Buzdolapları için mikrokanal yoğuşturucu tasarımı

Abstract

Mikrokanal ısı değiştiriciler, endüstriyel uygulamalardaki küçük hacimlerdenyüksek ısı aktarım ihtiyaçlarının karşılanmasında etkili olmaktadır. Soğutmauygulamalarında mikrokanal ısı değiştirici gibi kompakt ısı değiştiricilere yerverilmesi faz değişimlerinin küçük hacimlerde meydana gelmesini kaçınılmaz halegetirmektedir. Bu tez çalışmasında, panjurlu kanatlı mikrokanal yoğuştucu tasarımlarıiçin matematiksel bir benzetim modeli sunulmuştur. Sunulan model, yaygın kullanılanR600a soğutkanı ile çalışan buzdolabının çalışma koşullarını esas alarakyoğuşturucunun ısı kapasitesini ve çıkış sıcaklığını tahmin etmek üzere tasarlanmıştır.Sonlu hacimler yöntemine dayanan modelde, hesaplamalar yinelemeli bir şema ileetkinlik-NTU yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Matematiksel model sonuçlarınıdoğrulamak için deneysel çalışma yapılmış ve 16 farklı test gerçekleştirilmiştir.Deneysel ölçümler sonucunda matematiksel modelin, incelenen tüm test koşulları içinçıkış sıcaklığını ±%2; ısı kapasitesini ise ±%1 aralığında bir ortalama mutlak sapmaile öngördüğü sonucuna varılmıştır. Tasarım aracı olarak geliştirilen matematikselmodel, çözümleme için basınç kaybı ve ısı transfer katsayısına ihtiyaç duymaktadır.R600a'nın mikrokanaldaki yoğuşma akışının ısı transfer katsayısı ve akışkarakteristiği üzerine bir çalışmaya rastlanılmamış, literatürdeki bilgiler yetersizkalmıştır. Bu kapsamda, ısı transfer ve basınç kaybı karakteristiğinin belirlenmesi içinR600a'nın mikrokanal yoğuşma akışı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD)yazılımlarından biri olan Ansys FLUENT ile simüle edilmiştir. Sürekli durumdagerçekleştirilen HAD simülasyonlarında, çift fazlı akış Volume of Fluid (VOF)yaklaşımıyla, arayüz faz değişiminin kütle transferi Lee Modeli ile modellenmiştir.HAD simülasyon sonuçlarına dayanarak R600a'nın mikrokanal yoğuşma akışı içinyeni bir ısı transfer katsayısı korelasyonu geliştirilmiştir. Tez çalışmasında,mikrokanal boyutları küçültülerek teorik tasarımlar yapılmış, tasarımlarınperformansları geliştirilen matematiksel model ile karşılaştırmalı olarakdeğerlendirilmiştir.

Microchannel heat exchangers are advantageous designs to meet the high heattransfer requirements of small volumes in industrial applications. The utilizing ofcompact heat exchangers such as microchannel heat exchangers in coolingapplications makes it inevitable that phase changes occur in small volumes. In thisthesis, a mathematical simulation model for louvered fin microchannel condenserdesigns has been presented. The proposed mathematical model has been designed toestimate the heat capacity and outlet temperature of the microchannel condenser basedon the refrigerators operating conditions that work with refrigerant R600a. In themodel based on the finite volume method, the calculations are made with an iterativescheme using the efficiency-NTU method. An experimental study has been conductedto validate the proposed model and 16 different tests have been performed fort hevalidation. It is concluded in the validation effort that the model is able to predict theoutlet temperature with a ± 2% mean absolute error (MAE) and the heat transfercapacity with a ± 1% MAE. The mathematical model developed as a design toolrequires pressure loss and heat transfer coefficient for the calculation. There is nosufficient information on heat transfer coefficient and pressure drop of thecondensation flow characteristics of R600a inside the microchannel. To determine theheat transfer coefficient and flow characteristics, condensation of R600a insidemicrochannel has been simulated with Ansys FLUENT which is one of theComputational Fluid Dynamics (CFD) softwares. In the steady-state simulations, theVolume of Fluid (VOF) method has been used for modeling of two-phase flow andLee model has been used to simulate the mass transfer of phase change at the interface.A new heat transfer coefficient correlation has been developed for the condensationflow of R600a inside microchannel based on CFD simulations. Theoretical designshave been performed by decreasing the microchannel dimensions and the thermalperformances of the designs have been assessed comparatively with using proposedmathematical model.