Endüstriyel gıda makinelerine yönelik hava soğutmalı chiller sistem tasarımı ve enerji analizi
System design and energy analysis of air-cooled chiller for industrial food machines
- Tez No: 995313
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET ÇOŞGUN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Buharlaştırarak soğutma, Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD), Tabakalaşma, Evaporative cooling, Computational fluid dynamics (HAD), Stratification
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Akdeniz Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Küresel ısınma ve artan dünya nüfusu ile birlikte su kaynaklarının korunması ve enerji verimliliği, mühendislik çalışmalarının en öncelikli konuları haline gelmiştir. Özellikle gıda endüstrisinde kullanılan dondurma yapıcılar ve pastörizasyon makineleri gibi yüksek ısı yüküne sahip cihazların soğutulmasında şebeke suyunun kullanılması, ciddi boyutlarda su israfına ve kontrolsüz enerji tüketimine neden olmaktadır. Bu yüksek lisans tez çalışması; endüstriyel gıda makinelerinin soğutma ihtiyacını karşılamak, su tüketimini minimize etmek ve enerji verimliliğini artırmak amacıyla kapalı çevrim çalışan hava soğutmalı bir chiller sisteminin tasarımını, sayısal analizini ve deneysel doğrulamasını konu almaktadır. Çalışma kapsamında öncelikle, dondurma ve pastörizasyon süreçlerinin gerektirdiği soğutma yükleri termodinamik yasalar çerçevesinde hesaplanmış ve sistem kapasitesi yaklaşık 14 kW olarak belirlenmiştir. Sistem tasarımında; gıda endüstrisindeki yaygın kullanımı ve termodinamik kararlılığı nedeniyle R404A soğutucu akışkanı tercih edilmiş, buna uygun olarak scroll tipi kompresör, hava soğutmalı kondenser ve daldırma tipi (immersion) bakır borulu evaporatör seçimleri gerçekleştirilmiştir. Tasarımın merkezine enerji verimliliği ve su tasarrufu konularak, sistemin değişken yük koşullarında kararlı bir su sıcaklığı sağlaması hedeflenmiştir. Tezin literatüre en özgün katkılarından biri, su tankı içerisindeki akış karakteristiklerinin ve sıcaklık dağılımının Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) yöntemleriyle incelenmesidir. Daldırma tip evaporatörlü tanklarda oluşabilecek ısıl katmanlaşma (stratification) problemini analiz etmek ve sıcaklık kontrol sensörünün (PT100) en doğru konumunu belirlemek amacıyla ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak detaylı simülasyonlar yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda, tank içerisinde belirgin bir sıcaklık gradyanı oluştuğu, suyun üst yüzeyi ile tabanı arasında sıcaklık farklarının bulunduğu ve en homojen karışımın tankın orta kesitlerinde gerçekleştiği tespit edilmiştir. Bu veriler ışığında sensör konumu optimize edilerek sistemin kontrol hassasiyeti artırılmıştır. Teorik hesaplamalar ve sayısal analizlerin ardından sistemin prototipi imal edilerek tüm mekanik ve elektriksel entegrasyonu sağlanmıştır. Geliştirilen prototip, gerçek çalışma koşullarını simüle etmek amacıyla 9 litrelik profesyonel bir dondurma makinesi (Pro 9) ile entegre edilerek performans testlerine tabi tutulmuştur. Test sürecinde, su tankının farklı noktalarına, evaporatör giriş-çıkışlarına ve kondenser hatlarına yerleştirilen hassas sıcaklık sensörleri ile anlık veriler kaydedilmiştir. Deneysel sonuçlar, chiller sisteminin suyu hedeflenen set değeri olan 10°C sıcaklığına başarıyla düşürdüğünü ve proses makinesinin soğutma yükünü tam kapasiteyle karşıladığını göstermiştir. Ayrıca, CFD analizinde gözlemlenen tank içi sıcaklık katmanlaşması olduğu, taban ile üst yüzey arasındaki 3°C fark oluştuğu ve bu verilerin, deneysel bulgularda öngörülen CFD sıcaklık profilleriyle büyük ölçüde örtüştüğü belirlenmiştir. Ayrıca, gözlemlenen tank içi sıcaklık katmanlaşmasına istinaden üstüne delik açılmış evaporatör çerçevesi ile modellenen bir CFD analizi gerçekleştirilmiş olup, geliştirilen evaporatör tasarımı sayesinde, su tankı içerisindeki sıcaklığın gözle görülür seviyede homojenleştiği ve ölçüm noktası ile tank çıkış suyu sıcaklığı arasındaki fark 1°C altına azaltılmıştır. Sonuç olarak bu tez çalışması; teorik tasarım, sayısal analiz ve deneysel doğrulama süreçlerini bütünleşik bir yaklaşımla ele alarak, gıda endüstrisine yönelik su tasarruflu ve yüksek verimli bir soğutma sistemi çözümü sunmaktadır. Elde edilen bulgular, daldırma tip evaporatörlü sistemlerde CFD destekli tasarımın önemini kanıtlamakta ve gelecekte yapılacak benzer çalışmalara, özellikle sensör konumlandırma ve tank içi akış optimizasyonu konularında önemli bir referans oluşturmaktadır. Mevcut çalışmada kullanılan R404A soğutucu akışkan yerine, çevresel etkileri daha düşük olan doğal soğutucu akışkan olan Gelecek çalışmalar için, sistemin R290 gibi doğal soğutucu akışkanlarla çalışabilecek şekilde optimize edilmesi önerilmiştir.
Özet (Çeviri)
With global warming and the increasing world population, the conservation of water resources and energy efficiency have become paramount priorities in engineering studies. In the food industry specifically, the use of mains water to cool equipment with high heat loads, such as ice cream makers and pasteurization machines, causes significant water waste and uncontrolled energy consumption. This master's thesis focuses on the design, numerical analysis, and experimental verification of a closed-loop air-cooled chiller system aimed at meeting the cooling needs of industrial food machinery, minimizing water consumption, and increasing energy efficiency. Within the scope of the study, the cooling loads required by ice cream and pasteurization processes were first calculated within the framework of thermodynamic laws, and the system capacity was determined to be approximately 14 kW. In the system design, R404A refrigerant was selected due to its widespread use in the food industry and its thermodynamic stability; accordingly, a scroll-type compressor, an air-cooled condenser, and an immersion-type copper tube evaporator were selected. By placing energy efficiency and water conservation at the core of the design, the objective was to ensure a stable water temperature under variable load conditions. One of the most original contributions of this thesis to the literature is the investigation of flow characteristics and temperature distribution within the water tank using Computational Fluid Dynamics (CFD) methods. Detailed simulations were conducted using ANSYS Fluent software to analyze the thermal stratification problem that may occur in tanks with immersion-type evaporators and to determine the optimal location for the temperature control sensor (PT100). The analysis revealed a distinct temperature gradient within the tank, with temperature differences between the top surface and the bottom, and determined that the most homogeneous mixture occurred in the middle sections of the tank. Considering these data, the sensor position was optimized, thereby increasing the control precision of the system. Following the theoretical calculations and numerical analyses, a prototype of the system was manufactured, and all mechanical and electrical integration was completed. To simulate real operating conditions, the developed prototype was integrated with a 9-liter professional ice cream machine (Pro 9) and subjected to performance tests. During the testing process, instantaneous data were recorded using precision temperature sensors placed at various points in the water tank, at the evaporator inlet/outlets, and on the condenser lines. Experimental results demonstrated that the chiller system successfully reduced the water temperature to the targeted setpoint of 10°C and fully met the cooling load of the process machine. Furthermore, the thermal stratification observed in the CFD analysis was confirmed, with a recorded 3°C difference between the bottom and top surfaces; these experimental findings largely aligned with the predicted CFD temperature profiles. Additionally, based on the observed in-tank thermal stratification, a secondary CFD analysis was conducted modeling an evaporator frame with added perforations. Thanks to this improved evaporator design, the temperature within the water tank became visibly more homogeneous, and the difference between the measurement point and the tank outlet water temperature was reduced to below 1°C. In conclusion, this thesis presents a water-saving and highly efficient cooling system solution for the food industry by handling theoretical design, numerical analysis, and experimental verification processes through an integrated approach. The findings prove the importance of CFD-supported design in immersion-type evaporator systems and constitute a significant reference for future studies, particularly regarding sensor positioning and in-tank flow optimization. For future work, it is recommended to optimize the system to operate with natural refrigerants such as R290, which have lower environmental impacts than the R404A refrigerant used in the current study.
Benzer Tezler
- Kanal içinde yoğuşmanın sayısal modellenmesi
Numerical modelling of condensation in channel flow
MUTLU İPEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Gıda ürünlerinin ambalajı üretiminde hammadde ve katkı maddelerinin geridönüşümü ve tekrar kullanımı
Recycling and reusage of raw materials and additives in production of food stuffs packaging
NİLGÜN AKÜZÜM
- Bulgur üretimi sırasında hımsıma oluşumunun incelenmesi
Investigation of hımsıma during bulgur production
BETÜL BAY YILMAZ
Doktora
Türkçe
2022
Gıda MühendisliğiMersin ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NÜZHET İKBAL TÜRKER
PROF. DR. MUSTAFA BAYRAM
- Değiştirilebilir bıçaklı, otomasyonlu kuruyemiş soyma makinesi tasarım ve imalatı
Automated nut peeling machine with replaceable blades
KAĞAN KAHRAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mekatronik MühendisliğiPamukkale ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÇALLIOĞLU
- Çamaşır makinesinin deterjan çekmecesi üzerinde biyofilm oluşumunun engellenmesi çalışmaları
Inhibition of biofilm formation on washing machine drawer
DUYGU ÖZÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Biyolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. NEVİN GÜL-KARAGÜLER