Design of a refrigerator cabinet based on solidification process of polyurethane foam flow

Uluslarası piyasada rekabet hızla büyümekte firmalar enerji verimliligi konusunda yarışmakta ve bu konu üzerine büyük yatırımlar yaparak AR-GE çalışmalarını sürdürmektedirler. Poliüretan kullanım alanı bakımından çeşitlilik göstermesinden ve son ürününün özelliklerini degiştirmek çok kolay olduğundan, uluslarası piyasada gün geçtikçe daha fazla önem kazanmaktadır. Bu yarış buzdolabı üreticileri arasında da güçlenmektedir. Enerji verimliligi yüksek bir buzdolabının ısıl yalıtım kabiliyetlerinin de yüksek olması gerekmektedir. Buzdolaplarında ısıl yalıtımı saglamak için kabin duvarları içerisinde katı poliüretan köpük kullanılmaktadır. İyi bir yalıtıma sahip buzdolabı kabininde poliüretan köpük; kabinin her yerine homojen şekilde dagılmalı, poliüretan köpüğün yalıtım ve mekanik dayanım özellikleri istenen şartları saglamalı, kabin dolum süresi mümkün olduğu kadar kısa olmalı ve bu kısıtlar saglanırken köpük üretiminde kullanılan kimyasallara yapılan harcamalar en aza indirilmelidir. Poliüretan üretimi görece düşük maliyetli olmasa da, uygulanabilirlilik üstünlükleriyle aynı alanda kullanılan malzemelere tercih edilir hale gelmişlerdir. Örnegin; poliüretanların çeşitli kalıplara basılmasında dolum benzer işlemlere göre daha düşük basınçlar olmasından dolayı kalıp malzemeleri çelik yerine daha ucuz olan alüminyum, polyester hatta plastik kökenli malzemelerden üretilmektedir. Bu üretimi hızlandırdıgı gibi , süreç geliştirme çalışmalarına esneklik kazandırmaktadır. Bütün bunların saglanabilmesi için buzdolabı kabinlerine poliüretan basım işleminde kabin içerisinde hapsolan havanın çıkabilmesi için gerekli olan hava çıkış deliklerinin yerleri, sayıları ve boyutları, tepkimelerin geli¸simi, poliüretan köpügün ilerlediği kanalların yapısı, kalıp içerisine püskürtülen malzemenin sıcaklıgı ve kalıp sıcaklığı işlemin performansını belirleyen degişkenlerdir. Bu değişkenlerin en iyileştirilmesi fiziksel sürecin iyice anla¸sılmasına baglıdır. Ancak bu sayede buzdolabına poliüretan basım işlemi üzerinde en üst derecede kontrol saglanabilir ve gelecekte üretilmesi planlanan buzdolaplarında yukarıda bahsi geçen degişkenler işlem öncesinde yaklaşık olarak belirlenmesiyle; poliüretan basım süresinden ve süreçte kullanılan malzeme harcamalarından kazanım saglanır ve i¸slem verimli bir şekilde uygulanabilir. Katı poliüretan köpük eldesinde izosiyanat ve poliol karıştırılması ile başlayan tepkimelerle, karışım hacmi başlangıçtaki hacminin yaklaşık 30 katına kadar genişlemektedir. Genelde kimyasal tepkimeler tek adımda gerçekleşiyor gibi görünse de aslında bir çok ara tepkime sonrasında son ürünler elde edilmektedir. Uygulamada sadece izosiyanat ve poliolün birtakım katkılarla birlikte karıştırılmasından elde edilen poliüretan köpük birden fazla ara tepkimenin ürünlerinin birleşimidir. Birden fazla ve aynı anda gerçekleşen bu tepkimelerin çoğu ısı veren tepkimelerdir. Tepkimelerden açığa çıkan ısı ile tepkimelerin devamlılığı ve kürlenme sağlanmaktadır. Tepkimelerin hangi oranda ve hızda gerçekleşeceği ise katalizörler ile kontrol edilmektedir. Poliüretan tepkime modeli 11 adet tür ve 5 adet tepkime ile oluşturulmuştur. Bu türlerden dokuzu tepkimelerle değişmekte kalan ikisi ise tepkime modeline girdikleri gibi çıkmaktadır. Tepkimelere girdikleri gibi çıkan hava ve fiziksel kabartıcıdaki değişimler kimyasal değil fiziksel değişimlerdir. Tepkime kinetiği modeline eklenmelerinin sebebi, hesaplama hacminde üzerlerine çektikleri ısıyı tepkime kinetiği modelinde gözlemleyebilmektir. Bir hesaplama hücresindeki toplam entalpi; hücre içerisinde bulunan türlerin entalpilerinin kendi kütle oranlarıyla çarpılıp, daha sonra hepsinin toplanmasıyla bulunmaktadır. Poliüretan akışında çalkantı beklememekle birlikte genişleyerek ittiği hava akışında oluşabilecek çalkantı için Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) ile eklentili k − ε modeli kullanılmaktadır. Buzdolabı kabininin katı poliüretan köpükle doldurulma sürecinde hava tarafı çalkantılı akış özelliğindedir. İki kapılı buzdolabı için hesaplama agı ANSYS Meshing yazılımında Cutcell yöntemi kullanılarak atılmıştır. Bu yöntem sayesinde HAD hesaplamaları için karmaşık geometrilerin uzaysal ayrıklaştırılması daha kolay hale gelmiştir. HAD çözümlerinde FLUENT 6.3 yazılımı kullanılmıştır. Tepkime kinetiği modeli HAD yazılımına dışarıdan çağrılarak tepkimeli akış modellenmiştir. Bu işlem HAD yazılımı içerisine Kullanıcı Tanımlı Fonksiyonlar (UDF) sağlanmıştır. Kabin içerisine türler belirli kütle oranlarında karıştırılarak 8.66 saniye boyunca 1.5 kg/s debiyle basılmaktadır. Basılan türlerin sıcaklığı 21°C'dir. Gerçek süreçte kabin türler basılmadan önce 40°C'ye kadar ısıtılmaktadır. Sıcaklığın tepkimelere olan hızlandırıcı etkisine geçmiş bölümlerde değinilmiştir. Buna göre malzemenin kabin ile temas eden bölgelerinde tepkimelerin daha hızlı gerçekleşmesi beklenmektedir. Kabin içerisine basılan karışım içerisindeki tür kütle deri simleri; Ysu = 0.0095, Yizosiyanat = 0.57, Ypoliol = 0.3705, YFK = 0.05'dir. Bu bilgilerin ışığında ARÇELIK A.Şile SAN-TEZ 01213.STZ-2012-1 adı altında bir proje başlatılmış ve iki kapılı bir buzdolabı benzetimlerde kullanılmak üzere seçilmiştir. Yukarıda söz edilen en uygun koşulların saptanması için bu buzdolabı kabini içerisine poliüretan basım işleminin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) benzetimleri yapılmıştır. Söz konusu fiziksel süreç zamana bağlı, üç boyutlu, tepkimeli, çalkantılı ve çok fazlı akış niteliniğindedir. Kabin içerisindeki akış kimyasal tepkimelerden etkilenmektedir. HAD benzetimlerine ek olarak poliüretan köpük oluşum tepkimelerinin kinetikleri akış olmadan sadece yerel olarak incelenmiş ve en uygun işletim koşullarının saptanması amaçlanmıştır. Kabin geometrisi için örülen çözüm ağları sonlu hacimler yöntemi ile ANSYS MESHING ve ICEM CFD yazılımları ile oluşturulmuştur. Geometri üzerindeki çeşitli iyileştirmeler SOLIDWORKS ve CATIA yazılımları kullanılarak yapılmıştır. Bunun yanında tepkime kinetiklerinin modellenmesi için FORTRAN programlama dilinde yazılmış ve ˙ITÜ Akışkanlar Grubu içerisinde geliştirilmiş, kimyasal tepkimelerin kinetiklerini çözen bir yazılım kullanılmıştır. HAD benzetimleri FLUENT yazılımında gerçekleştirilmiştir. Tepkime kinetiği çözüm içerisine kullanıcı tanımlı fonksiyonlar (UDF) aracılığı ile dışarıdan ilintileyerek; FLUENT ve tepkime kinetiği yazılımı e¸s zamanlı çalıştırılmıştır. Hesaplamaların sonuçları TECPLOT ve MATLAB yazılımları kullanılarak görselleştirilmiştir. Buna ek olarak tepkimeye giren türlerin fiziksel, kimyasal ve termodinamik özelliklerinin hesaplamalarda kullanılacak biçime getirilmesinde EXCEL yazılımı ve proje süresince yazılmış birtakım FORTRAN kodları kullanılmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda buzdolabı kabinine poliüretan basım sürecinin daha verimli hale getirilmesi için önerilerde bulunulmuştur. Gelecek çalışma planı, önerilen iyileştirmeler doğrultusunda yeni bir kabin geometrisi hazır- lanarak, HAD benzetimlerinin yapılmasıdır. Yeni tasarımla yapılan benzetimlerle, bu çalışmadaki benzetimler karşılaştırılıp iyileşmeler gözlemlenecek ve sonuçlar doğrultusunda eski ve yeni tasarıma poliüretan basımı yapılarak HAD sonuçları ile önerilen düzeltmelerin gerçek buzdolabı geometrisinde sağladığı iyileştirmeler gözlemlenilecektir. Sonuç olarak süreç kişiden kişiye aktarılan tecrübelere ek olarak bu çalışmada elde edilen bilgi birikimi ile gerçekleştirilerek, uluslararası pazarda rekabetçi teknolojik ürünlerin geliştirilmesi yolunun açılması amaçlanmaktadır.