Araç havalandırma ısıtma sistemi tasarım analiz test ve üretimi
Vehicle ventilation heating system design analysis test and production
- Tez No: 731299
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HAYRİ ACAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Otomotiv Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Engineering Sciences, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 122
Özet
Rüzgâr tünelleri günümüzde geniş bir alanda pek çok sistemin test edilmesinde kullanılmaktadır. Özellikle gelişen teknoloji ile CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) uygulamaları ile elde edilen çözümlerin doğrulaması için, farklı tip ve tasarımlarda rüzgâr tünelleri inşa edilmektedir. Bu çalışmada özellikle de Aerodinamik Bilim Dalıyla ilgili alanlarda yapılan analitik uygulamaların deneysel testlerinde önemli bir yere sahip Rüzgâr Tünelleri ile ilgili bilgiler verilirken, söz konusu rüzgâr tünellerinin kısaca karşılaştırılması da yapılmıştır. Günden güne artan araç içi termal konfor talebi ile birlikte bu talebi karşılamak üzere havalandırma ve iklimlendirme sistemleri (HVAC) kapsamında yapılan araştırma ve geliştirme çalışmalarında büyük ilerlemeler kaydedilmiştir. Yapılan çalışmalar araç içi konforun sağlanmasının yanında HVAC sistemlerinin termal verimliliklerinin arttırılması üzerine de yoğunlaşmaktadır. Bu çalışma kapsamında kurulacak rüzgâr tüneli ile“Araba Kabin İçi Yardımcı Isıtma Sistemi Elemanları”için performans testlerinin yapılabileceği bir test sistemi tasarım çalışması yapılacaktır. Yapılan çalışma kapsamında kurulacak olan rüzgâr tüneli CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) ortamında analizleri gerçekleştirilip prototiplenen araç kabin içi yardımcı ısıtma sistemi elemanlarının gerçek ortam performans testlerinin yürütülmesinde kullanılacaktır. Günümüzde elektrikli araçlarda; ana ısıtma sistemi olarak kullanılan PTC (Pozitife Temperature Coefficient) ısıtıcılar, araç iç ortam sıcaklığını hızlıca konforlu olarak kabul edilen sıcaklıklara ulaştırabilmektedir. İçten yanmalı motorlu araçlarda ise; motor çalıştırıldıktan sonra motorda oluşan atık ısı, hava kanallarından geçirilerek araç içerisine yönlendirilmektedir. Bu yaklaşım oldukça verimlidir, atık ısı enerji geri dönüşümü yolu ile araç içi ısıtılmasında kullanılır. Ancak soğuk iklim şartlarına sahip bölgelerde ve özellikle dizel motorlu araçlarda yüksek sıkıştırma oranına bağlı patlamaya dayanıklı yoğun blok alaşımları ve yanma odasında ısı kaybının nispeten az olması nedeniyle geç ısınırlar. Bu sebeple motorun ısınma süresine bağlı olarak buzlanmanın çözülmesi ve araç içinin ısınma süresi uzamaktadır. Tüm bu etmenler araç iç ortam sıcaklığının, konforlu olarak kabul edilen sıcaklıklara ulaşmasını geciktirmekte ve yolcuların bu süre zarfında konforsuz hissetmesine neden olmaktadır. PTC ısıtıcılar, içten yanmalı motorlu, yüksek enlemli ve soğuk bölgelerde kullanılan ve yüksek konfor şartları aranan orta-üst sınıf araçlarda, araç kabin içi ek ısıtma sistemi olarak kullanılmaktadır. Özellikle uygun iklim ve sıcaklık yeter şartının sağlanmadığı havalarda, araç motorunun ısınıncaya kadar geçen sürede ısıtma sistemi destekleyerek, 30 saniye gibi kısa sürede araç kabin içi konfor koşullarına ulaşılmasını sağlar. Aracın içine yönlendirilen hava PTC ısıtıcıdan geçerek, kabin içerisinde ısıtma sağlanması ve buz çözme gibi termal sorunların giderilmesinde kullanılır. Hava tüneli tasarımı yapılırken, ilk olarak yapılacak deneyin özellikleri, deney odasındaki akım ve sınır şartlarının düzgünlüğü, deney odasının açık veya kapalı oluşu ile birlikte, deney düzeneğinin yerleştirileceği mahal şartları belirlenmiştir. Ayrıca deney odasındaki akım şartları da hava tünelinin asıl tasarımına etki eden önemli bir özelliktir. Bu amaçla, araçlarda, kabin içi yardımcı ısıtma sistemi elemanı olacak bir ısıtıcı kartuş tasarımının karşılaştırma analizlerinin yapılabileceği, rüzgâr tüneli tasarımı için gerekli bilgiler; Otomotiv firmalarının teknik şartnamelerine ve teknik performans isterlerine göre şekillendirilmiştir. Firma isimleri verilmeden, iki potansiyel firmanın teknik şartnamelerindeki, performans isterileri deney düzeneğinin yerleştirileceği mahal şartları, akım sınır şartları ve test düzeneğinin tasarımında temel kıstasları oluşturacaktır. Isıtıcı kartuşun analizi ve geliştirmeleri CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) yöntemler kullanılarak yapılacaktır. Bu analizler kurulan deney düzeneğinden alınan sonuçlar ile karşılaştırılıp yorumlanacak ve geliştirme faaliyetlerine bu sonuçlar analiz edilerek devam edilecektir. Projenin literatür araştırmaları sırasında, otomotiv sektöründe kullanılan benzer ürünler ve bu ürünlerin test edilmesinde kullanılan test ve analiz yöntemleri incelenmiş, bunun yanında konu ile ilgili makale ve patentler de incelenerek tasarım ayrıntıları ve iyileştirilebilecek noktalar tespit edilmeye çalışılmıştır. Çalışma kapsamında; elektrikli ve motorlu araçlarda kullanılan, araç kabin içi yardımcı ısıtma sistemi elemanlarının test edileceği rüzgâr tünelinin tasarımı, boyutlandırılması ve optimizasyonu, temel ısı transferi, akışkanlar mekaniği, ampirik hesaplama yöntemleri ile CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) yöntemleri kullanılarak yapılmıştır. Isıtıcı kartuşu ile ilgili yapılan araştırmalar ve piyasada hâlihazırda kullanılmakta olan, mevcut Isıtıcı ürünlerin incelenmesi sonrasında, tasarım ve geliştirme faaliyetleri yürütülmüştür. İncelenen bu ürünlerin boyutlandırmaları dikkate alınarak, çalışmada inşa edilecek rüzgâr tünelinde en düşük 100mm x 150mm ve en büyük 200mm x 300mm boyutlarında test numunelerin incelenebilecek şekilde tasarlanması uygun görülmüştür. Bu amaçla test tüneli akış alanı, test alanı boyutlandırmaları ölçülerine uygun olacak şekilde tasarlanmıştır. Yapılan tasarım ve geliştirme faaliyetlerine dair çalışmalarda, CAD (Computer Aided Design) yazılımı olarak NX-Siemens, CFD analizlerinin yapılmasında ise Ansys-Fluent 19 yazılımı kullanılmıştır. Analiz çalışmaları 64 GB RAM ve 16 çekirdek işlemci gücüne sahip iş istasyonuyla yürütülmüştür. Çalışma kapsamında ısıtma ünitesinin, homojen hava akımı kaynağına dik olacak şekilde bir fikstür içine monte edileceği kartuş düzeneği oluşturulmuştur. Düzeneğin önünde, deney odası akım şartlarının belirlenmesi için kartuş öncesinde sabit olarak yerleştirilecek pitot tüp ile kartuş bölgesi öncesi ve sonrasındaki sıcaklık ölçümü için 2 adet termokupl yerleştirilmiştir. Kartuş düzeneğinin hemen arkasında 12 adet termokupl yerleştirilerek, ısıtma ünitesinin etkinliğinin akış alanının tamamını kapsayacak şeklide, aktif olarak takip edileceği düzenek oluşturulmuştur. Testlerin iklimlendirme koşullarını sağlayacak ESPEC ARS-0220 kabin kullanılacaktır. Isıtıcı güç kapasitesine göre iki kabinin gerektiğinde paralel bağlanarak şartlandırma kapasitesinin arttırılabileceği düşünülmektedir. Numune incelemelerinde hava giriş sıcaklığının −40°C ila +25°C aralığında testlerin yapılmasına uygun olması düşünülmektedir. Bir sonraki aşamada rüzgâr tüneli tasarımının imalatına geçilmiştir. Isıtıcı ünitenin bağlanacağı çerçeve ve deney odasındaki akış alanını düzenleyici parçalar, ısı yalıtımı sağlanması için özel fiber malzemeden seçilmiş ve farklı boyutlarda numunelerin test edilebilmesini sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Kanal sistemini taşımak üzere standart alüminyum profilden modüler bir kanal taşıyıcı aparat tasarlanmış, ayrıca titreşim azaltmak amacıyla ve fan motor bölümü altında titreşim sönümleyici karkas sistem tasarımı yapılmıştır. Rüzgâr tüneli sistem elemanlarının bir araya getirilmesi ve ölçüm duyargalarının yerleştirilip test edilmesi sonrasında, tüm sistemde deney sırasında yaşanabilecek ısıl enerji kayıplarını önlemek üzere cam yünü ile kaplanması işlemi gerçekleştirilerek, testlere hazır hale getirilmiştir. Piyasada kullanılan mevcut ısıtıcı ürünler ile karşılaştırma yapılarak tasarım ve geliştirilmesi yapılan ısıtıcılar, tasarlanan rüzgâr tünelinde test edilmiştir. Tasarlanan rüzgâr tüneli ile“Araba Kabin İçi Yardımcı Isıtma Sistemi Elemanları”için performans testlerinin yapılabileceği modüler bir test sisteminin tasarlanmıştır. Bu tasarımdaki temel amaç; Birim alanda yüksek ısı transferi sağlayacak ısıtıcı tasarımları oluşturmak ve gerçek çalışma şartlarında bu ısıtıcı sistemlerini test etmektir. Bu bağlamda, ısıtıcının ısıl ve aerodinamik performansını arttırmak ve tasarıma bağlı dirençleri azaltmak adına farklı tasarımlar yapılmış ve oluşturulan test sisteminde test edilmiştir. Farklı ısıtıcı tasarımları için gerçekleştirilen analiz sonuçları ısıl kapasite (W), basınç kaybı (Pa) ve birim malzeme başına elde edilen ısıl kapasite (W/m3) parametreleri temel alınarak kıyaslanmış, ardından yapılan rüzgâr tüneli testlerinin sonuçları kayıt altına alınarak, geliştirme çalışmalarına devam edilmiştir. Rüzgâr tüneli testlerinden elde edilen sonuçlar kullanılarak sürekli tasarım iyileştirmeleri yapılmıştır. Yapılan iyileştirmeler ile sektörde kullanılan ürünler arasında yapılan karşılaştırmalarda, ortalama kanat yüzey sıcaklıklarında 20°C'lik bir artış sağlanmıştır. Isıtıcı çıkışında hava sıcaklığının 7.7°C yükseldiği görülmüştür. Çalışma sonunda ortalama yüzey kanat sıcaklığı arttırılmış, muadil ürünlerle kıyaslandığında daha yüksek güç değerlerine ulaşılmıştır. Aynı kesit alanında ısıtma kapasitesinde %44'lük bir artış sağlanmıştır. Tasarımın son aşamasına gelindiğinde tasarım ve geliştirilen bu sistem patentlenerek koruma altına alınmıştır. Kurulan rüzgâr tünelinde ilerleyen aşamalarda ısıtıcı kartuş sisteminin farklı iklimlendirme koşullarındaki performans testleri de yapılacaktır. Farklı iklimlendirme koşullarındaki ısıtıcı performans testleri ile tasarlanan ısıtıcıya ait geniş spektrumlu bilgi birikimi oluşturulması beklenmektedir. Mevcut rüzgâr tüneli tasarımı ve parametrik ısıtıcı geliştirme analiz çalışması ile elde edilen istatistiki bilgi birikimi, elektrikli araçlarda da kullanılabilecek yüksek güçte yeni ürünlerin tasarlanabilmesi için yerli ve güçlü bir alt yapı oluşturmuştur. Çalışma sonunda farklı boyutlarda farklı iklimlendirme koşullarında araba kabin içi yardımcı ısıtma sistemi elemanlarının test edilebildiği rüzgâr tüneli tasarımı yapılmıştır. Rüzgâr tünelinden alınan sonuçlar ilerleyen aşamalarda ısıtıcı kartuş sisteminin farklı iklimlendirme koşullarındaki performans testleri yapılmasına imkân tanımaktadır. Farklı iklimlendirme koşullarındaki ısıtıcı performans testleri ile tasarlanan ısıtıcıya ait geniş spektrumlu bilgi birikimi oluşturma anlamına gelir. Mevcut rüzgâr tüneli tasarımı ve parametrik ısıtıcı geliştirme analiz çalışması ile elde edilen istatistiki bilgi birikimi, elektrikli araçlarda da kullanılabilecek yüksek güçte yeni ürünlerin tasarlanabilmesi için yerli ve güçlü bir alt yapı oluşturmuştur.
Özet (Çeviri)
Nowadays wind tunnels are used to test many systems in a wide range. Different types of wind tunnel designs are built, especially to verify the solutions obtained with Computational Fluid Dynamics CFD (Computational Fluid Dynamics) applications with the developing technology. In this study, while giving information about the historical development of“Wind Tunnels”, which occupy an important place in the experimental testing of analytical applications, especially in the fields of aerodynamics. General information is also given on the different types of wind tunnels and a brief comparison of these wind tunnels is made. With the increasing demand for thermal comfort in vehicles, research is becoming more intense day by day. As a result, great progress has been made in research and development studies for ventilation and air conditioning systems (HVAC) systems designed to increase thermal comfort in vehicles. These advances are not only providing comfort, but also to the thermal efficiency of the vehicle, and thermal performance is becoming increasingly important in automotive air conditioning systems. The wind tunnel to be built will be used to conduct a study to develop a test system for performance testing for“Car Cabin Auxiliary Heating System Elements.”In the wind tunnel to be set up with this study, tests will be carried out on the interior auxiliary heating system elements of the vehicle cabin heater system, which will be analyzed and prototyped in the CFD (Computational Fluid Dynamics) environment. Nowadays, in electric vehicles, PTC (Positive Temperature Coefficient) heaters are used as the main heating system that can quickly bring the interior temperature of the vehicle to comfortable temperatures. In vehicles with internal combustion engines: After starting the engine, the residual heat generated in the engine is directed into the vehicle through the air ducts. This approach is very efficient because it is used to heat the interior of the vehicle by reusing waste heat with energy recycling. However, in regions with cold climate conditions and especially in vehicles with diesel engines, these heat up late due to the high compression ratio and relatively low heat loss in the combustion chamber because of the explosion-proof, dense block alloys. For this reason, depending on the warm-up time of the engine, the time required for defrosting and warming up the vehicle interior is prolonged. All these factors cause passengers to feel uncomfortable during the time that elapses before the vehicle's interior temperature reaches the temperatures that are considered comfortable. PTC heaters are used as an additional heating system in the interior of vehicles with internal combustion engines and are used in middle-upper class, high latitude, and cold regions where high comfort conditions are required. Especially in weather conditions where suitable climate and temperature conditions are not met, the thermal heating system supports the vehicle engine in the time it takes to warm up, ensuring that the comfort conditions in the vehicle interior are achieved in just 30 seconds. The air fed into the vehicle passes through the PTC heater and serves to provide heating in the interior and eliminate thermal problems such as defrosting. While designing the air tunnel, the characteristics of the test to be performed, the uniformity of the flow and the boundary conditions in the test chamber, and whether the test chamber is open or closed. And the environmental conditions in which the test setup is to be placed should first be determined. In addition, the flow conditions in the test chamber are also an important feature that affects the actual design of the air tunnel. For this purpose, the necessary information for the design of the wind tunnel, in which a comparative analysis of a heating design that will be an element of the auxiliary heating system for the interior of the cabin can be carried out, is designed according to the technical specifications and technical performance requirements of automotive companies. Without mentioning the names of the companies, the performance requirements in the technical specifications of the two potential companies will constitute the basic criteria for the design of the test setup, the current boundary conditions, and the flow boundary conditions where the experimental setup will be placed. Heating analyses, designs, and developments will be performed using the methods of CFD (Computational Fluid Dynamics). These analyzes will be compared and interpreted with the results obtained from the experimental setup and development activities will be continued by analyzing these results. During the literature review for the project, we examined similar products used in the automotive industry and the testing and analysis methods of similar products. Scope of work; The design, sizing, and optimization of the wind tunnel that will be used in electric and motor vehicles and in which the elements of the interior auxiliary heating system will be tested were performed using methods of heat transfer, fluid mechanics, and CFD (Computational Fluid Dynamics) methods. The design and development activities were carried out after researching PTC heaters and examination the existing PTC products currently used in the market. Considering the dimensions of these examined products, it was considered appropriate to investigate test samples with a width of 100-150 mm and a length of 200-300 mm in the wind tunnel to be constructed in the study. For this purpose, the flow area of the test tunnel was designed based on the dimensions of the test area. NX-Siemens was used as CAD (Computer-Aided Design) software in the studies on design and development activities, and Ansys-Fluent 19 software was used for CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis. The analysis studies were carried out with a workstation with 64 GB RAM and 16 core processor power. Within the scope of the study, a cartridge assembly was created in which the heating unit will be mounted in a fixture perpendicular to the homogeneous airflow source. A Pitot tube, which will be fixed in front of the assembly, is placed in front of the cartridge to determine the flow conditions in the test chamber. 2 constant temperature sensors are placed before and after the cartridge area for temperature measurement. By placing 12 thermocouples directly behind the cartridge assembly, a mechanism was created to actively monitor the efficiency of the heating unit, covering the entire flow area. ESPEC ARS -0220 cabin is used to meet the climate conditions of our tests. According to the heating capacity, it is assumed that the air conditioning capacity can be increased by connecting two cabinets in parallel if necessary. For sample tests, it is assumed that the air inlet temperature should be suitable for tests in the range of -40°C to +25°C. The frame to which the heating unit will be connected and the parts that regulate the flow area in the experiment room have been selected from special fiber material to provide thermal insulation and are designed to allow testing of samples of different sizes. A modular duct carrier apparatus made of a standard aluminum profile was designed to carry the duct system, and a separate vibration-damping carcass system designed to reduce vibration under the fan motor section. After assembling the wind tunnel system elements, placing and testing the measurement sensors, the whole system was covered with glass wool to prevent thermal energy losses that may occur during the experiment. With all these preparations and it was made ready for the tests. The main purpose of developing the test system in which performance tests can be carried out for the designed and developed PTC heaters is to use the existing PTC heating products on the market, the designed wind tunnel and the“Car Cabin Auxiliary Heating System Elements”, to develop heater designs that provide high heat transfer per unit area and to test these heating systems under real working conditions. In this context, various designs were created and tested in the test system to increase the thermal and aerodynamic performance of the PTC heater and reduce the design-related resistances. The analysis results for the different PTC heater designs were compared based on thermal capacity (W), pressure drop (Pa), and thermal capacity per unit material (W/m3) parameters, and then the progress in the wind tunnel tests was recorded. Based on the results of the wind tunnel tests, continuous improvements were made to the design. When comparing the improvements made with the products used in the industry, an increase of 20°C in the average surface temperatures of the blades was obtained. It was observed that the air temperature at the outlet of the heater increased by 7.7°C. At the end of the study, the average surface temperature of the blades was increased and higher performance values were obtained compared to equivalent products. For the same cross-sectional area, a 44% higher heating power was obtained. At the end of the study, a wind tunnel was designed to test the elements of the auxiliary heating system in the vehicle cabin under different climatic conditions and in different sizes. It will be used for testing and development of the wind tunnel and the new heating units.
Benzer Tezler
- PTC ısıtıcı ünitesi geliştirilmesi tasarımı ve analizi
PTC heater unit development design and analysis
ALTAY TABANCACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜNER ÇOLAK
- Evaluating the LCA of two buildings with close embodied energy which have different functions
Farklı işlevlere sahip olan iki binanın üç tür duvar kullanarak yaşam döngüsünün değerlendirilmesi
POOYA PAKMEHR
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA ERKAN KARAGÜLER
- Araç klima motorlarının sonlu elemanlar analizi metodu ile verimliliğinin arttırılması
Increassing the performance of vehicle air conditioning motor with finite analysis method
İBRAHİM GÖKÇE
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiYalova ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MAHMUT BİNGÖL
- Natural ventilation of high-rise buildings a methodology for planning with different analysis tools and case-study integration
Çok katlı binalarda doğal havalandırma farklı analiz araçları ve örnek alan entegrasyonu ile planlama için bir yöntem
TOBIAS SCHULZE
Doktora
İngilizce
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. AYŞE ZERRİN YILMAZ
PROF. DR. MARCO PERINO
- Sürdürülebilir mühendislik proje yönetimi için gerekli stratejik karar destek sistemi (PRO-SUR)
A strategic decision support system (PRO-SUR) for the development of sustainable project management
ŞİLAN HUN
Doktora
Türkçe
2015
Mühendislik BilimleriGazi ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERPİL EROL