Kapalı hacimlerde ışınımla ısı geçişi ile enerji etkinliğinin artırılması
Utilization of radiation heat transfer for improving the energy efficiency in enclosures
Yazar: ÖZGÜR IŞIK
Danışman: PROF. DR. SEYHAN  UYGUR  ONBAŞIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı ışınımı = Heat radiation ; Termal verimlilik = Thermal efficiency

Özet:
Literatürde üzerinde çok fazla çalışma yapılmayan bir konu olan ışınımla ısı geçişi, bilhassa yüksek sıcaklıklara çıkıldığında baskın bir mekanizma haline gelmekle birlikte, özellikle enerji verimliliğinin azaltılması açısından önemli bir bileşen durumundadır. Bu çalışma kapsamında, kapalı hacimler içerisindeki ışınımla ısı geçişi hakkında yapılan teorik arka plan araştırması ışığında geliştirilen modeller uygulama alanı olan ev tipi ankastre fırınlar üzerinde incelenmiştir. 
Tez çalışmasının ilk bölümünü oluşturan giriş bölümü boyunca ışınımla ısı geçişini oluşturan temel kavramlar tanıtılmıştır. Yüzey ışınımıyla ilgili olarak sunulan kavramsallaştırmalar ideal yüzeyleri tanımlamakta kullanılan siyah cisimleri tarif ettikten sonra, gerçek (gri) yüzeyler üzerinde durmuştur. Gri yüzeyler arasındaki yüzey ışınımını çözümlemekte kullanılan yöntemlerden bazıları sıralandıktan sonra, gaz ışınımı mekanizması ile ilgili temellerden bahsedilmiştir.
İkinci bölümde ise çalışmaların yürütüldüğü laboratuar olan `Yüksek Sıcaklıkta Isı Geçişi Laboratuarı? bünyesinde yürütülen 111M048 numaralı TÜBİTAK 1001 projesi kapsamında yapılan çalışmalarla eş zamanlı olarak yürütülen tez çalışması esnasında ele alınan uygulama olan ev tipi ankastre fırının standart hale getirilmiş enerji tüketim deneylerinin yapıldığı tesisat tanıtılmıştır. 
Bölümü takiben, mevcut ev tipi fırın üzerinde yüzey ışınımı etkinliği incelenmiştir. Yapılan inceleme ilk olarak fırının boş olması durumunda, sonrasında ise standart deneylerde yiyeceği modelleyen tuğlalı hal için sunulmuştur. Bu incelemeler mevcut fırında yapılacak iyileştirmeler için zemin oluşturmaktadır. İlerleyen iki alt başlık kapsamında ışınımla ısı geçişini doğrudan etkileyen iki parametre olan şekil faktörü ve yayma oranı incelenmiştir. Şekil faktörü incelemeleri esnasında ilk olarak kavite hacmi üzerinde değişiklik yapılmış fırın ele alınmış ve enerji tüketimi değerleri ile ışınımla ısı geçişi performansı ilişkilendirilmiştir. Sonrasında ise, standart deneylerde merkezde yer alan tuğla farklı pozisyonlara yerleştirilerek sıcak yüzeyler ile yük arasındaki etkileşim mercek altına tutulmuştur. 
Yayma oranı ile ilgili olarak yapılan çalışmalar ilk olarak literatürde de üzerinde sıkça durulan `düşük yayma katsayılı fırın? üzerinde yoğunlaşmıştır. Destekçi kuruluş tarafından temin edilen bir prototip üzerinde yapılan incelemeler göstermiştir ki düşük yayma oranına sahip fırın yüzey sıcaklıklarını düşürmekte ve dolayısıyla ısıl kayıpların önüne geçmektedir. Bu bölümde yapılan incelemeler ışığında elde edilen sonuçlar bir sonraki bölümde düşük yayma katsayılı fırın tasarımına eleştirel olarak bakılmasının önünü açmıştır. Yapılan analizler sonucunda ışınım yayan yüzeylerin yüksek, ışınım toplayan yüzeylerin ise düşük yayma katsayısına sahip olduğu hibrid tasarımların performansı artıracağı öngörülmüştür. Yapılan öngörüler tasarlanan deney düzeneğinde test edilmiş ve öngörülerle paralel sonuçlar elde edilmiştir.
Tez çalışmasının son bölümünde ise içeriğinde su buharı bulunduran bir ortam olan kavite hacmi içerisindeki gaz ışınımı mekanizmasının etkileri üzerinde durulmuştur. İlk olarak ortalama yayma katsayısını belirleyen mühendislik yaklaşımı sayesinde fırın içerisindeki gaz ışınımının mertebesi ortaya konmuştur. Elde edilen sonuçlar bu mertebenin hiç de azımsanamayacak düzeyde olduğunu göstermektedir. Son olarak ise, gaz ışınımı mekanizmasını göz önüne alan bir sayısal model olan Discrete Ordinates (DO) yöntemi ile yüzey ışınımını gözeten Surface to Surface (S2S) sayısal modelleri nemli hava içeren bir kapalı hacim içerindeki doğal taşınımın modellenmesinde kullanılmış ve elde edilen sonuçlar arasında karşılaştırmaya gidilmiştir.

Abstract:
Radiation heat transfer, eventhough is not a popular subject in literature, is a dominant heat transfer mechanism especially in high temperatures thereby improving energy efficiency. In this study, models provided by theorical background on radiation heat transfer in enclosures applied on household built-in ovens.
In the firt section of the thesis, the main concepts that constitute radiation heat transfer is introduced. Surface radiation has been divided into to sections: at first idealized surfaces that called `black body? than the real ones (gray surfaces). Here, the methods that are used to solve surface radiation between gray surfaces before mentioning fundamentals about gas radiation. 
The second section is referred to the application of the study and the experimental setup in `High Temperature Heat Transfer Laboratuary? that the studies carried with the 1001 project 111M048 supported by TUBITAK. 
Afterwards, the surface radiation in the original oven is investigated. At first, the cavity set empty, than the brick is been placed in the center to be studied to provide the basis for improvements. In the following two subtitle, the radiation exchange factor and emissivity are determined as parameters. At first, the prototype that the size of the cavity is changed is investigated to determine the effect of exchange factor relationship. Moreover, the standart position of the test brick is set to different locations to link energy consumption of the oven and position of the brick. 
As it is noticed that the energy resources of our planet is alarming, the researches have started to give their attention to decrease the consumptions. For that purpose, the household appliances are one of the important field to focus. Thanks to these studies, the efficiency levels are improving. During 90?s the energy efficiency of a domestic oven was in approximetely 12-13%, nowadays the levels are lift up to 25%. Nevertheless, the standardization of the energy consumption experiments has become to be identified more detailed by the commities. European Committee for Electrotechnical Standardization (CELENEC) has announced in 1996 and, give its final version in 2005 as EN 50304 for the energy consumption experiments for domestic ovens.
The complexity of analytical solution of radiation problems have pave the way for numerical solutions beside them. Radiosity Irradiosity Method (RIM), Discrete Transfer Method (DTM), Discrete Ordinate Method (DOM), Finite Volume Method and Monte Carlo Method are some of the most popular numerical methods in radiation problems. Monte Carlo Method, which is used in this study, is a statistical method that models a physical problem. Markhov chain and random numbers set a base for this method which gives rapid results. Monte Carlo aprroach has been adapted to radiation problems by Howell . These models have been used oftenly in industrial cases. These studies and a large literature summary are present in. On the other hand, numerical studies in domestic ovens have been conducted by various studies including the effects of radiation in addition to natural convection.
In the present work, such an analysis including the effects of radiation and convection in domestic ovens has been performed by the means of S2S radiation model and k-epsilon turbulence model. Three different enclosure models have been designed in a built-in oven in order to improve the efficiency of radiation. The main goal was to improve efficiency by improving the contribution of view factor effect. The experimental study has been carried out in order to compare the models from the view points of energy consumption and cooking time. By the way, the computational study focused on the mechanism of heat transfer in cavity.
During the study on the emissivity of the oven the concept `low emissivity oven? examined at first. The studies carried on a prototype supplied by supporter firm that showing reducing emissivity reduces temperature gradient thus decreasing heat loses. The results obtained by this section pave the way for a critical view on the concept. Therefore, it has been stated as a projection that the emitter plates should be high and collector plates should have low emissivity. The projection has been validated by experimental results that the energy consumption can be reduced so.
Finally, in the last section of the thesis, the effect of moist air in the cavity on the gas radiation mechanism is being searched. Firstly, by the view of engineering aspect the order of the gas radiation in the oven is stated. Results have shown that gas radiation cannot be neglected. Secondly, two different numerical models one considering gas radiation (Disrete Ordinates) the other only surface radiation (S2S) are compared for a cavity that filled with moist air. 
Due to many engineering applications, like ovens, combustion chambers, condensers etc. there are many researches devoted to coupled heat and mass transfer in enclosures. For high temperature applications, radiative heat transfer should be taken into account hence there are also some paper covered heat/mass transfer with radiation. However, it is possible to claim that radiative heat transfer plays a non-negligible role in heat transfer even in very low temperature differences .In addition to computational studies, including radiative heat transfer or not, it is also an important factor that whether radiation is treated as a surface phenomenon or a whole-domain phenomenon. 

A numerical study on this issue has shown that it is possible to obtain completely different results by using different treatments. Therefore, for the ones who are willing to conduct a numerical study on the radiation phenomena, it is vital to determine which type of treatment would be sufficient to obtain an agreement between experimental and numerical results. Briefly the object of this study is to investigate the coupled heat/mass transfer with radiation in an enclosure and proposing a limitation for participating medium assumption with a comparative study on two radiation models. 

In this study, the governing equations are solved by means of finite-volume approach with a commercial CFD program (FLUENT). All equations are temporally discretized by first order implicit time integration method. An implicit scheme may provide unconditionally stable numerical solution, however the time-steps are selected under the consideration of turbulent temporal scales. Previous studies in turbulent buoyant flows in enclosures have shown that under convenient discretization methods and grid resolutions, it is possible to obtain satiSfying numerical results which are on agreement with experimental results. Therefore, realizable k-? turbulence model is chosen for the modeling of turbulence. Convective terms of transport equations are discretized by upwind scheme  whereas the diffusion terms are discretized by standard central differencing. Velocity and pressure are coupled by the means of SIMPLE method. Ideal gas formulation has been used for the variation of density.

For modeling of radiation, two different models have been used. One of them is well-known Radiosity - Irradiosity Method (RIM) which can be used to account radiation exchange in an enclosure with gray surfaces. Radiation exchange with surfaces is accounted by a geometric function ?view factor? which can be determined by a ray tracing or a hemicube method. In this study, RIM method has been implemented on the basis of view factors calculated by ray tracing method. However, when the medium is participating, RIM model, which treats radiation as a surface phenomena, fails to provide a numerical result that would be validated by experimental results. Therefore, Discrete Ordinates Method (DO) which considers the fluid within the cavity as radiation exchanging domain. RTE is solved by means of finite volume techniques. RTE can be solved by using finite volume discretizations not only for structured meshes but also for unstructured meshes. In this study, radiation intensity field is obtained on a structured mesh.