Tekil iplik üretim hattında soğutma sisteminin iplik üzerine olan etkisinin incelenmesi
An investigation effects of cooling system on yarn in monofilament production line
Yazar: MERT PATKAVAK
Danışman: PROF. DR. HAKAN DEMİR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Üniversiteler ve AR-GE merkezleri, mevcut ürünleri iyileştirme ve yeni ürünleri geliştirme çalışmalarına odaklanmıştır. Bu çalışmalardan önce, yeni ürün geliştirme faaliyetleri deneme yanılma yoluyla ve tecrübeye dayalı olarak gerçekleştirilmekteydi. Deneme ve yanılma yoluyla, genellikle optimum sonucu elde etmek, oldukça güçtür. Bu denemeler, çok kaynak ve zaman harcanmasına neden olmaktadır. Araştırmacılar, iplik üretim tesislerinde optimum proses şartlarını bulabilmek için çalışmaktadır. İplik çekme prosesinde, polimerin özelliklerini etkileyecek birçok parametre bulunmaktadır. Ancak, iplik soğutma prosesindeki sıcaklık ve hava hızı parametreleri, iplik fiziksel özelliklerini doğrudan etkileyen ve kontrol edilebilir başlıca parametrelerdir. Gerçekleştirilen bu tez çalışmasının amacı, iplik soğutma proses şartlarında, iplik sıcaklık profilinin ortaya konulması için taşınım ile gerçekleşen ısı transfer katsayılarının belirlenmesidir. 
Tez çalışması yedi ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde çalışmaya başlama nedenleri ve ulaşılmak istenen sonuçlar genel olarak açıklanarak giriş yapılmıştır. İkinci bölümde, iplik çekme prosesi, deneysel tasarım ve modelleme çalışmaları hakkında genel bilgiler paylaşılmıştır. Ardından, çalışmada referans alınan şartların daha iyi anlaşılabilmesi için, iplik soğutma prosesi tanıtılmıştır. Ardından, deneysel tasarım mekanizmaları ve deneysel sonuçların incelenmesine yönelik araç ve gereçler açıklanmıştır.
Üçüncü bölümde, konu ile ilgili önceki araştırmacıların yayınları verilmiştir. Bu yayınların tez konusu ile ilgili kısımları vurgulanmış, tez çalışmasının bu yayınlardan farkı belirtilmiştir. Literatür çalışması temel olarak, iplik çekme prosesi, iplik soğutma prosesi ve taşınım ısı transfer katsayılarının belirlenmesi konu başlıklarından oluşmaktadır. Literatür araştırmasının ardından konu ile ilgili ticari patentlere ve patent başvurularına da yer verilmiştir. Gerçekleştirilen literatür çalışmalarında araştırmacılar, kendi çap aralığı ve hız aralığında deneylerini gerçekleştirmiştir. Literatürdeki hiçbir çalışma, çap değerinin 0,2 mm ile 1,0 mm aralığında, hat hızının 120 m/dk'dan düşük olduğu durum için çalışmalar gerçekleştirmemiştir. Daha yüksek hat hızları (5000 m/dk'ya kadar) ve daha düşük iplik çap değerleri (10-100 μm) üzerine çalışıldığı için, Reynolds sayısı aralığı da oldukça yüksektir. Bu tez çalışmasında ise tekil iplik üretim hattı referans alınarak parametreler seçilmiştir. 
Dördüncü bölümde, tel yüzey sıcaklığı hesaplamasıyla ilgili teorik çalışmalara yer verilmiştir. Ayrıca, bir boyutlu Newtonian ve Newtonian olmayan akış denklemleri, kütle dengesi, enerji dengesi ve kuvvet dengesi kullanılarak ortaya konulmuştur. Denklemler, Euler metoduyla nümerik olarak çözülmüştür. 
Beşinci bölümde, Yıldız Teknik Üniversitesi'nde gerçekleştirilen deneysel çalışmalara yer verilmiştir. Deney düzeneğinin kurulumu, ekipmanları ve deneylerin nasıl gerçekleştirildiği açıklanmıştır. Deneysel çalışmalardan önce, test düzeneğinin ve ölçüm sisteminin belirsizlik analizleri yapılmıştır. Test düzeneğinin ilgili parametreleri anlamlı bir şekilde ölçüp, ölçemeyeceği irdelenmiştir.Deneysel tasarımlar ve analizler, ticari bir yazılım olan Matlab programında gerçekleştirilmiştir. 0,2 mm ile 1,0 mm aralığındaki çaplarda 5 farklı direnç teli ile deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneylerde kullanılan hava hızları 0,5 ile 5,0 m/sn aralığında değişmektedir. Tel çapı ve hava hızı değerleri, tekil iplik üretim prosesinin soğutma sistemi referans alınarak belirlenmiştir. Deneyler hem çapraz hem de paralel akış için gerçekleştirilmiştir. Literatür çalışmaları kapsamında, paralel akış için gerçekleştirilen deneysel çalışmalar, Kase ve Matsuo, Golzar, Okoshi, Zieminski, Glicksman, Copley ve Brünig korelasyonları ile karşılaştırılmıştır. Çapraz akış kapsamında gerçekleştirilen deneysel çalışmaların sonuçları, literatürde bulunan Churchill ve Bernstein, Hilpert, Fand ve Keswani, Mc Adams, Dito, Kase ve Matsuo ve Brünig korelasyonları ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca bunların, deneysel çalışmadan % olarak sapma miktarları verilmişir. Deney sonuçları, benzer Reynolds sayısı aralığında, literatürdeki çalışmalar ile uyum içerisindedir. 
Altıncı bölümde, Matlab ticari yazılımı ve dördüncü bölümde elde edilen denklemler kullanılarak, iplik hızı, iplik çapı ve gerilme değerlerinin elde edildiği simulasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Model sınırları, düzeden çıkan polimer ile ilk sarım godeti arasıdır. Polimer akışı, bir boyulu Newtonian ve Newtonian olmayan akış olarak kabul edilerek, her iki durum için simulasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, polimerin moleküler yapısı ve kristalizasyon etkileri dikkate alınmamıştır. Kurulan modelin doğrulanması için, gerçekleştirilen simulasyon sonuçları ile aynı zamanda Kordsa Teknik Teksil A.Ş.'nin de danışmanı olan Dr. Kikutani'nin çalışma sonuçları karşılaştırılmıştır. 
Yedinci bölümde sonuçlar değerlendirilerek öneriler sunulmuştur.

Abstract:
Universities and R&D centers focuses on the improvement of existing products and new product development as well as research on new materials. Before these studies, new product developments were carried out by trial and error and process experience. It is almost impossible to find optimum solution for a product through trial and error. So, these trials took too much time and too much expense. The researchers have examined how to determine the appropriate yarn line modifications and corresponding optimum operating conditions associated with these modifications. As we know, there are a lot of parameters that may influence the development of the fiber structure in the melt spinning process. However, temperature is the main parameter in the melt spinning process and it affects directly mechanical properties of yarn. Yarn temperatures are easily controlled with air flow on cooling proses of yarn production. The purpose of this thesis is to determine a convective heat transfer coefficients in order to understand the temperature profile of a monofilament yarn on cooling process.  
The thesis is composed of seven major parts. In the introduction section, the reasons for initiating this study, as well as the goal of the work are presented. In the second part, general informations thats are related with yarn spinning process, design of experiments and modelling studies are shared. Then, yarn cooling process is explained for understanding of reference conditions at this study. Also, design of experiment mechanism and some tools for evaluating experiment results are explained. 
The third part is literature survey on topic. Related subjects of these studies are highlighted and difference between these studies and this Ph.D. study is indicated. This literature survey has three subheads: yarn spinning process, yarn cooling process and determination of convective heat transfer coefficient on yarn cooling process. Also patents and patent applications are given at the end of third part of this study. There are many correlations to predict the heat transfer coefficient in the literature. Literature are mainly focused on high speed multifilament yarn production conditions which has lower diameter (10-100 μm) and high yarn production speed (up to 5000 m/min). Yarn speed and yarn diameter play an important role on convective heat transfer coefficient.  But, there isn't any study that fit diameter values of our monofilament yarn properties which has a higher diameter from 0,2 mm up to 1,0 mm and production speed which is lower than 120 m/min during cooling process.
In fourth part of this study, calculation of wire's surface temperature is given. Then, one dimensional Newtonian Fluid and Non-Newtonian Viscoelastic Fluid equations with including mass balance, energy balance and force balance are explained. Then, equations solved numerically by Euler method.
In fifth part of this study, experimental studies that are performed at Yildiz Technical University's Laboratories are given. Installation stages of experimental setup and counducting of experiments are explained. Components specifications of experimental setup are mentioned. Uncertainty analysis has been realized before experimental study. Also, design of experiments which are prepared on Minitab software are given. Convective heat transfer coefficient around small diameter circular wires is determined in an effort to obtain main parameters affecting monofilament cooling process. The different diameter wires and air velocities were employed for detailed research in parallel and cross flow by using a wind tunnel. The wire diameters which were used in the experiments are vary from 0,2 mm to 1,0 mm while air velocities 0,5 m/s to 5,0 m/s as well. The convective heat transfer coefficients were obtained by subtracting the radiation heat transfer from total heat transfer. The experiments were carried out with different Reynolds numbers. Finally, the resulting Nusselt correlations were compared with the correlations reported by Glicksman, Copley, Fand and Keswani, Churcill and Bernstein, Hilpert, Mc Adams, Dito, Brünig and, Kase and Matsuo. Results are in good agreement with literature for the same range of Reynolds numbers.
In the sixth chapter, the simulation studies are carried out to predict yarn velocity, temperature and stress profiles along the spinline on Matlab software. Boundary of current model starts from spinneret exit to take up roll. The polymer flow was assumed to one-dimensional, Newtonian and also Non-Newtinian Fluid. In the study, crystallization and orientation of the polymer were not taken into consideration at this stage of the study. So, in order to verify the model, simulation results of the mathematical model were compared with results of models published in literature. It was seen that simulation results were in good agreement with model outputs of Dr. Kikutani's results for the same assumptions. 
In the seventh chapter, conclusions and advices have been presented.