Kanal içinde yoğuşmanın sayısal modellenmesi

Yoğuşma olayına birçok mühendislik probleminde rastlanabilir. Özellikle tekstil, gıda ve kağıt sektörlerinde kurutma prosesi içerisinde karşılaşmak mümkündür. Bunun dışında; iklimlendirme sistemlerinde, endüstriyel kurutucularda ve ev tipi çamaşır kurutma makinelerinde yoğuşma olayı kapalı çevrimin önemli bir parçasıdır. Kapalı çevrim kurutma sistemlerinde, kurutulacak nesneden çekilen nemli havanın öncelikle yoğuşturulması gerekir. Bu yüzden yoğuşma olayı sistem performansı üzerinde doğrudan etkilir. Kanal içinde nemli havanın yoğuşmasının sayısal olarak çözümlenmesinde sonlu hacimler yöntemiyle çözümleme yapan FLUENT 14.5 adlı HAD kodu kullanılmıştır. Karalı rejimde çözüm yapılmıştır. Yoğuşmalı akışın modellenmesinde FLUENT 14.5 kodu içerinde yer alan buharlaşma- yoğuşma modeli seçilmiştir. Çok fazlı akışın modellenmesinde, FLUENT 14.5 kodu içerisinde bulunan Eulerian çok fazlı akış modeli tercih edilmiştir. Eulerian çok fazlı akış modelinde momentum korunum denklemleri her bir faz için ayrı ayrı çözümlenmektedir. Kanal içerisindeki akışa ait türbülans etkileri k-ε türbülans modelleri ile incelenmiştir. Sayısal çözümlemenin uzunluğu göz önüne alınarak, türbülans transport denklemleri fazlar için ayrı ayrı çözdürülmek yerine, fazlar için ortak olarak çözdürülmüştür. Ayrıca, her bir çözüm ağı elemanında fazların hacimsel oranlarının hesaplanmasına yönelik hacimsel oran denklemi çözümlenmiştir. Böylece bir adet süreklilik denklemi, altı adet momentum denklemi, bir adet enerji denklemi, iki adet türbülans transport denklemi ve bir adet hacimsel oran denklemi olmak üzere her bir iterasyon için toplam on bir adet denklem sistemi çözümlenmiştir. Kanal içinde yoğuşmanın sayısal modellenmesinde kapsamında gerçekleştirilen HAD analizlerinde, fazlar arası momentum transferi etkilerinden sürüklenme kuvveti incelenmiştir. Sürüklenme kuvveti modeli olarak Schiller ve Naumann (1937) tarafından önerilen sürüklenme kuvveti modeli kullanılmıştır. Yüzey gerilme kuvvetinin hesaplanmasında, havanın yoğuşturucu kanalına giriş ve çıkış sıcaklıklarının ortalaması olan 70°C'deki değeri; 0,064 N/m yüzey gerilme katsayısı olarak kullanılmıştır. Fazlar arası ısı transferinin modellenmesinde ise Ranz ve Marshall (1952) tarafından geliştirilen model kullanılmıştır. Tez çalışmasında tek paslı hava yoğuşturmalı yoğuşturucuya sahip kurutucu ile deneysel çalışmalar yapılmıştır. Deneylerde kararlı rejimde yoğuşma hızı ve kanal çıkışında proses havasının ortalama sıcaklığı elde edilmiştir. Deneysel sonuçlar HAD analizleri ile karşılaştırılmıştır. HAD analizlerinde nemli hava yoğuşturucu kanalına 72 °C (345,15 K) ve % 85 bağıl nemde girmektedir. Bu değerler havanın ve su buharının kanala giriş kütlelerinin hesaplanmasında kullanılmıştır. Yoğuşturucu kanalı dışında yalnızca taşınımla ısı geçişi olduğu kabul edilmiştir. Kanal çevresindeki havanın sıcaklığı ve ısı taşınım katsayısı deney sonuçları kullanılarak hesaplanmıştır. Modelde kullanılan ısı taşınım katsayısı U= 150 W/m2K ve hava sıcaklığı 34 °C (307,15)'dir. Sonuç olarak, HAD analiz sonuçları ile deneysel sonuçlar karşılaştırıldığında değerlerin önemli ölçüde benzerlik gösterdiği belirlenmiştir. HAD analizleri sonucunda yoğuşturucu kanalında kararlı rejimde yoğuşan su miktarının 0,455 g/s olduğu hesaplanmıştır. Deneysel çalışmalarda ise kararlı rejimde yoğuşan su miktarının 0,5 g/s olduğu tespit edimişti. HAD analizleri ile deneysel sonuçlar arasında % 9'luk bir sapma bulunmaktadır. Bu sapma yoğuşmanın sayısal modellenmesinde kabul edilebilir bir değerdir. HAD analizlerine göre kanal çıkışındaki alan ortalama sıcaklık değeri 338,3 K (65,15 °C)'dir. Deneysel sonuçlarda ise kanal çıkışındaki ortalama sıcaklık değeri 339, 45 K (66,3°C) olarak ölçülmüştür. Sayısal modelde kanal çıkışındaki ortalama sıcaklık değeri % 1,74 sapma ile elde edilmiştir. Parametrik çalışma kapsamında; kanal girişindeki hava hızının, kanal et kalınlığının ve türbülans modelinin kararlı rejimde yoğuşan su miktarına etkileri ilk HAD analizi sonucu ile karşılaştırılmıştır. Parametrik çalışmaların sonucunda, hava debisinin artışının belli bir noktadan sonra yoğuşan su miktarına etkisi azalmıştır. Kanal et kalınlığının artmasıyla birlikte kararlı rejimde yoğuşturucu kanalında yoğuşan su miktarının az da olsa azaldığı görülmektedir. Farklı türbülans modellerinin kararlı rejimde yoğuşan su miktarına ve kanal çıkışında alan ortalama sıcaklık değerine net bir etkisi görülmemiştir.