Buzdolabına adapte edilebilen, katmanlı donma yöntemi ile saydam buz yapabilen bir buz makinası konstrüksiyonu

Bazı tüketici grupları, temelde içecekleri soğutmak amacıyla kullanılan buzların alışılmış standart buzlara göre daha saydam bir görünümde olması gibi bir isteğe sahiptir. Buzun daha saydam yapıda olması tüketicide buzun daha kaliteli olduğu algısını yaratmaktadır. Aynı zamanda saydam buz yapma prosesi ile elde edilecek buz, standart bir buza göre tatsız ve kokusuz olacaktır. Üstelik saydam buz saflaştırıldığı için aynı ortam koşullarındaki standart bir buza göre daha geç erimektedir. Bu yüzden bir içeceği saydam buz kullanarak soğutmak hem içeceğin tadını ve kokusunu bozmayacak hem de buzun uzun süre erimeden içeceği soğutabilmesini sağlayacaktır. Saydam buz yapabilen çeşitli kapasitelerde ticari buz makinaları mevcuttur. Ancak bu ticari buz makinaları her ne kadar bazı tüketicilerin ihtiyaçlarına karşılık verse de kapladıkları ekstra hacim ve getirdikleri ek maliyetler bu makinalar için olumsuz bir durumdur. Bu ticari buz makinalarında bulunan hızlı ve saydam buz yapma gibi öne çıkan fonksiyonel özellikleri, buzdolabına adapte edilebilecek bir buz makinasına kazandırmak tüketici ihtiyacını karşılamak adına daha kompakt bir çözüm oluşturacaktır. Tüketici, evinde kullanacağı tek bir ürünle hem buzdolabına duyduğu gereksinimleri karşılayabilecek hem de hızlı ve saydam buz yapabilen bir buz makinasının avantajlarından faydalanabilecektir. Bu ihtiyaçlara karşılık verecek yeni bir ürünün gelişimine katkı sağlamak için hazırlanan bu çalışmanın amacı; buzdolabına adapte edilebilen, "fractional freezing" yani katmanlı donma yöntemiyle saydam buz yapabilen bir buz makinası konstrüksiyonu gerçekleştirmek adına öncü bir çalışma yapmaktır. Tez kapsamında sadece fiziksel prensip olarak katmanlı donma yöntemini kullanarak buz yapabilen bir makinanın şekillendirilmesi hedeflenmiştir. Çalışmanın alt yapısını oluşturmak amacıyla; literatür araştırması, patent araştırması ve pazarda bulunan benzer ürünlerin incelendiği bir araştırma gerçekleştirilmiştir. Literatürde incelenen çalışmalarda, buzun saydamlığının bozulmasının ardındaki en temel nedenin donma sırasında su-buz ara yüzeyinde oluşan ve atmosfere difüze olamayan, sonuç olarak da buz içerisinde hapsolan hava kabarcıkları olduğundan yaygınlıkla bahsedilmiştir. Yapılan patent araştırmasında ise, buzdolabına adapte veya solo bir buz makinasında, bir veya birkaç farklı yöntemi bir arada kullanarak saydam buz elde edebilen konstrüksiyonlara alınmış patentlere rastlanmıştır. Ancak bu patentlerdeki saydam buz elde etme yöntemlerinden, katmanlı donma yöntemi haricindeki yöntemler bu çalışmanın konusu dışında kaldığından dolayı detaylı incelenmemişlerdir. Sadece katmanlı donma yöntemi ile ilgili alınan patentlerin detaylarına yer verilmiştir. Sonrasında yapılan pazar araştırmasında ise, buzdolabına adapte edilmiş olan ancak saydam buz yapma yöntemi olarak donma hızının düşürülmesi yöntemini kullanan ürün ve katmanlı donma yöntemi ile saydam buz yapabilen iki farklı tip ticari buz makinası ürünü incelenmiştir. İncelemeler sonucunda katmanlı donma yöntemiyle birlikte kısa sürelerde bir buz döngüsünün tamamlandığı, donma hızının düşürülmesi yönteminde ise saydam buz elde etmek için geçen bir buz döngüsünün ise uzun süreler boyunca devam ettiği göze çarpmaktadır. Buzdolabına adapte edilebilecek, katmanlı donma yöntemiyle saydam buz yapabilen bir buz makinası konstrüksiyonu için göz önünde bulundurulması gereken teknik kısıtları iki farklı açıdan değerlendirmek mümkündür. Birinci guruptaki kısıtlar, saydam buz elde edebilmek için kullanılacak katmanlı donma yönteminin uygulanabilmesi için gerekli olan teknik detaylardır. Katmanlı donma yönteminin temel prensibi, donma sırasında çözünürlüğü azalan ve su-buz ara yüzeyinde konsantrasyonu artan havanın, akış halindeki su sayesinde bu bölgeden uzaklaştırılmasıdır. Böylece elde edilecek buzun içinde hava kabarcıkları bulunmaz ve buz saydam olur. Katmanlı donma yöntemiyle saydam buz elde edebilmek için öncelikle suyun üzerinden akacağı soğuk bir yüzey elde etmek gerekmektedir. Bu açıdan bakıldığında teknik sistemi, soğuk yüzey elde edebilmek için kullanılan bir soğutma çevrimi ve soğuk yüzey üzerinden akacak suyun sirkülasyonunu sağlayacak bir su besleme sistemi olarak ikiye ayırmak mümkündür. Katmanlı donma yöntemiyle saydam buz elde edilebilecek konstrüksiyonu oluştururken göz önünde bulundurulması gereken ikinci kısıt grubu ise, buz yapma sisteminin adapte edileceği buzdolabının konstrüktif kısıtlarıdır. Gerçekleştirilen fizibilite çalışmaları sonucunda buz makinasının hangi tip buzdolabına adapte edileceği belirlenmiştir. Sonrasında ise, bu adaptasyon işlemini gerçekleştirebilmek için göz önünde bulundurulması gereken konstrüktif kısıtlar detaylı olarak incelenmiştir. Teknik sistemi oluşturacak tüm kısıtların belirlenmesiyle ortaya çıkan sınırlar içerisinde kalacak şekilde konstrüksiyondan beklenen tüm istekler listelenmiştir. Bu istekler doğrultusunda alternatif konstrüksiyonlar oluşturulmuştur. Katmanlı donma yöntemiyle saydam buz elde edebilmek için oluşturulan sprey tipi ve şelale tipi buz makinası alternatifleri için gerçekleştirilen fayda-değer analizi ile bir kıyaslama yapılmıştır. Fayda-değer analizinin sonucunda şelale tipi buz makinası detaylandırılacak konstrüksiyon alternatifi olarak seçilmiştir. Önerilen şelale tipi buz makinası alternatifinin konstrüktif detayları bilgisayar ortamında 3 boyutlu olarak modellenmiştir. Sistemin, buzdolabına adaptasyonu için gerekli yapısal değişiklikler de mevcut buzdolabının 3 boyutlu modelleri üzerinde yapılmıştır. Aynı zamanda buz makinası konstrüksiyonun buzdolabı içerisine montaj edilebilmesi için gerekli montaj detayları üzerine de çalışılmıştır. Önerilen alternatif konstrüksiyonun bilgisayar ortamında şekillendirilmesinden sonra bu konstrüksiyonun kendisinden beklenilen fonksiyonu yerine getirip getirmediğini incelemek amacıyla prototipleme ve deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen deneylerin sonucunda, birinci sıradaki buzların tamamının diğer sıradaki buzlara göre daha saydam olduğu gözlenmiştir. Bunun hem akış karakteristiğinin hem de yüzeydeki sıcaklık dağılımının istenilen yapıda olmamasından kaynaklandığı görüşüne varılmıştır. Buz makinası prototipi kullanılarak elde edilen ilk sıradaki buzların saydamlık derecesi ölçülmüştür. Ölçümler sonucu belirlenen saydamlık derecesi, ticari olarak piyasada bulunan buz makinalarının saydamlık derecesine oldukça yakındır ve yapılan bu ön konstrüksiyonun bu anlamda başarılı olduğu söylenebilir. Deneyler sırasında gözlemlenen bir diğer durum ise, sistemde elde edilen su akışının, buz hücrelerinin orta kısmını tam olarak dolduramamasından dolayı buzların hücrelerin kenarlarına doğru oluşması ve buz yapma döngüsünün devam etmesiyle birlikte de bu hücreler arasında kalın buz köprülerinin oluşmasıdır. Buz kabı hücrelerinin yapısındaki bazı konstrüktif faktörlerin bu duruma neden olduğu düşünülmektedir. Buz kabı üzerinde oluşturulan su akışı her ne kadar düzgün bir formda olsa da bir buz hücresinden diğerine akan suyun bir kısmı, suyun buz kabı yüzeyine çarpması etkisiyle istenmeyen bölgelere sıçramaktadır. Kanatçıkların eğim açısı değiştirilerek veya bir siperlik yapısı konstrüksiyona eklenerek bu durumun önlenmesi mümkün olabilir. Deneysel prototipin çalışması sırasında karşılaşılan bazı problemlerin yanında, sistemde bir buz döngüsünün tamamlanması için hedeflenen süreler deneysel prototip üzerinde sağlanabilmiştir. Prototip ile yapılan deneysel incelemelerde, istenilen kaliteye oldukça yakın kalitede buz oluşturulabilmiştir. Ancak buzların saydamlık derecesinin artırılması ve daha homojen bir yapıda elde edilebilmesi için soğuk yüzey sıcaklıklarının optimize edilmesi ve su akış karakteristiğinin sayısal olarak incelenmesi gerekmektedir.