Düşey bir plaka yüzeyinde doğal taşınım şartlarında yoğuşmanın incelenmesi
Investigation of natural convection condensation over the vertical plate
Yazar: ALİİHSAN KOCA
Danışman: DOÇ. DR. ŞEVKET ÖZGÜR ATAYILMAZ ; DOÇ. DR. ÖZDEN AĞRA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik ve Isı Tekniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tezde, ışınımsal soğutma sistemlerine entegre çalışabilecek nem alıcı hibrid panel üzerine çalışmalar yürütülmüştür. Bu bağlamda kapalı bir hacim içerisinde su buharı-hava karşımı içerisindeki su buharının düşey bir levhada doğal taşınım şartlarında yoğuşması sonucu gerçekleşen eş zamanlı ısı ve kütle geçişi sayısal ve deneysel olarak detaylı incelenmiştir. 
Tez çalışması beş ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde detaylı kaynak araştırması, tezin amaçları ve orijinal katkı genel olarak açıklanarak konuya giriş yapılmıştır. 
İkinci bölümdeki sayısal çalışmada; kullanılan sayısal çözüm kodu yardımıyla, kapalı bir hacimde hava içerisindeki su buharının düşey bir plaka üzerinde yoğuşması ile gerçekleşen doğal taşınım şartlarında eş zamanlı ısı ve kütle geçişi incelenmiştir. Deneysel şartlar ile aynı sınır koşullara sahip analizler yapılarak, yoğuşan miktar ve zamana bağlı yoğuşma akıları incelenmiştir. Sayısal çalışmalar için Ansys Fluent 15.0 CFD programı kullanılmıştır. 
Üçüncü bölümde; bu tez çalışması için özel olarak geliştirilen deney odasının detaylı tanıtımı, deney öncesi yapılan hazırlıklar ve deneysel yöntem detaylı olarak anlatılmıştır. Yine bu bölümde deneysel ölçüm bulgularının kullanıldığı; enerji dengesi, yoğuşturucu plaka ısı akıları ve ısı transfer katsayıları ve eş zamanlı ısı ve kütle geçişi, ısı ve kütle taşınım katsayıları hesaplama yöntemleri açıklanmıştır. 
Dördüncü bölümde; Mir Araştırma ve Geliştirme A.Ş. şirketi bünyesinde kurulan hassas iklimlendirme deney odasında gerçekleştirilen deneysel çalışmaların bulguları verilmiştir. Deneysel çalışmalar yoğuşmanın olduğu ıslak durum ve yoğuşmanın olmadığı durumdan oluşmaktadır. Yoğuşmanın olduğu durumda altı farklı plaka yüzey sıcaklığı (10,5-10,9-11,3-12,4-13-14 °C) ve beş farklı başlangıç bağıl nem değerine (% 65-70-75-80-85) göre deneyler yürütülmüştür. Kuru durum için ise beş farklı plaka yüzey sıcaklığı (11,5-11,7-14,3-14,9-17,5°C) çalışılmıştr. 
Deneysel çalışmalar dört ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde; her bir deney için zamana bağlı yoğuşma debileri ve toplam yoğuşma miktarları incelenmiştir. Deneysel olarak elde edilen yoğuşma akıları, sayısal çalışmaların bulguları ve analitik hesaplama bulgularıyla karşılaştırılmıştır. Yoğuşma su buharı kısmi basınç farklarına göre ifade edilmiştir. Plaka yüzeyi ile sınır tabaka dışındaki bağıl nem ve sıcaklık değerleri kullanılarak yoğuşma akılarının su buharı kısmi buhar basıncı farkına göre ifadesiyle tüm yoğuşma deneyleri tek bir grafiğe indirgenerek genelleştirilmiştir. İkinci bölümde; Yürütülen sayısal çalışmalardan hesaplanan yoğuşma miktarı ile aynı şartlarda deneysel çalışmalardan elde edilen toplam yoğuşma miktarı karşılaştırılmıştır. Tüm bulgular irdelendiğinde de sayısal çalışmalarla hesaplanan toplam yoğuşan miktarın deneysel olarak ölçülen toplam yoğuşma miktarından ortalama %8,9 oranında fazla çıktığı görülmüştür. Üçüncü bölümde sadece ısı geçişinin olduğu kuru deney bulguları kullanılarak, her deney için hesaplanan Nu ve Ra değerleri ile serbest taşınım şartlarında düşey plakaya ısı geçişi için 7,78x107

Abstract:
In this study we propose a novel cooling and dehumidification strategy with hybrid panel, in which a hybrid panel can be hydronically connected in series with the radiant cooling system. For this purpose, simultaneous heat and mass transfer during the natural free convective condensation of water vapor over the vertical in the presence of non-condensation in real scaled closed room has been investigated numerically and experimentally. 
Thesis consists of five chapters. In the first chapter, studies that are related to our subject in the literature have been reviewed. Furthermore the purpose and the goals of the study has been explained. 
In the second chapter, numerical study of heat and mass transfer in free convection has been carried out. In these CFD model which has same boundary conditions with experimental studies, vapour condensation in the presence of non-condensable gas were simulated and simultaneous heat and mass transfer during the natural free convective condensation of water vapor calculated. Condensation amounts and condensation rates have been obtained numerically. In this work, a numerical model was developed using the commercial CFD package ANSYS-FLUENT version 15.

In the fourth chapter, experiments have been performed in a conditioned room in Mir Araştırma ve Geliştirme A.Ş. Experiments were conducted for wet conditions (condensation) and dry conditions (non-condensation). Multiple deneys were conducted by varying the temperature of the cold plate average surface temperatures of 10,5, 10,9, 11,3, 12,3 and 14 °C were set on the condensing plate for an initial humidity of 75 % and varying relative humidity ratios of 65 %, 70 %, 75 %, 80 % and 85 % were set to air. For dry cases,  average surface temperatures were studied of 11,5-11,7-14,3-14,9 and 17,5°C were set on the plate. 
Experiments consist of four main parts. In the first part; For each cases condensation rates condensation amounts were evaluated. Obtained transient condensation rates from experiments were compared with the numerical results and analitical calculations. Condesation rates were expressed according to the partial pressure difference of water vapor using the temperatures and humidity ratios of plate surface and outside of boundary layer. 
In the second part; numerically calculated and measured condensation amounts have been compared. According to the results, the average deviation between numerical calculations and experimental results were avarage %8,9. 
In the thirth part; using the abtained results of the dry experiments, free convection heat transfer over the vertical plate have been successfully correlated by the equation NuL=9,709xRa0,1854 for the range of 7,78x107