Integration of triply-periodic minimal surface heat exchangers to heat recovery ventilation systems
Üç yönlü periyodik minimal yüzeylerden oluşan ısı değiştiricilerin ısı geri kazanımlı havalandırma sistemlerine entegrasyonu
- Tez No: 916290
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ZİYA HAKTAN KARADENİZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Katip Çelebi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 116
Özet
Günümüz mühendislik yaklaşımları, geleneksel üretim teknolojisinin kesme ve birleştirme olarak tanımlanabilecek tüm kısıtlamalarını içermektedir. Mühendislik tasarımları, fiziksel olguların matematiksel çözümleriyle değil, üretim yöntem ve araçlarının yetenekleriyle sınırlıdır. Bu durum, mümkün olan en iyi çözüm yerine eldeki en iyi çözümle yetinmemize neden olmaktadır. Oysa tamamen işlevsel kişiselleştirilmiş ürünler tasarlamak ve üretmek için tüm mühendislik becerilerimizi en etkin şekilde kullanmamız gerekmektedir. Dijital dünyanın endüstride yarattığı dönüşüm“Dijitalleşme”ya da“Endüstri 4.0”kavramları ile yoğun bir şekilde ele alınmaktadır. Yapay zekânın eli olarak tanımlanabilecek eklemeli imalat yöntemi, en esnek üretim yöntemi olmasının yanı sıra her geçen gün en hızlı üretim yöntemi olmaya da yaklaşmaktadır. Farklı üretim süreçleri için onlarca katmanlı imalat yöntemi sürekli test edilmekte ve geliştirilmektedir. HVAC sektöründe oluşturulan tasarımlar çoğunlukla talaşlı imalat ve metal şekillendirme süreçleri ile elde edilebilen, tekrar eden doğrusal yapılardır. Bu yapılar verimlilik açısından sınırlıdır ve bir mimarın estetik ihtiyaçlarını karşılayacak kadar esnek olmaktan uzaktır. Katmanlı imalatın iklimlendirme sektöründe kullanımı çok yakın olsa da henüz kullanılmaya başlanmamıştır. Aslında, ısı eşanjörleri ve fanlar gibi yüksek performanslı bileşenler şu anda 3B yazıcılar kullanılarak üretilmektedir. Katmanlı üretim teknolojisinin ve endüstrinin son yirmi yıldaki hızlı büyümesi göz önüne alındığında, 3B yazıcıların HVAC endüstrisinde güvenilir bir üretim aracı olarak entegrasyonu yakındır. Katmanlı imalat, geleneksel yöntemlerle üretilemeyen geometrilerin üretim ve tasarım özgürlüğünü sağlar. Özellikle ısı akışı mühendisliği alanında, üç yönlü periyodik minimal yüzeyler (ÜYPMY) kafes yapılarından oluşan ısı eşanjörleri gibi yüksek verimli ısı eşanjörleri 3B yazıcı teknolojisi ile üretilebilmektedir. ÜYPMY kafes yapılar, uzayda birbiriyle kesişmeyen iki ayrı kanal, sürekli trigonometrik fonksiyonlarla ifade edilebilen üç boyutlu ve sonsuz yüzey geometrileridir. Bu gözenekli yapıların potansiyel ısı eşanjörü geometrisi tasarımları arasında yer almasının en büyük nedenlerinden biri yüksek yüzey alanı/hacim oranıdır. Gelecek çalışmalarda bu yapıların performansının araştırılması gerekse de verimli ısı transferi için gerekli yüzey alanındaki artış ile düşük basınç düşüşü elde edebilmeleri mümkündür. Ayrıca, geniş alan/hacim oranları, kalıcı olarak bağlanmış yüzeyleri, doğal yapısal bütünlükleri ve iyi karıştırma potansiyelleri, bu yapıları eklemeli imalat ısı eşanjörü uygulamaları için uygun bir çözüm haline getirmektedir. Bu tez kapsamında ÜYPMY kafes yapılarının üretim süreçleri ve mono cihazda ısı eşanjörü olarak performansları incelenmiştir. Isı değiştiricileri ile mono cihazın kabuğu ve bağlantı elemanları eklemeli imalat yöntemi ile üretilecektir. İç hava kalitesini artırabilecek düşük maliyetli bir sistem (mono ünite) sayesinde hem havalandırma verimliliği hem de ısı geri kazanımı açısından avantajlı olacaktır. Sonuçlara görei Diamond, karmaşık geometrisi nedeniyle daha yüksek bir konvektif ısı transfer katsayısına (240 W/m2K'ye kadar) sahiptir. 0,6 gözenekliliğe sahip Gyroid ısı değiştiricisi, Diamond geometrisine göre daha düşük basınç düşüş değeri ve Honeycomb geometrisine göre daha yüksek ısı transfer katsayısı nedeniyle mono üniteler gibi ısı transferi uygulamaları için uygun bir geometri olarak düşünülebilir. Ayrıca, j/f faktörünün TPMS ısı değiştirici performansını değerlendirmek için kullanılması, ısı değiştirici tasarımı için rehberlik sağlayabilir. Deneysel sonuçlara göre, Gyroid geometrisinin çevrim süresinden bağımsız olarak Diamond geometrisine kıyasla daha yüksek termal verimlilik değerlerine ulaştığı görülmektedir. Özellikle 100 sn'lik çevrim süresi için verimlilik değerleri ticari sistemlerdeki gibi %90 seviyesine ulaşmaktadır.
Özet (Çeviri)
Today's engineering approaches include all the constraints of traditional production technology that can be defined as cutting and joining. Engineering designs are limited not by the mathematical solutions of physical phenomena, but by the capabilities of production methods and tools. This situation causes us to be content with the best solution available instead of the best possible solution. However, we need to use all our engineering skills in the most effective way to design and produce fully functional personalized products. The changes in the industry driven by the digital world are extensively discussed through the concepts of“digitalization”and“Industry 4.0.”The additive manufacturing method, which can be defined as the hands of artificial intelligence, is not only the most flexible method of production but also approaches to becoming the fastest production method with each passing day. Dozens of additive manufacturing methods are constantly being tested and improved for different production processes. Designs created in the HVAC industry are mostly repetitive linear structures that can be obtained by machining and metal forming processes. These structures are restricted in efficiency and lack the flexibility needed to fulfill an architect's aesthetic demands. Although the use of additive manufacturing in the air conditioning industry is very close, it has not yet been used. In fact, high-performance components such as heat exchangers and fans are currently manufactured using 3D printers. Given the rapid growth of additive manufacturing technology and the industry over the past two decades, the integration of 3D printers as a reliable manufacturing tool in the HVAC industry is near. Additive manufacturing provides the flexibility to design and create geometries that are impossible to achieve using traditional manufacturing techniques. Especially in the field of heat-flow engineering, the highly efficient heat exchangers such as triply periodic minimal surfaces (TPMS) lattice structure heat exchangers can be produced with 3D printer technology. TPMS lattice structures are two separate channels in space that do not intersect with each other, geometries with three dimensions and infinite surfaces that are represented by continuous trigonometric functions. One of the main reasons to use porous structures that are considered potential geometries for heat exchangers is their high surface area to volume ratio. Future research should examine how well these structures operate, but it's feasible that they can accomplish the low pressure drop and increased surface area needed for effective heat transfer. Furthermore, their excellent mixing potential, naturally occurring structural integrity, high area/volume ratio, and permanently bonded surface make potential them a strong fit for applications involving additive manufacturing heat exchangers. In the scope of this thesis, the production processes of TPMS lattice structures and their performance as a heat exchanger in a mono device are examined. Along with heat exchangers, the shell and fasteners of the mono device will be produced via additive manufacturing method. Thanks to a low-cost system (mono unit) that can improve indoor air quality, it will be advantageous in terms of both ventilation efficiency and heat recovery. According to results Diamond has a higher convective heat transfer coefficient (up to 240 W/m2K) due to its complex geometry. The Gyroid heat exchanger with 0.6 porosity can be considered as a suitable geometry for heat transfer applications such as mono units due to its lower pressure drop value according to Diamond geometry and higher heat transfer coefficient according to Honeycomb geometry. Also, using the j/f factor to evaluate the TPMS heat exchanger performance can provide guidance for heat exchanger design. According to the experimental results, it is seen that the Gyroid geometry reaches higher thermal efficiency values compared to the Diamond geometry, regardless of the cycle time. Especially for the 100 s cycle time, the efficiency values are reached the level of 90% like commercial systems.
Benzer Tezler
- Damping strategies in additive manufacturing: hybrid materials, metamaterials and particle damping
Katmanlı üretimde sönümleme stratejileri:hibrit malzemeler, metamalzemeler ve parçacık sönümleme
MURAT CAN ÖZDEN
Doktora
İngilizce
2025
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. POLAT ŞENDUR
- Helikopter transmisyon dişlilerinin kafes tabanlı tasarımı ve titreşim davranışlarının incelenmesi
Lattice-based design of helicopter transmissions and investigation of their vibration behavior
YUSUF SAĞLAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Havacılık ve Uzay MühendisliğiGazi ÜniversitesiEndüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HARUN GÖKÇE
- Üç yönlü periyodik minimal yüzeylerle (ÜYPMY) tasarlanan kalça implantlarının yapısal analizi
Structural analysis of hip implants designed with triply periodic minimal surfaces (TPMS)
TAHA ENİS TUNCA
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiTrakya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NİLHAN ÜRKMEZ TAŞKIN
- Akustik yüzey dalga esasına dayanan filtrlerin analizi, tasarımı ve GSM sistemindeki uygulamaları
Analysis and design of saw filter and saw filter applications in GSM
H.CEMİL KARAGÜZEL
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGÜL AKÇAKAYA
- Effect of multiple overloads on fatigue crack propagation in 7075-T6 aluminum alloy
7075-T6 alüminyum alaşımlarında aşırı yüklerin çatlak ilerlemesi üzerindeki etkisi
BERNA ÖZTÜRK