Ticari buzdolaplarında enerji verimliliği yüksek yeni nesil kondenser tasarımının sayısal incelenmesi

Abstract

Yapılan bu tez çalışmasında, ev tipi buzdolaplarında kullanılan hava soğutmalı tel boru şeklindeki kondenserlerin tasarımı sayısal analiz ve yapay sinir ağları yöntemleriyle ele alınmıştır. Yenilikçi bir tasarım olarak dairesel kesitli kondenserler yerine, farklı çarpıklık oranına sahip eliptik kesitli kondenserler göz önüne alınmıştır. Çalışmada hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi kullanılarak hava tarafındaki konveksiyon miktarı analiz edilmiştir. ANSYS Fluent paket programında yapılan analizlerde k-ω SST türbülans modeli kullanılmış ve bu türbülans modeli ile ilgili denklemler, Navier-Stokes denklemleriyle birlikte sonlu hacimler yöntemi kullanılarak çözülmüştür. Farklı hava hızları ve hava giriş sıcaklıkları seçilmiş olup, kondenser yüzeyi sabit sıcaklıkta tutulmuştur. Eliptik boru profilleri hava akış yönünde yarıçapı azalan ve hava akış yönünde yarıçapı artan olmak üzere iki gruptan oluşmaktadır. Elde edilen analiz sonuçlarına göre, hava akış yönünde yarıçapı artan model olan 0.4r-2.5r modeli ısı transferi bakımından diğer modellere kıyasla daha iyi sonuç vermektedir. Ayrıca hava akış yönünde yarıçapı artan eliptik kesitli modellerin büyük ve küçük yarıçaplarının oranı arttıkça, ısı transferinin arttığı gözlenmiştir. Akış yönünde yarıçapı artan modellerde ise yarıçaplar oranı küçüldükçe, ısı transfer oranı artmaktadır. Ayrıca MATLAB programı kullanılarak bir yapay sinir ağ sistemi oluşturulmuş, hava giriş sıcaklığı, hava hızı ve boru modeli olmak üzere 3 giriş parametresi ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği sonuçları çıkış parametresi olacak şekilde tanımlanmıştır. Ağ yapısında ileri beslemeli ağ ve gizli katmanda 25 nöron kullanılmıştır. Aktivasyon fonksiyonu olarak ise hiperbolik tanjant ve doğrusal fonksiyon seçilmiş olup, eğitim fonksiyonu Levenberg-Marquardt algoritması seçilmiştir. Yapay sinir ağlarından elde edilen tahmini sonuçlar, hesaplamalı akışkanlar dinamiğinden elde edilen sonuçlarla farklı çalışma koşulları altında yakın değerler vermiştir. Bu tez kapsamında elde edilen sonuçlar yenilikçi soğutma sistemlerinin tasarımında, komponent bazlı iyileştirmenin esas alındığı soğutma sistemlerinin verimlerinin arttırılmasında kullanılabilir.

In this study, design of air cooling wire and tube condensers which are used in household refrigerators was investigated by using numerical simulation and artificial neural network method. Condenser models with different elliptical cross sections and skewness ratios were taken into account as an innovative design instead of circular ones. Air side convection rate was analyzed with computational fluid dynamics method. k-ω SST turbulence model was used and related turbulence model equations were solved along with the Navier-Stokes equations by using ANSYS Fluent with finite volume method. Various air inlet temperature and air inlet velocity values were chosen while the condenser surface temperature is constant. Elliptical condenser profiles contain two different groups such as increasing radius through air flow direction model and decreasing radius through air flow direction one. It is shown that increasing radius through air flow direction model 0.4r-2.5r has the best heat transfer rate results compared the other models. Also heat transter rate increases as the proportional radius values increase for the elliptical models that have increasing radius through air flow direction. Artificial neural network model was created using MATLAB and 3 input (air velocity, air temperature, model type ) and 1 target ( CFD results) parameters were used. A fast forward network type along with the 25 neurons for the hidden layer were used. Hyperbolic tangent and a linear function were used as activation functions where training algorithm is the Levenberg-Marquardt. It was observed that CFD and ANN results are similar under different working conditions. The results obtained from this research can be used in design of new innovative cooling systems or for efficiency improvement of cooling systems where component based enhancement is essential.