Doğrusal Stirling Kriyojenik Soğutucunun Tasarımı ve Optimizasyonu
Linear Stirling Cryocooler Design and Optimization
- Tez No: 947119
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET HANİFİ ERTAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Bursa Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, ayrık tipte doğrusal kompresörlü bir Stirling kriyojenik soğutucunun deneysel ve sayısal yöntemlerle tasarımı ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında özellikle esnek yatak destekli sistemlerde görülen hizalama hataları ve sürtünme kaynaklı dinamik problemler ele alınmış ve bu problemlerin çözümüne yönelik özgün deneysel yöntemler geliştirilmiştir. Ayrıca bütüncül bir tasarım yaklaşımı ile termodinamik modelleme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Esnek yatak destekli Stirling kompresör sistemleri, havacılık, savunma ve tıbbi görüntüleme gibi çeşitli ileri mühendislik uygulamalarında kriyojenik sıcaklık üretimi açısından kritik bir teknolojidir. Bu sistemlerdeki temel zorluklardan biri, birbirine göre hareket eden bileşenler arasındaki küçük boşlukların korunarak hassas hizalamanın sağlanması ve aşırı sürtünme ile aşınmanın önlenmesidir. Bu doğrultuda, çalışmanın ilk aşamasında esnek yatak geometrisinin tasarımı ve optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Farklı geometri kombinasyonları, hem sonlu elemanlar analizi (SEA) hem de deneysel çalışmalar yapılarak değerlendirilmiştir. Çeşitli esnek yatak tasarımlarının mekanik karakterizasyonu yapılmış ve hareketli kütle ile olan etkileşimleri incelenmiştir. Yapılan analizler, optimal esnek yatak geometrisinin belirlenmesine katkı sağlamıştır. Sistem seviyesi tasarım için literatürde yakın zamanda geliştirilen cevap kontrollü kademeli sinüs testi (CKT) olarak bilinen doğrusal olmayan deneysel modal analiz yönteminden yararlanılmaktadır. Taban uyarımlı bir dizi CKT testi sonucunda, kompresör prototipinin hizalaması önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Geliştirilmiş kompresör tasarımı daha sonra sabit akım testleri ile doğrulanmış ve başlangıç tasarımında gözlemlenen sıkışma/kilitlenme durumunun ortadan kalktığı belirlenmiştir. Ayrıca, literatürde zayıf doğrusal olmayan sistemler için önerilen dolaylı harmonik kuvvet yüzeyi (HKY) yaklaşımı, geliştirilmiş kompresör tasarımında aşırı sürtünme nedeniyle gözlemlenen yüksek ve doğrusal olmayan sönümlemeyi tanımlamak amacıyla bu çalışmayla genişletilmiştir. Bunun yanı sıra, HKY'nin ekstrapolasyonunun, deneysel verinin bulunmadığı yanıt seviyelerinde doğrusal olmayan modal parametrelerin doğru tahmin edilmesini sağladığı da gösterilmiştir. Bu bulgular doğrultusunda, geliştirilmiş tasarımın hareketli parçalar arasındaki sürtünme ve aşınmayı daha da azaltmak için ek tasarım değişikliklerine ihtiyaç duyduğu sonucuna varılmıştır. Tezin bir diğer önemli başlığı ise, termodinamik modellerin sayısal yöntemlerle analizi olmuştur. Stirling soğutucunun termodinamik çevrim hesaplamaları, Schmidt analizi (ideal izotermal model) ve adyabatik analiz kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, rejeneratif ısı eşanjörü için rejeneratör tasarımı yapılmış ve sistemde oluşan rejeneratör kayıpları, sürtünme kayıpları ve iletim kaynaklı kayıplar detaylı olarak incelenmiştir. Geliştirilen termodinamik modelleme sayesinde, farklı çalışma koşulları altında sistemin verimliliği değerlendirilmiştir. Genel olarak, bu çalışma kriyosoğutucu kompresörlerin tasarımına dair değerli bilgiler sunmakta olup, havacılık ve tıp uygulamaları açısından önemli mühendislik çıkarımları sağlamaktadır. Sunulan yöntemler, yüksek sönümleme etkilerine sahip elektromekanik sistemlerde modal karakterizasyon için uygulanabilirliği göstermiş ve Stirling soğutucu tasarımı için önemli çıkarımlar elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, the design and characterization of a split-type linear compressor-based Stirling cryocooler have been carried out using both experimental and numerical methods. The study primarily focuses on alignment inaccuracies and friction-induced dynamic problems observed in flexure-bearing-supported systems, and sophisticated experimental techniques have been developed to address these issues. Furthermore, a comprehensive design methodology incorporating thermodynamic modeling has been established. Flexure-supported Stirling compressor systems represent a critical technology for cryogenic temperature generation in advanced engineering applications including, aerospace, defense, and medical imaging. One of the primary challenges in such systems is maintaining precise alignment between moving components by preserving small clearance gaps, while simultaneously minimizing friction and wear. Accordingly, the first phase of the study involved the design and optimization of the flexure bearing geometry. Various geometry combinations were evaluated through both finite element analysis (FEA) and experimental studies. The mechanical characterization of different flexure bearing designs was conducted, and their interaction with the moving mass was investigated. The analyses contributed to identify an optimal flexure geometry. At the system level, a recently developed nonlinear experimental modal analysis technique, known in the literature as the Response-Controlled Testing (RCT) with stepped-sine excitation, was utilized. A series of base-excited RCT tests significantly improved the alignment of the compressor prototype. The improved compressor design was then validated through constant-current tests, which confirmed that the sticking/locking phenomena observed in the initial prototype had been eliminated. Furthermore, the Harmonic Force Surface (HFS) method, previously proposed in the literature for characterizing weakly nonlinear systems, was extended in this study to capture the highly nonlinear and hysteretic damping behavior caused by excessive friction in the developed compressor design. Additionally, it was demonstrated that extrapolation of the HFS enabled the accurate prediction of nonlinear modal parameters at response levels where experimental data were not directly available. Based on these findings, it was concluded that further design modifications are necessary to reduce friction and wear between the moving components. Another significant aspect of the thesis is the thermodynamic modeling and numerical analysis of the Stirling cryocooler. Thermodynamic cycle analyses were performed using both Schmidt (ideal isothermal) and ideal adiabatic formulations. Moreover, a regenerator was designed for the regenerative heat exchanger, and losses due to regenerator inefficiency, friction, and conduction were investigated in detail. The system's efficiency was evaluated under varying operating conditions based on the developed thermodynamic models. In summary, this study provides valuable insights into the design of cryogenic compressors, offering significant engineering implications for aerospace and medical applications. The proposed methodologies demonstrated the applicability of nonlinear experimental modal characterization techniques to electromechanical systems with high damping and yielded important findings for the development of high-performance Stirling cryocoolers.
Benzer Tezler
- Okul nezaket algısının ilkokul öğrencilerinin psikolojik ve duygusal iyi oluşları ile ilişkisinin incelenmesi
Investigation of the relationship between school kindness and psychological and emotional well-being among primary school students
AYŞE KAYA MEMİŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
PsikolojiBursa Uludağ ÜniversitesiEğitim Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NAGİHAN OĞUZ DURAN
- Ortaokul öğrencilerinde dijital oyun bağımlılığının psikolojik iyi oluş, yaşam doyumu ve öz-yeterlikle ilişkisi
Relationship of digital game addiction and psychological well-being, life satisfaction and self-efficacy among middle school students
ZEYNEP ALEYNA PEÇE
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
PsikolojiHacettepe ÜniversitesiEğitim Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELİHA TUZGÖL DOST
- Normal gereksinimli çocukların özel gereksinimli çocukları sosyal kabulleri ile empatik eğilim, psikolojik sağlamlık, psikolojik ve duygusal iyi oluşları arasındaki ilişkinin incelenmesi
The study of the relationship between the social acceptane of special needs children among the normal needs children and their emphatic tendency, psychological resilience and psychological and emotional well-being
ELİF EDİZ EKSİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
PsikolojiFatih Sultan Mehmet Vakıf ÜniversitesiPsikoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ITIR TARI CÖMERT
- Spline tipli eğrilerin üreteç fonksiyonları ve bunların matematiksel modellerini içeren uygulamalar
Applications including generating functions of spline type curves and their mathematical models
DAMLA GÜN
- Okul çağı çocuklarında dijital ekran bağımlılığının fiziksel aktivite, beslenme davranışları, duygusal-psikolojik iyi oluş ve kronotip ile ilişkisi
The relationship of digital screen addiction with physical activity, nutritional behaviors, emotional-psychological well-being and chronotype in school-age children
FARUK NAFİZ KÖSE
Doktora
Türkçe
2026
SporNiğde Ömer Halisdemir ÜniversitesiBeden Eğitimi ve Spor Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜDAVERDİ MAMAK