PTC ısıtıcı ünitesi geliştirilmesi tasarımı ve analizi
PTC heater unit development design and analysis
Yazar: ALTAY TABANCACI
Danışman: PROF. DR. ÜNER ÇOLAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Havalandırma sistemleri = Ventilating systems ; Isıtıcılar = Calorifics ; Termistör = Thermistor

Özet:
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.

Abstract:
In recent years, the importance of in-car comfort has increased day by day and has become one of the most sought-after features in vehicles. At the same time, great progress has been made in research and development studies for interior ventilation and air conditioning systems to increase vehicle comfort. These researches are carried out to increase efficiency as well as to provide in-car comfort. For this reason, thermal efficiency in vehicle interior air conditioning HVAC (Heating, Ventilation, and Air-Conditioning) systems is gaining importance day by day.
In electric vehicles; PTC heaters are used as the main heating system. They can quickly bring the vehicle to comfort temperature. In internal combustion engines; conventionally, after the engine starts, the residual heat generated in the engine is given into the vehicle by passing through the air ducts through the fan. This approach is efficient, but especially in diesel vehicles, defrosting and heating the interior of the vehicles takes a lot of time depending on the engine warm-up speed. This situation worsens the comfort conditions until the vehicle warms up. As a solution, both electric and internal combustion engines use PTC heaters to provide thermal control in vehicles. PTC heaters are used as an auxiliary heating system in the cabin, especially in vehicles with an internal combustion engine, middle-upper class, and used in cold regions. 
 In cold weather conditions, PTC Heaters is a booster heater that provides comfort to the end-user by supporting the main heater system in the time required for the vehicle's engine temperature to rise to the appropriate level. These heaters can enable vehicles to reach the set temperature for thermal comfort in as fast as thirty seconds. The air blown from the vehicle's fan is directed to the cabin which passes by the heating resistance (PTC Heater) and this provides heating to various areas in the cabin, defrosting, etc. so it quickly fixes thermal problems. The heater uses PTC (Positive Temperature Coefficient) technology, which is generally produced from polycrystalline ceramic added compressed barium titanat (BaTiO3) material.
Within the scope of the feasibility studies of the project, the products available in the market were examined. Besides that, related articles and patents were also examined and used to determine the product design and development parameters. Within the scope of researches, geometric shapes of products, heat transfer surfaces, connection points, and design details that may be subject to patent, etc. examined. 
Design, sizing, and optimization of PTC heater systems used in electric and motor vehicles; Fundamental heat transfer in the field, fluid mechanics, computational fluid dynamics are modeled by using CFD (Computational Fluid Dynamics) methods. The aim of this study, to create an original design with high thermal, thermo-economic performance.
In the benchmark studies, two different production methods has been observed. Although, in the initial stages of the study, it was preferred to work on additive designs in which heat transfer fins are mounted to PTC rods. İn the later stages, it was decided to use aluminum material with ease of production and assembly, economy, and high heat transfer capability. 
After the benchmark analysis, the information about numerical modeling techniques, developed numerical model, boundary conditions, and solution methods are given in detail to explain how to do the CFD analysis. In the guidance of this information, NX-Siemens software was used to design the preliminary concept design and development activities, and Ansys-Fluent 19 software was used for CFD analysis. Analysis studies were carried out with a workstation with 64 GB RAM and 16 core processor power. All solutions were carried out as time-independent thermal (steady-state thermal), implicit, pressure-based, three-dimensional, and 'Single Precision'. 
The main purpose of the analyzes made in the Ansys-Fluent environment is, to reveal designs that will provide high heat transfer per unit area. In this context, in order to increase the thermal and aerodynamic performance of the PTC heater and to reduce the design-related resistances, the design comparison criteria were compared in a certain order and methodology. The most important of these comparison criteria are; thermal capacity (W), pressure loss (Pa), and thermal capacity obtained per unit material (W/m3). All data were listed in tables and the results of the analysis were evaluated. 
The data obtained during the analysis, show the effects of different designs separately and contribute to the development activity in order to create an original design. Each analysis result was obtained as a result of this iterative process and used to optimize and made grater the PTC heater design.
In the PTC heater blade design, geometric improvements were made, based on the NACA symmetrical blade profiles. Thus, provide us a quiet operating heating system with lower turbulence close to the boundary layer has been designed. These NACA profiles are also provided, increasing the heat transfer in the boundary layer. Also, to improve the heat dissipation on the wing; The base wall thickness increased in the regions close to the PTC thermistor, so it creates a formed mass where the heat generated by the PTC can be absorbed. At the same time the extended fins in this region. Increases the heat transfer to the air. By using relatively large through holes in the farthest region from the PTC thermistor, air flow-directed skillfully and sudden pressure drops are prevented. Thus, the pressure drop values, which are also included in the technical specification requirements of automotive companies, have been achieved, and the whistling sound that occurs in sudden pressure drops is prevented.
In comparisons made between the improvements made and the products used in the sector, an increase of 20 centigrade degrees was achieved in the average blade surface temperatures. It was observed that the air temperature increased by 7.7 at the heater outlet. At the end of the study, the average surface blade temperature was increased and higher power values were achieved when compared to equivalent products.  %44 increase in heating capacity was achieved in the same cross-sectional area. At the end of the study, the average blade surface temperature was increased and higher power values were achieved when compared to the products used in the sector. Geometric design, improved heat dissipation were effective in these developments. While the competitor product has a heating capacity of 1452W, the heating capacity in unit volume has been increased up to 2100W with the design made.
As a result, the average blade surface temperature was increased and higher power values were achieved when compared to equivalent products. Improved heat dissipation on the geometric design has been effective in these developments. In addition, the geometric surfaces have been softened to increase the heat transfer between the air and the aluminum heater surfaces. This ensures that the pressure difference remains at the desired level and the fluid flow approaches the boundary layer at the aluminum heater surfaces.