Effect of frost formation on heat transfer: Experimental investigation and numerical model development

Sıcaklık üçlü noktanın altına düştüğünde su molekülleri donar ve bu faz değişim süreci nedeniyle buz kristalleri oluşur. Bir yüzey üzerinde büyüyen buz sütunları arasındaki porlarda hava yer alır. "Karlanma" terimi, buz kristallerinden oluşan gözenekli ortamı ve buz kristalleri arasında sıkışan havayı ifade eder. Kar tabakası çok düşük ısı iletkenliğine sahip olduğundan, soğutulmuş yüzeylerde kar birikmesi yüzey ile hava arasında termal bariyer oluşturur. Bu, bir yüzeyin çevredeki ortamla ısı alışverişi yeteneğini kaybetmesine neden olur. Bu sorun genellikle bir dizi ısıtma, havalandırma ve hava soğutma uygulamasında görülür. Tipik bir ev tipi buzdolabındaki buharlaştırıcılar, hava kaynaklı ısı pompaları ve uçak ön soğutucuları, karlanmaya eğilimli ısı eşanjörlerinden bazılarıdır. Bu nedenle, etkili kar çözme stratejileri geliştirmek için karlanma koşullarında çalışan bir yüzeydeki zamana bağlı ısı transfer hızlarını araştırmak önemlidir. Bu tez çalışmasında, karlanmanın ısı transferi üzerindeki etkisi deneysel olarak araştırılmış ve toplanan veriler sayısal bir karlanma modeli geliştirmede kullanılmıştır. Serbest akışlı hava hızı, bağıl nem ve soğuk plaka sıcaklığı parametreleri değiştirilerek çok sayıda deney gerçekleştirilir. Kar tabakasının ısı transfer hızı üzerindeki etkisi, yüksek hassasiyetli ince film ısı akısı sensörü ile ölçülür. Buna göre, zaman içinde karlanma nedeniyle ısı akışı önemli ölçüde engellendi. Isı akışındaki azalma oranının zaman içinde sabit olmadığı, ancak azalan bir eğilim gösterdiği görülmüştür. Ayrıca, buz kristallerinin neden olduğu etkili ısı transfer alanındaki artış ve buna bağlı olarak gizli ısı üretimindeki artış nedeniyle, belirli çevresel koşullar altında kar oluşumunun erken aşamasında ısı transferinde bir artış bildirilmiştir. Kar tabakasının yoğunlaşması ve toplam ısıl direnç üzerindeki etkisi tartışıldı. Kar tabakası üzerindeki konvektif ısı ve kütle transfer dengesine dayanarak, kar yüzey sıcaklığı tahmin edildi. Karlanma sırasında ısı transferindeki azalmayı tahmin etmek için boyutsuz sayılarla bir korelasyon önerilmektedir. Ampirik veriler, sağlam bir sayısal model oluşturmak için kullanılır. Nemli hava ve don fazlarını ayrı ayrı modellemek için Euler-Euler çok fazlı bir yaklaşım izlenir. Bir buzlanma işlemi sırasındaki ısı akışı, karlanma simülasyonları sırasında da hesaplanır ve önerilen modelin deneysel ısı transferi ölçümleri üzerinden doğrulanması yapıldı. Soğuk yüzeydeki kar birikimi, ampirik bir kütle kaynağı terimi ile modellenmiştir. Model sabitleri, deneysel ısı akısı ve kar kalınlığı verileri kullanılarak sistematik bir şekilde ayarlandı. Kütle kaynağı terimine hıza bağlı bir model sabiti eklenir. Karlanmanın ilk aşamalarında deneysel olarak gözlemlenen ısı akısı artışı, hıza bağlı model sabiti kullanılarak yakalanabilir ve bu terimin eklenmesi, karlanamnın ilk aşamalarında don modelinin doğruluğunu önemli ölçüde iyileştirdi. Geliştirilen sayısal model üç farklı kar ısı iletkenlik modeli ile test edilmiştir. Kar termal iletkenliği için katı buzun termal iletkenliğinin kullanılması, kar büyüme sürecinin erken aşamalarında, çok düşük yanal dallanma ile buz kristallerinin oldukça kolon bazında dikey büyümesini gösteren en doğru tahminle sonuçlandı. Bununla birlikte, sayısal ısı akısının katı buzun termal iletkenliği ile aşırı tahmin edilmesi, yeni eklenen kar katmanlarının termal iletkenliğinde, kar katmanı içinde buz kristallerinin daha belirgin bir yanal dallanmasını gösteren bir azalmaya işaret eder. Nemli havadaki su buharının difüzyon katsayısının buzlanmaya etkisi de araştırılmıştır. Difüzyon katsayısındaki yapay bir artış, buzlanmanın ilk aşamalarında modelin ısı akısı tahmininin doğruluğunu iyileştirdi; bu, sınır tabakasında laminer akış modelinde yakalanamayabilecek girdapla çalışan gelişmiş bir karışımı gösterebilir. Son olarak, geliştirilen sayısal model, farklı yüzey sıcaklıkları koşulları altında da denenmiştir.