Termoelektrik ısı pompalı prematüre bebek kuvözü tasarımı, geliştirilmesi ve termal-hidrolik karakteristiklerinin belirlenmesi

Abstract

Bu çalışma, rezistanslı bebek kuvözlerinde yaşanan eksiklikleri ve problemleri ortadan kaldırabilen ve aynı zamanda tek bir cihazla kabini ısıtma ve soğutma yaparak prematüre bebeklerde yaşanan hipertermi (vücut sıcaklığı>37,5 °C) ve hipotermi (vücut sıcaklığı<36 °C) problemlerine aynı cihaz üzerinde çözüm üretebilen modüler termoelektrik ısı pompası sisteminin prematüre bebek kuvözlerine uygulanmasıyla ilgilidir. Önerilen sistemin geliştirilmesinden önce rezistanslı kuvöz sisteminin tasarım parametreleri belirlenmiştir. Literatürden faydalınarak kuvöz sisteminin bütün kritik alt parçalarının ve termoelektrik ısı pompası sisteminin matematiksel ifadeleri belirlenmiş ve termoelektrikli kuvöz sisteminin matematiksel modellemesi yapılmıştır. Bununla birlikte çalışmada, rezistanslı kuvözün tasarımı değiştirilmeden, elektrik rezistansı ve kontrol ünitesi çıkartılarak elde edilen sabit hacim için maksimum ısıtma gücü yakınlarındaki maksimum COPısıtma’ya (ısıtma performans katsayısı) göre sınırlı optimizasyon yapılmış ve termoelektrikli kuvöz sistemin bütün boyutları belirlenmiştir. Belirlenen optimum boyutlara göre termoelektrik ısı pompası sistemi üretilerek geliştirilmiştir. Geliştirilen sistemin otomatik kontrolü için MATLAB®-Simulink yazılımı kullanılarak kuvözün transfer fonksiyonları elde edilmiş ve sistemin hava sıcaklığı ölçüm modunda PID (oransal+integral+türevsel kontrolör) ile kontrolü için gerekli sabit PID katsayıları (KP, KI ve KD) hassas olarak belirlenmiştir. Geliştirilen sistemin ticari rezistanslı kuvözle, dinamik davranışları, termal ve hidrolik karakteristikleri çalışma kapsamında kurulan bir test düzeneğinde, 30-38 ºC aralığında farklı kabin hava sıcaklıklarında yapılan deneylerle detaylı bir şekilde karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda ısıtmayı ve soğutmayı aynı cihaz üzerinde yapabilen termoelektrikli kuvöz sistemi geliştirilerek hipertermi ve hipotermi problemleri tek bir cihazla ortadan kaldırılabilmektedir. Geliştirilen sistem, rezistanslı sisteme (±0,1 ºC) göre, kabin hava sıcaklığını 0,05 ºC hassasiyetle ve daha homojen bir şekilde kontrol edebilmektedir. Kuvözler, genellikle ısıtma durumunda kullanıldığı için termoelektrikli sistemin COPısıtma değeri her zaman rezistanslı sistemden daha büyüktür. Ancak alternatif akımın doğru akıma dönüştürülmesindeki kayıplar ve termoelektrik soğutucu modüllerin PWM’le (sinyal genişlik modülasyonu) kontrol edilmesi, geliştirilen sistemin elektrik enerji harcamasını olumsuz etkilemektedir. Ayrıca geliştirilen sistemin soğutma modu sayesinde sistemin, çevre sıcaklığının yüksek olduğu ortamlarda ve transport kuvözlerinde çalışabileceği gösterilmiştir.

This study is about the application of modular thermoelectric heat pump system which can eliminate the deficiencies and problems experienced in resistance baby incubators, and also generate a solution of hyperthermia (body temperature>37.5 °C) and hypothermia (body temperature<36 °C) problems experienced in premature babies on the same device by heating and cooling the hood with a single device. Before the proposed system is developed, the design parameters of a resistance incubator system have been determined. Using the literature, mathematical expressions of all critical sub-parts of the incubator system and the thermoelectric heat pump system were determined, and modeling of the thermoelectric incubator system was created. Besides, in this study, depending on the fixed volume obtained by removing the electrical resistance and control unit without changing the design of the resistance incubator, limited optimization was performed according to the maximum COPheating (coefficient of performance for heating) near the maximum heating power, and all dimensions of the thermoelectric incubator were determined. Based on the optimum dimensions, the thermoelectric heat pump system was manufactured and developed. For the automatic control of the improved system with PID (proportional+integral+derivative controller), the transfer functions of the incubator were obtained using MATLAB®-Simulink software, and the necessary PID coefficients (KP, KI and KD) for the control of the system in the air temperature measurement mode were determined precisely. The dynamic behaviors, thermal and hydraulic characteristics of the thermoelectric and the commercial resistance incubators were compared in detail with experiments conducted at different hood temperatures in the range of 30-38 ºC in a test setup established within the scope of the study. As a result, the thermoelectric incubator system, which can heat and cool on the same device, was developed, and hyperthermia and hypothermia problems were eliminated with a single device. The improved system can control the hood temperature with a sensitivity of 0.05 ºC and more homogeneously than the resistance system (±0.1 ºC). Since infant incubators are generally used in heating mode, COPheating value of the thermoelectric system is always higher than the resistance system. However, losses in the conversion of alternating current to direct current and the control of thermoelectric cooler modules with PWM (pulse width modulation) negatively affect the electricity energy consumption of the improved system. Besides, thanks to the cooling mode of the improved system, it was shown that it can operate in environments with high ambient temperatures and transport incubators.