Buz Dolabında Saydam Buz Olu¸sturulmasının Deneysel Ve Matemat˙ıksel Olarak ˙ıncelenmes˙ı

Abstract

Su ya¸sam için vazgeçilmezdir ve aynı ¸sekilde buz da - suyun katı hali - günlük hayatta bizim için oldukça gereklidir. Buzun en sık rastlanan kullanımı içeceklerin so˘gutulmasıdır. Bununla birlikte buz tüketimi yalnızca içecek so˘gutma ile sınırlı de˘gildir. Tıpta a˘grıları dindirme amaçlı so˘guk tedavisinden, süpermarket ve manavlarda ürünleri taze tutmaya, laboratuvarlardaki sayısız so˘gutma uygulamasından buz heykelcili˘ginie kadar birçok alanda buz kullanımına ihtiyaç vardır. Sıradan buz kabarcıklı ve gri bir görünüme sahiptir, saydam buzdan daha hızlı erir ve genellikle donma sırasında bulundu˘gu ortamın havasını barındırdı˘gı için belli bir tadı ve kokusu vardır. Saydam buzda ise kabarcıklı buza göre aynı hacim içinde daha fazla buz kütlesi mevcuttur ve erime sırasında çatlayıp arasına sıvı dolma ihtimali daha azdır dolayısıyla saydam buz saydam olmayan normal buza göre daha yava¸s erir. Saydam buz kokusuzdur çünkü içinde hava barındırmaz. Son olarak ise ¸seffaf oldu˘gu için daha estetik bir görünüme sahiptir. Bütün bu sebeplerden dolayı buzdolabında saydam buz üretimi önemli bir hedeftir. Di˘ger bir önemli hedef ise günlük kullanımda faydalı olması için buzu makul sürelerde üretebilmektir. Bu tez çalı¸smasının amacı buzdolabında 30dk’nın altında 300gr saydam buz üreten özel bir bölme tasarımı için gerekli verileri sa˘glamaktır. Tezin giri¸s kısmında suyun donması sırasında olu¸san kristal yapı özetlenmi¸stir. Buz yapım süreci anlatılmı¸s ve piyasada yaygın olarak bulunan saydam buz üreten ticari buz makinalarının yapısından da kısaca bahsedilmi¸stir. Literatür taraması kısmında buzda kabarcık olu¸sumunun altında yatan fiziksel süreçler ara¸stırılmı¸stır. Buna göre saydam buzun olu¸sabilmesi için yabancı madde barındırmayan su kullanmak önemli bir ¸sart olsa da tek ko¸sul bu de˘gildir. Saf sudan elde edilen buz bile donma sürecine müdahele edilmemi¸sse - yani derin dondurucuda sıradan bir buz kalıbında donmaya bırakılmı¸ssa - kabarcıklı bir görünüme sahip olacaktır. Literatür taraması kristalle¸sme sürecinde çözünmü¸s gazların katının içinden sıvıya do˘gru kaçmasının ve katı-sıvı donma arayüzüne yakın bölgede çözelti birikmesinin buzda kabarcık olu¸sumunun temel sebebi oldu˘guna i¸saret etmektedir. Saydam buz elde etmek için bu çözelti salınımı ve birikimi sürecinin iyi anla¸sılması ve sürece müdahele edilmesi gerekmektedir. Yani saydam buz elde etmek için yapılması gereken çözünmü¸s gazların katı yüzey yakınında birikmesini engellemektir. Literatürdeki hem deneysel hem de sayısal çalı¸smalar kabarcık olu¸sumunun bir ölçüde olasılıksal bir do˘gası oldu˘gunu belirtse de donma süreci belli ¸sartlar altında gerçekle¸sirse kabarcık olu¸sumunu engelleyip saydam buz elde etmek mümkündür. Temel hedef çözelti birikimini engellemek olmalıdır. Tezin patent incelemesi kısmında çe¸sitli buz makinası ve buz kalıbı/aparatı tasarımları anlatılmı¸stır. Bu tasarımlarda kullanılan yöntemler yava¸s ve tek yönlü so˘gutma, donma sırasında e¸szamanlı su sirkülasyonu ve donma sırasında buz kalıbının titre¸stirilmesini kapsamaktadır. Bahsedilen yöntemlerin ortak noktası donma yüzeyi yakınında çözelti birikimini engellemektir. ˙Ilk iki yönteme dayalı ticari ürünler bulunmakla beraber titre¸sim yöntemi ile çalı¸san bir ticari ürüne rastlanmamı¸stır. Patent incelemeleri literatür taraması kısmının sonuna eklenmi¸stir. Teorik hesaplama kısmının ilk yarısında literatürden elde edilmi¸s olan durgun suyun donması sırasındaki gaz salınımının ifade eden bir boyutlu çözelti geçi¸si denklemi ve bu denklemin sabit donma hızı durumundaki analitik çözümü kullanılmı¸stır. Makaledeki boyutsuz çözümde gerekli fiziksel de˘gerler yerlerine konarak belli buz büyüklüklerinde saydam buz elde edebilmek için gereken donma hızları elde edilmi¸stir. Teorik hesaplama kısmının ikinci yarısında ise akı¸s sırasında donma sürecinin çözelti birikimi açısından incelemesi yapılmı¸stır. Saydam buz elde edebilmek için akı¸stan kaynaklanan ta¸sınımla kütle geçi¸sinin buzun içinden suya salınan çözelti geçi¸si ile aynı miktarda olması gerekti˘gi kabul edilmi¸stir. Bu varsayımdan yola çıkarak ticari buz makinlarındaki mertebelerde bir donma hızında saydam buz elde etmek için gereken su akı¸s hızı hesaplanmı¸stır. Deneysel çalı¸smalar kısmında ticari buz makinalarında kullanılan yöntemler arasında en yaygını olan ve "¸selale yöntemi" olarak da adlandırılabilecek olan suyun so˘guk bir plaka üzerinden sürekli olarak sirküle edilmesine dayalı bir yöntem izlenmi¸stir. Deney yapmak için bu yönteme dayalı bir buz makinası prototipi olu¸sturulmu¸stur. Olu¸sturulan düzenek üzerinde DOE yöntemi ile belirlenmi¸s bir deney planı do˘grultusunda 5 ayrı de˘gi¸skenin incelendi˘gi 38 parametrik deney gerçekle¸stirilmi¸stir. Bu be¸s de˘gi¸sken sırasıyla ¸söyledir: akan suyun debisi, suyun yukarıdan a¸sa˘gıya akıtıldı˘gı deliklerin sayısı, so˘guk plakanın yer çekimi vektörüne göre duru¸s açısı, buharla¸stırıcı ısıtıcısı kullanımı ve buz kalıplarının derinli˘gi. Deneylerin çıktısı olarak belirlenmi¸s de˘gi¸skenler ise ortalama birim süre ve saydamlıktır. Aslında görsel bir özellik olan saydamlı˘gı sayısal veriye dönü¸stürmek için bu çalı¸smaya özgü bir sayısalla¸stırma yöntemi kullanılmı¸s ve tezin deneysel çalı¸sma kısmında yöntemin ayrıntıları payla¸sılmı¸stır. Çözelti birikimi ve kabarcıklanma etkisini daha görsel hale getirmek için ilk 19 deneyin arasından saydamlık de˘geri en iyi ve en kötü sonuç veren sırasıyla 8 ve 15 nolu deneyler içinde gıda boyası E129 (Allura Kırmızısı) çözünmü¸s olan su ile tekrarlanmı¸stır. Deneysel çalı¸smalar kısmındaki foto˘graflardan da anla¸sılabilece˘gi gibi arada çok ciddi bir görsel farklılık mevcuttur. Deney çıktıları Minitab yazılımı kullanılarak analiz edilmi¸stir. Faktörlerin ana etkileri haricinde bazı ikili etkile¸simlerin de sonuçta etkili oldu˘gu görülmü¸stür. Bu çıktılar yorumlanarak temel saydam buz elde etmek için gereken temel fiziksel ¸sartın ba¸sta so˘guk yüzey üstünde süreç ilerledikçe de buz yüzeyinin üstünde sürekli ve homojen bir su akı¸sı sa˘glanması oldu˘gu yorumu yapılmı¸stır. Bu gözle bakıldı˘gında ikili etkile¸simlerin saydamlık üzerindeki etkileri daha iyi anla¸sılmaktadır. Bu çıktı literatür taraması ile de uyumludur. Deney sonuçları literatür taraması ile uyumluluk içindedir. Donma arayüzü yakınında çözelti birikimini buz yüzeyinin tamamında engellemek için öncelikle so˘guk yüzeyin tamamını homojen biçimde kaplayacak sürekli bir akı¸s sa˘glanmalıdır. Buharla¸sma sıcaklı˘gını arttırmanın da sonuca ciddi bir etkisi oldu˘gu görülmü¸stür ancak artan buharla¸sma sıcaklı˘gının saydamlı˘ga olan olumlu etkisi ve birim süreye olan olumsuz etkisi iyi bir ¸sekilde dengelenmelidir. Minitab yazılımındaki Tepki Eniyileyicisi (Response Optimizer) aracı kullanılarak deneydeki girdiler en iyi çıktı olu¸sturacak ¸sekilde düzenlenmi¸s ve yeni bir buzdolabı saydam buz bölmesinin nasıl olması gerekti˘gi konusunda bir sonuca varılmı¸stır. Parametrik deney düzene˘gi, deneyler ve bütün analiz çalı¸smaları ARÇEL˙IK A¸S Merkez ARGE Termodinamik Teknoloji Ailesi bünyesinde gerçekle¸stirilmi¸stir.

Water is essentail to life and ice - its solid form - is also very useful in our daily lives. The most common reason to use ice is cooling beverages. But the need for ice is not restricted to beverages. In many areas such as cold therapy for pain relief in medical field, keeping the products chilled in supermarkets and fisheries, numerous cooling needs in laboratories or ice sculpting require using ice. Regular ice looks bubbly and grey, melts faster than clear ice and generally has a flavor. Clear ice melts slower because there is more ice mass in the same volume compared to bubbly ice and also it is less likely to crack and get filled with fluid so it melts slower, it is flavorless because it is pure & air free and finally it has a more aesthetic look. Production of clear ice is an important goal because of all of these reasons. Another important goal is to produce the ice in a range of duration so that it is practical to use in daily life. The literature survey provides useful information about the works that has been done Although an important condition to obtain clear ice is using water without impurities it is not the only condition. Even ice that is made out of pure water can end up having a bubbly look. The literature survey points to the physical phenomenon of gas liberation during solidification and accumulation of the dissolved gases as the root cause of bubble formation in ice. In order to produce clear and transparent ice this gas liberation and accumulation process should be manupilated. So the main idea behind obtaining clear, bubble free ice is preventing the accumulation of aqueous gas. Both the experimental and the numerical works in the literature mention that although the nature of bubble formation is stochastic to some degree it is possible to produce bubble free ice if the solidification process happens under certain conditions. In the patent search several ice machine and ice apparatus designs in the patent database about producing clear ice were mentioned. The methods used in these designs include slow unidirectional cooling, the circulation of water while freezing and vibrating the ice mold while freezing. The common aspect of these methods is to prevent the gas accumulation close to the solidification front. Summaries of such designs have been mentioned at the end of the literature search. In the theoretical calculations section the simultaneous water flow and freezing process was analyzed in termes of solute accumulation. It is assumed that in order to produce clear ice the convection mass transfer done by the water flow should be equal to the mass transfer done by the gas liberation from the solidification front. This assumption is used to calculate the minimum water flow velocity needed to produce clear ice at a freezing speed that is in the range of commercial ice machines. An experimental setup resembling the ice mold geometry and water flow system of commercial ice machines is built. 38 parametric experiments are done in order to understand the role of 5 different parameters: the water flow rate, number of water distribution holes, evaporator plate angle, evaporator temperature and ice mold depth. A quantification scheme was used to turn visual results into numerical data. The output data is analyzed using the Minitab software. Some cross relations between the effects of input parameters are observed and discussed. The best and worst cases in the parametric experiments are repeated using water with food dye E129. The experimental results are in agreement with the literature survey. Prevention of solute accumulation homogeneously on the cold plate can be achieved first by sustaining a flow of water that covers the whole cold plate surface. This includes the effects of water flow rate, evaporator angle, number of header holes and the type of ice mold. When the effects of higher flow rate, a tilted cold plate surface and higher number of header holes are combined a steady flow of water film over the cold surface can be achieved. The shallow ice mold also makes it easier for the flowing water to cover the whole surface of the cold plate. Increasing the evaporation temperature also has a role in the clear ice formation but the benefits in transparency and losses in average unit time for ice production should be well balanced. The response optimizer tool of the Minitab software is used to get the optimized input values to get the overall best results in terms of both transparency and average unit time. The experimental setup is built, all of the experiments and analyses are done in the Central R&D Department of ARÇEL˙IK A¸ S.