Hava soğutmalı yıkayıcı kurutucularda ısı değiştirici ünitesinin nem alma performansının incelenmesi
Investigation of dehumidifaction permormance of air cooled heat exchanger in washer dryers
Yazar: ÖYKÜ SİNEM ÖZER
Danışman: PROF. DR. NURDİL ESKİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Damlacık yoğuşması = Dropwise condensation ; Film yoğuşma = Film condensation ; Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Nem alıcıları = Dehumidify ; Psikometri = Psychometrics

Özet:
Günümüzde teknoloji hızla gelişmekte olup her iyileştirme veya yenilik hızlı bir şekilde ürünlere uygulanmakta ve bu şekilde günlük hayatımızı kolaylaştıracak yeni ürünler oluşturularak kullanıcıların hizmetine sunulmaktadır. Geliştirilen bu ürünlerin teknik özelliklerinin yanı sıra, enerji tüketim değerlerine de kullanıcılar tarafından dikkat edilir hale gelmiştir. Toplumlarda, tasarruf ve enerji verimliliği kavramlarının oluşması, kullanıcıların enerji konusunda bilinçlendiğinin bir göstergesidir. Enerji kaynaklarının giderek azalması ve gerek Avrupa Birliği gerekse sivil toplum kuruluşlarının katılımıyla yeni düzenlemeler ve yönergelerin yayınlanması bu konunun önemini açıklamaktadır. Üreticiler, ürettikleri ürünlerdeki teknik özelliklerin geliştirilmesinin yanında, enerji verimliği çalışmalarına da sürekli ağırlık verir hale gelmiştir. Enerji verimliliğinin artırılması başlığı altında gerçekleştirilen çalışmalar, enerji verimliliğinin etkili olduğu sistemlerde yenilikçi fikirlerin, uygulamaların ve optimizasyonların geliştirilmesi zorunluluğunu da doğurmaktadır.
Bu yüksek lisans tez çalışmasında ev içerisinde en fazla enerji tüketen makinalardan biri olan çamaşır kurutma makinası ele alınmıştır. Bu makinada enerji verimliliğini arttırmak amacı ile hava soğutmalı ısı değiştiricisinin nem alma performansı deneysel ve teorik olarak incelenmiş, farklı işletme parametrelerinin yoğuşturucu etkenliği üzerindeki etkisi irdelenmiştir.
Tez çalışması yedi ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde çalışmanın amacı, hedeflenen sonuçlar ve izlenilen yöntemler genel hatlarıyla açıklanmıştır.
İkinci bölümde kurutma çevrimlerinde ısı değiştirici olarak kullanılan plaka tipi kanatlı kompakt ısı değiştiriciler ile ilgili olarak gerçekleştirilmiş olan çalışmalar incelenmiştir. Yapılan araştırma sonucunda bu tip ısı değiştiriciler üzerine yapılan çalışmaların şaşırtmalı kanatlı ısı değiştiriciler üzerine yoğunlaştığı belirlenmiştir.
Üçüncü bölümde ev tipi çamaşır kurutma çevrimlerinde kullanılan sistemler ve çalışma prensipleri ile ilgili olarak bilgiler verilmiştir. Bölüm sonunda ise termodinamiğin nemli havanın özeliklerini ve proseslerini inceleyen dalı olan psikometri ile ilgili olarak temel bilgiler paylaşılmış ve tezin konusu olan hava soğutmalı ısı değiştiricili kapalı kurutma çevrimleri psikometrik diyagram üzerinde açıklanmıştır.
Dördüncü bölümde, bu yüksek lisans çalışması çerçevesinde gerçekleştirilmiş deneysel çalışmalar yer almaktadır. Bu bölümde tez çalışması için hazırlanan deney düzeneği ,deney düzeneğinin kurulumu için gerçekleştirilen öncül çalışmalar, ölçüm sistemi ve kullanılan makina ekipmanları detaylı olarak açıklanmıştır. Son olarak da hazırlanan deney düzeneğinde gerçekleştirilen deney sonuçları paylaşılarak deney parametrelerinin ısı değiştirici çıkış koşullarına ve nem alma hızına olan etkileri incelenmiştir.
Beşinci bölümde ısı değiştiricisinin analitik incelemesi gerçekleştirilmiş, bazı kabuller dahilinde ısı değiştirici çıkış koşullarını, kurutma ve ortam havası arasında gerçekleşen ısı geçişini ve ısı değiştirici verimi modellenerek matlab programı kullanılarak sayısal olarak çözülmüştür.Altıncı bölümde modelin geçerliliği deneysel verilerle karşılaştırılarak irdelenmiş olup deneysel çalışmalar ile geliştirilmiş olan model sonuçları karşılaştırılarak ısı değiştirici performansı açısından kritik parametreler belirlenmiştir.Yedinci ve son bölümde elde edilen sonuçlar genel olarak değerlendirilerek özetlenmiş ve ileride gerçekleştirilebilecek çalışmalar için öneriler sunulmuştur.

Abstract:
Thanks to the rapid improvements in technology, everyday either a new product becomes a part of daily life or a new version of an existing product comes onto the market. Today consumers begin to pay attention to the energy consumption values of the products beside all these technical improvements. This shows that consumers are becoming more aware of saving on energy. In addition to this awareness, diminishing energy resources also push European Union and non-governmental organizations to publish regulations related to the energy consumption of the home appliances. This progress also forces the manufacturers to carry on studies related to energy efficiency besides improving other technical specifications of their products.
Laundry drying is one of the most energy consuming process that occures within houses, hence in this thesis the effect of the inlet conditions for a heat exchanger used in tumble dryers on dehumidification is studied.
This thesis study is composed of seventh chapters. In chapter one, motivation and aim of this study were explained in general terms as an introduction. The method follewed during the study is also briefly explained within this chapter.
In the second chapter , former literature studies about the plate type compact heat exchanger which are used as condensers within drying cycles are examined. At the end of literature research, it has been noticed that studies related to this topic have been mainly focused on offset strip compact heat exchanger.
In the third chapter of the thesis , description about the systems and working principles of home appliance type textile drying cycles are presented. At the end of the chapter, some basic information about psychometry which is one of the main thermodynamic branches is given and the working principle of the closed loop drying with air cooled heat exchanger is explained on a psychometric diagram.
In fourth chapter, experimental setup which is used for the thesis study was described with details. After describing the design, components and installation process of the testing unit, calibration studies and the measurement system is explained with details.
And than consists of experimental studies that have been carried within the testing unit described on the previous chapter. The inlet conditions that were chosen as test parameters and parameter values were described in detail. At the end of the chapter how the inlet temperature and flow rate of drying air and cooling air to the heat exchanger effects the outlet conditions and the condensation rate is shown with diagrams and described in details.
In the fifth chapter, the heat exchanger that had been examined experimentally is examined analytically. At the end of this chapter, a model that gives heat exchanger
outlet conditions and heat transfer mechanism between the drying and cooling air is created. With the help of some assumptions this model helps to predict the outlet conditions for both cooling and process air and also the heat transfer and condensation rate.
In the sixth chapter, experimental study results and the developed model outputs that are discussed and compared with each other. Critical parameters with regard to heat transfer were determined.
In the final chapter results of this study have been evaluated and suggestions have proposed. The results achieved within this thesis can be summarized as follows:
 In the case of fixed flow rates for drying and cooling ambient air and also fixed temperature and relative humidity for cooling ambient air heat exchanger inlet conditions; increasing the inlet temperature for drying air also increases the cooling air exit temperatures and condensation rate.
Similarly, in case of fixing all the other parameters, increasing the heat exchanger inlet temperature for ambient cooling air decreases the condensation rate.
Increasing the drying air flow rate causes a limited increase in the outlet temperatures while increasing the ambient air flow rate causes a very limited decrease in the outlet temperatures. An increase in the flow rates for both drying and cooling air also causes an increase in the condensation rate.
The general linear model (GLM) analyses show that the variability for condensation rate is mostly depends on the inlet temperatures of the drying and cooling ambient air (94 per cent). The effect of the flow rates is only 4 per cent and the effect of the relative humidity of the cooling air is negligible.
The GLM analyses also show that the variability of the exit temperatures is mostly depends on the inlet temperatures (99 per cent). Compared to the inlet temperatures, the effect of all the other parameters is negligible.
With the help of the analyses it has been shown that, 69,5 per cent of the variability for ambient cooling air exit temperature depends on the drying air inlet temperature and 26,1 per cent depends on the ambient cooling air inlet temperature and flow rate.
It has been shown that the outputs of the model that has been developed and the test results converge well.
Test and model results both show that increasing the drying air inlet temperature, decreasing the ambient cooling air inlet temperature, increasing the flow rates for both air streams effect the condenser efficiency in a positive way.
At the end of the study , it has been understood that dehumidification performance of heat exchanger depends on the working conditions and expectation from the system. Therefore dehumidification conditions and working temperature of heat exchangers should be evaluated well .Considering the increase in the condensation rate due to high inlet relative humidity conditions, it is very critical to determine the air inlet flowrates ann temperatures. When the result of the developed model and the test results are compared, it can be seen that the model gives successful results under different working conditions and it can be used as a tool for determining the effect of the critical input parameters that were mentioned above.
As a continuation of this study is thought to be useful in the following proposals:
In this study, experimental studies were done on the same heat exchanger. Working on different types of heat exchanger (such as various fin thickness, various fin spacing, various number of row and various fin surface coatings) may be beneficial for improving the model and the literature .
It has been provided that heat exchanger performance can be investigated during whole drying process due to expanding fixed regime model with different drying air inlet temperature and outlet relative humidity. This model can help developing a new model for not only heat exchanger but also for washer dryers.