Su soğutmalı yıkama-kurutma makinelerinde farklı proses çalışma koşullarının ısıtıcı kanalındaki hav birikimine ve kurutma performansına etkisinin değerlendirilmesi
Assessment of the effect of lint accumulation in the heater channel on the performance of the water cooled washer drying machines in different operating conditions
Yazar: NAZIM TAŞ
Danışman: PROF. DR. AYŞEGÜL ABUŞOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu yüksek lisans tezi kapsamında, su soğutmalı yıkama-kurutma makinelerinde 1 kg ve %100 pamuklu tekstilin ısıtıcı kanalındaki hav birikimine, kurutma performansına ve nem alma hızına ait karakteristikleri, ısıtıcı kanalındaki ısıtıcı gücü, ısıtıcı kanalı fan debisi, yıkama sonu sıkma devri, kurutma sıkması değeri ve kurutmanın 2. fazının tambur devri parametreleri aracılığı ile deneysel olarak incelenmiştir. Kontrol edilemeyen parametre olan kurutmanın 1. faz adımında ısıtıcının uygulanma süresi ise kovaryans olarak incelenmiştir. Bu amaçla oluşturulan deney düzeneği ve deneylerin yapılışı ayrıntılı bir biçimde açıklanmıştır. Gerçekleştirilen deneylerin sonuçları ve bu sonuçların istatiksel analizleri paylaşılmıştır. Öncelikle, pamuklu tekstil materyalleri için kütle transfer katsayısı, aktivite katsayısının nem oranına bağlı değişimi ve tekstil materyalinin yüzey alanına bağlı buharlaşma hızı incelenmiştir. Deney planındaki tüm aşamalar için teorik inceleme yapılarak elde edilen verilerle karşılaştırılmıştır. Böylece tekstil materyalinden uzaklaştırılan nem miktarının maksimum %6,5 sapma oranı ile belirlenmesi mümkün olmuştur. Son olarak, kurutma performansı üzerinde etkili olduğu belirlenen ısıtıcı gücü ve 1. faz adımındaki ısıtıcının uygulanma süresinin buharlaşma hızı üzerindeki etkisi teorik olarak incelenmiştir. 
Tez çalışmasının sonuçlarına göre ısıtıcı kanalındaki hav birikiminde istatiksel olarak etkisi olan parametrelerin fan debisi, kurutma sıkması ve kurutmanın ikinci fazındaki tambur devri olduğu gözlemlenmiş olup bu parametrelerin etki oranı sırasıyla %45, %8 ve %3 olarak belirlenmiştir. Parametrelerin tekil etkileşimlerinin yanı sıra kurutmanın ikinci fazındaki tambur devri ile kurutma sıkmasının ikili etkileşiminin de ısıtıcı kanalındaki hav birikiminde %28'lik değer ile etki derecesi olduğu belirlenmiştir. Hava akışının mekanik etkilere göre hav birikimi üzerinde daha büyük bir etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Bu, mekanik etkiler nedeniyle ne kadar hav salımlandığına bakılmaksızın, hava akımının taşıma kapasitesinin hava akım hızı tarafından sınırlandığı gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Hava akım hızı arttıkça, hava tarafından taşınabilecek hav miktarı da artar çünkü yüksek hızlı hava akımı tekstillerin üzerinden daha güçlü bir şekilde kaldırır ve taşır. Ayrıca, daha yüksek bir hava akım hızı, tamburdan daha fazla hava çekilmesine neden olur, bu da daha fazla havın havaya karışmasına ve hava ile birlikte taşınmasına yol açar. Kurutma dönme hızı arttıkça, tekstiller merkezkaç etkisi nedeniyle tambur duvarına daha fazla yapışır ve tekstiller daha fazla gerilir. Bu gerilme etkisi, dokuma ve örme yapıdaki tekstillerin zarar görmesine neden olur ve tambur dönüşü sırasında daha fazla hav salımına yol açar. Son olarak, tambur hızı arttıkça, tekstiller merkezkaç etkisiyle tambur duvarına yapışır ve tamburla birlikte döner. Ancak tambur hızı azaldıkça, tekstiller belli bir noktadan düşer ve sıkışır. Düşme ve sıkışma hareketleriyle birlikte, tekstil yüzeyleri arasındaki sürtünme kuvveti daha fazla tekstil hasarına yol açar, bu da daha fazla hav salımına neden olur. Yıkama sonu sıkma devri, ısıtıcı kanalındaki ısıtıcı gücü ve kovaryansın herhangi bir etkisinin istatistiksel olarak anlamlı olmadığı gözlemlenmiştir. 
Kurutma performansı üzerinde istatiksel olarak etkili parametrelerin ısıtıcı kanalındaki ısıtıcı gücü, kurutma sıkması, yıkama sonu sıkma devri ve kovaryans olduğu gözlemlenmiş olup bu parametrelerin etki oranı sırasıyla %7, %3, %79 ve %2 olarak belirlenmiştir. Isınma gücü arttığında, dolaşan havanın sıcaklığı yükselir ve bunun sonucunda havanın nem tutma kapasitesi artar. Bu da havanın daha fazla su buharını barındırabilmesi anlamına gelir. Bu durumda, tekstil yüzeyindeki sıvıdan havaya geçen su buharının miktarı artar. Bununla birlikte, ısıtıcı gücündeki artışa rağmen, kurutma performansındaki azalma, ısıtıcının diğer bileşenlerle etkileşimi sonucu çevredeki ortama ısı kaybına bağlanabilir. Isıtıcı gücü arttığında, çevresine göre daha yüksek bir sıcaklık farkına sahip olan ısıtıcı yüzeyi, ısı kaybı nedeniyle bütün enerjisini havaya transfer edemez. Kurutma sıkma devri arttıkça, sıkma aşamasında uzaklaştırılan nem miktarı da artar. Bunun nedeni, daha yüksek sıkma devriyle tambura daha sıkı bir şekilde yapışan tekstilin, emilmiş olan nemi açması ve serbest bırakmasıdır. Gravitasyon bu suyun aşağı düşmesine ve makineden uzaklaştırılmasına neden olur. Son olarak, yıkama sonu sıkma devri azaldıkça, kurutma aşamasına giren nemli tekstil oranı daha yüksek olur. Daha düşük yıkama sıkma devri nedeniyle daha yüksek nem içeriği ile kurutma aşamasına giren tekstil, santrifüj etkisi ile daha fazla su uzaklaştırır. Bu, daha az termal enerji tüketimiyle tekstilin kurutulmasında önemli bir rol oynar. Ayrıca, daha düşük yıkama sıkma devrine bağlı olarak daha yüksek nem içeriğiyle kurutma aşamasına giren tekstil, daha yüksek nem içeriğiyle kurutma aşamasından çıkar. Tekstil yüzeyinde daha fazla su bulunduğundan, ısıtıcı tarafından sağlanan ısı, bu suyun buharlaşması için kullanılır. Bu, kurutma performansının iyileştirilmesine önemli katkı sağlar. Bu nedenle, yıkama sonu dönme hızı, kurutma performansı üzerinde en yüksek etki oranına sahiptir ve toplam etkinin %79'unu oluşturur.
Nem almanın teorik incelenmesi çalışmaları kapsamında, aktivite katsayısı yaklaşık olarak 1 olduğunda, yüzeydeki su tamamen buharlaşıncaya kadar buharlaşma hızının arttığı ve maksimum seviyeye ulaştığı gözlemlenmiştir. Ancak tekstil yüzeyindeki su tamamen buharlaştığında, tekstil içindeki suyun kurutulması daha zor hale geldiği ve aktivite katsayısının azalmasıyla birlikte buharlaşma hızının da azaldığı tespit edilmiştir. 
Teorik araştırmalar, sürekli olarak ısıtıcı gücü ile buharlaşma oranı arasında doğrudan bir ilişki olduğunu ortaya koymuştur. Bu çalışmalar, ısıtıcı gücü arttıkça buharlaşma hızının da arttığını göstermiştir. Bu fenomen, ısı enerjisi ile atmosfer havasının kısmi buhar basıncı arasındaki ilişkiye bağlanabilir.  Isıtıcı gücü arttığında, daha fazla ısı enerjisi havaya transfer edilir ve havanın sıcaklığı yükselir. Sonuç olarak, havanın kısmi buhar basıncı daha yüksek sıcaklık nedeniyle azalır. Bu kısmi buhar basıncındaki azalma, tekstil yüzeyindeki doymuş havayla çevredeki havanın kısmi buhar basıncı arasında daha büyük bir farklılık basıncı oluşturur. Bu daha yüksek basınç farkı, buharlaşma sürecini hızlandırır. Detaylara inildiğinde, tekstil yüzeyine yakın hava, tekstilden salınan nem nedeniyle su buharıyla doygun hale gelir. Ancak, heater gücü arttıkça hava sıcaklığı yükselir ve su buharını tutma kapasitesi artar. Bu sonuç olarak, artan ısı enerjisi havanın su buharını daha fazla tutabilmesine olanak sağlar, böylece tekstil yüzeyindeki sıvıdan daha fazla nemin çevredeki havaya transfer edilmesine imkan verir. Bu artan nem transferi, buharlaşma hızını hızlandırır ve kurutma sürecini hızlandırır.

Abstract:
Within the scope of this master's thesis, the characteristics of lint accumulation in the heating channel of water-cooled washing-drying machines, drying performance, and moisture removal rate for 1 kg and 100% cotton textiles have been experimentally investigated through parameters such as heating power in the heating channel, fan flow rate in the heating channel, spin speed after washing, spin speed of drying, and drum speed of the second phase of drying. The uncontrollable parameter, which is the application time of the heater in the first phase of drying, has been examined as a covariance. The experimental setup and the procedure of the experiments have been described in detail. The results of the conducted experiments and the statistical analysis of these results have been presented. Firstly, the mass transfer coefficient for cotton textile materials, the variation of the activity coefficient with moisture content, and the evaporation rate depending on the surface area of the textile material have been investigated. The experimental plan underwent comprehensive theoretical analysis at each stage, and the results were meticulously compared to the obtained data. This meticulous approach enables us to accurately determine the moisture content extracted from the textile material, with a maximum deviation rate of 6.5%. Finally, the effect of the heater power, which was determined to be effective on the drying performance, and the effect of the heater application time in the 1st phase step on the evaporation rate were examined theoretically.
According to the results of the thesis, it has been observed that the parameters that statistically affect the lint accumulation in the heating channel are the fan flow rate, spin speed of drying, and drum speed in the second phase of drying, with influence ratios of 45%, 8%, and 3%, respectively. In addition to the individual effects of these parameters, it has been determined that the interaction between the drum speed in the second phase of drying and the drying compression has a 28% effect on the lint accumulation in the heating channel. It has been observed that the airflow has a higher impact on lint accumulation compared to mechanical effects. This is because regardless of how much lint is released due to mechanical effects, the airflow's carrying capacity is limited by the airflow rate. As the airflow rate increases, the amount of lint that can be transported by the air also increases because high-speed airflow lifts and carries the air more forcefully over the textiles. Furthermore, a higher airflow rate results in more air being drawn from the drum, leading to more air mixing and transportation. As the drying spin speed increases, the textiles adhere more to the drum wall due to the centrifugal effect, causing the textiles to stretch more. The stretching effect damages the woven and knitted structure of the textiles, resulting in more air being expelled during drum rotation. Lastly, as the drum speed increases, the textiles stick to the drum wall due to the centrifugal effect and rotate with the drum. However, as the drum speed decreases, the textiles fall and get squeezed at a certain point. Along with the falling and squeezing movements, the frictional force between the textile surfaces causes more textile damage, leading to a higher release of lint. It was not statistically significant to see any effect of the washing end spin speed, heating power, and covariance.
It has been observed that the statistically influential parameters on drying performance are the heating power in the heating channel, spin speed of drying, spin speed after washing, and covariance, with influence ratios of 7%, 3%, 79%, and 2%, respectively. When the heating power increases, it results in an elevation of the circulating air temperature, consequently leading to an augmentation in the air's moisture-holding capacity. This, in turn, implies that the air can accommodate a greater amount of water vapor. In this case, the amount of water vapor passing from the liquid on the textile surface to the air increases. However, despite the increase in heating power, the decrease in drying performance can be attributed to the interaction between the heater and other components of the machine, leading to heat loss to the surrounding environment. When the heating power is increased, the heater surface, which has a greater temperature difference with its surroundings, cannot transfer its entire energy to the air due to heat loss. As the drying spin speed increases, the amount of moisture removed during the spinning phase also increases. This is because the textile, adhering more firmly to the drum due to the higher spin speed, opens up and releases the absorbed moisture. Gravity causes this water to fall down and be drained away from the machine. Lastly, as the washing spin speed decreases, the proportion of damp textile entering the drying phase becomes higher. The textile entering the drying phase with higher moisture content, due to the lower washing spin speed, removes more water through the centrifugal effect. This plays a significant role in drying the textile with less thermal energy consumption. Furthermore, a textile entering the drying phase with higher humidity due to a lower washing spin speed exits the drying phase with higher humidity. Since the textile has more water on its surface, the heat provided by the heater in the heating channel is utilized for the evaporation of this water. This significantly contributes to improved drying performance. Therefore, the washing end spin speed has the highest impact rate on drying performance, accounting for 79% of the total impact.
Within the scope of theoretical investigation of dehumidification, it has been observed that when the activity coefficient is approximately 1, the evaporation rate increases and reaches its maximum level until all the water on the surface evaporates. However, it has been determined that when the water on the textile surface completely evaporates, the drying of the water inside the textile becomes more difficult, and it is found that the evaporation rate decreases with a decrease in the activity coefficient.
Theoretical investigation studies have consistently shown a positive correlation between heater power and evaporation rate. As the heater power increases, the evaporation rate also increases. The fundamental reason behind this phenomenon lies in the relationship between heat energy and the partial vapor pressure of the surrounding air. When the heater power is increased, more heat energy is transferred to the air, causing its temperature to rise. As a result, the partial vapor pressure of the air decreases due to the higher temperature. This decrease in partial vapor pressure creates a greater differential pressure between the saturated air on the textile surface and the partial vapor pressure of the surrounding air. The higher differential pressure accelerates the evaporation process. In detail, the air near the textile surface becomes saturated with water vapor due to the moisture released from the textile. However, as the heater power increases, the temperature of the air rises, and its ability to hold water vapor increases.  As a consequence, the increased heat energy causes the air to have a higher capacity to hold water vapor, allowing for a greater amount of moisture to be transferred from the liquid present on the textile surface to the surrounding air. This amplified transfer of moisture leads to an accelerated rate of evaporation, expediting the drying process.