Kapalı hacim yalıtımının yüksek sıcaklıklarda ısı geçişi ve enerji tüketimine etkisinin incelenmesi

Bu çalışmada, lif esaslı yalıtım malzemelerinin uygulama alanlarından birisi olan kapalı hacimlerin modellenmesi, bu malzemelerdeki ısı geçişi ve malzeme mikro yapı özelliklerinin yalıtım performansına etkileri incelenmiştir. Ayrıca, bahsedilen malzemelerin toplam ısı geçişi katsayısını ölçmede kullanılan cihazın tasarımıyla ilgili yapılan çalışma anlatılmıştır. Tezin ilk bölümünde kapalı bir hacmin sayısal olarak modellenmesi üzerinde durulmuştur. Ele alınan problemde karşılaşılan doğal taşınım, türbülans ve ışınımla ısı geçişi mekanizmaları teorik olarak incelenmiştir. Yürütülen sayısal çalışmanın doğrulanması için gerçekleştirilen deney ile deney sistemi tanıtılmıştır. Deneyde yapılan sıcaklık ölçümleri kaydedilerek, alt ve üst ısıtıcılardan elde edilen sıcaklık profilleri, sayısal çalışmada sınır koşulu olarak kullanılmıştır. Kapalı hacmin sayısal olarak modellenmesi ticari bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı olan ANSYS Fluent® yazılımı ile yapılmıştır. Geometrinin sonlu hacimlere bölünürken dikkat edilmesi gereken hususlardan ve sayısal çözüm için gerekli sınır şartlarından bahsedilmiştir. Problemde karşılaşılan türbülans ve ışınım mekanizmalarının modellenmesinde kullanılan farklı modeller karşılaştırılmıştır. Sayısal çözümde kullanılan çözüm yöntemi ile ilgili bilgiler verilmiştir. Deneyler ve sayısal analiz, kavite hacminin arka kısmında bulunan yalıtım malzemesinin cam yünü ve cam-seramik yününün mekaniksel olarak birleştirildiği hibrit malzeme olarak adlandırılan yalıtım malzemesinin kullanıldığı iki farklı durum için gerçekleştirilmiştir. Öncelikle arka yalıtım malzemesi olarak sadece cam yününün kullanıldığı deneysel ve sayısal çalışmadan elde edilen farklı kavite yüzeyleri ve kavite merkezindeki sıcaklıklar karşılaştırılarak sayısal çalışma doğrulanmıştır. Ardından cam-seramik yünü hibrit malzemenin kullanıldığı durumdan elde edilen deneysel ve sayısal sonuçlar irdelenmiştir. Bahsedilen iki durum için elde edilen enerji tüketim değerleri ve sıcaklık profilleri karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, hibrit bir malzeme oluşturmanın beklenen yalıtım etkisinin iyileştirilmesini sağlayamadığı neticesine ulaşılmıştır. Tezin ilk bölümünden elde edilen sonuçların verdiği düşünce ile tezin ikinci bölümünde yalıtım malzemesinin mikro özellikleri ile ilgili çalışmalar yapılmıştır. Bu malzemelerde gerçekleşen ısı geçişi mekanizmaları (iletim, taşınım ve ışınım) ayrı ayrı ele alınmıştır. Malzemelerin yüksek sıcaklıklarda uygulama alanının geniş olması nedeniyle ışınım ile ısı geçişinin modellenmesine yönelik çalışmalar yapılmıştır. Işınımla ısı geçişinin sayısal olarak modellenmesine yönelik yapılan çalışmada malzemenin yoğunluğunun ve lif diziliminin etkileri incelenmiş ve literatürdeki çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. Işınımın teorik ve deneysel olarak modellenmesi bölümlerinde, ışınım etkisini temsil eden daha pratik yaklaşımların kullanılmasına yönelik çalışmalar yapılmıştır. Bu yaklaşımlardan two-flux yaklaşımına ait yönetici denklemler, malzemenin soğurmadığı kabulü ile nümerik olarak MATLAB programı yardımı ile çözülmüştür. Deneysel modelleme bölümünde FTIR yöntemi kullanılarak malzemenin spektrumu elde edilmiş ve buradan ışınımla ısı geçişi katsayına ulaşılmıştır. Yine tezin bu bölümünde ışınımla ısı geçişi parametrelerinin etkilerinden bahsedilmiş ve yapılan sayısal çalışma, literatürden elde edilen veriler ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Her üç ısı geçişi mekanizmasından elde edilen ısı geçişi katsayıları kullanılarak, yalıtım malzemesi için toplam (efektif) ısı iletim katsayısına ulaşılmış ve sıcak kılavuz levhalı cihaz ile gerçekleştirilen deneylerden elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Tezin son bölümünde, malzemelerin toplam ısı iletim katsayısının belirlenmesinde sıklıkla kullanılan sıcak kılavuz levhalı cihaz ve bu cihazın tasarımı için gerçekleştirilen çalışmalardan bahsedilmiştir. Cihazın çalışma prensibi Fourier Yasası'na dayanmaktadır. Cihazın tasarım adımlarından olan sıcak ve soğuk levha tasarımına yönelik yapılan çalışmalar ayrıntılı bir şekilde sunulmuştur. Ayrıca cihazın kontrol yöntemi ile ilgili bilgiler verilmiştir. Sonuç olarak, yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan kapalı bir hacmin sayısal olarak modellenmesinde kullanılan ağ yapısı ve çözüm yöntemleri sonuçları önemli ölçüde etkilemektedir. Bu tür uygulamalarda ışınımla ısı geçişi mutlaka göz önüne alınmalı ve ortamın özelliklerine uygun bir ışınım modeli seçilmelidir. Yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan yalıtım malzemelerinin iyileştirilmesi, temel olarak bu malzemelerin mikro yapılarında gerçekleştirilecek değişikliklerle mümkün olmaktadır. Bu malzemelerdeki ışınımla ısı geçişinin modellenmesine yönelik olarak kullanılan yaklaşımlar her ne kadar pratik olsa da, bu yaklaşımların kısıtlamaları göz önüne alınmalıdır. Homojen bir sıcaklık dağılımının elde edilmesi, sıcak kılavuz levhalı cihazda kullanılan sıcak ve soğuk levha tasarımındaki en önemli kıstaslardan birisidir. Bunun dışında cihazın bütününün konstrüktif olarak da ele alınması gerekmektedir.