Otomobillerde Yenilikçi Hava Kanallı Koltuk Tasarımının Deneysel ve Sayısal Olarak İncelenmesi

Öz

Otomotiv sektöründe artan teknoloji kullanıcılara daha gelişmiş konfor koşulları sunmaktadır. Otomobil koltuklarında ısıl konfor açısından arzu edilen seviyeler kış koşullarında koltuk ısıtma sistemleriyle sağlanırken yaz koşullarında koltuk soğutma sistemleri kullanılarak sıcak koltuk yüzeylerinin soğutulmasıyla sağlanır. Bu çalışmada otomobiller için yeni bir koltuk soğutma sistemi tasarımı yapılmış ve prototipi üretilmiştir. Geliştirilen bu aktif havalandırmalı koltuk sistemi taşıt iklimlendirme sistemi tarafından şartlandırılan iç ortam havasını kullanıyor olup istenildiğinde ilave bir soğutucu ünite ile daha etkin bir soğutma da sağlayabilir. Ayrıca geliştirilen bu koltuk tasarımının oturma bölgesi üç-boyutlu (3D) Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri yapılmak üzere modellenmiştir. Üretilen ve modellenen koltuklarla hem otomotiv üretici standartlarına hem de literatürde yer alan çalışmalara uygun olacak koşullar altında deneysel ve sayısal çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Koltuk yüzeyine homojen bir hava dağılımı için eklenen gözenekli yapı bölgesinin sıcaklığı 60. saniyede 25°C’ye düştüğü ve diğer yüzeylerin 50°C civarında olduğu görülmüştür. HAD analiz sonuçları incelendiğinde ise fan vasıtasıyla sağlanan hava akımı yaklaşık 2 m/s hızla koltuk modeline girmiş ve gözenekli bölgede 4.5 m/s’ye kadar yükselmiştir. Deneysel ve sayısal çalışma sonuçlarının uyum içinde olduğu gözlenmiştir. Fan etkisinin devre dışı bırakıldığı ve sadece doğal taşınımla soğumanın gerçekleştiği analiz sonuçları fanlı sistemlerin sonuçları ile karşılaştırıldığında ise aktif koltuk soğutma sistemiyle koltuk yüzeyinde yaklaşık 8°C’ye kadar daha düşük değerlerinin elde edildiği görülmüştür. Geliştirilen bu sisteminin özellikle sıcak yaz koşullarında ısıl konfor şartlarının sağlanmasına katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Koltuk soğutma
• koltuk ısıtma
• ısıl konfor
• HAD

Experimental and Numerical Investigation of Innovative Air Duct Seat Design in Automobiles

Abstract

Increasing technology in the automotive sector offers users more advanced comfort conditions. While the desired levels of thermal comfort in automobile seats are provided by seat heating systems in winter conditions, it is achieved by cooling the hot seat surfaces by using seat cooling systems in summer conditions. In this study, a new active cooling system was designed and prototyped for automobiles. This system uses the indoor air conditioned by the vehicle air conditioning (AC) system and can provide more effective cooling with an additional cooling unit if desired. The seating area of this developed seat design is modelled for three-dimensional (3D) Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis. Experimental and numerical studies were carried out with the seats produced and modelled under conditions that would comply with both the automotive manufacturer's standards and the studies in the literature. The porous structure area added to the seat surface for a homogeneous air distribution decreased to 25°C in the 60th second and the other surfaces were around 50°C. In the CFD analysis, the air flow provided by the fan entered the seat model with a velocity of about 2 m/s and increased up to 4.5 m/s in the porous region. The experimental and numerical study results are in good agreement. When the results of the analysis, in which the fan effect is disabled and only natural convection cooling is realized, are compared with the results of the systems with fans, it is seen that lower values of up to 8°C are obtained on the seat surface with the active seat cooling system. It is thought that this developed system will contribute to the provision of thermal comfort conditions, especially in hot summer conditions.

Keywords

• Seat heating
• seat cooling
• thermal comfort
• CAD

References

1. [1] ASHRAE handbook – Fundamentals, chapter 8., Atlanta: American Society of Heating, Refrigeration and Air-conditioning Engineers, (1993).
2. [2] Fanger, P.(1970). Thermal comfort analysis and applications in environmental engineering, New York: McGraw-Hill.
3. [3] Parsons, K. (2014). Human thermal environments: the effects of hot, moderate, and cold environments on human health, comfort and performance. CRC Press.
4. [4] Sevilgen, G. (2010). Otomobil kabininde hız ve sıcaklık dağılımının üç boyutlu sayısal analizi, Doktora Tezi, Uludağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Bursa, Türkiye.
5. [5] Yiğit, A. ve Atmaca, İ. Isıl Konfor ile İlgili Mevcut Standartlar ve Konfor Parametrelerinin Çeşitli Modeller ile İncelenmesi, IX. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, 543, (2011).
6. [6] İbiş, A. (2020). Otomobiller için yenilikçi hava kanallı koltuk tasarımı ve prototip imalatı, Yüksek Lisans Tezi, Bursa Uludağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Bursa, Türkiye.
7. [7] Lee, D. ve Lee, E. Cooling and heating performance improvement of enhanced climate control seats, International Journal of Automotive Technology, cilt 19, sayı 5, sayfa 795−800, (2018).
8. [8] Karimi, G., Chan, C. ve Culham, J. R. Experimental study and thermal modeling of an automobile driver with a heated and ventilated seat, SAE International, sayfa 682-692, (2003).

9. [9] Su, C., Dong, W., Deng, Y., Wang, Y. ve Liu, X. Numerical and experimental investigation on the performance of a thermoelectric cooling automotive seat, Journal of Electronic Materials, cilt 47, sayı 6, (2018).
10. [10] Sevilgen, G.ve Kilic, M. Investigation of transient cooling of an automobile cabin with a virtual manikin under solar radiation, Thermal science, cilt 17, no 2, sayfa 397-406, (2013).
11. [11] ANSYS FLUENT 12.0 User's Guide - 7.2.3 Porous Media, (2009).
12. [12] Sevilgen, G. ve Kılıç, M. Numerical analysis of air flow, heat transfer, moisture transport and thermal comfort in a room heated by two-panel radiators, Energy and Buildings, cilt 43, sayı 1, sayfa 137–146, (2011).