Development of centrifugal pump for electric vehicle battery thermal management system
Elektrikli araç batarya termal yönetim sistemi için santrifüj pompa geliştirilmesi
- Tez No: 762303
- Danışmanlar: DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Konstrüksiyon Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Günümüzde hızla azalan fosil enerji kaynakları ile giderek sıkılaşan emisyon regülasyonlarına bağlı olarak elektrikli ve hibrit araçlara olan talep her geçen gün artmaktadır. Elektrikli araçlar giderek yaygınlaşmasına rağmen, aracın menzilini uzatmak ve performansını menzil boyunca korumak halen en büyük problemlerden biridir. Bu sorunun esas nedenlerinin başında, bataryaların araç kullanım süresi boyunca, defalarca kez şarj ve deşarj olmasına bağlı olarak batarya performansının ve ömrünün giderek azalmasıdır. Araç ömrü boyunca batarya hücrelerinde meydana gelen ısınmalar uygun bir batarya termal yönetim sistemi (BTYS) ile kontrol edilmelidir. BTYS'nin sağlayacağı soğutma performansı sayesinde, araç çevrimleri esnasında batarya hücrelerinde oluşan ısı dışarı atılır. Bu vesileyle batarya ömrü ve araç performansı iyileştirilmiş olur. Ayrıca ısınma etkisinin yanı sıra soğuk çevre koşulları da batarya hücrelerinin ömrü ve araç performansı açısından kritik bir öneme sahiptir. BTYS'nin bataryayı araç kullanımı esnasında aşırı ısınmasını önlemesi gerektiği gibi düşük sıcaklıklarda da bataryayı optimum sıcaklığa getirecek kadar ısıtması gerekmektedir. 25 °C ila 40 °C sıcaklık aralığı, Li-ion piller için ideal çalışma koşullarını sağlar. Eğer sıcaklık 50 °C'nin üzerine çıkarsa pil ömrü için zararlı hale gelebilir. Batarya soğutma sistemleri; hava ile soğutma, sıvı ile soğutma-ısıtma, faz değişimi ile soğutma, doğrudan soğutucu ile soğutma ve termo-elektrik soğutma ısıtma sistemi olarak beş ana başlığa ayrılabilir. Sıvı ile soğutma efektifliği ve homojen bir sıcaklık dağılımı sağlamasından dolayı tercih edilmektedir. Bu beş ana başlık arasından, bu tez kapsamında, aktif sıvı ile soğutma sistemi değerlendirilmiş olup, termal sistemin soğutucu sıvı ihtiyacını karşılayacak bir soğutma pompa tasarlanmıştır. Ayrıca elektrikli araçlarda elektronik bileşenleri, elektrik motorunu ve invertörü soğutma amacıyla, araç içerisindeki farklı soğutma hatlarında birden fazla sayıda soğutucu pompa da bulunabilir. Elektrikli araçların soğutma ihtiyacını karşılayacak debi ve basınçta, aynı zamanda yüksek verimli bir soğutma pompası tasarlayabilmek adına, pompanın verimine etki eden her bir kanat parametresi ayrı ayrı ele alınıp, çalışma kapsamında değerlendirilmiştir. İlk etapta,turbomakine tasarım programı ile baz bir pompa tasarlanmıştır. Tasarlanan baz pompanın hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri yapılarak, pompa verim ve performans değerleri elde edilmiştir. Çalışmanın ilerleyen adımlarında pompa performansına ve verimine etki eden; kanat sarım açısı, çark volüt arası uzaklık ve yüzey pürüzlülüğü gibi parametreleri analiz edilerek pompa verimine ve performansına olan etkileri incelenmiştir. Yapılan analizlerin ardından, belirlenen tasarım noktası için, en yüksek verimi sağlayan her bir kanat parametre değeri belirlenmiş ve baz pompanın üzerinde verim değerine sahip olması istenen yeni çark geometrisi tasarımı esnasında kullanılmıştır. Bu kapsamda çalışmayı beş ana bölümde inceleyebiliriz. İlk bölümünde pompa hız üçgenleri, basma yüksekliği, debi, verim ve özgül hız gibi temeller açıklanmıştır. Çalışmanın ikinci bölümde ise test verileri mevcut olan örnek bir pompanın HAD modeli kurulmuş ve bu model üzerinden yüzey pürüzlülüğü değeri saptanmıştır.0, 20, 40, 60, 80 100, 120, 140, ve 200 μm yüzey pürüzlülüğü için HAD analizleri gerçekleştirilmiş, 100 μm yüzey pürüzlülüğüne sahip model, test sonuçlarına en yakın sonucu verdiği görülmüştür. Ayrıca örnek pompa analiz-test korelasyonu sayesinde, daha sonraki bölümlerde incelnmiş olan, özgün tasarım baz pompa analizlerinin türbülans modeli (k-ω SST), sınır koşulları gibi HAD parametreleri valide edilmiştir. Analizlerin güvenilirliğini kontrol etme maksadıyla çözüm ağından bağımsızlık çalışmaları yapılmıştır. Ek olarak, y^+ değerleri türbülans modeli gereksinimini sağlayacak sınırlar içerisinde tutulmuştur. 6059405 eleman içeren çözüm ağı ile baz pompanın HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın üçüncü bölümünde ise santrifüj pompa tasarımda kullanılan çark giriş çapı, çark çıkış çapı, kanat çıkış genişliği, kanat giriş açısı, kanat çıkış açısı, kanat kalınlığı, kanat sarım açısı, kanat sayısı, salyangoz baz çapı, salyangoz giriş genişliği, ayırma dili profili gibi hidrolik dizayn parametreleri açıklanmış ve başlangıç değeri olarak nasıl belirleneceği detaylı olarak anlatılmıştır. Üçüncü kısımda belirlenen tasarım parametrelerine uygun olarak dördüncü bölümde soğutma ihtiyacını karşılayacak debi ve basma yüksekliğine sahip bir baz pompa turbomakine tasarım programı ile tasarlanmıştır. Baz pompanın analizleri öncesinde ANSYS Mechanical programı yardımıyla yüksek kalitede sayısal çözüm ağları oluşturulmuştur. Kanadın çevresi boyunca k-ω SST türbülans modelinin gerektirdiği y^+ değerini sağlayacak uygun sayısal çözüm ağı elde edilmiştir. Baz pompanın HAD analizlerinde pompanın girişine sabit basınç, çıkışına ise 0.83 L/dk debi tanımlanmıştır. Bu sınır koşulları altında, pompanın basma yüksekliği 4.55 m; pompa verimi ise %50.3 olarak bulunmuştur. Beşinci bölümde ise baz pompanın kanat sarım açısı, ayırma dili çapı (volüt ile çark arası boşluk miktarı) ve yüzey pürüzlülüğü parametreleri değiştirilerek verime ve performansa etkisi incelenmiştir. Kanat sarım açısı için yapılan iterasyonlarda ise 70°, 80°, 90°, 100° ve 110° sarım açıları incelenmiş olup, tasarım noktasında en yüksek verim değerine 70° sarım açısında ulaşılmıştır. Çark volüt arası boşluk miktarını belirlemek için yapılan iterasyonlarda 55 mm, 56 mm, 57 mm, 58 mm, 63 mm ve 68 mm boşluk miktarı incelenmiştir. Analizler sonucunda en iyi verimi sağlayan tasarım dz=68 mm çapına sahiptir. Yüzey pürüzlülüğünün etkisini incelemek için pürüzsüz, 25 um, 50 um, 75 um, 100 um ve 300 um değerleri incelenmiştir. Yüzey pürüzlülüğü arttıkça verimin ve basma yüksekliğinin düştüğü gözlemlenmiştir. Otomotiv soğutma pompalarında kullanılan plastik çarklarda yüzey pürüzlülüğü değeri olarak 25 um seçilmiştir. Bu seçilen değerler ile son bölümde, en yüksek verimi sağlamaya yönelik yeni bir pompa tasarlanmış olup, bu pompanın baz pompa ile karşılaştırması yapılmıştır. Baz pompayla kıyaslandığında, en iyi verimi sağlaması hedeflenen pompanın basma yüksekliği %44, verimi ise %18 arttırılmıştır. Kavitasyon değerlendirilmesinde kullanılan ENPY3 değeri baz pompa için 1.5 metre, en verimli pompa için 1.62 metre bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
The demand for electric and hybrid vehicles is increasing day by day due to rapidly decreasing fossil energy sources and increasingly stringent emission regulations. Although electric vehicles are becoming more and more common, extending the vehicle's range and maintaining its performance throughout the range is still one of the biggest problems. One of the main reasons for this problem is the gradual decrease in battery performance and life due to the fact that the batteries are charged and discharged many times during the vehicle usage period. Heating that occurs in the battery cells along the life of the vehicle should be controlled by a suitable battery thermal management system (BTMS). Thanks to the cooling performance provided by BTMS , the heat generated in the battery cells during vehicle cycles is transferred to outside. In this way, battery life and vehicle performance are improved. In addition to the heating effect, cold environmental conditions have a critical importance in terms of battery cell life and vehicle performance. BTMS should not only prevent the battery from overheating during vehicle use, but also warm the battery to the optimum temperature at low temperatures. Under the 50° C degree temperature is required for battery life and it should be kept between 25-40° C temperature in operation cycle. BTSM has five main category which are air cooling, liquid cooling-heating, direct refrigerant cooling-heating, phase change material cooling-heating and thermo-electric cooling-heating. Among these five main topics, within the scope of this thesis, active liquid cooling was considered and a cooling pump was designed to provide enough coolant to thermal management system. In addition, in electric vehicles, there may be more than one coolant pump in different cooling lines inside the vehicle for the purpose of cooling the electronic components, electric motor and inverter. In order to design a cooling pump with high efficiency at the required flow rate and pressure that will meet the cooling needs of electric vehicles, each blade parameter that affecting the efficiency of the pump is handled separately and evaluated within the scope of the study. In the first place, a base pump was designed with turbomachinery design program. By performing computational fluid dynamics analysis of the designed base pump, pump efficiency and performance values were obtained. In the next steps of study, design parameters that affect pump performance and efficiency, such as blade wrap angle, cutwater diameter and surface roughness were investigated. After the numerical simulations, each blade parameter value that provides the highest efficiency was determined for the design point and these parameters were used during the new impeller geometry, which was desired to have an efficiency value above the base pump. In this context, we can examine the study in five main sections. In the first part, centrifugal pump fundamentals such as head, flow, efficiency and specific speed were explained. In the second part of the study, the numerical model of a benchmark pump with test data was created and the initial surface roughness value was determined from this model. CFD analyses were performed for 0, 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 and 200 μm surface roughness. The model with 100 μm surface roughness, provides the closest result to the test results. In addition, CFD parameters such as turbulence model (k-ω SST), boundary conditions and surface roughness of analyses of the new designed pumps, which were examined in the next sections, have been defined thanks to the benchmark pump analysis-test correlation. In order to check the reliability of the analyses, mesh independence studies were performed, and y^+ values were kept within the limits that would satisfy the turbulence model requirement. CFD analyses of the benchmark pump was carried out with the mesh containing 6059405 elements. In the third part of the study, basic hydraulic design parameters such as impeller inlet diameter, impeller outlet diameter, blade outlet width, blade inlet angle, blade outlet angle, blade thickness, blade wrap angle, blade number, volute base diameter, volute inlet width and cutwater profile were explained. Also how to determine initial values of these parameters were clarified. In accordance with the design parameters determined in the third section, a base pump that meets the cooling requirement was designed with the turbomachinery design program in the fourth section. Before the analysis of the base pump, high quality meshes are created with the help of ANSYS Mechanical program. Appropriate mesh was obtained along the blade edges that would provides the y^+ value required by the k-ω SST turbulence model. In the CFD analysis of the base pump, constant pressure is defined at the inlet of the pump and 0.83 L/s flow rate was given at the outlet. Under these boundary conditions, the head of the pump and efficiency were found as 4.55 m and 50.3% respectively. In the fifth part, the effect of the base pump on efficiency and performance were investigated by changing the parameters of blade wrap angle, cutwater diameter and surface roughness. Impellers with 70°, 80°, 90°, 100° and 110° wrap angles were examined in iterations to determine new designed pump's the blade wrap angle. The highest efficiency value was reached at the 70° wrap angle. In order to define cutwater diameter (gap between impeller and volute), pumps with 55 mm, 56 mm, 57 mm, 58 mm, 63 mm and 68 mm cutwater diameter were designed. As the result of analyses, best efficiency has been provided by dz=68 mm. To examine the effect of surface roughness, smooth, 25 µm, 50 µm, 75 µm, 100 µm and 300 µm values were investigated. It was observed that as the surface roughness increased, the efficiency and the head were decreased. The surface roughness value has been selected as 25 um which is general plastic impellers roughness value that used in automotive cooling pumps. A new pump with these selected parameter values was designed to provide the highest efficiency in the last section, and this pump was compared with the base pump. Compared to the base pump and new designed pump, %44 head increase and 18% efficiency rise are achieved. As the cavitation performance result, NPSH3 value of base pump and most efficient pump found as 1.5 meter 1.62 meter respectively.
Benzer Tezler
- Paleti kılavuzlanmış rotorlu sistemle egzoz gazı enerjisinden yararlanılması
Benefit from exhaust gas' energy by using guided single vane rotary system
AHMET DEĞİRMENCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
- Binalarda ısıtma ve soğutma sistemlerinde enerji verimliliği ve uygulamaları
Energy saving and applications in heating and cooling systems in buildings
AYTUNÇ BABADAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
EnerjiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEHRA YUMURTACI
- Orta güçlü sincap kafesli asenkron motor tasarım programı geliştirilmesi
Development design software of squirrel cage induction motor in medium power
EMRE GÜRLEYEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Santrifüj pompa performansının ve hidrolik kuvvetlerinin belirlenmesi
Specify the centrifugal pump performance and hydraulic loads
EREN ÇAKIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KARADOĞAN
- Pompaların dinamik analizi
Dynamical analysis of pumps
HAMDİ NADİR TURAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TUNCER TOPRAK
PROF. DR. HALUK KARADOĞAN