Gemi ana makinelerinde kullanılan farklı ara soğutucu (ıntercooler) tasarımları ve karşılaştırmalı analizleri
Different intercooler designs and comparative analysis used in ship main engine
Yazar: KAAN USTA
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ATMACA
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Çoğu sektörde olduğu gibi denizcilikte yaygın olarak kullanılan dizel motorlar Türk Deniz Kuvvetleri'ne ait gemilerde de ana makine (tahrik/hareket) ve yardımcı makine (jeneratör) olarak kullanılmaktadır. Günden güne kullanımı hızla artan dizel motorlarda daha üstün performans arayışı devam etmektedir. Performans ve yakıt tüketimi açısından turbo şarj ve dolayısıyla ara soğutucu seçimi ve tasarımı önem arz etmektedir.
Söz konusu tez çalışmasında, Türk Deniz Kuvvetleri envanterinde mevcut dizel motorlar için emme havası giriş sıcaklığındaki değişikliklerin motora olan etkileri araştırılmış; Deniz Kuvvetleri Komutanlığı'nda sıkça kullanılan ana makinelerde mevcut ara soğutucularda (şarj hava kuler) bulunan ve içinden soğutucu akışkan geçen boruların tasarımları değiştirilerek ANSYS-FLUENT programı aracılığıyla analizler gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları doğrultusunda bahse konu tasarımlar mevcut ara soğutucu ile sıcaklık ve basınç kaybı açısından karşılaştırılarak; parametrelerin ana makineye olası etkileri yorumlanmıştır. Ara soğutucuların (eşanjörlerin) geometrik özelliklerinden dolayı modellerin tamamının üzerinde analiz yapmanın getireceği hesaplama yükünün fazlalığı ve işbu farklılıkların tek tek analiz edilmesinin verimli olmayacağı değerlendirilmiş; bu sebeple geometrik süreklilikten faydalanılarak periyodik sınır koşulları ile geometrinin küçük bir kısmı analizlere dahil edilmiştir. Söz konusu çalışmada ara soğutuculardaki boru demetlerinin geometrileri değiştirilerek sayısal sonuçlar elde edilmiştir. 6 farklı tasarım üzerinde yapılan analizler neticesinde oval ve Naca 0022 modellerin kullanıldığı tasarımların en iyi sonucu verdiği tespit edilmiştir. Dairesel, oval, Naca 0022, eşkenar dörtgen, dikdörtgen ve altıgen modeller için yapılmış olan sayısal çalışmalarda elde edilen sonuçlara göre oval ve Naca 0022 modele göre geometrik yapıların sebep olduğu baskın akış ayrılması bölgesinden dolayı eşkenar dörtgen ve dikdörtgen modelde 5,25 kat, altıgen modelde 2,64 kat, dairesel modelde ise 1,93 kat daha fazla basınç kaybı olacağı oluştuğu tespit edilmiştir. Ayrıca hesaplamalara dahil edilmeyen bileşenler de (manifoldu, turbo şarj vb.) göz önünde bulundurulduğunda daha düşük debi değerlerinin oluşması dolayısıyla daha fazla bir basınç kaybı olacağı değerlendirilmiştir.
Elde edilen sonuçlara ilave olarak mevcut motor test istasyonundaki test sonuçlarına ve literatürdeki araştırmalara istinaden şarj havası yoğunluğundaki kayıplar ve emme havası giriş sıcaklığındaki artışlar sebebiyle özgül yakıt tüketiminin artacağı, efektif verimin düşebileceği, hava-yakıt karışımındaki değişimler neticesinde zengin karışıma sebep olarak emisyonu artırabileceği, ayrıca egzoz sıcaklığının artması sebebiyle kızıl ötesi iz seviyesinin artacağı öngörülmüştür. Sonuç olarak ara soğutucu için yapılan sayısal hesaplamalar ve analizler neticesinde elde edilen sonuçlar tablo ve grafikler halinde sunulmuştur.

Abstract:
As in most sectors, diesel engines, which are widely used in maritime, are also used as main machinery (propulsion / movement) and auxiliary machinery (generator) on ships belonging to the Turkish Naval Forces. The search for superior performance continues in diesel engines, the use of which is increasing rapidly day by day. In terms of performance and fuel consumption, the selection and design of the turbocharger and therefore the intercooler is important.
In this thesis, the effects of the changes in the intake air inlet temperature on the engine were investigated for the diesel engines available in the Turkish Navy inventory; The analyzes were performed through the ANSYS-FLUENT program by changing the designs of the pipes in the intercoolers (charge air cooler) of the main engines, which are frequently used in the Naval Forces Command, and through which the refrigerant flows. In line with the analysis results, the aforementioned designs were compared with the existing intercooler in terms of temperature and pressure loss; the possible effects of the parameters on the host machine are interpreted. Due to the geometric properties of the intercoolers (heat exchangers), it was assessed that the computational burden of analyzing all the models would be excessive and that analyzing these differences one by one would not be efficient; therefore, a small part of the geometry was included in the analyzes within the periodic boundary conditions by utilizing the geometric continuity. In this study, numerical results were obtained by changing the geometry of the pipe bundles in the intercoolers. As a result of the analyzes conducted on 6 different designs, it was determined that the designs using oval and Naca 0022 models gave the best results. According to the results obtained in numerical studies conducted for circular, oval, Naca 0022, rhombic, rectangular and hexagonal models, it was found that there will be 5,25 times more pressure loss in the rhombic and rectangular model, 2,64 times in the hexagonal model and 1,93 times in the circular model due to the dominant flow separation zone caused by geometric structures compared to the oval and Naca 0022 model. Also, components that are not included in the calculations (manifold, turbocharger, etc.) when taken into account, it has been estimated that there will be a greater pressure loss due to the formation of lower flow values.
In addition to the results obtained, based on the test results at the existing engine test station and research in the literature, it is predicted that specific fuel consumption will increase due to losses in charge air density and increases in intake air inlet temperature, effective efficiency may decrease, emission may increase due to rich mixing because of the changes in the air-fuel mixture, and the infrared trace level will increase due to an increase in exhaust temperature. As a result, the results obtained through numerical calculations and analysis for the intercooler are presented in tables and graphics.