Çamaşır kurutma makinelerinde oluşan mekanik kayıpların incelenmesi ve yataklama sistemi optimizasyonu
Investigation of mechanical losses in laundry drying machines and optimization of bearing system
Yazar: ADEM KAYTAZ
Danışman: DOÇ. DR. ZEYNEP PARLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde enerjinin akıllıca kullanımı her geçen gün önem kazanmaktadır. Buna bağlı olarak özellikle beyaz eşya sektöründe enerji tüketimini en aza indirmeye yönelik çalışmalar yoğunluk kazanmaktadır. Modern yaşantıdaki kullanımı giderek artmakta olan yeni nesil çamaşır kurutma makinalarının; mekanik kayıplarının incelenmesi, yataklama sisteminin optimizasyonu ve buna bağlı olarak enerji sarfiyatının iyileştirilmesi, bu çalışmanın ana amacını oluşturmaktadır.
Kullanımı 20. yüzyıl başlarına dayansa da, çamaşır kurutma makinaları Türkiye'de son yıllarda yaygınlaşmaya başlamış ve yeni bir sektör oluşturmuştur. Çamaşır kurutma makinaları; özellikle kırsal yerleşimden şehir yerleşimine geçişin, küçük ya da balkonsuz apartman dairelerinde yaşamı beraberinde getirmesiyle önemini artırmıştır. Şehir hayatı içerisinde, balkon benzeri açık alanlarda çamaşır kurutmak görüntü kirliliği yaratmakta ve hava kirliliğinin yüksek olduğu bölgelerde bazı olumsuzluklara neden olmaktadır. Bunun yanında kış aylarında düşen hava sıcaklıkları, çamaşırların balkon gibi açık hava ortamında kurutulmasını zorlaştırmaktadır. Özellikle tüm yıl boyunca görece düşük hava sıcaklıklarına sahip kuzey ülkelerinde çamaşırların açık havada kurutulması pek mümkün olmamaktadır.
Çamaşır kurutma makinalarının genel fonksiyonları; yıkama sonrası nemli çamaşırları düşük devirle dönen bir tambur içerisinde sıcak hava yardımı ile kurutmaktır. Kurutma sonrası bazen ütüleme dahi gerektirmemesi sebebi ile bu makinalar, yeni apartman yaşamına uyum sağlamakta, aynı zamanda ciddi bir zaman kazancı da oluşturmaktadır.
Dünyada elektrik üretimi için kullanılan enerji kaynaklarının büyük bir kısmını petrol, doğal gaz ve kömür gibi fosil yakıtlar oluşturmaktadır. Fosil yakıtların oluşturduğu karbon salınımı nedeni ile giderek artan küresel ısınma tehdidi, enerji kaynaklarının değiştirilmesinin yanında enerji sarfiyatının da düşürülmesini zorunlu kılmaktadır.
Son yıllarda dünyada enerji kaynakları ile ilgili yaşanan sıkıntı birçok sektörde olduğu gibi beyaz eşya sektöründe de belirli enerji tüketim kısıtlarını beraberinde getirmiştir. Belirli standartlar doğrultusunda beyaz eşyalar enerji tüketim sınıfına ayrılmakta ve bu sınıfları ülke pazarlarına giriş niteliği dahi taşımaktadır. Bu nedenle bir makinanın enerji tüketimi miktarının az olması ekonomik ve küresel avantaj yaratmaktadır.
Türkiye'de kişi başına düşen yıllık enerji tüketimi 2015 yılında 3373 kWh olmuştur. Bu değer 2015 yılı için dünya genelinde 3060kWh iken, ABD'de 13000kWh, Japonya'da 7750kWh ve Avrupa'da 5500kWh civarındadır. Gelişmiş ülkelerde oldukça yüksek olan bu değer, Türkiye gibi gelişmekte olan ülkelerde de hızla artmaktadır. Tüketicilerin elektrik kullanımını düşürmek için, bu konuda tüketicileri bilgilendirmenin yanında, az enerji sarfiyatı olan ürünler kullanmalarını sağlamakta gerekmektedir. Bu sebeple günlük yaşantıda sıkça kullanılan beyaz eşya makinalarının verimlerini artırmak önem kazanmıştır.
Çamaşır kurutma makinaları, enerji verimliliği sınıfını gösteren enerji etiketi ile satılmaktadır. Enerji sınıfları A+++, A++, A+, A, B, C ve D olarak 7'e ayrılmıştır. A sınıfı en verimli sınıfı temsil etmektedir ve her geçen gün enerji sarfiyatı düşürülerek, enerji verimliliği artırılmaktadır. Bu çalışmanın temel amacı A sınıfı enerji verimliliğine sahip çamaşır kurutma makinalarının mekanik kayıplarının belirlenmesi ve yataklama sisteminin optimizasyonu ile enerji sarfiyatının düşürülmesidir.
Çamaşır kurutma makinelerinin enerji sınıflarını belirlemede enerji verimlilik katsayısı(EEI) kullanılır. Bu katsayı ilgili regülasyonda belirtilen koşullarla yapılan, kurutma testinde makinanın harcadığı elektrik enerjisine göre hesaplanır. Çalışma ile enerji verimlilik katsayısının(EEI) nasıl hesaplandığı gösterilmiştir. Enerji sarfiyatının düşürülmesi bu değerin düşmesini sağlamış ve böylelikle enerji sınıfı yükselmiştir.
Çalışmaya başlamadan önce çamaşır kurutma makinesi tipleri anlatılmış ve her tipin çalışma prensipleri açıklanmıştır. Ayrıca literatür taraması yapılarak benzer çalışmalar incelenmiştir. Çamaşır kurutma makinesinde bulunan mevcut yataklama sisteminin iyileştirilmesi ile ilgili yapılan patent başvuruları bulunmuş ve çalışma öncesi incelenmiştir.
Çamaşır kurutma makinelerinde tahrik sistemi; motor, tambur, tambur yataklaması ve tambura motordan güç aktarımı için kullanılan kayış kasnak sisteminden oluşmaktadır. Çalışma şartlarında motor belirli bir verimde olduğundan çalışmanın dışında bırakılmıştır. Tahrik sistemi incelemesine kayış kasnak sistemi ile başlanmış ve daha sonra tambur, tambur yataklaması ve tambura etki eden sızdırmazlık elemanları ile devam edilmiştir.
Şasi üzerine montaj edilen 2900 d/dk dönme hızına sahip olan motor ile tüm sistem tahrik edilmektedir. Motor çıkış milinden alınan dönme hareketi, iki kademeli bir kayış kasnak mekanizması ile tambura aktarılmakta ve tamburun 54,2 d/dk'da hızda dönmesi sağlanmaktadır. Tambur, ön tarafta yataklama parçası üzerindeki iki adet tekerlekle yataklanmaktadır. Tambur arka tarafta ise bir küresel yatak ile yataklanmıştır. Ayrıca Çamaşır kurutma makinesinde proses havasının sistem dışına kaçmaması için iki ayrı sızdırmazlık elemanı bulunmaktadır. Sızdırmazlık elemanlarından biri tambura önden, diğeri ise tambura arkadan temas halindedir. Tamburun döndürülmesi için harcanan enerjinin bir kısmı, tahrik sisteminde bulunan elemanlara, bir kısmı ise sızdırmazlık elemanlarına gitmektedir.
Çalışma ile kayış kasnak sistemi incelenmiştir. Tambur kayışına ait sarılma açısı, kayış kollarında oluşan kuvvetler ve kayış kayma oranı hesaplanmıştır. Özellikle kayış kollarında oluşan kuvvetlerin bulunması ile tambur üzerine etki eden kuvvetler bulunmuştur.
Çalışmanın bir diğer bölümünde ise tambur sistemi incelenmiştir. Bazı kabuller yapılarak tambur için kuvvet dengesi kurulmuş ve tambur yataklama elemanlarına gelen kuvvetler hesaplanmıştır. Bu hesaplama hem sürtünmesiz hem de sürtünmeli denge için yapılmıştır. Daha sonra tambur üzerine etki eden sürtünme momentleri hesaplanmıştır. Böylelikle tambura aktarılan dönme momentinin %43'ünün yataklama sistemine, %57'sinin ise sızdırmazlık elemanlarına harcandığı bulunmuştur.
Deneysel çalışmalar ile öncelikle tahrik sisteminin kullandığı güç değeri bulunmuştur. Daha sonra ön ve arka sızdırmazlık elemanları çamaşır kurutma makinesinden ayrı ayrı çıkarılarak yapılan deneylerde, her iki sızdırmazlık elemanına harcanan güç bulunmuştur. Her iki sızdırmazlık sistemine harcanan güç tamburun döndürülmesi için harcanan gücün %60'ı kadardır. Kalan %40'lık kısmın ise yataklama elemanlarına gittiği tahmin edilmiştir. Hem yapılan hesaplamalar hem de deneysel çalışmalar göstermiştir ki tambur sisteminde oluşan en büyük enerji kayıpları sızdırmazlık elemanlarında oluşmaktadır. Ancak sızdırmazlık elemanları çalışma kapsamı dışında bırakıldığından, bu kayıplara odaklanılmamıştır. Mekanik kayıpların azaltılması için sızdırmazlık sisteminin iyileştirilmesinin dışında, ikinci en önemli noktanın ön yataklama sisteminin iyileştirilmesi olduğu tespit edilmiştir.
Yataklama sisteminde, tambura iletilen momentin %43'lük kısmının harcandığı teorik olarak hesaplanmıştır. Bu kaybın %2'lik kısmı arka yataklamada, %41'lik kısmının ise ön yataklamada oluştuğu hesaplanmıştır. Ön yataklamada oluşan kaybın %26'lık kısmı sağ tekerlekte, %15'lik kısmının ise sol tekerlekte oluştuğu hesaplanmıştır. Sağ tekerlekte, sol tekerleğe göre yaklaşık %11 daha fazla sürtünme kaybı oluştuğu görülmüştür. Bu farkın tekerlek konumlarının farklı olmasından kaynaklandığı ortaya koyulmuştur. Farklı teker konumlarında farklı tepki kuvvetleri oluştuğu ve tambura etki eden sürtünme torkunun değiştiği hesaplanmıştır.
Ön yataklama için yapılan bu hesaplamalar sayesinde, tekerlek konumlarının optimizasyonu ile tambur üzerinde oluşan sürtünme torkunun düşürüleceği öngörülmüştür. Böylece çamaşır kurutma makinesinin mekanik enerji sarfiyatında düşüş sağlanacaktır.
Yapılan hesaplamaları doğrulamak için ön yataklama bölgesine takılabilen ve tekerlek konumlarının değiştirilmesine olanak sağlayan bir prototip aparat yapılmıştır. Yapılan bu aparat ile tekerlek konumları rahatlıkla değiştirilebilmektedir. Farklı tekerlek konumları için teorik hesaplamalar ışığında deneyler yapılmış ve çamaşır kurutma makinasının enerji sarfiyatı ölçülmüştür.
Konstrüksiyon sınırları gereği oluşan uygulanabilir alan göz önüne alındığında, teker konumlarının değiştirilebileceği sınırlı bir alan kalmaktadır. Bu alanda minimum enerji sarfiyatı sağlayan tekerlek konumlarının, sol tekerin konumunun düşeyle yaptığı açının 48° ve sağ tekerin konumunun düşey ile yaptığı açının 22,5° olması gerektiği bulunmuştur.
Yapılan ön yataklama tekerlek konumlarının optimizasyonu ile önerilen konum (sol tekerlek konumunun düşey ile yaptığı açının 48° ve sağ tekerlek konumunun düşey ile yaptığı açının 22,5° olduğu) için mekanik kayıplarda %3'lük bir iyileşme sağlanmıştır. Bu iyileşme makinanın ağırlıklı ortalama enerji tüketiminde(Et) %2'lik bir iyileşme sağlamıştır. Öte yandan, beklendiği gibi ağırlıklı ortalama program süresinde(Tt) değişiklik yaratmamıştır. Enerji verimlilik katsayısı(EEI) çalışma öncesi 21,5 olup makinanın enerji sınıfı A+++(-%10)'dur. Yapılan çalışma ile enerji verimlilik katsayısı(EEI) 21 olmuş ve enerji sınıfı A+++(-%12,5) çıkarılmıştır.
Düşük enerji sınıfına sahip makinelere de uygulanması düşünülen çalışma, B sınıfı bir makinada 10 kwh'lik bir yıllık enerji kazancını sağlamaktadır. Yapılan iyileştirme çalışmasının yaklaşık bir milyon makinaya uygulanması düşünülmüştür. Farklı enerji sınıflarındaki bu makinalar için ortalama 10kwh'lik bir iyileştirme yapıldığı varsayımıyla, toplamda yıllık 10 milyon kwh'lik bir iyileşme sağlanmıştır. Dünyadaki kişi başı yıllık enerji tüketiminin 3060 kwh olduğunu düşünürsek, yapılacak iyileşme ile yaklaşık 3270 kişinin 1 yıllık enerji ihtiyacı karşılanmış olur. Bir başka deyişle yaklaşık 39200 kişinin 1 aylık enerji ihtiyacı karşılanmış olur.
Enerjinin verimli kullanımı için bu çalışmada anlatılan, kurutma makinalarında mekanik kayıpların azaltılması ile enerji sarfiyatının düşürülmesi gibi daha birçok çalışma ile kişi başı yıllık enerji tüketimi azaltılabilir.

Abstract:
Nowadays, the wise use of energy is getting more important every day. As a result, the studies aiming to reduce the energy consumption in the white goods sector are becoming more intense. The usages of new generation of laundry drying machines are increasing in modern life. Therefore, the optimization of the bearing system and the improvement of the energy consumption accordingly constitute the main objective of this study.
Despite its use at the beginning of the 20th century, tumble dryers have become widespread in Turkey in recent years and have created a new sector. Especially the transition from rural settlements to urban settlements brought together houses with small or no balcony. In urban life, drying laundry in open areas like balconies creates visual pollution and causes some problems in areas where air pollution is high. In addition, low temperatures in the winter months make it difficult to dry clothes in the open-air environment, such as balconies. Laundry drying machines adapt to the new city life and at the same time generate significant timesaving.
General functions of drying machines; after the washing process, drying the moist laundry with the help of hot air in a rotating drum rotating at low speed. Because they do not even require ironing after drying, these machines adapt to the new apartment life and provide a significant time saving.
Most of the energy resources used for electricity generation in the world are fossil fuels such as oil, natural gas and coal. The global warming threat, which is increasingly caused by the carbon emissions of fossil fuels, necessitates reducing energy consumption as well as changing energy sources.
In recent years, the concerns about energy resources in the world have brought certain energy consumption constraints in the white goods sector as well as in many sectors. For this reason, the low amount of energy consumed by a machine creates an economic and global advantage.
Annual energy consumption per capita in Turkey is 3373 kWh in 2015. This value is 3060 kWh worldwide for 2015, 13000 kWh in the US, 7750 kWh in Japan and 5500 kWh in Europe. This value, which is high in developed countries, is also rapidly increasing in developing countries like Turkey. In order to reduce the electricity usage of the consumers, we must inform the consumers about this and provide products with low energy consumption. For this reason, it is important to increase the efficiency of white goods machines, which are frequently used in everyday life.
Energy classes are divided into 7 classes as A +++, A ++, A +, A, B, C and D. Class A represents the most productive class and energy efficiency is being improved by reducing energy consumption day by day. The main purpose of this study is to determine the mechanical losses of laundry dryer machine with energy efficiency of A class and to reduce the energy consumption by optimizing the bearing system of drum.
The energy efficiency coefficient (EEI) is used to determine the energy classes of the drying machines. This coefficient is calculated according to the electrical energy consumed by the machine in the drying test, which is done with the conditions specified in the relevant regulation. The study shows how the energy efficiency coefficient (EEI) is calculated. Reducing the energy consumption has reduced this value so that the energy class of the drying machine has been increased.
Before starting to work, the types of tumble dryer are shown and the working principle of each type is explained. In addition, similar studies were investigated by literature review. The patent applications relating to the improvement of the existing bearing system in the tumble dryer have been found and examined before the study.
In drying machines; the drive system consists of motor, drum, drum bearing and belt-pulley system used for power transmission. The motor has been excluded from the study due to the fact that the motor has a certain efficiency in working conditions. Inspection of the drive system is started with the belt-pulley system and then continued with drum, drum bearing and sealing elements.
The entire system is driven by the engine mounted on the chassis with a rotational speed of 2900 rpm. The rotation motion of the motor output shaft is transmitted by a two-stage belt-pulley mechanism to rotate the drum at a speed of 54.2 rpm. On the front side, the drum is mounted with two wheels. On the rear side, the drum is bedded with a spherical bearing. In addition, there are two separate sealing elements in the tumble dryer to prevent the process air from escaping out of the system. One of the sealing elements is in contact with the front of drum and the other is in contact with the rear of drum. Some of the energy used to spin the drum goes to the elements in the drive system and some to the seal elements.
The study examined the belt-pulley system. The contact angle of the drum belt, the forces generated in the belt arms and the belt slip rate were calculated. In particular, the forces acting on the drum are found by the presence of the forces that occur in the belt arms.
In another part of the study, the drum system was examined. Some assumptions were made to establish the force balance for the drum and the forces coming into the drum bearing were calculated. This calculation was made for both frictionless and frictional balance. Friction moments acting on the drum were then calculated. Thus, it was found that 43% of the rotational torque transferred to the drum was spent on the bearing system and 57% of the torque transmitted to the seals.
Experimental studies have found the power value used in the drive system. Then, in tests carried out by removing the front and rear seal members separately from the tumble dryer, the force exerted on both seal members was found. The power spent on both sealing systems is up to 60% of the power required to spin the drum. The remaining 40% is estimated to be spent on bearing elements. Both the calculations made and the experimental work have shown that the greatest energy losses in the drum system occur in the sealing elements. However, since the sealing elements are excluded from the scope of the study, this loss is not focused. In addition to improving the sealing system to reduce mechanical losses, it has been found that improving the bearing system is the second most important point.
It is theoretically calculated that 43% of the moment transmitted to the wheel is spent in the bearing system. It is estimated that 2% of this loss is in the rear bearing and 41% in the front bearing. It has been estimated that 26% of the loss in the front bearing is in the right wheel and 15% in the left wheel. It has been seen that the right wheel has an approximately 11% greater friction loss than the left wheel. This difference is caused by different wheel positions. It has been calculated that different reaction forces are generated at different wheel positions and the frictional torque acting on the wheel changes.
With these calculations made for front bearing, it is predicted that the friction torque generated on the drum will be reduced by optimizing the wheel positions. Thus, the mechanical energy consumption of the laundry drying machine will be reduced.
A prototype apparatus which can be attached to the front bearing zone was built to confirm the theoretical calculations. This apparatus allows the wheel positions to be changed. With this apparatus, the wheel positions can be changed easily. In the light of theoretical calculations, experiments were conducted for different wheel positions and the energy consumption of the tumble dryer was measured.
Given the available space required by the construction boundaries, there is a limited area where the wheel positions can be changed. It has been found that the wheel positions providing minimum energy consumption in this area should be 48 ° angle of the vertical position of the left wheel position and 22.5 ° angle of the right wheel position with the vertical position.
Optimization of the wheel positions has resulted in an improvement of 3% in mechanical losses for the recommended position (48 ° of the angle of the left wheel with the vertical and 22.5 ° of the angle of the right wheel with the vertical). This improvement provided a 2% improvement in the weighted average energy consumption of the drying machine. On the other hand, as expected, the weighted average program time did not change. The energy efficiency coefficient (EEI) is 21.5 before the study and the energy class of the machine is A +++ (-10%). Energy efficiency coefficient (EEI) has been 21 with improvements made. Thus, the energy class is increased to A +++ (-12.5%).
The study, which is intended to be applied to machines with a low energy class, provides an annual energy gain of 10 kWh in a class B dryer machine. The implementation of the improvement work has been considered to be applied to approximately one million tumble dryer machines. Assuming an average improvement of 10 kWh for these machines of different energy classes, a total improvement of 10 million kWh per year has been achieved. If we think that the annual per capita energy consumption of the world is 3060 kWh, the improvement to be made will meet the annual energy requirement of about 3270 people. In other words, a monthly energy requirement of about 39200 people can be met.
In order to ensure efficient use of energy, annual energy consumption per person can be reduced by many more studies such as reduction of mechanical losses and reduction of energy consumption in the drying machines described in this study.