Geri Dön

Evaporator performance under frosted conditions and evaluation of heat & mass transfer in a domestic refrigerator

Bir buzdolabı buharlaştırıcısının karlanmış şartlar altındaki performansı ve buzdolabında ısı kütle transfer mekanizmalarının modellenmesi

  1. Tez No: 100806
  2. Yazar: CEMİL İNAN
  3. Danışmanlar: PROF.DR. A. NİLÜFER EĞRİCAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2000
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 189

Özet

BİR BUZDOLABI BUHARLAŞTIRICISININ KARLANMIŞ ŞARTLAR ALTINDAKİ PEFORMANSI VE BUZDOLABINDA ISI KÜTLE TRANSFER MEKANİZMALARININ MODELLENMESİ ÖZET Bu çalışmada, ev tipi buzdolaplannda kullanılan kanatlı borulu tipten buharlaştmcılann (evaporatörlerin) kuru ve karlanmış şartlar altındaki ısı transferi ve basınç düşümü modellerinin oluşturulması amaçlanmıştır. Bunu sağlıklı yapabilmek için buharlaştırıcının tek basma değil, içinde bulunduğu buzdolabı ünitesi ile birlikte etkileşiminin bir bütün olarak modellenmesinin gerekliliği görülerek çalışma buna göre şekillendirilmiştir. Bu kapsamda çalışma beş bölüm altında toplanmıştır. Kısa bir giriş ve çalışmanın amaçlarının özetlendiği Bölüm- 1 'den sonra, Bölüm-2'de buzdolabında kapının açılması ile oluşan akış ve ısı transferinin fiziksel modeli tariflenmiştir. Bölüm-3 'te ısı/kütle transferi benzeşimi de kullanılmak suretiyle buzdolabı kapısının açılması ile meydana gelen ısı kazancının analizi yapılmıştır. Bölüm-4' te ise, buzdolabında bir fan vasıtasıyla dolaştırılan soğuk hava dağıtım şebekesinin matematik modeli ortaya konulmuş ve hesap sonuçlan deneysel ölçümler ve CFD analizi neticeleriyle karşılaştırılmalı verilmiştir. Son olarak Bölüm- 5'te ise bir buzdolabı buharlaştırıcısrmn kuru ve karlanmış şartlar altındaki performansı modellenmiştir. Bu son bölümdeki çalışmalar daha önceki bölümlerde elde edilen model sonuçlan kullanılmak suretiyle bir buzdolabı ile entegre olarak yapılmıştır. Geliştirilen bütün modeller için çözüm algoritmalan ve bilgisayar programlan EES ortamında yazılmıştır. Aşağıda daha detaylı olarak bölüm bölüm olmak üzere yapılan çalışmalar ve sonuçlan özetlenmiştir. Bölüm-2; bir buzdolabı kapışırım açıldığı andan itibaren oluşan akış ve ısı trarısferinin modellenmesi için kullanılabilecek fiziksel bir model geliştirilmiştir. Modelde kabinin boş ve içinde üç adede kadar raf bulunması kombinasyonlan dikkate alınmıştır. Model sonuçlan deneysel ölçüm neticeleri ile karşılaştınlmıştır. Deneysel çalışmalar pazarda mevcut bir nofrost (karlanmaz) buzdolabının taze gıda bölmesinde yapılmıştır. Kararsız modda, kabin ön düzlemindeki sıcaklık ve hız profillerinin zamana bağlı haritalan deneysel olarak çıkartılmıştır. Model sonuçlan aşağıda verilen eşitliklerle ifade edilmiştir. Giriş hava hızı (m/s): U = -il/ 2 Ppg(T.-TjLWD XXI2 k Taşınım katsayısı (W/m K): h = 4.95- 6 Kütlesel debi (kg/s): m = - C2AFpaveU C2 (n) = 1.5 - 0.32n (n: Raf sayısı) Rec = 402.17 - (98.898)L (L: Kabin yüksekliği) Bu birbirine bağlı eşitlikleri çözmek ve parametrik analizleri yapmak üzere bir bilgisayar programı EES® ortamında yazılmıştır. Çalışmalar neticesinde, buzdolabı kabinine giren havanın işgal ettiği alanın çıkan havanınkinden daha fazla olduğu görülmüştür. Bu durum havanın kabin içine girdikten sonra akış yönünde hızlandığını göstermektedir. Ölçülen en yüksek hız değeri kabin dibinden 5-6 mm mesafededir. Buzdolabı kapısı açıldıktan sonra oluşan akış rejimi üç bölgeye ayrılmaktadır. Bunlar başlangıç rejimi (0 ile 7-10 saniye arası), geçiş rejimi (7-10 ile 20 saniye arası) ve sanki-kararh rejim (20 saniyeden sonra). Başlangıç rejimi kabin içerisindeki soğuk havanın bir kez ortam havası ile yer değiştirmesi ile son bulmaktadır, ve bu rejim boyunca hem giriş hem de çıkış havası değerleri yüksektir. Bu hava değişimi son bulduktan sonraki akış kabin duvar sıcaklığına bağlı olarak gerçekleşmektedir. Duvar sıcaklıkları yükseldikçe hava hızı düşmektedir. Deneysel çalışmalar ilk 20 saniye boyunca duvar iç yüzey sıcaklıklarının sabit olarak alınabileceğini göstermiştir. Bu durum modelleme çalışmalarını oldukça kolaylaştırmıştır. Model sonuçlan ile deneysel çalışmalar birbiri ile 3°C 'den yüksek duvar sıcaklıkları için ±10% hata ile uyumluyken, 3°C 'nin altında maksimum ±30% hata ile uyumlu bulunmuştur. Bölüm-3; Isı/kütle transferi benzeşimi de kullanılarak bir buzdolabının kapısı açıldığında meydana gelen taşınım, ışınım ve gizli ısı transferi ile oluşan ısı kazancının kabinin toplam ısı kazancı içersindeki payı karşılaştırılmalı olarak incelenmiştir. Buna göre kabinin günlük ısı kazancı değeri, 20 kez kapı açılıp kapanması ile %30 ve %100 bağıl nem halleri için sırasıyla %15 ila %32 arasında artmaktadır. Bu değerler ortam sıcaklığının 25°C, kabin sıcaklığının 5°C, kabinde 3 adet raf bulunduğu ve her bir defasmda kapının 20 s açıldığı kabulü ile yapılmıştır. Kabinin ısı kazancı ileri yalıtım teknikleri kullanılarak azaltıldığında kapı açma kapamadan gelen ısı kazancının payı da doğal olarak artacaktır. Çalışmanın bir diğer sonucu da %60 bağıl nem durumu için kapı açmadan gelen ısı kazancında duyulur ve gizli ısı kazançlarının birbirine eşit değerlerde olduğudur. Bu çalışmada elde edilen sonuçların rakamsal değeri aşağıda verilmiştir. xxnIşınımla ısı transferi: %8.2 Taşımınla ısı transferi: %42 Gizli ısı transferi: %49.8 Bölüm-4; bir nofrost (karlanmaz) buzdolabmda hava dağıtım sisteminin matematiksel modeli termodinamiğin 1. yasası temel alınarak oluşturulmuştur. Modelin çözümü için bir bilgisayar programı yazılmıştır. Bir ticari buzdolabı kabini üzerinde oluşturulan model uygulanarak elde edilen değerler deneysel çalışmalar ve CFD (Computational Fluid Dynamics - Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizi sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Buna göre, hesaplanan static basmç düşümü ve toplam hava debisi değerleri, deneysel ölçümlerle ±3% hata ile uyumlu bulunmuştur. CFD analizi sonuçları ile yapılan karşılaştırmada ise hata en çok %15 'tir. Bu nedenle, ortaya konulan matematiksel modelin, buzdolabı hava dağıtım sisteminin ön boyutlandırmasında, fan seçimi çalışmalarında ve bölmeler arası hava debisi dengelemeleri çalışmalarında kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Bölüm-5; bu son bölümde, buzdolaplarmda kullanılan kanatlı borulu türden buharlaştırıcılann kuru ve karlanmış şartlar altındaki ısı transferi ve basmç düşümleri analiz edilmiştir. Bu maksatla bir matematiksel model geliştirilerek çözüm algoritması ve parametrik çalışmalar için bir bilgisayar programı yazılmıştır. Program, kar kalınlığı, kar yoğuluğu ve kütlesi, ısı transfer katsayısı, çıkış sıcaklık ve bağıl nemi, ve hava tarafı basmç düşümü değerlerini her bir boru sırası için ayrı ayrı olmak üzere, zamana bağlı hesaplayabilmektedir. Literatürde de belirtildiği gibi zamanla kamı hem kalınlığı hem de yoğunluğu artmaktadır. Bunu nedeni, yoğuşan su buharının bir bölümünün üst kısımlarda donarak kar kalınlığım artırması, geriye kalanın ise kar tabakası araşma inerek yoğunluğu artırmasıdır. Önceki çalışmalardan farklı olarak, bu çalışmada karın yoğunluk artışı analitik çözümler yerine sabit bir parametre (yoğunlaşma oram) olarak tanımlanmıştr. Yoğunlaşma oranının 0.2 den 0.5'e artırılması durumunda basmç düşümünün üç kat, toplanan kar ağırlığının %4 ve toplam ısı transfer katsayısının %5 arttığı görülmüştür (bu rakamlar 12 saattlik sürenin sonunda elde edilen değerlerdir). Yoğunlaşma oranım 0.3 alarak yapılan çalışmada ise şu sonuçlar elde edilmiştir. Buharlastmcı sıcaklığının etkisi: Buharlaştıncı boruları içerisinden akan soğutkanın sıcaklığı -35°C'den -25°C'ye artırıldığında, ısı transfer katsayısı %10, basmç düşümü 10 kez ve toplanan kar kütlesi 5 kez azalmaktadır. Hava debisinin etkisi: Hava debisi 5 l/s 'den 25 l/s 'ye artırıldığında ısı transfer katsayısı 3 kez, basmç düşümü 10 defadan fazla ve toplanan kar kütlesi 3.5 kez artmaktadır. Evaporator performansının bir buzdolabı kabini ile birlikte nasıl etkilendiğini göstermek için bir bilgisayar benzeşim modeli oluşturulmuştur. Bunun için hava dağıtım sistemi modeli, açık kapı ısı kütle transferi modeli, ve evaporator modeli birbirine bağlanmış ve verilen üç değişik giriş bağıl nemi şartlarında çalıştırlmıştır. Bu durumda eveporatör performansının değişimi uzun süreli olarak elde edilmiştir. Buna göre, evaporator ısı transfer katsayısı (UA) ilk önce yavaşça artan bir eğilim göstermekte, bir tepe değeri yaptıktan sonra nispeten daha hızlı olarak düşmektedir. Buna karşın hava tarafı basmç düşümü parabolik olarak artan bir değişim göstermektedir. Bu şartlarda sürekli çalışan bir evaporatörün tamamen kar ile XX111tıkanması için geçecek süre; %80 ve %50 giriş bağıl nem koşullan için sırasıyla, 45 ve 1 10 saat olarak saptanmıştır. Bir diğer analiz ise yukarıdaki çözüm ağının bir buzdolabı kabininde sıcaklık ve bağıl nem değerlerinin değişiminin zamana bağlı görülebilmesi için yapılmıştır. Çalıma sonuçlan bir örnek durum için grafiksel olarak gösterilmiştir. Ortaya konulan buharlaştıncı modelinin karşılaştınlması ve doğruluğunun irdelenmesi için, Şeker (1999) tarafından aynı tip buharlaştıncılarda yapılan deneysel çalışma verileri kullamlmıştrr. Buna göre, ısı transfer katsayısı deneysel ölçümlere göre %10 daha fazla hesaplanırken, basınç düşümü %25 daha az olarak hesaplanmıştır. Burada deneysel ölçümlerin 2 saatlik bir çalışmaya karşılık gelen karlanmış şartlarda yapıldığı öngörüldüğünden daha fazla ve uzun süreli deney sonuçlan elde edildiğinde model tekrar sorgulanacaktır. XXIV

Özet (Çeviri)

EVAPORATOR PERFORMANCE UNDER FROSTED CONDITIONS AND EVALUATION OF HEAT AND MASS TRANSFER IN A DOMESTIC REFRIGERATOR SUMMARY In this study, understanding of how frost accumulates on evaporator surfaces and affects the heat transfer, airside pressure drop, and refrigerator performance are investigated. In order to make a realistic model of evaporator and simulate the refrigerator performance changes while more frost was deposited on the surfaces of evaporator, heat and mass transfer mechanisms of a refrigerator cabinet were also studied. The study was made in five individual chapters. After a short introduction in Chapter- 1, in the Chapters 2 and 3 open door heat and mass transfer analysis and experimental study were made. In Chapter-4, the mathematical model of air distribution system was introduced. Finally in Chapter-5, the mathematical model of evaporator was given. Solvers for all models that were developed in the chapters from 2 to 5 were written in the EES® environment. Results of the studies are summarized in chapter basis below. Chapter-2; a physical model for estimating the cabinet flow and heat transfer rates occuring when door is opened were introduced. Model was based on the momentum and energy equations for two-dimensional flow in Cartesian coordinates. The model includes effect of shelves, which changes from none to three, in all possible combinations. Verification was made by using the experimental measurements, and flow visualization techniques. Experimental study was made on a commercially available domestic refrigerator cabinet. Transient velocity and temperature profiles were measured along the height of the cavity opening. Results of open door studies were summarized by set of equations that shows the parameters contributing to the flow and heat transfer. Equations are, Inlet air velocity (m/s): U = Ppg(T"-Tave)LWD pJ^- + ^(CDAn+1.8AF) 1/2 Heat transfer coefficient (W/m2K): h = 4.95- XVllMass flowrate (kg/s): m = - C2AFpaveU C2(n) = 1.5 - 0.32n (n: number of the shelves) Rec = 402. 1 7 - (98.898)L (L: cavity height) To solve these coupled equations, a solver was developed in EES® environment. It was found that in an empty cabinet (without shelf) the inflow area was larger then the outflow area. This shows that the flow is accelerating along with the cabinet height. The maximum air velocity was measured at a point very close to bottom wall. Flow regimes in an open cavity were classified as three characteristic periods starting right after the door opening. Those were initial transient period (0 to 7-10 seconds), transition period (7-10 to 20 seconds), and quasi-steady period, (after 20 seconds). During the first period, one volumetric air exchange is established, and both inlet and outlet velocities are high. After one volumetric air exchange, the flow is mainly driven by wall temperatures. As wall temperature increases, velocity decreases. The convection heat transfer coefficient decreases when the number of shelves are increased. Experimental studies showed that, it was acceptable to take wall temperatures constant for the first 20 seconds of door opening. The model results and experimental results agreed within the error levels of ±10% for wall temperatures above 3°C, and ±30% for below 3°C. Chapter-3; by help of heat and mass transfer analogy, the latent and sensible (convective + radiation ) heat transfer, and mass transfer percentages in the total cabinet load were analyzed. According to this study, the daily heat gain of the cabinet for 20 times of door opening was increased by 15% to 32% for 30% RH to 100%RH respectively. In these analysis; ambient temperature was 25°C, wall temperature was 5 °C, duration of each door opening was 20 seconds, number of the shelves were three, and shelves were equally spaced. The percentages of heat gain coming from door openings will, of course, be increased in the refrigerators having better insulation. The latent and sensible loads caused by door opening were found to be equal for ambient conditions of 60% RH. The breakdown of modes of heat transfer that occur during door opening period is given below. The conduction heat transfer from cabinet walls during the 20 s of door opening is neglected. Radiation heat transfer: 8.2% Convection (sensible) heat transfer: 42% Latent heat transfer: 49.8% Chapter-4; a mathematical model for analyzing the air distribution system of a nofrost refrigerator was developed. Model was based on conservation of momentum and the first law of the thermodynamics. A solver was developed in EES® environment. A commercial refrigerator cabinet was used to compare the model results with the measurements and the CFD analysis. The estimated airflow rate, and static pressure were found compatible to measurements with less then 3% error. The difference between model and CFD analysis were maximum 15%. The results were xvmfound promising, and the solver could be used effectively in the areas of initial design of the air distribution system, selection of a fan, and balancing the airflow rates distributed between compartments of refrigerator. Chapter-5; a refrigerator evaporator, tube on sheet type, was analyzed. Calculation procedure for obtaining the heat and mass transfer characteristics of the refrigerator evaporators that operate under dry and frosting conditions has been introduced. A mathematical model that was used to obtain heat transfer coefficients, and pressure drop characteristics was developed. The solver is capable of calculating the frost thickness, density, frost mass, overall heat transfer coefficient, exit temperature and humidity, and pressure drop values for each individual tube row for quasi-steady time steps. As it is indicated in the literature, during the frost formation, both thickness and density increase with time. This phenomenon is due to the fact that some percentage of mass transfer goes to increase the thickness, and the remaining goes to increase density (this process can be called as densification of the frost). These percentages are found very important parameters on calculation of evaporator characteristics. Unlike the literature, where densification is calculated by using the analytical methods, these percentages were chosen as constant parameters. According to the study, when the densification ratio was increased from 0.2 to 0.5, the pressure drop decreased approximately three times, the accumulated frost mass increased 4%, and the heat transfer coefficient increased 5% (at the end of 12 hours operation time). By taking the densification ratio equal to 0.3, the effect of following parameters were investigated, the operation time is 12 hours. Effect of the evaporation temperature: Increasing the evaporator temperature from -35°C to -25°C results; 10% decrease on heat transfer coefficient, half of pressure drop, and 5 times lower frost mass. Effect of the airflow rate: When the flow rate is increased from 5 1/s to 25 1/s, the UA value increases 3 times, pressure drop increases more than 10 times, and frost mass increases 3.5 times. Simulation of the real refrigerator case was studied. Airflow rate of each time step was calculated by using the updated pressure drop values of whole air distribution system and fan characteristic curves, as well. In order to do this, the solver developed in chapter-4 was integrated to solver of Chapter-5. Evaporator UA value and pressure drop values were obtained for three different inlet air relative humidity values. According to this study, UA showed first increasing trend until a peak value was reached, then relatively sharp decreasing trend that ended when the evaporator was completely blocked. On the other hand, pressure drop calculations showed exponentially increasing trend all the time. In addition, the pressure drop and frost thickness values were increased more rapidly for higher relative humidity values. Complete evaporator blockage is occurred after 45 hours and 110 hours of continuous operation time for inlet humidity values of 80%, and 50%, respectively. In order to show how all individual models can be used in calculation of quasi-steady temperature and humidity values of cabinet air, a sample run in a freshfood cabinet was made. XIXResults of the evaporator model was compared to the experimental studies of Seker (1999). The estimated UA value was found 10% higher than the experimental value. However, the calculated pressure-drop value was 25% lower than the measured value. It should be noted that the experimental study was obtained for only 2 hours of operation time, therefore the model results will be reexamined after having more experimental results. XX

Benzer Tezler

  1. Tez No

    126824

    Karlanmanın buzdolabı buharlaştırıcısı performansına etkisinin teorik ve deneysel olarak incelenmesi

    Theoretical and experimental investigation of frost formation effects on household refrigerator evaporator performance

    TOLGA NURETTİN AYNUR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. A. NİLÜFER EĞRİCAN

  2. Tez No

    335301

    Karlanma şartlarında çalışan kanatlı boru evaporatörlerinin performansının deneysel olarak incelenmesi

    Investigation of performance of fined pipe evaporators under frozing conditions as experimental

    S. BERRAK İLDEŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Mühendislik BilimleriSelçuk Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEMAL ALTINIŞIK

  3. Tez No

    128791

    Çeşitli çevre koşullarında buzdolabı evaporatörlerinde karlanma prosesinin deneysel ve teorik incelenmesi

    Theoretical and experimental investigation of frost formation on refrigerator evaporators under various environmental conditions

    DERYA BURCU TÜMER ÖZKAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERALP ÖZİL

  4. Tez No

    472435

    Ev tipi uygulamalarda kullanılabilecek birleşik güç, soğutma ve ısıtma sisteminin uygulanabilirliğinin araştırılması ve termodinamik analizi

    Thermodynamic analysis and applicability of a compound system of power, cooling and heating to be applied on home like environments

    FATİH YİĞİT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    EnerjiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AHMET KABUL

  5. Tez No

    384905

    Havanın soğutulması ve neminin alınması amacıyla kullanılan kanatlı borulu ısı değiştiricilerin kuramsal ve deneysel incelenmesi

    Theoretical and experimental analysis of finned tube wet coils

    ALTAY ARBAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ TANER DERBENTLİ

Geri Dön