İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİKLİ FIRINLARDA ENERJİ TÜKETİM DENEYLERİNİN MODELLENMESİ

Transkript

1 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİKLİ FIRINLARDA ENERJİ TÜKETİM DENEYLERİNİN MODELLENMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ Makna Müh. Haluk KARATAŞ Tez Danışmanı: Prof. Dr. Taner DERBENTLİ Anablm Dalı: Makna Mühendslğ Programı: Isı-Akışkan MAYIS 2007

2 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİKLİ FIRINLARDA ENERJİ TÜKETİM DENEYLERİNİN MODELLENMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ Makna Müh. Haluk KARATAŞ Tezn Ensttüye Verldğ Tarh : 08 Mayıs 2007 Tezn Savunulduğu Tarh : 12 Hazran 2007 Tez Danışmanı : Dğer Jür Üyeler Prof.Dr. Taner DERBENTLİ Prof.Dr. Ferdun ÖZGÜÇ Prof.Dr. Onur DEVRES TEMMUZ 2007

3 ÖNSÖZ Bu yüksek lsans tez çalışmasını yöneten, olumlu eleştr ve önerler le katkıda bulunan değerl hocam Sn. Prof. Dr. Taner DERBENTLİ ye teşekkür ederm. Bu çalışmanın gerçekleşmesn sağlayan ve çalışmaya destek olan Arçelk Araştırma ve Gelştrme Merkez ne, başta Sn. Ceml İNAN ve Sn. Fath ÖZKADI nın şahsında teşekkür ederm. Çalışmanın her aşamasında desteğn esrgemeyen, değerl fkrler ve eleştrleryle çalışmaya katkıda bulunan Sn. Dr. Levent AKDAĞ a, Sn. Dr. Denz ŞEKER e, Sn. Bekr ÖZYURT a, Sn. Aslı KAYIHAN a ve Sn. Murat KANTAŞ a ; deneysel çalışmalarındak katkılarından dolayı Sn. Mehmet MARAŞLI ve yapılan çalışmaya katkılarından dolayı Arçelk ARGE Akışkanlar Dnamğ Laboratuarı çalışanlarına teşekkür ederm. Tüm çalışmalarım boyunca verdkler destekten dolayı Sn. Mehmet TOLAY, Sn. Ahmet BOZGEYİK, Sn. Fath SÜZEK, Sn. Kemal Erdem YURTPINAR, Sn. Berç ULUK ve tüm Arçelk ARGE Yüksek Lsans Öğrencler ne teşekkür ederm. Son olarak, tüm bu teşekkürlern ötesnde, hayatım boyunca her adımımda madd ve manev desteklern esrgemeyen, her zaman yanımda olduklarını hssettren sevgl AİLEM ve tüm dostlarıma şükranlarımı sunarım. Mayıs 2007 Haluk KARATAŞ

4 İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ İÇİNDEKİLER TABLO LİSTESİ ŞEKİL LİSTESİ SEMBOL LİSTESİ KISALTMALAR ÖZET SUMMARY İİİ İV Vİ Vİİ X Xİİ Xİİİ XİV 1 GİRİŞ 1 2 LİTERATÜR ARAŞTIRMASI Pşrme Hacm İç Akışın Modellendğ Çalışmaların İncelenmes Isı Taşınım Katsayısının Belrlendğ Çalışmaların İncelenmes Hedef Yyecek/Malzeme İç Isı Geçşnn Modellendğ Çalışmaların İncelenmes 7 3 DENEYSEL ÇALIŞMALAR Enerj Tüketm Deney Tuğla test standardı Akış Ölçümler FKS üfleme delkler Tuğla ve pşrme hacm ç duvarı çevres 20 4 MODELLEME ÇALIŞMALARI Pşrme Hacm İç Akışın Modellenmes Matematk Model Sayısal Çözüm 31 v

5 D Modelleme D Modelleme Tuğla Isı Geçşnn Modellemes 41 5 TAŞINIMLA ISI GEÇİŞ KATSAYISI HESABI 43 6 SONUÇLAR VE İRDELEMELER D modelleme sonuçları D modelleme sonuçları Konfgürasyon Konfgürasyon Konfgürasyon Konfgürasyon Isı taşınım katsayısı İler Çalışmalar 64 7 KAYNAKLAR 65 8 ÖZGEÇMİŞ 68 v

6 TABLO LİSTESİ Sayfa No Tablo 3-1 Tuğla malzeme termofzksel özellkler [51] Tablo 3-2 Ortalama fırın ç sıcaklığı[42] Tablo 4-1 Motor gücü ve fan hızı Tablo 4-2 Sınır şart setler Tablo 5-1 Nu bağıntıları (Igarash, 1987) Tablo 6-1 Tuğla sağ yan yüzey entegre hız ve Re değer Tablo 6-2 Nu ve h (W/m 2.K) değerler Tablo 6-3 Tuğla ve pşrme hacm yüzeylernde ısı taşınım katsayıları v

7 ŞEKİL LİSTESİ Sayfa No Şekl 2-1 Çözüm geometrs... 5 Şekl 2-2 Farklı yyecek şekl ve boyut oranları... 6 Şekl 2-3 Yyecek etrafında akış plkler... 6 Şekl 2-4 Deneysel ve Çözümleme sonuçları karşılaştırılması... 7 Şekl 2-5 Pşrme sırasında gıdada eş zamanlı gerçekleşen ısı ve kütle transfer... 9 Şekl 2-6 Rosto yüzeyndek ısıl denge [5]... 9 Şekl 2-7 Merkez noktası sıcaklık zaman grafğ model-deney sonuçları [5] Şekl 2-8 Kabuk oluşumunun şematk gösterm [13] Şekl 3-1 Tuğla boyutları ve termoeleman yerleşm Şekl 3-2 Ortam sıcaklığı ölçümü çn termoeleman yerleşm Şekl 3-3 Fırın kullanılablr hacm hesaplanması Şekl 3-4 Deney ölçüm düzeneğ Şekl 3-5 Ptot hız ölçüm düzeneğ Şekl 3-6 PIV ölçüm yöntem temel prensb Şekl 3-7 Akış görüntülernn sayısal şlenmes Şekl 3-8 PIV deney düzeneğ yerleşm Şekl 3-9 Pşrme hacm saydam yüzeyler Şekl 3-10 Duman Üretec Şekl 3-11 Lazer üretec konumlandırması Şekl 4-1 Dferansyel kontrol hacm Şekl 4-2 Fırın pşrme hacmnn yatay kest v

8 Şekl D Ağ yapısı Şekl 4-4 Tuğla yakınında ağ yapısı detayı Şekl D modelleme geometrs Şekl 4-6 Fan, ısıtıcı ve FKS Şekl 4-7 FKS ve Tuğla Şekl 4-8 Hbrd ağ yapısı Şekl 4-9 Tuğla yüzeylernde yığılı ağ yapısı Şekl 4-10 Tuğla yüzey ağ yapısı Şekl 6-1 Hıza göre renklendrlmş akış çzgler (m/s) Şekl 6-2 Pşrme hacm çersnde hava hızı dağılımı (m/s) Şekl 6-3 Tuğla yüzeyler hız dağılımı Şekl 6-4 Pşrme hacm sıcaklık dağılımı (K) Şekl 6-5 FKS delk numaraları Şekl rpm tüm delkler açık delk 1 2 hız dağılımı (m/s) Şekl rpm tüm delkler açık delk 3 4 hız dağılımı (m/s) Şekl rpm tüm delkler açık delk 5 6 hız dağılımı (m/s) Şekl rpm tüm delkler açık üfleme delk ortalama hızları HAD ve deneysel sonuçlar Şekl rpm tüm delkler açık HAD vektör dağılımı (m/s) Şekl rpm tüm delkler açık PIV vektör dağılımı (m/s) Şekl rpm 3ve 4. delkler açık hız dağılımı (m/s) Şekl rpm 3. ve 4. delkler açık delk ortalama hava hızları Şekl rpm 3. ve 4. delkler açık tuğla yan yüzey HAD vektör alanı (m/s) 55 Şekl rpm 3. ve 4. delkler açık PIV vektör alanı (m/s) Şekl rpm FKS tüm delkler açık 1. ve 2. delk kestler hız dağılımı (m/s) Şekl rpm tüm delkler açık 3. ve 4. delkler hız dağılımı (m/s) v

9 Şekl rpm FKS tüm delkler açık 5. ve 6. delk yatay kest hız dağılımı (m/s) Şekl rpm FKS tüm delkler açık delk ortalama hava hızları Şekl rpm tüm delkler açık tuğla yan yüzeynde HAD vektör alanı (m/s) Şekl rpm FKS tüm delkler açık tuğla yan yüzey PIV vektör alanı (m/s) Şekl rpm FKS 3. ve 4. delkler açık yatay kestte hız dağılımı (m/s) Şekl rpm FKS 3. ve 4. delkler açık delk ortalama hız karşılaştırması (m/s) Şekl rpm FKS 3. ve 4. delkler açık tuğla yan yüzey HAD vektör alanı (m/s) Şekl rpm FKS 3. ve 4. delkler açık tuğla yan yüzey PIV vektör alanı (m/s) Şekl 6-26 Tuğla sağ yan yüzey ısı taşınım katsayısı analtk hesap ve HAD Şekl 6-27 Tuğla sağ yan yüzey ısı taşınım katsayısı... 63

10 SEMBOL LİSTESİ A A C 1, C 2, C 3 C p d D φ E e f F y f e,j g H h h m k L L v m m w m d Nu Pr p Q buharlaşma Q letm Q ışınım Q taşınım Q vφ Q sφ Q ve r Re T T y T T t u u V v : Alan : eksenne dk alan : k- ε model sabtler : Özgül ısı : Pşrme hacm kullanılablr yükseklğ : Yayınım katsayısı : İç enerj : Pşrme hacm kullanılablr genşlğ : Pşrme hacm kullanılablr dernlğ : Yayınım term : Dış kuvvetler : Yerçekm vmes : Entalp : Isı taşınım katsayısı : Taşınım kütle transfer katsayısı : Türbülans knetk enerjs : Karakterstk uzunluk : Buharlaşma ısısı : Tuğlanın emdğ su mktarı : Tuğlanın ıslak kütles : Tuğlanın kuru kütles : Nusselt Sayısı : Prandtl Sayısı : Basınç : Buharlaşma çn harcanan ısı : İletmle transfer edlen ısı : Işınımla transfer edlen ısı : Taşınımla transfer edlen ısı : Hacmsel üretm : Yüzeysel üretm : Enerj üretm : Radyal yön : Reynolds Sayısı : Sıcaklık : Yüzey sıcaklığı : Taşınım ortamı sıcaklığı : Sıcaklık farkı : Zaman farkı : Hız bleşen : Hızın eksennde bleşen : Kullanılablr hacm : Hız bleşen

11 y z φ τ j δ μ λ ε γ ρ ρ s ρ Χ Ω : y eksennde eleman uzunluğu : y eksennde eleman uzunluğu : Akış özellğ : Vskoz gerlmeler : Kronecker delta : Dnamk vskozte : Isı letm katsayısı : Türbülans yayınım oranı : Knematk vskozte : Yoğunluk : Yüzeydek doymuş buhar yoğunluğu : Taşınım ortamındak buhar yoğunluğu : eksennde eleman uzunluğu : Yer değştrme : eksennde eleman uzunluğu : Eleman hacm

12 KISALTMALAR CENELEC FKS HAD : Comté Européen de Normalsaton Electrotechnque : Fan Koruma Sacı : Hesaplamalı Akışkanlar Dnamğ

13 ELEKTRİKLİ FIRINLARDA ENERJİ TÜKETİM DENEYLERİNİN MODELLENMESİ ÖZET Bu çalışmanın amacı, ev tp br elektrkl fırında pşrme hacm çersndek hava akışı modellenmes yoluyla pşrme hacm çersndek ısı transfer katsayılarının belrlenmesdr. Modelleme k boyutlu ve üç boyutlu geometrlerde fırın pşrme hacm tanımlanarak yapılmıştır. Hava akışının etks daha baskın olduğundan zorlanmış taşınımlı Turbo çalışma modu çn modelleme yapılmıştır. Enerj tüketm deneylernn modellenmes hedeflendğnden pşrme hacm geometrk merkezne enerj test tuğlası yerleştrlmş halde modelleme yapılmıştır. Modelleme çn k ve üç boyutlu kütle, momentum ve enerj korunum denklemler sıkıştırılamaz br akışkan çn düzenlenmş, elde edlen denklemler sonlu hacmler yöntem le ayrıklaştırılarak çözümleme yapılmıştır. Sayısal çözümlemeler tcar br kod olan FLUENT yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Çözümlemeler fırının alternatf bleşenlern temsl eden dört farklı konfgürasyon çn yapılmıştır. Çözümlemeler sonucunda pşrme hacm çersnde, özellkle tuğla çevres ve pşrme hacm ç duvarları çevresnde, akış alanı hız değerler elde edlmştr. Akış ölçümler le çözümlemelern deneysel doğrulaması yapılmıştır. Fan koruma sacı üfleme delklerndek ortalama hava hızı ve debler Ptot tüpü kullanılarak ölçülmüştür. Tuğla yüzeyler ve pşrme hacm duvarları çevresndek akış se PIV (Partcle Image Velocmetry) chazı ölçülmüş, tuğla ve pşrme hacm ç duvarları üzerndek ısı taşınım katsayıları deneysel Nusselt bağıntıları kullanılarak analtk olarak hesaplanmıştır. Lteratürde tuğla geometrs benzer yapılar çn kullanılan Nu bağıntıları araştırılarak bunlardan uygulanablr olan üç aded le hesaplamalar tekrarlanmıştır. Br yüzey çn HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dnamğ) yazılımı le ısı taşınım katsayısı hesabı yaptırılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. HAD yazılımı le elde edlen ısı taşınım katsayısı değerlernn Nu bağıntıları le tutarlı olduğu görülerek tüm yüzeyler çn tüm çalışma koşullarında ısı taşınım katsayısı hesaplanmıştır. Çalışma sonucunda zorlanmış taşınımlı elektrkl br ev tp fırının dört farklı çalışma koşulu çn tuğla yüzeyler ve pşrme hacm duvarlarında ısı taşınım katsayısı değerler elde edlmştr. Bu ver fırın enerj tüketm deneynn ısıl modellenmes çalışmasında kullanılarak farklı akış şartları çn fırınların enerj tüketmn öngörüleblmesn sağlayablecektr.

14 MODELLING OF ENERGY CONSUMPTION TESTS FOR ELECTRICALLY HEATED OVEN SUMMARY Am of ths study s obtanng the heat transfer coeffcents nsde cookng cavty by modellng the ar flow nsde the cookng cavty of an electrcally heated domestc oven. Modellng was made for both two-dmensonal and three-dmensonal geometres defnng the cookng cavty. As the effect of the ar flow s more domnant n forced convecton, modellng was made for ths mode of operaton. A test brck s defned n the geometrc center of the cookng cavty as the am of ths study to nvestgate the energy consumpton test for the ovens. Two and threedmensonal conservaton equatons for mass,momentum and energy are defned for ncompressble fluds and dscretzed by the fnte volume method. Computatonal analyss were made usng a commercal CFD code FLUENT. Analyss were made for four dfferent flow condtons, smulatng alternatve components of oven. Flow feld vectors are obtaned for the coong cavty, especally around the surfaces of brck and cavty walls. Epermental valdaton of the results were made by flow measurements. Average veloctes and flow rates are measured at the blow-out ports of the fan cover plate. Flow around the brck surfaces s measured by PIV (Partcle Image Velocmetry), also convecton heat transfer coeffcent was calculated manually by usng the epermental Nusselt equatons. Three approprate Nusselt equatons were found n lterature, and calculatons were made wth both of them. For the one surface, convecton heat transfer coeffcent was calculated by usng the CFD code. The convecton heat transfer coeffcents obtaned by manual calculatons and the CFD code were compared. Calculaton of all surfaces for all flow condtons were made by usng the CFD code. As a result of ths study, convecton heat transfer coeffcents of surfaces of test brck and nner wall of cookng cavty of an electrcally heated forced convecton oven s obtaned for four dfferentworkng condtons. These data can be used develop a thermal modellng for energy consumpton test, n order to smulate dfferent flow condtons. v

15 1 GİRİŞ Tüm dünyada, ekonomk gelşme le beraber, enerj tüketm de artmaktadır. Bununla beraber, fosl yakıt kaynaklarının kısıtlı olması ve uluslararası gelşmeler enerj malyetlernn artmasına sebep olmuştur. Dğer yandan küresel ısınma, mevcut enerj kaynaklarının azalması gb etkenler enerj tüketmnn azaltılmasına yönelk br blnç oluşturmuştur. Bu nedenle, tüm ürünlerle brlkte beyaz eşyalarda da enerj tüketm düşük ürünler terch edlr halde gelmştr. Ayrıca, uluslararası organzasyonlar ve standartlar düşük enerjl ürünler ayırt edc tanımlamalar oluşturmuşlardır. Bunlardan br de CENELEC tarafından yayınlanan EN50304 numaralı standarttır. Bu standart ev tp fırınların enerj tüketmlernn hesaplanması çn yapılan Tuğla test prosedürünü tanımlamaktadır. Bu test sonucunda, üzernde en yden en kötüye sırasıyla A,B,C,D ve E harfleryle enerj tüketm performansını gösteren br şaret olan enerj etket oluşturulur. Elektrkl ev tp fırınlarda farklı çalışma modları bulunmaktadır. Bunlar genel olarak k gruba ayrılablr. Brnc grup STATİK olarak adlandırılır. Fırın çersnde hava akışı oluşturulmayan bu çalışma modunda yoğun olarak doğal taşınım ve ışınım ısı geçş etkendr. Dğer çalışma modu grubu se TURBO olarak adlandırılır. Fırın hacm çersnde, çoğunlukla radyal br geometrye sahp, br fan le hareketlendrlen hava akışının yer aldığı bu modda, yüksek hava hızı nedenyle, zorlanmış taşınım le ısı geçş etkendr. Bunun yanında alt çalışma moduna göre (alt/üst ısıtıcı) ışınımla ısı geçş de etken olablmektedr. Turbo modunda çalışan ev tp fırınlar genel olarak ncelendğnde se çoğu zaman fan fırın hacmnn arka ve ayrılmış br bölgesnde yer almakta, etrafında daresel formda ısıtıcılar bulunmaktadır. Fan ve ısıtıcı pşrme bölgesnden Fan Koruma Sacı olarak adlandırılan br dkey duvar le ayrılır. Ayrıca, Fan Koruma Sacı le şas arka duvarı arkasında kalan bölge br üfleme odası oluşturur. Bu üfleme odası le pşrme hacm (kavte) arasında hava akışının sağlanması amacıyla fan koruma sacı üzernde belrl formlarda delkler bulunur. Bu delklerden orta kısımda yer alanlar fanın 1

16 emş, daha kenara yakın olanlar se fan tarafından emlp ısıtıcı üzernden geçrlen sıcak havanın pşrme hacmne ger dönmes amacıyla kullanılır. Dolayısıyla, fırın hacm çersnde pşrme amacıyla kullanılan sıcak havanın hareket sadece fırın arka kısmında kontrol edleblmektedr. Dğer br deyşle, fan koruma sacı üzerndek delklern konum ve formları tüm pşrme hacm çersndek hava hareketn belrlemektedr. Pşrme hacm çersndek hava akış karakter, deney tuğlası ve pşrme hacm duvarları üzerndek ısı geçş katsayını belrledğnden, enerj tüketm değer üzernde belrgn br etkye sahptr. Elektrkl ev tp fırınların Turbo sstemlernn tasarlanmasında enerj tüketmnn yleştrlmes önemldr. Ancak, tasarlanan sstemn enerj tüketm üzernde yaptığı etknn görüleblmes çok sayıda lk örnek üretlmesn gerektrmektedr. Fırınların yüksek sıcaklık şartlarına uygun olarak, metal sac parçalardan mal edlyor olması bu lk örnek yapım şnn zaman ve madd kaynak htyacını artırmaktadır. Bu durumda, ürün tasarımın erken aşamalarında enerj tüketmnn öngörüleblmesn sağlayan br model tasarım sürecnn hızlı etkn ve düşük malyetl olmasını sağlayacaktır. Bu çalışmanın amacı, zorlanmış taşınımlı (TURBO) br pşrme hacm çersndek hava akışının modellenmes yoluyla bu bölgedek ısı taşınım katsayılarının belrlenmesdr. 2

17 2 LİTERATÜR ARAŞTIRMASI Fırın ç hava akışının ncelenmes le lgl yayınların büyük çoğunluğunda, çözümlemenn tcar HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dnamğ) kodları le yapıldığı görülmüştür. Verboven ve dğ. [1] çalışmasında br turbo fırın pşrme haznes (kavte) çndek hava akışı sayısal çözümlemes yapılmıştır. Mevcut turbo fırınlardan farklı olarak, hava üfleme delklernn yan duvarlara yerleştrldğ br pşrme hacm yapısı ncelenen çalışmada, pşrme hacm çersnde sıcaklık farkları ve hava hızları düşük olduğundan hava çn sıkışıtırılamaz akışkan kabulu yapılmıştır. Ayrıca duvar yakınlarında türbülanslı sınır tabakası olduğu kabul yapılarak, ısı transfer katsayılarının daha doğru hesaplanması sağlanmıştır. Çözümlemenn şlem gücü htyacını ve süresn kısaltmak amacıyla, fan ve ısıtıcı geometrler tanımlanmamış, bu geometrlern hava hızı ve sıcaklığına olan etkler tanımlanmıştır. Pşrme hacm çersndek akışın çözümlenmesnde yüzeylerdek ısı taşınım sayısının doğru hesaplanması çözümlemenn doğruluğu açısından oldukça önemdr. Bu katsayının hesaplanması çn Verboven ve dğ [2] tarafından yapılan çalışmada, farklı şekllerdek yyecekler ve farklı akış şartları çn yyecek üzerndek ısı taşınım katsayıları hesaplanmıştır. Yüzeylerdek ısı taşınım katsayısı dağılımının elde edldğ çalışmada, yyecek çersnde en soğuk noktanın geometrk merkezde olmadığı görülmüştür. Ayrıca, yüzeyn tamamında ısı taşınım katsyısının homojen olduğu kabulü le yapılan çözümlemler le karşılaştırıldığında, homojen olmayan dağılımın yyecek sıcaklığındak değşmn daha yavaş olduğu görülmüştür. Ward [3] yyecek çersndek ısı ve kütle transfernn çözümlendğ çalışmasında tüm fırının ısıl modellemesn yapmıştır. Ancak, modeln bastleştrlmes amacıyla, fırın ç hava akışı modellenmes yapılmayarak yalnızca yyecektek ısıl olaylar modellenmştr. Yyecek br yığın model olarak tanımlanarak yyecek çersnde unform sıcaklık dağılımı olduğu kabul edlmştr. Yyeceğn ısıl özellkler de şlem 3

18 boyunca sabt kabul edlmştr. Makalede kek ve patates gb yyeceklern yanında enerj tüketmn ölçmek çn yapılan tuğla test çn de çözümleme yapılmıştır. Endüstryel tuğla kurutma prosesnn ncelenmes amacıyla yapılan br modelleme çalışmasında, ısı transfer ve kütle transfer arasındak analojnn tüm proces süresnce devam edp etmedğ ncelenmştr. Bu amaçla oluşturulan model, tuğla çersndek suyun hem sıvı hem de gaz fazı çn kütle korunum denklemlern ve genel enerj denklemn çermektedr. Model ayrıca, tuğla etrafındak akışın çözümlenmesn de çermektedr. Buradak akış çözümlemes, br kanal çersnde ve k boyutlu olarak ele alınmıştır. Çözümleme sonucunda, tuğlanın ısınmasının, ortam nem değerne uygun ıslak termometre sıcaklığına ulaşınca durduğu ve br süre sonra tekrar sıcaklığın yükseldğ görülmüştür. Ayrıca, farklı akış koşulları çn tuğla kuruluk dereceler elde edlmştr. 2.1 Pşrme Hacm İç Akışın Modellendğ Çalışmaların İncelenmes Verboven ve dğ. [1] tarafından zorlanmış taşınımlı br tcar fırın ncelenerek, matematk model oluşturulmuştur. Oluşturulan bu matematk model kullanılarak yapılan analzlerden elde edlen sonuçlar le yapılan deneyler le doğrulanmıştır. Fırın temel olarak arka kısmında br fan ve fan etrafına yerleştrlmş br ısıtıcı le bunları pşrme hacmden ayıran br fan koruma sacından oluşur. Ayrıca, fan le pşrme hacmden emlen havanın homojen dağıtılması çn,ısıtılan hava yan duvarlarda oluşturulan kanallardan üflenmektedr. Yyeceklern yerleştrlmes çn toplam sekz çıkartılablr teps vardır. Fırın arka kısmındak fan le pşrme hacm çersnden toplanan hava fan etrafındak ısıtıcıdan geçrlerek yan duvarlardak kanallardan pşrme hacmye verlr. Yan duvarlarda her teps çn yatay olarak sıralanmış çok sayıda üfleme delğ bulunur. 4

19 Şekl 2-1 Çözüm geometrs Matematk model oluşturulurken sıcaklık farkına bağlı yoğunluk değşmler az olduğu ve havanın hızı ses hızına göre çok düşük olduğu çn hava sıkıştırılamaz akışkan olarak kabul edlmştr. Mevcut sürekllk ve momentum denklemler kullanılmıştır. Türbülans modellemes çn türbülans vskoztey artıran br değer olarak kabul edlmştr. Böylece, normal vskozte le türbülans vskoztes toplamına eşt olan toplam vskozte değer denklemlerde kullanılmaktadır. Türbülans vskoztesnn hesaplanmasında deneysel olarak elde edlen denklemler kullanılır. Bu denklemlerde türbülans knetk enerjs (k) ve enerj yayınım oranı (ε) değerler kullanılır. 2.2 Isı Taşınım Katsayısının Belrlendğ Çalışmaların İncelenmes Pşrme hacm çersndek akışın çözümlenmesnde yüzeylerdek ısı taşınım katsayısının doğru hesaplanması çözümlemenn doğruluğu açısından oldukça önemdr. Bu katsayının hesaplanması çn Verboven ve dğ. [2] tarafından yapılan 5

20 farklı şekllerdek yyecekler (Şekl.2-2) ve farklı akış şartları çn yyecek üzerndek ısı taşınım katsayıları hesaplanmıştır. Hava Şekl 2-2 Farklı yyecek şekl ve boyut oranları Bu yyecekler etrafındak akış farklı boyut oranları çn çözümlenmştr. Bu çözümlemeler sonucunda yyecek paketler etrafındak akış çzgler ve hızları elde edlmştr.(şekl.2-3) Bu değerler kullanılarak akışın Re sayısı hesaplanmış ve buradan ısı taşınım katsayıları elde edlmştr. Şekl 2-3 Yyecek etrafında akış plkler Yüzeylerdek ısı taşınım katsayısı dağılımının elde edldğ çalışmada, yyecek çersnde en soğuk noktanın geometrk merkezde olmadığı görülmüştür. Ayrıca, yüzeyn tamamında ısı taşınım katsyısının homojen olduğu kabulu le yapılan çözümlemler le karşılaştırıldığında, homojen olmayan dağılımın yyecek sıcaklığındak değşmn daha yavaş olduğu görülmüştür. Şekl 2.4 te daha önce yapılmış br deneysel çalışma sonuçları le HAD sonuçları karşılaştırılmaktadır. 6

21 Hava akışı Deneysel Sonuç (Igarash, 1987) CFD (Bu çalışma) Ürün yüzeyndek konum Şekl 2-4 Deneysel ve Çözümleme sonuçları karşılaştırılması 2.3 Hedef Yyecek/Malzeme İç Isı Geçşnn Modellendğ Çalışmaların İncelenmes Gıdaların ısıtılması, soğutulması, sterlzasyonu ve kurutulması gb prosesler gıda mühendslğnn temel konularıdır ve lteratürde bu prosesler sırasında gıdalarda gerçekleşen ısı, kütle ve momentum transferlernn modellenmes hakkında br çok çalışma bulunmaktadır. Katı gıdaların pşrlmesnn fzksel prensb, gıda le çnde bulunduğu ortam arasında gerçekleşen ısı ve kütle transferne dayanmaktadır. Katı gıdaların çndek ısı transfer Fourer kanunuyla, kütle transfer se Fck kanunuyla fade edlr. Akışkan gıdaların pşrlmesnn modellenmes çn se akışkan çndek ısı, kütle ve momentum transfernn brlkte göz önünde bulundurulması gerekmektedr. Akış çözümler çn Naver-Stokes denklemler kullanılır. [4]. Modellern çözümlernde sonlu fark, sonlu hacm ve sonlu eleman yöntemler oldukça sık kullanılmaktadır. Son yıllarda yapılan çalışmalarda, özellkle sıvı gıdaların ısıl prosesler altındak davranışlarının modellenmesnde HAD paket 7

22 programlarından yararlanılmaktadır. Isıl proseslern modellenmesnde, sonlu fark yöntem kullanılarak plaka, küre ve slndr şekll gıdalar çn yapılmış k veya üç boyutlu modelleme çalışmaları bulunmaktadır. Belrsz şekll geometrler, karmaşık sınır şartları ve heterojen yapıdak gıdalar çn sonlu eleman yöntem daha y sonuç vermektedr. Sonlu eleman yöntem kullanılarak gıda ısıl proseslernn modellendğ çalışmalar da mevcuttur. Sonlu eleman yöntem, sonlu fark yöntemne göre daha y sonuç verdğ halde, şlem süres açısından sonlu fark yöntemne göre daha dezavantajlıdır. Bu sebeple, üç boyutlu, ısı-kütle transfernn brlkte çözümünün gerektğ çalışmalarda sonlu eleman yöntem daha az terch edlmektedr. Sonlu hacm yöntemne dayanan HAD paket programlarının, gıda proseslernn modellenmesnde kullanılması daha yen br konudur. HAD, daha çok konserve gıdaların sterlzasyonu, ısı değştrclerde ısıtılan akışkan gıdalar ve fırın ç akış gb konuların ncelenmes amacıyla kullanılmaktadır [5]. Isıl proseslern modellenmes ncelendğnde, yapılan çalışmalar model türüne göre sınıflandırılablr. Bunlar, tek başına ısı transfer, tek başına kütle transfer, ısı ve kütle transfer brlkte, yalnızca reaksyon knetğ ve reaksyon knetğ le brlkte ısı ve/veya kütle transfernn brlkte modellendğ çalışmalardır. Modellern brbrleryle entegrasyonunun hatayı azalttığı gözlenmştr [6]. Gıdalar, mkro yapılarında çoğunlukla hücre, granül grupları barındırdıkları çn belrl br gözenekllğe sahp maddelerdr. Isı ve kütle transfer bu gözenekl yapı çnde gerçekleşr. Kütle transfernde en öneml bleşen sudur [7]. Suyun yanında gıda çne doğru yağ dfüzyonu da gerçekleşmektedr [8]. Gıda çnde ve yüzeynde su buharı dfüzyonu gıdanın çıtırımsı br doku karakterstğne sahp olmasında öneml rol oynar. Yüzeyn kurumaması ve neml kalması, çıtırımsı özellk stenen gıdalarda hedonk değern düşmesne sebep olan br durumdur. Şekl 2.5 de gıdalarda gerçekleşen ısı-kütle transfer mekanzmaları şematk olarak gösterlmştr. 8

23 Molek Taşınım, Işınım Kaple Knuds Isı transfer Kütle transfer İletm Şekl 2-5 Pşrme sırasında gıdada eş zamanlı gerçekleşen ısı ve kütle transfer Obuz ve dğ. yaptıkları çalışmada zorlanmış taşınım fırınında sığır rostosunun pşrlmes sırasında gerçekleşen ısı ve kütle transfer brlkte modellenmştr [5]. Ancak, kütle transfernde sadece su buharının dfüzyonu modele katılmış, sıvı suyun et çndek dfüzyonu se hmal edlmştr. Fırın çndek sıcak havadan ısının taşınım yoluyla rosto yüzeyne, buradan da rosto çne letmle transfer edldğ kabul edlmş, bu esnada yüzeydek buharlaşma da modele katılarak, rosto yüzeyndek ısıl denge oluşturulmuştur (Şekl 2.6). Elde edlen dferansyel denklemler sonlu farklar yöntem kullanılarak çözülmüştür. Doğrulama deneyler sonucunda, hesaplanan ve gözlenen pşrme sürelernn brbrne yakın olduğu gözlenmştr. Q letm. =-ka[(t/r)+(t/z)+(t/θ)] Et yüzey Q buharlaşma = h m A(ρ s -ρ )L v Q taşınım = Q letm + Q buharlaşma Q taşınım = ha(t y -T ) Şekl 2-6 Rosto yüzeyndek ısıl denge [5] 9

24 Chen ve dğ. tarafından yapılan çalışmada se taşınımla ısı transfer le pşrlen düzgün slndrk şekll tavuk et köfteler modellenmştr [7]. Bu modelde de ısı ve kütle transfer bütünleşk şeklde, sonlu eleman yöntem kullanılarak çözülmüştür. Çalışmalarda, model ve deneyler arasındak farklılık; kütle transfernn modele katılmadığı durumlarda artmıştır. Isı letm katsayısı, özgül ısı gb termofzksel özellklern sıcaklık ve nemn fonksyonları olarak değştğnn varsayılması modeln gerçeğe daha yakın olmasını sağlamıştır. Şekl 2.7 te kütle transfernn modele katıldığı ve katılmadığı durumlar çn tavuk köftes merkez noktası sıcaklık değerler verlmştr. Sıcaklık ( o C) Ölçüm değer Isı-kütle sm. Yalnız ısı sm. Hava sıcaklığı Pşrme süres (s) Şekl 2-7 Merkez noktası sıcaklık zaman grafğ model-deney sonuçları [5] Zhang ve dğ. tarafından yapılan çalışmada buharla pşrlen, gttkçe daralan elptk kestl balık modellenmştr [8]. Sadece ısı transfernn modellendğ çalışmada ton balığının, omurga, et ve karın boşluğundan oluştuğu ve k boyutlu (açısal ve radyal yönlerde) ısı transfer olduğu varsayılmıştır. Araştırmacılar balık kestn elptk ve non-homojen kabul etmşler, kesm şlem sonrası karın kısmında oluşan boşluğu da hesaplamaya katılmışlardır. Bast geometrl gıdaların, taşınım ağırlıklı pşrlmelernde, merkez noktası en zor ısınan ve mkrobyolojk rsk açısından sıcaklık kontrolünün yapılması gereken yer olarak tanımlanırken, balık çn bu yern omurga olduğu belrtlmştr. Çalışmada sabt termofzksel özellkler kullanılmış ve denklemler sonlu eleman yöntem kullanılarak çözülmüştür. Kek, ekmek gb gözenekl yapıdak gıdalarda kütle transfernn açıklanması açısından öneml olan, Thorvaldsson ve Janestad tarafından gerçekleştrlen çalışmada, doğal taşınım ve ışınım le 210 o C de fırında pşrlen fransız tp ekmek modellenmştr [9]. Isı ve kütle transfer model denklemler bütünleşk şeklde 10

25 çözülmüştür. Yüzeydek buharlaşma dışında, nemn gıda çndek dfüzyonunun da dkkate alındığı çalışmada model sonlu fark yöntem yardımıyla çözülmüştür. Araştırmacılar gözenekl gıdalarda sadece yüzeyden dışarı buhar çıkışı olmadığı, eş zamanlı olarak, buhar basıncı farkından dolayı gıdanın çne doğru da buhar dfüzyonu olduğu sonucuna varmışlardır. Wählby ve Skjöldebrand tarafından gerçekleştrlen çalışmada, pşrme karakterstklernn çöreklerdek kabuk oluşumuna ve oluşan kabuğun ısı ve kütle transfer üzerndek etkler deneysel olarak ncelenmştr [10]. Çalışmada mayalı çörekler pşrlerek kabuk oluşumu sağlanmış, daha sonra br kısım çöreğn kabuğu soyularak aynı boyutlarda kabuklu ve kabuksuz olmak üzere çörekler hazırlanmıştır. Kabuklu ve kabuksuz çörekler tekrar ısıtılarak, çöreklern farklı davranımları ncelenmştr. Araştırmacılar, kabuğu 100 o C nn üstündek sıcaklıklarda ve düşük nem değerndek bölgeler olarak kabul etmşler (Şekl 2.8), renk ve kalınlık gb kabuk karakterstklernn farklı ısı transfer modlarının kullanılmasıyla kontrol edleblr olduğunu belrtmşlerdr. Gıda yüzey sıcaklığı 100 o C nn üstüne çıktığı andan tbaren merkez noktası sıcaklığında hang oranda ısı transfer uygulanırsa uygulansın öneml br yükselme gözlenmedğ rapor edlmştr. I.Kabuk Yüksek oranda nem transfer <100 o C II.İç Bölge 100 o C Şekl 2-8 Kabuk oluşumunun şematk gösterm [13] Merkez noktası sıcaklıklarının zamanla değşm gözlenerek kabuk oluşumunun etkler ncelenmştr. Kabuksuz çöreklerde kütle transfernn daha kolay gerçekleştğ ve bunun sonucunda nemn daha çok buharlaştığı belrlenmştr. Kabuksuz çöreklerde transfer edlen ısının büyük çoğunluğu buharlaşma çn 11

26 harcanmaktadır. Kabuklu çöreklerde se kabuğun kütle transferne karşı br baryer oluşturması nedenyle, nem çıkışını zorlaştırdığı ve ısının çörek çnde daha yüksek oranda letldğ belrlenmştr. Özetle, kabuklu çöreklerde sıcaklık yükselmes daha önce başlamakta, daha yüksek br denge sıcaklığı elde edlmekte ve oluşan kabuk ağırlık kaybını azaltmaktadır. Bu gözlem, çörek nem dfüzyon katsayısının kabuk ve ç kısımlarda farklı olması le açıklanmıştır. Gıdalarda ısıl şlem esnasında gerçekleşen ısı ve kütle transfernn modellemes le lgl dğer çalışmalar ncelendğnde, gıdaların pşrlmes sırasında sadece ısı transfernn modellendğ çalışmaların sayısının oldukça fazla olduğu görülmektedr. Köfte pşrlmes, salatalık haşlanması, meyve ısıtılması ve dondurulması, sığır etnn dondurulması ve hnd etnn pşrlmes le lgl yapılmış ısı transfer modellenmes çalışmaları bulunmaktadır [11 15]. Yapılan çalışmaların br kısmında sonlu fark, br kısmında se sonlu eleman yöntem kullanılarak çözüm elde edlmştr. Gıdaların kurutulması ve nemlendrlmes gıda sanay çn öneml br konudur. Bu nedenle, sadece kütle transfernn modellendğ çalışmalar da bulunmaktadır. Örnek olarak, suda haşlanan tortllalarda gerçekleşen nem dfüzyonunun modellenmes ve sebze kurutulması çn tasarlanan dönel br kurutucu çalışmaları gösterleblr [16, 17]. 12

27 3 DENEYSEL ÇALIŞMALAR 3.1 Enerj Tüketm Deney Tuğla test standardı CENELEC tarafından yayınlan EN50304 numaralı standart uyarınca yapılan tuğla testnn amacı, standartlaştırılmış br test prosedürü boyunca, standartlaştırılmış br yük kullanılarak enerj tüketmnn hesaplanmasıdır. Ayrıca, ncelen fırın çn hacm, br yükü ısıtmak çn gerekl süre, pşrme tepsler alanı gb özel performans karakterstklernn elde edlmesdr. Bunların yanında yasal olarak malatçının açıkladığı değerlere, zn verlen toleranslar dahlnde, sahp olup olmadığının görülmesn saptamaktadır Deney hazırlıkları Testte fırın çersne yerleştrlen ısıl yük olarak tuğla kullanılmaktadır. Tuğla üzernde sıcaklık ölçümü çn 2 adet delk bulunmaktadır. Kullanılan tuğla gözenekl br yapıya sahptr. Bu tuğlanın (HIPOR, Skamol Group A/S, Danmarka) termofzksel özellkler Tablo 3.1 de verlmştr. Tablo 3-1 Tuğla malzeme termofzksel özellkler [51] Özellk Yoğunluk =550 kg/m 3 Özgül ısı = 800 J/kgK Isıl letkenlk = W/mK (200 o C) Kuru ağırlık = 920 g 13

28 Şekl 3-1 Tuğla boyutları ve termoeleman yerleşm Her testten önce tüm chaz (malzeme ve zolasyon), ortam sıcaklığında olmalıdır. Testler, çnde havalandırma olmayan ve tüm test boyunca sıcaklığı (23±2) C olan br odada gerçekleştrlmeldr. Ortalama ortam sıcaklığı, testn başı le k ısıl çftte de merkez sıcaklık artışının 55K olması arasında ölçülen ortam sıcaklıklarının artmetk ortalamasının alınmasıyla elde edlr. Oda sıcaklığı, fırın pşrme hacmnn kullanılan hacmnn merkez le aynı yükseklkte ve chazın ön kenarlarından brnden köşegensel olarak 0.5 m mesafede br noktadan ölçülecektr. Oda sıcaklığının ölçümü fırının kendsnden veya başka br chazdan etklenmeyecektr. Termoeleman Şekl 3-2 Ortam sıcaklığı ölçümü çn termoeleman yerleşm 14

29 Tuğlanın ç sıcaklığı ölçümler, 1mm çapında çelk tüple sarılmış k adet ısıl çft le yapılır. Isıl çftlern hassasyetler ±1.5 K olmalıdır ve ısıl çftler tuğla dernlğnn tam ortasına denk gelecek şeklde yerleştrlmeldr (32mm). Deney süresnce ısıl çftlern konumlarının sabt kalması sağlanmalıdır. Kılıflı ısıl çftler le aynı sonucu verdkler gösterldğ takdrde bunlar yerne başka tp ısıl çftler da kullanılablr. Isıl çftler slkon damlası veya uygun başka br yolla tuğlanın yüzeyne yapıştırılablrler. Tuğlanın poroztes sebebyle termoelemanlar çıkarılıp takılırken tuğla delklernn büyütülmemesne dkkat edlmeldr. Br tuğla maksmum 20 test çn kullanılablr. Fırın hacmnn kullanılablr yükseklğ, dernlğ ve genşlğ aşağıda gösterldğ gb ölçülür ve kullanılablr hacm bu üç boyut kullanılarak ltre cnsnden hesaplanır ve en yakın tam ltreye tamamlanır. En büyük pşrme tepssnn yüzey alanı kullanılablr dernlğn genşlkle çarpılmasıyla bulunur. Fırında pşrme tepss yerne ızgara eleman bulunuyorsa ızgara elemanın alanı hesaplanır. Şekl 3-3 Fırın kullanılablr hacm hesaplanması Fırın boş ken çalıştırılarak, ön ısıtma süres ve enerj tüketm değer ölçülür. Bu testn amacı boş br fırını ortam sıcaklığından belrlenen br sıcaklığa çıkarmak çn tüketlen güç değern ve ön ısıtma çn geçen sürey belrlemektr. Isıl çft kapı aralığından fırın çne gelmel ve kapı hç br ek kuvvet uygulanmadan kapatılablmeldr. Fırın, sıcaklığındak artış geleneksel ısıtma çn 180K ve zorlanmış hava dolaşımı durumu çn 155K olana kadar ısıtılacaktır. Sıcaklık artışı 15

30 test başında ve sonundak fırın ç sıcaklıkları arasındak farktır. Zaman t ph (dakka ve sanye olarak) ve enerj tüketm E ph (kwh olarak) ölçülecektr. Fırın çndek lamba, fan gb otomatk olarak çalışan komponentlern enerj tüketmler de ölçüme eklenecektr Ölçüm Prosedürü Tuğlalar kullanılmadan önce sıcaklığı 175 C ve üstü, hacm 50lt olan fırında, zorlanmış taşınım halnde üç saat kurutulurlar. Aynı anda en fazla k adet tuğla kurutulablr. Isıl çftsz tamamen kuru tuğlanın m d kütles, fırından çıkarıldıktan sonra lk 5 dakka çnde ölçülmel ve gr. olarak not edlmeldr. Kurutulmuş tuğla oda sıcaklığına soğutulduktan sonra, tuğla tamamen suyla kaplanmış olana kadar 20 C altındak br su kabına konmalıdır. İçnde tuğla bulunan su kabı en az 8 saat buzdolabı çnde kalmalı ve tuğla merkez sıcaklığı 5±2 C olana kadar soğutulmalıdır (Her k ısıl çft çn). Soğutulan ve su emdrlen ısıl çftl tuğla, su kabından çıkarıldığında 1 dakka boyunca fazla su mktarı damlatılmalıdır. Tuğlanın m w kütles ölçülmel ve tuğla tarafından emlen su mktarı belrlenmeldr. Burada, ısıl çft ağırlıkları da göz önünde bulundurulmalıdır. Tuğlanın merkez sıcaklıkları ölçülerek kaydedlr. Her k ısıl çft de (5±2) C okumalıdır.. Burada tuğlanın emdğ su mktarı eştlk 3.1 le gösterlmştr. (3.1) Hazırlanan tuğla, chaz oda sıcaklığındayken, üstündek ısıl çftler le brlkte (ısıl çftler tuğlanın üst kısmında olmak üzere), kullanılablr fırın pşrme hacmnn geometrk merkezne yerleştrlr. Tuğlanın üstüne konacağı ızgara, tuğlanın merkez, fırın merkezne mümkün olduğunca yakın olacak şeklde br raf destek sevyesne yerleştrlr. Tuğlanın uzun eksen fırın önüne paralel olmalıdır. Ölçümler, tuğla buzdolabından çıkarıldıktan sonra üç dakka çnde fırının çalıştırılmasıyla başlar. Sıcaklık ayarlayıcı pozsyonu, ortalama fırın ç sıcaklığı Tablo 3.2 de tanımlandığı gb T olacak şeklde ayarlanmalıdır. T, fırın ç sıcaklığı ve ortalama ortam sıcaklığı arasındak farktır. Fırın, seçlen modda stenlen fırın ç sıcaklığına set edldkten sonra deney başlatılır. Şebekeden alınan voltaj 16

31 değerler, ısıtıcılara verlen güç değerler, fırın ç ve tuğla sıcaklıkları deney sırasında kaydedlr. 5±2 C sıcaklığında fırına konan tuğlanın ç sıcaklığındak artış 55K ye ulaştığında (her k delk sıcaklığındak artışın 55K olması gerekldr) tuğla fırından çıkarılır. Tuğlanın çıkarıldığı süre kaydedlr. Fırından çıkarılan tuğlanın kütles ölçülerek oda sıcaklığına soğumaya bırakılır. Tablo 3-2 Ortalama fırın ç sıcaklığı[42] Tuğla, suya her konduğunda aynı mktarda su emer. Bu yüzden, tuğlayı k kullanım arasında tamamen kurutmak gerekmez. Her ısıtma fonksyonu çn üç test gerçekleştrlr: Her br sıcaklık ayarı çn br test ve her ısıtma fonksyonu çn se br test gerçekleştrlr. Deneyler esnasında ölçülmes gereken değerler, enerj tüketm ve süre, tuğla merkez sıcaklıkları ve test başı ve sonunda ortalama sıcaklıklardır. Yukarıdak test tamamlandıktan sonra tuğla fırından çıkarılır ve fırın boş halde, ayarlar değştrlmeden br süre daha çalıştırılır. Fırın sıcaklığı dengel hal koşullarında maksmum ve mnmum sıcaklıkların arasındak artmetk ortalamasıdır. Dengel haln, termostatın beş çevrmnden veya daha az da olsa br saat sonunda elde edldğ düşünülür. beş çevrm veya br saat sonunda deney tamamlanır. Deney sırasında kaydedlecek verler aşağıda verlmştr:. Fırının cns, mevcut ısıtma fonksyonları. Fırının kullanılablr hacm (lt.). Pşrme tepssnn veya ızgaranın kullanılablr alanı (cm 2 ) v. Ölçümlern yapıldığı voltaj değerler v. Test edlen fonksyonlar veya çeştler v. Boş fırının ön ısıtması çn tüketlen enerj E ph 17

32 v. v.. Ön ısıtma süres t ph Enerj tüketm(ler) (kwh) Zaman (dak). Tuğlanın emdğ su mktarı Bu verler, her ısıtma fonksyonu ve her sıcaklık çn not edlecektr.bulunan enerj tüketm, malatçının bldrdğ değern yüklü hal çn % kwh üstünde olmamalıdır. Boş fırın çn se bu değer %15 tr. Fırının ön ısıtma süres malatçının bldrdğ değern %15 fazlasından fazla olmamalıdır. (Yüklü hal).hacm malatçının bldrdğ değerden %3 ten fazla değşmemeldr. Yüzey alanı malatçının bldrdğ değerden %5 ten fazla değşmemeldr. Yukarıda belrtlen değerler aşıldığında, testler pyasadan rasgele seçlmş üç fırın üstünde tekrarlanmalıdır Ekpmanlar Tuğla deneyler, fırının bulunacağı mutfağı smüle etmek üzere ölçüler Bolu Pşrc Chazlar İşletmes nden alınan deney köşesnde gerçekleştrlmştr. Deney köşes ölçüler YGD: cm olan sol yan duvar, YG: 8590cm olan arka duvar, YG : 18572cm olan sağ yan duvardan oluşmaktadır ve hepsnn malzemes de syaha boyanmış suntadır. Deneyler, ARÇELİK marka br fırın üzernde yapılmıştır. Bu fırının özellkler aşağıda verlmştr Fırın hacm: 58 lt. YGD: cm Deney düzeneğnde ölçülen sıcaklık, güç ve kütle değerlernn kaydedldğ br ver toplama üntes ve buna bağlı br blgsayar bulunmaktadır. 18

33 Şekl 3-4 Deney ölçüm düzeneğ Fırın ve tuğla sıcaklıklarının belrlenmes amacıyla yerleştrlen ısıl çft konumları ve tpler şöyledr: Tuğla ç sıcaklığını ölçmek çn 2 adet J tp, Fırın merkeznde 1 adet J tp, Dış ortama 1 adet J tp, olmak üzere toplam 4 adet ısıl çft mevcuttur. Fırın le enerj kaynağı arasına br güç analzörü yerleştrlerek fırının harcadığı güç, akım, voltaj ve toplam enerj tüketm değerler zamana bağlı olarak kaydedleblmektedr. Bu düzenek yardımıyla tuğla merkez sıcaklığı 55K arttığı andak enerj tüketm kaydedlerek fırın enerj sınıfı belrleneblmektedr. 3.2 Akış Ölçümler Pşrme hacm çersnde oluşturulan hava hareketnn kaynağı fan olmakla brlkte bu hareket fan koruma sacı üfleme delklernden pşrme hacmne letlmektedr. Bu nedenle üfleme delklernn pşrme hacm çersndek akış üzernde belrgn br 19

34 etks vardır. Çalışmanın lk aşamasında modelleme sonuçlarının doğrulanması amacıyla FKS üfleme delklernde hız ölçümü yapılmıştır. Çalışmanın hedef olan tuğla ve pşrme hacm ç duvarları yakınındak akışın ncelenmes çn bu bölgelerde detaylı hız ölçümler yapılmıştır. Bu ölçümlerde yüzey çevresnde ve brden çok bölgede ölçüm alınması gerektğnden, akışı bozucu br uç kullanılmasına gerek duyulmayan ve br kestn tamamında tek seferde hız ölçümler alınablmesn sağlayan PIV yöntem le ölçümler yapılmıştır FKS üfleme delkler Modelleme çalışması sonuçlarının lk aşamada değerlendrleblmes amacıyla FKS üfleme delklernde tek boyutlu hız ölçümler yapılmıştır. Bu ölçümlerde br ptot tüpü ve br mkro manometre kullanılmıştır Ölçüm Düzeneğ Fırının yalnızca pşrme hacm çersndek bölges ncelendğnden bu bölgey oluşturan br lk örnek pşrme hacm hazırlanarak bu lk örneğe fan, fan motoru ve FKS bağlanmıştır. Bu halde hazırlanan prototpe üzernde hız ölçüm düzeneğ le FKS çıkış delklernden hız ölçümler alınmıştır. Hız ölçüm düzeneğ, br ptot tüpü, bu ptot tüpünün bağlı olduğu br mkro manometre ve sonuçların zlenme ve kaydedlmesn sağlayan br blgsayardan oluşmaktadır (Şekl.3 5) Tuğla ve pşrme hacm ç duvarı çevres Çalışma kapsamında deney tuğlası ve pşrme hacm ç duvarları etrafında akış ncelendğnden bu bölgelerde hassas hava hızı ölçümler alınması amaçlanmıştır. Ayrıca, modellenen bölge dış ortamdan tamamen ayrılmış kapalı br hacmdr. PIV yöntem hava hız vektörlernn belrl br bölgedek kestnde dağılımını hassas ve hızlı br şeklde ölçülmesn sağlamaktadır. Dğer yandan, akışı bozucu etks olablecek br uç kullanılmasını gerektrmemektedr. Bu nedenlerle, akışın bu bölgelernde PIV yöntem le hız ölçümler yapılmıştır. Ölçümlerde Dantec Dynamcs frmasına at FlowMap 2D PIV chazı le yapılmıştır. 20

35 Şekl 3-5 Ptot hız ölçüm düzeneğ PIV (Partcle Image Velocmetry) PIV ölçüm sstem br yüksek hızlı kamera, br yüksek atım frekanslı lazer üretec, br parçacık (duman) üretec ve kameradan gelen görüntüler şleyerek ölçüm sonuçlarını hesaplayan ve bu chazları kontrol edlmesn sağlayan br blgsayardan oluşmaktadır. PIV yöntemnde ncelenecek bölgeye akışı bozmayacak büyüklükte parçacıklar gönderlmekte ve ncelenmek stenen keste düzlemsel br lazer ışını gönderlmektedr. Bu sırada lazer ışınının gönderldğ keste dk olarak yerleştrlmş br kamera akış kestnden belrl aralıklarla görüntüler kaydeder. Bu lazer gönderm ve görüntü kayıt şlemler yüksek frekansta ve belrl br atım sayısı çn tekrarlanarak kestn brden fazla akış görüntüsü elde edlr. 21

36 Şekl 3-6 PIV ölçüm yöntem temel prensb Akış görüntüsü sayısal olarak şlenerek her k atım arasında parçacıkların hareket vektörler hesaplanır. Bu hesaplamada temel olarak parçacıkların yer değşm vektörler kullanılır : V ΔX = (3.2) Δt Her br akış görüntüsünün sayısal olarak şlenmes bu görüntülern Inter-rogaton Area (IA)olarak adlandırılan küçük bölgelere ayrılması le başlar. Bu ayrılmadan sonra her br IA çapraz korelasyona tab tutularak hareket vektörler ( ) hesaplanır. Her br atım le elde edlen akış görüntülernn sayısal şlenmes sonucu elde edlen hız vektörler tüm görüntüler çn ortalama alınarak akış kestnn ortalama hız vektörler elde edlr. 22

37 Şekl 3-7 Akış görüntülernn sayısal şlenmes PIV ölçüm düzeneğ Yapılacak olan ölçümlerde tuğla ve pşrme hacm ç duvarları etrafı nceleneceğnden akış görüntüleme kest olarak yatay kest seçlmştr. Bu kestte görüntü almak amacıyla prototp pşrme hacm üst bölgesne, yatay düzlem görecek şeklde, kamera yerleştrlmş ve pşrme hacm ön kapağından lazer ışını grş sağlayacak şeklde lazer üretec pşrme hacm önüne yerleştrlmştr. Düzeneğn yerleşm Şekl 3.8 de detaylı olarak görülmektedr. Şekl 3-8 PIV deney düzeneğ yerleşm 23

38 PIV ölçümlernde özellkle kapalı hacmler çersndek akışın ncelendğ durumlarda lazer ışının hacme greblmes ve ncelenecek kestn kamera tarafından görüntüleneblmes amacıyla en az k adet saydam bölge oluşturulması zorunludur. Bu nedenle ncelenecek fırın pşrme hacm prototp buna uygun olarak sırasıyla lazer ışınının hacme verlmes çn ön kapak bölges ve kameranın görüntü alablmes çn üst duvarı saydam olarak hazırlanmıştır. Prototp pşrme hacm Şekl 3.9 da görüleblr. Şekl 3-9 Pşrme hacm saydam yüzeyler Pşrme hacm çersnde akışın göz le algılanablr hale gelmesn sağlayan parçacıkların oluşturulması çn br duman üretec kullanılmıştır. (Şekl 3.10) Bu üreteçte parafn yağının yakılması ve belrl oranlarda hava le karıştırılması sonucu oluşturduğu duman br boru vasıtasıyla pşrme hacm çersne akışı en az etkleyeceğ bölge olduğu öngörülen fan emş bölgesne verlmştr. 24

39 Şekl 3-10 Duman Üretec Ölçümler önces, akış kestnn nceleneceğ bölgeye uygun olarak lazer üretec konumlandırması yapılmış ve bu bölgelerdek hız ölçümler tamamlanmıştır. (Şekl3.11) Şekl 3-11 Lazer üretec konumlandırması 25

40 4 MODELLEME ÇALIŞMALARI 4.1 Pşrme Hacm İç Akışın Modellenmes Pşrme hacm geometrk merkeznde br deney tuğlası bulunur halde akış modellemes yapılmıştır. Bu çalışmada Naver-Stokes ve enerj denklemler türbülanslı akış çn çözülürken, türbülans RNG k-ε model le modellenmştr. Bu şartlar altında test tuğlası etrafındak akış ncelenmştr. Akış modelleme çalışmasının lk aşamasında 2-D br model le çözümlemeler yapılmış, ancak daha sonra, gerçek durumu daha y yansıtablmes açısından, 3-D modelleme yapılmıştır Matematk Model Korunum denklemler Akışkanların davranışını tanımlayan denklemler kütle, momentum ve enerjnn korunumu temelne dayanır. Bu korunum denklemler, Naver-Stokes denklemler olarak da blnr. Korunum denklemler, dferansyel boyutlarda br kontrol hacm le tanımlanan br akışkan çn üretm, taşınım ve yayınım termlernn hesaplanması le oluşturulur. Bu dferansyel kontrol hacmnde (Şekl.4.1) br akış özellğ (φ) çn; üretm term (4.1), taşınım term (4.2) ve yayınım (4.3) denklemler aşağıda verlmştr. Burada, Qvφ katsayıdır. hacmsel üretm, Q yüzeysel üretm smgelemektedr. D, yayınım sφ φ 26

41 z ( +, y + y, z + z) y Ώ=. y. z (, y, z) Şekl 4-1 Dferansyel kontrol hacm Q vφ, Q sφ (4.1) F = ρ. u.φ (4.2) t, Fy, = ρd φ φ (4.3) Dferansyel kontrol elemanı çn denge denklem yazılarak genel korunum denklemnn temel hal elde edlr : ρφω = t ρd φ ( ρu φ) A ( ρu φ) φ +Δ A +Δ +Δ + Q vφ A Ω + +Δ + ρd ( Qsφ ) A ( Q ) sφ A +Δ φ φ +Δ A (4.4) Alan hesapları (4.5) bu denkleme uygulanır ve tüm denklem dferansyel hacme (4.6) bölünerek genel korunum denklem (4.7) elde edlr. Bu denklemde korunum hesabı yapılacak akış özellğ (φ) yerne yazılarak kütle, momentum ve enerj korunum denklemler elde edleblr. A = A j + Δ = Δ Δ k (4.5) 27

42 Ω = Δ. Δ. Δ (4.6) j k ρφ + t ( ρuφ) = ρdφ φ + Qvφ + ( Qsφ ) (4.7) Kütlenn korunumu Genel korunum denklemnden kütle korunum denklem elde edlmes çn (φ) yerne 1 değer yazılır. Bunu yanında, kütlenn üretlmes veya yok edlmes mümkün olmadığından üretm term sıfıra eşt olur (4.8). Tek fazlı br akışkan le lgl hesaplamalarda kütlenn yayınımı söz konusu olmadığından yayınım term de sıfıra eşt olmaktadır (4.9). Q Q = 0 (4.8) sφ = vφ F y, = ρd φ φ = 0 (4.9) Kütle korunum denklem aşağıdak şeklde (4.10) elde edlmektedr. Bu çalışma kapsamında ncelenecek akış sıkıştırılamaz olduğundan kütle korunum denklem son haln alır (4.11). ρ + ( ρu ) = 0 (4.11) t u = 0 (4.11) Momentum korunumu Momentum korunum denklemlernn elde edleblmes çn akış özellğ olarak hız vektörü (u j ) alınır. Bu şeklde elde edlen denklem hızın alındığı eksendek (j) momentum korunumu fade eder. Momentum yayınımı temelde hız farklarından kaynaklanan vskoz kuvvetler tarafından oluşturulur. Yayınım termnn hesaplanmasında vskoz gerlmeler tensör (τ) le fades (4.12) kullanılmaktadır. Momentum korunumunda üretm term olarak akışkana etkyen dış kuvvetler tanımlanmaktadır. Bu kuvvetler (f e,j ) le fade edlmektedr. 28

43 + + + = j j j j j j u u u p μ δ μ τ 3 2 (4.12) ( ) j e j j j f u u u t, + = + τ ρ ρ (4.13) Bu tanımlara göre momentum korunum denklem (4.14) elde edlr. İncelenen akış sıkıştırılamaz kabulü le çözüleceğnden denklem (4.11) geçerl olur. Bununla brlkte akışkanın yoğunluğu sabt olduğundan (ρ) kısm türevlern dışına çıkarılablr. Bu şlemler sonucunda momentum korunum denklem son haln alır. (4.15) ( ) j e j j j j j j f u u u p u u u t, = + μ μ ρ ρ (4.14) ( ) j e j j j j j f p u u u u u t, + + = + μ ρ ρ (4.15) Bu çalışmada akış sürekl hal çn çözülmekte olduğundan zamana bağlı termler düşürülmüştür. (4.16) ( ) ej j j j j f p u u u u + + = μ ρ (4.16) Dış kuvvet tanımı çersnde sınır şartlardan kaynaklanan, örneğn fan, momentum transfer tanımlanablmektedr. Bununla beraber, eğer akışta etkn se yerçekm kuvvet de f ej term çersnde tanımlanablr. Yerçekm etksn hesaba katmanın br dğer yolu da yerçekm etksn de çeren br basınç term oluşturmaktır. Burada tanımlanan yen basınç term aşağıdak denklem le fade edleblr (4.17). ( j j j j ı g p p + ρ = ) (4.17) 29

44 Enerj korunumu Genel korunum denklemnden enerj korunum denklemnn elde edlmes çn (φ) yerne akışkanın brm kütles çn ç enerj mktarını fade eden (E) smges yerleştrlmştr (4.18). Akışkanın toplam enerjs ç enerj le knetk enerjsnn toplamıdır. Ancak, sıkıştırılamaz akışlarda knetk enerj ç enerjye oranla hmal edleblr büyüklükte olduğundan ç enerj akışkanın toplam enerjs olarak kabul edlmştr.yayınım term Fourer kanunu le belrlenmş olan sıcaklık letm denklem şeklnde tanımlanmıştır. Burada akışkanın ısı letm katsayısı (λ) le smgelenmektedr. Üretm term Q ve le smgelenmştr ve akışkan çersndek ısı üretmler bu term le fade edlmektedr. Denklem (4.18) n son term akışkana etk eden vskoz gerlmeler sonucu oluşacak ısınma gücünü fade eden vskoz ısınma olayını hesaba katmaktadır. ρe + t T ( ρu E) = λ + QVe + f eju j + ( τ ju j. ) (4.18) j Enerj korunumun denklemnn farklı br fade şeklnde toplam enerj (E) yerne entalp (H) le hesaplama yapılablmektedr. Burada entalp (H) nn enerj (E) le olan bağıntısını fade eden denklem (4.19) ve entalp (H) nn sıcaklık le bağıntısını fade eden denklem (4.20) kullanılmıştır. H = E + p ρ (4.19) ( T T0 H = C p ) (4.20) İncelenen akış bölgesnde sıcaklık farkları çok yüksek değerlere ulaşmadığından C p sabt kabul edlmştr. Bununla beraber, akışkan çersnde ısı üretm sağlayacak br olay, örneğn kmyasal reaksyon, bulunmadığından term düşmüştür. Vskoz ısınma etks, ncelen akıştak hız gradyenler çok yüksek olmadığından hmal edlmştr. Bu kabullere göre enerj korunum denklemnn son hal (4.21) elde edlmştr. Q ve 30

45 ( ) = p H C H u λ ρ (4.21) k-ε türbülans model Türbülans, akışın belrl Reynolds sayısı değerlernn üzerndek hallernde ortaya çıkan ve fzksel olarak davranışını tam olarak fade edlemeyen br fenomendr. Bu fenomen fade eden fzksel br denklem bulunmamakla brlkte, belrl akış şartlarında olumlu sonuçlar vereblen türbülans modeller mevcuttur. Bu modeller türbülansın akış üzerne etksn fade etmek amacıyla yen türbülans termler ve büyüklükler tanımlarlar. Bu çalışma kapsamında nceledğmz akışın tp ve yaklaşık hız mertebeler göz önüne alındığında k-ε modelnn uygulanmasına karar verlmştr. k-ε model temelde akışa k yen büyüklük tanımlanarak bu büyüklükler le türbülansı akış hız ve karakterstğne etksn sağlar. Burada k (4.22) türbülans yoğunluğu, ε (4.23) se türbülans yayma oranını smgeler. Akış denklemler çözülür ken bu k term de çözülerek türbülanslı akış çözümü elde edlmş olur. M b k k t Y G G k Dt Dk = ρε σ μ μ ρ (4.22) ( ) k C G C G k C k Dt D b k t ε ρ ε σ μ μ ε ρ ε ε ε ε = (4.23) Model sabtler olan C 1, C 2 ve C 3 çn genel değerler bulunmaktadır. Ancak, çözülen probleme göre bu değerler değştrlerek çözümün doğruluğu artırılablr Sayısal Çözüm Kütle, momentum ve enerj korunum denklemler le türbülans model denklemler genel transport denklem formatındadır.bu denklemlern sayısal çözümlemesnn yapılması çn lk olarak uygun br ayrıklaştırma yöntemnn kullanılması gerekldr. 31