INCREASING THERMAL EFFICIENCY IN BUILT-IN OVENS TO ENSURE SUSTAINABILITY

Yıl 2025, Cilt: 33 Sayı: 1, 1679 - 1694, 24.04.2025

Muharrem Keyfoğlu , Süleyman Fatih Kırmızıgöl

https://doi.org/10.31796/ogummf.1433107

Öz

Increasing the thermal efficiency of built-in ovens is crucial due to rising energy costs and the current energy crisis. This study, both experimental and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were conducted to improve the energy efficiency of an existing oven with internal dimensions of 610 x 545 x 579 mm, resulting in a volume of 72 L, which can accommodate productions of different sizes. While temperatures were measured as the comparative parameter for the outer sheets and internal regions of the oven during experiments, in the CFD simulation, heat power of the resistors, ambient conditions (P_s = 101235 Pa), temperature (T_o = 22 °C), material densities, thermal conductivities, specific heat values, and emissivity coefficients for surfaces with enamel coatings were defined to conduct studies on heat transfer through conduction, radiation, and convection. In the CFD simulation, the k-ε Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) turbulence model was selected, and within the validated mesh structure, it was determined that there was a maximum difference of 1.02% between the central temperature values of the experiment and CFD, and a maximum difference of 8.56% around the oven sheet surfaces and cooling fan, with a difference of under 15% in all areas except for 4 zones in the glass area. Improvement studies conducted with different Fan Protection Sheet designs resulted in an energy saving of 40 Wh with the use of aluminum-coated glass wool insulation instead of glass wool, yielding a total energy saving of 131 Wh when all improvements were applied to reach A+ level.

Anahtar Kelimeler

CFD , Energy , Efficiency , Oven , Experiment

SÜRDÜREBİLİRLİĞİ SAĞLAMAK AMACIYLA ANKASTRE FIRINLARDA ISIL VERİMLİLİK ARTIRMA

Öz

Ev tipi ankastre fırınlar günlük yaşantıda sıkça kullanılan mutfak ekipmanlarıdır. Bu ekipmanların ısıl verimliliğinin artırılması, enerji maliyetlerinin yükseldiği ve enerji krizinin yaşandığı günümüz Dünya’sında kritik öneme sahiptir. Farklı boyutlarda üretimleri gerçekleştirilebilen fırınların bu çalışma kapsamında 610 x 545 x 579 mm boyutlarında iç hacmi 72 L olan mevcut bir fırının enerji verimliliğinin iyileştirilmesi hem deneysel hem de Solidworks Flow Simulation (SWFS) ticari yazılımı kullanılarak Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) sayısal çalışması gerçekleştirilmiştir. Deneylerde fırın dış sacları ve iç bölgelerinden alınan sıcaklık değerleri karşılaştırma parametresi olarak ölçülürken HAD sayısal çalışmasında rezistansların ısı gücü, ortam koşulları (Ps = 101235 Pa), sıcaklığı (To = 22 °C), malzemelerin yoğunluğu, ısıl iletkenliği, özgül ısı değerleri ve emaye kaplamaların olan yüzeyler için emisivite katsayısı tanımlanarak iletim, ışınım ve taşınım ısı transferi çalışmaları yapılmıştır. HAD sayısal çalışmasında k-ε Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) türbülans modeli seçilmiş ve doğrulanan ağ yapısında Deney-HAD arasında merkez sıcaklık değerleri arasında %1,02 ve fırının sac yüzeyleri ve soğutma fanı etrafında en fazla %8,56 ve cam bölgesinde 3 bölge haricinde %9 altında fark olduğu tespit edilmiştir. Farklı fan koruma sacı (FKS) tasarımları ile yapılan iyileştirme çalışmalarında 40 Wh ve cam yünü yerine alüminyum kapmalı cam yünü yalıtım kullanımı ile 37 Wh enerji tasarrufu elde edildiği tespit edilmiştir. Çalışma kapsamında yapılan iyileştirmelerin hepsi uygulandığında 131 Wh enerji tasarrufu sağlanarak A+ seviyesine ulaşması sağlanmıştır.

Anahtar Kelimeler

Deney , Enerji , Fırın , HAD , Verimlilik

Kaynakça

• Altun, Ö., Yıldız, Ş., & Anık, T. (2018). Ankastre Ev Tipi fırınlarda fırın Kapağının Enerji Tüketimi ve Enerji Seviyesine Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 25(4), pp. 403-409. doi: 10.5505/pajes.2018.23922
• Constantin, G. A., Munteanu, M. G., Voicu, G., Paraschiv, G., & Ştefan, E. M. (2023). An analysis of air flow in the baking chamber of a tunnel-type electric oven. Computation, 11(236), pp. 2-20.
• Çengel, Y. A., & Ghajar, A. J. (n.d.). Isı ve Kütle Transferi (4 ed.). Palme Yayıncılık.
• EN 60350-1. (2013). Household electric cooking appliances Part 1: Ranges, ovens, steam ovens and grills - Methods for measuring performance. GENELEC Europan Committe for Electrotechnical Standardization Brussels.
• Fahey, M., & Karagöz, İ. (2007). Use of computational fluid dynamics in domestic oven design. Int. Jnl. Of Multiphyssics, 2(1). doi:10.1260/175095408784300216
• Guerin, D., Morin, V., Chaussy, D., & Auriault, J. L. (2001). Thermal conductivity of handsheets, papers and model coating layers. 12th Fundamental Research Symposium, pp. 927-945. doi: 10.15376/frc.2001.2.927
• isollat. (n.d.). Retrieved from https://www.isollat.com/
• Kayıhan, S. A. (2003). Elektrikli fırınların ısıl performansının deneysel olarak incelenmesi. İstanbul: İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. doi:http://hdl.handle.net/11527/9850
• Khatibi, M., Zamani, H., & Mirzababaee, S. M. (2023). Flatbread baking process under time-varying input power in a home-scale electric oven: 3D CFD simulation with experimental validation. Thermal Science and Engineering Progress, 46. doi:https://doi.org/10.1016/j.tsep.2023.102129
• Khatir, Z., Paton, J., Thompson, H., Kapur, N., Toropov, V., Lawes, M., & Kirk, D. (2012). Computational fluid dynamics (CFD) investigation of air flow and temperature distribution in a small scale bread-baking oven. Applied Energy, 89(1), pp. 89-96. doi:https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.02.002
• Khatir, Z., Taherkhani, A. R., Paton, J., Thompson, H., Kapur, N., & Toropov, V. (2015). Energy thermal management in commercial bread-baking using a multi-objective optimisation framework. Applied Thermal Engineering, 80, pp. 141-149. doi:https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.01.042
• Kırmızıgöl, F., & Uçar, M. (2024). Bir Hava Temizleme Cihazının Sayısal ve Deneysel Yöntemlerle İncelenmesi. Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, 458-469. doi:https://doi.org/10.21205/deufmd.2024267812
• Kokolj, U., Skerget, L., & Ravnik, J. (2017). The validation of numerical methodology for oven design optimization using numerica simulations and baking experiments. Journal of Mechanical Engineering, 63(4), pp. 215-224. doi:10.5545/sv-jme.2016.4089
• Lam, C. K., & Bremhorst, K. (1981, 09). A modified form of k-ε model for predicting wall turbulence. Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, 103, pp. 456-460.
• Lu, Y., Rane, S., & Kovacevic, A. (2022). Evaluation of cut cell cartesian method for simulation of a hook and claw type hydrogen pump. International Journal of Hydrogen Energy, 47(54). doi:https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.05.110
• Material data sheet thermally broken steel USA. (1997). Retrieved from UNI 10088-2: https://thermallybrokensteelusa.com/wp-content/uploads/2015/10/Material_Data_Sheet-Thermally-Broken-Steel-USA.pdf
• Material: Polyamide 66. (n.d.). Retrieved from Licharz Engineering Plastics : https://www.holes.hu/public/upload/files/PA66.pdf
• Material: Polyamide 66 GF 30. (n.d.). Retrieved from Licharz Engineering Plastics: https://www.holes.hu/public/upload/files/PA66-GF30.pdf
• Mirade, P. S., Kondjoyan, A., & Daudin, J. D. (2002). Three-dimensional CFD calculations for designing large food chillers. Computers and Electronics in Agriculture, 34, pp. 67-88. doi:https://doi.org/10.1016/S0168-1699(01)00180-6
• Mistry, H., Subbu, G., Dey, S., Bishnoi, P., & Castillo, J. L. (2006). Modeling of transient natural convection heat transfer in electric ovens. Applied Thermal Engineering, 26, pp. 2448-2456. doi:https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2006.02.007
• Modelling Turbulence. (2006, 09 29). Fluent Inc., pp. 12-26.
• Modest, M. (2013). Radiative Heat Transfer. doi:https://doi.org/10.1016/C2010-0-65874-3
• Niamsuwan, S., Kittisupakorn, P., & Suwatthikul, A. (2015). Enhancement of energy efficiency in a paint curing oven via CFD approach: Case study in an air-conditioning plant. Applied Energy, pp. 465-477. doi:https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.07.041
• Pensek, M., Holecek, N., Gierkes, H., & Golobic, I. (2005). Energy consuption analysis of domestic oven. Journal of Mechanical Engineering, pp. 405-410. doi:10.1615/ICHMT.2004.IntThermSciSemin.560
• Piaia, J. C., Claumann, C. A., Quadri, M. B., & Bolzan, A. (2018). Air flow CFD modelling in an industrial convection oven. CFD Techniques and Thermo-Mechanics Applications. doi:10.1007/978-3-319-70945-1_1
• Schott. (2004). TIE-31: Mechanical and thermal properties of optical glass.
• Shanks, H. R., Maycock, P. D., Didles, P. H., & Danielson, G. C. (1963). Thermal conductivity o silicon from 300 to 1400 K. Physical Review Journal Archive, 130(5), pp. 1743-1748. doi:https://doi.org/10.1103/PhysRev.130.1743
• Sobachkin, A., & Dumnov, G. (n.d.). Numarical basis of CAD-Embedded CFD . NAFEMS World Congress, pp. 1-20.
• Stinger, J. D., Scheerlinck, N., Nicolai, B., & Impe, J. F. (2001). Optimal heating strategies for a convection oven. Journal of Food Engineering, 48(4), pp. 335-344. doi:https://doi.org/10.1016/S0260-8774(00)00176-X
• Şahin, S. (2023). A systematic approach to numerical analysis and validation for industrial oven design and optimization. Research Square, pp. 1-22. doi:10.21203/rs.3.rs-3131043/v1
• Wakes, S. J., Maegli, T., Dickinson, K. J., & Hilton, M. (2008). Three-Dimensional Flow Simulation Over a Complex Sand Dune System. Environmental Problems in Coastal Regions VII, pp. 221-230. doi:10.2495/CENV080211
• Yamalı, C. (2019). Isıl iletkenlik test raporu ISOLLAT ısı yalıtımı malzemesi. Ankara: Makina Mühendisliği Bölümü Orta Doğu Teknik Üniversitesi.