Buzdolabı kompresörlerinde krank yataklarının optimizasyonu ve rulmanlı yatak kullanımının incelenmesi
Optimization of the crankshaft bearings and investigation of the ball bearing usage in the compressor of the refrigerator
Yazar: OSMAN BODUR
Danışman: PROF. DR. ÖZGEN ÜMİT ÇOLAK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Buzdolabı = Refrigerator ; Gelişme = Development ; Güç kaybı = Power loss ; Kaymalı yatak = Slide bearing ; Kompresör = Compressor ; Krank mili = Crankshaft ; Optimizasyon = Optimization ; Rulmanlı yatak = Roller bearing ; Sürtünme = Friction ; Tasarım = Design

Özet:
Dünya genelinde fosil yakıtların giderek tükenmesi enerji verimliliği ve yenilenebilir enerjinin kullanımı konusunda tüm ülkelerde araştırma ve geliştirme faaliyetlerinin artmasına neden olmaktadır. Enerjinin verimli kullanımı endüstride olduğu kadar konutlarda da büyük önem taşımaktadır. Konutlarda tüketilen enerji ele alındığında ise bu enerjinin %10-15'i buzdolapları ve derin dondurucular tarafından tüketilmektedir. Bir buzdolabının tükettiği enerjinin ise yaklaşık olarak %90'ı kompresör tarafından sarf edilmektedir. Ayrıca, Dünya pazarında buzdolabı enerji tüketimi etiketlemesinin etkileri tüm üreticileri daha verimli buzdolapları üretmeye zorlamaktadır. Yüksek enerji verimliliği sınıfındaki buzdolaplarının üretilebilmesi için enerji verimliliği yüksek kompresörlerin tasarımı büyük önem taşımaktadır.
Bu bağlamda oluşturulan tez üç farklı kısımda incelenmiştir. İlk kısımda, enerji maliyetlerine neden olan kompresörün radyal yataklarındaki sürtünme kayıpları, hidrodinamik yağlama teorilerine göre analitik olarak hesaplanmıştır. Basınç kuvvetinden dolayı, krank mili radyal yataklarında ve krank basma yüzeyindeki eksenel yatak üzerinde oluşan tüm kuvvetlerin ve momentlerin kinematik ve dinamik analizi, hem Matlab'ta hem de Solidworks programında gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarına bağlı olarak, mevcut sistemin eksantriklik oranı ve hidrodinamik yağlama koşullarında oluşabilecek maksimum eksantriklik oranı tespit edilmiştir. Analizler neticesinde bilinen yük taşıma kapasitelerine bağlı olarak, minimum sürtünmenin oluşacağı maksimum eksantriklik oranına ulaşabilmesi için gereken optimum yatak uzunluğu ve sistemin dinamik viskozitesi sunulmuştur. Yapılan çalışmalar testler ile desteklenmiştir.
Çalışmanın ikinci kısmında; krank basma yüzeyinde eksenel rulman kullanılması ile sürtünme kayıplarında değişim belirtilmiştir. Rulmanları karakterize eden parametreler detaylı olarak araştırılmış ve incelendikten sonra, yeni eksenel rulman tasarlanmıştır. Özel tasarımın yanı sıra, mevcut standart rulmanların yataklarda kullanılmasıyla yatakta değişen sürtünme kaybı hesaplanmıştır.
Üçüncü kısımda ise, krank mili radyal yataklarda rulman kullanılması durumunda yataklardaki enerji kazançları güç bazında gösterilmiştir. Sisteme uygunluğu hakkında bilgi verilmiştir. Ayrıca, hem ikinci hem de üçüncü kısımdaki çalışmalarda kullanılan rulmanların sürtünme momentlerini ve güç kayıplarını temel düzeyde ortaya çıkaracak matlab modeli oluşturulmuştur. Rulman kullanımı, test sonuçlarıyla analiz edilerek, sonuçlar değerlendirilmiştir.
Çalışmalar neticesinde, kompresörün radyal kaymalı yataklarında %10 civarında güç kazanımı elde edilmiştir ve bir yıl içindeki buzdolablarının yıllık enerji tüketimindeki sürtünme kayıpları yaklaşık 1.17 kWh azaltılmıştır.

Abstract:
Increasingly depletion of fossil fuels in worldwide lead to increase the research and development activities on energy efficiency and usage of renewable energy in all countries. The usage of the energy efficiency in residences is also very important as much as in industry. When it comes to consumed energy in residences, 10-15% of this energy is consumed by refrigerators and freezers. Also, approximately 90% of the energy is consumed by refrigerator is consumed by the compressor. In addition, the effects of energy consumption labeling of refrigerators in the world market is forced to all manufacturers to produce more efficient refrigerators. The compressors are designed with high energy efficiency is utmost importance in order to produce refrigerators in high energy efficiency class.
The thesis are created in this context, was examined in three different parts. In the first part, the friction losses which lead to energy cost in the radial journal bearing of the compressor, is calculated analytically according to the hydrodynamic lubrication theory. The kinematic and dynamic analysis of all the forces and moments, consist of the axial journal bearing on the crank-pressing surface and the radial journal bearings of the crankshaft due to the pressure force, was carried out in both the Matlab and Solidworks programs. Depending on the analysis results, the maximum eccentricity ratio in the present system and eccentricity ratio which may occur in the hydrodynamic lubrication conditions, were identified. Depending on the load-carrying capacity is known by the analysis consequences, dynamic viscosity of the system and the optimum bearing length required in order to achieve the maximum eccentricity ratio which will consist of minimum friction, were presented. The subject was supported by tests.
In the second part of the study; the changing of the friction losses is specified by using axial ball bearing on the crankshaft pressing surface. After ball bearings characterizing parameters have been investigated in detail and examined, new axial ball bearing were designed. As well as custom designs, by using the existing standard ball bearings on journal bearings, the changing of the friction loss is calculated.
In the third part, the energy gains on the crankshaft journal bearings in the case of ball bearings are shown in terms of power. About the suitability of the system were informed. In addition, Matlab Model which will reveal the frictional torques and power losses of the ball bearings are used in both the second and the third section subjects, was created at a basic level. The ball bearing usage are analyzed by the test results, the analysis results are evaluated.
As result of the studies, around 10% the power gain was obtained on the radial journal bearing in the compressor and the friction losses in annual energy consumption of the refrigerator is reduced approximately 1.17 kWh in a year.