Buzdolapları için mikrokanal yoğuşturucu tasarımı
Microchannel condenser design for refrigerators
Yazar: ANIL BAŞARAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ YURDDAŞ
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik ve Isı Tekniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Mühendislik = Engineering

Özet:
Mikrokanal ısı değiştiriciler, endüstriyel uygulamalardaki küçük hacimlerden
yüksek ısı aktarım ihtiyaçlarının karşılanmasında etkili olmaktadır. Soğutma
uygulamalarında mikrokanal ısı değiştirici gibi kompakt ısı değiştiricilere yer
verilmesi faz değişimlerinin küçük hacimlerde meydana gelmesini kaçınılmaz hale
getirmektedir. Bu tez çalışmasında, panjurlu kanatlı mikrokanal yoğuştucu tasarımları
için matematiksel bir benzetim modeli sunulmuştur. Sunulan model, yaygın kullanılan
R600a soğutkanı ile çalışan buzdolabının çalışma koşullarını esas alarak
yoğuşturucunun ısı kapasitesini ve çıkış sıcaklığını tahmin etmek üzere tasarlanmıştır.
Sonlu hacimler yöntemine dayanan modelde, hesaplamalar yinelemeli bir şema ile
etkinlik-NTU yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Matematiksel model sonuçlarını
doğrulamak için deneysel çalışma yapılmış ve 16 farklı test gerçekleştirilmiştir.
Deneysel ölçümler sonucunda matematiksel modelin, incelenen tüm test koşulları için
çıkış sıcaklığını ±%2; ısı kapasitesini ise ±%1 aralığında bir ortalama mutlak sapma
ile öngördüğü sonucuna varılmıştır. Tasarım aracı olarak geliştirilen matematiksel
model, çözümleme için basınç kaybı ve ısı transfer katsayısına ihtiyaç duymaktadır.
R600a'nın mikrokanaldaki yoğuşma akışının ısı transfer katsayısı ve akış
karakteristiği üzerine bir çalışmaya rastlanılmamış, literatürdeki bilgiler yetersiz
kalmıştır. Bu kapsamda, ısı transfer ve basınç kaybı karakteristiğinin belirlenmesi için
R600a'nın mikrokanal yoğuşma akışı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD)
yazılımlarından biri olan Ansys FLUENT ile simüle edilmiştir. Sürekli durumda
gerçekleştirilen HAD simülasyonlarında, çift fazlı akış Volume of Fluid (VOF)
yaklaşımıyla, arayüz faz değişiminin kütle transferi Lee Modeli ile modellenmiştir.
HAD simülasyon sonuçlarına dayanarak R600a'nın mikrokanal yoğuşma akışı için
yeni bir ısı transfer katsayısı korelasyonu geliştirilmiştir. Tez çalışmasında,
mikrokanal boyutları küçültülerek teorik tasarımlar yapılmış, tasarımların
performansları geliştirilen matematiksel model ile karşılaştırmalı olarak
değerlendirilmiştir.

Abstract:
Microchannel heat exchangers are advantageous designs to meet the high heat
transfer requirements of small volumes in industrial applications. The utilizing of
compact heat exchangers such as microchannel heat exchangers in cooling
applications makes it inevitable that phase changes occur in small volumes. In this
thesis, a mathematical simulation model for louvered fin microchannel condenser
designs has been presented. The proposed mathematical model has been designed to
estimate the heat capacity and outlet temperature of the microchannel condenser based
on the refrigerators operating conditions that work with refrigerant R600a. In the
model based on the finite volume method, the calculations are made with an iterative
scheme using the efficiency-NTU method. An experimental study has been conducted
to validate the proposed model and 16 different tests have been performed fort he
validation. It is concluded in the validation effort that the model is able to predict the
outlet temperature with a ± 2% mean absolute error (MAE) and the heat transfer
capacity with a ± 1% MAE. The mathematical model developed as a design tool
requires pressure loss and heat transfer coefficient for the calculation. There is no
sufficient information on heat transfer coefficient and pressure drop of the
condensation flow characteristics of R600a inside the microchannel. To determine the
heat transfer coefficient and flow characteristics, condensation of R600a inside
microchannel has been simulated with Ansys FLUENT which is one of the
Computational Fluid Dynamics (CFD) softwares. In the steady-state simulations, the
Volume of Fluid (VOF) method has been used for modeling of two-phase flow and
Lee model has been used to simulate the mass transfer of phase change at the interface.
A new heat transfer coefficient correlation has been developed for the condensation
flow of R600a inside microchannel based on CFD simulations. Theoretical designs
have been performed by decreasing the microchannel dimensions and the thermal
performances of the designs have been assessed comparatively with using proposed
mathematical model.