Model-based active control of compact vapor compression cycle for electronics cooling with transient heat-flux removal
Zamana bağlı ısı akısı giderimi ile elektronik soğutma uygulamaları için kompakt buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin model tabanlı aktif kontrolü
- Tez No: 849597
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ RECEP ÖNLER, DOÇ. DR. MUSTAFA FAZIL SERİNCAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 112
Özet
Minyatürleşme ile birlikte elektronik ve elektrik ekipmanların ısı yayımı ve güç yoğunlukları önemli ölçüde artmaya başlamıştır. Yüksek ısı yayımı gerektiren elektrikli uçak konseptlerinin oluşmasıyla birlikte bu daha fazla önem kazanmıştır. Uçaklardaki elektrikleşme performans, emisyon ve gürültü seviyelerindeki azalış gibi konularda iyileşme sağlamasının yanında konvensiyonel ısıl yönetim sistemi mimarileri ile karşılaştırıldığında, ısıl yönetim sistemlerine zorluk ve karmaşıklık getirmektedir. Gelecek ısıl yönetim sistemlerinin elektrikli uçak hedeflerini sağlaması için yüksek ısı giderim kapasitelerinin olması ve ayrı bileşenlerin ısıl yüklerini etkili bir şekilde yönetmesi gerekmektedir. Ek olarak, ısıl yönetim sisteminin dinamik ve yüksek sıcaklık gibi zorlu uçak çevre şartlarında uygun şekilde çalışması gerekmektedir. Kompakt buhar sıkıştırmalı soğutma sistemleri zorlu çevre şartlarında yüksek ısı giderim kapasitesine sahip olmaları ve ekipman sıcaklıklarını düşük seviyelerde tutabilmelerinden dolayı önem kazanmıştır. Bu kapsamda, ekipman seviyesine uygulanabilir bir buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi tasarlanmış, geliştirilmiş ve test edilmiştir. Çalışılan soğutma sistemi 2.8 kg ağırlığında ve 600x400x250 mm3 boyutlarındadır. Sistemde iş akışkanı olarak R-134a gazı bir adet minyatür kompresör ile birlikte kullanılmıştır. Tasarlanan soğutma sistemi 50 °C çevre sıcaklığı ortamında 623 W ısı yayımı giderim kapasitesine sahiptir ve verimliliği 2.7 olarak elde edilmiştir. Sistem ekipman sıcaklığını çevre sıcaklığına düşük veya yakın değerlerde tutabilmektedir. Sistemin dinamik performansı değişken ısıtma gücü ve çevre sıcaklıklarında analiz ve testlerle birlikte incelenmiştir. Oluşturulan analiz modelinin doğruluğu ve doğrulanması deneysel çalışmalar ile birlikte gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, önerilen soğutma sistemi elektrikli uçak konsepti gereksinimlerini sağlamakla birlikte zorlu çevre şartlarında ısıl yönetim sistemi çözümü olarak kendini kanıtlamıştır. Ek olarak, uçak endüstrisinde emniyet kritik uygulamalara sıklıkla rastlanmaktadır. Bu nedenle, hızla değişen bir ortamda sistemin tepkisi tahmin etmek gerekmektedir. Bu çalışma, aynı zamanda bir kompakt buhar kıştırmalı soğutma çevriminin arıza koşullarında dinamik sistem tepkisini analiz etmeyi amaçlamaktadır. Belirlenen bir hata alt kümesi tanımlanmış ve sistem üzerindeki etkisi oluşturulan sistem seviyesi model ile analiz edilmiştir. Hata bilgilerinin elde edilmesi buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerinin verimliliğini artırmak için hata tespiti ve teşhis yazılımlarının kullanımını kolaylaştırmaktadır. Çalışma çıktıları elektronik genleşme vanası, kompresör ve evaporatördeki hatalar nedeniyle evaporatörün sınır duvar sıcaklığı değerinin kısa sürede aşıldığını göstermektedir. Bu sonuç, özellikle aviyonik soğutma uygulaması olarak kompakt yapıda soğuk plaka kullanımında sistemdeki hataların hızlı bir şekilde tanımlanması ve teşhis edilmesi zorunluluğunun önemini vurgulamıştır. Hatalar, kararlı durum hata tespit ve teşhis yazılımlarına kıyasla hataların varlığını daha hızlı ve belki de daha yüksek güvenilirlikle tespit etme potansiyeline sahip zamana bağlı sistem yanıtları oluşturabilir.
Özet (Çeviri)
The heat dissipation and power density of the electric/electronics devices have increased significantly with the miniaturization. This is especially critical with the emergence of the“more electric aircraft concept”(MEA), which demands higher heat dissipation. Aircraft electrification offers many benefits like performance, emission, and noise reduction, but also comes with significant challenges and adds a new dimension of complexity to thermal management systems compared to conventional architectures. The future thermal management systems must possess high heat removal capability and effectively handle heat loads of individual components in line with MEA objectives. Moreover, they should perform optimally in the highly dynamic and harsh aviation environment, including high temperatures. Compact vapor compression refrigeration (VCR) systems have garnered growing interest as they excel in elimination high heat flux, keeping device temperatures lower to ensure better performance in challenging environments. In this scope, a compact vapor compression refrigeration system applicable at the device level is designed, developed and tested. The studied compact refrigeration system, with dimensions of 600 mm x 400 mm x 250 mm and weighing 2.8 kg, utilizes R134a as its working fluid and incorporates a miniature refrigeration compressor. It achieves heat dissipation of up to 623 W at an ambient temperature of 50 °C, boasting a COP of 2.7 while maintaining device temperatures lower than or close to ambient levels. Through simulations and experiments, the system's dynamic performance is assessed under varying heating powers and ambient temperatures, with the experimental results validating the accuracy of the model used. Overall, the proposed compact vapor compression system proves to be an excellent solution for thermal management in harsh conditions, aligning well with the requirements of the more electric aircraft concept. In addition, safety-critical applications are frequently seen in the aircraft industry, where the imperative for safety requirements a prompt and efficient response to any faults that may arise. Hence, it is imperative to comprehend the dynamic reaction of the system within a rapidly changing environment. This study also aims to analyse the dynamic system response of a compact vapour compression refrigeration (VCR) system under fault conditions. A spesific subset of fault are identified and analyses their impact on the system. The creation of a system-level model using Amesim Simcenter enables the analysis of the impact of faults on the system. The provision of fault information has the potential to expedite the identification of faults, hence facilitating the utilisation of fault detection and diagnostic (FDD) algorithms to enhance the operational efficiency of compact VCR systems. The findings indicate that the limit wall temperature of the evaporator is surpassed within a short period due to faults in the electronic expansion valve, compressor, and evaporator. This highlights the significance of promptly identifying and diagnosing faults in the compact VCR system, particularly in relation to the smaller cold plate evaporator employed in avionics heat-removal applications. Faults can generate transient system responses that have the potential to detect the presence of faults more quickly and perhaps with higher reliability compared to steady-state Fault Detection and Diagnosis (FDD) algorithms.
Benzer Tezler
- Toz metalurjisi yöntemleri ile üretilen çeşitli W-Ni-Fe ve W-Ni-Cu ağır alaşımların mikroyapısal ve fiziksel karekterizasyonu
Microstructural and physical characterization of various W-Ni-Fe and W-Ni-Cu heavy alloys manufactured via powder metallurgy methods
GÜNKUT ERNAS
- Design and development of an FPGA controlled silicon pin photodiode detector array for neutron detection
Nötron deteksiyonu için FPGA kontrollü silikon pın fotodiyot detektör dizisi tasarım ve geliştirilmesi
AHMET BAYRAK
Doktora
İngilizce
2019
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENAP ŞAHABETTİN ÖZBEN
- Yeni ve gelişmekte olan yarı iletken cihazlar için teknoloji gerçeklemesi, modelleme, devre tasarımı ve simülasyonu: Organik ince film transistör ve dört-uçlu anahtar cihazları
Technology implementation, modeling, circuit design and simulation for emerging semiconductor devices: Organic thin film transistor and four-terminal switch devices
NİHAT AKKAN
Doktora
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HERMAN SEDEF
DOÇ. DR. MUSTAFA ALTUN
- HDTV işaretlerinin uydu üzerinden iletiminde özel problemler
Special problems in transmitting the HDTV signals by satellite
RAMAZAN BAL
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. BİNGÜL YAZGAN
- Manyetik kontrollü şönt reaktör tasarımı ve elektromanyetik analizlerinin gerçekleştirilmesi
Magnetic controlled shunt reactor design and performance of electromagnetic analysis
İSMET KAYMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET BAYRAK