Design of a refrigerator cabinet based on solidification process of polyurethane foam flow
Katılaşma süreci olan poliüretan köpük akışına güre yeni bir buzdolabı kabini tasarımı
- Tez No: 405096
- Danışmanlar: PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Chemistry, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
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.
Özet (Çeviri)
There are many advantages of using polyurethane materials, including low cost, light weight, enhanced thermal and electrical insulation, and high impact strength and, therefore, it has many applications, as for example, producing various kinds of complex parts including automobile interior furnitures, household appliances and housing industry. Use of polyurethane foam is also spreading rapidly in refrigerators as insulation material. Reaction injection molding of polyurethane foam is a process in that two or more chemical components mix, chemically react and finally form a foam which flows into the mold cavity where the polymerization is initiated. Energy efficiency of modern refrigerators demands a very effective insulation and, hence, the foam is required to fill complex cavities in very short time scales. In order to increase cavity filling efficiency while shorten the injection molding process, it is necessary to understand the phenomena of mixing, reaction kinetics, bubble nucleation and growth and two-phase flow behaviour during mold filling. Lack of control on reactive injection molding parameters results in variations from load to load and even from part to part, leading to serious quality degradation and, thus, the whole process becomes labor-intesive at elevated material costs.International competition between companies is rapidly growing. Hence companies race in the energy efficiency field and invest large amount of money on R&D activities for having more efficient products. For refrigerators; energy efficiency is highly relative to its insulation performance. Rigid polyurethane foam is used as insulation material between the refrigerators cabinet walls. Good insulation performance depends on the homogeneity of foam in the cabinet. Another function of the foam is the mechanical support to thin cabinet walls. Short injection time and minimized chemical costs are desired in mass production. To provide these requirements air outlets orientation, numbers, diameters and progress of chemical reactions, the temperature of the injected mixture and cabinet temperature are important parameters. If we want to find these optimum parameters we have to understand the nature of the polyurethane injection process. Thus polyurethane injection process become more controllable and we can predict process parameters for new designs before the manufacturing. In the light of these informations the aims of the thesis obtained as; •Decreasing the usage of the foaming materials for single cabinet volume •Decreasing the costs due to change of the initial conditions of the process, •Decreasing the foam filling time of the cabinet, •Increasing the insulation and structural strength performance of the foam with minimizing the air traps in it, •Optimization positions, sizes and the numbers of air outlets to make the polyurethane injection procces more efficient, •Understanding the nature of polyurethane flow and getting a solid scientific knowledge about it. From this point of view a project started by ARCELIK Inc. and ITU Fluids Group with the support of the Ministry of Science Industry and Technology Commissary. A refrigerator with two doors chosen for the computational fluid dynamics (CFD) simulations. Flow of the rigid polyurethane foam in the cabinet is three dimensional, reactive, multiphase and time dependent. Also solidification occurs due to chemical reactions. Chemical reactions effect the flow very strongly. Except the CFD simulations, a chemical kinetics study has been done without flow to obtain optimum initial reaction conditions locally such as initial mass fractions of the species and initial temperature. ANSYS Meshing and ICEM CFD were used for mesh generation. CATIA and SOLIDWORKS were used for CAD and geometry refinements. On the other hand a FORTRAN code were used for modeling the chemical kinetics. Chemistry code was developed in the ITU Fluids Group. CFD simulations were done with the FLUENT software. Chemistry code was implemented in FLUENT by using the user defined functions (UDF) and they run simultaneously. Post processing had been done with the TECPLOT and MATLAB. Furthermore, EXCEL and some FORTRAN codes which were written during the project, are used for converting the physical, chemical and thermodynamic data for calculations. The validation of the chemical kinetics with real process is done by comparison between an experimental data. Gelling and blowing reaction rates are adjusted with the calibration of the Arrhenius parameters. Thus a similar behavior obtained with real reactions.
Benzer Tezler
- Yalıtım malzemesi enjeksiyon süreci optimize edilmiş yeni bir buzdolabı kabini tasarımı
Designing a new refrigerator cabinet based on optimization of the insulation material injection
FIRAT AKAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR
- 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
CEMİL İNAN
- No-frost soğutucu hava kanalının yanıt yüzeyi optimizasyonu ile tasarlanması ve etkilerinin sayısal olarak incelenmesi
Designing no-frost refrigerator air channel using response surface optimization and investigating its effects numerically
MERT ALPAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Simulation of refrigerated space with radiation
Soğutulmuş hacmin ışımalı benzetimi
ÖZGÜR BAYER
Doktora
İngilizce
2009
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. RÜKNETTİN OSKAY
YRD. DOÇ. DR. İLKER TARI
- Ev tipi buzdolaplarında enerji tüketimine etki eden parametrelerin incelenmesi
An investigation of the parameters affecting on the energy consumption of refrigerators
ÖZGÜN SAKALLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ