Isı pompalı tamburlu kurutucularda tambur devri ve hava debisinin tekstillerde boyutsal değişim, boncuklanma ve lif salınımına etkisinin incelenmesi
Heat pump tumble dryer drum revolution speed and air flow rate impact on textile dimensional stability, pilling and lint release
Yazar: MUHAMMED EMİN ÇOBAN
Danışman: PROF. DR. GÜLAY ÖZCAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında ısı pompalı kurutma makinelerinde tambur devri ve hava debisi parametrelerinin boyutsal değişim, boncuklanma ve lif salınımına etkisi araştırılmıştır. Tambur devri 30, 41, 52 ve 63 devir/dakika olacak şekilde 4 farklı seviyede, hava debisi ise 35, 47 ve 59 litre/saniye olacak şekilde 3 farklı seviyede incelenmiştir. Tambur devri ve hava debisi seviyeleri full faktoriyel olarak test tasarımı yapılmış toplamda kurutma makinesi için 12 farklı koşul denenmiştir. Koşullar 5 tekrar ve makine kapasitesinin yarısı dolulukta (4 kg) olacak şekilde tamamlanmıştır. Deney sonuçları istatistiksel olarak analiz edilmiş; ısı pompalı tamburlu kurutma makinelerinde boyutsal değişim, boncuklanma ve lif salınımı hasarlarını azaltacak optimum kurutma programı oluşturulmuştur. Ayrıca, farklı kurutma yöntemleri de boyutsal değişim, boncuklanma ve lif salınımı için test edilerek sererek kurutma, tamburlu kurutucu referans pamuklu programında kurutma ve yeni geliştirilen optimum programda kurutma karşılaştırılmıştır. 
Deneysel çalışmada kullanılacak numuneler belirlenirken öncelikle her hasar türü için en çok hasarlanan ve kullanımı yüksek olan kumaşlar tespit edilmiştir. Boyutsal değişim hasarı için pamuklu örme yapılar ön plana çıkarken, boncuklanma için kesikli polyester içerikli kumaşlar ön plana çıkmıştır. İplik yapısı olarak ring iplik türü hem her iki hasarın oluşmasında etken olarak rol oynaması hem de en yaygın kullanılan tür olması sebebi ile tercih edilmiştir. Lif salınımı konusunda pamuk gibi doğal liflerin polyester gibi sentetik liflere oranla çok daha fazla şekilde lif oluşturması ve ayrıca örme yapıların da lif salınımını artırması nedeniyle lif salınımı için pamuklu örme kumaşlar tercih edilmiştir. Bu bilgiler ışığında, %100 pamuk, %95/5 pamuk/elastan, %70/30 pamuk/polyester ve %100 polyesterden oluşan süprem örme yapısına sahip kumaşlar boyutsal değişim ve boncuklanma hasarlarını tespit etmek için kullanılan test numuneleri olarak seçilmiştir. Lif salınımı için tekstil tipine göre lif salınımı bakılmamış, hem müşteri karışım oranını temsil etmesi hem de lif salınımını göstermesi için 4 kg müşteri karışım yükü oluşturulmuştur. 4 kg yükün 1.5 kilogramı %100 pamuk süprem, 1.5 kilogramı polyester ballast yük, 0.5 kilogramı standart havlu ve 0.5 kilogramı boyutsal değişim ve boncuklanma numuneleri olan 4 farklı içerikteki süprem kumaşlar olmuştur. Boyutsal değişim ve boncuklanma 1., 3., ve 5. tekrarlarda ölçülmüş, lif salınımı ise 5 tekrar olacak şekilde her tekrarda ölçülmüştür. Boyutsal değişim ve boncuklanma için ayrıca mikroskop altında incelemeler yapılmıştır.
Boyutsal değişim test sonuçları istatistiksel olarak analiz edildiğinde, büyüklük sırasıyla, tekstil tipi, tekrar sayısı, tambur devri ve hava debisinin tekstil çekmesinde etkili faktörler olduğu görülmüştür. Bütün boyutsal değişimler çekme olarak görülmüştür. Tekstil tipleri kendi içinde gruplandırma yapıldığında %100 pamuk kumaş en çok çekme gösteren kumaş olmuştur, ikinci sırada %95/5 pamuk/elastan kumaş yer almış ve en az çeken kumaş türleri ise %70/30 pamuk/polyester ve %100 polyester kumaş olmuştur. Tekstil tipi için dikkat çeken sonuç %70/30 pamuk/polyester karışım kumaşın %100 polyester kumaş ile çekme seviyelerinin istatistiksel olarak birbirinden ayrışmaması, karışım kumaşın %100 polyesterin çekmesine çok yakın gelmesi olmuştur. Pamuklu kumaşlara oran olarak az da olsa polyester eklemenin çekme problemini çok yüksek derecede iyileştireceği sonucuna varılmıştır. Tekrar sayıları kendi içinde gruplandırıldığında her tekrar farklı bir gruba düşerek istatistiksel olarak ayrışmıştır. Tekrar sayısı arttıkça çekme derecesi de artmış fakat artış hızı giderek düşmüştür. Tambur devirleri kendi içinde gruplandırıldığında 52 devir en çok çekmeye neden olmuş, 30 ve 41 devirler orta seviyede çekme göstermiş ve 63 devir ise çekme hasarını en aza indiren devir olmuştur. 30 ve 41 gibi devirlerin 52 devre göre tekstillere daha düşük seviyede mekanik kuvvet uygulaması nedeni ile çekmede azalma sağladığı tespit edilmiştir. 63 devirde ise yüksek hızdan dolayı kumaşlar tambur çeperine yapışmakta herhangi bir mekanik kuvvet söz konusu olmamaktadır, bu sayede çekme hasarının en aza indirilmesi sağlanmıştır. Tekstil bazlı olarak tambur devrinin etkisi incelendiğinde 63 devrin %100 pamuklu tekstillerde çok daha bariz bir şekilde fark oluşturduğu görülmektedir. Bu fark tekstilin içine polyester eklenince azalmaktadır fakat 52 devir polyester içerikli tekstiller için her zaman en kötü sonucu vermiştir. Hava debileri kendi içinde gruplandırıldığında ise yüksek hava debisi (59 L/s) orta ve düşük hava debisinden daha yüksek ve istatistiksel olarak farklı çekme değerine sahip olmuştur. Yüksek hava debisinin tekstillere uygulanan mekanik kuvveti arttırıp tekstillerin daha fazla ve sert bir şekilde hareket etmesine neden olduğu ve bu nedenle çekmeyi arttırdığı düşünülmektedir. Ayrıca tekstil bazlı olarak hava debisinin etkisi kontrol edildiğinde, pamuklu içerik arttıkça hava debisinin yüksek olmasının çekmeyi arttırdığı, polyester içerik arttıkça hava debisinin düşük olmasının çekmeyi arttırdığı tespit edilmiştir. Pamuktaki artış mekanik hareket ve hızlı kuruma kaynaklı, polyesterdeki artış ise debinin düşmesi ile beraber artan sıcaklık kaynaklı olmuş olabileceği düşünülmektedir. En çok çeken %100 pamuklu numune mikroskop altında incelendiğinde ise örmedeki boşluk yapısının yıkama ve kurutma işlemlerinden önceki haline göre daha kapalı ve sıkı olduğu gözlemlenmiş, birim alana düşen ilmek sayısının arttığı tespit edilmiştir.
Boncuklanma test sonuçları istatistiksel olarak analiz edildiğinde, tekstil tipi ve tambur devrinin etkili, hava debisinin ise etkisiz parametre olduğu tespit edilmiştir. Tekstil tipleri kendi içinde gruplandırıldığında, %100 pamuk ve %95/5 pamuk/elastan numuneler 5 tekrar sonrası boncuklanma oluşturmayarak bir gruba, %70/30 pamuk/polyester bir gruba ve %100 polyester ise diğer bir gruba ayrılmıştır. En düşük boncuklanma derecesi yani en çok boncuklanan numune polyester numune olmuştur. Kesikli polyester lifler, kumaş yüzeyinde oluşan tüylenmenin yüzeyden düşmesini iplik yapısına uzun ve sert olmaları sebebi ile tutunduklarından dolayı engellediği ve bu nedenle boncuklanma oluşumunu arttırdığı tespit edilmiştir. Pamuk/polyester karışım da %100 polyester gibi yüksek boncuklanma göstermiştir. Tambur devirleri gruplandırıldığında, sadece 63 devir diğer devirlerden ayrı bir grupta yere almış ve en düşük boncuklanmayı göstererek, en yüksek boncuklanma derecesini almıştır. Ayrıca, tekrar sayısının boncuklanmaya etkisi ayrı olarak incelendiğinde 1., 3. ve 5. tekrarın birbirinden ayrıştığı, tekrar sayısı arttıkça boncuklanma gözlemlenmeye başlandığı ve arttığı tespit edilmişitir. Boncuklanma yapıları mikroskop altında incelendiğinde, %100 pamuk ve pamuk/elastan numunelerin yüzeyinde sadece tüylenme olduğu, pamuk/polyester karışımda olan boncuklanma yapısının kumaş yüzeyine yakın, yapı olarak büyük ve içerik olarak çoğunlukla pamuk liflerinden oluştuğu, %100 polyester numunelerde ise boncuk yapısının yüzeyden daha uzakta, yapı olarak daha ince olduğu tespit edilmiştir. Pamuk/polyester karışım numunede yüzeydeki pamuk lifleri uzun bir polyester lifinin onları sarması ve kumaşa bağlaması ile boncuklanma yapısı oluşturduğu da gözlemlenmiştir. Ayrıca, pamuk içeriğe sahip kumaşlarda kir gibi yüzey kalıntılarının da boncuklanma başlattığı tespit edilmiştir.
Lif salınımı test sonuçları istatistiksel olarak analiz edildiğinde tekrar sayısı ve tambur devri etkili, hava debisi ise etkisiz parametre olarak bulunmuştur. 5 tekrar sayısı 4 gruba bölünmüş, 1., 2., 3. ve 5. tekrarlar ayrı gruplarda bulunmuşlardır, 4. tekrar ise hem 3. hem de 5. tekrarla istatistiksel olarak ayrışamamıştır. En yüksek lif salınımı 1. tekrarda olmuş, tekrar sayısı arttıkça lif salınımı düşmüştür. Lif salınımının düşmesindeki ivme tekrar sayısı arttıkça azalmıştır. Tambur devirleri gruplandırıldığında, 30 devri en yüksek lif salınımına neden olurken, 40 ve 52 devir orta seviyede lif salınımına sebep olmuş ve 63 devir ise en düşük lif salınımına sebep olmuştur. Lif salınımında 30 devrin en yüksek lif salınımına sebep olmasına kumaşların birbirleri ile olan sürtünmesinin en yüksek derecede olduğu devir olması ve ayrıca düşük devirde dönüldüğü için kurutma süresi ve alınan mekanik darbe süresinin artması etkili olmuştur. Hava debisi lif salınımında direkt olarak etkili olmamış fakat, tambur devri ile ikili etkileşimi istatistiksel olarak etkili parametre olmuştur. Düşük devirlerde (30, 41 devir/dk) yüksek hava debisi (59 L/s), yüksek devirlerde (52, 63 devir/dk) ise düşük hava debisi (35 L/s) kullanımı lif salınımının azalmasında etkili olmuştur. 
Test sonuçları ile yapılan istatistiksel çalışmada kurutma makinesi parametreleri olan tambur devri ve hava debisi; boyutsal değişim, boncuklanma ve lif salınımı tekstil hasarlarını en aza indirmek için optimize edildiğinde tambur devri 63 devir/dk, fan debisi 35 L/s olarak belirlenmiştir. Belirlenen optimum koşulda test sonuçlarının tekrarlanabilirliği kontrol edilmiş ve doğrulanmıştır.
Boyutsal değişim, boncuklanma ve lif salınımı hasarları, kurutma yöntemi değişimine göre de kontrol edilmiştir. Boyutsal değişim ve boncuklanma hasarları sererek kurutma, tamburlu kurutucu pamuklu programında kurutma ve yeni geliştirilen optimum algoritma ile kurutma olarak üç farklı kurutma metodu kullanılarak karşılaştırılmıştır. Lif salınımı karşılaştırma testlerinde ise sererek kurutma test edilmemiştir. Boyutsal değişim %100 pamuklu kumaş üzerinden bakılmış, sererek kurutmada %4.78, kurutucu pamuklu programında %9.08, yeni geliştirilen algortimada ie %5.78 olmuştur. Mevcut kurutucu programına göre %3.3 daha az çekmiş, bu da yaklaşık olarak bir beden çekmenin kurtarılması anlamına gelmektedir. Boncuklanma testlerinde boncuklanma gösteren pamuk/polyester karışım, %100 polyester kumaş test edilmiş, sererek kurutma ile optimum algoritma aynı seviyede boncuklanma oluşturmuş, mevcut kurutucu pamuklu programı ise yarım seviye daha kötü boncuklanma göstermiştir. Yeni geliştirilen algoritma ile tamburlu kurutmanın neden olduğu pilling ortadan kaldırılmıştır. Lif salınımı, hem 5 tekrarın ortalaması hem de toplamı açısından karşılaştırıldığında yeni geliştirilen optimum algoritma mevcut pamuklu programa göre %62 daha az lif salınımı oluşturmuştur. Bütün sonuçlara beraber bakıldığında kurutucularda bulunan mevcut pamuklu programa göre 1 beden çekmenin kurtarıldığı, boncuklanma etkisinin ortadan kaldırıldığı ve lif salınımının %62 azaltıldığı yeni bir optimum algoritma geliştirilmiştir.

Abstract:
Textiles are the products that are developed and used to protect human against nature, but need periodic care due to staining or unwanted smell during use. Nowadays, textile care is carried out automatically in white goods known as washing and drying machine. During the washing and drying processes, textiles may be damaged. The damages that occur in the washing step and the damages that occur in the drying step can differ from each other in terms of type and magnitude. Damages whic occur in the drying step are usually dimensional change, pilling, lint (microfiber) release and melting risk for fabrics made of synthetic fibers. There are different types of tumble dryers that do the drying process automatically. Drum dryers are divided into three as exhaust dryer, condenser dryer and heat pump dryer. Among these drying technologies, heat pump system is the latest technology. This system consumes less energy by drying at low temperatures, thus, the risk of melting of synthetic fibers is eliminated. Since heat pump dryers dry the clothes for longer periods of time at lower temperatures compared to other drying systems, the mechanical impact given to textiles is increased. Therefore, the damage issues that should be focused on heat pump tumble dryers should be dimensional change, pilling and lint release.
Dimensional change, which is one of the textile damages of heat pump dryers, has been studied for wool fabrics with the changes on the drum speed parameter of the dryers. Pilling damage was not studied by changing the parameters, only the effect of washing and tumble drying on pilling was examined and compared. Lint (microfiber) release has become important in the last few years and it has been discussed with many studies specific to washing machines, but there are very few studies for dryers. Scientists point out that the importance of dryers for lint (microfiber) release is not recognized and can pose much greater dangers than washing machines.
In this thesis, the effects of drum speed and air flow parameters on dimensional change, pilling and lint release were investigated in heat pump dryers. Drum speed was examined at 4 different levels as 30, 41, 52 and 63 rpm, and air flow at 3 different levels as 35, 47 and 59 liters/second. Drum speed and air flow levels were tested as full factorial design, a total of 12 different conditions were tested for the dryer. Conditions were completed with 5 repetitions with half the machine capacity (4 kg) of load. Experimental results were analyzed statistically, an optimum drying program has been created to reduce dimensional change, pilling and lint release damages in heat pump tumble dryers. In addition, different drying methods as flat drying, tumble drying wtih cotton program and tumble drying with developed optimum program were tested and compared for dimensional change, pilling and lint release.
While determining the samples to be used in the experimental study, firstly, the most damaged and highly used fabrics were determined for each damage type. While cotton knitted structures are highly effected fabric for dimensional change damage, fabrics made by staple polyesters are highly effected for pilling damage. As the yarn structure, the ring yarn type was preferred because it plays an active role in the formation of mentioned damages and is the most widely used type. In terms of lint release, cotton knitted fabrics were preferred because natural fibers such as cotton, release much more fibers than synthetic fibers such as polyester, and also knitted structures increase fiber release. In the light of these informations, single jersey knit fabrics consisting of 100% cotton, 95/5 cotton/elastane, 70/30% cotton/polyester and 100% polyester were selected as test samples and used to detect dimensional changes and pilling damages. For lint release tests, textile type was not considered, and a 4 kg customer mix load was created to represent both the customer mix ratio and the lint release. 4 kg load is consisted of 1.5 kilograms 100% cotton single jersey, 1.5 kilograms polyester ballast load, 0.5 kilograms standard cotton towels and 0.5 kilograms of dimensional change and pilling samples were 4 different single jersey fabrics. Dimensional change and pilling were measured at 1st, 3rd, and 5th repetitions, and fiber release was measured with 5 repetitions. Microscopic examinations were also made for dimensional change and pilling.
When the dimensional change test results were analyzed statistically, it was seen that textile type, number of repetitions, drum speed and air flow rate were effective factors on textile shrinkage. All dimensional changes were seen as shrinkage. When the textile types are grouped within themselves, 100% cotton fabric was the fabric that showed the most shrinkage, followed by 95/5% cotton/elastane fabric, and the least shrinking fabric types were 70/30% cotton/polyester and 100% polyester fabrics. The remarkable result for the textile type was that the shrinkage levels of the 70/30% cotton/polyester blend fabric and the 100% polyester fabric did not differ statistically from each other, and the blend fabric resulted very close to the shrinkage of 100% polyester. It has been concluded that adding polyester to cotton to make fabrics will improve the shrinkage problem hugely. When the number of repetitions were grouped within themselves, each repetition fell into a different group and was statistically differentiated. As the number of repetitions increased, the degree of shrinkage also increased, but the rate of increase is gradually decreased. When the drum revolutions are grouped within themselves, 52 rpm caused the most shrinkage, 30 and 41 rpms showed moderate shrinkage, and 63 rpm were the revolution speed that minimized the shrinkage damage. It has been determined that the 30 and 41 cycles provide a reduction in shrinkage due to the application of a lower level of mechanical force to the textiles compared to the 52 cycles. At 63 rpm, due to the high speed, fabrics stick to the drum wall and there is no mechanical force, thus minimizing the shrinkage damage. When the effect of the drum rpm is examined on a textile type, it is seen that 63 rpm makes much more obvious difference in 100% cotton textiles. This difference decreases when polyester is added to the textile, but 52 cycles always gave the worst results for polyester-containing textiles. When the air flow rates are grouped within themselves, the high air flow rate (59 L/s) has a higher and statistically different shrinkage value than the medium and low air flow rates. It is thought that the high air flow rate increases the mechanical force applied to the textiles and causes the textiles to move more and harder, thus increasing the shrinkage. In addition, when the effect of air flow rate on textile type is controlled, it has been determined that as the cotton content increases, the higher the air flow rate increases the shrinkage; as the polyester content increases, the lower the air flow rate increases the shrinkage. It is thought that the increase in cotton may be due to mechanical action and rapid drying, while the increase in polyester may be due to the increase in temperature with the decrease in flow rate. When the 100% cotton sample, which is the type shrinks the most, was examined under the microscope, it was observed that after washing and drying 5 times the gap structure in the knitting was more closed and tighter than before the washing and drying processes, and it was determined that the number of loops per unit area increased.
When pilling test results were analyzed statistically, it was determined that textile type and drum speed were effective parameters and air flow rate was ineffective. When the textile types are grouped within themselves, 100% cotton and 95/5% cotton/elastane samples did not form pilling after 5 repetitions and were in one group, 70/30% cotton/polyester in one group, and 100% polyester another group. The lowest pilling degree which means the most pilling occured sample was the polyester sample. It has been determined that staple polyester fibers keep the fuzz which is formed on the fabric surface, prevent their falling from the surface due to their long and hard fiber structure, and therefore increasing the pilling formation. Cotton/polyester blend also showed high pilling as 100% polyester. When the drum rpms were grouped, only 63 rpm took place in a separate group from the other rpms and showed the lowest pilling which means the highest pilling degree. In addition, when the effect of the number of repetitions on pilling was examined, it was determined that the 1st, 3rd and 5th repetitions diverged from each other, and as the number of repetitions increase, pilling started to occur and increase. When the pilling structures are examined under the microscope, it is seen that there is only fuzz formation on the surface of 100% cotton and cotton/elastane samples, the pilling structure in cotton/polyester mixture was close to the fabric surface, large in structure and mostly consisted of cotton fibers, and in 100% polyester samples, the pilling structure was far to the surface, also it was found to be thinner in structure. It has also been observed that in the cotton/polyester blend sample, the cotton fibers on the surface form a pilling structure when a long polyester fiber wraps them and binds them to the fabric. In addition, it has been determined that surface residues such as dirt also initiate pilling in cotton-containing fabrics.
When the lint release test results were analyzed statistically, the number of repetitions and drum rotation were found to be effective parameters, while the air flow rate was found to be ineffective. The 5 repetitions was divided into 4 groups, the 1st, 2nd, 3rd and 5th repetitions were found in separate groups, while the 4th repetition could not be statistically differentiated with both the 3rd and the 5th repetitions. The highest lint release was in the 1st repetition, and the lint release decreased as the number of repetitions increased. The acceleration of lint release decreased as the number of repetitions increased. When drum revolutions are grouped, 30 rpm caused the highest lint release, 40 and 52 rpms caused moderate lint release, and 63 rpm caused the lowest lint release. The fact that the friction of the fabrics with each other is at the highest level and that the drying time and the mechanical impact time increased due to the low speed rotation were effective in causing the highest fiber release at 30 revolutions. Air flow rate was not directly effective on lint release, but its interaction with drum speed was statistically effective parameter. The use of high air flow (59 L/s) at low revolution speeds (30, 41 rpm) and low air flow (35 L/s) at high revolution speeds (52, 63 rpm) were effective in reducing lint release.
In the statistical study made with the test results, the drying machine parameters, drum speed and air flow were optimized to minimize textile damages such as dimensional change, pilling and lint release; drum speed was determined as 63 rpm and air flow rate was determined as 35 L/s. The repeatability of the test results under the determined optimum condition was also checked and verified.
Dimensional change, pilling and lint release damages were also controlled according to the drying method change. Dimensional change and pilling damages were compared using three different drying methods: flat drying, tumble dryer cotton program drying, and drying with the newly developed optimum algorithm. In the lint release comparison tests, flat-drying was not evaluated. Dimensional change is examined on 100% cotton fabric, it was 4.78% for flat-drying, 9.08% for dryer cotton program, and 5.78% for the newly developed optimum algorithm. Optimum algorithm shrinks 3.3% less than the current dryer program, which means approximately one size of shrinkage is saved. Cotton/polyester blend and 100% polyester fabrics, which showed pilling in pilling tests, was tested, and optimum algorithm resulted in same level of pilling with flat drying, while the current dryer cotton program showed a half-level worse pilling. With developed optimum algorithm, tumble drying releated pilling is eliminated. When lint release is compared in terms of both the average and the total of 5 repetitions, the developed optimum algorithm produced 62% less lint release than the current cotton program. Considering all the results together, with new optimum algorithm 1 size of shrinkage is saved, the pilling effect of dryer is eliminated and lint release is reduced by 62% compared to the current cotton program in the dryers.