OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
OTOMOBİL RADYATÖRLERİNDE BORU SAYISININ
ISIL PERFORMANSA VE ETKENLİĞE ETKİSİNİN İNCELENMESİ
Ahmet Serhan Canbolat*, Burak Türkan*,
Recep Yamankaradeniz*, Muhiddin Can*, Akın Burak Etemoğlu*
*
Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl. Bursa
ÖZET
Enerji verimliliği son yıllarda en çok kullanılan terimlerin başında gelmektedir. Otomotiv sektöründe de bu konu
üzerinde çalışmalar sürekli olarak yapılmaktadır. Bu bağlamda otomobil soğutma sisteminin en önemli elemanlarından
biri olan radyatörlerin ısıl performansının arttırılması, aynı boyuttaki bir radyatörün daha verimli hale getirilmesi önemli
bir çalışma konusudur. Bu çalışmada boru sayısının radyatörün ısıl performansına etkisi incelenmiştir. Farklı boru
sayısına sahip 4 radyatörün bilgisayar ortamında nümerik analizleri yapılmış ve çıkan sonuçlar yorumlanmıştır.
Anahtar kelimeler: Radyatör, hesaplamalı akışkanlar dinamiği, ısıl performans, ısı transferi
ENGLISH TRANSLATION OF THE TITLE
ABSTRACT
Recently, energy efficiency is one of the most commonly used terms. This issue is constantly being worked also in
automotive sector. In this context, improving thermal performance and heat transfer effectiveness of an automobile
radiator which is one of the most important components of the automobile cooling system, is a very important subject of
study. In this study, the effect of number of tubes in a radiator into the thermal performance and heat transfer
effectiveness were investigated. Four radiator which have different number of tubes were analyzed numerically and the
results were interpreted.
Keywords: Radiator, computational fluid dynamics, thermal performance, heat transfer
Otomobil
soğutma
sistemlerinin
en
önemli
elemanlarından
birisi
radyatörlerdir.
Otomobil
radyatörleri bir çeşit kompakt ısı değiştiricisidir.
Motorların soğutma devrelerinde dolaşan soğutma sıvısı
motor çalıştıkça ısınır. Otomobil radyatörlerinin birincil
görevi de soğutma sıvısındaki bu aşırı ısıyı dış ortama
atmak, dolayısıyla motorun güvenli bir sıcaklıkta
çalışmasını sağlamaktır.
1. GİRİŞ
Her sektörde olduğu gibi otomotiv sektöründe de enerji
verimliliği, enerji tüketiminin minimuma indirilmesi,
üretilmesi planlanan parçaların optimizasyon testlerinin
yapılması konularında çalışmalar yapılmaktadır. Bu
çalışmalar yapılıp enerji tasarrufu sağlanırken aynı
zamanda ihtiyaç duyulan performans kriterinin de
sağlanması gerekmektedir.
1
sıcaklığı olduğundan antifriz eklenen suyun donma
noktası düşerken, kaynama noktası da yükseltir.
Dolayısıyla soğuk havalarda radyatör sıvısının donmasını
engelleyen antifriz, sıcak havalarda da aracın aşırı
ısınmasını engeller. Normal iklim koşullarında %50 su
%50 antifriz konulması önerilirken, soğuk iklim
koşullarında antifriz oranının %70’e kadar çıkarılması
önerilmektedir.
Otomobil radyatörleri dizayn edilirken genelde iki farklı
geometride tasarlanırlar. Bunlar dik akışlı ve yatay akışlı
radyatörler olarak adlandırılır. Bunlardan hangisinin ısıl
performansının daha iyi olacağına dair kesin bir yargıya
varılamaz. Çünkü radyatörlerdeki ısıl verim radyatör
sıvısı, radyatör malzemesi, yüzey alanı, boru sayısı,
kanatçık tipi gibi birçok farklı kritere bağlı olarak değişir.
Şekil 1. Otomobil Radyatörü
Radyatör üretiminde malzeme olarak genelde bakır-pirinç
veya alüminyum kullanılır. Geçmişte bakır-pirinç
malzemeden
yapılmış
radyatörler
alüminyum
radyatörlerle
kıyaslandığında
daha
yaygın
kullanılmaktaydı. Bunun başlıca sebeplerinden bir tanesi
bakır-pirinç malzemelerin korozyona karşı dayanıklı
olmasıdır. Ayrıca alüminyumdan diğer bir üstün yönü de
bir hasar durumunda kolay lehimlenebilme özelliğinin
olmasıdır [1].
Fakat günümüz otomotiv endüstrisinde hafif metal
kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. Bunun nedeni
1970’lerde başlayan enerji krizi ve buna bağlı olarak
araçların hafifletilmek istenmesi olmuştur. Alüminyum
da ağırlık azaltma çalışmaları için kullanılan
malzemelerin başında gelmektedir. Önümüzdeki yıllarda
otomobillerde kullanılan alüminyum miktarının daha da
artacağı tahmin edilmektedir [2].
Şekil 2. Radyatör Dizayn Çeşitleri
Yukarıda bahsedilen nedenlerden dolayı alüminyum
radyatörler her geçen gün daha da yaygınlaşmaktadır.
Bunun birincil sebebi radyatörde
alüminyum
kullanımının radyatör ağırlığını önemli oranda
düşürmesidir. Ayrıca alüminyum malzemeden yapılmış
radyatörün maliyetinin bakır-pirinç malzemeden yapılmış
radyatöre göre genelde daha düşük olması da
alüminyumun tercih edilmesinin bir başka sebebidir.
2.TEORİK
ANALİZ
Nümerik analizler sonucunda elde edilen çıkış sıcaklıkları
bize ısıl performans hakkında ön bir bilgi verir. Asıl çıkış
sıcaklıklarını
kullanarak
radyatörün
etkenliğinin
hesaplanması önemlidir. Bu bölümde etkenliği bulurken
kullanacağımız bir takım denklemler sunulmuştur.
Etkenliği bulabilmek için öncelikle her iki akışkanın da
kütlesel debilerinin hesaplanması gerekir. Kütlesel
debilerin
bulunması
için
aşağıdaki
formüller
kullanılmıştır.
Radyatörde soğutma sıvısı olarak genelde su kullanılır.
Suya etilen glikol, halk arasında antifriz olarak da bilinen
soğuk iklim koşullarında suyun donma noktasını düşüren
bir sıvı da ilave edilebilir. Su etilen glikolden daha iyi bir
soğutucu olduğundan, radyatörde genelde su ve etilen
glikolün bir karışımı kullanılır. Etilen glikol kimyasal
özellik olarak sudan daha düşük bir donma noktası
2
3.ERFORMANS KRİTERLERİ
msıvı = ρsıvı *Vsıvı * Asıvı
mhava = ρhava *Vhava * Ahava
Otomobil radyatörlerinin performansını etkileyen bir çok
parametre vardır. Bunlar arasında soğutucu sıvının
radyatöre giriş sıcaklığı, soğutucu sıvının akış debisi,
soğutucu sıvı olarak kullanılan madde, havanın akış
debisi, havanın ilk sıcaklığı, radyatör dizayn tipi, kanatçık
sayısı ve malzemesi, boru malzemesi vb. gibi birçok
parametre sayabiliriz. Bu parametrelerden birini veya
birkaçını değiştirerek çeşitli varyasyonlar yapabilir ve bu
değişimlerin radyatörün ısıl performansına nasıl etki
ettiğini gözlemleyebiliriz. Buradaki asıl amaç radyatöre
sıcak olarak giren soğutucu akışkanın sıcaklığını radyatör
Her bir akışkandaki ısı transferi miktarının bulunması için
de aşağıdaki formüller kullanılmıştır.
Qsıvı = msıvı * csıvı * ∆Tsıvı
Qhava = mhava * chava * ∆Thava
Teoride sıvı ve hava arasında mükemmel yalıtım olduğu
varsayıldığından Qsıvı ve Qhava değerlerinin eşit olması
gerekirken pratikte bu değerler bir takım kayıplardan
dolayı birbirinden farklı çıkabilir. Bu durumda
formüllerde kullanmak üzere ortalama ısı transferi
miktarını hesaplanır [6].
çıkışında olabildiğince azaltmaktır.
Yukarıda bahsettiğimiz her bir parametredeki değişiminin
ısıl performansa etkisi aynı olmayabilir. Örneğin bir
parametredeki ufak bir değişikliğin radyatörün ısıl
performansına etkisi çok yüksek olabilirken, diğer bir
parametredeki büyük bir değişikliğin ısıl performansa
etkisi yok denecek kadar az olabilir. Örnek vermek
gerekirse bu konu hakkında Peyghambarzadeh ve ark.
(2013) yaptıkları çalışmada havanın akış hızının %42,
sıvının akış debisinin %23, sıvının giriş sıcaklığının %22,
soğutucu sıvıdaki nano sıvı konsantrasyonunun da %13
oranında toplam ısı transfer katsayısına etki ettiğini
gözlemlemişlerdir [3].
Qort = Qsıvı + Qhava
2
Radyatörlerin etkenliği aşağıdaki parametrelere bağlıdır:
ε = f (NTU , Cmin / Cmax , geometri)
Etkenlik bulunurken de şu formül kullanılmıştır:
ε=
Radyatörün bu parametrelerinden birini değiştirip
diğerlerini sabit tutarak değiştirdiğimiz parametrenin ısıl
performansa etkisini gözlemleyebiliriz.
Qort
Qmax
Buradaki
4.NÜMERİK VE DENEYSEL VERİLER İLE
SONUÇLARIN İRDELENMESİ
Qmax ifadesinin açılımı ise şöyledir:
Qmax = Cmin *(Tsıcak ,giriş −Tsoğuk,giriş )
Bu konuda yapılmış olan bir çalışmada bir otomobil
radyatörü üzerinde deneyler yapılmış ve soğutucu
akışkanın radyatöre giriş sıcaklığı, çıkış sıcaklığı, giriş
hızı, havanın giriş sıcaklığı ve havanın giriş hızı değerleri
elde edilmiştir [4].
Cmin denilen değer;
Csıvı = msıvı * csıvı
Deneysel çalışmanın yapıldığı radyatörün boru sayısı 29,
her bir borunun merkezleri arasında kalan uzaklık ise 12
mm’dir. Radyatörün yatay uzunluğu 644 mm, dikey
uzunluğu ise 360 mm’dir. Her bir borunun çapı da 7
mm’dir.
Chava = mhava * chava
değerlerinden küçük olanıdır.
ρ yoğunluk, V hız, A alan, c
Q ısı transfer miktarı, ε etkenlik, ∆T ise
Burada m kütlesel debi,
Bizim bu çalışmamızda ilk etapta deneysel yolla elde
edilen
değerler
nümerik
yöntem
kullanarak
doğrulanmıştır. Bu doğrulama işlemi için ilk olarak
radyatör
SolidWorks
programı
kullanılarak
modellenmiştir.
özgül ısı,
sıcaklık farkını temsil etmektedir [7].
Çalışmanın sonunda bu denklemler kullanılarak her bir
radyatörün etkenlik değerleri hesaplanmıştır.
3
Oluşturulan modeldeki tüm ölçüler gerçek radyatörün
boyutlarıyla ne kadar benzer olursa elde edilen sonuçlar
da deneysel verilere o kadar yakın çıkar. Deneysel
çalışmada
kullanılan
radyatörün
tüm
ölçüleri
bilinmediğinden bazı değerler mantık çerçevesinde
atanmıştır. Eğer bu ölçüler de bilinseydi deneysel
verilerle nümerik analiz sonucunda bulunan değerler daha
da yakın çıkabilirdi. Yine de bahsedilen bilinmeyen
ölçüler yerine mantıklı değerler verilmiştir ki deneysel ve
nümerik sonuçlar birbirine çok yakın çıkmıştır ve
validasyon işlemi başarılı bir şekilde yapılmıştır.
Şekil 3. Radyatör Katı Modeli
Daha sonra SolidWorks programıyla çizilen katı model
Ansys programına transfer edilmiş ve burada sonlu
elemanlara ayrılmıştır.
Şekil 6. Deneysel ve Nümerik Sonuçların
Karşılaştırılması
Şekil 4. Radyatörün Sonlu Elemanlara Ayrılmış Hali
5. FARKLI BORU SAYILARI İÇİN YAPILAN
ANALİZ SONUÇLARI
Ansys’in Fluent modülü kullanılarak diğer parametreler
sabit kalacak şekilde 5 farklı hava giriş hızı için analizler
yapılmıştır. Analizler sonunda radyatörün borularındaki
sıcaklık dağılımı ve radyatör sıvısının radyatörden çıkış
sıcaklık değerleri elde edilmiştir.
Yapılan analizlerde, yukarıda verilen deneysel çalışmada
kullanılan radyatörün boyutları kullanılmıştır. Sadece
boru sayısı değiştirilerek radyatördeki boru sayısının
radyatörün ısıl performansına ve etkenliğine etkisi
gözlemlenmiştir.
Analizlerde kullanılmak üzere 4 farklı radyatör modeli
SolidWorks programında modellenmiştir. Modellenen
radyatörlerin boru sayıları 19,24,29 ve 34 olarak
seçilmiştir. Radyatörün yatay ve dikey uzunlukları 4
radyatör modelinde de aynıdır.
Bir otomobilde radyatör için ayrılmış hacim bellidir.
Yapılan analizlerde de bu yüzden radyatörün yatay ve
dikey uzunlukları değiştirilmeden sadece boru sayısı
değiştirilerek ısıl performansın arttırılmasının yolları
aranmıştır.
Şekil 5. Radyatördeki Sıcaklık Dağılımı
Örnek olarak yatay ve dikey uzunlukları aynı, boru
sayıları 19 ve 34 olan radyatörlerin modelleri aşağıdaki
gösterilmiştir.
Nümerik yöntemle elde edilen bu değerlerle deneysel
veriler kıyaslanmıştır ve sonuçlar paralellik göstermiştir.
4
6. BULGULAR
VE
TARTIŞMA
Yapılan termal analizler sonucunda 4 farklı boru sayısına
sahip 4 farklı radyatör için, 4 farklı çıkış sıcaklığı elde
edilmiştir. Elde edilen veriler ile bir grafik
oluşturulmuştur.
Şekil 7. 19 Borulu Radyatör Modeli
Şekil 8. 34 Borulu Radyatör Modeli
Şekil 10. Soğutucu Akışkanın Radyatörden Çıkış
Sıcaklıkları
Tüm analizlerde boru sayıları farklı olan bu 4 radyatör,
hızı 8,33 m/s , sıcaklığı 35°C olan hava akımı içerisinde
bırakılmıştır. Soğutucu akışkanın borulara giriş sıcaklığı
95°C , giriş hızı ise 2 m/s’dir. Boru malzemesi olarak
alüminyum seçilmiştir. Borunun et kalınlığı ise 0,4 mm
alınmıştır. Soğutucu sıvı olarak da su-etilen glikol
karışımı kullanılmıştır.
19, 24, 29 ve 34 borulu radyatörlerden soğutucu
akışkanın çıkış sıcaklıkları sırasıyla 362.632 K,
361.360 K, 359.920 K ve 358.076 K’dir.
Bulunan bu çıkış sıcaklarının da yardımıyla 4 radyatör
için etkenlik değerleri bulunmuştur.
Şekil 11. Etkenlik Değerinin Boru Sayısına Göre
Değişimi
Şekil 9. Radyatör Üzerine Akan Havanın Akış Çizgileri
5
Etkenlik değerleri ve soğutucu akışkanın radyatörden
çıkış değerleri aşağıda bir tablo halinde gösterilmiştir.
International Journal of Thermal Sciences 66
(2013) 82-90
7. Y. A. Çengel, “Isı ve Kütle Transferi” , Güven
Kitabevi
Tçıkış (K)
Boru Sayısı
ε (%)
19
362.632
7.95
24
361.360
9.50
29
359.920
11.59
34
358.076
14.42
Tablo 1. Farklı Boru Sayılarındaki Etkenlik ve Sıvının
Radyatörden Çıkış Değerleri
Yapılan analizler sonucunda radyatörün boyutlarını
değiştirmeden sadece boru sayısını arttırmanın radyatörün
ısıl performansını olumlu yönde etkilediği yorumu
çıkarılabilir. Boru sayısı arttıkça soğutucu akışkanın
radyatörden çıkış sıcaklığı düşmüş, dolayısıyla
radyatörün etkenliği artmıştır. İlerde yapılacak
çalışmalarda boru sayısını değiştirmenin yanı sıra boru
çapı da değiştirilerek radyatörün ısıl performansına ve
etkenliğine etkisi gözlemlenebilir. Bunun yanında ısı
transfer miktarının artması basınç düşümünde de bir artış
meydana getirir. Basınç düşümündeki artış ise daha güçlü
pompa ihtiyacı doğurur. Bu nedenle ısı transferinin
iyileştirmesinden sağlanan kazanç ile yüksek pompa
gücünün doğurduğu maliyet iyi analiz edilmedi ve en
uygun seçenekte karar kılınmalıdır. Bu da başka bir
çalışmanın konusu olabilir.
7. KAYNAKLAR
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Copper Development Association
Özcömert, M. 2006. Otomotiv Endüstrisinde
Alüminyum, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul
Ticaret Odası.
M. Naraki, S.M. Peyghambarzadeh, S.H.
Hashemabadi, Y. Vermahmoudi, “Parametric
study of overall heat transfer coefficient of
CuO/water nanofluids in a car radiator”,
International Journal of Thermal Sciences 66
(2013) 82-90
Changhua Lin and Jeffrey Saunders, 2000, “The
Effect Of Changes in Ambient and Coolant
Radiator Inlet Temperatures and Coolant Flow
rate on Specific Dissipation”, SAE Technical
Papers, 2000-01-0579.
P. K. Trivedi, N. B.Vasava, “Effect of Variation
in Pitch of Tube on Heat Transfer Rate in
Automobile Radiator by CED Analysis”
International Journal of Engineering and
Advanced Technology (IJEAT) ISSN: 2249 –
8958, Volume-1, Issue-6, August 2012
M. Naraki, S.M. Peyghambarzadeh, S.H.
Hashemabadi, Y. Vermahmoudi, “Parametric
study of overall heat transfer coefficient of
CuO/water nanofluids in a car radiator”
6
7
Download

Otomobil Radyatörleri·nde Boru Sayısının Isıl Performansa