An experimental research on the effects of frost formation on different environmental conditions and surface configurations

Buzdolapları ve klimalar gibi soğutma sistemlerinin ısı değiştiricileri üzerindeki kanatlı yüzeylerde kar oluşumu incelenmektedir. Kanatlı yüzeyler üzerinde oluşan kar kanatlar arsındaki hava akışını engeller ve efektif yüzey alanını azaltır. Bu aynı zamanda ısı transferi için ekstra direnç oluşturur. Kanatlı yüzeylerdeki kar birikimi soğutma sistemlerinin enerji tüketimini arttırdığından bunun kanatlı yüzey tasarımıyla azaltılması gerekmektedir. Bu deneysel çalışmada hava hızı, bağıl nem, yüzey sıcaklığı, kanat uzunluğu, kanat boşluğu, yüzey oryantasyonu ve yüzey kaplamasının kanatlı yüzeylerin ısı transfer performansı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Ölçümler atmosfere açık yatay bir rüzgar tünelinde yürütülmüştür. 18 °C sıcaklığındaki hava tünelinin deney bölgesinin içine yerleştirilen sıcaklık kontrollü soğuk yüzeye gönderilmiştir. Kanatlı yüzey boyunca ısı transfer hızı, deney sırasında dahili bir Isı Akışı Ölçüm Sistemi (HFMS) kullanılarak ölçülmüştür. Deneyler, kanatlı yüzeylerde kar birikmesinin kanat boşluklarına hava girişini engellediğini ve ısı transfer oranında keskin bir düşüşe neden olduğunu göstermiştir. Yüksek bağıl nem, gelen hava hızı, kanat uzunluğunun kanatlı yüzeyden ısı transfer hızını arttırdığı ve ayrıca karlanmanın ısı transfer hızı üzerindeki olumsuz etkisini sınırladığı tespit edilmiştir. Dar kanat boşluğu buzlanma koşulları altında dezavantajlı bulunmuştur. Kanatlar arasındaki küçük boşluk, kar tarafından kolayca bloke edilir ve kanatlı yüzeyin etkin yüzey alanı büyük ölçüde azalır. Eğer yüzey karlanma koşulları altında kullanılacaksa kanat boşluğunun 4 mm'den daha geniş olması gerekmektedir. Farklı kanat şekillerinin etkileri çalışılmıştır. Bıçak kenarı şekilli kanatlarında kademeli veya sıralı kanatlarla karşılaştırıldığında daha iyi ısı transfer hızı olduğu bulunmuştur. Kanatlı yüzeyin hava akışına göre oryantasyonu ile ilgili olarak, paralel akış düzenlemesinin, çarpan akış düzenlemesine kıyasla en yüksek ısı akış hızına sahip olduğu bulunmuştur. Bunun nedeni, paralel akış düzenlemesi durumunda kanatlı yüzeylerde daha az kar birikimine maruz kalması olabilir. Son olarak, süperhidrofobik kaplamanın kanatlı yüzeyin ısı transfer performansı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Kaplanmış yüzeyler, kanatlı yüzeyin dikey düzenlemesinde ve ayrıca paralel akış düzenlemesinde yüzey üzerinde önemli ölçüde su yoğuşmasına maruz kalmamıştır. Ancak kaplanmamış yüzeyde önemli miktarda su yoğuşması tespit edilmiştir. Süperhidrofobik kaplama nedeniyle su damlacıklarının kaplanmış yüzeye yapışamaması olabilir. Kaplanmış yüzey üzerinde su damlacıklarının olmaması, kanatların daha erken tıkanmasına ve ısı transfer oranında daha erken bir düşüşe neden olan daha erken bir kar büyümesine neden oldu. Bu nedenle, tüm ölçümler, hidrofobik kaplamaların, çarpan akış koşulları altında kanatlı yüzeylerin ısı transfer hızı üzerinde olumsuz bir etki gösterdiğini göstermiştir.