KONVEKSİYONEL VE MİKRODALGA FIRINLARIN ISIL ANALİZİ

T.C. DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KONVEKSİYONEL VE MİKRODALGA FIRINLARIN ISIL ANALİZİ BİTİRME PROJESİ Cihan BAL Fırat Caner METE Projeyi Yöneten Doç.Dr. Aytunç EREK Haziran, 2011 İZMİR

TEZ SINAV SONUÇ FORMU Bu çalışma / /. günü toplanan jürimiz tarafından BİTİRME PROJESİ olarak kabul edilmiştir. Yarıyıl içi başarı notu 100 (yüz) tam not üzerinden (.. ) dir. Başkan Üye Üye Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığına,.. numaralı jürimiz tarafından / /. günü saat da yapılan sınavda 100 (yüz) tam not üzerinden. almıştır. Başkan Üye Üye ONAY

TEŞEKKÜR Konveksiyonel ve mikrodalga fırınlar konusunda hazırlamış olduğumuz bu bitirme tezinde bize rehberlik eden değerli hocamız DOÇ.DR AYTUNÇ EREK e teşekkür ederiz. Eğitim hayatımız boyunca bizden maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen ailelerimize ayrıca teşekkür ederiz. Cihan BAL Fırat Caner METE

ÖZET Bu çalışmada 675x450x450 mm ölçülerindeki konveksiyonel fırın içerisine yerleştirilen 100x100x100 mm ölçülerindeki küp şeklindeki malzemenin fırın içerisindeki konumları değiştirilerek zamana bağlı olarak sıcaklık dağılımları FLUENT analiz programı kullanılarak incelenmiştir. Modelin alt yüzeyinden belirli bir ısı akısı verilip yan yüzeyler izole olarak tanımlanmıştır. 15, 30, 45 ve 60. dakikalardaki sıcaklık dağılımları incelenip konumlarına göre birbirleri ile karşılaştırılmıştır. İkinci kısımda ise 285x285x160 mm ölçülerindeki fırın içerisine yerleştirilen 120x120x60 mm ölçülerindeki cismin FLUENT analiz programı kullanılarak elde edilen sıcaklık dağılımı ve sıcaklık-zaman grafiği aynı ölçülerdeki mikrodalga fırın içerisine yerleştirilen aynı cismin sıcaklık dağılımı ve sıcaklık-zaman grafiği ile karşılaştırılmıştır.

İÇİNDEKİLER Sayfa İçindekiler Tablolar Listesi. Şekiller Listesi.. i ii iii BÖLÜM BİR GİRİŞ 1.1. Sonlu Elemanlar Metodu... 1 1.1.2. Sonlu Elemanlar Yönteminin Diğer Yöntemlere Göre Üstünlükleri... 2 1.2. Konveksiyonel Fırınlar 3 1.3. Mikrodalga Fırınlar 3 1.3.1. Mikrodalga Fırınların Çalışma Prensibi 3 1.3.2. Sanayide Mikrodalga Kullanımı 4 1.3.3. Mikrodalganın Türkiye de Kullanılmamasının Nedenleri.. 4 1.4.4. Mikrodalganın Yararları 5 1.3.5.Mikrodalga Tasarımı Ve Zorlukları. 6 BÖLÜM İKİ FLUENT İLE ANALİZ 2.1.Bilgisayarda Modelin Oluşturulması 7

2.1.1. Konveksiyonel Fırının Geometrisi.. 7 2.1.2. Modelin Meshlenmesi ve Sınır Koşullarının Belirlenmesi. 15 2.2. Analizler 16 2.2.1. Analizler İçin Sınır Koşulları 16 2.2.2. Fluent İşlem Basamakları. 17 2.2.3. Analiz Sonuçları. 22 2.2.3.1. 15 Dakika Isıtılan ve Alt Konumda Bulunan Küplerin Analizi 22 2.2.3.2. 30 Dakika Isıtılan ve Alt Konumda Bulunan Küplerin Analizi 24 2.2.3.3. 45 Dakika Isıtılan ve Alt Konumda Bulunan Küplerin Analizi 26 2.2.3.4. 60 Dakika Isıtılan ve Alt Konumda Bulunan Küplerin Analizi 28 2.2.3.5. 15 Dakika Isıtılan ve Orta Konumda Bulunan Küplerin Analizi. 30 2.2.3.6. 30 Dakika Isıtılan ve Orta Konumda Bulunan Küplerin Analizi. 32 2.2.3.7. 45 Dakika Isıtılan ve Orta Konumda Bulunan Küplerin Analizi 34 2.2.3.8. 60 Dakika Isıtılan ve Orta Konumda Bulunan Küplerin Analizi. 36 2.2.3.9. 15 Dakika Isıtılan ve Üst Konumda Bulunan Küplerin Analizi. 38 2.2.3.10. 30 Dakika Isıtılan ve Üst Konumda Bulunan Küplerin Analizi 40 2.2.3.11. 45 Dakika Isıtılan ve Üst Konumda Bulunan Küplerin Analizi. 42 2.2.3.12. 60 Dakika Isıtılan ve Üst Konumda Bulunan Küplerin Analizi 44 BÖLÜM ÜÇ KONVEKSİYONEL FIRIN ANALİZİ VE SONUÇLARIN MİKRODALGA FIRIN İLE KARŞILAŞTIRILMASI 3.1. Konveksiyonel Fırın 46 3.1.1. Fırının Modellenmesi. 46

3.1.2. Analiz Sonuçlarının Karşılaştırılması 49 3.1.2.1. Tabla Sabitken Sıcaklık Dağılımlarının Karşılaştırılması 50 3.1.2.2. Tabla Hareketliyken Sıcaklık Dağılımlarının Karşılaştırılması. 51 3.1.2.3. Cisim Üzerinde Alınan Bir Noktanın Sıcaklık Zaman Grafiklerinin Karşılaştırılması. 52 3.1.2.4. Konveksiyonel Fırındaki Cismin Orta Noktasındaki Ve Alt noktasındaki Bir Noktanın Sıcaklık Dağılımı-Zaman Grafiklerinin Karşılaştırılması. 53 BÖLÜM DÖRT SONUÇ Bölüm BEŞ KAYNAKLAR

TABLO LİSTESİ SAYFA Tablo 3.1. Kullanılan malzemelerin özellikleri. 49 ŞEKİL LİSTESİ Şekil 2.1. 675x450x450 mm ölçülerindeki hacmin oluşturulması.. 7 Şekil 2.2. Gambit programında oluşturulan 675x450x450 mm boyutlarındaki hacim 7 Şekil 2.3. 300x100x100 mm boyutlarındaki hacmin oluşturulması 8 Şekil 2.4. Gambit programında oluşturulan 300x100x100 mm boyutlarındaki hacim. 8 Şekil 2.5. İçeride oluşturulan hacmin orta noktaya taşınması 9 Şekil 2.6. Split komutu ile hacimlerinden birbirinde ayrılması 9 Şekil 2.7. İç hacmi bölmek için kullanılacak olan yüzeyin oluşturulması 10 Şekil 2.8. Oluşturulan yüzeyin içerideki hacmin üzerine yerleştirilmesi. 10 Şekil 2.9. Oluşturulan modelin önden görünüşü 11 Şekil 2.10. 300x100x100 mm ölçülerindeki hacimden 3 adet 100x100x100 mm ölçülerindeki küplerin oluşturulması.. 11 Şekil 2.11. Oluşturulan modelin genel görünüşü 12 Şekil 2.12. Split komutu ile küplerin birbirlerinden ayrılması.. 12 Şekil 2.13. Split komutu ile küplerin birbirlerinden ayrılması. 13 Şekil 2.14. Split komutu ile birbirilerinden ayrılan küplerin gösterimi 13 Şekil 2.15. Split komutu ile iç hacmin iki kısma ayrılması. 14 Şekil 2.16. Ayrılan hacimlerin görüntüsü.. 14 Şekil 2.17. Modelin meshlenmiş görüntüsü... 15

Şekil 2.18. Sınır koşullarının girilmesi 16 Şekil 2.19. Scale komutunun kullanılması. 17 Şekil 2.20. Enerji denklemlerinin açılması. 17 Şekil 2.21. Maximum sıcaklığın limitlendirilmesi. 18 Şekil 2.22. Havanın sınır şartları. 18 Şekil 2.23. Alüminyumun özellikleri. 19 Şekil 2.24. Isıtıcıya 2 kw değerinde ısı akısı verme işlemi... 20 Şekil 2.25. Küp malzemesi olarak alüminyumun seçilmesi. 20 Şekil 2.26. Plane oluşturma işleminin gerçekleştirilmesi 21 Şekil 2.27. 15.dakikada alt konumda bulunan küplerdeki sıcaklık dağılımı.. 22 Şekil 2.28. 15.dakikada plane üzerinde oluşan sıcaklık dağılımı 22 Şekil 2.29. 15.dakikada alt konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 23 Şekil 2.30. 15. dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 23 Şekil 2.31. 30.dakikada alt konumda bulunan küplerdeki sıcaklık dağılımı.. 24 Şekil 2.32. 30.dakikada orta düzlemdeki plane üzerinde oluşan sıcaklık dağılımı 24 Şekil 2.33. 30. dakikada alt konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 25 Şekil 2.34. 30. dakikada Plane üzerindeki hız vektörlerinin yakınlaştırılmış görüntüsü... 25 Şekil 2.35. 30.dakikada Plane üzerindeki hız vektörlerinin genel görüntüsü.. 25 Şekil.2.36. 45.dakikada alt konumda bulunan küplerdeki sıcaklık dağılımı.. 26 Şekil 2.37. 45.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı. 26 Şekil 2.38. 45.dakikada alt konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 27

Şekil 2.39. 45. dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 27 Şekil 2.40. 60.dakikada alt konumda bulunan küplerdeki sıcaklık dağılımı 28 Şekil.2.41. 60.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı.. 28 Şekil.2.42. 60.dakikada alt konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 29 Şekil.2.43. 60.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. 29 Şekil 2.44. 15.dakikada orta konumda bulunan küplerdeki sıcaklık dağılımı 30 Şekil 2.45. 15.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı. 30 Şekil 2.46. 15.dakikada orta konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 31 Şekil 2.47. 15.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 31 Şekil 2.48. 30.dakikada orta konumda bulunan küplerin üzerindeki sıcaklık dağılımı.. 32 Şekil 2.49. 30.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı. 32 Şekil 2.50. 30.dakikada orta konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi.. 33 Şekil 2.51. 30.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 33 Şekil 2.52. 45.dakikada orta konumda bulunan küplerin üzerindeki sıcaklık dağılımı. 34 Şekil 2.53. 45.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı. 34 Şekil 2.54. 45.dakikada orta konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi.. 35 Şekil 2.55. 45.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. 35 Şekil 2.56. 60.dakikada orta konumda bulunan küplerin üzerindeki sıcaklık dağılımı... 36 Şekil 2.57. 60.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı.. 36

Şekil 2.58. 60.dakikada orta konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 37 Şekil 2.59. 60.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. 37 Şekil 2.60. 15.dakikada üst konumda bulunan küplerin üzerindeki sıcaklık dağılımı.. 38 Şekil 2.61. 15.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı. 38 Şekil 2.62. 15.dakikada üst konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi.. 39 Şekil 2.63. 15.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. 39 Şekil 2.64. 30.dakikada üst konumda bulunan küplerin üzerindeki sıcaklık dağılımı 40 Şekil 2.65. 30.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı. 40 Şekil 2.66. 30.dakikada üst konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 41 Şekil 2.67. 30.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 41 Şekil 2.68. 45.dakikada üst konumda bulunan küplerin üzerindeki sıcaklık dağılımı.. 42 Şekil 2.69. 45.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı.. 42 Şekil 2.70. 45.dakikada üst konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 43 Şekil 2.71. 45.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi.. 43 Şekil 2.72. 60.dakikada üst konumda bulunan küplerin üzerindeki sıcaklık dağılımı 44 Şekil 2.73. 60.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı.. 44 Şekil 2.74. 60.dakikada üst konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi 45 Şekil 2.75. 60.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi.. 45 Şekil 3.1. Modelin teknik resmi.. 46 Şekil 3.2. Gambitte çizilen modelin üstten görünümü 47

Şekil 3.3. Gambitte çizilen modelin izometrik görüntüsü. 47 Şekil 3.4. Meshlenmiş modelin önden görünümü.. 48 Şekil 3.5. Sınır koşullarının gösterimi. 48 Şekil 3.6. Konveksiyonel fırındaki cismin sıcaklık dağılımı (K). 50 Şekil 3.7. Mikrodalga fırındaki cismin sıcaklık dağılımı (Tabla Sabit).... 50 Şekil 3.8. Konveksiyonel fırındaki cismin sıcaklık dağılımı (K)... 51 Şekil 3.9. Mikrodalga fırındaki cismin sıcaklık dağılımı (Tabla Hareketli)... 51 Şekil 3.10. Cisim üzerindeki noktanın sıcaklık-zaman grafiği... 52 Şekil 3.11. Konveksiyonel fırın içindeki cisim üzerinde bulunan farklı iki noktanın sıcaklıkzaman grafiği...... 53

BÖLÜM BİR GİRİŞ Isı geçişi, sıcaklık farkından kaynaklanan enerji aktarımıdır. Bir ortam içinde veya ortamlar arasında, bir sıcaklık farkı mevcut olan her durumda, ısı geçişi mutlaka gerçekleşir. Isı geçişinin gerçekleşmesi için üç yol vardır; 1- İletim 2- Taşınım 3- Işınım Katı veya akışkan bir durgun ortam içinde gerçekleşen ısı geçişi iletim ile olur. Buna karşın bir yüzey ile hareket halindeki bir akışkan farklı sıcaklıklarda ise, aralarında taşınım ile ısı geçişi gerçekleşir. Sonlu sıcaklığa sahip tüm yüzeyler, elektromagnetik dalgalar halinde enerji yayarlar. Dolayısıyla, farklı sıcaklıklardaki iki yüzey arasında, birbirlerini görmeye engel olan bir ortam yoksa ışınımla ısı alışverişi gerçekleşir. Bu çalışmada konvansiyonel fırının alt yüzeyi belirli bir ısı akısına maruz, diğer tüm yüzeyleri izole bir şekilde ele alınarak fırın içerisindeki bir cismin sıcaklık dağılımının zamana bağlı olarak incelenmesi ve elde edilen sonuçların mikrodalga fırında elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılıp incelenmesi ele alınmıştır. Öncelikle bilgisayar analizleri için modelin doğru bir şekilde oluşturulması sağlanmış ve FLUENT çözümlerinde istenilen koşullar sağlanarak analiz sonuçları incelenmiştir. 1.1 Sonlu Elemanlar Metodu Sonlu elemanlar metodu ilk olarak yapı analizinde kullanılmaya başlanmıştır. İlk çalışmalar Hrennikoff (1941) ve Mc Henry (1943) tarafından geliştirilen yarı analitik analiz metotlarıdır. Argyis ve Kelsey (1960) virtuel iş prensibini kullanarak bir direkt yaklaşım metodu geliştirmiştir. Turner ve diğerleri (1956) bir üçgen eleman için rijitlik matrisini oluşturmuştur. "Sonlu Elemanlar" terimi ilk defa Clough (1960) tarafından çalışmasında telâffuz edilmiştir. Metodun üç- boyutlu problemlere uygulanması iki-boyutlu teoriden sonra kolayca gerçeklenmiştir (örneğin, Argyis (1964)). İlk gerçek kabuk elemanlar eksenel simetrik elemanlar olup (Grafton ve Strome (1963)), bunları silindirik ve diğer kabuk elemanları izlemiştir (Gallagher (1969)). Araştırıcılar 1960'lı yılların başlarında non-lineer 1

problemlerle ilgilenmeye başladılar. Turner ve diğerleri (1960) geometrik olarak non-lineer problemler için bir çözüm tekniği geliştirdi. Sonlu elemanlar metoduyla stabilite analizi ise ilk Martin (1965) tarafından tartışılmıştır. Statik problemlerin yanısıra dinamik problemlerde sonlu elemanlar metoduyla incelenmeye başlandı (Zienkiewicz ve diğerleri (1966) ve Koening ve Davids (1969)). 1943 yılında Courant bölgesel sürekli lineer yaklaşım kullanarak bir burulma problemi için çözüm üretmiştir. Yapı alanı dışındaki problemlerin sonlu elemanlar metoduyla çözümü 1960 'lı yıllarda başlamıştır. Örneğin Zienkiewicz ve Cheung (1965) sonlu elemanlar metodu ile Poisson denklemini çözmüştür. Doctors (1970) ise metodu potansiyel akışa uygulamıştır. Sonlu elemanlar metodu geliştirilerek ısı transferi, yeraltı sularının akışı, manyetik alan ve diğer bir çok alana uygulanmaktadır. Genel amaçlı sonlu elemanlar paket programları 1970'li yıllardan itibaren ortaya çıkmaya başlamıştır. 1980'li yılların sonlarına doğru ise artık paket programlar mikro bilgisayarlarda kullanılmaya başlandı. 1990 yıllarının ortaları itibarîyle sonlu elemanlar metodu ve uygulamalarıyla ilgili yaklaşık olarak 40.000 makale ve kitap yayınlanmıştır. 1.1.2 Sonlu Elemanlar Yönteminin Diğer Yöntemlere Göre Üstünlükleri Sonlu eleman metodunu diğer metotlara üstün kılan başlıca hususlar şunlardır: 1. Sonlu elemanlar, boyutları ve şekillerinin esnekliği nedeniyle, verilen bir cismi temsil edebilir, hatta karmaşık şekilli bir cisimde daha güvenilir olabilir. 2. Çok bağlantılı bölgeler (bir veya çok delikli cisimler) ya da köseleri olan bölgeler zorluk çekilmeksizin incelenebilir. 3. Değişik malzeme ve veya geometrik özellikleri bulunan problemler ek bir zorluk göstermez. Geometri ve malzeme nonlineeriteleri, kalıtsal olsa bile (örneğin zamana bağlı) malzeme özellikleri kolaylıkla göz önüne alınabilir. 4. Sebep-sonuç bağıntılarına ait problemler tümel direngenlik matrisi ile birbirine bağlanan genelleştirilmiş "kuvvetler" ve "yer değiştirmeler cinsinden formüle edilebilir. Sonlu eleman metodunun bu özelliği problemin anlaşılmasını ve çözülmesini hem mümkün kılar hem de basitleştirir. 2

5. Sınır şartları kolayca uygulanır. 6. Sonlu eleman metodunun çok yönlülük ve esnekliği karmaşık yapılarda, sürekli ortam, alan ve diğer problemlerde sebep sonuç ilişkilerini hesaplamak için çok etkin bir şekilde kullanılabilir. Analitik ve deneysel metotlardan daha hassas sonuç verir. 1.2.Konveksiyonel Fırınlar Gazlı konveksiyonlu fırınlarda gıdaya temas etmeden yanma odasındaki gazın yanışından meydana gelen sıcak hava bir fan motoru yardımıyla fırın içerisinde eşit olarak dağılır. Elektrikli konvansiyonel fırınlarda ise hazne içerisindeki ısıtıcı rezistanslardan elde edilen sıcak hava yine bir fan motoru yardımıyla pişirme sırasında eşit olarak dağılır. Konvansiyonel fırınlarda ısının homojen dağılımı önemli olduğu kadar aynı zamanda bu ısının muhafaza edilmesi de önemlidir. Fırının izolasyonunun iyi yapılmış olması ısının muhafaza edilmesinde önemli bir etkendir. Kısa sürede ulaştığı sıcaklığı muhafaza etmesi enerji tasarrufunu sağlayarak işletme maliyetlerini düşürmektedir. Konvansiyonel fırınlar pişirme özelliklerinin yanı sıra güvenirlik açısından da tercih sebebi olmaktadır. Arıza gösterge sistemi sayesinde, arıza anında otomatik olarak fırın kendi kendini durdurur ve kullanıcıya arıza uyarısı verir. 1.3. Mikrodalga Fırınlar 1.3.1. Mikrodalga Fırınların Çalışma Prensibi Mikrodalga fırınlarında frekansı 2.45 Gigahertz (GHz) olan çok yüksek frekanslı (UHF) elektromanyetik dalgalar kullanılır. Mikrodalga olarak isimlendirilen bu elektromanyetik titreşimler, magnetron denilen osilatör - amplifikatörde üretilip güçlendirilirler. Bu elektromanyetik titreşimler fırın içindeki kurutulacak madde tarafından maddenin özelliğine göre az ya da çok soğurulur. Elektromanyetik alanda bulunan kurutulacak madde İçindeki su dipolleri elektromanyetik alan frekansına bağlı olarak belirli bir hızda sağ-sol dönme (twist) hareketi yaparlar. Bu hareket sonucu oluşan sürtünme nedeni ile ısı enerjisi açığa çıkar. Eğer madde içinde polar özellikte molekül yoksa, dönme hareketi ve sürtünme olmadığından ısınma olmaz. Fırın ve su olmayan yerler ısınmadığından enerji kaybı az olur, madde 3

hareketli olmadığından tozutma olmaz. Mikrodalga fırınlarında granüller, nemli tozlar kısa sürede kurutulabilir. Kuruma sadece yüzeyde değil maddenin her yerinde üç boyutlu olarak gerçekleşir. Bu nedenle granüllerde madde göçü (solute migration) çok az olur. 1.3.2. Sanayide Mikrodalga Kullanımı Mikrodalga, sanayinin kurutma ve ısıtmaya ihtiyaç duyduğu her alanda kullanılabilmesine imkan vermektedir. Çay, tuz, biber kurutma işlemlerinde, Tıbbı ve katı atıkların hijyenik bir şekilde saklanmasında, Ağaç içerisinde bulunan kurtların öldürülmesinde, Gıda maddelerinin kurutulmasında, Gıda maddelerinde oluşan bakterilerin sterilizasyonunda, Buz çözme işlemlerinde, Bazı kimyasal reaksiyonların hızlandırılmasında ve birçok alanda kullanılma imkanları bulunmaktadır. 1.3.3. Mikrodalganın Türkiye de Kullanılmamasının Nedenleri Uzun yıllardan beri Amerika ve Avrupa da sanayinin değişik alanlarında mikrodalga ısıtma ve kurutma fırınları kullanılmasına rağmen bu sistemler hakkında Türkiye de fazla bilgi ve ilgi bulunmamaktadır. Bunun başlıca nedenleri; - Geri kalmış teknoloji ile çalışmasına rağmen yeni yatırım yapmamak, -Türkiye de sanayide teknolojinin yenilenmesi hakkında kanun ve düzenlemelerin olmaması, - Ar-Ge yatırımlarına gerekli önemin gösterilmemesi, - Ülkemizde mikrodalga konusunda gereken eğitimin verilmemesi ve yetişmiş personelin bulunmaması, -Mikrodalganın tehlikeli olduğunun söylenmesi, -Mikrodalganın fazla bilinmemesinden dolayı yatırımcıların gelen tekliflere olumsuz bakmaları, -Teknolojinin gelişimi için destek veren kuruluşların aşılması zor prosedürleri, -Ortaya çıkan tasarımcılara sanayicinin inanmayıp destek vermemesi, -Mikrodalga konusunda Türkçe doküman bulunmaması. 4

Karşılaşılan sorunların aşılabilmesi için bu konuda ülkemizde faaliyet gösteren kuruluşlarla işbirliği yapılarak mikrodalganın bilinçli kullanılması halinde zararsız olduğu anlatılmalıdır. Böylece mikrodalga tasarımcıları ile sanayici buluşturulup cesur yatırımcıların ortaya çıkması sağlanmalıdır. Ülkemizde mikrodalga kullanımının artırılması için sanayiye yön veren kuruluşların, derneklerin, odaların bir araya gelerek mikrodalganın kullanılabileceği alanların araştırılması ve üyelerini bilinçlendirme çalışmasına gidilmesidir. Ülkemizde mikrodalga konusunda çalışan sayılı kuruluş da Ar-Ge çalışmaları için yatırım yaptıklarından dolayı çalışmalarını gizlemektedir. Bunun başlıca nedenleri yapmış oldukları ürünlerin kopyalanma endişesidir. 1.3.4. Mikrodalganın Yararları Endüstriyel uygulamalarda mikrodalga frekanslarında çalışan sistemlerin kullanımının faydalarını aşağıdaki gibi sıralayabiliriz. Sterilizasyon ve ürün maliyetini düşürme: Mikrodalga sistemleri, konvansiyonel kurutma sistemlerine göre daha az yer kaplarlar. Daha küçük yer kullanımı ardışık olarak yapılmak istenen kurutma işlemlerinde otomasyona geçilmesini zorunlu hale getirir. Bu da işgücü maliyeti azaltır. Özellikle gıda maddelerini mikrodalga ile kurutma işlemlerinde ürün steril hale geleceğinden, çok daha az maliyetle standartlara uygun steril ürün elde etme imkanı doğmaktadır. Daha az enerji sarfiyatı: Mikrodalga ile ısıtma ve kurutma işlemlerinde, konvansiyonel metotlardan değişik olarak, ürünün bulunduğu sistemin ısıtılmasına gerek kalmadan verilen enerji sadece ürünün ısıtılmasına sarf edildiğinden büyük bir enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Mikrodalga ile ısıtma ve kurutma işlemlerinde, verilen enerji başlıca ürünün içerdiği nem tarafından yutulmaktadır. Ürün doğrudan bir enerji yutmamaktadır. Ürünün içerdiği su ısındığı için ürün de ısınmaktadır. Bu sebeple mikrodalga ile ısıtma konvansiyonel ısıtma metotlarına göre çok daha düşük güç seviyelerinde kalmaktadır. Bu oran % 50 ler mertebesindedir. 5

Isıtma kolaylığı: Sadece gıdayı ısıtarak paketli gıdaları ısıtabilme olanağını sağlanabilmektedir. Daha az yer kaplama: Mikrodalga sistemlerinin az yer kaplaması yerden tasarruf sağlamaktadır. Homojen ısıtma: Belli bir kalınlı_a kadar homojen bir ısı dağılımı sağlanabilmektedir. Esnek işletme hattı: Değişik hacimli maddelerin ısıtılmasında, işlem süresini kolayca değiştirebilme olanağı sağlayan esnek işleme hatları kurabilme kolaylığı sağlanabilmektedir. 1.3.5. Mikrodalga Tasarımı Ve Zorlukları Mikrodalga tasarımlarının canlılar üzerindeki olumsuz etkilerinin düşünülmesi ve güvenlik önlemlerinin alınması gerekliliğinden maliyetler yüksek olmaktadır. Bununla birlikte ülkemizde fazla bilinen ve kullanılan bir teknoloji olmadığından mikrodalga ekipmanlarının yurt dışından getirtilme zorunluluğu bulunmaktadır. Ayrıca tasarımlar sırasında gerekli ölçüm ve hesaplamaların yapılması, test cihazlarının alımı, kurulumu ve mühendislik hizmet bedelinin yüksek olması, mikrodalga konusunda çalışma yapan kuruluşları oldukça zorlamakta dolayısıyla ürünlerin maliyetlerini yüksek oranlarda etkilemektedir. Mikrodalga konusunda Türkçe doküman sayısının kısıtlı ve içeriklerinin yetersiz olması bu alanda çalışma yapacakların önüne çıkan ilk engeldir. Türkiye de mikrodalgada kullanılan malzemelerin üretilmemesi nedeni ile yurtdışından malzeme temin etmek ve özellikle deneme amacıyla almak imkansızdır. Bu durumda tasarımcılar, evlerde kullanılan mikrodalga fırınları bozarak testlerini yapmak zorunda kalmaktadırlar. Bilginin bir yerde toplanmasını ve öğrendiklerimizin bizden sonra bu konuda çalışma yapacak kişilere aktarılmasını sağlayabilirsek tasarımcıların mikrodalganın çalışma prensiplerini öğrenmesine ve bilinçli tasarımcılar ile yetişmiş personele kısa zamanda sahip olunacaktır. 6

BÖLÜM İKİ FLUENT İLE ANALİZ 2.1. Bilgisayarda Modelin Oluşturulması 2.1.1. Konveksiyonel Fırının Geometrisi 675x450x450 mm ölçülerindeki fırının modellenmesinde GAMBİT kullanılmıştır. programı Şekil 2.1. 675x450x450 mm ölçülerindeki hacmin oluşturulması. Şekil 2.2. Gambit programında oluşturulan 675x450x450 mm boyutlarındaki hacim. 7

Şekil 2.3. 300x100x100 mm boyutlarındaki hacmin oluşturulması. Şekil 2.4. Gambit programında oluşturulan 300x100x100 mm boyutlarındaki hacim. 8

Şekil 2.5. İçeride oluşturulan hacmin orta noktaya taşınması. Şekil 2.6. Split komutu ile hacimlerinden birbirinde ayrılması. 9

Şekil 2.7. İç hacmi bölmek için kullanılacak olan yüzeyin oluşturulması. Şekil 2.8. Oluşturulan yüzeyin içerideki hacmin üzerine yerleştirilmesi. 10

Şekil 2.9. Oluşturulan modelin önden görünüşü. Şekil 2.10. 300x100x100 mm ölçülerindeki hacimden 3 adet 100x100x100 mm ölçülerindeki küplerin oluşturulması. 11

Şekil 2.11. Oluşturulan modelin genel görünüşü. Şekil 2.12. Split komutu ile küplerin birbirlerinden ayrılması. 12

Şekil 2.13. Split komutu ile küplerin birbirlerinden ayrılması. Şekil 2.14. Split komutu ile birbirilerinden ayrılan küplerin gösterimi. 13

Şekil 2.15. Split komutu ile iç hacmin iki kısma ayrılması. A B Şekil 2.16. Ayrılan hacimlerin görüntüsü. A)Üst hacim B) Alt hacim 14

2.1.2 Modelin Meshlenmesi ve Sınır Koşullarının Belirlenmesi: Meshleme işlemi sırasında küpler ve alt hacim daha hassas olarak meshlenmiştir. Sınır koşullarında ise ısı akısının verileceği alt yüzey ve diğer yüzeyler WALL olarak tanımlanmıştır. Küpler solid olarak tanımlanmıştır. Şekil 2.17. Modelin meshlenmiş görüntüsü. 15

2.2. Analizler 2.2.1. Analizler İçin Sınır Koşulları Analizler 2 kw ısı akısı verilerek, farklı konumlarda ve farklı zaman aralıklarında gerçekleştirilmiştir. Birinci konumda küpler alt yüzeyde, ikinci konumda küpler koordinat ekseninden 225 mm yukarıda üçüncü konumda ise küpler üst yüzeyde konumlandırılmıştır. Bütün bu konumlar için 15,30,45,60 dk zaman aralıkları için analizler gerçekleştirilmiştir. Şekil 2.18. Sınır koşullarının girilmesi. 16

2.2.2. Fluent İşlem Basamakları File- Read - Case İşlem sırasını izleyerek Gambit programında export ettiğimiz dosya seçilir ve fluent tarafından dosya okunur. Grid-Scale Komutları ile ölçü birimi mm olarak seçilir. Şekil 2.19. Scale komutunun kullanılması. Define-Models-Energy Komutları ile enerji denklemleri açılır. Şekil 2.20. Enerji denklemlerinin açılması. 17

Solve-Controls-Limit işlem sırası takip edilerek çözüm için istenen değerler limitlendirilebilir. Şekil 2.21. Maximum sıcaklığın limitlendirilmesi. Define-Materials işlem sırası ile istenilen malzemenin özellikleri atanır. Şekil 2.22. Havanın sınır şartları. 18

Şekil 2.23. Alüminyumun özellikleri. Define-Boundary Conditions Komutları ile sınır koşullarını istediğimiz şekilde gerçekleştirebiliriz.tüm yüzeyler wall olarak seçilmiştir.küpler solid olarak tanımlanmıştır. Define-Models-Solver Komutları ile çözümün zamana bağlı olması ya da olmaması seçilebilir. 19

Şekil 2.24. Isıtıcıya 2 kw değerinde ısı akısı verme işlemi. Şekil 2.25. Küp malzemesi olarak alüminyumun seçilmesi. 20

Surface-Plane Komutu ile orta düzleme plane yerleştirilebilir. Şekil 2.26. Plane oluşturma işleminin gerçekleştirilmesi. Solve-İterate Komutları ile belirli zaman aralığı ve iterasyon sayısı belirlenebilir. Bu analizlerde 15,30,45,60. dakikalardaki veriler kullanılmıştır. Display-Contours Komutları ile istenilen çözümler gösterilebilir. 21

2.2.3. Analiz Sonuçları 2.2.3.1. 15 Dakika Isıtılan ve Alt konumda Bulunan Küplerin Analizi: Şekil 2.27. 15.dakikada alt konumda bulunan küplerdeki sıcaklık dağılımı. Şekil.2.28. 15.dakikada plane üzerinde oluşan sıcaklık dağılımı. 22

Şekil.2.29. 15.dakikada alt konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. Şekil.2.30. 15. dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. 23

2.2.3.2. 30 Dakika Isıtılan ve Alt Konumda Bulunan Küplerin Analizi: Şekil 2.31. 30.dakikada alt konumda bulunan küplerdeki sıcaklık dağılımı. Şekil 2.32. 30.dakikada orta düzlemdeki plane üzerinde oluşan sıcaklık dağılımı. 24

Şekil 2.33. 30. dakikada alt konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. Şekil 2.34. 30. dakikada Plane üzerindeki hız vektörlerinin yakınlaştırılmış görüntüsü. Şekil 2.35. 30.dakikada Plane üzerindeki hız vektörlerinin genel görüntüsü. 25

2.2.3.3. 45 Dakika Isıtılan ve Alt Konumda Bulunan Küplerin Analizi: Şekil.2.36. 45.dakikada alt konumda bulunan küplerdeki sıcaklık dağılımı. Şekil 2.37. 45.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı. 26

Şekil 2.38. 45.dakikada alt konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. Şekil 2.39. 45. dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. 27

2.2.3.4. 60 Dakika Isıtılan ve Alt Konumda Bulunan Küplerin Analizi: Şekil 2.40. 60.dakikada alt konumda bulunan küplerdeki sıcaklık dağılımı. Şekil.2.41. 60.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı 28

Şekil.2.42. 60.dakikada alt konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. Şekil.2.43. 60.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. 29

2.2.3.5. 15 Dakika Isıtılan ve Orta Konumda Bulunan Küplerin Analizi: Şekil 2.44. 15.dakikada orta konumda bulunan küplerdeki sıcaklık dağılımı. Şekil 2.45. 15.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı. 30

Şekil 2.46. gösterimi. 15.dakikada orta konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin Şekil 2.47. 15.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. 31

2.2.3.6. 30 Dakika Isıtılan ve Orta Konumda Bulunan Küplerin Analizi: Şekil 2.48. 30.dakikada orta konumda bulunan küplerin üzerindeki sıcaklık dağılımı. Şekil 2.49. 30.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı. 32

Şekil 2.50. 30.dakikada orta konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. Şekil 2.51. 30.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. 33

2.2.3.9. 15 Dakika Isıtılan ve Üst Konumda Bulunan Küplerin Analizi: Şekil 2.60. 15.dakikada üst konumda bulunan küplerin üzerindeki sıcaklık dağılımı. Şekil 2.61. 15.dakikada plane üzerindeki sıcaklık dağılımı. 38

Şekil 2.62. 15.dakikada üst konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. Şekil 2.63. 15.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. 39

Şekil 2.74. 60.dakikada üst konumda bulunan küpler üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. Şekil 2.75. 60.dakikada plane üzerindeki hız vektörlerinin gösterimi. Sonuç: Analizlerin sıcaklık dağılım sonuçları şekillerde verilmiştir. Tüm analizlerde 2 kw lık ısı akısı kullanılmış olup analizler aynı zaman aralıklarında gerçekleştirilmiştir. Küplerdeki en yüksek sıcaklık en alt konumda 60 dakika ısıtılması ile elde edilmiştir. En düşük sıcaklık ise en üst konumda 15 dakika ısıtılması ile elde edilmiştir.en yüksek sıcaklık 950 K en düşük sıcaklık ise 335 K olarak bulunmuştur. Plane deki ısı dağılımları incelendiğinde en yüksek sıcaklığın 60. Dakikalarda ortaya çıktığı gözlemlenmiştir. Küplere yakın olan plane alanlarında sıcaklığın diğer alanlara göre daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. 45

BÖLÜM ÜÇ KONVEKSİYONEL FIRIN ANALİZİ VE SONUÇLARIN MİKRODALGA FIRIN İLE KARŞILAŞTIRILMASI 3.1 KONVEKSİYONEL FIRIN 3.1.1. Fırının Modellenmesi Fırın 285x285x155 mm boyutlarında olmak üzere GAMBİT programı kullanılarak modellenmiştir.fırının içine yerleştirilen cisim 160x60x20 mm boyutlarındadır. Cismin altındaki tabla 132.5 mm yarıçapında olup 2 mm kalınlığındadır. Şekil 3.1. Modelin teknik resmi. 46

Şekil 3.2. Gambitte çizilen modelin üstten görünümü. Şekil 3.3. Gambitte çizilen modelin izometrik görüntüsü. 47

Şekil 3.4. Meshlenmiş modelin önden görünümü. Şekil 3.5. Sınır koşullarının gösterimi 48

Kullanılan cismin malzemesi PVC dir.turn table olarak adlandırılan döner tablanın malzemesi ise PYREX (Sıcağa dayanıklı cam) dir. Tablo 3.1. Kullanılan malzemelerin özellikleri. 3.1.2. Analiz Sonuçlarının Karşılaştırılması Mikrodalga fırının ölçüleri, kullanılan malzemeler ve analiz sonuçları kaynak makaleden alıntılanmıştır. İki fırının karşılaştırmasını yapabilmek ve aradaki farkı görebilmek amacıyla aynı ölçülerde ve aynı malzemeler kullanarak oluşturulan konveksiyonel fırının analiz sonuçları FLUENT ortamında elde edilmiştir. 49

3.1.2.1. Tabla Sabitken Sıcaklık Dağılımlarının Karşılaştırılması Analizler 100 s süre ile gerçekleştirilmiştir. Şekil 3.6. Konveksiyonel fırındaki cismin sıcaklık dağılımı (K) Şekil 3.7. Mikrodalga fırındaki cismin sıcaklık dağılımı (Tabla Sabit) YORUM: Şekillerde görüldüğü üzere konveksiyonel fırında ısı akısı alttan verildiği için cismin alt tarafı ve tabla daha fazla ısınmıştır. Mikrodalgada sıcaklık dağılımının homojen bir şekilde gerçekleştiği görülmektedir ancak tabla dönmediğinden uygun sıcaklık dağılımı tam olarak elde edilememiştir. 50

3.1.2.2 Tabla Hareketliyken Sıcaklık Dağılımlarının Karşılaştırılması Şekil 3.8. Konveksiyonel fırındaki cismin sıcaklık dağılımı (K) Şekil 3.9. Mikrodalga fırındaki cismin sıcaklık dağılımı (Tabla Hareketli) Yorum: Tabla hareketli iken yansıma katsayısı (reflection coefficient) azaldığı için cismin daha çok ısındığı gözlemlenmiştir. Konveksiyonel fırında tabla sabit olduğu için herhangi bir değişim gözlemlenmemiştir. Mikrodalga fırında tabla hareketli olduğu için daha homojen bir sıcaklık dağılımı elde edilmiştir. 51

3.1.2.3. Cisim Üzerinde Alınan Bir Noktanın Sıcaklık-Zaman Grafiklerinin Karşılaştırılması Yukarıda gösterilen nokta için konveksiyonel ve mikrodalga fırınlardaki zamana bağlı sıcaklık dağılım grafiği aşağıda verilmiştir. SICAKLIK (ºC) 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 ZAMAN (s) Mikrodalga fırındaki sıcaklık dağılımı Konveksiyonel fırındaki sıcaklık dağılımı Şekil 3.10. Cisim üzerindeki noktanın sıcaklık-zaman grafiği 52

Yorum: Aynı özelliklere sahip iki noktaya aynı sürede, eşit ısı akısı kullanılarak yapılan analizlerde mikrodalga fırın içerisinde bulunan cismin üzerindeki noktanın daha çok ısındığı gözlemlenmiştir. Bu sonuçlara göre mikrodalga fırının veriminin daha yüksek olduğunu gözlemleyebiliriz. 3.1.2.4. Konveksiyonel Fırındaki Cismin Orta Noktasındaki Ve Alt noktasındaki Bir Noktanın Sıcaklık Dağılımı-Zaman Grafiklerinin Karşılaştırılması 120 100 80 Sıcaklık ( C) 60 40 Alt nokta orta nokta 20 0 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 zaman (s) Şekil 3.11. Konveksiyonel fırın içindeki cisim üzerinde bulunan farklı iki noktanın sıcaklıkzaman grafiği. Yorum: Şekilde görüldüğü üzere konveksiyonel fırında ısıtılan cismin orta noktası 100 sn de 1.2 ºC ısınmış iken, alt noktasının sıcaklığı 84ºC artmıştır. Buna göre konveksiyonel fırında homojen bir sıcaklık dağılımı olmadığı gözlemlenmiştir. 53

BÖLÜM DÖRT SONUÇ Bu çalışmada konveksiyonel ve mikrodalga fırınlar incelenmiş olup FLUENT ile yapılan analizlerle karşılaştırmalar yapılmıştır. Çalışmanın ilk bölümünde fırınlar hakkında genel bilgi verilmiş olup bu fırınların avantajları dezavantajları verilmiştir. İkinci kısımda ise konveksiyonel bir fırın analiz edilmiş olup çeşitli konumlarda bulunan bir cismi farklı zaman aralarında ısıtılıp sıcaklık dağılımları incelenmiştir. Konveksiyonel fırınlarda sıcaklık dağılımının homojen olmadığı gözlemlenmiştir. Üçüncü bölümde ise mikrodalga ve konveksiyonel fırınlar analiz edilip ikisi arasında karşılaştırmalar yapılmıştır. Çıkan sonuçlara göre mikrodalga fırınların veriminin daha yüksek ve sıcaklık dağılımını homojen bir şekilde gerçekleştirdiği ortaya çıkmıştır. 54

BÖLÜM BEŞ KAYNAKLAR [1] Doç. Dr. M. A. Sahir Arkan, Sonlu Elemanlar Metodunun Mühendislikte Uygulamaları, 2004. [2] Yoshifumi Okamato, Ryutero Himeno, Kiminori Ushida, Akira Ahagon Coupled Analysis of Electromagnetic Wave and Heat Conduction with Rotational Motion of Heated Target and Temperature-Dependent Complex Permittivity, 2007. [3] Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri-Frank P. Incropera, David P. DeWitt, 4.basımdan çeviri [4] FLUENT 6.2 User's Guide 55