Sıcak havalı kurutucularda enerji tüketimini azaltmak için yeni bir otomasyon sisteminin geliştirilmesi
Development of a new automation system for hot air dryers to reduce energy consumption
Yazar: HASAN GÜL
Danışman: PROF. DR. SEFA TARHAN ; YRD. DOÇ. DR. ZAFER DOĞAN
Gaziosmanpaşa Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Bilgisayar destekli otomasyon = Computer aided automation ; Enerji tasarrufu = Energy saving ; Fırında kurutma = Oven drying ; Termal enerji = Thermal energy

Özet:
Yapılarının basitliği ve işletme kolaylığı sebebiyle  sıcak havalı kurutucular tarımda ve sanayide yaygın olarak kullanılmaktadırlar. En önemli dezavantajları, aşırı enerji tüketimleri sebebiyle ısıtma işleminde ticari enerji kaynaklarının kullanıldığı durumlarda yüksek kurutma maliyetlerine sahip olmalarıdır. Enerji tüketimini azaltmak için sıcak havanın kurutma potansiyelinden tam olarak yararlanmaya imkan sağlayan otomasyon sistemlerine ihtiyaç vardır. Bu ihtiyacı karşılamak amacıyla, Labview programında hazırlanan bir arayüz yardımıyla kurutucu kabini çıkışında ölçülen nemli kurutma havasının bağıl nem değerlerini kontrol girdi değişkeni olarak dikkate alan, ölçülen bağıl nem değerlerini kullanıcı tarafından girilen alt ve üst sınır bağıl nem değerleriyle kıyaslayan, servo motorlarla hareketlendirilen klapelerle hava akışını yönlendiren bir otomasyon sistemi tasarlanmış ve imal edilmiştir. Deneysel verileri birbiriyle kıyaslayabilmek için kurutma süresi 28 saate ve kurutma havası sıcaklığı 45 °C sabit tutulmuştur. Her bir denemede 16 kg domates kurutulmuştur.  Kurutmanın başlangıcında kurutucu içerisindeki hava ısıtılarak kullanışmış ve çevre havasının ısıtıcıya girmesi engellenmiştir. Kurutucu kabini çıkışındaki kurutma havasının bağıl nem değeri, kullanıcı tarafından girilen üst sınır değere ulaştığı durumda kurutma havası dışarı atılmış ve çevre havası ısıtılmıştır. Bu çalışma kapsamında bağıl nem alt sınır değeri %40'ta sabitlenirken bağıl nem üst sınır değerleri %70, %80 ve %90 olarak değiştirilmiştir.  Bu üç denemeye ilave olarak, kıyaslama amacıyla sürekli olarak çevre havasının ısıtılarak kullanıldığı bir kurutma denemesi de yapılmıştır. Deneme sonunda toplam elektrik enerjisi tüketimi ve ürünlerden nem kaybı miktarları ölçülmüştür. Sürekli olarak çevre havasının kullanıldığı kurutma denemesinde üründen nem kayıp miktarı 7.129 kg iken enerji tüketimi 19.5 kWh olmuştur. Referans olarak kullanılan sürekli olarak çevre havasının ısıtıldığı kurutma denemesi, otomasyon için bağıl nem üst sınır değerinin %70 olduğu kurutma denemesine göre %9.42 daha fazla nem kaybına sahip olmasına karşın enerji tüketimi %50 daha fazla olmuştur. Bunun sonucunda ise özgül enerji tüketimi % 37.1 daha fazla olmuştur. Otomasyon için bağıl nem üst sınır değerinin %70'den %80 ve %90'a çıkarıldığı denemelerde nem kayıp miktarlarının azaldığı ve özgül enerji tüketimlerinde ise önemli bir değişimin olmadığı  
görülmüştür. Bu çalışma kapsamında %40 ile %70 arasındaki bağıl neme sahip kurutma havasının tekrar ısıtılarak kullanıldığı kurutma denemesinin, otomasyon sisteminin çalıştırlabileceği en uygun kurutma uygulaması olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Hot air dryers are widely used in agriculture and industry because of their simple structure and ease of operation. Their most important disadvantage is to have high drying costs because of their high energy consumption in case of that commercial energy sources are used  for heating process. There is a need of automation systems which provide the opportunity of benefitting the full drying potential of hot air. To satisfy this need, a new automation was designed and manufactured. This automation system has a unique interface prepared with Labview software, considers the values of relative humidity measured at the outlet of dryer cabinet as the controlling input variable, compares this input variable with the lower and upper limits of relative humidity set by a user and directs the flow of drying air by the valves steered by servo motors.  The drying time  and the temperature of drying air were set constantly to 28 h and 45 °C in order to compare the experimental results obtained from all drying trials. 20 kg tomatoes were used in each trial. At the beginning of each drying trial, the air already in the dryer was heated and used for drying and the ambient air was blocked from entering the dryer. The drying air was flown out from the dryer and the ambient air was flown into the dryer after heating when the measured relative humidity value of  drying air at the outlet of dryer cabinet reached the upper relative humidity limit set by a user. In this study, while the lower relative humidity limit was set  to the constant value of %40, the upper relative humidity limit was set to %70, %80 and %90 in turn. In addition to these tree trials, a reference trial in which ambient air was continually used for drying was conducted. The total electrical energy consumption of dryer and the total moisture loss amount of tomatoes  were determined after each trial.  The total electrical energy consumption of dryer and the total moisture loss amount of tomatoes were 7.129 kg and 19.5 kWh, respectively for the reference trial in which ambient aire was continually used for drying. The reference trial had the total moisture loss amount of  
tomatoes only 9.42%  more than the trial with the upper relative humidity limit of  70% had; however, its total electrical energy consumption was 50% more than that of the considered trial. As a result of these differences, its specific energy consumption  was 37.1% more than that of the trial with the upper relative humidity limit of 70%. Increasing the upper relative humidity limit from 70% to 80% or 90% did not reduce the specific energy consumption significantly but lowered  the total moisture loss amount of tomatoes. Therefore, in the scope of this study, the trial with the lower and upper relative humidity limits of  40% and 70%, respectively was concluded to be the best drying practice based on that the automation system can be operated.