Kapalı bir kavitede çoklu yüzeylerden gerçekleşen ısı transferinin zamana bağlı olarak incelenmesi
Investigation of time dependent multi-surface heat transfer in a close cavity
Yazar: AYTAÇ TİMUÇİN ÖNCÜL
Danışman: PROF. DR. İSMAİL TEKE
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, bir soğutucunun taze gıda hacmi içinde bulunan kapalı kavite 0°C bölmesinin çoklu yüzeylerden olan ısı transferinin incelenmesi amacı ile kurulan parametrik deney düzeneği ile; farklı komşu yüzey sıcaklıkları ve farklı soğuk hava debileri karşısında zamana bağlı soğuma durumları ve saçınıklıklar tespit edilmiş, kapalı kavite içindeki sıcaklık dağılımı belirlenerek doğal taşınım dinamikleri irdelenmiştir.

Çalışma sonucunda; yüksek debide soğuk hava kullanımı ve komşu yüzey sıcaklığının hedef sıcaklığına yakın tutulmasının soğutma süresini kısalttığı sonucuna varılmıştır.Kavitenin komşu yüzey sıcaklığının artması kaviteden çekilen qnet'in azalmasına neden olurken, artan ortalama ısı transfer katsayısına paralel olarak Nu sayıları ve buna bağlı doğal taşınım ısı transferi artmaktadır. Kavite CFD analizlerinde belirlenen sıcaklık dağılımları ile deneysel çalışmalar birbirini doğrulamış, ayrıca bölme içinde saat yönünün tersine bir akış döngüsünün olduğu analizler ile belirlenmiştir. 

Tez çalışması altı ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde çalışmaya başlama nedenleri ve çalışma sonucunda hedeflenen sonuçlar genel olarak açıklanmış, yüksek lisans tezi kapsamında gerçekleştirlen literatür araştırması paylaşılmıştır.

Çalışmanın ikinci bölümünde, tez çalışmasında kullanılan deney tesisatı ve ekipmanları detaylı olarak anlatılmış, deneysel çalışmalarda izlenen yol açıklanmıştır.
Çalışmanın üçüncü bölümünde, deneysel çalışmalar anlatılmış, soğutma süresi ve sıcaklık saçınıklığı parametereleri boyutsuzlaştırılarak birbirleri ile olan ilişkileri açıklanmıştır. Daha sonra ise belirlenen parametrik koşullar için analiz edilen detaylı soğutma performanslarının sonuçları karşılaştırılmıştır. 

Çalışmanın dördüncü bölümünde, çalışma konusu kapalı kavite için Termodinamiğin 
I. Yasası uygulanmış ve kavite içinde gerçekleşen doğal taşınım dinamikleri incelenmiştir. Elde edilen sonuçların birbirleri ile olan karşılaştırmaları yapılarak farklı koşullar için parametrik deneylerden ortaya çıkan ilişkiler ve bunların mertebeleri tespit edilmiştir.

Çalışmanın beşinci bölümünde, deneysel verilerden elde edilen sıcaklık dağılımları SigmaPlot programı ile işlenmiş ve görselleştirilmiştir. Daha sonra FLUENT® yazılımı ile mevcut koşulları için zaman bağlı olarak gerçekleştirilen doğal taşınım analizi paylaşılmış ve elde edilen CFD analiz sonuçları deneysel sonuçlarla karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Bununla birlikte CFD ile belirlenen kavite içi akış karakteristiklerine ait görseller paylaşılmıştır.

Çalışmanın altıncı ve son bölümünde gerçekleştirilmiş deneysel çalışmaların sonuçları değerlendirilerek öneriler sunulmuştur.

Abstract:
This study represents a transient natural convection heat transfer inside a closed cavity formed at refrigerator fresh food volume by varying surface temperatures. For this aim, a controllable and reliable experimental setup including both cold air flow and water circulation for multi-surface temperature regulation was established. Parametric studies had been conducted reflecting cold air flow rate and water bath set temperature for the cold and hot surfaces respectively. Natural convection dynamics occurring due to finite temperature differences between the closed cavity surfaces were investigated in more detail regarding the temperature and velocity distributions inside the cavity.

This thesis is composed of six main chapters. In chapter one, scope, motivation and aim of this study have been explained in more detail including the literature and patent research about master thesis subject.

In chapter two; components and structure of the controllable and reliable experimental setup are explained, followed by the detailed information on experimental methodology. 

In chapter three; detailed comparison of parametric tests in terms of dimensionless expression of cooling time and temperature distribution have been provided along with the transient cooling performance capacities of the parametric conditions.

In chapter four; detailed heat transfer investigation has been conducted by applying first law of thermodynamics aiming to analyze natural convection dynamics such as convection heat transfer coefficient, Nusselt and Rayleigh numbers for the parametric experiments and the transient Nu-Ra relationships are provided compared with the current literature.

In chapter five; the transient temperature distribution conditons inside the closed cavity which are obtained from the experimental data are processed and visualized with SigmaPlot program. Transient natural convection analysis is performed with the experimental boundary conditions by ANSYS FLUENT® analysis software. Obtained results from the CFD analysis are also presented in comparison with experimental results along with the CFD flow characteristics determined by the visual aspects of intracavity. 

In the final chapter, results of this study have been evaluated and suggestions have been proposed. In conclusion, high-flow rate of cold air and the adjacent surface temperature close to the target temperature decreases the cooling time of the cavity. Increasing adjacent surface temperature of the cavity causes a decrease in net heat transfer (qnet) from the close cavity. In parallel to the increasing average heat transfer coefficient, Nu number and corresponding natural convection heat transfer increases. The temperature distribution in the cavity is determined by the CFD analysis, which is also confirmed by the experimental results. A counter-clockwise flow loop within the chamber is determined by CFD analysis which is coherent with literature results.