Yüzeylerinden soğutulan bir yaşam mahalinde gerçekleşen farklı termal koşullarda ışınım ve taşınımın sayısal olarak incelenmesi
The numerical analysis of convection and radiation in a living space that is cooled from their surfaces
Yazar: CİHAN SEZER
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGEN AÇIKGÖZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) kullanılarak, yüzeylerinden soğutulan bir yaşam alanında farklı termal koşullarda ve taze hava üfleme debilerinde, taşınım ve ışınım yoluyla gerçekleşen ısı transferi karakteristikleri sayısal olarak incelenmektedir. Sayısal analiz, bir CFD yazılımı olan ANSYS Fluent ile gerçekleştirilmiştir. Bir konut veya ofis odasına ait gerçek boyutlu bir oda modellenerek, bu oda içerisinde farklı termal koşullar oluşturulup taşınım ve ışınım sayısal olarak incelenmiştir. Yaşam alanının taze hava ihtiyacı için 200x100 mm boyutlarındaki taze hava menfezinden sırasıyla 1,5 m/s, 2 m/s ve 2,5 m/s hızlarda taze hava verilmiştir. Yaşam alanının ısıtma ihtiyacı için radyatör kullanılmıştır. Radyatör yüzey sıcaklığı bu üç durum için ayrı ayrı 313 K, 318 K, 323 K, 328 K, 333 K, 338 K, 343 K, 348 K ve 353 K değerlerine ayarlanmıştır. Oda duvarlarından ısı kaybını temsil etmek amacıyla duvarlara sabit sıcaklık verilmiştir. Değişen termal koşullar altında radyatör yüzeyindeki taşınım ısı akısı, ışınım ısı akısı, toplam ısı akısı, taşınım ısı transfer katsayısı, ışınım ısı transfer katsayısı ve toplam ısı trasnfer katsayısı değerleri sayısal olarak belirlenmiştir. Yapılan CFD analizlerinin ardından; radyatör yüzeyindeki taşınım ısı akısı değeri 285,79 W/m2 ile 983,36 W/m2 arasında, ışınım ısı akısı değeri 120,63 W/m2 ile 441,25 W/m2 arasında, toplam ısı akısı değeri 406,45 W/m2 ile 1424,51 W/m2 arasında, taşınım ısı transfer katsayısı 11,68 W/m2K ile 15,23 W/m2K arasında, ışınım ısı transfer katsayısı 4,87 W/m2K ile 6,82 W/m2K arasında ve son olarak toplam ısı transfer katsayısı 16,40 W/m2K ile 22,05 W/m2K değerleri arasında olduğu saptanmıştır. Taze hava üfleme hızı 1,5 m/s'den 2 m/s'ye çıkarıldığında; bütün radyatör yüzey sıcaklıklarında ortalama olarak, taşınım ısı transfer katsayısı %2,68 oranında, toplam ısı transfer katsayısı %2,02 oranında, taşınım ısı akısı %3,27 oranında ve toplam ısı akısı %2,25 oranında artış göstermiştir. Taze hava üfleme hızı bir kademe daha arttırılarak 2,5 m/s'ye çıkarıldığında ise taşınım ısı transfer katsayısı %2,59 oranında, toplam ısı transfer katsayısı %1,55 oranında, taşınım ısı akısı %2,35 oranında ve toplam ısı akısı %1,63 oranında artış göstermiştir. Artan radyatör yüzey sıcaklığı ile birlikte taşınım ve ışınım etkilerinin arttığı gözlenmiştir. Havalandırma hızının artması taşınım etkilerini arttırırken ışınım üzerinde bir etkisi olmamıştır. Işınım etkilerinin salt yüzey sıcaklıklarına bağlı olarak değiştiği gözlenmiştir.

Abstract:
This paper investigates numerically the heat transfer characteristics through convection and radiation in a living space cooled from their surfaces, using Computational Fluid Dynamics (CFD). Numerical analysis was performed with ANSYS Fluent, a CFD software. Modeled space is a real-size room belonging to a residence or an office. Different thermal conditions and fresh air inlet velocities were generated in this room and convection and radiation were investigated numerically. Different velocities fresh air was given from 200x100 mm dimensions of fresh air outlet to room for fresh air requirement, respectively. Radiator was used for heating requirement. Radiator surface temperature was set to between 313 K and 353 K for these different cases, separately. Room walls were set to a constant temperature for the purpose of representing heat loss from walls. Convective heat flux, radiative heat flux, total heat flux, convective heat transfer coefficient, radiative heat transfer coefficient and total heat transfer coefficient were determined numerically under changing thermal conditions. According to CFD analysis; convective heat flux between 285,79 W/m2 and 983,36W/m2, radiative heat flux between 120,63 W/m2 and 441,25 W/m2, total heat flux between 406,45 W/m2 and 1424,51 W/m2, convective heat transfer coefficient between 11,68 W/m2K and 15,23 W/m2K, radiative heat transfer coefficient between 4,87 W/m2K and 6,82 W/m2K and total heat transfer coefficient between 16,40 W/m2K and 22,05 W/m2K were determined on the radiator surface. When the fresh air inlet velocity increased from 1.5 m/s to 2 m/s; on average of all radiator surface temperatures, convective heat transfer coefficient increased by 2.68%, total heat transfer coefficient increased by 2.02%, convective heat flux increased by 3.27% and total heat flux increased by 2.25%. When the fresh air inlet velocity increased by one more step to 2.5 m/s; convective heat transfer coefficient increased by 2.59%, total heat transfer coefficient increased by 1.55%, convective heat flux increased by 2.35% and total heat flux increased by 1.63%. It was observed that effects of convection and radiation increase with increasing radiator surface temperature. Increasing ventilation velocity improved convection effect, however there was no effect on radiation. It was observed that the radiation effect change solely depends on surface temperatures. As a result, heat transfer coefficient will be lower with low radiator surface temperature and optimum ventilation velocity. This causes that discreasing energy consumptions and increasing thermal comfort.