane v teh diagramih. Diagram na sliki 5, narisan za p = 1,0 in p3 = 0, jasno kaže vpliv pT na brezrazsežno povečanje entropije. Diagrami na slikah 6 in 7 podajajo vrednosti, dobljene z uporabo enačb (10) in (17) za p3 = 0,5 in pT 0,2 do 1,0 oziroma za p3 = 0,5 in pT = 2,0 do 10,0. Diagrami na slikah 8 in 9 ovrednotijo iste spremenljivke za p = 1,0. 2 GRAPHICAL PRESENTATION OF THE ENTROPY-GENERATION CALCULATION The presented mathematical procedure was put into a calculation algorithm using Fortran, and the results are presented graphically. It is obvious that the graph of Eq. (10) must be three dimensional, because the non-dimensional value D S gen /C2 is the function of p2, p3 and pT Accordingly, the diagram in Fig. 2 displays the entropy generation as a function of p2 and p3 through the niveau surfaces pT = 2, 4, 6, 8 and 10, while the diagram in Fig. 3 represents the same relationship for p = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0. It can be seen from the diagrams that all the parametric curves pT give a zero-entropy generation for p3 = 0, which is explained above in part c) of the comments on special cases. The entropy generation for this case is presented in the diagrams in Figures 4 and 5. The diagrams in Figure 4a and 4b are plotted according to Eq. (16) for all the parametric curves pT = 0.2 to 1.0 and 2.0 to 10.0 respectively. The values of the function defined by (18) are shown in the same diagrams. The diagram in Fig. 5, drawn for p2 = 1.0 and p3 = 0, clearly indicates the influence of pT on the non-dimensional entropy generation. The diagrams in Figure 6 and 7 represent the values obtained by using equations (10) and (17) for p3 = 0.5 and pT = 0.2 to 1.0, and for p3 = 0. 5 and pT = 2.0 to 10.0, respectively. The diagrams in Figure 8 and 9 quantify the same variables for p3 = 1.0. | IgfinHŽšlbJlIMlIgiCšD I stran 103 glTMDDC Galovi} M., @ivi} M., Andrassy M.: Entropijska analiza - Entropy Analysis D S gen C2 pT =10 pT =8 pT =6 pT =2 p 3 1 4 Sl. 2. Brezrazsežno povečanje entropije v sotočnem prenosniku toplote v odvisnosti od p2 in p3 pri pT = 2, 4, 6, 8 in 10 kot parametri Fig. 2. Non-dimensional entropy generation of a parallel-flow heat exchanger as a function of p2 and p3 with pT = 2, 4, 6, 8 and 10 as parameters pT =0,2 pT =0,4 pT =0,6 pT =0,8 p 3 Sl. 3. Brezrazsežno povečanje entropije v sotočnem prenosniku toplote v odvisnosti od p2 in p3 pri pT = 0,2 , 0,4 , 0,6 , 0,8 in 10,0 kot parametri Fig. 3. Non-dim f p2 andp3 4 3.5 3 2 1.5 1 0.5 DS C --------?--------;tpT = --------A--------ttpT = --------v— pT = ----------¦--------- pSGT 1= -----------*----------- pSGT 1= ----------¦---------- pSGt 1= ------------»------------ pSGT 1= ----------T---------- pSGT 1= ________ e 1 E0P,2 1 E0P,4 1 E0P,6 1 E0P,8 1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 01234 p2 Sl. 4a. Brezrazsežno povečanje entropije in razmerje brezrazsežnega povečanja entropije s toplotnim izkoristkom v odvisnosti od p2 in parametrične krivulje pT = 0,2 do 1,0 za p3 = 0 Fig. 4a. Non-dimensional entropy generation and the ratio of non-dimensional entropy generation to heat transfer effectiveness as a function of p2 and the parametric curves pT = 0.2 to 1.0 for p3 = 0 VBgfFMK stran 104 lysis D S gen (Cč DS^/C 1 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 ------m-^-a— DS gen( C e) SpGT 1= E 2P ------A------ SpGT 1= E 4P ------0------ SpGT 1= E 6P —>— SpGT 1= E 8P —v----- SpGT 1= E 1P0 DS C, SpGT1 = 2 » SpGT1 = 4 SpGT1 = SpGT1 = SpGT1 = 6 ------T------ 10 0 &=-~—,—,—i—,—,—,—,—i———,—i,,—. 01234 Sl. 4b. Brezrazsežno povečanje entropije in razmerje brezrazsežnega povečanja entropije s toplotnim izkoristkom v odvisnosti od n2 in parametrične krivulje nT = 2,0 do 10,0 za n= 0 Fig. 4b. Non-dimensional entropy generation and the ratio of non-dimensional entropy generation to heat transfer effectiveness as a function of^ and the parametric curves nT = 2.0 to 10.0 for k3 = 0 5 -•— D S gen(C^) DS/C 1 4 " 3 - 2 - I I 1 - i 0 -¦— K2=1 1 2 3 4 5 6 7 8 910 pT Sl. 5. Brezrazsežno povečanje entropije in razmerje brezrazsežnega povečanja entropije s toplotnim izkoristkom v odvisnosti od nT za n2 = 1,0 in k= 0 Fig. 5. Non-dimensional entropy generation and the ratio of non-dimensional entropy generation to heat transfer effectiveness as a function of nT for n2 = 1.0 and k3 = 0 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 DS /C 2 D S gen(C2s) T = 0,2 7tT = 0,4 ~* «t = 0,6 *------«t = 0,8 "* 7CT = 1 --------s 0 Qr:-r-T=^-, 01234 m2 Sl. 6. Brezrazsežno povečanje entropije in razmerje brezrazsežnega povečanja entropije s toplotnim izkoristkom v odvisnosti od n2 in parametrične krivulje nT = 0,2 do 1,0 za n = 0,5 Fig. 6. Non-dimensional entropy generation and the ratio of non-dimensional entropy generation to heat transfer effectiveness as a function of n2 and the parametric curves nT = 0.2 to 1.0 for n3 = 0.5 ^vmskmsmm 03-2 stran 105 | ^BSSITIMIGC Galovi} M., @ivi} M. D S gen (C2e) DS /C 2 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 <5==——¦—¦ D S gen ( C2e) ------D---- -----A---- DS /C 2 GpET P= 2 GpET P= 4 GpET P= 6 GpET P= 8 pSTG = 2 pSTG = 4 pSTG = 6 pSTG = 8 0 1234 Sl. 7. Brezrazsežno povečanje entropije in razmerje brezrazsežnega povečanja entropije s toplotnim izkoristkom v odvisnosti od p2 in parametrične krivulje pT = 2,0 do 10,0 za p3 = 0,5 Fig. 7. Non-dimensional entropy generation and the ratio of non-dimensional entropy generation to heat transfer effectiveness as a function of p2 and the parametric curves pT = 2.0 to 10.0 for p3 = 0.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 D S gen(C2e) DSJC 2 -----n----- e) pT = SGEP 0,2 ------A------ SGpET P= 0,4 ___o___ SGpET P= 0,6 —t— SGpET P= 0,8 —v— SGpET P= 1 D S genC 2 STG p = 0,2 STG p = 0,4 STG p = 0,6 STG p = 0,8 STG p e Ep 0 — SGpET P= 8 ---------v--------- p = 10 SGET P DSJC 2 pSTG = 2 pSTG = 6 pSTG = 8 pSTG = 10 Ep e 0 «SP^—¦—¦—' 0 1234 Sl. 9. Brezrazsežno povečanje entropije in razmerje brezrazsežnega povečanja entropije s toplotnim izkoristkom v odvisnosti od p2 in parametrične krivulje pT = 2,0 do 10,0 za p3 = 1,0 Fig. 9. Non-dimensional entropy generation and the ratio of non-dimensional entropy generation to heat-transfer effectiveness as a function of p2 and the parametric curves pT = 2.0 to 10.0 for p3 = 1.0 grin^sfcflMiscsD ^BsfTTWHIK | stran 106 Galovi} M., @ivi} M., Andrassy M.: Entropijska analiza - Entropy Analysis 2.1 Razlaga diagramov Prostorski diagrami na slikah 2 in 3 povedo, da povečanje entropije pri določeni vrednosti p praktično doseže svoje asimptotične vrednosti, kadar p2 postane večji od ena. Te asimptotske vrednosti so podane z enačbami (11) in (12). Lahko tudi vidimo, da se brezrazsežno povečanje entropije zmanjša s povečanjem pT med 0 in 1,0. Za p = 1,0 ni povečanja entropije. (To je razumljivo, saj sta pri p = 1,0 temperaturi vstopnih pretokov enaki, kar pomeni nespremenljivost entropije). Seveda novo povečanje pT prek vrednosti 1 pomeni povečanje entropije. Nespremenljivost entropije velja za vsak pT, če je p3 = 0. Zato definirano brezrazsežno povečanje entropije D S genC2 ni primerno za reševanje tega posebnega primera, saj daje nedoločeno vrednost 0 oo za DSgen. Rešitev takega primera kažejo diagrami na slikah 4a, 4b in 5, ki so dobljeni z uporabo enačb (16), (18) in (19). Prekinjane črte v diagramih podajajo vrednosti D S gen/(eC1 ) in polne črte ustrezno D S g/C1. Zanimivo je pripomniti o spremembi vrednosti D S genl(eC1). Vidimo, da se vsaka krivulja za dano vrednost pT monotono zniža od vrednosti za p = 0 do asimptotične vrednosti (vodoravna asimptota), če p2 -> oo. Izračunane so iz enačbe (18). Če p2 = 0, tj. C2 -> oo vstavimo v (18), dobimo nedoločeno vrednost 0/0. Z uporabo L’Hospitalovega pravila zlahka pokažemo, da je: 2.1 Interpretation of the diagrams The three-dimensional diagrams in Figure 2 and 3 indicate that the entropy generations for given values of pT effectively reach their asymptotic values when p2 becomes larger than one. These asymptotic values are quantified by Equations (11) and (12). It can be seen that the non-dimensional entropy generation becomes smaller with the rise of pt from 0 to 1.0. For pT = 1.0 the entropy generation is zero. (This is physically justified because for pT = 1.0 the inlet temperatures of the flows are equal, thus yielding no entropy generation). However, further increasing pT above the value of 1 increases the entropy generation again. The entropy generation is zero for each pT when p3 = 0. Thus, the defined non-dimensional entropy generation D S g C2 is not suitable for the solution of this special case because it gives the undefined value 0 oo for DSgen. The solution of this problem is presented in the diagrams in Figure 4a, 4b and 5, obtained by using Equations (16), (18) and (19). The dotted lines in the diagrams give the values of D S,gen/(eC1), and the full lines the ones of D S gC1. It is interesting to note the change of the value D S gen l(eC1). It is clear that each curve for a given value of pT drops monotonously from the value for p2 = 0 to the asymptotic value (horizontal asymptote), when p2 -> oo. They are calculated from Equation (18). If p2 = 0, i.e. C2 -> oo is inserted into (18), the undefined form 0/0 is obtained. Using the L’Hospital rule it is easily shown that: D S& eC (p =0) Kaj pravzaprav predstavlja desna stran enačbe (20)? Odgovor zlahka dobimo, če zapišemo enačbo brezrazsežne spremembe entropije zaradi menjave toplote pri različnih temperaturah, na različnih prenosnih površinah: d S& Z vstavitvijo T1=T1= konst. in T2=T2 = konst. v (21), ob uporabi (9), postane prvi člen na desni strani (21) povsem enak desni strani (20). To pomeni, da enačba (20) dejansko predstavlja največje povečanje entropije, ki je neposredno povezano z vstopnima temperaturama obeh pretokov. Praktično uporabo tega najdemo v prenosnikih toplote, kjer oba pretoka prestaneta fazni premeni. Tam imata tokova neskončno toplotno zmogljivost, saj eden kondenzira in se drugi uparja. Asimptotično vrednost DS* en f(eC1) na slikah 4a in 4b dobimo z vstavitvijo p J oo v enačbo (18): D S& (p -1) (20). What is actually represented on the right-hand side of Equation (20)? The answer is easily obtained by establishing the non-dimensional equation of entropy generation due to heat exchange at different temperatures on a differential exchange surface area: (T1 -T2 TT k dA (21). By inserting T1=T1 = const. and T2=T2 = const. into (21), and by using (9), the first term on the right-hand side of (21) becomes identical to the right-hand side of (20). This means that equation (20) in fact represents the maximum entropy generation, which is directly related to the inlet temperatures of both flows. The practical application of this may be found in heat exchangers, where both flows undergo a phase change. There the flows have an infinite heat capacity because one condenses and the other evaporates. The asymptotic value of DS* /(eC) in Figure 4a and 4b are obtained by inserting p2 1 oo into Equation (18): eC1 ln (p 1-p (22). | IgfinHŽšlbJlIMlIgiCšD I stran 107 glTMDDC Galovi} M., @ivi} M., Andrassy M.: Entropijska analiza - Entropy Analysis Diagram na sliki 5 predstavlja brezrazsežno spremembo entropije D S gen/C1 in DS* (eC1) v odvisnosti od pT za p2 = 1,0 in p3 = 0. Jasno se vidi iz diagrama, ob rasti pT v območju 0 < pT < 1 se obe izračunani vrednosti strmo znižata in se izničita pri p = 1. Za pT > 1 je povečanje izračunane vrednosti počasnejše, saj se sprememba entropije DS* en/C1 nagiba v neskončnost, ko se pt nagiba k nič ali v neskončnost. To zlahka dokažemo z analizo enačbe (16). Kadar prenosnik toplote deluje v območju 0 < pT < 1, rahel upad pT bistveno poveča entropijo. Čeprav so bili diagrami na slikah 4a, 4b in 5 izdelani z enačbami, ki veljajo za sotočne prenosnike toplote, so iste rešitve veljavne tudi za protitočne in križne prenosnike toplote, saj je p3 = 0. Diagrami na slikah 6 in 7 dajejo brezrazsežne vrednosti D S genC1 in D S gen (eC1) v odvisnosti od p2 za p3 = 0,5. Na sliki 6 so narisane krivulje za pT = 0,2 do 1,0, na sliki 7 pa za pT = 2,0 do 10,0. Na obeh diagramih so krivulje izkoristka The diagram in Figure 5 presents the non-dimensional entropy generations DS* en/C1 and D S gen ( eC1 ) as a function of p for p2 = 1.0 and p3 = 0. It is clear from the diagram tat for pT rising in the interval 0 < pT < 1, both the ordinate values drop steeply and become zero for pT = 1. For pT > 1 the rise of the ordinate values is slower because the entropy generation D S g IC1 tends to infinity when pT tends to zero or to infinity. This is easily proven by analysing Equation (16). If the heat exchanger is operated in the range 0 < pT < 1, a slight decrease of pT significantly increases the entropy generation. Although the diagrams in Figure 4a, 4b and 5 were obtained according to the equations for parallel-flow heat exchangers, the same solutions are valid for counter-flow and cross-flow heat exchangers because of p3 = 0. The diagrams in Figure 6 and 7 represent the non-dimensional values DS* /C1 and DS* /(eC1) as functions of p2 for p3 = 0.5. In Figure 6 the curves for pT = 0.2 to 1 are plottedUnd in Figure 7 for pT = 2.0 to 10.0. In both diagrams the curve for the effectiveness: p1 = 1-exp -1,5p2 23( ()) (23) prav tako narisane. V obeh primerih kažejo diagrami, da se pri takšnih prenosnikih toplote pojavi največja vrednost izkoristka, praktično pri p2 = 3,0 (e = 0,659). Nadaljnje večanje p2 pomeni povečanje entropije, ob zanemarljivem izboljšanju izkoristka. Nazadnje, diagrami na slikah 8 in 9 kažejo brezrazsežne vrednosti D S ge /C1 in DS* /(eC1 )v odvisnosti od p2 za p = 1,0 oziroma vrednosti parametrov pT = 0,2 do 1,0 in pT = 2,0 do 10,0. Krivulja izkoristka is also drawn. For both cases the diagrams indicate that for such heat exchangers the maximum effectiveness value is practically achieved for p2 = 3.0 (e = 0.659). A further increase of p2 only results in entropy generation, with an insignificant improvement of the effectiveness. Finally, the diagrams in Figure 8 and 9 represent the non-dimensional values D S g C1 and D S gen ( eC1)as functions of p2, for p = 1.0 and parametric values of pT = 0.2 to 1.0 and pT = 2.0 to 10.0 respectively. The effectiveness curve: e =p1= 1-exp -2p2 12( ()) (24) je prav tako vnesena v diagramih. Slike jasno kažejo, da je povečanje entropije zelo blizu svoje asimptotične vrednosti pri p2 = 2,5. Nadaljnje večanje p2 daje enakomerno rast entropije ob zanemarljivem vplivu na izboljšanje izkoristka. Glede na sliko 8 smemo poudariti, da povečanje pT v območju 0,2 do 0,8 enakomerne rasti entropije pomeni bistven vpliv na povečanje e v širokem območju spremenljivke p2. Po sliki 9 velja podoben izrek za zmanjšanje pT od 10,0 do 2,0. 3 SKLEP Izvedena analiza entropije sotočnih prenosnikov toplote je dokazala, da povečanje entropije lahko podamo z istimi brezrazsežnimi veličinami p1, p2 in p3 , kakor pri energijski analizi, z dodatnim brezrazsežnim številom pT. Entropijska analiza kaže neposredno povezanost med izkoristkom e in povečanjem entropije. Prikazali smo, is also plotted in the diagrams. The figures clearly indicate that the entropy generations are very close to their asymptotic values for p2 = 2.5. A further increase of p2 yields constant entropy generation with negligible influence on the improvement of effectiveness. Referring to Figure 8, it should be emphasized that increasing pT in the range 0.2 to 0.8 the constant entropy generation has a significant influence on the increase of e in a wide range of the variable p2. According to Figure 9, the same can be said for decreasing pT from 10.0 to 2.0. 3 CONCLUSION The performed entropy analysis of parallel-flow heat exchangers has proven that entropy generation can be represented using the same non-dimensional characteristics p1, p2 and p3, used in the energy analysis, and the additional non-dimensional number pT. The entropy analysis reveals a direct connection between the effectiveness e and the VH^tTPsDDIK stran 108 Galovi} M., @ivi} M., Andrassy M.: Entropijska analiza - Entropy Analysis da je povečanje entropije veliko, kadar je razlika med toplotnima zmogljivostima obeh pretokov velika. Največja je, kadar en pretok spremeni fazo (p3 = 0), ter najmanjša kadar sta toplotni zmogljivost enaki (p = 1). Razmere so prav nasprotne glede izkoristka e prenosa toplote. Prav tako je prikazano, da za 0 < p < 1 povečanje brezrazsežne značilnice menjalne površine p2 = kA0/C1 učinkuje samo do določene vrednosti, nato pa se entropija le povečuje ob praktično nespremenljivem izkoristku. Brezrazsežne značilnice p p in 12 p3, uporabljene v tem prispevku, je uvedel že Bošnjakovič za svoje energijske izračune prenosnikov toplote. Sedanji način izračuna entropije z uporabo dodatne značilnice p dodaja več splošnosti pri problemih sotočnih prenosnikov toplote. entropy generation. It was shown that the entropy generation is large when the difference between the heat capacities of the heat exchanging flows is big. It is largest when one of the flows changes its phase (p3 = 0), and smallest when the flow heat capacities are equal (p3 = 1). The situation is just the opposite for the heat-transfer effectiveness e. Further, it was shown that for 0 < p3 < 1, increasing the non-dimensional exchanger area characteristic p2 = kA/C1 is useful only to a limited value, after which only entropy is produced with a practically constant effectiveness. The non-dimensional characteristics p1, p2 and p3 used in this paper were introduced by Bošnjakovič for his energy calculation of heat exchangers. This approach to the entropy calculation, using the additional characteristic pT, adds more generality to the problem of parallel heat-exchanger analysis. površina toplotne menjave specifična toplota pri p=konst. šibkejšega oz. močnejšega pretoka toplotna zmogljivost šibkejšega oz. močnejšega pretoka izkoristek prenosnika toplote celotni količnik prenosa toplote brezrazsežno razmerje šibkejšega oz. močnejšega pretoka vstopne temperature brezrazsežna temperaturna značilnica prenosnika toplote brezrazsežna površinska značilnica prenosnika toplote brezrazsežna značilnica razmerja zmogljivosti šibkejšega oz. močnejšega pretoka pretočna količina šibkejšega oz. močnejšega pretoka celotno povečanje entropije v prenosniku toplote absolutna vstopna in izstopna temperatura šibkejšega pretoka absolutna vstopna in izstopna temperatura močnejšega pretoka 4 OZNAKE 4 NOMENCLATURE A c, c P1 P2 m2 J/(kg K) C1,C2 W/K e k pT -W/(m2K) - p1 - p2 - p3 - q, q m1 m2 kg/s D S&gen W/K T1' ,T1'' K T2',T2' ' K 5 LITERATURA 5 REFERENCES heat-exchange surface area specific heat capacity at p=const. of the weaker and stronger flow respectively heat capacity of the weaker and stronger flow respectively heat-exchanger effectiveness overall heat-transfer coefficient non-dimensional relation of the weaker and stronger flow input temperatures non-dimensional temperature characteristic of the heat exchanger non-dimensional heat-exchanger area characteristic non-dimensional characteristic of the weaker and stronger flow heat-capacity ratio mass flow rate of the weaker and stronger flow respectively overall entropy generation of the heat exchanger absolute input and output temperatures of the weaker flow absolute input and output temperatures of the stronger flow [1] [2] [3] [4] [5] [6] Bejan, A. (1996) Entropy generation minimization, CRC Press, New York.. Bejan, A. (1988) Advanced engineering thermodynamics, John Willey & Sons, New York. Guo, Z.Y., S. Zhou, Z. Li, L. Chen (2001) Theoretical analysis and experimental confirmation of the uniformity principle of temperature difference field in heat exchanger, International Journal of Heat and Mass Transfer 45 (10), 2119-2127 Can, A., E. Buyruk, D. Eriner (2002) Exergoeconomic analysis of condenser type heat exchanger, Exergy, an International Journal 2, 113-118 Bošnjakovič, F. (1950) Nauka o toplini, dio prvi, Tehnička knjiga, Zagreb. Galovič, A. (1997) Nauka o toplini II, Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb. Galovi} M., @ivi} M., Andrassy M.: Entropijska analiza - Entropy Analysis Naslovi avtorjev: prof.dr. Antun Galovič prof.dr. Mladen Andrassy Fakulteta za strojništvo in ladjedelništvo Univerza v Zagrebu Ivana Lučiča 5 10000 Zagreb, Hrvaška antun.galovic@fsb.hr mladen.andrassy@fsb.hr dr. Marija Živič Fakulteta za strojništvo v Sl. Brodu Univerza v Osijeku Authors’ Address: Prof.Dr. Antun Galovič Prof.Dr. Mladen Andrassy Faculty of Mechanical Eng. and Naval Architecture University of Zagreb Ivana Lučiča 5 10000 Zagreb, Hrvatska antun.galovic@fsb.hr mladen.andrassy@fsb.hr Dr. Marija Živič Faculty of Mech. Eng. Sl. Brod University of Osijek Prejeto: Received: 7.10.2002 Sprejeto: Accepted: 29.5.2003 Odprt za diskusijo: 1 leto Open for discussion: 1 year VH^tTPsDDIK stran 110 © Strojni{ki vestnik 49(2003)2,111-118 © Journal of Mechanical Engineering 49(2003)2,111-118 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 669.71:620.179.11 UDC 669.71:620.179.11 Pregledni znanstveni ~lanek (1.02) Review scientific paper (1.02) Izbrani vidiki celovitosti povr{ine aluminijeve zlitine pri obi~ajni in obdelavi z velikimi hitrostmi: Spremembe mikrotrdote in hrapavosti povr{ine Selected Aspects of the Surface Integrity of Aluminium Alloy in High-Speed Machining: Microhardness Variations and Surface Roughness David Vane~ek - Jan Mádl - Mirko Sokovi} Prispevek se ukvarja s kakovostjo in celovitostjo površine aluminijeve zlitine, nastale pri običajni in obdelavi z velikimi hitrostmi(VHO) . V študiji so uporabljena orodja iz karbidne trdine skupine K. Predstavljeni so rezultati analize mikrotrdote in hrapavosti površine. Meritve mikrotrdote so izvedene tik pod obdelano površino. Analize obdelane površine so predstavljene v območju parametrov hrapavosti površine. Razmerja med spremembami mikrotrdote in hrapavostjo površine so dobljene iz analiz. © 2003 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: zlitine Al, obdelave visokohitrostne, integriteta površin, hrapavost površin, mikrotrdota) This paper deals with the quality and integrity of the surface produced during aluminium-alloy high-speed machining (HSC). Carbide type-K tools were used in this study. The results of the microhardness and surface-roughness analyses are presented. The microhardness measurements were conducted beneath the machined surface. The analyses of the surface produced are presented in a range of surface-roughness parameters. Relations between microhardness variations and surface roughness were obtained from the analyses. © 2003 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: Aluminium alloys, high speed machining, surface integrity, surface roughness, microhardness) 0 UVOD Parametri, ki se nanašajo na celovitost obdelane površine, so odločilni pri delovanju površine različnih delov. Celovitost površine je zbirka značilnosti, ki opisuje funkcionalne lastnosti površine. To pomeni, da celovitost površine ne popisuje samo topološki vidik površin ter njihove fizikalne in kemične lastnosti, temveč tudi mehanske in metalurške lastnosti in značilnosti. Zapletena teoretična in eksperimentalna raziskava še ni bila do sedaj opravljena za obdelavo z veliko hitrostjo. Seveda lahko eksperimentalno raziskavo podpremo s simulacijo, z uporabo ustrezne programske opreme za simulacijo. Eksperimentalna raziskava, ki temelji na izbranih vidikih obdelave z veliko hitrostjo, je bila opravljena na Češki tehnični univerzi (ČTU) v Pragi. Več poročil o mikrotrdoti in hrapavosti površine, nastalih na površini obdelovanca med obdelovanjem z veliko hitrostjo, je bilo v zadnjem obdobju objavljenih v literaturi ([1] do [10]). 0 INTRODUCTION Parameters that are related to the integrity of a machined surface are decisive when it comes to the functioning of surface components. The integrity of any surface is a collection of the characteristics that describe the functioning property of the surface. This means that surface integrity describes not only the topological aspects of the surfaces and their physical and chemical properties, but also their mechanical and metallurgical properties and characteristics. Complex theoretical and experimental research has not yet been carried out for high-speed machining. However, experimental research can be supported by simulations using suitable software for these simulations. Complex experimental research on selected aspects of HSC is the object of the research being carried out at the Czech Technical University (CTU) in Prague. Several reports on the microhardness and surface roughness induced on workpiece surfaces during high-speed machining have appeared in the literature ([1] to [10]). gfin^OtJJIMISCSD 03-2 stran 111 | ^BSSITIMIGC Vane~ek D., Mádl J., Sokovi} M.: Izbrani vidiki integritete - Selected Aspects of the Surface 1 EKSPERIMENTALNO DELO Obdelava z veliko hitrostjo aluminijeve zlitine, brez hlajenja je bila opravljena z uporabo rezalnih orodij iz karbidne trdine skupine K, na obdelovalnem stroju Taimac - ZPS Zlin MCFV 5050LN. Kot obdelovani material je bila uporabljena aluminijeva zlitina Al 7075. Lastnosti obdelovanega materiala sta bili: natezna trdnost 480 MPa, meja elastičnosti 390 MPa. Postopek predelave zajema valjanje z raztopnim žarjenjem, toplotno obdelavo, gašenje (1,5 do 3 % nadzorovani raztezek), stopenjsko staranje, brez utrjevanja po raztezanju. Rezalni parametri: Rezalna hitrost je bila od 200 do 1600 m/min, podajanje na zob orodja f = 0,1 mm, globina rezanja ap = 1 mm. Pri vseh preizkusih je bila uporabljena nova frezalna glava FRU90 11335 in izmenljive ploščice iz karbidne trdine skupine K ADMX 12T 306ER, proizvajalca Fette, ZRN. Premer frezalne glave je bil 63 mm. Za merjenje parametrov hrapavosti površine je bila uporabljena naprava Taylor-Hobson, za merjenje mikrotrdote pa merilnik mikrotrdote z video merilnim sistemom. 2 REZULTATI EKSPERIMENTALNEGA DELA IN RAZPRAVA 2.1 Analiza hrapavosti površine Dve vrsti parametrov je bilo izmerjenih. Najprej parametri hrapavosti površine Ra, Rq, Ry, Rtm, Rv, Rp, Sm, Aq, Rsk, Rku, S, R3Z, Rpm, R nato pa še parametri valovitosti Wa, Wq, Wt, Wv, Wp, Aq. Da bi izpolnili statistično verodostojnost, smo vse parametre izmerili po petkrat na vseh vzorcih. Analiza rezultatov, podana na sliki 1 (a, b), kaže spremembe parametrov hrapavosti površine in valovitosti za različne rezalne hitrosti. Slika 1 (a, b) kaže obstoj dveh najmanjših vrednosti (pri rezalnih hitrostih 600 in 1200 m/min) pri večini izbranih parametrov. Ti dve vrednosti, ki jih opazimo pri približno enakih hitrostih, nista razložljivi z vibracijami stroja. Vibracije glavnega vretena so bile prav tako analizirane. Izbrani rezultati so predstavljeni na sliki 2 pri rezalni hitrosti 500 m/min oz. 1000 m/min. 2.2 Analiza mikrotrdote obdelane površine Lastnosti površine obdelovanca so močno odvisne od krivulje mikroutrjevanja. Oblika krivulje mikroutrjevanja ima lahko pozitiven ali negativen vpliv na kakovost površine. Globina in lastnosti mehansko utrjene plasti so odvisne od dejavnikov, to so: uporabljena metoda predelave, trenje pri drsenju, ki mu je bila površina izpostavljena, pa tudi material obdelovanca. ^BSfirTMlliC | stran 112 1 EXPERIMENTAL WORK Dry aluminium-alloy high-speed machining was performed using carbide type-K cutting tools on a Taimac - ZPS Zlin MCFV 5050LN machine tool. The aluminium alloy Al 7075 was used as the workpiece material. The properties of the workpiece material were: tensile strength 480 MPa, and proof stress 390 MPa. The method of production was rolled with solution, heat-treated, quenched. 1.5 to 3% controlled strenched and step aged, not straightened after stretching. The cutting specifications were: cutting speed, from 200 to 1600 m/min; the feed per tooth, f = 0.1; the depth of cut, ap = 1mm. For all the experimental work we used a new tool and inserts manufactured by Fette: Milling cutter FRU90 11335 with ADMX 12T 306ER chips. The chips were made of Type-K carbide. The cutter diameter was 63 mm. A Taylor-Hobson device was used for measuring the surface-roughness parameters, and a microhardness tester with a video measuring system used for the microhardness measurements. 2 EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION 2.1 Surface-roughness analysis Two kinds of parameters were measured. First, the surface-roughness parameters Ra, Rq, Ry, Rtm, Rv, Rp, Sm,Aq, Rsk Rku, S, R3Z, Rpm, R3 Then, the waviness parameters Wa, Wq, Wt, Wv, Wp, Aq. For the purposes of statistical verification, the parameters were measured five times for all the samples. An analysis of the results presented in Fig. 1 (a, b) shows the changes in the surface-roughness parameters (Fig. 1 - a) and the parameters of waviness (Fig. 1 - b) for different cutting speeds. Fig. 1 (a, b) show that two minima exist (600, 1200 m/min cutting speed) for most of the selected parameters. These two minima, which are observed at approximately the same speeds, cannot be explained by machine vibrations. The machine spindle vibrations were also analysed. Selected results are presented in Fig. 2 - a, 500 m/min, and Fig. 2 - b, 1000 m/min cutting speed. 2.2 Microhardness analysis of the produced surface The properties of the surface of the workpiece depend considerably on the microhardening curve. The shape of the microhardening curve can have a positive or negative influence on surface quality. The depth and properties of the work-hardened layer depend on factors such as the processing method used, the frictional sliding to which the surface was subjected and also the workpiece material. Vane~ek D., Mádl J., Sokovi} M.: Izbrani vidiki integritete - Selected Aspects of the Surface a) Ra Rq -- -Rtm -•*- Ry 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 T .*: X-.. •^ N^l^' 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Rezalna hitrost / Cutting speed (m/min) b) Wa Wq -.±--Wt 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Rezalna hitrost / Cutting speed (m/min) Sl. 1. Hrapavost površine (a) in valovitost (b) za površine, obdelane pri rezalnih hitrostih od 200 do 1600 m/min Fig. 1. Surface-roughness (a) and waviness (b) variations for a surface produced at cutting speeds from 200 to 1600 m/min "-^^¦l-l' ¦>'•'»'•'»• Sl. 2. Autospekter vibracij glavnega vretena Fig. 2. Autospectrum - relation between amplitude of velocity (m/s) and frequency (Hz) gnn^nwiRaieKE 03-2 stran 113 | ^BSSIrTMlGC Vane~ek D., Mádl J., Sokovi} M.: Izbrani vidiki integritete - Selected Aspects of the Surface Obseg sprememb mikrostrukture pod površino ter spremembe mikrotrdote v površinski plasti so bile tudi merjene. Slika 3 prikazuje praktičen primer merjenja mikrotrdote, slika 4 pa podrobno ponazarja spremembe mikrotrdote v globino pod obdelano površino, nastalo pri različnih rezalnih hitrostih: (a) 200, 400 in 500 m/min; (b) 600, 800 in 900 m/min; (c) 1000, 1100 in 1300 m/min; (d) 1400, 1500 in 1600 m/min. Za stopnjo mehanskega utrjevanja K (ki je lahko izračunana iz povprečnih vrednosti (sl. 5 a), oziroma iz največjih vrednosti (sl. 5 b)), lahko vzamemo, da je: The extent of the changes in the subsurface microstructure and the subsurface microhardness were measured. Figure 3 shows the measurements of microhardness. Figure 4 details the variations in the microhardness with depth beneath the machined surface produced by different cutting speeds (Figure 4 – a: 200, 400 and 500 m/min; 4 – b: 600, 800 and 900 m/min; 4 – c: 1000, 1100 and 1300 m/min; 4 – d: 1400, 1500 and 1600 m/min ). Fig. 5 Rate of the work hardening Kz, which can be assumed to be: a) Sl. 3. Merjenje mikrotrdote Fig. 3. Measurement of microhardness 200 190 180 170 160 150 c) 0,5 1 1,5 2 2,5 Globina pod obdelano površino / Distance beneath machined surface (mm) 1000 m/min 1100m/min 1300m/min 200 190 180 170 160 150 b) 185 180 175 170 165 160 155 d) 200 190 180 170 160 150 600 m/min 800 m/min 900m/min 0 0,5 1 1,5 2 Globina pod obdelano površino / Distance beneath machined surface (mm) 2,5 1400 m/min 1500 m/min 1600 m/min 0,5 1 1,5 2 2,5 Globina pod obdelano površino / Distance beneath machined surface (mm) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Globina pod obdelano površino / Distance beneath machined surface (mm) Sl. 4. Spremembe mikrotrdote pod obdelano površino, nastalo pri različnih rezalnih hitrostih: a) v = 200, 400, in 500 m/min; b) v = 600, 800, in 900 m/min; c) v = 1000, 1100, in 1300 m/min; d) v = 1400, 1500, in 1600 m/min Fig. 4. Microhardness variations beneath the surface produced at different cutting speeds: a) v =200, 400, 500 m/min; b) v =600, 800, 900 m/min; c) v =1000, 1100, 1300 m/min; d) v =1400, 1500, 1600 m/min VBgrFMK stran 114 Vane~ek D., Mádl J., Sokovi} M.: Izbrani vidiki integritete - Selected Aspects of the Surface KZ HV -HV x100 ( % ) pri čemer pomenita: HVZ - mikrotrdoto mehansko utrjenega materiala, HV - mikrotrdoto začetnega (neutrjenega) materiala. Slika 6 prikazuje celotno globino utrjevanja za različne rezalne hitrosti od 200 do 1600 m/min. Slika 7 podaja podrobno analizo globine največjega utrjevanja za različne rezalne hitrosti od 200 do 1600 m/min. Slika 8 podrobno prikazuje spremembe vrednosti največjega utrjevanja pri posameznih rezalnih hitrostih od 200 do 1600 m/min. Celovita smer utrjevanja v izbranih diagramih je prikazana s pikčasto in črtkano črto v teh diagramih. Koeficient celotnega utrjevanja, prikazanega na sliki 9, lahko določimo kot: HVO where are: HVZ – microhardness of the work-hardened material HVO – microhardness of the non-work-hardened material Fig. 6 analyses of the total depth of hardening for different cutting speeds 200 to 1600 m/min. Fig. 7 provides a detailed analysis of the depth of the maximum hardening for different cutting speeds 200 to 1600 m/min. Fig. 8 details the variations of the maximum hardening values for different cutting speeds 200 to 1600 m/min. The overall tendency for the selected graphs is shown by the thin line in the graphs. The coefficient of total hardening presented in Fig. 9 can be assumed to be: 1 k = 100xi =1 (HVXixD) pri čemer pomenijo: HVX - povprečno vrednost mikrotrdote, D - širino stolpca, n - število stolpcev, upoštevanih pri izračunu. where are: HVXi – mean values of microhardness, D – width of columm, n – number of columms taken into account. a) b) 25 20 15 10 5 0 Stopnja utrjevanja na podlagi prve vrednosti Rate of the hardening from first point Stopnja utrjevanja na podlagi maksimalne vrednosti Rate of the hardening from maximum values 25 20 15 :: 10 -5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Rezalna hitrost / Cutting speed (m/min) 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Rezalna hitrost / Cutting speed (m/min) Sl. 5. Stopnja mehanskega utrjevanja na podlagi prve vrednosti (a) in na podlagi maksimalne vrednosti (b) Fig. 5. Rate of work hardening (a) and rate of maximum values (b) Celotna globina mehanskega utrjevanja Total depth of hardening Globina maksimalnega mehanskega utrjevanja 2,5 2 1,5 1 0,5 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Rezalna hitrost / Cutting speed (m/min) Sl. 6. Analiza največje globine mehanskega utrjevanja za različne rezalne hitrosti Fig. 6. Analysis the variations of maximum hardening values for different cutting speeds The depth of the maximum hardening 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Rezalna hitrost / Cutting speed (m/min) Sl. 7. Analiza globine največjega mehanskega utrjevanja za različne rezalne hitrosti Fig. 7. Analysis of the depth of maximum work hardening for different cutting speed | IgfinHŽšlbJlIMlIgiCšD I stran 115 SUMEČ 0 Vane~ek D., Mádl J., Sokovi} M.: Izbrani vidiki integritete - Selected Aspects of the Surface Največje vrednosti utrjevanja Maximum hardening values 200 190 180 170 160 150 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Rezalna hitrost / Cutting speed (m/min) Sl. 8. Podroben prikaz spremembe vrednosti največjega utrjevanja pri posameznih rezalnih hitrostih Fig. 8. Details the variations of maximum hardening values for different cutting speeds (HV) HVxi ¦ 0 ¦5 , A (mm) Sl. 9. Načelo izračuna koeficienta celotnega utrjevanja Fig. 8. Principle of calculation of coefficient of total hardening Rezultati na sliki 10 kažejo, da sta bili največji vrednosti mehanskega utrjevanja doseženi pri rezalnih hitrostih med 1400 do 1600 m/min ter pri 200 m/min. Poglavitni razlog za najvišje vrednosti mehanskega utrjevanja pri rezalni hitrosti med 1400 in 1600 m/min so velike vrednosti celotne globine mehanskega utrjevanja. Po drugi strani pa so, za rezalne hitrosti med 200 do 400 m/min, glavni razlog za močno utrjevanje prav velike vrednosti za HVxi. 3 SKLEP Učinek rezalne hitrosti na hrapavost površine in mikrotrdoto pod obdelano površino, nastalo pri obdelavi aluminijeve zlitine brez hlajenja, z izmenljivimi ploščicami iz karbidne trdine skupine K, je bil eksperimentalno določen. Zaostale napetosti še niso bile v celoti analizirane. Učinek toplotne obremenitve na mehčanje zgornjih plasti je raziskovan le za nekatere rezalne hitrosti; za simulacijo je uporabljena programska oprema AdvantEdge (metoda končnih elementov). Rezultati simulacije bodo objavljeni drugje. Na podlagi eksperimentalnih rezultatov lahko podamo naslednja sklepa: The results presented in Fig.10 show that the highest values of work hardening were obtained for the 1400 to 1600 m/min and 200 to 400 m/min cutting speeds. The main reason for the highest values of work hardening at the 1400 to 1600 m/min cutting speeds are the total depth of the work-hardening values. On the other hand, for cutting speeds of 200 to 400 m/min the main reason for the highest values of the work hardening are the high values of work hardening (HVxi). 3 CONCLUSION The effect of cutting speed on the surface roughness and microhardness beneath the surface produced during dry aluminium-alloy machining using carbide type-K was investigated experimentally. The residual stresses have not yet been completely analysed. The effect of the thermal load on the softening of the upper layers investigated for some cutting speeds is being investigated by AdvantEdge finite-element method simulation software. The results will be published elsewhere. The following conclusions can be drawn from the experimental results: VBgfFMK stran 116 Vane~ek D., Mádl J., Sokovi} M.: Izbrani vidiki integritete - Selected Aspects of the Surface Koeficient celotnega mehanskega utrjevanja Coefficient of total work hardening 11 Rezalna hitrost Cutting speed (m/min) 5 1 0 12 34 Koeficient - k / Coefficient - k Sl. 10. Koeficient celotnega mehanskega utrjevanja Fig. 9. Coefficient of total work hardening 1. Rezalna hitrost v raziskovanem območju vpliva na hrapavost površine. Pri rezalnih hitrostih 600 in 1200 m/min je dosežena hrapavost površine nekoliko manjša kakor pri preostalih rezalnih hitrostih. Rezultati bodo izrazito zmanjšanje časa obdelave, kar pa je zelo pomembno za ekonomičnost industrijskih postopkov. 2. Rezalna hitrost ima izrazit vpliv na spremembe mikrotrdote. Izbrane parametre kakovosti površine obdelovanca (trdnost, trdota - njihove vrednosti in potek) lahko izboljšamo z izbiro primerne rezalne hitrosti. Rezultati projekta LN00B128 so bili finančno podprti od Ministrstva za šolstvo Češke Republike. 1. The cutting speed has an influence on the surface roughness. For 600 and 1200 m/min , the cutting speed used is lower than for the other cutting speeds used. However, the cutting speed has less influence on the surface roughness than the feed rate or the cutting-edge radius. 2. The cutting speed has a significant influence on the variations in microhardness. Selected parameters of workpiece surface quality can be improved by choosing a suitable cutting speed (strength, hardness, their values and their range) The results of project LN00B128 were financially supported by the Ministry of Education of the Czech Republic. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] 4 LITERATURA 4 REFERENCES Bailey, J. A., S. Yaza, T. Uchida, and Y. Mori (1980) Cutting performance of sintered CBN tools, Cutting Tool Materials. Proceedings of the International Conference. American Society for Metals, Ft. Mitchell, Kentucky, 281-295. Matsumoto, Y, M.M. Barash, and C.R. Liu (1986) Effect of hardness on the surface integrity of AISI 4340 Steel, Trans. ASME, J. Eng Ind., 108. No. 3, 169-175. Abrao, A. M., M.L.H. Wise, and D.K. Aspinall (1995) Tool life and workpiece surface integrity evaluations when machining hardened AISI H13 and AISI E52100 steels with conventional ceramic and PCBN tool materials, NAMRC XXIII Conference, Houghton, Michigan, MR 95-195. Tlusty, J., and Z. Masood (1978) Chipping and breakage of carbide tools, Trans. ASME, J. Eng. Ind, 100, No. 4, 403-412. Mills, A. F. (1992) Heat transfer, Irwin, Boston, 330-331. Ashley, S. (1985) High-speed machining technology, 1985, Chapman and Hall Ltd. King, R. I. (1985) Handbook of high speed machining technology, Chapman and Hall Ltd. Smith, S., J. Tlusty (1997) Current trends in high-speed machining. Transaction of the ASME. Dagiloke, I. F, A. Kaldos (1995) High speed machining: an approach to process analysis, J. of Mater. Process. Technol. Shulz, H, T Moriwaki, High - speed machining, Annals of the CIRP. Vane~ek D., Mádl J., Sokovi} M.: Izbrani vidiki integritete - Selected Aspects of the Surface Naslova avtorjev: David Vaneček prof.dr. Jan Madl Češka tehnična univerza v Pragi Fakulteta za strojništvo Technicka4 16607, Praga, Češka Republika d.vanecek@seznam.cz doc.dr. Mirko Sokovič Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Aškerčeva 6 1000, Ljubljana mirko.sokovic@fs.uni-lj.si Author's Address: David Vaneček Prof.Dr. Ing. Jan Madl Czech Technical Univ. in Prague Faculty of Mechanical Eng. Technicka4 16607, Prague, Czech republic d.vanecek@seznam.cz Doc.Dr. Mirko Sokovič University of Ljubljana Faculty of Mechanical Eng. Aškerčeva 6 1000 Ljubljana, Slovenia mirko.sokovic@fs.uni-lj.si Prejeto: Received: 20.12.2002 Sprejeto: Accepted: 29.5.2003 Odprt za diskusijo: 1 leto Open for discussion: 1 year VBgfFMK stran 118 © Strojni{ki vestnik 49(2003)2,119-126 © Journal of Mechanical Engineering 49(2003)2,119-126 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 533.5:621.792.4 UDC 533.5:621.792.4 Strokovni ~lanek (1.04) Speciality paper (1.04) Tehnolo{ke zahtevnosti pri izdelavi plinskega odvodnika A Precision Techniques for Gas-Arrester Manufacturing Andrej Pregelj - France Brecelj - Andrej Pirih - Vladimir Murko Plinski odvodniki so hermetično zaprte celice, v katerih je med okrovom in elektrodo ujet argon ali njegova mešanica s primernim drugim žlahtnim plinom. Ob določenih pogojih (napetostni udar) plin lahko ionizira in s tem postane celica električno prevodna. Plinski odvodnik večjih moči, kakršnega razvijamo, je s se drugimi električnimi elementi povezan v sklop, ki deluje zaščitno, tako da omogoči takojšen odvod toka strele v zemljo. Čeprav je konstrukcija na videz preprosta, saj celoto sestavljajo le štirje glavni sestavni deli, je pa izdelava dokaj zahtevna. Za zagotavljanje čistosti in ohranjanje nespremenljivega tlaka plina v celici je treba uporabiti metode vakuumsko tesnega spajanja, ki so podobne onim pri proizvodnji elektronskih cevi. V prispevku predstavljeni postopki so: izdelava spojev steklo - kovina, testiranje tesnosti in trdo spajkanje v zaščitni atmosferi. Na kratko je opisan razvoj tehnoloških postopkov do sedanjega stanja in nakazane so možnosti za zmogljivejšo opremo za industrijsko proizvodnjo. © 2003 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: odvodniki plinski, spoji steklo-kovina, preskušanje tesnosti, spajkanje trdo) Gas arresters are hermetically sealed cells in which argon, or a mixture of argon and another noble gas, is captured between two isolated electrodes. Under defined conditions (e.g. lightning strike, etc.) it can become ionised, i.e. capable of conducting an electric current. The gas arrester designed for higher powers that has been developed in our laboratory is connected with other electro-elements in a special device that acts protectively in such a way that it diverts the lightning strike to the earth. The construction of the cell is relatively simple: no more than four main pieces are joined in a compact compound, but the procedures are not simple. To ensure high levels of cleanliness and required constant gas pressure in the cell for a period of years, it is necessary to use methods of vacuum-tight joining that are similar to those used for electron-tube production. In this paper the presented techniques are the manufacturing of glass-to-metal joints, leak detection and hard brazing in an inert atmosphere. A short description of the technology developed so far and the capabilities for more productive equipment are also given. © 2003 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: gas arresters, glass-to-metal joints, tighteness tests, brazings) 0 UVOD Strele, preklopna rokovanja v stikalnih postajah v spletu porabnikov električne energije in drugi nenačrtovani pojavi povzročajo v električnem omrežju udarne sunke in valovanja. Posledica so prenapetosti, ki v priključenih električnih napravah (računalniki, telefoni, hi-fi instrumenti, itn.) lahko povzročijo poškodbe. Obramba pred njimi so zaščitne naprave, ki se jih vgrajuje v razdelilne omarice na vstopu električne mreže v stavbe. Njihov pomemben sestavni del so prenapetostni odvodniki, med katerimi zavzemajo posebno mesto plinski odvodniki. 0 INTRODUCTION Switching manipulations in an electrical network caused by electric consumers, lightning and other unexpected phenomena cause waves and strikes in the network. The results are overvoltages, which can damage sensitive electrical equipment: like computers, telephone apparatus, hi-fi devices etc. The defense against such phenomena is protection elements that are built into electric installations at the points (distribution boxes) where buildings are connected to the network. The important components of these elements are overvoltage gfin^OtJJIMISCSD 03-2 stran 119 | ^BSSITIMIGC Pregelj A., Brecelj F., Pirih A., Murko V.: Tehnolo{ke zahtevnosti - A Precision Technique Prednost plinskih pred drugimi vrstami odvodnikov arresters, and among them a special place is reserved je v tem, da so majhni po prostornini ter da v njih for so-called gas arresters because they are small ostajata plazma in oblok zaprta v celici (ognjevarnost). and because the plasma is always captured in a cell, Razvoj, katerega glavni namen je v prvi fazi which means they cannot result in burning. The nadomestiti uvoz tujih elementov, je zelo main goal of our activities is to reduce our interdisciplinaren, saj povezuje znanosti o materialih, dependence on the importation of these elements. o plazmi ter elektrotehniko in že na svojem začetku Initial development efforts have focused on tackling kaže, da bo ključno za uspeh prav postavljanje the difficult precision techniques for gas-arrester tehnoloških postopkov izdelave. finishing. 1 KONSTRUKCIJA CELICE 1 CELL DESIGN Plinski odvodnik, kakršnega razvijamo (sl.1), The gas arrester we are developing now (Fig. je sestavljen iz lončastega telesa, ki mu odprtino na 1) is composed of a metal pot that is closed at the top vrhu zapira strnjen sklop iz kovinskega obročka, stekla with a special feedthrough. The feedthrough is made in osrednje elektrode, imenujemo ga prevodnica ali of a ring, containing a central electrode that is sealed vtalek V celici je še tableta barijevega klorida in to both pieces with glass. The pot and the izbrana plinska mešanica. S steklom ločena lonček in feedthrough are brazed together using a silver braz- osrednji del prevodnice sta elektrodi, med katerima ing alloy. In the cell interior there is a tablet of barium pride do preboja.Vsi spoji med različnimi materiali in chloride, and a selected gas mixture is also trapped sestavnimi deli morajo biti hermetično tesni. inside. All the joints between the different materials Lončasto telo in obod stekla sta iz jekla or pieces have to be sealed hermetically. oziroma iz posebne zlitine, elektroda iz molibdena, The central electrode and the pot represent steklo je posebno s termičnim raztezkom, ki je two poles isolated by glass, and between them an prilagojen raztezkom molibdena in obodnega electric arc appears under defined conditions. The kovinskega obroča. V izdelavnem postopku sta pot and the ring are made of steel or a special alloy, posebej pomembna dva koraka. Prvi korak je zahtevna and the electrode is made of molybdenum; the glass izdelava prevodnice z dvema spojema steklo-kovina; is special in terms of its thermal dilatation and has to postopek je naslednji: na grafitni podstavek zložene accommodate the dilatations of the inner molybde- sestavne dele (obroček, steklena predoblika in num electrode and the metal ring. There are two basic elektroda) segrejemo v peči na okoli 1000 °C, steklo design steps in the manufacturing procedure. The se stali in oprime pripravljenih kovinskih površin. first step is feedthrough finishing: the electrode, the Drugi (in zadnji) korak je zatalitev te prevodnice s glass perform and the outer ring are placed on the trdo spajko (zlitina srebra in bakra) v ležišče telesa. centering tool, and then by melting the glass at high Pri obeh omenjenih korakih je glavna zahteva tesnost temperature the central electrode and the outer ring izdelanega spoja; še posebej je skrb za tesnost are coupled together into a compact element. The pomembna ob temperaturnih spremembah v drugem second and final step is brazing the feedthrough into koraku (spajkanje), da se ne poškoduje že prej izdelani the pot. The main difficulty with both operations is Sl. 1. Shema plinskega odvodnika Fig. 1. Scheme of gas arrester ______03 2 iSi"in^j(g)Jlp^gDilg[]CD | ^BgiTnj^DOCC | stran 120 I Pregelj A., Brecelj F., Pirih A., Murko V.: Tehnolo{ke zahtevnosti - A Precision Technique spoj steklo-kovina v prevodnici. Nujno je torej treba preverjati tesnost, za kar obstajajo posebne testne metode. Celoten postopek je seveda daljši, saj ga sestavlja cela vrsta opravil. Poleg že omenjene izdelave spojev steklo-kovina in zaprtja plina so to še naslednje: delo z vakuumskim sistemom na peči, nastavljanje temperaturnega režima pri spajkanju, doziranje čistih plinov, razplinjanje kovinskih delov, nanos galvanskih plasti, preverjanje tesnosti, spojev, izdelava spajkalnih obročkov in tablet BaCl2, čiščenje in shranjevanje sestavnih delov, električni preizkusi itn. V naslednjem odstavku predstavljamo tri izmed omenjenih, ki so ključnega pomena za kakovost končnega izdelka. 2 ZAHTEVNI POSTOPKI IZDELAVE 2.1 Spoj steklo-kovina Spoj steklo-kovina izdelamo tako, da hkrati segrevamo dotikajoča se kosa kovine in stekla na temperaturo, pri kateri postane steklo toliko zmehčano, da zalije in omoči površino kovine (ali zlitine). Osnova tovrstnim spojem je kovinski oksid, ki se v času dotikanja žareče kovine in staljene steklene mase kemijsko spoji z oksidnimi sestavinami stekla. Med ohlajanjem je najbolj ugodno, da se oba partnerja enako krčita, sicer pride do pokanja stekla. Spoje steklo-kovina delimo glede na toplotne raztezke obeh partnerskih materialov, na usklajene in neusklajene. Pri usklajenih (sl.2a) spojih združimo tako steklo in tako kovino oziroma zlitino, ki imata v vsem temperaturnem območju ista ali vsaj čim bolj enaka toplotna raztezka. Največ uporabljani usklajeni spoj se izdeluje iz zlitine, poznane pod imenom kovar (Fe-Ni-Co) in iz “kovarskega” stekla (npr. Schott 8250) z raztezkom a = 50 x 107/K. Med neusklajenimi spoji je najširše uporabljan stisni spoj (sl. 2b), pri katerem je steklo z manjšim raztezkom ujeto v obroč kovine z večjim raztezkom. V tem primeru adhezija med kovinskimi oksidi in steklom ni toliko pomembna, kajti odgovornost za trdnost in tesnost spoja prevzame achieving a 100% hermeticity of the joint. During the second step it is important not to damage the very delicate glass-to-metal joint. The whole procedure is longer than the mentioned two steps: it also involves many smaller steps. These steps include: braze-ring making, operating the vacuum system and the furnace, adjusting the profile of the brazing temperature, pure-gas metering, manufacturing glass-to-metal joints, encapsulation brazing, leak-detection of the seals and joints, keeping the components clean, electrical testing, etc. In the next section three especially important and interesting operations are presented. 2 DEMANDING TECHNIQUES IN THE MANUFACTURING 2.1 Glass-to-metal joint Glass-to-metal joints are made by simultaneously heating a piece of metal (or alloy) and a piece of glass that are in contact at the melting temperature of the glass. The principle of such a seal is the union of two sorts of oxides: the oxide of the metal piece firmly bonds the oxide components of the glass. This is realized during the time of full contact between the glowing metal and melted glass mass. During cooling it is very important that both parts contract in harmony, otherwise the in-built glass might break. Regarding the thermal extensions of the partner materials, there are two sorts of glass-to-metal joints, i.e. matched and unmatched. Matched ones (Fig. 2a) involve the joining of glass and metal (or alloy) with equal, or nearly the same, thermal expansions across the whole temperature range. The most commonly matched joints are manufactured from an alloy known as Kovar (Fe-Ni-Co) and of so-called “Kovar glass” (e.g. Schott 8250) with an expansion of a =50x 10-/K. The most frequent unmatched joint is the compressed joint (Figure 2b), where glass with a smaller expansion is caught in a metal ring that has a larger expansion. In this case the adhesion between the metal oxides and a b Sl. 2. Dve vrsti spoja steklo-kovina (a - usklajeni in b - neusklajeni) Fig. 2. Two sorts of glass-to-metal joints (a-matched, b-unmatched) stran 121 | ^IMlFinRDO Pregelj A., Brecelj F., Pirih A., Murko V.: Tehnolo{ke zahtevnosti - A Precision Technique vstop zaščitnega plina "shielding gas inlet kvarčni zvon ceramic holder gap shield Sl. 3. Izdelava prevodnice z visokofrekvenčnim segrevanjem v inertni atmosferi Fig. 3. Feedthrough manufacturing using high-frequency heating in an inert atmosphere krčna sila obodne kovine, ki se pojavi po ohladitvi pri izdelavi spoja. Stisni spoj se največ uporablja za električne prevodnice, pri katerih skozi stisnjeno steklo poteka osrednje prevodno kovinsko steblo. Obodna prirobnica je navadno iz nerjavnega jekla ali železa z razteznostnim koeficientom 100 do 160 x 107/K, steklo pa izberemo tako, da ima koeficient okoli 90 x 107K. Na sliki 1 prikazani odvodnik je konstruiran z usklajenim spojem - zunanji obroč prevodnice je iz kovarske zlitine in uporabljeno steklo je kovarsko. V toku naših razvojnih dejavnosti izvajamo preizkuse tudi z izvedbo, ki ima stisni spoj. Ene in druge spoje smo prvotno izdelovali z visokofrekvenčnim segrevanjem (sl. 3), sedaj pa prehajamo na staljevanje stekla (sl. 4) v peči. V obeh primerih zagotovimo potrebno odsotnost zraka (da ne pride do prevelike oksidacije) z uporabo inertne atmosfere. Zaščitni plin je navadno argon ali dušik, ki mu lahko dodamo 3 do 10 % vodika. 2.2 Preverjanje tesnosti Eden glavnih pogojev za stabilno delovanje plinskega odvodnika je tesnost. Vsako puščanje ovojnice ima za posledico izgubo delovnega plina ali vdor zraka od zunaj, kar pomeni spremembo značilnosti elementa preko dopustnih meja. Prizadevanja za doseganje čim boljše tesnosti celice so torej razumljiva. Šteje se, da sestavni materiali ne prepuščajo plinov, nujno pa je treba preveriti tesnost oz. netesnost spojev. the glass is not so important because the firmness and the tightness are achieved by the contracting force of the metal ring, which appears during cooling (in the last step of joint manufacturing). A compressed joint is normally used for electrical single- or multi-tip feedthroughs, where a glass insulator with a central conductive wire is placed in a metal wall. The outer metal is usually stainless steel with an expansion factor from 100 x 10-7/K up to 160 x 107/K; a suitable glass would have a factor of approximately 80 x 107K. The arrester shown in Fig.1 is made with Kovar and Kovar’s glass, but we have also tried to develop a version with a compressed joint. At the beginning of our development work both kinds of joints were produced using high-frequency heating (Fig. 3), in later experiments, however, we began to melt the glass (Fig. 4) in a furnace. In both cases the absence of air (to prevent oxidation) is achieved with an inert atmosphere. 2.2 Leak detection Hermeticity is one of the first conditions for the stable operation of a gas arrester. The presence of a leak in the envelope causes a change of the gas composition (because air enters the chamber) and the arrester does not function appropriately. It is supposed that the component materials do not have leaks, but we need to test the quality of the joints. | ^j^tMgfJT [RODCC | stran 122 Pregelj A., Brecelj F., Pirih A., Murko V.: Tehnolo{ke zahtevnosti - A Precision Technique Sl. 4. Deli pripravljeni za izdelavo prevodnice s stalitvijo stekla Fig. 4. Pieces prepared for feedthrough manufacturing V primeru odvodnika izdelujemo spoje dvakrat; najprej ko izdelujemo vtalek (spoj s steklom) in na koncu, ko zapremo plin (trdo spajkanje kovin). Spoj steklo-kovina je pri vtalku za odvodnik dokaj zahteven, saj se pojavlja v stisnem spoju na dveh mestih (znotraj ob molibdenu in zunaj proti obodnemu obroču), poleg tega pa je to spojno mesto kasneje (ob spajkanju) ponovno izpostavljeno temperaturi. Med razvojem preverjamo najprej tesnost vtalkov in ob končnih preverjanjih tudi tesnost izdelanega odvodnika. Netesnost neke stene je podana s količino plina, ki vdre skozi netesno mesto v določenem času in pri določeni tlačni razliki z ene strani na drugo; enota je torej mbarl/s. Za natančna preverjanja tesnosti se uporablja plin helij, ki ima poleg vodika najmanjše molekule in hkrati ni eksplozijsko nevaren. Pri proizvodnji vtalkov testiramo tesnost s helijevim masnim spektrometrom, in sicer tako, da preizkušanec vpnemo v primeren nastavek (orodje) in le-tega priključimo na testirno napravo, ki ima vgrajeno zaznavalo za helij. Nato izčrpamo prostor pod vtalkom in od zgoraj obpihavamo kritični spoj s tankim curkom helija (sl. 5). Če zaznavalo zazna dotok testnega plina, to pomeni, da je na mestu dotekajočega curka netesno mesto. Pri testiranju končno izdelane celice je dostopna le ena stran spojev, druga pa ne. Zato izberemo metodo, imenovano “bombanje”. V tem In the case of gas-arrester manufacturing, two joints are present: at the glass-to-metal surfaces, at the brazed seal between the feedthrough and the body of the pot. A glass-to-metal joint is at two locations: inside, with molybdenum; and outside, with a metal ring. Therefore, there are three critical places where leaks can appear: twice at the glass-to-metal joint and once at the hard, brazed seal. The leak-detection on the three places is obligatory. It is also very necessary because of the delicate glass-metal area in the feedthrough, which is twice exposed to high temperatures, the second one during the brazing operation. The leakage is expressed in terms of the quantity of gas (air) that flows through the leak during a particular time unit for a defined pressure difference from one side to another. The accepted unit for the size of a leak is mbarl/s. Usually, helium gas is used for such testing because it has the smallest molecules and is not explosive. Gas-arrester feedthroughs are leak detected using a helium mass spectrometer, i.e. using a residual gas analyzer adjusted for the mass of helium. The sample has to be put in a suitable tool that is connected to the instrument. The space under the sample is then evacuated and on the upper side a narrow jet of helium gas is admitted to the critical places (Fig. 5). If the instrument senses a flow of test gas, it means that in the location of the jet there is a leak. For finished cells only one side of the joints is accessible. Therefore, another method is chosen, known as bombing. In this case a sample cell must Sl. 5. Načelo iskanja netesnosti s helijevim masnim spektrometrom Fig. 5. Principle of leak detection using a helium mass spectrometer stran 123 Pregelj A., Brecelj F., Pirih A., Murko V.: Tehnolo{ke zahtevnosti - A Precision Technique Sl. 6. Prvi del “bombanja” Fig. 6. First step of bombing procedure primeru namrečv primerni bombici (sl 6) izpostavimo preizkušanec tlaku helija (npr 5 bar dve uri) potem preskušano celico vzamemo ven da se na okolnem zraku razplinijo zunanje površine (zračenje 1 do 2 uri) na koncu pa jo namestimo v komoro testirne naprave ki zaznava helij Če naprava ugotovi helij je to znak da le-ta prihaja skozi steno iz celice ali z drugo besedo da je v steni netesnost. 2.3 Zaprtje plina v celico Končno zapiranje z zajetjem želenega plina v celico izvedemo v vakuumski peči katero lahko prepihujemo oz napolnimo z različnimi plini Pri be exposed (in a suitable bomb, Fig. 6) to a pressure of helium (e.g. 5 bar, 2 hours). Then the sample has to be ventilated (e.g. 1 to 2 hours) and after this it is placed in an evacuated vessel - a part of the leak detector that senses the helium. If the presence of the test gas is established, it means that the gas is coming from the cell through a gap, and a leak is present in the envelope. 2.3 Gas encapsulation The final manufacturing operation is closing the cell, which has to ensure the hermeticity. This procedure is usually realized in a vacuum furnace vpuščanje plinov gases supply merilniki tlaka pressure gauges Bour Pir Pen -M- r-^A «A Ar H. retorta retort grelnik peči furnace heater vrata peči z oknom door with a window visokovakuumski črp. sistem high vacuum pumping system Sl. 7 Inkapsulacija plina v poskusne odvodnike s spajkanjem v vakuumski peči Fig. 7. Gas encapsulation in samples by hard brazing in a vacuum furnace r^ stran 124 Pregelj A., Brecelj F., Pirih A., Murko V.: Tehnolo{ke zahtevnosti - A Precision Technique našem razvoju smo uporabili retortno peč (sl. 7), connected with a gas-supply unit. In our case we ki je togo zvezana z visokovakuumskim sistemom used a retort furnace connected to a transportable na vozičku, tako da jo lahko kot celoto high-vacuum pumping station (Fig. 7), so it can be pomaknemo v grelno območje, ali pa jo potegnemo moved into or out of the heating zone. iz njega. The cleaned components of the gas arrester are Elemente odvodnika (lonček, tableto klorida, precisely put together on a suitable boat and are pushed vtalek in spajko) pravilno zložimo na podstavku na into a defined location in the retort. After that the furnace is “ladjici”, ki jo porinemo na določeno mesto v retorti; closed and evacuated until a pressure lower than 9x10-5 retorto nato zapremo in izpraznimo do tlaka < 9 x 105 mbar is achieved. During the heating the retort is still mbar; med segrevanjem še vedno črpamo tako, da pumped so that the pressure due to temperature degassing tlak pri tem ne naraste nad 2.104 mbar. Ko dosežemo does not increase over 2x10-4 mbar during the whole time. 500 °C, prekinemo črpanje in vpustimo okoli 800 mbar At 500°C the evacuation is stopped and argon (or another argona (ali izbrane plinske mešanice). Nato suitable gas mixture) is admitted into the retort with a nadaljujemo segrevanje do tališča spajke in ob njenem pressure of approximately 800 mbar; then the heating is stečenju ostane plin ujet v celici. S tem je naš cilj continued of a faster rate. When the braze ring melts (780°C) dosežen. the gas is captured inside the cell and the heating is stopped. Postopek je treba izpeljati tako, da se ne The procedure needs a lot of experiences and pokvari spoj steklo-kovina in da je spajkani spoj has to be undertaken very carefully, so that the glass- tesen. Pri tem je nemalo težav, ki jih odpravljamo z to-metal joint remains undamaged and the brazed izkušnjami, pridobljenimi pri poskusih. connection is sealed hermetically. 3 SKLEP 3 CONCLUSION Energetski plinski odvodnik je pomemben The power or so-called “heavy duty” gas element v prodajnem programu tovarne Iskra arrester is an important product of Iskra Protections. Zaščite. Da bi uvoz nadomestili z domačo celico, In an attempt to substitute for imports by developing so bile sprožene razvojne dejavnosti, ki sta jih new types or domestic cell, several activities were podprli tudi ministrstvi za znanost in za started. The development is also supported by the gospodarstvo. Slovenian economy and science ministries. V prispevku je na kratko opisano delovanje The working principles, design and manufac- odvodnika ter konstrukcija z izdelavno tehnologijo. turing technology of gas arresters are briefly treated in Pri tem so podrobneje predstavljeni trije manj this paper. More detailed information is presented about običajni in dokaj zahtevni koraki v tehnološkem the three basic steps of the manufacturing process: postopku, in sicer: problematika spoja steklo-kovina making glass-to-metal joints for the feedthrough, leak- pri izdelavi vtalka, preverjanje tesnosti spojev in detection of the arrester cells for checking the tightness zaprtje plina v celico. V sedanjem stanju razvoja and gas encapsulation by hard brazing. At the moment vlagamo največ naporov v odpravljanje netesnosti, great efforts are being invested in leakage elimination, v postavitev merilnih metod za testiranje električnih in the establishment of the testing procedures for con- sposobnosti celice, v projekt skrajševanja postopka trolling the cell’s electrical performance, in shortening zaprtja (peči s posebnim grafitnim grelnikom) ter v the encapsulation process (special furnaces with graph- razvoj oblikovno novih (večpolnih) in zato ite heaters) and in the development of new shapes of zmožnejših odvodnikov. gas arresters with more poles. 4 LITERATURA 4 REFERENCES [1] Bernat, D. (2001) Prenapetostna zaščita z uporabo odvodnikov prenapetosti razreda B, Ljubljana, Delo + varnost, 46, 4. [2] Meppelink, J., C. Drilling, M. Droldner, E.G. Jordan, J. Trinkwald (2000) Lightning arresters with spark gaps. Requirements and future trends of development and application, Proceedings of ICPL 2000, Rhodes, Greece. [3] Reece, M.P. (1963) Properties of the vacuum arc (part 1 of »The vacuum arc«), Proceedings IEEE, vol. 110, No 4. [4] Benson, A., P.M. Chalmers (1958) Effects of argon content on the characteristics of neon-argon glow-discharge reference tubes, The Institution of Electrical Engineers, Monograph No321 R. [5] Hering, E. (2001) Trennfunkenstrecken ffir den Blitzschutz-Potentialausgleich, Elektropraktiker, Berlin, 55, 5. [6] Altmaier, H., K.Scheibe (1997) Netzfolgestromunterbrechung von Funkenstrecken, ETZ, Heft 7. [7] Standard IEC 60151-17 (1969-01): Measurements of the electrical properties of electronic tubes and valves. Part 17: Methods of measurement of gas-filled tubes and valves. | lgfinHi(š)bJ][M]lfi[j;?n 03-2_____ stran 125 I^BSSIfTMlGC Pregelj A., Brecelj F., Pirih A., Murko V.: Tehnolo{ke zahtevnosti - A Precision Technique Naslovi avtorjev: mag. Andrej Pregelj France Brecelj Tehnološki center za vakuumsko tehniko Teslova 30 1000 Ljubljana mag. Andrej Pirih mag. Vladimir Murko Iskra Zaščite Stegne 35 1000 Ljubljana Authors’ Addresses: Mag. Andrej Pregelj France Brecelj Tehnološki center za vakuumsko tehniko Teslova 30 1000 Ljubljana, Slovenia Mag. Andrej Pirih Mag. Vladimir Murko Iskra Protections Stegne 35 1000 Ljubljana, Slovenia Prejeto: Received: 8.7.2002 Sprejeto: Accepted: 29.5.2003 Odprt za diskusijo: 1 leto Open for discussion: 1 year VBgfFMK stran 126 © Strojni{ki vestnik 49(2003)2,127-129 ISSN 0039-2480 Poro~ila © Journal of Mechanical Engineering 49(2003)2,127-129 ISSN 0039-2480 Reports Poro~ila Reports Evropski virtualni tribolo{ki in{titut – VTI European Virtual Tribological Institute - VTI 0 UVOD Tribologija je interdisciplinarna znanstvena veda, ki se ukvarja s trenjem, obrabo in mazanjem stičnih površin pri relativnem gibanju, kakršne se pojavljajo pri ležajih, zobnikih itn. Prav obraba in trenje se pojavljata pri vseh tehničnih sistemih in postopkih, zaradi česar je tribologija pomembna prav za vse industrijske panoge. V Evropi je razpoložljivega veliko strokovnega znanja, in to iz najrazličnejših znanstvenih in tehničnih področij, povezanih s tribologijo. Četudi je na voljo veliko uporabniškega znanja in izkušenj, je le-to geografsko razpršeno in zaradi pomanjkanja informacij, kje poiskati pravega strokovnjaka za rešitev določenega problema, težko dostopno majhnim in srednje velikim podjetjem. Prav tako večina povezav med industrijo in raziskovalnimi inštituti poteka na lokalni ravni in iz različnih razlogov ne presega državnih mej. Nastala situacija močno ovira izmenjavo in prenos znanja med raziskovalnimi organizacijami in industrijo v Evropi. Virtualni tribološki inštitut ali VTI je bil ustanovljen prav z namenom premagati problem pretoka znanja. VTI je virtualni inštitut, kar pomeni, da je to mreža evropskih raziskovalnih inštitutov in univerz, katere člani posedujejo strokovno znanje in izkušnje iz najrazličnejših področij tribologije. Industrijskim partnerjem tako VTI ponuja različne usluge in svetovanja, katerih glavni namen je izboljšanje pretoka znanja v evropskem prostoru. VTI je bil v obliki projekta, ki ga pod okriljem petega okvirnega programa “Konkurenčnost in vzdržljiva rast” (Competitiveness and Sustainable Growth) financira Evropska skupnost, ustanovljen 22. januarja 2002. Koordinator VTI-projekta je VITO, Flamski tehnološko-raziskovalni inštitut, vodstveno skupino pa sestavljajo še BAM iz Nemčije, CTD iz Slovenije, NPL iz Anglije, Tekniker iz Španije in VTT iz Finske. Celoten konzorcij sestoji iz 22 uglednih raziskovalnih organizacij s področja tribologije, ki zastopajo 12 držav Evropske skupnosti in 4 pridružene članice. Slika 1 nazorno kaže geografsko razporeditev članic VTI v Evropi. VTI bo pričel delovati v letu 2003, ko bodo k članstvu povabljene tudi nove raziskovalne organizacije. Od leta 2005 pa bo VTI neodvisna, ekonomsko usmerjena organizacija. 1 KAJ PONUJA VTI Prek VTI-a imajo evropska podjetja preprost dostop do triboloških centrov odličnosti in s tem do njihovega znanja in raziskovalne opreme. Vključeni raziskovalni inštituti in organizacije pokrivajo zelo širok spekter področij, ki so povezana s tribologijo in jih znotraj ene same raziskovalne institucije nikakor ni moč združiti: Sl. 1. Pregled ustanovne skupine VTI gfin^OtJJlMISCSD 03-2 stran 127 | ^BSSITIMIGC Strojni{ki vestnik - Journal of Mechanical Engineering - analiza in diagnosticiranje poškodb - konstruiranje in načrtovanje - mehansko in protiobrabno preskušanje - tehnika površin - maziva - strojništvo - modeliranje - razvoj materialov (kovine, polimeri, keramika, itn.) - predelava materialov (varjenje, odrezovanje, preoblikovanje, itn.) Industrijska podjetja, ki se znajdejo pred tehničnim problemom ali kakršnim koli vprašanjem, povezanim s tribologijo, in ki želijo pomoč strokovnjaka, se lahko obrnejo na VTI prek elektronske pošte ali prek spletne strani. VTI omogoča svojim strankam tudi razpoznavo in analizo problema ter izbiro najprimernejšega raziskovalnega partnerja. Članice VTI-a, ki imajo najprimernejše strokovno znanje za rešitev določenega problema, bodo na podlagi povpraševanja in ponudbe neposredno v stiku s tistim podjetjem. Prek konkurence znotraj VTI-a bo industrijskim podjetjem zagotovljena najboljša vrednost za vloženi denar. Pri vseh stikih z industrijo je zaupnost informacij zagotovljena. Vsi člani VTI-a imajo dolgoletne izkušnje pri sodelovanju z industrijo in se popolnoma zavedajo pomembnosti zaupnih informacij. Poleg uslug industrijskim partnerjem bo VTI zagotavljal pomoč tudi svojim raziskovalnim članicam in industriji na splošno. En primer je pomoč pri pripravi raziskovalnih projektov z dolgoročnimi cilji, katerih priprava terja veliko časa in truda. Poleg iskanja partnerjev je potrebno tudi veliko administrativnega dela, ki samo po sebi še ne zagotavlja uspeha. Za pospešitev postopka priprave in zagona projekta ponuja VTI tako finančno pomoč kakor tudi pomoč v obliki baz podatkov, komunikacijskega sistema, povezavnih naslovov ipd. Pri tem je glavna vloga VTI-a povezati evropske industrijske partnerje in raziskovalne organizacije v mednarodno priznan konzorcij. Drug primer je finančna podpora organizacije delavnic z zanimivih področij tribologije, kakršna je bila delavnica na temo biološko razgradljivih maziv, organizirana januarja 2003 v Španiji. Ker bo VTI sodeloval s podjetji iz različnih evropskih držav, je bila pozornost posvečena tudi vprašanju jezika. V ta namen je v vsaki državi, vključeni v VTI, določen raziskovalni inštitut, ki deluje kot krajevna povezovalna točka VTI-a in podjetjem omogoča komunikacijo in pomoč v državnem jeziku. V Sloveniji ima status krajevne povezovalne točke Center za tribologijo in tehnično diagnostiko. _____03 2 BnnBjtgleJUpillOlflugO | VUgfflMffiCl stran 128 2 PRIMER DELOVANJA VTI-A V PRAKSI -RAZVOJ MEHANSKIH DRSNIH TESNIL Slovensko podjetje, ki se ukvarja z izdelavo in predelavo industrijske keramike, je pri Centru za tribologijo in tehnično diagnostiko (CTD), članu VTI-a, naročilo karakterizacijo svojih izdelkov z namenom poiskati ustrezno uporabo. Karakterizacija keramičnih prahov in dosedanjih izdelkov ter analiza slovenskega in svetovnega trga je izpostavila mehanska drsna tesnila kot izredno zanimiv a tudi tehnično zahteven izdelek. Prvi korak pri izdelavi prototipa mehanskega drsnega tesnila je bila določitev triboloških lastnosti izbranih materialov in materialnih kombinacij v različnih obratovalnih razmerah (tlak, drsna hitrost, temperatura, pogoji mazanja). Za določitev triboloških lastnosti in mej obratovanja izbranih materialnih kombinacij je bilo v CTD-u izdelano posebno preskuševališče, ki omogoča simulacijo stičnih razmer, kakršne vladajo pri mehanskih drsnih tesnilih (sl. 2). Samo preskuševališče omogoča pospešitev preskušanja in sprotno spremljanje 8 parametrov, to so temperatura (1,2,3), normalna sila in tlak (5), vrtilna frekvenca (7), moment trenja (6), premočrtna obraba (4) in puščanje (8). V predstavljeni raziskavi so bili uporabljeni naslednji materiali: - Al O (92, 94, 96 in 99.7%) - grafit -jeklo Analiza rezultatov modelnega preskušanja je obsegala: - določitev pogojev mazanja, - določitev koeficienta trenja in obrabe izbranih materialov, - določitev mej obratovanja različnih materialnih kombinacij (sl. 2), - izbiro materialnih kombinacij, primernih za mehanska drsna tesnila (96% Al2O3/grafit in 99.7% Al2O3/grafit). Sl. 2. Modelno preskuševališče Poro~ila - Reports Na podlagi modelnega preskušanja so bili na sistemu centrifugalnih črpalk izvedeni še trajnostni testi po standardu API 682. Zaradi posebnosti sistema je bil postopek preskušanja rahlo spremenjen. Dinamični fazi 100 ur in 4 uram statične obremenitve je sledila preskusna faza ponovljivega obremenjevanja (5 min) in razbremenjevanja (10 min), ki je potekala do nastanka poškodbe drsnih obročev Rezultat predstavljene raziskave je bila izdelava prototipa mehanskega drsnega tesnila za črpalke za agresivna sredstva, ki je vključevala tako konstrukcijo tesnila kakor tudi določitev najprimernejše kombinacije materialov drsnih obročev Sl. 4. Mehanska drsna tesnila Sl. 3. Meje obratovanja izbranih kombinacij Direktor VTI: Roland Korbe VTI Boeretang 200, B-2400 Mol, Belgija Tel.: +32 14335670 Fax: +32 14321186 e-mail: contact@vti-europe.org Predstavnika VTI za Slovenijo: Prof. Jože Vižintin Dr. Bojan Podgornik Center za tribologijo in tehnično diagnostiko Bogišičeva 8, 1000 Ljubljana Tel: 01/4771460 Fax: 01/4771469 e-mail: vti-ctd@ctd.uni-lj.si stran 129 glTMDDC © Strojni{ki vestnik 49(2003)2,130-131 © Journal of Mechanical Engineering 49(2003)2,130-131 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 Strokovna literatura Professional Literature Strokovna literatura Professional Literature Ocene knjig Applied Microtechnology LIGA - Laser - micro Precision Engineering Uredniki: Rainer Briick, Nadeem Rizvi, Andreas Schmidt, 17 soavtorjev Zal.: Carl Hanser Verlag, Miinchen, 2001. Obseg: format 16,5 x 24 cm, 269 strani, 166 slik, preglednice in CD-ROM. Cena je 40,00 € Knjiga je zasnovana kot učbenik, namenjen dodiplomskim študentom inženirskih in naravoslovnih smeri. Bralcu daje pregleden in zgoščen uvod v fizikalne in tehnološke osnove postopkov s področja tehnologij, ki omogočajo izdelavo mikromehanskih elementov. To področje se v zadnjih letih tako intenzivno razvija, da ga mnogi štejejo za eno od gibal prihodnjega tehnološkega razvoja. Kljub precejšnjem številu v zadnjih letih objavljenih del s tega področja, pa je med njimi le malo takih, ki bi bila primerna kot didaktično gradivo za širšo populacijo študentov na dodiplomski stopnji. Pričujoča knjiga uspešno zapolnjuje to vrzel in je s tega vidika nadvse dobrodošla. Označuje jo jasna in nazorna predstavitev tehnoloških postopkov, pri čemer se besedni opis učinkovito prepleta z bogatim, v veliki meri barvnim, slikovnim gradivom. Knjigi je priložena tudi podatkovna zgoščenka z grafičnimi oživitvami in video izrezki posameznih postopkov, kar dodatno osvetljuje in popestri obravnavano tematiko. Knjiga deli mikro-obdelovalne tehnologije na tri zvrsti: litografsko (znano po kratici LIGA) lasersko in mikronatančno, v katero prišteva postopke elektroerozije in mehanske obdelave. Osrednja pozornost pri obravnavi posameznih tehnoloških zvrsti je namenjena predvsem praktičnim vidikom njihove uporabe. Fizikalne osnove posameznih postopkov so zato obdelane zgoščeno in le v tolikšni meri, da omogočajo razumevanje povezav med parametri postopkov. Poleg značilnosti postopkov so podrobneje obdelani zgradba, delovanje in krmiljenje sodobnih strojev oz. naprav. Znatna pozornost je posvečena materialom in predstavitvi značilnih mikromehanskih izdelkov. Preglednost dela poudarja primerjava teh tehnologij z vidika obdelovanih materialov, geometrijskih značilnosti, toleranc in površine hrapavosti obdelovancev, možnosti za posamično in masovno proizvodnjo, potrebnih investicij in obratovalnih stroškov ter varnosti in okoljevarstvenih vplivov. Koristni pripomočki za študij te tematike so tudi vsebovani seznam pogosto uporabljanih okrajšav, slovar izrazov in pregled novejše literature, ki lahko rabi tudi kot napotilo za nadaljnji študij. Knjiga je nastala kot rezultat sodelovanja 17 avtorjev iz sedmih organizacij iz štirih evropskih držav v okviru projekta TRANSTEC, ki ga je sofinancirala Evropska komisija. J. Diaci Konrad Etschberger, s soavtorji: Controller-Area-Network Grundlage, Protokolle, Bausteine, Anwendungen Zal: Carl Hanser Verlag, Miinchen, 3. popr. izd. 2002. Obseg: format 16,5 x 24,5 cm, 508 strani. Cena je 49,90 € Knjiga celovito obravnava vse vidike standardiziranega področnega vodila, znanega pod kratico CAN. Vodilo so v 80. letih zasnovali in opredelili v podjetju Robert Bosch GmbH za komunikacijo med elektronskimi podsestavi motornih vozil. V razmeroma kratkem času se je njegova uporaba razširila na nadzorne in krmilne sisteme na celotnem področju premičnih sistemov. V zadnjem času vse bolj pridobiva pomen tudi njegova uporaba na področju industrijske avtomatizacije. Knjiga obravnava tematiko zelo sistematično. Začne s splošnimi pojmi in značilnostmi podatkovnih komunikacij in na tej osnovi opiše in primerja različne, danes uveljavljene sisteme področnih vodil. Sledi podrobna, a pregledna in razumljiva predstavitev podatkovne in fizične ravni vodila CAN, kakor ju definirajo različni mednarodni standardi. Za praktično rabo je zelo uporabna predstavitev značilnosti delovanja in primerjava danes tržno dostopnih krmilnikov CAN ter sprejemno oddajnih modulov. Drugi del knjige obravnava standardizirane protokole in profile višje stopnje (CAL-CAN CANopen, DeviceNet, SAE J1939, TTC), ki izhajajo iz vodila CAN in ga nadgrajujejo s širšim naborom storitev na nivoju uporabe, kar omogoča odprto komunikacijo - izmenjavo podatkov med elementi in podsestavi, ki jih izdelujejo različne tovarne. Poleg tega, da so na enem mestu zbrana in obdelana 03-2 grin^(afcflM]SCLD ^BSfirTMlliC | stran 130 Strokovna literatura - Professional Literature področja, ki jih sicer določajo številni standardi, je posebna vrednost tega dela knjige v tem, da gre prek golega povzemanja ter opisovanja in obravnava tudi dejanske primere izvedbe vmesnikov. To še posebej velja za poglavje, ki obravnava vprašanja, povezana s snovanjem in izvedbo sistemov na osnovi vodila CAN. Zadnje poglavje je namenjeno predstavitvi tržno dostopnih komponent in orodij za razvoj omrežij stran 131 I^BSSIfTMlGC CAN. Knjiga je zanimiva v prvi vrsti za razvijalce sistemov in naprav, ki vključujejo rešitve na podlagi vodila CAN. Uporabna bo tudi za možne uporabnike takih naprav, ki želijo pridobiti pregled nad tem področje, pa tudi za študente, ki jim nemški jezik ni povsem tuj. J. Diaci © Strojni{ki vestnik 49(2003)2,132 © Journal of Mechanical Engineering 49(2003)2,132 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 Osebne vesti Personal Events Osebne vesti Personal Events Magisteriji, diplome MAGISTERIJI Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani sta z uspehom zagovarjala svoji magistrski deli, in sicer: dne 12. februarja 2003: Damir Husejnagic, z naslovom: “Strojni vid za sledenje obdelovalnih sistemov” in dne 26. februarja 2003: Boštjan Zajec, z naslovom: “Vpliv hladilno mazalne emulzije na lepljenje lamel iz elektropločevine po toplotni obdelavi”. S tem sta navedena kandidata dosegla akademsko stopnjo magistra tehničnih znanosti. DIPLOMIRALI SO Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani so pridobili naziv univerzitetni diplomirani inženir strojništva: dne 3. februarja 2003: Primož BERGELJ, Miha LEVIČNIK, Gregor MAJDIČ, Klemen PEKLAJ, Peter POŽAR; dne 28. februarja 2003: Primož KRAPEŽ, Matjaž MAKAROVIČ, Jože ŠPENDAL. * Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani so pridobili naziv diplomirani inženir strojništva: dne 13. februarja 2003: Sebastjan FELTRIN, Alojz JERIČ, Rok NAROBE, Matjaž PETERNEL, Davorin POGRAJC; dne 14. februarja 2003: Damjan BEVK, Boris ERJAVEC, Roman GRMEK Boris KOŠMERL, Gregor SLAKAN KlavdijŽVANUT; dne 17. februarja 2003: Saša CIGLAR, Peter ČEHOVIN, Matej CUCEK Ivan JUVANC, Robert LASIČ. Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Mariboru je pridobil naziv diplomirani inženir strojništva: dne 27. februarja 2003: Aleš MERVIK. VBgfFMK stran 132 © Strojni{ki vestnik 49(2003)2,133-134 ISSN 0039-2480 Navodila avtorjem Navodila avtorjem Instructions for Authors Članki morajo vsebovati: - naslov, povzetek, besedilo članka in podnaslove slik v slovenskem in angleškem jeziku, - dvojezične preglednice in slike (diagrami, risbe ali fotografije), - seznam literature in - podatke o avtorjih. Strojniški vestnik izhaja od leta 1992 v dveh jezikih, tj. v slovenščini in angleščini, zato je obvezen prevod v angleščino. Obe besedili morata biti strokovno in jezikovno med seboj usklajeni. Članki naj bodo kratki in naj obsegajo približno 8 tipkanih strani. Izjemoma so strokovni članki, na željo avtorja, lahko tudi samo v slovenščini, vsebovati pa morajo angleški povzetek. Vsebina članka Članek naj bo napisan v naslednji obliki: - Naslov, ki primerno opisuje vsebino članka. - Povzetek, ki naj bo skrajšana oblika članka in naj ne presega 250 besed. Povzetek mora vsebovati osnove, jedro in cilje raziskave, uporabljeno metodologijo dela,povzetek rezulatov in osnovne sklepe. - Uvod, v katerem naj bo pregled novejšega stanja in zadostne informacije za razumevanje ter pregled rezultatov dela, predstavljenih v članku. - Teorija. - Eksperimentalni del, ki naj vsebuje podatke o postavitvi preskusa in metode, uporabljene pri pridobitvi rezultatov. - Rezultati, ki naj bodo jasno prikazani, po potrebi v obliki slik in preglednic. - Razprava, v kateri naj bodo prikazane povezave in posplošitve, uporabljene za pridobitev rezultatov. Prikazana naj bo tudi pomembnost rezultatov in primerjava s poprej objavljenimi deli. (Zaradi narave posameznih raziskav so lahko rezultati in razprava, za jasnost in preprostejše bralčevo razumevanje, združeni v eno poglavje.) - Sklepi, v katerih naj bo prikazan en ali več sklepov, ki izhajajo iz rezultatov in razprave. - Literatura, ki mora biti v besedilu oštevilčena zaporedno in označena z oglatimi oklepaji [1] ter na koncu članka zbrana v seznamu literature. Vse opombe naj bodo označene z uporabo dvignjene številke1. Oblika članka Besedilo naj bo pisano na listih formata A4, z dvojnim presledkom med vrstami in s 3 cm širokim robom, da je dovolj prostora za popravke lektorjev. Najbolje je, da pripravite besedilo v urejevalnilku Microsoft Word. Hkrati dostavite odtis članka na papirju, vključno z vsemi slikami in preglednicami ter identično kopijo v elektronski obliki. Prosimo, da ne uporabljate urejevalnika LaTeX, saj program, s katerim pripravljamo Strojniški vestnik, ne uporablja njegovega formata. V urejevalniku LaTeX oblikujte grafe, preglednice in enačbe in jih stiskajte na kakovostnem laserskem tiskalniku, da jih bomo lahko presneli. Enačbe naj bodo v besedilu postavljene v ločene vrstice in na desnem robu označene s tekočo številko v okroglih oklepajih Enote in okrajšave V besedilu, preglednicah in slikah uporabljajte le standardne označbe in okrajšave SI. Simbole fizikalnih veličin v besedilu pišite poševno (kurzivno), (npr. v, T, n itn.). Simbole enot, ki sestojijo iz črk, pa pokončno (npr. ms1, K, min, mm itn.). Vse okrajšave naj bodo, ko se prvič pojavijo, napisane v celoti v slovenskem jeziku, npr. časovno spremenljiva geometrija (ČSG). © Journal of Mechanical Engineering 49(2003)2,133-134 ISSN 0039-2480 Instructions for Authors Papers submitted for publication should comprise: - Title, Abstract, Main Body of Text and Figure Captions in Slovene and English, - Bilingual Tables and Figures (graphs, drawings or photographs), - List of references and - Information about the authors. Since 1992, the Journal of Mechanical Engineering has been published bilingually, in Slovenian and English. The two texts must be compatible both in terms of technical content and language. Papers should be as short as possible and should on average comprise 8 typed pages. In exceptional cases, at the request of the authors, speciality papers may be written only in Slovene, but must include an English abstract. The format of the paper The paper should be written in the following format: - A Title, which adequately describes the content of the paper. - An Abstract, which should be viewed as a miniversion of the paper and should not exceed 250 words. The Abstract should state the principal objectives and the scope of the investigation, the methodology employed, summarize the results and state the principal conclusions. - An Introduction, which should provide a review of recent literature and sufficient background information to allow the results of the paper to be understood and evaluated. - A Theory - An Experimental section, which should provide details of the experimental set-up and the methods used for obtaining the results. - A Results section, which should clearly and concisely present the data using figures and tables where appropriate. - A Discussion section, which should describe the relationships and generalisations shown by the results and discuss the significance of the results making comparisons with previously published work. (Because of the nature of some studies it may be appropriate to combine the Results and Discussion sections into a single section to improve the clarity and make it easier for the reader.) - Conclusions, which should present one or more conclusions that have been drawn from the results and subsequent discussion. - References, which must be numbered consecutively in the text using square brackets [1] and collected together in a reference list at the end of the paper. Any footnotes should be indicated by the use of a superscript1. The layout of the text Texts should be written in A4 format, with double spacing and margins of 3 cm to provide editors with space to write in their corrections. Microsoft Word for Windows is the preferred format for submission. One hard copy, including all figures, tables and illustrations and an identical electronic version of the manuscript must be submitted simultaneously. Please do not use a LaTeX text editor, since this is not compatible with the publishing procedure of the Journal of Mechanical Engineering. Graphs, tables and equations in LaTeX may be supplied in good quality hard-copy format, so that they can be copied for inclusion in the Journal. Equations should be on a separate line in the main body of the text and marked on the right-hand side of the page with numbers in round brackets. Units and abbreviations Only standard SI symbols and abbreviations should be used in the text, tables and figures. Symbols for physical quantities in the text should be written in Italics (e.g. v, T, n , etc.). Symbols for units that consist of letters should be in plain text (e.g. ms-1, K, min, mm, etc.). All abbreviations should be spelt out in full on first appearance, e.g., variable time geometry (VTG). stran 133 glTMDDC Strojni{ki vestnik - Journal of Mechanical Engineering Slike Slike morajo biti zaporedno oštevilčene in označene, v besedilu in podnaslovu, kot sl. 1, sl. 2 itn. Posnete naj bodo v kateremkoli od razširjenih formatov, npr. BMP, JPG, GIF. Za pripravo diagramov in risb priporočamo CDR format (CorelDraw), saj so slike v njem vektorske in jih lahko pri končni obdelavi preprosto povečujemo ali pomanjšujemo. Pri označevanju osi v diagramih, kadar je le mogoče, uporabite označbe veličin (npr. t, v, m itn.), da ni potrebno dvojezično označevanje. V diagramih z več krivuljami, mora biti vsaka krivulja označena. Pomen oznake mora biti pojasnjen v podnapisu slike. Vse označbe na slikah morajo biti dvojezične. Za vse slike po fotografskih posnetkih je treba priložiti izvirne fotografije ali kakovostno narejen posnetek. V izjemnih primerih so lahko slike tudi barvne. Preglednice Preglednice morajo biti zaporedno oštevilčene in označene, v besedilu in podnaslovu, kot preglednica 1, preglednica 2 itn. V preglednicah ne uporabljajte izpisanih imen veličin, ampak samo ustrezne simbole, da se izognemo dvojezični podvojitvi imen. K fizikalnim veličinam, npr. t (pisano poševno), pripišite enote (pisano pokončno) v novo vrsto brez oklepajev. Vsi podnaslovi preglednic morajo biti dvojezični. Seznam literature Vsa literatura mora biti navedena v seznamu na koncu članka v prikazani obliki po vrsti za revije, zbornike in knjige: [1] Tarng, Y.S., Y.S. Wang (1994) A new adaptive controler for constant turning force. Int J Adv Manuf Technol 9(1994) London, pp. 211-216. [2] Čuš, F., J. Balič (1996) Rationale Gestaltung der organisatorischen Ablaufe im Werkzeugwesen. Proceedings of International Conference on Computer Integration Manufacturing Zakopane, 14.-17. maj 1996. [3] Oertli, PC. (1977) Praktische Wirtschaftskybernetik. Carl Hanser Verlag Minchen. Podatki o avtorjih Članku priložite tudi podatke o avtorjih: imena, nazive, popolne poštne naslove, številke telefona in faksa ter naslove elektronske pošte. Sprejem člankov in avtorske pravice Uredništvo Strojniškega vestnika si pridržuje pravico do odločanja o sprejemu članka za objavo, strokovno oceno recenzentov in morebitnem predlogu za krajšanje ali izpopolnitev ter terminološke in jezikovne korekture. Avtor mora predložiti pisno izjavo, da je besedilo njegovo izvirno delo in ni bilo v dani obliki še nikjer objavljeno. Z objavo preidejo avtorske pravice na Strojniški vestnik. Pri morebitnih kasnejših objavah mora biti SV naveden kot vir. Rokopisi člankov ostanejo v arhivu SV Vsa nadaljnja pojasnila daje: Uredništvo STROJNIŠKEGA VESTNIKA p.p. 197/IV 1001 Ljubljana Telefon: (01) 4771-757 Telefaks: (01) 2518-567 E-mail: strojniski.vestnik@fs.uni-lj.si Figures Figures must be cited in consecutive numerical order in the text and referred to in both the text and the caption as Fig. 1, Fig. 2, etc. Figures may be saved in any common format, e.g. BMP, GIF, JPG. However, the use of CDR format (CorelDraw) is recommended for graphs and line drawings, since vector images can be easily reduced or enlarged during final processing of the paper. When labelling axes, physical quantities, e.g. t, v, m, etc. should be used whenever possible to minimise the need to label the axes in two languages. Multi-curve graphs should have individual curves marked with a symbol, the meaning of the symbol should be explained in the figure caption. All figure captions must be bilingual. Good quality black-and-white photographs or scanned images should be supplied for illustrations. In certain circumstances, colour figures may be considered. Tables Tables must be cited in consecutive numerical order in the text and referred to in both the text and the caption as Table 1, Table 2, etc. The use of names for quantities in tables should be avoided if possible: corresponding symbols are preferred to minimise the need to use both Slovenian and English names. In addition to the physical quantity, e.g. t (in Italics), units (normal text), should be added in new line without brackets. All table captions must be bilingual. The list of references References should be collected at the end of the paper in the following styles for journals, proceedings and books, respectively: [1] Tarng, Y.S., Y.S. Wang (1994) A new adaptive controler for constant turning force. Int J Adv Manuf Technol 9(1994) London, pp. 211-216. [2] Čuš, F., J. Balič (1996) Rationale Gestaltung der organisatorischen Ablaufe im Werkzeugwesen. Proceedings of International Conference on Computer Integration Manufacturing Zakopane, 14.-17. maj 1996. [3] Oertli, PC. (1977) Praktische Wirtschaftskybernetik. Carl Hanser Verlag Minchen. Author information The following information about the authors should be enclosed with the paper: names, complete postal addresses, telephone and fax numbers and E-mail addresses. Acceptance of papers and copyright The Editorial Committee of the Journal of Mechanical Engineering reserves the right to decide whether a paper is acceptable for publication, obtain professional reviews for submitted papers, and if necessary, require changes to the content, length or language. Authors must also enclose a written statement that the paper is original unpublished work, and not under consideration for publication elsewhere. On publication, copyright for the paper shall pass to the Journal of Mechanical Engineering. The JME must be stated as a source in all later publications. Papers will be kept in the archives of the JME. You can obtain further information from: Editorial Board of the JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING P.O.Box 197/IV 1001 Ljubljana, Slovenia Telephone: +386 (0)1 4771-757 Fax: +386 (0)1 2518-567 E-mail: strojniski.vestnik@fs.uni-lj.si 03-2 VH^tTPsDDIK stran 134