Isı pompalı çamaşır kurutma makinesinin sistem tasarım parametreleri optimizasyon modelinin oluşturulması
Development of an optimization model of system design parameters of heat pump clothes dryer
Yazar: GÖKHAN SIR
Danışman: PROF. DR. ŞEVKET ÖZGÜR ATAYILMAZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
2009 yılından itibaren kurutma makinelerinde ısı pompası sistemleri yaygınlaşmaya başlamış, 2020 yılı itibariyle kurutucu pazar payında ısı pompalı çamaşır kurutma makinaları birinci sırayı almıştır. 2025 yılı itibariyle kurutma makinelerinde yeni enerji standardı regülasyonunun gelmesi planlanmaktadır. AB'de artan enerji krizi sebebiyle özellikle ısı pompalı kurutma sistemlerinde enerji verimliliğini arttırmak için yapılan çalışmalar ön plana çıkmıştır. Bu sistemlerin fiyat rekabetçi olarak tasarlanması, sistemlerin modellenmesini ve en uygun performans seviyesine getirilmesini önemli kılmaktadır. Bu doktora tez çalışmasında, söz konusu ısı pompalı çamaşır kurutma sistem tasarım parametrelerinin optimizasyon modelinin kurulması, tambur içerisindeki spesifik nem alma hızı, kütle ve taşınım ısı transfer katsayılarının, kurutma kapasitesi, tambur devri, kompresör frekansı ve hava debisi ile etkileşimi incelenmiştir. 

Tez çalışmasının birinci bölümünde, literatürdeki çalışmalar ve yürütülen doktora çalışmasının özgün yönü paylaşılmıştır. Son dönemde Çin ve avrupa menşeili firmaların sponsorluğunda kurutma sistemleri üzerine çalışmalar yapıldığı görülmüştür. Ancak bu çalışmalarda istatistiksel analiz yöntemleri ve makine öğrenme modellerinin kurulmadığı gözlemlenmiştir. 

Tezin ikinci bölümünde,  deneylerin yürütüldüğü deney düzeneği hakkında detaylı bilgi paylaşımında bulunulmuştur. Deney düzeneğinde kullanılan cihazlar ve araçlar paylaşılmıştır. 

Üçüncü bölümde deneysel çalışmaların sonuçları ve teorik olarak ısı pompalı kurutma makinelerinde kütle ve taşınım ısı transfer katsayısı hesaplama yaklaşımı paylaşılmıştır.

Dördüncü bölümde istatistiksel analiz yöntemleri kullanılarak ısı pompalı kurutma makinelerinde SMER, kütle ve taşınım ısı transfer katsayıları modellenmiş, her üç değer için, kurutma kapasitesi, hava debisi, tambur devri, kompresör frekansı, tambur giriş  hava sıcaklığı ve giriş hava bağıl nemine bağlı olarak yarı ampirik ifadeler oluşturulmuştur. 

Beşinci bölümde gradyanı arttırılmış karar ağaçları algoritması kullanarak spesifik nem alma hızı, kütle ve taşınım ısı transfer katsayıları için sistem optimizasyon modelleri makine öğrenmesi yöntemleri ile modellenmiştir. Geliştirilen modeller sonucunda oluşan korelasyon matrisleri paylaşılmıştır. 

Altıncı bölümde sistem tasarım parametreleri optimizasyon modeli çıktılarının doğruluk oranları ve algoritma önerilerinin incelenmesi çalışmaları paylaşılmıştır.
Tez çalışmasının son bölümünde ise elde edilen sonuçlar ve gelecek çalışmalar için önerilere yer verilmiştir.

Abstract:
Heat pump dryers have become increasingly popular since 2009, and by 2020 they have become the market leader in the dryer industry. A new energy standard regulation is scheduled to be introduced by 2025. In response to the increasing energy crisis in the EU, studies focused on improving energy efficiency in dryers have become prominent. It is essential to design these systems competitively and optimize their performance levels. This doctoral thesis aims to optimize the design parameters for heat pump dryers, specifically investigating the SMER, mass, and heat transfer coefficients within the drum, drying capacity, drum speed, compressor frequency, and air flow interaction.

The first section of the thesis shares the original aspects of the literature review and doctoral study. Although recent studies on drying systems have been conducted, they lack statistical analysis methods and machine learning models.

The second section provides detailed information on the experimental setup where the experiments were conducted, including the devices and tools used.

The third section presents the results of the experimental studies and the theoretical approach for calculating the mass and heat transfer coefficients in heat pump drying machines.
The fourth section uses statistical analysis methods to model SMER, mass, and heat transfer coefficients in heat pump dryers. Semi-empirical expressions are created for all three values based on drying capacity, air flow rate, drum speed, compressor frequency, drum inlet air temperature, and inlet air relative humidity.

In the fifth section, optimization models for SMER, mass, and heat transfer coefficients are modeled using machine learning methods with the gradient boosting algorithm. The resulting correlation matrices from the models are shared.

The sixth section shares the accuracy of the output of the system design parameter optimization model and the study of algorithm recommendations.
The final section presents the obtained results and recommendations for future studies.