Bir askerî barınağın ısıl modellenmesi
Thermel model of a military shelter
Yazar: SİNEM KURTULUŞ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Askeri savunma = Military defense ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; Split klima = Split climate

Özet:
Askerî sistemler zor koşullar altında çalışan ve bünyesinde birçok fonksiyonu barındıran yapılardır.  Bu yapıların tasarımı; özel mühendislik çalışmalarının sonucu oluşmaktadır. Isıl tasarım da bu çalışmaların önemli ayaklarından bir tanesidir. Özellikle askerî barınaklar gerek içerisindeki ısıl yükün fazlalığı gerek bulunduğu ortam gerekse kurulum süreleri dikkate alındığında, ısıl açıdan çözülmesi gereken mühendislik problemleridir. Bu çalışmada ağır ısıl gereklere sahip bir askerî barınağın ısıl modellenmesi yapılmıştır. Modelleme sonucu ısıl problemin çözümü değerlendirilmiştir. Seçilen bir askerî barınak üzerinde çeşitli deneyler yapılarak askerî barınak incelenmiş ve kurulan model ile kıyaslanmıştır. 
Askerî barınakların ısıl sınırlarına bakacak olursak; bu barınaklar dış ortamdan etkilenmeyecek şekilde tasarlanmış korunaklı kabinlerdir. Genellikle belirli bir bölge için değil dünyanın herhangi bir yerinde kullanılmaya uygun tasarlanırlar. Bu sebeple, dış ortam sıcaklığı ve güneş yükünün en ağır olduğu yerlere göre tasarlanırlar. Dış ortamın barınak içini ısıtmasının yanı sıra, oldukça küçük hacme sahip olan barınakların içerisinde bulunan insanların ve cihazların ısı atımı da barınak içini ısıtmaktadır. Bu yüzden askerî barınakların neredeyse tamamı aktif soğutmaya ihtiyaç duymaktadır. Genellikle klima ile soğutulması tercih edilen askerî barınaklar için klima gerekleri de çok fazladır. Dolayısıyla klima gereklerinin doğru belirlenmesi büyük önem arz etmektedir. 
Bu yüksek lisans çalışması kapsamında klima gereklerini doğru belirlemek üzere askerî barınaklar için bir matematik model oluşturulmuştur. Oluşturulan matematik model, askerî barınak iç sıcaklığının zamana bağlı değişimi vermektedir. Matematik modelin zamana bağlı olması askerî barınağın iç sıcaklık davranışının yanı sıra en kritik askerî gereklerden biri olan kısa süreli kurulumun sağlanabilmesi için avantaj sağlamıştır.  
Daha sonra askerî standartlar incelenmiş, en ağır ısıl şartlar belirlenmiştir. En yaygın şekilde kullanılan askerî barınak tipinin, belirlenen ağır ısıl şartlarda ihtiyaç duyacağı klima kapasitesi belirlenmiş ve piyasadaki bileşenler araştırılarak böyle bir klimanın yapılabilirliği sorgulanmıştır.  
Yapılan teorik çalışmayı desteklemek için askerî bir barınak üzerinde çeşitli deneyler yapılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda askerî barınağın hesaplanan ortalama ısı geçiş katsayısı doğrulanmıştır. Ardından askerî barınak ısıl kapasitesi ve askerî barınakta kullanılan klima buharlaştırıcısından (evaporatöründen) geçen havanın debisi belirlenmiştir. Son olarak askerî barınak üç farklı ısıl yük altında soğutulmuştur. Deneylerden edinilen bilgiler kullanılarak matematiksel model ile farklı ısıl yüklerde yapılan deneyler benzetilmiş ve matematik model ile deneysel çalışma kıyaslanmıştır.  Sonuç olarak; kurulan matematik modelin, üç deneyde de soğutmanın başlangıcı ve sonunda gerçekçi değerler verse de ara sürelerde gerçekçi değerlerden uzaklaştığı gözlemlenmiştir. Bunun sebebinin, yapılan kabullerden ileri geldiği tespit edilmiştir. Fakat; asıl önemli olan kısım, askerî barınağın istenilen sıcaklığa gelmesi ve bu sıcaklığa uygun sürede ulaşması olduğundan, ara değerlerin kritik olmadığı değerlendirilmiştir. Kurulan matematik model; askerî barınağın istenen sıcaklığa istenen sürede inmesi için gerekli klima kapasitesini vermektedir.

Abstract:
Military systems are multifunctional systems designed for extreme environments with a wide variety of conditions. Therefore, designing processes of any military systems requires special engineering study. Thermal design is one of the sub-study areas under the design process of military systems. Especially military shelters shine out in this area through their massive thermal load, working area, tough working conditions, and short deployment time. Thus, in the designing process of a military shelter, its thermal design study must be carefully approached by engineers. In this paper thermal model of a military shelter is studied. The thermal solution is discussed with the mathematical model result. Also, a military shelter is chosen and various experiments are performed on this shelter. Then, the experimental results and mathematical results obtained from the subsequent studies are compared.
Firstly, the thermal property of military shelter is must be analyzed. Military shelters are armored cabins that are designed in order not to affect by outdoor environment. Therefore, they are sealed from outside. They are also designed for soldiers to work in military shelters comfortably and safely. The fresh air that soldiers need to be supplied by specials filters called chemical, biological, radiological, and nuclear filters. Those filters are the only connection between outdoor and indoor air, and they are responsible for providing a defined amount of air. 
Commonly, their working region is not restricted to a specified location, it is planned to be located anywhere in the world. This means that radiation load due to sun and heat load of outdoor must be thought at its highest. Besides outer heating, working employee and military devices produce heat too. So that nearly all of the military shelters needed active cooling.  Usually, air conditioning devices are the most preferred cooling systems. Even so, there are lots of solid requirements for air conditioning devices. Thereby, precisely specifying these requirements is very important. 
At the beginning, a detailed research is done for military shelters' thermal conditions and requirements that specified in military standards. Then a brief research is done for cooling a closed room by air conditioning systems.  
In this study, a mathematical model is generated for determining the correct amount of cooling load for air conditioning. The mathematical model represents temporal temperature change in the indoor air. The dependent property of the model shows internal air temperature behavior. Also, it contributes to containing short deployment time.
After making a mathematical model for general, it applied for one of the most common military shelter kinds. In this process, military standards are examined for the most severe thermal condition and still functional for soldiers that will work in this military shelter. The cooling load is calculated as 19,93kW that fulfill all of the requirements and cool the military shelter in forty minutes.  The feasibility of the air conditioner that provides the cooling load described, is made by looking of its components from the market. After deciding the compressor that is the key component of an air conditioning system, the mathematical results are recalculated with its cooling capacity. Results show that military shelter can be cooled with this compressor in 34,4 minutes and the shelter temperature will reach the lowest limit in 43,2 minutes. The air conditioning must be stopped at this limit. Afterward, the heat load will be heating the inside air up to the highest temperature limit in 9,3 minutes. Next air conditioning will be run again until the temperature comes to the lowest temperature limit again. The mathematical model demonstrates this temperature change will take 8,8 minutes.  
Lastly, several experiments are done on the chosen military shelter to support theoretical study.  The experimental study started by firstly validating the calculated mean heat transfer coefficient, which is 2,55W/m2K. The empty military shelter located in a laboratory which has -30°C air temperature. Since the military shelter located the laboratory from outside that is hotter than the inside, it is waited until all the temperatures in the laboratory in -30°C. Then the door of the shelter closed, and a heater in the shelter is activated, and it worked till the internal air temperature value is fixed at a steady temperature. Using the temperature difference between inside air of the military shelter which is 9,63°C and the outside air of the military shelter which is -30°C and the heat load from the heater, experimental value of heat transfer coefficient is determined as 2,49 W/m2K. The theoretical calculations results have only 2.43% error percentage by the calculated experimental value. 
After verifying the shelter's properties, internal equipment's heat capacity is determined by a proper experiment. This is very important for the aspect of time-dependent study. This and the other experiments after this, performed in an equipped military shelter in a laboratory which has 49°C air temperature. The experiment for determining heat capacity is examining the cooled shelter's internal temperature, that heated by only outdoor air. The area formed under the time-temperature graph resulting from the experiment is used to determine the heat capacity. A code has been written to do that. The code starts with an initial heat capacity then calculates the air temperature change with the limits of the experiments. Then compares the results from integral of the time-dependent temperature change with the experiment results. If the calculation results value is lower than the experiment results value it increases the heat capacity and starts again. Otherwise, it decreases the thermal capacity and does the same again. 
Also, a third experiment is done for only determining the used air conditioner's evaporator fan flow rate. This experiment is done to detect the cooling load of the air conditioner.
The last three experiments are done for the internal temperature's reaction to different heat loads. 0, 3kW and 4,2kW heat loads applied to the military shelter. Then the experimental results are compared with the mathematical model. In all three experiments, the mathematical model results drifted apart from the experimental result as time goes by nearly the middle of the time and getting closer after that till the end of the experiment. In the mathematical model cooling capacity of the air conditioner was assumed constant but in reality, after 5 minutes its starts decreasing until the state of equilibrium. The variable cooling capacity of the air conditioner from the experiment and assumption of the constant cooling capacity of the air conditioner from theorical study leads to the error in the middle of the time. Since the cooling load is higher at the beginning of the military shelter's indoor temperature decreases faster but later the cooling capacity decrease so the temperature decreases slower than the mathematical model.
The %error states reach %1.4, %1.9, and %1.9 respectively and the temperature differences at these points are 4.1K, 5.8K, and 5.7K respectively again the temperature differences at the and are 1.6K, 0.5K, and 2.7K. Despite the fact that the theoretical study cannot give the close values at all the points in the temperature and the time graph, it still achieves the main goal of this study.  At the end point the mathematical model gets very closer the experimental data. The cooling time of the military shelter, to the proper thermal condition by an air conditioner is crucial and the theorical study calculates this properly.  Eventually the study is acceptable for overall cooling time by an air conditioner for military shelters.