Çamaşır kurutma makinelerinde kullanılan filtrelerin yapı ve malzemelerinin basınç kaybına etkisinin modellenmesi
Modelling of pressure drop effect of filters on tumble dryers depend on materials and structures
Yazar: EZGİ GÜNEŞ
Danışman: PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Birçok sektörde etkin biçimde kullanılmakta olan kurutma işlemi, özellikle tekstillerin kurutulması noktasında gündelik yaşantımızda sık sık karşımıza çıkmaktadır. Modern şehir yaşantısı ile gelişen teknoloji,  tekstillerin kurutulmasında geleneksel yöntemlerin yavaş yavaş terkedilmesine yol açmış ve bu noktada çamaşır kurutma makineleri lüks tüketim araçları olmaktan çıkıp birer ihtiyaç haline dönüşmüştür.  
Çamaşır kurutma makineleri, tambur içerisine yerleştirilen tekstiller üzerine farklı prensiplerle ısıtılan havayı yönlendirerek, tekstillerin hızlı ve istenilen seviye kurumasını sağlamaktadır. Fakat bu işlem sırasında, tekstil üzerinde kullanımdan, çamaşır makinesindeki sıkma işleminden ve çamaşır kurutma makinesindeki mekanik ve ısıl etkiler nedeniyle oluşan lif parçaçıkları kopmaktadır. Lifler, makine içerisinde filtre kullanılmaması halinde, komponentler üzerinde birikimler yaratmaktadır. Makine performansını önemli ölçüde etkileyen bu birikimler zamanla makine üzerinde arızalara neden olmaktadır. Bu amaçla kullanılan filtreler, sistem içindeki en önemli parametrelerin başında gelen debi ve basınç ile yakından ilişkili olup, sistemde sorun yaratabilecek başka bir konu haline gelmektedir. Bu nedenle bu tez çalışması kapsamında literatürde tekstillerin neden olduğu basınç düşümü için geliştirilmiş modellerden yararlanılarak, oluşturulan deney düzeneği ile çamaşır kurutma makinesi arasında, filtrenin makine içerisindeki basınç düşümünü veren bağıntılar elde edilmiştir. Bu şekilde daha önce literatürde tekstile ait basınç kaybını modelleyen teorik çalışmalar, endüstriyel bir uygulama içerisine entegre edilmiştir. 
Tezin ilk bölümünde çamaşır kurutma makineleri ve filtreler hakkında detaylı bilgiler paylaşılmıştır. Bu bölümde filtreler, dokuma veya dokusuz yüzeyli olmalarına göre sınıflandırılmış ve dokuma türünün, iplik çeşidinin, malzemenin filtrasyon verimi ile ilişkisi anlatılmıştır. Gerçekleştirilecek olan ayırma işlemine uygun olmasına, sistemin çalışacağı sıcaklık ve kimyevi özelliğe göre filtre belirlenebilmesi için çeşitli parametreler sunulmuştur.
İkinci bölümde tesktil üzerindeki akışın incelenmesine dair yapılmış olan çalışmalar hakkında genel bilgi verilip, monofilament dokuma tekstiller özelinde gerçekleştirilen literatür araştırması sunulmuştur. Burada tekstilin dokuma ve iplik türü göz önüne alınarak kurulan pek çok model ve bu modellere ait kabuller incelenmiştir. Kurulan modellerin birbirleri ile ilişkileri açıklanmış ve baskın parametreler hakkında bilgi aktarılmıştır. Buna ek olarak bu bölümde açıklanmış olan modellerden, deneysel çalışmalar kısmında kullanılacak olanlar seçilmiştir.
Tezin üçüncü bölümünde yapılan deneysel çalışmalarda kullanılacak olan modeller detaylı biçimde anlatılmış ve modele ilişkin eşitlikler sunulmuştur. Gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda monofilament iplik türüne sahip bez ayağı dokuma filtreler kullanılması sebebiyle, seçilen modellerde bu tip dokumalar için verilen eşitlikler dikakte alınmış olup, saten ve dimi gibi diğer dokuma tiplerine ait uygulamalar üzerinde durulmamıştır. Buna ek olarak bu bölümde deneylerde kullanılacak numunlere ait geoemtrik özellikler ile malzeme bilgisi paylaşılmıştır. Katalog verilerine göre gözenek boyutu temel parametre olmak şartıyla çok geniş aralıkta numuneler seçilmiştir. Bu numunelerin malzemeleri de paslanmaz çelik ve polyester olarak tercih edilmiştir. Deney düzeneğinin tasarımıyla ilgili çalışmalar da yine bu bölümde aktarılmıştır. Deney düzeneğinde ölçüm amacıyla kullanılan sensörler, deney düzeneğinin tasarımına ilişkin hesaplamalar ve ölçüm sistemine ait belirsizlik analizi paylaşılmıştır.
Yapılan deneysel çalışmaların tamamı üçüncü bölüm içerisinde açıklanmıştır. kurulan deney düzeneğinde gerçekleştirilen ölçümler Rushton ve Gooijer isimli araştırmacılara ait modellerden faydalanılarak değerlendirilmiş olup, elde edilen sonuçlar çeşitli geometrik kısıtlar doğrultusunda incelenmiştir. Benzer biçimde çamaşır kurutma makinesi üzerinden alınan ölçümler de aynı modeller aracılığıyla benzer geometrik kısıtlar eşliğinde incelenmiştir. Tez çalışması kapsamında belirlenen kısıtlar geometri ve malzemeye göre seçilmiş olup, modellerden dolayı dikkat edilmesi gereken nokta; bir gözenek için Reynolds sayısının 25?ten küçük olmasının gerekliliğidir. Yapılan tüm testlerde bu parametrenin takip edilmesi, modellerin doğru uygulanabilmesi açısından önem arzetmektedir. Deney düzeneği ve makine üzerinden alınan ölçümler doğrultusunda Reynolds sayısına bağlı, basınç kayıp katsayısını veren eşitlikler elde edilmiştir. Bu eşitliklerden elde edilen sonuçlar ölçülen değerlerden eldilen sonuçlar ile kıyaslanmış ve hesaplanan her bir değer için hata tabloları oluşturulmuştur. Deneysel çalışmaların sonucunda, çamaşır kurutma makinesinde yapılan ölçümler sonucunda elde edilen denklemler ile deney düzeneğinde oluşturulan eşitlikler arasında bir ilişki kurularak, makinede filtrelerin sebep olduğu basınç kaybının deney düzeneğinde belirlenmesi için yeni bağıntılar önerilmiştir. Bu bağıntıları sonrasında yapılan test sonuçları ile doğrulanmıştır.
Tezin son bölümünde elde edilen sonuçlar ile öneriler sunulmuştur. Basınç düşümünde etkin olan parametreler belirlenmiş ve kurulan denklemler doğrulanmıştır.

Abstract:
Different kind of drying processes that are used widely in industrial application. In our daily routine, we need this kind of processes to dry textiles that we use. Because of modern city life and developing technology, conventional methods for drying textiles are given up and tumble dryers become a need for a lot of people instead of luxury consumption.  
Tumble dryers are the household appliances which are used to dry textile at determined degree of dryness swiftly, by means of hot air that is heated by using different methods. During this process, because of usage, spinning cycles on washing machines and mechanic and thermal effects on tumble dryers, lints are separated from textiles and lints are accumulated on the components of machine. Therefore in tumble dryers, the generated lint is removed by the means of the filters of different fabrics and geometries, to prevent the damaging to the machine components. But these filters effects the basic parameters of machine like flow rate and pressure drop and because of these reason, another problems can occur in the machine like high energy consumption. Hence, in this thesis, the relations are gained to determine the pressure drop of filters on the machine by availing developed models for pressure drop of textiles  in literature and a testing unit that measures pressure drop of filters. These relations are associated between machine and the testing unit. By the way, theoretic models for pressure drop in literature are integrated into a industrial application. 
In the first chapter, informations about tumble dryers ans filters are explained in detail.  Accordingly filters are categorized as woven and nonwoven filters and relation between filtration performance and characteristics of filters like type of weaves, yarns and materials. In addition to this, the parameters like processes of seperation and operating temperature depends on materials which should analyse to determine the most suitable filters  are given in this section.
General information  about flow through the textiles is given in the second part of this study. After general information, it is presented informations especially flow through monofilament woven filters. Models which are described depends on type of yarns and weaves in literatüre, assumptions in these studies and relations between these models are referred.  According to literatüre survey in this thesis, theoretic models are chosen for using in the experiments.
In the third part of this study, the chosen models for experiments are given chapter and verse and the equations belonging to model are shown. Test specimens are preferred as monofilament plain filters, for this reason, equations for the other woven characteristics like sateen or twill are ignored. Futhermore, materials and geometric properties like mesh count or yarn diameter of test specimens are represented in this section. A large number of monofilament and plain filters with  varying pore diameters and rate of open area, are tested  in experiments and there are stainless steel and polyester filters to determine effect of material. Testing apparatus for measuring of pressure drop through the filter is designed as a wind channel. It has three casettes for positioning the filters, by the way pressure drop of maximum three filters can be measure at the same time. For measuring pressure drop and air flow rate, sensing elements and an annubar are used and uncertainty of measurements for these sensing elements are calculated. 
All of the experimental studies are explained on the fourth chapter of thesis.  Measurements on the testing unit are evaluated by means of Rushton and Gooijer models and using limiting geometric parameters increase the rate of accuracy for the results. The same test steps are repeated for the experiments on the tumble dryer and the results of machine are analysed with the same geometric limits. Another constraint is indicated in the models that Reynolds number for only one pore is smaller than 25. This constraint is a important role to gain true results from the models. According to measurements from testing unit and tumble dryer, equations for discharge coefficient are constituted depend on Reynolds number. Calculated values from these equations and measured values are compared and these results are shown on the error charts. By means of these equations, for determining the pressure drop of filters on the tumble dryer, new correlations are suggested depends on Reynolds number on the testing apparatus, air flow rates of machine and testing unit and filter areas. These correlations are validated by using the measurements.
Finally in the fifth section, summary of results and suggestions are obtained. The important parameter are determined and validation of chosen correlations are shown. It is necessary that results sum up;
?	It is determined that the differences between definitions of geometric parameters like open area ratio, wetted perimeter and pore area have very important effects on pressure drop of textiles.

?	The mesh size is an important parameter to decide which model we should use when the pressure drop is determined. According to test results, Gooijer Model is a good choice for filters having small mesh size. In contrast with, pressure drop of  filters having bigger mesh size should be calculated by means of Rushton Model.

	In this thesis, effects of filters? materials are examined. Especially for Rushton Model, it is indicated that the discharge coefficient of metal filters are bigger than the polyester filters? discharge coefficient by means of calculations. The reason of this situation is metallic yarn diameter is different from the polyester yarn for the same mesh size and open area ratio according to manufacturer data.

	The results of experiments which were performed on tumble dryers and testing unit, are shown that measurements are constituted the similar distributions for all filters. Therefore the equations gaining from distributions are determined. These equations which have small error margins, were chosen for combining the results of  tumble dryer and testing unit. Thus three correlations are defined to calculate the pressure drop of filters on dryers without measurements on dryers.

?	Suggested correlations are validated by using test samples and three new filters. All of results are examined according to uncertainty analyses and it is determined that the correlations are working correctly.
For future studies, some suggestions are given below.
?	In this thesis, only one type of yarn and weave are tested in experiments. Because of this reason, effects of different yarn and weave types should be examined.

	Both of filters? casettes in tumble dryer and testing unit are flat. By the way, differences in air flow between dryer and testing unit are decreased. Therefore casettes having several shapes like pleated could be tested in dryer.

	AE is a coefficient that was defined in this study for determining the ratio between filter areas in dryer and testing unit. Value of AE is bigger than one in this thesis, thus experiments should be repeated for values of  AE which is smaller than one.

	Theoretical models in literature are used for a industrial application, therefore the same procedures should be implemented for different applications.

	Another limit which is similar to mesh size?s limit or a ratio between open area and mesh size can be determined for new correlations.

	Correlations which have been gained in thesis, can be validated with CFD applications.

	In this study equations which show alterations depend on  materials and mesh size, are defined. If the some parameters that belong to testing unit and fluid flow like Reynolds Number, flow rate and filter area, pressure drop of filter in tumble dryers can be calculated. An algorithm or an application should be constituted to simplify the calculations.