Dikey bir porselen levhadan taşınımla eşzamanlı ısı ve kütle geçişi olaylarının teorik & ampirik bağıntılar ve dijital görüntü işleme kullanılarak incelenmesi
Investigation of convective heat and mass transfer phenomena from a vertical plate by using empirical correlations and digital image processing
Yazar: AYKUT EFE
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT ÇAKAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bulaşık makineleri, evlerdeki veya ticari işletmelerdeki bulaşıkların otomatik olarak yıkanmasını ve kurutulmasını sağlayan cihazlardır. Kullanıcı tarafından yüklerin makine içerisine yerleştirilmesi ve cihazın çalıştırılmasıyla beraber; sıcaklık, kimyasal etki, mekanik etki, süre ve su yardımıyla bulaşıkların otomatik olarak yıkanması, durulanması ve kurutulması işlemleri sırasıyla gerçekleşmektedir.
Yıkama programları incelendiğinde, genellikle program süresinin üçte birinden fazlasının kurutma adımına ayrıldığı görülmektedir. Ayrıca, elektrik tüketiminin büyük bir bölümüne yıkama sıcaklığı ve kurutma başlangıç sıcaklığı sebep olmaktadır. Bulaşık makinesi içerisindeki yüklerin kuruma mekaniği hakkında daha fazla bilgi sahibi olmak adına yapılan incelemeler yardımıyla daha etkin kurutma sistemleri tasarlamak mümkündür.
Bulaşık makinelerinde gerçekleşen kurutma işleminin daha iyi anlaşılması için, makine içerisindeki yüklerde gerçekleşen eşzamanlı ısı ve kütle geçişi olaylarının detaylı analizleri gereklidir. Bu sebeple çalışmada; dikey bir porselen levhadan taşınımla eşzamanlı ısı ve kütle geçişi olayları, teorik ve ampirik bağıntılar yardımıyla matematiksel olarak ve dijital görüntü işleme yardımıyla deneysel olarak incelenmektedir. Matematiksel modeller, dijital görüntü işleme ile elde edilen sonuçları doğrulamak amacıyla kullanılmaktadır. Dijital görüntü işleme çalışmaları ile ise, levha üzerindeki sıcaklık değişimini ve buharlaşma miktarını zamana bağlı ısı haritaları (heatmap) elde edilmektedir.
Tez çalışmalarıyla, teknik özellikleri ve donanımları çok yüksek bilgisayarla dahi elde edilmesi güç olan ve uzun vakitler alan zamana bağlı levha sıcaklığı ve buharlaşma miktarı ısı haritalarını dijital görüntü işleme ile gerçekleştiren bir metot geliştirmek; bu vesile, ile bulaşık makinelerinde gerçekleşen kurutma işleminin daha iyi anlaşılmasını sağlamak ve kurutma sistemi tasarımı çalışmalarına bilgi sağlamak amaçlanmaktadır.
Literatür araştırması; bulaşık makinesi ve bulaşık makinesinde kurutma, kurutma (taşınımla ısı ve kütle geçişi, buharlaşma), rüzgar tünelleri ve dijital görüntü işleme olmak üzere dört ana başlık altında incelenmektedir. Kurutma bölümünde; taşınımla ısı ve kütle geçişi ile beraber buharlaşmalı soğutmaya da yer verilmiştir. 
Taşınım olayı, iletim/difüzyon gibi akışkanın rastgele hareketi ve adveksiyon gibi akışkanın yığın hareketi olaylarını kapsar. İletimle ısı geçişi olayında hareketsiz bir ortam varken, taşınımda ise ortam hareketlidir ve daha karmaşık çözümlere ihtiyaç vardır. Isı taşınımı, esasen bir yüzey ile hareketli ortam arasındaki ısı iletimi olarak tanımlanabilir. Taşınım olayında ısı ve kütle geçişi yüzeydeki hareketli akışkanın özelliklerinden etkilendiğinden; taşınımla ısı ve kütle geçişi hesaplamalarında kütlenin, enerjinin ve maddenin korunum denklemleri ve Newton'un 2. Hareket yasasının birlikte ve eşzamanlı olarak çözdürülmesi gerekir. Fakat hareketli akışkanın termofiziksel özelliklerinin sabit olarak kabul edilebildiği durumlarda; ilk adımda kütlenin korunumu (süreklilik) ve momentum denklemleri (Newton'un 2. hareket yasası) birlikte çözdürüldükten sonra, basınç ve hız bileşenleri enerjinin korunumu (termodinamiğin 1. Yasası) ve maddenin korunumu ifadeleri tek başına çözümlenebilir.
Tez kapsamında; ıslatılarak 40°C sıcaklığına çıkartılmış, 19 cm çapındaki dairesel kesitli dikey (90°) bir porselen levha üzerinden; 23°C sıcaklığa, %70 bağıl neme ve 0,2 m/s hıza sahip hava akışının sağlandığı koşullar için çalışmalar yapılmıştır. Doğal taşınım şartlarının incelendiği durumda ise, fan durdurulmuş ve zorlanmış akış şartı kaldırılmıştır. Bu şartlar altındaki düz levha üzerindeki akış incelendiğinde; akışın hem doğal hem de zorlanmış taşınım durumları için laminer olduğu görülmüştür. Kullanılacak olan teorik ve ampirik bağıntılar; laminer sınır tabaka denklemlerinin, doğal ve zorlanmış taşınım sınır şartları için benzerlik çözümlemeleri yardımıyla türetilmektedir. Zorlanmış taşınım koşulları incelendiğinde; akışın karma (doğal ve zorlanmış eşzamanlı) taşınım olarak değerlendirilmesine karar verilmiştir.
Teorik ve ampirik bağıntılarla yapılan incelemeler iki adımlı olarak yapılmıştır. İlk adımda eşzamanlı ısı ve kütle geçişi olayları, doğal ve karma taşınım ile ısı ve kütle geçişi ve buharlaşmalı soğutma bağıntılarının eşzamanlı olarak çözdürülmesiyle incelenmiştir. İkinci adımda ise, levha sıcaklığı deneysel verilerden alınarak yalnızca kütle geçişi olayı incelenmiştir.
Bu olayların görsel olarak incelenebilmesi için, deneysel yöntemler kullanılabilir. Islatılarak ısıtılan model üzerinden sıcaklık verileri toplanarak ve modelin ıslaklığının/kuruluğunun zamana bağlı olarak gözlenebileceği özel boya işlemleri uygulanarak kurutma olayları gözlemlenebilir/yorumlanabilir. 
Boya işlemlerinden ilki, levhanın siyaha boyanma işlemidir. Siyaha boyamaktaki amaç, diğer boya işleminin etkisini arttırmaktır. İkinci boya işlemi, levhanın hidrokromik boya ile kaplanmasıdır. Hidrokromik boya sayesinde; ıslatılmış olan levha, deney başlangıcında -hidrokromik boya ıslandığında şeffaflaştığından- siyah bir yüzeye sahiptir. Deney boyunca kuruma olayı gerçekleştiğinden, levha yüzeyinde kuruyan bölgeler kademeli olarak gri tonlarından beyaz rengine dönmektedir.
Yapılan deneylerde, levhanın beş noktasından sıcaklık ölçümü alınmıştır. Ek olarak deneylerde kullanılan porselen levhanın kurumasının incelenebilmesi adına, levhaya özel boya işlemleri uygulanmıştır. Boya işlemleri sayesinde, levha yüzeyinde kuruyan bölgeler zamanla koyu gri tonlarından -kademeli olarak- beyaz rengine dönmektedir.
Deneyleri gerçekleştirmek amacıyla; şeffaf malzemeden üretilmiş ve içerisinden görüntü kaydı alınabilen bir test odasına sahip, düşük hızlı emme tipi açık çevrim bir rüzgar tüneli tasarlanmıştır. Matematiksel hesaplamaları yapılan rüzgar tünelinin, üretim aşamasından önce hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi yapılmıştır.
Deneysel çalışmalardan elde edilen çıktılar da benzer şekilde iki adımlı olarak incelenmiştir. İlk olarak, levhanın beş ayrı noktasından toplanan sıcaklık verileri görselleştirilerek levha üzerinde zamana bağlı sıcaklık değişiminin incelendiği ısı haritaları oluşturulmuştur. Ardından, levha üzerindeki kurumaya bağlı renk değişiminin gözlemlenebilmesi için, şeffaf test odası içerisindeki levhanın profesyonel bir dijital kamera ile belirli periyotlarla fotoğrafları alınmıştır. Fotoğrafların dijital görüntü işleme yardımıyla analiz edilmesi sayesinde, levhanın kuruma karakteristiğine dair bilgi veren ve levha üzerindeki zamana bağlı buharlaşma miktarının incelendiği ısı haritaları oluşturulmuştur. Her iki inceleme işleminde de Python programlama dili kullanılmıştır. 
Son olarak, teorik ve ampirik bağıntılar ile yapılan incelemelerden ve deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Sıcak ve ıslak bir dikey porselen levhadan doğal ve zorlanmış taşınımla eşzamanlı ısı ve kütle geçişi olayları yorumlanmıştır. Bunun için levha sıcaklığı, buharlaşma hızı ve buharlaşma miktarı grafikleri zamana bağlı olarak çizdirilmiş ve karşılaştırılmıştır.
Levha sıcaklığı ve buharlaşma hızı grafikleri, tamamen matematiksel model ile ve deneysel veriler ile yapılan hesaplamaların sonuçlarını vermektedir. Buharlaşma miktarı grafiklerinde ise, ek olarak dijital görüntü işleme sonuçlarından elde edilen eğri de grafiğe eklenmiştir.

Abstract:
Dishwashers are devices that automatically wash and dry dishes in households or commercial establishments. By loading the dishes into the machine and starting the device, the dishes are automatically washed, rinsed, and dried through the use of temperature, chemical action, mechanical action, time, and water.
When examining the washing programs, it is observed that more than one-third of the program duration is typically allocated to the drying step. Additionally, washing temperature and initial drying temperature contribute to a significant portion of the electricity consumption. Through investigations conducted to gain more knowledge about the drying mechanism of loads inside the dishwasher, it is possible to design more efficient drying systems.
To better understand the drying process in dishwashers, detailed analyses of simultaneous heat and mass transfer phenomena occurring in the loads inside the machine are necessary. Therefore, in this study, the simultaneous heat and mass transfer phenomena through convection from a vertical porcelain plate are examined mathematically -with the help of theoretical and empirical correlations- and experimentally with the help of digital image processing. Mathematical models are used to validate the results obtained by digital image processing. With digital image processing studies, time-dependent heatmaps of the temperature change and evaporation amount on the plate are obtained.
With the thesis, it is aimed to develop a method that performs time-dependent plate temperature and evaporation amount heat maps with digital image processing, which is difficult to obtain even with a computer with very high technical features and hardware, and takes a long time.
The literature review covers four main topics: dishwashers and drying in dishwashers, drying (convective heat and mass transfer, evaporation), wind tunnels, and digital image processing. In the drying section, convective heat and mass transfer, as well as evaporative cooling, are also discussed.
Transport phenomena encompass random motion of fluid such as diffusion and advection, which involves bulk fluid motion. While conduction heat transfer occurs in a stagnant medium, convection involves a moving medium and requires more complex solutions. Heat transfer by conduction can essentially be defined as the transfer of heat between a surface and a moving medium. In transport phenomena, heat and mass transfer are influenced by the characteristics of the moving fluid on the surface. Therefore, in calculations of convective heat and mass transfer, the conservation equations of mass, energy, and momentum, as well as Newton's second law of motion, need to be solved simultaneously and concurrently. However, in cases where the thermophysical properties of the moving fluid can be assumed constant, after solving the conservation of mass (continuity) and momentum equations (Newton's second law of motion) together in the first step, the pressure and velocity components, as well as the expressions for the conservation of energy (first law of thermodynamics) and mass, can be solved separately.
In the scope of this thesis, studies were conducted under conditions where a vertical porcelain plate with a circular cross-section of 19 cm diameter was wetted and heated to a temperature of 40°C. The air flow is at 23°C, 70% relative humidity, and has a velocity of 0.2 m/s. In the case of natural convection conditions, the fan was turned off, and forced flow conditions were eliminated. When the flow over the flat plate under these conditions was examined, it was observed that the flow was laminar for both natural and forced convection cases. The theoretical and empirical correlations are derived through similarity solutions for laminar boundary layer equations for natural and forced convection boundary conditions. When forced convection conditions were examined, it was decided to consider the flow as mixed (simultaneous natural and forced convection).
The analyses conducted with theoretical and empirical correlations were carried out in two steps. In the first step, simultaneous heat and mass transfer phenomena, natural and mixed convection heat and mass transfer, and evaporative cooling correlations were solved simultaneously. In the second step, only mass transfer phenomena were investigated by using experimental data for plate temperature.
In order to visually examine these phenomena, experimental methods can be used. Temperature data can be collected from the heated and wetted model under investigation, and special paint processes can be applied to observe/interpret the drying events where the wetness/dryness of the model can be observed over time.
The first painting process involves painting the plate black. The purpose of painting it black is to enhance the effect of the subsequent paint process. The second painting process involves coating the plate with hydrochromic coating. With the help of hydrochromic coating, the wetted plate initially has a black surface because it becomes transparent when wetted. As drying occurs during the experiment, the dried areas on the plate gradually change from dark gray to white.
In the experiments, temperature measurements were taken from five points on the plate. Additionally, special paint processes were applied to the porcelain plate used in the experiments to examine its drying. Thanks to the paint processes, the areas on the plate that dry over time change from dark gray to white in a gradual manner.
To conduct the experiments, a low-speed open-loop wind tunnel with a test chamber made of transparent material capable of capturing image recordings has been designed. Prior to production, computational fluid dynamics analysis was performed on the wind tunnel.
The outputs obtained from the experimental studies were also analyzed in a similar two-step manner. Firstly, temperature data collected from five different points on the plate were visualized to create heatmaps that examine the temperature change on the plate over time. Then, to observe the color change on the plate due to drying, the plate inside the transparent test chamber was photographed at specific intervals using a professional digital camera. By analyzing the photos using digital image processing, heatmaps were created that provide information about the drying characteristic of the plate and examine the amount of evaporation on the plate over time. Python programming language was used for both analysis processes.
Lastly, the results obtained from the theoretical and empirical correlations and the experimental studies were compared and examined. The simultaneous heat and mass transfer phenomena by natural and forced convection from a hot and wet vertical porcelain plate were interpreted. For this purpose, graphs of plate temperature, evaporation rate, and evaporation amount were plotted over time and compared.
The graphs of plate temperature and evaporation rate provide the results of calculations made entirely based on the mathematical model and experimental data. In the evaporation amount graphs, an additional curve obtained from the results of digital image processing was also added to the graph.