Effect of frost formation on heat transfer: Experimental investigation and numerical model development
Karlanmanın ısı transferi üzerindeki etkisi: Deneysel inceleme ve sayısal model geliştirme
- Tez No: 822571
- Danışmanlar: DR. ALTUĞ MELİK BAŞOL, PROF. DR. MEHMET ARIK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Özyeğin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 86
Özet
Sıcaklık üçlü noktanın altına düştüğünde su molekülleri donar ve bu faz değişim süreci nedeniyle buz kristalleri oluşur. Bir yüzey üzerinde büyüyen buz sütunları arasındaki porlarda hava yer alır.“Karlanma”terimi, buz kristallerinden oluşan gözenekli ortamı ve buz kristalleri arasında sıkışan havayı ifade eder. Kar tabakası çok düşük ısı iletkenliğine sahip olduğundan, soğutulmuş yüzeylerde kar birikmesi yüzey ile hava arasında termal bariyer oluşturur. Bu, bir yüzeyin çevredeki ortamla ısı alışverişi yeteneğini kaybetmesine neden olur. Bu sorun genellikle bir dizi ısıtma, havalandırma ve hava soğutma uygulamasında görülür. Tipik bir ev tipi buzdolabındaki buharlaştırıcılar, hava kaynaklı ısı pompaları ve uçak ön soğutucuları, karlanmaya eğilimli ısı eşanjörlerinden bazılarıdır. Bu nedenle, etkili kar çözme stratejileri geliştirmek için karlanma koşullarında çalışan bir yüzeydeki zamana bağlı ısı transfer hızlarını araştırmak önemlidir. Bu tez çalışmasında, karlanmanın ısı transferi üzerindeki etkisi deneysel olarak araştırılmış ve toplanan veriler sayısal bir karlanma modeli geliştirmede kullanılmıştır. Serbest akışlı hava hızı, bağıl nem ve soğuk plaka sıcaklığı parametreleri değiştirilerek çok sayıda deney gerçekleştirilir. Kar tabakasının ısı transfer hızı üzerindeki etkisi, yüksek hassasiyetli ince film ısı akısı sensörü ile ölçülür. Buna göre, zaman içinde karlanma nedeniyle ısı akışı önemli ölçüde engellendi. Isı akışındaki azalma oranının zaman içinde sabit olmadığı, ancak azalan bir eğilim gösterdiği görülmüştür. Ayrıca, buz kristallerinin neden olduğu etkili ısı transfer alanındaki artış ve buna bağlı olarak gizli ısı üretimindeki artış nedeniyle, belirli çevresel koşullar altında kar oluşumunun erken aşamasında ısı transferinde bir artış bildirilmiştir. Kar tabakasının yoğunlaşması ve toplam ısıl direnç üzerindeki etkisi tartışıldı. Kar tabakası üzerindeki konvektif ısı ve kütle transfer dengesine dayanarak, kar yüzey sıcaklığı tahmin edildi. Karlanma sırasında ısı transferindeki azalmayı tahmin etmek için boyutsuz sayılarla bir korelasyon önerilmektedir. Ampirik veriler, sağlam bir sayısal model oluşturmak için kullanılır. Nemli hava ve don fazlarını ayrı ayrı modellemek için Euler-Euler çok fazlı bir yaklaşım izlenir. Bir buzlanma işlemi sırasındaki ısı akışı, karlanma simülasyonları sırasında da hesaplanır ve önerilen modelin deneysel ısı transferi ölçümleri üzerinden doğrulanması yapıldı. Soğuk yüzeydeki kar birikimi, ampirik bir kütle kaynağı terimi ile modellenmiştir. Model sabitleri, deneysel ısı akısı ve kar kalınlığı verileri kullanılarak sistematik bir şekilde ayarlandı. Kütle kaynağı terimine hıza bağlı bir model sabiti eklenir. Karlanmanın ilk aşamalarında deneysel olarak gözlemlenen ısı akısı artışı, hıza bağlı model sabiti kullanılarak yakalanabilir ve bu terimin eklenmesi, karlanamnın ilk aşamalarında don modelinin doğruluğunu önemli ölçüde iyileştirdi. Geliştirilen sayısal model üç farklı kar ısı iletkenlik modeli ile test edilmiştir. Kar termal iletkenliği için katı buzun termal iletkenliğinin kullanılması, kar büyüme sürecinin erken aşamalarında, çok düşük yanal dallanma ile buz kristallerinin oldukça kolon bazında dikey büyümesini gösteren en doğru tahminle sonuçlandı. Bununla birlikte, sayısal ısı akısının katı buzun termal iletkenliği ile aşırı tahmin edilmesi, yeni eklenen kar katmanlarının termal iletkenliğinde, kar katmanı içinde buz kristallerinin daha belirgin bir yanal dallanmasını gösteren bir azalmaya işaret eder. Nemli havadaki su buharının difüzyon katsayısının buzlanmaya etkisi de araştırılmıştır. Difüzyon katsayısındaki yapay bir artış, buzlanmanın ilk aşamalarında modelin ısı akısı tahmininin doğruluğunu iyileştirdi; bu, sınır tabakasında laminer akış modelinde yakalanamayabilecek girdapla çalışan gelişmiş bir karışımı gösterebilir. Son olarak, geliştirilen sayısal model, farklı yüzey sıcaklıkları koşulları altında da denenmiştir.
Özet (Çeviri)
Water molecules freeze when the temperature drops below the triple point. This phase change process results in the formation of ice crystals. With air filling the gaps between the growing ice columns, together this porous medium known as“frost”. The accumulation of frost creates a thermal barrier across a surface due to the low thermal conductivity of the frost layer. This phenomenon is commonly observed in heating, ventilation, and air-cooling applications, such as evaporators in household refrigerators, air source heat pumps, and aircraft precoolers. Therefore, it is crucial to investigate the dynamic heat transfer rates across surfaces operating under frosting conditions to assess their performance and develop defrosting strategies. In this thesis study, the effect of frosting on heat transfer is investigated experimentally, and the gathered data is utilized in a numerical frosting model development. A large number of experiments are performed by altering the parameters of free stream air velocity, relative humidity, and cold plate temperature. Frosting impact on heat transfer rate is measured through a high-precision thin film heat flux sensor. Accordingly, heat flow is significantly obstructed due to frosting in time. The rate of decrease in the heat flux is not found to be constant over time but shows a decreasing trend. Additionally, an enhancement in the heat transfer is reported during the early stage of frost formation under certain environmental conditions, due to the increase in effective heat transfer area induced by ice crystals and the corresponding increase in latent heat generation. The densification of the frost layer and its effect on the total thermal resistance is discussed. Based on the convective heat and mass transfer balance over the frost layer, frost surface temperature was predicted. A correlation for estimating the heat transfer decrease during frosting is proposed via non-dimensional numbers. The gathered empirical data is utilized to establish a robust numerical model. An Eulerian-Eulerian multiphase approach is followed to model humid air and frost phases separately. Heat flux during a dynamic frosting process is also calculated during the frosting simulations, and validation of the proposed model is done over the experimental heat transfer measurements. Frost accumulation on the cold surface is modeled with an empirical mass source term. Model constants are tuned in a systematic way using experimental heat flux and frost thickness data. A velocity dependent model constant is introduced into the mass source term. The heat flux rise observed experimentally at the initial stages of the frosting could be captured with the use of the velocity dependent model constant and the addition of this term considerably improves the accuracy of the frost model at the initial stages of frosting. The developed numerical model is tested with three different frost thermal conductivity models. Using the thermal conductivity of solid ice for the frost thermal conductivity results in the most accurate prediction at the early stages of the frost growth process indicating a rather column-wise vertical growth of ice crystals with very low lateral branching. However, the overprediction of the numerical heat flux with the thermal conductivity of solid ice points out a decrease in the thermal conductivity of the newly added frost layers indicating a more pronounced lateral branching of ice crystals within the frost layer. The effect of the diffusion coefficient of the water vapor in humid air on frosting is also investigated. An artificial increase in the diffusion coefficient improves the accuracy of the heat flux prediction of the model at the initial stages of frosting which might indicate an eddy-driven enhanced mixing in the boundary layer which might not be captured in the laminar flow model. Finally, the developed numerical model is also tested on another scenario where surface temperature is set differently.
Benzer Tezler
- Silindirik boruda karlanmanın ısı transferine etkisinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of the effect of frost formation on heat transfer in cylindrical pipe
ALİ SERGEN ERYENİLMEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiHitit ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İRFAN KURTBAŞ
- Düz ve genişletilmiş yüzeylerde karlanma esnasındaki ısı ve kütle geçişinin deneysel incelenmesi ve düz levha için yeni bir kütle geçişi korelasyonu geliştirilmesi
Experimental investigation of heat and mass transfer during frosting on flat and extended surfaces and development of mass transfer correlation on flat plate
ADEM AKSOY
Doktora
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
- 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
2002
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. NİLÜFER EĞRİCAN
- Ortalama hafif agrega boyutunun yarı hafif betonların dona dayanıklılığı üzerindeki etkileri
The Effect of light weight aggregate fraction on the freezing-thawing resistance of semi-light weight concretes
GÜL HATİCE ÖZTÜTÜNCÜ
- İki plaka arasına yerleştirilmiş elips silindir üzerindeki akış yapısının deneysel incelenmesi
Experimental investigation of flow structure over an elliptic cylinder located two parallel plates
HÜSEYİN TURAN ARAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Makine MühendisliğiMustafa Kemal ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. ALİ KOÇ