Gardırop tipi dondurucu buz yapma sistemi giriş bölgesinde sıcaklık dağılımının sayısal ve deneysel incelenmesi
Experimental and numerical investigation of temperature distribution on ice maker system inlet section of built-in freezer
Yazar: YİĞİT AKALAN
Danışman: PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Beyaz eşya sektöründeki ürün kalitesi ve verimliliğine dair beklentiler her geçen gün artmaktadır. Bu beklentilere cevap verebilmek adına birçok araştırma ve geliştirme çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışmada da ürün kalitesini arttırmak amaçlanıp, dondurucu dış gövdesinde oluşabilecek yoğuşmaların engellenmesi adına, hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi için kullanılan ANSYS Fluent programından yararlanılarak, gardırop tipi bir dondurucunun arka duvarında yer alan su giriş plastiği kesitindeki ısı transferi sayısal çözümleme yapılarak incelenmiştir. Sayısal modelin doğrulanması, modelde standart ısıl çiftleri temsil eden noktalardaki sayısal sıcaklık değerlerinin, deneysel ortalama sıcaklık değerleri ile karşılaştırılması sonucunda yapılmıştır. Isıl çift sıcaklık değeri olarak, dondurucunun periyodik çalışması sırasında yani kararlı haldeki ortalama sıcaklık değerleri alınmaktadır. Bu nedenle sayısal model oluşturulurken, sürekli rejim yani yüzeylerde sıcaklığın zamana bağlı değişmediği kabulü yapılmıştır. Modelin doğrulanması için yapılan deneyde, IEC 62552-2:2015 'Evlerde Kullanılan Soğutma Cihazları - Karakteristikler ve Deney Metotları' standardında yer alan su buharı yoğuşma testi baz alınmıştır, ancak deney daha ağır şartları simüle edecek şekilde uygulanmıştır. Deney, dondurucunun 25˚C sıcaklık ve %80 bağıl nem değerlerine sahip ortamda test edilmesiyle gerçekleştirilmiştir. Dondurucu içindeki kabin sıcaklık değeri -18°C olarak ayarlanmıştır.
Sayısal çözümlemede, üç farklı durum için inceleme yapılmıştır. Birinci durumda su giriş bölgesi için yapılan ilk tasarım değerlendirilmiş ve dondurucunun arka duvarındaki arka kapağa yapıştırılan alüminyum bant üzerindeki sıcaklık dağılımları incelenmiştir. Deneylerde ısıl çiftin bağlı olduğu su giriş bölgesi arka kapak merkezinde yani x=75.1mm'de 19.22°С bulunmuştur. Alüminyum bant üzerindeki minimum sıcaklık değeri ise x=135mm'de 19.15°С olarak bulunmuştur. Ayrıca, dondurucu arka sacında da minimum sıcaklık x=172mm'de 19.12°С'dir. Bulunan bu değerler 25°С ve %80 bağıl nem test koşulları için kritik yoğuşma sıcaklığı olan 21.31°С'nin altındadır. Sayısal çözümleme sonucuna göre bu bölgede yoğuşma olacağı tespit edilmiştir. Sayısal çözümleme sonrasında birinci durum için deneysel çalışma yapılmıştır. Deney sonucunda bulunan minimum sıcaklık değeri 19.1°С'dir. Deney sonucunda alüminyum bant ve arka sac üzerinde sıcaklık değerleri kritik yoğuşma sıcaklığının altında kaldığından bu bölgede yoğuşma görülmüştür. Deney esnasında belirli bölgelere yerleştirilen ısıl çiftlerden elde edilen sıcaklık değerleri, sayısal çözümleme sonuçları ile kıyaslanmıştır. Birinci durum çözümlemesi sonucunda, alüminyum bant üzerindeki sıcaklıklar beklenenden düşük çıkmıştır. Bu sebeple sıcaklıkları yükseltebilmek adına çözüm önerileri araştırılmıştır. 
İkinci durumda, ilk çözüm önerisi incelenmiştir. Birinci durumdan farklı olarak, ısı iletim katsayısı poliüretana göre daha düşük olan vakum izolasyon paneli (VIP) malzemesi dondurucu gövdesinde hava kanalı üzerine ilave edilmiştir. Böylece alüminyum bant ve arka sac sıcaklıklarının yükseltilmesi amaçlanmıştır. İkinci durum için sayısal çözümleme yapılarak, arka sac ve arka kapağa yapıştırılmış alüminyum bant üzerindeki sıcaklık dağılımı incelenmiştir. VIP ilavesi ile birlikte sıcaklık dağılımında, beklenen sıcaklık yükselmesi gerçekleşmiş, ancak kritik yoğuşma sıcaklığı olan 21.31°С'nin üzerine çıkartılamamıştır. Birinci durumdaki sıcaklık dağılımından farklı olarak VIP ilave edilen modelde x yönüne, yani hava kanalı yönüne doğru gidildikçe sıcaklık artışı görülmüştür. Ancak en kritik bölge olan su giriş bölgesinde sayısal çözümleme sonucu elde edilen minimum sıcaklık değeri x=65mm'de 20.36°С olarak bulunmuştur. VIP ilave edilerek ürün maliyeti artmış fakat sayısal çözümleme sonucu istenilen sıcaklık değerleri elde edilememiştir. Bu sebeple VIP ilave edilen model için deneysel çalışma yapılmamıştır. 
Son olarak üçüncü durumda, duvar sıcaklıklarını arttırmak amacıyla literatürde 'concealed', 'hot wall', 'flat-back' veya 'skin kondenser' olarak bilinen yoğuşturucu türündeki örneklerden yola çıkılarak, arka saca poliüretan içinde kalacak şekilde ısıtıcı boru eklenmiştir. Isıtıcı boru alüminyum bant kullanılarak sabitlenmiş olup, bu bant sayesinde boru içinden geçen sıcak akışkanın  ısısının arka saca daha etkin bir şekilde iletimi sağlanmıştır. Üçüncü durum için de sayısal çözümleme yapılmıştır. Sayısal çözümleme sonucunda arka kapağa yapıştırılmış alüminyum bant merkezi üzerindeki sıcaklık değeri x=75.1mm'de 24.8°С bulunmuştur. Bu sıcaklık değeri kritik yoğuşma sıcaklığından yeteri kadar yüksektir. Bulunan sıcaklık değerlerinin doğrulanması amacıyla deney yapılmıştır. Deney esnasında ısıl çiftler kullanılarak yoğuşma beklenen su giriş bölgesinde sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Deneyde arka kapağa yapıştırılan alüminyum bant merkezindeki sıcaklık değeri x=75.1mm'de 24.6°С olarak bulunmuştur. Sıcaklık dağılımını görselleştirmek adına termal kamera ile ilgili bölgeden görüntü alınmıştır. Deney sonucu bulunan sıcaklık değerleri, sayısal sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Deney ile doğrulanan minimum sıcaklık değeri, kritik yoğuşma sıcaklığının üstünde olduğundan, yoğuşma bu bölgede tamamen engellenmiştir.  
Sonuç olarak, dondurucu arka duvar sıcaklığını arttırabilmek için sıcak duvar yoğuşturucu mantığına benzer şekilde yoğuşturucu çıkışına arka duvardan geçen boru ilave edilerek sıcaklık değerleri istenilen düzeye çıkartılmıştır, sayısal sonuçlar deneysel sonuçlar ile desteklenmiştir.

Abstract:
In the white goods industry, the refrigerator quality and efficiency expectations increase day by day. There are many research and development studies to answer these expectations about quality and efficiency improvements for the refrigerators. In this study, the heat transfer in the water inlet plastic section of the back wall of a built-in single door freezer was investigated by numerical analysis by using the ANSYS Fluent program, which is used for the analysis of computational fluid dynamics, in order to increase the product quality and to prevent the condensation which may occur in the freezer outer body. Verification of the numerical model was made by comparing the numerical temperature values at the points representing the standard thermocouples in the model with the experimental average temperature values. As a thermocouple temperature value, the average temperature values during the periodic operation of the freezer were taken. Therefore, while the numerical model is being developed, it was accepted as steady state, that is the temperature on the surfaces, does not change depending on the time. In the experiments which were performed to confirm the model, a test, which is similar to the water vapor condensation test in IEC 62552-2:2015 'Household Refrigerating Appliances - Characteristics and Test Methods' standard was performed. However, unlike the standard test, the test was applied to simulate heavier conditions. The test was performed by testing the freezer at a temperature of 25 ˚C with 80% relative humidity. The cabinet temperature in the freezer is set at -18 ° C.
Numerical analysis has been carried out for three different situations. In the first case, the initial design for the water inlet area was evaluated and the temperature distributions on the aluminium tape, which is adhered to the back cover on the back wall of the freezer, were examined. The temperature of the center of the aluminium tape (x=75.1mm), where the thermocouples were placed in the experiments, was determined as 19.22°С. The minimum temperature value on the aluminum tape was found at 19.15 ° С at x = 135mm. Also, the minimum temperature at the freezer back sheet was 19.12 ° С at x = 172mm. All these values are lower than 21.31°C, which is the dew point temperature for 25°C and 80% relative humidity test conditions. According to numerical analysis result, it was determined that there would be condensation in this region. After numerical analysis, an experimental study was conducted for the first case. The minimum temperature value, found at the end of the test, was 19.1°C. In order to visualize this temperature distribution, the thermal photo was taken from the relevant area. As a result of this experiment, condensation was observed in relevant region because the temperature values on the aluminium tape and back sheet were lower than the critical dew point temperature. During the experiment, the temperature values, which were obtained from the thermocouples where were placed in specific regions, were compared with numerical analysis results. The numerical model was verified according to the results of comparison. In the first case results, the temperature values on the aluminium tape was lower than expected. Therefore, the solution proposals have been researched in order to increase the temperature values.
In the second case, first solution proposal was investigated. In order to increase the temperature values on the aluminium tape and back sheet, unlike the first case,  vacuum insulation panel (VIP), which has a lower thermal conductivity coefficient than polyurethane, was added on the air channel in the freezer body.
Numerical analysis was performed for the second case. The temperature distribution on the back sheet and the aluminium tape, which is adhered to the back cover, was also examined for the second case. With the addition of the VIP, the expected temperature increment was occurred in the temperature distribution but could not be increased above the dew point temperature of 21.31°C. Unlike the temperature distribution in the first case, the VIP added model showed that temperature increase in the x direction. The temperature has increased towards the air channel. However, according to numerical analysis results, in the most critical region of the water inlet area, the minimum temperature was found 20.36°С at x=65mm. This value is lower than 21.31°C, which is the dew point temperature for 25°C and 80% relative humidity test conditions. 
According to the numerical analysis result, it was determined that there would be condensation in this region. The cost of the appliance was increased by the addition of the VIP but the desired temperature values could not be obtained according to numerical analysis results. For this reason, no experimental study has been done for the VIP added model.
Finally, in the third case, the feature of the condenser, known as 'concealed', 'hot wall', 'flat-back' or 'skin kondenser' in the literature, has been utilized. This condenser has a feature which increases the wall temperatures. In order to increase the wall temperature by this way, the heating tube was added to the back sheet to remain in the polyurethane. The heating tube was fixed by using aluminium tape, which conducts the heat of the hot fluid passing through the tube more effectively to the back sheet. Numerical analysis has been done for the third case. As a result of the numerical analysis, the minimum temperature value at the center of the aluminium tape, which is adhered to the back cover, was found as 24.8°C at x=75.1mm. This value is sufficiently higher than the dew point temperature for 25°C and 80% relative humidity test conditions. In order to verify the temperature values which was found in the numerical analysis, the experiment was performed. During the experiment, temperature measurements were made in the water inlet area, where condensation is expected, by using thermocouples. In the experiment, the temperature in the center of the aluminium tape, which is adhered to the back cover, was found as 24.6°С at 75.1mm. In order to visualize this temperature distribution, the thermal photo was taken from the relevant area. 
At the end of the experiment, the temperature values, which was found on the aluminium tape and the back sheet, were compared with the numerical results. Numerical temperature values were confirmed by the experimental results. Since the minimum temperature values, which were found in the experimental and numerical analysis results, are higher than the dew point temperature value at 25°C and 80% relative humidity conditions, condensation is completely prevented in the relevant region.
As a result, single door freezer back wall minimum temperature value is increased to the desired level by adding the heating tube which is passing through the back sheet similar to the hot wall condenser, the numerical results were supported by the experimental results.