Duvarlarından ısıtılan ve soğutulan kapalı hacimlerde doğal taşınımın incelenmesi
The investigation of natural convection in enclosures heated and cooled from walls
Yazar: ÖZGEN AÇIKGÖZ
Danışman: PROF. DR. OLCAY KINCAY ; PROF. DR. TAHİR HİKMET KARAKOÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Doğal taşınım = Natural convection

Özet:
Isıl konforu geliştirmek ve enerji tüketimini azaltmak, binalarda gerçekleştirilen mühendisliğin en önemli ilgi alanlarıdır. Enerjinin verimli kullanılmasının giderek önem kazandığı günümüzde, düşük sıcaklıklı enerji kaynakları kullanan ısıtma sistemleri ve kapalı hacimlerde gerçekleşen doğal taşınım problemleri öne çıkmıştır. 
Bu çalışmada, duvardan ısıtma panelleriyle yaşam mahallerinin ısıtılması ve bu durumda oluşacak doğal taşınım; kurulan deney düzeneğinde incelenmiş, yapılan deneyler sonucunda oda içinde oluşacak ortalama taşınım katsayıları hesaplanmıştır. Isıtıcı ve soğutucu olarak bir sıcak, bir de soğuk su banyosu kullanılmış, sıcak ve soğuk duvardaki panellerden geçen su debileri ölçülmüştür. Duvar yüzeyleri ve oda içi hava sıcaklığı ölçümünde T tipi termokupllar kullanılmıştır. Ayrıca, farklı boyutlarda ve farklı ısıtma koşullarındaki taşınım davranışının da incelenebilmesi amacıyla sayısal çalışmalar da gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, Gambit adlı modelleme programında odalar çizilmiştir. Deneysel çalışmadaki gibi, gerçek bir oda simülasyonu yaratmak için odanın düşey bir duvarından ısıtma, karşısındaki duvardan ise soğutma gerçekleştirilmiştir. Odalar çözüm ağlarına bölünmüş ve Fluent 6.3 adlı CFD çözüm programında sonuca ulaştırılmıştır. Farklı sıklıktaki çözüm ağlarından sonuçların bağımsız hâle gelmesi sağlanmıştır. Oda yüksekliğini deneysel çalışmadaki oda yüksekliği ile aynı tutarak, taban alanının farklı boyutlarında Nusselt sayıları ve taşınım katsayıları sıcak ve soğuk duvar sıcaklıkları değiştirilerek hesaplanmıştır. Buna ek olarak, sıcak duvarın tabandan itibaren farklı ısıtma yüksekliklerinde duvarın ısıtılması simüle edilmiş ve bu durumdaki sonuçlar irdelenmiştir. 
Elde edilen sonuçlardan, gerçek boyutlu odalarda oluşan taşınım davranışını çeşitli ısıtma koşulları ve boyutlarda genelleştirecek korelasyonlar, içinde açıklık oranını da bulunduracak şekilde türetilmiş, bu korelasyon sonuçlarının gerçek değerlerden sapma oranı hesaplanmıştır. 
Deneysel ve sayısal olarak türetilen taşınım katsayısı korelasyonları ayrıca diğer araştırmacılarca türetilmiş korelasyonlarla mukayese edilmiş ve sonuçların literatürle uyumlu olduğu görülmüştür. Ayrıca, sayısal çalışmaların sonucunda oda içinde gerçekleşen sıcaklık ve hız dağılımları da verilmiştir. Sıcaklık dağılımını veren şekillerde, oda içindeki sıcaklık katmanlaşması görülmüş; hız dağılımını veren şekillerde ise sadece duvar kenarlarında hava hareketinin mevcut olduğu tespit edilmiştir. Bu durum, duvardan ısıtma panelleri gibi düşük sıcaklıklı sistemlerle ısıtma gerçekleştirildiğinde oda içindeki taşınım akımlarının azaldığını ve dolayısıyla taşınım katsayısının da konvansiyonel sistemlerle yapılan ısıtmaya göre düştüğünü göstermektedir.

Abstract:
Improving thermal comfort and lowering energy consumption are the most significant concern fields of engineering carried out in buildings. Nowadays, in which efficient usage of energy increasingly gains importance, heating systems which use low temperature heating sources and natural convection problems that occur in enclosures have come forward. 
In this study, heating of living places by means of radiant heating panels from walls and the natural convection that occurs under this circumstance have been investigated and as result of the conducted experiments convection coefficients that occur in the rooms have been calculated. As heating and cooling source, one heater bath and a cooler bath have been utilized and also flow rates that pass through panels in hot and cold walls have been measured. T-type thermocouples were used to measure the surface and air temperatures. Furthermore, to investigate the natural convection behavior at different dimensions and heating conditions numerical studies have been implemented as well. For this purpose, different rooms were drawn in the program, Gambit.  As in the experimental study, to create a real room situation, heating was implemented from one vertical wall, and cooling was implemented from the opposite wall of the room. The rooms have been divided into meshes and exported to CFD program, Fluent 6.3. Also, the results have been turned into independant from meshes. As holding room height same with the value at the experimental setup, at different values of floor dimensions Nusselt numbers and convective heat transfer coefficients were calculated via varying hot and cold wall temperatures. In addition, partial heat of the hot wall from floor level to different height values were simulated and results were scrutinized. 
From the obtained results, correlations that generalize the convective behavior in real-size rooms have been derived at various heating conditions and dimensions in which aspect ratio takes place as well. Also, deviations of produced correlations from real results were determined.
Moreover, the convective heat transfer coefficient correlations which were derived experimentally and numerically have been compared with the correlations derived by other researchers and it has been seen that results were coherent with the literature. Also, temperature and velocity distribution that occur in the room were presented. From the figures that illustrate the temperature distribution, thermal stratification in the room has been observed and from the figures that illustrate velocity distribution in the room, it has been seen that air flows occur just at the sidewalls of the room. This demonstrates that when heating is realized by means of systems like radiant heating panels from walls, convection streams in the room decrease and thus convection coefficient decreases with respect to conventional heating systems as well.