Geri Dön

Experimental and mathematical analysis of producing clear ice in a refrigerator

Buz dolabında saydam buz oluşturulmasının deneysel ve matematiksel olarak incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 439508
  2. Yazar: UMUTCAN SALİH ERYILMAZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 77

Özet

Su yasam için vazgeçilmezdir ve aynı sekilde buz da - suyun katı hali - günlük hayatta bizim için oldukça gereklidir. Buzun en sık rastlanan kullanımı içeceklerin sogutulmasıdır. Bununla birlikte buz tüketimi yalnızca içecek sogutma ile sınırlı degildir. Tıpta agrıları dindirme amaçlı soguk tedavisinden, süpermarket ve manavlarda ürünleri taze tutmaya, laboratuvarlardaki sayısız sogutma uygulamasından buz heykelciliginie kadar birçok alanda buz kullanımına ihtiyaç vardır. Sıradan buz kabarcıklı ve gri bir görünüme sahiptir, saydam buzdan daha hızlı erir ve genellikle donma sırasında bulundugu ortamın havasını barındırdıgı için belli bir tadı ve kokusu vardır. Saydam buzda ise kabarcıklı buza göre aynı hacim içinde daha fazla buz kütlesi mevcuttur ve erime sırasında çatlayıp arasına sıvı dolma ihtimali daha azdır dolayısıyla saydam buz saydam olmayan normal buza göre daha yavas erir. Saydam buz kokusuzdur çünkü içinde hava barındırmaz. Son olarak ise seffaf oldugu için daha estetik bir görünüme sahiptir. Bütün bu sebeplerden dolayı buzdolabında saydam buz üretimi önemli bir hedeftir. Diger bir önemli hedef ise günlük kullanımda faydalı olması için buzu makul sürelerde üretebilmektir. Bu tez çalısmasının amacı buzdolabında 30dk'nın altında 300gr saydam buz üreten özel bir bölme tasarımı için gerekli verileri saglamaktır. Tezin giris kısmında suyun donması sırasında olusan kristal yapı özetlenmistir. Buz yapım süreci anlatılmıs ve piyasada yaygın olarak bulunan saydam buz üreten ticari buz makinalarının yapısından da kısaca bahsedilmistir. Literatür taraması kısmında buzda kabarcık olusumunun altında yatan fiziksel süreçler arastırılmıstır. Buna göre saydam buzun olusabilmesi için yabancı madde barındırmayan su kullanmak önemli bir sart olsa da tek kosul bu degildir. Saf sudan elde edilen buz bile donma sürecine müdahele edilmemisse - yani derin dondurucuda sıradan bir buz kalıbında donmaya bırakılmıssa - kabarcıklı bir görünüme sahip olacaktır. Literatür taraması kristallesme sürecinde çözünmüs gazların katının içinden sıvıya dogru kaçmasının ve katı-sıvı donma arayüzüne yakın bölgede çözelti birikmesinin buzda kabarcık olusumunun temel sebebi olduguna isaret etmektedir. Saydam buz elde etmek için bu çözelti salınımı ve birikimi sürecinin iyi anlasılması ve sürece müdahele edilmesi gerekmektedir. Yani saydam buz elde etmek için yapılması gereken çözünmüs gazların katı yüzey yakınında birikmesini engellemektir. Literatürdeki hem deneysel hem de sayısal çalısmalar kabarcık olusumunun bir ölçüde olasılıksal bir dogası oldugunu belirtse de donma süreci belli sartlar altında gerçeklesirse kabarcık olusumunu engelleyip saydam buz elde etmek mümkündür. Temel hedef çözelti birikimini engellemek olmalıdır. Tezin patent incelemesi kısmında çesitli buz makinası ve buz kalıbı/aparatı tasarımları anlatılmıstır. Bu tasarımlarda kullanılan yöntemler yavas ve tek yönlü sogutma, donma sırasında eszamanlı su sirkülasyonu ve donma sırasında buz kalıbının titrestirilmesini kapsamaktadır. Bahsedilen yöntemlerin ortak noktası donma yüzeyi yakınında çözelti birikimini engellemektir. Ilk iki yönteme dayalı ticari ürünler bulunmakla beraber titresim yöntemi ile çalısan bir ticari ürüne rastlanmamıstır. Patent incelemeleri literatür taraması kısmının sonuna eklenmistir. Teorik hesaplama kısmının ilk yarısında literatürden elde edilmis olan durgun suyun donması sırasındaki gaz salınımının ifade eden bir boyutlu çözelti geçisi denklemi ve bu denklemin sabit donma hızı durumundaki analitik çözümü kullanılmıstır. Makaledeki boyutsuz çözümde gerekli fiziksel degerler yerlerine konarak belli buz büyüklüklerinde saydam buz elde edebilmek için gereken donma hızları elde edilmistir. Teorik hesaplama kısmının ikinci yarısında ise akıs sırasında donma sürecinin çözelti birikimi açısından incelemesi yapılmıstır. Saydam buz elde edebilmek için akıstan kaynaklanan tasınımla kütle geçisinin buzun içinden suya salınan çözelti geçisi ile aynı miktarda olması gerektigi kabul edilmistir. Bu varsayımdan yola çıkarak ticari buz makinalarındaki mertebelerde bir donma hızında saydam buz elde etmek için gereken su akıs hızı hesaplanmıstır. Deneysel çalısmalar kısmında ticari buz makinalarında kullanılan yöntemler arasında en yaygını olan ve“selale yöntemi”olarak da adlandırılabilecek olan suyun soguk bir plaka üzerinden sürekli olarak sirküle edilmesine dayalı bir yöntem izlenmistir. Deney yapmak için bu yönteme dayalı bir buz makinası prototipi olusturulmustur. Olusturulan düzenek üzerinde DOE yöntemi ile belirlenmis bir deney planı dogrultusunda 5 ayrı degiskenin incelendigi 38 parametrik deney gerçeklestirilmistir. Bu bes degisken sırasıyla söyledir: akan suyun debisi, suyun yukarıdan asagıya akıtıldıgı deliklerin sayısı soguk plakanın yer çekimi vektörüne göre durus açısı, buharlastırıcı ısıtıcısı kullanımı ve buz kalıplarının derinligi. Deneylerin çıktısı olarak belirlenmis degiskenler ise ortalama birim süre ve saydamlıktır. Aslında görsel bir özellik olan saydamlıgı sayısal veriye dönüstürmek için bu çalısmaya özgü bir sayısallastırma yöntemi kullanılmıs ve tezin deneysel çalısma kısmında yöntemin ayrıntıları paylasılmıstır. Çözelti birikimi ve kabarcıklanma etkisini daha görsel hale getirmek için ilk 19 deneyin arasından saydamlık degeri en iyi ve en kötü sonuç veren sırasıyla 8 ve 15 nolu deneyler içinde gıda boyası E129 (Allura Kırmızısı) çözünmüs olan su ile tekrarlanmıstır. Deneysel çalı¸smalar kısmındaki fotograflardan da anlasılabilecegi gibi arada çok ciddi bir görsel farklılık mevcuttur. Deney çıktıları Minitab yazılımı kullanılarak analiz edilmistir. Faktörlerin ana etkileri haricinde bazı ikili etkilesimlerin de sonuçta etkili oldugu görülmüstür. Bu çıktılar yorumlanarak temel saydam buz elde etmek için gereken temel fiziksel sartın basta soguk yüzey üstünde süreç ilerledikçe de buz yüzeyinin üstünde sürekli ve homojen bir su akısı saglanması oldugu yorumu yapılmıstır. Bu gözle bakıldıgında ikili etkilesimlerin saydamlık üzerindeki etkileri daha iyi anlasılmaktadır. Bu çıktı literatür taraması ile de uyumludur. Deney sonuçları literatür taraması ile uyumluluk içindedir. Donma arayüzü yakınında çözelti birikimini buz yüzeyinin tamamında engellemek için öncelikle soguk yüzeyin tamamını homojen biçimde kaplayacak sürekli bir akıs saglanmalıdır. Buharlasma sıcaklıgını arttırmanın da sonuca ciddi bir etkisi oldugu görülmüstür ancak artan buharlasma sıcaklıgının saydamlıga olan olumlu etkisi ve birim süreye olan olumsuz etkisi iyi bir sekilde dengelenmelidir. Minitab yazılımındaki Tepki Eniyileyicisi (Response Optimizer) aracı kullanılarak deneydeki girdiler en iyi çıktı olusturacak sekilde düzenlenmis ve yeni bir buzdolabı saydam buz bölmesinin nasıl olması gerektigi konusunda bir sonuca varılmıstır. Parametrik deney düzenegi, deneyler ve bütün analiz çalısmaları ARÇELIK AS Merkez ARGE Termodinamik Teknoloji Ailesi bünyesinde gerçeklestirilmistir.

Özet (Çeviri)

Water is essentail to life and ice - its solid form - is also very useful in our daily lives. The most common reason to use ice is cooling beverages. But the need for ice is not restricted to beverages. In many areas such as cold therapy for pain relief in medical field, keeping the products chilled in supermarkets and fisheries, numerous cooling needs in laboratories or ice sculpting require using ice. Regular ice looks bubbly and grey, melts faster than clear ice and generally has a flavor. Clear ice melts slower because there is more ice mass in the same volume compared to bubbly ice and also it is less likely to crack and get filled with fluid so it melts slower, it is flavorless because it is pure & air free and finally it has a more aesthetic look. Production of clear ice is an important goal because of all of these reasons. Another important goal is to produce the ice in a range of duration so that it is practical to use in daily life. This thesis work is carried out in order to provide useful data for the design of an ice making unit inside a refrigerator which produces 300gr of clear ice in under 30 minutes. The literature survey provides usedul information aobut the works that ahs been done Although an important condition to obtain clear ice is using water without impurities it is not the only condition. Even ice that is made out of pure water can end up having a bubbly look. The literature survey points to the physical phenomenon of gas liberation during solidification and accumulation of the dissolved gases as the root cause of bubble formation in ice. In order to produce clear and transparent ice this gas liberation and accumulation process should be manupilated. So the main idea behind obtaining clear, bubble free ice is preventing the accumulation of aqueous gas. Both the experimental and the numerical works in the literature mention that although the nature of bubble formation is stochastic to some degree it is possible to produce bubble free ice if the solidification process happens under certain conditions. In the patent search several ice machine and ice apparatus designs in the patent database about producing clear ice were mentioned. The methods used in these designs include slow unidirectional cooling, the circulation of water while freezing and vibrating the ice mold while freezing. The common aspect of these methods is to prevent the gas accumulation close to the solidification front. Summaries of such designs have been mentioned at the end of the literature search. In the theoretical calculations section the simultaneous water flow and freezing process was analyzed in termes of solute accumulation. It is assumed that in order to produce clear ice the convection mass transfer done by the water flow should be equal to the mass transfer done by the gas liberation from the solidification front. This assumption is used to calculate the minimum water flow velocity needed to produce clear ice at a freezing speed that is in the range of commercial ice machines. An experimental setup resembling the ice mold geometry and water flow system of commercial ice machines is built. 38 parametric experiments are done in order to understand the role of 5 different parameters: the water flow rate, number of water distribution holes, evaporator plate angle, evaporator temperature and ice mold depth. A quantification scheme was used to turn visual results into numerical data. The output data is analyzed using the Minitab software. Some cross relations between the effects of input parameters are observed and discussed. The best and worst cases in the parametric experiments are repeated using water with food dye E129. The experimental results are in agreement with the literature survey. Prevention of solute accumulation homogeneously on the cold plate can be achieved first by sustaining a flow of water that covers the whole cold plate surface. This includes the effects of water flow rate, evaporator angle, number of header holes and the type of ice mold. When the effects of higher flow rate, a tilted cold plate surface and higher number of header holes are combined a steady flow of water film over the cold surface can be achieved. The shallow ice mold also makes it easier for the flowing water to cover the whole surface of the cold plate. Increasing the evaporation temperature also has a role in the clear ice formation but the benefits in transparency and losses in average unit time for ice production should be well balanced. The response optimizer tool of the Minitab software is used to get the optimized input values to get the overall best results in terms of both transparency and average unit time. The experimental setup is built, all of the experiments and analyses are done in the Central R&D Department of ARÇELÿIK A¸ S.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    68892

    Fırçasız doğru akım motorlu tahrik sistemlerinde oniki darbeli sürücü

    Twelve-step drive of brushless dc machines

    LATİF TEZDUYAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. M. EMİN TACER

  2. Tez No

    55961

    Biyomagnetik olaylar

    Başlık çevirisi yok

    M.TOGAN ÇANDIR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1996

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. İNCİ AKKAY

  3. Tez No

    106393

    Çifte kaynak kısıtlı grup teknolojisi üretim sistemlerinin bozucu faktörlere dayanıklı tasarımı

    Robust design of dual resource constrained group technology production systems

    MUSTAFA AKHUN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF. DR. M. BÜLENT DURMUŞOĞLU

  4. Tez No

    145026

    The significance and the contribution of 6+1 traits of writing to the success of the students in writing courses in English language teaching

    Yazmanın 6+1 özelliğinin İngilizce öğretiminde yazılı anlatım derslerindeki öğrenci başarısına katkısı ve önemi

    ÖZLEM YAZAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2004

    Eğitim ve ÖğretimGazi Üniversitesi

    İngiliz Dili Eğitimi Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. PAŞA TEVFİK CEPHE

  5. Tez No

    441695

    Investigation of wind turbine effects on radar performance

    Rüzgar türbinlerinin radar performansı üzerindeki etkilerinin araştırılması

    OSMAN KARABAYIR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEDEF KENT PINAR

Geri Dön