Investigation of Thermal Analysis Results of Hydronic Heating Systems Using Finite Element Method

Year 2021, Volume: 21 Issue: 2, 434 - 441, 30.04.2021

Hüseyin Akbulut , Lale Atılgan Gevrek

https://doi.org/10.35414/akufemubid.837150

Abstract

The methods of fighting icing in highway superstructures are of two types, active (modern) and passive (traditional) methods. Among the active methods, icing can be prevented by using conductive asphalt concrete, hydronic ice melting systems and automatic solutions. In active methods, icing can be prevented without icing, as required by the established system. For this reason, active methods can be more advantageous as they eliminate the damage caused by passive (traditional) methods to the environment and road pavement. Hydronic heating systems are also used as a renewable active anti-icing system. In this study, the thermal and structural analysis of hydronic heating systems, which are active methods using different parameters on a traditional superstructure section consisting of abrasion, binder and bituminous base layers, was performed in Ansys computer program using finite element method, and the usability of this system was revealed to prevent the icing of asphalt concrete in winter.

Keywords

Anti-icing, Thermal Analysis, Flexible Pavement, Hydronic Heating Systems

Hidronik Isıtma Sistemlerinin Sonlu Elemanlar Yöntemi Kullanılarak Termal Analiz Sonuçlarının İncelenmesi

Abstract

Karayolu üst yapılarında buzlanma ile mücadele yöntemleri aktif (modern) ve pasif (geleneksel) yöntemler olmak üzere iki çeşittir. Aktif yöntemlerin içerisinde ise, iletken asfalt betonu, hidronik buz eritme sistemleri ve otomatik solüsyon kullanılarak buzlanmanın önüne geçilebilmektedir. Aktif yöntemlerde buzlanma oluşmadan, kurulan sistem gereği, buzlanmanın önlenmesi sağlanabilmektedir. Bu nedenle pasif (geleneksel) yöntemlerin çevreye ve yol kaplamasına verdiği zararları ortadan kaldırdığı için aktif yöntemler daha avantajlı olabilir. Hidronik ısıtma sistemleri de yenilenebilir bir aktif buzlanma önleyici sistem olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada aşınma, binder ve bitümlü temel tabakalarından oluşan geleneksel bir üst yapı kesiti üzerinde farklı parametreler kullanılarak aktif yöntemlerden olan hidronik ısıtma sistemlerinin, sonlu elemanlar metodu kullanılarak Ansys bilgisayar programında termal ve yapısal analizleri yapılmış ve kış aylarında asfalt betonunun buzlanmasının önlemesi için bu sistemin kullanılabilirliği ortaya konulmuştur.

Keywords

Buz Önleme, Termal Analiz, Esnek Üstyapılar, Hidronik Isıtma Sistemleri

References

• Akbulut H., Gürer C., Yıldız A., Gevrek L., 2018. "Karayollarında Buzlanma Önleyici Sistem Olarak Jeotermal Enerjinin Kullanımı" yayın yeri: IV. Jeotermal Kaynaklar ve Doğal Mineralli Sular Sempozyumu ve Sergisi, Afyonkarahisar.
• ASHRAE, 1999. Handbook of HVAC Applications, American Society of Heating, Refgeration and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta.
• ASHRAE Handbook of HVAC Applications, 2003. American Society of Heating, Refgeration and Air-Conditioning Engineers. Inc., Atlanta
• Burger, M., 2005, Prediction of the Temperature Distribution in Asphalt Pavement Samples, Mechanical Engineering Master's Thesis, University of Stellenbosch, South Africa. 103 p.
• Chiasson, A. and J.D. Spitler, 2000. A Modeling Approach To Design Of A Ground-Source Heat Pump Bridge Deck Heating System. Proceedings of the 5th International Symposium on Snow Removal and Ice Control Technology. Roanoke, VA. September 5-8, p.4.
• Dickson, M.H. ve Fanelli, M. , 2003. Geothermal Energy: Utilization and Technology, Unesco Renewable Energy Series, 205 pp.
• Eugster, W.J., 2007. Road and Bridge Heating Using Geothermal Energy Overview and Examples, Proceedings European Geothermal Congress, Unterhaching, Germany, 30 May-1 June
• Górszczyk J. ve Grzybowska W., 2011. The use of fem for thermal analyses of the asphalt pavement, Roads and Bridges Research Institute, Roads and Bridges - Drogi i Mosty, Vol:10 No.4, 5-30.
• Iwamoto K., Nagasaka, S., Hamada, Y., Nakamura, M., Ochifuji, K., Nagano, K., 1998, Prospects of snow melting systems (Sms) using underground thermal energy storage (Utes) in Japan, Proceedings of the Second Stockton International Geothermal Conference, Pomona, New Jersey. March 16 – 17.
• Kula, Ö. (2008), “Jeotermal Isıtma Sistemlerinin Ekserji Analizleri” Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri enstitüsü, Makina Eğitimi Ana Bilimdalı, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul, 77s.
• Lıu, X., 1998, Development And Experımental Valıdatıon Of Sımulatıon Of Hydronıc Snow Meltıng Systems For Brıdges. Master Thesis, Tongji University, Shanghai, China, 246p.
• Lund, J.W., 2000. Pavement snow melting, Geo-Heat Center, Quarterly Bullettin, Vol:21, No: 2.
• Mirzanamadi R., Hagentoft C.E., Johansson P., Johnsson J., 2018. “Anti-icing of road surfaces using Hydronic Heating Pavement with low temperature, Cold Regions Science and Technology, 145, 106-118.
• Morita, K. and Tago, M. (2005), Snow-Melting on Sidewalks with Ground-Coupled Heat Pumps in a Heavy Snowfall City. Proceedings World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey, 24-29 April
• Mulungye, R.M., Owende,P.M.O., Mellon, K., 2005. “Finite element modelling of flexible pavements on soft soil subgrades”, Materials & Design, Vol:28 (3), 739-756.
• Özsoy, A. Ve Acar, M., 2005. “Yerçekimi Destekli Bakır-Su Isı Borusu İçin Deneysel Bir Çalışma” Tesisat Mühendisliği Dergisi, Sayı: 90, s. 13-18.
• Sayın E., ve Tanyıldızı H., 2006. Bitümlü Sıcak Karışımların Rijitliğinin Bulanık Mantık İle Bulunması, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 21, No 4, 645-649.
• İnternet Kaynakları 1- https://www.jentrofittings.com/sites/jentro/files/insert-file/technical_information_pex_-_en.pdf (01.09.2020)