Ev tipi buzdolabı soğutucu bölmesinde sıcaklık dağılımının deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of temperature distribution in the fridge compartment of domestic static refrigerator
Yazar: SALİH AVCIOĞLU
Danışman: PROF. DR. KADİR KIRKKÖPRÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Bilgisayar destekli mühendislik = Computer aided engineering ; Bilgisayar destekli tasarım = Computer aided design ; Buharlaştırıcılar = Evaporators ; Buzdolabı = Refrigerator ; Isı geçişi = Heat transfer ; Sıcaklık dağılımı = Temperature distribution

Özet:
Son yıllarda tüketicilerin, gıdaların uzun süreli taze kalmasına yönelik buzdolabı performans beklentileri artmaktadır. Bununla birlikte gıdanın tazeliğini koruması, soğutucu kompartman içerisindeki sıcaklık dağılımı ile doğrudan ilgilidir. Uygun olmayan sıcaklık koşullarında gıdalar tazeliğini kısa sürede kaybetmektedir. Bu nedenle kabin içerisinde düzgün sıcaklık dağılımının eldesi gıdaların tazeliği, dolayısıyla insan sağlığı açısından hayati bir öneme sahiptir. Konu bu yönüyle, beyaz eşya sektörünün öncü ürünü olan buzdolabında üzerine en çok yoğunlaşılan alanlardan birini oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasında da statik tip bir buzdolabının soğutucu bölmesindeki sıcaklık dağılımı irdelenmiş, kabin içerisinde hava sirkülasyonunu arttırmaya yönelik kullanılan eksenel fanın, bölme içerisindeki sıcaklık dağılım kalitesini kötüleştirmeden, kullanımının iptaline yönelik inceleme yapılmıştır. Zaman ve maliyet avantajı sebebiyle çalışma sayısal çözüm odaklı yürütülüp, deneysel çalışmalar ile desteklenmiştir.Çalışmada öncelikle, soğutucu bölme içerisindeki ısı transferi mekanizmasını anlamaya yönelik temel teorik incelemeler yapılmıştır. Yapılan incelemeler neticesinde elde edilen sonuçlar ileride sayısal modelin oluşturulmasında kullanılmıştır. Sonraki adım olan sayısal modelleme esnasında, deneysel çalışmalardaki kapasite problemi nedeniyle, kabin içerisinde simetrik akış kabulü yapılarak, soğutucu bölme hacminin yarısı üzerinde sayısal model oluşturulmuştur. Soğutucu kompartmanın en alt kısmında yer alan sebzelik bölmesi farklı bir akış karakteristiğine sahip olması nedeniyle modele dahil edilmemiştir. Katı model oluşturulurken cam raflar ve kapı rafları akışa engel eleman olarak tanımlanıp çözüme dahil edilmemişlerdir. Kompartman içerisinde açıya sahip yüzeylerde düz yüzey kabulü yapılmıştır. Kabin içerisindeki hava hacmini temsil eden katı modelin oluşturulmasından sonra model üzerinde yapısal çözüm ağı örülmüştür. Bir önceki katı model adımında yapılan kabuller neticesinde model hacmi, yüksek kalitedeki hexahedral elementlere bölünmüştür. Teorik incelemeler esnasında, kabin içerisinde laminer akış koşullarının geçerli olduğu ve ışınım ile olan ısı aktarımının taşınım ile aynı mertebede olduğu elde edildi. Bunun sonucu olarak, sayısal modelde laminer akış kabulü yapılmış ve ışınım ile olan ısı geçişi modele dahil edilmiştir. Doğal taşınım etkisi modele dahil edilirken ise kabin içerisindeki sıcaklık farklarının düşük olması nedeniyle Boussinesq kabulü yapılmıştır. Sayısal modelin doğrulanması, kabin içerisindeki raflar arasına konumlandırılan ve bölmenin sıcaklık dağılımının belirlenmesinde kullanılan standart ısıl çift sıcaklık değerlerine göre yapılmaktadır. Standart ısıl çift sıcaklık değeri olarak, buzdolabının periyodik çalışma yaptığı kararlı rejim durumundaki ortalama sıcaklık değerler alınmaktadır. Sayısal modelin doğrulanması, modelde standart ısıl çiftleri temsil eden noktalardaki sayısal sıcaklık değerlerinin deneysel ortalama sıcaklık değerleri ile karşılaştırılması sonucu gerçekleştirilir. Bu nedenle sayısal model oluşturulurken, sürekli rejim ve yüzeylerde sabit sıcaklık kabulleri yapılmıştır. Cam raflar ve kapı raflarına ait yüzeylerde ise adyabatik duvar şartı tanımlanmıştır. Sınır şart tayini amacıyla yapılan yüzey sıcaklık ölçümleri daha önce de belirtildiği üzere periyodik çalışma durumundaki ortalama sıcaklık değerleridir. Sayısal modelin oluşturulması ve doğrulanmasında kullanılan deneysel sıcaklık sonuçları, buzdolabının, belirli sıcaklık ve bağıl nem değerlerine sahip deney odasında test edilmesi ile gerçekleştirilmiştir.Çalışmada incelenen buzdolabında soğutucu bölmede eksenel fanın kullanılıp kullanılmamasına bağlı olarak 2 farklı konfigürasyon mevcuttur. Teorik inceleme ve deneysel çalışmaların da yardımı ile oluşturulan sayısal modelin, öncelikle buzdolabı soğutucu bölmesi mevcut konfigürasyonları üzerindeki çözümü yapılmıştır. İlk olarak fansız konfigürasyona ait sonuçlar incelenmiştir. Kabin içerisindeki sıcaklıkların yukarıdan aşağıya doğru azalarak, dikey yönde belirgin bir sıcaklık farkının oluştuğu görülmüştür. Fanlı konfigürasyon için sayısal sonuçlar incelendiğinde, fan etkisiyle oluşan sirkülasyon sebebiyle üst bölgelerdeki sıcaklıkların düştüğü, dolayısıyla raf sıcaklık değerlerinin birbirine yaklaşarak dikey yönde oluşan sıcaklık dengesizliğinin azaldığı ve kabin içerisinde daha düzgün bir sıcaklık dağılımın elde edildiği görülmüştür.Yapılan sayısal çalışmalara ait sonuçlar deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmış ve sonuçların birbirleriyle uyumlu olduğu görülmüş ve bu sayede sayısal modelin doğruluğu kanıtlanmıştır. Sonrasında, mevcut konfigürasyon sonuçlarından elde edilen bilgiler doğrultusunda, maliyet, imal edilebilirlik ve montaj kolaylığı gibi bir takım seri imalat parametrelerine de göz önünde bulundurarak, kullanılan loop sayısına bağlı olarak 2 farklı buharlaştırıcı tasarımı gerçekleştirilmiştir. Fan kullanımı olmayan ve yeni buharlaştırıcılardan oluşan modeller üzerinde sayısal çözümler yapılmıştır. Sayısal sonuçlar incelendiğinde, mevcut duruma göre fazla sayıda looptan oluşan 1 nolu tasarımın sıcaklık dağılım kalitesi, mevcut konfigürasyonlar arasında ve fansız konfigürasyona yakın olacak şekilde elde edilmiştir. Mevcut duruma göre az sayıda looptan oluşan 2 nolu tasarımda ise, raf sıcaklık değerleri birbirine yakın olarak elde edilmiş, raflar arasındaki maksimum sıcaklık farkı ve standartma gibi sıcaklık dağılım kalitesi değerlerinin mevcut fanlı konfigürasyona ait değerler ile aynı mertebelerde olduğu görülmüştür. Bir önceki aşamada olduğu gibi, sayısal sonuçların deneysel sonuçlar ile doğrulaması yapılmıştır. Yeni buharlaştırıcı tasarımlarının imali gerçekleştirilip, fan kullanımının olmadığı buzdolapları hazırlanmış ve ürünler teste tabi tutulmuştur. Elde edilen deneysel sonuçlar ile sayısal sonuçların tutarlı olduğu, sayısal sonuçların deneysel sonuçlardan sapma miktarının %10'un aşağısı gibi kabul edilebilir limitler içerisinde kaldığı görülmüştür.Sonuç olarak, çalışılan statik buzdolabı soğutucu bölmesi üzerinde sayısal çözümler yaparak, kabin içerisinde hava sirkülasyonunu arttırmaya yönelik kullanılan eksenel fanın iptalini sağlayan ve kabin içerisindeki sıcaklık dağılım kalitesini fanlı konfigürasyonla aynı tutan bir buharlaştırıcı tasarımı ortaya konmuştur. Ayrıca, buzdolabının temel görevi olan, gıdaların tazeliğini koruyarak uzun süreli muhafaza edilmesi işleminde, kabin içerisindeki sıcaklık ile beraber diğer önemli parametre nem miktarıdır. Dolayısıyla bu çalışmanın devamı olarak soğutucu bölme içerisindeki kütle transferinin konu edilmesi, gıdaların buzdolabı içerisindeki muhafazasının incelenmesi ve iyileştirilmesi açısından faydalı bir çalışma olacaktır

Abstract:
In recent years, expectations of consumers regarding the refrigerator performance keeping foods fresh in long term, have been increasing. At the same time, to protect food fresh is directly related to distribution of temperature in the fridge compartment. In unsuitable temperature conditions, foods lose their freshness at a short time. Therefore, achievement of uniform temperature distribution in the fridge compartment has a vital importance in terms of human health. For this aspect, specified topic is one of the most significance fields in refrigerator leading product of the white goods industry. In this thesis, temperature distribution in the fridge compartment of static refrigerator has been examined and axial fan used for increasing air circulation in the compartment has been made investigation intended for its cancellation without making worse the quality of temperature distribution in the compartment. Due to time and cost advantages, study has been conducted with the focus of numerical solution, and supported with experimental studies.Firstly, in the study, fundamental theoretical investigations have been carried out to understand the mechanism of heat transfer in the fridge compartment. As a consequence of investigations, results have been used for the preparation of numerical model. In the next step, because of capacity problem in the experimental studies, the numerical model has been developed over half of the volume of fridge compartment by assuming symmetrical air flow inside the compartment. Crisper division at the bottom of the fridge compartment has not been included into the numerical model owing to having different air flow characteristic. While creating solid model, glass shelves and door shelves have not been incorporated into the solution and defined as obstacles to the air flow. Flat surface assumption has been accepted on the angled surfaces in the compartment. After the designing of solid model representing the volume of air inside the compartment, structural mesh has been built on the model. The result of assumptions had been made in the previous step of the solid model, model volume has been divided into high-quality hexahedral mesh elements. During theoretical inspections, validation of laminar flow conditions in the compartment and heat transfer by radiation is in the same order as convection have been obtained. As a result of this, laminar flow assumption has been accepted and heat transfer with radiation has been included into the model. While natural convection effects have been included into the model, Boussinesq assumption has been accepted because of low temperature differences inside the compartment. Verification of the numerical model has been made according to the temperature values of the standard thermocouples taken place between glass shelves and used for determining the temperature distribution in the fridge compartment. As the value of standard thermocouple temperature, the average temperature values have been taken in the steady state regime in which refrigerator works periodically. Confirmation of the numerical model has been performed as a result of comparison with the experimental values of the average temperatures and numerical temperature values in the points standing for the standard thermocouples in the model. For this reason, creating a numerical model, fixed temperature on surfaces and steady state assumptions have been applied. Differently, adiabatic wall condition has been defined on the surfaces of glass shelves and door shelves. Measurements of surface temperature for the purpose of determination of boundary conditions are average temperature values in the case of periodic working as stated earlier. The results of the experimental temperature measurement used in the creation and verification of the numerical model have been carried out by testing refrigerator in the experiment room having specific temperature and relative humidity values.There are two different configurations depending on axial fan usage in the fridge compartment of refrigerator examined in the study. Firstly, numerical model created with the help of theoretical investigations and experimental studies has been solved over current configurations of the fridge compartment. Afterwards, the results of configuration without fan has been examined. It has been seen that temperature in the compartment decreases from top to the bottom and significant temperature difference occurs in the vertical direction. When the numerical results have been analyzed for the configuration with fan, it has been observed that, due to the effect of fan circulation, temperature falls in upper regions; temperature imbalance formed in the vertical direction decreases and more uniform temperature distribution is obtained in the compartment. Then, results of numerical studies have been compared with experimental values, results are compatible with each other and in this way, the accuracy of the numerical model has been proved. Following, based on information gathered from the results of the current configurations, by considering serial production parameters such as cost, ease of manufacturing and assembly, two different evaporator designs have been carried out depending on the number of using loop. Numerical solutions have been performed over models with new evaporators by cancelling fan usage. When numerical results have been analyzed, the quality of temperature distribution of the design number one, having more number of loop than that of current one, has been obtained to be close to the current configuration without fan and between the existing configurations. On the contrary, it has been observed that in design number two, having less number of loops than current one, the shelf temperature values are obtained close to each other, the quality values of temperature distribution such as maximum temperature difference and standart deviation between shelves are at the same order with the values of current configuration with fan. As in the previous step, numerical results have been validated with experimental results. Production of the new evaporator designs has been completed, refrigerators without the use of fan have been prepared and the products have been tested. It has shown that numerical results are consistent with experimental values, and the amount of deviation from experimental results is below 10% which remains within acceptable limits.As a result, by making numerical solutions on the fridge compartment of a static refrigerator, an evaporator design keeping the same temperature distribution quality in the compartment with current configuration with fan and providing cancellation of the axial fan increasing air circulation in the volume has been created. Furthermore, in the process of keeping freshness of foods in a long term which is the main task of a refrigerator, another significant parameter is moisture together with temperature. Therefore, investigation of mass transfer within the compartment as a continuation of this study will be an useful work for analyzing and improvement of storage of foods in the refrigerator.