No-frost soğutucu hava kanalının yanıt yüzeyi optimizasyonu ile tasarlanması ve etkilerinin sayısal olarak incelenmesi

Son yıllarda buzdolapları üzerinde gerçekleştirilen Ar-Ge çalışmalarının temel amacı enerji verimliliğini iyileştirmek olmuştur. Bu amacı gerçekleştirmek için yürütülen çalışmalarda; hava akışı kontrolü ve buna bağlı olarak sıcaklık dağılımının homojen hale getirilmesi üzerinde durulmaktadır. Buzdolaplarındaki hava akışının ve sıcaklık dağılımının enerji tüketimine ve bunun yanı sıra gıdaların tazelik sürelerine doğrudan etki ettiği kanıtlanmıştır. Bu yüzden, bu alanda yapılacak olan hava akış optimizasyonu çalışmaları; buzdolabı sıcaklık dağılımına, enerji tüketimine ve gıdaların ömürlerine doğrudan tesir edeceği için, günümüzde olduğu gibi önümüzdeki yıllarda da buzdolabı Ar-Ge çalışmalarının temelini oluşturacaktır. Yakın geçmişe kadar bu alanda yürütülen çalışmalar tamamen deneysel yöntemlerle gerçekleşmekteyken, günümüzde deneysel çalışmalar CFD analizleriyle de sayısal olarak desteklenmektedir. CFD yöntemlerinin deneysel yöntemlere göre daha ekonomik ve daha hızlı olması sebebiyle; gelecekte bu yönteme verilecek ağırlığın daha da artması beklenmektedir. Hali hazırda buzdolapları üzerinde gerçekleştirilen tasarım çalışmaları, CFD çalışmaları ile desteklenmekte ve doğrulanmaktadır. Ancak yapılan bu çalışmalar yıllar içinde elde edilmiş olan tasarım tecrübesiyle, temel olarak deneme-yanılma yöntemine dayanmakta ve uzun uğraşlar gerektirmektedir. Ayrıca beyaz eşya sanayisindeki yoğun rekabet nedeniyle, yeni ürün ortaya koymak için sahip olunan süreler oldukça kısalmıştır. Tüm bunlar göz önünde bulundurulduğunda, buzdolabı tasarımlarında sıcaklık dağılımını ve enerji verimliliğini iyileştirecek büyük farklılıklar gerçekleştirmek kolay olmamaktadır. Bu çalışma kapsamında; buzdolaplarındaki hava akışını düzenleyen en önemli unsur olan hava kanallarının, CFD yöntemine bağlı olarak parametrik şekilde tasarlanması ve soğutucu kabini içinde sıcaklık dağılımına olan etkilerinin incelenmesi üzerinde durulmuştur. Bu parametrik tasarım çalışmaları; ticari bir bilgisayar destekli mühendislik yazılımı içinde bulunan CFD yazılımı ve bu yazılıma ait yanıt yüzeyi optimizasyonu eklentisi ile gerçekleştirilmiştir. İstatistiksel yöntemler kullanan yanıt yüzeyi optimizasyonu; tasarım parametrelerinin girdi olarak tanımlandığı, her bir parametreye alt ve üst tasarım sınır değerleri verildiği, verilen sınır değerler içinde deneylerin tasarımı adı verilen sanal deney noktalarının oluşturulup çözüldüğü, çözülen deney noktalarından faydalanarak yanıt yüzeylerinin oluşturulduğu, istenilen çıkış parametrelerine ait kısıtların ve amaç fonksiyonlarının girildiği ve bunları sağlayan parametre değerlerinin elde edildiği aşamaları içermektedir. Bu sayede deneme-yanılma yöntemi ile karşılaştırıldığında, istenilen çıkış parametrelerini verecek optimum tasarımları elde etmek daha kolay ve daha kesin hale gelmektedir. Çalışmada, soğutucu kabinini yatay olarak ikiye ayıran bir levha olan, ayırma levhasına sahip ve ayırma levhasız iki farklı No-Frost soğutucu modeline ait; 5, 10 ve 12 çıkışlı olmak üzere üç farklı hava kanalı modeli ve iki farklı kabin modeli üzerinde çalışılmıştır. Öncelikle, üzerilerinde sayısal çözümlerin yapılacağı hava kanallarına ait akış geometrileri elde edilmiştir. Daha sonra, en karmaşık geometriye sahip hava kanalı için üç farklı kalitede çözüm ağı oluşturulmuş ve her bir çözüm ağı farklı türbülans modelleriyle çözdürülerek, deney sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Deney sonuçlarına en çok yaklaşan çözüm ağı parametreleri ve türbülans modeli belirlenerek, çalışmanın geri kalanında kullanılmıştır. Daha sonra, mevcut ayırma levhasız ve ayırma levhalı hava kanallarındaki debi dağılımlarını veren hava akış analizleri ve bu hava kanallarına sahip soğutucu kabinlerindeki sıcaklık dağılımı analizleri gerçekleştirilmiş ve deney sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Böylece, hem oluşturulan modellerin doğruluğu kontrol edilmiş hem de mevcut soğutucu modellerindeki eksiklikler ve geliştirilmesi gereken noktalar tespit edilmiştir. Ardından, geliştirilmesi gereken noktalar için her üç hava kanalı geometrisi üzerinde yanıt yüzeyi optimizasyonu yöntemi ile parametrik tasarım çalışmaları gerçekleştirilerek, yeni hava kanalı geometrileri oluşturulmuştur. Yapılan bu parametrik tasarım çalışmaları sonucunda 5 çıkışlı hava kanalının çıkış boyutları, her bir çıkışta istenilen debi miktarını verecek şekilde değiştirilmiş; 10 çıkışlı hava kanalının ayırma levhası geometrisi üzerinde değişiklikler yapılmış; yine 10 çıkışlı hava kanalı ayırma levhası parametrik hale getirilerek, her bir çıkışta istenilen debiyi verecek şekilde kendi kendini oluşturması sağlanmış; 12 çıkışlı hava kanalı ayırma levhasında bulunan ve akışı düzenleyen profilin konumu ise parametrik olarak değiştirilerek, düşük debide hava üfleyen çıkışlardaki debilerin arttırılması sağlanmıştır. Çalışmanın son bölümünde ise, elde edilen yeni hava kanalı tasarımlarına ait debi miktarları ve bu yeni hava kanallarına sahip soğutucu kabinleri içindeki sıcaklık dağılımları mevcut durumdakilerle karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Sonuç olarak, yanıt yüzeyi yöntemi ile yapılacak optimizasyon çalışmaları sayesinde tasarım süreçlerinin kolaylaşacağı ve bunun yanında, optimum sonuca daha çok yaklaşılacağı görülmüştür. Hava kanalından başka, buzdolabı kabini içinde bulunan cam raflar ve kapı rafları gibi diğer unsurlar da bu yöntem ile parametrik olarak sıfırdan tasarlanabilir. Bu şekilde her bir unsuru parametrik olarak tasarlanacak olan soğutucu kabini, sıcaklık dağılımı ve soğutma performansı bakımından optimum halini alabilecektir.