PTC ısıtıcı ünitesi geliştirilmesi tasarımı ve analizi

Abstract

Son yıllarda araç içi termal konfor talebi, günden güne artmış ve taşıtlarda en çok aranan özelliklerden birisi haline gelmiştir. Taşıt konforunu arttırmak üzere yapılan, iklimlendirme ve havalandırma sistemlerine (HVAC) yönelik araştırma ve geliştirme çalışmalarında da büyük ilerlemeler kaydedilmiştir. Bu araştırmalar, araç içi konforu sağlamanın yanında, araç termal verimliliği üzerine de yapılmakta ve araç içi iklimlendirme sistemlerinde, termal verim her geçen gün önem kazanmaktadır. Elektrikli araçlarda; ana ısıtma sistemi olarak kullanılan PTC (Positive Temperature Coefficient) ısıtıcılar, araç iç ortam sıcaklığını hızlıca konforlu olarak kabul edilen sıcaklıklara ulaştırabilir. İçten yanmalı motorlu araçlarda ise; konvansiyonel olarak motor çalıştırıldıktan sonra motorda oluşan artık ısı, fan vasıtasıyla, hava kanallarından geçirilerek araç içerisine verilmektedir. İçten yanmalı motorlu araçlarda kullanılan bu yaklaşım verimlidir. Ancak soğuk iklim şartlarına sahip bölgelerde ve dizel araçlarda, motorun ısınma süresine bağlı olarak buzlanmanın çözülmesi ve araç içinin ısıtılması uzun zaman alabilmektedir. Bu durum araç iç ortam sıcaklığı, konforlu olarak kabul edilen sıcaklıklara ulaşana kadar geçen sürede yolcuların konforsuz hissetmesine neden olmaktadır. PTC ısıtıcılar, özellikle içten yanmalı motorlu, orta-üst sınıf ve soğuk bölgelerde kullanılan araçlarda, kabin içi yardımcı ısıtma sistemi olarak kullanılmaktadır. Soğuk havalarda araç motorunun ısınma süresi boyunca ana ısıtıcı sistemi destekleyerek, 30 saniye gibi kısa sürede kabin içi konfor koşullarına ulaşılmasını sağlar. Aracın içine yönlendirilen hava PTC ısıtıcıdan geçerek, kabine içerisinde ısıtma sağlanması ve buz çözme gibi termal sorunların giderilmesinde kullanılır. Isıtıcı, içerisinde genellikle, polikristal seramik katkılı sıkıştırılmış baryum titanat (BaTiO3) malzemesinden üretilen PTC teknolojisini kullanmaktadır. Çalışmada kabin içi iklimlendirme sisteminde kullanılmak üzere termo-ekonomik performansı yüksek, özgün bir PTC ısıtıcı tasarlanması amaçlanmıştır. Projenin literatür araştırmaları sırasında, otomotiv sektöründe kullanılan benzer ürünler incelenmiş, bunun yanında konu ile ilgili makale ve patentler de incelenerek ürünlerin tasarımındaki eksikler ve iyileştirilebilecek noktalar tespit edilmeye çalışılmıştır. Araştırmalar kapsamında daha çok ürünlerin geometrik şekilleri, ısı transfer yüzeyleri, bağlantı noktaları ve patente konu tasarımsal detayları incelenmiştir. Çalışma kapsamında; elektrikli ve motorlu araçlarda kullanılan PTC ısıtıcı sistemlerinin tasarımı, boyutlandırılması ve optimizasyonu, temel ısı transferi, akışkanlar mekaniği, hesaplamalı akışkanlar dinamiği CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) yöntemleri kullanılarak yapılmıştır. Literatür taraması ve mevcut ürünlerin incelenmesi sırasında iki farklı üretim yönteminin ön plana çıktığı görülmüştür. Çalışmanın başlangıcında bu yöntemlerden biri olan PTC çubuklara ısı transferi kanatların geçirildiği, eklemeli tasarımlar üzerine araştırmalar yapılması tercih edilmiştir. Ancak yapılan tasarımların karmaşıklığı ve üretim zorlukları fark edilmiş aynı zamanda ısıtıcı üzerindeki, sıcaklık dağılımlarının homojen olmadığı görülmüştür. Çalışmanın ilerleyen aşamalarında üretim ve montaj kolaylığı ve yüksek ısı transferi özellikleri kabiliyetleri nedeniyle alüminyum ekstrüzyon yöntemi ile üretilen modellerin kullanılmasına karar verilmiştir. Her iki yöntemin de sayısal modelleme tekniği ve analizlerinde uygulanan yöntemler benzer olduğundan, çalışmanın tamamında aynı CFD modelleme parametreleri kullanılmıştır. Bu parametreler ekstrüzyonla üretim metoduna göre geliştirilen yeni tasarımlara da uygulanmıştır. Karşılaştırmalı analiz çalışmaları sonrasında, farklı PTC ısıtıcı tasarımları yapılmıştır. Bu tasarımların CFD analizlerinin yapılabilmesi için, sayısal modelleme tekniği, sınır şartları ve çözüm metotları belirlenmiştir. Bu bilgiler ışığında yapılan konsept tasarım ve geliştirme faaliyetlerine dair tasarımların yapılmasında 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. Tüm çözümler zamandan bağımsız ısıl (steady state thermal), örtük (implicit), basınç temelli (pressure-based), üç boyutlu (tree-dimensional) ve tekil hassasiyetli (single precision) olarak yürütülmüştür. Ansys-Fluent ortamında yapılan analizlerde temel amaç, birim alanda yüksek ısı transferi sağlayacak tasarımlar ortaya koymaktır. Bu bağlamda, PTC ısıtıcının ısıl ve aerodinamik performansını arttırmak ve tasarıma bağlı dirençleri azaltmak adına farklı tasarımlar denemiştir. Farklı PTC 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 ve optimum tasarım belirlenmiştir. Yapılan analizler sırasında elde edilen veriler, farklı tasarımların etkilerini ayrı ayrı göstermekte ve özgün bir tasarım ortaya koyabilmek için geliştirme faaliyetine katkıda bulunmaktadır. Yürütülen bu iteratif süreç soncunda elde edilen her bir analiz sonucu PTC ısıtıcı tasarımını optimize etmek için kullanılmıştır. PTC ısıtıcı kanat tasarımında, NACA simetrik kanat profilleri tasarımından yola çıkılarak geometrik iyileştirmeler yapılmıştır. Böylece sınır tabakaya yakın daha düşük türbülansla sessiz çalışan bir ısıtma sistemi tasarlanmıştır. Kullanılan bu profil aynı zamanda sınır tabakada gerçekleşen ısı transferinin de arttırılması ile sağlanmıştır. Ayrıca, kanat üzerindeki ısı dağılımını iyileştirmek için; PTC termistöre yakın bölgelerde taban et kalınlığı arttırılarak, PTC'nin oluşturduğu ısının soğrulabileceği bir kütle oluşturulmuş, hem de bu bölgede uzayan finler ile havaya olan ısı transferi artırılmıştır. PTC termistörden en uzak bölgede görece geniş geçiş delikleri kullanılarak akış yönlendirilmiş ani basınç düşüşlerinin önüne geçilmiştir. Böylece otomotiv firmalarının teknik şartname isterlerinde de yer alan basınç düşüş değerleri yakalanmış aynı zamanda, ani basınç düşüşlerinde oluşan ıslık sesinin önüne geçilmiştir. 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. Çalışma sonunda ortalama kanat yüzey sıcaklığı arttırılmış, muadil ürünlerle kıyaslandığında daha yüksek güç değerlerine ulaşılmıştır. Geometrik tasarım, iyileştirilmiş ısı dağılımı bu gelişmelerde etkili olmuştur. Ayrıca akışkan ve alüminyum arasında ısı transferini arttırmak için yüzeyler yumuşatılmıştır. Bu durum basınç farkının istenilen düzeyde kalmasını sağlarken akışın sınır tabakasına yaklaşması sağlanmıştır.