Gardırop tipi dondurucu buz yapma sistemi giriş bölgesinde sıcaklık dağılımının sayısal ve deneysel incelenmesi

Beyaz eşya sektöründeki ürün kalitesi ve verimliliğine dair beklentiler her geçen gün artmaktadır. Bu beklentilere cevap verebilmek adına birçok araştırma ve geliştirme çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışmada da ürün kalitesini arttırmak amaçlanıp, dondurucu dış gövdesinde oluşabilecek yoğuşmaların engellenmesi adına, hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi için kullanılan ANSYS Fluent programından yararlanılarak, gardırop tipi bir dondurucunun arka duvarında yer alan su giriş plastiği kesitindeki ısı transferi sayısal çözümleme yapılarak incelenmiştir. Sayısal modelin doğrulanması, modelde standart ısıl çiftleri temsil eden noktalardaki sayısal sıcaklık değerlerinin, deneysel ortalama sıcaklık değerleri ile karşılaştırılması sonucunda yapılmıştır. Isıl çift sıcaklık değeri olarak, dondurucunun periyodik çalışması sırasında yani kararlı haldeki ortalama sıcaklık değerleri alınmaktadır. Bu nedenle sayısal model oluşturulurken, sürekli rejim yani yüzeylerde sıcaklığın zamana bağlı değişmediği kabulü yapılmıştır. Modelin doğrulanması için yapılan deneyde, IEC 62552-2:2015 'Evlerde Kullanılan Soğutma Cihazları - Karakteristikler ve Deney Metotları' standardında yer alan su buharı yoğuşma testi baz alınmıştır, ancak deney daha ağır şartları simüle edecek şekilde uygulanmıştır. Deney, dondurucunun 25˚C sıcaklık ve %80 bağıl nem değerlerine sahip ortamda test edilmesiyle gerçekleştirilmiştir. Dondurucu içindeki kabin sıcaklık değeri -18°C olarak ayarlanmıştır. Sayısal çözümlemede, üç farklı durum için inceleme yapılmıştır. Birinci durumda su giriş bölgesi için yapılan ilk tasarım değerlendirilmiş ve dondurucunun arka duvarındaki arka kapağa yapıştırılan alüminyum bant üzerindeki sıcaklık dağılımları incelenmiştir. Deneylerde ısıl çiftin bağlı olduğu su giriş bölgesi arka kapak merkezinde yani x=75.1mm'de 19.22°С bulunmuştur. Alüminyum bant üzerindeki minimum sıcaklık değeri ise x=135mm'de 19.15°С olarak bulunmuştur. Ayrıca, dondurucu arka sacında da minimum sıcaklık x=172mm'de 19.12°С'dir. Bulunan bu değerler 25°С ve %80 bağıl nem test koşulları için kritik yoğuşma sıcaklığı olan 21.31°С'nin altındadır. Sayısal çözümleme sonucuna göre bu bölgede yoğuşma olacağı tespit edilmiştir. Sayısal çözümleme sonrasında birinci durum için deneysel çalışma yapılmıştır. Deney sonucunda bulunan minimum sıcaklık değeri 19.1°С'dir. Deney sonucunda alüminyum bant ve arka sac üzerinde sıcaklık değerleri kritik yoğuşma sıcaklığının altında kaldığından bu bölgede yoğuşma görülmüştür. Deney esnasında belirli bölgelere yerleştirilen ısıl çiftlerden elde edilen sıcaklık değerleri, sayısal çözümleme sonuçları ile kıyaslanmıştır. Birinci durum çözümlemesi sonucunda, alüminyum bant üzerindeki sıcaklıklar beklenenden düşük çıkmıştır. Bu sebeple sıcaklıkları yükseltebilmek adına çözüm önerileri araştırılmıştır. İkinci durumda, ilk çözüm önerisi incelenmiştir. Birinci durumdan farklı olarak, ısı iletim katsayısı poliüretana göre daha düşük olan vakum izolasyon paneli (VIP) malzemesi dondurucu gövdesinde hava kanalı üzerine ilave edilmiştir. Böylece alüminyum bant ve arka sac sıcaklıklarının yükseltilmesi amaçlanmıştır. İkinci durum için sayısal çözümleme yapılarak, arka sac ve arka kapağa yapıştırılmış alüminyum bant üzerindeki sıcaklık dağılımı incelenmiştir. VIP ilavesi ile birlikte sıcaklık dağılımında, beklenen sıcaklık yükselmesi gerçekleşmiş, ancak kritik yoğuşma sıcaklığı olan 21.31°С'nin üzerine çıkartılamamıştır. Birinci durumdaki sıcaklık dağılımından farklı olarak VIP ilave edilen modelde x yönüne, yani hava kanalı yönüne doğru gidildikçe sıcaklık artışı görülmüştür. Ancak en kritik bölge olan su giriş bölgesinde sayısal çözümleme sonucu elde edilen minimum sıcaklık değeri x=65mm'de 20.36°С olarak bulunmuştur. VIP ilave edilerek ürün maliyeti artmış fakat sayısal çözümleme sonucu istenilen sıcaklık değerleri elde edilememiştir. Bu sebeple VIP ilave edilen model için deneysel çalışma yapılmamıştır. Son olarak üçüncü durumda, duvar sıcaklıklarını arttırmak amacıyla literatürde 'concealed', 'hot wall', 'flat-back' veya 'skin kondenser' olarak bilinen yoğuşturucu türündeki örneklerden yola çıkılarak, arka saca poliüretan içinde kalacak şekilde ısıtıcı boru eklenmiştir. Isıtıcı boru alüminyum bant kullanılarak sabitlenmiş olup, bu bant sayesinde boru içinden geçen sıcak akışkanın ısısının arka saca daha etkin bir şekilde iletimi sağlanmıştır. Üçüncü durum için de sayısal çözümleme yapılmıştır. Sayısal çözümleme sonucunda arka kapağa yapıştırılmış alüminyum bant merkezi üzerindeki sıcaklık değeri x=75.1mm'de 24.8°С bulunmuştur. Bu sıcaklık değeri kritik yoğuşma sıcaklığından yeteri kadar yüksektir. Bulunan sıcaklık değerlerinin doğrulanması amacıyla deney yapılmıştır. Deney esnasında ısıl çiftler kullanılarak yoğuşma beklenen su giriş bölgesinde sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Deneyde arka kapağa yapıştırılan alüminyum bant merkezindeki sıcaklık değeri x=75.1mm'de 24.6°С olarak bulunmuştur. Sıcaklık dağılımını görselleştirmek adına termal kamera ile ilgili bölgeden görüntü alınmıştır. Deney sonucu bulunan sıcaklık değerleri, sayısal sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Deney ile doğrulanan minimum sıcaklık değeri, kritik yoğuşma sıcaklığının üstünde olduğundan, yoğuşma bu bölgede tamamen engellenmiştir. Sonuç olarak, dondurucu arka duvar sıcaklığını arttırabilmek için sıcak duvar yoğuşturucu mantığına benzer şekilde yoğuşturucu çıkışına arka duvardan geçen boru ilave edilerek sıcaklık değerleri istenilen düzeye çıkartılmıştır, sayısal sonuçlar deneysel sonuçlar ile desteklenmiştir.