İsmail CEBECİ, Serkan GÜRKAN, Seydi DOĞAN, Volkan KIRMACI

IE1 Verimlilik Sınıfında Rotoru Sincap Kafesli Bir Asenkron Motorun Soğutulmasında Karşıt Akışlı Ranque-Hilsch Vorteks Tüp Kullanımı

Enerji verimliliği, tüm dünyanın üzerinde dikkatle durduğu önemli bir konudur. Dünyada üretilen elektrik enerjinin % 43 - 45’ini elektrik motoru tarafından tükettiği tahmin edilmektedir. Elektrik motorunun çalışma anında açığa çıkan yüksek sıcaklık verimi ve performansını olumsuz yönde etkilemektedir. Bundan dolayı, yüksek ısıya maruz kalan elektrik motorlarından ısının uzaklaştırılması büyük bir öneme sahiptir. Getirilen standartlarla IE3 ve IE4 verimlilik sınıfındaki elektrik motorlarının kullanımı teşvik edilmesine karşın, kullanımı devam eden önemli sayıda IE1 ve IE2 verimlilik sınıfında elektrik motoru mevcuttur. Bu çalışmada, IE1 verimlilik sınıfında rotoru sincap kafesli bir asenkron motor soğutulması için, karşıt akışlı Ranque-Hilsch Vorteks Tüpü (RHVT) entegre edilerek yeni bir soğutma sistemi önerilerek literatürde yeni bir kazanım sağlanmıştır. Önerilen sistem ile elektrik motoru verimliliğine etkisini analiz etmek için ANSYS Motor-CAD analiz programı kullanılmıştır. Benzetim çalışmaları neticesinde; önerilen sistem ile soğutulan elektrik motorunda, geleneksel fanlı soğutma yöntemi ile soğutulan elektrik motoruna göre % 3,86 verimlilik artışı elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler:

Karşıt akışlı Ranque-Hilsch Vorteks Tüp, Elektrik makinaları, Termodinamik, ANSYS Motor-CAD

The Use of Counter Flow RHVT for Cooling an IE1 Efficiency Class Squirrel Cage Induction Motor

Energy efficiency is an important issue that the whole world pays attention to. It is estimated that 43-45% of the electrical energy produced in the world is consumed by electric motors. The high temperature that occurs during the operation of the electric motor adversely affects the efficiency and performance. Therefore, it is of great importance to remove heat from electric motors that are exposed to high temperatures. Although the use of IE3 and IE4 efficiency class electric motors is encouraged by the standards introduced in the world, there are a significant number of IE1 and IE2 efficiency class electric motors still in use. In this study, a counter-flow Ranque-Hilsch Vortex Tube (RHVT) is integrated to cool an IE1 efficiency class induction motor with a squirrel-cage rotor. Consequently, a new method has been introduced to the literature in the field of cooling of electric motors. ANSYS Engine-CAD analysis program has been used to analyze the effect of the proposed system on the efficiency of the electric motor. As a result of the simulation studies, an efficiency increase of 3,86% has been obtained in the electric motor cooled by the proposed system, compared to the electric motor cooled by the traditional fan cooling method.

Keywords:

Counter flow Ranque-Hilsch Vortex Tube, Electric machines, Thermodynamics, ANSYS Motor-CAD,

PDF

___

[1] International Energy Agency, “World Energy Outlook 2021,” France, 2021. [Online]. Available: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2021.
[2] S. Büyük, “Elektrik Motorlarında Enerji Verimliliği Mevzuatının Türkiye Pazarına Etkisinin Analizi,” İstanbul Teknik Üniversitesi, 2018.
[3] A. Boglietti, A. Cavagnino, D. Staton, M. Shanel, M. Mueller, and C. Mejuto, “Evolution and Modern Approaches for Thermal Analysis of Electrical Machines,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no. 3, pp. 871–882, 2009, doi: 10.1109/TIE.2008.2011622.
[4] F. E. P. Santiago, “Study of the Thermal Behavior of a Three-Phase Induction Motor Under Fault Conditions,” Universidade da Beira Interior, 2017.
[5] D. F. de Souza, F. A. M. Salotti, I. L. Sauer, H. Tatizawa, A. T. de Almeida, and A. G. Kanashiro, “A Performance Evaluation of Three-Phase Induction Electric Motors between 1945 and 2020,” Energies, vol. 15, no. 6, 2022, doi: 10.3390/en15062002.
[6] Türkiye Elektrik Dağıtım A.Ş. Genel Müdürlüğü, “2020 Yılı Türkiye Elektrik Dağıtımı Sektör Raporu,” Ankara, Türkiye, 2021.
[7] Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu, “Elektrik Piyasası Sektör Raporu,” Ankara, Türkiye, 2020.
[8] International Energy Agency, “Global EV Outlook 2021,” France, 2021.
[9] Standart: IEC 60034-30-1, “Rotating electrical machines Part 30: Efficiency classes of single-speed, three-phase, cage-induction motors (IE code),” 2014.
[10] B. Zöhra and M. Akar, “Türkiye’de Verimli Elektrik Motorlarına Geçiş Süreci ve Şebeke Kalkışlı Sabit Mıknatıslı Senkron Motorlar,” Int. J. Multidiscip. Stud. Innov. Technol., vol. 3, no. 2, pp. 236–242, 2019.
[11] American Council for an Energy-Efficient Economy (ACEEE), “Motor Provisions in the Energy Policy Act of 1992,” 201 https://web.archive.org/web/20110501200008/http://aceee.org/motors/epactapp.htm (accessed Jun. 14, 2022).
[12] TC Bilim Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı, “Elektrik Motorlarında Enerji Verimliliği,” 2015. http://www.iaosb.org.tr/Media/FileDocument/ElektrikMotorlar_brosur.pdf (accessed Jun. 14, 2022). [13] TC Bilim Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı, “İmalat Sanayisinde Kullanılan Elektrik Motorları Envanteri Analiz Raporu,” 2016.
[14] E. Gundabattini, R. Kuppan, D. G. Solomon, A. Kalam, D. Kothari, and R. A. Bakar, “A Review on Methods of Finding Losses and Cooling Methods to Increase Efficiency of Electric Machines,” Ain Shams Eng. J., vol. 12, no. 1, pp. 497–505, 2021.
[15] H. Fujita, I. Atsushi, and U. Tohru, “Newly Developed Motor Cooling Method Using Refrigerant,” World Electr. Veh. Control, vol. 1–10, no. 10, p. 2, 2019.
[16] Standart: IEC 34-6, “Rotating electrical machines - Part 6: Methods of coolin grotating machinery,” 1991.
[17] R. Gouws and H. v. Jaarsveldt, “Thermal and Efficiency Analysis of a Single Phase Induction Motor with Peltier Devices,” World J. Eng., vol. 9, no. 1, pp. 63–70, 2012.
[18] F. Guo and C. Zhang, “Oil-Cooling Method of the Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Vehicle,” Energies, vol. 12, no. 15, pp. 1–11, 2019.
[19] G. Fang, W. Yuan, Z. Yan, Y. Sun, and Y. Tang, “Thermal Management Integrated with Three-Dimensional Heat Pipes for Air-Cooled Permanent Magnet Synchronous Motor,” Appl. Therm. Eng., vol. 150, no. 2019, pp. 594–604, 2019.
[20] V. Kırmacı, " Paralel Bağlı Karşıt Akışlı Ranque-Hilsch Vorteks Tüp Sisteminde Farklı Çalışma Akışkanı ve Nozul Malzemesi Kullanımının Performansa Etkisinin Deneysel İncelenmesi," Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, Cilt 8, Sayı 1, pp.1204 - 1215, 2020.
[21] H. Kaya, O. Uluer, E. Kocaoğlu, and V. Kirmaci, “Experimental analysis of cooling and heating performance of serial and parallel connected counter-flow Ranquee–Hilsch vortex tube systems using carbon dioxide as a working fluid,” Int. J. Refrig., vol. 106, pp. 297–307, 2019.
[22] W. Fröhlingsdorf and H. Unger, “Numerical investigations of the compressible flow and the energy separation in the Ranque-Hilsch vortex tube,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 42, no. 3, pp. 415–422, 1998.
[23] V. Kırmacı, H. Kaya, and İ. Cebeci, “An Experimental and Exergy Analysis of a Thermal Performance of a Counter Flow Ranque–Hilsch Vortex Tube with Different Nozzle Materials,” Int. J. Refrig., vol. 85, no. 2018, pp. 240–254, 2018.
[24] C. Ocak and B. Yenipınar, “Hibrit Yapılı Rotor Sargısının Asenkron Motor Verimliliği ve Performansı Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi,” Avrupa Bilim ve Teknol. Derg., vol. 26, no. Special Issue, pp. 242–246, 2021.
[25] E. B. Agamloh and A. Cavagnino, “High Efficiency Design of Induction Machines for Industrial Applications,” 2013.
[26] F. Gürgöze and A. F. Mergen, “Üç Fazlı Asenkron Motorlarda Sıcaklık Dağılımının Çıkartılarak Tasarım Optimizasyonunun Yapılması,” İTÜ Derg. / D Mühendislik, vol. 9, no. 1, pp. 36–44, 2010.
[27] A. Boglietti, A. Cavagnino, M. Parvis, and A. Vallan, “Evaluation of Radiation Thermal Resistances in Industrial motors,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 42, no. 3, pp. 688–693, 2006.
[28] A. S. Çabuk, “Tekerlekiçi Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Sıcaklık Dağılımlarının Toplu Parametreli Devre Modeli Şeması ile İncelenmesi,” Int. J. Adv. Eng. Pure Sci, vol. 32, no. 2, pp. 128–136, 2020.
[29] H. Rouhan, J. Faiz, and C. Lucas, “Lumped Thermal Model for Switched Reluctance Motor Applied to Mechanical Design Optimization,” Math. Comput. Model., vol. 45, no. 2007, pp. 625–638, 45AD.
[30] R. Jebahi, H. Aloui, and M. Ayadi, “One-dimensional Lumped-Circuit for Transient Thermal Study of an Induction Electric Motor,” Int. J. Electr. Comput. Eng., vol. 7, no. 4, pp. 1714–1724, 2017.
[31] Volt Motor, “Teknik Katalog,” 2022. https://www.voltmotor.com.tr/downloads/pdf/tr/catalogue_tr.pdf (accessed Jun. 14, 2022).