Araç havalandırma ısıtma sistemi tasarım analiz test ve üretimi

Abstract

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.