Kylning av höger bandhylla CV90 EXAMENSARBETE

(1)

EXAMENSARBETE

Kylning av höger bandhylla CV90

Magnus Bostedt

Högskoleingenjörsexamen Teknisk design

(2)

Förord

Detta examensarbete är det avslutande kapitlet på min ingenjörsutbildning vid Luleå tekniska universitet, LTU. Det har varit ett utmanande och inspirerande projekt som har utvidgat min kunskap inom ämnesområdet och branschen oerhört mycket. Jag har tagit lärdom av erfaren och yrkesskicklig personal på företaget och anställda vid LTU.

Tack till BAE Systems och Göran Westman för att ha gett mig denna möjlighet och till övriga personer som bistått med hjälp, samt inte minst min handledare vid LTU, Anders Håkansson.

Magnus Bostedt, mars 2012

(3)

Sammanfattning

Detta examensarbete utfördes på BAE Systems Hägglunds AB, som utvecklar och tillverkar stridsfordon. Målsättningen med projektet var att minska värmeavgivningen i höger bandhylla på produktserien CV90. Det förutsatte lösningar för både isolering och öka luftgenomströmningen i bandhyllan. Resultatet består av konceptlösningar för de givna problemen utan fokus på detaljutveckling.

Inledningsvis skedde en förstudie som innebar insamling av data och information. Sedan definierades kravspecifikation och målsättning, utifrån detta gjordes en analys för att identifiera problemen med den nuvarande utformningen. Därefter genomfördes en

konceptgenerering som mynnade i några potentiella koncept som sedan utvärderades med hjälp av företaget.

Projektet resulterade i ett kombinerat koncept med lösningar inom aerodynamisk

optimering, isoleringsmetod och ökning av luftflöde. Först implementeras en fläkt mellan motorrummet och bandhyllan som forcerar luft genom bandhyllan. Sedan för att isolera avgassystemet finns två koncept med olika fördelar och nackdelar. Dels kan ett stålskal klädd med aluminiumfolie och en vakuumspalt appliceras för att maximera

isoleringsegenskaperna, eller så används ett hölje med aluminiumfolie som lindas ett stort antal varv vilket är lättapplicerat och kräver lite utrymme. Dessutom bör den bakre passagen optimeras aerodynamiskt för att inte bromsa luftflödet.

(4)

Abstract

This bachelor's thesis was originated at BAE Systems Hägglunds AB, which develops and manufactures combat vehicles. The goal with this project was to minimize the heat radiation in the right side compartment on a CV90. The result required both solutions for insulation and to increase the airflow through the side compartment. The result contains concept solutions for the given problems without focus on details.

The prelude contained a feasibility study of information gathering. Then the requirement specification and goal was defined, and from that an analysis of the existing design to identify the problems was made. With the prelude knowledge a generating phase was held that resulted in a couple of potential concepts which was evaluated cooperatively with the company.

The project resulted in a combined concept with results from aerodynamic optimization, airflow increase and insulation method. Primarily a fan is implemented between the engine room and side compartment to force an airstream through the compartment. To insulate the exhaust there is two concepts with specific advantages and disadvantages. Either an aluminafoil covered steel shell that holds a vacuum can be applied to maximize the insulation properties, or an aluminafoil wrapping method witch is simply appliable and demands only a slight space. In addition, the back air passage should be optimized to not obstruct the airflow.

(5)

Innehållsförteckning

1. Inledning ... 6

1.1 Bakgrund ... 6

1.2 Syfte och mål ... 7

1.3 Avgränsningar ... 7

2. Metod och genomförande ... 8

2.1 Projektmetod ... 8

2.2 Informationsinsamling ... 9

2.3 Kravspecifikation ... 9

2.4 Problemanalys ... 10

2.5 Konceptgenerering ... 12

2.6 Beräkningar ... 13

2.7 Utvärdering av koncept ... 13

2.8 Vidareutveckling ... 15

2.9 Slutgiltigt koncept ... 15

3. Teori ... 16

3.2 Termodynamik ... 16

3.3 Strömningslära ... 21

3.6 Kommersiella isoleringsmetoder ... 23

4. Nulägesbeskrivning ... 25

4.1 Utseende ... 25

4.2 Avgas- och kylningssystem ... 26

4.3 Isolering ... 26

4.4 Värme... 26

4.5 Vadning ... 27

4.6 Vitala delar och utrustning ... 27

4.7 Dimensioner... 27

4.8 Lufttryck ... 28

4.9 Förutsättningar ... 28

(6)

5. Problemanalys ... 29

5.1 Luftflöde ... 30

5.3 Aerodynamik ... 30

5.4 Slutsats problemanalys ... 31

6. Koncept ... 32

6.3 Aerodynamisk optimering ... 35

7. Beräkningar ... 37

7.1 Experiment ... 37

7.2 Beräkning isolering ... 42

8. Utvärdering ... 44

9. Vidareutveckling ... 47

9.3 Aerodynamisk optimering ... 52

10. Slutgiltigt koncept... 54

10.3 Aerodynamik ... 58

11. Rekommendation för fortsatt arbete... 59

12. Diskussion ... 60

13. Referenser ... 61 Bilagor

(7)

Bild 1.1. Stridsfordon CV9040b som används av svenska försvaret.

1. Inledning

Detta projekt genomfördes i samarbete med BAE Systems Hägglunds AB. Uppdraget innebar att utreda kring möjligheter för ett nödvändigt utvecklingssteg av deras största

produktionsserie. Projektet genomfördes mellan november 2011 och mars 2012.

1.1 Bakgrund

BAE Systems är ett globalt företag inom försvar och säkerhet, de tillverkar och levererar militära fordonssystem och avancerad elektronik. De har runt 100 000 anställda och räknas som det näst största företaget i världen inom branschen med kunder i över hundra länder.

Hägglunds AB är en del av BAE Systems och är baserat i Örnsköldsvik. Hägglunds är en av världens främsta tillverkare av pansarskytte- och terrängfordon och deras produkter finns stationerade i flertalet länder. Hägglunds har främst tre produktfamiljer,

stridsfordonsfamiljen CV90, bandvagnsfamiljen samt det hjulburna stridsfordonet SEP.

CV90 serien är Hägglunds största produktfamilj med stridsfordon specialiserade på

trupptransport och eldkraft. I den bakre delen finns utrymme för en skyttegrupp på upp till åtta personer utöver förare, vagnschef och skytt. Tornet är bestyckat med en upp till 40 mm automatkanon och vagnen är utrustad med högteknologisk utrustning som exempelvis värmekamera. CV90 är en kontinuerligt vidareutvecklad produkt med behov av ständiga förbättringar, dels för att möta nya hotbilder och dels för att stå sig bra konkurrensmässigt.

Bild 1.1 visar en CV9040b, den högra bandhyllan befinner sig ovanför det närmsta bandet.

(8)

I takt med vidareutveckling av avgassystem och andra närliggande system och komponenter har systemets värmestrålning ökat till oacceptabla nivåer. Utrymmet i bandhyllan för

luftgenomströmning har minskats då rördimensioner ökats och andra applikationer implementerats, vilket bidrar till att skapa problem med för höga temperaturer. Eftersom avgassystemet passerar och mynnar på höger sida av vagnen så är det den högra bandhyllan som problemet berör. I den högra bandhyllan finns även utrymmen för förvaring av fordons- och truppmateriel vilket utsätts för skadligt höga temperaturer.

1.2 Syfte och mål

Målet med projektet är att utreda möjliga justeringar av komponentplacering och

utformning för att öka luftflödet, minska värmestrålningen samt att förbättra utrustningens miljö. Eftersom detta projekt endast utgör ett första steg i utvecklingen av effektivare kylning så kommer resultatet av detta projekt att bestå av konceptlösningar för vidare utveckling och utvärdering.

1.3 Avgränsningar

För att begränsa omfattningen av projektet sattes rimliga avgränsningar.

 Fokus kommer inte att läggas på detaljutveckling, det lämnas åt företaget i efterhand.

 Datorstödda flödesberäkningar, (Computational fluid dynamics, CFD), för att analysera luftflöde genomfördes inte i detta projekt på grund av projektets tidsbegränsade omfattning.

(9)

2. Metod och genomförande

Detta avsnitt beskriver de metoder som använts vid projektets genomförande. Projektet har genomförts systematiskt efter projektcirkeln.

2.1 Projektmetod - Projektcirkeln

¹

När ett arbete ska utföras används oftast föreskrivna metoder, detta för att underlätta och förtydliga arbetet, att säkerställa resultatets kvalité samt att det ger en ökad effektivitet och säkerhet.

Detta projekt utgår från projektcirkeln, vilket är en systematisk metod för produkt- och produktionsutveckling. Den utgår från en cirkel med processelement i medurs ordning, i vilken åtminstone två varv bör passeras under projektets gång. De element som omfattas i projektcirkeln visas i bild 2.1 nedan.

Bild 2.1. Projektcirkeln¹.

Först görs en noggrann planering för att skapa bra förutsättningar för projektet, sedan görs en nulägesbeskrivning och problemanalys i steg två. Med hjälp av föregående steg så formuleras kravspecifikation och målsättning, därefter börjar den kreativa processen i steg

1Arbete och teknik på människans villkor. Karlsson, S. m.fl. (2008).

(10)

fyra. När det finns koncept formulerade ska dessa utvärderas och ett koncept väljas, slutligen görs en vidareutveckling av konceptet i steg 6.

Denna metod bör genomföras i flera varv, där i det första varvet läggs mest fokus på

planering och diagnos, det andra varvet fokuseras på mål, krav och kreativ metod. Det tredje varvet läggs fokus på utvärdering och vidareutveckling. Steg sju och åtta är ej relevant för detta projekt då resultatet inte är en färdig produkt, utan endast ett vidareutvecklat koncept.

2.2 Informationsinsamling

Först genomfördes förstudien, det vill säga en insamling av information och data. När projektets mål var tydligt beskrivet kunde en översikt över ämnesområdena som projektet skulle beröra definieras. De ämnesområden som ansågs relevant var främst strömningslära och termodynamik. Strömningslära är läran om fluiders beteende i ett system, i detta fall luftens flöde genom bandhyllan. Termodynamiken beskriver värmeenergins samspel med mekaniskt arbete och värmeöverföring mellan olika medier, detta ansågs ytterst relevant då värmeutstrålningen av avgassystemet och isolering faller under detta ämnesområde.

Förutsättningen för en bra utgångspunkt är en väl beskriven nulägesrapport. Information till nulägesbeskrivningen hämtades främst hos företaget i form av samtal med personal och studier av tidigare gjorda rapporter med avseende på värmemätningar, produktdata,

flödesmätningar etc. En ytterligare viktig informationskälla var företagets egna CAD filer över CV90-vagnen där samtliga element i och utanför bandhyllan kunde detaljstuderas.

Dimensioner med exakta mått av alla element kunde hämtas direkt ur CAD filerna.

Även en benchmarking av mindre omfattning genomfördes med syftet att få en bra bild av beprövade och användbara isoleringsmetoder och material. Genom denna analys har en mängd isoleringsmetoder studerats för se vilka alternativ som eventuellt kan vara relevanta för detta projekt, fokus har legat på de mer extrema miljöerna och temperaturerna. Det dels för att få en bild av vilket resultat som är teoretiskt möjligt att uppnå och dels för att se med vilka metoder som kan vara applicerbara utifrån vagnens förhållanden och kravbild.

2.3 Kravspecifikation

Kravspecifikationen utarbetades av BAE Systems som de krav ett slutgiltigt resultat ska uppfylla. Utöver de interna kraven försågs projektet med önskemål som är tydliga riktlinjer men inte nödvändigtvis av avgörande betydelse. Kravspecifikationen hittas i bilaga 1.

(11)

2.4 Problemanalys

För att definiera en angreppspunkt på problemet behövdes en problemanalys över den befintliga utformningen utföras. För att få en uppfattning om luftens väg genom utrymmet analyserades bandhyllans utformning. Detta mynnade i ett flertal problemområden. Sedan utfördes en analys över den befintliga isoleringen för att visa de problem som påverkar värmeavgivningen. Även en utredning kring den aerodynamiska utformningen utfördes med hjälp av ett fysisk experiment.

Experiment

Efter litteraturstudier och ett samtal med Staffan Lundström, professor inom Strömningslära vid LTU, så skapades en uppfattning om behovet av en aerodynamisk utformning vid ett optimerat luftflöde. Behovet av en genomgående analys var viktig för fortsättningen av projektet då en grundpelare för ett optimerat luftflöde är bra aerodynamiska

förutsättningar. Men noteras bör att det i detta skede var oklart i vilken omfattning en optimering kunde öka luftflödet vilket motiverade analysen.

Experimentet var en referensmätning där det viktigaste var att alla variabler utom den sökta var konstant genom hela experimentet. I detta fall var de intressanta variablerna hålstorlek och lockavstånd. För att genomföra det fysiska experimentet tillverkades en lufttät kanal med utrymme för att placera ett testobjekt mitt i konstruktionen. Konstruktionen består av kartong och har dimensioner likt ett rätblock för att simulera en luftkanal. För att mäta luftflödet i konstruktionen har en 240 liter sopsäck fästs i ena änden av kanalen och en tidsmätning görs för att se hur lång tid det tar att fylla säcken med luft. För att pressa luft genom kanalen används en vanlig hårtork. Under experimentet gång gjordes kontinuerligt tester för att säkerställa konstruktionens täthet. Bild 2.2 på nästkommande sida visar en illustration över experimentets utformning.

(12)

Bild 2.2. Experimentets utformning med röd pil som visar var kartongskivorna placeras.

Testet gjordes med hjälp av testskivor i form av kartong med olika hålstorlekar och hål med lock på olika avstånd. Varje mätning gjordes fem gånger, medelvärdet räknades ut för att få ett rättvist och noggrant värde. Men först gjordes en referensmätning med kanalen helt fri från hinder för att kunna jämföra med resterande tester. Det ger även effekten på hårtorken enligt ekvation 2.1 där F är effekten, V är volymen på säcken och s är antalet sekunder.

Effekten och flödet anges i liter/sekund.

F = V / s (2.1)

Nedan visas de tester som gjordes med varierad hålstorlek.

2.1 Hål med 15 mm diameter.

(13)

Nedan visas de tester som gjordes med varierat lockavstånd. Håldiametern hölls konstant vid 100 mm, och lockets diameter hölls konstant vid 120 mm.

3.1 Lockavstånd 5 mm.

Efter alla mätningar sammanfattades resultaten i två grafer som visar sambandet mellan variablerna. För att få en jämförbar bedömning gjordes en beräkning om förhållandet mellan luftvolymen och håldimensionerna i dels experimentet och dels i den befintliga

utformningen, då med luftvolymen räknat på kravspecifikationens värde på 400 l/s. För att räkna förhållandet används ekvation 2.2 där D är håldiametern, V är luftflödet och β är föhållandekoefficienten.

β = D / V (2.2)

Sedan sammanfattades resultatet för att bedöma om utformningen är i behov av en aerodynamisk utformning.

2.5 Konceptgenerering

Den kreativa perioden genomfördes med hjälp av idégenereringsmetoden Brainstorming.

Brainstorming²

Ett grundmoment i ett designprojekt är den kreativa fasen, då genereras lösningar i stor mängd och variation. En vedertagen metod för lösningsgenerering är Brainstorming, det är ett effektivt sätt att producera idéer och förslag på lösningar. Grunden för Brainstorming är att ha så få begränsningar som möjligt för att kunna leverera idéer av olika karaktär. Helst formuleras först en abstraktion av problemet för att ge en så förutsättningslös Brainstorming som möjligt. Idéerna får vara hur galna som helst, varje idé som dyker upp ska noteras. Det sker under en viss tid och ingen kritik eller åsikt får yttras om andra idéer under sessionen.

Efter processen finns det förhoppningsvis mängder av förslag och idéer av varierad potential för vidare utvärdering och kreativt arbete.

Det genomfördes separata konceptgenereringar för att öka luftflödet, isolera avgassystemet och aerodynamisk utformning.

2Produktutveckling - effektiva metoder för konstruktion och design: Pettersson, D. m.fl. (2004).

(14)

Det genererades en större mängd lösningar av varierad potential för konceptutveckling.

Varje enskild idé ägnades en snabb utvärdering för att sortera ut de som av tydlig anledning vore en mindre bra lösning. De idéer som återstod genomgick sedan en till kreativ delfas där tydligare lösningsförslag definierades.

De lösningar som stod kvar utgjorde konceptbasen som genomgick en beräkning och analysfas för att sedan kunna utvärderas och slutligen resultera i ett slutgiltigt koncept.

2.6 Beräkningar

Beräkningar gjordes för att bedöma konceptens duglighet, vilket utgör ett stöd för

utvärderingen. De beräkningar som gjordes var experimentella mätningar och beräkningar för den aerodynamiska problemdefinitionen samt termodynamiska beräkningar för

värmetransport med avseende på isoleringen.

På isoleringkoncepten utfördes konduktionsberäkningar. Först gjordes en referensberäkning av den befintliga isoleringen, sedan beräkningar av koncepten för att sedan jämföra dem med varandra. För att beräkna konduktionen så används ekvation 2.4 nedan³.

H = k ∙ A ∙ ((Th – Tc) / L) (2.4)

H är värmeflödet genom isoleringen och anges i W [J/s], k är materialets konduktivitet, A är arean på den värmestrålande ytan i [m²], Th är temperaturen på avgasröret och anges i [˚C], Tc är temperaturen utanför isoleringen och L är tjockleken på materialet och anges i [m].

För att kunna jämföra isoleringarnas effektivitet sätts Tc, alltså temperaturen utanför isoleringen konstant vid 70 ˚C. A sätts till 1 m² och kan därför ignoreras i beräkningarna.

Beräkningar på strålningen blir inte aktuellt då för många variabler är odefinierade vilket gör att felmarginalerna blir för stora och resultatet opålitligt. En uppskattning om strålningen och behovet av reflektiva komponenter i isoleringen har gjorts främst med stöd av teori.

2.7 Utvärdering av koncept

För att utvärdera koncepten och slutligen välja det som uppfyller kraven bäst, gjordes en viktningsprocess där kraven viktades. Kraven är inte tagna direkt ut kravspecifikationen, utan nya applicerbara krav för denna utvärdering var tvungna att definieras, det för att få en funktionsspecifik utvärdering. Utifrån viktningen ställdes koncepten i relation till kraven, d.v.s. koncepten utvärderas och tilldelas poäng efter hur väl dessa uppfyller kraven. Det koncept med högst poäng väljs sedan för en vidareutvecklingsfas. Utvärderingsmallen kan appliceras på både luftflödeskoncepten och isoleringskoncepten med enda skillnaden att

3 University Physics with modern physics; Freedman R, m.fl. (2008)

(15)

FSF (Fungerar vid Stillastående Fordon) byts ut mot Tlek som betyder isoleringens tjocklek.

Det eftersom samtliga koncept uppfyller FSF i samma grad och isoleringens tjocklek anses relevant för utvärderingen.

De nya krav som definierades för denna utvärdering visas här nedan.

1. Låg kostnad (LågK)

2. Enkel konstruktion (LKon)

3. Fungerar vid stillastående fordon (FSF) / Isoleringens tjocklek (Tlek) 4. Fail-safe (FailS)

5. Effektivitet (Eff)

6. Underhållsvänlig (UndV)

Sedan gjordes en viktningsmatris där kraven viktades gentemot varandra för att värdera kravens betydelse. Utifrån det får varje krav ett värde som senare multipliceras med konceptens enskilda betyg. Viktningen av kraven gjordes genom att betygsätta dessa enligt betygssystemet nedan.

 0 poäng = Mindre viktigt krav

 1 poäng = Lika viktigt krav

 2 poäng = Viktigare krav

Därefter räknades en betygssumma ut som delades därefter med det sammanlagda antalet poäng. Det ger ett decimaltal som motsvarar vikten av kravet och den används sedan i nästa steg då koncepten ska betygsättas.

Efterföljande steg är konceptviktningen, den fungerar så att varje koncept jämförs med varje enskilt krav och samtidigt i förhållande till de andra koncepten vilket ger ett jämförelsebetyg mellan koncepten. Betygssättningen gjordes med uppskattningar då koncepten befinner sig i ett tidigt stadium och att dessa till viss del kan varieras i ett senare vidareutvecklingsskede.

Betygen ges från 1-5, innebörden visas nedan.

1. Obefintligt 2. Mindre bra 3. Godkänt 4. Bra

5. Mycket bra

(16)

För luftflödeskoncepten grundar sig betygen på uppskattningar som gjorts av mig men också med hjälp av Carlsson Kurt vid BAE Systems som har god erfarenhet inom konstruktion och vagnens utformning. Utvärderingen av isoleringen genomfördes ensam men stödjer sig delvis på information som erhållits genom samtal med personal från avdelningen Energivetenskap vid LTU.

2.8 Vidareutveckling

För att genomföra en vidareutveckling så krävs en ny kreativ fas där förslag på

konstruktionsmässiga detaljer och lösningar ska hittas. I detta projekt genomfördes en mindre omfattande vidareutvecklingsfas där generella förslag på utformning definierades utan fokus på detaljutveckling.

2.9 Slutgiltigt koncept

Det slutgiltiga resultatet är ett koncept som innehåller de bäst lämpade lösningarna för isolering, luftflöde och aerodynamisk optimering. Resultatet illustreras med bilder och beskrivningar över principen.

(17)

3. Teori

Projektet inleddes med en förstudie som bestod dels av insamling av företagets egna rapporter, dels instudering av litteratur samt samtal med personer på BAE Systems och vid LTU. Det gjordes för att utvidga kunskapsbasen och definiera en nulägesbeskrivning vilka utgjort projektets grund.

3.2 Termodynamik

⁴

Termodynamik är läran om värmeenergi och samspelet med mekaniskt arbete. Ett termodynamiskt system är en avgränsad del av universum, t.ex. en förbränningsmotor.

Termodynamikens huvudsatser

Termodynamiken har fyra huvudsatser, den nollte t.o.m. den tredje. Den nollte huvudsatsen formulerades av Ralph H. Fowler och lyder; ” Om två kroppar är i termisk jämvikt med en tredje kropp, då är de även i termisk jämvikt med varandra.”, d.v.s. att när ett systems tillstånd nått termisk jämvikt har samtliga kroppar i kontakt med varandra samma temperatur.

Den första huvudsatsen är lagen om energins bevarande, d.v.s. att ingen energi kan skapas eller förstöras, endast omvandlas. Det innebär att i teorin kan energi transporteras mellan olika system med 100 % effektivitet, i praktiken är detta en omöjlighet. Fransmannen Carnot definierade en process med högsta möjligt effektivitet, vilket kallas Carnotprocessen och har en effektivitet på 60 %.

Den andra huvudsatsen lyder; ” Värme kan inte av sig själv gå över från en kropp vid lägre temperatur till en annan med högre temperatur.”. Det betyder att en kropp inte kan med egna medel transportera värme till en varmare kropp, utan det kan endast ske med forcerad hjälp. Ett exempel på detta är en värmepump som tvingar värme att transporteras från ett kallare medium till en varmare, en sådan pump finns bl.a. i ett kylskåp.

Den tredje huvudsatsen säger; ”Entropin för en perfekt kristall närmar sig noll då den absoluta temperaturen närmar sig noll”. Den absoluta temperaturen är -273,15 °C, och vid den temperaturen är entropin noll, d.v.s. ingen värmeenergi i detta system kan omvandlas till arbete.

Fenomentet värme är i grunden en energitransport, vilket sker genom ett medium. Det finns tre sätt för värme att överföras mellan olika medier; konvektion, konduktion och strålning.

(18)

Konvektion

Konvektion är värme som sprids genom en fluid då molekylerna transporterar värmeenergin genom att förflytta sig genom mediet. Naturlig konvektion är t.ex. då varm luft stiger, det beror på att varm luft har lägre densitet än kall luft och rör sig därför uppåt. Forcerad

konvektion skapas t.ex. av en värmepump som forcerar rörelse i systemet så att värmen kan spridas.

Konduktion

Konduktion är värme som sprids i ett medium genom att atomer överför värme i kontakt med andra atomer, med andra ord värmeledning. Detta sker för att i den varmare änden av systemet har atomerna en högre kinetisk energi än i den kallare änden, och en del av den energin ger atomerna till sina närmaste grannar som i sin tur ger till sina närmaste grannar och så vidare. Det gör att den kinetiska energin sprids till dess att hela systemet har en jämn energinivå, d.v.s. samma temperatur.

Metaller är kända för att ha bra värmeledningsförmåga, vilket beror på att metaller sprider den kinetiska energin på ett annat sätt än andra medium. Metallernas atomer har inte bundna elektroner som andra ämnen, utan elektronerna existerar i ett så kallat

elektronmoln, d.v.s. elektronerna rör sig fritt mellan atomerna vilket gör att den kinetiska energin kan transporteras snabbare genom metallen. Metaller är också goda elektriska ledare vilket beror på denna elektron obundenhet.

Materials förmåga att leda värme kan utläsas av deras k-värde, ett högt värde betyder att materialet har bra värmeledningsförmåga och ett lågt k-värde betyder att materialet är en dålig värmeledare. Ett lågt k-värde eftersträvas för att få en bra isolator.

Strålning

Den tredje varianten av värmeöverföring är värmestrålning, det är exempelvis endast strålningsvärme vi får från solen. Strålning är värmeenergi som sprids genom

elektromagnetiska vågor som skickas ut från källan. Elektromagnetiska vågor är ljus, alltifrån infrarött till ultraviolett.

En värmestrålande källa identifieras lätt genom att se om den är självlysande, men källor kan även utstråla värme utan att det syns. Värmestrålningens intensitet måste vara hög för att värmestrålningen ska börja emittera delvis synligt ljus, låg intensitet skickar endast ut infraröda strålar vilket är osynligt för ögat. En värmekamera fungerar så att den kan se den infraröda strålning som alla varma kroppar sänder ut, blå färg visar låg infraröd strålning och hög strålning visas som rött, samt ett spektrum av färger däremellan.

(19)

Värmestrålning är den enda formen av värmetransport som kan ske genom ett totalt vakuum, eftersom när det inte finns några luftmolekyler så kan ingen värmeenergi transporteras genom konvektion eller konduktion.

Svartkroppsstrålning

Svartkroppsstrålning är ett begrepp som används inom termodynamik. En ideal yta som absorberar all inkommande strålning benämns svartkropp. En yta som har bra

absorbtionsegenskaper har också bra strålningsegenskaper och tvärtom, vilket betyder att en yta som reflekterar all strålning inte avger någon strålning heller.

Isoleringsmetoder

För att isolera mot strålning krävs ett material som kan reflektera den strålning som träffar ytan, t.ex. aluminiumfolie som ofta används för det syftet. Ett effektivt sätt att isolera strålning är att ha flera sådana ytor enligt lagerprincipen där varje enskilt lager reflekterar. Ju fler lager desto fler enskilda motstånd mot strålning. Bild 3.1 visar principen.

För att isolera mot konduktion krävs ett material med lågt k-värde som tidigare nämnts. Det finns många material som konstruerats med syftet att isolera bra, dessa material använder sig oftast av luft instängda i porer och håligheter.

Konvektion kan ofta minimeras genom att luften förvaras i små håligheter inuti materialet så att luften inte kan förflytta värmen genom molekylernas rörelse, håligheterna eftersträvas att vara så små som möjligt för att ge luftmolekylerna minimalt utrymme att röra sig på.

Specifik värmekapacitet

Denna benämning används för att beskriva mängden värmeenergi som krävs för att värma upp ett kilo av ett ämne med 1 ˚C. För att värma upp ett kilo vatten med en grad krävs 4190 J värmeenergi. Alla ämnen har en konstant som anger dess specifika värmekapacitet vilket anges i [J/k∙K] (joule per kilo Kelvin). Vatten har den specifika värmekapaciteten 4190 [J/k∙K].

Mekaniskt arbete

När värme tillförs ett medium ökar dess molekylära energinivå, denna energinivå kan utnyttjas för att utföra ett mekaniskt arbete. Om en gas expanderar vid uppvärmning så påverkas den omliggande strukturen, t.ex. när en kastrull kokar med lock så vill gärna locket

Bild 3.1. Reflektion av strålning enligt lagerprincipen.

(20)

hoppa av för att lätta på trycket som skapas av vattenångan. Denna gasexpansion medför att mekaniskt arbete kan utvinnas med hjälp av en konstruktion som tar till vara på

energiöverföringen. En sådan konstruktion är t.ex. förbränningsmotorn som genom att antända en energirik fluid skapa en gasexpansion som pressar kolven nedåt i cylindern och på så sätt omvandla energin till mekaniskt arbete.

Värmeväxlare⁵

En värmeväxlare är ett system där syftet är att överföra värme mellan två eller fler medium.

Det finns flera olika typer av värmeväxlare; motflödes, medflödes, korsflödes m.fl.

Värmeväxlare används exempelvis i kylskåp, bilar och radiatorer. I bilar fungerar motorkylningen som en typ av värmeväxlare, där kylvätskan värms upp av motorn och luftkylningen som flödar genom radiatorn tar upp värme från kylvätskan. På så sätt överförs värmen från motorn till luften och motorn kyls således av.

Effektiviteten hos en medflödesvärmeväxlare är inte speciellt hög i jämförelse med en motflödesvärmeväxlare. Bild 3.2 nedan visar principen av en medflödes- och en motflödesvärmeväxlare där två fluider flödar jämte varandra.⁶

5 http://chem-eng.blogspot.se/2007/02/heat-exchangers-introduction-and-basic.html

6 http://www.solartubs.com/solar-heat-exchanger.html

Bild 3.2. Principen för två vanliga värmeväxlare⁶.

(21)

Materialegenskaper⁷

Det finns en mängd material som lämpar sig för isolering och absorbering, några relevanta materials egenskaper finns listade i tabell 3.1 samt en kort beskrivning nedan.

Tabell 3.1. Egenskaper hos några material.

Material Densitet [kg/m3]

K-värde [ W/m·K]

Specifik värmekapacitet

[J/k·K]

Smältpunkt [˚C]

Luft 1,2 0,024 1010 -

Stål 7800 45 460 1500

Aluminium 2270 238 980 660

Zetex 128 0,07 - 600

Aerogel 1,0 - 1,9 0,03 - 0,004 840 1200

Stål är en bra värmeledare och har således ett högt k-värde.

Luft är känt som en bra isolator eftersom den konduktiva förmågan är låg, d.v.s. luft har ett lågt k-värde. Men eftersom det handlar om en fluid ska även konvektion inräknas. Många material som har bra isolerande förmåga är bra just därför att luft finns instängt i materialets håligheter.

Aluminium har mycket goda egenskaper för att reflektera strålning och leda elektricitet.

Aluminium är en metall och har en god konduktionsförmåga, men eftersom mycket strålningsvärme reflekteras bort så absorberas inte mycket värme heller. Det innebär att lagerprincipen vid isolering är att föredra då varje lager aluminium minskar strålningsvärmen och på så sätt minska värmeenergin som kan överföras genom konduktion.

Zetex är ett isoleringsmaterial som används vid höga temperaturer. Zetex har goda värmeresistenta egenskaper, främst konduktiva och konvektiva.

Aerogel⁸ är ett isoleringsmaterial vilket beskrivs mer ingående i avsnitt 3.6. Aerogel har mycket goda värmeresistenta egenskaper, främst konduktiva och konvektiva. Det har det lägsta uppmätta k-värdet och anses som det material med bäst isolerande egenskaper som finns idag.

8 http://www.sti.nasa.gov/tto/Spinoff2010/cg_2.html

(22)

Bild 3.2: En rökpelare som har både turbulent och laminärt flöde¹⁰.

3.3 Strömningslära

⁹

Strömningslära är läran om fluiders egenskaper och beteende i rörelse och vila, som fluider räknas alla vätskor och gaser. Fluider utövar en kraft i normalriktningen mot ytan på alla ytor som är i kontakt med fluiden. Atmosfärstrycket är ett vanligt begrepp som syftar på det tryck vid marknivån som skapas av all den mängd luft som finns i atmosfären.

Fluider indelas vanligtvis i två kategorier, de viskösa och de icke-viskösa, gaser räknas oftast som icke-viskösa fluider. Det finns även en till klassificeringsindelning för fluider, de

kompressionsbara och icke-kompressionsbara, d.v.s. om densiteten är konstant eller inte. De flesta fluider är icke-kompressionsbara och har därför konstant densitet.

Flöde

Fluiders rörelse är komplext och det krävs ofta fysiska experiment för att se de verkliga effekterna. Exempelvis används ofta en vindtunnel för att testa aerodynamiska förmågor hos t.ex. flygplan eller bilar. Varje enskild partikel i en fluid rör sig självständigt men dessa

partiklars rörelse representeras ofta av strömlinjer. När ett flöde ska demonstreras så illustreras oftas dessa strömlinjer som streck.

Ett objekt som vistas i flödets väg kan ha varierad inverkan på flödet beroende på utseendet, ett strömlinjeformat föremål har liten inverkan på flödet till skillnad mot ett icke strömlinjeformat föremål.

Rörelsen hos en fluid kan kategoriseras på tre huvudsakliga sätt; steady flow, laminärt flöde samt turbulent flöde. Steady flow benämns flödet om rörelsen inte förändras något under ett tidsintervall. Flödet benämns laminärt om flödet är lugnt och regelbundet, men om flödet är kaotiskt och oregelbundet benämns det turbulent. Bild 3.2¹⁰visar ett flöde som är både laminärt och turbulent.

9 Fluid Mechanics; Cengel Y., m.fl. (2010)

10 http://www.layoutsparks.com/1/132289/cigarette-smoke-float-air.html

(23)

Om flödet är turbulent kan det bero på höga hastigheter eller om ett hinder förorsakar en abrupt hastighetsförändring. Även konvektion kan orsaka ett turbulent flöde.

Vätskor och gaser har en egenskap som heter No-slip Condition, vilket innebär att när en fluid strömmar i kontakt med ett annat fast eller halvfast medium är hastigheten närmast beröringspunkten noll. Det beror på fluidens viskositet.

Förluster

Fluider som rör sig inom typiska rörsystem och andra begränsande volymer behöver ofta passera olika typer av strukturvariationer och hinder. Det kan vara alltifrån krökta ledningar, ventiler, inlopp, utlopp, minskad tvärsnittsarea, ökad tvärsnittsarea samt mycket mer.

Strukturvariationer kan störa fluidens flöde och skapar förluster vilket kan visa sig genom minskad flödeshastighet. Det beror dels på att flödet störs och turbulensen gör att flödets energi omvandlas till värmeenergi. Flöde genom sådana områden är svåra att beräkna p.g.a.

komplexiteten, ofta görs experimentella tester för att se den verkliga påverkan dessa har på flödet. Ofta eftersträvas en aerodynamisk utformning som medger ett relativt ostört flöde i jämförelse med en icke aerodynamisk utformning. På nästa sida illustreras två olika inlopp.

Bild 3.3. Inlopp med rundade kanter¹¹. Bild 3.4. Inlopp med skarpa kanter¹¹. Ett inlopp bör ha rundade aerodynamiska kanter för att inte störa det laminära flödet, bilderna 3.3 och 3.4 ovan visar inlopp med rundade resp. skarpa kanter vilket skapar ett cirkulärt flöde som medför förluster.

Förluster kan innebära att det flöde som ska åstadkommas kräver mer kraft av den drivande källan som kan vara t.ex. en fläkt. En jämförelse kan vara att försöka fylla sina lungor på ett andetag genom ett sugrör, det kräver en mycket större ansträngning än att andas som vanligt.

11 Fluid Mechanics; Cengel Y., m.fl. (2010)

(24)

Aerodynamik¹²

Aerodynamik är läran om fluiders rörelse och dess uppförande vid interaktion med solida objekt. Samtliga fordon idag är mer eller mindre designade med hänsyn till luftmotståndet, d.v.s. har aerodynamisk design. Med aerodynamisk design är syftet att konstruera de

kroppar som rör sig i en fluid så att den kraft som fluiden verkar på kroppen ska vara så liten som möjligt, i fordonssammanhang är det luften som verkar på fordonet. När hastigheten på en kropp ökar så ökar kraften som fluiden verkar på kroppen fast i motsatt riktning, alltså en hög hastighet medför ett större behov av aerodynamisk design.

3.6 Kommersiella isoleringsmetoder

Här är de isoleringsmetoder och material som mynnade ur benchmarkanalysen.

Silica Aerogel¹³

Silica Aerogel är ett material som används för att isolera mot extrema temperaturer. Detta material har använts av NASA länge för dess fördelaktiga egenskaper, det är det solida material som har den lägsta termiska konduktiviteten i världen. Aerogel består till 95 % av luft och väger nästan lika lite, luften är instängda i porer som bara är några nanometer stora.

Pyrogel är en marknadsintroducerad produkt som består till största delen av aerogel i form av den tidigare nämnda pläden, det är en produkt från företaget Aspen Aerogel Inc.

Termosprincipen¹⁴

En termos är konstruerad med två väggar i rostfritt stål som har dålig strålningsförmåga, och på insidan av dessa väggar har det målats en spegelblank yta vilket är en utmärkt reflektor.

Dessutom har luften mellan väggarna pumpats ut så att ett vakuum skapats för att eliminera konduktion och konvektion. Denna konstruktion gör att termosen är en utmärkt värme- och kylisolator.

En termos isoleringsförmåga är så effektiv p.g.a. att värmeöverföringen genom konduktion och konvektionen är nästan försumbar samt att den är väldigt bra på att reflektera

strålningen.

12 University Physics with modern physics; Freedman R., m.fl. (2008)

13 http://www.sti.nasa.gov/tto/Spinoff2010/cg_2.html

14 University Physics with modern physics; Freedman R., m.fl. (2008)

(25)

Flerlager isolering¹⁵

MLIstår för Multilayer insulation och är en metod för att isolera mot strålning. Den används av NASA för att skydda den internationella rymdstationen mot solens strålar och rymdens kalla vakuum. Utöver rymdindustrin så används den ibland även för att värma upp personer som blivit exponerad för extrem kyla. Den är uppbyggd av flera lager av aluminiumfolie som har god strålningsreflektiv förmåga och har således dålig absorberande förmåga.

Thermoreflekt¹⁶

Denna metod liknar MLI principen, dels finns två lager med högreflektiv folie för att isolera mot strålning och dels finns ett mellanskikt av polyethylene bubbelplast för att isolera mot konduktion och konvektion. Det är en mycket effektiv isolering som används kommersiellt inom byggbranschen.

Användningsområden

Dokumentationen av de kommersiella produkterna gav information som kan sammanfattas i användningsområden för olika metoder och material.

För att vara resistent mot konduktion och konvektion används ofta en metod där luftbubblor sammanbinds i ett lämpligt material, ofta i någon typ av polymer eller kisel. Luftbubblorna är ofta små och många. För att vara resistent mot strålning används nästan uteslutande

aluminiumfolie i flera skikt vilket är dokumenterat mycket effektivt, även reflektivt glas kan användas.

15 http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2001/ast21mar_1/

16 http://www.wiedland.se/thr/

(26)

4. Nulägesbeskrivning

CV90 är en vagn konstruerad för att vara verksam i främsta led i militära insatser, och för att vara duglig som yttersta spets ställs höga krav på kvalité och funktion. När det gäller dessa kriterier är driftsäkerhet en ytterst viktig punkt och ständiga förbättringar krävs. För att garantera en driftsäker vagn behöver alla system vara välutvecklade och tåliga för klimat och andra påfrestningar. En stor påfrestning är höga temperaturer, då det kan vara funktion- och prestandanedsättande och även skadligt för vissa system och komponenter, för att inte glömma personalens välbefinnande. Den stora värmegeneratorn är motorn av förklarliga skäl, den arbetar hårt och genererar stora mängder värme som behöver transporteras bort.

Den största värmetransporten går igenom avgassystemet i form av avgaser som kan nå väldigt höga temperaturer. För att kyla motorn arbetar främst två kylsystem, vattenkylning av motorn samt luftkylning av motorutrymmet. För att skydda övriga system är

avgassystemet delvis avskilt och isolerat, men det är inte tillräckligt effektivt.

4.1 Utseende

De mest relevanta delarna för detta projekt visas övergripligt i bild 4.1 nedan med en kort beskrivning.

Bild 4.1. Bandhyllan i genomskärning från sidan.

1. Fack för materiel samt dieselvärmare.

2. Fack för materiel samt oljedunkar.

3. Fack för materiel.

4. Luftpassage från motorrum samt ingång avgasrör.

5. Luftpassage mellan avgasrörkanal och fläktrum, med vadningslucka.

6. Huvudfläkt, frånluft.

7. Ingång Scavengerkanal.

8. AC system.

(27)

4.2 Avgas- och kylningssystem

Avgassystemet går in i bandhyllan i anslutning till motorrummet, sedan följer avgasrören bandhyllan längs en kanal ända bak där den slutligen mynnar. Avgasrören har en temperatur på ca 550°C och är klädd med isolering. I mynningen är temperaturen ca 500°C.

Det operativa systemet för luftkylningen i bandhyllan är en fläkt längst bak som drar luft från motorrummet och genom hela bandhyllan. Flödet är för närvarande ca 230 l/s.

Motorkylningen är ett system med kylvatten som efter utgång ur motorn passerar längs bandhyllan. Temperaturen för kylvattnet är ungefär 100°C.

Motorns luftkylsystem är placerat fram i motorutrymmet och luftintaget ligger ovanpå motorhuven. När luften filtreras fastnar skräp och partiklar som måste blåsas bort, den fläkt som utför det arbetet heter Scavenger och blåser ut den orena luften på höger sida av vagnen.

4.3 Isolering

Avgasrören är klädda med tre lager isolering ända till bakre kröken där det endast finns ett lager isolering. Utanpå finns ett lager med aluminium. Även under utrustningsfacken finns en extramonterad isoleringsskiva som extra skydd. Isoleringen består av Zetex fibrer som är temperaturisolerande. Datablad för Zetexfibrer finns i bilaga 3.

4.4 Värme

Värmestrålningen av avgassystem och motor samt temperaturer i vissa utrymmen var viktigt att studera. Dessa temperaturer fanns att läsa genom tidigare gjorda mätningar som fanns noterade i rapporter som erhållits genom förstudien. Tabell 4.1 visar uppmätta

temperaturer vid olika varvtal och utomhustemperaturer.

Tabell 4.1. Uppmätta temperaturer °C.

Measuring point 30 °C 2000rpm

49 °C 2000rpm

30 °C 2150rpm

49 °C 2150rpm

Top value

Exhaust inlet 549,9 526,8 555,5 497,4 555,5

Exhaust outlet 523,3 491,1 527,2 468,3 527,2

Driver 28,5 39,2 27,2 35 39,2

Gunner 24,2 34,9 22,3 31,3 34,9

Commander 25,1 35 22,9 31,5 35

Squad 21,4 34,2 20,7 29,6 34,2

Engine comp. topcenter 132,4 126,2 126,4 124,2 132,4

Engine comp. topright 78,6 90,3 86,2 91,8 91,8

Engine comp. topleft 85 87,7 91,5 88 91,5

(28)

Denna tabell visar främst att avgaserna som passerar genom bandhyllan kan uppnå en temperatur på över 550°C. Luften i motorrummet närmast högra bandhyllan kan uppnå över 90°C i varmt klimat, men bandhyllans tillluftstemperatur approximeras till 75°C enligt en existerande rapport som anger detta. Det befintliga systemet där värmeenergin överförs mellan avgassystem och bandhylla fungerar som en värmeväxlare.

Värmesignatur

I strid är det viktigt att inte avge en tydlig värmesignatur för att inte avslöja sin position för fiendens värmekameror. Speciellt i mörker används värmekameror för att förflytta sig utan att utstråla synligt ljus. För att vara så diskret som möjligt finns kravet att avgaserna ska mynna längst bak, det på grund av att temperaturen kan avslöja vagnens position.

Klimat

För att kunna verka i extrema temperaturer är CV90 vagnarna utrustade med AC system och dieselvärmare. AC systemet är placerat bak i höger bandhylla och upptar mycket utrymme, även dieselvärmaren är placerad i höger bandhylla. Enligt klimatkraven ska en CV90 kunna verka i temperaturer från -40°C upp till +49°C.

4.5 Vadning

En CV90 behöver vara expert på att ta sig förbi hinder, och vatten är ett vanligt naturligt hinder som förekommer överallt i varierad omfattning. För att ta sig över vattendrag kan en CV90 vada med vatten upp till tornet. Det ställer krav på vissa system, t.ex. kan den bakre luftventilen förslutas manuellt för att inte ta in vatten vid djup vadning.

4.6 Vitala delar och utrustning

För att inte vagnen ska oskadliggöras helt vid träff finns krav på vitala delar, de ska vara skyddade så att vagnen inte tappar all mobilitet vid skada. Motorns kylvattenledningar och vissa hydraulikledningar går i höger bandhylla, dessa är vitala delar som i nuläget skyddas av en 15 millimeters pansarplåt som finns mellan dessa ledningar och avgasrören.

I den övre delen i bandhyllan finns tre fack för att hålla oljedunkar och besättningens utrustning. Facken finns alldeles ovanför avgasrören och blir därför väldigt varma, över 200°C.

4.7 Dimensioner

För att få en bild av storlekar och förhållande mellan komponenter och utrymmen var det viktigt att ta mått på dessa. Bandhyllans dimensioner finns illustrerade i bilaga 1.

(29)

4.8 Lufttryck

Luftflödet beror på lufttrycksskillnader som i sin tur styrs av undertryckskällor och

övertryckskällor. Den bakre fläkten i detta fall agerar undertryckskälla då den drar luften ut ur bandhyllan och skapar ett undertryck i luftdepån, i detta fall motorrummet. Men

undertrycket i motorrummet beror även på att det inte sker en tillräcklig lufttillströmmning för att kompensera undertrycket, vilket regleras av luftintag och ventilation. Undertrycket i motorrummet är konstant och bör hållas konstant vid ca 770 Pa.

4.9 Förutsättningar

Som en förutsättning för detta arbete kommer bandhyllans yttre dimensioner samt AC systemets interface att hållas intakt. Den blåa ytan i bild 1.2 nedan representerar AC systemets utbredning i bandhyllan.

Bild 1.2. Bandhyllan i genomskärning från sidan.

(30)

5. Problemanalys

Identifieringen av problemen påbörjades redan i nulägesbeskrivningsfasen där förståelsen för uppbyggnaden och funktionaliteten även ledde till förståelse för problematik i designen.

Den befintliga situationen kan klassas som en värmeväxlare och med hjälp av den insikten kunde problemen med värmeenergin lätt illustreras. Graf 5.1 visar en schematisk bild av värmeväxlarsystemet och energiöverföringen i den befintliga utformningen.

Graf 5.1. Graf som illustrerar energiöverföringen i värmeväxlarsystemet.

Den övre kurvan visar avgasernas energinivå vilken minskar då energin överförs till den nedre kurvan, bandhyllans energinivå. Eftersom värmeenergiöverföringen mellan avgaserna och bandhyllan är ett problem så finns behovet av att minska överföringen betydligt. Målet är att få dessa kurvor att ligga horisontellt, d.v.s. eliminera all värmeenergiöverföring.

Ytterligare ett problem som denna modell illustrerar är att vid en fullständig eliminering av värmeöverföringen så hamnar temperaturen i bandhyllan som minst på 75˚C, det finns ett önskemål på <70˚C. För att minska temperaturen ytterligare behövs en konstant sänkas, d.v.s. tillufttemperaturen. Det skall understrykas att en fullständig eliminering av

värmeöverföringen inte är möjlig, inte utan en omfattande konstruktion som kräver en omdefiniering av kravspecifikationen och avgränsningarna vilket inte är aktuellt. Men värmeenergiöverföringen kan minskas drastiskt med mindre omfattande medel, men för att öka förutsättningarna borde temperaturen på tilluften minskas.

Detta resonemang medför en belysningspunkt på isoleringens målsättning, den bör ha en isoleringsförmåga som minskar värmeavgivningen från avgassystemet med nära 100 %. Men kraven på isoleringen kan minskas om temperaturen på tilluften minskas vilket är att

föredra.

(31)

5.1 Luftflöde

Först och främst noterades flödets förutsättningar i systemet, vilket ledde till anmärkningar kring lufttillförsel och undertryck i motorrum. Då undertrycket bör vara konstant behöver intag och utlopp vara dimensionerade relativt varandra på så sätt att undertrycket

balanseras upp på rätt nivå.

5.2 Isolering

Isoleringen är uppbyggd med ett flertal lager av Zetexfiberpläd, vilket skapar ett

sammanhängande lager. Svaga punkter finns där isoleringen är skarvad. Isoleringen har ingen optimal reflektionsförmåga, d.v.s. strålningsvärmemotståndet kan förbättras. Värmen överförs till störst del genom konduktion och strålning, det sistnämnda är ett problem med den befintliga isoleringen. Enligt Jan Dahl, professor vid LTU bör den första ansatsen ange den procentuella fördelningen mellan strålning och konduktion/konvektion till 50% vardera.

Det är en generell uppskattning och fördelningen kan variera mellan olika typer av isolering/material, temperaturer etc.

5.3 Aerodynamik

Först gjordes en analysering av utformningen m.h.a CAD bilder för att identifiera problemområden. De problemområden som upptäcktes var.

1. Luftpassage fram mellan motorrum och bandhylla

De problem med konstruktionen som identifierades var en kantig och relativt liten öppning, en smal öppning mellan vägg och fästplatta samt att fästplattan bromsar luftflödet. Bild 5.2 visar den främre luftpassagen.

Bild 5.2. Luftpassage fram utan avgasrör.

(32)

2. Luftpassage bak mellan bandhylla och AC utrymme

De problem med konstruktionen som identifierades var en kantig och relativt liten öppning, vadningsluckan bromsar luftflöde samt det är en väldig snäv luftväg innan passering. Bild 5.3 och 5.4 visar luftpassagen bak.

3. Trångt i luftkanalen.

De problem med konstruktionen som identifierades var trånga utrymmen mellan isolering och kanalväggar.

5.4 Slutsats problemanalys

Enligt problemanalysen finns det tre konceptinriktningar att utreda och generera

lösningskoncept kring, det var isolering, luftflöde och aerodynamisk optimering. Isoleringen bör vara så effektiv som möjligt för att ha goda chanser att uppfylla kravet. Även ett behov av sänkt tillufttemperatur finns för att avlasta kraven på isoleringen. För att det slutgiltiga resultatet ska klara av att uppfylla de satta kraven bör samtliga koncept utnyttjas och anpassas till ett gemensamt slutgiltigt lösningsförslag.

Bild 5.3. Luftpassage bak med vadningslucka. Bild 5.4. Luftpassage sedd från andra hållet.

(33)

6. Koncept

Detta avsnitt beskriver de koncept som mynnat genom kreativa metoder. Koncepten är endast principiella och lämnar utrymme för en senare vidareutvecklingsfas.

6.1 Luftflöde

Koncept 1: Forcerat luftflöde

Med hjälp av en fläkt eller kompressor kan luft forceras från motorrummet till bandhyllan.

Den kommer att utgöra övertryckskälla i förhållande till bandhyllan och ge ett tillskott på luft, medan i förhållande till motorrummet agerar den undertryckskälla, vilket betyder att undertrycket i motorrummet kommer öka. För att hålla undertrycket balanserat på rätt nivå kan en korrigering av luftintag vara nödvändigt. Fläkten placeras på lämpligt ställe, med fördel i anslutning till luftpassagen och luftintaget. Som ett alternativ för isolering kan fläkten/kompressorn konstrueras för att även pressa luft genom ett dubbelskal runt avgasrören. Bild 6.1 visar konceptets princip.

Bild 6.1. Principskiss av Forcerat luftflöde, vy ovanifrån.

Fördelar med denna lösning är att fläkten kan dimensioneras för att uppfylla kravet på 400 l/s, samt under olika temperaturförhållanden kan fläkten varieras så att temperaturen ligger stabilt vid en godkänd nivå i bandhyllan.

Det negativa är att eventuellt behöver temperaturen på tilluften sänkas och då krävs en ytterligare omkonstruktion, förslagsvis en kanal som sammanbinder fläkten med luftintaget på motorhuven eller en styranordning med samma syfte.

(34)

Alternativ och utredningspunkter för vidareutveckling av koncept:

 Fläkt alternativt kompressor.

 Placering av tryckkällan.

 Kombineras med isolerings alternativ dubbelskal.

 Behov av sänkt tilluft temperatur.

Koncept 2: Separat luftkanal

Med en separat ventilationskanal addera luft till bandhyllan för att öka luftflödet.

Luftkanalen kan integreras med ett befintligt luftintag eller ett nykonstruerat eget luftintag.

Placeringen av luftintag och utlopp i bandhyllan sker på lämpligt ställe, längd på luftkanal kan varieras kraftigt beroende på placering. Bild 6.2 visar konceptets princip.

En fördel med denna lösning är att luftens temperatur är låg då den kommer direkt från utomhusluften.

Det negativa är att det eventuellt krävs en drivande fläkt för att öka luftintagets effektivitet samt att luftkanalen kan komma att konkurrera om utrymmet i bandhyllan och

motorrummet.

 Placering av luftintag och utlopp.

 Luftkanalens dimensioner.

 Kan vid behov effektiviseras med hjälp av fläkt.

Bild 6.2. Principskiss av Separat luftkanal, vy ovanifrån.

(35)

Koncept 3: Scavenger

Scavengerfläkten är en redan existerande komponent vars uppgift är att blåsa ut partiklar som fastnat i kylaren. Vid en omkonstruktion kan utblåset flyttas till änden på bandhyllan för att ge ett ökat luftflöde. Då luften är full med partiklar bör en senare utredning avgöra om det är nödvändigt att filtrera luften som ska genom bandhyllan. Bild 6.3 visar konceptets princip, bild 6.4 visar förslag på placering av utblås.

Fördelarna med denna lösning är att temperaturen på tilluften är relativt låg samt att fläkten och luftkanalen redan existerar, endast en mindre omdragning av kanalen krävs.

Det negativa är att fläkten stannar när fordonet står still och att luften är full med partiklar som eventuellt måste filtreras innan inloppet till bandhyllan samt att effektiviteten är osäker.

 Placering av utblås.

 Behov av hjälpfläkt vid stillastående.

 Behov av luftfilter.

Bild 6.4: Förslag på placering av utblås.

Bild 6.3: Principskiss, Scavenger.

(36)

6.2 Isolering

Koncept 1: Dubbelskal med luftspalt

Isoleringen består av två lager med zetexpläd 4,5 mm. Mellan dessa lager finns en spalt på 4,5 mm som innehåller stillastående luft. Den totala tjockleken är ungefär samma som befintlig utformning. Den stora nackdelen är en jämförelsevis lägre effektivitet jämte de andra koncepten. Alternativt kan pläden ersättas med Pyrogel vilken har högre effektivitet.

Bild 6.5 illustrerar uppbyggnadsprincipen för dubbelskalskoncepten.

Koncept 2: Dubbelskal med luftflöde

Principen enligt koncept 1, med skillnaden att genom spalten forceras ett luftflöde.

Nackdelen är att en drivande fläkt eller kompressor krävs.

Koncept 3: Dubbelskal med vakuumspalt

Principen enligt tidigare koncept, med skillnaden att i spalten är det ett vakuum och väggen består av ett stålskal med strålningsreflektivt aluminium. Denna princip bygger på

termoskonstruktionen som beskrivs i teoriavsnittet. Det är det mest effektiva isoleringskonceptet men kräver en vakuumpump.

Koncept 4: Aluminiumfolie

Detta koncept bygger på en beprövad idé, principen är att flera lager aluminiumfolie med bra reflektiv förmåga hindrar värmestrålningen från att passera igenom. Denna metod har även bra motstånd mot konduktion och konvektion. Detta koncept har den stora fördelen att den kan hållas kompakt och är lätt att applicera, den behöver endast lindas runt

avgasrören. Denna princip används där höga temperaturer behöver isoleras samtidigt som snäva krav på tjocklek förekommer. Detta koncept har i samråd med Dahl J., professor vid LTU, antagits som en potentiell lösning.

6.3 Aerodynamisk optimering

Den aerodynamiska analysen visar tydligt behovet av vissa omkonstruktioner av de problemområden som definierats under analysen. Dessa områden är flaskhalsar för luftflödet som passerar bandhyllan. För att uppnå kravet på >400 l/s kan en sådan optimering skapa bra förutsättningar, eventuellt kan det t.o.m. vara nödvändigt.

Luftpassage fram

För att öka luftflödet krävs en större passage. Det kan göras genom att förstora det befintliga hålets dimensioner, alternativ är att perforera ytterligare ett antal hål mellan motorrummet och bandhyllan.

Fästplattan som omsluter avgasrören skulle behöva göras mindre, alternativt perforera eller vinkla plattan för att styra luften istället för att bromsa. Dessutom med fördel flytta plattan ut från hålet ytterligare.

(37)

Luftpassage bak

Passagens hålarea behöver ökas, detta genom antingen att förstora det befintliga hålet, alternativt att göra fler hål för att öka förutsättningarna för ett ökat luftflöde. Dessutom borde den snäva luftvägen genom bandhyllan göras rakare genom att omkonstruera

bandhyllan i den nära omgivningen till passagen eller alternativt anpassa hålets position och utseende.

Vadningsluckan borde omkonstrueras så att den inte bromsar luftflödet. Det kan göras genom att konstruera en fallande lucka, alternativt flytta ut luckan från hålet betydligt.

Trånga kanaler

Isoleringen borde konstrueras med en maximal tjocklek på 15 mm, i annat fall kan det krävas en utvidgning av kanalväggarna för att tillåta ett funktionellt luftflöde. Men vid en

optimering kan med fördel en sådan utvidgning ändå ske för att öka förutsättningarna för luftflödet.

(38)

7. Beräkningar

7.1 Experiment

Här nedan visas mätningsresultaten och graferna som flödesexperimentet resulterade i samt de slutsatser som gjordes.

Mätningar

Tabell 7.1. Materiel.

Mätklocka Sopsäck 240 L

Hårtork Philips Salon Classic 1600 Kartongmodell

Tabell 7.2. Konstanter.

Konstant Värde Bredd kanal 350 [mm]

Höjd kanal 400 [mm]

Längd kanal 1200 [mm]

Volym Säck 240 [L]

Tabell 7.3. Mätning 1, referensmätning, öppen kanal.

mätning tid [s]

1 12.1

2 11.9

3 13.1

4 12.4

5 12.7

Medel 12.44

Resultatet ger effekten på hårtorken enligt ekvation 2.1 där F är effekten i L/s, V är volymen på säcken och s är antalet sekunder det tar att fylla säcken.

F = 240 L / 12.44 s F = 19.3 L/s

(39)

Tabell 7.4. Mätning 2, med håldimeter som variabel.

mätning 15 [mm] 40 [mm] 70 [mm] 100 [mm] maximal

1 18.1 13.9 13.1 13.0 12.1

2 19.1 14.1 13.1 13.0 11.9

3 17.6 14.3 13.0 13.2 13.1

4 18.2 13.8 13.6 13.0 12.4

5 19.2 13.8 12.6 13.3 12.7

Medel 18.56 13.98 13.06 13.10 12.44

Den resulterande grafen nedan visar flödets påverkan av hålstorlek.

Graf 7.1. Hålets diameter i x-led och antal sekunder y-led.

Tabell 7.5. Mätning 3, med lockavstånd som variabel.

mätning 5 [mm] 10 [mm] 20 [mm] utan

1 16.0 14.8 14.3 13.0

2 15.3 14.6 14.5 13.0

3 15.4 14.7 14.3 13.2

4 16.0 14.9 15.2 13.0

5 15.6 15.4 13.9 13.3

Medel 15.66 14.88 14.44 13.10

Tid [s]

[mm]

Diameter

(40)

Den resulterande grafen nedan visar flödets påverkan av lockavstånd.

Graf 7.2. Lockavstånd i x-led och antal sekunder i y-led.

Resultaten visar en potensfunktion som närmar sig oändligeheten när x närmar sig noll, vilket visar att förhållandet mellan luftvolymen och håldimensionen resp. lockavstånd är betydande, d.v.s en specifik luftvolym börjar märkvärt påverkas först vid en specifik dimension. Mätning 2 visar att när hålets diameter närmar sig 50 mm så börjar

håldimensionen ha en märkbar negativ effekt på luftflödet. Mätning 3 visar att när lockets avstånd närmar sig 15 mm så börjar den ha märkbar negativ effekt på luftflödet.

Beräkningar experiment

Först beräknades flödesvolym/dimension förhållandet för experimentet och sedan för verklig utformning. Till sist genomförs en likadan beräkning för lockavstånd. Beräkningen gjordes med ekvation 2.2.

Experiment

Enligt graf 7.1 så är det först vid en håldiameter på ca 50 mm som luftflödet börjar påverkas betydande, med en beräkning av förhållandekoefficienten m.h.a ekvation 2.2 så ger det den kritiska gränsen.

D = 50 mm V = 19.3 L/s Β = 50 / 19.3 β = 2.59 ≈ 2.6

Alltså om β >≈ 2.6 har håldimensionen en försumbar påverkan på luftflödet. Ju mindre β desto större negativ påverkan på luftflödet. Eftersom lufthastigheten ökar vid minskande håldimension men har ändå relativt konstant flöde, så anges det ultimata förhållandet

Tid [s]

[mm]

Avstånd lock

(41)

mellan håldimension och luftflöde vid β ≈ 2,6. Vid ett större β minskar lufthastigheten men luftflödet är relativt konstant, däremot vid ett minskande β så minskar luftflödets volym. Så för att tillåta ett så stort flöde som möjligt och samtidigt ett snabbt flöde så borde β hållas nära 2,6.

Verklig utformning

1. Luftpassage motorrum.

Medelvärde på D ger:

D = 250 mm V = 400 L/s β = 250 / 400 β = 0,625 ≈ 0,63

2. Luftpassage vadningslucka.

D = 270 mm β = 0,675 ≈ 0,68

För att beräkna den effektivaste håldimensionen för bandhyllan generellt så anges β = 2,6.

Därefter anges V = 400 L/s och sedan beräknas D m.h.a ekvation 2.2.

2,6 = D / 400 => D = 2,6 ∙ 400 = 1040 mm

Arean som krävs för det effektivaste resultatet beräknas sedan.

R = 1040 / 2 = 520 A = 520² ∙ π = 0,85 m²

Nuvarande area beräknas nedan.

R = 250 / 2 = 125 A = 125² ∙ π = 0,05 m²

För att räkna ut den potentiella ökningen vid en omkonstruktion av en luftpassage görs en uppskattning m.h.a graf 7.1. Om det riktiga luftvolym/håldimension förhållandet ska illustreras i experimentet beräknas den genom ekvation 2.2.

(42)

Beräkningen görs med V = 19,3 L/s och β ≈ 0,65 vilket ger D.

D = β ∙ V = 0,65 ∙ 19,3 = 12,54 mm

Med en uppskattning ur graf 7.1 vid x = D = 12,5 utläses tiden till ca 20 sek, det ger ett luftflöde på 12,0 l/s. Vid en dubblering av hålarean så ger det D = 17,7 mm som ger vid en uppskattning ur graf 6.1 antalet sekunder till ca 17,5 s, vilket vid insättning i ekvation 2.1 ger flödesvolymen.

V = 240 / 17,5 = 13,7 L/s

Det visar att vid en dubblering av den befintliga hålarean så ger det ett ökat flöde med ca 12,5 %.

Till sist görs beräkningar med avseende på lockavstånd.

D = 15 mm V = 19.3 L/s β = 15 / 19.3 β = 0,77 ≈ 0,78

Alltså om β >≈ 0,78 har lockavståndet en försumbar påverkan på luftflödet. Men om β <≈

0,78 har lockavståndet en betydande påverkan på luftflödet.

Verklig utformning D ≈ 30 mm

V = 400 L/s β = 30 / 400 β = 0,075

Effektivaste avståndet β = 0,78

V = 400 l/s

D = 0,78 ∙ 400 = 312 mm

För att få ett avstånd där luftflödet inte påverkas skall avståndet mellan lock och hål ökas till 312 mm. Det visar tydligt att vadningsluckan är förödande när det gäller påverkan av